第五章 伺服驱动技术
5数控机床伺服驱动和检测
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第一节 概述
但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格 也高。进入80年代后，由于交流电机调速技术的突破，交流伺服 驱动系统进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服电机，转 子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修，制造简单， 适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速度方向发展， 其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统，交流伺服电机已 在数控机床中得到广泛应用。 直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演 变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的 一种推力装置，是一种较为理想的驱动装置。在机床进给系统中， 采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的最大区别是取消了从电 动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩 短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动机驱动方式无法 达到的性能指标和优点。由于直线电动机在机床中的应用目前还 处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。随着各相关配套技术 的发展和直线电动机制造工艺的完善，相信用直线电动机作进给 驱动的机床会得到广泛应用。
选择：①伺服系统要求的分辨率； ②考虑机械传动系统的参数。
分辨率（分辨角）α
设增量式码盘的规格为 n 线/转：
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二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
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二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
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二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
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第一节 概述
数控机床闭环进给系统的一般结构如图所示，这是一个双闭环系统，内环 为速度环，外环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速 度控制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度控制系 统的核心。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由CNC装置 中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。由速度 检测装置提供速度反馈值的速度环控制在进给驱动装置内完成，而装在电动机 轴上或机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈值构成的位置环由数控装置 来完成。伺服系统从外部来看，是一个以位置指令输入和位置控制为输出的位 置闭环控制系统。但从内部的实际工作来看，它是先把位置控制指令转换成相 应的速度信号后，通过调速系统驱动伺服电机，才实现实际位移的。
第五章 伺服驱动系统PPT课件
（二） 步进电动机的工作原理
1. 反应式步进电动机 可变磁阻式/VR步进电动机
（1）反应式步进电动机的结构
（2）反应式步进电动机的工作原理 磁力线具有力图沿磁阻最小路径通过的特点，从而产生反应力
交流(AC)伺服系统向全数字化方向发展：电流环、 速度环和位置环的 反馈控制全部数字化，全部伺服的控 制模型和动态补偿均由高速微处理器及其软件进行实时处 理；采用前馈与反馈结合的复合控制。
4、按控制对象和使用目的的不同：进给、主轴和辅助伺服系统。
进给伺服系统：用于控制机床各坐标轴的切削进给运动，是一 种精密的位置跟踪、定位系统：速度控制和位置控制
e= es + ec =kUmcos(ωt + θ) =kUmcos(ωt + x ·2π/ W)
通过鉴别定尺输出的感应电势的相位，即可测量定尺和滑尺之 间的相对位置。
感应同步器的鉴相方式用在相位比较伺服系统中
2、鉴幅方式 根据定尺感应输出的感应电势的振幅变化来检测 位移量的一种工作方式。
滑尺上的正弦、余弦励磁绕组提供同频率、同相位、幅值不同 的交流电压，即
检测装置的精度指标：系统精度（在一定长度或转角内测量积 累误差的最大值）和系统分辨率（测量元件所能正确检测的最小位 移量）
位置检测装置分类
数字式
增量式
绝对式
回转型 增量式光点脉冲编 绝对式光点脉
码器、圆光栅
冲编码器
直线型 计量光栅、激光干 编码尺、多通道
涉仪
透射光栅
模拟式
增量式
绝对式
旋转变压器、圆形感 多极旋转变压器、三 应同步器、圆形磁尺 速圆形感应同步器
伺服驱动技术
伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度，以误差的形式 表现，可概括为动态误差、稳态误差和静态误差三个方面组成。
稳定性 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够 恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统 达到新的稳定运行状态的能力。
响应特性
响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系 统的工作效率。响应速度与许多因素有关，如计算机的运行速度、 运动系统的阻尼和质量等。
Ra CeC 2
T
由上式知，直流伺服电机的控制方式如下：
（1）调压调速（变电枢电压）
（2）调磁调速（变励磁电流）
（3）改变电枢回路电阻调速
转向取决于电磁转矩 T 的方向，而 T 的方向 取决于 Φ 和 Ia 的方向。
+ Ia
Ua
M
If + Uf
+ Ia
Ua
M
－
－磁
场
Uf
反
If +
向
－
－
－
If +
360° zN
=
360° 40×3
= 3°
②采用三相六拍时： θ=
360° zN
=
360° 40×6
= 1.5°
3.步进电动机驱动电源
(1)作用 : 发出一定功率的电脉冲信号，使定子励 磁绕组 顺序通电。
与一般交流和直流电动机所不同的是，步进电动机定子绕 组所加的电源形式为脉冲电压，而不是正弦电压或者恒定 直流电压。
U2
3
U1
V2
W2
V2
W2
V2
W2
W1
V1
W1
伺服驱动系统-常用伺服执行元件
PC104
USB接口 CAN卡
104总线
CANopen
机械臂复位
绝对编码器 绝对编码器 绝对编码器
接近开关
接近开关
扭矩传感器
传感器信号 转接板
GPIO
8051单片机
CAN通信 USB接口 串口通信 以太网接口 LCD液晶显示
机械臂电机驱 动器1
机械臂+送管机构
肩关节电机
光电编码器
机械臂电机驱 动器5
第五章 伺服驱动系统
5.2 常用伺服执行元件
5.2.1 执行元件的种类及特点
执行元件的特点以及优缺点
种类
特点
可用商业电源；
电 信号与动力传送方 气 向相同；有交流直 式 流之分；注意使用
电压和功率。
优点
缺点
操作简便；编程容易； 瞬时输出功率大； 能实现定位伺服控制； 过载差；一旦卡死， 响应快、易与计算机 会引起烧毁事故； （CPU）连接；体积小、受外界噪音影响大。 动力大、无污染。
压 操作人员技术熟练。 位伺服控制；易与计 求严格；易产生泄
式
算机（CPU）连接。 露而污染环境。
5.2.2 对伺服执行元件的基本要求
（1） 体积小、重量轻、输出功率大
功率密度——执行装置单位重量所能达到的输出功率
PG P / G(W / N )
反映了电动机单位重量的输出功率，在电动机起停频率 低，但要求运行平稳和扭矩脉动小的场合可采用这一指标 。
步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机
5.2.3 电机概述
电动机是电能转换为机械能的基本装置，在各行各业广泛 应用。
• 直流电机 • 交流电机 步进电机
直流电动机
交流电动机
《伺服驱动技术》课件
汇报人：
目录
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伺服驱动技术概述
伺服驱动系统的组 成
伺服驱动技术的原 理
伺服驱动技术的性 能指标
伺服驱动技术的应 用案例
添加章节标题
伺服驱动技术概述
伺服驱动技术是一种通过控制电机的转速、位置和转矩来精确控制机械运动的技术。
伺服驱动技术广泛应用于工业自动化、机器人、数控机床等领域。
航空航天： 用于控制 航天器的 姿态和轨 道
汽车电子： 用于控制 汽车的电 子系统， 如刹车、 转向等
19世纪末，直流伺服电机诞生
20世纪初，交流伺服电机出现
20世纪50年代，数字伺服技术开始发 展
20世纪70年代，交流伺服技术逐渐成 熟
20世纪80年代，交流伺服技术广泛应 用于工业自动化领域
21世纪初，伺服驱动技术向智能化、 网络化方向发展
汽车电子：用于汽车电子设备的控制，如电动助力转向系统、电子稳定系统等
伺服驱动技术的未 来发展
趋势：智能化、网络化、 集成化
挑战：技术瓶颈、成本压 力、市场竞争
发展趋势：高性能、高精 度、高可靠性
挑战：技术更新、人才短 缺、市场变化
提高响应速度：通过优化控制算法和硬件设计，提高伺服驱动系统的响应速度。 提高精度：通过采用高精度传感器和精密控制算法，提高伺服驱动系统的精度。 提高稳定性：通过优化控制算法和硬件设计，提高伺服驱动系统的稳定性。 提高智能化水平：通过采用人工智能技术，提高伺服驱动系统的智能化水平。
伺服控制器是伺服驱动系统的核心部件，负责接收控制信号并输出相应的控制电流。
伺服控制器的工作原理是通过接收来自上位机的控制信号，经过处理后输出相应的控制电流， 控制伺服电机的转速和转矩。
伺服驱动技术原理
伺服驱动技术原理一、引言伺服驱动技术是现代控制系统中的关键技术之一，其主要作用是实现对机械设备的精确位置和速度控制。
本文将介绍伺服驱动技术的原理和工作方式，以便更好地理解和应用这一技术。
二、伺服驱动系统的组成伺服驱动系统一般由伺服电机、驱动器和控制器三部分组成。
伺服电机负责提供动力，驱动器负责将控制信号转化为电流或电压信号，控制器负责生成控制信号并反馈实际位置信息。
三、伺服驱动技术原理伺服驱动技术的原理基于闭环控制系统。
控制器通过检测实际位置和目标位置之间的偏差，生成控制信号，驱动器接收到控制信号后，将其转化为电流或电压信号，控制伺服电机的转动。
伺服电机转动后，通过编码器等装置反馈实际位置信息给控制器，控制器再次根据实际位置和目标位置之间的偏差生成新的控制信号，不断调整驱动器的输出，直到实际位置达到目标位置。
四、反馈系统的重要性在伺服驱动技术中，反馈系统起到了至关重要的作用。
通过反馈系统，控制器可以实时获取实际位置信息，从而能够更准确地生成控制信号，并及时对输出进行调整。
如果没有反馈系统，控制器只能根据预设的控制信号进行驱动，无法知道实际位置是否达到目标位置，很难实现精确的控制。
五、位置控制与速度控制伺服驱动技术可以实现精确的位置控制和速度控制。
在位置控制中，控制器根据实际位置和目标位置之间的偏差生成控制信号，驱动伺服电机转动，直到实际位置达到目标位置。
在速度控制中，控制器根据实际速度和目标速度之间的偏差生成控制信号，控制伺服电机的转速，使其达到目标速度。
六、PID控制算法在伺服驱动技术中，常用的控制算法是PID控制算法。
PID控制算法根据实际位置和目标位置之间的偏差，计算出比例项、积分项和微分项，并将它们加权相加得到最终的控制信号。
比例项用于根据偏差的大小调整输出，积分项用于消除静态误差，微分项用于预测偏差的变化趋势，从而更快地调整输出。
七、伺服驱动技术的应用伺服驱动技术广泛应用于工业自动化领域。
第五章 伺服驱动
结构简单、容易调整
控制精度低，速度受到限制。
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一、步进电机的种类、结构及工作原理
步进电机的种类 按产生力矩原理分：反应式、激磁式 按输出力矩大小分：伺服式、功率式 按定子数：单定子、双定子、三定子、多定子
按各相绕阻分布：径向分相式、轴向分相式
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2. 步进电机的结构
模拟伺服方式：采用模拟控制器（由线性集成电路和分立元件组 成）。系统中的信号是连续变化的，控制作用是连续的。响应速 度快，输出平滑，受干扰后会自动恢复。模拟电路易受温度的影 响，整定比较困难，不能实现复杂的算法。 数字伺服方式：采用数字控制器（微处理器或专用集成芯片组成） 系统中的信号是离散化的数字信号。易于实现复杂的算法，容易 与计算机通信，方便地实现自动诊断、保护功能。但响应速度不 如模拟控制。
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五定子、轴向分相、反应式伺服步进电机
步进电机的定子和转子在轴向分为五段，每一段都形成独立的一相定 子铁心、定子绕组和转子。各段定子铁心形如内齿轮，由硅钢片叠成。转子 形如外齿轮，也由硅钢片制成。各段定子上的齿在圆周方向均匀分布，彼此 之间错开 齿距，其转子齿彼此不错位。当设置在定子铁心环形槽内的定子 绕组通电时，形成一相环形绕组，构成图中所示的磁力线。
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§5—4 CNC伺服系统
CNC伺服系统分为软件和硬件两个部分。软件部分主
要完成跟随误差的计算，即指令信号和反馈信号的比 较计算。硬件部分由位置检测组件和位置控制输出组 件组成。
CNC伺服系统结构框图
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位置伺服系统的构成
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伺服驱动方案
伺服驱动方案引言伺服驱动是指通过对驱动电机进行位置或速度的闭环控制，以实现对运动系统的精确控制。
它在自动化领域中广泛应用于机械手臂、数控机床、印刷设备等各种机电一体化设备中。
本文将介绍伺服驱动的基本原理、工作方式以及不同类型的伺服驱动方案。
基本原理伺服驱动的基本原理是通过传感器实时反馈运动系统的位置或速度信息，并与控制器设定的目标进行比较，通过调节输出信号驱动电机实现精确控制。
伺服驱动的核心组成部分包括电机、编码器、控制器和功率放大器。
电机负责将电能转化为机械能，编码器用于检测电机转动的准确位置或速度，控制器负责对编码器反馈的信息进行处理并生成控制信号，功率放大器则负责将控制信号转化为足够大的功率驱动电机。
工作方式伺服驱动的工作方式可以分为位置控制和速度控制两种。
位置控制位置控制是指通过控制驱动电机的位置，以实现对系统位置的精确控制。
在位置控制模式下，控制器会将编码器反馈的位置信息与设定的目标位置进行比较，并计算出位置误差。
然后根据位置误差，控制器会生成一个修正量，并将修正量作为控制信号发送给功率放大器，从而驱动电机按照设定的目标位置进行运动。
速度控制速度控制是指通过控制驱动电机的速度，以实现对系统速度的精确控制。
在速度控制模式下，控制器会将编码器反馈的速度信息与设定的目标速度进行比较，并计算出速度误差。
然后根据速度误差，控制器会生成一个修正量，并将修正量作为控制信号发送给功率放大器，从而驱动电机按照设定的目标速度进行运动。
伺服驱动方案根据应用需求和性能要求的不同，伺服驱动方案可以分为以下几种类型。
伺服电机驱动方案伺服电机驱动方案是应用最广泛的伺服驱动方案之一。
伺服电机驱动方案采用伺服电机作为执行器，在控制器的控制下实现对位置或速度的闭环控制。
伺服电机通常具有较高的精度和响应速度，适用于要求较高的运动控制应用。
步进电机驱动方案步进电机驱动方案是另一种常见的伺服驱动方案。
步进电机驱动方案采用步进电机作为执行器，在控制器的控制下实现对位置的开环控制。
伺服驱动原理介绍
伺服驱动原理介绍伺服驱动是一种控制系统，它通过接收输入信号并输出精确的控制信号，以控制伺服电机或执行器的运动。
伺服驱动被广泛应用于工业自动化、机器人技术、航空航天等领域。
伺服驱动的原理如下：1.反馈系统：伺服驱动中的一个核心组成部分是反馈系统。
这是通过传感器实现的，传感器测量实际运动的位置、速度或力，并将这些数据返回给伺服驱动器。
这些反馈信号与由控制器生成的参考信号进行比较，以确定实际运动与期望运动之间的差异。
2.控制器：控制器是伺服驱动的另一个关键组成部分。
它接收反馈信号和参考信号，并根据差异生成控制信号。
控制器可以是硬件的或软件的，用于执行特定的控制算法，以确保实际运动与期望运动一致。
3.比例-积分-微分控制（PID控制）：PID控制是伺服驱动器中广泛使用的一种控制算法。
它分为三个部分：比例（P）控制、积分（I）控制和微分（D）控制。
比例控制使用反馈与参考之间的误差来生成控制信号，其大小与误差成比例。
积分控制根据误差的累积历史来生成控制信号，从而消除长期误差。
微分控制根据误差的变化速率来生成控制信号，以减少过冲和震荡。
4.驱动器：驱动器是将控制信号转换为实际电机或执行器的动作的关键组成部分。
驱动器根据控制信号的大小和方向，向电机提供适量的电流或压力，以实现期望的运动。
驱动器通常包含功率放大器和电机反向保护等功能，以确保电机的安全运行。
5.反馈环：伺服驱动通常是一个闭环系统，其中反馈信号用于调整控制信号，以弥补实际运动和期望运动之间的差异。
通过反馈环，伺服驱动能够自动校正错误，不断调整控制信号，以使实际运动与期望运动更加接近。
6.传动机构：传动机构将电机的旋转运动转换为所需的线性或旋转运动，以执行相应的任务。
传动机构通常包括齿轮、皮带、螺线管等，通过这些机构，伺服驱动能够将电机的动力和运动传递到被控对象上。
总结起来，伺服驱动的原理是通过反馈系统、控制器、PID控制、驱动器和传动机构等组成部分的协同作用，将输入信号转换为精确的控制信号，并控制电机或执行器的运动，使之达到期望的位置、速度或力的控制目标。
数控机床伺服驱动ppt课件
2．功率放大器 从环形脉冲分配器输出的控制脉
冲信号功率很小，必需经功率放大器 放大后，才干驱动步进电动机运转。 功率放大器有电压型和电流型。电压 100Ω 型又有单电压型、双电压型，电流型 有恒流型、斩波恒流型等。
采用脉冲变压器TI组成的高低压
VT1
功率放大器电路。
输入
当输入端为低电平常，晶体管VTl、 1kΩ VT2、VT3、VT4均截止，电动机绕组W 无电流经过。输入脉冲到来时，输入 端变为高电平，晶体管VTl、VT2、 VT4饱和导通。
困难。
二、开环伺服系统
〔一〕步进电动机 1．步进电动机的任务原理 由转子和定子组成。转子和定子均由带齿
的硅钢片叠成。定子上均布有六个磁极及其绕 组，同不断径上的为一相，共有三相，磁极上 有齿。转子上均匀分布着40个齿，齿与齿槽宽 度相等，齿间角9°。定子与转子齿间角相等。 假设A相齿与转子齿中心线对齐，B相齿相对转 子齿逆时针差1/3齿间角，C相齿相对转子齿逆 时针差2/3齿间角。
第五节 伺服驱动与控制
❖ 一、概述 ❖ 二、开环伺服系统 ❖ 三、闭环与半闭环伺服系统
一、概 述
❖ 定义——数控机床伺服系统属位置随动系统，是以挪动部件的直线或 角位移为控制目的的自动控制系统，它以CNC安装插补输出为指令， 对任务台、主轴箱、刀架等执行部件的坐标轴位移进展控制，最终获 得要求的刀具运动轨迹。因此，数控机床的伺服系统也被称为进给伺 服系统。
+12V
VD4 TI
R VT2 200Ω
VT3 VD3
R VD5 W
VT4
+80V VD2 VD1
18Ω
18Ω 0.1μF
在VT2由截止到饱和导通期间，其集电极电流，即脉冲变压TI的一次 电流急剧添加，在变压器二次侧感生一个电压，使VT3饱和导通，80V的 高压经高压管VT3加到绕组W上，使流过绕组W的电流迅速上升。当VT2进 入稳定形状后，TI一次侧电流恒定，无磁通量变化，二次侧的感应电压 为零，VT3截止，12V低压电源经VDl加到绕组W上，并维持绕组W中的电流。 输入脉冲终了后，晶体管VTl、VT2、VT3、VT4又都截止，储存在W中的能 量经过18Ω的电阻和VD2放电，电阻的作用是减小放电回路的时间常数， 改善电流波形的后沿。该电路由于采用高压驱动，电流增长加快，脉冲 电流的前沿变陡，电动机的动态转矩和运转频率都得到了提高。
伺服驱动原理介绍
伺服驱动原理介绍
伺服驱动系统通常由电机、编码器、控制器和功率放大器组成。
电机是伺服驱动系统的核心部件，常见的电机类型包括直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机。
编码器用来反馈电机的位置、速度和力矩信息，控制器通过处理编码器反馈信号计算出控制电机的指令信号，功率放大器则将控制信号转化为电机所需的电流或电压信号。
伺服驱动系统的工作原理可以分为两个阶段：反馈环节和控制环节。
在反馈环节中，编码器将电机的实际位置、速度和力矩信息反馈给控制器。
编码器通常采用光电、磁性、光栅或霍尔效应等原理来实现位置和速度的测量。
控制器根据编码器的反馈信息与预定的目标位置或速度进行比较，计算出位置误差或速度误差。
在控制环节中，控制器根据位置或速度误差计算出控制电机的指令信号。
控制器通常采用PID控制算法来调整输出信号，PID控制算法通过比例、积分和微分三个环节来实现精确的控制，并根据控制算法计算的输出信号调整功率放大器的输入信号，从而实现对电机的控制。
在伺服驱动系统中，位置控制和速度控制是最常见的应用。
在位置控制中，控制器通过不断调整输出信号，使得电机按照预设的轨迹运行到指定的位置。
在速度控制中，控制器根据编码器的反馈信号调整输出信号，使得电机达到预设的速度。
此外，伺服驱动系统还可以实现力矩控制、加速度控制等功能，根据具体应用需求进行扩展。
伺服驱动系统具有响应快、精度高、稳定性好等特点，能够实现高精度的定位和运动控制。
它不仅广泛应用于自动化生产中，提高了生产效率
和产品质量，还被应用于航空航天、医疗器械、精密仪器等领域。
随着科技的不断进步，伺服驱动技术将会得到更广泛的应用和发展。
伺服驱动基本原理
伺服驱动基本原理
伺服驱动的基本原理是通过对电机的控制，使其输出的转速、转矩等参数能够精确地跟随给定的指令信号。
具体来说，伺服驱动的基本原理包括以下几个方面：
1. 反馈控制：伺服驱动系统通常会配备位置、速度或电流等反馈装置，通过检测电机的实际运动状态，将反馈信号与指令信号进行比较，从而实现闭环控制。
反馈控制能够使系统对外界扰动具有较强的抑制能力，提高系统的稳定性和精度。
2. PID控制：PID控制是伺服驱动中常用的控制算法，它通过比较反馈信号与指令信号的差异，并根据差异的大小调整驱动系统的控制量，使系统快速响应、稳定运行。
PID控制器由比例控制、积分控制和微分控制三个部分组成，根据实际需求和系统特性进行参数调整。
3. 电流控制：伺服驱动系统通常需要控制电机的输出电流，以实现对转矩的控制。
电流控制可以通过PWM（脉宽调制）技术实现，调整PWM信号的占空比来控制电机输出的平均电流。
4. 电机模型：伺服驱动系统需要对电机进行建模，以便在控制过程中准确地预测和调整电机的运动状态。
电机模型一般包括电机的动态特性、转矩-速度曲线等，可以通过实验或者理论计算得到。
通过以上原理的组合和调节，伺服驱动系统能够实现对电机精确的
位置、速度和转矩控制，广泛应用于机械运动控制、自动化设备等领域。
伺服驱动方案
伺服驱动方案在自动控制领域，伺服驱动方案是实现准确位置控制和速度控制的关键技术之一。
伺服驱动方案广泛应用于机械、电子等领域，例如机器人、数控机床、印刷设备等。
1. 什么是伺服驱动伺服驱动是指通过控制电机的转速和位置来实现特定要求的运动控制系统。
伺服驱动系统通常由伺服电机、编码器、控制器和功率放大器等组成。
伺服驱动系统的工作原理如下： 1. 控制器接收来自外部的命令信号，例如位置指令或速度指令。
2. 编码器读取电机轴的当前位置信息并反馈给控制器。
3. 控制器计算出当前位置与目标位置之间的误差，并生成控制信号。
4. 控制信号经过功率放大器放大后，驱动伺服电机实现位置或速度调整。
5. 编码器不断更新电机轴的位置信息，使控制器能够实时调整控制信号，保持电机轴的准确位置。
2. 伺服驱动方案的优势与传统的步进驱动相比，伺服驱动具有以下优势：2.1. 高精度和高速度控制伺服驱动系统通过不断反馈电机轴的运动信息，可以实现高精度的位置和速度控制。
这使得伺服驱动方案适用于对运动精度和速度要求较高的应用，例如机器人操作、精密加工等。
2.2. 更高的扭矩输出伺服驱动系统通常采用了电流控制技术，可以根据负载情况动态调整电机输出的扭矩。
这使得伺服电机在高负载情况下仍能提供稳定的扭矩输出，保证了系统的稳定性和可靠性。
2.3. 更快的响应速度伺服驱动系统的控制器能够实时调整控制信号，使电机能够更快地响应外部的控制指令。
这对于需要快速启停和快速调整的应用非常重要，例如运动控制、自动化系统等。
2.4. 可调整性和灵活性伺服驱动方案通常具有较高的可调整性和灵活性。
通过调整控制器参数和增加反馈环节，可以针对不同的应用进行优化。
这使得伺服驱动方案更加适用于各种特定要求的场景。
3. 伺服驱动的应用领域伺服驱动方案广泛应用于以下领域：3.1. 机器人和自动化系统伺服驱动系统是机器人和自动化系统的核心技术之一。
通过伺服驱动，机器人能够实现高精度的位置和速度控制，从而完成各种复杂的任务，例如装配、搬运、焊接等。
《纺织机电一体化》教学课件—05机电一体化中的执行元件与伺服驱动技术
本章目录
➢ 第一节 伺服控制技术概述 ➢ 第二节 直流电动机及其伺服控制系统 ➢ 第三节 交流电动机及其伺服控制系统 ➢ 第四节 步进电动机及其驱动 ➢ 第五节 液压执行元件及其伺服控制 ➢ 第六节 气压执行元件及其伺服控制 ➢ 第七节 新型电气驱动单元
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执行元件的功能及分类
➢ 执行元件是处于执行机构与电子控制装置接口部位的能量转换部件， 它能在电子控制装置控制下，将输入的各种形式的能量转换为机械能。
第二节 直流电动机及其伺服控制系统
➢ 直流电动机的工作原理
➢ 直流电动机是按通电导线在磁场中受力的原理进行工作的。
➢ 为维持电枢的连续转动，直流电动机上还需要设置为电枢电流换向的
装置。普通直流电动机的换向是依靠电刷来完成的，电枢线圈的两端
接在换向片上，换向片通过电刷与外部直流电源接通使工作在一定位
➢ T——电动机的输出转矩。
➢ 机械特性表示直流电机工作转速主要取决于电枢线圈电压，在某一电 源电压下，随着负载转矩的增大，因为电枢线圈中电流的增加加大了 线圈电阻上的压降，使电机的转速下降，这种现象在工程上称为动力 源特性的“硬”、“软”。线圈电阻越小，电机的机械特性越硬。
➢ 功率密度和比功率大。 ➢ 快速性好，即加速转矩大。 ➢ 频响特性好。 ➢ 位置控制精度高。 ➢ 调速范围宽。 ➢ 低速运行平稳，无爬行现象。 ➢ 分辨率高，振动噪声小。 ➢ 适应频繁起停的工作要求。 ➢ 运行可靠，且易于计算机控制。
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第一节 伺服控制技术概述
➢ “伺服” 来源于Servo的音译，伺服运动控制系统是一种 能够跟踪输入指令信号进行动作，从而获得精确的位置、 速度及动力输出的自动控制系统。
➢ 反馈环节在闭环运动伺服控制系统中起着十分重要的作用。应用反馈 后，便形成了从输入、系统、输出、测量、比较误差再到输入的一个 环路，因而也构成了一个包含原系统在内的一个新的闭环系统。这种 构成的关键问题是新闭环系统的稳定性和动态特性。
第五章伺服驱动技术
5.4 直流伺服驱动系统
观看有关伺服电机控制的视频，考虑其主要突出 了电机控制的哪些特性。
5.4 直流伺服驱动系统 五、直流伺服电机产品
图28 85系列直流伺服电机技术参数
5.4 直流伺服驱动系统
图29 直流伺服驱动器MLDS3810
5.4 直流伺服驱动系统
表4（续表） 直流伺服驱动器技术参数
5.4 直流伺服驱动系统
表4（续表） 直流伺服驱动器技术参数
5.4 直流伺服驱动系统
图30 直流伺服驱动器的接口电路
5.2 常用控制用电动机
一、对控制用电动机的基本要求
(1) 性能密度大 功率密度 PG P / G
比功率 dp / dt d(T) / dt TNd / dt |TTN TN TN2 / Jm
(2) 快速性好，即加速转矩大，频率响应特性好。 (3) 位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳且无爬 行现象、分辨率高、振动噪声小。
5.4 直流伺服驱动系统
对直流伺服电机的要求是：从伺服电机所获得的转速n应 当正比于所施加的电压u(t)，以便使得直流电机的速度可 按照期望值来调节。
图21 直流伺服电机工作原理
5.4 直流伺服驱动系统
转子旋转速度与电枢电压、电流、定子磁场中的每极气 隙磁通量有关，即
K1(ua ia RA )
电角度 e 才能重新稳定下来，此时转子
上的电磁转矩T j 与负载转矩 TL相等，该
电磁转矩为静态转矩， e为失调角。
e
5.3 步进驱动式系统
静态转矩越大，自锁力矩
越大，静态误差就越小。 当失调角在-π到π的范围内， 若去掉负载转矩 ，T转L 子 仍能回到初始稳定平衡位
第15讲 伺服驱动技术5
伺服驱动技术
②永磁式步进电动机 永磁式步进电动机一般为两相，转矩和体积较小 ，步进角一般为7.5°或15°。永磁式步进电动机输出 力矩大，动态性能好，但步距角大。
伺服驱动技术
③ 混合式步进电动机 混合式步进电动机综合了反应式步进电动机和永磁
式步进电动机的优点，它的步距角小，出力大，动态性
能好，是目前性能最高的步进电动机。它又分为两相和 五相：两相步进角一般为1.8°，五相步进角一般为 0.72°。这种步进电动机的应用最为广泛。
五、步进电动机及其驱动控制方式
2.步进电动机的工作原理
定子的通电方式： 单相轮流通电（M相M拍）
顺时针轮回 A→B→C→A
逆时针轮回 A→C→B→A
伺服驱动技术
定子通电顺序： A→B→C→A 转子旋转方向： 顺时针 步距角：
θb = 60°
转子齿数2
伺服驱动技术
定子通电顺序：
A→C→B→A
转子旋转方向：
机电一体化系统
同学们:今天我们来学习机电一体化系统课 程中伺服驱动技术这部分内容。上一讲,我
们讲述了伺服驱动技术的第四点：交流伺
服系统组成及其控制方式,接下来我们讲第 五点：步进电动机及其驱动控制方式。
五、步进电动机及其驱动控制方式
1.步进电动机的结构
（1）步进电动机的定义
步进电动机是一种将电脉冲信号 转换成机械位移的机电执行元件。每 来一个电脉冲，步进电机转动一定角 度，带动机械移动一小段距离。
主要由脉冲分配器和功率放大电 路组成。
伺服驱动技术
步进电动机驱动电路框图
五、步进电动机及其驱动控制方式
3.步进电动机驱动控制方式
（2）步进电动机的脉冲分配器
步进电动机的脉冲分配器可由硬 件或软件方法来实现。
伺服驱动原理
伺服驱动原理嘿，你有没有想过那些自动化设备、精密机床或者机器人，它们怎么就能那么精准地运动呢？这可就不得不提到伺服驱动这个神奇的东西啦。
我有个朋友叫小李，他在一家工厂里上班，整天就和那些自动化设备打交道。
有一次我去他那儿参观，看到那些机械臂有条不紊地搬运东西，动作精准得吓人。
我就好奇地问他：“小李啊，这玩意儿咋就能这么听话呢？”小李嘿嘿一笑，说：“这可多亏了伺服驱动呢，它就像是这些机器设备的大脑，指挥着它们该怎么动。
”那伺服驱动到底是啥原理呢？咱先得知道，伺服驱动是一种控制系统。
你可以把它想象成一个超级严格的教练，那些被控制的电机啊、执行机构啥的就像是运动员。
这个“教练”的任务就是让“运动员”准确无误地完成规定动作。
就比如说在数控机床里，伺服驱动系统要控制刀具的移动。
它就像是一个眼睛特别尖的领航员。
它知道目标位置在哪儿，就像领航员知道目的地一样。
然后它会根据各种信息，精确地计算出电机应该转多少圈，转多快。
这就好比领航员根据风向、水流等因素，告诉舵手应该怎么掌舵。
这里面有个关键的部分，就是反馈。
伺服驱动可不是那种只下命令不管结果的主儿。
它会时刻盯着电机或者执行机构的动作，看看是不是按照它的要求来的。
这反馈就像是一场对话。
电机就像个听话的小弟，时不时地向伺服驱动这个大哥汇报：“大哥，我已经转到这个位置啦。
”伺服驱动呢，就会根据这个汇报来调整自己的指令。
要是电机转得慢了，伺服驱动就会像个着急的教练一样喊：“嘿，加快速度！”要是转得太快了，又会说：“慢点儿，别过头了！”我再给你打个更形象的比喻吧。
伺服驱动就像是一个超级细心的厨师，那些电机和执行机构就是他做菜的工具。
厨师要按照菜谱做出一道完美的菜，他得精确地控制火候、调料的用量、翻炒的力度等等。
伺服驱动也是一样，它要精确地控制电机的转速、转矩、位置等参数，这样才能做出一道“完美的菜”，也就是让设备精准地完成任务。
再说说伺服驱动里面的一些具体元件吧。
有编码器，这东西可厉害着呢。
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缺点：相对于交流电机，结构复杂，价格较高。
二、直流电机的结构原理
通过电刷和换向器产生的整流作用，使磁场磁动势和电 枢电流磁动势正交，从而产生转矩。电机结构是由磁极、 电枢绕组、电刷和换向器组成的。
5.4 直流伺服驱动系统
对直流伺服电机的要求是：从伺服电机所获得的转速n应 当正比于所施加的电压u(t)，以便使得直流电机的速度可 按照期望值来调节。
图23 电枢控制式直流电机系统方框图
5.4 直流伺服驱动系统
当忽略电枢电感和粘性阻尼系数时
1/ K e ( s) U a ( s) m s 1
(9)
Ra J m Ke Kt
(10)
Ra U Td ( s) T d ( s) Kt
图24 简化后的电机速度系统方框图
直流伺服电机过渡过程的快慢，即响应时间的快慢，取 决于电机的机电时间常数。
5.2 常用控制用电动机 二、控制用电动机的特点及选用
表1 常用电动机适用范围
5.2 常用控制用电动机
表2 伺服电动机的特点及应用
第五章 伺服驱动技术
5.3 步进式驱动系统
一、步进电动机的特点与种类
1、步进电动机的特点 电脉冲信号 数量、频率以及电动 机绕组的通电顺序 机械角位移 转角、转速及转向
表3 功率放大器性能和应用比较
晶体管电路的电机速度调节范围在闭环下可达1:(1000～10000) SCR控制通常做到1:(5~10)（半波）、1:(20~30)（全波）
5.4 直流伺服驱动系统
图27 直流伺服电机的控制方式
5.4 直流伺服驱动系统 五、直流伺服电机产品
图28 85系列直流伺服电机技术参数
图9 失调角示意图
e
5.3 步进驱动式系统
静态转矩越大，自锁力矩 越大，静态误差就越小。 当失调角在-π到π的范围内， TL 若去掉负载转矩 ，转子 仍能回到初始稳定平衡位 置。因此， 的区 e 域称为步进电动机的静态 稳定区。
图10 矩—角特性曲线
5.3 步进驱动式系统
图21 直流伺服电机工作原理
5.4 直流伺服驱动系统
转子旋转速度与电枢电压、电流、定子磁场中的每极气 隙磁通量有关，即
K1 (ua ia RA )
(1)
K1ua
当忽略电枢绕组上的压降
(2)
图22 电枢电压控制时的电枢等效电路
5.4 直流伺服驱动系统 三、直流电机的数学模型
电压平衡方程： u a (t ) Ra ia (t ) La
5.2 常用控制用电动机 一、对控制用电动机的基本要求
(1) 性能密度大
功率密度 PG P / G
2 比功率 dp / dt d(T) / dt TN d / dt |T TN TN TN / Jm
(2) 快速性好，即加速转矩大，频率响应特性好。
(3) 位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳且无爬 行现象、分辨率高、振动噪声小。 (4) 适应起、停频繁的工作要求。 (5) 可靠性高、寿命长。
3、动态特性
步进电动机从A相通电状态切换到B相(或AB相)通电状态时，不 致引起丢步，该区域被称为动态稳定区。
图11 矩—角特性曲线族
5.3 步进驱动式系统
矩—角特性曲线中相邻两相曲线的交点所对应的转矩被称为起动转矩， 它表示步进电动机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。 步进电动机在连续运行时所能接受的最高控制频率。 电动机在连续运行状态下，其电磁转矩随控制频率的升高而逐步下降， 在不同控制频率下电动机所产生的转矩称为动态转矩 。 在空载状态下，转子从静止状态能够不失步地起动时的最大控制频率。 步进电动机带动惯性负载时的起动频率与负载转动惯量之间的关系。
5.4 直流伺服驱动系统
观看有关伺服电机控制的视频，考虑其主要突出 了电机控制的哪些特性。
PWM
利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电 压脉冲序列。 控制电压脉冲宽度或周期，以达到变压的目的。 控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期，以达到变压变频 目的。
PFM 固定导通角而变化重复频率。 SCR
采用整流交流电源电压的形式。
5.4 直流伺服驱动系统
图26 PWM和PFM原理
5.4 直流伺服驱动系统
Kt ( s) U a ( s) La Js 2 ( La B Ra J ) s Ra B K e K t
(8)
5.4 直流伺服驱动系统
U a ( s ) Ra I a ( s ) La sI a ( s) Ea ( s ) E a ( s ) K e ( s ) T (s) K t I a (s) T ( s ) Js( s ) B( s ) Td ( s )
5.3 步进驱动式系统 四、步进电动机的驱动
驱动器（驱动电源）是将变频信号源（微机或数控装置等） 送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动循环地 提供给步进电动机的各相绕组。
1、环形脉冲分配器
使步进电动机绕组的通电顺序按一定规律变化的装置称为 脉冲分配器。
通过查表或计算方法来进行脉冲的环形分配。 三相六拍通电方式：A→AB→B→BC→C→CA→A
闭环伺服系统
直接从运行执行部件上进行位置检测，控制精度不受机械传动精度 的影响，机械系统的动态参数给伺服系统的稳定性带来一定的困难。
5.1 概述
稳定性 高精度
抗干扰，稳定性判断 定位精度、综合精度
快速性
关键在于执行元件的快速性
第五章 伺服驱动技术
5.2 常用控制用电动机
包含力矩电动机、脉冲（步进）电动机、变频调速电动机、 开关磁阻电动机和各种AC/DC电动机等。
K 为拍数/相数。
5.3 步进驱动式系统 三、步进电动机的运行特性
1、分辨力 2、静态特性
转子齿的中心线与定子齿的中心线相重 合，转子上没有转矩输出，此时的位置 为转子初始稳定平衡位置。如果在电动 机转子轴上加一负载转矩 TL ，则转子齿 的中心线与定子齿的中心线将错过一个 电角度e 才能重新稳定下来，此时转子 上的电磁转矩 T j 与负载转矩 TL 相等，该 e为失调角。 电磁转矩为静态转矩，
5.3 步进驱动式系统 3、细分驱动
在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切除， 而是将额定电流以阶梯式的投入或切除，电流分成多少个阶 梯，则转子就以同样的个数转过一个步距角。
图18 细分电流波形
使绕组中的电流以若干个等幅等宽度阶梯上升到额定值， 并以同样的阶梯从额定值下降为零。
5.3 步进驱动式系统
5.3 步进驱动式系统
转子上嵌有永久磁铁，永久磁铁两端罩上两段帽式铁心。 定子相数和绕组接线方面有其特殊的地方。
图6 混合型步进电机
5.3 步进驱动式系统 二、步进电动机的工作原理
A→B→C→A
AB→BC→CA→AB
图7 三相反应式步进电机的工作原理
5.3 步进驱动式系统
A→AB→B→BC→C→CA→A
状态代码：01H、03H、02H、06H、04H、05H
5.3 步进驱动式系统
三相六拍接线
图12 专用环形分配器CH250接线图
5.3 步进驱动式系统 2、功率放大器
脉冲信号电流 （几个毫安） 电机驱动电流 （几至十几安培 ）
绕组通电时，电流上升率受到限制； 在绕组断电时会产生反电动势。 电压型 双电压型（高低压型） 电流型 恒流驱动 单电压型
第五章 伺服驱动技术 5.1 概述 5.2 常用控制用电动机 5.3 步进式驱动系统 5.4 直流伺服驱动系统
第五章 伺服驱动技术
5.1 概述
机械装置所需的运动和动力，最终都来自于伺服驱动系统。 基本要求：运动输出量能迅速而精确地响应指令输入的变化。
图1 伺服系统的基本组成
5.1 概述
图2 不同执行元件的伺服系统
图8 三相六拍反应式步进电机的工作原理
5.3 步进驱动式系统
定子磁极上的小齿和转子磁极上的小齿大小相同，两种小 齿的齿宽和齿距相等。当一相定子磁极的小齿与转子的小 齿对齐时，其他两相磁极的小齿都与转子的小齿错过一个 角度。
360 /( zm)
m KN
z 为转子齿数， N 为电动机的相数，
dia (t ) Ea (t ) dt
(3)
感应电动势方程： Ea (t ) K e
电磁转矩方程： T (t ) Kt ia (t )
d (t ) B (t ) Td (t ) dt
(4)
(5)
转矩平衡方程： T (t ) J
(6)
5.4 直流伺服驱动系统
进行拉普拉斯变换可得：
5.4 直流伺服驱动系统 四、直流电机的驱动技术
伺服电机功率的驱动放大是伺服系统的心脏，它用来转换 电功率并驱动伺服电机运动。 线性放大器 晶体管功 率放大器 脉宽调制(PWM) 开关型放大器 脉冲频率调制(PFM)
可控硅整流(SCR)
5.4 直流伺服驱动系统
图25 开关型放大器的电压波形
5.4 直流伺服驱动系统
5.4 直流伺服驱动系统
图29 直流伺服驱动器MLDS3810
5.4 直流伺服驱动系统
表4 直流伺服驱动器技术参数
5.4 直流伺服驱动系统
表4（续表） 直流伺服驱动器技术参数
5.4 直流伺服驱动系统
表4（续表） 直流伺服驱动器技术参数
5.4 直流伺服驱动系统
图30 直流伺服驱动器的接口电路
(1) 工作状态不易受各种干扰因素的影响。
(2) 步距角有误差，但不会长期积累。 (3) 在起动、停止、反转时不易“丢步”。
5.3 步进驱动式系统
2、步进电动机的种类 定子1与转子2由铁心 构成，没有永久磁铁
转子2采用永久磁铁、定 子1采用软磁钢制成，绕 组3轮流通电。