《机电一体化系统设计》第4章_伺服系统设计

2）、调节特性
Ua Ra n T 2 m K E K E KT Ra n0 T 2 m K E KT
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，

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。
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。
半闭回路
位置控制 控制器 （ＮＣ装置） 伺服
驱动器 编码器
伺服马达
全闭合回路
丝性标尺 位置控制 控制器 （ＮＣ装置）
伺服驱动器
编码器
伺服马达
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。
励磁绕组
杯形转子
交流伺服电动机结构图
4.2.2 交流伺服电动机
转子 (1) 笼型转子 铁芯槽内放铜条,端 部用短路环形成一体, 或铸铝形成转子绕组。
转 子
定子
壳体
笼型转子
(2) 杯型转子 薄壁园筒形，放于内外定 子之间。一般壁厚为0.3mm
杯型转子
2 交流异步伺服电动机的工作原理
异步电动机的转动原理
1．晶闸管调速系统 常用于大功率及要求不很高的直流伺服电机调速控制。
主要内容
U*n
+
US -
I*n 主要内容 速度 调节器 + In -
电流 调节器
触发脉冲 发生器 电流反馈 速度反馈
可控硅
Un
电流检测 编码器
电机
速度环：速度调节，作用：好的静态、动态特性。
控制 回路 电流环：电流调节，作用：系统快速性、稳定性改善。 触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移 或后移。 主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。
U
脉宽 脉宽
脉宽 脉宽
平均直流电压
周期不变 周期不变
ωt
7.3 直流伺服电机及其速度控制 脉宽调制（PWM）系统组成：
三相交流电 主要内容
振荡器
整流
速 度 指 令
U△
速度 调节器
电流 调节器
Usr
脉宽 调制
USC
基极 驱动
Ub
M 功 放
电流反馈 速度反馈
控制回路： 速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三 角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。
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
交流伺服电机
伺服电机
直流伺服电机
杯形转子
4.2.1、 Bil
B
——磁场的磁感应强度 (Wb / m ——导体中的电流 ( A)
2
)
l ——导体的有效长度 (m)
i
直流电机原理
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。
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
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：
7.3 直流伺服电机及其速度控制
主回路由大功率晶闸管构成的三相全控桥式反并接可逆电 路，分成二大部分（ Ⅰ和 Ⅱ ），每部分内按三相桥式连 接，二组反并接，分别实现正转 和反转。
Ⅰ
1 3 5 8
Ⅱ
12 10
KM
UD
A B
-
UM KM
M
+
C
4
6
2
7
9
11
各有一个可控硅同时导通，形成回路。
7.3 直流伺服电机及其速度控制
需对直流电压的大小和方向进行控制 主要内容
直流伺服电机速度控制单元的作用：将转速指令信号转 换成电枢的电压值，达到速度调节的目的。
直流电机速度控制单元常采用的调速方法： 1.晶闸管（可控硅）调速系统 2.晶体管脉宽调制（PWM Pulse Width Modulated ） 调速系统。
7.3 直流伺服电机及其速度控制
Ua Ra n T K e K e 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； n 调节平滑性差，操作费力。 主要内容 n0
2 1
U aN U a1 U a2 U aN>U a1 > U a2 T
01
0N
N
ΦN>Φ1>Φ2 O TN T
N
7.3 直流伺服电机及其速度控制
（3）调节电枢电压：（调压调速）时，直流电机机 械特性为一组平行线，只改变电机的理想转速 n0 ， 主要内容 保持了原有较硬的机械特性，所以调压调速主要用于 伺服进给驱动系统电机的调速
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
主磁极
机壳 瓦状永磁材料（定子） 换向极 定子 转子
电枢（转子） 极靴
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） 电磁转矩由下式表示:
原理：以三角波发生器为例介绍
全数字式PWM
4.2.2 交流伺服电动机
驱动器 交流伺服 电动机
交流伺服电机系统
1 特点、类型、结构
直流伺服电机的缺点： ◆ 它的电刷和换向器易磨损； ◆ 电机最高转速的限制，应用环境的限制； ◆ 结构复杂，制造困难，成本高。 交流伺服电机的优点： ◆ 动态响应好； ◆ 输出功率大、转速高； ◆ 结构坚固，易维护。 交流伺服电机形式： ◆ 同步交流伺服电机； ◆ 异步交流伺服电机。
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。
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。 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。
根据以上各式可以求得： U Ra n a T K e K e KT
(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
Ua Ra n T 2 m K E K E KT Ra n0 T 2 m K E KT
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。
当磁铁旋转时，在空间形成一个旋转磁场。假设永久磁铁是 顺时纠方向以n0的转速旋转，那末它的磁力线也就以顺时针方 向切割转子导条，在转子导条中就产生感应电势。根据右手定 则，N极下导条的感应电势方向垂直地从纸面出来。而S极下导 条的感应电势方向垂直地进入纸面。由于鼠笼转子的导条都是 通过短路环连接起来的，因此在感应电势的作用下，在转子导 条中就会有电流流过，电流有功分量的方向和感应电势方向相 同。再根据通电导体在磁场中受力原理，转子载流导条又要与 磁场相互作用产生电磁力，这个电磁力F作用在转子上，并对转 轴形成电磁转矩。根据左手定则，转矩方向与磁铁转动的方向 是一致的，也是顺时针方向。因此，鼠笼转子便在电磁转矩作 用下顺着磁铁旋转的方向转动起来。
结构
交流电机
交流电机电 源线
交流伺服电动机的主 体结构与一台两相交 流异步电机的结构基 本一致。也主要由定 子与转子两在部分组 成。
编码器 编码器信号 输出线
定子 交流伺服电动机主体就是一台两相交流异步电 机。它的定子上装有空间互差90的两个绕组：励磁 绕组和控制绕组，其结构如图所示。
控制绕组 内定子
Ua Ra n T 2 m K E K E KT Ra n0 T 2 m K E KT
R0
R1 R2 T
7.3 直流伺服电机及其速度控制
（2）调节磁通（调磁调速）不但改变了电机的理 想转速，而且使直流电机机械特性变软
主要内容
n Δn
N
n n n
02
Φ2 Φ1 ΦN n n n
如果 Δ n 值较大，不可能实现 n 宽范围的调速。永磁式直流 伺服电机的 Δ n 值较小，因此， n 进给系统常采用永磁式直流 n 电机。
Δn n n n O
N
0N
01
N
U aN U a1 U a2 U aN>U a1 > U a2
Δ n 为负载转速与理想空载转 速的转速差。
n
02
1
2
T
N
T
直流伺服电机速度控制单元
TM KT Ia
Ua Ia Ra Ea
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:
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）。
区别： 与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节 器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。
7.3 直流伺服电机及其速度控制 脉宽调制器
作用：将电压量转换成可由控制信号调节的矩形脉冲，为 功率晶体管的基极提供一个宽度可由速度指令信号调节的 脉宽电压。
组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放 大器。
6
⑥
b
1
3
ωt
ωt
ωt
ωt
60°
7.3 直流伺服电机及其速度控制 2．PWM调速控制系统
利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频 率的方波电压，加到直流电动机的电枢上；通过调整控制 主要内容 方波脉冲宽度来改变电枢的平均电压，从而调节电机的转 速。 控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。 广泛 应用中、小功率直流伺服系统。
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
开回路
位置控制 控制器 （ＮＣ装置）
u 只要改变可控 c a) 硅触发角（即改变 导通角），就能改 变可控硅的整流输 u 出电压，从而改变 b) 直流伺服电机的转 速。 c) 触发脉冲提前， 增大整流输出电压； d) 5 触发脉冲延后，减 小整流输出电压。 6 α
1 a 3 b 5 c a b
ωt
b ① 1 120° 2 60° 120° 180° 1 60° 6 2 2 4 4 6 6 2 2 4 1 3 3 5 5 1 1 3 3 4 6 2 4 2 ② c ③ 3 4 ④ 5 a ⑤