《機電一體化系統設計》第4章-伺服系統設計

伺服系統，也稱為隨動系統，是一種能夠及時跟蹤輸入給定信號并產生動作，從而獲得精確的位置、速度等輸出的自動控制系統。4.1、伺服系統概念第四章

伺服系統設計伺服系統應用舉例機械手手臂伸縮運動的電液伺服系統。1－電放大器2－電液伺服閥3－液壓缸4－機械手手臂

5－齒輪齒條機構6－電位器7－步進電機例：數控機床伺服系統，由圖可以看出，它與一般的反饋控制系統一樣，也是由控制器、被控對象、反饋測量裝置等部分組成。系統需不斷檢測被控對象輸出的變化，與給定值比較，對被控對象進行自動調節，以消除偏差。數控系統

對伺服系統的基本要求有穩定性、精度和快速響應性。

穩定性是指作用在系統上的擾動消失后，系統能夠恢復到原來的穩定狀態下運行或者在輸入指令信號作用下，系統能夠達到新的穩定運行狀態的能力。精度是伺服系統的一項重要的性能要求。它是指其輸出量復現輸入指令信號的精確程度。快速響應性是衡量伺服系統動態性能的另一項重要指標。快速響應性有兩方面含義，一是指動態響應過程中，輸出量跟隨輸入指令信號變化的迅速程度，二是指動態響應過程結束的迅速程度。伺服系統的基本要求按被控量的不同可以將伺服系統分為位置伺服系統、速度伺服系統，其中最常見的是位置伺服系統

；按照控制方式，可將伺服系統分為開環、閉環、半閉環系統。根據執行器使用的動力源，可以將伺服系統分為電氣伺服系統、液壓伺服系統和氣壓伺服系統等幾種類型4.1.2、伺服系統的分類位置控制控制器（ＮＣ裝置）步進驅動器

步進馬達開回路開回路沒有反饋、只能進行一個方向的控制。使用步進馬達。一方向指令半閉回路位置控制控制器（ＮＣ裝置）伺服驅動器伺服馬達編碼器全閉合回路位置控制控制器（ＮＣ裝置）伺服驅動器伺服馬達編碼器絲性標尺1.電氣伺服系統

高精度、高速度、高可靠行、易控制。但承載能力有限，設計較復雜。2.液壓伺服系統功率大、控制性好、維修方便。但快速響應性不好，穩定性較差。2.氣壓伺服系統

成本低、清潔安全、結構簡單、維修方便。但控制穩定性差，輸出功率和力較小，體積大4.1.2、伺服系統的分類

1.電氣執行元件電氣執行元件包括直流(DC)伺服電機、交流（AC）伺服電機、步進電機等，是最常用的執行元件。對伺服電機除了要求運轉平穩以外，一般還要求動態性能好，適合于頻繁使用，便于維修等2．液壓式執行元件液壓式執行元件主要包括往復運動油缸、回轉油缸、液壓馬達等，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3．氣壓式執行元件氣壓式執行元件除了用壓縮空氣作工作介質外，與液壓式執行元件沒有區別。氣壓驅動雖可得到較大的驅動力、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合使用。4.2伺服系統執行元件及其控制4.2伺服系統執行元件及其控制一、直流伺服電機及控制二、交流伺服電機及控制三、步進電機及控制伺服電動機典型生產廠家德國西門子，產品外形有：伺服電機伺服電機驅動器美國科爾摩根，產品外形有：伺服電機伺服電機驅動器伺服電動機典型生產廠家日本松下及安川，產品外形有：松下交流伺服電機及驅動器安川伺服電機驅動器伺服電動機典型生產廠家伺服電機的分類伺服電機交流伺服電機直流伺服電機鼠籠轉子杯形轉子1、直流電動機工作原理、分類和結構安培定律——磁場的磁感應強度——導體中的電流——導體的有效長度4.2.1、直流伺服電動機直流電機原理直流電機的勵磁方式勵磁概念：由電流激勵出磁場的過程叫做勵磁。他勵并勵串勵直流伺服電機的結構極靴機殼瓦狀永磁材料（定子）電樞（轉子）換向極主磁極定子轉子線圈圖6.5永磁直流伺服電機的結構

圖6.6勵磁式直流伺服電機結構示意圖1.靜態特性（電壓相對穩定）

電磁轉矩由下式表示:

KT

—轉矩常數；

Φ—磁場磁通；Ia—電樞電流；TM—電磁轉矩。電樞回路的電壓平衡方程式為:

Ua─電樞上的外加電壓；Ra─電樞電阻；Ea─電樞反電勢。

電樞反電勢與轉速之間有以下關系：

Ke─電勢常數；n─電機轉速（角速度）。

根據以上各式可以求得：

(轉速公式)

2、直流電機的靜態特性

反映轉速隨轉矩變化的程度，斜率越大，轉速隨負載變化大，機械特性軟；反之（轉矩對轉速變化的影響程度越小），機械特性越硬。從公式可看出機械特性硬度與Ra有關，Ra越小，電機機械特性越硬。實際控制中，伺服電機需外接放大電路，這就引入了放大電路內阻，使機械特性變軟，在設計時應注意。1）、機械特性直流電機轉速隨轉矩（負載）變化的關系n=f(T)稱機械特性2）、調節特性由圖可知：空載時，起動電壓為0.當負載為TL1時，電機的起動電壓為Ua1當負載為TL2時，電機的起動電壓為Ua23）、動態特性直流電機的基本調速方式有三種:（1）調節電阻Ra、（2）調節磁通Φ的值（3）調節電樞電壓Ua4）、直流伺服電機的速度控制由轉速公式可得，（1）電樞電阻調速：很少采用，缺點：不經濟：要得到低速，R很大，則消耗大量電能；低速，特性很軟，運轉穩定性很差；調節平滑性差，操作費力。7.3直流伺服電機及其速度控制主要內容Tnn0R0R2R1主要內容（2）調節磁通（調磁調速）不但改變了電機的理想轉速，而且使直流電機機械特性變軟7.3直流伺服電機及其速度控制主要內容（3）調節電樞電壓：（調壓調速）時，直流電機機械特性為一組平行線，只改變電機的理想轉速n0

，保持了原有較硬的機械特性，所以調壓調速主要用于伺服進給驅動系統電機的調速如果Δn值較大，不可能實現寬范圍的調速。永磁式直流伺服電機的Δn值較小，因此，進給系統常采用永磁式直流電機。

Δn為負載轉速與理想空載轉速的轉速差。

7.3直流伺服電機及其速度控制主要內容直流伺服電機速度控制單元

需對直流電壓的大小和方向進行控制直流伺服電機速度控制單元的作用：將轉速指令信號轉換成電樞的電壓值，達到速度調節的目的。直流電機速度控制單元常采用的調速方法：

1.晶閘管（可控硅）調速系統

2.晶體管脈寬調制（PWMPulseWidthModulated）調速系統。主要內容1．晶閘管調速系統常用于大功率及要求不很高的直流伺服電機調速控制。7.3直流伺服電機及其速度控制U*n主要內容速度調節器電流調節器觸發脈沖發生器可控硅電流反饋速度反饋電流檢測編碼器電機+-UnInI*n+-US

控制回路主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驅動，使電機轉動。速度環：速度調節，作用：好的靜態、動態特性。電流環：電流調節，作用：系統快速性、穩定性改善。觸發脈沖發生器：產生移相脈沖，使可控硅觸發角前移或后移。7.3直流伺服電機及其速度控制462791113581210ABCMⅠⅡUMUDKMKM+-主回路由大功率晶閘管構成的三相全控橋式反并接可逆電路，分成二大部分（Ⅰ和Ⅱ），每部分內按三相橋式連接，二組反并接，分別實現正轉和反轉。各有一個可控硅同時導通，形成回路。7.3直流伺服電機及其速度控制

只要改變可控硅觸發角（即改變導通角），就能改變可控硅的整流輸出電壓，從而改變直流伺服電機的轉速。觸發脈沖提前，增大整流輸出電壓；觸發脈沖延后，減小整流輸出電壓。uacbcaba)b)c)d)135

①②③④⑤⑥ωtub246bcaωtωtωtωt11335511336224466224135246120°120°180°60°132460°60°56α主要內容2．PWM調速控制系統利用大功率晶體管的開關作用，將直流電壓轉換成一定頻率的方波電壓，加到直流電動機的電樞上；通過調整控制方波脈沖寬度來改變電樞的平均電壓，從而調節電機的轉速。控制電路簡單，不需附加關斷電路，開關特性好。廣泛應用中、小功率直流伺服系統。周期不變脈寬脈寬脈寬脈寬平均直流電壓Uωt周期不變7.3直流伺服電機及其速度控制脈寬調制（PWM）系統組成：主要內容速度調節器電流反饋脈寬調制基極驅動功放振蕩器

電流調節器M速度指令

三相交流電整流速度反饋UsrUSCU△Ub7.3直流伺服電機及其速度控制

控制回路：

速度調節器；電流調節器；固定頻率振蕩器及三角波發生器；脈寬調制器和基極驅動電路。區別：

與晶閘管調速系統比較，速度調節器和電流調節器原理一樣。不同的是脈寬調制器和功率放大器。

脈寬調制器作用：將電壓量轉換成可由控制信號調節的矩形脈沖，為功率晶體管的基極提供一個寬度可由速度指令信號調節的脈寬電壓。組成：調制信號發生器（三角波和鋸齒波兩種）和比較放大器。原理：以三角波發生器為例介紹7.3直流伺服電機及其速度控制全數字式PWM交流伺服電機系統驅動器交流伺服電動機4.2.2

交流伺服電動機直流伺服電機的缺點：

◆它的電刷和換向器易磨損；◆電機最高轉速的限制，應用環境的限制；◆結構復雜，制造困難，成本高。交流伺服電機的優點：

◆動態響應好；◆輸出功率大、轉速高；◆結構堅固，易維護。交流伺服電機形式：◆同步交流伺服電機；◆異步交流伺服電機。1特點、類型、結構結構交流電機編碼器編碼器信號輸出線交流電機電源線交流伺服電動機的主體結構與一臺兩相交流異步電機的結構基本一致。也主要由定子與轉子兩在部分組成。

交流伺服電動機主體就是一臺兩相交流異步電機。它的定子上裝有空間互差90的兩個繞組：勵磁繞組和控制繞組，其結構如圖所示。勵磁繞組控制繞組杯形轉子內定子交流伺服電動機結構圖定子(1)籠型轉子

鐵芯槽內放銅條,端部用短路環形成一體,

或鑄鋁形成轉子繞組。轉子定子殼體籠型轉子4.2.2

交流伺服電動機轉子(2)杯型轉子薄壁園筒形，放于內外定子之間。一般壁厚為0.3mm杯型轉子2

交流異步伺服電動機的工作原理

當磁鐵旋轉時，在空間形成一個旋轉磁場。假設永久磁鐵是順時糾方向以n0的轉速旋轉，那末它的磁力線也就以順時針方向切割轉子導條，在轉子導條中就產生感應電勢。根據右手定則，N極下導條的感應電勢方向垂直地從紙面出來。而S極下導條的感應電勢方向垂直地進入紙面。由于鼠籠轉子的導條都是通過短路環連接起來的，因此在感應電勢的作用下，在轉子導條中就會有電流流過，電流有功分量的方向和感應電勢方向相同。再根據通電導體在磁場中受力原理，轉子載流導條又要與磁場相互作用產生電磁力，這個電磁力F作用在轉子上，并對轉軸形成電磁轉矩。根據左手定則，轉矩方向與磁鐵轉動的方向是一致的，也是順時針方向。因此，鼠籠轉子便在電磁轉矩作用下順著磁鐵旋轉的方向轉動起來。異步電動機的轉動原理

為了分析方便，先假定勵磁繞組有效匝數Uf與控制繞組有效匝數UC相等。這種在空間上互差900電角度，有效匝數又相等的兩個繞組稱為對稱兩相繞組。伺服電機旋轉磁場的產生電氣原理圖控制繞組勵磁繞組2

交流異步伺服電動機的工作原理

同時，又假定通入勵磁繞組的電流Uf與通入控制繞組的電流UC相位上彼此相差900幅值彼此相等，這樣的兩個電流稱為兩相對稱電流，用數學式表示為伺服電機旋轉磁場的產生2

交流異步伺服電動機的工作原理控制繞組勵磁繞組當兩相對稱電流通入兩相對稱繞組時，在電機內就產生一個旋轉磁場。當電流變化一個周期時，旋轉磁場在空間轉了一圈。UC1UC2UF1UF2伺服電機旋轉磁場的產生伺服電機旋轉磁場的方向控制繞組勵磁繞組3伺服電機旋轉磁場的速度

旋轉磁場的轉速決定于定子繞組極對數和電源的頻率。圖所表示的是一臺兩極的電機，即極對數P＝1。對兩極電機而言，電流每變化一個周期，磁場旋轉一圈，因而當電源頻率f＝400Hs，即每秒變化400個周期時，磁場每秒應當轉400圈，故對兩極電機，即P＝1而言，旋轉磁場轉速為

n0=24000r／min旋轉磁場轉速為的一般表達式為

由電機學知，交流異步電機轉子是以低于同步轉速（旋轉磁場轉速）運行的，所以電機轉速為：式中：f–定子電源頻率

p–磁激對數

S–轉差率

ns–定子旋轉磁場轉速

n–轉子轉速3伺服電機旋轉磁場的速度幅值控制原理圖

不同控制電壓下的機械特性曲線

由右圖可知，在一定負載轉矩下，控制電壓越高，轉差率越小，電動機的轉速就越高，不同的控制電壓對應著不同的轉速。這種維持與相位差為90o，利用改變控制電壓幅值大小來改變轉速的方法，稱為幅值控制方法。

4.伺服電機控制方式及特性交流電機轉速公式可得調速方法：

異步電機

變頻–

用于籠型電機

調壓（定子電壓）電磁磚差離合器調阻（轉子電組）

交–直–交交–交交–直–交交–交變轉差率變頻變頻同步電機交流電動機由此可知調速方法：4.交流伺服電機的調速方法對于進給系統常使用交流同步電機，該電機沒有轉差率，電機轉速公式變為：從式中可以看出：只能用變頻調速，并且是有效方法。變頻調速的主要環節是為交流電機提供變頻、變壓電源的變頻器，變頻器分為：

●交–直–交變頻器分電壓型和電流型。電壓型先將電網的交流電經整流器變為直流，再經逆變器變為頻率和電壓都可變的交流電壓。電流型是切換一串方波，方波電流供電，用于大功率。

●交–交變頻器該變頻器沒有中間環節，直接將電網的交流電變為頻率和電壓都可變的交流電。目前對于中小功率電機，用得最多的是電壓型交–直–交變頻器。4.交流伺服電機的調速方法1964年脈寬調制變頻調制技術應用于交流變頻器。目前用得最多的是正弦脈寬調制。

SPWM交–直–交變壓變頻器的原理框圖如下：M3～UIURUR–整流器固定電壓不可控整流器，常采用六個二級管橋式整流器結構將交流變為直流，電壓幅值不變。UI–逆變器由六個功率開關器件組成，常采用大功率晶體管。其使這些大功率晶體管按一定規律導通、截止，輸出一系列功率級等效于正弦交流電的可變頻變壓的等幅、不等寬的矩形脈沖電壓波，即功率級SPWM電壓，使電機轉動。正弦脈寬調制（SPWM）變壓變頻器正弦脈寬調制原理（以單相為例）正弦脈寬調制（SPWM）波形:與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波，如右下圖所示。uωtωtuOOa)b)等效原理：把正弦分成n等分，每一區間的面積用與其相等的等幅不等寬的矩形面積代替。

正弦的正負半周均如此處理。§6.5交流伺服電機四.交流伺服電機的調速方法2.SPWM變壓變頻器5交流伺服電機的應用編碼器部分

安裝在電機后端，其轉盤（光柵）與電機同軸。5V5V0V0V伺服電機控制精度取決于編碼器精度。1）

伺服電機編碼器編碼器2）伺服電機驅動器數碼顯示窗口參數設置鍵計算機RS232口I/O信號接口編碼器信號接口電機電源輸入輸出接線端子2、外部組成5、交流伺服電機系統應用圖2-2交流伺服電機系統接線示意圖交流伺服電機驅動器連接AC220V

I/O板交流伺服電機系統結構1、設置參數方法一聯接計算機使用軟件設置方法二直接在驅動器面板按鈕設置5.

交流伺服電機系統使用步進電機外形結構常見步進電機外形構造

4.2.3

步進電機步進電機內部結構步進電機內部結構步進電機的內部構造

2023/2/3步進電動機的工作原理與特點原理：步進電機是利用電磁鐵原理,將脈沖信號轉換成線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，電機轉動一個角度，帶動機械移動一小段距離。特點：(1)來一個脈沖，轉一個步距角。

(2)控制脈沖頻率，可控制電機轉速。

(3)改變脈沖順序，改變轉動方向。

(4)角位移量或線位移量與電脈沖數成正比.2023/2/3工作方式步進電機的工作方式可分為：三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。一、三相單三拍（1）三相繞組聯接方式：Y型（2）三相繞組中的通電順序為：A相

B相

C相通電順序也可以為：

A相C相B相

2023/2/3（3）工作過程引轉子，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生切向力而形成磁阻轉矩，使轉子轉動，使轉、定子的齒對齊停止轉動。A相通電，A方向的磁通經轉子形成閉合回路。若轉子和磁場軸線方向原有一定角度，則在磁場的作用下，轉子被磁化，吸A相通電使轉子1、3齒和AA'對齊。CA'BB'C'A34122023/2/3CA'BB'C'A3412B相通電，轉子2、4齒和B相軸線對齊，相對A相通電位置轉30；1C'342CA'BB'AC相通電再轉302023/2/3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：（1）每來一個電脈沖，轉子轉過30。此角稱為步距角，用S表示。（2）轉子的旋轉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向。2023/2/3二、三相單雙六拍三相繞組的通電順序為：

AABBBCCCAA

共六拍。工作過程：A相通電，轉子1、3齒和A相對齊。CA'BB'C'A34122023/2/3所以轉子轉到兩磁拉力平衡的位置上。相對AA'通電，轉子轉了15°。（1）BB'磁場對2、4齒有磁拉力，該拉力使轉子順時針方向轉動。A、B相同時通電（2）AA'磁場繼續對1、3齒有拉力。CA'BB'C'A34122023/2/3總之，每個循環周期，有六種通電狀態，所以稱為三相六拍，步距角為15。CA'BB'C'A3412B相通電，轉子2、4齒和B相對齊，又轉了15。2023/2/3三、三相雙三拍三相繞組的通電順序為：

AB

BC

CA

AB

共三拍。AB通電CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412BC通電2023/2/3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，轉子也是轉30，即S=30。CA通電CA'BB'C'A3412步距角：

步進電機的定子繞組每改變一次通電狀態，轉子轉過的角度稱步距角。?轉子齒數越多，步距角越小?定子相數越多，步距角越小?通電方式的節拍越多，步距角越小式中：m

－定子相數

Z

－轉子齒數

C

－通電方式

C=1

單相輪流通電、雙相輪流通電方式

C=2

單、雙相輪流通電方式常用步進電機的步距角常用步進電機的定子繞組多數是三相和五相,與此相匹配的轉子齒數分別為40齒和48齒，即有三相步進電機：五相步進電機：步進電機的實際結構?

控制輸入給步進電機的脈沖數目可以控制步進電機的角位移結論?

控制輸入給步進電機的脈沖的頻率可以控制步進電機的轉速?

控制步進電機定子繞組的通電順序可以控制步進電機的轉動方向

步進電機的驅動控制功率放大器環形分配器加減速電路脈沖混合電路加減脈沖分配電路進給脈沖至步進電機繞阻1.脈沖混合電路將脈沖進給、手動進給、手動回原點、誤差補償等混合為正向或負向脈沖進給信號2.加減脈沖分配電路將同時存在正向或負向脈沖合成為單一方向的進給脈沖3.加減速電路

將單一方向的進給脈沖調整為符合步進電機加減速特性的脈沖，頻率的變化要平穩，加減速具有一定的時間常數。4.環形分配器

將來自加減速電路的一系列進給脈沖轉換成控制步進電機定子繞阻通、斷電的電平信號，電平信號狀態的改變次數及順序與進給脈沖的個數及方向對應。5.功率放大器

將環形分配器輸出的mA級電流進行功率放大，一般由前置放大器和功率放大器組成。步進電機的驅動控制1.6.1

功率的選擇

功率選得過大不經濟，功率選得過小電動機容易因過載而損壞。1.對于連續運行的伺服電動機，所選功率應等于或略大于生產機械的功率。2.對于短時工作的伺服電動機，允許在運行中有短暫的過載，故所選功率可等于或略小于生產機械的功率。6.伺服電機的選擇6.1

種類和型式的選擇1.種類的選擇

一般自動控制應用場合應盡可能選用交流伺服電機。調速和控制精度很高的場合選用直流伺服電機或其他專用的控制電機,如直線電機等。2.結構型式的選擇

根據工作方式和工作環境的條件選擇不同的結構型式，如頻繁啟停選用空心杯轉子結構的伺服電機；如速度要求較平衡的場合選用大慣量伺服電機6.3

主要技術指標的選擇

1．電壓技術數據表中