第6章 伺服控制系统
6.2 执行元件
6.2.1 执行元件是能量变换元件，其目的是控制机械执
行机构运动。机电一体化伺服系统要求执行元件具有 转动惯量小，输出动力大，便于控制，可靠性高和安 装维护简便等特点。根据使用能量的不同，可以将执 行元件分为电磁式、液压式和气压式等几种类型，如 图6-2所示。
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片组成,如图6-3所示。
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N
电刷 n A
换
向B
片
S
磁极 电 枢 导体
磁极
图6-3 直流伺服电动机基本结构
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3. 直流伺服电动机采用电枢电压控制时的电枢等效 电路如图6-4所示。
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I
a
L a
Ua
Ra

M Ea
Tm
图6-4 路中的电流Ia保持不
变，
Ea=Ua-IaRa (6-1) 式中，Ea是电枢反电动势； Ua是电枢电压；Ia是 电枢电流；Ra是电枢电阻。 转子在磁场中以角速度ω切割磁力线时，电枢反 电动势Ea与角速度ω
Ea=CeΦω (6-2) 式中，Ce是电动势常数，仅与电动机结构有关；Φ
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3. 响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速 度，决定了系统的工作效率。响应速度与许多因素有关， 如计算机的运行速度、运动系统的阻尼和质量等。 4. 工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。 当工作频率信号输入时，系统能够按技术要求正常工作； 而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。
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O
Ua1
Ua2 Ua3
Td3 Td2 Td1 Tm
图6-5 直流伺服电动机的机械特性
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Tm1＝ 0
将式（6-4）代入式（6-3）并整理，可得到直流 伺服电动机运行特性的一般表达式


Ua
Ce

Ra
CeCm 2
Tm
(6-5)
由此可以得出空载（ Tm＝0，转子惯量忽略不计） 和电机启动（ω＝0）时的电机特性:
（1）当Tm＝0时，有
Tm
Td

Cm
Ra
U
a
(6-6)
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（2）当ω＝0时，
电磁式
执
液压式
行
元
件
气压式
电动机 电 磁 铁及 其 它
油缸
液 压 马达 气缸 气 压 马达
交 流 (AC)伺 服 电 动 机 直 流 (DC)伺 服 电 动 机
步 进 电机 其 它 电机 双 金 属片
形 状 记忆 合 金
其它
与 材 料有 关
图6-2 执行元件的种类
压 电 元件
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(1)电磁式执行元件能将电能转化成电磁力，并用电 磁力驱动执行机构运动，如交流电机、直流电机、力矩 电机、步进电机等。
(2)液压式执行元件先将电能变化成液体压力，并用 电磁阀控制压力油的流向，从而使液压执行元件驱动执 行机构运动。
(3)气压式执行元件与液压式执行元件的原理相 同，只是介质由液体改为气体。
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6.2.2 1. 直流伺服电动机按励磁方式可分为电磁式和永磁
式两种。 2. 直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向
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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。 6.1.2 伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有以下三 种。 (1)按被控量参数特性分类。 (2)按驱动元件的类型分类。 (3)按控制原理分类。
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输入指令 比较 元件
调节
执行
被控
输出量
元件
元件
对象
测量、反馈元 件
图6-1 伺服系统组成原理框图
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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，通常由专门的 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。
Tm
Td

Cm
Ra
U
a
(6-7)
式中，Td称为启动瞬时转矩，其值也与电枢电压成
正比。
如 果 把 角 速 度 ω 看 作 是 电 磁 转 矩 Tm 的 函 数 ， 即 ω=f(Tm)，则可得到直流伺服电动机的机械特性表达

0

Ra CeCm
Tm
式中,ω0是常数，0

Ua
Ce
(6-8)
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6.1 概述 6.2 执行元件 6.3 电力电子变流技术 6.4 PWM 思考题
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6.1
6.1.1 机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，
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。图6-1给出了伺服系统组成原理框图。
如 果 把 角 速 度 ω 看 作 是 电 枢 电 压 Ua 的 函 数 ， 即
ω=f(Ua)，则可得到直流伺服电动机的调节特性表达式


Ua
Ce
kTm
(6-9)
式中,k是常数，k
Ra
CeCm
2
。
根据式(6-8)和式(6-9)，给定不同的Ua值和Tm值，可 分别绘出直流伺服电动机的机械特性曲线和调节特性曲线 如图6-5、图6-6所示。
6.1.3 1. 伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的
精确程度，以误差的形式表现，可概括为动态误差、 稳态误差和静态误差三个方面组成。
2. 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消 失以后，系统能够恢复到原来稳定状态的能力；或者 当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运 行状态的能力。
是定子磁场中每极的气隙磁通量。
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由式（6-1）、式（6-2）
Ua-IaRa=CeΦω
（6-3）
此外，电枢电流切割磁场磁力线所产生的电磁转矩Tm可
由下式表达:
Tm=CmΦIa
则
Tm=CmΦIn
In

Tm
Cm
(6-4)
式中，Cm是转矩常数，仅与电动机结构有关。
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