机电一体化伺服系统

1、第一节 伺服系统的概述什么是伺服系统什么是伺服系统伺服系统发展过程及其应用伺服系统发展过程及其应用伺服系统的基本类型伺服系统的基本类型伺服系统的结构组成伺服系统的结构组成伺服系统的基本要求伺服系统的基本要求一一 什么是伺服系统什么是伺服系统U伺服系统伺服系统也称为随动系统，是一种能够及时跟踪输也称为随动系统，是一种能够及时跟踪输入给定信号并产生动作，从而获得精确的位置、速度入给定信号并产生动作，从而获得精确的位置、速度等输出的自动控制系统。等输出的自动控制系统。 伺服系统是自动控制系统中的一类，伺服系统是自动控制系统中的一类，1934年第一次提年第一次提出了伺服机构（出了伺服机构（Servom

2、echanism），），1944年世界上第一年世界上第一个伺服系统由麻省理工学院成功研制，随着自动控制理论个伺服系统由麻省理工学院成功研制，随着自动控制理论的发展，到的发展，到 20世纪中期，伺服系统的理论和实践均趋于成世纪中期，伺服系统的理论和实践均趋于成熟。在近几年新技术的推动下，特别是伴随着微电子和计熟。在近几年新技术的推动下，特别是伴随着微电子和计算机技术的发展，伺服系统应用几乎遍及社会的各个领域。算机技术的发展，伺服系统应用几乎遍及社会的各个领域。二二 伺服系统发展过程及其应用伺服系统发展过程及其应用到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型到目前为止，高性能的电伺服系统大多采

3、用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。国科尔摩根和日本松下及安川等公司。交流伺服在我国的发展历史 我国从我国从1970年代开始跟踪开发交流伺服技术，主要研究力年代开始跟踪开发交流伺服技术，主要研究力量集中在高等院校和科研单位，以军工、宇航卫星为主要量集中在高等院校和科研单位，以军工、宇航卫星为主要应用方向，不考虑成本因素。主要研究机构是北京机床所应用方向，不考虑成本因素。主要研究机构是北京机床所、

4、西安微电机研究所、中科院沈阳自动化所等。、西安微电机研究所、中科院沈阳自动化所等。80年代之年代之后开始进入工业领域，直到后开始进入工业领域，直到2000年，国产伺服停留在小批年，国产伺服停留在小批量、高价格、应用面狭窄的状态，技术水平和可靠性难以量、高价格、应用面狭窄的状态，技术水平和可靠性难以满足工业需要。满足工业需要。2000年之后，随着中国变成世界工厂、制年之后，随着中国变成世界工厂、制造业的快速发展为交流伺服提供了越来越大的市场空间，造业的快速发展为交流伺服提供了越来越大的市场空间，国内几家单位开始推出自己品牌的交流伺服产品。国内几家单位开始推出自己品牌的交流伺服产品。目前国目前国内

5、主要的伺服品牌或厂家有森创（和利时电机）、华中数内主要的伺服品牌或厂家有森创（和利时电机）、华中数控、广数、南京埃斯顿、兰州电机厂等。其中华中数控、控、广数、南京埃斯顿、兰州电机厂等。其中华中数控、广数等主要集中在数控机床领域。广数等主要集中在数控机床领域。F机械制造行业：各种机床运动（主轴的旋转和刀具的进机械制造行业：各种机床运动（主轴的旋转和刀具的进给运动）部分的速度控制、运动轨迹控制、位置控制，给运动）部分的速度控制、运动轨迹控制、位置控制，都是依靠各种伺服系统控制的。它们不仅能完成转动、都是依靠各种伺服系统控制的。它们不仅能完成转动、直线运动控制，而且能依靠多套伺服系统配合，完成复直线

6、运动控制，而且能依靠多套伺服系统配合，完成复杂的空间运动的控制。杂的空间运动的控制。F在运输行业：电气机车的自动调速、高层建筑中在运输行业：电气机车的自动调速、高层建筑中电梯的升降控制、船舶的自动操舵、飞机的自动电梯的升降控制、船舶的自动操舵、飞机的自动驾驶等。驾驶等。F在冶金工业：电弧炼钢炉的电极位置控制，轧钢在冶金工业：电弧炼钢炉的电极位置控制，轧钢机轧辊压下运动的位置控制等，都依靠伺服系统机轧辊压下运动的位置控制等，都依靠伺服系统来实现，而无法由人工操作来代替的。来实现，而无法由人工操作来代替的。F军事上：伺服系统用的更为普遍，雷达天线的自军事上：伺服系统用的更为普遍，雷达天线的自动瞄准

7、跟踪控制、高射炮、战术导弹发射架的瞄动瞄准跟踪控制、高射炮、战术导弹发射架的瞄准运动控制、飞行器的姿态驱动控制、载人飞船、准运动控制、飞行器的姿态驱动控制、载人飞船、精密的导航系统中，陀螺平台稳定系统、激光导精密的导航系统中，陀螺平台稳定系统、激光导引头的目标跟踪、坦克炮塔的防摇稳定控制和鱼引头的目标跟踪、坦克炮塔的防摇稳定控制和鱼雷的自动控制等。雷的自动控制等。F机器人：手臂关节、六自由度的喷涂机械机器人：手臂关节、六自由度的喷涂机械 手的运动控手的运动控制等。制等。F印刷电路板生产线：表面贴焊，快速打孔，机械手放印刷电路板生产线：表面贴焊，快速打孔，机械手放置器件。置器件。F计算机外围设备

8、：也采用了不少伺服系统，如自动绘计算机外围设备：也采用了不少伺服系统，如自动绘图仪的画笔控制系统、磁盘驱动系统等。图仪的画笔控制系统、磁盘驱动系统等。伺服系统的应用越来越广泛，大至控制上吨重的巨型伺服系统的应用越来越广泛，大至控制上吨重的巨型雷达天线，可以及时准确的跟踪人造卫星的发射，小雷达天线，可以及时准确的跟踪人造卫星的发射，小到用音圈电机来控制电视机的放像头，从航空航天、到用音圈电机来控制电视机的放像头，从航空航天、国防、工业生产、交通运输到家庭生活，而且其必将国防、工业生产、交通运输到家庭生活，而且其必将发展应用到更新领域。发展应用到更新领域。三三 伺服系统的基本类型伺服系统的基本类型

9、按被控量的不同：位置伺服系统，速度伺服系统，力伺按被控量的不同：位置伺服系统，速度伺服系统，力伺服系统等。最常见的事位置伺服系统，如数控机床的伺服系统等。最常见的事位置伺服系统，如数控机床的伺服进给系统等。服进给系统等。按所采用的执行元件的不同可分为，电气伺服系统、液压伺按所采用的执行元件的不同可分为，电气伺服系统、液压伺服系统、气压伺服系统等。电气伺服系统采用伺服电机或步服系统、气压伺服系统等。电气伺服系统采用伺服电机或步进电机作为执行元件，在机电一体化产品中应用比较广泛。进电机作为执行元件，在机电一体化产品中应用比较广泛。按控制方式不同：按控制方式不同：开环伺服系统开环伺服系统，闭环伺服系

10、统闭环伺服系统，半闭环伺服系统。开环伺服系统中无检测反馈元件，半闭环伺服系统。开环伺服系统中无检测反馈元件，结构简单，但精度低；闭环伺服系统直接对工作台结构简单，但精度低；闭环伺服系统直接对工作台等移动部件进行检测和反馈，因而精度高，但结构等移动部件进行检测和反馈，因而精度高，但结构复杂，成本高。半闭环伺服系统的检测反馈元件位复杂，成本高。半闭环伺服系统的检测反馈元件位于机械执行装置的中间某个部位（如伺服电机或滚于机械执行装置的中间某个部位（如伺服电机或滚珠丝杠上），将大部分机械构件封闭在反馈控制环珠丝杠上），将大部分机械构件封闭在反馈控制环节之外，性能介于开环和闭环伺服系统之间。节之外，性能

11、介于开环和闭环伺服系统之间。伺服系统组成原理框图伺服系统组成原理框图 机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动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理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括等五部分。等五部分。四四 伺服系统的结构组成伺服系统的结构组成1.1.比较元件比较元件比较元件是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较。比较元件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。或计算机来实现。2.2.调节元件（控

12、制器）调节元件（控制器）控制器通常是计算机或控制器通常是计算机或PIDPID（比例、积分和微分）控制电路，（比例、积分和微分）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。控制执行元件按要求动作。 3. 3.执行元件执行元件 执行元件的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的执行元件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。的执行元件一般指各种电机或

13、液压、气动伺服机构等。 4.被控对象被控对象 是伺服系统中被控制的设备或装置，是直接实现目的功能是伺服系统中被控制的设备或装置，是直接实现目的功能或主功能的主体，其行为质量反映着整个伺服系统的性能。或主功能的主体，其行为质量反映着整个伺服系统的性能。 5.检测环节检测环节 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。的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。五五 伺服系统伺服系统的基本要求的基本要求 精度精度: :指输出量复现输入指令信号的精确程度，通常用指输出量复现输入指令信号的精确程度，通常用

14、稳态误差表示稳态误差表示影响伺服系统精度的因素：影响伺服系统精度的因素：五五 伺服系统的基本要求伺服系统的基本要求稳定性好稳定性好指指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后到达新的或着恢复原有的平衡状态；静态速降应过程后到达新的或着恢复原有的平衡状态；静态速降应小于小于5，动态速降小于，动态速降小于10五五 伺服系统的基本要求伺服系统的基本要求 在零速时，伺服系统处于在零速时，伺服系统处于 “锁定锁定” 状态，即惯性小。状态，即惯性小。要求：要求： 要大，并且在该范围内，速度稳定；要大，并且在该范围内，速度稳定；maxminnnRn

15、无论高速低速下，输出力或力矩稳定，低速驱动时，无论高速低速下，输出力或力矩稳定，低速驱动时，能输出额定的力能输出额定的力 或力矩；或力矩； 响应速度响应速度: :是衡量伺服系统动态性能的重要指标是衡量伺服系统动态性能的重要指标五五 伺服系统的基本要求伺服系统的基本要求应变能力指能承受频繁的启动、制动、加速、减速的应变能力指能承受频繁的启动、制动、加速、减速的冲击；冲击；过载能力指在低速大转矩时，能承受较长时间的过载过载能力指在低速大转矩时，能承受较长时间的过载而不致损坏。而不致损坏。 低速大转矩低速大转矩五五 伺服系统的基本要求伺服系统的基本要求第二节第二节 伺服系统的执行元件概述伺服系统的执

16、行元件概述执行元件的种类及特点执行元件的种类及特点执行元件的基本要求执行元件的基本要求常用的控制用电机常用的控制用电机 一、执行元件的种类及其特点一、执行元件的种类及其特点 执行元件电磁式电磁铁及其他电动机液压马达液压式油 缸气压马达气压式气 缸其 他与材料有关直流伺服电机双金属片压电元件状态记忆金属其他电机交流伺服电机步进电机1. 电气执行元件电气执行元件 电气执行元件包括直流电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（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，一般还要求动态件。对

17、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 液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、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 气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液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压式执行元件

18、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。性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。异步电动机异步电动机感应电动机感应电动机离合器电动机离合器电动机永磁同步电动机永磁同步电动机微型直流减速电动机微型直流减速电动机电磁式电磁式液压液压式式 气压式气压式应用：液压系统用于需大的功率重型设备应用：液压系统用于需大的功率重型设备; ;气动用于气动用于工件夹紧、输送等自动化生产线工件夹紧、输送等自动化生产线; ; 电动应用最广泛电动应用最广泛. .种类种类特点特点优点优点缺点缺点电电气

19、气式式 可用商业电源；信号可用商业电源；信号与动力传送方向相同；与动力传送方向相同；有交流直流之分；注意有交流直流之分；注意使用电压和功率。使用电压和功率。 操作简便；编程容易；操作简便；编程容易；能实现定位伺服控制；能实现定位伺服控制；响应快、易与计算机响应快、易与计算机（CPUCPU）连接；体积小、）连接；体积小、动力大、无污染。动力大、无污染。 瞬时输出功率大；过载瞬时输出功率大；过载差；一旦卡死，会引起差；一旦卡死，会引起烧毁事故；受外界噪音烧毁事故；受外界噪音影响大。影响大。 气气压压式式 气体压力源压力气体压力源压力5757MpaMpa；要求操作人；要求操作人员技术熟练。员技术熟练

20、。 气源方便、成本低；无气源方便、成本低；无泄露而污染环境；速度泄露而污染环境；速度快、操作简便。快、操作简便。 功率小、体积大、难于功率小、体积大、难于小型化；动作不平稳、小型化；动作不平稳、远距离传输困难；噪音远距离传输困难；噪音大；难于伺服。大；难于伺服。 液液压压式式 液体压力源压力液体压力源压力20802080MpaMpa；要求操作；要求操作人员技术熟练。人员技术熟练。输出功率大，速度快、输出功率大，速度快、动作平稳，可实现定位动作平稳，可实现定位伺服控制；易与计算机伺服控制；易与计算机（CPUCPU）连接。）连接。 设备难于小型化；液压设备难于小型化；液压源和液压油要求严格；源和液

21、压油要求严格；易产生泄露而污染环境。易产生泄露而污染环境。 气压系统与液压系统的比较气压系统与液压系统的比较1.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。染环境。2.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。一，易于远距离控制。3.工作压力低可降低对气动元件的材料和制造精度要求。工作压力低可降低对气动元件的材料和制造精度要求。4.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。点。5.维护简便，使用安全，没有防火、防爆问题；适用于石油、化维护简便，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工、农药及矿山机械的特殊要求。对于