机电一体化第3章 伺服系统(1伺服系统概述)

第三章机电一体化系统执行元件的选择与设计了解伺服系统概念、类型、基本要求了解执行元件的种类、特点、基本要求掌握常用电动机的特点、驱动方法和选用了解伺服系统的设计方法学习目的与要求教学重点与难点步进电机、直流、交流伺服电机及其控制

本章内容伺服系统概述伺服系统的执行元件概述控制电动机及其选择计算伺服系统设计

4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

电气控制装置机械执行装置执行元件传感器伺服系统组成图机械执行装置部分由两部分组成：电气控制装置部分第一节伺服系统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

按控制原理分有开环、闭环和半闭环三种形式

按被控制量性质分有位移、速度、力和力矩等伺服系统形式

按驱动方式分有电气、液压和气压等伺服驱动形式

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

第二节伺服系统的执行元件概述执行元件的种类及特点执行元件的基本要求常用的控制用电机执行元件，是处于执行机构与电子控制装置的接点部位的能量转换部件。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机械能。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、液压能、气压能和化学能转换为机械能。一、执行元件的种类及其特点

1.电气执行元件电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（AC）伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元件。对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

2．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

3．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，与液压式执行元件没有区别。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，具有可压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。异步电动机

感应电动机离合器电动机永磁同步电动机

微型直流减速电动机

电气式液压式

气压式应用：液压系统用于需大的功率重型设备;气动用于工件夹紧、输送等自动化生产线;电动应用最广泛.种类特点优点缺点电气式

可用商业电源；信号与动力传送方向相同；有交流直流之分；注意使用电压和功率。操作简便；编程容易；能实现定位伺服控制；响应快、易与计算机（CPU）连接；体积小、动力大、无污染。瞬时输出功率大；过载差；一旦卡死，会引起烧毁事故；受外界噪音影响大。气压式

气体压力源压力5~7×Mpa；要求操作人员技术熟练。气源方便、成本低；无泄露而污染环境；速度快、操作简便。功率小、体积大、难于小型化；动作不平稳、远距离传输困难；噪音大；难于伺服。液压式

液体压力源压力20~80×Mpa；要求操作人员技术熟练。输出功率大，速度快、动作平稳，可实现定位伺服控制；易与计算机（CPU）连接。设备难于小型化；液压源和液压油要求严格；易产生泄露而污染环境。1．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m，对回转运动为转动惯量J。表征输出动力的性能指标为椎力F、转矩T或功率P。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、加速性能相转速三种因素。2．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，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。3．便于维修、安装执行元件最好不需要维修。4．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，其次是液动和气动式。二、执行元件的基本要求控制用电机是电气伺服控制系统的动力部件。它是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。机电一体化产品中常用的控制用电机是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电机。三、常用的控制用电机

控制用电机有回转和直线驱动电机，通过电压、电流、频率(包括指令脉冲)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，而驱动精度随驱动对象的不同而不同。电动机工作原理NS＋U－电刷换向片主要有：开环控制、半闭环控制、闭环控制三种。闭环系统:驱动系统具有位置(或速度)反馈环节开环系统:没有位置与速度反馈环节常用伺服控制电动机的控制方式1.性能密度大即功率密度Pw=P/G或比功率密度Pbw=(T2/J)/G大.2.快速性好；调速范围宽（1：1000以上）；适应启停频繁的工作要求等.3.位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行现象.4.适应启、停频繁的工作要求.5.可靠性高、寿命长.6.易于与计算机对接，实现计算机控制.

1控制用电动机的基本要求动力用电动机，如感应式异步电动机和同步电动机等；控制用电动机，如力矩电动机、脉冲电动机、开关磁阻电动机、变频调速电动机和各种AC／DC电动机等等。2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枢型。前者有同步电机(永磁)、步进电机(永磁)；后者有直流电机(永磁)、感应电机(按矢量控制等效模型)。具体的可细分为：

DC伺服电机(永磁)

：有槽铁芯电枢型、无槽(平滑型)铁芯电枢型、电枢型(无槽(平滑)铁芯型与无铁芯型)。

AC伺服电机：同步型(SM)、感应型(IM)。步进电机：变磁阻型(VR)、永磁型(PM)、混合型(HB)。步进电机（SteppingMotor）直流伺服电机(DCServoMotor)交流伺服电机(ACServoMotor)伺服驱动电机一般是指：常用电动机固定磁阻电动机

变磁阻电动机无磁电动机

直流伺服电机

交流伺服电机

反应式步进电动机

永磁式步进电动机

混合式步进电动机

直线步进电动机

——超声波电机常用电机特点：名称特点直流伺服电动机可控性好、稳定性好、响应快、有电刷接触交流伺服电动机励磁电流小、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、消耗功率较小、有定位转矩直线步进电动机提供直线运动、结构简单、