第4章伺服系统设计(机电一体化系统设计-冯浩).pptVIP

第4章 伺服系统设计 4.1 概述 4.2 伺服系统的执行器及其控制 4.3 伺服系统中执行器的选择 4.4 闭环控制的伺服系统设计举例 4.1 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，也称为随动系统，是一种能够及时跟踪输入给定信号并产生动作，从而获得精确的位置、速度等输出的自动控制系统。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。 按被控量的不同可以将伺服系统分为位置伺服系统、速度伺服系统，其中最常见的是位置伺服系统 ； 按照控制方式，可将伺服系统分为开环、闭环、半闭环系统 。 根据执行器使用的动力源，可以将伺服系统分为电气伺服系统、液压伺服系统和气压伺服系统等几种类型。 1）电气式伺服系统 电气式伺服系统具有高精度、高速度、高可靠性、易于控制等特点。电气伺服系统的执行元件包括控制用电动机、电磁铁等。对控制用电动机的性能除了稳速运转性能之外，还要求有良好的加、减速性能。 2）液压式伺服系统 液压式伺服系统主要包括往复运动的油缸、液压马达等。液压伺服系统主要特点是： ①功率大。可传递高达25～30MPa的压力，因而可输出很大的功率和力。 ②控制性能好。高压油液可压缩性极小，与同体积或功率的其他驱动系统相比，刚性好，时间常数小，可实现无极调速和缓冲定位。 ③维修方便。能进行自润滑，有利于延长使用寿命，维修比电气伺服系统简便。 3）气动伺服系统 气动伺服系统是采用压缩空气作为动力的伺服系统，介质是采用空气，其价格低廉等优点而被广泛应用。 气动伺服系统主要有以下特点： ①成本低。不需要花费介质费用，同时传递压力低，气压驱动装置和管路的成本比液压驱动装置低。 ②输出功率和力较小，体积较大。 ③控制稳定性差。空气可压缩性大，阻尼效果差，低速不宜控制，而且运动的稳定性不好，控制精度不高。 ④清洁、安全，结构简单，维修方便。 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。 4.2 伺服系统执行器及其控制 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 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。 4.2.1 直流伺服电动机 1 分类、结构和原理 按励磁方式分，可分为他励式、并励式、串励式和复励式。他励式包括永磁式直流伺服电动机。 按结构分类，可分为传统型和低惯量型。 基本原理是主磁极的励磁线圈在直流电源下产生恒定磁场，当电枢绕组通入直流电，在电枢线圈中有直流电流，因而电枢线圈在磁场的作用下受到电磁力矩而带动转子旋转。 伺服电机和普通电机最大的区别在于伺服电机多了一套控制系统，正因为有了控制系统的存在，我们可以精确的控制伺服电机的转速或角位移。 伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移。伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位。 1）机械特性 机械特性是指电枢电压恒定时，电机的转速随电磁转矩变化的关系。 当电枢电压一定时，转速公式可写成 其中， ，为直流伺服电动机在T＝0时的转速，故称理想空载转速 表示电动机机械特性的硬度，即电动机转速随转矩变化而变