《機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)》 課件 第4章 伺服傳動(dòng)技術(shù)

第4章伺服傳動(dòng)技術(shù)4.1認(rèn)識(shí)伺服系統(tǒng)4.2認(rèn)識(shí)伺服控制系統(tǒng)4.3認(rèn)識(shí)電液伺服系統(tǒng)知識(shí)目標(biāo)：能力目標(biāo)：(1)?熟悉伺服電動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)；(2)?掌握伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理；(3)?熟悉伺服系統(tǒng)的控制方式；(4)?了解伺服電動(dòng)機(jī)常見問題及解決方法。(1)?能識(shí)別簡(jiǎn)單伺服系統(tǒng)的類型；(2)?能分析典型機(jī)電一體化設(shè)備中伺服系統(tǒng)的工作過程。知識(shí)導(dǎo)入：

勻膠機(jī)是在制造半導(dǎo)體電路時(shí)用于涂膠的設(shè)備。勻膠機(jī)在涂膠時(shí)，需通過機(jī)器上方滴頭將膠液滴在平整的基材上后，利用離心力將膠液薄薄地、均勻地在基材表面攤開。工作時(shí)需要對(duì)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制。

印刷機(jī)要能均勻地拉伸拉平紙張，才能防止印刷品表面出現(xiàn)皺褶松弛，保證印刷質(zhì)量。這需要印刷機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。

物流倉(cāng)庫(kù)里的垂直搬運(yùn)機(jī)需對(duì)位置進(jìn)行準(zhǔn)確控制，這樣才能夠?qū)⑽锲氛_搬運(yùn)至指定的位置，否則將發(fā)生物品不能被倉(cāng)格吸納的事故。4.1認(rèn)識(shí)伺服系統(tǒng)1.伺服系統(tǒng)的定義

（1）伺服(Servo)的定義

伺服的意思就是“伺候服侍”的意思，就是在控制指令的指揮下，控制驅(qū)動(dòng)元件，并使機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件按照指令要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。（2）伺服系統(tǒng)的定義伺服系統(tǒng)(FeedServoSystem)，又稱隨動(dòng)系統(tǒng)，是使物體的位置、速度、轉(zhuǎn)矩等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)(或給定值)的任意變化而變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。（3）伺服系統(tǒng)的組成

伺服系統(tǒng)=控制器+功率放大器+執(zhí)行機(jī)構(gòu)+檢測(cè)裝置①

控制器：工業(yè)計(jì)算機(jī)、PLC、CNC②

功率放大器：驅(qū)動(dòng)器。③

執(zhí)行機(jī)構(gòu)：交直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)。④

檢測(cè)裝置：編碼器、光柵尺。（4）伺服系統(tǒng)的工作原理

位置檢測(cè)裝置將檢測(cè)到的移動(dòng)部件的實(shí)際位移量進(jìn)行位置反饋，和位置指令信號(hào)進(jìn)行比較，將兩者的差值進(jìn)行位置調(diào)節(jié)，并將其變換成速度控制信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)朝著消除偏差的方向，直到到達(dá)指定的目標(biāo)位置。2.伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程第一階段（1960年之前）：應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)第二階段（1960-1970年）：應(yīng)用直流伺服電機(jī)第三階段（1980年以后）：應(yīng)用交流伺服電機(jī)、無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)（5）伺服系統(tǒng)的工作要求

系統(tǒng)精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)特性、工作頻率。（1）伺服電動(dòng)機(jī)定義

又稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件。（2）伺服電動(dòng)機(jī)的分類直流伺服電動(dòng)機(jī)

交流伺服電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)比較：直流伺服簡(jiǎn)單和便宜。交流伺服，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。（3）伺服電機(jī)的基本要求

①

具有寬廣而平滑的調(diào)速范圍；

②

具有較硬的機(jī)械特性和良好的調(diào)節(jié)特性；

③具有快速響應(yīng)特性；

④

空載始動(dòng)電壓較小。（4）直流伺服電動(dòng)機(jī)的分類

①永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)。

②

無槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)。

③

空心杯電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)。

④

印刷繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)。（5）直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

由磁極、電樞導(dǎo)體、電刷及換向片組成，其工作原理如圖4-7所示。（5）直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：良好的調(diào)速特性

較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和相對(duì)功率

易于控制及響應(yīng)快。缺點(diǎn)：機(jī)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。（6）交流伺服電動(dòng)機(jī)的種類

①

永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)。

②

兩相異步交流伺服電動(dòng)機(jī)。（7）交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：維護(hù)方便

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、體積、重量較小，

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜

缺點(diǎn)：

①

轉(zhuǎn)矩特性和調(diào)節(jié)特性的線性度不及直流伺服電動(dòng)機(jī)好

②

其效率也比直流伺服電動(dòng)機(jī)低（8）如何選擇伺服電動(dòng)機(jī)

必須選擇直流伺服電動(dòng)機(jī)外，一般盡量考慮選擇交流伺服電動(dòng)機(jī)。（9）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

又稱脈沖馬達(dá)，就是一步一步走的電機(jī)。

特點(diǎn)：

①成本較低

②易于采用計(jì)算機(jī)控制

③步進(jìn)電動(dòng)機(jī)比直流電動(dòng)機(jī)或交流電動(dòng)機(jī)組成的開環(huán)控制系統(tǒng)精度高

④

適用于精度不太高的伺服傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合：

一般數(shù)控機(jī)械和普通機(jī)床的微機(jī)改造中大多數(shù)均采用開環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。3.伺服電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)

伺服驅(qū)動(dòng)器（伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路）：控制信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)換為功率信號(hào)，為電動(dòng)機(jī)提供電能的控制裝置。也叫變流器。4.2認(rèn)識(shí)伺服控制系統(tǒng)1.直流伺服控制系統(tǒng)（1）直流伺服控制系統(tǒng)定義

采用直流伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件的伺服控制系統(tǒng)，稱為直流伺服（控制）系統(tǒng)。（2）直流伺服電機(jī)調(diào)速和變向的原理

改變電源直流電壓的大小和調(diào)換電源極性。（3）直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方式

可控硅變流技術(shù)直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)和晶體管脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)兩種方式。變流技術(shù)：

按變流技術(shù)的功能應(yīng)用，變流器可分為整流器、逆變器、斬波器、交流調(diào)壓器、周波變流器。（4）常用直流伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

常采用晶體管脈寬調(diào)制（PWM）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。PWM—指脈寬調(diào)制(PulseWidthModulation，PWM)PWM變換器基本原理：利用大功率電器的開關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，通過對(duì)方波脈沖寬度的控制，改變輸出電壓的平均值。

脈寬調(diào)制(PWM)直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理如式(4-1)所示，電機(jī)電樞兩端的平均電壓為式中μ為導(dǎo)通率，又稱占空比或占空系數(shù)。（5）PWM變換器工作原理（6）直流伺服系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

精確的速度控制；

轉(zhuǎn)矩速度特性很硬；

原理簡(jiǎn)單、使用方便；

價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯。

缺點(diǎn)：

速度受限。2.交流伺服控制系統(tǒng)（1）交流伺服控制系統(tǒng)定義

采用交流伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件的伺服控制系統(tǒng)，稱為交流伺服（控制）系統(tǒng)。

交流伺服系統(tǒng)的分類：一種是用永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)；另一種是用鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)。（2）交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理

以異步交流伺服電動(dòng)機(jī)為例，采用變頻調(diào)速。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速方程見式(4-2)。

改變異步電動(dòng)機(jī)的供電頻率f1，可以改變其同步轉(zhuǎn)速n1，實(shí)現(xiàn)調(diào)速運(yùn)行，這個(gè)過程也稱為變頻調(diào)速。（3）異步電動(dòng)機(jī)常見調(diào)速系統(tǒng)—SPWM(SinusoidalPWM)變頻器

在異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，調(diào)速性能最好、應(yīng)用最廣的系統(tǒng)是變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。SPWM變頻技術(shù)：在PWM的基礎(chǔ)上，改變脈沖寬度時(shí)間占空比，按正弦規(guī)律排列，這樣輸出波形經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。SPWM(SinusoidalPWM)：正弦波脈沖調(diào)制。

圖4-15(a)是SPWM變壓變頻器的模擬控制電路框圖。圖4-15(b)是SPWM變壓變頻器的主電路框圖。（4）變頻調(diào)速的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速范圍大；轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好；頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)，為無級(jí)調(diào)速，平滑性好，變頻時(shí)電壓按不同規(guī)律變化，可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速或恒功率調(diào)速。

缺點(diǎn)：控制裝置價(jià)格較貴。

3.?步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)1)?步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）步進(jìn)電機(jī)定義

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)。

這種電動(dòng)機(jī)每當(dāng)輸入一個(gè)電脈沖就動(dòng)一步，所以又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)后，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(即步距角)。通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。（2）步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)原理

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按其工作原理主要可分為磁電式和反應(yīng)式兩大類。三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理如圖4-16(a)所示。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組每次通斷電使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱之為步距角。

對(duì)于一個(gè)真實(shí)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，為了減少每通電一次的轉(zhuǎn)角，在轉(zhuǎn)子和定子上開有很多定分的小齒。其中定子的三相繞組鐵芯間有一定角度的齒差。圖4-16(b)所示為真實(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理。圖4-16(c)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單雙想通電工作方式示意圖。（3）步進(jìn)電機(jī)的使用場(chǎng)合

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般用于開環(huán)伺服系統(tǒng)，由于沒有位置反饋環(huán)節(jié)，故位置控制的精度由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和進(jìn)給絲杠等來決定。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)雖檔次低，但是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格較低，在要求不高的場(chǎng)合仍有廣泛應(yīng)用。（4）步進(jìn)電機(jī)的的缺點(diǎn)

振動(dòng)、噪聲也比較大。在過載情況下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生失步。2)?環(huán)形分配器

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各繞組必須按一定的順序通電才能正確工作，這種使電動(dòng)機(jī)繞組的通電順序按輸入脈沖的控制而循環(huán)變化的裝置稱為脈沖分配器，又稱為環(huán)形分配器。

實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配的方法有三種：3)?功率驅(qū)動(dòng)器

功率驅(qū)動(dòng)器實(shí)際上是一個(gè)功率開關(guān)電路，其功能是將環(huán)形分配器的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，得到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制繞組所需要的脈沖電流及所需要的脈沖波形。①

采用計(jì)算機(jī)軟件分配，釆用查表或計(jì)算的方法來產(chǎn)生相應(yīng)的通電順序。②

采用小規(guī)模集成電路搭接一個(gè)硬件分配器來實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配。③

采用專用的環(huán)形分配器。

實(shí)際應(yīng)用中，常將環(huán)形分配器與功率驅(qū)動(dòng)器一起做成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用，如圖4-18所示。4.?伺服系統(tǒng)的控制方式1)?開環(huán)控制伺服系統(tǒng)

原理：開環(huán)控制伺服系統(tǒng)大多數(shù)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖指令信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制和功率放大后，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪和絲杠來帶動(dòng)工作臺(tái)作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)對(duì)工作臺(tái)的實(shí)際位移量不進(jìn)行檢測(cè)。

使用場(chǎng)合：開環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，工作可靠，但精度較低。主要用于精度、速度要求不高的場(chǎng)合，如簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)械。2)?閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)

原理：閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)是有位置反饋的系統(tǒng)，如圖4-20所示。通過安裝在工作臺(tái)上的位置傳感器，將直線位移量變換成反饋電信號(hào)，并與位置控制器中的數(shù)值相比較，將所得到的偏差值進(jìn)行放大，再由直流伺服電動(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)向減少偏差的方向不斷移動(dòng)，直到偏差值等于零為止。

使用場(chǎng)合：閉環(huán)控制系統(tǒng)主要用于精度和速度較高以及大型的機(jī)電一體化設(shè)備中。3)?半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)

原理：半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)是從傳動(dòng)鏈中間部分取出反饋信號(hào)的系統(tǒng)，如圖4-21所示。其位置傳感器不是安裝在工作臺(tái)上，而是安裝在伺服電動(dòng)機(jī)的軸上，用以精確控制伺服電動(dòng)機(jī)的角位移量，然后通過絲杠等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將角位移量轉(zhuǎn)換成工作臺(tái)的直線位移量。

使用場(chǎng)合：半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性比閉環(huán)控制系統(tǒng)要好，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整和維護(hù)也比較容易，被廣泛用于各種機(jī)電一體化設(shè)備中。圖4-22為工業(yè)生產(chǎn)中使用的伺服定位控制的應(yīng)用案例。圖4-22為工業(yè)生產(chǎn)中使用的伺服定位控制的應(yīng)用案例。圖4-22為工業(yè)生產(chǎn)中使用的伺服定位控制的應(yīng)用案例。4.3認(rèn)識(shí)電液伺服系統(tǒng)

電液伺服系統(tǒng)(ElectrohydraulicServoSystem)是一種由電信號(hào)處理裝置和液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)組成的反饋控制系統(tǒng)。1.液壓與氣動(dòng)技術(shù)

液壓與氣動(dòng)技術(shù)定義：液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)統(tǒng)稱為流體傳動(dòng)，它們都是利用有壓流體(液體或氣體)作為工作介質(zhì)來傳遞動(dòng)力或控制信號(hào)的一種傳動(dòng)方式。2.氣、液壓傳動(dòng)工作原理2.氣、液壓傳動(dòng)工作原理3.液壓系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)的組成1)?能源部件：把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成空氣或液壓油的壓力能的裝置。2)?控制元件：對(duì)氣壓和液壓系統(tǒng)中的壓力、流量和流動(dòng)方向進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)的元件。3)?執(zhí)行元件：把空氣或液壓油的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置。4)?輔助裝置：除以上三種裝置以外的其他裝置。4.?電液伺服控制系統(tǒng)1）定義

電液伺服控制系統(tǒng)：是以液壓為動(dòng)