机电一体化技术及应用 课件 3 伺服传动技术

第五节伺服系统中的检测元件第四节伺服系统中的执行元件第三节机械结构因素对伺服系统性能的影响第二节伺服系统的动态性能指标第一节伺服系统概述第三章伺服传动技术第六节电气伺服系统第七节电液伺服系统3.1伺服系统概述伺服系统:以位移、速度（加速度）或力（力矩）等机械参量为被控量，在控制命令的指挥下，控制执行元件工作，使机械运动部件按照控制命令的要求进行运动，具有良好的动态性能，从而使机械设备获得精确的位置、速度或力输出的自动控制系统。大多数伺服系统具有检测反馈环节，因而伺服系统也是一种反馈控制系统。其基本设计思想是系统实时检测在各种外部干扰作用下被控对象输出量的变化，与指令值进行比较，并利用二者的偏差值进行自动调节，以消除偏差，使被控对象输出量能够迅速、准确地响应输入指令值的变化。+输出量输入指令控制器功率放大器执行元件被控对象检测反馈元件比较元件3.1.1伺服系统的构成1.比较元件将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得控制系统动作的偏差信号。通常由专门的电子电路或计算机软件来实现。2.控制器对比较元件输出的偏差信号进行变换、处理，按照一定的控制算法生成相应的控制信号。通常由计算机或控制电路组成。3.功率放大器对控制信号进行放大，从而指挥执行元件按要求动作。主要采用各种电力电子器件构成。+输出量输入指令控制器功率放大器执行元件被控对象检测反馈元件比较元件3.1.1伺服系统的构成4.执行元件在控制信号的作用下，将输入的各种形式的能量转换成机械能，以驱动被控对象工作。机电一体化产品中多采用伺服电动机（包括交流伺服电动机、直流伺服电动机）和步进电动机为执行元件。5.被控对象伺服系统中被控制的机构或装置，完成系统目的之主体。包括机械负载和机械传动装置等。6.检测反馈元件对系统的被控制量进行实时测量，将其转换成比较元件所需要的量纲并反馈到比较元件。一般包括传感器及其转换放大电路等。3.1.2伺服系统的类型1.按控制方式的不同可分为★开环伺服系统★全闭环伺服系统★半闭环伺服系统2.按执行元件的不同可分为★电气伺服系统★液压伺服系统★气动伺服系统★电液伺服系统（1）开环伺服系统（无法测出和补偿系统误差；抗干扰能力差）1.按控制方式的不同分类如简易数控机械、机械手、小型工作台、线切割机和绘图仪等。取决于步进电机最高运行频率（2）全闭环伺服系统（工作台）设计、控制、调试难度大，制造成本高（3）半闭环伺服系统伺服传动系统执行元件系统特点电气伺服系统直流伺服系统交流伺服系统

步进伺服系统直流伺服电机交流伺服电机步进电机宜于微机控制，能实现定位伺服，过载性差，体积小，动力较大，无污染，应用广泛。液压伺服系统液压缸液压马达工作平稳，响应速度快，输出力矩大，特别是低速运行时的性能更具优势；设备复杂（包括泵、阀、过滤器、管路等），体积大，维修费用高，液压油易泄漏而造成环境污染。气动伺服系统气缸气动马达气源方便，无泄漏污染，功率小，成本低，设备复杂（同上），由于空气具有可压缩性，故定位精度不高（动作不够平稳），难于实现伺服。

电液伺服系统电液伺服马达电液步进电机数字式液压执行元件。电液相结合，信号处理部分（信号检测反馈，信号放大变换）采用电气元件，功率输出部分使用液压元件，充分发挥电气、液压两方面的优点；结构紧凑，响应速度快，输出转矩比电动机大，可直接驱动负载，过载能力强，定位精度高，适于重载的高加减速驱动。2.按执行元件的不同分类3.1.3伺服系统的基本要求稳定性当作用在系统上的扰动信号消失后系统能够恢复到原来的稳定状态下运行或当给系统输入一个新的指令信号后系统能够达到新的稳定运行状态的能力。精度系统输出复现输入指令的精确程度，以动态误差、稳态误差和静态误差来表现。快速响应性动态响应过程中系统输出能够快速跟随输入指令信号变化以及动态响应过程迅速结束的能力，衡量系统动态性能的重要指标。3.2机械结构因素对伺服系统性能的影响3.2.1阻尼的影响取0.4≤ζ≤0.8，可保证系统具有良好的稳定性和动态响应特性。3.2.2摩擦的影响1．引起动态滞后和系统误差2.引起低速爬行为改善伺服系统低速爬行现象，应尽量减小静摩擦和动、静摩擦之差值、适当增加系统的惯量J和粘性阻尼系数B，但增加J将降低系统的响应性能，增加B将增加系统的稳态误差。产生低速爬行的临界转速3.2.3结构弹性变形的影响1．结构谐振的影响

结构谐振（机械谐振）：由于机械传动装置（系统）的弹性变形而产生的振动。说明（1）如果系统要求不太高、且频带较窄，只要传动系统的刚度足够大，则结构谐振问题并不突出。（2）系统的精度和响应快速性的提高，必然导致系统频带宽度的提高，应注意谐振发生。（3）为避免伺服系统发生结构谐振，机械装置的固有频率必须远离伺服系统的带宽。（4）伺服系统性能的提高，特别是系统带宽的提高受到机械固有频率的限制。（5）对于精密机械设计，应尽可能提高固有频率。2．减小或消除结构谐振的措施（1）提高机械系统固有频率，使之处在伺服系统的通频带之外1）提高传动系统的刚度

a.采用弹性模量较高的材料；合理选择构件截面几何形状和尺寸。b.增加对机械系统固有频率有较大影响的薄弱环节的刚度（轴承和丝杠：预紧安装；末级输出轴：加大末级轴刚度，增大末级减速比）c.取消齿轮传动装置2）

减小负载的转动惯量将有利于提高伺服系统的快速性和固有频率，却将导致传动刚度降低。在不影响刚度条件下，尽量降低各部件的质量和惯量。（2）提高机械阻尼，抑制谐振1）采用粘性联轴器如在伺服电动机和减速器之间设置液体粘性联轴器，由于液体的粘性，可使系统的阻尼系数提高一个数量级。2）采用阻尼器在负载端设置液压或电磁阻尼器，可明显提高系统阻尼。3）采用结构阻尼较大的结构或材料螺栓联接的结构阻尼>焊接间断焊缝的阻尼>连续焊缝大灰铸铁阻尼系数>>钢3.2.4惯量的影响转动惯量对伺服系统的稳定性、精度以及动态响应均有影响。惯量增大，系统的固有频率下降，易产生谐振，限制了伺服带宽，导致伺服精度和响应速度降低。惯量增大，阻尼比减小，系统振荡加剧，稳定性变差。在不影响系统刚度的情况下，应尽可能减小惯量，只有在改善低速爬行时才可以适当增大惯量。3.2.5传动间隙的影响1．机械传动间隙（齿隙）

理想齿轮传动：输入输出间呈线性关系实际齿轮传动：输入输出间呈滞环特性

当主动轮转角时，。当时（转过a），两齿轮啮合，从动轮按线性关系跟随主动轮转动。当主动轮转至b点时需换向。由于齿隙，从动轮并不立即反向转动，直至主动轮转过2Δ后（c点），两个齿轮在另一侧齿面接触，从动轮才反转，两齿轮转角恢复线性关系。当到达e点，由于，主动轮将继续反转到d点。3.2.5传动间隙的影响结论齿隙使传动装置在主动轮（输入轴）可逆运转时，造成从动轮（输出轴）转角的滞后，即空程误差（回差）。末级齿轮的传动间隙影响最大，应尽可能提高其加工精度和装配精度。如三级齿轮传动，换算到输出轴的总间隙为应尽可能提高末级齿轮的加工精度和装配精度（1）闭环内前向通道上动力齿轮传动装置G2齿隙：影响系统的稳定性。（2）闭环内反馈数据通道中齿轮传动装置G3齿隙：既影响系统稳定性，又影响系统的精度。（3）闭环前数据输入通道上齿轮传动装置G1齿隙：影响系统的精度。（4）闭环后位置输出通道上齿轮传动装置G4齿隙：影响系统的精度。2．传动间隙对伺服系统性能的影响3.3伺服系统中的执行元件3.3.1执行元件的种类及其特点执行元件特点电气式直流伺服电机交流伺服电机步进电机宜于微机控制，能实现定位伺服，过载性差，体积小，动力较大，无污染，应用广泛。液压式液压缸液压马达工作平稳，响应速度快，输出力矩大，特别是低速运行时的性能更具优势；设备复杂（包括泵、阀、过滤器、管路等），体积大，维修费用高，液压油易泄漏而造成环境污染。气动式气缸气动马达气源方便，无泄漏污染，功率小，成本低，设备复杂（同上），由于空气具有可压缩性，故定位精度不高（动作不够平稳），难于实现伺服。

电液式电液伺服马达电液步进电机数字式液压执行元件。电液相结合，信号处理部分（信号检测反馈，信号放大变换）采用电气元件，功率输出部分使用液压元件，充分发挥电气、液压两方面的优点；结构紧凑，响应速度快，输出转矩比电动机大，可直接驱动负载，过载能力强，定位精度高，适于重载的高加减速驱动。各种执行元件的特点电液速度控制系统3.3.2执行元件的基本要求1．惯量小、动力大为使伺服系统具有良好的快速响应性能和足够的负载能力，执行元件应具有较小惯量，能输出较大功率，并且在加/减速时动力大。2．体积小、重量轻—易于安装、系统结构紧凑3.宜于计算机控制—最方便实行计算机控制的是电动式执行元件4.便于维修（尽量少维修，最好不维修）

无刷直流伺服电动机和交流伺服电动机能实现无维修，有刷直流伺服电动机必须定期维修（存在电刷）。3.3.3新型执行元件1.压电式驱动器利用压电材料逆压电效应来驱动运动机构作微量位移。逆压电效应(conversepiezoelectriceffect)：压电材料（压电陶瓷）在外界电场作用下产生应变，其应变大小与电场强度成正比，应变方向取决于电场方向。优点：

①位移量大(数厘米）；

②移动精度和分辨率高；

③动作快（20mm/min)；

④结构简单，尺寸小，易于遥控。2.磁致伸缩驱动器利用磁致伸缩效应来实现微量位移。磁致伸缩效应(magnetostrictiveeffect)：某些材料在磁场作用下产生应变，其应变大小与磁场强度成正比。特点：①重复精度高，无间隙；②刚性好，转动惯量小，工作稳定性好；③结构简单、紧凑；④进给量有限：理想铁磁材料7μm/100mm,适用于精确位移调整、切削刀具的磨损补偿、温度变形补偿及自动调节系统为实现较大距离的微量进给，常采用粗位移和微位移分离的传动方式。精密坐标调整用磁致伸缩传动原理图3.电热式驱动器

利用电热元件（金属棒）通电后产生的热变形来驱动执行机构的直线位移，通过控制电热器（电阻丝）的加热电流来改变位移量。特点：刚度高、无间隙；位移量小（物体的线膨胀量有限），存在热惯性，且难于精确控制冷却速度（传动杆内腔中通入压缩空气或乳化液进行冷却使之复位），故只能用于行程较短、工作频率不高的场合。电阻丝传动杆运动件外圆磨床砂轮架热变形进给机构3.4伺服系统中的检测元件3.4.1伺服系统中检测元件的种类伺服系统中常用直线位移检测传感器类型测量范围/mm线性度分辨力特点系统类型测量方式光电编码器1～10000.5%～1%±1个二进制数精度高，数字式，非接触式，功耗小，寿命长，可靠性高全闭环半闭环直接测量，间接测量光栅30～3000精度0.5～3μm/m0.1～10μm精度最高，易数字化，结构复杂，对环境要求较高，高精度检测中常用闭环直接测量磁栅1000～2×104精度1～2μm/m1μm制造简单，使用方便，磁信号可重新录制，可用于大型机床中检测大位移；需要采用磁屏蔽和防尘措施开环全闭环直接测量3.5伺服系统中的检测元件3.5.1伺服系统中检测元件的种类伺服系统中常用直线位移检测传感器类型测量范围/mm线性度分辨力特点系统类型测量方式光电编码器1～10000.5%～1%±1个二进制数精度高，数字式，非接触式，功耗小，寿命长，可靠性高全闭环半闭环直接测量，间接测量光栅30～3000精度0.5～3μm/m0.1～10μm精度最高，易数字化，结构复杂，对环境要求较高，高精度检测中常用闭环直接测量磁栅1000～2×104精度1～2μm/m1μm制造简单，使用方便，磁信号可重新录制，可用于大型机床中检测大位移；需要采用磁屏蔽和防尘措施开环全闭环直接测量

伺服系统中常用直线位移检测传感器（续）类型测量范围/mm线性度分辨力特点系统类型测量方式感应同步器200～4×104精度2.5μm/m0.1μm结构简单，动态范围宽，精度高；体积大，安装不方便，在机床加工中应用广泛开环，全闭环直接测量旋转变压器

对环境要求低，有标准系列，使用方便，抗干扰能力强，性能稳定开环间接测量

伺服系统中常用角位移检测传感器类型测量范围精度分辨力特点系统类型测量方式光电编码器360°0.7″±1个二进制数分辨力和精度高，易数字化，非接触式，功耗小，可靠性高，寿命长；电路较复杂半闭环间接测量感应同步器360°±0.5″～±1″0.1″精度较高，易数字化，能动态测量；体积大，结构简单，对环境要求低；电路较复杂开环全闭环

旋转变压器360°2′～5′

对环境要求低，有标准系列，使用方便，抗干扰能力强，性能稳定；精度不高，线性范围小开环伺服系统中常用速度检测传感器类型测量范围线性度分辨力特点测量方式光电编码器10000r/min

163840p/r精度高，易数字化，非接触式，功耗小，可靠性高，寿命长；电路复杂直接测量测速发电机20～400r/min0.2%～1%0.4～5mV•min/r结构简单，线性度好，灵敏度高，输出信号大，性能稳定直接测量3.4.2伺服系统中的测量方式1.直接测量：传感器安装在执行机构末端，直接测量输出量①测量精度取决于传感器精度和信号采样精度，不受传动机构精度的影响；②传动机构的误差可以通过控制得到补偿；③对传感器精度的要求较高，成本较高；④传感器选择受安装几何条件和环境条件的限制。2.间接测量：在与输出量相关的部件上安装传感器，检测到与输出量相关的信息，再通过数学运算得到实际的输出量。①测量精度不但取决于传感器精度和信号采样精度，而且还受到传动机构精度的影响；②闭环之外的传动机构的误差无法得到补偿；③对传感器精度的要求较低，成本较低；④传感器安装方便，对环境的适应性较好。3.5电气伺服系统3.5.1直流伺服系统采用直流伺服电动机作为执行元件的伺服系统称为直流伺服系统。1.直流位置伺服系统的组成及工作原理脉宽调制（PWM）调速原理利用脉宽调制器对大功率晶体管的开关时间进行控制，将直流控制电压U转换成脉冲方波，通过改变脉冲宽度τ来改变电枢两端的平均电压Ua，从而达到平滑调节电动机转速的目的。利用可逆PWM变换器实现电动机双向调速2.直流位置伺服系统的稳态误差分析（1）检测误差由检测元件引起，取决于检测元件本身的精度。（2）原理误差由系统自身结构、系统特征参数和输入信号形式决定。（3）扰动误差由负载变化和电网波动引起的扰动和噪声干扰等引起。3.5.2交流伺服系统1.矢量控制的交流伺服系统矢量控制：设法在交流电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律，从而使交流电动机具有相同的电磁转矩产生及控制的能力。矢量控制交流伺服系统原理框图2.SPWM变频调速控制的交流伺服系统（1）变频调速的基本原理

通过均匀改变频率来平滑地改变电动机转速。（2）SPWM

根据比值在变频的同时改变电压，并按正弦波规律调制脉冲宽度。单极型SPWM波形双极型SPWM波形（3）SPWM变频器（4）SPWM逆变器的调制方式1）同步调制改变fr的同时成比例地改变ft，使N始终保持不变。2）异步调制在改变fr的同时，ft的值保持不变，使N值不断变化。3）分段调制在恒转矩区，低速段采用异步调制，高速段分段同步化，N值逐级改变。（5）SPWM专用芯片HEF4752

（6）SPWM专用芯片HEF4752

3.5.3步进伺服系统一般数控机械和普通机床的数控改造中大多采用步进电动机开环控制系统。步进电动机受控于电脉冲信号（角位移正比于脉冲数；转速正比于脉冲频率；改变脉冲分配相序，可改变电动机转动方向；脉冲的有无决定了电动机的启/停），比由直流伺服电动机或交流伺服电动机组成的开环控制系统精度高。1.步进电动机的开环控制（1）串行控制（2）并行控制2.步进电动机的闭环控制