课题四 学习伺服传动技术,学习任务一 认识伺服系统 学习任务二 认识伺服控制系统 学习任务三 认识电液伺服系统,返回,学习任务一 认识伺服系统,“伺服” （） 一词源于希腊语“奴隶” 的意思。人们想把“伺服机构” 当个得心应手的驯服工具， 服从控制信号的要求而动作。在信号来到之前， 转子静止不动； 信号来到之后， 转子立即转动； 当信号消失， 转子能即时自行停转。由于它的“伺服” 性能， 因此而得名。伺服的意思就是“伺候服侍” 的意思， 就是在控制指令的指挥下， 控制驱动元件；使机械系统的运动部件按照指令要求进行运动。 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（或给定值） 的任意变化的自动控制系统。,下一页,返回,学习任务一 认识伺服系统,伺服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、速度和位置控制的非常灵活方便。 下面介绍一下伺服系统的结构组成及其分类。 .伺服系统的结构组成及分类 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、功率放大器、执行机构、检测装置 部分。图 给出了系统组成原理框图。 下面对图中各个部分作一个简单介绍。,上一页,下一页,返回,学习任务一 认识伺服系统,控制器： 主要任务是根据输入信号和反馈信号决定控制策略。 功率放大器： 作用是将信号进行放大， 并用来驱动执行机构完成某种操作。 执行机构： 作用是根据控制信息和指令完成所要求的动作。主要有电磁式（交直流伺服电动机； 步进电动机等）、气动式和液压式。 检测装置： 任务是测量被控制量（即输出量）， 实现反馈控制。 伺服系统的基本工作原理如下：,上一页,下一页,返回,学习任务一 认识伺服系统,位置检测装置将检测到的移动部件的实际位移量进行位置反馈， 和位置指令信号进行比较， 将两者的差值进行位置调节， 变换成速度控制信号， 控制驱动装置驱动伺服电动机运动， 朝着消除偏差的方向， 直到到达指定的目标位置。 下面介绍伺服系统的技术要求。 （） 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 个方面。 （） 稳定性,上一页,下一页,返回,学习任务一 认识伺服系统,伺服系统的稳定性是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。 （） 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。 （） 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。,上一页,下一页,返回,学习任务一 认识伺服系统,当工作频率信号输入时， 系统能够按技术要求正常工作； 而其他频率信号输入时， 系统不能正常工作。 .伺服系统的发展过程 伺服系统的发展紧密地与伺服电动机（ ） 的不同发展阶段相联系， 伺服电动机至今已有 多年的发展历史， 经历了 个主要发展阶段。 第一个发展阶段（ 世纪 年代以前）， 此阶段是以步进电动机驱动的液压伺服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代， 伺服系统的位置控制为开环系统。,上一页,下一页,返回,学习任务一 认识伺服系统,第二个发展阶段（ 世纪 年代）， 这一阶段是直流伺服电动机的诞生和全盛发展的时代， 由于直流电动机具有优良的调速性能， 很多高性能驱动装置采用了直流电动机，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。在数控机床的应用领域， 永磁式直流电动机占统治地位， 其控制电路简单， 无励磁损耗， 低速性能好。 第三个发展阶段（ 世纪 年代至今）， 这一阶段是以机电一体化时代作为背景的，由于伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展， 出现了无刷直流伺服电动机（方波驱动）， 交流伺服电动机（正弦波驱动） 等新型电动机。,上一页,下一页,返回,学习任务一 认识伺服系统,伺服电动机又称为执行电动机， 在自动控制系统中， 用作执行元件， 把所收到的电信号转换成机械运动（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。交流伺服要好一些， 因为是正弦波控制， 转矩脉动小， 但直流伺服比较简单和便宜。 通常伺服电动机应符合如下基本要求： 具有宽广而平滑的调速范围； 具有较硬的机械特性和良好的调节特性； 具有快速响应特性； 空载始动电压小。 下面对常用伺服电动机作一个简单介绍。 （） 直流伺服电动机,上一页,下一页,返回,学习任务一 认识伺服系统,直流伺服电动机主要种类如下， 结构如图 所示。 永磁直流伺服电动机。 无槽电枢直流伺服电动机。 空心杯电枢直流伺服电动机。 印刷绕组直流伺服电动机。 直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片组成， 如图 所示。 直流伺服电动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具有较广泛的应用。,上一页,下一页,返回,学习任务一 认识伺服系统,（） 交流伺服电动机 交流伺服电动机主要有如下两种， 如图 所示。 永磁同步伺服电动机。 两相异步交流伺服电动机。 与直流伺服电动机比较， 交流伺服电动机不需要电刷和换向器， 因而维护方便且对环境无要求； 此外， 交流电动机还具有转动惯量、体积和重量较小， 结构简单， 价格便宜等优点； 尤其是交流电动机调速技术的快速发展， 使它得到了更广泛的应用。,上一页,下一页,返回,学习任务一 认识伺服系统,因此， 在伺服系统设计时， 除某些操作特别频繁或交流伺服电动机在发热和启动、制动特性不能满足要求时， 必须选择直流伺服电动机外， 一般尽量考虑选择交流伺服电动机。交流电动机的缺点是转矩特性和调节特性的线性度不及直流伺服电动机好； 其效率也比直流伺服电动机低。 （） 步进电动机 步进电动机顾名思义就是一步一步走的电动机。所谓“走”， 就是一个脉冲信号控制下转动的角度。一般每步为.， 若转一圈， 需要 步才能完成。如图 所示。,上一页,下一页,返回,学习任务一 认识伺服系统,步进电动机主要有如下 类。 反应式步进电动机。 永磁式步进电动机。 永磁感应式步进电动机。 步进电动机又称电脉冲马达， 是通过脉冲数量决定转角位移的一种伺服电动机。由于步进电动机成本较低， 易于采用计算机控制， 因而被广泛应用于开环控制的伺服系统中。步进电动机比直流电动机或交流电动机组成的开环控制系统精度高， 适用于精度要求不太高的机电一体化伺服传动系统。目前， 一般数控机械和普通机床的微机改造中大多数均采用开环步进电动机控制系统。,上一页,下一页,返回,学习任务一 认识伺服系统,.伺服电动机控制技术 伺服电动机的驱动电路实际上就是将控制信号转换为功率信号， 为电动机提供电能的控制装置， 也称其为变流器， 它包括电压、电流、频率、波形和相数的变换。变流器主要是由功率开关器件、电感、电容和保护电路组成。开关器件的特性决定了电路的功率、响应速度、频带宽度、可靠性和功率损耗等指标。 近年来， 伺服电动机控制技术正朝着交流化、数字化、智能化三个方向发展。,上一页,下一页,返回,学习任务一 认识伺服系统,作为数控机床的执行机构， 伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体， 并随着数字脉宽调制技术、特种电动机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步， 经历了从步进到直流， 进而到交流的发展历程。,上一页,返回,学习任务二 认识伺服控制系统,.直流伺服控制系统 采用直流伺服电动机作为执行元件的伺服控制系统， 称为直流伺服系统。 直流伺服电动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仍具有较广泛的应用。 （） 直流伺服电动机驱动控制方式 直流伺服电动机为直流供电， 为调节电动机转速和方向， 需要对其直流电压的大小和方向进行驱动控制。目前常用可控硅变流技术直流调速驱动和晶体管脉宽调速驱动两种方式。,下一页,返回,学习任务二 认识伺服控制系统,近年来， 随着半导体制造技术和变流技术的发展， 相继出现了绝缘栅极双极型晶体管（）、场控晶闸管（） 等新型电力电子器件。传统的开关器件包括晶闸管（）、电力晶体管（）、可关断晶闸管（）、电力场效应晶体管（） 等。包括可控硅（晶闸管） 在内的电力电子器件是变流技术的核心。随着电力电子器件的发展， 变流技术得到了突飞猛进的发展， 特别是在交流调速应用方面获得了极大的成就。 变流技术按其功能应用可分成下列几种变流器类型： 整流器把交流电变为固定的（或可调的） 直流电。,上一页,下一页,返回,学习任务二 认识伺服控制系统,逆变器把固定直流电变成固定的（或可调的） 交流电。 斩波器把固定的直流电压变成可调的直流电压。 交流调压器把固定的交流电压变成可调的交流电压。 周波变流器把固定的交流电压和频率变成可调的交流电压和频率。 （） 常用直流伺服电动机驱动 直流伺服电动机的驱动控制一般采用脉冲调制法（）。 的全称是 （脉冲宽度调制）， 它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。,上一页,下一页,返回,学习任务二 认识伺服控制系统,广泛地用于电动机调速和阀门控制， 比如现在的电动车电动机调速就是使用这种方式。 采用脉宽调速驱动系统， 其开关频率高（通常达 ）， 伺服机构能够响应的频带范围也较宽， 与可控硅相比其输出电流脉动非常小， 接近于纯直流。 脉冲宽度调制（） 直流调速驱动系统原理如式（） 所示， 其中 为导通率，又称占空比或占空系数。,上一页,下一页,返回,学习任务二 认识伺服控制系统, 变换器基本原理。 脉宽调制型（） 功率放大电路的基本原理是： 利用大功率电器的开关作用， 将直流电压转换成一定频率的方波电压， 通过对方波脉冲宽度的控制， 改变输出电压的平均值，如图 所示。 双极式 变换器。 双极式 变换器的电路和电压、电流波形如图 和图 所示。 根据图 很容易导出双极式可逆 变换器电枢两端平均电压的表达式， 见式（）。,上一页,下一页,返回,学习任务二 认识伺服控制系统,双极式 变换器特点如下： 优点： .电流连续； .可使电动机在四个象限中运行； .电动机停止时， 有微振电流， 能消除摩擦死区； .低速时， 每个晶体管的驱动脉冲仍较宽， 有利于晶体管能可靠导通；,上一页,下一页,返回,学习任务二 认识伺服控制系统,.低速时平稳性好， 调速范围宽。 缺点： 在工作过程中， 个功率晶体管都处于开关状态， 开关损耗大， 且容易发生上、下两管直通的事故。为了防止上、下两管同时导通， 在一管关断和另一管导通的驱动脉冲之间， 应设置逻辑延时。 综上所述， 可以看出直流伺服系统的优缺点如下。 优点是精确的速度控制； 转矩速度特性很硬； 原理简单、使用方便； 价格优势明显。 缺点是电刷换向； 速度受限制； 附加了阻力； 会产生磨损微粒（对于无尘室）。,上一页,下一页,返回,学习任务二 认识伺服控制系统,.交流伺服系统 采用交流伺服电动机作为执行元件的伺服系统， 称为交流伺服系统。 到 世纪 年代中后期， 整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足， 尚不能完全满足运动控制的要求，近年来