机电一体化伺服系统

第一节伺服系统的概述什么是伺服系统伺服系统发展过程及其应用伺服系统的基本类型伺服系统的结构组成伺服系统的基本要求一什么是伺服系统伺服系统－也称为随动系统，是一种能够及时跟踪输入给定信号并产生动作，从而获得精确的位置、速度等输出的自动控制系统。伺服系统是自动控制系统中的一类，1934年第一次提出了伺服机构（Servomechanism），1944年世界上第一个伺服系统由麻省理工学院成功研制，随着自动控制理论的发展，到20世纪中期，伺服系统的理论和实践均趋于成熟。在近几年新技术的推动下，特别是伴随着微电子和计算机技术的发展，伺服系统应用几乎遍及社会的各个领域。二伺服系统发展过程及其应用到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。交流伺服在我国的发展历史我国从1970年代开始跟踪开发交流伺服技术，主要研究力量集中在高等院校和科研单位，以军工、宇航卫星为主要应用方向，不考虑成本因素。主要研究机构是北京机床所、西安微电机研究所、中科院沈阳自动化所等。80年代之后开始进入工业领域，直到2000年，国产伺服停留在小批量、高价格、应用面狭窄的状态，技术水平和可靠性难以满足工业需要。2000年之后，随着中国变成世界工厂、制造业的快速发展为交流伺服提供了越来越大的市场空间，国内几家单位开始推出自己品牌的交流伺服产品。目前国内主要的伺服品牌或厂家有森创（和利时电机）、华中数控、广数、南京埃斯顿、兰州电机厂等。其中华中数控、广数等主要集中在数控机床领域。机械制造行业：各种机床运动（主轴的旋转和刀具的进给运动）部分的速度控制、运动轨迹控制、位置控制，都是依靠各种伺服系统控制的。它们不仅能完成转动、直线运动控制，而且能依靠多套伺服系统配合，完成复杂的空间运动的控制。在运输行业：电气机车的自动调速、高层建筑中电梯的升降控制、船舶的自动操舵、飞机的自动驾驶等。在冶金工业：电弧炼钢炉的电极位置控制，轧钢机轧辊压下运动的位置控制等，都依靠伺服系统来实现，而无法由人工操作来代替的。军事上：伺服系统用的更为普遍，雷达天线的自动瞄准跟踪控制、高射炮、战术导弹发射架的瞄准运动控制、飞行器的姿态驱动控制、载人飞船、精密的导航系统中，陀螺平台稳定系统、激光导引头的目标跟踪、坦克炮塔的防摇稳定控制和鱼雷的自动控制等。机器人：手臂关节、六自由度的喷涂机械手的运动控制等。印刷电路板生产线：表面贴焊，快速打孔，机械手放置器件。计算机外围设备：也采用了不少伺服系统，如自动绘图仪的画笔控制系统、磁盘驱动系统等。伺服系统的应用越来越广泛，大至控制上吨重的巨型雷达天线，可以及时准确的跟踪人造卫星的发射，小到用音圈电机来控制电视机的放像头，从航空航天、国防、工业生产、交通运输到家庭生活，而且其必将发展应用到更新领域。三伺服系统的基本类型按被控量的不同：位置伺服系统，速度伺服系统，力伺服系统等。最常见的事位置伺服系统，如数控机床的伺服进给系统等。按所采用的执行元件的不同可分为，电气伺服系统、液压伺服系统、气压伺服系统等。电气伺服系统采用伺服电机或步进电机作为执行元件，在机电一体化产品中应用比较广泛。按控制方式不同：开环伺服系统，闭环伺服系统，半闭环伺服系统。开环伺服系统中无检测反馈元件，结构简单，但精度低；闭环伺服系统直接对工作台等移动部件进行检测和反馈，因而精度高，但结构复杂，成本高。半闭环伺服系统的检测反馈元件位于机械执行装置的中间某个部位（如伺服电机或滚珠丝杠上），将大部分机械构件封闭在反馈控制环节之外，性能介于开环和闭环伺服系统之间。比较元件调节元件执行元件被控对象测量、反馈元件输入指令输出量伺服系统组成原理框图机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。四伺服系统的结构组成1.比较元件比较元件是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。2.调节元件（控制器）控制器通常是计算机或PID（比例、积分和微分）控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。3.执行元件执行元件的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。4.被控对象是伺服系统中被控制的设备或装置，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。5.检测环节检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。五伺服系统的基本要求精度高：稳定性好：快速响应：调速范围宽：低速大转矩：精度:指输出量复现输入指令信号的精确程度，通常用稳态误差表示影响伺服系统精度的因素：组成元件本身误差传感器的灵敏度和精度机械装置反向间隙和传动误差各元器件的非线性因素等系统本身结构形式输入指令信号的形式五伺服系统的基本要求稳定性好指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后到达新的或着恢复原有的平衡状态；静态速降应小于5％，动态速降小于10％五伺服系统的基本要求•在零速时，伺服系统处于“锁定”状态，即惯性小。要求：调速范围是伺服系统提供的最高速与最低速之比•要大，并且在该范围内，速度稳定；maxminnnRn＝•无论高速低速下，输出力或力矩稳定，低速驱动时，能输出额定的力或力矩；响应速度:是衡量伺服系统动态性能的重要指标五伺服系统的基本要求应变能力指能承受频繁的启动、制动、加速、减速的冲击；过载能力指在低速大转矩时，能承受较长时间的过载而不致损坏。低速大转矩五伺服系统的基本要求第二节伺服系统的执行元件概述执行元件的种类及特点执行元件的基本要求常用的控制用电机一、执行元件的种类及其特点执行元件电磁式电磁铁及其他电动机液压马达液压式油缸气压马达气压式气缸其他与材料有关直流伺服电机双金属片压电元件状态记忆金属其他电机交流伺服电机步进电机1.电气执行元件电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（AC）伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性能好，适合于频繁使用，便于维修等2．液压式执行元件液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点3．气压式执行元件气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。异步电动机感应电动机离合器电动机永磁同步电动机微型直流减速电动机电磁式液压式气压式应用：液压系统用于需大的功率重型设备;气动用于工件夹紧、输送等自动化生产线;电动应用最广泛.种类特点优点缺点电气式可用商业电源；信号与动力传送方向相同；有交流直流之分；注意使用电压和功率。操作简便；编程容易；能实现定位伺服控制；响应快、易与计算机（CPU）连接；体积小、动力大、无污染。瞬时输出功率大；过载差；一旦卡死，会引起烧毁事故；受外界噪音影响大。气压式气体压力源压力5~7×Mpa；要求操作人员技术熟练。气源方便、成本低；无泄露而污染环境；速度快、操作简便。功率小、体积大、难于小型化；动作不平稳、远距离传输困难；噪音大；难于伺服。液压式液体压力源压力20~80×Mpa；要求操作人员技术熟练。输出功率大，速度快、动作平稳，可实现定位伺服控制；易与计算机（CPU）连接。设备难于小型化；液压源和液压油要求严格；易产生泄露而污染环境。气压系统与液压系统的比较1.空气可以从大气中取之不竭且不易堵塞；将用过的气体排入大气，无需回气管路处理方便；泄漏不会严重的影响工作，不污染环境。2.空气粘性很小，在管路中的沿程压力损失为液压系统的干分之一，易于远距离控制。3.工作压力低．可降低对气动元件的材料和制造精度要求。4.对开环控制系统，它相对液压传动具有动作迅速、响应快的优点。5.维护简便，使用安全，没有防火、防爆问题；适用于石油、化工、农药及矿山机械的特殊要求。对于无油的气动控制系统则特别适用于无线电元器件生产过程，也适用于食品和医药的生产过程。1.惯量小、动力大2.体积小、重量轻3.便于维修、安装4.宜于微机控制二、执行元件的基本要求控制用电机是电气伺服控制系统的动力部件。它是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。机电一体化产品中常用的控制用电机是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电机。三、常用的控制用电机控制用电机有回转和直线驱动电机，通过电压、电流、频率(包括指令脉冲)等控制，实现定速、变速驱动或反复启动、停止的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱动对象的不同而不同。步进电机（SteppingMotor）直流伺服电机(DCServoMotor)交流伺服电机(ACServoMotor)伺服驱动电机一般是指：主要有：开环控制、半闭环控制、闭环控制三种。闭环系统:驱动系统具有位置(或速度)反馈环节开环系统:没有位置与速度反馈环节常用伺服控制电动机的控制方式