《机电一体化系统设计》课程教学资源（PPT课件讲稿）第五章 伺服系统

第五章伺服系统 ■5.1概述 ■5.2伺服系统的执行元件及控制 ■5.3伺服系统设计

第五章 伺服系统 ◼ 5.1 概述 ◼ 5.2 伺服系统的执行元件及控制 ◼ 5.3 伺服系统设计

5.1概述 ■一、伺服系统概念 二、伺服系统的类型 三、伺服系统的基本要求

5.1 概述 ◼ 一、伺服系统概念 ◼ 二、伺服系统的类型 ◼ 三、伺服系统的基本要求

伺服系统概念 伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变 量通常是机械或位置的运动，它的根本任务是实 现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出 变量的某种状态能够自动、连续、精确地复现输 入指令信号的变化规律

◼ 伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变 量通常是机械或位置的运动，它的根本任务是实 现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出 变量的某种状态能够自动、连续、精确地复现输 入指令信号的变化规律。 一、伺服系统概念

二、 伺服系统类型 从系统组成元件的性质来看，有电气旬服系统 液压伺服系统和电气一液压伺服系统、电气一气 动伺服系统等； 从系统输出量的物理性质来看，有速度或加速 度伺服系统和位置伺服系统等； 从系统中所包含的元件特性和信号作用特点来 看，有模拟式伺服系统和数字式伺服系统； 从系统结构特点来看，有单回路伺服系统、多 ▣路伺服系统和开环伺服系统、闭环伺服系统

◼ 从系统组成元件的性质来看，有电气伺服系统、 液压伺服系统和电气—液压伺服系统、电气—气 动伺服系统等； ◼ 从系统输出量的物理性质来看，有速度或加速 度伺服系统和位置伺服系统等； ◼ 从系统中所包含的元件特性和信号作用特点来 看，有模拟式伺服系统和数字式伺服系统； ◼ 从系统结构特点来看，有单回路伺服系统、多 回路伺服系统和开环伺服系统、闭环伺服系统。 二、伺服系统类型

伺服系统类型 例：数控机床伺服系统， 工作台 直接测量 误 控制器 问服放大器 电动机 间接测量 测速 发电机 反馈 由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样， 也是由控制器、被控对象、 反馈测量装置等部分 组成

◼ 例：数控机床伺服系统， ◼ 由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样， 也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分 组成。 二、伺服系统类型

三、伺服系统的基本要求 对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速 响应性。 稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统 能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指 令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态 的能力。 精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是 指其输出量复现输入指令信号的精确程度。 快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项 重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动 态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的 迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度

◼ 对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速 响应性。 ◼ 稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统 能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指 令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态 的能力。 ◼ 精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是 指其输出量复现输入指令信号的精确程度。 ◼ 快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项 重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动 态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的 迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。 三、伺服系统的基本要求

5.2伺服系统的执行元件及控制 ■一、执行元件类型及特点 二、伺服电机及其控制 三、步进电机及其控制

5.2 伺服系统的执行元件及控制 ◼ 一、执行元件类型及特点 ◼ 二、伺服电机及其控制 ◼ 三、步进电机及其控制

一、 执行元件类型及特点 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。 BACK

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。 一、执行元件类型及特点

伺服电机特点及其应用举例 种 类 主要特点 应 用 实例 DC伺服电机 1.高响应特性 NC机械，机器人、计算机外围设 2.高功率密度（体积小、重量轻） 备、办公机械、音响、音像设备、计 3.可实现高精度数字控制 测机械等 4,接触换向器件（电刷与整流 子)需要维护 音响、音象设备、计算机外围设 无刷DC伺服电机（晶体管式） 1.无接触换向部件 备等 2.需要磁极位置检测器（如同轴 AC同服电机 永磁同步型（无刷 编码器等) NC机械（进给运动），机器人等 DC伺服电机) 3.具有DC伺服电机的全部优点 感应型（矢量控制） 1.对定子电流的激励分量和转 NC机械（主轴运动） 矩分量分别控制 2.具有DC伺服电机的全部优点 1.转角与控制脉冲数成比例，可 计算机外围设备、办公机械、数控 装置 步进电机 构成直接数字控制 2.有定位转矩 3,可构成廉价的开环控制系统

◼ 在自动控制系统中，伺服电动机将电压信号转 换为转矩和转速以驱动被控对象，当信号电压的 大小和极性(或相位)发生变化时，电动机的转速 和转向将快速、准确地跟着变化。目前常用的伺 服电动机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进 电机。 二、伺服电机及其控制

二、 伺服电机及其控制 1直流伺服电动机 (1)调速方式 。直流伺服电机的机械特性方程为： U R n ■式中，乙UJ。一电枢控制电压；R一电枢回路电 阻；Φ一每极磁通；C。、C,一分别为电动机 的结构常数

◼ 1 直流伺服电动机 ◼ (1) 调速方式 ◼ 直流伺服电机的机械特性方程为： ◼ 式中， 一电枢控制电压； 一电枢回路电 ◼ 阻； —每极磁通； 、 —分别为电动机 的结构常数。 二、伺服电机及其控制 T C C R C U n 2 e e t c  −  = Uc R  Ce Ct