西安工业学院：机电系统设计_第五章 伺服系统技术

第五章服票技术 §51述 一、伺服系统基本概念 伺服系统也称之为随动系统,是以位移、速度或力、力矩等作为被控量 的自动控制系统。 电气控制装置 机械执行 执行元件“装置 由两部分组成 传感器 电气控制装置部分 机械执行装置部分 图5.1伺服系统组成 在控制信号传递路线上,以执行元件作为接口 在反馈信号传递路线上,以传感器作为接口

一、伺服系统基本概念 § 5.1 概述 伺服系统也称之为随动系统，是以位移、速度或力、力矩等作为被控量 的自动控制系统。 1 第五章 伺服系统技术 电气控制装置 机械执行 执行元件 装置 传 感 器 电气控制装置部分 机械执行装置部分 ➢ 在控制信号传递路线上，以执行元件作为接口 ➢ 在反馈信号传递路线上，以传感器作为接口 由两部分组成： 图5.1 伺服系统组成

二、伺服系统基本类型 采用不同的分类方法,可以得到不同类型的伺服系统 按控制原理(或方式)不同 表示的方式有开环、闭环和半闭环三种形式 ◎按被控制量性质不同 有位移、速度、力和力矩等伺服系统形式 按驱动方式不同 P(kW) 有电气、液压和气压等伺服驱动形式 100 按执行元件不同 10 分为步进电机伺服、直流电机伺服和11 交流电机伺服形式 f(Hz 图5.2伺服系统适用范围

二、伺服系统基本类型 2 采用不同的分类方法，可以得到不同类型的伺服系统 按控制原理（或方式）不同 表示的方式有开环、闭环和半闭环三种形式 按被控制量性质不同 有位移、速度、力和力矩等伺服系统形式 按驱动方式不同 有电气、液压和气压等伺服驱动形式 按执行元件不同 分为步进电机伺服、直流电机伺服和 交流电机伺服形式 0.1 1 10 100 P(kW) f (Hz) 10 100 1000 图5.2 伺服系统适用范围

三、伺服系统基本要求 ◎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 影响间系统度的因 传感器的灵敏度和精度 、组成元件本身误差伺服放大器的零点漂移和死区误差 各元器件的非线性因素等 2、系统本身结构形式 输入指令信号的形式 响应速度 是衡量伺服系统动态性能的重要指标 ◎调速范围 是伺服系统提供的最高速与最低速之比,即:Mm

3 三、伺服系统基本要求 精度 响应速度 调速范围 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： 1、组成元件本身误差 传感器的灵敏度和精度 伺服放大器的零点漂移和死区误差 机械装置反向间隙和传动误差 各元器件的非线性因素等 2、系统本身 结构形式 输入指令信号的形式 是衡量伺服系统动态性能的重要指标 是伺服系统提供的最高速与最低速之比，即： min max n n Rn =

要求: yRn要大,并且在该范围内,速度稳定; 无论高速低速下,输岀力或力矩稳定,低速驱动时,能输岀额定的力 或力矩; 在零速时,伺服系统处于“定”状态,即惯性小。 应变能力和过载能力 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 四、电气伺服驱动装置 机电一体化系统中较多的采用电气伺服驱动装置,即伺服电机驱动系统。 伺服驱动电机一般是指: 步进电机( Stepping Motor 直流服电机( DC Servo Motor) 交流伺服电机( AC Servo Motor)

应变能力指能承受频繁的启动、制动、加速、减速的冲击； ✓ Rn要大，并且在该范围内，速度稳定； ✓ 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； ✓ 在零速时，伺服系统处于 “锁定” 状态，即惯性小。 4 应变能力和过载能力 要求： 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 四、电气伺服驱动装置 机电一体化系统中较多的采用电气伺服驱动装置，即伺服电机驱动系统。 伺服驱动电机一般是指： 步进电机（Stepping Motor） 直流伺服电机(DC Servo Motor) 交流伺服电机(AC Servo Motor)

种电机驱动的特点 1、步进电机 转角与数字脉冲成比例,可构成直接数字控制 构成廉价的开环系统 ˇ控制系统控制较简单 2、Dc伺服电机 高响应、高功率密度 ˇ可实现高精度的数字控制 换向器件需维护 3、AC伺服电机 具有D伺服电机的全部优点 需要磁极位置检测器 无接触换向器件,维护方便 机电一体化系统对伺服电机的基本要求: 1、性能密度大

5 三种电机驱动的特点： 1、步进电机 ✓转角与数字脉冲成比例，可构成直接数字控制 ✓构成廉价的开环系统 ✓控制系统控制较简单 2、DC伺服电机 ✓高响应、高功率密度 ✓可实现高精度的数字控制 ✓换向器件需维护 3、AC伺服电机 ✓具有DC伺服电机的全部优点 ✓需要磁极位置检测器 ✓无接触换向器件，维护方便 机电一体化系统对伺服电机的基本要求： 1、性能密度大

功率密度大(Pn) 两方面含义 比功率大(dP/dt) 功率密度指单位重量的输出功率 比功率指功率对时间微分:ddt (0)=7 = 因为,电机转动时的动力学方程为: 因此,比功率为 2快速性好;调速范围宽(1:1000以上);适应启停频繁的工作要 求等

6 两方面含义 功率密度大（PW） 比功率大（dP/dt） W P 功率密度指单位重量的输出功率： PW = 比功率指功率对时间微分： N N dt T T d T T dt d dt dP = = =  ( ) 因为，电机转动时的动力学方程为： dt d T J N m  = 因此，比功率为： N m T J dt dP / 2 = 2、快速性好；调速范围宽（1：1000以上）；适应启停频繁的工作要 求等

§52步造电机间服驱動 、步进电机工作原理 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的电气执行元件,电机绕组每接 受一个脉冲,转子转过相应的角度(即步距角),低频率运行时,明显 可见电机轴是一步一步转动的,故称为步进电动机。 以反应式步进电机为例说明工作原理: 反应式步进电机利用定子绕组通电励磁, 产生反应磁阻转矩实现转动。 如图示,定子有三对磁极AA,B-B, CG,若转子有40个齿,则转子的齿 距角为: 2=30/40=9 定子每相磁极有5个齿,其齿距宽度 与转子一样,则相邻两个齿的夹角必 定是9°。 图6-34反应式步进电动机结构

1 § 5.2 步进电机伺服驱动 一、步进电机工作原理 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的电气执行元件，电机绕组每接 受一个脉冲，转子转过相应的角度（即步距角），低频率运行时，明显 可见电机轴是一步一步转动的，故称为步进电动机。 以反应式步进电机为例说明工作原理： 反应式步进电机利用定子绕组通电励磁， 产生反应磁阻转矩实现转动。 如图示，定子有三对磁极 A-A，B-B， C-C，若转子有40个齿，则转子的齿 距角为：   = 360 40 = 9 z  定子每相磁极有5个齿，其齿距宽度 与转子一样，则相邻两个齿的夹角必 定是9°

当A相磁极与转子的齿对齐时,即定子齿与转子齿对齐时,磁导率最大, 磁阻最小,就会产生右图所示的B、C相磁极错齿情况: 在B相磁极中心线上应是m号齿: 定子 m=1209=13.3…3 B 显然,B相磁极中心线是转子的第13个齿再过 3°的地方,即B相磁极的齿与转子齿相差3° >同理,C相磁极中心线上应是n号齿 转子 图6-35错齿情况 即C相磁极中心线是转子的第26个齿再过6°的地方,换而言之,C相磁极 的齿与转子齿相差6° 依次按AB0,AB0,通电流,转子就跟随磁场一步一步转动,若需反向 转动,只需改变通电相序A0=B,A0=B

➢ 当A相磁极与转子的齿对齐时，即定子齿与转子齿对齐时，磁导率最大， 磁阻最小，就会产生右图所示的B、C相磁极错齿情况： 在B相磁极中心线上应是m号齿：    m =120 9 =13.33 显然，B相磁极中心线是转子的第13个齿再过 3°的地方，即B相磁极的齿与转子齿相差3° ➢ 同理，C相磁极中心线上应是n号齿：    n = 240 9 = 26.66 即C相磁极中心线是转子的第26个齿再过6°的地方，换而言之，C相磁极 的齿与转子齿相差6° 依次按A-B-C-，A-B-C…通电流，转子就跟随磁场一步一步转动，若需反向 转动，只需改变通电相序A-C-B，A-C-B…。 2

三相反应式步进电机的三种运行方式: 单三拍时: A-BG,—AB0 步进时LL几几几几 A相 360 360 O=mkZ3×1×40 B相 C相 图637单三拍工作的电压电流波形 表66单三拍时的各相差角 A相差角 B相差角 C相差角 A相通电 6° B相通电 063 C相通电

3 三相反应式步进电机的三种运行方式： ➢ 单三拍时： A—B—C,—A—B—C…  3 3 1 40 360 360 =   = = mkZ 

>双三拍时:步时几几几几几几几L」 AB CA,,,, A相 AB -BC CA B相 C相 图6-38双三拍工作的电压电流波形 单双拍(即六拍)时: 360 360 A-ABB--BC步进时州几几几几几几几几几几几几 CCA.一A AB--B-BC A相 GCA B相 C相 」 图640六拍工作的电压电流波形 4

4 ➢ 双三拍时： ➢ 单双拍（即六拍）时：  1.5 3 2 40 360 360 =   = = mkZ  AB—BC—CA, —AB—BC—CA… A—AB—B—BC —C—CA,--A— AB—B—BC —C—CA …