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第三章机电一体化系统执行元件的选择与设计4伺服系统了解伺服系统概念、类型、基本要求了解执行元件的种类、特点、基本要求掌握常用电动机的特点、驱动方法和选用了解伺服系统的设计方法学习目的与要求教学重点与难点步进电机、直流、交流伺服电机及其控制4伺服系统本章内容伺服系统概述伺服系统的执行元件概述控制电动机及其选择计算伺服系统设计4伺服系统4伺服系统第一节伺服系统伺服系统基本概念伺服系统基本类型伺服系统基本要求4伺服系统伺服来自英文单词Servo，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。一、伺服系统基本概念电气控制装置机械执行装置执行元件传感器伺服系统组成图机械执行装置部分由两部分组成：电气控制装置部分4伺服系统伺服系统的结构组成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。比较元件调节元件执行元件被控对象测量、反馈元件输入指令输出量伺服系统组成原理框图4伺服系统1.比较环节比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。2.控制器控制器通常是计算机或PID控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。4伺服系统3.执行环节执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。4.被控对象5.检测环节检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。4伺服系统按控制原理分有开环、闭环和半闭环三种形式按被控制量性质分有位移、速度、力和力矩等伺服系统形式按驱动方式分有电气、液压和气压等伺服驱动形式按执行元件分有步进电机伺服、直流电机伺服和交流电机伺服形式二、伺服系统基本类型4伺服系统3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伺服系统精度的因素：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系统本身结构形式输入指令信号的形式三、伺服系统基本要求4伺服系统•在零速时，伺服系统处于“锁定”状态，即惯性小。要求：调速范围是伺服系统提供的最高速与最低速之比•要大，并且在该范围内，速度稳定；maxminnnRn＝•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；响应速度:是衡量伺服系统动态性能的重要指标4伺服系统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。应变能力和过载能力4伺服系统第二节伺服系统的执行元件概述执行元件的种类及特点执行元件的基本要求常用的控制用电机4伺服系统一、执行元件的种类及其特点执行元件电磁式电磁铁及其他电动机液压马达液压式油缸气压马达气压式气缸其他与材料有关直流伺服电机双金属片压电元件状态记忆金属其他电机交流伺服电机步进电机4伺服系统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伺服系统异步电动机感应电动机离合器电动机永磁同步电动机微型直流减速电动机电磁式4伺服系统演示4伺服系统4伺服系统液压式4伺服系统演示4伺服系统4伺服系统4伺服系统4伺服系统气压式4伺服系统4伺服系统继电器定时器电子元件计数器顺序控制器气动控制元件气源气源处理装置压力控制阀方向控制阀流量控制阀驱动装置操作装置指示装置检测装置控制(运算)回路按扭开关选择开关按扭阀指示器计数器蜂鸣器限位开关限位阀接近开关传感器压力开关真空开关速度控制阀缓冲阀快速排气阀电磁阀气控阀人工换向阀机控换向阀减压阀增压阀安全阀空气压缩机过滤器油雾器油雾分离器驱动部分控制部分4伺服系统应用：液压系统用于需大的功率重型设备;气动用于工件夹紧、输送等自动化生产线;电动应用最广泛.种类特点优点缺点电气式可用商业电源；信号与动力传送方向相同；有交流直流之分；注意使用电压和功率。操作简便；编程容易；能实现定位伺服控制；响应快、易与计算机（CPU）连接；体积小、动力大、无污染。瞬时输出功率大；过载差；一旦卡死，会引起烧毁事故；受外界噪音影响大。气压式气体压力源压力5~7×Mpa；要求操作人员技术熟练。气源方便、成本低；无泄露而污染环境；速度快、操作简便。功率小、体积大、难于小型化；动作不平稳、远距离传输困难；噪音大；难于伺服。液压式液体压力源压力20~80×Mpa；要求操作人员技术熟练。输出功率大，速度快、动作平稳，可实现定位伺服控制；易与计算机（CPU）连接。设备难于小型化；液压源和液压油要求严格；易产生泄露而污染环境。4伺服系统气压系统与液压系统的比较1.空气可以从大气中取之不竭且不易堵塞；将用过的气体排入大气，无需回气管路处理方便；泄漏不会严重的影响工作，不污染环境。2.空气粘性很小，在管路中的沿程压力损失为液压系统的干分之一，易于远距离控制。3.工作压力低．可降低对气动元件的材料和制造精度要求。4.对开环控制系统，它相对液压传动具有动作迅速、响应快的优点。5.维护简便，使用安全，没有防火、防爆问题；适用于石油、化工、农药及矿山机械的特殊要求。对于无油的气动控制系统则特别适用于无线电元器件生产过程，也适用于食品和医药的生产过程。4伺服系统气压系统与电气、液压系统比较有以下缺点：气功装置的信号传递速度限制在声速范围之内，所以它的工作频率和响应速度远不如电气装置．并且信号产生较大失真和延迟，也不便于构成十分复杂的回路。但这个缺点对生产过程不会造成困难。空气的压缩性远大干液压油的收缩性，精度较低。气压传动的效率比液压传动还要低，且噪声较大。工作压力较低，不易获得大的推力。气压传动出力不如液压传动大；4伺服系统4伺服系统1.惯量小、动力大2.体积小、重量轻3.便于维修、安装4.宜于微机控制二、执行元件的基本要求4伺服系统控制用电机是电气伺服控制系统的动力部件。它是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。机电一体化产品中常用的控制用电机是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电机。三、常用的控制用电机控制用电机有回转和直线驱动电机，通过电压、电流、频率(包括指令脉冲)等控制，实现定速、变速驱动或反复启动、停止的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱动对象的不同而不同。4伺服系统1、性能密度大即功率密度Pw=P/G或比功率密度Pbw=(T2/J)/G大。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。3.位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行现象4.适应启、停频繁的工作要求；5.可靠性高、寿命长。6.易于与计算机对接，实现计算机控制。1控制用电动机的基本要求4伺服系统动力用电动机，如感应式异步电动机和同步电动机等；控制用电动机，如力矩电动机、脉冲电动机、开关磁阻电动机、变频调速电动机和各种AC／DC电动机等等。2控制用电机分类控制用旋转电机按其工作原理可分为旋转磁场型和旋转电枢型。前者有同步电机(永磁)、步进电机(永磁)；后者有直流电机(永磁)、感应电机(按矢量控制等效模型)。4伺服系统具体的可细分为：DC伺服电机(永磁)：有槽铁芯电枢型、无槽(平滑型)铁芯电枢型、电枢型(无槽(平滑)铁芯型与无铁芯型)。AC伺服电机：同步型(SM)、感应型(IM)。步进电机：变磁阻型(VR)、永磁型(PM)、混合型(HB)。步进电机（SteppingMotor）直流伺服电机(DCServoMotor)交流伺服电机(ACServoMotor)伺服驱动电机一般是指：4伺服系统4伺服系统主要有：开环控制、半闭环控制、闭环控制三种。闭环系统:驱动系统具有位置(或速度)反馈环节开环系统:没有位置与速度反馈环节常用伺服控制电动机的控制方式4伺服系统如图所示数控机床伺服系统。它由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分组成。4伺服系统小结了解伺服的概念、伺服系统的组成、基本类型、基本要求；执行元件的种类及特点、基本要求；常用的控制用电机分类、主要特点、应用场合。