伺服系统与执行元件概要
伺服系统-第一章伺服系统设计概述
最大跟踪角加速度εmax
系统跟踪误差不超过em时，系统输出轴所能达到 的最大角加速度。
最大角速度Ωk、最大角加速度εk
不考虑跟踪精度的情况下，系统输出轴所能达到 的极限速度和极限角加速度。
正弦跟踪误差esin 速度品质系数Kv、加速度品质系数Ka 调速范围D
对系统工作制的要求 长期连续运行、间歇循环运行、短时间运行
对系统可靠性以及使用寿命的要求 连续运行无故障时间
对系统的使用环境条件的要求 环境温度、湿度、三防（防潮、防腐蚀、防辐 射）、抗振动、抗冲击
对系统结构形式的要求 体积、重量、结构外形、安装特点等
对系统经济性的要求 制造成本、标准化程度、元部件通用性、能源利 用率、维护使用、系统电源条件（电源种类、规 格、容量）
1.2 伺服系统的应用
机械制造 冶金 航天 微电子 军事 运输 通信工程 日常生活
机械制造
– 机床运动部分的位置控制、速度控制、运动轨迹控制 – 仿形机床、机器人手臂关节
冶金
– 电弧炼钢炉、粉末冶金炉的电极位置控制 – 轧钢机轧辊压下运动的位置控制
电极
轧前的 钢板
按控制方式分类
– 开环控制 – 闭环控制 – 复合控制
开环伺服系统
r
G1 ( s )
闭环伺服系统
r
e
G1 ( s )
－
复合控制伺服系统
r
G2 ( s ) c
G2 ( s ) c
B (s)
e G1 ( s ) ＋
－
G2 ( s ) c
1.7 伺服系统的技术要求
第三章 伺服系统
In general ,the Closed-loop system includes Position Loop、 Speed Loop 、 Electric Current Loop. 一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环
• 数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺 服单元。
Servo system is a main subsystem of the numerical control system . If the CNC device is the numerical control system ‘s“brains”, then the servo system is a
计算方法。学习中，应特别注意各种伺服驱动元件的调速
方法和调速原理，了解各种驱动元件之间的性能比较及其 应用场合
• 3.1 Overview 概述
3.1.1 the function of the system 系统功能
The automatic control system which uses position and velocity as control
G
Position Loop、 Speed Loop and Electric Current Loop are made of Regulation control, testing and feedback modules. 位置、速度和电流环均由：调节控制模 块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大 器组成。 Position control includes position, speed and current control ;Speed control includes the speed and current control.位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包 括速度和电流控制。
伺服控制知识点总结
伺服控制知识点总结一、基本概念1. 伺服系统伺服系统是由伺服执行元件、位置传感器、控制器和电源组成的控制系统。
其中，伺服执行元件一般为电机，位置传感器用于检测电机的位置，控制器用于根据传感器的反馈信号控制电机的运动，电源用于为电机提供动力。
2. 伺服电机伺服电机是一种能够根据外部控制信号精确控制位置、速度和力的电机。
常见的伺服电机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进伺服电机等。
3. 位置传感器位置传感器用于检测伺服电机的位置，并将检测到的位置信息反馈给控制器。
常见的位置传感器有编码器、光栅尺、霍尔传感器等。
4. 控制器控制器是伺服系统中的核心部件，其主要功能是根据传感器的反馈信号计算出电机的控制指令，并将指令输出给电机驱动器。
5. 电机驱动器电机驱动器接收控制器输出的控制指令，通过控制电机的电源电压和频率来控制电机的转速和扭矩。
二、伺服控制原理1. 闭环控制伺服控制采用闭环控制的原理，即通过不断地检测输出和反馈，在控制过程中校正误差，从而实现精确的位置、速度和力控制。
在闭环控制系统中，控制器通过比较实际输出和期望输出之间的差距，不断调整控制指令，使输出逐渐趋近期望值。
2. PID控制PID控制是伺服控制中常用的一种控制算法，即比例、积分、微分控制算法的组合。
比例控制用于根据误差的大小调整控制输出；积分控制用于消除持续的误差；微分控制用于预测误差的变化趋势，并及时做出调整。
PID控制算法可以根据实际情况进行调整，适用于各种伺服控制场景。
3. 伺服控制系统的设计伺服控制系统的设计需要考虑多个因素，包括伺服系统的要求、控制器的选择、传感器的选择、电机的选择、控制算法的选择等。
在设计伺服控制系统时，需根据实际情况权衡各种因素，从而达到满足控制要求并尽可能减小成本的目标。
三、伺服控制应用领域1. 工业自动化在工业自动化领域，伺服控制被广泛应用于各种生产设备的位置和速度控制，如注塑机、包装机、数控机床等。
伺服控制可以实现快速、稳定、精确的运动控制，提高生产效率和产品质量。
机器人伺服系统详解(组成-原理框图-执行元件-发展趋势)
机器人伺服系统详解（组成/原理框图/执行元件/发展趋势）若说当下的热门科技，机器人绝对算一个。
机器人作为典型的机电一体化技术密集型产品，它是如何实现运作的呢？
机器人的控制分为机械本体控制和伺服机构控制两大类，伺服控制系统则是实现机器人机械本体控制和伺服机构控制的重要部分。
因而要了解机器人的运作过程，必然绕不过伺服系统。
伺服系统
伺服系统是以变频技术为基础发展起来的产品，是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。
伺服系统除了可以进行速度与转矩控制外，还可以进行精确、快速、稳定的位置控制。
广义的伺服系统是精确地跟踪或复现某个给定过程的控制系统，也可称作随动系统。
狹义伺服系统又称位置随动系统，其被控制量（输出量）是负载机械空间位置的线位移或角位移，当位置给定量（输入量）作任意变化时，系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化。
伺服系统的结构组成
机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。
伺服系统组成原理框图
1、比较环节
比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。
2、控制器
控制器通常是计算机或PID（比例、积分和微分）控制电路，其主要任务是对比较元件输。
第四章 机电一体化系统的执行元件(一)
闭环控制：有检测装置，装在移动部件上，可直 接检测移动部件的位移，系统采用了反馈和误差
补偿技术，可很精确地控制移动部件的移动距离。
半闭环控制：也有检测装置，装在伺服电动机上，在
伺服电动机的尾部装有编码器或测速发电机，分别检
测移动部件的位移和速度。由于传动件不可避免地存
在受力变形和消除传动间隙等问题，因而半闭环控制 系统的控制精度不如闭环系统。
螺栓形晶闸管
平板形晶闸管外形及结构
（4）按电流容量分类
可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小 功率晶闸管三种。通常，大功率晶闸管多采用 金属壳封装，而中、小功率晶闸管则多采用塑 封或陶瓷封装。
（5）按关断速度分类 可分为普通晶闸管和高频（快速）晶闸管。
（二）普通单向晶闸管
1、晶闸管的结构、原理 单向晶闸管 (SCR) 符号和 原理如图所示。 SCR 有三个 极，分别为阳极 A 、阴极 K 和控制极 G （又称门极）。 从物理结构看，它是一个 PNPN 四层半导体器件，其 工作原理可以用一个 PNP 晶 体管和一个 NPN 晶体管的组 合来加以说明。图 b ）为晶 闸管的内部等效电路图。
四、常用伺服控制电动机的控制方式 P66
主要有：开环控制、半闭环控制、闭环控制三种。
开环控制：无检测装置，常用步进电动机驱动实现， 每输入一个指令脉冲，步进电动机就旋转一定角度， 它的旋转速度由指令脉冲频率控制，转角大小由脉 冲个数决定。 因无检测装置，结构简单、成本低，但由于误 差无法测出和补偿，因此开环系统精度不高。
3、 晶闸管的分类
晶闸管有多种分类方法。 （1）按关断、导通及控制方式分类 可分为普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、 门极关断晶闸管（ GTO ）、 BTG 晶闸管、温控晶
伺服系统包含哪些(基本组成_工作原理_应用)
伺服系统包含哪些(基本组成_工作原理_应用)
伺服系统的结构组成机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。
下图给出了伺服系统组成原理框图。
图伺服系统组成原理框图
1.比较环节
比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信
2.控制器
控制器通常是计算机或PID控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。
3.执行环节
执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。
机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。
4.被控对象
5.检测环节
检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。
伺服系统工作原理伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标的任意变化而变化的自动控制系统，即伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。
它由计算机数字控制系统、伺服驱动器、伺服电动机、速度和位置传感器等组成。
计算机数字控制系统用来存储零件加工程序，根据编码器反馈回来的信息进行各种插补运算和软件实时控制，向各坐标轴的伺服驱动系统发出各种控制命令。
伺服驱动器和伺服电动机接收到计算机数字控制系统的控制命令后，对功率进行放大、变换与调控等处理，能够快速平滑调。
执行元件
脉宽调制(PWM pulse width modulation)
直流调速驱动系统原理
1 U a Udt U U T 0 T
/T
为使电动机实现双向调速，多采用下图所示桥 式电路，其工作原理与线性放大桥式电路相似。电 桥由四个大功率晶体管VT1~VT4 组成。如果在VT1 和 VT3的基极上加以正脉冲的同时，在VT2和VT4的基极 上加负脉冲，这时VT1和VT4导通，VT2和VT4截止，电 流沿+90V→c→VT1→d→M→b→VT3→a→0V的路径流 通。设此时电动机的转向为正向。反之，如果在晶 体管VT1和VT3的基极上加负脉冲，在VT2和VT4的基极 上加正脉冲，则VT2和VT4导通，VT1和VT3截止，电流 沿+90V→c→VT2→b→M→d→VT4→a→0V的路径流通， 电流的方向与前一情况相反，电动机反向旋转。显 然，如果改变加到VT1和VT3、VT2和VT4这两组管子基 极上控制脉冲的正负和导通率，就可以改变电动机 的转向和转速。
2.
液压式执行元件
液压式执行元件主要包括往复运动的油缸、回转油缸、液压 马达等，其中油缸占绝大多数。目前，世界上已开发了各种数 字式液压式执行元件，例如电-液伺服马达和电-液步进马达， 这些电-液式马达的最大优点是比电动机的转矩大，可以直接 驱动运行机构，转矩/惯量比大，过载能力强，适合于重载的 高加减速驱动。
1.
电气式执行元件
电气式执行元件包括控制用电动机(步进电动 机、DC和AC伺服电动机)、静电电动机、磁致伸缩器 件、压电元件、超声波电动机以及电磁铁等。其中， 利用电磁力的电动机和电磁铁，因其实用、易得而 成为常用的执行元件。对控制用电动机的性能除了 要求稳速运转性能之外，还要求具有良好的加速、 减速性能和伺服性能等动态性能以及频繁使用时的 适应性和便于维修性能。
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
闭环伺服驱动系统的执行元件
闭环伺服驱动系统的执行元件执行元件是伺服系统的重要性组成部分，它的作用是把驱动线路的电信号转换为机械运动，整个伺服系统的调速性能、动态特性，运行精度等均与执行元件有关。
通常伺服系统对执行元件有如下要求：(1) 调速范围宽且具有良好的稳定性，尤其是低速运行的稳定性和均匀性。
(2) 负载特性硬，即使在低速时也应有足够的负载能力。
(3) 尽可能减少电动机的转动惯量，以提高系统的快速动态响应。
(4) 能够频繁启、停及换向。
目前，在数控机床上广泛应用的有直流伺服电机和交流伺服电机。
1.直流伺服电机直流伺服电机是机床伺服系统中使用较广的一种执行元件。
在伺服系统中常用的直流伺服电机多为大功率直流伺服电机，如低惯量电机和宽调速电机等。
这些伺服电机虽然构造不同，各有特色，但其工作原理与直流电机类似。
直流伺服电机调速由电工学的知识可知：在转子磁场不饱和的情况下，改变电枢电压即可改变转子转速。
直流电机的转速和其它参量的关系可用式6-12表示：式中：n转速，单位为rpm；U—电枢电压，单位为V；I—电枢电流，单位为A；R—电枢回路总电压，单位为Ω；φ—励磁磁通，单位为Wb（韦伯）；Ke—由电机构造决定的电动势常数。
根据上述关系式，实现电机调速是主要方法有三种：1）调节电枢供电电压U：电动机加以恒定励磁，用改变电枢两端电压U的方式来实现调速控制，这种方法也称为电枢控制；2）减弱励磁磁通φ：电枢加以恒定电压，用改变励磁磁通的方法来实现调速控制，这种方法也称为磁场控制；3）改变电枢回路电阻R来实现调速控制；对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以改变电枢电压的方式最好；改变电枢回路电阻只能实现有级调速，调速平滑性比较差；减弱磁通，虽然具有控制功率小和能够平滑调速等优点，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的升速控制。
因此，直流伺服电机的调速主要以电枢电压调速为主。
目前使用最广泛的是晶体管脉宽调制调速系统（即Pulse Width Modulation简称PWM）。
伺服进给系统的组成
伺服进给系统的组成伺服进给系统可是数控机床的重要组成部分呢，就像人的手脚一样，能让机床精准地动起来。
那它到底是由啥组成的呢？（一）驱动装置这可是个很关键的部分哦。
它就像是伺服进给系统的心脏，为整个系统提供动力呢。
这个驱动装置能把电能之类的能量转化成机械能，让后面的部件能活动起来。
比如说在一些高精度的数控机床上，这个驱动装置要是出了点小毛病，那机床加工出来的零件可能就不达标了，就像人要是心脏不太好，身体就会不舒服一样。
（二）执行元件执行元件就像是干活的小能手。
像伺服电机就是很常见的执行元件。
它能按照驱动装置给的信号，快速又准确地转动或者移动。
它的精度可是相当高的呢，就像一个超级听话又特别能干的小助手。
而且不同类型的执行元件在不同的工作场景下都有自己的优势，比如在一些需要大力气的机床工作中，就会有那种扭矩很大的执行元件。
（三）传动装置传动装置就像是连接各个部件的桥梁。
它能把执行元件的运动传递到机床的工作台上。
常见的传动装置有丝杠螺母副之类的。
这个丝杠螺母副就像是两个配合得特别好的小伙伴，丝杠转动的时候，螺母就能按照精确的轨迹移动，从而带动工作台按照我们想要的方向和距离移动。
要是这个传动装置的精度不够，那机床加工的精度就会大打折扣啦。
（四）检测装置检测装置就像是系统的小眼睛。
它能时刻盯着各个部件的运动状态，看看是不是按照我们设定的要求在运动。
比如说检测工作台的位置是不是准确，速度是不是合适。
如果检测到有偏差，就会把这个信息反馈给系统，然后系统就可以调整，让整个伺服进给系统一直保持精准的状态。
就像我们走路的时候，眼睛看到方向偏了就会调整脚步一样。
概括性来讲呢，伺服进给系统的这些组成部分就像一个小团队一样，每个部分都发挥着不可替代的作用，缺了谁都不行，它们共同协作，才能让数控机床完成各种各样复杂又精确的加工任务。
伺服系统的组成和原理
伺服系统的组成和原理伺服系统是一种控制系统，用于控制机械系统或过程的运动和位置。
它通常由四个主要组成部分组成：传感器、执行器、控制器和电源。
1.传感器：传感器用于检测机械系统的位置和运动。
常见的传感器包括编码器、位置传感器和加速度传感器。
编码器用于测量转动运动的角度和速度，位置传感器用于测量直线运动的位置和速度，而加速度传感器则用于测量加速度。
2.执行器：执行器是伺服系统中的执行元件，用于实际控制机械系统的运动。
最常见的执行器是伺服电机，它由电动机和驱动器组成。
电动机将电能转化为机械能，而驱动器控制电动机的速度和位置。
3.控制器：控制器是伺服系统的“大脑”，用于处理传感器提供的反馈信号，并根据预设的控制算法生成相应的控制信号。
控制器通常使用微处理器或数字信号处理器来执行这些计算。
控制器还可以根据需要进行参数调整和系统校准。
4.电源：伺服系统需要稳定和可靠的电源来提供所需的电能。
电池、直流电源或交流电源都可以作为伺服系统的电源。
1.传感器通过测量机械系统的位置和运动并将其转换为电信号。
2.传感器的信号输入到控制器，在控制器中进行计算和处理。
控制器根据预设的控制算法，比较实际位置和期望位置之间的差异。
如果差异较大，控制器发出控制信号以调整机械系统的运动。
3.控制信号通过驱动器送至执行器。
驱动器根据控制信号控制伺服电机的速度和位置。
驱动器通常与电机直接连接，将电机转子的转动运动转换为线性或旋转的机械运动。
4.机械系统根据电机的控制运动。
反馈传感器不断监测机械系统的位置和运动，并将其反馈给控制器。
5.控制器使用反馈信号重新计算控制信号，并不断对机械系统进行调整，以使实际位置尽可能接近期望位置。
数控机床的进给伺服系统概述
• 当步进电机励磁绕组相数大于3时，多相通电多数 能提高输出转矩。
• 所以功率较大的步进电机多数采用多于三相的励磁 绕组，且多相通电。
3、启动转矩Mq
AB C Mq
e
当电机所带负载ML<Mq时，电机可不失步的启动。
2、最高启动频率和最高工作频率
最高启动频率fg： 步进电机由静止突然启动，并不失步地进 入稳速运行，所允许的启动频率的最高值。 最高启动频率fg与步进电机的惯性负载J有 关。
故电动机的转速n为：
n f (r/s) 60 f (r/min) f ——控制脉冲的频率
mzk
mzk
SB-58-1型五定子轴向分相反应式步进电机。
• 定子和转子都分为5段，呈轴向分布；有16个 齿均匀分布在圆周上，
• 齿距=360º/16=22.5º；各相定子彼此径向错开 1/5个齿的齿距；
如按5相5拍通电，则步距角为：
4）电动机定子绕组每改变一次通电方式——称为一拍 5）每输入一个脉冲信号，转子转过的角度——步距角αº • 上述通电方式称为：三相单三拍。（三相三拍） • 单——每次通电时，只有一相绕组通电； • 双——每次通电时，有两相绕组通电； • 三拍——经过三次切换绕组的通电状态为一个循环； • 除此之外的通电方式还有： • 三相双三拍： AB—BC—CA—AB • 三相单双六拍： A—AB—B—BC—C—CA—A
第三节 数控机床的检测装置
1、检测装置的作用
• 检测装置是数控机床闭环伺服系统的重要组成部分 • 其作用是：检测位移和速度，发送反馈信号，构成
（1） 直线进给系统 已知：进给系统的脉冲当量δmm；步进电机的
步距角αº；滚珠丝杠的导程t mm；
求： 齿轮传动比 i。
00伺服系统概述
第一节:伺服系统基本概述
三环结构如图4-1所示。
第一节:伺服系统基本概述
这三个环就是位置环、速度环、电流环。
1、位置环也称为外环，其输人信号是计算机 给出的指令和位置检侧器反馈的位置信号。这 个反馈是负反馈，也就是说与指令信号相位相 反。
指令信号是向位置环送去加数，而反馈信号是 送去减数。 位置环的输出就是速度环的输人。
第一章
机电一体化的控制方法： •手动自动 •简单到复杂 •电力电子技术 数控机床：
概述
•机械制造技术 •自动化技术 •伺服驱动技术 •监控检测技术
•…
第一节:伺服系统基本概述
通过以前的相关知识，我们知道数控机床由四 个基本部分组成，即控制介质、数控装置(或 计算机)、伺服系统和机床本体。
其中伺服系统是数控系统的执行部件，是数控 机床的重要组成部分，产生进给脉冲的数控装 置是否能够以足够高的速度与精度进行计算， 关键在于数控伺服系统能以多高的速度与精度 去执行。
切削进给的速度越快，跟随误差对精度的影响就越 大。提高伺服系统响应的快速性，是减小跟随误差， 提高进给速度的根本措施。但伺服系统的响应速度 并不是可以无限制提高的，并且任何的提高都要以 成本的上升为代价。所以对伺服系统的响应速度的 要求要限制在一个合理的范围之内。在一般情况下， 数控机床的进给响应时间 应该在2mm以内。
第一节:伺服系统基本概述
2、速度环也称为中环，这个环是一个非常重 要的环，它的输人信号有两个： 一个是位置环的输出，做为速度环的指令信号 送给速度环；另一个由电动机带动的测速发电 机经反馈网络处理后的信息，做为负反馈送给 速度环。速度环的两个输人信号也是反相的。 一个是加，一个是减。 速度环的翰出就是电流环的指令输人信号。
伺服系统的分类和基本组成形式
伺服系统的分类和基本组成形式伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。
伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。
数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。
以上指的主要是进给伺服控制，另外还有对主运动的伺服控制，不过控制要求不如前者高。
数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。
伺服系统的分类伺服系统按其驱动元件划分，有步进式伺服系统、直流电动机伺服系统、交流电动机伺服系统。
按控制方式划分，有开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统等，实际上数控系统也分成开环、闭环和半闭环3种类型。
1、开环系统开环系统，它主要由驱动电路，执行元件和机床3大部分组成。
常用的执行元件是步进电机，平日称以步进电机作为履行元件的开环系统为步进式伺服系统，在这种系统中，假如是大功率驱动时，用步进电机作为履行元件。
驱动电路的主要任务是将指令脉冲转化为驱动执行元件所需的信号。
2、闭环系统闭环系统主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和机床5部分组成。
在闭环系统中，检测元件将机床移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节。
常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和编码盘等。
通常把安装在丝杠上的检测元件组成的伺服系统称为半闭环系统;把安装在工作台上的检测元件组成的伺服系统称为闭环系统。
由于丝杠和工作台之间传动误差的存在，半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些。
比较环节的作用是将指令信号和反馈信号举行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随偏差，经驱动电路，控制履行元件带动工作台继续挪动，直到跟随偏差为零。
伺服系统的原理与结构
伺服系统的原理与结构伺服系统是现代自动控制系统中常见的一种控制方式，它广泛应用于工业生产、机械制造、航空航天等领域。
本文将介绍伺服系统的原理与结构，以帮助读者更好地理解和应用伺服系统。
一、原理伺服系统的原理基于反馈控制理论，主要包括测量反馈、比较反馈和校正反馈三个步骤。
首先，通过传感器测量被控对象的状态，如位置、速度、力量等。
然后，将测量值与设定值进行比较，得到误差信号。
最后，通过校正反馈的方法，将误差信号转换为控制信号，作用于执行机构，使系统输出与设定值更加接近，实现对被控对象的精确控制。
伺服系统的原理可以用数学公式描述，其中关键的控制算法有比例控制、积分控制和微分控制三种方式。
比例控制根据误差信号的大小调节输出信号，实现快速的响应速度；积分控制根据误差信号的累积值调整输出信号，实现较好的稳定性；微分控制根据误差信号的变化率调节输出信号，实现平稳的过渡过程。
综合使用这三种控制方式，可以使伺服系统具有较好的动态特性和鲁棒性。
二、结构伺服系统由多个组成部分构成，包括传感器、执行机构、控制器和供电系统。
下面将分别介绍各个组成部分的功能和特点。
1. 传感器：传感器是伺服系统中获取被控对象状态信息的关键部分。
常见的传感器包括位置传感器、速度传感器和力传感器等。
位置传感器用于测量被控对象的位置，速度传感器用于测量被控对象的速度，力传感器用于测量被控对象的力量。
传感器的选择应根据具体应用需求来确定。
2. 执行机构：执行机构是伺服系统中实现控制效果的关键部分。
常见的执行机构包括伺服电机、伺服阀和伺服驱动器等。
伺服电机通常具有高转矩、高精度和高响应速度的特点，可用于控制机械设备的位置和速度。
伺服阀常用于液压系统，可用于控制液压执行元件的力量和速度。
伺服驱动器是控制执行机构的关键设备，可接收控制信号并驱动执行机构进行精确控制。
3. 控制器：控制器是伺服系统中实现控制算法的核心部分。
根据实际需求，控制器可以采用单片机、PLC或专用的伺服控制器等设备。
伺服控制系统原理
伺服控制系统原理
伺服控制系统原理是一种通过反馈控制的方式，对运动对象进行精确控制的方法。
该系统由三个主要组成部分构成：传感器、执行器和控制器。
传感器负责感知运动对象的位置、速度和加速度等相关参数。
常见的传感器包括光电传感器、编码器和加速度计等。
传感器将实时采集到的数据反馈给控制器。
执行器是伺服控制系统中的执行部件，它通过产生控制信号，将控制器计算出的运动指令转化为实际的运动，从而实现对运动对象位置、速度和加速度的控制。
执行器的种类多种多样，包括伺服电机、气动执行元件和液压缸等。
控制器是伺服控制系统中最为关键的部分，它负责根据传感器反馈的数据以及预设的控制算法，计算出适当的控制信号，并将其送往执行器。
控制器的设计通常基于PID（比例、积分、
微分）控制算法或者其他更高级的控制算法。
PID控制器根据
当前偏差（设定值与实际值之间的差异）、积分项（过去误差累积）和微分项（预测误差变化趋势）来生成输出信号。
伺服控制系统的原理是运用负反馈控制的思想，通过不断地对系统进行测量和调整，使得系统能够准确追踪预设的运动轨迹。
当实际运动与预设值产生偏差时，传感器会感知到这种差异，并将其传递给控制器。
控制器根据传感器反馈的数据计算出适当的控制信号，使执行器作出相应调整，进而对运动对象进行精确控制。
综上所述，伺服控制系统运用传感器、执行器和控制器三个组成部分，通过不断的测量、计算和调整，实现对运动对象的精确控制。
这种基于负反馈控制原理的方法广泛应用于机器人、自动化设备、航空航天等领域。
伺服系统总结(电机和驱动)ppt课件
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(1) 液压伺服控制系统 液压伺服控制系统是以电机提供动力基础，使用液压泵将机械能转化为压力，推 动液压油。通过控制各种阀门改变液压油的流向，从而推动液压缸做出不同行程、 不同方向的动作，完成各种设备不同的动作需要。液压伺服控制系统按照偏差信 号获得和传递方式的不同分为机-液、电-液、气-液等,其中应用较多的是机-液和 电-液控制系统。按照被控物理量的不同,液压伺服控制系统可以分为位置控制、 速度控制、力控制、加速度控制、压力控制和其他物理量控制等。液压控制系统 还可以分为节流控制(阀控)式和容积控制(泵控)式。在机械设备中,主要有机-液伺 服系统和电-液伺服系统。
伺服系统介绍
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目录
伺服系统概述
系统结构原理以及分类
伺服电机
伺服驱动
编码器以及制动方式介绍
伺服与步进区别
伺服选型
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一、 伺服系统概述
伺服系统(servomechanism)又称随动系统， 是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制 系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态等 输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任 意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控 制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控 等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置 控制非常灵活方便。
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(4) 电液伺服控制系统 它是一种由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统。最常见的 有电液位置伺服系统、电液速度控制系统和电液力(或力矩)控制系统。 以上是我们常用到的四种伺服系统，他们的工作原理和性能以及可以应用的 范围都有所区别，各有自己的特点和优缺点。因此在选择或者购买的时候， 就需要根据系统的需要以及需要控制的参数和实现的性能，通过计算后在选 择合适的产品。
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一、伺服系统的结构组成
3.执行环节
• 执行环节的作用是按控制信号的要求,将输入的各
种形式的能量转化成机械能,驱动被控对象工作.机
电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、
气动伺服机构等。
一、伺服系统的结构组成
4.被控对象
• 指被控制的机构或装置，是直接完成系统目的的主 体。一般包括传动系统、执行装置和负载。被控对 象指机械参数量，包括位移、速度、加速度、力合 力矩
特征上并不独立，可能几个环节在一个硬件中，如
测速直流电机即是执行元件又是检测元件。
二、伺服系统的分类
• 常见的分类方法有以下三种 (1)按被控量参数特性分类 (2)按驱动元件的类型分类 (3)按控制原理分类
二、伺服系统的分类
• (1)按被控量参数特性分类
按被控量不同，机电一体化系统可分为位 移、速度、力矩等各种伺服系统。其它系 统还有温度、湿度、磁场、光等各种参数 的伺服系统
4.1.1 伺服系统
一、伺服（控制）系统的结构组成
伺服系统组成：伺服驱动装置和驱动元件(执行元件伺 服电机)组成，高性能的伺服系统还有检测装置，反馈 实际的输出状态
伺服控制系统组成：控制器、被控对象、执行环节、 检测环节、比较环节五部分
伺服系统驱动装置
一、伺服系统的结构组成
输入指令
比较 元件
1.系统精度
• 稳态误差：当系统从一个稳态过度到新的稳态，或 系统受扰动作用又重新平衡后，系统可能会出现偏 差，这种偏差称为稳态误差 • 动态误差：控制系统在任意的输入信号作用下达到 稳态时的控制误差。与稳态误差不同，动态误差是 以时间为变量的函数，能提供系统为稳态时控制误 差随时间变化的规律
三、伺服系统的技术要求 2.稳定性 • 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
半闭环控制伺服系统的检测反馈环节位于执行机构的中间
输出上，因此一定程度上提高了系统的性能。如位移控制 伺服系统中，为了提高系统的动态性能，增设的电机速度 检测和控制就属于半闭环控制环节。
三、伺服系统的技术要求 • 1.系统精度 • 2.稳定性 • 3.响应特性 • 4.工作频率
三、伺服系统的技术要求 1.系统精度 • 伺服系统精度指的是输出量复现输入信
PID控制电路 比例电路
Rf
Ri Vi Vo ut
R1
Vout Vi
Rf Ri
R1 Ri / / R f
PID控制电路 积分电路
Ci Ri Vi Vo ut
R1
Vout
1 Vi dt Ri Ci
R1=Ri
PID控制电路 微分电路
Rf
Vi Cd Vo ut
R1
Vout
dVi R f Cd dt
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。
1.系统精度
• 静态误差：指当测量器件的测量值(或输入值)不随 时间变化时，测量结果(或输出值)会有缓慢的漂移， 这种误差称为静态输入误差，或称静态误差。 • 静态误差的幅值和方向是恒定的,或者是按一定规 律缓变的(变化周期大于装置调整周期),即不需要 考虑时间因素对误差的影响
R1=Rf
PID控制电路
• A1是比例电路，其放大倍数与环路增益有关，调节RP1，可使 反相器的增益在0.5一∞范围内变化 • A2是积分电路，积分时间常数可在22一426S范围内变化 • A3是微分电路，时间常数由C1(R1+R（RP3）)决定 • A4将比例、积分、微分各电路输出倒相后合成为U
一、伺服系统的结构组成
5.检测环节
• 指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的
量纲的装置，一般包括传感器和转换电路
一、伺服系统的结构组成
5.检测环节
• 指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的
量纲的装置，一般包括传感器和转换电路
一、伺服系统的结构组成
• 在实际的伺服控制系统中，上述的每个环节在硬件
• 半闭环控制系统 • 在开环控制系统的伺服机构中装有角位移检测装置，通过检测伺服机 构的滚珠丝杠转角间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置的 比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制， 使移动部件补充位移，直到差值消除为止的控制系统。
• 半闭环系统不包括移动部件的传动丝杠螺母，所以传动丝杠螺母机构
二、伺服系统的分类
• (2)按驱动元件的类型分类
按驱动元件的不同可分为电气伺服系统、液
压伺服系统、气动伺服系统。
电气伺服系统根据电机类型的不同又可分为
直流伺服系统、交流伺服系统和步进电机控 制伺服系统。
二、伺服系统的分类
• (3)按控制原理分类
按自动控制原理，伺服系统又可分为开环
控制伺服系统、闭环控制伺服系统和半闭 环控制伺服系统。
本节知识
4.1.1 伺服系统 4.1.2 执行元件
4.1.1 伺服系统
• 定义：又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个 过程的反馈控制系统。
• 主要任务：按控制命令的要求、对功率进行放大、变 换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位 置控制非常灵活方便。 • 在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出 量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统， 其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输 入的位移（或转角）。
的误差仍会影响移动部件的位移用。
• (3)按控制原理分类
开环控制伺服系统结构简单、成本低廉、易于维护，但由
于没有检测环节，系统精度低、抗干扰能力差。
闭环控制伺服系统能及时对输出进行检测，并根据输出与 输入的偏差，实时调整执行过程，因此系统精度高，但成 本也大幅提高。
调节 元件
执行 元件
被控 对象
输出量
测量、反馈元件
伺服系统组成原理框图
一、伺服系统的结构组成
1.比较环节
• 比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信
号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号 的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。
一、伺服系统的结构组成
2.控制器
• 控制器通常是计算机或PID控制电路（比例、积分、 微分电路），其主要任务是对比较元件输出的偏差 信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作