机电一体化第3章 伺服系统(1伺服系统概述)

1、第三章第三章 机电一体化系统执机电一体化系统执行元件的选择与设计行元件的选择与设计 4 伺服系统伺服系统n 了解伺服系统概念、类型、基本要求了解伺服系统概念、类型、基本要求n 了解执行元件的种类、特点、基本要求了解执行元件的种类、特点、基本要求n 掌握常用电动机的特点、驱动方法和选用掌握常用电动机的特点、驱动方法和选用n 了解伺服系统的设计方法了解伺服系统的设计方法学习目的与要求学习目的与要求 教学重点与难点教学重点与难点 步进电机、直流、交流伺服电机及其控制步进电机、直流、交流伺服电机及其控制 4 伺服系统伺服系统本章内容本章内容伺服系统概述伺服系统概述伺服系统的执行元件概述伺服系统的执行元

2、件概述控制电动机及其选择计算控制电动机及其选择计算伺服系统设计伺服系统设计 4 伺服系统伺服系统 4 伺服系统伺服系统 伺服来自英文单词Servo，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。 一、伺服系统基本概念一、伺服系统基本概念 电气控制装置电气控制装置机械执行机械执行装置装置执行元件执行元件传传感感器器伺服系统组成图第一节第一节 伺服系统伺服系统 4 伺服系统伺服系统伺服系统的结构组成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，但从机电一体化的伺服控制

3、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、比较环节等五制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。部分。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伺服系统组成原理框图 4 伺服系统伺服系统n 按控制原理分 有开环、闭环和半闭环三种形式n 按被控制量性质分 有位移、速度、力和力矩等伺服系统形式n 按驱动方式分 有电气、液压和气压等伺服驱动形式n 按执行元件分 有步进电机伺服、直流电机伺服和交流电机伺服形式 二、伺服系统基本类型二、伺服系统基本类型 4 伺

4、服系统伺服系统第二节第二节 伺服系统的执行元件概述伺服系统的执行元件概述n执行元件的种类及特点执行元件的种类及特点n执行元件的基本要求执行元件的基本要求n常用的控制用电机常用的控制用电机 4 伺服系统伺服系统n执行元件执行元件，是处于执行机构与电子控制装，是处于执行机构与电子控制装置的接点部位的置的接点部位的能量转换能量转换部件。部件。n它能在电子控制装置控制下，将输入的各它能在电子控制装置控制下，将输入的各种形式的能量转换为种形式的能量转换为机械能机械能。n例如电动机、液动机、气缸、内燃机、电例如电动机、液动机、气缸、内燃机、电磁铁、继电器等分别把输入的电能、液压磁铁、继电器等分别把输入的电

5、能、液压能、气压能和化学能转换为机械能。能、气压能和化学能转换为机械能。 4 伺服系统伺服系统 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 4 伺服系统伺服系统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。对伺

6、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没

7、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。 4 伺服系统伺服系统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气式电气式 4 伺服系统伺服系统液压液压式式 4 伺服系统伺服系统气压式气压式 4 伺服系统伺服系统应用：应用：液压系统用于需大的功率重型设备液压系统用于需大的功率重型设备; ;气动用于工件夹紧、气动用于工件夹紧、输送等自动化生产线输送等自动化生

8、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；过瞬时输出功率大；过载差；一旦卡死，会载差；一旦卡死，会引起烧毁事故；受外引起烧毁事故；受外界噪音影响大。界噪音影响大。 气气压压式式 气体压力源

9、压力气体压力源压力5757MpaMpa；要求操作；要求操作人员技术熟练。人员技术熟练。 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、难功率小、体积大、难于小型化；动作不平于小型化；动作不平稳、远距离传输困难；稳、远距离传输困难；噪音大；难于伺服。噪音大；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；要求操作人员技术熟练。作人员技术熟练。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

10、）连接。）连接。 设备难于小型化；液设备难于小型化；液压源和液压油要求严压源和液压油要求严格；易产生泄露而污格；易产生泄露而污染环境。染环境。 4 伺服系统伺服系统1惯量小、动力大惯量小、动力大 表征执行元件惯量的性能指标：对直线运动为质量表征执行元件惯量的性能指标：对直线运动为质量m，对回，对回转运动为转动惯转运动为转动惯 量量J。表征输出动力的性能指标为椎力。表征输出动力的性能指标为椎力F、转、转矩矩T或功率或功率P。另一种表征动力大小的综合性指标称为比功率。另一种表征动力大小的综合性指标称为比功率。它包含了功率、加速性能它包含了功率、加速性能 相转速三种因素。相转速三种因素。2体积小、重

11、量轻体积小、重量轻 既要缩小执行元件的体积、减轻重量，同时义要增大其动力，既要缩小执行元件的体积、减轻重量，同时义要增大其动力，故通常用执行元件的单位重量所能达到的输出功率或比功率，故通常用执行元件的单位重量所能达到的输出功率或比功率，即用功率密度或比功率密度来评价这项指标。即用功率密度或比功率密度来评价这项指标。3便于维修、安装便于维修、安装 执行元件最好不需要维修。执行元件最好不需要维修。4宜于微机控制宜于微机控制 根据这个要求，用微机控制最方便的是电动式执行元件。因根据这个要求，用微机控制最方便的是电动式执行元件。因此机电一体化系统所用执行元件的主流是电动式，其次是液此机电一体化系统所用

12、执行元件的主流是电动式，其次是液动和气动式。动和气动式。二、执行元件的基本要求二、执行元件的基本要求 4 伺服系统伺服系统 控制用电机是电气伺服控制系统的动力部件。它是控制用电机是电气伺服控制系统的动力部件。它是将将电能转换为机械能的一种电能转换为机械能的一种能量转换装置能量转换装置。机电一体化产机电一体化产品中品中常用的控制用电机是指能提供正确运动或较复杂动常用的控制用电机是指能提供正确运动或较复杂动作的作的伺服电机伺服电机。三、常用的控制用电机三、常用的控制用电机 控制用电机有控制用电机有回转回转和和直线直线驱动电机，通过电压、电流、驱动电机，通过电压、电流、频率频率( (包括指令脉冲包括

13、指令脉冲) )等控制，实现定速、变速驱动或反复等控制，实现定速、变速驱动或反复启动、停止的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱启动、停止的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱动对象的不同而不同。动对象的不同而不同。 4 伺服系统伺服系统电动机工作原理NSU电刷电刷换向片换向片 4 伺服系统伺服系统主要有：开环控制、半闭环控制、闭环控制三种。主要有：开环控制、半闭环控制、闭环控制三种。闭环系统闭环系统: : 驱动系统具有位置驱动系统具有位置( (或速度或速度) )反馈环节反馈环节开环系统开环系统: : 没有位置与速度反馈环节没有位置与速度反馈环节 4 伺服系统伺服系统 4 伺服系统伺服系统1

14、.性能密度大性能密度大即功率密度即功率密度 Pw=P/G 或比功率密度或比功率密度 Pbw=(T2/J)/G 大大.2.快速性好；调速范围宽（快速性好；调速范围宽（1：1000以上）；以上）； 适应启停频繁的工适应启停频繁的工作要求等作要求等. .3.位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行现象位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行现象. .4.适应启、停频繁的工作要求适应启、停频繁的工作要求. .5.可靠性高、寿命长可靠性高、寿命长. .6.6.易于与计算机对接，实现计算机控制易于与计算机对接，实现计算机控制. . 1 1 控制用电动机的基本要求控制用电动机的基本要求 4 伺服

15、系统伺服系统v 动力用电动机，如感应式异步电动机和同步电动机等；动力用电动机，如感应式异步电动机和同步电动机等；v 控制用电动机，如力矩电动机、脉冲电动机、开关磁阻控制用电动机，如力矩电动机、脉冲电动机、开关磁阻电动机、电动机、 变频调速电动机和各种变频调速电动机和各种ACACDCDC电动机等等。电动机等等。2 2 控制用电机分类控制用电机分类 控制用旋转电机按其工作原理可分为旋转磁场型和旋转电控制用旋转电机按其工作原理可分为旋转磁场型和旋转电枢型。枢型。 前者有同步电机前者有同步电机( (永磁永磁) )、步进电机、步进电机( (永磁永磁) )； 后者有直流电机后者有直流电机( (永磁永磁)

16、)、感应电机、感应电机( (按矢量控制等效模型按矢量控制等效模型) )。 4 伺服系统伺服系统具体的可细分为：具体的可细分为：v DCDC伺服电机伺服电机( (永磁永磁) ) ：有槽铁芯电枢型、无槽：有槽铁芯电枢型、无槽( (平滑平滑型型) )铁芯电铁芯电 枢型、电枢型枢型、电枢型( (无槽无槽( (平滑平滑) )铁芯型与无铁芯型铁芯型与无铁芯型) )。v ACAC伺服电机：同步型伺服电机：同步型(SM)(SM)、感应型、感应型(IM)(IM)。v 步进电机：变磁阻型步进电机：变磁阻型(VR)(VR)、永磁型、永磁型(PM)(PM)、混合型、混合型(HB)(HB)。步进电机（步进电机（Step

17、ping Motor）直流伺服电机直流伺服电机(DC Servo Motor)交流伺服电机交流伺服电机(AC Servo Motor) 4 伺服系统伺服系统常用电动机常用电动机固定磁阻电动机固定磁阻电动机 变磁阻电动机变磁阻电动机无磁电动机无磁电动机 直流伺服电机直流伺服电机 交流伺服电机交流伺服电机 反应式步进电动机反应式步进电动机 永磁式步进电动机永磁式步进电动机 混合式步进电动机混合式步进电动机 直线步进电动机直线步进电动机 超声波电机超声波电机 4 伺服系统伺服系统 4 伺服系统伺服系统常用电机特点：名称名称特点特点直流伺服电动机直流伺服电动机可控性好、稳定性好、响应快、有电刷接触可控

18、性好、稳定性好、响应快、有电刷接触交流伺服电动机交流伺服电动机励磁电流小、体积较小、机械强度高、无电刷励磁电流小、体积较小、机械强度高、无电刷反应式步进电动机反应式步进电动机启动和运行频率高、断电无定位转矩、消耗功率较大启动和运行频率高、断电无定位转矩、消耗功率较大永磁式步进电动机永磁式步进电动机消耗功率较反应电机小、需正负脉冲供电、启动和运消耗功率较反应电机小、需正负脉冲供电、启动和运行频率较小、有定位转矩行频率较小、有定位转矩混合式步进电动机混合式步进电动机启动和运行频率较高、需正负脉冲供电、消耗功率较启动和运行频率较高、需正负脉冲供电、消耗功率较小、有定位转矩小、有定位转矩直线步进电动机直线步进电动机提供直线运动、结构简单、惯量小提供直线运动、结构简单、惯量小超声波电动机超声波电