伺服驱动系统概述
伺服驱动器_原理_概述及解释说明
伺服驱动器原理概述及解释说明1. 引言1.1 概述伺服驱动器作为一种关键的控制设备，在现代工业中发挥着重要的作用。
它主要用于控制电机和执行器的运动，通过实时监测和调整输出信号，使得目标位置或速度可以精确控制。
伺服驱动器具有高精度、高稳定性和高可靠性等特点，已广泛应用于机械加工、自动化生产线、机器人技术等领域。
1.2 文章结构本文将分为五个部分进行介绍和解释说明。
首先，在引言部分我们将对伺服驱动器的基本概念和原理进行简要叙述，并明确文章的研究框架。
其次，我们将详细讲解伺服驱动器的原理，包括定义与基本原理、控制系统组成以及运行方式和特点等方面内容。
然后，我们将对伺服驱动器进行概述，涉及其发展历史、应用领域与需求以及常见类型和分类等方面。
接下来，我们会在第四部分解释说明伺服驱动器的工作原理，重点介绍反馈系统、控制算法和实时响应性能以及电机控制和反馈信号处理技术等内容。
最后，在结论部分，我们将总结主要内容与观点、归纳核心意义和应用价值，并展望未来伺服驱动器的发展方向。
1.3 目的本文旨在全面介绍伺服驱动器的原理与概述，并解释说明其工作原理。
通过对伺服驱动器的深入研究和分析，可以帮助读者更好地理解和运用伺服驱动器技术，并为相关领域的工程师、学者和爱好者提供有益信息和启示。
此外，文章还致力于探讨未来伺服驱动器发展的趋势和前景，以期推动相关技术的进步与创新。
2. 伺服驱动器原理：2.1 定义与基本原理伺服驱动器是一种用于控制伺服电机运动的设备，通过将输入信号转换为输出控制信号来实现精确的位置、速度和加速度控制。
它主要由控制系统和执行系统两部分组成。
基本原理是通过接收反馈信号并与参考输入进行比较，根据误差信号来调整输出信号，以使系统稳定在期望的状态。
伺服驱动器可以实现高精度和高性能的运动控制，广泛应用于自动化领域。
2.2 控制系统组成伺服驱动器的控制系统主要由下列几个组成部分构成：- 参考输入：指定所需的运动参数，如位置、速度和加速度。
伺服驱动系统
参考资料：/%C5%C9%BF%CB652/blog/item/6dc3505e89715b411038c2a 8.html数控机床中的伺服驱动系统取代了传统机床的机械传动，是数控机床的重要特征之一，因此在一定意义上，伺服驱动系统的性能和可靠性决定了整台数控机床的性能和可靠性。
位置伺服驱动系统是由驱动系统与ＣＮＣ系统中的位置控制部分构成的。
数控机床的驱动系统主要有两种：主轴驱动系统和进给驱动系统。
从作用看，前者控制机床主轴旋转运动，后者控制机床各坐标的进给运动。
不论是主轴驱动系统还是进给驱动系统，从电气控制原理来分都可分为直流驱动和交流驱动系统。
直流驱动系统在２０世纪７０年代初至８０年代中期占据主导地位，这是由于直流电动机具有良好的调速性能，输出力矩大，过载能力强，精度高，控制原理简单，易于调整等。
随着微电子技术的迅速发展，加之交流伺服电动机材料、结构及控制理论有了突破性的进展，又推出了交流驱动系统，标志着新一代驱动系统的开始。
由于交流驱动系统保持了直流驱动系统的优越性，而且交流电动机维护简单，便于制造，不受恶劣环境影响，所以目前直流驱动系统已逐步被交流驱动系统所取代。
一、主轴驱动系统数控机床要求主轴在很宽的范围内转速连续可调，恒功率范围宽。
当要求机床有螺纹加工功能、准停功能和恒线速加工等功能时，就要对主轴提出相应的速度控制和位置控制要求。
１．直流主轴驱动系统由于直流调速性能的优越性，直流主轴电动机在数控机床的主轴驱动中得到广泛应用，主轴电动机驱动多采用晶闸管调速的方式。
（１）工作原理数控机床直流主轴电动机由于功率较大，且要求正、反转及停止迅速，故驱动装置通常采用三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统，这样在制动时，除了缩短制动时间外，还能将主轴旋转的机械能转换成电能送回电网。
１）主电路图６－９为三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统的主电路，逻辑无环流可逆系统是利用逻辑电路，使一组晶闸管在工作时，另一组晶闸管的触发脉冲被封锁，从而切断正、反两组晶闸管之间流通的电流。
什么是伺服驱动系统？伺服驱动系统的基本概念及其组成分类
什么是伺服驱动系统？伺服驱动系统的基本概念及其组成分类伺服驱动系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，例如数控机床等。
伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量（机电系统中的伺服电机的转动惯量较大，为了能够和丝杠等机械部件直接相连，也为了得到极高的响应速度，伺服电机有一种专门的小惯量电机。
但这类电机的过载能力低，当使用在进给伺服系统中时，必须加减速装置。
转动惯量反映了系统的加速度特性，在选择伺服电机时，系统的转动惯量不能大于电机转动惯量的3倍。
）较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。
当然，其基本工作原理和普通的交直流电机没有什么不同。
该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有时简称为伺服，一般其内部包括电流、速度和/或位置闭环。
伺服驱动系统的基本概念伺服系统是数控机床的重要组成部分，是连接数控装置（计算机）和机床之间的关键桥梁，伺服系统的性能在很大程度上决定了数控机床的性能，如数控机床的定位精度、跟踪精度、最高移动速度等重要指标。
建议我们先来学习一些基础概念，再学习各种进给伺服系统的控制方式。
深刻理解掌握这部分知识，会对更好的学习后面的数控加工工艺有一定的帮助。
1、进给伺服系统
（1）组成
进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。
见图1所示。
（2）作用
接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。
《高性能伺服驱动关键技术研究与实现》
《高性能伺服驱动关键技术研究与实现》一、引言随着工业自动化和智能制造的快速发展，高性能伺服驱动系统在机器人、数控机床、航空航天等领域的应用越来越广泛。
高性能伺服驱动系统的关键在于其驱动控制技术，它直接决定了系统的动态响应、稳定性和精度等性能指标。
因此，对高性能伺服驱动关键技术的研究与实现显得尤为重要。
本文将重点探讨高性能伺服驱动的关键技术研究与实现方法。
二、高性能伺服驱动系统概述高性能伺服驱动系统是一种以高精度、高速度、高稳定性为目标的控制系统。
它主要由伺服电机、驱动器、控制器和传感器等部分组成。
其中，驱动器是控制电机运转的核心部件，其性能直接影响到整个系统的性能。
因此，研究高性能伺服驱动关键技术，对于提高系统整体性能具有重要意义。
三、高性能伺服驱动关键技术研究1. 电机控制策略研究电机控制策略是高性能伺服驱动系统的核心。
目前，常用的控制策略包括PID控制、模糊控制、神经网络控制等。
这些控制策略各有优缺点，需要根据具体应用场景进行选择和优化。
此外，随着人工智能技术的发展，基于深度学习的控制策略也逐渐应用于伺服驱动系统中，提高了系统的智能性和自适应性。
2. 驱动力矩控制技术研究驱动力矩控制技术是影响伺服系统动态响应和稳定性的关键因素。
为了提高驱动力矩控制的精度和速度，研究人员提出了多种力矩控制算法，如前馈控制、反馈控制、自适应控制等。
这些算法能够根据系统实际运行状态，实时调整力矩输出，从而提高系统的动态性能。
3. 传感器技术的研究与应用传感器在高性能伺服驱动系统中起着至关重要的作用。
通过对传感器数据的采集和处理，可以实时监测系统运行状态，为控制系统提供反馈信息。
目前，常用的传感器包括位置传感器、速度传感器、力矩传感器等。
随着传感器技术的不断发展，越来越多的新型传感器被应用于伺服驱动系统中，如光学编码器、磁编码器等，提高了系统的测量精度和响应速度。
四、高性能伺服驱动关键技术的实现1. 硬件设计实现高性能伺服驱动系统的硬件设计是实现关键技术的基础。
2019-数控原理3伺服-文档资料
电枢电压成正比，即：
TD
U Ra
kt
直流伺服电动机机械特性
n
U3 > U2 > U1
步进电动机驱动系统
三相步进电动机的控制 字格式如下。
节拍 C
B
A 控制字 节拍 C
B
A 控制字
1 0 0 1 01H 4 1 1 0 06H
2 0 1 1 03H 5 1 0 0 04H
3 0 1 0 02H 6 1 0 1 05H
步进电动机驱动系统
从表中可知，当电机正转时，取控制字为 01H、03H、02H、06H、04H、05H；反转 时的控制字正好相反。用微机实现软件环分， 将控制字存放在ROM当中，通过查表来提取 控制字。
步进电动机的工作原理
以三相反应式步进电动 机为例，定子有6个磁 极，每两个相对的磁极 上绕有一相控制绕组。 转子上装有40个凸齿。 步进电动机的工作原理， 其实就是电磁铁的工作 原理。定子励磁，转子 感应。
步进电动机的工作原理
单三拍：由环形分配器送来的脉冲信号，对定子 绕组轮流通电，按A—B—C—A—B—C…方式通 电。磁通具有力图沿磁阻最小路径通过的特点。
步进电动机驱动系统
步进电动机的输入信号是一系列的电脉冲，通 过环形分配器按一定的顺序加到电动机的动机驱动系统
环形分配器、功率放大器以及其他控制线路的组合 共同组成步进电机的驱动电源，即驱动装置。
步进电机驱动装置的基本功能
按一定顺序及频率接通和断开步进电动机的 励磁绕组，按要求使电动机启动、运转和停 止。 提供足够的电功率，实现机电能量的转换。 提高步进电机运行的快速性和平稳性。
电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距角90度。 单三拍，双三拍，三相六拍
伺服系统概述 PPT课件
12 伺服系统概述
伺服系统的特点和功用
• 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 • 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
12 伺服系统概述
二、伺服系统基本类型
按控制原理分 有开环、闭环和半闭环三种形式 按被控制量性质分 有位移、速度、力和力矩等伺 服系统形式 按驱动方式分 有电气、液压和气压等伺服驱动形式 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
12 伺服系统概述
气压系统与液压系统的比较
1.
2.
3. 4.
5.
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。 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，易于远距离控制。 工作压力低．可降低对气动元件的材料和制造精度要求。 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。 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件生产过程，也适用于食品和医药的生 产过程。
优点
操作简便；编程容易； 能实现定位伺服控制； 响应快、易与计算机 （CPU）连接；体积小、 动力大、无污染。
缺点
瞬时输出功率大；过载 差；一旦卡死，会引起 烧毁事故；受外界噪音 影响大。 功率小、体积大、难于 小型化；动作不平稳、 远距离传输困难；噪音 大；难于伺服。 设备难于小型化；液压 源和液压油要求严格； 易产生泄露而污染环境。
12 伺服系统概述
三、伺服系统基本要求
精度高： 稳定性好：
什么是伺服系统
什么是伺服系统伺服系统是一种控制机械系统运动的技术，它通过传感器对输出信号进行反馈控制，实现精确的位置、速度和力控制。
伺服系统广泛应用于工业生产和自动化领域，提高了生产效率和产品质量。
一、伺服系统的工作原理伺服系统主要由伺服驱动器、伺服电机和反馈传感器组成。
伺服驱动器负责接收和处理控制信号，将信号转换为合适的电压或电流输出，驱动伺服电机运动。
而伺服电机作为执行器，根据伺服驱动器提供的控制信号，输出相应的运动。
反馈传感器则监测伺服电机的运动状态，将监测到的位置、速度或力信号返回给伺服驱动器，驱动器通过与设定值的比较，调整输出信号，实现对运动状态的精确控制。
二、伺服系统的特点1. 高精度：伺服系统能够实现微小运动的精确控制，可实时监测和调整输出信号，适用于对运动精度要求较高的场景。
2. 高响应性：伺服系统的反馈传感器能够实时监测电机的运动状态，并将信息传递给伺服驱动器，驱动器通过处理反馈信号，及时调整输出信号，使系统能够快速响应各种指令。
3. 多功能：伺服系统可通过调整控制参数，实现对位置、速度和力的精确控制，适用于不同的工业应用。
4. 稳定性好：伺服系统通过反馈控制，能够实时调整输出信号，使系统保持稳定运行。
5. 适应性强：伺服系统可根据不同的工作负载，调整输出信号，适应不同工况的需求。
三、伺服系统的应用1. 工业机械：伺服系统广泛应用于机床、激光切割机、注塑机等工业机械设备中，实现对加工精度和速度的要求。
2. 机器人技术：伺服系统在机器人技术中发挥重要作用，通过对关节运动的精确控制，实现机器人的灵活运动和高精度定位。
3. 自动化生产线：伺服系统可应用于自动化生产线中，控制工件输送、装配等过程，提高生产效率和产品质量。
4. 医疗设备：伺服系统在医疗设备中广泛使用，如手术机械臂、电动床等，实现对患者的精确控制和操作。
5. 航空航天：伺服系统应用于航空航天领域，控制飞机和航天器的各个部件的运动，确保航行安全和舒适。
伺服驱动背景文献
伺服驱动背景文献
伺服驱动系统（ServoDrivenSystem，SDS）是一种可以实现准确的运动控制的技术。
它非常适合在航空航天和机械设备等领域的复杂应用场合使用。
由于伺服驱动系统可以精确地控制运动，并保持运动的精度和稳定性，它已经被越来越多的企业应用到机械设备和其他系统中。
伺服驱动系统一般由伺服电机、伺服控制器和其他伺服驱动部件组成。
伺服电机采用反馈控制系统，可以快速准确地控制驱动部件的位置，而伺服控制器则通过电气信号控制伺服电机，实现机械系统的运动控制。
伺服驱动系统有多个不同的类型，例如电脑控制的伺服驱动系统、迷你伺服驱动系统和无线伺服驱动系统等等。
此外，还有许多不同的参数和特性，可以影响伺服驱动系统的性能，例如输入信号的类型、控制器的精度和反馈系统的类型等等。
本文的目的是概述伺服驱动系统的基本原理、类型和参数，并介绍相关的文献。
首先，本文简要回顾了伺服驱动系统的基本原理，然后介绍了不同类型的伺服驱动系统以及这些系统的参数和特性。
此外，本文还介绍了一些研究者利用伺服驱动系统开发的设备，如机械臂和自动机械系统等。
本文综述了伺服驱动系统的基本原理及其应用研究的最新文献。
随着伺服驱动系统的不断发展，应用前景可期，可以期待更多的研究成果将会出现。
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输入指令 比较
调节
执行
被控
输出量
元件
元件
元件
对象
测量、反馈元 件
图 伺服系统的一般组成
1.2 伺服系统的分类及特点 • 1. 按执行元件分类
根据执行元件的不同，伺服系统可 分为电气式、液压式和气压式伺服系统， 它们各有其特点和应用范围。
气压式伺服系统
能适应很宽的功率范围，但其频响 很低，通常用于频响要求不高且控制精 度较低的场合。
式 操作技术人员熟练
于CPU相接，响应快
泄漏且有污染
2.按控制原理分类
伺服系统根据控制原理，即根据有 无检测环节及其检测部件，可分为开环、 半闭环和闭环三种基本的控制方式。
• 开环式伺服系统
• 没有检测环节的伺服系统。
• 执行元件一般是步进电机或电液脉冲马达。
• 由于没有检测元件，因此，开环式伺服系 统的精度较低，一般可达(0.01～0.03)mm。
• 全闭环方式主要应用于精度和速度较高的精密和 大型机电一体化设备。
图5-3 伺服系统的控制原理类型
1.3 机电系统对伺服系统的要求 1. 稳定性
稳定性是一个系统正常工作的先决 条件，同时又是系统动作保持一致性的 重要条件。为了保证系统的运动精度， 要求伺服系统在工作过程中尽量减小受 负载变化和电压波动等各种因素的干扰 所造成的影响。
• 结构简单、成本低、调整和维修方便、工 作可靠，如在简易数控机床、线切割机、 绘图仪、电子表等设备中。
• 闭环控制系统 • 它装有各种各样的检测元件。 • 使用不同的反馈方式。检测元件将被控
量(位置、速度等)检测出来，形成与输入 指令能比较的信号，形成误差值。
• 用此误差来控制伺服机构向着消除误差 的方向运转，最终达到输出等于输入。
气 空气压力源的压力为（5～ 气源方便、低成本；无泄漏 够平稳；不易小型化；远
压
7）X10^5Pa，要求操作技
污染；速度快、操作比较简 距离传输困难；工作噪声
式 术人员熟练
单
大、难于伺服
设备难以小型化；液压源
液 液压压力源的压力为
输出功率大，速度快，动作
液压油（杂质、温度、油
压 （20～80）X10^5Pa，要求 平稳，可实现定位伺服；易 量、质量）要求严格；易
• 半闭环方式和全闭环方式两种。
半闭环方式 • 是从电机轴上进行检测(或者从传动链中间
轴上进行检测)。 • 因此它能有效地控制电机的转速和电机的角
位移，然后通过滚珠丝杠之类的传动机构， 把它转换成工作台或其它移动部件的直线位 移。 • 如果丝杠的精度高、间隙小，伺服精度是可 以保证的。 • 半闭环方式的优点是环路短、刚度好、间隙 小，即机械系统的非线性因素对系统的稳定 性影响较小，因此稳定性好。 • 缺点是如果机械传动部分误差过大且误差值 又不稳定，那么就难以补偿。
全闭环方式
• 是直接从机床的移动部件上进行位置检测的，因 此它的控制精度不受机械传动相应的影响。全闭 环伺服系统的精度高，一般可达(0.001～ 0.003)mm。
• 全闭环的环路中不仅有电机，还包括机械传动机 构，机械系统的动态参数是非常复杂的，它不仅 与部件的刚性和惯量有关，而且还与静压阻尼、 油的粘度、滑动面的摩擦特性等因素有关，尤其 是这些参数在不同的条件下经常变化，给伺服系 统的稳定性带来一定的困难。
种 特点
类
优点
缺点
可使用商用电源；信号与 操作简便；编程容易；能实 瞬时输出功率大；过载差，
电
动力的传送方向相同；有 现定位伺服；响应快、易与 特别是由于某种原因卡住
气
式 交流与直流之别，应注意 CPU相接；体积小、动力较 时，会引起烧毁事故，易
电压之大小
大，无污染
受外部噪声影响
功率小，体积大；动作不
2. 快速性 在机电一体化产品中，起控制作用的微
机运算速度大大高于机械部分的运行速度， 故系统的实际响应速度就取决于机械部分 的响应速度。提高伺服系统的响应速度可 以提高运动精度及跟踪性能，提高整个系 统的响应速度。
3. 高精度
伺服系统的精度指标有两个：其一是
定位精度，其二是综合精度。
定位精度是指机械部件由某点移动到 另一点时，指令值与实际移动距离的最大差 值，它主要是由伺服系统的稳态精度决定的。
• 液压式伺服系统
动态响应范围较宽(1Hz～1kHz)，且可 输出很大的功率，但其泄漏会造成场地污 染，还要附带油箱、油泵等油源设备，比 较笨重，成本高，常用于大功率高频响应 场合。
• 电气式伺服系统
频响范围大，功率输出为中小范围，控 制灵活，成本低，且根据不同的技术要求 可以选择不同类型的伺服电机，随着电机 技术和电力电子技术的发展，电气式伺服 系统可输出的功率也越来越大，因此它广 泛用于各种机电一体化设备
电磁式
电动机 电 磁 铁及 其 它
交 流 (AC)伺 服 电 动 机 直 流 (DC)伺 服 电 动 机执液压式 Nhomakorabea行
元
件
气压式
油缸 液 压 马达 气缸 气 压 马达
步 进 电机 其 它 电机 双 金 属片
形 状 记忆 合 金
其它
与 材 料有 关
图 执行元件的种类
压 电 元件
表 执行元件的特点及优缺点
伺服系统是以机械参数(位移、速度、 加速度、力和力矩等)作为被控量的一种自 动控制系统。
按结定值的变化情况可划分为:定值控 制系统、随动控制系统和程序控制系统。
如CNC机床工作台的控制系统，雷达 跟踪控制系统，机械手的运动控制系统 等都是典型伺服系统的例子。
一般形式的伺服系统部可描述为图5-1所示的形式。
伺服驱动系统概述
• 1.1 伺服系统的一般组成 • 1.2 伺服系统的分类及特点 • 1.3 机电系统对伺服系统的要求 • 1.4 伺服系统中常用控制用电动
机概述
• 1.1 伺服系统
伺服(servo) 就是在控制指令的作用 下，控制驱动元件，使机械的运动部件 按照指令的要求进行运动，并满足一定 的技术性能指标。
综合精度受到许多因素的影响，既受到 测量装置、机械部件的几何尺寸、装配间隙 等硬件部分固有误差的影响，又受到控制算 法、运算误差等软件质量的影响。