机电一体化第3章 伺服系统(1伺服系统概述)
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，
伺服系统-第一章伺服系统设计概述
最大跟踪角加速度εmax
系统跟踪误差不超过em时，系统输出轴所能达到 的最大角加速度。
最大角速度Ωk、最大角加速度εk
不考虑跟踪精度的情况下，系统输出轴所能达到 的极限速度和极限角加速度。
正弦跟踪误差esin 速度品质系数Kv、加速度品质系数Ka 调速范围D
对系统工作制的要求 长期连续运行、间歇循环运行、短时间运行
对系统可靠性以及使用寿命的要求 连续运行无故障时间
对系统的使用环境条件的要求 环境温度、湿度、三防（防潮、防腐蚀、防辐 射）、抗振动、抗冲击
对系统结构形式的要求 体积、重量、结构外形、安装特点等
对系统经济性的要求 制造成本、标准化程度、元部件通用性、能源利 用率、维护使用、系统电源条件（电源种类、规 格、容量）
1.2 伺服系统的应用
机械制造 冶金 航天 微电子 军事 运输 通信工程 日常生活
机械制造
– 机床运动部分的位置控制、速度控制、运动轨迹控制 – 仿形机床、机器人手臂关节
冶金
– 电弧炼钢炉、粉末冶金炉的电极位置控制 – 轧钢机轧辊压下运动的位置控制
电极
轧前的 钢板
按控制方式分类
– 开环控制 – 闭环控制 – 复合控制
开环伺服系统
r
G1 ( s )
闭环伺服系统
r
e
G1 ( s )
－
复合控制伺服系统
r
G2 ( s ) c
G2 ( s ) c
B (s)
e G1 ( s ) ＋
－
G2 ( s ) c
1.7 伺服系统的技术要求
伺服系统培训课程设计
伺服系统培训课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解伺服系统的基本概念，掌握其工作原理和组成结构。
2. 学生能掌握伺服系统中关键参数的计算方法，如转速、扭矩、精度等。
3. 学生了解不同类型伺服系统的特点及其适用场合。
技能目标：1. 学生能运用所学知识分析和解决实际伺服系统应用中的问题。
2. 学生具备设计简单伺服系统的能力，能根据需求选择合适的组件并进行调试。
3. 学生能熟练使用相关工具和设备进行伺服系统的安装、调试和维护。
情感态度价值观目标：1. 培养学生关注工程技术发展的意识，激发对伺服系统及其应用的兴趣。
2. 培养学生严谨、细致、负责的工作态度，增强团队协作和沟通能力。
3. 培养学生具备安全意识，遵循相关操作规程，确保伺服系统应用的安全可靠。
本课程针对高年级学生，结合学科特点，注重理论与实践相结合，以实际应用为导向。
课程目标旨在使学生掌握伺服系统的基础知识，具备实际操作和问题解决能力，同时培养良好的职业素养和安全意识。
通过课程学习，为学生未来在自动化、机器人等相关领域的发展奠定基础。
二、教学内容1. 伺服系统概述：介绍伺服系统的基本概念、发展历程、应用领域及发展趋势。
- 教材章节：第一章 伺服系统概述- 内容列举：伺服系统的定义、分类、工作原理。
2. 伺服系统组成与原理：分析伺服系统的组成结构，讲解各部分功能及相互关系。
- 教材章节：第二章 伺服系统的组成与原理- 内容列举：驱动器、执行器、反馈元件、控制器等组成部分及其工作原理。
3. 伺服系统关键参数计算：学习伺服系统中转速、扭矩、精度等关键参数的计算方法。
- 教材章节：第三章 伺服系统关键参数计算- 内容列举：转速与扭矩的计算、精度分析、系统稳定性分析。
4. 伺服系统类型及特点：介绍不同类型伺服系统的特点、优缺点及适用场合。
- 教材章节：第四章 伺服系统类型及特点- 内容列举：步进伺服系统、交流伺服系统、直流伺服系统等。
5. 伺服系统应用与案例分析：分析伺服系统在实际应用中的案例，提高学生的问题解决能力。
第3章 机电一体化从零开始
执行装置就是“按照电信号的指令，将来自电、液压和气压等各种能 源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的装置”。
按利用的能源分类，可将执行装置分为电动、液压和气动执行装置。 在电动执行装置中，有直流电机、交流电机、步进电机和直接驱动电 机等实现旋转运动的电动机，以及实现直线运动的直线电机。电动执 行装置由于其能源容易获得，使用方便，所以得到了广泛的应用。
(2)构造与工作原理
直流伺服电机由永磁体定子、线圈转子(电枢)、电刷和换向器构成。 为了得到连续的旋转运动，就必须随着转子的转动角度不断改变电流 方向，因此，必须有电刷和换向器。
(3)特性与驱动方法 枢控式直流伺服电机是通过转子的线圈电压和线圈电流来进行控制的 电机。电机的输出转矩可以表示为
V
V V
2. 交流伺服电机
(1)特 性
交流伺服电机的最大优点是因没有电刷和换向器而不需要维护，也没 有产生火花的危险；缺点是与直流电机相比驱动电路复杂、价格高。
随着机电一体化技术的发展，逐渐攻克了许多技术难题。交流伺服电 机在工业机器人和NC机床等许多领域内得到了广泛的应用。 特别是用电子转换向器代替机械换向器的无刷电机，由于继承了有刷 电机的良好控制性能，因此，在机电一体化领域已成为非常有用的电 动执行装臵。
（2）闭环伺服系统 这类系统是误差控制随动系统，驱动元件为交流或直流伺服电动机， 电动机带有速度反馈装置，被控对象装有位移测量元件。
由于闭环伺服系统是反馈控制，测量元件精度很高，所以系统传动链 的误差、环内各元件的误差以及运动中造成的随机误差都可以得到补 偿，大大提高了跟随精度和定位精度。
（3）半闭环伺服系统
虽然撞停等简单动作速度较高，但在任意位置上停止的动作速度很慢， 能量效率较低。
第三章 伺服系统
In general ,the Closed-loop system includes Position Loop、 Speed Loop 、 Electric Current Loop. 一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环
• 数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺 服单元。
Servo system is a main subsystem of the numerical control system . If the CNC device is the numerical control system ‘s“brains”, then the servo system is a
计算方法。学习中，应特别注意各种伺服驱动元件的调速
方法和调速原理，了解各种驱动元件之间的性能比较及其 应用场合
• 3.1 Overview 概述
3.1.1 the function of the system 系统功能
The automatic control system which uses position and velocity as control
G
Position Loop、 Speed Loop and Electric Current Loop are made of Regulation control, testing and feedback modules. 位置、速度和电流环均由：调节控制模 块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大 器组成。 Position control includes position, speed and current control ;Speed control includes the speed and current control.位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包 括速度和电流控制。
机电伺服系统
2.1 概述2.1.1 机电一体化对机械系统的基本要求1.高精度2.快速响应3.良好的稳定性2.1.2机械系统的组成1.传动机构 机电一体化机械系统中的传动机构不仅仅是转速和转矩的变换器,而且已成为伺服系统的一部分,它要根据伺服控制的要求进行选择设计,以满足整个机械系统良好的伺服性能。
2.导向机构 导向机构的作用是支承和导向,它为机械系统中各运动装置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障,一般指导轨、轴承等。
3.执行机构 执行机构是用来完成操作任务的直接装置。
执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下完成预定的操作。
2.1.3机械系统的设计思想1. 静态设计静态设计是指依据系统的功能要求,通过研究制定出机械系统的初步设计方案。
2.动态设计动态设计是指研究系统在频率域的特性,借助静态设计的系统结构,通过建立系统各组成环节的数学模型,推导出系统整体的传递函数,并利用自动控制理论的方法求得该系统的频率特性（幅频特性和相频特性）。
2.2 机械传动设计的原则2.2.1 机电一体化系统对机械传动的要求机械传动是一种把动力机产生的运动和动力传递给执行机构的中间装置,是一种扭矩和转速的变换器,其目的是在动力机与负载之间使扭矩得到合理的匹配,并可通过机构变换实现对输出的速度调节。
2.2.2 总传动比的确定在伺服系统中,通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比,以提高伺服系统的响应速度。
传动模型如图2-1所示。
图中各符号的意义如下：J m——电动机M的转子的转动惯量；θm——电动机M的角位移；J L——负载L的转动惯量；θL——负载L的角位移；T LF——摩擦阻抗转矩；i——齿轮系G的总传动比。
图2-1 电机、传动装置和负载的传动模型2.2.3 传动链的级数和各级传动比的分配1. 等效转动惯量最小原则齿轮系传递的功率不同, 其传动比的分配也有所不同。
1）小功率传动装置电动机驱动的二级齿轮传动系统如图2-2所示。
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。
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反应式步进电动机 启动和运行频率高、断电无定位转矩、消耗功率较大
永磁式步进电动机
混合式步进电动机
直线步进电动机 超声波电动机
消耗功率较反应电机小、需正负脉冲供电、启动和运 行频率较小、有定位转矩
启动和运行频率较高、需正负脉冲供电、消耗功率较 小、有定位转矩
提供直线运动、结构简单、惯量小
低速大转矩、无电磁干扰、动作响应快、无输入自锁
4 伺服系统
常用电动机
固定磁阻电动机
直流伺服电机 交流伺服电机
变磁阻电动机
反应式步进电动机 永磁式步进电动机 混合式步进电动机
直线步进电动机
无磁电动机 —— 超声波电机直流伺服电动机
特点 可控性好、稳定性好、响应快、有电刷接触
交流伺服电动机
励磁电流小、体积较小、机械强度高、无电刷
液体压力源压力 20~80×Mpa；要求 操作人员技术熟练。
输出功率大，速度快、 动作平稳，可实现定位 伺服控制；易与计算机 （CPU）连接。
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。
应用：液压系统用于需大的功率重型设备;气动用于工件夹紧、 输送等自动化生产线; 电动应用最广泛.
4 伺服系统
电机结构示意图
转子 外定子内定子 绕组 转轴
直流伺服电动机结构示意图
交流伺服电动机结构示意图
4 伺服系统
小结
了解伺服的概念、伺服系统 的组成、基本类型、基本要求； 执行元件的种类及特点、基本要 求；常用的控制用电机分类、主 要特点、应用场合。
4 伺服系统
第一节 伺服系统
一、伺服系统基本概念
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。
电气控制装置
由两部分组成：
电气控制装置部分 机械执行装置部分
3．便于维修、安装 执行元件最好不需要维修。
4．宜于微机控制 根据这个要求，用微机控制最方便的是电动式执行元件。因 此机电一体化系统所用执行元件的主流是电动式，其次是液 动和气动式。
4 伺服系统
三、常用的控制用电机
控制用电机是电气伺服控制系统的动力部件。它是将 电能转换为机械能的一种能量转换装置。机电一体化产 品中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。
4 伺服系统
电气式
感应电动机
永磁同步电动机
异步电动机
离合器电动机
微型直流减速电动机
4 伺服系统
液压式
4 伺服系统
气压式
4 伺服系统
种类
电 气 式
气 压 式
液 压 式
特点
优点
缺点
可用商业电源；信号 操作简便；编程容易； 瞬时输出功率大；过载
与动力传送方向相同； 能实现定位伺服控制； 差；一旦卡死，会引起
4 伺服系统
一、执行元件的种类及其特点
电磁式
电动机 电磁铁及其他
交流伺服电机 直流伺服电机
执
液压式
行
元
件 气压式
油缸 液压马达 气缸 气压马达
步进电机 其他电机 双金属片 状态记忆金属
其他
与材料有关
压电元件
4 伺服系统
1. 电气执行元件 电气执行元件包括直流(DC)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 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 2．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 3．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 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 性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。
执行元件
机械执行 装置
传 感 器
伺服系统组成图
4 伺服系统
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。
输入指令 比较 元件
调节 元件
执行 元件
被控 对象
输出量
测量、 反馈元件
4 伺服系统
具体的可细分为： ❖ DC伺服电机(永磁) ：有槽铁芯电枢型、无槽(平滑 型)铁芯电
枢型、电枢型(无槽(平滑)铁芯型与无铁芯型)。 ❖ AC伺服电机：同步型(SM)、感应型(IM)。 ❖ 步进电机：变磁阻型 (VR)、永磁型(PM)、混合型 (HB)。
伺服驱动电机一般是指： 步进电机（Stepping Motor） 直流伺服电机(DC Servo Motor) 交流伺服电机(AC Servo Motor)
控制用电机有回转和直线驱动电机，通过电压、电流、 频率(包括指令脉冲)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 动对象的不同而不同。
4 伺服系统
电动机工作原理
电刷
＋ U －
N
S 换向片
4 伺服系统
常用伺服控制电动机的控制方式
主要有：开环控制、半闭环控制、闭环控制三种。 闭环系统: 驱动系统具有位置(或速度)反馈环节 开环系统: 没有位置与速度反馈环节
4 伺服系统
2 控制用电机分类
❖ 动力用电动机，如感应式异步电动机和同步电动机等； ❖ 控制用电动机，如力矩电动机、脉冲电动机、开关磁阻
电动机、 变频调速电动机和各种AC／DC电动机等等。
控制用旋转电机按其工作原理可分为旋转磁场型和旋转电 枢型。
前者有同步电机(永磁)、步进电机(永磁)； 后者有直流电机(永磁)、感应电机(按矢量控制等效模型)。
有交流直流之分；注意 响应快、易与计算机
烧毁事故；受外界噪音
使用电压和功率。
（CPU）连接；体积小、 影响大。
动力大、无污染。
气体压力源压力
气源方便、成本低；无
5~7×Mpa；要求操作 泄露而污染环境；速度
人员技术熟练。
快、操作简便。
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。
4 伺服系统
4 伺服系统
1 控制用电动机的基本要求
1.性能密度大即功率密度 Pw=P/G 或比功率密度 Pbw=(T2/J)/G 大. 2.快速性好；调速范围宽（1：1000以上）； 适应启停频繁的工 作要求等. 3.位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行现象. 4.适应启、停频繁的工作要求. 5.可靠性高、寿命长. 6.易于与计算机对接，实现计算机控制.
第三章 机电一体化系统执 行元件的选择与设计
4 伺服系统
学习目的与要求
了解伺服系统概念、类型、基本要求 了解执行元件的种类、特点、基本要求 掌握常用电动机的特点、驱动方法和选用 了解伺服系统的设计方法
教学重点与难点
步进电机、直流、交流伺服电机及其控制
4 伺伺服服系系统统
本章内容
伺服系统概述 伺服系统的执行元件概述 控制电动机及其选择计算 伺服系统设计
4 伺服系统
二、执行元件的基本要求
1．惯量小、动力大 表征执行元件惯量的性能指标：对直线运动为质量m，对回 转运动为转动惯 量J。表征输出动力的性能指标为椎力F、转 矩T或功率P。另一种表征动力大小的综合性指标称为比功率。 它包含了功率、加速性能 相转速三种因素。
2．体积小、重量轻 既要缩小执行元件的体积、减轻重量，同时义要增大其动力， 故通常用执行元件的单位重量所能达到的输出功率或比功率， 即用功率密度或比功率密度来评价这项指标。
执行元件的种类及特点 执行元件的基本要求 常用的控制用电机
4 伺服系统
执行元件，是处于执行机构与电子控制装 置的接点部位的能量转换部件。
它能在电子控制装置控制下，将输入的各 种形式的能量转换为机械能。
例如电动机、液动机、气缸、内燃机、电 磁铁、继电器等分别把输入的电能、液压 能、气压能和化学能转换为机械能。
伺服系统组成原理框图
4 伺服系统
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
4 伺服系统
第二节 伺服系统的执行元件概述