第2章伺服运动控制系统检测技术及元件
伺服机构工作原理
伺服机构工作原理
伺服机构是一种常见的控制系统，用于产生精确的运动。
它通常由电机、传感器、控制器和机械装置组成。
伺服机构的工作原理如下：
1. 传感器：伺服机构中的传感器被用来检测或测量系统输出的一些重要物理量，例如位置、速度或力量。
传感器可以是光电传感器、编码器、位移传感器等。
2. 控制器：伺服机构的控制器会接收传感器的反馈信息，并与用户输入的期望值进行比较。
通过比较反馈信号和期望值，控制器会生成一个误差信号。
3. 电机：误差信号将通过控制器发送到驱动电机。
电机可以根据误差信号来调整输出的力矩、角度或速度。
4. 机械装置：电机的输出将传递到机械装置，这是伺服机构的工作把手。
机械装置可以是一个转动轴、一个滑块或其他执行器，根据需求进行相应的运动。
5. 反馈回路：伺服机构中关键的一点是反馈回路。
电机的运动将会影响位置或速度传感器的读数，并将信息反馈给控制器。
控制器将根据传感器反馈的信息来调整输出，以实现对期望值的精确控制。
通过不断地测量、计算和调整，伺服机构能够实现准确的位置
或速度控制。
这使得伺服机构在各种应用中广泛使用，包括工业自动化、机器人、CNC机床、印刷设备等。
伺服控制系统课程论文
伺服控制系统课程作业现代伺服系统综述指导教师：学生：学号：专业：班级：完成日期：摘要在自动控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为伺服系统。
伺服系统也叫位置随动系统，以精确运动控制和力能输出为目的，综合运用机电能量变换与驱动控制技术、检测技术、自动控制技术、计算机控制技术等，实现精确驱动与系统控制。
伺服系统主要包括电机和驱动器两部分，广泛用于航空、航天、国防及工业自动化等自动控制领域。
伺服系统按其驱动元件划分有步进式伺服系统、直流电动机伺服系统和交流电动机伺服系统。
随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术、电机永磁材料制造工艺的发展及电力电子、控制理论的应用，交流电动机伺服系统近年来获得了迅速发展，广泛用于工业生产的各个领域，如数控机床的进给驱动和工业机器人的伺服驱动等。
因此，在相当大的范围内，交流电动机伺服系统取代了步进电动机与直流电动机伺服系统，时至目前，具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美，已成为伺服系统的主流。
关键词：伺服系统自动控制驱动元件1 伺服系统的发展阶段伺服系统的发展与它的驱动元件——伺服电动机的不同发展阶段相联系，并结合老师在第一章所讲的伺服系统分类的知识，伺服电动机至今经历了三个主要的发展阶段。
（1）第一个发展阶段（20世纪60年代以前）：步进电动机开环伺服系统；伺服系统的驱动电机为步进电动机或功率步进电动机，位置控制为开环系统。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°；步进电机存在一些缺点：在低速时易出现低频振动现象；一般不具有过载能力；步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转现象，停止时转速过高易出现过冲现象。
伺服技术
伺服系统伺服系统，servomechanism，是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。
伺服的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。
[编辑本段]基本概念伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。
又称随动系统。
在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。
伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。
伺服系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。
采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的：①以小功率指令信号去控制大功率负载。
火炮控制和船舵控制就是典型的例子。
②在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动。
③使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录和指示仪表等。
衡量伺服系统性能的主要指标有频带宽度和精度。
频带宽度简称带宽，由系统频率响应特性来规定，反映伺服系统的跟踪的快速性。
带宽越大，快速性越好。
伺服系统的带宽主要受控制对象和执行机构的惯性的限制。
惯性越大，带宽越窄。
一般伺服系统的带宽小于15赫，大型设备伺服系统的带宽则在1～2赫以下。
自20世纪70年代以来，由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机，使伺服系统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素，使带宽达到50赫，并成功应用在远程导弹、人造卫星、精密指挥仪等场所。
伺服系统的精度主要决定于所用的测量元件的精度。
因此，在伺服系统中必须采用高精度的测量元件，如精密电位器、自整角机、旋转变压器、光电编码器、光栅、磁栅和球栅等。
此外，也可采取附加措施来提高系统的精度，例如将测量元件（如自整角机）的测量轴通过减速器与转轴相连，使转轴的转角得到放大，来提高相对测量精度。
伺服控制知识点总结
伺服控制知识点总结一、基本概念1. 伺服系统伺服系统是由伺服执行元件、位置传感器、控制器和电源组成的控制系统。
其中，伺服执行元件一般为电机，位置传感器用于检测电机的位置，控制器用于根据传感器的反馈信号控制电机的运动，电源用于为电机提供动力。
2. 伺服电机伺服电机是一种能够根据外部控制信号精确控制位置、速度和力的电机。
常见的伺服电机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进伺服电机等。
3. 位置传感器位置传感器用于检测伺服电机的位置，并将检测到的位置信息反馈给控制器。
常见的位置传感器有编码器、光栅尺、霍尔传感器等。
4. 控制器控制器是伺服系统中的核心部件，其主要功能是根据传感器的反馈信号计算出电机的控制指令，并将指令输出给电机驱动器。
5. 电机驱动器电机驱动器接收控制器输出的控制指令，通过控制电机的电源电压和频率来控制电机的转速和扭矩。
二、伺服控制原理1. 闭环控制伺服控制采用闭环控制的原理，即通过不断地检测输出和反馈，在控制过程中校正误差，从而实现精确的位置、速度和力控制。
在闭环控制系统中，控制器通过比较实际输出和期望输出之间的差距，不断调整控制指令，使输出逐渐趋近期望值。
2. PID控制PID控制是伺服控制中常用的一种控制算法，即比例、积分、微分控制算法的组合。
比例控制用于根据误差的大小调整控制输出；积分控制用于消除持续的误差；微分控制用于预测误差的变化趋势，并及时做出调整。
PID控制算法可以根据实际情况进行调整，适用于各种伺服控制场景。
3. 伺服控制系统的设计伺服控制系统的设计需要考虑多个因素，包括伺服系统的要求、控制器的选择、传感器的选择、电机的选择、控制算法的选择等。
在设计伺服控制系统时，需根据实际情况权衡各种因素，从而达到满足控制要求并尽可能减小成本的目标。
三、伺服控制应用领域1. 工业自动化在工业自动化领域，伺服控制被广泛应用于各种生产设备的位置和速度控制，如注塑机、包装机、数控机床等。
伺服控制可以实现快速、稳定、精确的运动控制，提高生产效率和产品质量。
（完整版）工业机器人技术题库及答案
（完整版）⼯业机器⼈技术题库及答案⼯业机器⼈技术题库及答案⼀、判断题第⼀章1、⼯业机器⼈由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成。
√2、被誉为“⼯业机器⼈之⽗”的约瑟夫·英格伯格最早提出了⼯业机器⼈概念。
×3、⼯业机器⼈的机械结构系统由基座、⼿臂、⼿腕、末端操作器4⼤件组成。
×4、⽰教盒属于机器⼈-环境交互系统。
×5、直⾓坐标机器⼈的⼯作范围为圆柱形状。
×6、机器⼈最⼤稳定速度⾼, 允许的极限加速度⼩, 则加减速的时间就会长⼀些。
√7、承载能⼒是指机器⼈在⼯作范围内的特定位姿上所能承受的最⼤质量。
×第⼆章1、⼯业机器⼈的机械部分主要包括末端操作器、⼿腕、⼿臂和机座。
√2、⼯业机器⼈的机械部分主要包括末端操作器、⼿腕、⼿肘和⼿臂。
×3、⼯业机器⼈的⼿我们⼀般称为末端操作器。
√4、齿形指⾯多⽤来夹持表⾯粗糙的⽑坯或半成品。
√5、吸附式取料⼿适应于⼤平⾯、易碎、微⼩的物体。
√6、柔性⼿属于仿⽣多指灵巧⼿。
√7、摆动式⼿⽖适⽤于圆柱表⾯物体的抓取。
√8、柔顺性装配技术分两种：主动柔顺装配和被动柔顺装配。
√9、⼀般⼯业机器⼈⼿臂有4个⾃由度。
×10、机器⼈机座可分为固定式和履带式两种。
×11、⾏⾛机构按其⾏⾛运动轨迹可分为固定轨迹和⽆固定轨迹两种⽅式。
√12、机器⼈⼿⽖和⼿腕最完美的形式是模仿⼈⼿的多指灵巧⼿。
√13、⼿腕按驱动⽅式来分，可分为直接驱动⼿腕和远距离传动⼿腕。
√第三章1、正向运动学解决的问题是：已知⼿部的位姿，求各个关节的变量。
×2、机器⼈的运动学⽅程只局限于对静态位置的讨论。
√第四章1、⽤传感器采集环境信息是机器⼈智能化的第⼀步。
√2、视觉获得的感知信息占⼈对外界感知信息的60% 。
×3、⼯业机器⼈⽤⼒觉控制握⼒。
×4、超声波式传感器属于接近觉传感器。
√5、光电式传感器属于接触觉传感器。
伺服系统的概念与分类
伺服系统的分类
（3）按照控制方式分类——开环伺服系统
组成原理图如图所示：
伺服系统的分类
（3）按照控制方式分类——半闭环伺服系统
半闭环伺服系统不对控制对象的实际位置进 行检测，而是用安装在伺服电机轴端上的速度、 角位移测量元件测量伺服电机的转动，间接地测 量控制对象的位移，角位移测量元件测出的位移 量反馈回来，与输入指令比较，利用差值来校正 伺服电机的转动位置。
机电伺服系统
以电动机作为动力驱动元件的伺服系统。
02 伺服系统的分类
伺服系统的分类
分类方法
按照驱动方式分类 按照功能特征分类 按照控制方式分类
伺服系统的分类
（1）按照驱动方式分类
伺服系统的分类
（1）按照驱动方式分类
电气 伺服
直流伺服 系统
交流伺服 系统
小惯量直流伺服电动机 永磁直流伺服电动机 交流异步伺服电动机 永磁同步伺服电动机
伺服系统的分类
（3）按照控制方式分类——半闭环伺服系统
组成原理图如图所示：
伺服系统的分类
（3）按照控制方式分类——闭环伺服系统
闭环伺服系统带有检测装置，可以直接 对工作台的位移量进行检测。在闭环伺服系 统中，速度、位移测量元件不断地检测控制 对象的运动状态。
伺服系统的分类
（3）按照控制方式分类——闭环伺服系统
伺服系统的分类
（2）按照功能特征分类
伺服系统的分类
（3）按照控制方式分类
伺服系统的分类
（3）按照控制方式分类——开环伺服系统
开环伺服系统没有速度及位置测量元件，伺 服驱动元件为步进电机或电液脉冲马达。由于这 种控制方式对传动机构或控制对象的运动情况不 进行检测与反馈，输出量与输入量之间只有前向 作用，没有反向联系，故称为开环伺服系统。
伺服系统概述 PPT课件
12 伺服系统概述
伺服系统的特点和功用
• 伺服系统与一般机床的进给系统有本质上差别，它能根据 指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置 • 伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是数控系统的重 要组成
12 伺服系统概述
二、伺服系统基本类型
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
12 伺服系统概述
气压系统与液压系统的比较
1.
2.
3. 4.
5.
空气可以从大气中取之不竭且不易堵塞；将用过的气体排入大 气，无需回气管路处理方便；泄漏不会严重的影响工作，不污 染环境。 空气粘性很小，在管路中的沿程压力损失为液压系统的干分之 一，易于远距离控制。 工作压力低．可降低对气动元件的材料和制造精度要求。 对开环控制系统，它相对液压传动具有动作迅速、响应快的优 点。 维护简便，使用安全，没有防火、防爆问题；适用于石油、化 工、农药及矿山机械的特殊要求。对于无油的气动控制系统则 特别适用于无线电元器件生产过程，也适用于食品和医药的生 产过程。
优点
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。
缺点
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。 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。 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。
12 伺服系统概述
三、伺服系统基本要求
精度高： 稳定性好：
伺服系统的分类和基本组成形式
伺服系统的分类和基本组成形式伺服系统是一种能够将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象的电机系统。
它的主要特点是具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可将所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
伺服电机分为直流和交流伺服电动机两大类，其转速随着转矩的增加而匀速下降。
在自动控制系统中，伺服电机常用作执行元件。
数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确。
其中，进给伺服控制对伺服系统的要求更高，而主运动的伺服控制要求相对较低。
因此，数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统的质量。
伺服系统按其驱动元件和控制方式划分，有步进式伺服系统、直流电动机伺服系统、交流电动机伺服系统、开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统等。
其中，开环系统主要由驱动电路、执行元件和机床3大部分组成，常用的执行元件是步进电机；闭环系统主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和机床5部分组成，常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和编码盘等。
根据进入比较环节信号的形式以及反馈检测方式，闭环(半闭环)系统可分为脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统3种。
在闭环系统中，检测元件将机床移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节，比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续移动，直到跟随误差为零。
半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些，这是由于丝杠和工作台之间传动误差的存在所导致的。
因此，伺服系统的分类和基本组成形式对于机床的性能和精度有着至关重要的影响，需要在实际应用中根据具体需求进行选择和配置。
执行元件在伺服系统中扮演着重要的角色，其作用是将电信号转化为机械位移，以实现控制信号的跟随。
直流宽调速电动机和交流电动机是常用的执行元件，不同的执行元件需要不同的驱动电路。
台达伺服工作原理
台达伺服工作原理标题：台达伺服工作原理引言概述：台达伺服系统是一种精密控制系统，通过控制电机的位置、速度和力度来实现精确的运动控制。
本文将详细介绍台达伺服系统的工作原理。
一、传感器反馈机制1.1 位置传感器：台达伺服系统通常配备编码器或光电编码器，用于实时监测电机的位置。
1.2 速度传感器：通过速度传感器可以监测电机的转速，确保电机运行在设定的速度范围内。
1.3 力传感器：力传感器用于监测电机输出的力度，可以实现精确的力控制。
二、控制器2.1 PID控制算法：台达伺服系统采用PID控制算法，通过不断调节比例、积分和微分参数，实现电机位置、速度和力度的精确控制。
2.2 控制器接口：控制器接口连接传感器和执行器，将传感器反馈的信息传输给控制器，控制器再根据设定的参数调节电机的运行状态。
2.3 通信接口：控制器还配备通信接口，可以与上位机或其他设备进行通信，实现远程监控和控制。
三、执行器3.1 伺服电机：台达伺服系统采用伺服电机作为执行器，通过控制电机的转子位置和速度，实现精确的位置控制。
3.2 伺服减速器：伺服减速器用于降低电机的转速，提高输出扭矩，同时保证电机的运行稳定性。
3.3 伺服驱动器：伺服驱动器将控制器发送的信号转换为电机的运行信号，控制电机的转速和位置。
四、反馈控制系统4.1 闭环控制：台达伺服系统采用闭环控制系统，通过不断比较实际输出与设定值之间的差异，调节电机的运行状态，实现精确的位置控制。
4.2 反馈延迟：反馈延迟是闭环控制系统中常见的问题，台达伺服系统通过优化算法和传感器的灵敏度，降低反馈延迟，提高控制精度。
4.3 稳定性分析：台达伺服系统在设计时考虑了系统的稳定性，通过合理的参数设置和控制策略，保证系统在各种工况下都能稳定运行。
五、应用领域5.1 工业自动化：台达伺服系统广泛应用于工业自动化领域，如机床、包装设备、搬运机器人等，实现精确的位置控制和高效的生产。
5.2 机器人领域：台达伺服系统在机器人领域也有着重要的应用，通过精确的控制和反馈机制，实现机器人的灵活运动和高效操作。
伺服电机及其控制原理-PPT
开环伺服控制回路
位置控制 控制器 （ＮＣ装置）
步进 驱动器
步进马达
指令脉冲
脉冲马达
１脉冲 ＝ １步进角
例 步进角 ０.３６°的情况 １脉冲 → ０.３６°的动作
１０００脉冲 → ３６０°（１圈）
开环伺服控制回路
位置控制 控制器 （ＮＣ装置）
步进 驱动器
步进马达
位置 ＝ 脉冲数 速度 ＝ 脉冲频率
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问题8：伺服电机过热（电机烧毁）。
原因：1、负载惯性（负荷）太大，增大电机和控制器 的容量；2、设备（机械）松动、脱落，重新确认设备 （机械）各部件；3、与驱动器接线错误，确认电机和 控制器名牌，根据说明书检查是否接线错误。4、电机 轴承故障。5、电机故障（接地、缺相等）
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3.1 伺服控制器概述
伺服驱动器（servo drives） 又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是 用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似 于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统 的一部分，主要应用于高精度的定位系统。
44
伺服控制器的作用
1、按照定位指令装置输出的脉冲串，对工件进行定位控制。 2、伺服电机锁定功能：当偏差计数器的输出为零时，如果有外力
34
需要我们注意的是： 伺服电机实际使用当中，必须了解电
机的型号规格，确认好电机编码器的分 辨率，才能选择合适的伺服控制器。
35
松下伺服电机常见故障分析
问题1：对伺服电机进行机械安装时，应该 注意什么问题？
由于每台伺服电机都带有编码器，它是一个十分容易碎 的精密光学器件，过大的冲击力会使其破坏。因而在安 装的过程中要避免对编码器使用过大的冲击力。
开环伺服系统结构简图
数控装置发出脉冲指令，经过脉冲分配和功 率放大后，驱动步进电机和传动件的累积误 差。因此，开环伺服系统的精度低，一般可 达到0.01mm左右，且速度也有一定的限制。
伺服电机检测
伺服电机检测伺服电机是一种能够根据输入信号进行位置或速度控制的电机。
它通常由电机驱动器和反馈装置组成，可以实现高精度的运动控制。
伺服电机广泛应用于机械设备、工业自动化和机器人等领域。
为确保伺服电机的正常工作，对其进行检测和测试是非常重要的。
伺服电机的检测主要包括以下几个方面：机械结构检测、电气性能检测和控制系统检测。
首先，对伺服电机的机械结构进行检测。
这包括检查电机轴承的磨损情况，确认电机转子是否能够自由旋转，并且检查电机的连接螺栓是否松动。
另外，还需要检查电机的外壳是否存在破损或变形等问题，以确保电机的机械结构完好无损。
其次，对伺服电机的电气性能进行检测。
这包括检查电机的绝缘电阻是否符合标准要求，使用万用表等测试仪器对电机的电阻、电压和电流进行测量，并与设备手册中的规格进行对比。
此外，还需要检测电机的温升情况，确保电机在运行过程中不会因过热而损坏。
最后，对伺服电机的控制系统进行检测。
这包括检查伺服电机的驱动器和反馈装置是否正常工作，是否能够正确接收和响应控制信号。
可以通过连接伺服电机到控制器，并进行一系列运动控制和位置检测来验证控制系统的性能。
同时，还需要检查伺服系统的PID参数是否设置正确，以确保伺服电机能够稳定地控制运动。
在进行伺服电机检测时，还需要注意一些细节。
首先是检测环境的安全性，确保检测过程中没有危险因素存在。
其次是使用合适的测试仪器和工具进行检测，以获取准确的测试结果。
此外，还需要记录和保存测试数据，以备日后对比分析和故障排查使用。
总之，伺服电机的检测是确保其正常工作的重要环节。
通过对机械结构、电气性能和控制系统的检测，可以及时发现和排除潜在问题，以保证伺服电机的稳定性和可靠性。
因此，对伺服电机进行定期的检测和测试是非常值得推荐的做法，可以提高设备的工作效率和寿命，同时减少故障和维修的风险。
伺服驱动系统原理
伺服驱动系统原理
伺服驱动系统的工作原理主要包含以下几个步骤：
1. 输入信号处理：伺服驱动系统接收来自控制器的输入信号，这些信号通常是模拟或数字信号。
输入信号经过处理后将传递给驱动器。
2. 反馈信号采集：伺服驱动系统通过反馈装置采集伺服电机的位置或速度信息。
这些反馈信号将用于控制伺服电机的运动。
3. 误差计算：伺服驱动系统将输入信号和反馈信号进行比较，计算出误差。
误差是控制器用来调整驱动器输出信号的基础。
4. 功率驱动单元：功率驱动单元通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。
再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动交流伺服电机。
这个过程可以简单的理解为AC-DC-AC的过程。
5. 控制方式：伺服驱动器一般都有三种控制方式：位置控制方式、转矩控制方式、速度控制方式。
总的来说，伺服驱动系统是一个非常复杂的系统，其工作原理涉及多个环节和步骤。
如需了解更多信息，建议查阅相关文献或咨询专业人士。
伺服系统
伺服系统2.1 什么是控制系统通过执行规定的功能来实现某一给定目标的一些相互关联单元的组合，称为控制系统。
如室内温度、湿度控制，电机的转速控制，工业上的液位控制、压力控制等手动控制（Manual Control）自动控制（Automatic Control)2.2 什么是自动控制系统自动控制是在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量按照预定的规律变化的过程。
通过控制装置执行规定的功能来实现某一给定目标的一些相互关联单元的组合，称为自动控制系统。
2.3 自动控制系统的常用术语在自动控制系统中，被控制的设备或过程称为被控对象（或对象）；被控制的物理量称为被控量（或输出量）；决定被控量的物理量称为控制量或给定量；妨碍控制量对被控量进行正常控制的所有因素称为扰动量。
给定量和扰动量都是自动控制系统的输入量。
扰动量按其来源分内部扰动和外部扰动。
2.4 自动控制系统的两种外作用1、有效输入信号（简称输入信号）输入信号决定系统被控量的变化规律或代表期望值，并作用于系统的输入端。
2、有害干扰信号（简称干扰信号）干扰信号是系统所不希望而又不可避免的外作用信号，它不但可以作用于系统的任何部位，而且可能不止一个。
由于它会影响输入信号对系统被控量的有效控制，严重时必须加以抑制或补偿。
3.1 开环控制和闭环控制以恒温箱为例以书上晶闸管调速系统为例3.1 开环控制和闭环控制开环控制系统（Open-loop Control System)是指系统的输出端和输入端不存在反馈关系，系统的输出量对控制作用不发生影响的系统。
这种系统既不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到输入端与输入量进行比较，控制装置与被控对象之间只有顺向作用，没有反向联系。
闭环控制系统（Close-loop Control System)系统的控制装置和被控对象不仅有顺向作用，而且输出端和输入端之间存在反馈关系，所以称为闭环控制系统，闭环控制系统就是反馈控制系统。
伺服工作原理
伺服工作原理
伺服工作原理是指通过控制电机的转动来实现精确位置控制的一种技术。
伺服系统由伺服电机、传感器、控制器和执行机构组成。
伺服电机是伺服系统的核心部件，通常采用直流电机或交流伺服电机。
它具有高速响应、高精度定位和扭矩稳定等特点。
传感器用于检测伺服电机的位置、速度和扭矩信息。
常用的传感器包括编码器、光电开关、霍尔元件等。
传感器将检测到的信号传输给控制器。
控制器是伺服系统的智能部分，根据传感器的反馈信号进行计算和控制，输出控制信号驱动伺服电机。
控制器通常采用数字信号处理器（DSP）或微处理器，具备高速运算和精确控制能力。
执行机构是指通过伺服电机驱动的机械部件，用于实现精确的位置调节。
例如，通过伺服电机驱动螺杆实现线性运动，或通过驱动轴实现旋转运动。
伺服工作原理的核心思想是，控制器根据传感器提供的反馈信息，不断调整输出信号，使伺服电机根据预定的位置要求进行精确控制。
当伺服电机的位置或速度发生偏差时，控制器通过对电机施加适当的控制信号进行修正，使其回到预定的位置。
总结起来，伺服工作原理就是通过控制器对伺服电机进行精确
控制，实现精确定位和定速运动。
这种工作原理使得伺服系统在很多应用领域中得到广泛应用，如机械加工、自动化生产线、机器人等。
伺服系统中的常用检测装置-精选文档
标准感应同步器的外形尺寸
2019/2/27
26
sin cos cos
sin
sin
cos sin
cos
圆型感应同步器的绕组
2019/2/27 27
5.3.1 感应同步器的工作原理
直线感应同步器的结构
2019/2/27
28
感应同步器工作原理
2019/2/27
29
当滑尺的两个绕组中的任一绕组中通过激磁交变电压时：
ud Es Ec
E KV sin sin tcos S m
E KV cos sin tsin C m
2019/2/27
KVm sin(
2 x) sin t 2
KVm sin t sin
4）当滑尺再向D点移动时，定尺电压又逐渐变为零。
5）当移动一个节距，到达E点时，又与A点的情况相同。
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5.3.2 感应同步器测量系统
感应同步器也有：鉴相测量系统和鉴幅测量系统。 1）鉴相测量系统 给感应同步器滑尺的两个正余弦绕组分别供以频率和幅值相 同，相位差为90°的励磁信号：
2019/2/27 4
2019/2/27
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5.1.1 对位移检测装置的要求
（1）除了对电磁感应有较强的抗干扰能力外，还要求不怕 油、水的污染，也要求检测元件被环境温度影响较小。 （2）在机床执行部件移动范围内，满足精度和速度响应时 间要求
直线位移检测装置的分辨率一般在0.0001-0.01mm之间， 其测量精度可达±0.001-0.02mm/m。 由于机床在实际加工中有铁屑和切削液的存在，所以检测 元件在拖板上安装时也必须有一定的防护罩。
电液伺服控制及其应用
第2章电液伺服控制技术及应用电液伺服系统是一种采用电液伺服机构，根据液压传动原理建立起来的自动控制系统。
在这种系统中，执行元件的运动随着控制信号的改变而改变。
2.1 电液伺服阀伺服阀通过改变输入信号，连续的、成比例地控制液压系统的流量或压力。
电液伺服阀输入信号功率很小(通常仅有几十毫瓦)，功率放大系数高；能够对输出流量和压力进行连续双向控制。
其突出特点是：体积小、结构紧凑、直线性好、动态响应好、死区小、精度高，符合高精度伺服控制系统的要求。
电液伺服阀是现代电液控制系统中的关键部件，它能用于诸如位置控制、速度控制、加速度控制、力控制等各方面。
因此，伺服阀在各种工业自动控制系统中得到了越来越多的应用。
2.1.1 工作原理及组成1 基本组成与控制机理电液伺服阀是一种自动控制阀，它既是电液转换组件，又是功率放大组件，其功用是将小功率的模拟量电信号输入转换为随电信号大小和极性变化、且快速响应的大功率液压能[流量(或)和压力]输出，从而实现对液压执行器位移(或转速)、速度(或角速度)、加速度(或角加速度)和力(或转矩)的控制。
电液伺服阀通常是由电气一机械转换器、液压放大器(先导级阀和功率级主阀)和检测反馈机构组成的(见图2-1)。
图2-1 电液伺服阀的组成2 电气—机械转换器电气—机械转换器包括电流—力转换和力—位移转换两个功能。
典型的电气—机械转换器为力马达或力矩马达。
力马达是一种直线运动电气一机械转换器，而力矩马达则是旋转运动的电气—机械转换器。
力马达和力矩马达的功用是将输入的控制电流信号转换为与电流成比例的输出力或力矩，再经弹性组件(弹簧管、弹簧片等)转换为驱动先导级阀运动的直线位移或转角，使先导级阀定位、回零。
通常力马达的输入电流为150～300mA，输出力为3～5N。
力矩马达的输入电流为10~30mA，输出力矩为0.02～0.06N·m。
伺服阀中所用的电气一机械转换器有动圈式和动铁式两种结构。
课后答案
第一章：1 试说明机电一体化的涵义。
2 什么是工业三大要素？3 机电一体化系统的主要组成、作用是什么？4 机电一体化系统的构成要素是什么？它们各有什么作用？其主体和核心技术是什么？5 传统机电产品与机电一体化产品的主要区别是什么？6 机电一体化各要素及其与外界是通过什么连接的？有什么重要性？7 为什么说精密机械技术是机电一体化的基础？8 发展机电一体化的共性关键技术有那些？它们的作用如何？9 试举出几个机电一体化的家电产品。
10 试论述机电一体化的发展趋势。
第二章：1 简述机电一体化系统设计流程。
2 简述开发性设计、适应性设计、变型设计的异同？3 何谓概念设计？简述概念设计的具体设计步骤。
4 简述功能—行为—结构三者的关系。
5如何进行设计任务的抽象化，其作用是什么？6总功能为什么要分解，应如何进行分解？7什么是功能结构，三种基本结构形式是什么？7 何谓功能元，常用的基本功能元有哪些？8 举例说明什么是物理效应和功能载体？9 什么是艺术造型三要素？10 人机接口和机电接口各有哪些分类？并举例说明。
11 为什么要进行系统的评价？简述其步骤。
12 为什么要进行系统的决策？简述其步骤。
13 如何确定系统的评价指标体系？14 常用的系统评价方法是什么？15 系统调试的一般规律是什么？16 简述各种现代设计方法的内涵。
17 如何进行机电一体化系统的可靠性设计？18 传统产品设计与绿色产品设计有何区别与联系？第三章：1 试对数控机床的主轴功能进行分解，列出其形态学矩阵。
2 试以一种你熟悉的机电一体化产品为例，对其总功能进行分解。
第四章：1机电一体化的机械系统主要内容有哪些？2对机械传动机构的性能要求是什么？3常用无侧隙齿轮传动机构有哪几种？4滚珠丝杠副有哪些特点？5滚珠丝杠副常用的支承方式有哪几种？各有什么特点？6滚珠丝杠副为何要预紧？预紧力常为多少？7常用的直线运动导轨有哪些？8对机座机架的基本要求是什么？9简述花岗岩的特点及应用？10 当工作台重量为400kg，夹具和工件重量为400kg，最大工作行程为1000mm，其它条件和4.5.2节相同时，试选择设计滚珠丝杠副。
伺服控制系统
伺服系统的组成
例：仿型铣床随动系统
r(t)为模杆的位移，c(t)是铣刀杆的位移。希望铣刀的运动c(t)完全复现模杆
的运动r(t)。使得加工出来的零件尺寸和模型一样。
e(t) 信 号
放大
功率 放大
R1
R2
E
r(t)
c(t)
减速器
电动机
模型
零件
r(t)
电
位
_计
调 节 器
放 大 器
功率 放大
执行 电机
减 速 器
控制器
被控 对象
控制器
放大
被控 对象
舵机控制系统
θr 主指令信号；θy 舵角信号 e =θr -θy 偏差信号 e = 0 时，达到一致。 舵角连续跟踪θr 必须自动克服水流的干扰。
控制器 放大
电动机
θy 齿轮
θr 指 令
θy
舵轮
❖ 反馈的特点与作用
特点： 1、连续的检测偏差量； 2、回路增益可以较高，使误差很小，
n０ 理想空载转速，nR 满载转速
5、负载扰动作用下系统的响应 负载扰动对系统动态过程的影响是调速系统的重要
技术指标之一 衡量抗扰能力一般取大转速降(升)Δnmax与响应时
间tsf来度量
6、元件参数变化的敏感性要求
指控制系统本身各项元件参数的变化所引起的误差。 通 常如不提出要求，则应包含在系统精度和稳定性要求之内
❖ 控制理论快速发展 传递函数、拉普拉斯变换和奈奎斯特稳定理论；根 轨迹；现代控制理论
❖ 计算机、大规模集成电路的发展，各元器件趋于 数字化、集成化，使现代伺服系统朝着高精度、 低噪声的方向发展。
❖ 展望未来，新器件、新理论、新技术必将驱使伺 服系统朝“智能化”方向发展，赋予人工智能特 性的伺服系统以及智能控制器必将获得广泛应用。
伺服电机测试
伺服电机测试1. 简介本文档旨在介绍伺服电机测试的方法和步骤。
伺服电机是一种能够准确控制位置和速度的电机，在机械和自动化领域得到广泛应用。
通过测试伺服电机的性能，可以确保其正常工作，并且能够满足应用的需求。
2. 测试目标伺服电机测试的主要目标是验证其位置和速度控制的准确性和稳定性。
具体包括以下几个方面的测试：•位置控制：测试伺服电机在不同速度和负载条件下的位置控制精度和稳定性。
•速度控制：测试伺服电机在不同负载条件下的速度控制精度和稳定性。
•响应时间：测试伺服电机从接收到控制信号到实际位置或速度达到设定值的时间。
3. 测试准备在进行伺服电机测试之前，需要进行以下准备工作：3.1 硬件准备•伺服电机：选择要测试的伺服电机，并确保其安装正确，并与控制器相连。
•控制器：准备一台能够控制伺服电机的控制器，并确保其与伺服电机连接。
•传感器：如果需要测试位置控制精度，可准备相应的位置传感器，并与伺服电机连接。
•负载：准备适当的负载来模拟实际工作条件。
3.2 软件准备•控制软件：下载并安装适用于伺服电机的控制软件，并确保其与控制器连接。
•配置软件：使用控制软件进行参数配置，如PID参数和限位设置。
•测试软件：选择合适的测试软件来执行伺服电机的测试任务。
3.3 测试环境准备•确保测试环境处于合适的温度和湿度条件。
•确保测试环境没有干扰源，如电磁干扰或振动源。
4. 测试步骤以下是进行伺服电机测试的基本步骤：4.1 确认连接首先，确认伺服电机和控制器之间的连接正确，并确保控制器能够与伺服电机通信。
4.2 参数配置使用控制软件对伺服电机进行参数配置，主要包括PID参数的调整和限位设置。
4.3 位置控制测试1.设置一个目标位置。
2.发送控制信号，让伺服电机运动到目标位置。
3.通过传感器读取电机实际位置，并与目标位置进行比较。
4.记录位置误差，并分析其稳定性。
4.4 速度控制测试1.设置一个目标速度。
2.发送控制信号，让伺服电机运动以目标速度。
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第2章伺服运动控制系统检测技术及元件2.1检测系统
图2-1测试系统原理框图
图2-2现代检测系统的结构示意图
图2-3检测系统的基本形式
2
交流伺服运动控制系统2.2传感器技术
2.2.1传感器分类
2.2.2基础效应
1. 光效应
图2-4光电导效应
交流伺服运动控制系统 3
2. 磁效应
3. 力效应
4. 化学效应
5. 多普勒效应
2.2.3新型敏感材料
1. 半导体敏感材料
4
交流伺服运动控制系统
2. 光导纤维
3. 高分子材料
4. 石英晶体
2.2.4新加工工艺
1. 薄膜加工工艺
2. 光学曝光微加工工艺
3. 激光微细加工
4. 光纤制造技术
2.2.5新型传感器件
1. 光电位置传感器件（PSD）
图2-5 PIN型PSD的断面结构示意图
2. 电荷耦合器件（CCD）
3. 光纤传感器
4. 集成传感器
图2-6硅敏感电容器结构示意图
交流伺服运动控制系统 5
5. 化学传感器
6. 生物传感器
7. 薄膜传感器
8. 机器人传感器
6
交流伺服运动控制系统2.3现代检测技术
2.3.1软测量技术
2.3.2图像检测系统
1. 图像检测系统的构成
图2-7数字图像检测处理系统
2. 图像的描述
3. 数字图像处理技术
2.3.3智能检测
2.3.4虚拟仪器检测技术
2.4检测元件
2.4.1旋转变压器
图2-8旋转变压器
交流伺服运动控制系统7
图2-9用作角度-相位变换器的旋转变压器
图2-10用旋转变压器构成的角差测量装置
2.4.2感应同步器
图2-11长感应同步器
8
交流伺服运动控制系统
图2-12通电流的矩形线圈中的磁场分布
图2-13感应电动势与两线距离的关系
图2-14鉴相型、鉴幅型测量电路控制原理图
交流伺服运动控制系统9
图2-15感应同步器闭环系统
2.4.3脉冲编码器
1. 增量型编码器（旋转型）
图2-16增量式编码器工作原理
2. 绝对型编码器（旋转型）
10
交流伺服运动控制系统
图2-17绝对式光电编码器
3. 从单圈绝对值编码器到多圈绝对值编码器
图2-18透射式光栅
图2-19反射式光栅
交流伺服运动控制系统11 2.4.4光栅
1. 光栅的基本工作原理
图2-20光栅工作原理图
2. 直线光栅检测装置的线路
图2-21光栅测量装置的逻辑框图
12
交流伺服运动控制系统2.4.5磁尺
图2-22磁尺位置检测装置
1. 磁性标尺
图2-23带状磁尺
图2-24线状磁尺
图2-25圆形磁尺
交流伺服运动控制系统13 2. 磁头
图2-26励磁响应型磁头
3. 检测电路
图2-27检测电路框图
14
交流伺服运动控制系统
图2-28相位检测框图
习题
2-1常用的位置检测装置有哪几种？各有何优点?其测量精度如何保证？
2-2常用的速度检测装置有哪几种？各有何优点?其测量精度如何保证？
2-3常用的角度检测装置有哪几种？各有何优点?其测量精度如何保证？。