機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)

機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)第1頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)伺服系統(tǒng)的概述什么是伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)發(fā)展過程及其應(yīng)用伺服系統(tǒng)的基本類型伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成伺服系統(tǒng)的基本要求第2頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一一什么是伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)－也稱為隨動系統(tǒng)，是一種能夠及時跟蹤輸入給定信號并產(chǎn)生動作，從而獲得精確的位置、速度等輸出的自動控制系統(tǒng)。第3頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一

伺服系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)中的一類，1934年第一次提出了伺服機(jī)構(gòu)（Servomechanism），1944年世界上第一個伺服系統(tǒng)由麻省理工學(xué)院成功研制，隨著自動控制理論的發(fā)展，到20世紀(jì)中期，伺服系統(tǒng)的理論和實踐均趨于成熟。在近幾年新技術(shù)的推動下，特別是伴隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，伺服系統(tǒng)應(yīng)用幾乎遍及社會的各個領(lǐng)域。二伺服系統(tǒng)發(fā)展過程及其應(yīng)用第4頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一到目前為止，高性能的電伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電動機(jī)，控制驅(qū)動器多采用快速、準(zhǔn)確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。典型生產(chǎn)廠家如德國西門子、美國科爾摩根和日本松下及安川等公司。第5頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一交流伺服在我國的發(fā)展歷史

我國從1970年代開始跟蹤開發(fā)交流伺服技術(shù)，主要研究力量集中在高等院校和科研單位，以軍工、宇航衛(wèi)星為主要應(yīng)用方向，不考慮成本因素。主要研究機(jī)構(gòu)是北京機(jī)床所、西安微電機(jī)研究所、中科院沈陽自動化所等。80年代之后開始進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，直到2000年，國產(chǎn)伺服停留在小批量、高價格、應(yīng)用面狹窄的狀態(tài)，技術(shù)水平和可靠性難以滿足工業(yè)需要。2000年之后，隨著中國變成世界工廠、制造業(yè)的快速發(fā)展為交流伺服提供了越來越大的市場空間，國內(nèi)幾家單位開始推出自己品牌的交流伺服產(chǎn)品。目前國內(nèi)主要的伺服品牌或廠家有森創(chuàng)（和利時電機(jī)）、華中數(shù)控、廣數(shù)、南京埃斯頓、蘭州電機(jī)廠等。其中華中數(shù)控、廣數(shù)等主要集中在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域。第6頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一機(jī)械制造行業(yè)：各種機(jī)床運動（主軸的旋轉(zhuǎn)和刀具的進(jìn)給運動）部分的速度控制、運動軌跡控制、位置控制，都是依靠各種伺服系統(tǒng)控制的。它們不僅能完成轉(zhuǎn)動、直線運動控制，而且能依靠多套伺服系統(tǒng)配合，完成復(fù)雜的空間運動的控制。第7頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一在運輸行業(yè)：電氣機(jī)車的自動調(diào)速、高層建筑中電梯的升降控制、船舶的自動操舵、飛機(jī)的自動駕駛等。在冶金工業(yè)：電弧煉鋼爐的電極位置控制，軋鋼機(jī)軋輥壓下運動的位置控制等，都依靠伺服系統(tǒng)來實現(xiàn)，而無法由人工操作來代替的。第8頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一軍事上：伺服系統(tǒng)用的更為普遍，雷達(dá)天線的自動瞄準(zhǔn)跟蹤控制、高射炮、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)射架的瞄準(zhǔn)運動控制、飛行器的姿態(tài)驅(qū)動控制、載人飛船、精密的導(dǎo)航系統(tǒng)中，陀螺平臺穩(wěn)定系統(tǒng)、激光導(dǎo)引頭的目標(biāo)跟蹤、坦克炮塔的防搖穩(wěn)定控制和魚雷的自動控制等。第9頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一機(jī)器人：手臂關(guān)節(jié)、六自由度的噴涂機(jī)械手的運動控制等。印刷電路板生產(chǎn)線：表面貼焊，快速打孔，機(jī)械手放置器件。計算機(jī)外圍設(shè)備：也采用了不少伺服系統(tǒng)，如自動繪圖儀的畫筆控制系統(tǒng)、磁盤驅(qū)動系統(tǒng)等。第10頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，大至控制上噸重的巨型雷達(dá)天線，可以及時準(zhǔn)確的跟蹤人造衛(wèi)星的發(fā)射，小到用音圈電機(jī)來控制電視機(jī)的放像頭，從航空航天、國防、工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸?shù)郊彝ド睿移浔貙l(fā)展應(yīng)用到更新領(lǐng)域。第11頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一三伺服系統(tǒng)的基本類型按被控量的不同：位置伺服系統(tǒng)，速度伺服系統(tǒng)，力伺服系統(tǒng)等。最常見的事位置伺服系統(tǒng)，如數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)等。按所采用的執(zhí)行元件的不同可分為，電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、氣壓伺服系統(tǒng)等。電氣伺服系統(tǒng)采用伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，在機(jī)電一體化產(chǎn)品中應(yīng)用比較廣泛。第12頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一按控制方式不同：開環(huán)伺服系統(tǒng)，閉環(huán)伺服系統(tǒng)，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)中無檢測反饋元件，結(jié)構(gòu)簡單，但精度低；閉環(huán)伺服系統(tǒng)直接對工作臺等移動部件進(jìn)行檢測和反饋，因而精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的檢測反饋元件位于機(jī)械執(zhí)行裝置的中間某個部位（如伺服電機(jī)或滾珠絲杠上），將大部分機(jī)械構(gòu)件封閉在反饋控制環(huán)節(jié)之外，性能介于開環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)之間。第13頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一比較元件調(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。四伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成第14頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一1.比較元件比較元件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算機(jī)來實現(xiàn)。2.調(diào)節(jié)元件（控制器）控制器通常是計算機(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)行元件按要求動作。第15頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一3.執(zhí)行元件

執(zhí)行元件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、氣動伺服機(jī)構(gòu)等。

4.被控對象

是伺服系統(tǒng)中被控制的設(shè)備或裝置，是直接實現(xiàn)目的功能或主功能的主體，其行為質(zhì)量反映著整個伺服系統(tǒng)的性能。5.檢測環(huán)節(jié)

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。

第16頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一五伺服系統(tǒng)的基本要求精度高：穩(wěn)定性好：快速響應(yīng)：調(diào)速范圍寬：低速大轉(zhuǎn)矩：第17頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一

精度:指輸出量復(fù)現(xiàn)輸入指令信號的精確程度，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機(jī)械裝置反向間隙和傳動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五伺服系統(tǒng)的基本要求第18頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一穩(wěn)定性好指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后到達(dá)新的或著恢復(fù)原有的平衡狀態(tài)；靜態(tài)速降應(yīng)小于5％，動態(tài)速降小于10％五伺服系統(tǒng)的基本要求第19頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一

在零速時，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)動時，能輸出額定的力或力矩；

響應(yīng)速度:是衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的重要指標(biāo)五伺服系統(tǒng)的基本要求第20頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一應(yīng)變能力指能承受頻繁的啟動、制動、加速、減速的沖擊；過載能力指在低速大轉(zhuǎn)矩時，能承受較長時間的過載而不致?lián)p壞。

低速大轉(zhuǎn)矩五伺服系統(tǒng)的基本要求第21頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一第二節(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執(zhí)行元件的基本要求常用的控制用電機(jī)第22頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一

一、執(zhí)行元件的種類及其特點第23頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一1.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)除了要求運轉(zhuǎn)平穩(wěn)以外，一般還要求動態(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)運動油缸、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

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)動雖可得到較大的驅(qū)動力、行程和速度，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。第24頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一異步電動機(jī)

感應(yīng)電動機(jī)離合器電動機(jī)永磁同步電動機(jī)

微型直流減速電動機(jī)

電磁式第25頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一液壓式

第26頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一第27頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一氣壓式第28頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一應(yīng)用：液壓系統(tǒng)用于需大的功率重型設(shè)備;氣動用于工件夾緊、輸送等自動化生產(chǎn)線;電動應(yīng)用最廣泛.種類特點優(yōu)點缺點電氣式

可用商業(yè)電源；信號與動力傳送方向相同；有交流直流之分；注意使用電壓和功率。操作簡便；編程容易；能實現(xiàn)定位伺服控制；響應(yīng)快、易與計算機(jī)（CPU）連接；體積小、動力大、無污染。瞬時輸出功率大；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5~7×Mpa；要求操作人員技術(shù)熟練。氣源方便、成本低；無泄露而污染環(huán)境；速度快、操作簡便。功率小、體積大、難于小型化；動作不平穩(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20~80×Mpa；要求操作人員技術(shù)熟練。輸出功率大，速度快、動作平穩(wěn)，可實現(xiàn)定位伺服控制；易與計算機(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。第29頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一氣壓系統(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?，在管路中的沿程壓力損失為液壓系統(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)，它相對液壓傳動具有動作迅速、響應(yīng)快的優(yōu)點。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。第30頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一慣量小、動力大體積小、重量輕便于維修、安裝宜于微機(jī)控制二、執(zhí)行元件的基本要求第31頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一

控制用電機(jī)是電氣伺服控制系統(tǒng)的動力部件。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)是指能提供正確運動或較復(fù)雜動作的伺服電機(jī)。三、常用的控制用電機(jī)

控制用電