4、激光伺服控制系统定义-教学单元设计讲解

第一章伺服系统概述伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。

在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地尾随输入量的变化，因此又称之为随动系统或者自动跟踪系统。

机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。

近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及机电创造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步机电、感应电机为伺服机电的新一代交流伺服系统。

目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路创造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性创造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。

1.1 伺服系统的基本概念1.1.1 伺服系统的定义“伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行住手。

伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵便方便的控制。

1.1.2 伺服系统的组成伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。

它由检测部份、误差放大部份、部份及被控对象组成。

1.1.3 伺服系统性能的基本要求1 )精度高。

伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。

2 )稳定性好。

稳定是指系统在给定输入或者外界干扰的作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。

3 )快速响应。

响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。

4)调速范围宽。

调速范围是指生产机械要求机电能提供的最高转速和最低转速之比。

5 )低速大转矩。

在伺服控制系统中，通常要求在低速时为恒转矩控制，电机能够提供较大的输出转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。

伺服控制系统名词解释 伺服控制系统用来精确地跟随或复现某个过程的系统。

是一种能对试验装置的机械运动按预定要求进行自动控制的操作系统。

在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，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）。

 如防空雷达控制就是一个典型的伺服控制过程。

它是以空中的目标为输入指令要求，雷达天线耍一直跟踪目标，为地面炮台提供目标方位；加工中心的机械制造过程也是伺服控制过程，位移传感器不断地将刀具进给的位移传送给计算机，通过与加工位置目标比较，计算机输出继续加工或停止：加工的控制信号。

绝大部分机电一体化系统都具有伺服功能，机电一体化系统中的伺服控制是为执行机构按设计要求实现运动而提供控制和动力的重要环节。

 液压伺服控制系统。

 液压伺服控制系统是以电机提供动力基础，使用液压泵将机械能转化为压力，推动液压油。

通过控制各种阀门改变液压油的流向，从而推动液压缸做出不同行程、不同方向的动作，完成各种设备不同的动作需要。

液压伺服控制系统按照偏差信号获得和传递方式的不同分为机-液、电-液、气-液等,其中应用较多的是机-液和电-液控制系统。

按照被控物理量的不同,液压伺服控制系统可以分为位置控制、速度控制、力控制、加速度控制、压力控制和其他物理量控制等。

液压控制系统还可以分为节流控制(阀控)式和容积控制(泵控)式。

在机械设备中,主要有机-液伺服系统和电-液伺服系统。

 交流伺服控制系统。

 交流伺服控制系统包括基于异步电动机的交流伺服系统和基于同步电动机的交流伺服系统。

除了具有稳定性好、快速性好、精度高的特点外，具有一系列优点。

它的性能指标可以从调速范围、定位精度、稳速精度、动态响应和运行稳定性等方面来衡量。

 直流伺服控制系统。

 直流伺服控制系统的工作原理是建立在电磁力定律基础上。

与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流，它们分别控制励磁电流与电枢电流，可方便地进行转矩与转速控制。

伺服控制知识点总结一、基本概念1. 伺服系统伺服系统是由伺服执行元件、位置传感器、控制器和电源组成的控制系统。

其中，伺服执行元件一般为电机，位置传感器用于检测电机的位置，控制器用于根据传感器的反馈信号控制电机的运动，电源用于为电机提供动力。

2. 伺服电机伺服电机是一种能够根据外部控制信号精确控制位置、速度和力的电机。

常见的伺服电机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进伺服电机等。

3. 位置传感器位置传感器用于检测伺服电机的位置，并将检测到的位置信息反馈给控制器。

常见的位置传感器有编码器、光栅尺、霍尔传感器等。

4. 控制器控制器是伺服系统中的核心部件，其主要功能是根据传感器的反馈信号计算出电机的控制指令，并将指令输出给电机驱动器。

5. 电机驱动器电机驱动器接收控制器输出的控制指令，通过控制电机的电源电压和频率来控制电机的转速和扭矩。

二、伺服控制原理1. 闭环控制伺服控制采用闭环控制的原理，即通过不断地检测输出和反馈，在控制过程中校正误差，从而实现精确的位置、速度和力控制。

在闭环控制系统中，控制器通过比较实际输出和期望输出之间的差距，不断调整控制指令，使输出逐渐趋近期望值。

2. PID控制PID控制是伺服控制中常用的一种控制算法，即比例、积分、微分控制算法的组合。

比例控制用于根据误差的大小调整控制输出；积分控制用于消除持续的误差；微分控制用于预测误差的变化趋势，并及时做出调整。

PID控制算法可以根据实际情况进行调整，适用于各种伺服控制场景。

3. 伺服控制系统的设计伺服控制系统的设计需要考虑多个因素，包括伺服系统的要求、控制器的选择、传感器的选择、电机的选择、控制算法的选择等。

在设计伺服控制系统时，需根据实际情况权衡各种因素，从而达到满足控制要求并尽可能减小成本的目标。

三、伺服控制应用领域1. 工业自动化在工业自动化领域，伺服控制被广泛应用于各种生产设备的位置和速度控制，如注塑机、包装机、数控机床等。

伺服控制可以实现快速、稳定、精确的运动控制，提高生产效率和产品质量。

一、教学目标1. 知识目标：（1）了解伺服器的定义、分类、工作原理和组成。

（2）掌握伺服系统的基本工作原理和结构。

（3）熟悉伺服电机、驱动器和控制器的性能特点。

2. 能力目标：（1）能够分析伺服系统的动态性能，确定系统的稳定性。

（2）能够根据实际需求，选择合适的伺服系统配置。

（3）具备一定的伺服系统调试和维护能力。

3. 情感目标：（1）激发学生对伺服器原理学习的兴趣。

（2）培养学生的创新意识和团队协作能力。

（3）提高学生的工程实践能力。

二、教学内容1. 伺服器概述1.1 伺服器的定义与分类1.2 伺服器的工作原理与组成1.3 伺服器的应用领域2. 伺服系统基本原理2.1 伺服系统的组成2.2 伺服系统的基本工作原理2.3 伺服系统的性能指标3. 伺服电机3.1 伺服电机的分类与特点3.2 伺服电机的驱动方式3.3 伺服电机的控制策略4. 驱动器与控制器4.1 驱动器的分类与特点4.2 控制器的功能与特点4.3 驱动器与控制器的配合5. 伺服系统应用案例分析5.1 伺服系统在数控机床中的应用5.2 伺服系统在机器人中的应用5.3 伺服系统在其他领域的应用三、教学方法与手段1. 讲授法：教师通过讲解、演示、举例等方式，使学生掌握伺服器原理的基本知识。

2. 案例分析法：通过实际案例分析，引导学生深入理解伺服系统的工作原理和应用。

3. 实验法：通过实验操作，使学生掌握伺服系统的调试和维护方法。

4. 讨论法：组织学生进行课堂讨论，激发学生的创新思维和团队协作能力。

5. 多媒体教学：利用多媒体课件、视频等资源，丰富教学内容，提高教学效果。

四、教学进度安排1. 课时分配：1.1 伺服器概述：2课时1.2 伺服系统基本原理：4课时1.3 伺服电机：2课时1.4 驱动器与控制器：2课时1.5 伺服系统应用案例分析：4课时2. 实验课时：4课时五、考核方式1. 期末考试：占总成绩的60%，主要考察学生对伺服器原理知识的掌握程度。

第十二节 伺服系统一、进给伺服系统概述伺服一词来自英文单词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。

在数控机床中伺服系统一般有主轴伺服系统和进给伺服系统。

主轴伺服提供加工各类工件所需的切削功率，因此，只需完成主轴调速及正反转功能。

但当要求机床有螺纹加 工、准停和恒线速加工等功能时，对主轴也提出了相应的位置控制要求，因此，要求其输出功率大，具有恒转矩段及恒功率段，有准停控制，主轴与进给联动。

主轴伺服经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动。

随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代。

而在激光机床设备中，主轴伺服一般由激光器组成。

进给伺服系统是以运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，它是一个很典型的机电一体化系统，主要由位置控制单元、速度控制单元、驱动元件(电机)、检测与反馈单元和机械执行部件几个部分组成。

机床对进给伺服系统有以下几方面的要求：1. 调速范围要宽式中， n R 为调速范围，max n 和min n 分别为生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速，一般都指额定负载时的转速(对于少数负载很轻的机械，也可以是实际负载时的转速)。

在数控机床中，往往加工刀具、被加工材质以及零件加工要求不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围。

实现如此宽的调速范围是伺服系统设计的一个难题。

2. 输出位置精度要高为了保证加工出高精度零件，进给伺服系统必须具有足够高的精度。

常用的精度指标是定位精度和零件的综合加工精度：定位精度是指工作台或刀架由某点移到另一点时，指令值与实际移动距离的最大差值；综合加工精度是指最后加工出来的工件尺寸与所要求尺寸的误差。

伺服系统要具有较好的静态特性和较高的伺服刚度，才能达到较高的定位精度，以保证机床具有较小的定位误差与重复定位误差(目前进给伺服系统的分辨率可达1 或0.1 ，甚至0.01 )。