伺服系统的分类和基本组成形式
伺服系统
加减速时间设定
加减速用加减速时间的长短来设定，加减速时间越短，速度变化大， 系统易引起振荡；反之，系统的响应性变慢。加减速有线性加减速和指 数加减速。在线性加减速中，加速度有突变，应根据负载惯量核算最大 可达到的加速度，从而确定加速到最大速度所需要的时间；在指数加减 速中，加速度变化无突变，速度变化平稳，必须设定加减速总时间和加 减速升降速时间。
以移动部件的位置和速度作为控制量的 自动控制系统。
伺服系统
伺服系统组成
机电一体化技术
伺服系统组成
位置控制 + 位置控制 调节器 — 速度控制
+
—
--
位置 指令
速度控制 调节器
功率 驱动
机械传动机构
实际速度反馈 速度检测 电机 实际位置反馈 位置检测
伺服系统
伺服系统组成
机电一体化技术
基本工作原理
伺服系统
伺服系统参数
机电一体化技术
v、a v a
v、a
v
a
O t O
ta
t1
ta
t2
t
线性加减速
指数加减速
伺服系统
伺服系统参数
机电一体化技术
阻尼
运动中的机械部件易产生振动，其振幅取决于系统的阻尼和固有频率， 系统的阻尼越大，振幅越小，且衰减越快。运动副（特别是导轨）的摩擦阻 尼占主导地位，实际应用中一般将摩擦阻尼简化为粘性摩擦阻尼。系统的粘 性摩擦阻尼越大，系统的稳态误差越大，精度越低。对于质量大、刚度低的 机械系统，为了减小振幅，加速衰减。可增大粘性摩擦阻尼。
位置检测装置将检测到的移动部件的实 际位移量进行位置反馈，与位置指令信号进 行比较，将两者的差值进行位置调节，变换 成速度控制信号，控制驱动装置驱动伺服电 动机以给定的速度向着消除偏差的方向运动，
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。
数控机床的伺服系统
第6章 数控机床的伺服系统
伺服驱动装置
位置控制模块 速度控制单元
工作台 位置检测
速度环 速度检测 位置环
伺服电机
测量反馈
图6-1 闭环进给伺服系统结构
数控机床闭环进给系统的一般结构如图，这是一个双闭环系统，内 环为速度环，外环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。 速度控制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度控 制系统的核心。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由 CNC装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组 成。
第6章 数控机床的伺服系统
A C1 B4 2 B 3C A
逆时针转30º
C 4 B
A 1 2 3 A
B
C 1 B
A 2
B 3 C
C
逆时针转30º
4 A
第6章 数控机床的伺服系统
采用三相双三拍控制方式，即通电顺序按AB→BC→CA→AB（逆时针 方向）或AC→CB→BA→AC（顺时针方向）进行，其步距角仍为30。由于 双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以 工作比较稳定。
第6章 数控机床的伺服系统
设 A 相首先通电，转子齿与定子 A 、 A′ 对齐（图 3a ）。然后在 A 相继续通电的情 况下接通 B 相。这时定子 B 、 B′ 极对转子 齿 2 、 4 产生磁拉力，使转子顺时针方向转 动，但是 A 、 A′ 极继续拉住齿 1 、 3 ，因 此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转 子的位置如图 3b 所示，即转子从图 (a) 位 置顺时针转过了 15° 。接着 A 相断电， B 相继续通电。这时转子齿 2 、 4 和定子 B 、 B′ 极对齐（图 c ），转子从图 (b) 的位置又 转过了 15° 。其位置如图 3d 所示。这样， 如果按 A→A 、 B→B→B 、 C→C→C 、 A→A… 的顺序轮流通电，则转子便顺时针 方向一步一步地转动，步距角 15° 。电流 换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个 齿距角。如果按 A→A 、 C→C→C 、 B→B→B 、 A→A… 的顺序通电，则电机 转子逆时针方向转动。这种通电方式称为六 拍方式。
伺服系统的组成部分,各功能实现方法
伺服系统的组成部分,各功能实现方法
伺服系统是一种复杂的控制系统，由多个部分组成，包括控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机。
以下是对这些组成部分的简要描述：
1. 控制器：这是伺服系统的核心部分，负责根据输入的指令和系统的反馈信息计算出控制量，以控制电动机的转动。
控制器的计算速度、精度和稳定性对整个伺服系统的性能有着决定性的影响。
2. 功率驱动装置：这部分负责将控制器的控制信号转换为能够驱动电动机的实际电流或电压。
功率驱动装置通常包括电力电子器件和驱动电路，用于实现电流的放大和转换。
3. 反馈装置：这部分负责实时监测电动机的转动状态，并将监测到的信息反馈给控制器。
常见的反馈装置包括编码器、光电码盘和霍尔元件等，用于检测电动机的转速、位置和方向等信息。
4. 电动机：这是伺服系统的执行部分，负责将控制器的控制信号转换为实际的机械运动。
伺服电动机通常采用直流或交流电源供电，具有较高的启动转矩和快速响应的特点。
在伺服系统中，控制器通过比较指令信号和反馈信号来调节电动机的转动，以达到对目标值的精确控制。
功率驱动装置则负责将控制器的控制信号转换为实际驱动电动机的电流或电压，而反馈装置则提供系统的实时信息，以便
控制器进行调节。
最终，伺服系统能够实现对目标值的精确跟踪，并保证系统的稳定性、快速性和精度。
伺服系统的概念与分类
伺服系统的分类
（3）按照控制方式分类——开环伺服系统
组成原理图如图所示：
伺服系统的分类
（3）按照控制方式分类——半闭环伺服系统
半闭环伺服系统不对控制对象的实际位置进 行检测，而是用安装在伺服电机轴端上的速度、 角位移测量元件测量伺服电机的转动，间接地测 量控制对象的位移，角位移测量元件测出的位移 量反馈回来，与输入指令比较，利用差值来校正 伺服电机的转动位置。
机电伺服系统
以电动机作为动力驱动元件的伺服系统。
02 伺服系统的分类
伺服系统的分类
分类方法
按照驱动方式分类 按照功能特征分类 按照控制方式分类
伺服系统的分类
（1）按照驱动方式分类
伺服系统的分类
（1）按照驱动方式分类
电气 伺服
直流伺服 系统
交流伺服 系统
小惯量直流伺服电动机 永磁直流伺服电动机 交流异步伺服电动机 永磁同步伺服电动机
伺服系统的分类
（3）按照控制方式分类——半闭环伺服系统
组成原理图如图所示：
伺服系统的分类
（3）按照控制方式分类——闭环伺服系统
闭环伺服系统带有检测装置，可以直接 对工作台的位移量进行检测。在闭环伺服系 统中，速度、位移测量元件不断地检测控制 对象的运动状态。
伺服系统的分类
（3）按照控制方式分类——闭环伺服系统
伺服系统的分类
（2）按照功能特征分类
伺服系统的分类
（3）按照控制方式分类
伺服系统的分类
（3）按照控制方式分类——开环伺服系统
开环伺服系统没有速度及位置测量元件，伺 服驱动元件为步进电机或电液脉冲马达。由于这 种控制方式对传动机构或控制对象的运动情况不 进行检测与反馈，输出量与输入量之间只有前向 作用，没有反向联系，故称为开环伺服系统。
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：
伺服系统包含哪些(基本组成_工作原理_应用)
伺服系统包含哪些(基本组成_工作原理_应用)
伺服系统的结构组成机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。
下图给出了伺服系统组成原理框图。
图伺服系统组成原理框图
1.比较环节
比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信
2.控制器
控制器通常是计算机或PID控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。
3.执行环节
执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。
机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。
4.被控对象
5.检测环节
检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。
伺服系统工作原理伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标的任意变化而变化的自动控制系统，即伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。
它由计算机数字控制系统、伺服驱动器、伺服电动机、速度和位置传感器等组成。
计算机数字控制系统用来存储零件加工程序，根据编码器反馈回来的信息进行各种插补运算和软件实时控制，向各坐标轴的伺服驱动系统发出各种控制命令。
伺服驱动器和伺服电动机接收到计算机数字控制系统的控制命令后，对功率进行放大、变换与调控等处理，能够快速平滑调。
伺服系统题库
伺服系统题库摘要：1.伺服系统的定义与分类2.伺服系统的基本组成3.伺服系统的工作原理4.伺服系统的应用领域5.伺服系统的发展趋势正文：一、伺服系统的定义与分类伺服系统，全称为伺服控制系统，是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。
根据驱动方式的不同，伺服系统可分为液压伺服系统、气压伺服系统和电动伺服系统等。
其中，电动伺服系统应用最为广泛，其主要由伺服电机、伺服驱动器和控制器等组成。
二、伺服系统的基本组成1.伺服电机：伺服电机是一种能够将电脉冲转换为角位移或线位移的电机，具有高精度、高扭矩、高速度等特点。
2.伺服驱动器：伺服驱动器是将电源输入的直流电转换为伺服电机所需的交流电的装置，具有调节、放大、逆变等功能。
3.控制器：控制器是伺服系统的核心部分，主要负责接收指令、运算、比较和输出控制信号等。
三、伺服系统的工作原理伺服系统通过控制器输出控制信号，经伺服驱动器放大、逆变后驱动伺服电机转动。
同时，系统通过检测装置（如编码器）实时监测伺服电机的运行状态，并将信号反馈给控制器进行比较、调节，使伺服电机按照设定的速度和位置进行精确运动。
四、伺服系统的应用领域伺服系统广泛应用于各种自动化设备和生产线，如数控机床、机器人、自动化装配线等。
其高精度、高可靠性和高效率的特点使得伺服系统在工业生产中具有重要价值。
五、伺服系统的发展趋势随着科技的进步和社会的发展，伺服系统在以下几个方面呈现出发展趋势：1.高性能化：伺服系统将向着高精度、高速度、高扭矩的方向发展，以满足各种复杂工况的需求。
2.智能化：结合人工智能、物联网等技术，伺服系统将具备自主学习、自适应调整等功能，提高生产效率和质量。
3.集成化：伺服系统将与其他自动化设备、生产线实现无缝集成，构建高效、紧凑的自动化生产体系。
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伺服系统的分类和基本组成形式
伺服系统是一种能够将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象的电机系统。
它的主要特点是具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可将所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
伺服电机分为直流和交流伺服电动机两大类，其转速随着转矩的增加而匀速下降。
在自动控制系统中，伺服电机常用作执行元件。
数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确。
其中，进给伺服控制对伺服系统的要求更高，而主运动的伺服控制要求相对较低。
因此，数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统的质量。
伺服系统按其驱动元件和控制方式划分，有步进式伺服系统、直流电动机伺服系统、交流电动机伺服系统、开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统等。
其中，开环系统主要由驱动电路、执行元件和机床3大部分组成，常用的执行元件是步进电机；闭环系统主要由执行元件、检测单元、比较环节、
驱动电路和机床5部分组成，常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和编码盘等。
根据进入比较环节信号的形式以及反馈检测方式，闭环(半闭环)系统可分为脉冲比较
伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统3种。
在闭环系统中，检测元件将机床移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节，比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续移动，直到跟随误差为零。
半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些，这是由于丝杠和工作台之间传动误差的存在所导致的。
因此，伺服系统的分类和基本组成形式对于机床的性能和精度有着至关重要的影响，需要在实际应用中根据具体需求进行选择和配置。
执行元件在伺服系统中扮演着重要的角色，其作用是将电信号转化为机械位移，以实现控制信号的跟随。
直流宽调速电动机和交流电动机是常用的执行元件，不同的执行元件需要不同的驱动电路。
伺服系统的基本组成形式可以分为模拟式、混合式和数字式。
三种伺服系统都有位置反馈和速度反馈，区别在于混合式伺服系统的输入需要经过数字偏差器后进入模拟调节器。
伺服驱动技术是数控技术的重要组成部分，其静态和动态特性直接影响机床的位移速度、定位精度和加工精度。
现在，直流伺服系统被交流数字伺服系统所取代，并采用了新的控制理论和技术，实现了高速响应系统，不受机械负荷变动的影响。
伺服系统的新发展技术包括前馈控制技术、机械静止摩擦的非线性控制技术、软件控制的位置环和速度环、高分辨的位置检测装置和补偿技术等。
这些技术的应用使得伺服系统具有更高的精度和更好的稳定性。
在数控系统中，伺服电机和步进电机都有应用。
伺服电机可以实现高速响应和精准控制，而步进电机则可以实现精准定位和简单控制。
两者的区别在于伺服电机具有更高的精度和更好的稳定性，但步进电机更加简单易用。
步进电机是一种离散运动的装置，与现代数字控制技术密切相关。
在国内的数字控制系统中，步进电机的应用非常广泛。
随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中，特别是在运动控制系统中，大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。
虽然在控制方式上两者相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在较大的差异。
首先，两者的控制精度不同。
步进电机的步距角一般为
3.6°、1.8°（两相混合式步进电机）或0.72°、0.36°（五相混合
式步进电机）。
一些高性能的步进电机步距角更小，例如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为
0.09°。
德国百格拉公司（BERGERLAHR）生产的三相混合式
步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合
式步进电机的步距角。
相比之下，交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。
以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内
部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/=0.036°。
对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/=9.89秒。
这相当于步距角为1.8°的步进
电机的脉冲当量的1/655.
其次，两者的低频特性也不同。
步进电机在低速时易出现低频振动现象，振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。
这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。
当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。
而交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。
交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械
的共振点，便于系统调整。
最后，两者的矩频特性也有所不同。
步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。
交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。
4.步进电机和交流伺服电机的过载能力不同。
交流伺服电
机具有较强的过载能力，例如松下交流伺服系统可以承受速度和转矩过载。
其最大转矩可达到额定转矩的三倍，可以克服惯
性负载在启动瞬间的惯性力矩。
而步进电机没有这种过载能力，因此在选型时需要选择较大转矩的电机来克服惯性力矩，但在正常工作期间又不需要那么大的转矩，导致力矩浪费。
5.步进电机和交流伺服电机的运行性能也不同。
步进电机
的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大容易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高也容易出现过冲的现象。
因此，为了保证控制精度，需要处理好升降速问题。
交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可以直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。
6.步进电机和交流伺服电机的速度响应性能也不同。
步进
电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。
而交流伺服系统的加速性能较好，例如松下MSMA 400W交流伺服电机，从静止加速到其额定转速
3000RPM仅需几毫秒，适用于要求快速启停的控制场合。