伺服系统与执行元件

1、本节知识 4.1.1 伺服系统4.1.2 执行元件 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）。4.1.1 伺服系统4.1.1 伺服系统u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u伺服控制系统组成：控制器、被控对象、执行环节、检测环

2、节、比较环节五部分一、伺服（控制）系统的结构组成伺服系统驱动装置 伺服系统组成原理框图比较元件调节元件执行元件被控对象测量、反馈元件输入指令输出量一、伺服系统的结构组成 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。1.比较环节一、伺服系统的结构组成 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一、伺服系统的结构组成2.控制器RfRiR1ViVoutfoutiiRVVR 1/ /ifRRR比例电路PID控制电路积分电路PID控制电路

3、RiR1ViVoutCi1outiiiVVdtRC R1=Ri微分电路PID控制电路R1=RfRfR1ViVoutCdioutfddVVR Cdt 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UPID控制电路 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3.执行环节

4、 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、力合力矩一、伺服系统的结构组成4.被控对象 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5.检测环节一、伺服系统的结构组成 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5.检测环节一、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。 一、伺服系统的结构组成 常见的分类方法有以下三种(1)按被控量参数

5、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二、伺服系统的分类 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 (2)按驱动元件的类型分类 二、伺服系统的分类u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。u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。 (3)按控制原理分类 二、伺服系统的分类u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。 半闭环控制系统半闭环

6、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的误差仍会影响移动部件的位移精度，但调试维修方便，稳定性好，为大多数中小型数控机床所采用。 u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。u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。

7、u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。 (3)按控制原理分类 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 伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度，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。三、伺服系统的技术要求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

8、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1.系统精度 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 三、伺服系统的技术要求2.稳定性 响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了

9、系统的工作效率。 响应速度与许多因素有关，如计算机的运行速度、运动系统的阻尼和质量等。三、伺服系统的技术要求3.响应特性 工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。当工作频率信号输入时，系统能够按技术要求正常工作；而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。 三、伺服系统的技术要求4.工作频率 系统精度、稳定性、响应特性及工作频率四项特性是相互关联的，是系统动态特性的表现特征。 利用自动控制理论来研究、分析所设计系统的频率特性，就可以确定系统的各项动态指标。 系统设计时，在满足系统工作要求（包括工作频率）的前提下，首先要保证系统的稳定性和精度，并尽量提高系统的响应速度。三、伺服系统的技术要求 系

10、统设计时如何处理4个特性之间的关系4.1.2 执行元件 一、执行元件的分类及其特点 二、直流伺服电动机 三、交流伺服电动机 四、步进电机 执行元件是能量变换元件 其目的是控制机械执行机构运动。 机电一体化伺服系统要求执行元件具有转动惯量小，输出动力大，便于控制，可靠性高和安装维护简便等特点。 根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电磁式、液压式和气压式等几种类型一、执行元件的分类及其特点执行元件的种类一、执行元件的分类及其特点交流(AC)伺服电动机直流(DC)伺服电动机步进电机其它电机双金属片形状记忆合金压电元件其它电磁铁及其它与材料有关气压马达气 缸液压马达油 缸电动机电磁式液压式气压式执行

11、元件 （1）电磁式执行元件能将电能转化成电磁力，并用电磁力驱动执行机构运动，如交流电机、直流电机、力矩电机、步进电机等。 对控制用电机性能除要求稳速运转之外，还要求加速、减速性能和伺服性能，以及频繁使用时的适应性和便于维护性。 一、执行元件的分类及其特点 （1）电磁式执行元件 电气执行元件的特点是操作简便、便于控制、能实现定位伺服、响应快、体积小、动力较大和无污染等优点，但过载能力差、易于烧毁线圈、容易受噪声干扰。 一、执行元件的分类及其特点 (2)液压式执行元件先将电能变化成液体压力，并用电磁阀控制压力油的流向，从而使液压执行元件驱动执行机构运动。 一、执行元件的分类及其特点u液压式执行元件

12、有直线式油缸、回转式油缸、液压马达等。u液压执行元件的特点是输出功率大、速度快、动作平稳、可实现定位伺服、响应特性好和过载能力强。缺点是体积庞大、介质要求高、易泄露和环境污染 一、执行元件的分类及其特点 (3)气压式执行元件与液压式执行元件的原理相同，只是介质由液体改为气体。 特点：介质来源方便、成本低、速度快、无环境污染，但功率较小、动作不平稳、有噪声、难于伺服。 闭环或半闭环控制伺服系统，主要采用直流伺服与交流伺服电动机或伺服阀控制的液压伺服马达作为执行元件 液压伺服马达主要用在负载较大的大型伺服系统中，中、小型伺服系统则多采用直流或交流伺服电动机 直流伺服电动机具有优良的静、动态特性，且

13、易控制，在20世纪90年代以前，一直是闭环系统中执行元件的主流 随着交流伺服技术发展，交流伺服电动机具有与直流伺服电动机相近的优良性能，且交流伺服电动机无电刷磨损问题，维修方便，价格的逐年降低，应用越来越广。 闭环伺服系统设计时，应根据设计者对技术的掌握程度及市场供应、价格等情况，适当选取合适的执行元件一、执行元件的分类及其特点 直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动转矩和相对功率，易于控制及响应快等优点。尽管其结构复杂，成本较高，在机电一体化控制系统中还是具有较广泛的应用。二、直流伺服电动机1.直流伺服电动机的分类 按励磁方式可分为电磁式和永磁式两种 按电枢的结构与形状又可分为平滑电枢型

14、、空心电枢型和有槽电枢型等 按转子转动惯量的大小而分成大惯量、中惯量和小惯量直流伺服电动机 二、直流伺服电动机按励磁方式可分为电磁式和永磁式两种 电磁式直流伺服电动机是一种普遍使用的伺服电动机，特别是大功率电机（100W以上）。 永磁式伺服电动机具有体积小、转矩大、力矩和电流成正比、伺服性能好、响应快功率体积比大、功率重量比大、稳定性好等优点。由于功率的限制，目前主要应用在办公自动化、家用电气、仪器仪表等领域。 1.直流伺服电动机的分类 按电枢的结构与形状：平滑、空心和有槽电枢型 平滑电枢型的电枢无槽，其绕组用环氧树脂粘固在电枢铁心上，因而转子形状细长，转动惯量小。空心电枢型的电枢无铁心，且常

15、做成杯形，其转子转动惯量最小。有槽电枢型的电枢与普通直流电动机的电枢相同，因而转子转动惯量较大。 1.直流伺服电动机的分类 按转子转动惯量的大小：大惯量、中惯量和小惯量直流伺服电动机 大惯量直流伺服电动机(又称直流力矩伺服电动机)负载能力强，易于与机械系统匹配，而小惯量直流伺服电动机的加减速能力强、响应速度快、动态特性好 1.直流伺服电动机的分类 构成：磁极、电枢、电刷及换向片2.直流伺服电动机的基本结构及工作原理磁极电枢导体磁极NSnA电刷换向片B工作原理：定子磁场的作用，通直流电的电枢（转子）受电磁转矩的驱使，带动负载旋转 电机旋转方向和速度由电枢绕组中电流的方向和大小决定。 当电枢绕组电

16、流为零，电机静止不动2.直流伺服电动机的基本结构及工作原理磁极电枢导体磁极NSnA电刷换向片B 控制方式 电枢电压控制：定子磁场不变，通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转速和输出转矩； 励磁磁场控制：通过改变励磁电流的大小来改变定子磁场强度，从而控制电机转速和输出转矩 2.直流伺服电动机的基本结构及工作原理 电枢电压控制时的电枢等效电路3.直流伺服电动机的特性分析MTmUaLaIaRaEa电枢反电动势电枢电压电枢电流电枢电阻电磁转矩 电枢电压控制时的电枢等效电路 电动机稳态运行，回路中电流保持不变，则电枢回路中的电压平衡方程 3.直流伺服电动机的特性分析MTmUaLaIaRaE

17、aaaaaRIUE 电枢电压控制时的电枢等效电路MTmUaLaIaRaEa转子在磁场中以角速度切割磁力线时，电枢反电动势与角速度之间存在如下关系 eaCE Ce是电动势常数，仅与电动机结构有关； 定子磁场中每极气隙磁通量 电枢电压控制时的电枢等效电路MTmUaLaIaRaEaeaCEaaaaRIUEeaaaCRIUammICT 电枢电压控制时的电枢等效电路MTmUaLaIaRaEaammICT电枢电流切割磁场磁力线所产生的电磁转矩 mmaCTICm是转矩常数，仅与电动机结构有关 电枢电压控制时的电枢等效电路MTmUaLaIaRaEammaCTIeaaaCRIUmCCRCUTmeaea2直流伺服

18、电动机运行特性的一般表达式 mCCRCUTmeaea2直流伺服电动机运行特性的一般表达式 3.直流伺服电动机的特性分析aeUC0mT （1）当 称为理想空载角速度，角速度与电枢电压成正比 mCCRCUTmeaea2直流伺服电动机运行特性的一般表达式 3.直流伺服电动机的特性分析0（2）当 Td称为启动瞬时转矩，其值也与电枢电压成正比 aRCdmUTTammCCRCUTmeaea2直流伺服电动机运行特性的一般表达式 3.直流伺服电动机的特性分析（3）当 即角速度是电磁转矩的函数，直流伺服电动机的机械特性表达式)(mTfmCCRTmea20eaCU0mCCRCUTmeaea2直流伺服电动机运行特性

19、的一般表达式 3.直流伺服电动机的特性分析（4）当 即角速度是电枢电压的函数，直流伺服电动机的调节特性表达式()af UmCUkTea2meaCCRkmCCRCUTmeaea2运行特性3.直流伺服电动机的特性分析调节特性mCUkTea2meaCCRkmCCRTmea20eaCU0机械特性直流伺服电动机的机械特性Ua1Ua2Ua3Td3Td2Td1TmO3.直流伺服电动机的特性分析mCCRTmea20eaCU0机械特性直流伺服电动机的机械特性Ua1Ua2Ua3Td3Td2Td1TmO（1）一组斜率相同的直线簇，每条机械特性和一种电枢电压相对应 特点：（2）与轴的交点是该电枢电压下的理想空载角速度

20、，与Tm轴的交点则是该电枢电压下的启动转矩 （3）机械特性的斜率为负，说明在电枢电压不变时，电动机转速随负载转矩增加而降低。 3.直流伺服电动机的特性分析调节特性mCUkTea2meaCCRkUa2Ua3Ua10Tm10Tm2Tm3Ua直流伺服电动机的调节特性Ua2Ua3Ua10Tm10Tm2Tm3Ua直流伺服电动机的调节特性（1）一组斜率相同的直线簇，每条调节特性和一种电磁转矩相对应 特点：（2）与Ua轴的交点是启动时的电枢电压 （3）调节特性的斜率为正，说明在一定负载下，电动机转速随电枢电压的增加而增加（1）驱动电路对机械特性的影响（2）直流伺服电动机内部的摩擦 对调节特性的影响（3）负载

21、变化对调节特性的影响 4.影响直流伺服电动机特性的因素上述对直流伺服电动机特性的分析是在理想条件下进行的，实际上多种因素对直流伺服电动机的特性有着不容忽略的影响，主要为 直流伺服电动机是由驱动电路供电的，假设驱动电路的内阻是Ri，加在电枢绕组两端的控制电压是Uc，电枢等效回路（1）驱动电路对机械特性的影响含驱动电路的电枢等效回路MEaRiUcLaRaIa 电压平衡方程式为（1）驱动电路对机械特性的影响含驱动电路的电枢等效回路MEaRiUcLaRaIaiaacaRRIUE 在考虑了驱动电路的影响后，直流伺服电动机的机械特性表达式变成 mCCRRTmeia20（1）驱动电路对机械特性的影响含驱动电路的电枢等效回路MEaRiUcLaRaIa 考虑驱动电路的影响 mCCRRTmeia20 理想状态下mCCRTmea20eaCU0MTmUaLaIaRaEa不含驱动电路的电枢等效回路（1）驱动电路对机械特性的影响OTdTmRaRa RidT驱动电路内阻对机械特性的影响驱动电路内阻使机械特性曲线变陡 如果电机的机械特性较平缓（斜率绝对值较小），当负载转矩变化时，相应的转速变化较小