第五章 伺服系统

(2) 启动频率和运行频率 我们把不失步启动的最高脉冲频率称为启动频 率，也称突跳频率，是步进电动机的一项重要性 能指标。 运行频率是指步进电动机起动后，当控制脉冲 频率连续上升时，步进电动机能不失步的最高频 率
三、步进电动机及其控制


(3) 最大静转矩和失调角 当转子带有负载力矩通电时，转子就不再能和 定子上的某极对齐，而是相差一定的角度，该角 度所形成的电磁转矩正好和负载力矩相平衡。这 个角度称为失调角。 步进电动机所能带的静转矩是受到限制的，最 大静转矩表示步进电机的承受载荷的能力。
二、伺服电机及其控制

在自动控制系统中，伺服电动机将电压信号转 换为转矩和转速以驱动被控对象，当信号电压的 大小和极性(或相位)发生变化时，电动机的转速 和转向将快速、准确地跟着变化。目前常用的伺 服电动机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进 电机。
二、伺服电机及其控制

1 直流伺服电动机 (1) 调速方式 直流伺服电机的机械特性方程为：
二、伺服系统类型




从系统组成元件的性质来看，有电气伺服系统、 液压伺服系统和电气—液压伺服系统、电气—气 动伺服系统等； 从系统输出量的物理性质来看，有速度或加速 度伺服系统和位置伺服系统等； 从系统中所包含的元件特性和信号作用特点来 看，有模拟式伺服系统和数字式伺服系统； 从系统结构特点来看，有单回路伺服系统、多 回路伺服系统和开环伺服系统、闭环伺服系统。
n 60 f (1 s) p n0 (1 s)

式中，f为交流电源频率(Hz)；p为磁极对数； n0为电动机旋转磁场转速(r/min)；s为转差率 。
二、伺服电机及其控制

(2) 控制:
幅值控制原理图
不同控制电压下的 机械特性曲线
由右图可知，在一定负载转矩下，控制电压越高，转差率 越小，电动机的转速就越高，不同的控制电压对应着不同的转 速。这种维持与相位差为90º ，利用改变控制电压幅值大小来 改变转速的方法，称为幅值控制方法。
数G6(S)
d
d E d Ce d Ce dt
dt
Rd id U d Ed
式中： Cm Kd Rd B CeCm
Kd G6 ( s) 2 s(Td s Tm s 1)
JLd JRd BLd Td Tm Rd B CeCm Rd B CeCm
（3）改变电枢回路电阻调速
常用的是前面2种调速方式。
二、伺服电机及其控制


(2) 直流电机的功率驱动 直流电机的调速电路目前以脉冲宽度调制电路应 用最为广泛。
桥式(H形)PWM变换器主电路
二、伺服电机及其控制
作用在电机两端的 平均电压为：

2t on U AB ( 1) U s T


二、伺示系统中，由m个移动部件和n个转动 部件组成。mi、Vi和Fi分别为移动部件的质量 (kg)、运动速度(m／s)和所承受的负载力(N)； Jj、nj和Tj分别为转动部件的转动惯量 (kg﹒m2)、转速(r／min或rad／s)和所承受 负载力矩(Nm)。 (1) 系统等效转动惯量J dx 的计算 系统运动部件动能的总和为
5.3 伺服系统设计

一、方案设计 二、伺服系统稳态设计 三、伺服系统动态设计
一、方案设计

在进行系统方案设计时，需要考虑以下方面的问题： 1．系统闭环与否的确定 当系统负载不大，精度要求不高时，可考虑开环 控制；反之，当系统精度要求较高或负载较大时， 开环系统往往满足不了要求，这时要采用闭环或半 闭环控制系统。一般情况下，开环系统的稳定性不 会有问题，设计时仅考虑满足精度方面的要求即可， 并通过合理的结构参数匹配，使系统具有尽可能好 的动态响应特性。
1—励磁绕组 2—控制绕组 3—内定子 4—外定子 5—转子
二、伺服电机及其控制

(1) 原理: 励磁绕组WF接到电压为的交流电网上，控制 绕组接到控制电压上，当有控制信号输入时，两 相绕组便产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应 电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场以 一定的转差率转动起来，其旋转速度为
第五章 伺服系统

5.1 概述 5.2 伺服系统的执行元件及控制 5.3 伺服系统设计
5.1 概述

一、伺服系统概念 二、伺服系统的类型 三、伺服系统的基本要求
一、伺服系统概念

伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变 量通常是机械或位置的运动，它的根本任务是实 现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出 变量的某种状态能够自动、连续、精确地复现输 入指令信号的变化规律。
5.2 伺服系统的执行元件及控制

一、执行元件类型及特点 二、伺服电机及其控制 三、步进电机及其控制
一、执行元件类型及特点
1. 电气执行元件 电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（AC） 伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元 件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态 性能好，适合于频繁使用，便于维修等 2．液压式执行元件 液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、 液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况 下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点 3．气压式执行元件 气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液 压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动 力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩 性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。

一、方案设计
4．控制系统方案的选择 控制系统方案的选择包括微型机、步进电动机 控制方式、驱动电路等的选择。常用的微型机有 单片机、单板机、工业控制微型机等，其中单片 机由于在体积、成本、可靠性和控制指令功能等 许多方面的优越性，在伺服系统的控制中得到了 广泛的应用。

二、伺服系统稳态设计
系统方案确定后，应进行方案实施的具体化设 计，即各环节设计，通常称为稳态设计。其内容 主要包括执行元件规格的确定、系统结构的设计、 系统惯量参数的计算以及信号检测、转换、放大 等环节的设计与计算。稳态设计要满足系统输出 能力指标的要求。

二、伺服系统稳态设计
1. 负载的等效换算 为了便于系统运动学、动力学的分析与计算， 可将负载运动部件的转动惯量等效地变换到执行 元件的输出轴上，并计算输出轴承受的转矩(回转 运动)或力(直线运动)。 例如：
Td
i 1
m
FiV i
d

j 1
n
T j j
d
二、伺服系统稳态设计

2. 执行元件功率的匹配 (1)．系统执行元件的转矩匹配
二、伺服电机及其控制

(3) 直流伺服系统模型
二、伺服电机及其控制
1)校正环节：一般速度环调节器为比例环节 G1(S) =Kp
1 位置环为PI调节 G2 ( s) K v (1 ) Ti s
2)检测环节：速度检测：
G3 ( s) K fv
K fp 3)整流装置（惯性环节） ( s ) k s G5 Ti1s 1
1 1 2 2 E M i Vi J j j 2 i 1 2 j 1
m
n
二、伺服系统稳态设计

设等效到执行元件输出轴上的总动能为
E dx

根据动能不变的原则，有 Edx E，系统等效转动 惯量为 2 2
J dx Vi Mi i 1 d
m n j J j j 1 d
一、方案设计

2．执行元件的选择 选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速 范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成 本等多方面的要求。一般来讲，对于开环系统可 考虑采用步进电动机、电液脉冲马达和伺服阀控 制的液压缸和液压马达等，应优先选用步进电动 机。对于中小型的闭环系统可考虑采用直流伺服 电动机、交流伺服电动机，对于负载较大的闭环 伺服系统可考虑选用伺服阀控制的液压马达等。
二、伺服系统类型

例：数控机床伺服系统，

由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样， 也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分 组成。
三、伺服系统的基本要求




对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速 响应性。 稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统 能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指 令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态 的能力。 精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是 指其输出量复现输入指令信号的精确程度。 快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项 重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动 态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的 迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。
三、步进电动机及其控制

2. 性能参数 (1)步距角 步进电动机走一步所转过的角度称为步距角， 可按下面公式计算 0
360 Zm


式中 为步距角； Z 为转子上的齿数； 为 m 步进电动机运行的拍数。 同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时 步距角也是不同的
三、步进电动机及其控制
三、步进电动机及其控制

1、工作原理：
当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁阻最小的 路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1、3齿要和A 级对齐。当下一个脉冲通入B相时，磁通同样要按磁阻最 小的路径闭合，即2、4齿要和B级对齐，则转子就顺逆 时针方向转动一定的角度。
三、步进电动机及其控制


各种整流装置的时间常数见下表
位置检测： G4 ( s )
二、伺服电机及其控制
二、伺服电机及其控制
5)直流电机 直流电机原理 见右图
二、伺服电机及其控制