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1、机电一体化技术基础及应用伺服系统章节总结专业：08届工业工程 班级：工业工程4班 姓名： 赵广宇 学号：120080509120伺服系统1.概述 伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放调与整大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂
2、形状的工件。作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。数控机床中的伺服系统种类繁多，本文通过分析其结构及简单归分，对其技术作简要总结。2.结构和分类机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。关系如图。根据驱动电动机的类型，可将其分为直流伺服和交流伺服；根据控制器实现方法的不同，可将其分为模拟伺服和数字伺服；根据控制器中闭环的多少，可将其分为开
3、环控制系统、单环控制系统、双环控制系统和多环控制系统。3.伺服电机的结构原理和选择 （一）直流伺服电机 直流伺服的工作原理是建立在电磁力定律基础上。与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流，它们分别控制励磁电流与电枢电流，可方便地进行转矩与转速控制。另一方面从控制角度看，直流伺服的控制是一个单输入单输出的单变量控制系统，经典控制理论完全适用于这种系统，因此，直流伺服系统控制简单，调速性能优异，在数控机床的进给驱动中曾占据着主导地位。当电动机处于稳态运行时，回路中的电流Ia保持不变，则电枢回路中的电压平衡方程式为Ea=Ua-IaRa (6-1)式中，Ea是电枢反电动势； Ua是电枢电
4、压；Ia是电枢电流；Ra是电枢电阻。转子在磁场中以角速度切割磁力线时，电枢反电动势Ea与角速度之间存在如下关系： Ea=Ce (6-2) 式中，Ce是电动势常数，仅与电动机结构有关；是定子磁场中每极的气隙磁通量。 由式（6-1）、式（6-2）得Ua-IaRa=Ce （6-3）此外，电枢电流切割磁场磁力线所产生的电磁转矩Tm可由下式表达: Tm=CmIa则 Tm=CmIn 式中，Cm是转矩常数，仅与电动机结构有关。将式（6-4）代入式（6-3）并整理，可得到直流伺服电动机运行特性的一般表达式由此可以得出空载（ Tm0，转子惯量忽略不计）和电机启动（0）时的电机特性:（1）当Tm0时，有如果把角速
5、度看作是电枢电压Ua的函数，即=f(Ua)，则可得到直流伺服电动机的调节特性表达式式中,k是常数， 。 根据式(6-8)和式(6-9)，给定不同的Ua值和Tm值，可分别绘出直流伺服电动机的机械特性曲线和调节特性曲线如图6-5、图6-6所示。从实际运行考虑，直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。 由于伺服控制系统的速度和位移都有较高的精度要求，因而
6、直流伺服电动机通常以闭环或半闭环控制方式应用于伺服系统中。直流伺服系统的闭环控制是针对伺服系统的最后输出结果进行检测和修正的伺服控制方法，而半闭环控制是针对伺服系统的中间环节（如电动机的输出速度或角位移等）进行监控和调节的控制方法。它们都对系统输出进行实时检测和反馈，并根据偏差对系统实施控制。两者的区别仅在于传感器检测信号的位置不同，由此导致设计、制造的难易程度不同,工作性能不同，但两者的设计与分析方法基本上是一致的。闭环和半闭环控制的位置伺服系统的结构原理分别如图所示。 （二） 步进电动机 步进伺服是一种用脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。其角位移与脉冲数成正比，转
7、速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。如果停机后某些绕组仍保持通电状态，则系统还具有自锁能力。步进电动机每转一周都有固定的步数，如500步、1000步、50 000步等等，从理论上讲其步距误差不会累计。步进电动机的应用特点主要分三种：1.位置伺服系统；2.各种材料的固定尺寸进给驱动；步增量运动中的驱动元件 步进电动机绕组每次通断电使转子转过的角度称之为步距角。上述分析中的步进电动机步距角为30。对于一个真实的步进电动机，为了减少每通电一次的转角，在转子和定子上开有很多定分的小齿。其中定子的三相绕组铁心间有一定角度的齿差，当U相定子小齿与转子小齿对正时，V相和W相定子上的齿则处
8、于错开状态，如图6-13所示。真实步进电动机的工作原理与上同，只是步距角是小齿距夹角的1/3。如果步进电动机绕组的每一次通断电操作称为一拍，每拍中只有一相绕组通电，其余绕组断电，则这种通电方式称为单相通电方式。三相步进电动机的单相通电方式称为三相单三拍通电方式。如果步进电动机通电循环的每拍中都有两相绕组通电，则这种通电方式称为双相通电方式。三相步进电动机采用双相通电方式时，称为三相双三拍通电方式。如果步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态，则这种通电方式称为单双相轮流通电方式。三相步进电动机采用单双相轮流通电方式时，每个通电循环中共有六拍，因而又称为三相六拍通电方式。 通电方式不仅
9、影响步进电动机的矩频特性，对步距角也有影响。一个m相步进电动机，如其转子上有z个小齿，则其步距角可通过下式计算： 式中，k是通电方式系数。当采用单相或双相通电方式时，k1；当采用单双相轮流通电方式时，k2。可见，采用单双相轮流通电方式还可使步距角减小一半。步进电机的步距角决定了系统的最小位移，步距角越小，位移的控制精度越高。步进电动机的使用特性： （1） 步距误差。 （2） 最大静转矩。 （3） 启动矩频特性。（4） 运行矩频特性。（5） 最大相电压和最大相电流。步进伺服结构简单，符合系统数字化发展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移动速度越低。特别是步进伺服易于失步，使其主要用于速
10、度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。但近年发展起来的恒斩波驱动、PWM驱动、微步驱动、超微步驱动和混合伺服技术，使得步进电动机的高、低频特性得到了很大的提高，特别是随着智能超微步驱动技术的发展，将把步进伺服的性能提高到一个新的水平。 （三）交流伺服电动机 针对直流电动机的缺陷，如果将其做“里翻外”的处理，即把电驱绕组装在定子、转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，就构成了永磁无刷电动机，同时随着矢量控制方法的实用化，使交流伺服系统具有良好的伺服特性。其宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，使其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。同时可实现弱
11、磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。1.异步型交流电动机三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120，三相交流电源的相与相之间的电压在相位上也相差120。当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场，旋转磁场的转速为式中,f1为定子供电频率; p为定子线圈的磁极对数; n1为定子转速磁场的同步转速。异步电动机的转速方程为式中, n为电动机转速；s为转差率。 2. 同步型交流电动机 同步交流电动机的转速用下式表达： 式中, f1为定子供电频率；p为定子线圈的磁极对数；n为转子转速。.交流伺服电机的性能由电机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的
12、有效值E1为E1=4.44f1 N1m式中, m为每极气隙磁通；N1为定子相绕组的有效匝数。 由上式可见，m的值是由E1和f1共同决定的，对E1和f1进行适当的控制，就可以使气隙磁通m保持额定值不变。交流电动机变频调速的控制方案 根据生产的要求、变频器的特点和电动机的种类，会出现多种多样的变频调速控制方案。 ）开环控制2）无速度传感器的矢量控制3）带速度传感器的矢量控制4）永磁同步电动机开环控制4.控制方式的选择1.使用模拟量控制伺服电机的速度或者扭矩，通过编码器反馈回来伺服电机的位置的全闭环控制。2.通过plc的脉冲控制伺服电机，电机没有位置反馈给plc的半闭环控制。 3.通过伺服系统发出脉冲控制部件移动的开环控制。5.机械传动方案的选择1.控制系统中的机械环节：机械比较器；机械放大器。2.直流电机总传动比的选择。3.步进电机传动齿轮比的选择。6 / 6
