伺服驱动系统概述
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伺服驱动系统概述
• 1.1 伺服系统的一般组成 • 1.2 伺服系统的分类及特点 • 1.3 机电系统对伺服系统的要求 • 1.4 伺服系统中常用控制用电动
机概述
• 1.1 伺服系统
伺服(servo) 就是在控制指令的作用 下，控制驱动元件，使机械的运动部件 按照指令的要求进行运动，并满足一定 的技术性能指标。
式 操作技术人员熟练
于CPU相接，响应快
泄漏且有污染
2.按控制原理分类
伺服系统根据控制原理，即根据有 无检测环节及其检测部件，可分为开环、 半闭环和闭环三种基本的控制方式。
• 开环式伺服系统
• 没有检测环节的伺服系统。
• 执行元件一般是步进电机或电液脉冲马达。
• 由于没有检测元件，因此，开环式伺服系 统的精度较低，一般可达(0.01～0.03)mm。
气 空气压力源的压力为（5～ 气源方便、低成本；无泄漏 够平稳；不易小型化；远
压
7）X10^5Pa，要求操作技
污染；速度快、操作比较简 距离传输困难；工作噪声
式 术人员熟练
单
大、难于伺服
设备难以小型化；液压源
液 液压压力源的压力为
输出功率大，速度快，动作
液压油（杂质、温度、油
压 （20～80）X10^5Pa，要求 平稳，可实现定位伺服；易 量、质量）要求严格；易
2. 快速性 在机电一体化产品中，起控制作用的微
机运算速度大大高于机械部分的运行速度， 故系统的实际响应速度就取决于机械部分 的响应速度。提高伺服系统的响应速度可 以提高运动精度及跟踪性能，提高整个系 统的响应速度。
3. 高精度
伺服系统的精度指标有两个：其一是
定位精度，其二是综合精度。
定位精度是指机械部件由某点移动到 另一点时，指令值与实际移动距离的最大差 值，它主要是由伺服系统的稳态精度决定的。
全闭环方式
• 是直接从机床的移动部件上进行位置检测的，因 此它的控制精度不受机械传动相应的影响。全闭 环伺服系统的精度高，一般可达(0.001～ 0.003)mm。
• 全闭环的环路中不仅有电机，还包括机械传动机 构，机械系统的动态参数是非常复杂的，它不仅 与部件的刚性和惯量有关，而且还与静压阻尼、 油的粘度、滑动面的摩擦特性等因素有关，尤其 是这些参数在不同的条件下经常变化，给伺服系 统的稳定性带来一定的困难。
综合精度受到许多因素的影响，既受到 测量装置、机械部件的几何尺寸、装配间隙 等硬件部分固有误差的影响，又受到控制算 法、运算误差等软件质量的影响。
• 半闭环方式和全闭环方式两种。
半闭环方式 • 是从电机轴上进行检测(或者从传动链中间
轴上进行检测)。 • 因此它能有效地控制电机的转速和电机的角
位移，然后通过滚珠丝杠之类的传动机构， 把它转换成工作台或其它移动部件的直线位 移。 • 如果丝杠的精度高、间隙小，伺服精度是可 以保证的。 • 半闭环方式的优点是环路短、刚度好、间隙 小，即机械系统的非线性因素对系统的稳定 性影响较小，因此稳定性好。 • 缺点是如果机械传动部分误差过大且误差值 又不稳定，那么就难以补偿。
• 结构简单、成本低、调整和维修方便、工 作可靠，如在简易数控机床、线切割机、 绘图仪、电子表等设备中。
• 闭环控制系统 • 它装有各种各样的检测元件。 • 使用不同的反馈方式。检测元件将被控
量(位置、速度等)检测出来，形成与输入 指令能比较的信号，形成误差值。
• 用此误差来控制伺服机构向着消除误差 的方向运转，最终达到输出等于输入。
• 全闭环方式主要应用于精度和速度较高的精密和 大型机电一体化设备。
图5-3 伺服系统的控制原理类型
1.3 机电系统对伺服系统的要求 1. 稳定性
稳定性是一个系统正常工作的先决 条件，同时又是系统动作保持一致性的 重要条件。为了保证系统的运动精度， 要求伺服系统在工作过程中尽量减小受 负载变化和电压波动等各种因素的干扰 所造成的影响。
电磁式
电动机 电 磁 铁及 其 它
交 流 (AC)伺 服 电 动 机 直 流 (DC)伺 服 电 动 机
执
液压式
行
元
件
气压式
油缸 液 压 马达 气缸 气 压 马达
步 进 电机 其 它 电机 双 金 属片
形 状 记忆 合 金
其它
与 材 料有 关
图 执行元件的种类
压 电 元件
表 执行元件的特点及优缺点
伺服系统是以机械参数(位移、速度、 加速度、力和力矩等)作为被控量的一种自 动控制系统。
按结定值的变化情况可划分为:定值控 制系统、随动控制系统和程序控制系统。
如CNC机床工作台的控制系统，雷达 跟踪控制系统，机械手的运动控制系统 等都是典型伺服系统的例子。
一般形式的伺服系统部可描述为图5-1所示的形式。
种 特点
类
优点
缺点
可使用商用电源；信号与 操作简便；编程容易；能实 瞬时输出功率大；过载差，
电
动力的传送方向相同；有 现定位伺服；响应快、易与 特别是由于某种原因卡住
气
式 交流与直流之别，应注意 CPU相接；体积小、动力较 时，会引起烧毁事故，易
电压之大小
大，无污染
受外部噪声影响
功率小，体积百度文库；动作不
• 液压式伺服系统
动态响应范围较宽(1Hz～1kHz)，且可 输出很大的功率，但其泄漏会造成场地污 染，还要附带油箱、油泵等油源设备，比 较笨重，成本高，常用于大功率高频响应 场合。
• 电气式伺服系统
频响范围大，功率输出为中小范围，控 制灵活，成本低，且根据不同的技术要求 可以选择不同类型的伺服电机，随着电机 技术和电力电子技术的发展，电气式伺服 系统可输出的功率也越来越大，因此它广 泛用于各种机电一体化设备
输入指令 比较
调节
执行
被控
输出量
元件
元件
元件
对象
测量、反馈元 件
图 伺服系统的一般组成
1.2 伺服系统的分类及特点 • 1. 按执行元件分类
根据执行元件的不同，伺服系统可 分为电气式、液压式和气压式伺服系统， 它们各有其特点和应用范围。
气压式伺服系统
能适应很宽的功率范围，但其频响 很低，通常用于频响要求不高且控制精 度较低的场合。
• 1.1 伺服系统的一般组成 • 1.2 伺服系统的分类及特点 • 1.3 机电系统对伺服系统的要求 • 1.4 伺服系统中常用控制用电动
机概述
• 1.1 伺服系统
伺服(servo) 就是在控制指令的作用 下，控制驱动元件，使机械的运动部件 按照指令的要求进行运动，并满足一定 的技术性能指标。
式 操作技术人员熟练
于CPU相接，响应快
泄漏且有污染
2.按控制原理分类
伺服系统根据控制原理，即根据有 无检测环节及其检测部件，可分为开环、 半闭环和闭环三种基本的控制方式。
• 开环式伺服系统
• 没有检测环节的伺服系统。
• 执行元件一般是步进电机或电液脉冲马达。
• 由于没有检测元件，因此，开环式伺服系 统的精度较低，一般可达(0.01～0.03)mm。
气 空气压力源的压力为（5～ 气源方便、低成本；无泄漏 够平稳；不易小型化；远
压
7）X10^5Pa，要求操作技
污染；速度快、操作比较简 距离传输困难；工作噪声
式 术人员熟练
单
大、难于伺服
设备难以小型化；液压源
液 液压压力源的压力为
输出功率大，速度快，动作
液压油（杂质、温度、油
压 （20～80）X10^5Pa，要求 平稳，可实现定位伺服；易 量、质量）要求严格；易
2. 快速性 在机电一体化产品中，起控制作用的微
机运算速度大大高于机械部分的运行速度， 故系统的实际响应速度就取决于机械部分 的响应速度。提高伺服系统的响应速度可 以提高运动精度及跟踪性能，提高整个系 统的响应速度。
3. 高精度
伺服系统的精度指标有两个：其一是
定位精度，其二是综合精度。
定位精度是指机械部件由某点移动到 另一点时，指令值与实际移动距离的最大差 值，它主要是由伺服系统的稳态精度决定的。
全闭环方式
• 是直接从机床的移动部件上进行位置检测的，因 此它的控制精度不受机械传动相应的影响。全闭 环伺服系统的精度高，一般可达(0.001～ 0.003)mm。
• 全闭环的环路中不仅有电机，还包括机械传动机 构，机械系统的动态参数是非常复杂的，它不仅 与部件的刚性和惯量有关，而且还与静压阻尼、 油的粘度、滑动面的摩擦特性等因素有关，尤其 是这些参数在不同的条件下经常变化，给伺服系 统的稳定性带来一定的困难。
综合精度受到许多因素的影响，既受到 测量装置、机械部件的几何尺寸、装配间隙 等硬件部分固有误差的影响，又受到控制算 法、运算误差等软件质量的影响。
• 半闭环方式和全闭环方式两种。
半闭环方式 • 是从电机轴上进行检测(或者从传动链中间
轴上进行检测)。 • 因此它能有效地控制电机的转速和电机的角
位移，然后通过滚珠丝杠之类的传动机构， 把它转换成工作台或其它移动部件的直线位 移。 • 如果丝杠的精度高、间隙小，伺服精度是可 以保证的。 • 半闭环方式的优点是环路短、刚度好、间隙 小，即机械系统的非线性因素对系统的稳定 性影响较小，因此稳定性好。 • 缺点是如果机械传动部分误差过大且误差值 又不稳定，那么就难以补偿。
• 结构简单、成本低、调整和维修方便、工 作可靠，如在简易数控机床、线切割机、 绘图仪、电子表等设备中。
• 闭环控制系统 • 它装有各种各样的检测元件。 • 使用不同的反馈方式。检测元件将被控
量(位置、速度等)检测出来，形成与输入 指令能比较的信号，形成误差值。
• 用此误差来控制伺服机构向着消除误差 的方向运转，最终达到输出等于输入。
• 全闭环方式主要应用于精度和速度较高的精密和 大型机电一体化设备。
图5-3 伺服系统的控制原理类型
1.3 机电系统对伺服系统的要求 1. 稳定性
稳定性是一个系统正常工作的先决 条件，同时又是系统动作保持一致性的 重要条件。为了保证系统的运动精度， 要求伺服系统在工作过程中尽量减小受 负载变化和电压波动等各种因素的干扰 所造成的影响。
电磁式
电动机 电 磁 铁及 其 它
交 流 (AC)伺 服 电 动 机 直 流 (DC)伺 服 电 动 机
执
液压式
行
元
件
气压式
油缸 液 压 马达 气缸 气 压 马达
步 进 电机 其 它 电机 双 金 属片
形 状 记忆 合 金
其它
与 材 料有 关
图 执行元件的种类
压 电 元件
表 执行元件的特点及优缺点
伺服系统是以机械参数(位移、速度、 加速度、力和力矩等)作为被控量的一种自 动控制系统。
按结定值的变化情况可划分为:定值控 制系统、随动控制系统和程序控制系统。
如CNC机床工作台的控制系统，雷达 跟踪控制系统，机械手的运动控制系统 等都是典型伺服系统的例子。
一般形式的伺服系统部可描述为图5-1所示的形式。
种 特点
类
优点
缺点
可使用商用电源；信号与 操作简便；编程容易；能实 瞬时输出功率大；过载差，
电
动力的传送方向相同；有 现定位伺服；响应快、易与 特别是由于某种原因卡住
气
式 交流与直流之别，应注意 CPU相接；体积小、动力较 时，会引起烧毁事故，易
电压之大小
大，无污染
受外部噪声影响
功率小，体积百度文库；动作不
• 液压式伺服系统
动态响应范围较宽(1Hz～1kHz)，且可 输出很大的功率，但其泄漏会造成场地污 染，还要附带油箱、油泵等油源设备，比 较笨重，成本高，常用于大功率高频响应 场合。
• 电气式伺服系统
频响范围大，功率输出为中小范围，控 制灵活，成本低，且根据不同的技术要求 可以选择不同类型的伺服电机，随着电机 技术和电力电子技术的发展，电气式伺服 系统可输出的功率也越来越大，因此它广 泛用于各种机电一体化设备
输入指令 比较
调节
执行
被控
输出量
元件
元件
元件
对象
测量、反馈元 件
图 伺服系统的一般组成
1.2 伺服系统的分类及特点 • 1. 按执行元件分类
根据执行元件的不同，伺服系统可 分为电气式、液压式和气压式伺服系统， 它们各有其特点和应用范围。
气压式伺服系统
能适应很宽的功率范围，但其频响 很低，通常用于频响要求不高且控制精 度较低的场合。