【正文】 幾點(diǎn)一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 2022/4/14 167 第四章 伺服系統(tǒng) 第一節(jié) 伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn) 第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 第三節(jié) 執(zhí)行元件的控制與驅(qū)動(dòng) 第四節(jié) 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2022/4/14 168 第一節(jié) 伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn) ?伺服系統(tǒng)的基本概念 伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位臵或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)，又稱隨動(dòng)系統(tǒng)或伺服機(jī)構(gòu)。 伺服是機(jī)電一體化產(chǎn)品的一個(gè)重要組成部分。其輸出量是機(jī)械位臵和角度。伺服系統(tǒng)主要用于機(jī)械設(shè)備位臵和角度的動(dòng)態(tài)控制。 2022/4/14 169 第一節(jié) 伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn) ?伺服系統(tǒng)的基本要求 由于執(zhí)行元件是直接的被控對(duì)象，為了能按照控制命令的要求準(zhǔn)確、迅速、精確、可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的調(diào)整與控制，對(duì)伺服系統(tǒng)提出以下要求： ?高可靠性 ?良好的動(dòng)態(tài)性 ?動(dòng)作的準(zhǔn)確性 ?高效率 2022/4/14 170 第一節(jié) 伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn) 在伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件中，廣泛使用的是伺服電動(dòng)機(jī)，其作用是把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)技術(shù)性能直接影響著伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、運(yùn)動(dòng)精度、調(diào)速性能等。一般情況下、伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)滿足如下的技術(shù)要求。 2022/4/14 171 第一節(jié) 伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn) ?具有較硬的機(jī)械特性和良好的調(diào)節(jié)特性 (理想情況下，兩種特性曲線是一直線 ) ?具有寬廣而平滑的調(diào)速范圍 ?具有快速響應(yīng)特性 ?具有小的空載始動(dòng)電壓 2022/4/14 172 第一節(jié) 伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn) ?伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式 機(jī)電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、類型繁多，但從自動(dòng)控制理論的角度來(lái)分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對(duì)象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測(cè)環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分。 2022/4/14 173 第一節(jié) 伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn) ?比較環(huán)節(jié) 比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號(hào)的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 ?控制器 控制器通常是計(jì)算機(jī)或 PID控制電路，其主要任務(wù)是對(duì)比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作。 2022/4/14 174 第一節(jié) 伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn) ?執(zhí)行環(huán)節(jié) 執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號(hào)的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作。機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機(jī)或液壓、氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)等。 ?被控對(duì)象 ?檢測(cè)環(huán)節(jié) 檢測(cè)環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測(cè)量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝臵，一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。 2022/4/14 175 第一節(jié) 伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn) 按照系統(tǒng)執(zhí)行元件的性質(zhì)不同，伺服系統(tǒng)可分為電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)和氣動(dòng)伺服系統(tǒng)。其中電氣伺服系統(tǒng)又可分為直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)和步進(jìn)伺服系統(tǒng)。按照系統(tǒng)的控制方式，可分為開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 2022/4/14 176 第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 ?執(zhí)行元件的種類及特點(diǎn) 因?yàn)閳?zhí)行元件是直接參與調(diào)節(jié)以及完成動(dòng)作執(zhí)行的裝臵，因此要求執(zhí)行元件能夠按控制器的指令準(zhǔn)確、迅速、精確、可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的調(diào)整和控制。執(zhí)行元件的種類繁多，通常按推動(dòng)執(zhí)行元件工作的能源形式分為三種：電動(dòng)式、液壓式和氣動(dòng)式。 2022/4/14 177 第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 ?電動(dòng)執(zhí)行元件 電動(dòng)執(zhí)行元件以電能作為動(dòng)力，并把電能轉(zhuǎn)變成位移或轉(zhuǎn)角形式的機(jī)械能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的調(diào)整和控制。電動(dòng)執(zhí)行元件主要以電動(dòng)機(jī)為主，具有高精度、高速度、高可靠性、易于控制等特點(diǎn)。常見(jiàn)的有直流伺服電動(dòng)機(jī)。交流伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。 2022/4/14 178 第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 ?液壓執(zhí)行元件 液壓執(zhí)行元件是將高壓液體的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，拖動(dòng)負(fù)載實(shí)現(xiàn)直線或回轉(zhuǎn)動(dòng)作。做功介質(zhì)可以用水，但大多用液壓油。常見(jiàn)的執(zhí)行元件有液壓缸、液壓馬達(dá)等。液壓執(zhí)行元件具有工作平穩(wěn)、沖擊振動(dòng)小、無(wú)極調(diào)速范圍大、輸出力或扭矩大、過(guò)載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但其缺點(diǎn)有，需要精心維護(hù)管理；噪聲大；遠(yuǎn)距離操作受到限制；由于漏油可能污染環(huán)境；性能隨油溫的變化而變化 2022/4/14 179 第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 ?氣動(dòng)執(zhí)行元件 氣動(dòng)執(zhí)行元件是把壓縮氣體的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，拖動(dòng)負(fù)載完成對(duì)被拉對(duì)象的控制。做功介質(zhì)可以是空氣，也可以用惰性氣體。氣動(dòng)執(zhí)行元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、維護(hù)方便、成本低。但由于是用氣體做介質(zhì)，所以可壓縮性大、精度較差、傳輸速度低。 2022/4/14 180 第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 ?直流伺服電動(dòng)機(jī) 直流伺服電動(dòng)機(jī)是用直流電信號(hào)控制的伺服電動(dòng)機(jī)，其功能是將輸入的電壓控制信號(hào)快速轉(zhuǎn)變?yōu)檩S上的角位移或角速度輸出。 直流伺服電動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及原理與普通直流電動(dòng)機(jī)相比較沒(méi)有特殊的區(qū)別，但為了滿足工作需要，在以下幾方面直流伺服電動(dòng)機(jī)與普通直流電動(dòng)機(jī)不同： 2022/4/14 181 第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 ?電樞長(zhǎng)度與直徑的比要大 ?磁極的一部分或全部使用疊片工藝 ?為進(jìn)行可逆運(yùn)行，電刷應(yīng)準(zhǔn)確地位于中性線上，使正反特性一致 ?為防止轉(zhuǎn)矩不均勻，電樞應(yīng)制成斜槽形狀 ?用電樞控制方式時(shí)，為了減少磁場(chǎng)磁通變化的影響，應(yīng)充分使用在飽和狀態(tài) ?根據(jù)控制方式，也有使用分段勵(lì)磁繞組的形式 2022/4/14 182 第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 ?直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)： ?穩(wěn)定性好 ?可控性好 ?響應(yīng)迅速 ?控制功率低 ?轉(zhuǎn)矩大 2022/4/14 183 第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 ?交流伺服電動(dòng)機(jī) 交流伺服電動(dòng)機(jī)是把加在控制繞組上的交流電信號(hào)轉(zhuǎn)換為一定的轉(zhuǎn)速和偏角的電動(dòng)機(jī)。與直流伺服電動(dòng)機(jī)相比，交流伺服電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、維護(hù)簡(jiǎn)單、便于安裝以及轉(zhuǎn)子慣量可以設(shè)計(jì)得較小和能夠高速運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。 2022/4/14 184 第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 ?交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn) 交流伺服電機(jī)的工作原理與兩相異步電機(jī)相似 。然而 ，由于它在數(shù)控機(jī)床中作為執(zhí)行元件，將交流電信號(hào)轉(zhuǎn)換為軸上的角位移或角速度 ，所以要求轉(zhuǎn)子速度的快慢能夠反映控制信號(hào)的相位，無(wú)控制信號(hào)時(shí)它不轉(zhuǎn)動(dòng)。特別是當(dāng)它已在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果控制信號(hào)消失，它立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。而普通的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)以后，若控制信號(hào)消失，它往往不能立即停止而要繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一會(huì)兒。 2022/4/14 185 第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 ?結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 交流伺服電動(dòng)機(jī)采用了全封閉無(wú)刷結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境不需要定期檢查和維修。其定子省去了鑄件殼體，結(jié)構(gòu)緊湊、外形小、重量輕。定子鐵心較一般電動(dòng)機(jī)開(kāi)槽多且深，圍繞在定子鐵芯上，絕緣可靠，磁場(chǎng)均勻?？蓪?duì)定子鐵芯直接冷卻，散熱效果好，因而傳給機(jī)械部分的熱量小，提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 2022/4/14 186 第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 轉(zhuǎn)子采用具有精密磁極形狀的永久磁鐵，因而可實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩 /慣量比，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，運(yùn)行平穩(wěn)。轉(zhuǎn)軸安裝有高精度的脈沖編碼器作檢測(cè)元件。因此交流伺服電動(dòng)機(jī)以其高性能、大容量日益受到廣泛的重視和應(yīng)用。 2022/4/14 187 第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 ?交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方法 和普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同，兩相伺服電動(dòng)機(jī)磁轉(zhuǎn)矩的大小取決于氣隙磁場(chǎng)的每極磁通量和轉(zhuǎn)子電流的大小及相位。也即取決于控制電壓的大小和相位。所以，可以通過(guò)改變控制電壓的大小和相位的方法來(lái)控制電動(dòng)機(jī)，常用的控制方式包括以下幾種 2022/4/14 188 第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 ?幅值控制：保持控制電壓的相位角不變，只改變其幅值大小來(lái)控制電動(dòng)機(jī)。 ?相位控制：保持控制電壓的幅值不變，只改變其相位來(lái)控制電動(dòng)機(jī)。 ?幅相控制：同時(shí)改變控制電壓的幅值和相位來(lái)控制電動(dòng)機(jī)。 2022/4/14 189 第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 永磁式同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)定子鐵芯上裝有三相電樞繞組，接在可控的電源上，用以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，用于產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，無(wú)需勵(lì)磁繞組和勵(lì)磁電流。當(dāng)定子接通電源后，電動(dòng)機(jī)異步啟動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，在轉(zhuǎn)子磁極產(chǎn)生的同步轉(zhuǎn)矩作用下，進(jìn)入同步運(yùn)行。永磁式同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速采用改變電源頻率的辦法來(lái)進(jìn)行控制。 2022/4/14 190 第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 ?步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。每接受一個(gè)電脈沖，在驅(qū)動(dòng)電源的作用下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的控制電脈沖數(shù)及其頻率成正比，并在時(shí)間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率以及電動(dòng)機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。 2022/4/14 191 第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 如果步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的每一次通斷電操作稱為一拍，每拍中只有一相繞組通電，其余繞組斷電，則這種通電方式稱為單相通電方式。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作方式是以轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距所用的拍數(shù)來(lái)表示的。拍數(shù)實(shí)際上就是轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距所需的電源電壓換相次數(shù)，上述電動(dòng)機(jī)采用的是三相單三拍方式。 2022/4/14 192 第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 除了單三拍外，還可以有雙三拍，即每拍有有兩相繞組通電，通電順序?yàn)锳BBCCAAB，步距角與單三拍相同。但是雙三拍時(shí)，轉(zhuǎn)子在每一步的平衡點(diǎn)受到兩個(gè)相反方面的轉(zhuǎn)矩而平衡，振蕩弱，穩(wěn)定性好。此外還有三相單、雙六拍等通電方式 2022/4/14 193 第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 ?直線電動(dòng)機(jī) ?直線電動(dòng)機(jī)是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外積極研究發(fā)展的新型電動(dòng)機(jī)之一。它是一種不需要中間轉(zhuǎn)換裝臵，而能直接作直線運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)械。 2022/4/14 194 第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 ?直線電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn) ?直線電動(dòng)機(jī)由于不需要中間傳動(dòng)機(jī)械，因而使整個(gè)機(jī)械得到簡(jiǎn)化，提高了精度，減少了振動(dòng)和噪聲。 ?快速響應(yīng) ?提高可靠性，延長(zhǎng)使用壽命 ?可提高電動(dòng)機(jī)的容量定額 ?裝配靈活性大 2022/4/14 195 第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 ?其他種類的執(zhí)行元件 在伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件當(dāng)中，除電氣執(zhí)行元件外，還廣泛應(yīng)用液壓式和氣動(dòng)式執(zhí)行元件。 ?液壓缸 2022/4/14 196 第四節(jié) 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 當(dāng)伺服系統(tǒng)的負(fù)載不大，精度要求不高，可采用開(kāi)環(huán)控制。當(dāng)系統(tǒng)精度要求較高或負(fù)載較大時(shí)，開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)往往滿足不了要求，這時(shí)應(yīng)采用閉環(huán)或半閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)。一般來(lái)講，開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性容易滿足要求，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)主要考慮滿足精度方面的要求，并通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。 2022/4/14 197 第四節(jié) 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) ?開(kāi)環(huán)控制伺服系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，典型的開(kāi)環(huán)控制位臵伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)及數(shù)控 XY工作臺(tái)。 2022/4/14 198 第四節(jié) 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) ?執(zhí)行元件的選擇 選擇執(zhí)行元件時(shí)應(yīng)綜合考慮負(fù)載能力、調(diào)速范圍、運(yùn)行精度、可控性、可靠性以及體積、成本等多方面要求。開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)中可采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、液壓脈沖馬達(dá)、伺服閥控制的液壓缸和液壓馬達(dá)等作為執(zhí)行元件，其中步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用最為廣泛。一般情況下應(yīng)優(yōu)先選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，當(dāng)其負(fù)載能力不夠時(shí)，再考慮選用液壓脈沖馬達(dá)。 2022/4/14 199 第四節(jié) 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) ?傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案的選擇 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是執(zhí)行元件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的機(jī)械接口，用于對(duì)運(yùn)動(dòng)和立進(jìn)行變換和傳遞。在伺服系統(tǒng)中執(zhí)行元件以輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩為主，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)則多為直線運(yùn)動(dòng)。用于將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有齒輪齒條和絲杠螺母等。 2022/4/14 200 第四節(jié) 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 前者可獲得較大的傳動(dòng)比和較高的傳動(dòng)效率，所能傳遞的力也較大，但高精度的齒輪齒條制造比較困難，且存在傳動(dòng)間隙；后者因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易而應(yīng)用廣泛，尤其是滾動(dòng)絲杠螺母副，目前已成為伺服系統(tǒng)中的首選傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 2022/4/14 201 第四節(jié) 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與絲杠之間的傳遞可有多種方式?？蓪⒉竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)與絲杠通過(guò)連軸器直接連接，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可獲得較高的速度，但對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力要求較高。此外步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)還可通過(guò)減速器傳動(dòng)絲杠。減速器的作用主要有三個(gè)，即配湊脈沖當(dāng)量、轉(zhuǎn)矩放大和慣量