伺服系统的发展趋势ppt课件

20
（二）系统的闭环刚度特性
闭环惯性环节转折频率的无因次曲线
17
闭环振荡环节固有频率无因次曲线
当h和Kv/h较小时
nc h
18
当h和Kv/h较小时
2 nc 2 h — Kv / h
闭环振荡环节阻尼系数无因次曲线
19
系统频宽主要受h和h的影响 和限制，应适当提高h和 h ， 但过大的 h会降低nc，影响响
应速度。
电液位置控制系统闭环频率特性曲线
4）只有在工作频率接近谐振频率h时才有稳定性问题。当工作频率 接近h时，负载压力且也将接近ps了，也就是说压力趋于饱和，Kc变得很
大，阻尼系数比较高。
14
P116页使系统满足一定稳定要求的参数估算
由于以上几点原因，估算时一般可用
Kv
h
3
电液位置伺服系统难于得到较大的幅值稳定裕量Kg，而相位稳定
裕量 易于保证。
6
位置比较用电压比较代替 缸
电液伺服阀 液压能源
样板 给定
xi 位移 ei 比较eg 电伺服 I
传感器
- 放大器
ef
力矩 马达
液压 放大元件
扰动
液压 xp
执行件
位移 传感器1
A 双传感器阀控位置控制系统
7
由计算机图 形代替样板
程序 ei 比较eg
给定
-
ef
电液伺服阀 液压能源
电伺服 i 放大器
力矩 马达
11
将电液伺服阀看成比例环节
Kv
Ke Kd Ka Ksv iDm
TL
K V ce
iD K m
4
s
t
1
e ce
i +

Position Regulation Unit 位置调节单元 Velocity Regulation Unit 速度调节单元 Electric Current Regulation Unit 电流调节单元 Detection device 检测装置
In general ,the Closed-loop system includes Position Loop、 Speed Loop 、 Electric Current Loop. 一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环
• 数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺 服单元。
Servo system is a main subsystem of the numerical control system . If the CNC device is the numerical control system ‘s“brains”, then the servo system is a
计算方法。学习中，应特别注意各种伺服驱动元件的调速
方法和调速原理，了解各种驱动元件之间的性能比较及其 应用场合
• 3.1 Overview 概述
3.1.1 the function of the system 系统功能
The automatic control system which uses position and velocity as control
G
Position Loop、 Speed Loop and Electric Current Loop are made of Regulation control, testing and feedback modules. 位置、速度和电流环均由：调节控制模 块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大 器组成。 Position control includes position, speed and current control ;Speed control includes the speed and current control.位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包 括速度和电流控制。

惯量匹配的优势和劣势
1 优势
提高系统响应速度和稳定性
2 劣势
需要对传动系统进行深入了解和调试
调节方法
比例积分调节方法
根据误差的大小和变化率进行 控制
比例积分微分调节方 法
在比例积分控制的基础上加入 微分项，提高控制系统的稳定 性
优化调节方法
通过优化算法寻找最佳控制参 数，使得系统的性能达到最优
应用案例
伺服传动在CNC机床中的 应用
伺服传动技术在CNC机床中能够 提供高精度、高速度和高稳定性 的运动控制，实现复杂的加工工 艺。
伺服传动在工业机器人中 的应用
伺服传动技术能够使工业机器人 具备高度灵活性和精准性，适用 于各种复杂的装配任务。
伺服传动在医疗设备中的 应用
伺服传动技术在医疗设备中可以 实现精确的位置和力控制，确保 手术和治疗的安全和准确性。
将电机的动力传递给负载
控制器
监测和控制传动过程
传动系统的分类
1 齿轮传动
适用于大功率、低转速的 应用
2 皮带传动
适用于远距离传动和缓和 冲击的应用
3 链条传动
适用于高速、高负载的应 用
传动系统的选择
1 负载要求
根据负载类型和特性选择合适的传动系统
2 空间限制
考虑到安装空间和尺寸限制选择适合的传动系统
伺服传动技术的应用范围
伺服传动技术广泛应用于各个领域，包括机械制造、自动化设备、航空航天、电子设备等。它能够提供高精度、 高速度、高可靠性的运动控制，满足不同领域的需求。
伺服传动技术的优势和劣势
1 优势
高精度的运动控制能力
2 劣势
较高的成本和复杂的调试过程
传动系统的组成

控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。 广泛应 用中、小功率直流伺服系统。
U
脉宽
脉宽
脉宽
脉宽
周期不变 周期不变
平均直流电压
ωt
第38页，共47页。
7.3 直流伺服电机及其速度控制
U
Ia +
U T Ton
主要内容
Ea
t
VD
Ua
M
Ea
Ia
t
-
直流电机电压的平均值:
T—脉冲周期，
t
UaT 1 0TEaTTonEa
控制 回路
电流环：电流调节，作用：系统快速性、稳定性改善。
触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或 后移。
主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。
第33页，共47页。
7.3 直流伺服电机及其速度控制
主回路由大功率晶闸管构成的三相全控桥式反并接可逆电路，分 成二大部分（ Ⅰ和 Ⅱ ），每部分内按三相桥式连接，二组反并 接，分别实现正转 和反转。
i ——电枢电流
a
i f ——励磁电流
R a ——电枢电路的电阻
R f ——励磁回路的电阻
L a ——电枢回路的自感系数
L f ——励磁回路的自感系数
——电动机的机械角速度
第16页，共47页。
2. 机械系统的转矩平衡方程
Te
T2
T0
J
d
dt
T e ——电磁转矩 T 2 ——负载转矩
T 0 ——空载损耗转矩
与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节
器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。
第41页，共47页。
7.3 直流伺服电机及其速度控制 脉宽调制器

器械、印刷机械等领域。
02 直流伺服系统设计基础
CHAPTER
电机选择
根据系统需求选择合适的电机 类型，如无刷直流电机、有刷 直流电机等。
考虑电机的扭矩、转速、尺寸 和重量等参数，以确保电机能 够满足系统性能要求。
考虑电机的效率和温升，以降 低能耗和提高系统稳定性。
驱动器设计
根据电机类型和系统需求，设计合适的驱动器电路，包括电源、控制信号、保护电 路等。
工作原理
控制器
控制器是直流伺服系统的核心部 分，负责接收指令信号，并与电 机反馈信号进行比较，根据比较
结果输出控制信号。
电机
直流电机是系统的执行元件，根据 控制信号调整电机的输入电流或电 压，从而实现精确的运动控制。
反馈装置
为了实现精确控制，直流伺服系统 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ常配备位置、速度或力矩传感器 等反馈装置，将实际运动状态反馈 给控制器。
霍尔编码器
霍尔编码器也具有较高的测量精度和可靠性，适用于对测量精度 要求较高的应用。
磁编码器
磁编码器利用磁场变化来测量转速和位置，具有较小的体积和较 高的测量精度。
控制器
1 2
微控制器
微控制器是伺服控制系统的核心，负责接收输入 信号、计算输出信号并控制伺服系统的运行。
数字信号处理器
数字信号处理器具有较高的计算能力和数据处理 能力，适用于对计算能力要求较高的应用。
3
可编程逻辑控制器
可编程逻辑控制器适用于需要自动化控制和逻辑 运算的应用，具有较好的可靠性和稳定性。
驱动器
晶体管驱动器
晶体管驱动器利用晶体管的开关特性 来控制电流的通断，具有较快的响应 速度和较大的输出电流。
继电器驱动器
继电器驱动器利用继电器的触点开关 来控制电流的通断，适用于对输出电 流要求较低的应用。

3
6.1 概述
组成电液比例控制系统的基本元件：
1）指令元件 2）比较元件 3）电控器 4）比例阀 5）液压执行器 6）检测反馈元件
第6章 电液伺服控制系统
4
6.1 概述
6.1.2 电液比例控制系统的特点及组成
第控制的主要优点是： 1）操作方便，容易实现遥控 2）自动化程度高，容易实现编程控制 3）工作平稳，控制精度较高 4）结构简单，使用元件较少，对污染不敏感 5）系统的节能效果好。
第6章 电液伺服控制系统
8
6.2 电液比例控制基本回路
2.采用先导式比例溢流阀的调压回路
第6章 电液伺服控制系统
9
6.2 电液比例控制基本回路
3.电液比例减压控制系统
第6章 电液伺服控制系统
10
6.2 电液比例控制基本回路
6.2.2 电液比例流量控制
电液比例速度调节三种方式： 1）比例节流调速 2）比例容积调速 3）比例容积节流调速
6.3 电液比例电控技术
（2）阶跃函数发生器
（3）双路平衡电路
第6章 电液伺服控制系统
22
6.3 电液比例电控技术
（4）初始电流设定电路
第6章 电液伺服控制系统
23
6.3 电液比例电控技术
第6章 电液伺服控制系统
24
6.3 电液比例电控技术
第6章 电液伺服控制系统
25
6.3 电液比例电控技术
第6章 电液伺服控制系统
16
6.3 电液比例电控技术
6.3.3 比例控制放大器主要电路的构成、原理及功能
第6章 电液伺服控制系统
17
6.3 电液比例电控技术
1.电源电路 比例控制放大器电源电路主要作用：从标准电源中获得和分离出比例控制 放大器正常工作所需的各种直流稳定电源，并且在电网电压、负载电流及环境 温度允许范围内变化，保证输出直流电压的稳定性。同时，还兼有电源电压极 性反接、过流、短路自保护自恢复等非熔断式保护功能，以保证比例控制放大 器的工作可靠性。

B R K
M
T1
3/4 AC100 R S T
PPT学习交流
12
2.2伺服放大器的基本结构
LSI 位置芯片
螺 距 误 差 补 偿 （ PRM1000-4000）
CPU
环增益 PRM（517）
DGN （800~803）
插补器
CMR
ZPn
参考计数器
误差寄存器
D /A
-
DMR
方向鉴别
P C A ,P C B ,P C Z
40
PPT学习交流
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PPT学习交流
42
PPT学习交流
43
PPT学习交流
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如果10mm的螺距，N/M设定了12/1000，相当于电机多转了。指 令了X10mm, 实际走了12mm。
这样设定是说10000个脉冲相当于电机要发出12000个脉冲。误差 寄存器的值这时为0。
PPT学习交流
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DGN （800~803）
插补器
CMR
ZPn
参考计数器
误差寄存器
D /A
-
DMR
方向鉴别
P C A ,P C B ,P C Z
PCZ DAL
断线检测 ALM 电路
PCA, PCB PCA， *PCB
ENBL（ SV Fx） PRDY
驱动 驱动
ENBL PRDY
VRDY
驱动
VRDY
CH1
CN1
Vcm d
PPT学习交流
9
PPT学习交流
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2.伺服系统的硬件构成
2.1 FANUC 伺服系统的基本结构 2.2 伺服伺服放大器的构成 2.2 伺服放大器的发展过程和区别

开环伺服控制回路
位置控制 控制器 （ＮＣ装置）
步进 驱动器
步进马达
指令脉冲
脉冲马达
１脉冲 ＝ １步进角
例 步进角 ０.３６°的情况 １脉冲 → ０.３６°的动作
１０００脉冲 → ３６０°（１圈）
开环伺服控制回路
位置控制 控制器 （ＮＣ装置）
步进 驱动器
步进马达
位置 ＝ 脉冲数 速度 ＝ 脉冲频率
42
问题8：伺服电机过热（电机烧毁）。
原因：1、负载惯性（负荷）太大，增大电机和控制器 的容量；2、设备（机械）松动、脱落，重新确认设备 （机械）各部件；3、与驱动器接线错误，确认电机和 控制器名牌，根据说明书检查是否接线错误。4、电机 轴承故障。5、电机故障（接地、缺相等）
43
3.1 伺服控制器概述
伺服驱动器（servo drives） 又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是 用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似 于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统 的一部分，主要应用于高精度的定位系统。
44
伺服控制器的作用
1、按照定位指令装置输出的脉冲串，对工件进行定位控制。 2、伺服电机锁定功能：当偏差计数器的输出为零时，如果有外力
34
需要我们注意的是： 伺服电机实际使用当中，必须了解电
机的型号规格，确认好电机编码器的分 辨率，才能选择合适的伺服控制器。
35
松下伺服电机常见故障分析
问题1：对伺服电机进行机械安装时，应该 注意什么问题？
由于每台伺服电机都带有编码器，它是一个十分容易碎 的精密光学器件，过大的冲击力会使其破坏。因而在安 装的过程中要避免对编码器使用过大的冲击力。
开环伺服系统结构简图
数控装置发出脉冲指令，经过脉冲分配和功 率放大后，驱动步进电机和传动件的累积误 差。因此，开环伺服系统的精度低，一般可 达到0.01mm左右，且速度也有一定的限制。

伺服电机控制与应用详细教学课件
目 录
• 伺服电机概述 • 伺服电机控制技术 • 伺服电机应用技术 • 伺服电机故障诊断与维护 • 伺服电机的发展趋势和前景 • 实验与案例分析
01
伺服电机概述
伺服电机的定义和分类
定义
伺服电机是指能够通过反馈机制 实现精确位置、速度和加速度控 制的电机。
分类
根据结构和工作原理的不同，伺 服电机可分为直流伺服电机、交 流伺服电机、步进伺服电机和液 压伺服电机等。
控制方法
包括PID控制、模糊控制、自适应控制 等，通过对控制方法的选择和参数的 调整，可以优化控制系统的性能。
伺服电机控制器的设计和实现
控制器设计
根据控制需求和电机参数，设计控制器的结构、算法和参数 等。
控制器实现
选择合适的硬件平台，编写控制算法程序，实现控制器的功 能。同时需要进行控制器的调试和测试，确保其性能和稳定 性。在实际应用中，还需要考虑控制器与其他设备的通信和 协同工作等问题。
伺服电机在自动化生产线领域的应用
传送带驱动
伺服电机驱动传送带实现精确的 速度和位置控制，确保生产线上
的物料运输准确、高效。
机械臂驱动
伺服电机驱动自动化生产线上的机 械臂完成各种装配、搬运等任务， 提高生产效率。
检测设备驱动
伺服电机驱动检测设备实现精确的 位置控制，确保产品质量检测的准 确性和可靠性。
伺服电机在数控机床领域的应用
高速度切削
伺服电机驱动数控机床主 轴实现高速旋转，提高金 属切削效率，降低加工成 本。
进给系统控制
伺服电机通过精确控制进 给轴的位置和速度，实现 高精度零件的加工，提高 产品质量。
换刀装置驱动
伺服电机驱动数控机床的 自动换刀装置，实现快速 、准确的刀具更换，提升 加工效率。

AC100 R S T
系统伺服控制部分框图
CPU 板
DRAM
BOOT ROM 引导程序
CPU
G/A CPU 控制
1/2伺服轴卡 SV-RAM
SV-CPU
G/A DPS 控制
FSSBC控制
3/4伺服轴 SV-RAM
SV-CPU
FROM 系统软件 伺服软件 用户宏
SRAM 系统参数 加工程序 宏变量
伺服系统三环控制
1. 伺服系统的概要
1.1 伺服系统的概要 1.2 交流伺服电机的结构 1.2 位置反馈元件
1.1 伺服系统的概要
+
指
令
-
CNC
位置误差 计数器
D/A 转换器
位置控制模块
位 置 反 馈
位置环
速度控制单元
+
速 度
-
反
馈
速度 调节器
+
电流
调节器
电流环
速度控制单元
驱动器
速度环
测量与 检测
PCA
C1
*PCA
C2
PCB
*PCB
C4
PCZ
C8
1.1 伺服系统的概要
半闭环
全闭环
混合控制
1.2 伺服电机的构成
1 2 3 4 5 6 78 9
10
11
12
1- 电机轴 2-前端盖 3-三相绕组线圈 4-压板 5-定子 6-磁钢 7-后压板 8-动力线插头 9-后端盖 10-反馈插头 11-脉冲编码器 12-电机后盖
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交
1.3 伺服反馈元件
1.3 伺服反馈元件

总结与展望
1
总结
直流伺服电机是先进的运动控制技术，应用广泛。
2
展望
随着科技的发展，直流伺服电机将变得更小巧、更高效。
《直流伺服电机》PPT课 件
让我们一起探索直流伺服电机的基本原理、工作原理、应用领域和优势，以 及组成和结构、控制方式、常见问题和解决方法。
直流伺服电机的基本原理
1 电磁感应
通过电磁感应原理，将电能转化为机械能。
2 磁场控制
利用磁场的控制来调节转速和位置。
3 反馈系统
使用反馈系统实时监测运动状态，保持稳定性和精确性。
直流伺服电机的工作原理
1
输入信号
控制器接收输入信号，指定所需的转速和位置。
2
驱动电路
驱动电路根据输入信号控制电机转动。
3
传感器反馈
传感器实时监测电机运动状态，并将反馈信号发送给控制器。
应用领域和优势
工业自动化
广泛应用于机械臂、自动化生产线等领域，提高生产效率。
机器人技术
为机器人提供高精度、高速度的运动控制，实现复杂任务。
位置控制
根据输入信号，控制电机达 到指定的位置。
速度控制
根据输入信号，控制电机达 到指定的转速。
扭矩控制
根据输入信号，控制电机输 出指定的扭矩。
直流伺服电机的常见问题和解决方法
1 震动和噪音
通过减震措施和减少机械密封度来解决问题。
2 过热
增加散热设备和改善工作环境，提高电机散热效果。
3 寿命短
定期保养和更换磨损部件，延长电机的使用寿命。
航空航天
用于飞机操纵系统、卫星定位等关键应用，确保安全和可靠性。
直流伺服电机的组成和结构
主要组成

伺服连接－输入输出(I/O)接口
HSV系列伺服有六种输出信号：
①伺服使能
②报警清除 ③偏差计数器清零
④指令脉冲禁止 ⑤CCW驱动禁止 ⑥CW驱动禁止
集电极开路输出；
低电平有效。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
动
力 电
S
源T
整 流 器
控 AC220V
制 电
AC220V
开关电源
源
指 令 信 号
直流 P
制动 N
控制平台
交流
逆
U
变 器
V
电
W
机
PG
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
交流伺服驱动器系统电气原理结构图
伺服连接－位置控制方式
脉冲输入接口的两种驱动方式比较：
差分驱动方式的抗干扰能力强于单端驱动方式，推荐 使用，尤其是在信号电缆较长时；
采用单端驱动方式，会使动作频率降低。
根据脉冲量输入电路，驱动电流10～15mA，限定外部
电源最大电压25V的条件，确定电阻R的数值。
经验数据：VCC=24V，R=1.3~2k； VCC=12V，R=510～820Ω； VCC=5V， R=82~120Ω 。
HSV系列伺服产品的发展
模拟、数字混合型 交流伺服驱动
HSV-9型伺服
(三相220V输入)
全数字型交流伺服、主轴驱动器系列
HSV-16型伺服 (三相220V输入, 集成开关电源)

2
伺服系统概述
伺服技术的应用遍及各个领域，例如绕地飞行和高空探测的各类卫星， 地面上飞驰的高速列车，在海上游弋的万吨邮轮和舰船，军事上的导弹发 射架的天线驱动，特定环境下完成特殊任务的各类机器人，各种办公室自 动化设备等。
3
1.1 伺服系统的基本概念
内容提要
1.1.1 伺服系统的定义 1.1.2 伺服系统发展回顾 1.1.3 伺服系统的组成
被控 输出 对象
图 1-1 伺服系统的一般结构
9
1.1.3 伺服系统的组成
给定 环节
比较
+环节误差
控制器
给定
输入 -
功率放大 与变换环节
执行 环节
扰 动
被控 输出 对象
Hale Waihona Puke 反馈环节图 1-1 伺服系统的一般结构
10
1.1.3 伺服系统的组成
（6）执行环节（执行机构）：控制信号获得功率放大后，激励被控机
14
1.2.1 稳定性好
稳定性反应了动态过程的振荡倾向和系统重新恢复到平衡状态工作的能力。 如果系统受到扰动后偏离了原工作状态，而控制装置再也不能使系统恢复到原状
态，并且越来越偏离原状态，并且误差越来越大，以至到∞，如图1-2中的过程曲
线③所示。这样的系统就称为不稳定系统。 不稳定系统在一般的情况下完全是由该系统的结构和参数决定，这是系统的
实际系统中都存在集中性或分布性的电感与电容。而电感中的电流、 电容上的电压都是不能跃变的；更何况电机本身与其轴上所驱动的机械 负载装置具有更大的机械惯性、电磁惯性与其串行叠加，更加大了惯性 的作用。在电源所提供的功率强度有限情况下，输出量不可能在瞬间达 到给定信号的期望值；抑制干扰信号也需要一个暂短的抵制与恢复过程， 才能使输出达到或恢复原过程，这一过程，被称为过渡过程或动态过程。

LOS系统
系统组成
有效载荷
可见光、红外、激光
框架平台
2框架、4框架、5框架
伺服系统
电机伺服
图像系统
目标识别、目标跟踪
LOS系统
视轴控制目的
视轴稳定
相对于惯性系 隔离运动 抵抗扰动 多框架
视轴跟踪
目标跟踪 捕获与跟踪 火控铰链
LOS系统
视轴控制原理
视轴稳定
速度稳定回路 单位反馈控制 精度40urad
交流电机
异步电机 同步电机 步进电机 无刷电机
特殊电机
直线电机、旋转变压器
系统组成
直流电机
力矩电机
力矩控制 低速平稳 应用－雷达天线
伺服电机
齿轮减速 输出力矩大 应用－舵机
系统组成
PWM电机控制
双极性控制
50％占空比 低速平稳 分辨率低
单极性控制
换向信号 分辨率高
空间矢量PWM
反馈控制
反馈通道
前馈控制
前馈补偿、改善动态性
内模控制
模型抵消、提高鲁棒性
系统组成
控制系统组成
被控对象
执行机构、负载
传感器
反馈信号
控制器
模拟控制器、数字控制器
系统组成
被控对象
电机
电能机械能
电磁阀
液压系统
其他
电磁线圈、加热、压电陶瓷
军工
？
系统组成
电机分类
直流电机
力矩电机－直接驱动 伺服电机－齿轮减速
LOS系统
旋转变压器
极对数
单级、多级
工作原理
V=A*SIN(Wt) 励磁电源：1KHz、28V
角位置解调
滤波法、鉴相法 旋变解调模块