伺服系统与执行元件

伺服电动机伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件。

它将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出，改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速与转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。

根据使用电源的不同，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。

直流伺服电动机输出功率较大，功率范围为1～600瓦，有的甚至可达上千瓦；而交流伺服电动机输出功率较小，功率范围一般为0.1～100瓦。

6.1.1 直流伺服电动机直流伺服电动机实际上就是他励直流电动机，其结构和原理与普通的他励直流电动机相同，只不过直流伺服电动机输出功率较小而已。

当直流伺服电动机励磁绕组和电枢绕组都通过电流时，直流电动机转动起来，当其中的一个绕组断电时，电动机立即停转，故输入的控制信号，既可加到励磁绕组上，也可加到电枢绕组上：若把控制信号加到电枢绕组上，通过改变控制信号的大小和极性来控制转子转速的大小和方向，这种方式叫电枢控制；若把控制信号加到励磁绕组上进行控制，这种方式叫磁场控制。

磁场控制有严重的缺点（调节持性在某一范围不是单值函数，每个转速对应两个控制信号），使用的场合很少。

直流伺服电动机进行电枢控制时，电枢绕组即为控制绕组，控制电压直接加到电枢绕组上进行控制。

而励磁方式则有两种：一种用励磁绕组通过直流电流进行励磁，称为电磁式直流伺图7.1 直流伺服电动机电枢控制线路图服电动机；另一种使用永久磁铁作磁极，省去励磁绕组，称为永磁式直流伺服电动机。

直流伺服电动机进行电枢控制的线路如图7.1所示，励磁绕组接到电压恒定为的直流电源上，产生励磁电流，从而产生励磁磁通，电枢绕组接控制电压，那么直流伺服电动机电枢回路的电压平衡方式为若不计电枢反应的影响，电机的每极气隙磁通将保持不变，则电动机的电磁转矩公式为1. 机械特性由上面三式可得到电枢控制的直流伺服电动机的机械特性方程式为错误！（7.1）改变控制电压，而机械特性的斜率不变，故其机械特性是一组平行的直线，如图7.2所示。

浅谈伺服系统的设计作者：张春凤来源：《职业·中旬》2010年第05期一、伺服系统及其构成伺服系统(Servo system)也叫随动系统,是自动控制系统的一种。

光机电一体化系统中的伺服系统,以机械量(如位移、速度、加速度、力和力矩等)作为控制量,在控制指令作用下驱动执行元件,使机械的运动部件按照控制指令的要求运动,并满足一定的性能指标。

伺服系统的基本要求是使系统的输出量能够快速而精确地跟随输入指令的变化规律。

伺服系统通常具有负反馈的闭环控制系统,也有采用开环控制系统。

伺服系统服务的对象很多,如计算机光盘驱动控制、弧焊机器人轨迹控制、雷达跟踪系统等,都需要使用伺服系统。

虽然服务对象的运动部件、检测部件以及机械结构等不同,对伺服系统的要求有差别,但所有伺服系统的共同点则是带动控制对象按照指定规律作机械运动。

伺服系统的一般组成可描述为图1所示的形式。

伺服系统的执行元件是机械部件和电子装置的接口,功能是根据控制器发出的控制指令,将能量转换为机械部件运动的机械能。

根据执行元件能量转换形式的不同,可以分为电气元件、液压元件和气压元件3种。

伺服系统的执行元件可由3种元件独立构成,也可以互相组合。

如完全由电气元件组成的电气伺服系统,由电气和液压元件组合的电气一液压伺服系统等等。

电气执行元件也就是通常所说的电机,具有能源易获取、干净无污染、控制性能良好等优点,目前多数伺服系统采用电机作为伺服系统的执行元件。

二、伺服系统的基本要求1.对系统稳态性能的要求伺服系统的稳态性能指标包括系统静态误差、速度误差、加速度误差。

速度误差是指系统处于等速跟踪状态时,输出轴与其输入轴作相等的匀速运动时,同一时刻二者的转角差;加速度误差是指系统输出轴在一定的速度和加速度范围内跟踪输入轴运动时,在同一时刻两轴之间的最大差值。

2.对伺服系统动态性能的要求伺服系统应渐近稳定并留有一定的稳定裕量。

在典型信号输入下,系统的时域响应特性要满足规定要求。

伺服控制器的原理与构造伺服控制器是一种用于控制伺服系统的装置，它能够精确地控制伺服电机或伺服阀等执行元件的运动，实现所需要的位置、速度和力矩控制。

伺服控制器的工作原理如下：1. 反馈原理：伺服控制器通过传感器获取执行元件的位置、速度或力矩等反馈信号，将其与期望的目标值进行比较，从而得到误差信号。

2. 控制原理：基于误差信号，伺服控制器通过运算和控制算法，计算出控制指令，用以调节执行元件的运动状态。

3. 闭环控制：伺服控制器通过不断的反馈和修正，使执行元件的输出能够逼近或达到期望的目标值，从而实现闭环控制。

伺服控制器的构造主要包括以下几个部分：1. 传感器：伺服控制器通常会使用位置传感器、速度传感器或力矩传感器等，用于获取执行元件的实际状态，将其转换为电信号输入到控制器中。

2. 控制算法：伺服控制器内部会采用各种控制算法，如比例控制、积分控制和微分控制等，通过对反馈信号进行运算和处理，得到控制指令。

3. 控制器芯片：伺服控制器通常会使用专门的集成电路芯片，如DSP芯片或FPGA芯片等，用于实现控制算法、运算处理和控制指令输出等功能。

4. 驱动芯片：伺服控制器还需要使用驱动芯片，用于将控制指令转换为能够驱动执行元件的电信号，控制其运动状态。

5. 电源系统：伺服控制器还需要提供稳定的电源供电，以保证控制器和执行元件的正常工作。

在伺服控制器中，控制算法起着核心的作用。

常用的控制算法有位置控制、速度控制和力矩控制等。

- 位置控制：该算法通过比较反馈信号和目标位置，产生误差信号，并根据误差信号调节控制指令。

常见的位置控制算法有比例控制、PID控制等。

- 速度控制：该算法通过比较反馈信号和目标速度，产生误差信号，并根据误差信号调节控制指令。

常见的速度控制算法有比例控制、PID控制以及模糊控制等。

- 力矩控制：该算法通过比较反馈信号和目标力矩，产生误差信号，并根据误差信号调节控制指令。

常见的力矩控制算法有比例控制、自适应控制等。

伺服电机内部结构及其⼯作原理伺服电机⼯作原理伺服电机原理⼀、交流伺服电动机交流伺服电动机定⼦的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定⼦上装有两个位置互差90°的绕组，⼀个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另⼀个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。

所以交流伺服电动机⼜称两个伺服电动机。

交流伺服电动机的转⼦通常做成⿏笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，⽆“⾃转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相⽐，应具有转⼦电阻⼤和转动惯量⼩这两个特点。

⽬前应⽤较多的转⼦结构有两种形式：⼀种是采⽤⾼电阻率的导电材料做成的⾼电阻率导条的⿏笼转⼦，为了减⼩转⼦的转动惯量，转⼦做得细长；另⼀种是采⽤铝合⾦制成的空⼼杯形转⼦，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减⼩磁路的磁阻，要在空⼼杯形转⼦内放置固定的内定⼦.空⼼杯形转⼦的转动惯量很⼩，反应迅速，⽽且运转平稳，因此被⼴泛采⽤。

交流伺服电动机在没有控制电压时，定⼦内只有励磁绕组产⽣的脉动磁场，转⼦静⽌不动。

当有控制电压时，定⼦内便产⽣⼀个旋转磁场，转⼦沿旋转磁场的⽅向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的⼤⼩⽽变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。

交流伺服电动机的⼯作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转⼦电阻⽐后者⼤得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相⽐，有三个显著特点：1、起动转矩⼤由于转⼦电阻⼤，其转矩特性曲线如图3中曲线1所⽰，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相⽐，有明显的区别。

它可使临界转差率S0＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，⽽且具有较⼤的起动转矩。

因此，当定⼦⼀有控制电压，转⼦⽴即转动，即具有起动快、灵敏度⾼的特点。

2、运⾏范围较⼴3、⽆⾃转现象正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机⽴即停⽌运转。

当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运⾏状态，由于转⼦电阻⼤，定⼦中两个相反⽅向旋转的旋转磁场与转⼦作⽤所产⽣的两个转矩特性（T1－S1、T2－S2曲线）以及合成转矩特性（T－S曲线）交流伺服电动机的输出功率⼀般是0.1-100W。

在伺服系统中控制机械元件运转的发动机.是一种津贴马达间接变速装置。

,可使控制速度,位置精度非常准确。

将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象：直流伺服机电和交流伺服机电。

1.伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服机电接收到 1 个脉冲，就会旋转 1 个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服机电本身具备发出脉冲的功能，所以伺服机电每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服机电接受的脉冲形成为了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制机电的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm 。

直流伺服机电分为有刷和无刷机电。

有刷机电成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便(换碳刷)，产生电磁干扰，对环境有要求。

因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。

无刷机电体积小，分量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。

控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵便，可以方波换相或者正弦波换相。

机电免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。

2.交流伺服机电也是无刷机电，分为同步和异步机电，目前运动控制中普通都用同步机电，它的功率范围大，可以做到很大的功率。

大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。

于是适合做低速平稳运行的应用。

3.伺服机电内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W 三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时机电自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。

伺服机电的精度决定于编码器的精度 (线数)。

什么是伺服机电？有几种类型？工作特点是什么？答：伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或者角速度输出。

分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。