伺服系统与执行元件概要
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
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。
伺服控制知识点总结
伺服控制知识点总结一、基本概念1. 伺服系统伺服系统是由伺服执行元件、位置传感器、控制器和电源组成的控制系统。
其中，伺服执行元件一般为电机，位置传感器用于检测电机的位置，控制器用于根据传感器的反馈信号控制电机的运动，电源用于为电机提供动力。
2. 伺服电机伺服电机是一种能够根据外部控制信号精确控制位置、速度和力的电机。
常见的伺服电机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进伺服电机等。
3. 位置传感器位置传感器用于检测伺服电机的位置，并将检测到的位置信息反馈给控制器。
常见的位置传感器有编码器、光栅尺、霍尔传感器等。
4. 控制器控制器是伺服系统中的核心部件，其主要功能是根据传感器的反馈信号计算出电机的控制指令，并将指令输出给电机驱动器。
5. 电机驱动器电机驱动器接收控制器输出的控制指令，通过控制电机的电源电压和频率来控制电机的转速和扭矩。
二、伺服控制原理1. 闭环控制伺服控制采用闭环控制的原理，即通过不断地检测输出和反馈，在控制过程中校正误差，从而实现精确的位置、速度和力控制。
在闭环控制系统中，控制器通过比较实际输出和期望输出之间的差距，不断调整控制指令，使输出逐渐趋近期望值。
2. PID控制PID控制是伺服控制中常用的一种控制算法，即比例、积分、微分控制算法的组合。
比例控制用于根据误差的大小调整控制输出；积分控制用于消除持续的误差；微分控制用于预测误差的变化趋势，并及时做出调整。
PID控制算法可以根据实际情况进行调整，适用于各种伺服控制场景。
3. 伺服控制系统的设计伺服控制系统的设计需要考虑多个因素，包括伺服系统的要求、控制器的选择、传感器的选择、电机的选择、控制算法的选择等。
在设计伺服控制系统时，需根据实际情况权衡各种因素，从而达到满足控制要求并尽可能减小成本的目标。
三、伺服控制应用领域1. 工业自动化在工业自动化领域，伺服控制被广泛应用于各种生产设备的位置和速度控制，如注塑机、包装机、数控机床等。
伺服控制可以实现快速、稳定、精确的运动控制，提高生产效率和产品质量。
机器人伺服系统详解(组成-原理框图-执行元件-发展趋势)
机器人伺服系统详解（组成/原理框图/执行元件/发展趋势）若说当下的热门科技，机器人绝对算一个。
机器人作为典型的机电一体化技术密集型产品，它是如何实现运作的呢？
机器人的控制分为机械本体控制和伺服机构控制两大类，伺服控制系统则是实现机器人机械本体控制和伺服机构控制的重要部分。
因而要了解机器人的运作过程，必然绕不过伺服系统。
伺服系统
伺服系统是以变频技术为基础发展起来的产品，是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。
伺服系统除了可以进行速度与转矩控制外，还可以进行精确、快速、稳定的位置控制。
广义的伺服系统是精确地跟踪或复现某个给定过程的控制系统，也可称作随动系统。
狹义伺服系统又称位置随动系统，其被控制量（输出量）是负载机械空间位置的线位移或角位移，当位置给定量（输入量）作任意变化时，系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化。
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。
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号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。
2、控制器
控制器通常是计算机或PID（比例、积分和微分）控制电路，其主要任务是对比较元件输。
第四章 机电一体化系统的执行元件(一)
闭环控制：有检测装置，装在移动部件上，可直 接检测移动部件的位移，系统采用了反馈和误差
补偿技术，可很精确地控制移动部件的移动距离。
半闭环控制：也有检测装置，装在伺服电动机上，在
伺服电动机的尾部装有编码器或测速发电机，分别检
测移动部件的位移和速度。由于传动件不可避免地存
在受力变形和消除传动间隙等问题，因而半闭环控制 系统的控制精度不如闭环系统。
螺栓形晶闸管
平板形晶闸管外形及结构
（4）按电流容量分类
可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小 功率晶闸管三种。通常，大功率晶闸管多采用 金属壳封装，而中、小功率晶闸管则多采用塑 封或陶瓷封装。
（5）按关断速度分类 可分为普通晶闸管和高频（快速）晶闸管。
（二）普通单向晶闸管
1、晶闸管的结构、原理 单向晶闸管 (SCR) 符号和 原理如图所示。 SCR 有三个 极，分别为阳极 A 、阴极 K 和控制极 G （又称门极）。 从物理结构看，它是一个 PNPN 四层半导体器件，其 工作原理可以用一个 PNP 晶 体管和一个 NPN 晶体管的组 合来加以说明。图 b ）为晶 闸管的内部等效电路图。
四、常用伺服控制电动机的控制方式 P66
主要有：开环控制、半闭环控制、闭环控制三种。
开环控制：无检测装置，常用步进电动机驱动实现， 每输入一个指令脉冲，步进电动机就旋转一定角度， 它的旋转速度由指令脉冲频率控制，转角大小由脉 冲个数决定。 因无检测装置，结构简单、成本低，但由于误 差无法测出和补偿，因此开环系统精度不高。
3、 晶闸管的分类
晶闸管有多种分类方法。 （1）按关断、导通及控制方式分类 可分为普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、 门极关断晶闸管（ GTO ）、 BTG 晶闸管、温控晶
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。
执行元件
脉宽调制(PWM pulse width modulation)
直流调速驱动系统原理
1 U a Udt U U T 0 T
/T
为使电动机实现双向调速，多采用下图所示桥 式电路，其工作原理与线性放大桥式电路相似。电 桥由四个大功率晶体管VT1~VT4 组成。如果在VT1 和 VT3的基极上加以正脉冲的同时，在VT2和VT4的基极 上加负脉冲，这时VT1和VT4导通，VT2和VT4截止，电 流沿+90V→c→VT1→d→M→b→VT3→a→0V的路径流 通。设此时电动机的转向为正向。反之，如果在晶 体管VT1和VT3的基极上加负脉冲，在VT2和VT4的基极 上加正脉冲，则VT2和VT4导通，VT1和VT3截止，电流 沿+90V→c→VT2→b→M→d→VT4→a→0V的路径流通， 电流的方向与前一情况相反，电动机反向旋转。显 然，如果改变加到VT1和VT3、VT2和VT4这两组管子基 极上控制脉冲的正负和导通率，就可以改变电动机 的转向和转速。
2.
液压式执行元件
液压式执行元件主要包括往复运动的油缸、回转油缸、液压 马达等，其中油缸占绝大多数。目前，世界上已开发了各种数 字式液压式执行元件，例如电-液伺服马达和电-液步进马达， 这些电-液式马达的最大优点是比电动机的转矩大，可以直接 驱动运行机构，转矩/惯量比大，过载能力强，适合于重载的 高加减速驱动。
1.
电气式执行元件
电气式执行元件包括控制用电动机(步进电动 机、DC和AC伺服电动机)、静电电动机、磁致伸缩器 件、压电元件、超声波电动机以及电磁铁等。其中， 利用电磁力的电动机和电磁铁，因其实用、易得而 成为常用的执行元件。对控制用电动机的性能除了 要求稳速运转性能之外，还要求具有良好的加速、 减速性能和伺服性能等动态性能以及频繁使用时的 适应性和便于维修性能。
伺服驱动系统-常用伺服执行元件
PC104
USB接口 CAN卡
104总线
CANopen
机械臂复位
绝对编码器 绝对编码器 绝对编码器
接近开关
接近开关
扭矩传感器
传感器信号 转接板
GPIO
8051单片机
CAN通信 USB接口 串口通信 以太网接口 LCD液晶显示
机械臂电机驱 动器1
机械臂+送管机构
肩关节电机
光电编码器
机械臂电机驱 动器5
第五章 伺服驱动系统
5.2 常用伺服执行元件
5.2.1 执行元件的种类及特点
执行元件的特点以及优缺点
种类
特点
可用商业电源；
电 信号与动力传送方 气 向相同；有交流直 式 流之分；注意使用
电压和功率。
优点
缺点
操作简便；编程容易； 瞬时输出功率大； 能实现定位伺服控制； 过载差；一旦卡死， 响应快、易与计算机 会引起烧毁事故； （CPU）连接；体积小、受外界噪音影响大。 动力大、无污染。
压 操作人员技术熟练。 位伺服控制；易与计 求严格；易产生泄
式
算机（CPU）连接。 露而污染环境。
5.2.2 对伺服执行元件的基本要求
（1） 体积小、重量轻、输出功率大
功率密度——执行装置单位重量所能达到的输出功率
PG P / G(W / N )
反映了电动机单位重量的输出功率，在电动机起停频率 低，但要求运行平稳和扭矩脉动小的场合可采用这一指标 。
步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机
5.2.3 电机概述
电动机是电能转换为机械能的基本装置，在各行各业广泛 应用。
• 直流电机 • 交流电机 步进电机
直流电动机
交流电动机
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一、伺服系统的结构组成
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。
一、伺服系统的结构组成
4.被控对象
• 指被控制的机构或装置，是直接完成系统目的的主 体。一般包括传动系统、执行装置和负载。被控对 象指机械参数量，包括位移、速度、加速度、力合 力矩
特征上并不独立，可能几个环节在一个硬件中，如
测速直流电机即是执行元件又是检测元件。
二、伺服系统的分类
• 常见的分类方法有以下三种 (1)按被控量参数特性分类 (2)按驱动元件的类型分类 (3)按控制原理分类
二、伺服系统的分类
• (1)按被控量参数特性分类
按被控量不同，机电一体化系统可分为位 移、速度、力矩等各种伺服系统。其它系 统还有温度、湿度、磁场、光等各种参数 的伺服系统
4.1.1 伺服系统
一、伺服（控制）系统的结构组成
伺服系统组成：伺服驱动装置和驱动元件(执行元件伺 服电机)组成，高性能的伺服系统还有检测装置，反馈 实际的输出状态
伺服控制系统组成：控制器、被控对象、执行环节、 检测环节、比较环节五部分
伺服系统驱动装置
一、伺服系统的结构组成
输入指令
比较 元件
1.系统精度
• 稳态误差：当系统从一个稳态过度到新的稳态，或 系统受扰动作用又重新平衡后，系统可能会出现偏 差，这种偏差称为稳态误差 • 动态误差：控制系统在任意的输入信号作用下达到 稳态时的控制误差。与稳态误差不同，动态误差是 以时间为变量的函数，能提供系统为稳态时控制误 差随时间变化的规律
三、伺服系统的技术要求 2.稳定性 • 指当作用在系统上的干扰消失以后，系 统能够恢复到原来稳定状态的能力 • 或者当给系统一个新的输入指令后，系 统达到新的稳定运行状态的能力
半闭环控制伺服系统的检测反馈环节位于执行机构的中间
输出上，因此一定程度上提高了系统的性能。如位移控制 伺服系统中，为了提高系统的动态性能，增设的电机速度 检测和控制就属于半闭环控制环节。
三、伺服系统的技术要求 • 1.系统精度 • 2.稳定性 • 3.响应特性 • 4.工作频率
三、伺服系统的技术要求 1.系统精度 • 伺服系统精度指的是输出量复现输入信
PID控制电路 比例电路
Rf
Ri Vi Vo ut
R1
Vout Vi
Rf Ri
R1 Ri / / R f
PID控制电路 积分电路
Ci Ri Vi Vo ut
R1
Vout
1 Vi dt Ri Ci
R1=Ri
PID控制电路 微分电路
Rf
Vi Cd Vo ut
R1
Vout
dVi R f Cd dt
号要求的精确程度，以误差的形式表现，
可概括为动态误差、稳态误差和静态误
差三个方面组成。
1.系统精度
• 静态误差：指当测量器件的测量值(或输入值)不随 时间变化时，测量结果(或输出值)会有缓慢的漂移， 这种误差称为静态输入误差，或称静态误差。 • 静态误差的幅值和方向是恒定的,或者是按一定规 律缓变的(变化周期大于装置调整周期),即不需要 考虑时间因素对误差的影响
R1=Rf
PID控制电路
• A1是比例电路，其放大倍数与环路增益有关，调节RP1，可使 反相器的增益在0.5一∞范围内变化 • A2是积分电路，积分时间常数可在22一426S范围内变化 • A3是微分电路，时间常数由C1(R1+R（RP3）)决定 • A4将比例、积分、微分各电路输出倒相后合成为U
一、伺服系统的结构组成
5.检测环节
• 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
一、伺服系统的结构组成
5.检测环节
• 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
一、伺服系统的结构组成
• 在实际的伺服控制系统中，上述的每个环节在硬件
• 半闭环控制系统 • 在开环控制系统的伺服机构中装有角位移检测装置，通过检测伺服机 构的滚珠丝杠转角间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置的 比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制， 使移动部件补充位移，直到差值消除为止的控制系统。
• 半闭环系统不包括移动部件的传动丝杠螺母，所以传动丝杠螺母机构
二、伺服系统的分类
• (2)按驱动元件的类型分类
按驱动元件的不同可分为电气伺服系统、液
压伺服系统、气动伺服系统。
电气伺服系统根据电机类型的不同又可分为
直流伺服系统、交流伺服系统和步进电机控 制伺服系统。
二、伺服系统的分类
• (3)按控制原理分类
按自动控制原理，伺服系统又可分为开环
控制伺服系统、闭环控制伺服系统和半闭 环控制伺服系统。
本节知识
4.1.1 伺服系统 4.1.2 执行元件
4.1.1 伺服系统
• 定义：又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个 过程的反馈控制系统。
• 主要任务：按控制命令的要求、对功率进行放大、变 换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位 置控制非常灵活方便。 • 在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出 量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统， 其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输 入的位移（或转角）。
的误差仍会影响移动部件的位移用。
• (3)按控制原理分类
开环控制伺服系统结构简单、成本低廉、易于维护，但由
于没有检测环节，系统精度低、抗干扰能力差。
闭环控制伺服系统能及时对输出进行检测，并根据输出与 输入的偏差，实时调整执行过程，因此系统精度高，但成 本也大幅提高。
调节 元件
执行 元件
被控 对象
输出量
测量、反馈元件
伺服系统组成原理框图
一、伺服系统的结构组成
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号 的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。
一、伺服系统的结构组成
2.控制器
• 控制器通常是计算机或PID控制电路（比例、积分、 微分电路），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