第四章-伺服驱动系统的原理与种类
伺服驱动系统概述
• 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。 • 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。
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。 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。
液 压 式
液压压力源的压力为 （20～80）X10^5Pa，要求 操作技术人员熟练
输出功率大，速度快，动作 平稳，可实现定位伺服；易 于CPU相接，响应快
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。 • 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。
伺服驱动器原理及选型
伺服驱动器原理及选型
伺服驱动器是一种用于控制伺服电机的电子装置，它通过将电源电压转换为适合于驱动电机的有源电流，从而实现电机的精准控制和运动控制。
伺服驱动器通常由电源模块、控制模块和功率模块组成。
伺服驱动器的原理是根据控制信号的输入来调整输出电压和电流的大小，以保持电机转子位置与输入信号的要求一致。
它通过采集电机的反馈信号，例如位置、速度和转矩等，对这些信号进行处理，并与输入信号进行比较，以控制输出给电机的电流。
选型时，需考虑以下几个关键因素：
1. 适配电机类型与规格：不同类型的伺服驱动器适用于不同类型的伺服电机，如步进电机、直流伺服电机或交流伺服电机。
因此，需要选型符合所需电机类型和规格的驱动器。
2. 功率与电压：驱动器的功率和电压需与电机匹配，以确保能够提供足够的电力驱动电机正常运行。
3. 控制方式与精度要求：根据应用需求选择合适的控制方式，如位置控制、速度控制或转矩控制，以及所需的运动精度。
4. 通信接口与扩展性：根据应用需求选择适合的通信接口，如RS-232、RS-485、CAN或以太网等。
同时，也要考虑驱动器的扩展性，以便与其他设备进行更复杂的系统集成。
5. 保护功能与可靠性：驱动器应具备过流、过热和短路保护功能，以确保电机和设备的安全运行。
可靠性也是选型时要考虑的关键因素之一，选择具备高可靠性和稳定性的品牌和型号。
总之，合适的伺服驱动器选型能够确保电机的准确控制和高性能运行，同时也能提高系统的稳定性和可靠性。
需要综合考虑电机类型、功率要求、控制精度、通信接口等因素，选择适合自己应用需求的伺服驱动器。
伺服驱动器的基础知识
伺服驱动器的基础知识伺服驱动器是一种控制电机运动的电子设备，它广泛应用于工业自动化和机械系统中。
本文将介绍伺服驱动器的基础知识，包括其工作原理、分类以及在实际应用中的应用场景。
一、工作原理伺服驱动器的工作原理可以简单描述为输入指令信号通过控制电路产生控制信号，通过功率放大电路放大后驱动电机运动。
其具体工作过程如下：1. 输入指令信号：通常采取模拟量输入或数字量输入的方式，如模拟电压、电流信号或脉冲信号。
2. 控制电路：将输入信号进行放大、滤波和比较操作，产生控制信号。
3. 功率放大电路：将控制信号经过放大电路放大后，输出给电机。
4. 电机驱动：根据电机的特性和控制信号，实现电机的运动控制。
二、分类根据其控制方式和应用场景的不同，伺服驱动器可以分为多种类型。
下面介绍常见的几种分类：1. 位置式伺服驱动器：通过比较输入信号和反馈信号的位置差异，控制电机的角度或位置。
适用于需要精确定位和控制的场景。
2. 速度式伺服驱动器：根据输入信号和反馈信号的速度差异，控制电机的转速。
适用于需要精确控制转速的场景。
3. 力矩式伺服驱动器：通过控制输入信号和电机输出的力矩差异，实现对电机扭矩的控制。
适用于需要精确控制力矩的场景。
4. 力式伺服驱动器：根据输入信号和输出信号的力差异，控制电机的力量输出。
适用于需要精确控制力量输出的场景。
三、应用场景伺服驱动器广泛应用于各种机械系统和工业自动化领域。
以下是几个常见的应用场景：1. 机床：伺服驱动器可用于控制切削和加工过程中的工作台、进给轴等部件的运动，提高精度和效率。
2. 机器人：伺服驱动器可用于控制机器人的关节和末端执行器，实现各种复杂的运动和任务。
3. 包装机械：伺服驱动器可用于控制包装机械上的输送带、旋转盘等部件的运动，确保产品的准确定位和包装效果。
4. 输送系统：伺服驱动器可用于控制输送带、滚筒等设备的运动，实现物料的精确运输和分拣。
5. 印刷设备：伺服驱动器可用于控制印刷设备上的印刷板、卷筒等部件的运动，提高印刷质量和速度。
伺服驱动系统工作原理
伺服驱动系统工作原理伺服驱动系统是一种通过控制信号来控制运动的电动机驱动系统。
它通常由伺服电机、伺服控制器和反馈设备组成。
伺服电机负责执行实际的运动任务，伺服控制器负责发送控制信号，反馈设备则负责向伺服控制器提供运动的实际状态信息。
1.目标设定：用户通过控制接口设定所需的运动参数，例如位置、速度和加速度等。
2.控制信号生成：伺服控制器根据用户设定的目标参数生成相应的控制信号。
这些控制信号通常是电压或电流信号，用于驱动伺服电机执行相应的运动。
3.运动执行：控制信号被发送到伺服电机，电机根据信号的变化来实现运动。
例如，当控制信号表示需要加速时，伺服电机会逐渐增加输出力矩来提供所需的加速度。
4.反馈控制：伺服电机在运动过程中，通过反馈设备不断地提供当前位置、速度和加速度等运动状态信息给伺服控制器。
伺服控制器根据这些反馈信息，实时调整控制信号以达到精确的运动控制。
5.防干扰措施：伺服驱动系统通常会采取一些措施来提高其抗干扰能力。
例如，使用过滤器来滤除噪声干扰，或者使用信号补偿算法来弥补传感器误差带来的影响。
6.运动停止：当伺服电机达到用户设定的目标位置、速度或加速度时，伺服驱动系统会停止相应的控制信号，从而停止运动。
伺服驱动系统的工作原理基于控制理论和反馈控制原理。
通过不断地比较目标设定值和实际反馈值，伺服驱动系统能够实现高精度的运动控制。
同时，伺服驱动系统还能够根据需要进行速度或位置的调整，并具备一定的自我保护机制，例如过载保护和过热保护等。
总之，伺服驱动系统是一种通过控制信号和反馈信息来实现精确运动控制的驱动系统。
它具备高精度、高稳定性、强鲁棒性和较强的抗干扰能力等优点，被广泛应用于机械设备、自动化系统、机器人、工业生产线等领域。
伺服传动系统
7、步进电机的驱动控制电路 、
单电压驱动
双电压驱动
斩波恒流驱动（电流驱动）
二、直流电动机的调压调速原理
直流电动机
U IR n= KΦ
U－电枢电压，I－电枢电流，R—电路 总电阻，Φ－每极磁通量，K－电动机 结构参数
由上式可知，直流电动机的控制方式如下： 调压调速（改变电枢电压，恒转矩调速） 调磁调速（改变励磁电流，恒功率调速） 改变电枢回路的电阻调速
（2）功率晶体管（GTR） 功率晶体管（GTR）
工作状态
有截止，有源放大和饱和三种状态， 有截止，有源放大和饱和三种状态，一般作为开关 使用，开通时要驱动，正常导通时要线饱和， 使用，开通时要驱动，正常导通时要线饱和，关断 时要反偏， 时要反偏，目前驱动电路已集成化。
特点：饱和压降低，载流密度大，驱动电流较 特点：饱和压降低，载流密度大， 大。 （3）场效应晶体管（MOSFET） ）场效应晶体管（ ） 特点：驱动功率大，开关速度快，导通压降大， 特点：驱动功率大，开关速度快，导通压降大， 载流密度小。 载流密度小。
四、伺服系统基本要求 精度高 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
影响伺服系统精度的因素： 影响伺服系统精度的因素：
传感器的灵敏度和精度 1、组成元件本 身误差 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 各元器件的非线性因素等 结构形式 2、系统本身 输入指令信号的形式 响应速度快 是衡量伺服系统动态性能的重要指标
调速范围大 是伺服系统提供的最高速与最低 速之比，即： R = nmax n nmin 要求： Rn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， 能输出额定的力 或力矩； 在零速时，伺服系统处于 “锁定” 状态，即惯性 锁定” 小。 应变能力和过载能力大 应变能力指能承受频繁的启动、制动、加速、减速 应变能力指能承受频繁的启动、制动、加速、减速 的冲击； 过载能力指在低速大转矩时，能承受较长时间的 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
第四章闭环伺服系统
U = U 0 sin (ω t+ 2 π x /λ )
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第四章 进给伺服系统
脉冲编码器
脉冲编码器是一种旋转式角位移检测装置，能 将机械转角变换成电脉冲，是数空机床上使用 最光的检测装置。
光电式
脉 冲 编 码 器 的 分 类 增量式脉冲编码器 接触式
磁
磁
检测 电路
伺服系统 数字显示
尺
磁尺位置检测装置
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第四章 进给伺服系统
磁尺位置检测装置
表面录有相等节距（一般为0.05，0.1， 磁性标尺：
0.2，1mm）周期变化的磁信号。
磁 尺 按 基 N 本 形 状 分 为 平面实体形 磁尺 一般长度为600mm
磁尺
带 状 磁 尺 基体厚0.2mm，宽70mm
① 20mm
② 10mm
③ 0.35mm
④ 2.85mm
答： ① 设有一光栅的条纹密度是10条/mm，要利用它测 出1的位移，应采用___套光电转换装置。 ①1 答： ② ②2 ③3 ④4
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第四章 进给伺服系统
磁尺位置检测装置 磁尺： 是一种精度较高的位置检测装置。它 由磁性标尺、磁头、和检测电路组成。
W、ω、θ之间的关系
ω
ω
θ
BC=ABsin(θ/2) 其中
ω
光栅 节距
标尺光栅 θ
BC=ω/2 ， AB=W/2 ，
指示光栅 B
因此
W=ω/sin(θ/2)
C θ /2 W /2
由于θ很小，θ单位为rad时， Sin(θ/2) ≈ θ 故 W ≈ ω/ θ
第4章伺服驱动系统PPT课件
4.1伺服系统概述
(2)闭环伺服系统闭环伺服系统是误差控制随动系统(见图43)。数控机床进给系统的误差，是数控装置输出的位置指令 和机床工作台(或刀架)实际位置的差值。闭环伺服系统需要 有位置检测装置，检测执行元件运动的位置。该装置测出执 行元件实际位移量或实际所处位置，并将测量值反馈给数控 装置，与指令进行比较，求得误差，依此构成闭环位置控制。
由于闭环伺服系统是反馈控制，反馈测量装置精度很高，所 以系统传动链误差、环内各元件误差以及运动中造成的误差 都可以得到补偿，从而大大提高厂跟随精度和定位精度。目 前，闭环系统的分辨率多为1um，定位精度可达士0. 01一士0. O5 mm;高精度系统分辨率可达0. 1 um。系统精度只取决于测 量装置的制造精度和安装精度。
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4.1伺服系统概述
4.按使用直流伺服电动机和交流伺服电动机分类 (1)直流伺服系统直流伺服系统常用的伺服电动机有小惯量直
流伺服电动机和永磁直流伺服电动机(也称为大惯量宽调速直 流伺服电动机)。小惯量直流伺服电动机最大限度地减少了电 动机的转动惯量，所以能获得最好的快速性，在早期的数控 机床上应用较多，现在也有应用。小惯量直流伺服电动机一 般都设计成有高的额定转速和低的转动惯量，应用时要经过 中间机械传动(如齿轮副)才能与}}r杠相连接。 永磁直流伺服电动机能在较大过载转矩下长时间工作，并且 电动机的转子惯量较大，能直接与}}r杠相连而不需要中间传 动装置。此外，它还有一个特点是可在低速下运转，如能在1 r/min甚至0.1r/min下平稳地运转。因此，这种直流伺服系统 在数控机床上获得厂广泛的应用，20世纪70年代至80年代中 期，在数控机床上的应用占绝对统治地位。至今，仍有许多 数控机床上使用这种电动机直流伺服系统。永磁直流伺服电 动机的缺点是有电刷，限制r转速的提高(一般额定转速为1 000-1 500r/min )，而且结构复杂，价格较贵。
伺服电机与伺服控制系统原理全
伺服电机与伺服控制系统原理全伺服电机是一种能够在给定的位置和速度范围内精确控制旋转或线性运动的电机。
它通常由电机本体、编码器和伺服控制器组成。
伺服控制系统则是用来控制伺服电机运动的系统，包括传感器、运动控制器和执行器等。
一、伺服电机的原理伺服电机的主要原理是通过反馈控制来实现精确位置和速度的控制。
伺服电机的控制系统通常由三个主要组件组成，分别是电机本体、编码器和伺服控制器。
1.电机本体：伺服电机通常采用带有内部电脑的电机，可以通过传感器测量其位置和速度。
它具有高速、高精度和高效率等特点。
2.编码器：编码器是一种用来测量电机位置和速度的传感器。
它通常安装在电机的轴上，并通过光电、磁电或电容等方式来检测旋转的位置和速度。
3.伺服控制器：伺服控制器是控制伺服电机运动的关键组件，它接收由编码器测量的位置和速度信息，并根据预定的控制算法计算出驱动电机的控制信号。
控制信号通过控制电流或电压来控制电机转动。
二、伺服控制系统的原理伺服控制系统的主要原理是通过对伺服电机进行闭环控制来实现运动的精确控制。
闭环控制系统由传感器、运动控制器和执行器组成。
1.传感器：传感器用于测量伺服电机的位置和速度，反馈给运动控制器。
传感器通常是编码器，通过检测电机的位置和速度来提供准确的反馈信号。
2.运动控制器：运动控制器接收传感器的反馈信号，并根据控制算法计算出控制信号。
控制信号传输给执行器驱动，以实现对伺服电机位置和速度的控制。
3.执行器：执行器是伺服电机的驱动器，它接收来自运动控制器的控制信号，并转化为适当的驱动电流或电压，以驱动电机转动。
伺服控制系统的工作原理是不断比较期望位置和实际位置之间的差距，并调整控制信号，使得它们尽可能接近。
控制器根据编码器反馈的位置和速度信息，计算出一个修正量，并将其与设定值进行对比。
然后，该修正值将被发送到执行器，以调整电机的转动。
由于伺服电机采用了闭环控制，可以有效地解决电机在负载变化、摩擦和惯性等方面的不确定性。
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机电一体化系统设计基础课程教学辅导
第四章：伺服驱动系统的原理与种类
一、教学建议
●通过文字教材掌握伺服驱动的基本原理，了解机电一体化伺服驱动系统的种类及其特性。
●流媒体课件第15讲介绍了机电一体化系统伺服驱动的基本原理、种类及其特性；
●在学习的过程中，如果有学习的心得和体会，请在课程论坛上和大家分享；如果有什么疑惑，也可以在课程论坛寻找帮助。
二、教学要求
1．掌握伺服驱动的基本原理
一般来说，伺服系统组成框图如图1所示。
图1 伺服系统组成框图
（1）控制器：伺服系统中控制器的主要任务是根据输入信号和反馈信号决定控制策略，控制器通常由电子线路或计算机组成。
（2）功率放大器：伺服系统中功率放大器的作用是将信号进行放大，并用来驱动执行机构完成某种操作，功率放大装置主要由各种电力电子器件组成。
（3）执行机构：执行机构主要由伺服电动机或液压伺服机构和机械传动装置等组成。
（4）检测装置：检测装置的任务是测量被控制量，实现反馈控制。
无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是低于检测装置的精度，因此要求检测装置精度高、线性度好、可靠性高、响应快。
2．了解机电一体化伺服驱动系统的种类及其特性
（1）根据使用能量的不同，可以分为电气式、液压式和气压式等几种类型，特性如表1所示。
表1 伺服驱动系统的特点及优缺点
（2）伺服驱动系统按控制原理的不同还可以分为开环、全闭环和半闭环等伺服系统。
①开环伺服系统
如图2所示，若伺服驱动系统中没有检测反馈装置则称为开环伺服系统。
开环伺服系统的精度较低，一般可达到0.01m左右，且速度也有一定的限制，但其结构简单、成本低、调整和维修都比较方便，另外由于被控量不以任何形式反馈到输入端，所以其工作稳定、可靠，因此在一些精度、速度要求不很高的场合，如线切割机、办公自动化设备中得到了广泛应用。
图2 开环伺服系统
②全闭环伺服系统
如图3所示，全闭环伺服系统是由安装在工作台上的位置检测装置，将工作台的直线位移转换成电信号，并在比较环节与指令脉冲相比较，将所得的偏差值经过放大，由伺服电机驱动工作台向偏差减小的方向移动，直到偏差值等于零为止，定位精度可以达到亚微米量，是实现高精度位置控制的一种理想的控制方案。
但由于全部的机械传动链都被包含在位置闭环之中，机械传动链的惯量、间隙、摩擦、刚性等非线性因素都会给伺服系统造成影响，从而使系统的控制和调试变得异常复杂，制造成本高。
因此，全闭环伺服系统主要用于高精密和大型的机电一体化设备。
图3 全闭环伺服系统
③半闭环伺服系统
半闭环伺服系统中工作台的位置通过电机上的传感器或是安装在丝杆轴端的编码器间接获得，它与全闭环伺服系统的区别在于检测元件位于系统传动链的中间，故称为半闭环伺
服系统。
图4所示。
由于部分传动链在系统闭环之外，故其定位精度比全闭环的稍差。
但由于测量角位移比测量线位移容易，并可在传动链的任何转动部位进行角位移的测量和反馈，所以结构比较简单，调整、维护也比较方便。
由于将惯性质量很大的工作台排除在闭环之外，系统调试比较容易、稳定性好，具有较高的性价比，被广泛应用于各种机电一体化设备。
图4 半闭环伺服系统。