機(jī)電一體化技術(shù)-機(jī)電一體化技術(shù)-機(jī)電一體化的單元技術(shù)-伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)-1課件

第2章機(jī)電一體化的單元技術(shù)

2.4伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)

——概述、組成、分類(lèi)、基本要求、應(yīng)用機(jī)械工程學(xué)院

伺服(Servo)源自于拉丁語(yǔ)的Servus(英語(yǔ)為Slave:奴隸)奴隸的功用是忠實(shí)地遵從主人的命令從事體力工作,也就是“依指令準(zhǔn)確執(zhí)行動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)裝置；能夠高精度的靈敏動(dòng)作表現(xiàn)，自我動(dòng)作狀態(tài)常時(shí)確認(rèn)”。而具有這種功能裝置就稱(chēng)為伺服系統(tǒng)。一、伺服驅(qū)動(dòng)概述機(jī)械工程學(xué)院

伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠以一定的準(zhǔn)確度跟隨輸入信號(hào)量(或給定值)的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。用來(lái)自動(dòng)、連續(xù)、精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過(guò)程的反饋控制系統(tǒng)，又稱(chēng)隨動(dòng)系統(tǒng)或自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專(zhuān)指被控制量(系統(tǒng)的輸出量)是機(jī)械位移、速度、加速度等參數(shù)的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移(或轉(zhuǎn)角)準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移(或轉(zhuǎn)角)。機(jī)械工程學(xué)院

伺服系統(tǒng)是機(jī)電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品中的重要組成部分，最初用于船舶的自動(dòng)駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來(lái)逐漸推廣到很多領(lǐng)域，特別是自動(dòng)車(chē)床、天線(xiàn)位置控制、導(dǎo)彈和飛船的控制等。采用伺服系統(tǒng)主要是為了達(dá)到下面幾個(gè)目的：

①以小功率指令信號(hào)去控制大功率負(fù)載，火炮控制和船舵控制就是典型的例子；②在沒(méi)有機(jī)械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠(yuǎn)處的輸出軸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距同步傳動(dòng)；

③使輸出機(jī)械位移精確地跟蹤電信號(hào)，如記錄和指示儀表等。

機(jī)械工程學(xué)院

二、伺服驅(qū)動(dòng)的組成以數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)伺服系統(tǒng)為例：機(jī)械工程學(xué)院

控制器：是計(jì)算機(jī)或PID控制電路，其主要任務(wù)是對(duì)比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作。執(zhí)行環(huán)節(jié)：按控制信號(hào)的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作。比較環(huán)節(jié)：將輸入的指令信號(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，獲得輸出與輸入間偏差信號(hào)的環(huán)節(jié)，以?xún)烧叩牟钪底鳛樗欧到y(tǒng)的跟隨誤差，經(jīng)驅(qū)動(dòng)控制單元驅(qū)動(dòng)和控制執(zhí)行元件帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，通常由專(zhuān)門(mén)的電路或計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)械工程學(xué)院

被控對(duì)象：被控制的機(jī)構(gòu)或裝置，是直接完成系統(tǒng)目的的主體。被控對(duì)象一般指機(jī)器的運(yùn)動(dòng)部分，包括傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行裝置和負(fù)載，如工業(yè)機(jī)器人的手臂、數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)以及自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)的驅(qū)動(dòng)輪等。檢測(cè)環(huán)節(jié)：能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測(cè)量，并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱后反饋給比較控制環(huán)節(jié)的裝置，一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。機(jī)械工程學(xué)院

在實(shí)際的伺服控制系統(tǒng)中，上述每個(gè)環(huán)節(jié)在硬件特征上并不一定成立，可能幾個(gè)環(huán)節(jié)在一個(gè)硬件中。如測(cè)速直流電機(jī)既是執(zhí)行元件又是檢測(cè)元件。機(jī)械工程學(xué)院三、伺服驅(qū)動(dòng)的分類(lèi)1．按被控量參數(shù)特性分類(lèi)

按被控量不同，機(jī)電一體化系統(tǒng)可分為位移、速度、力矩等各種伺服系統(tǒng)。位置控制：例如送料，定長(zhǎng)裁切，套色印刷等方面。轉(zhuǎn)矩控制：例如生產(chǎn)造紙卷取，薄膜拉伸之類(lèi)的設(shè)備上面。轉(zhuǎn)矩控制不一定是驅(qū)動(dòng)負(fù)載很大的場(chǎng)合的。例如拉拔細(xì)銅絲的設(shè)備，負(fù)載根本就不大。但對(duì)轉(zhuǎn)矩就有嚴(yán)格的要求。

機(jī)械工程學(xué)院2．按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類(lèi)

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)看，伺服系統(tǒng)又可分為開(kāi)環(huán)控制伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)和閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)：機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，易于控制，工作可靠，容易掌握使用，但精度差，低速不平穩(wěn)，高速扭矩小，適用于中、小型精度要求不高的機(jī)電一體化設(shè)備中或經(jīng)濟(jì)型系統(tǒng)中。

如簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)械、機(jī)械手、小型工作臺(tái)、沖床自動(dòng)送料裝置和繞線(xiàn)機(jī)的同步運(yùn)動(dòng)等。機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

檢測(cè)元件安裝在電機(jī)軸上，伺服機(jī)械傳動(dòng)裝置不包括在環(huán)內(nèi)，所以機(jī)械傳動(dòng)誤差沒(méi)有反饋，其位置精度與開(kāi)環(huán)控制相當(dāng)。

但其驅(qū)動(dòng)功率大，響應(yīng)速度快，只要檢測(cè)元件分辨率高、精度高，并使機(jī)械傳動(dòng)件具有相應(yīng)的精度，就會(huì)獲得較高精度和速度。機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出(被控制量)會(huì)反饋回來(lái)影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。

在閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測(cè)元件安裝在工作臺(tái)上，直接測(cè)量工作臺(tái)的位移，將測(cè)得的位移量反饋到數(shù)控裝置，與要求的位移量進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果增加或減少發(fā)出的脈沖數(shù)，對(duì)執(zhí)行部件的移動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，直至差值為零。機(jī)械工程學(xué)院

閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反，則稱(chēng)為負(fù)反饋(NegativeFeedback)，若相同，則稱(chēng)為正反饋(PositiveFeedback)，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋。

閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)輸出進(jìn)行直接控制，可以消除整個(gè)系統(tǒng)的誤差和間隙，其控制精度、動(dòng)態(tài)性能等較開(kāi)環(huán)系統(tǒng)好，其定位精度取決于檢測(cè)裝置的精度，但因受機(jī)械傳動(dòng)部件的非線(xiàn)性影響嚴(yán)重，系統(tǒng)比較復(fù)雜，調(diào)試、維修的難度較大，檢測(cè)比較麻煩，成本高。特點(diǎn)：機(jī)械工程學(xué)院3．按驅(qū)動(dòng)元件的類(lèi)型分按驅(qū)動(dòng)元件的不同分類(lèi)，是最常用的一種方法，可分為液壓伺服系統(tǒng)、氣壓伺服系統(tǒng)、電氣伺服系統(tǒng)。

機(jī)械工程學(xué)院

液壓伺服系統(tǒng)是較早期的伺服驅(qū)動(dòng)裝置，也是功率最大的伺服驅(qū)動(dòng)裝置。

電氣伺服系統(tǒng)是發(fā)展最快的驅(qū)動(dòng)裝置，也是目前最實(shí)用的伺服驅(qū)動(dòng)裝置。機(jī)械工程學(xué)院

四、伺服驅(qū)動(dòng)的基本要求

伺服系統(tǒng)是一種具有響應(yīng)和執(zhí)行指令的裝置，為了保證動(dòng)作的快速和準(zhǔn)確，伺服系統(tǒng)必須能夠滿(mǎn)足以下四個(gè)基本要求：(1)穩(wěn)定性好。

穩(wěn)定性是指作用在系統(tǒng)上的擾動(dòng)消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行或者在輸入指令信號(hào)作用下，系統(tǒng)能夠達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力。機(jī)械工程學(xué)院(2)精度高。

精度是伺服系統(tǒng)的一項(xiàng)重要性能要求。它是指輸出量復(fù)現(xiàn)輸入指令信號(hào)的精確程度。

對(duì)精度要求高主要在兩個(gè)方面：

一是要求驅(qū)動(dòng)裝置比較經(jīng)濟(jì)地滿(mǎn)足定位準(zhǔn)確的要求，定位誤差要小，特別是重復(fù)定位誤差；

二是要求跟隨精度高，即在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，位置的實(shí)際值與給定值的誤差要小。機(jī)械工程學(xué)院(3)快速響應(yīng)性好?？焖夙憫?yīng)性有兩方面含義，一方面指動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中，輸出量跟隨輸入指令信號(hào)變化的迅速程度，一般在200ms以?xún)?nèi)，甚至小于幾十毫秒。另一方面，為了滿(mǎn)足超調(diào)要求，動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程結(jié)束的迅速程度。伺服系統(tǒng)對(duì)輸入指令信號(hào)的響應(yīng)速度常由系統(tǒng)的上升時(shí)間(輸出響應(yīng)從零上升到穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間)來(lái)表征，它主要取決于系統(tǒng)的阻