机电一体化——第六章 伺服系统设计
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伺服系统
加减速时间设定
加减速用加减速时间的长短来设定，加减速时间越短，速度变化大， 系统易引起振荡；反之，系统的响应性变慢。加减速有线性加减速和指 数加减速。在线性加减速中，加速度有突变，应根据负载惯量核算最大 可达到的加速度，从而确定加速到最大速度所需要的时间；在指数加减 速中，加速度变化无突变，速度变化平稳，必须设定加减速总时间和加 减速升降速时间。
以移动部件的位置和速度作为控制量的 自动控制系统。
伺服系统
伺服系统组成
机电一体化技术
伺服系统组成
位置控制 + 位置控制 调节器 — 速度控制
+
—
--
位置 指令
速度控制 调节器
功率 驱动
机械传动机构
实际速度反馈 速度检测 电机 实际位置反馈 位置检测
伺服系统
伺服系统组成
机电一体化技术
基本工作原理
伺服系统
伺服系统参数
机电一体化技术
v、a v a
v、a
v
a
O t O
ta
t1
ta
t2
t
线性加减速
指数加减速
伺服系统
伺服系统参数
机电一体化技术
阻尼
运动中的机械部件易产生振动，其振幅取决于系统的阻尼和固有频率， 系统的阻尼越大，振幅越小，且衰减越快。运动副（特别是导轨）的摩擦阻 尼占主导地位，实际应用中一般将摩擦阻尼简化为粘性摩擦阻尼。系统的粘 性摩擦阻尼越大，系统的稳态误差越大，精度越低。对于质量大、刚度低的 机械系统，为了减小振幅，加速衰减。可增大粘性摩擦阻尼。
位置检测装置将检测到的移动部件的实 际位移量进行位置反馈，与位置指令信号进 行比较，将两者的差值进行位置调节，变换 成速度控制信号，控制驱动装置驱动伺服电 动机以给定的速度向着消除偏差的方向运动，
电大机电一体化系统设计习题汇总(知识点复习考点归纳总结参考)
机电一体化系统设计习题汇总第一章：概论1.关于机电一体化的涵义，虽然有多种解释，但都有一个共同点。
这个共同点是什么?2.机电一体化突出的特点是什么?重要的实质是什么？3.为什么说微电子技术不能单独在机械领域内获得更大的经济效益?4.机电—体化对我国机械工业的发展有何重要意义?5.试列举20种常见的机电一体化产品。
6.试分析CNC机床和工业机器人的基本结构要素，并与人体五大要素进行对比，指出各自的特点。
7.机电一体化产品各基本结构要素及所涉及的技术的发展方向。
8.机电一体化设计与传统设计的主要区别是什么?9.试举例说明常见的、分别属于开发性设计、适应性设计和变异性设计的情况。
10.为什么产品功能越多，操作性越差?为何产品应向“傻瓜化”方向发展?11.试结合产品的一般性设计原则，分析和理解按“有限寿命”设计产品的目的和意义。
第二章：机械系统设计1. 机电一体化产品对机械系统的要求有哪些?2. 机电一体化机械系统由哪几部分机构组成，对各部分的要求是什么?3. 常用的传动机构有哪些，各有何特点？4. 齿轮传动机构为何要消除齿侧间隙?5. 滚珠丝杠副轴向间隙对传动有何影响?采用什么方法消除它？6. 滚珠丝杠副的支承对传动有何影响?支承形式有哪些类型?各有何特点?7. 试设计某数控机床工作台进给用滚珠丝杠副。
己知平均工作载荷F＝4000N，丝杠工作长度l＝2m，平均转速＝120r／min，每天开机6h，每年300个工作日，要求工作8年以上，丝杠材料为CrwMn钢，滚道硬度为58—62HRC，丝杠传动精度为±0.04mm。
8.导向机构的作用是什么?滑动导轨、滚动导轨各有何特点?9.请根据以下条件选择汉江机床厂的HJG—D系列滚动直线导轨。
作用在滑座上的载荷F＝18000N，滑座数M=4，单向行程长度L＝0.8m，每分钟往返次数为3，工作温度不超过120℃，工作速度为40m／min,工作时间要求10000h以上,滚道表面硬度取60HRC。
《机电一体化》教学大纲
《机电一体化》教学大纲课程编号：学时：50学时（3学时/周）学分：3适用专业：高职教育类机电专业考核要求：1. 熟练掌握机电一体化的基本概念和基本要素以及各部分的作用，了解机电一体化的相关技术和发展趋势，并结合实例分析机电一体化技术在机电产品中的应用。
2. 掌握机电一体化中机械系统部件的选择与设计的方法和依据，认识现代常用的传动机构、导向与支承结构、机械执行机构。
3. 了解机电一体化中微型计算机控制系统及接口设计；掌握控制系统的一般设计思路；掌握微型计算机的基本构成；认识未来计算机的发展对机电一体化的影响；掌握微型计算机应用领域、选用要点及注意事项；掌握单片机控制系统的组成和单片机芯片的选择要点。
4. 了解机电一体化中传感器与微机的接口技术，认识传感器前级信号的放大与隔离的常用方法；掌握信号在传输过程中的意义和常用的信号的变换方法。
5. 掌握步进电机的工作原理、特点和主要特性以及选择方法；掌握直流伺服电机、交流伺服电机的种类、结构特点以及选择方法。
掌握开环系统和闭环系统的区别。
6. 掌握机电一体化产品的开发设计步骤。
一、课程目的和任务让学生通过掌握机电一体化的基本知识，拓宽学生的知识面。
本课程的任务是使机电工程专业的学生在机电一体化技术方面具有较广泛的知识，了解机电一体化系统（产品）涉及的相关技术，对典型机电一体化系统有一个比较全面的认识，使学生在今后的工作中具有综合应用多学科知识的能力。
二、理论教学内容第一章机电一体化的基本概念【教学目的】弄明白学习机电一体化的重要性，掌握机电设备的发展方向，弄懂机电一体化基本涵义及各部的作用与功能。
【教学重点和难点】重点：机电一体化概念及其本要素的名称、作用、要求。
难点：接口的理解，尤其是接口功能中转换功能的理解【教学内容】1、机电一体化的定义；2、机电一体化的相关技术；3、机电一体化技术的发展前景；4、机电一体化的应用实例。
【教学方法】以理论讲解为主，再举例加以说明。
机电一体化系统设计第6章：机电有机结合的分析与设计
若选择步进电机，则为满足电机在带负载
时能正常启动和定位停止，要求：
‘ 电机的启动力矩 q T T
• 电机的启动力矩与最大静态转矩之间具有 下列关系：
M q / M j max
步进 相数 电机 拍数 3
3 6 4
4
8 5
5
10
0.5
0.866 0.707 0.707
0.809
0.951
m——齿轮模数 Z——齿轮齿数 n——齿轮转速
（2）等效力矩的计算 [T]的计算 上述系统在时间t内克服负载作的功的总和为：
W Ti i t F j v j t
i 1 j 1 n m
折算到电机轴的功 为：
Wk T k t
W W k
ni 1 T Ti nk 2 i 1
第六章
机电有机结合的分析与设计
6.1 概述
6.2 机电有机结合之一----机电一体化系统
的稳态设计考虑方法 6.3 机电有机结合之二----机电一体化系统 的动态设计考虑方法 6.3 可靠性、安全性设计
6-1 概 述
• 机电一体化系统设计过程是机电有机结 合即机电参数相互匹配的过程。 设计步骤： 1、了解被控对象的特点和对系统的具体要 求，通过调查研究制定出系统的控制方 案； • 包括系统主要元部件的种类、各部分之 间的联接方式、系统的控制方式、所需 能源形式、校正补偿方法，以及信号转 换的方式等。
验算 （1）过热验算 当负载力矩为变量时，应用等效法求其等 效转矩Tdx,在电机激磁磁通近似不变时：
T .t 1 T .t 2 ...... Tdx ( N .m ) t 1 t 2 .....
2 1 2 2
第六章--机电一体化系统设计试题汇总
第六章10.一般说来，如果增大幅值穿越频率ωc的数值，则动态性能指标中的调整时间t s( B )A.增大B.减小C.不变D.不定11.已知f(t)=a+bt，则它的拉氏变换式为( B )A.as +b B.2sbsa+ C. bsas+2D. asbs+311. 复合控制器必定具有( D )A. 顺序控制器B. CPUC. 正反馈D. 前馈控制器13. 一般说来，如果增大幅值穿越频率ωc的数值，则动态性能指标中的调整时间t s( B )A. 产大B. 减小C. 不变D. 不定10.一般来说，引入微分负反馈将使系统动态性能指标中的最大超调量( B )A.增加B.减小C.不变D.不定11.在采样—数据系统中，执行实时算法程序所花费的时间总和最好应小于采样周期的( A )A.0.1B.0.2C.0.5D.0.86.步进电机一般用于（ A ）控制系统中。
A.开环B.闭环C.半闭环D.前馈11.PD称为（ B ）控制算法。
A.比例B.比例微分C.比例积分D.比例积分微分13.如果增加相位裕量φm，则动态性能指标中的最大超调量σ%为（ C ）。
A.增大B.不变C.减小D.不能确定10．若考虑系统抑制干扰的能力，选择采样周期的一条法则是：采样速率应选为闭环系统通频带的【D 】A．5倍B．8倍C．10倍D．10倍以上11．在数控系统中，软伺服系统的系统增益K a为【B 】A．(2～5)1／s B．(8～50)1／s C．(50～100)1／s D．(120～150)1／s 10．若考虑对系统响应速度的影响，采样－数据系统中的采样周期应选为系统最小时间常数的【 A 】A．(O.1～1)倍B．2倍C．5倍D．10倍11．在串联校正的比例－积分－微分(PID)控制器中，I的作用是【 C 】A．改善稳定性B．加快系统响应速度C．提高无静差度D．增大相位裕量10.在最佳阻尼比条件下，伺服系统的自然频率w n唯一取决于【 C 】A.速度环开环增益B.电动机机电时间常数C. 速度环开环增益与电动机机电时间常数之比D. 速度环开环增益与电动机机电时间常数之积11在伺服系统中，若要提高系统无静差度，可采用串联【A 】A.PI校正B.P校正C.PD校正D.D校正7．PID控制器中，P的作用是【 A 】A．降低系统稳态误差B．增加系统稳定性C．提高系统无静差度D．减小系统阻尼7．采样一数据系统中，若考虑系统的抑制干扰能力时，采样速率应为闭环系统通频带的【A 】A .10倍以上B．5倍 C .2倍 D.(0.1～1)倍8．PID控制器中，P的含义是【D 】A.前馈 B.微分 C.积分 D.比例(2011 07)9.在软伺服系统中，一般认为速度环的闭环增益最好为系统的 【 】A.0.1倍B.2～4倍C.5倍D.10倍1．PID 控制器中，I 的作用是 【 A 】A ．提高系统误差精度B ．增加系统通频带C ．加快系统调整时间D ．减小系统伺服刚度2.要求系统响应应以零稳态误差跟踪输入信号可采用 （C ） A.前馈控制器B.PI 控制器C.复合控制器D.反馈控制器3.一般说来，如果增大自然频率ωn 的数值，则动态性能指标中的调整时间t s 将 ( B ) A.增大 B.减小 C.不变 D.不定4. 在伺服系统中，若要提高系统无静差度，可采用串联 【 A 】 A.PI 校正 B.P 校正 C.PD 校正 D.D 校正5. 伺服系统的输入可以为（B ）A.模拟电流B.模拟电压C.控制信号D.反馈信号 6. 伺服系统一般包括控制器、受控对象、比较器和（D ）等部分A.换向结构B.转化电路C.存储电路D.反馈测量装置 7. 下列那一项是反馈控制系统（ ）A.顺序控制系统B.伺服系统C.数控机床D.工业机器人8. PD 称为（ B ）控制算法。
机电一体化系统设计
图2.6 锥齿轮轴向压簧调整
图2.7 锥齿轮周向弹簧调整 1.大片锥齿轮 2.小片锥齿轮 3.锥齿轮 4.镶块 5.弹簧 6.止动螺钉 7.凸爪 8.槽
（四）齿轮齿条传动机构
结构如图2.8所示。用于行程较长的大型机床上，易于得 到高速直线运动。 1.双片簿齿轮调整法 分别与齿条齿槽的左、右两侧贴紧， 从而消除齿侧间隙（传动负载小时采用）。 2.双厚齿轮传动的结构 进给运动由轴5输入，该轴上装有
1.垫片调整法 结构如图2.4所示。在两薄片斜齿轮1、2中间 加垫片3，改变两薄片斜齿轮之间的轴向距离，使薄片斜齿 轮1、2的螺旋线错位。
特点：1)结构简单；2)齿侧间隙不能自动补偿。3) 使用时需 要反复测试齿轮的啮合情况，反复调节垫片的厚度。
图2.4 斜齿薄片齿轮垫片调整
(二)斜齿轮传动机构
功用： 转矩匹配； 惯量匹配；脉冲当量匹配；降速
消除传动间隙
作用：消除反向间隙，提高传动精度 方法：使啮合状态轮齿的两侧均处于接触状 实现：偏心轴调整、轴向垫片调整 （刚性）
轴向压簧调整、周向压簧调整（柔性）
径向（中心矩）调隙法；轴向调隙法；周向(切向）调隙法
(一)直齿圆柱齿轮传动机构
1.偏心轴套调整法 结构如图2.1所示。转动偏心轴套2调整 两啮合齿轮的中心距，消除齿侧间隙及其造成的换向死区。 特点：结构简单，侧隙调整后不能自动补偿。
此外，还要求机械系统具有较大的刚度、良好的可靠性和重量轻、 体积小、寿命长。
三、机械系统的组成
1.传动机构 ：如，齿轮传动机构、蜗杆蜗轮传动机构、丝杠传动机 构、链传动、带传动等。
要求：满足整个机械系统良好的伺服性能；要满足传动精度的要求； 满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性的要求。
机电一体化第六章伺服驱动控制系统设计
更加简单。步进电机既是驱动元件，又是脉冲角位移变换元件。 E. 当控制脉冲数很小，细分数较大时，运行速度达到每转30分
钟。 F.体积小、自定位和价格低是步进电动机驱动控制的三大优势。 G. 步进电机控制系统抗干扰性好
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二、 伺服驱动控制系统设计的基本要求
1. 高精度控制 2. 3. 调速范围宽、低速稳定性好 4. 快速的应变能力和过载能力强 5. 6.
闭环调节系统。
(4) ①
② 调节方法。
(5) ① 使用仪器。用整定电流环的仪器记录或观察转速实际值波形，电
② 调节方法。
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六、 晶体管脉宽(PWN)直流调速系统
晶体管脉宽直流调速系统与用频率信号作开关的晶闸管系统相比，具 (1) 由于系统主电源采用整流滤波，因而对电网波形影响小，几乎不 (2) 由于晶体管开关工作频率很高（在2 kHz左右），因此系统的 (3) 电枢电流的脉动量小，容易连续，不必外加滤波电抗器也可平稳 (4) 系统的调速范围很宽，并使传动装置具有较好的线性，采用Z2
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(2) ① A. 步进电动机型号：130BYG3100D (其他型号干扰大) B. 静转矩15 N·m C. 步距角0.3°/0 6°
D. 空载工作频率40 kHz E. 负载工作频率16 kHz ② A. 驱动器型号ZD-HB30810 B. 输出功率500 W C. 工作电压85～110 V D. 工作电流8 A E. 控制信号，方波电压5～9 V，正弦信号6～15 V ③ 控制信号源。
(3) ① 标准信号控制系统（如图6-16） ②检测信号控制系统 （如图6-17）
③ 计算机控制系统（如图6-18）
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图6-16 标准信号控制系统图 图6-17 检测信号控制系统图 图6-18 计算机控制系统图
钟。 F.体积小、自定位和价格低是步进电动机驱动控制的三大优势。 G. 步进电机控制系统抗干扰性好
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二、 伺服驱动控制系统设计的基本要求
1. 高精度控制 2. 3. 调速范围宽、低速稳定性好 4. 快速的应变能力和过载能力强 5. 6.
闭环调节系统。
(4) ①
② 调节方法。
(5) ① 使用仪器。用整定电流环的仪器记录或观察转速实际值波形，电
② 调节方法。
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六、 晶体管脉宽(PWN)直流调速系统
晶体管脉宽直流调速系统与用频率信号作开关的晶闸管系统相比，具 (1) 由于系统主电源采用整流滤波，因而对电网波形影响小，几乎不 (2) 由于晶体管开关工作频率很高（在2 kHz左右），因此系统的 (3) 电枢电流的脉动量小，容易连续，不必外加滤波电抗器也可平稳 (4) 系统的调速范围很宽，并使传动装置具有较好的线性，采用Z2
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(2) ① A. 步进电动机型号：130BYG3100D (其他型号干扰大) B. 静转矩15 N·m C. 步距角0.3°/0 6°
D. 空载工作频率40 kHz E. 负载工作频率16 kHz ② A. 驱动器型号ZD-HB30810 B. 输出功率500 W C. 工作电压85～110 V D. 工作电流8 A E. 控制信号，方波电压5～9 V，正弦信号6～15 V ③ 控制信号源。
(3) ① 标准信号控制系统（如图6-16） ②检测信号控制系统 （如图6-17）
③ 计算机控制系统（如图6-18）
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图6-16 标准信号控制系统图 图6-17 检测信号控制系统图 图6-18 计算机控制系统图
伺服系统设计步骤及方法
伺服系统设计步骤及方法伺服系统是机电一体化系统，应采用机电一体化方法进行设计。
伺服系统设计，没有一成不变的答案，也没有统一的方法来得到答案。
不同要求的伺服系统，可采用不同的方法来设计，因而得到结构不同的伺服系统。
即使同样要求的伺服系统，不同的设计者也可能采遣煌的设计方法，因而得到不同的设计方案。
伺服系统结构上的复杂性，决定了其设计过程的复杂性。
实际伺服系统的设计是很难一次成功的，往往都要经过多次反复修改和调试才能获得满意的结果。
下面仅对伺服系统设计的一般步骤和方法作一简单介绍。
伺服系统的结构组成机电一体化的伺服控制系统的结础⒗嘈头倍啵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。
下图给出了伺服系统组成原理框图。
图伺服系统组成原理框图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，O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。
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。
伺服系统设计要求1、稳定性伺服系统的稳定性指在系统。
上的扰动信号消失后，系统能够恢复p原来的稳定状态下运行，或者在输入的指令信号作用下，能够达到的新的稳定运行状态的能力。
稳定性要求是一项最基本的要求，是保证伺服系统能够正常运行的最基本条件。
伺服系统在其工作范围内应该是稳定的，其稳定性主要取决于系统的结构及组成元件p参数，可采用自动控制理论所提供的各种方法来加以控制。
2、精度伺服系统的精度是指其输出量复现输入指令信号的精确程度。
第六章 机电有机结合的分析与设计
m
n
T k FiVi k Tj j k
i1
j 1
T
k
60
2
m i1
Fi Vi
n
nk Tj n j
j 1
nk
一、稳态设计——负载分析
（3)计算举例
已知：Mg＝400kg； FL＝800N(含的摩擦阻力)； Jm＝4×10-5kgm 2， JI＝5×10-4kgm2； JII＝7×10-4kgm2， TL＝4Nm； Z1=20, Z2=40，m=1
伺服系统的稳态设计就是要从两头入手
首先从系统应具有的输出能力及要求，选定执行元件和传动装置； 再从系统的精度要求出发，选择和设计检测装置及信号的前向和后 向通道。 最后通过动态设计计算，设计适当的校正补偿装置、完善电源电路 及其它辅助电路，从而达到机电一体化系统的设计要求。
四、稳态设计——检测传感装置、信号转换接口电 路、放大装置及电源等的匹配选择与设计
后验算是否满足
i Lmax m
式中
LmaxLmax
为负载的最大角速度；
m m
为电机输出轴的角速度。
三、稳态设计——减速比的匹配选择与 各级减速比的分配
总减速比确定后，需合理确定减速级数及分配各级速 比，其分配原则参看第二章。
29
四、稳态设计——检测传感装置、信号转换接口电 路、放大装置及电源等的匹配选择与设计
干扰措施等， ✻ 为后面动态设计中的校正补偿装置的引入留有余地。
动态设计
动态设计主要目的
✻ 机电伺服系统的稳态设计只是初步确定了系统的主回路，但并 不完善。
✻ 在稳态设计基础上所建立的系统数学模型一般不能满足动态品 质的要求，甚至是不稳定的。
动态设计的主要内容
机电一体化系统设计伺服系统设计
机电一体化系统设计伺服系统设计机电一体化系统是机械、电子、控制、计算机等多学科的综合运用，将机械运动与电气部分深度融合。
其中，伺服系统是机电一体化系统的核心部分，起到了控制机械运动的重要作用。
本文将介绍伺服系统的设计过程和关键技术。
伺服系统设计的第一步是需求分析。
在开始设计之前，需要明确伺服系统的工作要求，包括速度、位置和力矩等方面的要求。
例如，对于一个工业机器人的伺服系统来说，需要考虑到其运动的速度、精度和动态响应等因素。
设计伺服系统的第二步是选择合适的伺服驱动器和伺服电机。
伺服驱动器是通过对电机的电流进行闭环控制来实现驱动。
根据伺服系统的需求，可以选择适当的伺服驱动器。
而伺服电机是伺服系统的执行器，设计中需要考虑到动态响应、力矩范围和稳定性等因素。
接下来，需要设计伺服控制器。
伺服控制器是用来对伺服驱动器进行控制的核心部分。
它负责接收传感器反馈的位置或速度信号，与设定值进行比较，并根据比较结果生成控制信号，驱动电机执行相应的动作。
伺服系统的控制律设计是伺服系统设计中的一个关键环节。
在设计控制律时，需要根据伺服系统的特性选择合适的控制策略。
常见的控制策略包括PID控制、模糊控制和神经网络控制等。
根据伺服系统的要求和预期的性能，可以选择合适的控制策略，并根据实际情况进行参数调整。
此外，还需要考虑到伺服系统的稳定性和抗干扰性能。
稳定性是伺服系统的基本要求，需要保证系统的闭环控制能够稳定地控制电机的运动。
而抗干扰性能则是伺服系统的一个重要指标，能够评估系统对外界环境干扰的能力。
最后，还需要进行伺服系统的仿真和实验验证。
通过使用电路仿真软件、控制算法仿真软件等进行伺服系统的模拟仿真，可以评估控制算法的性能和系统的动态响应，并进行相应的调整。
在仿真验证的基础上，还需要进行实验验证，验证伺服系统的性能是否符合预期要求。
综上所述，伺服系统设计是机电一体化系统设计中的核心环节，需要从需求分析、选择驱动器和电机、设计控制器和控制律，以及进行稳定性和抗干扰性能的考虑，最终进行仿真和实验验证，确保伺服系统能够满足实际的工程需求。
机电一体化中伺服传动技术及其系统设计
机电一体化中伺服传动技术及其系统设计【摘要】伺服传动技术广泛的应用于当前机电一体化控制系统中，使得机电工程逐渐向着智能化、科学化的方向发展。
本文主要从两个方面对伺服传动技术进行了分析，首先对伺服传动系统的结构组成进行了探讨，随后在此基础上对伺服传动系统的结构设计进行了详细的分析，从方案确定以及机械计算两个方面阐述了伺服传动系统的设计内容。
文章分析扎根于实际，能够为机电一体化工程中伺服传动系统的设计提供一定的参考。
【关键词】机电一体化；伺服传动系统；智能化；结构设计1、引言机电一体化是当前机电工程的重要发展方向，特别是随着各种信息控制技术的发展，机电一体化开始逐渐向着智能、集成的方向发展，其中伺服传动技术就是其中非常重要的一类。
随着伺服传动技术的逐渐成熟，工程机械对其进行了科学的定义，伺服传动技术（伺服控制，伺服系统）是指在控制指令的指挥下，控制驱动执行机构，使机械系统的运动部件按照指令要求进行运动。
实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态能够自动，连续，精确的复现输入指令信号的变化规律[1]。
由于其操作简单，控制能力准确，因此，伺服传动系统被广泛的应用于机械电气控制系统中，成为当前机电一体化系统控制的重要技术。
因此，本文将对伺服传动技术的基本工作组成及其系统设计展开分析，为实际的机电一体化技术的发展提供参考。
2、伺服传动系统结构组成整个伺服系统结构组成并不复杂，它是有几个基本元件共同组成，并且彼此之间存在着指令的加工和分析[2]，如图1所示。
从系统的结构组成分析，整个伺服传动控制系统工作大致包含四个环节：比较环节，控制调节环节，执行环节以及检测环节。
当输入指令进入整个系统之后，指令信号将被各个环节进行加工，从而最终获得指令的反馈。
比较环节。
比较环节是信号处理、分析的第一个环节，通过对输入信号与反馈信号进行比较，从而计算出输出与输入信号之间的差别。
如果二者具有较大的差别，那么说明系统对于信号的处理存在问题，可以通过对系统进行一定的调节而校准。
机电一体化系统设计(最终版)ppt课件
2020/4/11
电力拖动
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第三节 机电一体化的相关技术
机械技术（精密机械技术）
是机电一体化的基础。机电一体化的机械产 品与传统的机械产品的区别在于：机械结构 更简单、机械功能更强、性能更优越。
机械技术的出发点在于如何与机电一体化技 术相适应，利用其他高新技术来更新概念， 实现结构、材料、性能以及功能上的变更。
现代机械：以力学、电子学、计算机学、控制 论、信息论等为理论基础，以经验、机、电、 计算机、传感与测试等技术为实践基础。
机械：强度高、输出功率大、承载大载荷；实 现微小复杂运动难。
电子：可实现复杂的检测和控制；但无法实现 重载运动。
202的定义
机电一体化是在以机械、电子技术和计算 机科学为主的多门学科相互渗透、相互结 合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴 边缘技术学科。
2020/4/11
电力拖动
39
第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
接口
将各要素或子系统连接成为一个有机整体， 使各个功能环节有目的地协调一致运动， 从而形成机电一体化的系统工程。
其基本功能主要有三个：变换、放大、传 递
2020/4/11
电力拖动
40
第五节 本课程的目的和要求
本课程的目的和要求
第三节 机电一体化的相关技术
自动控制技术
自动控制技术的目的在于实现机电一体化 系统的目标最佳化。 机电一体化系统中的自动控制技术主要包 括位置控制、速度控制、最优控制、自适 应控制、模糊控制、神经网络控制等。
2020/4/11
电力拖动
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第三节 机电一体化的相关技术
伺服驱动技术
伺服驱动技术就是在控制指令的指挥下， 控制驱动元件，使机械的运动部件按照指 令要求运动，并具有良好的动态性能。 常见的伺服驱动系统主要有电气伺服和液 压伺服。
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《机电一体化系统设计》_伺服系统设计 解析
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第6章伺服系统设计6.1概述6.1.1伺服系统的基本结构在机电一体化控制系统中，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伺服系统，亦称随动系统。
它用来控制被控对象的转角（或位移），使其能自动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规律。
数控机床的伺服系统是指机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。
伺服系统的结构类型繁多，其组成和工作状况也不尽相同。
一般来说，其基本组成可包含控制器、功率放大器、执行机构和检测装置等四大部分，如图6.1所示。
图6.1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。
常用的控制算法有PD（比例+微分）、PI（比例+积分）、PID（比例+积分+微分）控制以及根据系统要求所设计的最优控制等。
控制器通常由电子线路或计算机组成。
2.功率放大器伺服系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。
在现代机电一体化系统中的功率放大装置，主要用各种电力电子器件组成。
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。
目前，采用电动机作为驱动元件的执行机构占据较大的比例。
伺服电动机包括步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机等。
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。
伺服传动系统中，用来检测位置量的检测装置有：自整角机、旋转变压器、光电码盘等；用来检测速度信号的检测装置有：测速发电机、光电码盘等。
检测装置的精度是至关重要的，无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是低于检测装置的精度。
伺服系统的种类很多，按其组成元件性质划分，有全部由电气元件组成的电气伺服系统，有电气元件与液压（或气动）元件组合的电气-液压（气动）伺服系统。
电气伺服系统又包括直流伺服系统、交流伺服系统和步进伺服系统。
按控制方式划分，可分为开环伺服系统、闭环伺服系统以及由开环与闭环组合的复合伺服控制系统。
开环伺服系统结构较为简单，技术容易掌握，调试、维护方便，工作可靠，成本低。
缺点是精度低、抗干扰能力差。
一般用于精度、速度要求不高，成本要求低的机电一体化系统。
闭环代伺服系统采用反馈控制原理组成系统，它具有精度高、调速范围宽、动态性能好等优点。
缺点是系统结构复杂、成本高等。
一般用于要求高精度、高速度的机电一体化系统。
6.1.2伺服系统的基本要求伺服系统是控制系统在机电一体化技术中的具体体现，因此与控制系统一样，伺服系统也必须满足“稳”、“准”、“快”的基本要求。
(1)稳定性伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的扰动信号消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行，或者在输入的指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。
稳定的伺服系统在受到外界干扰或输入指令作用时，其输出响应的过渡过程随着时间的增加而衰减，并最终达到与期望值一致。
不稳定的伺服系统，其输出响应的过渡过程随着时间的增加而增长，或者表现为等幅振荡。
因此伺服系统的稳定性要求是一项最基本的要求，也是伺服系统能够正常运行的最基本条件。
伺服系统的稳定性是系统本身的一种特性，取决于系统的的结构及组成元件的参数（如惯性、刚度、阻尼、增益等），与外界作用信号（包括指令信号和扰动信号）的性质或形式无关。
在机电一体化系统中，执行装置一般处于系统回路之内（图6.2a ）,其结构、固有频率和回程误差将影响系统的稳定性，而传动误差的低频分量（低于伺服带宽那部分传动误差）可得到校正。
对图6.2b所示的开环系统，无检测装置，不对过程位置进行检测和反馈，执行装置的传动误差和回程误差直接影响整个系统的精度，但不存在稳定性问题。
一个伺服系统是否稳定，可根据系统的传递函数，采用自动控制理论提供的各种方法来判别。
图6.2控制系统中执行装置（a）闭环控制系统；（b）开环控制系统(2)精度及系统误差伺服系统的精度是指其输出量复现输入指令信号的精确程度。
伺服系统工作过程中通常存在着三种误差，即动态误差、稳态误差和静态误差。
稳定的伺服系统对变化的输入信号的动态响应过程往往是一个振荡衰减过程，在动态响应过程中输出量与输入量之间的偏差称为系统的动态误差。
在动态响应过程结束后，即在振荡完全衰减掉之后，输出量对输入量的偏差可能会继续存在，这个偏差称为系统的稳态误差。
系统的静态误差则是指由系统组成元件本身的误差及干扰信号所引起的系统输出量对输入量的偏差。
影响伺服系统精度的因素很多，就系统组成元件本身的误差来讲，有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、机械装置中的反向间隙和传动误差、各元器件的非线性因素等。
此外，伺服系统本身的结构形式和输入指令信号的形式对伺服系统精度都有重要影响。
从构成原理上讲，有些系统无论采用多么精密的元器件，也总是存在稳态误差，这类系统称为有差系统，而有些系统却是无差系统。
系统的稳态误差还与输入指令信号的形式有关，当输入信号形式不同时，有时存在误差，有时却误差为零。
(3 )快速响应性有两方面含义，一是指动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度，常由系统的上升时间（输出响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度，常由系统的上升时间）来表征，它主要取决于系统的阻尼比。
阻尼比小则响应快，但阻尼比太小会导致最大超调量（系统输出响应的最大值与稳态值之间的偏差）增大和调整时间（系统的输出响应达到并保持在其稳态值之间的偏差）增大和调整时间（系统的输出响应达到并保持在其稳态值的一个允许的误差范围内所需的时间）加长，使系统相对稳定性降低。
二是指动态响应过程结束的迅速程度，用系统的调整时间来描述，并取决于系统的阻尼比和无阻尼固有频率。
当阻尼比一定时，提高固有频率值可以缩短响应过程的持续时间。
伺服系统所能提供的最高速度与最低速度（常常是最高转速与最低转速）之比称为系统的调速范围，即m inN N R x ma N （6.1） 式中，min max 、N N 分别为额定负载时的最高速度（或转速）和最低速度（或转速）；NR 为调速范围。
调速范围包括如下含义：1）N R 大，并在该调速范围内，要求速度均匀、稳定、无爬行。
2）无论在高速还是在低速驱动时，输出的力或转矩稳定。
当速度变化时，驱动装置能平滑地运行、力矩波动要小。
在很低速度驱动时，速度平稳，并能输出额定力或转矩。
3）在零速时，一般希望驱动装置能够处于伺服“锁定”状态。
伺服系统的快速响应性、稳定性和精度三项基本性能要求是相互关联的，在进行伺服系统设计时，必须首先满足系统的稳定性要求，然后在满足精度要求的前提下尽量提高系统的快速响应性。
此外，对机电一体化伺服系统还有负载能力、可靠性、体积、质量以及成本等方面的要求，这些要求都应在设计时给以综合考虑。
6.1.3伺服系统设计的内容和步骤设计伺服系统必须按照用户提出的要求，依据被控对象工作性质和特点，明确对伺服系统的基本性能要求；同时要充分了解市场上器材、元件的供应情况，了解它们的性能质量、品种规格、价格与售后服务，了解新技术、新工艺的发展状态。
在此基础上着手设计，以免闭门造车。
系统设计的主要内容和步骤如下：(1) 系统总体方案的初步制订首先根据需要与可能，以伺服系统的总体有一个初步的设想。
是采用纯电气的，还是采用电气-液压的或是电气-气动的？在确定采用纯电气的方案时，是采用步进电动机作执行元件，还是采用直流伺服电动机或是交流伺服电动机？系统控制方式是用开环的还是闭环的或是复合控制的？是采用模拟式的还是采用数字式的？整个系统应由哪几个部分组成？这些问题地制订方案时必须明确回答。
(2)系统的稳态设计总体方案仅仅是一具粗略的轮廓，必须进一步将系统的各部分具体化，通常先根据对系统稳态性能的要求，进行稳态设计，将系统各部分采用的型号规格和具体参数值确定下来。
系统的稳态设计也分步骤进行，首先要根据被控对象运动的特点，选择系统的执行电机和相应的机械传动机构；接着可以选择或设计驱动执行电机的功率放大装置；再根据系统工作精度的要求，确定检测装置具体的组成形式，选择元件的型号规格，设计具体的电路参数。
然后根据已确定的执行电机、功率放大装置和检测装置，设计前置放大器、信号转换电路等。
在考虑各元、部件相互连接时，要注意阻抗的匹配、饱和界限、分辩率、供电方式和接地方式。
为使有用信号不失真、不失精度地有效传递，要设计好耦合方式。
同时也要考虑必要的屏蔽、去耦、保护、滤波 ……抗干扰措施。
（3）建立系统的动态数学模型经过系统的稳态设计，系统主回路各部分均已确定。
但稳态设计依据的主要是系统的稳态性能指标，因此所构成的系统还不能保证满足系统动态性能的要求，为系统的动态设计做准备，需要对稳态设计所确定的系统所定量计算（或辅助实验测试），建立它的动态数学模型，称之为原始系统的数学模型。
（4）系统的动态设计根据被控对象对系统动态性能的要求，结合以上获得的原始系统数学模型，进行动态设计，要确定采用什么校正形式，确定校正装置具体电路和参数，确定校正装置在原始系统中具体连接的部位和连接方式。
使校正后的系统能满足动态性能指标要求。
（5 ）系统的仿真试验根据校正后系统的数学模型进行仿真，以检验各种工作状态下系统的性能，以便发现问题，及时予以调整。
以上设计内容和步骤只是拿出一个定量的设计方案，工程设计计算总是近似的，只作为工程实施的一个依据，在具体实施时，要经过系统调试实验，方能将系统的有关参数确定下来，特别是校正装置的参数，往往要通过系统的反复调试才能确定。
因此，上面所介绍的设计方法都不是万能的，它们只是便于工程设计定量，使设计者心里有数，为工程实施少走弯路、减少盲目性。
6.2伺服控制系统中常用电力电子器件6.2.1晶闸管晶闸管又称可控硅，其控制电流可从数安培到数千安培。
主要有单向晶闸管SCR、双向晶闸管TRIAC和可关断晶闸管GTO等三种最基本类型，此外还有光控晶闸管、温控晶闸管等特殊类型。
（1）单向晶闸管 SCR图6.3示出了单向晶闸管SCR的基本结构及表示符号。
SCR由三个极组成，分别称为阳极A，阴极K及控制极G（又称门极）。
它有截止和导通两种稳定状态，两种状态的转换可以由导通条件和关断条件来说明。
图6.3单向晶闸管内部结构导通条件是指晶闸管从阴断到导通所需的条件。
这个条件是在晶闸管的阳极加上正向电压，同时在控制极加上正向电压。
关断条件是指晶闸管从导通到阻断所需的条件。
晶闸管一旦导通，控制极对晶闸客就不起控制作用了。
只有当流过闸管的电流小于保持晶闸管导通所需的电流即维持电流时，晶闸管才关断。
由上述可知，当在晶闸管的阳极加上交流电压时，在电压的正半周，若给控制极加一个正触发脉冲，则晶闸管导通，而电压过零时，晶闸管将关断；在下一具正半周，若想使晶闸管导通，必须重新给控制极加触发脉冲。