伺服系统与执行元件

控制伺服系统、闭环控制伺服系统和半闭 环控制伺服系统。
• 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。
N 电刷 换 向 片 A B S n 磁极 电枢导体
磁极
2.直流伺服电动机的基本结构及工作原理 控制方式
• 电枢电压控制：定子磁场不变，通过控制施加在 电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转速和 输出转矩； • 励磁磁场控制：通过改变励磁电流的大小来改变 定子磁场强度，从而控制电机转速和输出转矩
3.直流伺服电动机的特性分析

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
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）。
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
液压式执行元件有直线式油缸、回转式油缸、液压
马达等。
液压执行元件的特点是输出功率大、速度快、动作
平稳、可实现定位伺服、响应特性好和过载能力强。 缺点是体积庞大、介质要求高、易泄露和环境污染
一、执行元件的分类及其特点
• (3)气压式执行元件与液压式执行元件的
原理相同，只是介质由液体改为气体。
PID控制电路 比例电路
Rf
Ri Vi Vo u t
R1
Vout Vi
Rf Ri
R1 Ri / / R f
PID控制电路 积分电路
Ci Ri Vi Vo u t
R1
Vout
1 Vi dt Ri Ci
R1=Ri
PID控制电路 微分电路
Rf
Vi Cd Vo u t
R1
Vout
dVi R f Cd dt
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
• 直流伺服电动机具有优良的静、动态特性，且易控制，在 20世纪90年代以前，一直是闭环系统中执行元件的主流
• 随着交流伺服技术发展，交流伺服电动机具有与直流伺服 电动机相近的优良性能，且交流伺服电动机无电刷磨损问 题，维修方便，价格的逐年降低，应用越来越广。 • 闭环伺服系统设计时，应根据设计者对技术的掌握程度及 市场供应、价格等情况，适当选取合适的执行元件
• 根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电
磁式、液压式和气压式等几种类型
一、执行元件的分类及其特点
执行元件的种类
一、执行元件的分类及其特点
• （1）电磁式执行元件能将电能转化成电磁力，
并用电磁力驱动执行机构运动，如交流电机、
直流电机、力矩电机、步进电机等。
对控制用电机性能除要求稳速运转之外，
还要求加速、减速性能和伺服性能，以及频繁
2.直流伺服电动机的基本结构及工作原理 • 构成：磁极、电枢、电刷及换向片
N 电刷 换 向 片 A B S n 磁极 电枢导体
磁极
2.直流伺服电动机的基本结构及工作原理 工作原理：定子磁场的作用，通直流电的电枢
（转子）受电磁转矩的驱使，带动负载旋转
• 电机旋转方向和速度由电枢绕组中电流的方向 和大小决定。 • 当电枢绕组电流为零，电机静止不动
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
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
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
• 电枢电压控制时的电枢等效电路
电枢电流 I a
Βιβλιοθήκη Baidu
Ra 电枢电阻
La Ua Ea
电枢电压

M
电磁转矩
Tm
电枢反电动势
3.直流伺服电动机的特性分析
• 电枢电压控制时的电枢等效电路
• 电动机稳态运行，回路中电流保持不变，则电 枢回路中的电压平衡方程
Ea U a I a Ra
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
率重量比大、稳定性好等优点。由于功率的限制，
目前主要应用在办公自动化、家用电气、仪器仪表 等领域。
1.直流伺服电动机的分类
按电枢的结构与形状：平滑、空心和有槽电枢型
• 平滑电枢型的电枢无槽，其绕组用环氧树脂粘固在
电枢铁心上，因而转子形状细长，转动惯量小。空
心电枢型的电枢无铁心，且常做成杯形，其转子转
特点：介质来源方便、成本低、速度快、 无环境污染，但功率较小、动作不平稳、 有噪声、难于伺服。
一、执行元件的分类及其特点
• 闭环或半闭环控制伺服系统，主要采用直流伺服与交流伺 服电动机或伺服阀控制的液压伺服马达作为执行元件 • 液压伺服马达主要用在负载较大的大型伺服系统中，中、 小型伺服系统则多采用直流或交流伺服电动机
• 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。
• (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。
三、伺服系统的技术要求 系统设计时如何处理4个特性之间的关系
• 系统精度、稳定性、响应特性及工作频率四项特
性是相互关联的，是系统动态特性的表现特征。
• 利用自动控制理论来研究、分析所设计系统的频
率特性，就可以确定系统的各项动态指标。 • 系统设计时，在满足系统工作要求（包括工作频 率）的前提下，首先要保证系统的稳定性和精度， 并尽量提高系统的响应速度。
二、直流伺服电动机
• 直流伺服电机具有良好的调速特性，较 大的启动转矩和相对功率，易于控制及 响应快等优点。尽管其结构复杂，成本 较高，在机电一体化控制系统中还是具 有较广泛的应用。
二、直流伺服电动机
1.直流伺服电动机的分类 • 按励磁方式可分为电磁式和永磁式两种 • 按电枢的结构与形状又可分为平滑电枢型、 空心电枢型和有槽电枢型等
• 按转子转动惯量的大小而分成大惯量、中惯
量和小惯量直流伺服电动机
1.直流伺服电动机的分类
按励磁方式可分为电磁式和永磁式两种
• 电磁式直流伺服电动机是一种普遍使用的伺服电动
机，特别是大功率电机（100W以上）。
• 永磁式伺服电动机具有体积小、转矩大、力矩和电
流成正比、伺服性能好、响应快功率体积比大、功
三、伺服系统的技术要求 3.响应特性 • 响应特性指的是输出量跟随输入指令变化 的反应速度，决定了系统的工作效率。
• 响应速度与许多因素有关，如计算机的运
行速度、运动系统的阻尼和质量等。
三、伺服系统的技术要求 4.工作频率 • 工作频率通常是指系统允许输入信号的频 率范围。当工作频率信号输入时，系统能 够按技术要求正常工作；而其它频率信号 输入时，系统不能正常工作。
动惯量最小。有槽电枢型的电枢与普通直流电动机
的电枢相同，因而转子转动惯量较大。
1.直流伺服电动机的分类 按转子转动惯量的大小：大惯量、中惯量和 小惯量直流伺服电动机 • 大惯量直流伺服电动机(又称直流力矩伺服电 动机)负载能力强，易于与机械系统匹配，而 小惯量直流伺服电动机的加减速能力强、响 应速度快、动态特性好
4.1.2 执行元件
• 一、执行元件的分类及其特点
• 二、直流伺服电动机 • 三、交流伺服电动机
• 四、步进电机
一、执行元件的分类及其特点
• 执行元件是能量变换元件
• 其目的是控制机械执行机构运动。
• 机电一体化伺服系统要求执行元件具有转动惯 量小，输出动力大，便于控制，可靠性高和安 装维护简便等特点。
使用时的适应性和便于维护性。
一、执行元件的分类及其特点
• （1）电磁式执行元件
电气执行元件的特点是操作简便、便于控
制、能实现定位伺服、响应快、体积小、
动力较大和无污染等优点，但过载能力差、
易于烧毁线圈、容易受噪声干扰。
一、执行元件的分类及其特点
• (2)液压式执行元件先将电能变化成液体压力， 并用电磁阀控制压力油的流向，从而使液压 执行元件驱动执行机构运动。
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
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
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