伺服系统与执行元件
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4章 数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统 工作原理：假设是单三拍通电工作方式。 （1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 1 120/9 = 13 齿 3 2 A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 26 个 3 齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对 齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、 定子相差 1/3 个齿（3），C相的转子、定 子相差2/3个齿（6）。
mz2 k
式中：n —转速（r/min）； f —控制脉冲频率，即每秒输入步进电动机的脉冲数； 由上式可知：工作台移动的速度由指令脉冲的频率所控制。
第4章 数控机床伺服系统 特点：
(1)来一个脉冲，转一个步距角。
(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。
(3)改变脉冲顺序，改变方向。
种类：
有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转 子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。
第4章 数控机床伺服系统
计算机数控系统 机床 I/O 电路和装置 操作面板 键盘 输入输出 设备 机 床
PLC
计算机 数 装 控 置
主轴伺服单元
主轴驱动装置
进给伺服单元 测量装置
进给驱动装置
主进辅 运给助 传控 动 动制 机机机 构构构
数控机床的组成
第4章 数控机床伺服系统
第4章
数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统
360o s mz2 k
第4章 数控机床伺服系统
每个步距角对应工作台一个位移值，这个位移值称为脉 冲当量。 因此，只要控制指令脉冲的数量即可控制工作台移动的 位移量。步距角越小，它所达到的位置精度越高，因此实际 使用的步进电动机一般都有较小的步距角。 步进电动机的转速公式为：n 60 f
伺服电动机知识介绍
伺服电动机伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件。
它将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出，改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速与转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。
根据使用电源的不同，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。
直流伺服电动机输出功率较大，功率范围为1～600瓦，有的甚至可达上千瓦；而交流伺服电动机输出功率较小，功率范围一般为0.1～100瓦。
6.1.1 直流伺服电动机直流伺服电动机实际上就是他励直流电动机，其结构和原理与普通的他励直流电动机相同，只不过直流伺服电动机输出功率较小而已。
当直流伺服电动机励磁绕组和电枢绕组都通过电流时，直流电动机转动起来，当其中的一个绕组断电时，电动机立即停转，故输入的控制信号，既可加到励磁绕组上，也可加到电枢绕组上：若把控制信号加到电枢绕组上，通过改变控制信号的大小和极性来控制转子转速的大小和方向，这种方式叫电枢控制；若把控制信号加到励磁绕组上进行控制，这种方式叫磁场控制。
磁场控制有严重的缺点（调节持性在某一范围不是单值函数，每个转速对应两个控制信号），使用的场合很少。
直流伺服电动机进行电枢控制时，电枢绕组即为控制绕组，控制电压直接加到电枢绕组上进行控制。
而励磁方式则有两种：一种用励磁绕组通过直流电流进行励磁，称为电磁式直流伺图7.1 直流伺服电动机电枢控制线路图服电动机；另一种使用永久磁铁作磁极，省去励磁绕组，称为永磁式直流伺服电动机。
直流伺服电动机进行电枢控制的线路如图7.1所示，励磁绕组接到电压恒定为的直流电源上，产生励磁电流，从而产生励磁磁通，电枢绕组接控制电压，那么直流伺服电动机电枢回路的电压平衡方式为若不计电枢反应的影响，电机的每极气隙磁通将保持不变，则电动机的电磁转矩公式为1. 机械特性由上面三式可得到电枢控制的直流伺服电动机的机械特性方程式为错误！（7.1）改变控制电压，而机械特性的斜率不变，故其机械特性是一组平行的直线，如图7.2所示。
浅谈伺服系统的设计
浅谈伺服系统的设计作者：张春凤来源：《职业·中旬》2010年第05期一、伺服系统及其构成伺服系统(Servo system)也叫随动系统,是自动控制系统的一种。
光机电一体化系统中的伺服系统,以机械量(如位移、速度、加速度、力和力矩等)作为控制量,在控制指令作用下驱动执行元件,使机械的运动部件按照控制指令的要求运动,并满足一定的性能指标。
伺服系统的基本要求是使系统的输出量能够快速而精确地跟随输入指令的变化规律。
伺服系统通常具有负反馈的闭环控制系统,也有采用开环控制系统。
伺服系统服务的对象很多,如计算机光盘驱动控制、弧焊机器人轨迹控制、雷达跟踪系统等,都需要使用伺服系统。
虽然服务对象的运动部件、检测部件以及机械结构等不同,对伺服系统的要求有差别,但所有伺服系统的共同点则是带动控制对象按照指定规律作机械运动。
伺服系统的一般组成可描述为图1所示的形式。
伺服系统的执行元件是机械部件和电子装置的接口,功能是根据控制器发出的控制指令,将能量转换为机械部件运动的机械能。
根据执行元件能量转换形式的不同,可以分为电气元件、液压元件和气压元件3种。
伺服系统的执行元件可由3种元件独立构成,也可以互相组合。
如完全由电气元件组成的电气伺服系统,由电气和液压元件组合的电气一液压伺服系统等等。
电气执行元件也就是通常所说的电机,具有能源易获取、干净无污染、控制性能良好等优点,目前多数伺服系统采用电机作为伺服系统的执行元件。
二、伺服系统的基本要求1.对系统稳态性能的要求伺服系统的稳态性能指标包括系统静态误差、速度误差、加速度误差。
速度误差是指系统处于等速跟踪状态时,输出轴与其输入轴作相等的匀速运动时,同一时刻二者的转角差;加速度误差是指系统输出轴在一定的速度和加速度范围内跟踪输入轴运动时,在同一时刻两轴之间的最大差值。
2.对伺服系统动态性能的要求伺服系统应渐近稳定并留有一定的稳定裕量。
在典型信号输入下,系统的时域响应特性要满足规定要求。
执行元件及控制
气动执行元件
定义
气动执行元件是一种利用压缩气 体为动力源的执行机构，能够实 现直线、旋转或摆动等运动形式。
工作原理
气动执行元件内部装有气缸和活塞， 当压缩气体进入气缸后，推动活塞 运动，从而带动负载实现各种动作。
应用场景
广泛应用于自动化生产线、机械手、 物料搬运等场合，用于实现各种工 艺动作和自动化控制。
04 执行元件的选择与应用
选择依据
01
性能参数
根据实际需求，选择具有适当功率、 速度和精度的执行元件。
可靠性
选择经过严格测试和验证，具有高 可靠性和长寿命的执行元件。
03
02
环境条件
考虑执行元件在特定环境下的适应 性，如温度、湿度、压力等。
成本
在满足性能要求的前提下，选择性 价比高的执行元件。
04
紧固螺丝
确保所有连接螺丝都紧固， 无松动现象。
定期保养
油脂润滑
根据需要，为执行元件添加适量的润滑油或润滑 脂。
检查磨损
定期检查执行元件的磨损情况，如发现异常应及 时更换。
电气检查
检查执行元件的电气连接是否良好，无松动或短 路现象。
常见故障及排除方法
01
动作不灵活
可能是由于润滑不足或机械卡滞 导致，应检查并添加润滑油或清 洁机械部分。
异常声 导致，应立即停止使用并检查维 修。
可能是由于长时间高负荷运行或 散热不良导致，应检查散热系统 并进行相应处理。
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执行元件及控制
contents
目录
• 执行元件概述 • 常用执行元件 • 控制方式与原理 • 执行元件的选择与应用 • 执行元件的维护与保养
chap02_伺服电动机
正常转子电阻时的单相转矩
2.伺服电动机和伺服系统
Te T1 Te 1 T2 sm1 0
sm2 2 T2 1 sm1 0 Te Te T1
s
sm2 2
s
Te T1 sm2 2 T2 sm1 1 Te 0 s
2.伺服电动机和伺服系统
T T' TL T1
两相 合成 转矩
2
1
T
0
T2
增大转子电阻后的单相转矩
2.伺服电动机和伺服系统
工作原理：
与普通两相异步电机的相似之处：在二相对称绕组中通入 两对称电流，就会在气隙中产生圆形旋转磁场，转子导体 切割磁场所感应的电流与气隙磁磁场相互作用就产生电磁 转矩。当改变其中一相电流的大小或相位时，气隙磁场就 发生变化，电磁转矩随之变化，电机转速必然跟着改变， 从而实现对转速的控制。 区别：由于伺服电动机在自动控制系统中作为执行元件。 对其要求是：(1)转子速度的快慢能反应控制信号的强弱， 转动方向能反应控制信号的相位，调速范围要宽；（2） 无控制信号时，转子不能转动；（3）当电机转动起来以 后，如控制信号消失，应立即停止转动；（4）为减小体 积和重量，一般采用400、500 或1000Hz。
激磁电压与控制电压间的相位固定为90度，而激磁电压 的幅值随控制信号的改变而同样的改变，也就是说，不论控 制信号大小，电机始终在圆形旋转磁场下工作，可获得最大 输出功率和效率。
2.伺服电动机和伺服系统
交流伺服电动机的静态特性 和直流伺服电动机一样，可用机械特性和调节特性来表征 交流伺服电动机的的静态运行性能。
• 调节特性 负载转矩恒定时，转速随控制电压变化
n Uc R a Tl K e K e KT
n
调节特性与横坐标的交点， 就表示在某一电磁转矩时电 动机的始动电压。从原点到 始动电压点的一段范围，称 为在某一电磁转矩值时伺服 电动机的失灵区，也称死区。
伺服控制器的原理与构造
伺服控制器的原理与构造伺服控制器是一种用于控制伺服系统的装置，它能够精确地控制伺服电机或伺服阀等执行元件的运动，实现所需要的位置、速度和力矩控制。
伺服控制器的工作原理如下：1. 反馈原理：伺服控制器通过传感器获取执行元件的位置、速度或力矩等反馈信号，将其与期望的目标值进行比较，从而得到误差信号。
2. 控制原理：基于误差信号，伺服控制器通过运算和控制算法，计算出控制指令，用以调节执行元件的运动状态。
3. 闭环控制：伺服控制器通过不断的反馈和修正，使执行元件的输出能够逼近或达到期望的目标值，从而实现闭环控制。
伺服控制器的构造主要包括以下几个部分：1. 传感器：伺服控制器通常会使用位置传感器、速度传感器或力矩传感器等，用于获取执行元件的实际状态，将其转换为电信号输入到控制器中。
2. 控制算法：伺服控制器内部会采用各种控制算法，如比例控制、积分控制和微分控制等，通过对反馈信号进行运算和处理，得到控制指令。
3. 控制器芯片：伺服控制器通常会使用专门的集成电路芯片，如DSP芯片或FPGA芯片等，用于实现控制算法、运算处理和控制指令输出等功能。
4. 驱动芯片：伺服控制器还需要使用驱动芯片，用于将控制指令转换为能够驱动执行元件的电信号，控制其运动状态。
5. 电源系统：伺服控制器还需要提供稳定的电源供电，以保证控制器和执行元件的正常工作。
在伺服控制器中，控制算法起着核心的作用。
常用的控制算法有位置控制、速度控制和力矩控制等。
- 位置控制：该算法通过比较反馈信号和目标位置，产生误差信号，并根据误差信号调节控制指令。
常见的位置控制算法有比例控制、PID控制等。
- 速度控制：该算法通过比较反馈信号和目标速度，产生误差信号，并根据误差信号调节控制指令。
常见的速度控制算法有比例控制、PID控制以及模糊控制等。
- 力矩控制：该算法通过比较反馈信号和目标力矩，产生误差信号，并根据误差信号调节控制指令。
常见的力矩控制算法有比例控制、自适应控制等。
伺服电机内部结构及其工作原理
伺服电机内部结构及其⼯作原理伺服电机⼯作原理伺服电机原理⼀、交流伺服电动机交流伺服电动机定⼦的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定⼦上装有两个位置互差90°的绕组，⼀个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另⼀个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。
所以交流伺服电动机⼜称两个伺服电动机。
交流伺服电动机的转⼦通常做成⿏笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，⽆“⾃转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相⽐，应具有转⼦电阻⼤和转动惯量⼩这两个特点。
⽬前应⽤较多的转⼦结构有两种形式：⼀种是采⽤⾼电阻率的导电材料做成的⾼电阻率导条的⿏笼转⼦，为了减⼩转⼦的转动惯量，转⼦做得细长；另⼀种是采⽤铝合⾦制成的空⼼杯形转⼦，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减⼩磁路的磁阻，要在空⼼杯形转⼦内放置固定的内定⼦.空⼼杯形转⼦的转动惯量很⼩，反应迅速，⽽且运转平稳，因此被⼴泛采⽤。
交流伺服电动机在没有控制电压时，定⼦内只有励磁绕组产⽣的脉动磁场，转⼦静⽌不动。
当有控制电压时，定⼦内便产⽣⼀个旋转磁场，转⼦沿旋转磁场的⽅向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的⼤⼩⽽变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。
交流伺服电动机的⼯作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转⼦电阻⽐后者⼤得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相⽐，有三个显著特点：1、起动转矩⼤由于转⼦电阻⼤，其转矩特性曲线如图3中曲线1所⽰，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相⽐，有明显的区别。
它可使临界转差率S0＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，⽽且具有较⼤的起动转矩。
因此，当定⼦⼀有控制电压，转⼦⽴即转动，即具有起动快、灵敏度⾼的特点。
2、运⾏范围较⼴3、⽆⾃转现象正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机⽴即停⽌运转。
当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运⾏状态，由于转⼦电阻⼤，定⼦中两个相反⽅向旋转的旋转磁场与转⼦作⽤所产⽣的两个转矩特性（T1－S1、T2－S2曲线）以及合成转矩特性（T－S曲线）交流伺服电动机的输出功率⼀般是0.1-100W。