機(jī)電一體化第3章 伺服系統(tǒng)(1伺服系統(tǒng)概述)

第三章機(jī)電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件的選擇與設(shè)計(jì)了解伺服系統(tǒng)概念、類型、基本要求了解執(zhí)行元件的種類、特點(diǎn)、基本要求掌握常用電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)、驅(qū)動(dòng)方法和選用了解伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法學(xué)習(xí)目的與要求教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)、直流、交流伺服電機(jī)及其控制

本章內(nèi)容伺服系統(tǒng)概述伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件概述控制電動(dòng)機(jī)及其選擇計(jì)算伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4伺服系統(tǒng)

伺服來自英文單詞Servo，指系統(tǒng)跟隨外部指令進(jìn)行人們所期望的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)要素包括位置、速度和力矩。伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從液壓、氣動(dòng)到電氣的過程，而電氣伺服系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、反饋裝置和控制器。一、伺服系統(tǒng)基本概念

電氣控制裝置機(jī)械執(zhí)行裝置執(zhí)行元件傳感器伺服系統(tǒng)組成圖機(jī)械執(zhí)行裝置部分由兩部分組成：電氣控制裝置部分第一節(jié)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成機(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。比較元件調(diào)節(jié)元件執(zhí)行元件被控對(duì)象測(cè)量、反饋元件輸入指令輸出量伺服系統(tǒng)組成原理框圖

按控制原理分有開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種形式

按被控制量性質(zhì)分有位移、速度、力和力矩等伺服系統(tǒng)形式

按驅(qū)動(dòng)方式分有電氣、液壓和氣壓等伺服驅(qū)動(dòng)形式

按執(zhí)行元件分有步進(jìn)電機(jī)伺服、直流電機(jī)伺服和交流電機(jī)伺服形式二、伺服系統(tǒng)基本類型

第二節(jié)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件概述執(zhí)行元件的種類及特點(diǎn)執(zhí)行元件的基本要求常用的控制用電機(jī)執(zhí)行元件，是處于執(zhí)行機(jī)構(gòu)與電子控制裝置的接點(diǎn)部位的能量轉(zhuǎn)換部件。它能在電子控制裝置控制下，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。例如電動(dòng)機(jī)、液動(dòng)機(jī)、氣缸、內(nèi)燃機(jī)、電磁鐵、繼電器等分別把輸入的電能、液壓能、氣壓能和化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。一、執(zhí)行元件的種類及其特點(diǎn)

1.電氣執(zhí)行元件電氣執(zhí)行元件包括直流(DC)伺服電機(jī)、交流（AC）伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)以及電磁鐵等，是最常用的執(zhí)行元件。對(duì)伺服電機(jī)除了要求運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)以外，一般還要求動(dòng)態(tài)性能好，適合于頻繁使用，便于維修等

2．液壓式執(zhí)行元件液壓式執(zhí)行元件主要包括往復(fù)運(yùn)動(dòng)油缸、回轉(zhuǎn)油缸、液壓馬達(dá)等，其中油缸最為常見。在同等輸出功率的情況下，液壓元件具有重量輕、快速性好等特點(diǎn)

3．氣壓式執(zhí)行元件氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質(zhì)外，與液壓式執(zhí)行元件沒有區(qū)別。氣壓驅(qū)動(dòng)雖可得到較大的驅(qū)動(dòng)力、行程和速度，但由于空氣粘性差，具有可壓縮性，故不能在定位精度要求較高的場(chǎng)合使用。異步電動(dòng)機(jī)

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)離合器電動(dòng)機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)

微型直流減速電動(dòng)機(jī)

電氣式液壓式

氣壓式應(yīng)用：液壓系統(tǒng)用于需大的功率重型設(shè)備;氣動(dòng)用于工件夾緊、輸送等自動(dòng)化生產(chǎn)線;電動(dòng)應(yīng)用最廣泛.種類特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)電氣式

可用商業(yè)電源；信號(hào)與動(dòng)力傳送方向相同；有交流直流之分；注意使用電壓和功率。操作簡(jiǎn)便；編程容易；能實(shí)現(xiàn)定位伺服控制；響應(yīng)快、易與計(jì)算機(jī)（CPU）連接；體積小、動(dòng)力大、無污染。瞬時(shí)輸出功率大；過載差；一旦卡死，會(huì)引起燒毀事故；受外界噪音影響大。氣壓式

氣體壓力源壓力5~7×Mpa；要求操作人員技術(shù)熟練。氣源方便、成本低；無泄露而污染環(huán)境；速度快、操作簡(jiǎn)便。功率小、體積大、難于小型化；動(dòng)作不平穩(wěn)、遠(yuǎn)距離傳輸困難；噪音大；難于伺服。液壓式

液體壓力源壓力20~80×Mpa；要求操作人員技術(shù)熟練。輸出功率大，速度快、動(dòng)作平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)定位伺服控制；易與計(jì)算機(jī)（CPU）連接。設(shè)備難于小型化；液壓源和液壓油要求嚴(yán)格；易產(chǎn)生泄露而污染環(huán)境。1．慣量小、動(dòng)力大表征執(zhí)行元件慣量的性能指標(biāo)：對(duì)直線運(yùn)動(dòng)為質(zhì)量m，對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J。表征輸出動(dòng)力的性能指標(biāo)為椎力F、轉(zhuǎn)矩T或功率P。另一種表征動(dòng)力大小的綜合性指標(biāo)稱為比功率。它包含了功率、加速性能相轉(zhuǎn)速三種因素。2．體積小、重量輕既要縮小執(zhí)行元件的體積、減輕重量，同時(shí)義要增大其動(dòng)力，故通常用執(zhí)行元件的單位重量所能達(dá)到的輸出功率或比功率，即用功率密度或比功率密度來評(píng)價(jià)這項(xiàng)指標(biāo)。3．便于維修、安裝執(zhí)行元件最好不需要維修。4．宜于微機(jī)控制根據(jù)這個(gè)要求，用微機(jī)控制最方便的是電動(dòng)式執(zhí)行元件。因此機(jī)電一體化系統(tǒng)所用執(zhí)行元件的主流是電動(dòng)式，其次是液動(dòng)和氣動(dòng)式。二、執(zhí)行元件的基本要求控制用電機(jī)是電氣伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)力部件。它是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。機(jī)電一體化產(chǎn)品中常用的控制用電機(jī)是指能提供正確運(yùn)動(dòng)或較復(fù)雜動(dòng)作的伺服電機(jī)。三、常用的控制用電機(jī)

控制用電機(jī)有回轉(zhuǎn)和直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過電壓、電流、頻率(包括指令脈沖)等控制，實(shí)現(xiàn)定速、變速驅(qū)動(dòng)或反復(fù)啟動(dòng)、停止的增量驅(qū)動(dòng)以及復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)精度隨驅(qū)動(dòng)對(duì)象的不同而不同。電動(dòng)機(jī)工作原理NS＋U－電刷換向片主要有：開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制三種。閉環(huán)系統(tǒng):驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有位置(或速度)反饋環(huán)節(jié)開環(huán)系統(tǒng):沒有位置與速度反饋環(huán)節(jié)常用伺服控制電動(dòng)機(jī)的控制方式1.性能密度大即功率密度Pw=P/G或比功率密度Pbw=(T2/J)/G大.2.快速性好；調(diào)速范圍寬（1：1000以上）；適應(yīng)啟停頻繁的工作要求等.3.位置控制精度高、調(diào)速范圍寬、低速運(yùn)行平穩(wěn)無爬行現(xiàn)象.4.適應(yīng)啟、停頻繁的工作要求.5.可靠性高、壽命長(zhǎng).6.易于與計(jì)算機(jī)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制.

1控制用電動(dòng)機(jī)的基本要求動(dòng)力用電動(dòng)機(jī)，如感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)等；控制用電動(dòng)機(jī)，如力矩電動(dòng)機(jī)、脈沖電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)和各種AC／DC電動(dòng)機(jī)等等。2控制用電機(jī)分類控制用旋轉(zhuǎn)電機(jī)按其工作原理可分為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)型和旋轉(zhuǎn)電樞型。前者有同步電機(jī)(永磁)、步進(jìn)電機(jī)(永磁)；后者有直流電機(jī)(永磁)、感應(yīng)電機(jī)(按矢量控制等效模型)。具體的可細(xì)分為：

DC伺服電機(jī)(永磁)

：有槽鐵芯電樞型、無槽(平滑型)鐵芯電樞型、電樞型(無槽(平滑)鐵芯型與無鐵芯型)。

AC伺服電機(jī)：同步型(SM)、感應(yīng)型(IM)。步進(jìn)電機(jī)：變磁阻型(VR)、永磁型(PM)、混合型(HB)。步進(jìn)電機(jī)（SteppingMotor）直流伺服電機(jī)(DCServoMotor)交流伺服電機(jī)(ACServoMotor)伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般是指：常用電動(dòng)機(jī)固定磁阻電動(dòng)機(jī)

變磁阻電動(dòng)機(jī)無磁電動(dòng)機(jī)

直流伺服電機(jī)

交流伺服電機(jī)

反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

——超聲波電機(jī)常用電機(jī)特點(diǎn)：名稱特點(diǎn)直流伺服電動(dòng)機(jī)可控性好、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、有電刷接觸交流伺服電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流小、體積較小、機(jī)械強(qiáng)度高、無電刷反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行頻率高、斷電無定位轉(zhuǎn)矩、消耗功率較大永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)消耗功率較反應(yīng)電機(jī)小、需正負(fù)脈沖供電、啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較小、有定位轉(zhuǎn)矩混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較高、需正負(fù)脈沖供電、消耗功率較小、有定位轉(zhuǎn)矩直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)提供直線運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、