《机电一体化技术》课件-第五章 伺服传动技术

第五章伺服传动技术5.1伺服传动技术概述目

录伺服传动技术概念

1伺服系统的结构组成24伺服系统基本要求伺服系统的分类3伺服传动技术概念伺服传动技术（也称为伺服控制，或伺服系统）它是指在控制指令的指挥下，控制驱动执行机构，使机械系统的运动部件按照指令要求进行运动。实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态能够自动，连续，精确的复现输入指令信号的变化规律。伺服系统主要用于机械设备位置和速度的动态控制，在数控机床、工业机器人、坐标测量机以及自动导引车等自动化制造、装配及测量设备中，已经获得非常广泛的应用。

伺服系统的结构组成图1伺服系统的组成原理图伺服系统的结构组成比较元件♦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。调节元件♦调节元件又称控制器，控制器的主要任务是根据输入信号和反馈信号决定控制策略。常用的控制算法有PID(比例.积分、微分)控制和最优控制等。控制器通常由电子线路或计算机组成。执行元件♦执行元件主要由伺服电动机或液压伺服机构和机械传动装置等组成。目前，采用电动机作为驱动元件的执行机构占据较大的比例。伺服电动机包括步进电动机、直流同服电动机、交流伺服电动机等。伺服系统的结构组成被控对象♦被控对象是伺服系统中被控制的设备或装置，也是机电一体化产品最关心的运行机构，它是直接实现目的功能或主功能的主体，其行为质量反映着整个伺服系统的性能。被控对象一般是机械装置，包括传动机构和执行机构。测量反馈元件♦测量反馈元件是指传感器及其信号检测装置，用于实时检测被控对象的输出量并将其反馈到比较元件。伺服系统的分类通常根据伺服驱动机的种类来分类，有电气式、油压式或电气一油压式三种伺服系统。若按功能来分：有速度或加速度伺服系统、位置伺服系统等。若按照系统中包含的元件特性和信号作用来分，可分为模拟式伺服系统和数字式伺服系统二大类。按控制理论，伺服系统一般分为:开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环同服系统三类。伺服系统的分类开环伺服系统♦开环伺服系统的能换部件主要是步进电机或电液脉冲马达，其指令脉冲个数与转过的角度呈线性关系，故开环系统一般不用位置检测元件实现定位，它通过指令脉冲的个数控制位置移量，借助指令脉冲的频率控制其运动速度。♦该系统结构简单，易于控制，但精度差，低速不平稳，高速扭矩小。它一般适用于要求不太高的场合，例如轻载负载变化不大或经济型数控机床一般采用这种系统。伺服系统的分类闭环伺服系统♦闭环伺服系统是误差控制随动系统，对于数控机床，其进给系统的误差是CNC输出的位置机床工作台(或刀架)实际位置的的差值。显然，开环同服系统不能反映运动的实际位置，因此需要有位置检测系统。该系统测出实际位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给CNC装置，与指令进行比较，求得误差，因此构成闭环位置控制。由于闭环伺服系统是反馈控制，反馈测量系统精度一般比较高，所以系统传动链的误差，环内各元件的误差以及运动中造成的误差都可以得到补偿，从而大大提高了跟随精度和定位精度。♦闭环数控机床的分辨率多数为1μm，定位精度可达+0.01~0.005mm?高精度的分辨率可达0.1μm。整个装置的精度主要取决于测量系统的制造精度和安装精度。伺服系统基本要求对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速响应性。♦

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。♦

精度是伺服系统一项重要的性能要求。它是指其输出量复现输入指令信号的精确程度。♦

快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项重要指标。有两方面含义：一是指动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度。二是指动态响应过程结束的迅速程度。第五章伺服传动技术5.2步进电动机目

录步进电机的结构

1步进电机的工作原理

24步进电机的起动频率步进电机的技术指标和运行特性3步进电机丝杠步进电动机驱动数控机床步进电机作用：

电脉冲信号转换成相应角位移的电动机，每当一个电脉冲加到步进电动机的控制绕组上时，它的轴就转动一定的角度，角位移量与电脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，又称为脉冲电动机。步进电机分类：

按励磁方式分类：永磁式混磁式磁阻式（反应式）按相数分类：单相；两相；三相；多相步进电机的结构5.2.1模型结构示意图转子定子转子齿转子齿步进电机的工作原理5.2.2工作原理U相控制绕组通电，V、W两相控制绕组不通电

磁力线总是通过磁阻最小的路径闭合，转子受到磁阻转矩的作用转子齿1和3与定子U相磁级轴线对齐，转子停止转动三相磁阻式步进电动机单三拍控制时的工作原理

步进电机的工作原理工作原理V相控制绕组通电，U、W两相控制绕组不通电

磁力线总是通过磁阻最小的路径闭合，转子受到磁阻转矩的作用转子齿2和4与定子V相磁级轴线对齐，转子停止转动三相磁阻式步进电动机单三拍控制时的工作原理

步进电机的工作原理工作原理W相控制绕组通电，V、U两相控制绕组不通电

磁力线总是通过磁阻最小的路径闭合，转子受到磁阻转矩的作用转子齿1和3与定子W相磁级轴线对齐，转子停止转动三相磁阻式步进电动机单三拍控制时的工作原理

步进电机的工作原理结论：按U－V－W－U的顺序轮流给各相控制绕组通电转子在磁阻转矩的作用下按U－V－W相序方向一步一步的转动转速:取决于绕组变换通电状态的频率，即输入脉冲的频率。旋转方向:取决于控制绕组轮流通电的顺序。步进电机的技术指标和运行特性5.3.3主要技术指标和运行特性（一）步距角与Zr,定子绕组相数、通电方式有关。目前我国步进电动机的步距角为0.36º～90º，常用的有7.5º/15º、3º/6º、1.5º/3º、0.9º/1.8º、0.75º/1.5º、0.6º/1.2º、0.36º/0.72º等几种

。步进电机的技术指标和运行特性（二）最大静转矩静转矩是指步进电动机处于稳定状态下的电磁转矩。在稳定状态下，如果在转子轴上加上负载转矩使转子转过一定角度θ，并能稳定下来，这时转子受到的电磁转矩与负载转矩相等，该电磁转矩即为静转矩，而角度θ即为失调角。对应于某个失调角时，静转矩最大，称为最大静转矩。

步进电机的技术指标和运行特性（三）矩频特性步进电动机的动态转矩和脉冲频率的关系称为矩频特性。步进电动机的动态转矩随着脉冲频率的升高而降低。

动态转矩：步进电动机的控制绕组的电脉冲时间间隔大于电机机电过渡过程所需的时间，步进电动机进入连续运行状态，这时电动机产生的转矩称为动态转矩。

步进电机的起动频率（四）起动频率和连续运行频率

步进电动机的工作频率起动频率

制动频率

连续运行频率

负载转矩相同时，正、反向的起动频率和制动频率一样

步进电机的起动频率起动频率fst一定负载转矩下能够不失步起动的最高脉冲频率。fst的大小与驱动电路和负载大小有关。步距角θb越小，负载越小，则起动频率越高。

连续运行频率f步进电动机起动后，当控制脉冲连续上升时，能不失步运行的最高频率。负载越小，连续运行频率越高。在带动相同负载时，步进电动机的连续运行频率比起动频率高得多。

第五章伺服传动技术5.5交流伺服电动机工作原理目

录交流伺服电动机基本结构

1交流伺服电动机工作原理2交流伺服电动机基本结构交流伺服电动机的外形图1交流伺服电动机的外形图交流伺服电动机基本结构交流伺服电动机的结构交流伺服电动机结构图

交流伺服电动机原理图交流伺服电动机基本结构鼠笼型交流伺服电动机结构♦鼠笼型转子与普通鼠笼式电动机转子相似，在制造时保证了定子内圆和转子外圆的同心度和装配精度，其气隙小，且转子细而长，转子电阻通常比较大，转子导体一般采用高电阻率的材料，如黄铜或青铜制成。1.定子2.转子

鼠笼型交流伺服电动机结构交流伺服电动机基本结构思考:1.交流伺服电动机的鼠笼型转子为什么比普通鼠笼式的电动机的转子细而长？

2.转子导体为什么要采用高电阻材料呢？答：1.为了减小交流伺服电机的转动惯量，提高灵敏度。

2.为了防止“自转现象”的发生。

交流伺服电动机基本结构笼型交流伺服电动机优缺点♦优点：利用率高，体积小，机械强度高，可靠性高，制造成本低。♦缺点：有齿槽粘合现象，影响始动电压的降低，低速运转时不够平滑，有抖动现象。交流伺服电动机基本结构非磁性杯形转子交流伺服电动机的结构

杯型交流伺服电动机结构图1.外定子铁心2.杯形转子3.内定子铁芯4.转轴5.轴承6.定子绕组交流伺服电动机基本结构非磁性杯形转子交流伺服电动机优缺点♦优点：转子惯性小，运转平滑，无抖动现象，始动电压低。♦缺点：内、外定子气隙较大，励磁电流大，利用率低，体积大，制造成本高。交流伺服电动机工作原理在电机气隙中会产生顺时针方向旋转磁场旋转磁场转动切割转子鼠笼铜条绕组电流与磁场相互作用产生转矩形成转子电流在绕组中产生感应电动势转子以小于旋转磁场的转速转动U超前V为90°U1U2轴线⊥V1V2轴线

交流伺服电动机工作原理总结♦定子绕组通入三相交流电产生旋转磁场旋转磁场切割转子中的金属导体产生电流有电流流过的铜条在磁场中受力转子产生旋转力矩，驱动转子旋转。交流伺服电动机工作原理思考：1.什么叫“自转”？

2.如果将控制电压信号

撤掉，两相异步交流伺服电动机能否停止转

动呢？

3.如何消除交流伺服电动机的自转？

答：1.如果伺服电动机控制电压消失后，像一般单向异步电动机那样继续转动，

则出现失控现象，这种因失控而自行旋转的现象称为自转。

2.电机必须停止转动。

3.可以通过增大转子导条的电阻值消除自转。

第五章伺服传动技术知识延伸：PLC实现三相异步电动机的连续运行控制目

录任务分析1任务实施2任务小结3思考与练习4任务分析任务提出：三相异步电动机连续运行电路a)主电路b)控制电路c)时序图任务分析

一、任务分析1.输入输出点分配

输入

输出

输入继电器

输入元件

作用

输出继电器

输出元件

作用I0.0SBl

启动按钮Q0.0KM运行用交流接触器I0.1SB2

停止按钮I0.2FR

过载保护任务分析

2．编写梯形图任务分析

任务分析

任务实施

二、任务实施1．按图2-43（a）接线，检查线路正确性，确保无误。2．输入图2-43b所示的梯形图或指令表，进行程序调试，检查是否实现了连续运行的功能。3．输入图2-43c所示的梯形图或指令表，进行程序调试，检查是否实现了连续运行的功能。4．按图2-44（a）接线，输入如图2-44b所示的梯形图或如图2-44c所示的指令表，进行程序调试，检查是否实现了连续运行的功能。5．PLC控制电路同上一步，把如图2-44所示的用启一保一停方法编写的梯形图改用置位复位指令编写的梯形图，进行程序调试，直到完成连续运行的功能。6．按图2-45接线，输人如图2-45b所示的梯形图或如图2-45c所示的指令表，进行程序调试，检查是否完成了连续运行的功能。7．PLC控制电路同上一步，把如图2-43所示用启一保一停方法编写的梯形图改用置位复位指令编写的梯形图，进行程序调试，直到完成连续运行的功能。8．上述实训中，4个梯形图中所用的触点都是电平触发的，它们可以改为边沿触发吗？试着修改，并进行调试。任务小结

三、任务小结触点串联、并联指令，置位、复位指令、边沿脉冲指令、RS触发器指令“启—保—停”、自锁作用的梯形图编写梯形图的编写与外部接线之间的关系思考与练习四、思考与练习

在某一控制系统中，SB0为停止按钮，SB1、SB2为点动按钮，当SB1按下时电动机M1启动，此时再按下SB2，电动机M2启动而电动机M1仍然工作，如果按下SB0，则两个电动机都停止工作，试用PLC实现这一控制功能。第五章伺服传动技术知识延伸：

PLC实现三相异步电动机的正反转控制1

基本指令2

PLC控制系统设计步骤3

分组操作

目

录

我们学过了哪些编程指令？LD/LDN、=、A/AN、O/ON请说出以下梯形图中都用到了哪些指令？复习回顾新课引入课堂小结content任

务

提

出复

习

回

顾任务实施学习目标作业布置教学安排知识目标：掌握置位、复位指令的使用方法（重点）；了解PLC控制系统的设计步骤。技能目标：会利用触点串并联指令和置位、复位指令编写电机正反转控制的梯形图（重难点）。素养目标：培养学生严谨的工作态度，良好的团队协作能力；培养学生精益求精的工匠精神，强烈的社会责任感。教学目标任务提出图1

电机正反转控制的典型应用控制要求：1.在工作过程中按下正向启动按钮，正转接触器得电，电机正转；按下反向启动按钮，反转接触器得电，电机反转；按下停止按钮，两台电动机都不运转。2.为了防止电动机功率过大导致起动电流过大，不允许在正反转之间直接切换，必须先停止后变向。3.要求实现过载保护，当热继电器FR过热动作时，电动机停止运行。本任务是研究用PLC实现三相异步电动机的正反转控制任务提出LADSTL功能置位指令S

bit,N从bit开始N个元件置1并保持复位指令R

bit,N从bit开始N个元件清0并保持置位S

、复位R指令表1置位/复位指令功能表知识讲解I0.0Q0.0,2I0.

1Q0.0,2LDSLDR图2

时序图置位复位指令的使用说明：①对位元件来说一旦被置位，就保持在通电状态，除非对它复位；而一旦被复位就保持在断电状态，除非对它再置位。②S/R指令可以互换次序使用，但由于PLC采用扫描工作方式，所以写在后面的指令有优先权。③如果对计数器和定时器复位，则计数器和定时器的当前值被清零。④N的范围为1~255，N可为：

VB、IB、QB、MB、SMB、SB、LB、AC、常数、

*VD、*AC和*LD。一般情况下使用常数。⑤S/R指令的操作数为：I、Q、M、SM、T、C、V、S和L。知识讲解请大家按照以下控制要求编写程序：按下按钮SB0，L0---L5六盏灯全部点亮，按下按钮SB1，L0、L1、L2、L3这四盏灯熄灭，按下按钮SB2，L4、L5这两盏灯熄灭。练习分组操作2.

绘制I/O

分配表1.

任务分析4.

软件

编程3.

硬件接线知识讲解PLC控制系统设计步骤图3PLC控制系统设计步骤图4三相异步电动机“正-停-反

”控制电路a)主电路b)

控制电路图5三相异步电动机“正-反-停

”控制电路a)主电路b)

控制电路讨论分析：我们应该采用哪种控制电路？为什么？任务实施1.任务分析a)b）输

入输

出输入

继电器输入

元件作用输出

继电器输出

元件作用任务实施2.绘制I/O分配表I/O端口分配表 本次PLC的CPU采用220V交流供电，接地点有效接地。

确保在断电状态下进行接线。按照I/O信号表进行接线，另一端接0V低电位。将所用到点位的公共端与高电位相连接，形成受PLC控制的回路。

检查接线无误，上电。爱岗敬业脚踏实地勇于创新团结协作3.硬件接线(分组操作）设计I/O端口接线图并完成外部接线这里为了提高实验效率，可以用两盏灯来代替控制电机正反转的两个接触器的线圈。任务实施

任务实施

4.软件编程(分组操作）设计梯形图，进行程序调试，检查是否实现了电机正反转的功能。执着专注精益求精

一丝不苟

追求卓越检查验收学生自评30%学生互评40%教师评价30%1.请小组的代表分享各自的设计方法。2.请小组代表分享实验中遇到的问题及解决方案。成果分享小组代表发言多元评价总结归纳方法1方法2总结归纳方法3方法4

本次课程只是教给大家处理PLC控制问题的常用思路，课下还需要同学们多思考，多练习！

用触点串并联指令和、

S/R指令两种方法完成了电机正反转梯形图的设计、调试。

我们通过电机正反转控制实训了解了PLC控制系统的设计步骤。课堂小结提升知识储备1.阅读资料并找到电机正反转控制的其他应用。2.思考如果电机控制中有先后顺序该如何实现其控制要求？提升实践技能在某一控制系统中，

SB0为停止按钮

,

SB1、SB2为点动按钮，

当SB1按下时电

动机M1启动，此时再按下SB2，电动机M2

启动而电动机M1仍然工作，如果按下SB0

,则两个电动机都停止工作，

试用PLC实

现这一控制功能。作业布置电机正反转控制积分榜第五章伺服传动技术知识延伸：

三相异步电动机的基本控制线路目

录三相异步电动机直接起动控制线路1三相异步电动机正反转控制线路2三相异步电动机直接起动控制线路一、三相异步电动机直接起动控制线路1．单向全电压起动控制三相异步电动机直接起动控制线路起动:合上三相电源开关QS，按下起动钮SB2，接触器KM的线圈通电，其主触点闭合，电动机直接起动运行。同时与SB2并联的辅助触点KM闭合，将“SB2”短接，其作用是当放开起动按钮SB2后，仍可使KM线圈通电，电动机继续运行。停止:按停止按钮SB1，接触器KM的线圈断电，其常开主触点断开，电动机停止转动。三相异步电动机直接起动控制线路2．点动控制三相异步电动机直接起动控制线路图（a）是基本的点动控制线路。图（b）是带手动开关SA的点动控制线路，打开SA将自锁触点断开，可实现点动控制。合上SA可实现连续控制。图（c）增加了一个点动用的复合按钮SB3，点动时用其常闭触点断开接触器KM的自锁触点，实现点动控制；连续控制时，可按起动按钮SB2。图（d）是用中间继电器实现点动的控制线路，点动时按SB3，中间继电器KA的常闭触点断开接触器KM的自锁触点，KA的常开触点使KM通电，电动机点动；连续控制时，按SB2即可。三相异步电动机正反转控制线路1．电动机的“正-停-反”控制线路二、电动机的正反转控制线路三相异步电动机正反转控制线路正向起动过程：按下起动按钮SB2，接触器KM1线圈通电，与SB2并联的KM1的辅助常开触点闭合，以保证KMl线圈持续通电，串联在电动机回路中的KM1的主触点持续闭合，电动机连续正向运转。停止过程：按下停止按钮SB1，接触器KMl线圈断电，与SB2并联的KM1的辅助触点断开，以保证KMl线圈持续失电，串联在电动机回路中的KMl的主触点持续断开，切断电动机定子电源，电动机停转。反向起动过程：按下起动按钮SB3，接触器KM2线圈通电，与SB3并联的KM2的辅助常开触点闭合，以保证KM2线圈持续通电，串联在电动机回路中的KM2的主触点持续闭合，电动机连续反向运转。特别注意：KM1和KM2线圈不能同时通电，因此不能同时按下SB2和SB3，也不能在电动机正转时按下反转起动按钮，或在电动机反转时按下正转起动按钮。如果操作错误，将引起主回路电源短路。三相异步电动机正反转控制线路2．电动机的“正-反-停”控制线路可将起动按钮SB2、SB3换用复合按钮，用复合按钮的常闭触点来断开转向相反的接触器线圈的通电回路，控制线路如图（b）所示。当按下SB2（或SB3）时，首先是按钮的常闭触点断开，使KM2（或KM1）断电释放，然后是按钮的常开触点闭合，使KM1（或KM2）通电吸合，电动机反方向运转。这种电路由于电动机运转时可按反转起动按钮直接换向，常称为“正-反-停”控制线路。第五章伺服传动技术知识延伸：直线电机工作原理与应用目

录直线电机的工作原理

1直线电机的应用2直线电机的原理

原理

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。直线电机的原理原理

由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机的原理原理

直线电机的三项绕组中通入三相对称正弦电流后，即产生气隙磁场。

当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A、B、C相序沿直线运动。这个磁场是平移的，而不是旋转的，因此称为行波磁场。直线电机的原理原理在磁场推力的作用下假设初级是固定不动的，那