《机电一体化系统设计》第4章伺服系统设计PPT课件

半闭回路
伺服 驱动器
编码器
伺服马达
全闭合回路
位置控制 控制器 （ＮＣ装置）
伺服驱动器
编码器
伺服马达
丝性标尺
4.1.2、伺服系统的分类
1.电气伺服系统
高精度、高速度、高可靠行、易控制。但承载能力 有限，设计较复杂。
2.液压伺服系统
功率大、控制性好、维修方便。但快速响应性不好， 稳定性较差。
2.气压伺服系统
成本低、清洁安全、结构简单、维修方便。但控制稳定性差， 输出功率和力较小，体积大
4.2 伺服系统执行元件及其控制
1. 电气执行元件 电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（AC）伺服电
机、步进电机等，是最常用的执行元件。对伺服电机除了 要求运转平稳以外，一般还要求动态性能好，适合于频繁 使用，便于维修等 2．液压式执行元件 液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、 液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况 下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点 3．气压式执行元件 气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液 压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动 力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩 性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。
Tm
n0
Ra K E KT 2
Tm
R0 R1 R2
T
7.3 直流伺服电机及其速度控制
(转速公式)
1）、机械特性
直流电机转速随转矩（负载）变化的关系n=f(T)称机械 特性
n
Ua KE
Ra K E KT 2
Tm
n0
Ra K E KT 2
Tm
反映转速随转矩变化的程度，斜率越大，转速随负载变化大，机械 特性软；反之（转矩对转速变化的影响程度越小），机械特性越硬。
从公式可看出机械特性硬度与Ra有关， Ra越小，电机机械特性越 硬。实际控制中，伺服电机需外接放大电路，这就引入了放大电路 内阻，使机械特性变软，在设计时应注意。
松下交流伺服电机及驱动器
安川伺服电机驱动器
伺服电机的分类
鼠笼转子
伺服电机
交流伺服电机 杯形转子
直流伺服电机
4.2.1、直流伺服电动机
1、直流电动机工作原理、分类和结构
安培定律 F Bil
B ——磁场的磁感应强度(Wb / m2 )
i ——导体中的Leabharlann Baidu流 ( A )
l ——导体的有效长度( m )
2）、调节特性
n
Ua KE
Ra K E KT 2
Tm
n0
Ra K E KT 2
Tm
由图可知：空载时，起动电压为0. 当负载为TL1时，电机的起动电压为Ua1 当负载为TL2时，电机的起动电压为Ua2
3）、动态特性
4）、直流伺服电机的速度控制
由转速公式可得，
nUa Ra T Ke Ke KT
直流电机的基本调速方式有三种: （1）调节电阻Ra、 （2）调节磁通Φ的值 （3）调节电枢电压Ua
7.3 直流伺服电机及其速度控制
（1）电枢电阻调速：很少采用，缺点：
不经济：要得到低速，R很大，则消耗大量电能；
低速，特性很软，运转稳定性很差； 调节平滑性差，操作费力。nn主0 要内容
n
Ua KE
Ra K E KT 2
数控系统
伺服系统的基本要求
对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速 响应性。
稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统 能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指 令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态 的能力。
精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是 指其输出量复现输入指令信号的精确程度。
伺服系统应用举例
机械手手臂伸缩运动的电液伺服系统。
1－电放大器 2－电液伺服阀 3－液压缸 4－机械手手臂 5－齿轮齿条机构 6－电位器 7－步进电机
例：数控机床伺服系统，
由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样， 也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分 组成。
系统需不断检测被控对象输出的变化，与给定值 比较，对被控对象进行自动调节，以消除偏差。
快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项 重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动 态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的 迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。
4.1.2、伺服系统的分类
按被控量的不同可以将伺服系统分为位置 伺服系统、速度伺服系统，其中最常见的 是位置伺服系统 ；
按照控制方式，可将伺服系统分为开环、 闭环、半闭环系统 。
根据执行器使用的动力源，可以将伺服系 统分为电气伺服系统、液压伺服系统和气 压伺服系统等几种类型
位置控制 控制器 （ＮＣ装置）
开回路
步进 驱动器
步进马达
一方向指令
开回路 没有反馈、只能进行一个方向的控制。
使用步进马达。
位置控制 控制器 （ＮＣ装置）
电磁转矩由下式表示:
TMKTIa
KT —转矩常数； Φ—磁场磁通；Ia —电枢电流；TM —电磁
转矩。电枢回路的电压平衡方程式为:
U aIaR aE a
Ua─ 电枢上的外加电压；Ra─ 电枢电阻；Ea─ 电枢反电势。
电枢反电势与转速之间有以下关系：
Ea Ke
Ke─电势常数；n─电机转速（角速度）。
根据以上各式可以求得： nUa Ra T Ke Ke KT
4.2 伺服系统执行元件及其控制
一、直流伺服电机及控制 二、交流伺服电机及控制 三、步进电机及控制
伺服电动机典型生产厂家
德国西门子，产品外形有：
伺服电机
伺服电机驱动器
伺服电动机典型生产厂家
美国科尔摩根，产品外形有：
伺服电机
伺服电机驱动器
伺服电动机典型生产厂家
日本松下及安川，产品外形有：
第四章 伺服系统设计
4.1、伺服系统概念
伺服系统，也称为随动系统，是一种能够 及时跟踪输入给定信号并产生动作，从而 获得精确的位置、速度等输出的自动控制 系统。
整体概况
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概况2
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概况3
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直流电机原理
直流电机的励磁方式
励磁概念：由电流激励出磁场的过程叫做励磁。
他励
并励
串励
直流伺服电机的结构
机壳 极靴
瓦状永磁材料（定子） 电枢（转子）
换向极
主磁极 定子 转子
线圈
图6.5永磁直流伺服电机的结构
图6.6励磁式直流伺服电机结构示意图
2、直流电机的静态特性
1. 静态特性（电压相对稳定）