伺服系統(tǒng)概述課件

1、3伺服控制系統(tǒng)模塊 概述第12講內(nèi)容伺服系統(tǒng)概述伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件概述控制電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一節(jié) 伺服系統(tǒng)概述伺服系統(tǒng)基本概念伺服系統(tǒng)基本類型伺服系統(tǒng)基本要求 伺服來自英文單詞Servo，指系統(tǒng)跟隨外部指令進(jìn)行人們所期望的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)要素包括位置、速度和力矩。 伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從液壓、氣動(dòng)到電氣的過程，而電氣伺服系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、反饋裝置和控制器。 一、伺服系統(tǒng)基本概念 電氣控制裝置機(jī)械執(zhí)行裝置執(zhí)行元件傳感器伺服系統(tǒng)組成圖機(jī)械執(zhí)行裝置部分由兩部分組成：電氣控制裝置部分伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成 機(jī)電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、類型繁多，但從自動(dòng)控制理論的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控

2、對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分。比較元件調(diào)節(jié)元件執(zhí)行元件被控對象測量、反饋元件輸入指令輸出量伺服系統(tǒng)組成原理框圖1.比較環(huán)節(jié) 比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。 2.控制器 控制器通常是計(jì)算機(jī)或PID（比例、積分和微分）控制電路，其主要任務(wù)是對比較元件輸出的偏差信號進(jìn)行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作。3.執(zhí)行環(huán)節(jié) 執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對象工作。機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機(jī)或液壓、氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)等。 4.被控對象 5.檢測環(huán)節(jié)

3、檢測環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。伺服系統(tǒng)與一般機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)有本質(zhì)上差別，它能根據(jù)指令信號精確地控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)速度與位置伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)和功用 按控制原理分 有開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種形式 按被控制量性質(zhì)分 有位移、速度、力和力矩等伺服系統(tǒng)形式 按驅(qū)動(dòng)方式分 有電氣、液壓和氣壓等伺服驅(qū)動(dòng)形式 按執(zhí)行元件分 有步進(jìn)電機(jī)伺服、直流電機(jī)伺服和交流電機(jī)伺服形式 二、伺服系統(tǒng)基本類型 精度高：穩(wěn)定性好：快速響應(yīng)：調(diào)速范圍寬：低速大轉(zhuǎn)矩： 三、伺服系統(tǒng)基本要求 精度:指輸出量復(fù)現(xiàn)輸入指令信號

4、的精確程度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差表示影響伺服系統(tǒng)精度的因素：組成元件本身誤差傳感器的靈敏度和精度伺服放大器的零點(diǎn)漂移和死區(qū)誤差機(jī)械裝置反向間隙和傳動(dòng)誤差各元器件的非線性因素等系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)形式輸入指令信號的形式 三、伺服系統(tǒng)基本要求 在零速時(shí)，伺服系統(tǒng)處于 “鎖定” 狀態(tài)，即慣性小。要求： 調(diào)速范圍 是伺服系統(tǒng)提供的最高速與最低速之比 要大，并且在該范圍內(nèi)，速度穩(wěn)定； 無論高速低速下，輸出力或力矩穩(wěn)定，低速驅(qū)動(dòng)時(shí)，能輸出額定的力 或力矩； 響應(yīng)速度:是衡量伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的重要指標(biāo)應(yīng)變能力指能承受頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速的沖擊；過載能力指在低速大轉(zhuǎn)矩時(shí)，能承受較長時(shí)間的過載而不致?lián)p壞。 低速大轉(zhuǎn)矩

5、第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件概述執(zhí)行元件的種類及特點(diǎn)執(zhí)行元件的基本要求常用的控制用電機(jī) 一、執(zhí)行元件的種類及其特點(diǎn) 1. 電氣執(zhí)行元件 電氣執(zhí)行元件包括直流(DC)伺服電機(jī)、交流（AC）伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)以及電磁鐵等，是最常用的執(zhí)行元件。對伺服電機(jī)除了要求運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)以外，一般還要求動(dòng)態(tài)性能好，適合于頻繁使用，便于維修等 2液壓式執(zhí)行元件 液壓式執(zhí)行元件主要包括往復(fù)運(yùn)動(dòng)油缸、回轉(zhuǎn)油缸、液壓馬達(dá)等，其中油缸最為常見。在同等輸出功率的情況下，液壓元件具有重量輕、快速性好等特點(diǎn) 3氣壓式執(zhí)行元件 氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質(zhì)外，與液壓式執(zhí)行元件沒有區(qū)別。氣壓驅(qū)動(dòng)雖可得到較大的驅(qū)動(dòng)力、行程和速度，

6、但由于空氣粘性差，具有可壓縮性，故不能在定位精度要求較高的場合使用。異步電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)離合器電動(dòng)機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)微型直流減速電動(dòng)機(jī)電磁式液壓式 氣壓式應(yīng)用：液壓系統(tǒng)用于需大的功率重型設(shè)備;氣動(dòng)用于工件夾緊、輸送等自動(dòng)化生產(chǎn)線; 電動(dòng)應(yīng)用最廣泛.種類特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)電氣式 可用商業(yè)電源；信號與動(dòng)力傳送方向相同；有交流直流之分；注意使用電壓和功率。 操作簡便；編程容易；能實(shí)現(xiàn)定位伺服控制；響應(yīng)快、易與計(jì)算機(jī)（CPU）連接；體積小、動(dòng)力大、無污染。 瞬時(shí)輸出功率大；過載差；一旦卡死，會引起燒毀事故；受外界噪音影響大。 氣壓式 氣體壓力源壓力57Mpa；要求操作人員技術(shù)熟練。 氣源方便、成本低；無泄露而

7、污染環(huán)境；速度快、操作簡便。 功率小、體積大、難于小型化；動(dòng)作不平穩(wěn)、遠(yuǎn)距離傳輸困難；噪音大；難于伺服。 液壓式 液體壓力源壓力2080Mpa；要求操作人員技術(shù)熟練。輸出功率大，速度快、動(dòng)作平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)定位伺服控制；易與計(jì)算機(jī)（CPU）連接。 設(shè)備難于小型化；液壓源和液壓油要求嚴(yán)格；易產(chǎn)生泄露而污染環(huán)境。 氣壓系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的比較空氣可以從大氣中取之不竭且不易堵塞；將用過的氣體排入大氣，無需回氣管路處理方便；泄漏不會嚴(yán)重的影響工作，不污染環(huán)境?？諝庹承院苄。诠苈分械难爻虊毫p失為液壓系統(tǒng)的干分之一，易于遠(yuǎn)距離控制。工作壓力低可降低對氣動(dòng)元件的材料和制造精度要求。對開環(huán)控制系統(tǒng)，它相對液壓傳動(dòng)

8、具有動(dòng)作迅速、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。維護(hù)簡便，使用安全，沒有防火、防爆問題；適用于石油、化工、農(nóng)藥及礦山機(jī)械的特殊要求。對于無油的氣動(dòng)控制系統(tǒng)則特別適用于無線電元器件生產(chǎn)過程，也適用于食品和醫(yī)藥的生產(chǎn)過程。慣量小、動(dòng)力大體積小、重量輕便于維修、安裝宜于微機(jī)控制二、執(zhí)行元件的基本要求 控制用電機(jī)是電氣伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)力部件。它是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。機(jī)電一體化產(chǎn)品中常用的控制用電機(jī)是指能提供正確運(yùn)動(dòng)或較復(fù)雜動(dòng)作的伺服電機(jī)。三、常用的控制用電機(jī) 控制用電機(jī)有回轉(zhuǎn)和直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過電壓、電流、頻率(包括指令脈沖)等控制，實(shí)現(xiàn)定速、變速驅(qū)動(dòng)或反復(fù)啟動(dòng)、停止的增量驅(qū)動(dòng)以及復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)精度

9、隨驅(qū)動(dòng)對象的不同而不同。步進(jìn)電機(jī)（Stepping Motor）直流伺服電機(jī)(DC Servo Motor)交流伺服電機(jī)(AC Servo Motor)伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般是指：主要有：開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制三種。閉環(huán)系統(tǒng): 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有位置(或速度)反饋環(huán)節(jié)開環(huán)系統(tǒng): 沒有位置與速度反饋環(huán)節(jié)常用伺服控制電動(dòng)機(jī)的控制方式開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置進(jìn)給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件A相、B相C相、f、nCNC插補(bǔ)指令脈沖頻率f脈沖個(gè)數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大無位置反饋，精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和精度

10、。一般以功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件。這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在精度和速度要求不高、驅(qū)動(dòng)力矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖所示，是從驅(qū)動(dòng)裝置(常用伺服電機(jī))或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測，不是直接檢測運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元+-電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙

11、引起的運(yùn)動(dòng)誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對這類誤差進(jìn)行補(bǔ)償，因而仍可獲得滿意的精度。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖的虛線所示，直接對運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元+-電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋從理論上講，可以消除整個(gè)驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動(dòng)量。具有很高的位置控制精度。 由于位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機(jī)床等。1、從自動(dòng)控制理論的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括 、 、 、 、 等五部分。比較元件調(diào)節(jié)元件執(zhí)行元件被控對象