伺服系统概述

12 伺服系统概述

半闭环数控系统

半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置 (常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测， 不是直接检测运动部件的实际位置。
位置控制单元 CNC 插补 指令 + 位置控制调节 器
速度控制单元 +
-
速度控制 调节与驱动
机械执行部件
实际 位置 反馈
实际 速度 反馈 检测与反馈单 元
电机
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从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、
间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。

由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚 性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳 定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。

该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、 超精磨床以及较大型的数控机床等。
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气压系统与液压系统的比较
1.
2.
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5.
空气可以从大气中取之不竭且不易堵塞；将用过的气体排入大 气，无需回气管路处理方便；泄漏不会严重的影响工作，不污 染环境。 空气粘性很小，在管路中的沿程压力损失为液压系统的干分之 一，易于远距离控制。 工作压力低．可降低对气动元件的材料和制造精度要求。 对开环控制系统，它相对液压传动具有动作迅速、响应快的优 点。 维护简便，使用安全，没有防火、防爆问题；适用于石油、化 工、农药及矿山机械的特殊要求。对于无油的气动控制系统则 特别适用于无线电元器件生产过程，也适用于食品和医药的生 产过程。
输入指令
比较 元件
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
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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出的偏差信号进行变 换处理，以控制执行元件按要求动作。
控制用电机有回转和直线驱动电机，通过电压、电流、 频率(包括指令脉冲)等控制，实现定速、变速驱动或反复 启动、停止的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱 动对象的不同而不同。
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伺服驱动电机一般是指：
步进电机（Stepping Motor） 直流伺服电机(DC Servo Motor) 交流伺服电机(AC Servo Motor)
按控制原理分为 开环、 闭环 和 半闭环 三种形式 速度 、力 、 力矩 等伺服系统形式 按被控制量性质分 有位移 、 按驱动方式分 电气 、液压 和 气压 等伺服驱动形式 按执行元件分 步进电机伺服、 直流电机伺服 、 交流电机 伺服形 式
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习题
1、 从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般
被控对象 、 执行环节 、 检测环节 、 比较环节 等五部分。 包括 控制器 、
输入指令
比较 元件
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
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习题
1、伺服系统基本类型

CNC 插补指令
脉冲频率f f、n 脉冲环 形分配 脉冲个数n 变换 换算
A相、B 相 功率 放大 C相、…
机械执行部件
电机
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无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其
精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构 的性能和精度。

一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。 这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、 维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要 求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。 一般用于经济型数控机床。
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伺服系统的特点和功用
• 伺服系统与一般机床的进给系统有本质上差别，它能根据 指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置 • 伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是数控系统的重 要组成
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二、伺服系统基本类型
按控制原理分 有开环、闭环和半闭环三种形式 按被控制量性质分 有位移、速度、力和力矩等伺 服系统形式 按驱动方式分 有电气、液压和气压等伺服驱动形式 按执行元件分 有步进电机伺服、直流电机伺服和交 流电机伺服形式
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三、伺服系统基本要求
精度高： 稳定性好：
快速响应：
调速范围宽：
低速大转矩：
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三、伺服系统基本要求
精度:指输出量复现输入指令信号的精确程度，通常用
稳态误差表示 影响伺服系统精度的因素： 传感器的灵敏度和精度
组成元件本身误 差
伺服放大器的零点漂移和死区误差 机械装置反向间隙和传动误差 各元器件的非线性因素等
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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。
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常用伺服控制电动机的控制方式 主要有：开环控制、半闭环控制、闭环控制三种。
闭环系统: 驱动系统具有位置(或速度)反馈环节 开环系统: 没有位置与速度反馈环节Biblioteka 12 伺服系统概述
开环数控系统

没有位置测量装置，信号流是单向的（数
控装置→进给系统），故系统稳定性好。
3伺服控制系统模块 ——概述
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第12讲内容
伺服系统概述
伺服系统的执行元件概述 控制电动机 伺服系统设计
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第一节 伺服系统概述

伺服系统基本概念 伺服系统基本类型 伺服系统基本要求
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一、伺服系统基本概念
伺服来自英文单词Servo，指系统跟随外部指令进行 人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。
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二、执行元件的基本要求
1. 2. 3. 4. 惯量小、动力大 体积小、重量轻 便于维修、安装 宜于微机控制
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三、常用的控制用电机
控制用电机是电气伺服控制系统的动力部件。它是将 电能转换为机械能的一种能量转换装置。机电一体化产 品中常用的控制用电机是指能提供正确运动或较复杂动 作的伺服电机。
伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服 系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。
电气控制装置 执行元件 机械执行 装置 传 感 器
由两部分组成： 电气控制装置部分 机械执行装置部分
伺服系统组成图
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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。
也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛 应用。
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全闭环数控系统

全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运
动部件的实际位置进行检测。
位置控制单元 CNC 插补 指令 + -
速度控制单元
位置控制调节 器
+
-
速度控制 调节与驱动
机械执行部件
实际 位置 反馈
实际 速度 反馈 检测与反馈 单元
电机
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半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动
环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统
的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。

由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动
误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较
开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍 可获得满意的精度。

半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度
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电磁式
感应电动机
永磁同步电动机
异步电动机
离合器电动机
微型直流减速电动机
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液压式
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气压式
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种类 电 气 式 气 压 式 液 压 式
特点
可用商业电源；信号 与动力传送方向相同； 有交流直流之分；注意 使用电压和功率。
系统本身
结构形式 输入指令信号的形式
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响应速度:是衡量伺服系统动态性能的重要指标
调速范围 要求： 是伺服系统提供的最高速与最低速之比
•
Rn＝
nmax nmin
要大，并且在该范围内，速度稳定；
• 无论高速低速下，输出力或力矩稳定，低速驱动时， 能输出额定的力 或力矩；
•
在零速时，伺服系统处于 “锁定” 状态，即惯性小。
电动机 电磁式 电磁铁及其他 油 执 行 元 件 气压式 气压马达 其 他 与材料有关 状态记忆金属 压电元件 气 缸 双金属片 液压式 液压马达 其他电机 缸 直流伺服电机 步进电机 交流伺服电机
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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、步进电机以及电磁铁等，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。
优点
操作简便；编程容易； 能实现定位伺服控制； 响应快、易与计算机 （CPU）连接；体积小、 动力大、无污染。
缺点
瞬时输出功率大；过载 差；一旦卡死，会引起 烧毁事故；受外界噪音 影响大。 功率小、体积大、难于 小型化；动作不平稳、 远距离传输困难；噪音 大；难于伺服。 设备难于小型化；液压 源和液压油要求严格； 易产生泄露而污染环境。
气体压力源压力 气源方便、成本低；无 5~7×Mpa；要求操作人 泄露而污染环境；速度 员技术熟练。 快、操作简便。 液体压力源压力 输出功率大，速度快、 20~80×Mpa；要求操作 动作平稳，可实现定位 人员技术熟练。 伺服控制；易与计算机 （CPU）连接。
应用：液压系统用于需大的功率重型设备;气动用于工件夹紧、输送等 自动化生产线; 电动应用最广泛.
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低速大转矩 应变能力指能承受频繁的启动、制动、加速、减速的 冲击； 过载能力指在低速大转矩时，能承受较长时间的过载 而不致损坏。
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第二节 伺服系统的执行元件概述

执行元件的种类及特点 执行元件的基本要求 常用的控制用电机
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一、执行元件的种类及其特点