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1、现代机电系统概论,第六讲 伺服技术,教学目标,1.掌握伺服系统的结构组成及分类。,2.理解直流伺服系统、交流伺服系统、步进电机控制系统的工作原理。,伺服(Servo)的意思即“伺候服务”，就是在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械系统的运动部件按照指令要求进行运动。伺服系统主要用于机械设备位置和速度的动态控制，在数控机床、工业机器人、坐标测量机以及自动导引车等自动化制造、装配及测量设备中，已经获得非常广泛的应用。,2.4.1 伺服系统的结构组成及分类1.伺服系统的结构组成,图2.4.1 伺服系统的组成,1)控制器 控制器的主要任务是根据输入信号和反馈信号决定控制策略。,2)功率放大器 伺服系
2、统中的功率放大器的作用是将信号进行放大，并用来驱动执行机构完成某种操作。,3)执行机构 执行机构主要由伺服电动机或液压伺服机构和机械传动装置等组成。,伺服电动机,液压马达,4)检测装置 检测装置的任务是测量被控制量(即输出量)，实现反馈控制。,检测位置量的检测装置,自整角机,旋转变压器,检测速度的检测装置,测速发电机,光电编码器,2.伺服系统的分类1)根据使用能量的不同，可以将伺服驱动系统分为电气式、液压式和气压式等几种类型。,图2.4.2 伺服驱动系统的种类,表2.4.1 伺服驱动系统的特点及优缺点,图2.4.3 开环伺服系统与闭环伺服系统,2)按控制方式划分，可分为开环伺服系统和闭环伺服系
3、统。,2.4.2 直流伺服系统（采用直流伺服电动机作为执行元件的伺服系统）,1.直流电机的结构及其工作原理,图2.4.4 直流电机的结构,2.直流电机的转速、转矩控制,改变直流电机的转速和转矩的控制方法：作电机转速调节时可改变电源电压 作电机转矩调节时可改变电枢电流,1)线性控制方式,特点：效率较低，不经济。可用于额定功率为数瓦的小电机的控制电路。,2)PWM(Pulse Width Modulation)控制方式,图2.4.6 PWM控制方式,3)直流电机的PWM控制电路举例,直流电机PWM控制的原理,改变占空比就可以控制电机的转速。,图2.4.11 鉴幅型直流伺服系统的原理框图,3.鉴幅型
4、直流伺服系统,旋转变压器旋转变压器是一种输出电压随转角变化的角位移测量装置。,1)位置检测与信号综合环节,相敏放大器相敏放大器也称为鉴幅器。它的功能是将交流电压转换为与之成正比的直流电压，并使它的极性与输入的交流电压的相位相适应。,位置检测与信号综合环节 旋转变压器组完成了位置检测和信号综合功能。放大器和相敏放大器承担了信号变换任务。,PWM功率放大器的基本原理是：利用大功率器件的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，通过对方波脉冲宽度的控制，改变输出电压的平均值。,2）PWM功率放大器,PWM功率放大器,3.减速器 减速器的任务是实现电动机与负载之间的匹配。,减速器,采用交流伺服电动
5、机作为执行元件的伺服系统，称为交流伺服系统。交流伺服按其选用不同的电动机而分为两大类：同步型交流伺服电动机和异步型交流伺服电动机。,2.4.3 交流伺服系统,恒压频比控制SPWM变频调速系统,图2.4.14 恒压频比控制SPWM变频调速系统的原理框图,1)绝对值运算器 根据电动机正转、反转的要求，给定电位器输出的正值或负值电压。但在系统调频过程中，改变逆变器输出电压和频率仅需要单一极性的控制电压。因而设置了绝对值运算器。绝对值运算器输出单一极性的电压，输出电压的数值与输入相同。,图2.4.13 分段调制,函数发生器用来实现调速过程中电压,和频率,2)函数发生器,的协调关系。,的关系曲线,与,3
6、)逻辑控制器 根据给定电位器送来的正值电压、零值电压或负值电压，经过逻辑开关，使控制系统的SPWM波输出按正相序、停发或逆相序送到逆变器，以实现电动机的正转、停止或反转。另外，逻辑控制器还要完成各种保护控制。,步进电机控制系统有开环和闭环两种控制方式。一般数控机械和普通机床的微机改造中大多数均采用开环步进电机控制系统。,2.4.4 步进电机控制系统,图2.4.15 开环步进电动机控制系统框图,1.步进电动机 步进电动机是一种将输入脉冲信号转换成相应角位移的旋转电机，可以实现高精度的角度控制。,2.环形分配器 步进电动机的各绕组必须按一定的顺序通电才能正确工作，这种使电动机绕组的通电顺序按输入脉
7、冲的控制而循环变化的装置称为脉冲分配器，又称为环形分配器。,3.功率驱动器 功器驱动器实际上是一个功率开关电路，其功能是将环形分配器的输出信号进行功率放大，得到步进电动机控制绕组所需要的脉冲电流(对于伺服步进电动机，励磁电流为几安培，而功率步进电动机的励磁电流可达十几安培)及所需要的脉冲波形。,图2.4.16 由通用逻辑IC构成的步进电机驱动电路,4.使用通用集成逻辑电路的步进电机驱动电路举例,脉冲分配电路,功率放大器,由振荡器构成信号发生电路,步进电动机驱动电路按其采用的功率元件来分，有晶闸管功率驱动器和晶体管功率驱动器等；按其主电路结构分，有单电压驱动和高、低电压驱动两种。目前广泛应用的是晶体管功率驱动器，它具有控制方便、调试容易、开关速度快等优点。,步进电机与微型机接口电路之一,1,0,0,1,0,0,1,0,0,只要按一定的顺序 改变 P1.0P1.2 三位通电的状况，即可控制步进电机依选定的方向步进。,步进电机与微型机接口电路之一,步进电机与微型机接口电路之二,由于步进电机运行时功率较大，可在微型机与驱动器之间增加一级光电隔离器，以防强功率的干扰信号反串进主控系统。,
