伺服系统概述课件

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第12讲内容伺服系统概述1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第一节伺服系统概述伺服系统基本概念2

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。

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。

一、伺服系统基本概念电气控制装置机械执行装置执行元件传感器伺服系统组成图机械执行装置部分由两部分组成：电气控制装置部分

伺服来自英文单词Servo，指系统3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。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伺服系统组成原理框图伺服系统的结构组成比较元件调节元件执行元件被控对象测量、反4

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。

1.比较环节5

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。

3.执行环节6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7

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

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二、伺服系统8精度高：稳定性好：快速响应：调速范围宽：低速大转矩：

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：三、9

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：组成元件本身误差传感器的灵敏度和精度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系统本身结构形式输入指令信号的形式

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10

在零速时，伺服系统处于“锁定”状态，即惯性小。要求：

调速范围是伺服系统提供的最高速与最低速之比

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；

响应速度:是衡量伺服系统动态性能的重要指标在零速时，伺服系统处于“锁定”状态，即惯性小。要求：11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。

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；低速大12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第二节伺服系统的执行元件概述执行元件的种类及特点13

一、执行元件的种类及其特点一、执行元件的种类及其特点141.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。1.电气执行元件15异步电动机

感应电动机离合器电动机永磁同步电动机

微型直流减速电动机

电磁式异步电动机

感应电动机离合器电动机永磁同步电动机

微型直流减16液压式

液压式17伺服系统概述课件18气压式气压式19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.种类特点优点缺点电气式

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。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。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。气压式

气体压力源压力5~7×Mpa；要求操作人员技术熟练。气源方便、成本低；无泄露而污染环境；速度快、操作简便。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。液压式

液体压力源压力20~80×Mpa；要求操作人员技术熟练。输出功率大，速度快、动作平稳，可实现定位伺服控制；易与计算机（CPU）连接。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。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20气压系统与液压系统的比较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。气压系统与液压系统的比较空气可以从大气中取之不竭且不易堵塞；21惯量小、动力大体积小、重量轻便于维修、安装宜于微机控制二、执行元件的基本要求惯量小、动力大二、执行元件的基本要求22

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。三、常用的控制用电机

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。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23步进电机（SteppingMotor）直流伺服电机(DCServoMotor)交流伺服电机(ACServoMotor)伺服驱动电机一般是指：步进电机（SteppingMotor）直流伺服电机(DC24伺服系统概述课件25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。常用伺服控制电动26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。电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大开环数控系统电机机械执行部件A相、B相f、nCNC脉冲频率f27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。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28

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。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈半闭环数控系统位置控制调节器速度控制检测与反馈单元位置控制29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、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。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30

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。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈全闭环数控系统位置控制调节器速度控制检测与反馈位置控制单元31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。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。321、从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括、、、、等五部分。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伺服系统组成原理框图

习题控制器被控对象执行环节检测环节比较环节1、从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括331、伺服系统基本类型按控制原理分为三种形式按被控制量性质分、、、等伺服系统形式按驱动方式分、和等伺服驱动形式按执行元件分、、伺服形式

习题开环、闭环和半闭环有位移速度力力矩电气液压气压步进电机伺服直流电机伺服交流电机1、伺服系统基本类型习题开环、闭环和半闭环有34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第12讲内容伺服系统概述35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第一节伺服系统概述伺服系统基本概念36

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。

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。

一、伺服系统基本概念电气控制装置机械执行装置执行元件传感器伺服系统组成图机械执行装置部分由两部分组成：电气控制装置部分

伺服来自英文单词Servo，指系统37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。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伺服系统组成原理框图伺服系统的结构组成比较元件调节元件执行元件被控对象测量、反38

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。

1.比较环节39

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。

3.执行环节40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41

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

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二、伺服系统42精度高：稳定性好：快速响应：调速范围宽：低速大转矩：

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：三、43

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：组成元件本身误差传感器的灵敏度和精度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系统本身结构形式输入指令信号的形式

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44

在零速时，伺服系统处于“锁定”状态，即惯性小。要求：

调速范围是伺服系统提供的最高速与最低速之比

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；

响应速度:是衡量伺服系统动态性能的重要指标在零速时，伺服系统处于“锁定”状态，即惯性小。要求：45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。

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；低速大46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第二节伺服系统的执行元件概述执行元件的种类及特点47

一、执行元件的种类及其特点一、执行元件的种类及其特点481.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。1.电气执行元件49异步电动机

感应电动机离合器电动机永磁同步电动机

微型直流减速电动机

电磁式异步电动机

感应电动机离合器电动机永磁同步电动机

微型直流减50液压式

液压式51伺服系统概述课件52气压式气压式53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.种类特点优点缺点电气式

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。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。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。气压式

气体压力源压力5~7×Mpa；要求操作人员技术熟练。气源方便、成本低；无泄露而污染环境；速度快、操作简便。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。液压式

液体压力源压力20~80×Mpa；要求操作人员技术熟练。输出功率大，速度快、动作平稳，可实现定位伺服控制；易与计算机（CPU）连接。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。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54气压系统与液压系统的比较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。气压系统与液压系统的比较空气可以从大气中取之不竭且不易堵塞；55惯量小、动力大体积小、重量轻便于维修、安装宜于微机控制二、执行元件的基本要求惯量小、动力大二、执行元件的基本要求56

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。三、常用的控制用电机

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。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57步进电机（SteppingMotor）直流伺服电机(DCServoMotor)交流伺服电机(ACServoMotor)伺服驱动电机一般是指：步进电机（SteppingMotor）直流伺服电机(DC58伺服系统概述课件59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。常用伺服控制电动60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。电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大开环数控系统电机机械执行部件A相、B相f、nCNC脉冲频率f61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。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62

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。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈半闭环数控系统位置控制调节器速度控制检测与反馈单元位置控制63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，