3.3伺服系统与步进系统

3.3伺服系统与步进系统服务教育成就未来北京新大陆时代教育科技有限公司3.3.1伺服系统的特点3.3.2伺服系统的组成3.3.3伺服系统的性能要求3.3.4伺服系统的调试方法3.3.5伺服系统与步进系统的区别3.3伺服系统与步进系统伺服系统是一种控制系统，用于精确控制机械或电子设备的位置、速度和加速度。伺服系统是自动控制系统中的一类。它是伴随电的应用而发展起来的，最早出现于上世纪初。3.3.1伺服系统的特点

1934年第一次提出了伺服机构（Servomechanism）这个词，随着自动控制理论的发展，到上世纪中期，伺服系统的理论与实践均趋于成熟，并得到广泛应用。近几十年来在新技术革命的推动下，特别是伴随着微电子技术和计算机技术的飞速进步，伺服技术更是如虎添翼突飞猛进。3.3.1伺服系统的特点伺服系统通常由一个伺服电机、传感器和控制器组成。其中，伺服电机是一种特殊的电动机，具有高精度和高响应性能，可以根据控制信号精确地控制转动角度或线性位置。3.3.1伺服系统的特点伺服电机传感器用于测量机械或电子设备的位置、速度和加速度；常见的传感器包括编码器、光电传感器和加速度计。3.3.1伺服系统的特点绝对值编码器光电传感器三轴速度加速器控制器是伺服系统的大脑，接收传感器的反馈信号，并根据预设的控制算法计算出控制信号，以控制伺服电机的运动。3.3.1伺服系统的特点高精度伺服控制器伺服系统配备有检测装置，负责对输入信号和系统输出进行监控和检测。此外，还设置有放大装置和执行部件，以确保各部件之间的有效配合，并优化系统的工作性能。3.3.1伺服系统的特点为了进一步增强系统的稳定性和精度，通常还需添加信号转换线路和补偿装置。这仅指信息在系统中传递所必经的各个部分此外，以上各部分都离不开相应的能源设备、相应的保护装置、控制设备和其他辅助设备。3.3.1伺服系统的特点3.3.1伺服系统的特点伺服系统组成框图伺服系统的输出可以是各种不同的物理量，如速度（包括角速度）控制、位置（包括转角）控制和运动轨迹控制。伺服系统广泛应用于工业自动化、机器人、航空航天、医疗设备等领域，可以实现高精度、高速度和高稳定性的运动控制。3.3.1伺服系统的特点伺服系统在数控机床中扮演着重要的角色，其性能的优劣直接影响着机床的加工精度和效率。伺服系统具有高精度、高稳定性、高可靠性、高灵活性、高效能、可编程性等特点。3.3.1伺服系统的特点高精度：伺服系统需要具备精确的检测装置，以实现位置和速度的闭环控制。3.3.1伺服系统的特点高精度伺服系统高稳定性：伺服系统需要具有良好的稳定性，能够在负载变化、环境干扰等情况下保持稳定的运动性能。3.3.1伺服系统的特点交流伺服系统高可靠性：伺服系统需要采用多种反馈比较原理与方法，如脉冲比较、相位比较和幅值比较，以实现信息的准确反馈。3.3.1伺服系统的特点交流伺服驱动器高效能：伺服系统需要配备高性能的伺服电机，以产生足够大的加速或制动力矩，并在低速时保持稳定运转。3.3.1伺服系统的特点一体化伺服电机高灵活性：伺服系统需要具备宽调速范围的速度调节系统，以实现精确的位置控制和高性能的调速性能。3.3.1伺服系统的特点伺服液压系统可编程性：伺服系统通常为具有可编程的控制器，可以通过编程实现复杂的运动轨迹和控制逻辑。3.3.1伺服系统的特点可编程控制器3.3.1伺服系统的特点3.3.2伺服系统的组成3.3.3伺服系统的性能要求3.3.4伺服系统的调试方法3.3.5伺服系统与步进系统的区别3.3伺服系统与步进系统伺服系统是一种能够根据给定值和实际运行值之间的差异来调节控制量的系统。它由控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机组成。3.3.2伺服系统的组成伺服系统的组成1、控制器伺服系统的控制器根据数控系统给定的值和通过反馈装置检测到的实际运行值之间的差异，来调节控制量。用于控制伺服驱动装置和电机运动的设备，接收来自上位机或其他控制设备的指令，并通过对驱动装置的控制信号进行调整，实现对电机的位置、速度和力矩等参数的精确控制。3.3.2伺服系统的组成

控制器具有高精度、高稳定性和高可靠性的特点，能够实现对电机的精确控制，广泛应用于机械加工、自动化生产和机器人等领域。伺服系统的控制器通常由控制芯片、接口电路、信号处理器和控制算法等组成。3.3.2伺服系统的组成控制芯片：控制器的核心部分，负责接收和处理来自上位机或其他控制设备的指令，并生成相应的控制信号，常见的控制芯片有数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）和高级RISC机器（ARM）等。3.3.2伺服系统的组成接口电路：用于将控制信号从控制芯片传递给伺服驱动装置的设备，通常包括模拟信号输出、数字信号输出和通信接口等，可以根据不同的驱动装置和控制要求选择合适的接口电路。3.3.2伺服系统的组成信号处理器：用于对传感器信号进行处理和滤波的设备，可以接收来自位置传感器、速度传感器和力矩传感器等的反馈信号，并将其转换为数字信号，供控制芯片进行处理和控制。3.3.2伺服系统的组成控制算法：控制器的关键部分，根据控制要求和反馈信号，通过运算和调整控制信号，实现对电机的精确控制。常见的控制算法有位置控制、速度控制和力矩控制等，可以根据具体应用需求选择合适的控制算法。3.3.2伺服系统的组成2、功率驱动装置伺服系统的功率驱动装置作为系统的主回路，将电网中的电能转化为电动机所需的交流电或直流电，并调节电动机的转矩大小。用于提供电机所需的电力和控制信号的装置，负责将输入的电源电压转换为适合电机工作的电流和电压，并根据控制信号调整输出的功率。3.3.2伺服系统的组成伺服系统功率驱动装置的选择应根据电机的功率、控制要求和应用环境等因素进行，常见的功率驱动装置包括直流伺服驱动器、交流伺服驱动器和步进伺服驱动器等。这些驱动装置具有高效、稳定和可靠的特点，能够实现精确的位置和速度控制。3.3.2伺服系统的组成电源模块：负责将输入的电源电压进行滤波和稳压，提供稳定的电源给功率放大器和电机。3.3.2伺服系统的组成功率接收器：伺服系统功率驱动装置的核心部分，用于接收控制信号，并将其转换为适合电机工作的电流或电压输出。3.3.2伺服系统的组成功率放大器：通常采用功率晶体管、功率MOS管或功率集成电路等器件，能够提供足够的功率和电流给电机。3.3.2伺服系统的组成保护电路：为了保护伺服系统和电机的安全而设计的，可以监测电流、电压和温度等参数，当超过设定的阈值时，会触发保护机制，如过流保护、过压保护和过温保护等，以防止电机和驱动装置的损坏。3.3.2伺服系统的组成3、反馈装置伺服系统的反馈装置是用于实时监测电机转速和位置的装置。反馈装置的作用是提供准确的位置和速度反馈信号，使控制器能够实时调整电机的输出，实现精确的运动控制。常用的反馈装置包括编码器、光电开关和霍尔传感器等。3.3.2伺服系统的组成编码器：是一种能够将转动角度或线性位移转换为数字信号的装置，通过与电机轴或负载连接，可以提供精确的位置反馈。3.3.2伺服系统的组成编码器光电开关：是一种利用光电效应实现位置检测的装置，通过光电传感器和反射板的配合，可以实现高速、高精度的位置检测。3.3.2伺服系统的组成光电开关霍尔传感器：是一种基于霍尔效应原理工作的装置，通过检测磁场变化来实现位置和速度的反馈，具有快速响应和抗干扰能力强的特点。3.3.2伺服系统的组成霍尔电流传感器4、电动机伺服系统的电动机是伺服系统的核心部件，负责将电能转换为机械能，驱动机械系统进行精确的位置、速度和力矩控制。具有高精度、高响应和高可靠性的特点，广泛应用于机械加工、自动化生产和机器人等领域。根据具体应用需求和控制要求，可以选择合适的电动机类型和规格。电动机根据供电大小来驱动机械运转。3.3.2伺服系统的组成伺服系统的电动机通常采用直流电动机（DCmotor）、交流电动机（ACmotor）或步进电动机（Steppermotor）作为驱动源。根据不同的应用需求和控制要求，可以选择不同类型的电动机。3.3.2伺服系统的组成直流电动机：具有良好的速度和力矩响应特性，可以实现较高的控制精度。直流电动机通常由电枢、永磁体和换向器组成，通过调整电枢电流和永磁体磁场，可以实现对电机速度和力矩的精确控制。3.3.2伺服系统的组成直流电动机交流电动机：具有结构简单、维护方便的特点。交流电动机通常分为感应电动机和永磁同步电动机两种类型。3.3.2伺服系统的组成交流电动机分类其中，感应电动机通过调整电源频率和电压，可以实现对电机速度的控制；永磁同步电动机通过调整电源频率和电压以及永磁体磁场，可以实现对电机速度和力矩的控制。3.3.2伺服系统的组成交流电动机步进电动机：常用于伺服系统，通过控制电流脉冲的频率和方向，可以实现对电机的精确位置控制，具有结构简单、控制精度高的特点，适用于一些对位置控制要求较高的应用。3.3.2伺服系统的组成步进电动机1、稳定性好稳定性好是指伺服系统在受到扰动后能够迅速恢复到稳定状态，或者在输入指令信号作用下能够达到新的稳定运行状态。系统应能够在给定输入或外界干扰作用下，在短暂的调节过程后到达新的平衡状态。3.3.3伺服系统的性能要求2、精度高精度高是指伺服系统的输出量能够精确地跟随输入量的变化。对于精密加工的数控机床等应用，要求的定位精度或轮廓加工精度通常较高，允许的偏差一般在0.01～0.001mm之间。3.3.3伺服系统的性能要求3、快速响应好快速响应性好有两个含义。一是指伺服系统在动态响应过程中，输出量能够迅速跟随输入指令信号的变化。这要求过渡过程时间短，一般在200ms以内，甚至更短。二是指动态响应过程结束的迅速程度，即要求过渡过程的前沿陡峭，上升率要大。3.3.3伺服系统的性能要求4、节能高效节能高效是指伺服系统能够根据实际需要快速调整供给，从而提高能源利用效率。例如，在注塑机中，伺服系统能够根据需要快速调整供给，实现高效节能。3.3.3伺服系统的性能要求1、参数调整法通过调整伺服系统的参数，如增益、速度限制等，来优化系统的性能。可以根据试验和观察系统的响应来逐步调整参数，以达到稳定和精确的运动控制。3.3.4伺服系统的调试方法2、反馈信号检查法检查伺服系统的反馈信号，如编码器或其他位置反馈装置的输出信号，确保其正常工作。可以使用示波器或其他测试设备来检测信号的幅值、频率等。3.3.4伺服系统的调试方法3、控制信号检查法检查控制信号是否正确发送到伺服驱动器。可以使用示波器或逻辑分析仪来检测信号的波形和时序，确保控制信号的正确性。3.3.4伺服系统的调试方法4、运动控制算法调试法如果伺服系统使用了运动控制算法，可以通过调试算法的代码或参数来优化系统的性能。可以使用仿真工具或实际测试来验证算法的效果。3.3.4伺服系统的调试方法5、性能监测法在调试过程中，使用监测工具实时监测伺服系统的性能，如位置误差、速度响应等。根据监测结果，可以进一步调整参数或算法，以提高系统的性能。3.3.4伺服系统的调试方法6、负载测试法通过对伺服系统施加不同负载，如不同负载力矩或速度，来测试系统的稳定性和响应性。可以根据测试结果来调整参数或算法，以满足设计要求。3.3.4伺服系统的调试方法伺服系统主要通过脉冲进行位置控制。可以理解为，伺服电机每接收到一个脉冲，就会转动一个与该脉冲对应的角度，从而实现位置移动。同时，伺服电机本身具备脉冲发生器。3.3.5伺服系统与步进系统的区别因此每当电机转动一个角度，就会发出相应数量的脉冲，形成与接收到的脉冲相对应的闭环。通过这种方式，系统能够精确控制电机转动并实现高精度的定位，达到0.001mm级别。3.3.5伺服系统与步进系统的区别步进电机作为开环控制系统中一种，与现代数字控制技术有着密切联系。在国内数字控制系统中，步进电机应用非常广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机逐渐应用于数字控制系统中。3.3.5伺服系统与步进系统的区别为了适应数字控制的发展趋势，运动中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似(脉冲串和方向信号)，但在使用性能和应用场合上存在较大差异。下面就二者使用性能进行比较。3.3.5伺服系统与步进系统的区别3.3.5伺服系统与步进系统的区别步进电机1、控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为1.8°、0.9°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。3.3.5伺服系统与步进系统的区别

三洋公司生产的二相混合式步进电机其步距角可通过拨码设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。3.3.5伺服系统与步进系统的区别2、低频特性不同步进电机在低速时容易出现低频振动现象。这种振动频率与负载情况和驱动器性能有关，通常认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对机器的正常运转产生非常不利的影响。3.3.5伺服系统与步进系统的区别

因此，当步进电机工作在低速时，通常应采用阻尼技术以减小低频振动现象，如在电机上加装阻尼器或者在驱动器上采用细分技术等。3.3.5伺服系统与步进系统的区别交流伺服电机运行非常平稳，即使在低速时也不会发生振动。交流伺服系统具有共振抑制功能，可以弥补机械刚性的不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可以检测出共振点，方便系统调整。3.3.5伺服系统与步进系统的区别3、矩频特性不同步进电机的输出扭矩随着转速的升高而降低，并在较高转速时出现急剧下降，因此其最高工作转速通常在300～600转/分钟。3.3.5伺服系统与步进系统的区别

交流伺服电机具有恒定的扭矩输出，即在其额定转速（通常为2000转/分钟或3000转/分钟）内，都可以输出额定扭矩。在额定转速以上时，交流伺服电机表现为恒定功率输出。3.3.5伺服系统与步进系统的区别4、过载能力不同步进电机通常不具备过载能力。相比之下，交流伺服电机具有显著的过载能力。以三洋交流伺服电机为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩可以达到额定转矩的两到三倍，这使得它能够有效地克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。3.3.5伺服系统与步进系统的区别

因为步进电机缺乏这种过载能力，为了在选型时克服这种惯性力矩，常常需要选择具有较大转矩的电机。然而，机器在正常工作期间并不需要那么大的转矩，这就导致了转矩浪费的现象出现。3.3.5伺服系统与步进系统的区别5、运行性能不同步进电机的控制属于开环控制，这意味着对其的控制并未包含对输出结果的反馈。因此，如果启动频率过高或负载过大，步进电机容易出现步进丢失或堵转的现象。此外，当停止时转速过高，还可能出现过冲的现象。3.3.