伺服系统与执行元件

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
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）。
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 的误差仍会影响移动部件的位移精度，但调试维修方便，稳定性好， 为大多数中小型数控机床所采用。
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 特征上并不独立，可能几个环节在一个硬件中，如 测速直流Baidu Nhomakorabea机即是执行元件又是检测元件。
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
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。
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。
• (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。
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。
• 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
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
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
PID控制电路
比例电路
Rf
Ri Vi
R1
Vo ut
Vout
Vi
Rf Ri
R1 Ri / / Rf
PID控制电路
积分电路
Ri Vi
Ci Vo ut
R1
Vout
1 RiCi
Vi
dt
R1=Ri
PID控制电路
微分电路
Rf
Vi
Cd
Vo ut
R1
Vout
Rf Cd
dVi dt
R1=Rf
PID控制电路
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
• 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
• 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
3.执行环节