机电一体化第六章伺服驱动控制系统设计教学提纲
机电一体化技术第6章伺服控制系统
伺服控制系统的应用领域和发 展趋势
了解伺服控制系统在工业自动化、机器人技术、医疗设备和航空航天等领域 的广泛应用，并预测其未来的发展趋势。
总结和展望
回顾伺服控制系统的重要概念和应用，总结学习成果，并展望未来伺服控制 技术的发展方向。
伺服控制系统的分类和特点
根据不同的应用需求，伺服控制系统可以分为位置控制、速度控制和力控制 等类型。同时，了解伺服控制系统的特点和优势。
伺服电机和驱动器的选型和参 数设置
选择适合的伺服电机和驱动器对于系统性能至关重要。深入了解选型和参数 设置的关键因素，以及如何进行合理的配置。伺服控制系统的Fra bibliotek试和优化方 法
机电一体化技术第6章伺 服控制系统
探索伺服控制系统的定义、原理和作用，并了解其分类、特点、选型和参数 设置。调试和优化方法，以及应用领域和发展趋势。
伺服控制系统的定义和原理
什么是伺服控制系统？深入了解其工作原理和基本概念，以及如何实现精确 的运动控制。
伺服控制系统的组成和作用
了解伺服控制系统的各个组成部分，包括传感器、反馈系统和执行器，并探 讨其在自动化和机电一体化中的作用。
机电一体化教学大纲
机电一体化教学大纲引言：机电一体化是一门综合性学科，是机械工程与电气工程的交叉学科。
它涵盖了机械、电气、电子、计算机控制等多个领域，将传统机械与电气相结合，为现代工业与制造业的发展提供了重要的支撑。
为了有序进行机电一体化的教学，制定一份全面且有效的教学大纲是至关重要的。
本文将按照合同的格式，详细介绍机电一体化教学大纲。
第一章课程概述1.1 课程名称：机电一体化1.2 课程代码：MEEMG1011.3 课程学时：72学时1.4 先修课程：机械基础、电工基础、电子技术基础等1.5 课程目标：通过本课程的学习，学生应能够理解机电一体化的基本概念，熟悉相关技术原理，并能够进行机电一体化系统的设计与应用。
第二章教学内容和教学要求2.1 教学内容2.1.1 机电一体化的基本概念和发展历程2.1.1.1 机械、电气、电子三个领域的关系与交叉2.1.1.2 机电一体化的应用领域和发展前景2.1.2 机电一体化系统的组成和结构2.1.2.1 传感器与执行器的选择与应用2.1.2.2 信号采集与处理技术2.1.2.3 控制算法与控制策略2.1.3 机电一体化系统的设计方法2.1.3.1 系统建模与仿真技术2.1.3.2 优化设计与性能评估2.1.3.3 可靠性分析与故障诊断2.1.4 机电一体化系统的应用实例2.1.4.1 工业自动化与智能制造2.1.4.2 机器人技术与自动控制应用2.1.4.3 智能交通与汽车电子2.2 教学要求2.2.1 理论知识要求学生应理解并掌握机电一体化的基本概念及相关原理，了解机电一体化系统的组成和结构，并具备基本的设计方法和技能。
2.2.2 实践能力要求学生应具备一定的实验技能，能够运用相关工具软件进行机电一体化的系统建模、仿真与设计，并具备简单的实验操作能力。
第三章教学方法和评价方式3.1 教学方法3.1.1 理论教学采用大课堂讲授、互动讨论等方式，注重理论知识的讲解，引导学生进行思考和探索。
机电一体化技术第6章伺服控制系统
(3)气压式执行元件与液压式执行元件的原理相同， 只是介质由液体改为气体。
第6章 伺服控制系统
6.2.2 1. 直流伺服电动机按励磁方式可分为电磁式和永磁
式两种。 2. 直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向
1. 步进电动机按其工作原理主要可分为磁电式和反应式两 大类，这里只介绍常用的反应式步进电动机的工作原理。三 相反应式步进电动机的工作原理如图6-12所示，其中步进电 动机的定子上有6个齿，其上分别缠有U、V、W三相绕组， 构成三对磁极；转子上则均匀分布着4个齿。步进电动机采用 直流电源供电。当U、V、W三相绕组轮流通电时，通过电磁 力的吸引，步进电动机转子一步一步地旋转。
第6章 伺服控制系统
6.2 执行元件
6.2.1 执行元件是能量变换元件，其目的是控制机械执
行机构运动。机电一体化伺服系统要求执行元件具有 转动惯量小，输出动力大，便于控制，可靠性高和安 装维护简便等特点。根据使用能量的不同，可以将执 行元件分为电磁式、液压式和气压式等几种类型，如 图6-2所示。
第6章 伺服控制系统
Ea=Uc-Ia (Ra+Ri)
Байду номын сангаас
(6-10)
第6章 伺服控制系统 于是在考虑了驱动电路的影响后，直流伺服电动
0 CReaCmRi2 Tm
(6-11)
将式(6-11)与式(6-8)比较可以发现，由于驱动电路
内阻Ri的存在而使机械特性曲线变陡了，图6-8给出了 驱动电路内阻影响下的机械特性。
第6章 伺服控制系统
正比。
如 果 把 角 速 度 ω 看 作 是 电 磁 转 矩 Tm的 函 数 ， 即 ω=f(Tm)，则可得到直流伺服电动机的机械特性表达式
伺服 教学大纲
伺服教学大纲伺服教学大纲伺服技术是现代工业领域中不可或缺的一项技术，它广泛应用于机械制造、自动化控制、机器人等领域。
为了培养具备伺服技术应用能力的专业人才，制定一份完善的伺服教学大纲是非常重要的。
一、课程简介伺服教学大纲的第一部分应该是课程简介。
这部分主要介绍课程的目的、重要性以及学习该课程的前提知识。
伺服技术是一门综合性很强的学科，学习者需要具备一定的电子技术、机械制造和控制理论基础。
二、教学目标接下来，教学大纲应该明确教学目标。
伺服技术的教学目标可以分为知识目标、技能目标和能力目标。
知识目标包括学习伺服系统的基本原理、掌握伺服系统的组成部分以及了解伺服系统的常见故障和维修方法。
技能目标包括能够使用伺服系统进行运动控制、能够进行伺服系统的参数调试和优化。
能力目标包括能够独立设计和实现伺服系统，能够解决伺服系统在实际应用中遇到的问题。
三、教学内容教学大纲的核心部分是教学内容。
伺服教学大纲应该包括以下几个方面的内容：1. 伺服系统基础知识：包括伺服系统的定义、分类、组成部分、工作原理等。
学习者需要了解伺服系统的基本概念和基本原理。
2. 伺服系统的参数调试与优化：包括伺服系统的参数设置、调试方法和技巧。
学习者需要学会根据实际应用需求对伺服系统进行参数调试和优化。
3. 伺服系统的故障诊断与维修：包括伺服系统常见故障的诊断方法和维修技巧。
学习者需要学会分析和解决伺服系统故障。
4. 伺服系统的应用案例：通过实际案例的学习，帮助学习者理解伺服系统在不同领域的应用。
案例可以包括机械制造、自动化控制、机器人等领域。
四、教学方法教学大纲还应该明确教学方法。
伺服技术是一门实践性很强的学科，因此，教学方法应该注重实践能力的培养。
可以采用理论教学与实践操作相结合的方式，通过课堂讲解、实验操作、案例分析等方式提高学习者的实践能力。
五、教学评价最后，教学大纲应该明确教学评价的方式和标准。
伺服技术是一门技术性很强的学科，因此，教学评价应该注重学生的实际能力。
[工学]091201第6章 机电一体化伺服驱动系统设计
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② 变频器
• 交流伺服电动机变频调速的关键问题是 要获得调频调压的交流电源
频率变换：交-直-交变频器、交-交变频器。 交-交变频器(直接变频器或周波变频器)——采用元 器件的数量较多，其输出的电压波形是由电源波形 的区段组成的，为了使波形畸变不至过大，输出频 率不能高于电网频率的1/3~1/2，通常用于大功率
3
（1） 开环伺服系统
开环伺服系统—— 控制系统中没有检测反馈环节
数控装置
开环伺服系统结构简图
步进 电机
工作台
脉冲分配
功率放大器
缺点：精度低（定位精度±0.02mm~±0.01mm），速度有限；
优点：结构简单，调试、维修、使用方便，工作稳定、可靠；
应用：一些精度要求不高的机电一体化系统，如线切割机、办公 自动化设备、大多数经济型数控机床和老式机床的改造
容量大、成本低、适宜大功率传动。
13
（2） 交流伺服电动调速方法
60 f n 1 s n0 1 s p
异步机的调速方法可分为变频调速、变极对数调速和变转 差率调速。
变差转率调速
转子串电阻调速 定子调压调速 串级调速 鼠笼式异步电机
绕线式异步电机
电磁差转离合器调速 绕线式异步电机
(500kW或1000kW以上)、低速(600r/min以下)的场合
17
交-直-交变频器结构框图
整流器 中间滤波器 逆变器
~
IM
~
控制电路
18
• 交-直-交变频器（带直流环节的间接变频 器）——这种型式的变频器技术成熟， 应用较多，输出交流电的频率可高于电 网的频率
19
③ SPWM变频器
• SPWM（正弦波脉冲宽度调制），其主 要特点是在脉冲宽度调制时，采用三相 正弦信作为调制波
机电一体化系统设计课程教学大纲
机电一体化系统设计课程教学大纲英文名称：Mechatronics 课程编码：01111050学时：36 学分： 2.5课程性质：专业限选课课程类别：理论课先修课程：机械原理，机械设计，电工学，数字电子技术，模拟电子技术，控制工程基础，微机原理，电气控制技术，数控技术开课学期：秋季学期适用专业：机械电子工程专业一、课程的性质与任务本课程是机械电子工程专业的主干专业课。
本课程从系统的观点出发，利用机械技术和电子技术，通过机电有机结合构造最佳的机电系统。
本课程主要学习机械系统、传感检测系统、伺服系统、控制系统等设计和选择方法，讨论机电一体化系统的接口、精度设计和可靠性等系统总体技术。
本课程的作用和任务是：通过本课程的学习，使学生建立机电产品的一体化设计思想，把电子技术、传感器技术，自动控制技术、计算机技术和机械技术有机地结合起来，了解各项技术之间的接口关系，能运用所学知识对机电一体化产品进行分析或设计，使学生具备解决生产过程中机电设备的运行、管理、维护和改造等实际问题的初步能力。
二、教学目标与要求本课程强调知识结构系统性和教学体系完整性的统一，使学生对机电一体化技术有较全面的认识，比较系统地掌握机电一体化系统各元部件的选择计算和总体设计的基本理论和方法，初步具备机电一体化系统的设计能力。
教学的基本要求包括：1．学习机电一体化基本概念，理解机电一体化系统中各结构要素在系统中的作用和相互关系，初步建立机电产品的系统化设计思想。
2．了解机电一体化系统中常用传感器、传动机构、动力驱动装置和计算机控制系统种类和特点。
3．熟悉机电一体化产品的设计方法和工程路线，能够针对具体的机电一体化产品确定产品开发技术路线。
4．掌握机电一体化系统中机械、传感检测、动力、控制等基本结构要素的技术特点，掌握典型装置的技术原理和使用方法。
5．了解典型机电一体化产品的构成、特点和设计方法，学会设计简单的机电一体化产品。
三、课程的基本内容与教学要求第一章绪论[教学目的与要求]：1．掌握机电一体化的涵义，了解机电一体化技术的主要特点和范畴。
伺服控制系统课程设计
伺服控制系统课程设计一、教学目标本节课的教学目标是使学生掌握伺服控制系统的基本原理、组成和应用，能够分析简单的伺服控制系统，并具备初步的设计和调试能力。
具体目标如下：1.知识目标：（1）了解伺服控制系统的定义、分类和基本原理；（2）掌握伺服控制系统的组成及其作用；（3）熟悉伺服控制系统的应用领域。
2.技能目标：（1）能够分析简单的伺服控制系统；（2）具备伺服控制系统的设计和调试能力；（3）学会使用相关仪器仪表和软件进行伺服控制系统的分析和设计。
3.情感态度价值观目标：（1）培养学生的创新意识和团队合作精神；（2）增强学生对自动化领域的兴趣和责任感；（3）提高学生解决实际问题的能力。
二、教学内容本节课的教学内容主要包括以下几个部分：1.伺服控制系统的定义、分类和基本原理；2.伺服控制系统的组成及其作用；3.伺服控制系统的应用领域；4.伺服控制系统的设计和调试方法；5.相关仪器仪表和软件的使用。
三、教学方法为了达到本节课的教学目标，将采用以下教学方法：1.讲授法：讲解伺服控制系统的基本原理、组成和应用；2.讨论法：引导学生讨论伺服控制系统的设计和调试方法；3.案例分析法：分析具体的伺服控制系统实例，加深学生对知识的理解；4.实验法：让学生动手进行伺服控制系统的设计和调试，提高实际操作能力。
四、教学资源为了支持本节课的教学内容和教学方法，将准备以下教学资源：1.教材：伺服控制系统相关教材；2.参考书：介绍伺服控制系统的相关书籍；3.多媒体资料：课件、视频、图片等；4.实验设备：伺服控制系统实验装置；5.软件：伺服控制系统分析和设计软件。
五、教学评估为了全面、客观地评估学生的学习成果，将采用以下评估方式：1.平时表现：通过观察学生在课堂上的参与程度、提问回答等情况，了解学生的学习状态；2.作业：布置与课程内容相关的作业，检查学生对知识的理解和应用能力；3.考试：定期进行考试，检验学生对课程知识的掌握程度；4.实验报告：评估学生在实验过程中的操作能力和分析问题的能力；5.小组项目：评估学生在团队合作中的表现以及对知识的综合运用能力。
机电一体化系统设计-复习提纲（1）
1. 以下产品不属于机电一体化产品的是（D ）。
2. STD 总线属于什么接口类型?（A ）3. RS232C 属于什么接口类型？（C ）4. 以下哪项不属于机电一体化的发展方向。
（B ）5. 机电一体化产品所设计的固有频率一般较高，其原因之一是（D ）。
6. 以下属于机电一体化产品的是（C ）。
7. 机电一体化系统有时采用半闭环控制，可能原因是（B ）。
8. 能够使工业机器人传动链短的主要原因是（D ）。
9. 关于机电一体化说法不确切的表达是（D ）。
10. 关于机电一体化说法不确切的表达是（A ）。
11. 机电一体化技术是以（C ）部分为主体，强调各种技术的协同和集成的综合性技术 12. 以下哪项不属于概念设计的特征。
（A ）13. 在机电一体化概念设计过程中，形态学矩阵的作用是（C ）。
14. 在机电一体化概念设计过程中，黑箱分析方法的作用是（B ）。
15. 关于机电一体化系统可靠性，以下论述错误的是（C ）。
16. 机电一体化现代设计方法不包括（A ）。
17. 谐波齿轮具有速比大、传动精度和效率高等优点，它是由以下哪种传动演变而来的。
（ C ）18. 使滚珠丝杠具有最大刚度的支承方式是（ A ）19. 在机电一体化系统设计中，齿轮系常用于伺服系统传动机构中，作用是（ A ） 20. 多级齿轮传动中，各级传动比“前大后小”的分配原则适用于按（ D ）设计的传动链。
21. 下列哪种传动机构具有自锁功能 （ C ）22. 滚珠丝杠传动轴向间隙的调整，下列哪一种方法精度高，结构复杂。
（ B ） 23. 为了提高滚珠丝杠副的旋转精度，滚珠丝杠副在使用之前应该进行（ B ） 24. 在滚珠丝杠副中，公式IE Ml ES Pl L π200±±=∆是验算满载时滚珠丝杠副的 （ A ）25. 在同步齿型带传动中，节线的长度在工作过程中 （ A ） 26. 滚珠丝杠副基本导程指丝杠相对于螺母旋转2π弧度时，螺母上基准点的（ B ） 27. 在两级齿轮传动中，若传动比的分配方案是i i =，则其遵循的原则是（ D ） 28. 当刚轮固定，柔轮输出，波形发生器输入时，谐波齿轮可实现（B ）传动。
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设负载转矩为T2，则当A相通电时，静态工作点为A，见图6-4对应
转子位置为α1
Tmax（A
Tmax（B）分别为
A相和B相通电时产生的矩角特性，由于二相定子在空间上（相对于
Tmax (α)也平移了
αp角。当α1位置A相切断、B相接通时，电动机将跃至与B相对应的
矩角特性上工作。由于电动机的电磁转矩大于负载转矩（其差见图上
第六章 伺服驱动控制系统设计
第一节 伺服驱动控制系统设计分析 第二节 步进电动机控制系统设计 第三节 第四节 交流电动机伺服驱动控制系统设计
第一节 伺服驱动控制系统设计分析
一、 伺服驱动控制系统分类及特点
1. (1) ① 液压伺服驱动控制系统；② 气压伺服驱动控制系统；③ 电机伺服
阴影部分），转子将运动至B点，此时电动机步进了一个步距角
αp=α２-α１，如图6-5所示。表达了角位移超调和振荡现象，在步
进电动机中采用合理阻尼的重要性。
正如上面所分析的，相邻相单独通电时的矩角特性曲线相差αp角， 因此画出各相的矩角特性曲线后，可根据多相同时供电情况得到相应
的矩角特性，这样就可以分析对应的步进运动和起动转矩。例如：图 6-6为四相步进电动机的单四拍和双四拍供电及矩角特性。
(1) 单电压功放电路设计。这是一种直接耦合式开关功率放大器，如 图6-13所示。当脉冲分配器输出低电平时，D2导通，T1、T2截止， D1将UD和UM隔开，可防止功率管击穿时损坏脉冲分配器和电源 UD，考虑到功率管关断时，相绕组会产生较高的自感电势，它和电 源电压叠加之后可能使晶体管击穿，常采用如图6-14所示的几种保 护措施。
③ 矩频特性。图6-7所示是矩频特性图
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图6-4 步进电动机的单步运行图
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图6-5 角位移的超调和振荡现象示意图
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图6-6 单相和多相工作矩角特性 图6-7 步进电动机的矩频特性图
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2 电机转子采用永久磁钢做成的步进电动机称为永磁式步进电动机。这
类电动机的典型原理结构如图6-8所示。
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3. 磁路混合式步进电动机（混合式步进电动机）是利用永磁式和反应式
两种结构发展起来的一种步进电动机。它兼有永磁式和反应式两类电 动机的优点，由于其转子上有永久磁钢，故产生同样大小的转矩所需 要的激磁电流大大减小，但带负载能力却超过反应式步进电动机，在
不通电时，还有定位转矩。如图6-9所示，磁路混合式步进电动机。
图6-1 步进电动机系统简图
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一、 步进电动机的类型和工作原理
1. (1) 反应式步进电动机的工作原理。
① 步进电动机的工作过程从A相通电开始，这时转子的两极被定子A ② A相断电，改为B相绕组通电，由于凸极效应，则转子的两极被定
子B相两极所吸引，顺时针转过一个步距角60°，如图6-2 ③ B相断电，C相通电，转子又顺时针转过一个步距角60°，使转
(2) ① 标准信号控制系统；② 检测信号控制系统；③ 计算机输出信号控
(3) ① 模拟电路控制系统；② 2. (1) 液压驱动系统的特点 ① 功率大。② 驱动系统体积小。③ 控制性能好。 ④ 维护修理方便。 ⑤ 点： ① 成本低。 ② 清洁、安全。 ③ 输出功率和力比较小。
(3) (4) 控制角度要求较高时，选择具有细分功能的电源。 2 步进电动机的驱动电源包括变频信号源、脉冲分配器和功率放大器三
个部分，如图6-10所示。
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3 步进电动机专用集成电路国产的有PM03（三相三拍或三相六拍）、
PM04（四相四拍或八拍）、PM05（五相五拍或十拍）、PM06 （六相六拍或十二拍）系列，分别用于三相、四相、五相、六相步进 电动机的控制。 专用集成电路PMM8713的实际接线如图6-11所示。 PMMC101B与微机CPU的连接如图6-12所示。 4 步进电动机的功率放大器分单电压驱动和双电压驱动两大类。单电压 驱动中又可分全波型、斩波型；双电压驱动中又可分为定时型、检验
子与定子C相两极对准，如图6-2 ④ 再使A相绕组通电，C相绕组断电，转子又顺时针转过60°，与A
相对准。
图6-3所示为一台m=4、zr=10的步进电动机 。
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图6-2 三相六拍控制方式 中的AB相通电示意图
图6-3 反应式步进电机示意图
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(2)
① 步矩角特性。
② 单步运行和起动转矩。
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二、 伺服驱动控制系统设计的基本要求
1. 高精度控制 2. 3. 调速范围宽、低速稳定性好 4. 快速的应变能力和过载能力强 5. 6.
三、
1. 2. 3. 4.
5. 结构尺寸及质量满足总体技术要求原则
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第二节 步进电动机控制系统设计
步进电动机是由电脉冲控制的特种电动机。对应于每一个电脉冲，电 动机将产生一个恒定量的步进运动，即产生一个恒定量的角位移或线 位移。电动机运动步数由脉冲数来决定，运动方向由脉冲相序来决定， 在一定时间内转过的角度或平移的距离由脉冲数决定，借助于步进电 动机可以实现数字信号的变换。它是自动控制系统以及数字控制系统 中广泛应用的执行元件。步进电动机控制系统的组成如图6-1所示。
图6-9 磁路混合式步进电动机
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二、 步进电动机的控制系统原理与设计
1 (1) 相数、通电状态、电压和电流要适应步进电动机的需要，相绕组
电流要有足够的幅度且有较清晰的前后沿，以产生接近矩形波的电流
(2) 能适应步进电动机的驱动频率和最高连续运行频率的要求，工作 可靠，抗干扰能力强。
④ 体积较大。 ⑤ 控制稳定性能差。 ⑥ 结构简单，维护修理方便。 ⑦ 适用范围较广。 (3) 电机驱动控制系统的特点： 它的最大特点是电源的获得方便，体积小，不需中间变速机构，简化 了机械传动系统，使用与维护都很方便。电机驱动系统比较常用的是 步进电动机、直流伺服电机、交流伺服电机、力矩电机等。 ① A. 输出功率较大 B. 体积较大，质量重 C. 电机及电源的投资花费少，使用成本低。 D.从结构和控制方式上来看，直流伺服电机的结构较为复杂，加之 有电刷，需要干净无粉尘、无易燃品的环境，还需要直流电源。 E. 相对步进电机驱动来说，直流伺服和交流伺服驱动的功率大，输