伺服驱动系统概述

1、伺服驱动系统概述 1.1 伺服系统的一般组成伺服系统的一般组成 1.2 伺服系统的分类及特点伺服系统的分类及特点 1.3 机电系统对伺服系统的要求机电系统对伺服系统的要求 1.4 伺服系统中常用控制用电动伺服系统中常用控制用电动机概述机概述 1.1 伺服系统伺服系统 伺服伺服(servo) 就是在控制指令的作用就是在控制指令的作用下，控制驱动元件，使机械的运动部件下，控制驱动元件，使机械的运动部件按照指令的要求进行运动，并满足一定按照指令的要求进行运动，并满足一定的技术性能指标的技术性能指标。 伺服系统是以机械参数伺服系统是以机械参数(位移、速度、位移、速度、加速度、力和力矩等加速度、力和力矩

2、等)作为被控量的一种自作为被控量的一种自动控制系统动控制系统。 按结定值的变化情况可划分为:定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。 如CNC机床工作台的控制系统，雷达跟踪控制系统，机械手的运动控制系统等都是典型伺服系统的例子。 比较元件调节元件执行元件被控对象测量、反馈元件输入指令输出量图 伺服系统的一般组成一般形式的伺服系统部可描述为图一般形式的伺服系统部可描述为图5-1所示的形式所示的形式。1.2 伺服系统的分类及特点伺服系统的分类及特点 1. 按执行元件分类按执行元件分类 根据执行元件的不同，伺服系统可分为电气式电气式、液压式液压式和气压式气压式伺服系统，它们各有其特点和应用范围。气

3、压式伺服系统气压式伺服系统 能适应很宽的功率范围，但其频响很低，通常用于频响要求不高且控制精度较低的场合。 液压式伺服系统液压式伺服系统 动态响应范围较宽(1Hz1kHz)，且可输出很大的功率，但其泄漏会造成场地污染，还要附带油箱、油泵等油源设备，比较笨重，成本高，常用于大功率高频响应场合。 电气式伺服系统电气式伺服系统 频响范围大，功率输出为中小范围，控制灵活，成本低，且根据不同的技术要求可以选择不同类型的伺服电机，随着电机技术和电力电子技术的发展，电气式伺服系统可输出的功率也越来越大，因此它广泛用于各种机电一体化设备图 执行元件的种类交流(AC)伺服电动机直流(DC)伺服电动机步进电机其它

4、电机双金属片形状记忆合金压电元件其它电磁铁及其它与材料有关气压马达气 缸液压马达油 缸电动机电磁式液压式气压式执行元件表 执行元件的特点及优缺点种种类类特点特点优点缺点电气式可使用商用电源；信号与动力的传送方向相同；有交流与直流之别，应注意电压之大小操作简便；编程容易；能实现定位伺服；响应快、易与CPU相接；体积小、动力较大，无污染瞬时输出功率大；过载差，特别是由于某种原因卡住时，会引起烧毁事故，易受外部噪声影响气压式空气压力源的压力为（57）X105Pa，要求操作技术人员熟练气源方便、低成本；无泄漏污染；速度快、操作比较简单功率小，体积大；动作不够平稳；不易小型化；远距离传输困难；工作噪声大

5、、难于伺服液压式液压压力源的压力为（2080）X105Pa，要求操作技术人员熟练输出功率大，速度快，动作平稳，可实现定位伺服；易于CPU相接，响应快设备难以小型化；液压源液压油（杂质、温度、油量、质量）要求严格；易泄漏且有污染 2.按控制原理按控制原理分类分类 伺服系统根据控制原理，即根据有无检测环节及其检测部件，可分为开环开环、半闭环半闭环和闭环闭环三种基本的控制方式。 开环式伺服系统开环式伺服系统 没有检测环节的伺服系统。 执行元件一般是步进电机或电液脉冲马达。 由于没有检测元件，因此，开环式伺服系统的精度较低，一般可达(0.010.03)mm。 结构简单、成本低、调整和维修方便、工作可靠

6、，如在简易数控机床、线切割机、绘图仪、电子表等设备中。 闭环控制系统闭环控制系统 它装有各种各样的检测元件。 使用不同的反馈方式。检测元件将被控量(位置、速度等)检测出来，形成与输入指令能比较的信号，形成误差值。 用此误差来控制伺服机构向着消除误差的方向运转，最终达到输出等于输入。半半闭环方式闭环方式和全闭环方式全闭环方式两种。半闭环半闭环方式方式 是从电机轴上进行检测(或者从传动链中间轴上进行检测)。 因此它能有效地控制电机的转速和电机的角位移，然后通过滚珠丝杠之类的传动机构，把它转换成工作台或其它移动部件的直线位移。 如果丝杠的精度高、间隙小，伺服精度是可以保证的。 半闭环方式的优点是环路

7、短、刚度好、间隙小，即机械系统的非线性因素对系统的稳定性影响较小，因此稳定性好。 缺点是如果机械传动部分误差过大且误差值又不稳定，那么就难以补偿。全全闭环闭环方式方式 是直接从机床的移动部件上进行位置检测的，因此它的控制精度不受机械传动相应的影响。全闭环伺服系统的精度高，一般可达(0.0010.003)mm。 全闭环的环路中不仅有电机，还包括机械传动机构，机械系统的动态参数是非常复杂的，它不仅与部件的刚性和惯量有关，而且还与静压阻尼、油的粘度、滑动面的摩擦特性等因素有关，尤其是这些参数在不同的条件下经常变化，给伺服系统的稳定性带来一定的困难。 全闭环方式主要应用于精度和速度较高的精密和大型机电

8、一体化设备。图5-3 伺服系统的控制原理类型1.3 机电系统对伺服系统的要求机电系统对伺服系统的要求1. 稳定性稳定性 稳定性是一个系统正常工作的先决条件，同时又是系统动作保持一致性的重要条件。为了保证系统的运动精度，要求伺服系统在工作过程中尽量减小受负载变化和电压波动等各种因素的干扰所造成的影响。 2. 快速性快速性 在机电一体化产品中，起控制作用的微机运算速度大大高于机械部分的运行速度，故系统的实际响应速度就取决于机械部分的响应速度。提高伺服系统的响应速度可以提高运动精度及跟踪性能，提高整个系统的响应速度。3. 高精度高精度 伺服系统的精度指标有两个：其一是定位精度，其二是综合精度。 定位定位精度精度