伺服基础培训资料

1、1 2 AC 伺服机制系统 伺服系伺服系统统的分的分类类 伺服的概述伺服的概述 伺服系伺服系统统的基本构成的基本构成 伺服的工作原理伺服的工作原理 伺服的控制方式伺服的控制方式 伺服的伺服的应应用用 课 程 大 纲 3 1.1 伺服的概述 来源于动词来源于动词；服从服从、服务服务。 根据目标值的指令根据目标值的指令, ,迅速地自动作出动作反映的电机迅速地自动作出动作反映的电机。 伺服系统也可以称谓是伺服机构伺服系统也可以称谓是伺服机构。 省略省略“机构机构”和和“机械装置机械装置”来看，伺服系统是有目的自行控制来看，伺服系统是有目的自行控制。 所谓控制，是指按照目的运行。也就是不由人手带动某些

2、装置，而是所谓控制，是指按照目的运行。也就是不由人手带动某些装置，而是 自己按照设定目的来控制对象自己按照设定目的来控制对象。 4 1.2什么叫自动控制？ 自动控制的三种举例自动控制的三种举例: : 处理连续变化的对象，如温度、圧力、流量。 如将维持水位等数值作为控制对象。 通过电压和频率控制电线、纸和软片的张力、 以及将水车和涡轮机的转速等保持到一定值作 为控制对象。 工作母机的刀台送行和机器人的运作、以及其 他很多行业那样将机械的控制、物体的机械式 的位置作为控制对象。 处理控制处理控制 自动调整自动调整 伺服系统伺服系统 5 1.3什么叫伺服系统？ 生活中自动控制的例子生活中自动控制的例

3、子 u 水量（少、一半、7成程度、全满） u 需要时间（需要点時間；快点；慢慢地） 这个时候的人行动这个时候的人行动 扭开关 监视水龙头的水流 调节开关的大小 监视杯子里的水流 当目标水量接近时 关闭开关 眼 水 道 开关 脑：提出要 求、指示 判断指示 开关的关闭 水量 水流 目標水量 信息 人根据杯子的水量、无意识地思考需要时间。 指示：手（肌肉）指挥 广州朗豪自动化科技6 从系统组成元件的性质来看: 有电气伺服系统、液压伺服系统和电气-液压伺服系统及电气-电气伺服系统等 从系统输出量的物理性质来看: 有速度或加速度伺服系统和位置伺服系统等 从系统中所包含的元件特性和信号作用特点来看: 有

4、模拟式伺服系统和数字式伺服系统 从系统的结构特点来看: 有单回伺服系统、多回伺服系统和开环伺服系统、闭环伺服系统。 7 A、开环-即无位置反馈的系统 其驱动元件主要是功率步进电机或液压脉冲马达。 它的结构简单、易于控制，但缺点是精度差，低速不平稳，扭矩小。 一般用于轻载负载变化不大或经济型数控机床上。 B、闭环-误差控制随动随动系统 数控机床进给系统的误差，是CNC输出的位置指令和机床工作台实际位置的差 值。 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。 电机 机械执行部件 A相、B相 C相、 f、n CNC 插补指令 脉冲频率f 脉冲个数n 换算 脉冲环 形分配 变换 功率

5、 放大 8 半闭环伺服系统半闭环伺服系统 半闭环伺服系统的位置采样点如 图所示，是从驱动装置(常用伺 服电机)或丝杠引出，采样旋转 角度进行检测，不是直接检测运 动部件的实际位置。 位置控制调 节器 速度控制 调节与驱动 检测与反馈单 元 位置控制单元速度控制单元 + + - 电机 机械执行部件 CNC 插补 指令 实际 位置 反馈 实际 速度 反馈 9 負荷負荷 （球等球等） 指令指令 控制器控制器 等等 感应器数据感应器数据 ( (位置位置, ,状態）状態） 駆動駆動 （伺服马达伺服马达） 控制控制 （伺服放大器伺服放大器） 反馈反馈器器（感应器）（感应器） 伺服马达伺服马达 指令信号指令

6、信号 （位置、速度、（位置、速度、力矩力矩） 反馈反馈信号信号 （位置、完（位置、完成成信号、信号、 状態信号）状態信号） 10 伺服放大器的构成伺服放大器的构成 把供给为了以如指示的旋转角和转速让伺服机制马达把供给为了以如指示的旋转角和转速让伺服机制马达 旋转的电力旋转的电力 （电压、电流）的装置称为伺服系统增幅（电压、电流）的装置称为伺服系统增幅 容器或伺服系统放大器（容器或伺服系统放大器（Amplifier Amplifier ），简称为），简称为伺伺 服系统放大器服系统放大器 位置位置電流電流速度速度 电流电流 変換変換 伺服电机伺服电机 位置位置环环 速度速度环环 電流電流环环 速度

7、速度 感应器感应器 位置位置 感应器感应器 伺服系伺服系统统放大器放大器基本基本构成构成图图 11 主回路部分主回路部分 o 整流单元（四相限电源） o 逆变单元 o 电流传感器 功率单元IPM和PIM之分，有集成模块和分离IGBT 结构 伺服主回路和变频器的 最大区别是： 1、过载倍数 2、电流采样精度 12 特性步进电机系统伺服电机系统 力矩范围中小力矩（一般在20Nm以下）小、中、大，全范围 速度范围低（一般在2000RPM以下，大力矩电机小于 1000RPM） 高（可达6000RPM）,直流伺服电机更可 达12万转/分 控制方式主要是位置控制 多样化智能化的控制方式位置/转速/转矩方式

8、 平滑性低速时有振动（但用细分型驱动器则可明显 改善） 好，运行平滑 精度一般较低，细分型驱动时较高高（具体要看反馈装置的分辨率） 矩频特性高速时，力矩下降快力矩特性好，特性较硬 过载特性过载时会失步可310倍过载（短时） 反馈方式大多数为开环控制，也可接编码器，防止失 步 闭环方式，编码器反馈 编码器类型光电型旋转编码器（增量型/绝对值型）光电型旋转编码器,旋转变压器型 响应速度一般快 耐振动好一般（旋转变压器型可耐振动） 温升运行温度高一般 维护性基本可以免维护较好 价格低较高 13 14 u位置位置控制控制通过对移动量（马达旋转数）的控制而达到任意目 标的位置。 位置控制通常有以下两种情

9、况：位置控制通常有以下两种情况： 控制只限于最终的位置的情况。（） 控制移动中途的路线的情况。（轨迹控制、） 位置位置环环 速度环速度环 电流环电流环 M + 脉冲脉冲列列 + 力矩力矩指令指令 偏差偏差 计数器计数器 位置位置感应感应 上位机 速度指令速度指令 15 速度速度控制控制通过对转速控制而达到任意目任意目标转速。标转速。 在速度控制时，就算马达有负载，指令速度与实际速度差（稳定稳定速度速度 偏差）偏差）为为。 速度指令速度指令VcmdVcmd 1000 马达转速马达转速(min-1)(min-1) 2 0 产生力矩产生力矩 速度速度感应感应 放大器放大器 速度环速度环 电流环电流环

10、 M + 速度指令速度指令 （模拟量模拟量） + 力矩指令力矩指令 1.15速度控制 输入：使之产生力矩的指令值 16 放大器放大器 产生力矩产生力矩 力矩指令力矩指令 （不可控制转速不可控制转速） + 负载扭矩产生扭矩马达被动停止 负载扭矩产生扭矩马达自行控制停止 负载扭矩产生扭矩停止 负载力矩负载力矩 Tcmd Tl T V 0+ + Tps 1.14力矩控制 17 马达轴马达轴 转子转子（永久磁石）（永久磁石） 定子（线圈）定子（线圈） 刹车（可选）刹车（可选） 感应器感应器 轴承轴承 刹车刹车感应器感应器 定子定子转子转子 18 （3）检测装置 o 数字传感器 增量型和绝对型 o 码盘

11、刻线的差别 o 绝对式编码器2的n次方道刻线，不受不受停电、干扰、 速度、电气响应的影响的,尤其是高精度又要高速的情况 下，增量细分是无法满足要求的。 绝对法（绝对）的多结构的通道检测直绝对法（绝对）的多结构的通道检测直 言不讳特殊代码到磁盘言不讳特殊代码到磁盘 。 绝对绝对方式方式 增量增量方式方式 当光电编码器的轴转动时当光电编码器的轴转动时A A、B B两根线都产生脉冲两根线都产生脉冲 输出输出,A,A、B B两相脉冲相差两相脉冲相差9090度相位角，由此可测度相位角，由此可测 出光电编码器转动方向与电机转速。如果出光电编码器转动方向与电机转速。如果A A相脉相脉 冲比冲比B B相脉冲超

12、前则光电编码器为正转相脉冲超前则光电编码器为正转, ,否则为反否则为反 转转.Z .Z线为零脉冲线线为零脉冲线 。 旋转盘构旋转盘构造造 A B 19 20 机械加工机械加工 成型机成型机 医疗器械医疗器械 一般工业设备一般工业设备 机器人机器人 半导体设备半导体设备 21 伺服系统之应用 o 数控机床的应用 同步能力，快速响应能力，低速稳态 控制能力； 匹配NC控制器的能力，网络化能力 等 中高端产品的供应商集中在西门子、 Fanuc等 o 主要是强调轨迹控制和插补控制能力。 22 伺服系统之应用 o 包装印刷行业的应用 同步控制能力，张力控制，网络化能力等； 横切功能：飞剪、追剪等； 电子凸轮功能 无轴（电子轴）传动技术，主要技术供应商为德国的博 世力士乐、伦茨、日本的住友和奥地利的贝加莱，国内 鲜有公司具备此能力，仅北人和松德在做无轴传动的研 究开发。 主要是同步控制 23 多关节机器人多关节机器人 伺服系统伺服系统 腕轴腕轴、体、体轴轴、旋回、旋回轴等轴等轴轴 使用使用绝对式编码器绝对式编码器 光诊断设备光诊断设备 CTCT、MRIMRI等床的旋转轴等床的旋转轴、床的床的 上下上下轴轴、水平、水平轴轴 24 伺服系统伺服系统 轴定位轴定位、 以及搬送轴以及搬送轴 使用多轴使用多轴 25 金属加工金属加工 伺服系统伺服系统 轴轴 轴轴 轴轴 轴轴使用使用 攻