《机电一体化技术》课件-第5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5.3

直流伺服电动机的工作原理目

录伺服电动机的分类1直流伺服电动机的结构2直流伺服电动机的控制方式3伺服电动机的分类在自动控制系统中，对伺服电动机的性能要求：调速范围宽。机械特性和调节特性为线性。无“自转”现象。快速响应。伺服电动机的分类交流伺服电动机直流伺服电动机输出功率较大输出功率较小伺服电机直流伺服电动机的控制方式电枢控制恒压励磁

控制电压电枢回路电感小，响应快，在自动控制系统中多采用电枢控制。直流伺服电动机的控制方式Uf

Uc

磁场控制恒压控制电压

第五章伺服传动技术5.3直流伺服电动机工作原理目

录伺服电动机定义

1伺服电动机的分类

25直流伺服电动机的工作原理4直流伺服电动机的结构伺服电机的优缺点3伺服电动机定义伺服电动机是自动控制装置中被用作执行元件的微特电机，所以又称执行电动机。其功能是精确地控制速度和位置精度。

主要分为直流和交流伺服电动机两大类，以交流电源工作的称为交流伺服电动机，以直流电源工作的称为直流伺服电动机。直流伺服电动机交流伺服电动机伺服电动机的基本原理伺服电动机主要靠脉冲来定位♦电机接收到一个脉冲，就会旋转一个脉冲对应的角度，从而实现位移。♦因为伺服电动机本身具备输出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲。♦这样输入脉冲和电机本身的脉冲形成闭环控制系统，从而精确地控制电机转动，实现精确定位。伺服电动机的基本原理控制电压信号的有或无控制电压信号的极性控制电压信号的大小伺服电机的启动或停止伺服电机的转向伺服电机的转速大小伺服电机的优缺点优点实现位置，速度和力矩的闭环控制;克服了步进电机失步的问题;精度高速性能好，一般额定转速能达到2000～3000转;转速抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用;适应性稳定及时性舒适性低速运行平稳，适用于有高速响应要求的场合;电机加减速的动态响应时间短，一般在几十毫秒之内;发热和噪音明显降低。伺服电机的优缺点缺点不防水不防油直流伺服电动机直流伺服电动机将输入的直流电压信号转换成轴上的转速或转角信号。直流伺服电动机基本结构♦直流电机由定子、电枢（转子）和空气隙等部分构成。直流伺服电动机定子♦定子包括主磁极、转向磁极、机座、端盖及刷架等。♦主磁极是产生磁场的，主要由三部分组成：铁芯、极靴和励磁绕组。直流伺服电动机工作原理ab受力方向向左cd受力方向向右。电刷A接电源正级，电刷B接电源负极。载流导体ab和cd受到电磁力作用。转子逆时针旋转。第五章伺服传动技术5.4直流伺服电动机运动控制目

录直流伺服电动机的控制

1直流伺服电动机的驱动2直流伺服系统3直流伺服电动机的控制调节电枢供电电压，能够实现无级调速。减弱励磁磁通，能够平滑调速。改变电枢回路电阻，实现有级调速。

♦依据：直流伺服电动机的转速方程。♦转速：电压、磁场磁通、电枢回路电阻。直流伺服电动机的驱动直流伺服电动机采用直流供电，为调节电动机转速和方向，需要对其直流电压的大小和方向进行控制。目前常用驱动方式有：♦晶闸管调速系统（SCR）原理：通过对晶闸管触发角的控制来控制电机电枢电压，以达到调速的目的。♦晶体管脉宽调速（PWM)原理：通过脉宽调制器将直流电压转换成方波电压，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，以达到调速的目的。直流伺服电动机的驱动晶闸管调速系统（SCR）可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。速度环：速度调节。作用：好的静态、动态特性。电流环：电流调节、作用：加快响应、启动、低频稳定。触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。主回路控制回路组成直流伺服电动机的驱动晶体管脉宽调速（PWM）T1T2PWM方波的示意图♦频率:周期的倒数。

♦占空比:高电平在一个周期内所占的比例。f=1/(T1+T2)D=T1/(T1+T2)♦PWM→放大→功率晶体管→直流伺服电机运转可以实现电机运转时间和转速大小的控制。直流伺服电动机的驱动H桥驱动原理♦两对晶体管构成H桥驱动电路；要使电动机运转，必须导通对角线上的一对晶体管。

♦当VT1和VT4导通，VT2和VT3截止时，电流就从电源正极经VT1—电动机—VT4回到电源负

极，电动机正转；♦当VT2和VT3导通，VT1和VT4截止时，电流就从电源正极经VT3—电动机—VT2回到电源负

极，电动机反转。直流伺服系统♦速度伺服系统

速度控制是伺服系统中的一个重要内容。它由速度控制单元、伺服电机、速度检测装置等构成，速度控制单元用于控制电机的转速，是速度控制系统的核心。在可控硅构成的直流电机驱动电路中，只要改变可控硅的触发角，就可以调节电枢电压，从而达到调节电机转速的目的；在PWM构成的驱动电路中，只要改变脉冲的宽度，即可以调节电机的转速。但这样的调速系统是开环的，由于直流电机本身的机械特性比较软，直流开环伺服系统不能满足机电一体化系统的要求，在实际应用中一般都采用闭环伺服系统。由于伺服控制系统的速度和位移都有较高的精度要求，因而直流伺服电动机通常以闭环或半闭环控制方式应用于伺服系统中。直流伺服系统♦位置伺服系统

位置控制伺服系统应用领域非常广泛，如数控机床、工业机器人、雷达天线和电子望远镜的瞄准系统等。在速度伺服系统的基础上增加位置反馈环节就可构成直流位置控制伺服系统。在位置伺服系统中，位置环有模拟式和数字式，前者如仿形机床伺服系统，采用自整角机的角度跟踪系统等。随着计算机控制技术的发展，在位置控制伺服系统中，越来越多采用数字式，而速度环常采用模拟式，构成混合式的伺服系统。数字式位置控制系统根据位置信号和比较方式可分为数字脉冲控制的伺服系统；数字式编码控制的伺服系统；数字式相位控制的伺服系统；数字式幅值控制伺服系统四种控制方案。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5.6交流伺服电动机控制及应用目

录交流伺服电动机的控制方法

1交流伺服电动机的应用2交、直流伺服电动机的性能比较3交流伺服电动机的控制方法可采用下列三种方法来控制伺服电动机的转速高低及旋转方向。♦幅值控制：保持控制电压与励磁电压间的相位差不变，仅改变控制电压的幅值。♦相位控制：保持控制电压的幅值不变，仅改变控制电压与励磁电压间的相位差。♦幅-相控制：同时改变控制电压的幅值和相位。交流伺服电动机原理图交流伺服电动机的控制方法幅值控制接线图相位控制接线图幅值-相位控制接线图交流伺服电动机的控制方法交流伺服电动机的输出功率一般在100W以下。♦电源频率为50Hz时，其电压有36V，100V，220V，380V数种。♦当频率为400Hz时，电压有20V，36V，115V多种。

交流伺服电动机的控制方法交流伺服电机的优点♦速度控制特性好，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡；效率高，发热少；高速控制，高精确度位置控制，额定运行区域内，可实现恒力矩；惯量低，噪音低，无电刷磨损，免维护，可适用于无尘、易爆环境。

交流伺服电动机的应用交流伺服电机在自动化上的应用交流伺服电动机的应用交流伺服电机的应用领域♦凡是对位置、速度和力矩的控制精度要求较高的场合，都可以采用交流伺服电机。如机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、电子、制药、金融机具、自动化生产线等。因为伺服多用在定位、速度控制场合，所以伺服又称为运动控制。

交流伺服电动机的应用自动测温系统自动测温系统原理框图交、直流伺服电动机的性能比较机械特性

“自转”现象体积、重量和效率

结构控制装置交、直流伺服电动机的性能比较机械特性♦直流伺服电动机转矩随转速的增加而均匀下降，斜率固定。在不同控制电压下，机械特性曲线是平行的，即机械特性是线性的，且为硬特性。负载转距的变化对转速的影响很小。♦交流伺服电动机的机械特性是非线性的，电容移相控制时非线性更为严重，而且斜率随控制电压的变化而变化，这会给系统的稳定和校正带来困难，其负载转距变化对转速影响很大，机械特性很软，低速段更软，而且会使阻尼系数减小，时间常数增大，从而降低了系统品质。交、直流伺服电动机的性能比较“自转”现象♦直流伺服电动机无“自转”现象。♦交流伺服电动机若设计参数选择不当，或制造工艺不良，单相状态下会产生“自转”而失控。交、直流伺服电动机的性能比较体积、重量和效率♦交流伺服电动机的转子电阻相当大，所以损耗大，效率低，电动机的利用程度差。而且交流伺服电动机通常运行在椭圆形旋转磁场下，反向磁场产生的制动转距使得电动机输出的有效转距减小，所以当输出功率相同时，交流伺服电动机比直流伺服电动机的体积大，重量大，效率低。♦故交流伺服电动机只适用于小功率系统，功率较大的控制系统普遍采用直流伺服电动机。交、直流伺服电动机的性能比较结构♦直流伺服电动机结构复杂，制造麻烦，运行时电刷和换向器滑动接触，接触电阻不稳定，会影响电动机运行的稳定，又容易出现火花，给运行和维护带来一定困难。♦交流伺服电动机结构简单，维护方便，运行可靠，适宜于不易检修的场合使用。交、直流伺服电动机的性能比较控制装置♦直流伺服电动机的控制绕组，通常由直流放大器供电，直流放大器比交流放大器结构复杂，且有零点漂移现象，影响系统的稳定性和精度。谢谢观看第五章伺服传动技术科技长征，大国精度Catalogue目录微步进中的大国精度PartOne直流伺服里的科技长征PartTwo2.交流伺服的速度与温度PartThree伺服进化中的文明对话PartFour3.4.误差控制里的职业修为PartFive5.1.PART.01微步进中的大国精度2015年步进电机步距角1.8°，到2025年实现0.007°纳米级微步控制，精度提升显著。国产3D打印伺服系统逐层成型火箭发动机喷管，展现微步控制在高端制造中的应用。步进电机精度的飞跃上海航天802所突破0.01°微步控制技术，使卫星激光通信精度提升300%，助力航天事业。精密传动技术是大国重器的关键，突破“最后一微米”瓶颈，彰显国家技术实力。核心技术攻坚的意义精密传动技术推动制造业从传统制造向智能制造转型，提升产品附加值和竞争力。高精度步进电机的应用，为高端装备制造提供了有力支撑，助力产业升级。制造业转型升级的认知精密传动技术的突破在航空航天、国防等领域，精密传动技术是实现高精度控制的关键，关乎国家战略安全。高精度步进电机的应用，提升了国家在高端装备制造领域的自主可控能力。国家战略中的精度需求持续提升精密传动技术的精度和可靠性，满足国家重大战略需求，推动制造业高质量发展。面对国际竞争和技术封锁，我国需加大研发投入，突破更多关键技术瓶颈。未来发展方向与挑战通过持续的技术攻坚，我国在精密传动领域取得了重大突破，展现了科研人员的坚韧与毅力。技术攻坚不仅是技术问题，更是国家意志的体现，激励更多人投身核心技术研发。技术攻坚的意志与决心精密传动的战略价值PART.02直流伺服里的科技长征马伟明院士团队在0.5㎡实验室攻克舰载直流伺服电磁兼容难题，彰显科技自立精神。他们的成功证明，落后不是代差，而是时代，激励更多科研人员投身自主创新。科技自立精神的体现进口电机存在高干扰问题，而国产新型电机通过电磁屏蔽增强，提升了性能和可靠性。国产直流伺服电机在电磁兼容性、稳定性和可靠性等方面取得了显著进步，具备国际竞争力。技术对比与优势从困境到突破的历程1958年苏联专家撤离后，我国直流伺服技术面临困境，但科研人员攻坚克难，逐步实现突破。2025年我国全电推进系统领先，展现了我国在直流伺服技术领域的强大实力。直流伺服技术的发展历程马伟明院士团队的科研成果，为我国舰载装备的发展提供了有力支撑，体现了科研报国的使命感。他们的事迹激励更多科研人员将个人理想与国家需求紧密结合，为国家发展贡献力量。科研报国的使命感直流伺服技术的自主创新，提升了我国在高端装备制造领域的核心竞争力，减少了对进口产品的依赖。自主创新不仅是技术突破，更是国家科技实力和产业竞争力的体现，需持续加强。自主创新的重要性持续推动直流伺服技术的创新，提升其性能和应用范围，满足国家重大战略需求。加强基础研究和前沿技术探索，突破更多关键技术瓶颈，推动我国直流伺服技术走向世界前列。未来发展方向直流伺服技术的战略意义PART.03交流伺服的速度与温度工业机器人高速分拣，0.1秒/次的高速响应，提升了生产效率，推动制造业自动化发展。交流伺服电机在工业自动化领域的广泛应用，为产业升级提供了强大动力。抗疫呼吸机气阀伺服，0.01秒的快速响应，保障生命支持系统的稳定运行，体现了技术的温度。在医疗设备中，交流伺服技术的应用不仅提升了设备性能，更保障了患者的生命安全。交流伺服技术在不同应用场景中，需平衡生产效率与生命支持系统的容错率，体现技术伦理观。工程师应关注技术的社会影响，确保技术应用符合伦理规范，为社会做出积极贡献。高