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1、伺服系统概述第1页，本讲稿共35页第第1212讲内容讲内容伺服系统概述伺服系统概述伺服系统的执行元件概述伺服系统的执行元件概述控制电动机控制电动机伺服系统设计伺服系统设计第2页，本讲稿共35页第一节第一节 伺服系统概述伺服系统概述n伺服系统基本概念伺服系统基本概念n伺服系统基本类型伺服系统基本类型n伺服系统基本要求伺服系统基本要求第3页，本讲稿共35页伺服来自英文单词Servo，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。一、伺服系统基本概念一、伺服系统基本概念 电气控制装置电
2、气控制装置机械执行机械执行装置装置执行元件执行元件传传感感器器伺服系统组成图伺服系统组成图机械执行装置部分机械执行装置部分由两部分组成：由两部分组成：电气控制装置部分电气控制装置部分第4页，本讲稿共35页伺服系统的结构组成伺服系统的结构组成 机机电电一一体体化化的的伺伺服服控控制制系系统统的的结结构构、类类型型繁繁多多，但但从从自自动动控控制制理理论论的的角角度度来来分分析析，伺伺服服控控制制系系统统一一般般包包括括控控控控制制制制器器器器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节被控对象、执行环节、检测环节、比较环节被控对象、执行环节、检测环节、比较环节被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等
3、五部分。等五部分。比较比较比较比较元件元件元件元件调节调节调节调节元件元件元件元件执行执行执行执行元件元件元件元件被控被控被控被控对象对象对象对象测量、反测量、反测量、反测量、反馈元件馈元件馈元件馈元件输入指令输入指令输入指令输入指令输出量输出量输出量输出量伺服系统组成原理框图伺服系统组成原理框图第5页，本讲稿共35页1.1.比较环节比较环节 比比较较环环节节是是将将输输入入的的指指令令信信号号与与系系统统的的反反馈馈信信号号进进行行比比较较，以以获获得得输输出出与与输输入入间间的的偏偏差差信信号号的的环环节节，通通常常由由专专门门的的电电路路或或计计算算机机来来实实现。现。2.2.控制器控制
4、器 控控制制器器通通常常是是计计算算机机或或PIDPID（比比例例、积积分分和和微微分分）控控制制电电路路，其其主主要要任任务务是是对对比比较较元元件件输输出出的的偏偏差差信信号号进进行行变变换换处处理理，以以控控制执行元件按要求动作。制执行元件按要求动作。第6页，本讲稿共35页3.3.执行环节执行环节 执执行行环环节节的的作作用用是是按按控控制制信信号号的的要要求求，将将输输入入的的各各种种形形式式的的能能量量转转化化成成机机械械能能，驱驱动动被被控控对对象象工工作作。机机电电一一体体化化系系统统中中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构
5、等。4.被控对象被控对象 5.检测环节检测环节 检检测测环环节节是是指指能能够够对对输输出出进进行行测测量量并并转转换换成成比比较较环环节节所所需需要要的的量量纲纲的装置，一般包括传感器和转换电路。的装置，一般包括传感器和转换电路。第7页，本讲稿共35页 伺服系统与一般机床的进给系统有本质上差别，它能根据指令信伺服系统与一般机床的进给系统有本质上差别，它能根据指令信伺服系统与一般机床的进给系统有本质上差别，它能根据指令信伺服系统与一般机床的进给系统有本质上差别，它能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置号精确地控制执行部件的运动速度与位置号精确地控制执行部件的运动速度与位置号精确地控制
6、执行部件的运动速度与位置 伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是数控系统的重要组成伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是数控系统的重要组成伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是数控系统的重要组成伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是数控系统的重要组成伺服系统的特点和功用伺服系统的特点和功用第8页，本讲稿共35页n 按控制原理分 有开环、闭环和半闭环三种形式n 按被控制量性质分 有位移、速度、力和力矩等伺服系统形式n 按驱动方式分 有电气、液压和气压等伺服驱动形式n 按执行元件分 有步进电机伺服、直流电机伺服和交流电机伺服形式 二、伺服系统基本类型二、伺服系统基本类型 第9页，本讲稿共35页 精
7、度高：精度高：精度高：精度高：稳定性好：稳定性好：稳定性好：稳定性好：快速响应：快速响应：快速响应：快速响应：调速范围宽：调速范围宽：调速范围宽：调速范围宽：低速大转矩：低速大转矩：低速大转矩：低速大转矩：三、三、伺服系统基本要求伺服系统基本要求第10页，本讲稿共35页 精度精度:指输出量复现输入指令信号的精确程度，通常用稳态误指输出量复现输入指令信号的精确程度，通常用稳态误差表示差表示影响伺服系统精度的因素：影响伺服系统精度的因素：组成元件本身误差组成元件本身误差组成元件本身误差组成元件本身误差传感器的灵敏度和精度传感器的灵敏度和精度传感器的灵敏度和精度传感器的灵敏度和精度伺服放大器的零点漂
8、移和死区误差伺服放大器的零点漂移和死区误差伺服放大器的零点漂移和死区误差伺服放大器的零点漂移和死区误差机械装置反向间隙和传动误差机械装置反向间隙和传动误差机械装置反向间隙和传动误差机械装置反向间隙和传动误差各元器件的非线性因素等各元器件的非线性因素等各元器件的非线性因素等各元器件的非线性因素等系统本身系统本身系统本身系统本身结构形式结构形式结构形式结构形式输入指令信号的形式输入指令信号的形式输入指令信号的形式输入指令信号的形式 三、三、伺服系统基本要求伺服系统基本要求第11页，本讲稿共35页 在零速时，伺服系统处于在零速时，伺服系统处于 “锁定锁定”状态，即惯性小。状态，即惯性小。要求：要求：
9、调速范围调速范围调速范围调速范围 是伺服系统提供的最高速与最低速之比是伺服系统提供的最高速与最低速之比是伺服系统提供的最高速与最低速之比是伺服系统提供的最高速与最低速之比 要大，并且在该范围内，速度稳定；要大，并且在该范围内，速度稳定；无论高速低速下，输出力或力矩稳定，低速驱动时，能输出额定的无论高速低速下，输出力或力矩稳定，低速驱动时，能输出额定的力力 或力矩；或力矩；响应速度响应速度:是衡量伺服系统动态性能的重要指标是衡量伺服系统动态性能的重要指标第12页，本讲稿共35页应变能力指能承受频繁的启动、制动、加速、减速的冲应变能力指能承受频繁的启动、制动、加速、减速的冲击；击；过载能力指在低速
10、大转矩时，能承受较长时间的过载而不致损过载能力指在低速大转矩时，能承受较长时间的过载而不致损坏。坏。低速大转矩低速大转矩第13页，本讲稿共35页第二节第二节 伺服系统的执行元件概述伺服系统的执行元件概述n执行元件的种类及特点执行元件的种类及特点n执行元件的基本要求执行元件的基本要求n常用的控制用电机常用的控制用电机第14页，本讲稿共35页 一、执行元件的种类及其特点一、执行元件的种类及其特点 第15页，本讲稿共35页1.电气执行元件电气执行元件 电气执行元件包括直流电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（伺服电机、交流（AC）伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元伺服电机、步进电
11、机以及电磁铁等，是最常用的执行元件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性能好，适合于频繁使用，便于维修等性能好，适合于频繁使用，便于维修等 2液压式执行元件液压式执行元件 液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点 3气压式执行元件气压式执行元件 气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液气压式执行元件除了
12、用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。第16页，本讲稿共35页异步电动机感应电动机离合器电动机永磁同步电动机微型直流减速电动机电磁式电磁式第17页，本讲稿共35页液液压式式 第18页，本讲稿共35页第19页，本讲稿共35页气压式气压式第20页，本讲稿共35页应用：液压系统用于需大的功率重型设备应用：液压系统用于需大的功率重型设备;气动用于工件夹
13、紧、输送等气动用于工件夹紧、输送等自动化生产线自动化生产线;电动应用最广泛电动应用最广泛.种类种类特点特点优点优点缺点缺点电电气气式式 可用商业电源；信号可用商业电源；信号与动力传送方向相同；与动力传送方向相同；有交流直流之分；注意有交流直流之分；注意使用电压和功率。使用电压和功率。操作简便；编程容易；操作简便；编程容易；能实现定位伺服控制；能实现定位伺服控制；响应快、易与计算机响应快、易与计算机（CPUCPU）连接；体积小、）连接；体积小、动力大、无污染。动力大、无污染。瞬时输出功率大；过载瞬时输出功率大；过载差；一旦卡死，会引起差；一旦卡死，会引起烧毁事故；受外界噪音烧毁事故；受外界噪音影
14、响大。影响大。气气压压式式 气体压力源压力气体压力源压力5757MpaMpa；要求操作人；要求操作人员技术熟练。员技术熟练。气源方便、成本低；无气源方便、成本低；无泄露而污染环境；速度泄露而污染环境；速度快、操作简便。快、操作简便。功率小、体积大、难于功率小、体积大、难于小型化；动作不平稳、小型化；动作不平稳、远距离传输困难；噪音远距离传输困难；噪音大；难于伺服。大；难于伺服。液液压压式式 液体压力源压力液体压力源压力20802080MpaMpa；要求操作；要求操作人员技术熟练。人员技术熟练。输出功率大，速度快、输出功率大，速度快、动作平稳，可实现定位动作平稳，可实现定位伺服控制；易与计算机伺
15、服控制；易与计算机（CPUCPU）连接。）连接。设备难于小型化；液压设备难于小型化；液压源和液压油要求严格；源和液压油要求严格；易产生泄露而污染环境。易产生泄露而污染环境。第21页，本讲稿共35页气压系统与液压系统的比较气压系统与液压系统的比较1.空气可以从大气中取之不竭且不易堵塞；将用过的气体排入大气，空气可以从大气中取之不竭且不易堵塞；将用过的气体排入大气，无需回气管路处理方便；泄漏不会严重的影响工作，不污染环境。无需回气管路处理方便；泄漏不会严重的影响工作，不污染环境。2.空气粘性很小，在管路中的沿程压力损失为液压系统的干分之一，易于远空气粘性很小，在管路中的沿程压力损失为液压系统的干分
16、之一，易于远距离控制。距离控制。3.工作压力低可降低对气动元件的材料和制造精度要求。工作压力低可降低对气动元件的材料和制造精度要求。4.对开环控制系统，它相对液压传动具有动作迅速、响应快的优点。对开环控制系统，它相对液压传动具有动作迅速、响应快的优点。5.维护简便，使用安全，没有防火、防爆问题；适用于石油、化工、农药及维护简便，使用安全，没有防火、防爆问题；适用于石油、化工、农药及矿山机械的特殊要求。对于无油的气动控制系统则特别适用于无线电元器矿山机械的特殊要求。对于无油的气动控制系统则特别适用于无线电元器件生产过程，也适用于食品和医药的生产过程。件生产过程，也适用于食品和医药的生产过程。第2
17、2页，本讲稿共35页1.惯量小、动力大惯量小、动力大2.体积小、重量轻体积小、重量轻3.便于维修、安装便于维修、安装4.宜于微机控制宜于微机控制二、执行元件的基本要求二、执行元件的基本要求第23页，本讲稿共35页 控制用电机是电气伺服控制系统的动力部件。它是控制用电机是电气伺服控制系统的动力部件。它是将电能转换将电能转换为机械能的一种能量转换装置。为机械能的一种能量转换装置。机电一体化产品中机电一体化产品中常用的控制用电常用的控制用电机是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电机。机是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电机。三、三、常用的控制用电机常用的控制用电机 控制用电机有回转和直线驱动电机，
18、通过电压、电流、频控制用电机有回转和直线驱动电机，通过电压、电流、频率率(包括指令脉冲包括指令脉冲)等控制，实现定速、变速驱动或反复启动、等控制，实现定速、变速驱动或反复启动、停止的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱动对象的不停止的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱动对象的不同而不同。同而不同。第24页，本讲稿共35页步进电机（步进电机（Stepping Motor）直流伺服电机直流伺服电机(DC Servo Motor)交流伺服电机交流伺服电机(AC Servo Motor)伺服伺服伺服伺服驱动电机一般是指：驱动电机一般是指：第25页，本讲稿共35页第26页，本讲稿共35页主要有：开
19、环控制、半闭环控制、闭环控制三种。主要有：开环控制、半闭环控制、闭环控制三种。闭环系统闭环系统:驱动系统具有位置驱动系统具有位置(或速度或速度)反馈环节反馈环节开环系统开环系统:没有位置与速度反馈环节没有位置与速度反馈环节常用伺服控制电动机的控制方式常用伺服控制电动机的控制方式第27页，本讲稿共35页q开环数控系统n没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好。电机电机机械执行部件机械执行部件A相、相、B相相C相、相、f、nCNC插补指令插补指令脉冲频率脉冲频率f脉冲个数脉冲个数n换算换算脉冲环脉冲环形分配形分配变换变换功率功率放大放大第28页，本讲稿共35页q无位置反
20、馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。q一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。q这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。第29页，本讲稿共35页q 半闭环数控系统n半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。位置控制调节位置控制调节器器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈单检测与反馈单元元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机
21、械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈第30页，本讲稿共35页n半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。n由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。n半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。第31页，本讲稿共35页q 全闭环数控系统n全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。位置控制调节位置控制调节器器
22、速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈检测与反馈单元单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈第32页，本讲稿共35页n从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。n由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。n该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。第33页，本讲稿共35页1、从从自自动动控控制制理理论论的
23、的角角度度来来分分析析，伺伺服服控控制制系系统统一一般般包包括括 、等五部分。等五部分。比较比较比较比较元件元件元件元件调节调节调节调节元件元件元件元件执行执行执行执行元件元件元件元件被控被控被控被控对象对象对象对象测量、反测量、反测量、反测量、反馈元件馈元件馈元件馈元件输入指令输入指令输入指令输入指令输出量输出量输出量输出量伺服系统组成原理框图伺服系统组成原理框图 习题习题控制器控制器控制器控制器 被控对象被控对象被控对象被控对象 执行环节执行环节执行环节执行环节 检测环节检测环节检测环节检测环节 比较环节比较环节比较环节比较环节第34页，本讲稿共35页1、伺服系统基本类型、伺服系统基本类型n按控制原理分为 三种形式n按被控制量性质分 、等伺服系统形式n按驱动方式分 、和 等伺服驱动形式n按执行元件分 、伺服形式 习题习题开环、开环、开环、开环、闭环闭环闭环闭环 和和和和 半闭环半闭环半闭环半闭环有位移有位移有位移有位移 速度速度速度速度 力力力力 力矩力矩力矩力矩电气电气电气电气 液压液压液压液压 气压气压气压气压步进电机伺服步进电机伺服步进电机伺服步进电机伺服 直流电机伺服直流电机伺服直流电机伺服直流电机伺服 交流电机交流电机交流电机交流电机第35页，本讲稿共35页