伺服运动控制系统1(2009)

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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类 1、按照被驱动的执行元件分类
电液伺服控制系统（执行元件是液压缸） 伺服控制系统 回油端
滤油器
该伺服阀是一个四通控制滑阀，它属于转换放大组件，它将电气－ 机械转换器（例如：力矩马达）给出的机械信号转换成液压信号（流量、 压力）输出并加以功率放大。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类
2、按照自动控制原理分类
1)闭环伺服系统 数控装置发出指令脉冲后，当指令值送到位置比较电路时，此时若 工作台没有移动，即没有位置反馈信号时，指令值使伺服驱动电动机转 动，经过齿轮、滚珠丝杠等传动元件带动机床工作台移动。
加工轨迹控制，火炮方位的自动跟
踪，防空导弹的制导控制，宇航设 备的自动驾驶，机器人的动作控制
等等。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
一、伺服控制系统的发展过程
例如，数控机床的定位控制和
加工轨迹控制，火炮方位的自动跟
踪，防空导弹的制导控制，宇航设 备的自动驾驶，机器人的动作控制
等等。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类 1、按照被驱动的执行元件分类
电液伺服控制系统（执行元件是液压缸）
伺服控制系统
阀心移动后，液压泵的压力油由P口经节流窗口b进入液压缸左腔 (右腔油液由B口经节流窗口d回油)，液压缸的活塞杆推动负载右移xp，
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数控机床的伺服控制系统
伺服控制系统(Servo Control System)定义：
在自动控制系统中，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，亦称随动系统。
数控机床的伺服控制系统
第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
第二章 伺服系统的执行组件 第三章 伺服驱动器的选择 第四章 步进电动机常见故障分析与维修
三、伺服控制系统的基本结构与分类 1、按照被驱动的执行元件分类
电液伺服控制系统（执行元件是液压缸） 伺服控制系统 电气伺服控制系统（执行元件是电动机）
步进电动机伺服控制系统 电气伺服控制系统 直流电动机伺服控制系统
交流电动机伺服控制系统
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类 2、按照自动控制原理分类
1)闭环伺服系统 装在机床工作台上的位置测量元件，测出工作台的实际位移量后，反 馈到数控装置的比较器中与指令信号进行比较，并用比较后的差值进行 控制。若两者存在差值，经放大器放大后，再控制伺服驱动电动机转动， 直至差值为零时，工作台才停止移动。
*
阀的阀心移动。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类 1、按照被驱动的执行元件分类
电液伺服控制系统（执行元件是液压缸）
伺服控制系统
假设阀心向右移动的距离为xv则节流窗口b、d便有一个相应的开口 量，阀心所移动的距离即节流窗口的开口量(通流面积)与上述误差信号 u (或电流i)成比例。
2、按照自动控制原理分类 开环伺服控制系统 伺服控制系统 半闭环伺服控制系统 闭环伺服控制系统
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类
2、按照自动控制原理分类
1)闭环伺服系统 数控装置发出指令脉冲后，当指令值送到位置比较电路时，此时若 工作台没有移动，即没有位置反馈信号时，指令值使伺服驱动电动机转 动，经过齿轮、滚珠丝杠等传动元件带动机床工作台移动。
D
nmax nmin
一般数控机床的调速范围可达：D=24000
高精密数控机床的调速范围Байду номын сангаас达：D=100000
5、低速大转矩：机床加工的特点是低速时进行重切削，所以要求 伺服控制系统应具有低速时输出转矩大的特性。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类 1、按照被驱动的执行元件分类
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
一、伺服控制系统的发展过程
例如，数控机床的定位控制和
加工轨迹控制，火炮方位的自动跟
踪，防空导弹的制导控制，宇航设 备的自动驾驶，机器人的动作控制
等等。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
一、伺服控制系统的发展过程
例如，数控机床的定位控制和
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类 三、伺服控制系统的基本结构与分类
1、按照被驱动的执行元件分类
电液伺服控 制系统（执行元件是液压缸） 伺服控制系统
回油端
滤油器 当运动控制单元给出一指令信号 u p 时，反馈信号 u p 与指令信号 进行比较得出误差 u ， u 经放大器放大后得出的电信号（通常为电 流信号i）输送给电气－机械转换器，从而使电气－机械转换器带动滑
伺服控制系统是数控机床的执行机构；是数控机床的“四肢和眼睛”， 数控机床的精度和速度等技术指标主要取决于伺服系统。 1、稳定性好：稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短 暂的调节过程后到达新的或者回复到原有的平衡状态。 2、精度高：伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度。例 如，作为精密加工的数控机床，要求的定位精度或轮廓加工精度通常都 比较高，允许的偏差一般都在0.01mm～0.00lmm之间。 3、快速响应性好：快速响应性是伺服系统动态品质的标志之一，即要 求跟踪指令信号的响应要快，一方面要求过渡过程时间短，一般在
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类 1、按照被驱动的执行元件分类
电液伺服控制系统（执行元件是液压缸） 伺服控制系统 回油端
滤油器
液压缸为执行器，其输入的是压力油流量，输出的是拖动负载（工 作台）位移或速度。位置传感器与液压缸相连用于检测液压缸活塞的位 置，从而构成反馈控制。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类 1、按照被驱动的执行元件分类
电液伺服控制系统（执行元件是液压缸） 伺服控制系统 回油端
滤油器
该伺服阀是一个四通控制滑阀，它属于转换放大组件，它将电气－ 机械转换器（例如：力矩马达）给出的机械信号转换成液压信号（流量、 压力）输出并加以功率放大。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类 1、按照被驱动的执行元件分类
电液伺服控制系统（执行元件是液压缸）
伺服控制系统
于是伺服阀也处于中间位置，其输出流量等于零，液压缸停止运 动，此时负载就处于一个合适的平衡位置，从而完成了液压缸输出位移 对指令输入的跟随运动。如果加入反向指令信号，则滑阀反向运动，液
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类 2、按照自动控制原理分类
1)闭环伺服系统 装在机床工作台上的位置测量元件，测出工作台的实际位移量后，反 馈到数控装置的比较器中与指令信号进行比较，并用比较后的差值进行 控制。若两者存在差值，经放大器放大后，再控制伺服驱动电动机转动， 直至差值为零时，工作台才停止移动。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类
2、按照自动控制原理分类
1)闭环伺服系统 数控装置发出指令脉冲后，当指令值送到位置比较电路时，此时若 工作台没有移动，即没有位置反馈信号时，指令值使伺服驱动电动机转 动，经过齿轮、滚珠丝杠等传动元件带动机床工作台移动。
加工轨迹控制，火炮方位的自动跟
踪，防空导弹的制导控制，宇航设 备的自动驾驶，机器人的动作控制
等等。
随着机电一体化技术的发展， 位置随动系统已成为现代工业、国
防和高科技领域中不可缺少的设备，
是自动控制系统的一个重要分支。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
二、数控机床对伺服控制系统的要求
加工轨迹控制，火炮方位的自动跟
踪，防空导弹的制导控制，宇航设 备的自动驾驶，机器人的动作控制
等等。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
一、伺服控制系统的发展过程
例如，数控机床的定位控制和
加工轨迹控制，火炮方位的自动跟
踪，防空导弹的制导控制，宇航设 备的自动驾驶，机器人的动作控制
压缸也反向跟随运动。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类 1、按照被驱动的执行元件分类
电液伺服控制系统（执行元件是液压缸）
伺服控制系统
于是伺服阀也处于中间位置，其输出流量等于零，液压缸停止运 动，此时负载就处于一个合适的平衡位置，从而完成了液压缸输出位移 对指令输入的跟随运动。如果加入反向指令信号，则滑阀反向运动，液
等等。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
一、伺服控制系统的发展过程
例如，数控机床的定位控制和
加工轨迹控制，火炮方位的自动跟
踪，防空导弹的制导控制，宇航设 备的自动驾驶，机器人的动作控制
等等。
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一、伺服控制系统的发展过程
例如，数控机床的定位控制和
数控机床的伺服控制系统
山东大学控制科学与工程学院 曾毅
第1讲
1
数控机床的伺服控制系统
山东大学控制科学与工程学院 曾毅
第1讲
2
伺服控制系统 数控机床的伺服控制系统
伺服控制系统(Servo Control System)定义：
在自动控制系统中，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，亦称随动系统。
电液伺服控制由于具有输出功率大、系统刚度大、控制精度高和电 气控制电路简单等突出优点在各类机床、重型机械、起重机械、汽车、 大型试验设备、航空航天、船舶和武器装备等领域得到了广泛的应用。
但是，电液伺服控制系统的缺点是加工难度大，抗污染能力差，维
护不易，成本较高。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
200ms以内，甚至小于几十毫秒。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
二、数控机床对伺服控制系统的要求
4、调速范围广：为了简化机床的机械结构，提高机床的转动精 度和系统的硬度，数控机床对伺服控制系统提出较宽的调速范围。 机床的调速范围是指电动机带额定负载状态下能够达到的最高速 nmax和最低速nmin之比，即：
数控机床的伺服控制系统
第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
第二章 伺服系统的执行组件 第三章 伺服驱动器的选择 第四章 步进电动机常见故障分析与维修
第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
一、伺服控制系统的发展过程
第二次世界大战期间，由于军
事上的需求，美国麻省理工学院 于1944年研制成功了世界上第一
压缸也反向跟随运动。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类 1、按照被驱动的执行元件分类
电液伺服控制系统（执行元件是液压缸）
伺服控制系统
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类
1、按照被驱动的执行元件分类 电液伺服控制系统（执行元件是液压缸） 伺服控制系统
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类 1、按照被驱动的执行元件分类
电液伺服控制系统（执行元件是液压缸）
伺服控制系统
同时位置传感器动作，使误差及阀的节流窗口开口量减小，直至反 馈传感器的反馈信号与指令信号之间的差别(误差) u 0 时，电气－ 机械转换器又回到中间位置(零位)，
电液伺服控制系统（执行元件是液压缸） 伺服控制系统
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类 1、按照被驱动的执行元件分类
电液伺服控制系统（执行元件是液压缸） 伺服控制系统 回油端
滤油器
此系统的能源为液压泵，它以恒定的压力向系统供油，恒定压力的 大小由溢流阀来设定。液压动力装置由伺服阀和液压缸组成。
个伺服控制系统：火炮自动跟踪
目标伺服控制系统。 军事需求的激励和控制器件、 执行机构和功率驱动装置的发展 推动了伺服系统控制技术的高速 发展。上世纪60年代伺服系统的 理论与实践均趋于成熟，并得到
广泛应用。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
一、伺服控制系统的发展过程
例如，数控机床的定位控制和