《伺服系统 第2版 教学课件 ppt 作者 钱平 第1章 概述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《伺服系统 第2版 教学课件 ppt 作者 钱平 第1章 概述（56页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、概 述,伺 服 系 统,第 1 章,编写人：葛翔 上海应用技术学院,伺服系统课程 内容简介,伺服系统对数控技术，自动化，电气工程及其自动化，机电一体化等专业是一门很重要的专业技术课。 伺服系统的作用是联系数控装置与被控设备的中间环节，起着传递指令信息和反馈设备运行状态信息的桥梁作用。随着计算机技术、数字信号处理器、电力电子、信息技术、控制技术以及传感与检测等数控技术的发展，伺服系统向高精度、高速度、大功率方向发展。,伺服系统课程 内容简介,本书以伺服系统为对象，在阐述伺服系统原理、电力电子技术等基础上，从伺服系统发展的角度出发，系统地介绍了步进式伺服系统、直流伺服系统、交流伺服系统等的原理及应
2、用。内容编排上既有较系统的理论阐述，又有大量的应用实例以及最新技术的介绍（如永磁同步伺服电动机控制技术、DSP应用技术和计算机仿真技术）。本教材也可作为数控、自动化、电气工程、机电一体化等工程技术人员迅速掌握伺服系统的最新技术，满足工程实际需要参考教材。,内容提要,第一节 伺服系统的作用及组成 第二节 伺服系统的基本要求和特点 第三节 伺服系统的分类,引 言,现代化生产的水平、产品的质量和经济效益等各项指标，在很大程度上取决于生产设备的先进性和电气自动化与信息化的程度。 机电一体化技术是随着科学技术的不断发展，生产工艺不断提出新的要求下而迅速发展的。,引 言,在控制方法上主要是从手动到自 动；
3、在控制功能上，是从简单到复杂；在操作上，是由笨重到轻巧。 电力电子技术的进步，微机技术的应用和新型控制策略的出现，又为电气控制技术的发展开拓了新的途径。,引 言,机床工业是工业化国家经济发展的基础行业，机床是用来制造一切机械的机器。 数控机床是以数控技术为代表的新技术对传统机械制造业渗透而形成的机电一体化产品，它的技术范围包括机械制造技术、自动化控制技术、伺服驱动技术、信息处理及传递技术、监控检测技术以及软件技术等。,引 言,数控机床的使用给制造业带来了一场重大的革命，它满足了人们对高制造水平的追求和对高生产率的期望。 近年来随着新产业的兴起和新技术对机械加工所产生的冲击，数控机床正朝着高速度
4、、高精度、绿色化、高柔性化、智能化以及模块化、复合化方向飞速发展。,引 言,伺服系统接受来自CNC( Computerized Numerical Control) 装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有的带动刀架，通过一个或多个坐标轴的综合联动，涉及各轴上运动速度的调节，以一定的加减速曲线来进行运动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。,引 言,伺服系统主要研究内容是机械运动过程中涉及的力学、机械学、动力驱动、伺服参数检测和控制等方面的理论和技术问题。 伺服系统对自动化、自动控制、电气工程、机电一体化等专业既是
5、一门基础技术，又是一门专业技术，因为它不仅分析各种基本的变换电路，而且结合生产实际，解决各种复杂定位控制问题，它是运动控制系统及现代电力电子技术相结合的交叉学科，是力学、机械、电工、电子、计算机、信息和自动化等科学和技术领域的综合，这些技术出现的新进展都使它向前迈进一步，其技术进步是日新月异的。,第一节 伺服系统的作用及组成,在自动控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统。 数控机床的伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。,第一节 伺服系统的作用及组成,第二节 伺服系统的基本要求和特点,1. 对伺服系统的基本要求 稳定
6、性好 精度高 快速响应并无超调 低速大转矩和调速范围宽,（1）稳定性好,稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后到达新的或者回复到原有的平衡状态。 通常要求承受额定力矩变化时，静态速降应小于5%，动态速降应小于10%。,（2）精度高,伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度。 作为精密加工的数控机床，要求的定位精度或轮廓加工精度和进给跟踪精度通常都比较高，这也是伺服系统静态特性与动态特性指标是否优良的具体表现。允许的偏差一般都在0.010.001mm(10.1)之间，高的可达到0.00010.00005mm(0.010.005m) 。,（2）精度高,目前的闭环伺服系统
7、都能达到1m的分辨率。数控测量装置的分辨率可达0.1m。高精度数控机床也可达到0.1m的分辨率，甚至更小。,（3）快速响应并无超调,快速响应性是伺服系统动态品质的标志之一，即要求跟踪指令信号的响应要快： 一方面要求过渡过程时间短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒，且速度变化时不应有超调；另一方面是当负载突变时，要求过渡过程的前沿陡，即上升率要大，恢复时间要短，且无振荡。这样才能得到光滑的加工表面。,（4）低速大转矩和调速范围宽,机床的加工特点，大多是低速时进行切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。同时，为了适应不同的加工条件，要求数控机床进给能在很宽的范围内无级变化。这就要求伺服电动
8、机有很宽的调速范围和优异的调速特性。 目前，先进的水平是在进给脉冲当量为1m的情况下，进给速度在0240m/min范围内连续可调。对一般数控机床，进给速度范围在024m/min。 在1mm/min24000mm/min即1:24000调速范围内，要求速度均匀、稳定、无爬行，且速降小；在1mm/min以下时具有一定的瞬时速度，但平均速度低；在零速时，即工作台停止运动时，要求电动机有电磁转矩以维持定位精度，使定位误差不超过系统的允许范围，即电动机处于伺服锁定状态。,第二节 伺服系统的基本要求和特点,由于位置伺服系统是由速度控制单元和位置控制环节两大部分组成的，如果对速度控制系统也过分地追求像位置伺
9、服控制系统那么大的调速范围而又要可靠稳定地工作，那么速度控制系统将会变得相当复杂，既提高了成本又降低了可靠性。 一般对于进给速度范围为20000:1的位置控制系统，在总的开环位置增益为20 1/s时，只要保证速度控制单元具有1000:1的调速范围就可以满足需要，代表当今世界先进水平的实验系统，速度控制单元调速范围已达100000:1。,第二节 伺服系统的基本要求和特点,2. 伺服系统的主要特点 精确的检测装置 有多种反馈比较原理与方法 高性能伺服电动机 宽调速范围的速度调节系统,第二节 伺服系统的基本要求和特点,精确的检测装置：以组成速度和位置闭环控制； 有多种反馈比较原理与方法：根据检测装置
10、实现信息反馈的原理不同，伺服系统反馈 比较的方法也不相同。目前常用的有脉冲比较、相位比较和幅值比较三种。,第二节 伺服系统的基本要求和特点,高性能伺服电动机： 用于高效和复杂型面加工的数控机床，伺服系统将经常处于频繁的启动和制动过程中，要求电动机的输出力矩与转动惯量的比值大，以产生足够大的加速或制动力矩，电动机应具有耐受4000 rad/s以上角加速度的能力，才能保证电动机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。 要求伺服电动机在低速时有足够大的输出力矩且运转平稳，以便在与机械运动部分连接中尽量减少中间环节。,第二节 伺服系统的基本要求和特点,宽调速范围的速度调节系统： 从系统的控制结构看，数控
11、机床的位置闭环系统可以看着是位置调节为外环、速度调节为内环的双闭环自动控制系统，其内部的实际工作过程是把位置控制输入转换成相应的速度给定信号后，再通过调速系统驱动伺服电动机，实现实际位移。 数控机床的主轴运动要求调速性能也比较高，因此要求伺服系统为高性能的宽调速系统。,第三节 伺服系统的分类,1. 按调节理论分类 开环伺服系统 闭环伺服系统 半闭环伺服系统,（1）开环伺服系统,这是一种比较原始的伺服系统。这类数控系统将零件的程序处理后，输出数据指令给伺服系统，驱动机床运动，没有来自位置传感器的反馈信号。 最典型的系统就是采用步进电动机的伺服系统，如图1-2所示。它一般由环形分配器、步进电动机功
12、率放大器、步进电动机、配速齿轮和丝杠螺母传动副等组成。数控系统每发出一个指令脉冲，经驱动电路功率放大后，驱动步进电动机旋转一个固定角度(即步距角)，再经传动机构带动工作台移动。 这类系统信息流是单向的，即进给脉冲发出去后，实际移动值不再反馈回来，所以称为开环控制。,（1）开环伺服系统,（2）闭环伺服系统,这类伺服系统带有检测装置，直接对工作台的位移量进行检测，其原理如图1-3所示。 当数控发出位移指令脉冲，经电动机和机械传动装置使机床工作台移动时，安装在工作台上的位置检测器把机械位移变成电参量，反馈到输入端与输入信号相比较，得到的差值经过放大和变换，最后驱动工作台向减少误差的方向移动，直到差值
13、等于零时为止。 这类控制系统，因为把机床工作台纳入了位置控制环，故称为闭环控制系统。,常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和编码盘等。 目前闭环系统的分辨率多数为1，定位精度可达0.01mm0.005mm，高精度系统分辨率可达0.1。系统精度只取决于测量装置的制造精度和安装精度。,（2）闭环伺服系统,（2）闭环伺服系统,（3）半闭环伺服系统,系统未将丝杠螺母副、齿轮传动副等传动装置包含在闭环反馈系统中，因而称之为半闭环控制系统，它不能补偿位置闭环系统外的传动装置的传动误差，却得以获得稳定的控制特性。 这类系统介于开环与闭环之间，精度没有闭环高，调试却比闭环方便，因而得到广泛的应用
14、。,（3）半闭环伺服系统,大多数数控机床是半闭环伺服系统，这类系统用安装在进给丝杠轴端或电动机轴端的角位移测量元件(如旋转变压器、脉冲编码器、圆光栅等)来代替安装在机床工作台上的直线测量元件，用测量丝杠或电动机轴旋转角位移来代替测量工作台直线位移，其原理如图1-4所示。,（3）半闭环伺服系统,第三节 伺服系统的分类,2. 按使用的驱动元件分类 步进伺服系统 直流伺服系统 交流伺服系统,（1）步进伺服系统,步进式伺服系统亦称开环位置伺服系统，其驱动元件为步进电动机。功率步进电动机盛行于20世纪70年代，且控制系统的结构最简单，控制最容易，维修最方便，控制为全数字化(即数字化的输入指令脉冲对应着数
15、字化的位置输出) ，这完全符合数字化控制技术的要求，数控系统与步进电动机的驱动控制电路结为一体。,（2）直流伺服系统,直流伺服系统常用的伺服电动机有小惯量直流伺服电动机和永磁直流伺服电动机(也称为大惯量宽调速直流伺服电动机)。小惯量伺服电动机最大限度地减少了电枢的转动惯量，所以能获得最好的快速性。 在早期的数控机床上应用较多，现在也有应用。小惯量伺服电动机一般都设计成有高的额定转速和低的惯量，所以应用时，要经过中间机械传动(如减速器) 才能与丝杠相连接。,（2）直流伺服系统,近年来力矩电动机有了新的发展，永磁直流伺服电动机的额定转速很低，如1 r/min甚至在0.1 r/min下平稳地运转，甚
16、至可以在堵转状态下运行，这样低速运行的电动机，其转轴即可以和负载直接耦合，省去了减速器，简化了结构，提高了传动精度。因此，这种直流伺服系统在数控机床上获得了广泛的应用。 自70年代至80年代中期，在数控机床上应用占绝对统治地位，至今，许多数控机床上仍使用这种电动机的直流伺服系统。永磁直流伺服电动机的缺点是有电刷，限制了转速的提高，一般额定转速为10001500 r/min，而且结构复杂，价格较贵。,（3）交流伺服系统,交流伺服系统使用交流异步伺服电动机(一般用于主轴伺服电动机)和永磁同步伺服电动机(一般用于进给伺服电动机)。由于直流伺服电动机存在着一些如上所说的如电刷等固有缺点，使其应用环境受到限制。 交流伺服电动机没有这些缺点，且转子惯量较直流电动机小，使得动态响应好。另外在同样体积下，交流电动机的输出功率可比直流电动机提高1070。还有交流电动机的容量可以比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。 因此，交流伺服系统得到了迅速发展，已经形成潮流。从80年代后期开始，大量使用交流伺服系统，到今天，有些国家的厂家，已全部使用交流伺服系统。,第三节 伺
