伺服系統(tǒng)與執(zhí)行元件本章內(nèi)容CONTENTS

伺服驅(qū)動系統(tǒng)組成、要求及分類1步進電機及驅(qū)動2直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)3交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)4直線伺服驅(qū)動系統(tǒng)5電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)6執(zhí)行元件73

3.1伺服驅(qū)動系統(tǒng)組成、要求及分類

3.1.1伺服驅(qū)動系統(tǒng)組成伺服驅(qū)動系統(tǒng)：又稱隨動系統(tǒng)，它能夠使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出跟隨輸入目標變化的自動控制系統(tǒng)。從自動控制理論角度來分，伺服驅(qū)動系統(tǒng)一般由比較環(huán)節(jié)、控制器、執(zhí)行元件、被控對象、檢測裝置五個部分組成，如圖3-1所示。圖3-1伺服驅(qū)動系統(tǒng)組成4

3.1.1伺服驅(qū)動系統(tǒng)組成比較環(huán)節(jié)：比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入的偏差信號?？刂破鳎簩Ρ容^環(huán)節(jié)輸出的偏差信號進行變換處理，控制執(zhí)行元件按要求動作。執(zhí)行元件：執(zhí)行元件的作用是按控制信號的要求，將輸入的不同形式的能量轉(zhuǎn)化成機械能，驅(qū)動被控對象工作。一般指各種電機、液壓、氣動伺服機構(gòu)等。5

3.1.1伺服驅(qū)動系統(tǒng)組成被控對象：被控對象是指伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制的對象。機電一體化系統(tǒng)中的被控對象形式較多，例如數(shù)控機床的工作臺與主軸，工業(yè)機器人的手臂、手腕、手抓等。檢測裝置：檢測裝置的作用是對被控對象的輸出進行測量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需量綱的裝置，通常由傳感器和轉(zhuǎn)換電路組成。根據(jù)檢測對象不同又分為位置檢測、速度檢測、力矩檢測等，分別采用位置、速度、力矩傳感器實現(xiàn)。6

3.1.2伺服驅(qū)動系統(tǒng)要求穩(wěn)定性：擾動消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來穩(wěn)定狀態(tài)下運行，或者在輸入指令信號作用下系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。伺服精度：輸出量能跟隨輸入量的精確程度?？焖夙憫?yīng)性：有兩方面含義，一是指動態(tài)響應(yīng)過程中輸出量跟隨輸入指令信號變化的迅速程度，二是指動態(tài)響應(yīng)過程結(jié)束的迅速程度?？煽啃裕嚎煽啃允窃谝?guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)實現(xiàn)要求功能的能力。73.1.3伺服驅(qū)動系統(tǒng)分類（1）按被控量的類型進行分類：位移、速度、力矩等伺服驅(qū)動系統(tǒng)，溫度、濕度、磁場、光等被控量。（2）按驅(qū)動元件的類型分類：電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)、液壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)、氣動伺服驅(qū)動系統(tǒng)。其中，電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)電機類型的不同又可分為直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)、交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)和步進伺服驅(qū)動系統(tǒng)。83.1.3伺服驅(qū)動系統(tǒng)分類（3）按控制分類：可分為開環(huán)控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)、閉環(huán)控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)和半閉環(huán)控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)。開環(huán)控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)：沒有位置和速度反饋的系統(tǒng)，其驅(qū)動元件一般為步進電機或液壓脈沖馬達。特點：結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，但精度差，低速運動不平穩(wěn)，扭矩小，一般用于輕載、負載變化不大的場合。圖3-2開環(huán)控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)93.1.3伺服驅(qū)動系統(tǒng)分類半閉環(huán)控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)：具有位置檢測和速度檢測、比較及調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。位置或位移檢測元件不是直接安裝在最終的執(zhí)行元件上，而是安裝在中間傳動元件上。特點：在環(huán)外的傳動誤差沒有得到系統(tǒng)的補償，因此這種伺服驅(qū)動系統(tǒng)的精度低于閉環(huán)控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)。圖3-3半環(huán)控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)10

3.1.3伺服驅(qū)動系統(tǒng)分類閉環(huán)控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)：具有位置和速度檢測、比較及調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。閉環(huán)控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)的位置檢測元件直接安裝在最終執(zhí)行元件上。特點：閉環(huán)控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)的控制精度高，控制系統(tǒng)相對復(fù)雜，成本高。圖3-4閉環(huán)控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)113.2步進電機及驅(qū)動3.2.1步進電機工作原理步進電機也叫脈沖電動機，是把電能轉(zhuǎn)換為機械能的一種驅(qū)動元件，它利用電磁學(xué)原理將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的執(zhí)行元件。每給步進電機輸入一個電脈沖信號，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個角度，稱為步距角。(1)來一個脈沖，轉(zhuǎn)一個步距角。(2)控制脈沖頻率，可控制電機轉(zhuǎn)速。(3)改變脈沖順序，改變方向。123.2.1步進電機工作原理以反應(yīng)式步進電機為例，反應(yīng)式步進電機的定子上有磁極，每個磁極上有勵磁繞組，轉(zhuǎn)子無繞組，有周向均布的齒，依靠磁極對齒的吸合工作。步進電機的工作方式(通電順序)可分為：三相（單）三拍、三相（單雙）六拍、三相雙三拍等。AB定子轉(zhuǎn)子IAIBICC13

3.2.1步進電機工作原理三相（單）三拍A相通電，為了保持磁阻最小，給轉(zhuǎn)子施加電磁力矩，使轉(zhuǎn)子1、3齒和AA'對齊B'A'CC'BA3412BB'A'CC'AB相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相軸線對齊C相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和C相軸線對齊3412B'A'CC'BA3412143.2.1步進電機工作原理三相單三拍的特點：（1）每來一個電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30

。（2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序。（3）每次定子繞組只有一相通電，在切換瞬間失去自鎖轉(zhuǎn)矩，容易產(chǎn)生失步，只有一相繞組產(chǎn)生力矩吸引轉(zhuǎn)子，在平衡位置易產(chǎn)生振蕩。

3.2.1步進電機工作原理三相六拍ABCABB相通電CA相通電ABCABC1234C相通電ABCABCABCABBC相通電CABCABCA相通電CABCABAB相通電C12341234123412341234特點：每步轉(zhuǎn)過15°，步距角是三相三拍工作方式的一半。電機運轉(zhuǎn)中始終有一相定子繞組通電，運轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)。

通電順序：A→AB→B→BC→C→CA→A…（逆時針）A→AC→C→BC→B→CA→A…（順時針）16

3.2.1步進電機工作原理2.步進電機類型步進電機可從不同角度進行分類，根據(jù)運動形式可分為旋轉(zhuǎn)式步進電機和直線步進電機；根據(jù)勵磁相數(shù)可分為三相、四相、五相、六相步進電機；根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式可分為反應(yīng)式、永磁式和混合式三種類型。17

3.2.1步進電機工作原理反應(yīng)式步進電機又稱為可變磁阻式、VR型步進電機，由定子、轉(zhuǎn)子、繞組組成。定子與轉(zhuǎn)子都由軟磁材料制造，在定子上嵌有線圈，通電后轉(zhuǎn)子向著定子與轉(zhuǎn)子之間磁阻最小位置轉(zhuǎn)動，由此而得名可變磁阻式。特點：轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子直徑小，響應(yīng)快。但斷電后轉(zhuǎn)子與定子之間沒有保持力，動態(tài)性能差，效率低，發(fā)熱大，可靠性難保證。圖3-7反應(yīng)式步進電機結(jié)構(gòu)183.2.1步進電機工作原理永磁式步進電機又稱為PM型步進電機，轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，定子采用軟磁材料制成。定子繞組斷電后也能保持一定轉(zhuǎn)矩，故具有記憶能力，可用于定位驅(qū)動。但由于轉(zhuǎn)子磁鐵的磁化間距受到限制，制造困難，故步距角一般較大。此外，永磁式步進電機所需勵磁功率小、效率高、造價低，與反應(yīng)式步進電機相比輸出轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)子慣量較大。圖3-8永磁式步進電機結(jié)構(gòu)19

3.2.1步進電機工作原理混合式步進電機：又稱為HS型步進電機，它綜合了反應(yīng)式和永磁式步進電機的優(yōu)點，轉(zhuǎn)子采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子上均有多個小齒以提高步距精度。其特點是輸出力矩大、動態(tài)性能好，步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對較高。圖3-9混合式步進電機結(jié)構(gòu)203.2.2步進電機驅(qū)動技術(shù)主要由脈沖分配器和功率放大器兩部分組成，脈沖分配器的作用：將控制器送來的脈沖信號及方向信號按要求的驅(qū)動式方式供給電動機各相繞組，以驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。功率放大器：是把脈沖信號進行放大，提供足夠的動力驅(qū)動步進電機運行。圖3-10步進電機驅(qū)動系統(tǒng)組成213.2.2步進電機驅(qū)動技術(shù)1.脈沖分配器將控制器送來的脈沖信號及方向信號按要求的驅(qū)動式方式供給電動機各相繞組，以驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。有軟件分配和硬件分配兩種形式。CNC裝置電源環(huán)形分配器A相驅(qū)動B相驅(qū)動C相驅(qū)動FULL/HALFDIRCLKM223.2.2步進電機驅(qū)動技術(shù)2.功率放大器采用功率放大器將脈沖信號的電流進行放大，使其放大為幾個至十幾安培，從而能夠驅(qū)動步進電機運行。步進電機驅(qū)動常用的功率放大電路有單電壓驅(qū)動功率放大電路、高低壓驅(qū)動功率放大電路、斬波恒流功率放大電路、調(diào)頻調(diào)壓功率放大電路等。233.2.2步進電機驅(qū)動技術(shù)2.功率放大器單電壓功率放大電路有脈沖輸入時，功率晶體管VT1和VT2均截止，繞組中無電流通過，電動機不轉(zhuǎn)。當A相通電時，電動機轉(zhuǎn)動一步。圖3-11單電壓功率放大電路243.2.2步進電機驅(qū)動技術(shù)2.功率放大器高低壓功率放大電路沒有脈沖信號輸入時，VT1～VT4均截止，步進電機繞組中沒有電流通過，電機靜止。有脈沖輸入時，VT1、VT2、VT4飽和導(dǎo)通，在VT2導(dǎo)通初期，變壓器次級感應(yīng)電壓使VT3導(dǎo)通，采用高壓驅(qū)動電動機繞組，脈沖電流前沿變陡，電動機輸出轉(zhuǎn)矩增大，有利于提高運行頻率，穩(wěn)定后，變壓器次級無感應(yīng)電壓，VT3截止。圖3-12高低壓功率放大電路253.2.2步進電機驅(qū)動技術(shù)3.驅(qū)動細分技術(shù)目的：實現(xiàn)步距角的高精度細分以提高電機的運轉(zhuǎn)精度。其次，細分技術(shù)的附帶功能是減弱或消除步進電機的低頻振動。常用的細分方式有：半拍步進法、PWM脈沖分解法等。半拍步進法：對步進電機的通電方式進行改變，例如四相混合式步進電機的四拍通電邏輯順序改變?yōu)榘伺耐娺壿嬳樞?，從而將步距角縮小為原來的一半。PWM脈沖分解法：利用單片機產(chǎn)生的脈沖寬度可調(diào)制波使原來的一個矩形脈沖波分解成階梯波形。優(yōu)點：是在階梯波驅(qū)動步進電機的時候，能通過單片機產(chǎn)生的PWM波靈活地改變輸出脈沖的高低和長短，實現(xiàn)對步進電機的柔性控制和對大功率步進電機的驅(qū)動。263.2.3步進電機特性1.步距角步距角計算公式為：（3-1）

式中：m為步進電機相數(shù)；z為電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)；k為通電方式系數(shù)，單相或雙相通電時，k=1，單雙相輪流通電時，k=2。273.2.3步進電機特性2.靜態(tài)特性矩–角特性：在空載狀態(tài)下，在步進電機轉(zhuǎn)子上施加一個負載轉(zhuǎn)矩TL，轉(zhuǎn)子齒的中心線與定子齒的中心線將錯過一個角度

此時轉(zhuǎn)子上的電磁力矩Tj與負載轉(zhuǎn)矩TL相等，Tj稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，

為失調(diào)角。失調(diào)角

與靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Tj的關(guān)系曲線稱為矩–角特性曲線。圖3-13步進電機靜態(tài)特性（a）失調(diào)角示意圖（b）矩–角特性曲線283.2.3步進電機特性圖3-14三相步進電機的矩-角特性曲線（a）三相三拍通電方式（b）三相六拍通電方式

293.2.3步進電機特性3.動態(tài)特性啟動轉(zhuǎn)矩：A相與B相的矩–角特性曲線相交所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為啟動轉(zhuǎn)矩Tq，相數(shù)與工作節(jié)拍越多，電機所能夠承受的啟動轉(zhuǎn)矩越大。圖3-14三相步進電機的矩-角特性曲線（a）三相三拍通電方式（b）三相六拍通電方式3.2.3步進電機特性3.動態(tài)特性最高連續(xù)運行頻率及矩-頻特性：步進電機在連續(xù)運行時所能接受的最高頻率，用fmax表示。電機在連續(xù)運行狀態(tài)下，輸出的電磁轉(zhuǎn)矩隨控制頻率提高而下降。

空載運行頻率與慣-頻特性：在空載狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子從靜止狀態(tài)能夠不丟步啟動時的最大頻率稱為空載啟動頻率，用fq表示，在帶負載啟動時，啟動頻率會下降。303.2.3步進電機特性4.步進電機特點（1）步進電機受數(shù)字脈沖信號控制，輸出角位移與輸入脈沖數(shù)成正比。（2）步進電機轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比。（3）步進電機的轉(zhuǎn)向可以通過改變通電順序來改變。（4）步進電機具有自鎖能力，只要維持繞組供電，電機保持在當前位置。（5）步進電機工作狀態(tài)不易受電源電壓、電流大小與波形的變化、溫度等因素影響，只要干擾未引起步進電機產(chǎn)生丟步，就不會影響其正常工作。（6）步進電機的步距角存在制造誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)以后，其累積誤差為零，不會長期積累。313.2.4步進電機選型與計算1.步進電機選型（1）步距角選擇步進電機的步距角精度將會影響開環(huán)系統(tǒng)的精度，步距角由系統(tǒng)的脈沖當量、傳動比等因素來決定。例如某機床的脈沖當量，在傳動系統(tǒng)中步進電機輸出通過齒輪、絲杠螺母機構(gòu)傳動到工作臺，那么就要根據(jù)脈沖當量、傳運比以及絲杠螺距參數(shù)確定步距角。最常見的步距角有0.6°/1.2°、0.75°/1.5°、0.9°/1.8°、1°/2°、1.5°/3°等。設(shè)計時需要通過調(diào)整齒輪的傳動比、絲杠螺距等參數(shù)選擇到合適的步距角。323.2.4步進電機選型與計算1.步進電機選型（2）轉(zhuǎn)矩與慣量選擇由于步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，為了使步進電機具有良好的起動性能及較快的響應(yīng)速度，通常要做到負載轉(zhuǎn)動慣量與電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量相互匹配，即滿足：（3-2）式中：為步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩（N﹒m）；為折算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩；為步進電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量；為折算到步進電機轉(zhuǎn)子軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量。333.2.4步進電機選型與計算1.步進電機選型（3）起動頻率確定由于步進電機的起動矩–頻特性曲線是在空載下做出的，檢查其起動能力時需考慮負載對起動轉(zhuǎn)矩的影響，即從起動慣頻特性曲線上找出帶慣性負載的起動率，然后再查找起動轉(zhuǎn)矩并計算起動時間。當在起動–矩特性曲線上查不到帶慣性負載的最大起動頻率時，可用下式進行估算：（3-3）式中：為帶慣性負載的最大起動頻率；為電機最大空載起動頻率；為電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量；為折算到電機轉(zhuǎn)子軸上的負載轉(zhuǎn)動慣量。343.2.4步進電機選型與計算1.步進電機選型（4）電機類型選擇空載啟動頻率是選購步進電機很重要的一項指標。如果要求在瞬間頻繁啟動、停止，最好選擇反應(yīng)式或永磁式步進電機，如果要考慮到綜合性能一般選擇混合式類型。（5）電機相數(shù)選擇

步進電機的相數(shù)越多步距角就能夠越小，工作時的振動相比要小。大多數(shù)場合選用兩相、三相、五相混合式步進電機，如果用在高速大力矩的工況下，則選擇三相步進電機比較合適。353.2.4步進電機選型與計算2.步進電機品牌選擇目前，在機電一體化系統(tǒng)中常用的步進電機品牌有日本信農(nóng)、安川、山社、北京東方等。步進電機說明書提供的參數(shù)主要有步距角、相電壓、相電流、最大靜轉(zhuǎn)矩、空載起動頻率曲線、電感、電阻、引線數(shù)、外形尺寸、電機重量、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量等。363.2.4步進電機選型與計算3.步進電機選型實例例3-1圖3-15所示為數(shù)控車床Z軸的傳動系統(tǒng)，采用步進電機驅(qū)動，已知工作臺的重量為WT=250kg，拖板與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)=0.06，車削時最大切削載荷Fz=2000N，y向的切削分力為Fy=4000N，要求最大工進速度=500mm/min，最大快進速度=3000mm/min，滾珠絲杠的直徑為d0=32mm，導(dǎo)程ts=6mm，絲杠總長l=1500mm，脈沖當量=0.01mm/p，電機啟動時間要求小于1s，試選擇合適的步進電機型號，并檢查電機的起動性能和工作速度是否滿足要求。圖3-15數(shù)控車床Z軸傳動系統(tǒng)373.2.4步進電機選型與計算3.步進電機選型實例解：（1）初選步進電機的步距角為1.2度，根據(jù)脈沖當量和絲杠螺距計算得到齒輪的傳動比為：在此，選小齒輪的齒數(shù)Z1=20，大齒輪齒數(shù)Z2=40，模數(shù)m=2。（2）等效負載轉(zhuǎn)矩的計算

①

空載時的等效摩擦轉(zhuǎn)矩：383.2.4步進電機選型與計算3.步進電機選型實例②車削加工時的等效摩擦轉(zhuǎn)矩：式中，為絲杠預(yù)緊時的傳動效率，取0.8。（3）等效轉(zhuǎn)動慣量計算①滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量：393.2.4步進電機選型與計算3.步進電機選型實例②拖板慣量換算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量：③大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量式中：b2為大齒輪寬度；d2為大齒輪直徑；為絲杠材料密度，取=kg/cm3。403.2.4步進電機選型與計算3.步進電機選型實例④小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量：式中：b1為小齒輪的寬度；d1為小齒輪直徑。整個傳動系統(tǒng)折算到電機轉(zhuǎn)子軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量為:413.2.4步進電機選型與計算3.步進電機選型實例（4）初選步進電機型號根據(jù)所計算的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量初選步進電機型，在此選擇110HCY137AL3S型號步進電機,其最大靜轉(zhuǎn)矩＝800,轉(zhuǎn)子慣量=8.6,由此可得:因此，所選步進電機的慣量和容量滿足匹配條件。423.2.4步進電機選型與計算3.步進電機選型實例快速進給時，電機空載運行，查找該步進電機的起動矩–頻特性曲線，最高起動頻率為=1000Hz，由于帶慣性負載起動，實際最大起動頻率會下降，計算公式為:步進電機帶慣性負載的起動速度為:433.2.4步進電機選型與計算3.步進電機選型實例查起動矩–頻特性曲線，當起動頻率為776H時，電機對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩為320N.cm，那么空載時的啟動時間為:（5）速度驗算①快進速度驗算查該電機的運行矩–頻特性曲線得到該電機的最大運行頻率為6000Hz，電機輸出轉(zhuǎn)矩Tm=85N.cm，最大的快進速度為:443.2.4步進電機選型與計算3.步進電機選型實例②工進速度驗算查該電機的運行矩–頻特性曲線可知，當=142.5N.cm，對應(yīng)的運行頻率為≈3800Hz，那么最大的工進速度為:根據(jù)以上計算結(jié)果可知，該型號的步進電機滿足工作臺工進和快進速度要求。步進電機速度驗算是根據(jù)步進電機提供的起動慣–頻特性曲線、起動矩-頻特性曲線、運行矩-頻特性曲線計算得到的。453.3.1直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)1.組成和特點組成：由直流伺服電機、檢測元件、比較環(huán)節(jié)組成。特點：（1）穩(wěn)定性好。（2）可控性好。（3）響應(yīng)迅速。（4）控制功率低，損耗小。（5）輸出轉(zhuǎn)矩大。463.3直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)3.3.1直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)2.直流伺服電機分類勵磁方式：分為永磁式和電磁式兩類。永磁式直流電動機：氧化體、鋁鎳鉆、稀土鈷等磁材料產(chǎn)生激磁磁場，主要有轉(zhuǎn)子、定子、勵磁線圈、換向器、電刷、編碼器等組成。圖3-16永磁式直流伺服電機473.3.1直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)2.直流伺服電機分類電磁式直流伺服電機分類：他勵、串勵和并勵三種類型。按電樞結(jié)構(gòu)上分類：有刷型、無刷型、繞絲盤型、空心杯電樞型等形式。有刷直流伺服電機成本低、結(jié)構(gòu)簡單、啟動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、控制容易，但需要維護，會產(chǎn)生電磁干擾。無刷直流伺服電機的體積小、重量輕、響應(yīng)快、慣量小、轉(zhuǎn)動平滑、力矩穩(wěn)定，但電機功率受到一定限制。按控制方式上分類：勵磁控制方式和電樞控制方式483.3.2工作原理1.工作原理圖3-17直流電機工作原理（a）工作原理

（b）等效電路493.3.2工作原理1.工作原理電樞回路中的電壓平衡方程：（3-4）式中：為電樞電壓；為反電動勢力；為電樞電感；為電樞電流；

為電樞電阻。反電動勢

與轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系：（3-5）式中：

為反電動勢常數(shù)；

為定子磁通。電樞切割磁場磁力線所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩：（3-6）

503.3.2工作原理1.工作原理對式（3-4）、式（3-5）、式（3-6）進行整理，得到電機轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩TM關(guān)系為：（3-7）由公式（3-7）可知，有三種調(diào)速方式：改變電樞電壓（最常用，起動力矩大，阻尼效果好，響應(yīng)速度快且線性度好）；在電樞回路中串入可調(diào)電阻（引起功率損耗，效率低，機械特性變軟，而且只能將轉(zhuǎn)速調(diào)低）；在勵磁回路中串入調(diào)節(jié)電阻以調(diào)節(jié)磁通量（調(diào)速范圍小）。513.3.2工作原理2.直流伺服特性（1）靜態(tài)特性機械特性曲線：電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，若電樞電壓不變時，則電機的機械特性方程為：

式中：為直流伺服電機的理想空載轉(zhuǎn)速，當n=0時，得到的轉(zhuǎn)矩稱為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩或起動轉(zhuǎn)矩。圖3-18直流伺服電機的機械特性52（3-8）3.3.2工作原理2.直流伺服特性（1）靜態(tài)特性調(diào)節(jié)特性曲線：負載轉(zhuǎn)矩不變時，轉(zhuǎn)速與電樞電壓之間的關(guān)系。圖3-19直流伺服電機的調(diào)節(jié)特性533.3.2工作原理2.直流伺服特性（2）動態(tài)特性轉(zhuǎn)矩平衡方程：式中：為電機電磁轉(zhuǎn)矩；為折算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩；為電機粘性阻尼系數(shù)；為電機轉(zhuǎn)角；為電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量；t為時間自變量。54（3-9）3.3.2工作原理根據(jù)圖3-20，得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

（3-10）令，稱之為電磁時間常數(shù)；令，稱之為機電時間常數(shù)。圖3-20直流伺服電機控制框圖553.3.2工作原理系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：將（3-10）轉(zhuǎn)為二階系統(tǒng)標準形式：

其中：

56（3-10）（3-11）3.3.3直流伺服電機驅(qū)動控制控制目標：實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速、輸出力矩控制，要求調(diào)控方便、控制電路功率損耗小、響應(yīng)速度快、速度與力矩輸出穩(wěn)定。直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)組成：速度檢測與調(diào)節(jié)、電流檢測與調(diào)節(jié)、整流、功率放大等組成部分。主要驅(qū)動類型：晶閘管直流驅(qū)動和晶體管脈寬調(diào)制驅(qū)動。573.3.3直流伺服電機驅(qū)動控制1.直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)（1）晶閘管直流驅(qū)動系統(tǒng)晶閘管驅(qū)動方式：采用可控硅整流方式，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角而將交流電直接轉(zhuǎn)換成電壓或電流可調(diào)的直流電。包括速度環(huán)、電流環(huán)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器等，主回路中包括可控硅整流器。圖3-21晶閘管驅(qū)動系統(tǒng)組成583.3.3直流伺服電機驅(qū)動控制1.直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)（1）晶閘管直流驅(qū)動系統(tǒng)直流電壓轉(zhuǎn)換方式：降壓斬波和升壓斬波。圖3-22降壓直流斬波器原理（a）降壓斬波電路（b）輸出電壓波形593.3.3直流伺服電機驅(qū)動控制直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)

（1）晶閘管直流驅(qū)動系統(tǒng)經(jīng)過斬波的直流平均電壓：（3-12）式中：為導(dǎo)通時間；為關(guān)斷時間；為斬波時間；為占空比。圖3-22降壓直流斬波器原理（a）降壓斬波電路（b）輸出電壓波形603.3.3直流伺服電機驅(qū)動控制（2）晶體管脈寬調(diào)制驅(qū)動系統(tǒng)與晶閘管相比，晶體管控制電路簡單，不需要附加關(guān)斷電路，開關(guān)特性好，而且功率晶體管的耐壓性能已大大提高，廣泛應(yīng)用于中小功率直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)。脈寬調(diào)制：使功率晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)頻率恒定，用改變開關(guān)導(dǎo)通時間的方法來調(diào)整晶體管的輸出，使電機兩端得到寬度隨時間變化的電壓脈沖。613.3.3直流伺服電機驅(qū)動控制該系統(tǒng)由控制部分、功率晶體管放大器和全波整流器三部分組成控制部分包括速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器、脈寬調(diào)制器和基極驅(qū)動電路。圖3-23晶體管脈沖調(diào)制原理圖623.3.3直流伺服電機驅(qū)動控制2.電機速度與轉(zhuǎn)矩控制速度控制：主要采用調(diào)壓調(diào)速控制方式，采用晶閘管或晶體管來實現(xiàn)。電機轉(zhuǎn)矩控制：通過調(diào)節(jié)電機電流實現(xiàn)，根據(jù)他勵直流電機原理，電機轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。通過T型橋驅(qū)動和H型橋驅(qū)動電路控制電樞電流。圖3-24T型橋驅(qū)動和H型橋驅(qū)動電路（a）T型橋驅(qū)動（b）H型橋驅(qū)動633.4交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)3.4.1交流伺服電機641.特點和分類特點：無電刷和換向器，工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低；定子繞組散熱比較方便；慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性；可適用于高速大力矩工作狀態(tài)；同功率下有較小的體積和重量。轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向可方便地受控制信號的控制，調(diào)速范圍要大；整個運行范圍內(nèi)的特性應(yīng)具有線性關(guān)系。分類：按定子使用電源相數(shù)可分為單相、兩相、三相交流伺服電動機。按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可分為異步交流伺服電機和同步交流伺服電機。3.4.1交流伺服電機652.工作原理單相交流伺服電機：有兩組繞組，一組是勵磁繞組，也叫工作繞組或主繞組，一組是控制繞組，也稱為啟動繞組或副繞組。在空間上相差90°相位，勵磁繞組有效匝數(shù)Nf與控制繞組的有效匝數(shù)Nc相等的兩個繞組稱為對稱兩相繞組。圖3-25單相電動機工作原理3.4.1交流伺服電機662.工作原理三相交流伺服電機：三組線圈按相互間隔120°配置。合成磁場是一個旋轉(zhuǎn)磁場，每當繞組中的電流變化一個周期，電機就會旋轉(zhuǎn)一周。三相繞組中通的電流為:

（3-13）3.4.1交流伺服電機672.工作原理圖3-26三相交流伺服電機工作原理（a）三相繞組電流（b）三相繞組磁場3.4.1交流伺服電機682.電機結(jié)構(gòu)感應(yīng)式異步交流伺服電機：轉(zhuǎn)子電流由滑差電勢產(chǎn)生，并與磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。永磁式同步交流伺服電動機：由定子、轉(zhuǎn)子、檢測元件、軸承等組成。圖3-27永磁式交流伺服電機結(jié)構(gòu)3.4.2交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)69控制模式：位置控制模式、速度控掉模式和轉(zhuǎn)矩控制模式。組成：由變換器、位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制、交流伺服電動機等組成。位置控制、速度控制、電流控制分別采用位置環(huán)、速度環(huán)與電流環(huán)閉環(huán)控制方式。圖3-28交流伺服電機控制原理圖3.4.2交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)70

在控制系統(tǒng)中采用位置調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器實現(xiàn)對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度、動態(tài)特性等控制目標。位置環(huán)作用：保證系統(tǒng)靜態(tài)精度和動態(tài)跟蹤的能力。速度環(huán)作用：保證轉(zhuǎn)速跟隨給定電壓變化，具有良好的跟隨性；對負載變化具有較強的抗干擾作用，使電機運行穩(wěn)定。電流環(huán)作用：提高系統(tǒng)的快速性，抑制電流環(huán)內(nèi)部干擾，限制最大電流，保障系統(tǒng)安全運行。3.4.3交流伺服調(diào)速方法711.調(diào)速基本方法交流伺服電機的旋轉(zhuǎn)速度為：（3-14）由公式（3-14）可知，有三種調(diào)速方式：改變磁極對數(shù)p（設(shè)計成4/2、8/4、6/4、8/6/4等幾種，為有限個數(shù)，不能做到連續(xù)調(diào)速）；改變轉(zhuǎn)差率s（只適用于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，串入電阻使機械特性變軟，轉(zhuǎn)差率増大）；改變電源頻率f（實現(xiàn)較寬范圍的無級調(diào)速，且轉(zhuǎn)速與頻率成正比，調(diào)整效果好）。3.4.3交流伺服調(diào)速方法722.變頻調(diào)速（1）變頻基本方法變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方式：V/F（應(yīng)用在低成本、性能要求較低的場合）、矢量控制（應(yīng)用在高性能場合的場合）、直接轉(zhuǎn)矩控制等。變頻調(diào)速主要環(huán)節(jié)：是為交流電機提供變頻、變壓電源的變頻器。變頻器分類：根據(jù)變頻器的結(jié)構(gòu)不同，變頻器分為交–直–交變頻器（由主電路、中間電路、逆變器組成，分電壓型和電流型，適用于中小功率電機）、交–交變頻器（直接將電網(wǎng)的交流電變?yōu)轭l率和電壓都可變的交流電，電路構(gòu)成簡單、效率高，適用于低頻大容量的調(diào)速系統(tǒng)）等類型。3.4.3交流伺服調(diào)速方法732.變頻調(diào)速（2）逆變原理及控制逆變：把直流電或交流電變成頻率可調(diào)的交流電信號。在變頻器中起作逆變功能的部分稱之為逆變器，它是由功率開關(guān)器件及其控制構(gòu)成。脈寬調(diào)制：通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形。脈寬調(diào)制又包括正弦脈寬調(diào)制技術(shù)、空間矢量脈寬調(diào)制等方法。（a）正弦脈寬調(diào)制技術(shù)通過對一系列寬窄不等的脈沖進行調(diào)制，來等效正弦波形（幅值、相位和頻率）。脈沖的頻率由三角波頻率決定，脈沖的占空比由電壓幅值決定。脈沖序列可能包含各次諧波的頻譜成份，但其基波由調(diào)制波決定。3.4.3交流伺服調(diào)速方法74SPWM變頻器的主電路:采用交–直–交變頻方式。圖3-29正弦波脈寬調(diào)制主電路3.4.3交流伺服調(diào)速方法75圖3-30正弦波脈寬調(diào)制控制電路圖3-31三相SPWM調(diào)制輸出波形3.4.3交流伺服調(diào)速方法76（b）空間矢量脈寬調(diào)制是通過控制逆變器功率器件的開關(guān)模式及導(dǎo)通時間，產(chǎn)生有效電壓矢量來逼近圓形磁場軌跡的一種方法。利用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，特別適用于DSP直接計算，且方法簡便。SVPWM比一般的SPWM直流電壓利用率提高15%。3.4.4交流伺服電機選型77交流伺服電機選擇要滿足系統(tǒng)的定位精度、動態(tài)響應(yīng)、可靠性、環(huán)境等工作要求，選擇電動機時要做到慣量、轉(zhuǎn)矩（功率）和速度匹配。1.慣量匹配小慣量電機：慣量一般在0.2～20范圍內(nèi)，容量一般在0.05～5kW之間，慣量比值通常推薦為：（3-15）中慣量電機：慣量一般在在5～50之間，容量一般在0.9～5kW之間，慣量比值通常推薦為：（3-16）大慣量電機：慣量一般在25～300之間，容量一般在1～5kW之間，慣量比值通常推薦為：

（3-17）3.4.4交流伺服電機選型782.容量匹配容量匹配是指電機的功率、轉(zhuǎn)矩滿足系統(tǒng)要求。通常情況下要求電機工作在額定轉(zhuǎn)矩以下以獲得較好的性能和工作效率。在選擇電動機容量時，首先要計算出負載轉(zhuǎn)矩，然后再根據(jù)使用條件選擇電機容量。對于負載不變情況下，則電機額定轉(zhuǎn)矩的選擇相對簡單，需滿足（3-18）電機額定功率是指電機在額定轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)矩下的功率，計算公式為（3-19）3.4.4交流伺服電機選型792.容量匹配（a）三角波負載轉(zhuǎn)矩曲線（b）矩形波負載曲線圖3-32交流伺服電機負載變化模型3.4.4交流伺服電機選型80在一個工作周期內(nèi)，均方根轉(zhuǎn)矩計算公式為：（3-20）在一個工作周期內(nèi)，均方根力矩轉(zhuǎn)矩計算公式為：（3-21）3.4.4交流伺服電機選型812.容量匹配當電機工作在負載變化情況下時，按負載均方根負載計算電機功率，計算公式為：（3-22）電機的額定功率需要滿足

（3-23）一般情況下電機也允許短時間內(nèi)過載運行，連續(xù)過載時間應(yīng)限制在電機規(guī)定時間之內(nèi)。即滿足

（3-24）3.4.4交流伺服電機選型822.容量匹配伺服電機除連續(xù)運轉(zhuǎn)區(qū)域外還有短時間內(nèi)運轉(zhuǎn)特性，即使容量相同，最大轉(zhuǎn)矩也會因各電機而有所不同。電機輸出的最大轉(zhuǎn)矩影響驅(qū)動電機的加減速時間，可用公式（3-25）估算線性加減速時間ta，據(jù)此確定所需的最大轉(zhuǎn)矩選擇電機容量。（3-25）3.4.5交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用831.交流伺服電機（1）電機的類型在選擇交流伺服電機時，首先通過計算獲得選擇電機型號所需的各種參數(shù)（電機功率、轉(zhuǎn)矩、工作轉(zhuǎn)速、加減速時間、負載轉(zhuǎn)動慣量等），還需要對一些電機品牌的交流伺服電機類型、特點、性能有所了解，最好能做出比較。（2）電機規(guī)格電機規(guī)格是說明電機的參數(shù)值，通用參數(shù)有電機型號、適用的驅(qū)動型號、電機電源容量、額定功率、額定轉(zhuǎn)矩、額定電流、額定轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量、旋轉(zhuǎn)編碼器規(guī)格等。3.4.5交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用84（3）轉(zhuǎn)矩特性可以通過轉(zhuǎn)矩運行特性曲線了解電機在不同轉(zhuǎn)速、溫度環(huán)境下轉(zhuǎn)矩輸出情況。圖3-33交流伺服電機轉(zhuǎn)矩特性曲線3.4.5交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用852.交流伺服驅(qū)動器（1）基本要求①調(diào)速范圍寬。②定位精度高。③響應(yīng)快速。④過載能力強。⑤可靠性好。（2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心，功率器件采用以智能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計的驅(qū)動電路。（3）接口與連接在下游通過接口與電機進行連接，主要為電源接口和編碼器接口；在上游與數(shù)控系統(tǒng)、PLC、單片機等上位機連接，采用專用接口連接。另外需要提供三相，單項交流電或直流控制電源輸入接口，與上位機的通訊接口等。（3）接口與連接①

主電源接口②

控制電源接口③

電機電源接口④

編碼器接口⑤控制器接口⑥

光柵接口⑦

通訊接口圖3-34松下A6伺服驅(qū)動器接口863.4.5交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用87（4）伺服驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置伺服驅(qū)動器在使用前先要進行參數(shù)設(shè)定，以獲得較好的控制性能。伺服驅(qū)動器參數(shù)較多，例如松下伺服驅(qū)動器設(shè)定的參數(shù)包括基本設(shè)定參數(shù)、增益調(diào)整、振動控制、速度與轉(zhuǎn)矩控制、監(jiān)視器設(shè)定、擴展設(shè)定、特殊設(shè)定等。交流伺服驅(qū)動器參數(shù)一部分需要通過人工方式設(shè)定，一般參數(shù)可以直接選用廠商提供的缺省值。指令分倍頻比：需要通過人手動正確設(shè)置，需要與電機反饋脈沖數(shù)、絲杠螺距、減速器減速比等參數(shù)進行匹配，以獲得所需的位置分辨率和運動速度。3.4.5交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用88下面以數(shù)控機床中使用滾珠絲杠為例說明指令倍頻比的設(shè)定流程。圖3-38指令分倍頻比設(shè)定3.4.5交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用89

設(shè)絲桿螺距為L，那么對應(yīng)于指令移動量P1（pulse）的絲杠實際移動量M為（3-26）

位置分辨率（相當于指令1脈沖的移動量）△M為（3-27）

對式（3-27）進行變換，得到指令分倍頻比D的計算公式為（3-28）3.4.5交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用90設(shè)移動速度指令為F（p/s），則絲杠上螺母的移動速度為V（mm/s）為（3-29）電機旋轉(zhuǎn)速度N分別為（3-30）對式（3-28）進行變換，得到系統(tǒng)的指令分倍頻比為（3-31）3.4.5交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用91例3-2已知一個系統(tǒng)的位置分辨率（脈沖當量）為0.0005mm，絲杠螺距L=10mm，減速比R=2，編碼器采用23位，編碼器每轉(zhuǎn)反饋脈沖數(shù)為E=223，試計算：（1）伺服驅(qū)動器的指令分倍頻比；（2）若上位控制器輸出脈沖頻率為500kpps，則電機速度N為多少?3.4.5交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用92①根據(jù)分倍頻比計算公式，則有在伺服驅(qū)動器參數(shù)中設(shè)置=8388608，Pr0.10=10000。②根據(jù)速度計算公式，有即，電機可獲得3000r/min速度。3.5直線伺服驅(qū)動系統(tǒng)3.5.1直線伺服電機特點與分類931.直線伺服電機特點（1）響應(yīng)速度快。（2）定位精度高。（3）維護簡單。（4）適應(yīng)性強。2.直線伺服電機分類按工作原理可分為直流直線伺服電機、交流直線伺服電機、直線步進電機、混合式直線伺服電機等，交流直線伺服電機又可分為感應(yīng)式和同步式。按直線伺服電機結(jié)構(gòu)可分為柱形、管狀、U型槽、平板等形式。3.5.1直線伺服電機特點與分類94圖3-39直線伺服電機分類3.5.2直線伺服電機工作原理951.交流感應(yīng)直線伺服電機（1）電機工作原理圖3-40直線伺服電機形成3.5.2直線伺服電機工作原理96圖3-41交流感應(yīng)直線伺服電機工作原理3.5.2直線伺服電機工作原理97行波磁場的移動速度與旋轉(zhuǎn)磁場在定子內(nèi)圓表面上的線速度是一樣的，用表示，如果是同步電機，則該速度就稱為同步速度，其大小為（3-32）

在行波磁場切割下，次級導(dǎo)條將產(chǎn)生感應(yīng)電勢和電流，所有導(dǎo)條的電流和氣隙磁場相互作用，便產(chǎn)生切向電磁力。如果初級是固定不動的，那么次級就沿著行波磁場運動方向作直線運動。若次級移動的速度用表示，則滑差率為（3-33）3.5.2直線伺服電機工作原理98對于交流感應(yīng)式直線伺服電機，其次級移動速度為（3-34）上式表明，改變極距或電源頻率都可改變交流感應(yīng)直線電機的速度，與旋轉(zhuǎn)型電機類似，改變直線伺服電機初級繞組的通電相序可改變電機運動方向，因而可使直線伺服電機作往復(fù)直線運動。3.5.2直線伺服電機工作原理99（2）電機結(jié)構(gòu)形式從結(jié)構(gòu)來分有平板型、圓筒型、管形、U形槽等類型。在運動方式上，可以是固定初級，讓次級運動，此稱為動次級型，相反也可以固定次級而讓初級運動，則稱為動初級型。（a）扁平型直線伺服電機（b）圓筒型直線伺服電機圖3-42直線伺服電機結(jié)構(gòu)形式3.5.2直線伺服電機工作原理100`圖3-43管型直線感應(yīng)電機的形成圖3-44兩相管型直線感應(yīng)電動機3.5.2直線伺服電機工作原理101圖3-45雙邊形直線伺服電機結(jié)構(gòu)（a）單邊短初級（b）單邊長初級（c）雙邊短初級（d）雙邊長初級3.5.2直線伺服電機工作原理1022.直流直線伺服電機根據(jù)勵磁不同，直流直線電機可分為永磁式、感應(yīng)式、無刷式等。（1）永磁式直流直線伺服電機采用永久磁鐵作磁通源，次級由多塊永久磁鋼構(gòu)成，初級是含鐵芯的三相繞組。永磁式直流直線電機有動圈型和動鐵型兩種形式。圖3-46永磁式直線直流電機結(jié)構(gòu)形式（a）動圈型（b）動鐵型3.5.2直線伺服電機工作原理103（2）感應(yīng)式直流直線伺服電機用直流電流來激勵的，初級和永磁式直線伺服電機的初級相同，而次級用自行短路的不饋電柵條來代替永磁式直線伺服電機的永久磁鋼。感應(yīng)式直流直線伺服電機也分為動圈型和動鐵型兩種形式。圖3-47感應(yīng)式動圈型圖3-48感應(yīng)式動鐵型3.5.3直線伺服電機選型104圖3-49常見的直線伺服電機類型（a）平板型（b）U型槽型（c）管型（d）平面型（e）圓弧型（f）環(huán)型3.5.3直線伺服電機選型105直線伺服電機選用（2）直線伺服電機參數(shù)在選擇直線伺服電機時要了解所選電機的性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)。參數(shù)包括連電機連續(xù)推力、峰值推力、電機動靜子質(zhì)量、電源規(guī)格、電機外形尺寸等。2.直線伺服電機選型計算（1）選型計算選型需要計算系統(tǒng)的最大推力和持續(xù)推力。最大推力與電機加減速度、系統(tǒng)摩擦、外界應(yīng)力等相關(guān)，根據(jù)系統(tǒng)的加減速要求計算得到電機應(yīng)需的最大推力。最大推力由移動負載質(zhì)量和最大加速度大小決定。3.5.3直線伺服電機選型106

電機滿足的最大推力為：（3-35）系統(tǒng)所需的電機持續(xù)推力計算公式為：（3-36）3.5.3直線伺服電機選型107例3-3

已知某系統(tǒng)的負載重量ML=75kg，行程S=0.2mm，最大移動速度Vm=1.4m/s，加速時間ta=0.1s，均速時間tc=0.2s，減速時間td=0.1s，循環(huán)周期T=0.5s，工作循環(huán)如圖3-50所示。動子運動摩擦系數(shù)μ=0.01,導(dǎo)線阻力Fw=2N,安全系數(shù)K=1.2，現(xiàn)選LSM67型直線伺服電機，查資料可知它的連續(xù)推力為950N，最大推力為1900N，動子重量Mp=10.8kg，試驗算該電機能否滿足要求。圖3-50電機工作循環(huán)3.5.3直線伺服電機選型108解：①電機勻速運動工作時所需的推力為

②電機啟動，運行到最大速度的加速時間為

加速時間小于要求的加速時間，所以能夠滿足要求。③

加速所需推力為3.5.3直線伺服電機選型109④減速所需推力為⑤

平均推力為在此，選擇安全系數(shù)K=1.2，所需要的連續(xù)推力為912N，小于電機連續(xù)推力950N，故連續(xù)推力能滿足要求。加減速所需的推力小于最大推力1900N，故也能滿足要求。3.6電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)3.6.1組成與分類110電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)：以伺服元件（伺服閥或伺服泵）為控制核心的液壓控制系統(tǒng)，由比較元件、伺服放大器、液壓源、電液伺服元件、執(zhí)行元件、檢測元件以及被控對象組成。圖3-51電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)組成3.6.1組成與分類1111.驅(qū)動系統(tǒng)組成電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)，主要由電信號處理裝置和液壓動力機構(gòu)組成。組成元件有：①發(fā)信元件。它可以是機械裝置，如凸輪、連桿等，提供位移信號；也可是電氣元件，如電位計等，提供電壓信號。②檢測元件。用來檢測執(zhí)行元件的實際輸出量，并轉(zhuǎn)換成反饋信號。它可以是機械裝置，如齒輪副、連桿等；也可是電氣元件，如電位計、測速發(fā)電機等。③比較器。用來比較指令信號和反饋信號，并得出偏差信號。實際系統(tǒng)中一般沒有專門的比較器，而是由控制器完成。3.6.1組成與分類1121.驅(qū)動系統(tǒng)組成組成元件有：④放大、轉(zhuǎn)換元件。將比較元件所得的誤差信號放大，并轉(zhuǎn)換成電信號或液壓信號（壓力、流量）。它可以是電放大器、電液伺服閥等。⑤執(zhí)行元件。將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，產(chǎn)生直線運動或旋轉(zhuǎn)運動，并直接控制被控對象。一般指液壓缸或液壓馬達。⑥被控制對象。指系統(tǒng)的負載，如工作臺等。3.6.1組成與分類1132.伺服驅(qū)動系統(tǒng)類根據(jù)控制的參數(shù)可分為位置控制、速度控制、力控制等。根據(jù)伺服元件可分為閥控系統(tǒng)和泵控系統(tǒng)。根據(jù)輸出功率大小可分為大功率系統(tǒng)和小功率系統(tǒng)。根據(jù)控制方式可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)輸入信號的形式不同，可分為模擬伺服驅(qū)動系統(tǒng)和數(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng)。3.6.1組成與分類1142.伺服驅(qū)動系統(tǒng)類電液位置伺服控制系統(tǒng)是位置為控制目標的伺服驅(qū)動系統(tǒng)。位置精度是衡量系統(tǒng)的主要指標，它是以液體作為動力傳輸和控制介質(zhì)，利用電信號進行控制輸入和反饋。只要輸入某一規(guī)律的信號，執(zhí)行元件就能啟動，快速并準確地復(fù)現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律。圖3-52電液位置伺服驅(qū)動系統(tǒng)3.6.1組成與分類1152.伺服驅(qū)動系統(tǒng)類電液速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)是以速度為控制目標的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，分為閥控液壓馬達速度控制系統(tǒng)和泵控液壓馬達速度控制系統(tǒng)。常用于原動機調(diào)速、機床進給裝置的速度控制以及雷達天線、炮塔、轉(zhuǎn)臺等設(shè)備的速度控制。圖3-53電液伺服速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)3.6.1組成與分類1162.伺服驅(qū)動系統(tǒng)類模擬式電液位置伺服驅(qū)動系統(tǒng)是用模擬量作為控制信號和檢測信號的伺服驅(qū)動系統(tǒng)。模擬伺服驅(qū)動系統(tǒng)重復(fù)精度高，但分辨能力較低。系統(tǒng)中微小信號容易受到噪聲和零漂的影響,當輸入信號接近或小于輸入端的噪聲和零漂時，就不能進行有效的控制。圖3-54模擬式電液位置伺服驅(qū)動系統(tǒng)3.6.1組成與分類1172.伺服驅(qū)動系統(tǒng)類數(shù)字電液伺系統(tǒng)是用數(shù)字信號（離散信號）進行控制的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，又分為全數(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng)和數(shù)字–模擬伺服驅(qū)動系統(tǒng)。系統(tǒng)通過數(shù)字檢測器提供反饋脈沖信號。圖3-55數(shù)字–模擬電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)3.6.2電液伺服閥1181.電液伺服閥分類圖3-56電液伺服閥分類3.6.2電液伺服閥1192.電液伺服閥組成電液伺服閥:一種自動控制閥,既是電液轉(zhuǎn)換組件,又是功率放大組件,其功用是將小功率的模擬量電信號輸入轉(zhuǎn)換為隨電信號大小和極性變化、且快速響應(yīng)的大功率液壓能流量或壓力輸出，從而實現(xiàn)對液壓執(zhí)行器位移或轉(zhuǎn)速、速度或角速度、加速度或角加速度、力或轉(zhuǎn)矩的控制。由電氣-機械轉(zhuǎn)換器、液壓放大器(先導(dǎo)級閥和功率級主閥)和檢測反饋機構(gòu)組成。3.6.2電液伺服閥119圖3-57電液伺服閥組成3.6.3電液伺服閥選用1201.電液伺服閥特性電液伺服閥是非常精密而又復(fù)雜的伺服元件，其性能對整個伺服驅(qū)動系統(tǒng)性能影響較大，因此對它的性能有較高的要求，包括靜態(tài)特性與動態(tài)特性。（1）靜態(tài)特性。電液伺服閥的靜態(tài)性能包括負載流量特性、空載流量特性、壓力特性、內(nèi)泄漏特性等曲線、零漂等。（2）動態(tài)特性。電液伺服閥的動態(tài)特性反應(yīng)了它的響應(yīng)性能，可用頻率響應(yīng)或瞬態(tài)響應(yīng)表示，一般用頻率相應(yīng)表示。電液伺服閥的頻率響應(yīng)是指輸入電流在某一頻率范圍內(nèi)作等幅變頻正弦變化時，空載流量與輸入電流的復(fù)數(shù)比。3.6.3電液伺服閥選用1212.選用原則在選擇電液伺服閥時主要考慮因素有負載性質(zhì)及大小、控制速度與加速度要求、系統(tǒng)控制精度及系統(tǒng)頻寬的要求、工作環(huán)境、可靠性及經(jīng)濟性、尺寸、重量限制以及其他要求。（1）類型選擇。根據(jù)系統(tǒng)的控制任務(wù)、負載性質(zhì)確定伺服閥的類型。（2）性能指標。根據(jù)系統(tǒng)的性能要求，確定伺服閥的種類及性能（3）規(guī)格。根據(jù)負載的大小和要求的控制速度，確定伺服閥的規(guī)格，即確定額定壓力和額定流量。（4）額定電流。3.6.3電液伺服閥選用1223.選用實例以MOOG伺服閥為例介紹伺服閥的特點與選用。MOOG伺服閥主要有D660、D760、D790等系列。D660系列為射流管式伺服閥，改善了流量利用效率，有助于降低能耗，有二級和三級構(gòu)造兩種形式。（a）二級閥（b）三級閥圖3-58D660系列電液伺服閥3.6.3電液伺服閥選用1233.選用實例伺服閥控制采用模擬號進行控制，分為電流信號與電壓信號輸入型。電流模擬信號采用0～±10mA電流，電壓信號采用0～±10V的模擬電壓信號，采用差動方式輸入，提高抗干擾性。上位機可以采用PLC、單片機、數(shù)控系統(tǒng)或其它控制器，伺服閥工作需要提供24V直流電源。圖3-59伺服閥控制連接3.7執(zhí)行元件3.7.1執(zhí)行元件分類124圖3-60執(zhí)行元件分類3.7.2執(zhí)行元件基本要求125（1）慣量小、動力大。執(zhí)行元件的慣量越小，在相同力矩驅(qū)動下，加減速性能越好，工作時響應(yīng)快。動力越大表示能夠驅(qū)動的負載能力大，在相同慣量下，起動與制動特性越好。（2）體積小、重量輕。既要縮小執(zhí)行元件的體積、減輕重量，同時又要増大其動力。（3）便于維修、安裝。執(zhí)行元單位重量件要便于安裝與維修，在產(chǎn)品生命周期中，最好不需要維修。（4）方便計算機控制。多數(shù)機電一體化系統(tǒng)采用計算機控制，采用數(shù)字控制方式，執(zhí)行元件與控制器之間信息交換要方便。在執(zhí)行元件中用計算機控制最方便的是電氣執(zhí)行元件，其次是液壓和氣壓式執(zhí)行元件。3.7.3電磁執(zhí)行元件126電磁執(zhí)行元件：將電能轉(zhuǎn)換成機械能以實現(xiàn)往復(fù)運動或回轉(zhuǎn)運動的電磁元件。常用的有直流伺服電動機、交流伺服電動機、步進電機、直線伺服電機、電磁制動器、繼電器、接觸器等。電磁執(zhí)行元件的調(diào)速范圍寬、靈敏度高、響應(yīng)速度快、無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并能長期連續(xù)可靠地工作。圖3-61電磁制動器圖3-62電磁接觸器3.7.4液壓執(zhí)行元件127液壓執(zhí)行元件：將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能以實現(xiàn)往復(fù)運動或回轉(zhuǎn)運動的執(zhí)行元件，分為液壓缸、擺動液壓馬達和旋轉(zhuǎn)液壓馬達三類。優(yōu)點是單位重量和單位體積的功率很大，機械剛性好，動態(tài)響應(yīng)快，可以直接驅(qū)動運行機構(gòu)，轉(zhuǎn)矩慣量比大，過載能力強。1.液壓缸：實現(xiàn)直線往復(fù)機械運動，輸出力和線速度。液壓缸的種類有單作用液壓缸、雙作用液壓缸、單出桿液壓缸，雙出桿液壓缸。2.擺動液壓馬達：實現(xiàn)有限往復(fù)回轉(zhuǎn)機械運動，輸出力矩和角速度。動作原理與雙