机电一体化技术-机电一体化技术-机电一体化的单元技术-伺服驱动技术-1课件

第2章机电一体化的单元技术

2.4伺服驱动技术

——概述、组成、分类、基本要求、应用机械工程学院

伺服(Servo)源自于拉丁语的Servus(英语为Slave:奴隶)奴隶的功用是忠实地遵从主人的命令从事体力工作,也就是“依指令准确执行动作的驱动装置；能够高精度的灵敏动作表现，自我动作状态常时确认”。而具有这种功能装置就称为伺服系统。一、伺服驱动概述机械工程学院

伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够以一定的准确度跟随输入信号量(或给定值)的任意变化的自动控制系统。用来自动、连续、精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统，又称随动系统或自动跟踪系统。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、速度、加速度等参数的反馈控制系统，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)。机械工程学院

伺服系统是机电一体化系统或产品中的重要组成部分，最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的控制等。采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的：

①以小功率指令信号去控制大功率负载，火炮控制和船舵控制就是典型的例子；②在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动；

③使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录和指示仪表等。

机械工程学院

二、伺服驱动的组成以数控机床工作台伺服系统为例：机械工程学院

控制器：是计算机或PID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。执行环节：按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转换成机械能，驱动被控对象工作。比较环节：将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，获得输出与输入间偏差信号的环节，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动控制单元驱动和控制执行元件带动工作台运动，通常由专门的电路或计算机来实现。机械工程学院

被控对象：被控制的机构或装置，是直接完成系统目的的主体。被控对象一般指机器的运动部分，包括传动系统、执行装置和负载，如工业机器人的手臂、数控机床的工作台以及自动导引车的驱动轮等。检测环节：能够对输出进行测量，并转换成比较环节所需要的量纲后反馈给比较控制环节的装置，一般包括传感器和转换电路。机械工程学院

在实际的伺服控制系统中，上述每个环节在硬件特征上并不一定成立，可能几个环节在一个硬件中。如测速直流电机既是执行元件又是检测元件。机械工程学院三、伺服驱动的分类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。位置控制：例如送料，定长裁切，套色印刷等方面。转矩控制：例如生产造纸卷取，薄膜拉伸之类的设备上面。转矩控制不一定是驱动负载很大的场合的。例如拉拔细铜丝的设备，负载根本就不大。但对转矩就有严格的要求。

机械工程学院2．按系统结构特点分类

从系统结构特点来看，伺服系统又可分为开环控制伺服系统、半闭环控制伺服系统和闭环控制伺服系统。开环：机构比较简单，易于控制，工作可靠，容易掌握使用，但精度差，低速不平稳，高速扭矩小，适用于中、小型精度要求不高的机电一体化设备中或经济型系统中。

如简易数控机械、机械手、小型工作台、冲床自动送料装置和绕线机的同步运动等。机械工程学院机械工程学院机械工程学院

检测元件安装在电机轴上，伺服机械传动装置不包括在环内，所以机械传动误差没有反馈，其位置精度与开环控制相当。

但其驱动功率大，响应速度快，只要检测元件分辨率高、精度高，并使机械传动件具有相应的精度，就会获得较高精度和速度。机械工程学院机械工程学院

系统被控对象的输出(被控制量)会反馈回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。

在闭环系统中，检测元件安装在工作台上，直接测量工作台的位移，将测得的位移量反馈到数控装置，与要求的位移量进行比较，根据比较结果增加或减少发出的脉冲数，对执行部件的移动进行补偿，直至差值为零。机械工程学院

闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈(NegativeFeedback)，若相同，则称为正反馈(PositiveFeedback)，一般闭环控制系统均采用负反馈。

闭环控制系统对输出进行直接控制，可以消除整个系统的误差和间隙，其控制精度、动态性能等较开环系统好，其定位精度取决于检测装置的精度，但因受机械传动部件的非线性影响严重，系统比较复杂，调试、维修的难度较大，检测比较麻烦，成本高。特点：机械工程学院3．按驱动元件的类型分按驱动元件的不同分类，是最常用的一种方法，可分为液压伺服系统、气压伺服系统、电气伺服系统。

机械工程学院

液压伺服系统是较早期的伺服驱动装置，也是功率最大的伺服驱动装置。

电气伺服系统是发展最快的驱动装置，也是目前最实用的伺服驱动装置。机械工程学院

四、伺服驱动的基本要求

伺服系统是一种具有响应和执行指令的装置，为了保证动作的快速和准确，伺服系统必须能够满足以下四个基本要求：(1)稳定性好。

稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。机械工程学院(2)精度高。

精度是伺服系统的一项重要性能要求。它是指输出量复现输入指令信号的精确程度。

对精度要求高主要在两个方面：

一是要求驱动装置比较经济地满足定位准确的要求，定位误差要小，特别是重复定位误差；

二是要求跟随精度高，即在运动的过程中，位置的实际值与给定值的误差要小。机械工程学院(3)快速响应性好。快速响应性有两方面含义，一方面指动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒。另一方面，为了满足超调要求，动态响应过程结束的迅速程度。伺服系统对输入指令信号的响应速度常由系统的上升时间(输出响应从零上升到稳态值所需要的时间)来表征，它主要取决于系统的阻