1、 第第2章章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 2.4 伺服驱动技术伺服驱动技术 概述、组成、分类、概述、组成、分类、基本要求、应用基本要求、应用 伺服(Servo)源自于拉丁语的Servus(英语为Slave:奴隶)奴隶的功用是忠实地遵从主人的命令从事体力工作,也就是“依指令准确执行动作的驱动装置；能够高精度的灵敏动作表现，自我动作状态常时确认”。而具有这种功能装置就称为伺服系统。一、伺服驱动概述 伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够以一定的准确度跟随输入信号量(或给定值)的任意变化的自动控制系统。用来自动、连续、精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统，又称随动系统或自
2、动跟踪系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量(系统的输出量)是机械位移、速度、加速度等参数的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移(或转角)准确地跟踪输入的位移(或转角)。伺服系统是机电一体化系统或产品中的重要组成部分伺服系统是机电一体化系统或产品中的重要组成部分，最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的弹和飞船的控制控制等。等。采用伺服系统主要是为了达到下面几采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的：个目的：以以小功率指令信
3、号去控制大功率负载小功率指令信号去控制大功率负载，火炮控制火炮控制和船舵控制就是典型的例子和船舵控制就是典型的例子；在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现处的输出轴，实现远距同步传动远距同步传动；使输出机械位移使输出机械位移精确地跟踪精确地跟踪电信号，如记录和指电信号，如记录和指示仪表等。示仪表等。二、伺服驱动的组成以数控机床工作台伺服系统为例：控制器：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。执行环节：按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转换成机械能，驱动被控对象工作
4、。比较环节：将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，获得输出与输入间偏差信号的环节，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动控制单元驱动和控制执行元件带动工作台运动，通常由专门的电路或计算机来实现。被控对象：被控制的机构或装置，是直接完成系统目的的主体。被控对象一般指机器的运动部分，包括传动系统、执行装置和负载，如工业机器人的手臂、数控机床的工作台以及自动导引车的驱动轮等。检测环节：能够对输出进行测量，并转换成比较环节所需要的量纲后反馈给比较控制环节的装置，一般包括传感器和转换电路。在实际的伺服控制系统中，上述每个环节在硬件特征上并不一定成立，可能几个环节在一个硬件中。如测速直流电机既是执
5、行元件又是检测元件。三、伺服驱动的分类1按被控量参数特性分类 按被控量不同，机电一体化系统可分为位移、速度、力矩等各种伺服系统。位置控制：例如送料，定长裁切，套色印刷等方面。转矩控制：例如生产造纸卷取，薄膜拉伸之类的设备上面。转矩控制不一定是驱动负载很大的场合的。例如拉拔细铜丝的设备，负载根本就不大。但对转矩就有严格的要求。2按系统结构特点分类 从系统结构特点来看，伺服系统又可分为开环控制伺服系统、半闭环控制伺服系统和闭环控制伺服系统。开环：机构比较简单，易于控制，工作可靠，容易掌握使用，但精度差，低速不平稳，高速扭矩小，适用于中、小型精度要求不高的机电一体化设备中或经济型系统中。如简易数控机
6、械、机械手、小型工作台、冲床自动送料装置和绕线机的同步运动等。驱动电路步进电机工作台指令 检测元件安装在电机轴上，伺服机械传动装置不包括在环内，所以机械传动误差没有反馈，其位置精度与开环控制相当。但其驱动功率大，响应速度快，只要检测元件分辨率高、精度高，并使机械传动件具有相应的精度，就会获得较高精度和速度。系统被控对象的输出(被控制量)会反馈回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。在闭环系统中，检测元件安装在工作台上，直接测量工作台的位移，将测得的位移量反馈到数控装置，与要求的位移量进行比较，根据比较结果增加或减少发出的脉冲数，对执行部件的移动进行补偿，直至差值为零。闭环控制系统有正反馈和负
7、反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈(Negative Feedback)，若相同，则称为正反馈(Positive Feedback)，一般闭环控制系统均采用负反馈。闭环控制系统对输出进行直接控制，可以消除整个系统的误差和间隙，其控制精度、动态性能等较开环系统好，其定位精度取决于检测装置的精度，但因受机械传动部件的非线性影响严重，系统比较复杂，调试、维修的难度较大，检测比较麻烦，成本高。特点：3按驱动元件的类型分 按驱动元件的不同分类，是最常用的一种方 法，可分为液压伺服系统、气压伺服系统、电气伺服系统。液压伺服系统是较早期的伺服驱动装置，液压伺服系统是较早期的伺服驱动装置，也是
8、也是功率最大的伺服驱动装置功率最大的伺服驱动装置。电气伺服系统是发展最快的驱动装置，也电气伺服系统是发展最快的驱动装置，也是目前是目前最实用的伺服驱动装置最实用的伺服驱动装置。四、伺服驱动的基本要求四、伺服驱动的基本要求 伺服系统是一种具有响应和执行指令的装置，为了保证动作的快速和准确，伺服系统必须能够满足以下四个基本要求：(1)稳定性好。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。(2)精度高。精度是伺服系统的一项重要性能要求。它是指输出量复现输入指令信号的精确程度。对精度要求高主要在两个方面：一是要求驱
9、动装置比较经济地满足定位准确的要求，定位误差要小，特别是重复定位误差；二是要求跟随精度高，即在运动的过程中，位置的实际值与给定值的误差要小。(3)快速响应性好。快速响应性有两方面含义，一方面指动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒。另一方面，为了满足超调要求，动态响应过程结束的迅速程度。伺服系统对输入指令信号的响应速度常由系统的上升时间(输出响应从零上升到稳态值所需要的时间)来表征，它主要取决于系统的阻尼比。(4)调速范围宽。调速范围是指伺服驱动所能提供的最高速度与最低速度之比，通常指转速之比：minmaxVVR 对对机电一体化产品，还要求负载能力强、工作机电一体化产品，还要求负载能力强、工作频率范围大、体积小、重量轻、可靠性高、成本低、频率范围大、体积小、重量轻、可靠性高、成本低、便于维修和安装等。这些要求都应在设计时给予便于维修和安装等。这些要求都应在设计时给予综综合考虑合考虑。
