機(jī)電一體化技術(shù)(第2版)課件：伺服技術(shù)

伺服驅(qū)動技術(shù)目錄16.1伺服概述26.3步進(jìn)電動機(jī)36.2伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及要求46.4伺服電動機(jī)66.5DD馬達(dá)76.6音圈電機(jī)56.5直線電機(jī)

伺服驅(qū)動技術(shù)是機(jī)電一體化的一種關(guān)鍵技術(shù)，在機(jī)電設(shè)備中具有重要的地位，高性能的伺服系統(tǒng)可以提供靈活、方便、準(zhǔn)確、快速的驅(qū)動。

6.1伺服概述6.1.1伺服的概念“伺服”一詞源于希臘語“奴隸”，英語“Servo”。在伺服驅(qū)動方面，我們可以理解為電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動和停止完全根據(jù)信號的大小、方向，即在信號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動；信號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；當(dāng)信號消失，轉(zhuǎn)子能即時自行停轉(zhuǎn)。由于它的“伺服”性能，因此而得名——伺服系統(tǒng)。

在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量(系統(tǒng)的輸出量)是機(jī)械位移或速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移(或轉(zhuǎn)角)準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移(或轉(zhuǎn)角)。6.1.2伺服的分類1．按被控量參數(shù)特性分類

按被控量不同，機(jī)電一體化系統(tǒng)可分為位移、速度、力矩等各種伺服系統(tǒng)。2．按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來看，伺服系統(tǒng)又可分為開環(huán)控制伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)和閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)簡圖6.1.2伺服驅(qū)動的分類圖6-2半閉環(huán)控制系統(tǒng)圖6-1開環(huán)控制系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)簡圖6.1.2伺服驅(qū)動的分類圖6-3閉環(huán)控制系統(tǒng)全閉環(huán)伺服系統(tǒng)簡圖3．按驅(qū)動元件的類型分類

按驅(qū)動元件的不同分類，是最常用的一種方法，可分為液壓伺服系統(tǒng)、氣壓伺服系統(tǒng)、電氣伺服系統(tǒng)。6.1.2伺服驅(qū)動的分類

液壓伺服系統(tǒng)是較早期的伺服驅(qū)動裝置，也是功率最大的伺服驅(qū)動裝置。電氣伺服系統(tǒng)是發(fā)展最快的驅(qū)動裝置，也是目前最實(shí)用的伺服驅(qū)動裝置。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)類型的不同又可分為步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)、直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)等，三者互相補(bǔ)充，互相競爭，發(fā)展極為迅速。6.2伺服系統(tǒng)的組成及要求圖6-4伺服驅(qū)動的組成框圖

伺服控制系統(tǒng)一般包括比較環(huán)節(jié)、控制器、執(zhí)行環(huán)節(jié)、被控對象和檢測環(huán)節(jié)等部分。圖6-4所示為數(shù)控機(jī)床工作臺伺服系統(tǒng)的組成框圖。6.2.1伺服系統(tǒng)的組成

比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進(jìn)行比較，獲得輸出與輸入間偏差信號，以兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差。

執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動被控對象工作。被控對象是指被控制的機(jī)構(gòu)或裝置，是直接完成系統(tǒng)目的的主體。

被控對象一般指機(jī)器的運(yùn)動部分，包括傳動系統(tǒng)、執(zhí)行裝置和負(fù)載，如工業(yè)機(jī)器人的手臂、數(shù)控機(jī)床的工作臺以及自動導(dǎo)引車的驅(qū)動輪等。6.2.1伺服系統(tǒng)的組成(1)穩(wěn)定性好。(2)精度高。(3)快速響應(yīng)性好。(4)調(diào)速范圍寬。6.2.2伺服系統(tǒng)的基本要求1、定義：伺服電動機(jī)也稱為執(zhí)行電動機(jī)，在控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，將電信號轉(zhuǎn)換為軸上的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速，以帶動控制對象。2、伺服電機(jī)最大特點(diǎn)

在有控制信號輸入時，伺服電動機(jī)就轉(zhuǎn)動；沒有控制信號輸入，它就停止轉(zhuǎn)動；

改變控制電壓的大小和相位(或極性)就可改變伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。6.2.3伺服電機(jī)概述(1)調(diào)速范圍寬廣。伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著控制電壓改變，能在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。(2)轉(zhuǎn)子的慣性小，即能實(shí)現(xiàn)迅速啟動、停轉(zhuǎn)。(3)控制功率小，過載能力強(qiáng)，可靠性好。3、伺服電機(jī)與普通電機(jī)相比具有如下特點(diǎn)

根據(jù)電機(jī)的不同應(yīng)用領(lǐng)域，交流伺服電機(jī)屬于控制類電機(jī)，伺服的基本概念是準(zhǔn)確、精確、快速定位。普通電機(jī)傳動類。6.2.3伺服電機(jī)概述6.3步進(jìn)電動機(jī)1、簡介：步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理,將脈沖信號

轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機(jī)。每來一個電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動一個角度，帶動機(jī)械移動一小段距離。2、特點(diǎn)：(1)來一個脈沖，轉(zhuǎn)一個步距角。

(2)控制脈沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

(3)改變脈沖順序，改變轉(zhuǎn)動方向。

(4)角位移量或線位移量與電脈沖數(shù)成正比.以反應(yīng)式為例說明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理按勵磁方式分類：1）永磁式：轉(zhuǎn)子的極數(shù)=每相定子極數(shù)，不開小齒，步距角較大，力矩較大。2）反應(yīng)式：轉(zhuǎn)子無繞組，定轉(zhuǎn)子開小齒、步距小。3）感應(yīng)子式(混合式)：開小齒，混合反應(yīng)式與永磁式優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩大、動態(tài)性能好、步距角小。6.3.1步進(jìn)電動機(jī)分類

(a)永磁式；(b)反應(yīng)式；(c)混合式圖6-5

步進(jìn)電機(jī)構(gòu)造6.3.1步進(jìn)電動機(jī)分類1、結(jié)構(gòu)注意：步進(jìn)電機(jī)通的是直流電脈沖步進(jìn)電機(jī)主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子。它們均由磁性材料構(gòu)成。定、轉(zhuǎn)子鐵心由軟磁材料或硅鋼片疊成凸極結(jié)構(gòu)，定、轉(zhuǎn)子磁極上均有小齒，定、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)相等。其中定子有六個磁極,定子定子磁極上套有星形連接的三相控制繞組，每兩個相對的磁極為一相，組成一相控制繞組,轉(zhuǎn)子上沒有繞組。轉(zhuǎn)子上相鄰兩齒間的夾角稱為齒距角6.3.2步進(jìn)電動機(jī)的工作原理2、工作方式可分為：三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。一、三相單三拍（1）三相繞組聯(lián)接方式：Y型（2）三相繞組中的通電順序?yàn)椋篈相

B相

C相通電順序也可以為：

A相

C相

B相

6.3.2步進(jìn)電動機(jī)的工作原理3、工作過程被磁化，吸引轉(zhuǎn)子，由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，因此會在磁力線扭曲時產(chǎn)生切向力而形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)、定子的齒對齊停止轉(zhuǎn)動。A相通電，A方向的磁通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。若轉(zhuǎn)子和磁場軸線方向原有一定角度，則在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子A相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和AA'對齊。CA'BB'C'A34126.3.2步進(jìn)電動機(jī)的工作原理CA'BB'C'A3412B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相軸線對齊，相對A相通電位置轉(zhuǎn)30

；1C'342CA'BB'AC相通電再轉(zhuǎn)30

6.3.2步進(jìn)電動機(jī)的工作原理這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個循環(huán)周期共包括三個脈沖，所以稱三相單三拍。三相單三拍的特點(diǎn)：（1）每來一個電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30

。此角稱為步距角，用

S表示。（2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。6.3.2步進(jìn)電動機(jī)的工作原理二、三相單雙六拍三相繞組的通電順序?yàn)椋?/p>

A

AB

B

BC

C

CA

A

共六拍。工作過程：A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和A相對齊。CA'BB'C'A34126.3.2步進(jìn)電動機(jī)的工作原理（1）BB'

磁場對2、4齒有磁拉力，該拉力使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動。（2）AA'

磁場繼續(xù)對1、3齒有拉力。所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對AA'通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15°。A、B相同時通電CA'BB'C'A34126.3.2步進(jìn)電動機(jī)的工作原理總之，每個循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱為三相六拍，步距角為15

。CA'BB'C'A3412B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相對齊，又轉(zhuǎn)了15

。6.3.2步進(jìn)電動機(jī)的工作原理三、三相雙三拍三相繞組的通電順序?yàn)椋?/p>

AB

BC

CA

AB

共三拍。AB通電CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412BC通電6.3.2步進(jìn)電動機(jī)的工作原理以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。工作方式為三相雙三拍時，每通入一個電脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)30

，即

S=30

。CA通電CA'BB'C'A34126.3.2步進(jìn)電動機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)通過一個電脈沖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度,稱為步距角。N:一個周期的運(yùn)行拍數(shù),即通電狀態(tài)循環(huán)一周需要改變的次數(shù)Zr：轉(zhuǎn)子齒數(shù)如：Zr=40,N=3時

步距角拍數(shù)：N=kmk=1單拍制2雙拍制m:相數(shù)

轉(zhuǎn)速每輸入一個脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)過即轉(zhuǎn)過整個圓周的1/(ZrN）,也就是1/(ZrN）轉(zhuǎn)因此每分鐘轉(zhuǎn)過的圓周數(shù)，即轉(zhuǎn)速為步距角一定時，通電狀態(tài)的切換頻率越高，即脈沖頻率越高時，步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速越高。脈沖頻率一定時，步距角越大、即轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周所需的脈沖數(shù)越少時，步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速越高。步進(jìn)電動機(jī)不改變通電情況的運(yùn)行狀態(tài)稱為靜態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)處于通電狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子齒將力求與定子齒對齊，使磁路中的磁阻最小，轉(zhuǎn)子處在平衡位置不動。如果在電動機(jī)軸上外加一個負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子會偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過一個角度θ，稱為失調(diào)角。有了失調(diào)角之后，步進(jìn)電動機(jī)就產(chǎn)生一個反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，步進(jìn)電動機(jī)靜態(tài)運(yùn)行時轉(zhuǎn)子受到的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩T，叫作靜轉(zhuǎn)矩。6.3.3步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性1．靜態(tài)運(yùn)行狀態(tài)步進(jìn)電動機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩T和失調(diào)角θ之間的關(guān)系稱為矩角特性圖6-9步進(jìn)電動機(jī)的矩角特性6.3.3步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性6.3.3步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性步進(jìn)電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與控制脈沖頻率之間的關(guān)系稱為矩頻特性步進(jìn)電動機(jī)矩頻特性特點(diǎn)：下降曲線。以最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩（啟動轉(zhuǎn)矩）Tq為起點(diǎn)，隨著控制脈沖頻率增加，步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速逐步升高、而帶負(fù)載能力卻下降2．動態(tài)運(yùn)行狀態(tài)6.3.5步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，其實(shí)就是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。首先步進(jìn)驅(qū)動器會接收到一個脈沖信號，然后它按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。1、驅(qū)動器簡介圖6-14步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器2、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接線圖中標(biāo)號釋義：CP+：脈沖正輸入端；CP-：脈沖負(fù)輸入端；U/D+:方向電平的正輸入端；U/D-方向電平的負(fù)輸入端；PD+：脫機(jī)信號正輸入端；PD-：脫機(jī)信號負(fù)輸入端；6.3.5步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器3、輸入信號內(nèi)部接口電路

為了使控制系統(tǒng)和驅(qū)動器能夠正常的通信，避免相互干擾，我們在驅(qū)動器內(nèi)部采用光耦器對輸入信號進(jìn)行隔離，三路信號的內(nèi)部接口電路相同。圖6-16步進(jìn)驅(qū)動器內(nèi)部接口電路6.3.5步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器外部信號輸入分為共陰接法和共陽接法兩種。共陰接法如圖6-17所示，此時輸入信號為正脈沖方式。共陰接法6.3.5步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器共陽極接法6.3.5步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器2伺服電動機(jī)

伺服電動機(jī)也稱為執(zhí)行電動機(jī)，在控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，將輸入的電壓控制信號轉(zhuǎn)換為軸上輸出的角位移和角速度，以驅(qū)動控制對象。其最大的特點(diǎn)是，有控制電壓時轉(zhuǎn)子立即旋轉(zhuǎn)，無控制電壓時轉(zhuǎn)子立即停轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由控制電壓的方向和大小決定的。6.4.1交流伺服電機(jī)

交流伺服電動機(jī)也是無刷電動機(jī)，分為同步和異步電動機(jī)，目前運(yùn)動控制中一般都用同步電動機(jī)，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。圖6-21松下交流伺服電動機(jī)及其驅(qū)動器編碼器部分

安裝在電機(jī)后端，其轉(zhuǎn)盤（光柵）與電機(jī)同軸。5V5V0V0V伺服電機(jī)控制精度取決于編碼器精度。編碼器6.4.1交流伺服電機(jī)

伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機(jī)自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。交流伺服電機(jī)工作原理6.4.1交流伺服電機(jī)6.4.2交流伺服驅(qū)動器圖6-26伺服驅(qū)動器

伺服驅(qū)動器是用來控制伺服電動機(jī)的，是伺服電動機(jī)的控制部分。

伺服驅(qū)動器大體可以劃分為功能比較獨(dú)立的兩個模塊：驅(qū)動模塊和控制模塊。

驅(qū)動模塊是強(qiáng)電部分，用于電動機(jī)的驅(qū)動。

控制模塊是弱電部分，是電動機(jī)的控制核心，其功能是完成伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制，包括力矩、速度和位置等。工作方式分為：位置控制模式，速度控制模式，轉(zhuǎn)矩控制模式。

速度控制和轉(zhuǎn)矩控制都是用模擬量來控制的。位置控制是通過發(fā)脈沖來控制的

這三種工作模式中，根據(jù)控制要求選擇其中的一種或兩種模式，當(dāng)選擇兩種工作模式時需要外部開關(guān)進(jìn)行選擇。6.4.2交流伺服驅(qū)動器1、轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機(jī)軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，負(fù)載發(fā)生變化時，電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，但是轉(zhuǎn)矩不會變，具體表現(xiàn)：例如10V對應(yīng)5Nm的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為5V時電機(jī)軸輸出為2.5Nm:如果電機(jī)軸負(fù)載低于2.5Nm時電機(jī)正轉(zhuǎn)，外部負(fù)載等于2.5Nm時電機(jī)不轉(zhuǎn)，大于2.5Nm時電機(jī)反轉(zhuǎn)（?？梢酝ㄟ^即時的改變模擬量的設(shè)定來改變設(shè)定的力矩大小。6.4.2交流伺服驅(qū)動器2、位置控制：位置控制模式一般是通過（上位機(jī)plc）外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進(jìn)行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴(yán)格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。

應(yīng)用領(lǐng)域如數(shù)控機(jī)床中工作臺的移動等等。要求工作臺移動多少，或者轉(zhuǎn)動多大角度。6.4.2交流伺服驅(qū)動器3、速度模式：

通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動速度的控制，維持電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變。負(fù)載變化時，轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化，但是轉(zhuǎn)速不變。此時的輸出轉(zhuǎn)矩是由負(fù)載決定的，負(fù)載轉(zhuǎn)矩大，則輸出轉(zhuǎn)矩大，但是不能超過電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。

6.4.3伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2-2交流伺服電機(jī)系統(tǒng)接線示意圖交流伺服電機(jī)驅(qū)動器連接AC220V

I/O板1交流伺服電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)PC機(jī)運(yùn)動控制器I/O電路驅(qū)動器電機(jī)Pulse0/1P9-0/2CNSIG控制電壓編碼器反饋信號軸號0/1數(shù)據(jù)信號使能信號DO21/22速度信號DAC0/12交流伺服電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6.4.3伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6.5直線電機(jī)直線電機(jī)是一種新型的電機(jī)，它采用線性運(yùn)動的方式，因此又稱為直動電機(jī)或線性電機(jī)。與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)不同，直線電機(jī)具有高速度、高精度、高效率、高加速度和高響應(yīng)速度等特點(diǎn)，因此在機(jī)床、起重機(jī)、磁懸浮列車、空氣動力飛機(jī)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文將介紹直線電機(jī)的工作原理及其優(yōu)缺點(diǎn)。6.5.1直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理圖6-30直線電機(jī)模組組成結(jié)構(gòu)6.5.2直線電機(jī)和傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠運(yùn)動系統(tǒng)的比較圖6-31直線電機(jī)

圖6-32旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠（1）優(yōu)點(diǎn)1.高速響應(yīng)；2.精度；3.動剛度高；4.速度快；5.行程長度不受限制；6.運(yùn)動動安靜、噪音低；7.效率高。（2）缺點(diǎn)1.安裝和維護(hù)困難；2.價格高；3.僅適用于線性運(yùn)動。6.6DD馬達(dá)DD是DirectDriver的簡稱，DD后?加上電機(jī)就稱為DD直驅(qū)電機(jī)。由于其輸出?矩?，因此有些公司將該產(chǎn)品直接稱為?矩電機(jī)。與傳統(tǒng)的電機(jī)不同，該產(chǎn)品的??矩使其可以直接與運(yùn)動裝置連接，從?省去了諸如減速器，齒輪箱，?帶輪等連接機(jī)構(gòu)，因此才會稱其為直驅(qū)電機(jī)。6.6.1DD馬達(dá)的結(jié)構(gòu)DD馬達(dá)主要由轉(zhuǎn)子、定子、磁環(huán)、軸承等組成。工作時，通過