《机电一体化》多媒体课件第四章

MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGCOLLEGE,SHANDONGAGRICULTURALUNIVERSITY山东农业大学机械与电子工程学院《机电一体化》课程组第四章伺服系统一、概述二、伺服系统的执行元件三、执行元件的控制与驱动四、伺服系统设计MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGCOLLEGE,SHANDONGAGRICULTURALUNIVERSITY山东农业大学机械与电子工程学院《机电一体化》课程组1、伺服系统的基本概念伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，又称随动系统或伺服机构。一、概述伺服系统控制信号位移S或角度Ø是指在控制指令的指挥下，控制执行元件工作，使机械运动按照控制指令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGCOLLEGE,SHANDONGAGRICULTURALUNIVERSITY山东农业大学机械与电子工程学院《机电一体化》课程组多数伺服系统具有检测回路，因而伺服系统是一种反馈控制系统，是根据输入的指令值与输出的物理量之间的偏差进行动作控制的，其工作过程是一个偏差不断产生，又不断消除的动态过渡过程。MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGCOLLEGE,SHANDONGAGRICULTURALUNIVERSITY山东农业大学机械与电子工程学院《机电一体化》课程组2、伺服系统的基本要求（1）高稳定性是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，或者在输入的指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。（2）快速响应性一是指动态响应过程中，输出量跟随输入指令变化的迅速程度；二是指动态响应过程结束的迅速程度。（3）动作的准确性（4）高效率。MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGCOLLEGE,SHANDONGAGRICULTURALUNIVERSITY山东农业大学机械与电子工程学院《机电一体化》课程组伺服系统对的伺服电机基本要求（1）具有较硬的机械特性和良好的调节特性。在伺服系统的执行元件中，广泛使用伺服电机，其作用是将电信号转换为机械运动，一般伺服电机应满足如下技术要求。所谓静态特性是指电机在稳态情况下工作时，其转子转速、电磁力矩和电枢电压三者之间的关系。MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGCOLLEGE,SHANDONGAGRICULTURALUNIVERSITY山东农业大学机械与电子工程学院《机电一体化》课程组Ua2Ua10MUa1Ua2n机械特性曲线机械特性：是指在一定的电枢电压条件下，转速与转矩的关系。如果直流伺服电动机的机械特性较平缓，即当负载转矩变化时，相应的转速变化较小，这时称直流伺服电动机的机械特性较硬。显然，机械特性越硬，电动机的负载能力越强；机械特性越软，负载能力越低；MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGCOLLEGE,SHANDONGAGRICULTURALUNIVERSITY山东农业大学机械与电子工程学院《机电一体化》课程组Ua0ML=0nML0调节特性曲线调节特性：是指在一定的转矩条件下，转速与电枢电压的关系。对于直流伺服电动机其机械特性越硬越好。MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGCOLLEGE,SHANDONGAGRICULTURALUNIVERSITY山东农业大学机械与电子工程学院《机电一体化》课程组（2）具有宽广而平滑的调速范围。要求伺服电机转速变化范围大且最好实现无级调速。（1：10000）（3）具有快速响应性从获得控制指令到按指令要求完成动作的时间要短。高灵敏性（4）具有小的空载始动电压Ua0nML=0UBO调节特性曲线MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGCOLLEGE,SHANDONGAGRICULTURALUNIVERSITY山东农业大学机械与电子工程学院《机电一体化》课程组3、伺服系统的基本结构形式控制器功率放大器执行机构检测装置+-输入输出MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGCOLLEGE,SHANDONGAGRICULTURALUNIVERSITY山东农业大学机械与电子工程学院《机电一体化》课程组控制器一般是计算机，其功能是根据输入信号和反馈信号比较的结果，决定控制方式。常用的控制有PID(比例微积分)控制和最优控制。执行机构主要由各种执行元件和机械传动装置组成。其功能是按照控制指令要求完成规定动作。MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGCOLLEGE,SHANDONGAGRICULTURALUNIVERSITY山东农业大学机械与电子工程学院《机电一体化》课程组检测装置：由传感器和检测电路组成。为了提高精度和抗干扰能力，伺服系统一般采用闭环控制。检测装置是系统的反馈环节，通过检测装置的检测量，将执行机构的输出信号反馈到伺服系统的输入端，实现反馈控制。功率放大器：对控制器输出的微弱信号进行功率放大。主要由电子器件组成。MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGCOLLEGE,SHANDONGAGRICULTURALUNIVERSITY山东农业大学机械与电子工程学院《机电一体化》课程组伺服系统的分类电气伺服系统液压伺服系统气动伺服系统交流伺服系统直流伺服系统步进伺服系统按照执行元件性质的不同MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGCOLLEGE,SHANDONGAGRICULTURALUNIVERSITY山东农业大学机械与电子工程学院《机电一体化》课程组开环伺服系统闭环伺服系统半闭环伺服系统无检测反馈环节，精度低，抗干扰能力差，成本低。有检测反馈环节，精度高，抗干扰能力强，成本高，结构复杂，结构式与半闭环伺服系统的区别是将整个机械装置都包括到反馈环中。有检测反馈环节，精度较高，性能居中，结构上与闭环伺服系统的区别是只将部分机械装置都包括到反馈环中。按照系统的控制方式MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGCOLLEGE,SHANDONGAGRICULTURALUNIVERSITY山东农业大学机械与电子工程学院《机电一体化》课程组图4-4数控机床伺服系统结构位置控制模块速度控制单元伺服电机工作台位置检测测量反馈伺服驱动装置速度环速度检测位置环数控机床伺服系统的一般结构如图，这是一个双闭环系统，内环为速度环，外环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速度控制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度控制系统的核心。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由CNC装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。由速度检测装置提供速度反馈值的速度环控制在进给驱动装置内完成，而装在电动机轴上或机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈值构成的位置环由数控装置来完成。伺服系统从外部来看，是一个以位置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控制系统。但从内部的实际工作来看，它是先把位置控制指令转换成相应的速度信号后，通过调速系统驱动伺服电机，才实现实际位移的。MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGCOLLEGE,SHANDONGAGRICULTURALUNIVERSITY山东农业大学机械与电子工程学院《机电一体化》课程组二、伺服系统的执行元件1、执行元件的类型及特点执行元件是位于电气控制装置与机械执行装置接点部位的一种能量转换装置，它能在控制装置的控制下，将输入的各种形式的能量转换为机械能。电气控制装置机械执行装置传感器执行元件MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGCOLLEGE,SHANDONGAGRICULTURALUNIVERSITY山东农业大学机械与电子工程学院《机电一体化》课程组（1）电气式主要有步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机。具有高精度、高速度、高可靠性和易于控制等特点。是最常用的执行元件。MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGCOLLEGE,SHANDONGAGRICULTURALUNIVERSITY山东农业大学机械与电子工程学院《机电一体化》课程组（2）液压式主要有液压缸、液压马达等。优点：输出功率大，动作平稳。缺点：需要相应的液压源，占地面积大，容易漏油而污染，控制性能不如伺服电动机。（3）气动式主要有气缸、气马达等。优点：气源方便，成本低，动作快。缺点：输出功率小，体积大，噪声大，难于实现伺服控制。MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGCOLLEGE,SHANDONGAGRICULTURALUNIVERSITY山东农业大学机械与电子工程学院《机电一体化》课程组2、直流伺服电动机主要用于闭环或半闭环控制的伺服系统。直流伺服电机角位移S电压（1）工作原理：当电枢绕组中通过直流电时，在定子磁场的作用下就会产生带动负载旋转的电磁转矩，驱动转子旋转。通过控制电枢绕组中电流的方向和大小，就可以控制旋转方向和速度。MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGCOLLEGE,SHANDONGAGRICULTURALUNIVERSITY山东农业大学机械与电子工程学院《机电一体化》课程组（2）直流伺服电动机的控制方式直流伺服电动机控制方式主要有两种。①电枢电压控制：即在定子磁场不变的情况下，通过控制加在电枢绕组两端的电压信号来控制电机的转速和输出转矩；采用电枢电压控制方式时，由于定子磁场保持不变，其电枢电流可达到额定值，相应的输出转矩也可达到额定值，因而这种方式又称为恒转矩调速方式。MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGCOLLEGE,SHANDONGAGRICULTURALUNIVERSITY山东农业大学机械与电子工程学院《机电一体化》课程组而采用励磁控制方式时，由于电机在额定运行条件下磁场已接近饱和，因而只能通过减弱磁场来改变电动机的转速。由于电枢电流不允许超过额定值，因而随着磁场的减弱，电机的转速增加，但输出转矩下降，输出功率保持不变，因而这种方式又称为恒功率调速方式。②励磁磁场控制：即通过改变励磁电流的大小来改变定子磁场强度，从而控制电机的转速和输出转矩；MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGCOLLEGE,SHANDONGAGRICULTURALUNIVERSITY山东农业大学机械与电子工程学院《机电一体化》课程组机电一体化伺服系统中通常采用永磁式直流伺服电动机，因而只能采用恒转矩特点的电枢电压控制方式，这与伺服系统所要求的负载特性是吻合的。MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGCOLLEGE,SHANDONGAGRICULTURALUNIVERSITY山东农业大学机械与电子工程学院《机电一体化》课程组（3）直流伺服电动机的静态特性所谓静态特性是指电机在稳态情况下工作时，其转子转速、电磁力矩和电枢电压三者之间的关系。EIfUfUaIaRaLaEaUaMT1ω电枢等效回路MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGCOLLEGE,SHANDONGAGRICULTURALUNIVERSITY山东农业大学机械与电子工程学院《机电一体化》课程组电枢等效回路稳态时，电感线圈相当于短路，Ia保持不变电枢电路平衡方程为：转子在磁场中切割磁力线产生电动势为：RIUEaaaa（1）CEea（2）ICTamm（3）电枢电流切割磁力线产生电磁转矩为：RaLaEaUaMωIaT1MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGCOLLEGE,SHANDONGAGRICULTURALUNIVERSITY山东农业大学机械与电子工程