伺服控制技术技术

2) 驱动装置与伺服电机
• 驱动装置主要起功率放大作用。根据不同 的伺服电机，驱动装置控制伺服电机的转 矩和转速，以满足伺服控制系统实际的需 求。伺服电机是伺服系统的执行元件，通 常用于精密机械的传动控制。
3) 传感器
• 传感器的检测精度和准确度对于伺服控制 系统的性能至关重要。
• 通常，把控制器、驱动装置与传感器预处 理电路整合在一起，制成一个标准产品， 即伺服驱动器。
本讲主要内容
第七章 伺服控制技术技术 7.1伺服控制系统概述
7.2伺服控制系统的数学模型 7.3永磁同步电机交流伺服控制
7.4伺服控制系统的设计 7.5标准商用伺服驱动器应用简介
7.1 伺服控制系统概述
• 伺服意味着“伺候”和“服从”。广义的 伺服控制系统指的是精确地跟踪或复现某 个过程的反馈控制系统，也可称为随动系 统。而狭义的伺服控制系统指的是，被控 制量（输出量）是负载的线位移或角位移， 当位置给定量（输入量）任意变化时，系 统使输出量快速而准确地复现输入量的变 化，又称为位置随动系统。
图7-3 图7-2
图7-2
图7-3
(7-9)
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图7-3
2) 电流环控制
(7-10)
(7-10)
7.2.2 交流伺服控制系统的数学模型
6 6.1
(6-36) (6-39)
(7-11)
(7-11)
(7-12) (7-13)
2．交流伺服控制系统控制对象的统一模型
• 以上分析表明，采用电流闭环控制后，交 流伺服控制系统与直流伺服控制系统具有 相同的控制对象，式(7-11)或式(7-12)可以 称为在电流闭环控制下，交、直流伺服控 制系统控制对象的统一模型。
• 伺服控制系统和调速控制系统一样，都属 于反馈控制系统，即通过对给定量和反馈 量的比较，按照某种控制运算规律对执行 机构进行调节控制。当给定量增大、反馈 量不变时，差值增大，输出量增大；当给 定量不变、输出量增大时，差值就会减小， 随之输出量也就会减小，形成闭环控制系 统。就控制原理而言，速度调节控制系统 与伺服控制系统的原理是完全相同的。
(2) 伺服电机及驱动器
• 由伺服电机及驱动器组成的伺服控制单元 是整个交流伺服系统的核心，如图7-4虚线 框内所示部件，用于实现系统位置控制、 速度控制、转矩和电流控制。
(3)
• 交流伺服控制系统的检测元件最常用的是 旋转式光电编码器和光栅。旋转式光电编 码器一般安装在电机轴的后端部，用于通 过检测脉冲来计算电机的转速和位置；光 栅通常安装在机械平台上，用于检测机械 平台的位移，以构成一个大的随动闭环结 构。
• PMSM主要有三种类型：凸极式、嵌入式 和内埋式。这是按照磁极的构成形态进行 分类的，如图7-5所示。
图7-4
图7-5
2) 永磁同步电机交流伺服控制系统的组成
7-6
图7-6
(1) 控制器
• 在一个运动控制系统中控制器主要有四种： 单片机系统、运动控制专用PLC系统、PC+ 运动控制卡和专用数控系统。
能力； • ④ 快速的响应能力和较强的抗干扰能力。
3．伺服控制系统的组成
• 图7-1所示的是伺服控制系统的框图。由图 可见，系统由五大部件组成，控制器、驱 动装置、伺服电机、机械传动机构和传感 器。
图7-1
1) 控制器
• 控制器是伺服控制系统的关键所在，伺服 控制系统的控制规律体现在控制器上。控 制器依据任务需求，结合传感器的反馈情 况，得出偏差信号，经过必要的控制算法， 产生驱动装置的控制信号。
4) 机械传动机构
• 机械传动机构是实现控制的直接物理形式。 为了满足各种功能需求，离不开机械机构 的保证。高精度的机械传动是实现精密控 制的坚实基础。
7.2 伺服控制系统的数学模型
• 按照伺服电机的属性，伺服控制系统可以 分成：直流伺服控制系统和交流伺服控制 系统。下面，从系统的数学模型入手进行 研究。
• 伺服控制系统与调速控制系统的主要区别 在于，调速控制系统的主要作用是保证稳 定和抵抗扰动，而伺服控制系统要求输出 量准确跟随给定量的变化，更突出快速响 应能力。
• 总体而言，稳态精度和动态稳定性是两种 控制系统都必须具备的，但在动态性能中， 调速控制系统多强调抗扰性，而伺服控制 系统则更强调快速跟随性。
7.2.1 直流伺服控制系统的数学模型
• 1．直流伺服控制系统 的静态结构框图
图7-2
图7-2
2．直流伺服控制系统的数学模型
• 直流伺服控制系统的执行元件为直流伺服电机，中、 小功率的伺服控制系统采用直流永磁伺服电机，当 功率较大时，也可采用电源励磁的直流伺服电机， 直流无刷电机与直流电机有相同的控制特性，也可 归入直流伺服控制系统。由于在小功率位置伺服控 制系统中，直流电机的电枢回路是不串联平波电抗 器的，所使用的电机的电枢电阻又较大，因此电枢 回路的电磁时间常数TL一般很小，甚至可以认为 TL0；相应地，拖动系统的机电时间常数Tm则较大。 下面根据图7-2所示的直流伺服控制系统框图，推出
• 因此，可用相同的方法设计交流或直流伺 服控制系统。
7.3 永磁同步电机交流伺服控制
1) 永磁同步电机基本结构和分类
• 图7-4所示的是一台永磁同步电机 （Permanent Magnet Synchronous Motor， PMSM）的剖面实物图。从图中可以看出 PMSM主要组成部分有电机机座、定子绕 组、转子（永磁体）、轴承、温度传感器、 编码器和接线插座等。
相应数学关系式。
数学关系式
• (1) 直流伺服电机的数学模型与直流电机的 数学模型无本质上的区别。假定气隙磁通 恒定，则直流伺服电机的状态方程为
(7-1)
(7-2) (7-3) (7-4) (7-5)
(7-6) (7-7)
(7-1) (7-7)
(7-8)
(7-8)
3．带电流环控制的直流伺服控制系统
1．伺服控制系统的基本要求
• 伺服控制系统的基本要求是： • ①稳定性好； • ②精度高； • ③动态响应快； • ④抗扰动能力强。
2．伺服控制系统的基本特征
• 伺服控制系统的基本特征是： • ① 必须具备高精度的传感器，能准确地给
出输出量的电信号； • ② 功率放大器及控制系统都必须是可逆的； • ③ 足够大的调速范围及足够强的低速带载