快速响应电动伺服系统

工学硕士学位论文
快速响应电动伺服系统
FAST-RESPONSE ELECTRIC SERVO SYSTEM
马长军
哈尔滨工业大学
2007年7月
国内图书分类号：TM351
国际图书分类号：621.313
工学硕士学位论文
快速响应电动伺服系统
硕士研究生：马长军
导师：梁维燕教授
副导师：邹继斌教授
申请学位：工学硕士
学科、专业：电气工程
所在单位：电气工程系
答辩日期：2007年7月
授予学位单位：哈尔滨工业大学
Classified Index: TM351
U.D.C: 621.313
Dissertation for the Master Degree in Engineering
FAST-RESPONSE
ELECTRIC SERVO SYSTEM
Candidate:Ma Changjun
Supervisor:Prof. Liang Weiyan Assistant Supervisor: Prof. Zou Jibin
Academic Degree Applied for:Master of Engineering Specialty:Electrical Engineering Affiliation: Dept. of Electrical Engineering Date of Defence:July, 2007
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
电动伺服系统体积小、响应速度快、可靠性高，成为未来伺服系统发展的必然趋势。

无刷直流电机具有良好的动态性能和控制性能，适合作为执行电机应用于舵机伺服系统。

本文研究了基于无刷直流电机的快速响应电动伺服系统。

本文首先分析了电动伺服系统的结构，提出了电动伺服系统的总体方案。

根据电动伺服系统的性能要求，对比了不同类型电机的结构与性能，选择无刷直流电机作为伺服系统的执行电机。

建立了无刷直流电机的精确数学模型，作为系统仿真和控制的基础。

同样分析了伺服系统控制器的硬件和软件系统方案。

为了提高系统可靠性，给出了系统自检测方案。

其次，详细设计了伺服控制系统软硬件结构。

以TI公司DSP 芯片TMS320LF2407A作为为处理器，设计了控制系统。

采用IR2130芯片设计了可靠的MOSFET驱动电路，自举技术的应用使驱动性能更加可靠。

同时设计了可靠的检测电路和通信接口电路。

特别对硬件结构的电磁兼容性能进行了分析，并列出了应注意的问题。

设计实现了电机的位置、转速、电流三闭环控制系统，并且分析和设计了制动程序、转速测量程序和系统上电自检测程序。

再次，分析了舵机系统的负载特性，负载特性决定了系统结构与控制。

在此基础上，分析了电动伺服系统的动态性能。

重点比较与分析了电机本体、控制回路结构对伺服系统性能的影响。

最后，对设计的电动伺服系统进行了实验和相关调试工作。

测试了无刷直流电机的时间常数，霍尔传感器速度测量信号，并通过调试得到了系统内环参数。

在此基础上，设计位置调节器参数，测试了位置伺服系统的闭环性能，验证了系统的合理性。

关键词电动伺服系统；无刷直流电机；舵机；动态特性
-I-
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Abstract
The electric servo system becomes the tendency of servo system for its compactness, fast response and reliability. Brushless DC motor (BLDC) is suitable to be execution motor in actuator servo system for its excellent dynamic and control nature. The fast-response electric servo system based on BLDC was studied in this paper.
Firstly, overall planning of electric servo system was presented on the basis of analyzing the whole system. BLDC was chosen as execution motor for its meeting the necessity of the system nature in comparison with other kinds of motor. Accurate mathematic model was established for system emulation and control. Hardware and software program were also analyzed. Self-detection scheme was adopted to improve the reliability of the system.
Secondly, software and hardware conformations of the system were designed. Servo system was established with TMS320LF2407A as the processor. IR2130 chip was chosen as the core of driven circuit，and bootstrap circuit was adopted to guarantee the credibility. Detection and interface circuit was added. Electromagnetism compatible problem was analyzed in hardware conformations.
Thirdly, load characteristic was analyzed which decides the conformations and control strategy of the system. The dynamic nature of the system was analyzed, and the influence of motor itself and speed sensor were compared.
Finally, the servo system was tested and debugged. The speed signal was analyzed, time constant and regulator parameter were achieved which verified the system validity.
Keywords electric servo system; brushless DC motor; actuator; dynamic characteristics;
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目录
摘要 (I)
Abstract (II)
第1章绪论 (1)
1.1 课题背景及选题意义 (1)
1.2 电动伺服系统的研究发展现状 (2)
1.3 无刷直流伺服电动机控制策略 (3)
1.4 用于飞行器舵机的电动伺服系统研究现状 (4)
1.4.1 飞行器舵机 (4)
1.4.2 飞行器电动舵机的研究与应用 (5)
1.5 本文主要研究内容 (6)
第2章电动伺服系统总体方案 (7)
2.1 引言 (7)
2.2 电动伺服系统的性能要求 (7)
2.3 电动伺服系统的执行电机 (8)
2.3.1 伺服电机的选择 (8)
2.3.2 无刷直流电机的数学模型 (10)
2.4 伺服控制系统总体方案 (12)
2.4.1 硬件系统方案 (12)
2.4.2 软件系统方案 (13)
2.4.3 系统自检测方案 (14)
2.5 本章小结 (15)
第3章电动伺服系统硬件与软件结构 (16)
3.1 引言 (16)
3.2 伺服控制系统硬件结构 (16)
3.2.1 基于TMS320F2407A的控制系统 (16)
3.2.2 基于IR2130芯片的驱动电路设计 (18)
3.2.3 反馈信号处理电路设计 (19)
3.2.4 通讯接口电路设计 (21)
3.2.5 电磁兼容设计 (23)
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3.3 伺服控制系统软件结构 (24)
3.3.1 软件系统设计 (24)
3.3.2 PWM控制策略 (26)
3.3.3 数字测速方法 (28)
3.3.4 自检程序设计 (29)
3.4 本章小结 (29)
第4章电动伺服系统动态性能分析 (30)
4.1 引言 (30)
4.2 电动伺服系统负载特性分析 (30)
4.3 电机本体性能对伺服系统性能影响 (32)
4.3.1 转动惯量对系统响应性能影响 (32)
4.3.2 电机线性度对系统响应性能影响 (34)
4.4 控制回路结构对伺服系统性能影响 (35)
4.5 本章小结 (37)
第5章电动伺服系统实验研究 (38)
5.1 引言 (38)
5.2 无刷直流伺服电动机时间常数测试 (38)
5.2.1 电气时间常数测试 (38)
5.2.2 机电时间常数测试 (39)
5.3 电机转速测量与误差分析 (40)
5.4 电动伺服系统性能测试 (41)
5.4.1 电流环调节器 (41)
5.4.2 转速环调节器 (42)
5.4.3 位置环调节与系统性能分析 (43)
5.5 本章小结 (45)
结论 (46)
附录 (47)
参考文献 (48)
攻读学位期间发表的学术论文 (48)
致谢 (53)
哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 (54)
哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 (54)
哈尔滨工业大学硕士学位论文涉密论文管理 (54)
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第1章绪论
1.1课题背景及选题意义
伺服系统，又称随动系统，是指能使输出量以一定准确度跟随输入量的变化而变化的一种运动控制系统。

按组成系统元件的物理性质分类，可分为气动伺服系统、液压伺服系统、电动伺服系统三种。

其应用领域包括军用民用等多个领域，如：飞行器舵机、火炮、雷达、数控机床、机器人关节等等。

20世纪末，随着计算机技术、电力电子技术、电机及其控制技术的飞速发展，电动伺服系统展现出极大的优势，已成为当今伺服系统研究和应用的主要方向[1,2]。

传统电动伺服系统大多使用有刷直流电机作为驱动电机，但电刷和换向器的存在降低了系统可靠性和灵活性，不能获得更高的伺服系统性能。

随着伺服系统要求的进一步提高，有刷直流伺服电动机已经不能满足舵机系统的性能要求。

无刷直流电机，由电机本体、位置传感器、驱动控制电路三部分组成。

电机定子采用永磁结构，转子为电枢绕组结构。

无刷直流电机在重量和尺寸上都比有刷直流伺服电动机小，而且转动惯量也要小很多左右，设计空载转速可以达到每分钟一万转甚至更高。

无刷直流电机的这些性能对于提高电动舵机伺服系统的性能都有很大的优势。

因此，将无刷直流电机作为执行电机应用到舵机系统可以大大提高系统的性能。

国外在电动伺服领域研究发展较早，技术先进，并且已有了大量的应用。

但国内伺服系统的尚处于研究阶段，尽管也有了少量的应用，但总体来看，与国外相比还存在很大的差距。

特别是在可靠性要求较高的航空航天与军事应用等领域，落后差距很大，需要进行的工作还很多[]3。

基于以上因素，本文研究方向是利用无刷直流电机作为执行机构的快速响应电动伺服系统。

主要研究电动伺服系统的总体方案，系统结构与性能，控制器的软硬件结构与相关控制算法等。

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1.2电动伺服系统的研究发展现状
电动伺服系统，在电气工程领域又称伺服系统，与调速系统一起构成电机运动控制系统领域的两个主要方向。

最常见的伺服系统是在调速系统的基础上增加了一个位置调节器，因此，位置调节器和速度调节器的性能优劣都会影响到伺服系统性能[]4。

电动伺服系统的发展紧密地与伺服电机的不同发展阶段相联系，迄今为止经历了三个主要发展阶段：
( 1 )20世纪60年代以前，主要以步进电机驱动液压伺服马达或者以功率步进电机直接驱动，具有响应时间短，驱动部件的外形尺寸小等优点，伺服系统的位置控制多为开环系统。

这一时期是液压伺服系统的全盛期。

但也存在一点缺点：发热大、效率低、易污染环境、不易维修等。

( 2 )20世纪60、70年代，直流伺服电机得到了广泛应用。

直流电机是自然解耦的，电磁转矩和电枢电流成正比，转矩响应速度快，具有良好的调速性能。

随着大功率晶体管的应用，电流控制性能大大提高，在很多高性能驱动装置中广泛采用直流电机，伺服系统的位置控制也由开环控制发展成为闭环控制。

但是，直流电机有一个致命弱点，即机械换向时会产生电火花，这就加重了电刷和换向器的维修工作量，而且，不适于在易燃、易爆、多尘的恶劣环境中应用。

( 3 )20世纪80年代至今，以机电一体化技术的发展为时代背景。

由于伺服电机机构及永磁材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电机（方波电流驱动）、交流伺服电机（正弦波电流驱动）等多种新型电动机，同时电力电子技术、微处理器的迅速发展引发伺服驱动装置经历了模拟式、数字模拟混合式和全数字化等几个发展时期。

近年来，在数控机床领域和机器人等领域，以永磁同步电动机为执行电机的交流伺服技术得到了广泛的应用。

基于矢量控制理论可以对电机电流进行解耦，使其可以像直流电机一样易于控制，但在一些关键技术上，仍然还有很多问题有待解决。

围绕着电机及其相关技术、PWM调制技术、无位置传感技术与智能控制策略等相关问题，国内外有很多学者进行了相关的研究。

但在环境复杂、对可靠性要求比较苛刻的军用领域和航天领域，电动伺服技术发展明显缓慢。

国外已有很多的应用，而在国内，应用领域还很有限，研究人员也较少。

而且，在这些领域寸土寸金，对体积和质量的要求也很高，因
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此，提高电机的功率密度、研究小型化的电机是一个主要的发展方向。

在一些小型飞行器和导弹上，为了提高舵机系统的可靠性，减小体积与重量，无刷直流电机具有更优越的性能。

1.3无刷直流伺服电动机控制策略
对于应用于飞行器舵机的无刷直流电机伺服系统，PID控制以其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点一致以来都得到了广泛的应用。

但随着被控对象越来越复杂，系统表现出复杂的不确定性、非线性以及时变性的特点，仅用传统的PID控制器已很难达到良好的性能要求。

随着高性能的数字信号处理器(DSP)的成熟，处理速度满足了系统快速响应性能的需要，现在的伺服电机控制正在向全软件控制的方向发展。

无刷直流伺服电动机的控制策略主要有以下几种：
( 1 )改进数字PID控制PID控制器是应用最为广泛的一种自动控制器。

它具有原理简单、易于实现、适用面广、控制参数相互独立、参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。

在引入DSP后，控制算法是通过DSP来实现的，是一种离散控制系统。

因此很容易在传统PID算法的基础上，通过适当调整可以得到多种不同的 PID算法。

主要有：积分分离PID算法、抗积分饱和PID算法、增量式PID算法、不完全微分PID算法、带死区PID算法等。

其中最常用的两种算法是积分分离PID算法、抗积分饱和PID算法[5]。

( 2 )模糊PID控制随着现代控制理论和智能控制策略的应用，PID算法与其它控制策略相结合，产生了多种不同的控制策略。

模糊PID控制是将模糊控制和PID控制两者结合起来，既有模糊控制灵活、适应性强的优点，又具有PID 控制精度高的特点。

研究表明，模糊PID控制比PID控制有更快的动态响应特性，更小的超调，显然它还比经典的模糊控制具有更高的稳态精度，而且具有较强的鲁棒性[6,7]。

( 3 )模糊自适应控制自适应控制具有一定适应能力，能够认识环境条件的变化，并自动校正控制动作，使系统达到最优或次优的控制效果。

自适应控制具有动态响应快、跟踪能力强、控制精度高、自适应能力优等特点。

但系统的自适应算法和在线辨识算法设计较复杂，在位置伺服控制中应用并不十分广泛[8,9]。

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( 4 ) 变结构控制 变结构控制是一种高速切换的反馈控制，它根据系统的状态选择两个控制量，输入其中之一，相当于系统有两种结构。

设计变结构控制系统有两个关键问题：其一是判断滑动模态存在的条件，
只有当满足下面条件时，才能用等效控制法进行设计；另一个关键问题是变结构控制的抖颤问题。

理论上，只要不确定扰动因素有界就可以通过适当的变结构控制作用，使系统在有限时间内达到指定的切换面，从而实现滑动模态运动。

但是，实际系统由于切换装置不可避免地存在惯性，变结构系统在不同的控制逻辑中来回切换，导致实际滑动模态不是准确地发生在切换面上，容易引起系统的剧烈抖振，从而成为它在实际应用中的一大障碍。

为了克服这种“抖振”缺陷，目前比较流行的是采用边界层内的正则化方法，即在适当的边界层内将原变结构控制连续化，从而达到衰减抖振的目的0
lim 0S S S →⋅< [10,11]。

但这种方法实质上己不再是传统意义上的变结构控制，不再具有变结构控制系统良好的鲁棒性。

此外，边界层厚度的选取也是一个很困难的问题[12]。

( 5 ) 鲁棒控制与复合控制 将鲁棒控制思想应用于电机伺服系统目的是解决系统存在参数摄动及外部有界扰动的控制问题。

常用的控制方法为鲁棒控制H ∞[13]。

另外国外也有学者研究了多种算法综合使用的复合控制策略[14]。

但控制算法复杂，计算量大，存在难以实现的问题，尽管理论研究表明其性能较优越，但在实际应用中应用较少，国内的研究也比较少。

但随着这些算法未来发展前景很不错，是一个很好的研究方向。

1.4 用于飞行器舵机的电动伺服系统研究现状
1.4.1 飞行器舵机
随着科学技术的发展，无论在军用还是民用领域飞行器都得到了迅速的发展，更多的发展和使用领空成为一种趋势。

现代先进飞行器的快速发展要求其控制系统具有高精度、高灵敏度及高可靠性。

作为飞行控制系统的重要组成部分之一，舵机特性的好坏直接影响到飞行器的操控性能。

因此，提高飞行器舵机系统的性能是制作性能优良的飞行器的基础[15,16]。

根据动力源的不同，常用的舵机系统可分为气动舵机、液压舵机及电动舵机等。

大多数传统的飞行器一般沿用液压伺服系统、气压伺服系统，这些伺服
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系统尽管具有良好的动态特性和结构适应性，但是结构复杂、重量大、成本高、实现技术难度大。

近年来，随着多电、全电作动技术的日益成熟，应用电动舵机成为飞行器舵机系统的一种趋势。

而电动舵机所表现出的特点和优越性能也更加推动了其快速发展，在各种飞行器上得到了广泛的应用。

与气动及液压舵机相比，电动舵机的优点包括：可靠性高，加工精度、装配调整、材料选用上无特殊困难，线路铺设、制造维修及改装方便，可以和飞行自动控制系统使用同一能源，传输与控制也较容易等。

电动舵机以电力为能源，通常由伺服电动机、测速装置、位置传感器、齿轮传动装置和安全保护装置等构成。

传统的电动舵机多采用直流电机，但由于直流电机中存在电刷和换向器，存在电刷引致的发热、噪声、火花及电弧引起的射频干扰，运行环境受到限制；电刷磨损引起积碳造成绝缘降低等，不易维护等，己不适应现代高性能飞行器飞行控制系统的要求。

因此，研究永磁无刷电机及其先进控制策略是高性能电动舵机系统的前提，对于进一步推动电动舵机的发展以及提高飞行器的操控性能具有重要的意义。

传统的模拟伺服系统的控制线路体积大、限制了新控制方法的使用、电路参数变化对伺服回路的特性影响大、可靠性差以及不易更改等缺点。

数字化控制系统优点是能使舵机系统的可靠性、可维护性和可升级性大大提高。

本文的研究内容就是使用基于DSP处理芯片由无刷直流电机构成用于飞行器舵机上的电动伺服系统。

1.4.2飞行器电动舵机的研究与应用
电动舵机的应用领域主要包括飞机、导弹、潜艇等航天与军事领域，在多电/全电飞机、无人驾驶飞机、导弹、联合制导攻击炸弹等先进飞行器中都得到越来越广泛的应用。

NASA先后在C141运输机及F18, F16，F15等军机上试验新型电动舵机；英国国防部在未来攻击机系统中也重点考虑使用电动舵机，并将“阵风”型号飞机改进使用电动舵机[17]；空中客车公司联合多家国际航空企业及有关机构进行应用于大型民用飞机电动舵机的研究及验证工作；波音公司也在积极探讨电动舵机应用于新一代大型飞机的优势及可行性问题[18,19]。

同样，电动舵机开始逐步用于近、中、远距空空导弹，最有代表性的如美国的“先进中距弹”AIM-120 和俄罗斯的“蝰蛇”R-77 等都采用了电动舵机。

法国的马特拉555导弹，俄罗斯的某型号战术地对地导弹以及美国的战斧
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巡航导弹等，导弹的性能得到了很大的提高与完善[20,21]如今，导弹舵机正在向全电化、数字化和智能化方向发展。

我国电动舵机研究起步较晚，技术实用性还比较差。

但一些研究机构也在大力发展电动舵机系统。

今年来，我国电动伺服技术也得到了一定的发展，并且有些技术己经得到了初步的应用。

如中航一集团某研究所研制的飞艇电传操纵系统，首次使用伺服器和舵机合为一体的灵巧电动舵机，并顺利进入全系统地面综合联试阶段。

西北工业大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学、哈尔滨工业大学等国内高校也进行了相关问题的研究。

但显而易见，要想在航天器中得到广泛的应用，还很长的路要走。

1.5本文主要研究内容
本文研究了基于DSP处理芯片由无刷直流电机构成用于飞行器舵机上的电动伺服系统，确定了符合要求的小型化的系统方案，对伺服系统动态性能进行了研究，通过实验验证了本方案的可行性。

本文的研究工作主要有以下几个方面：
( 1 )研究一种可靠适用的小型化电动伺服系统方案，包括软硬件结构和系统上电自检测方案；
( 2 )研究舵机伺服系统的控制器硬件结构与设计方法，分析控制系统电磁兼容问题，通过实验验证了系统的合理性；
( 3 )研究舵机伺服系统的软件架构与控制方案；
( 4 )针对电动伺服系统比较关心的动态响应性能，进行了相关研究；
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第2章电动伺服系统总体方案
2.1引言
电动伺服系统系统包括执行电机（电动机）、减速器、被控对象、反馈信号检测单元、控制器与驱动器等部分组成。

如图2-1所示。

图2-1 电动伺服系统的组成结构
Fig.2-1 Structure of Electrical servo system
本文的研究对象是应用于飞行器舵机的电动伺服系统，是一种典型的位置随动系统。

传统方案多采用液压伺服系统或者气动伺服系统，随着电机及其控制技术的发展以及全电技术的成长，逐渐向电动伺服系统转化。

但早期的方案多采用有刷直流电机作为执行元件，电刷和换向器带来很多缺点，严重影响了系统快速性与可靠性。

而控制电路多采用模拟电路来实现，线路复杂，同样给系统可靠性带来了隐患。

本文提出的方案采用无刷直流电动机作为伺服电机，采用以DSP芯片为核心的数字电路构成全数字控制系统。

事实证明，这样的结构设计可以提高执行电机的性能；可以简化控制电路结构，提高可靠性；可以更灵活地应用优良的控制算法来提高系统性能，达到快速响应的目标。

2.2电动伺服系统的性能要求
电动伺服控制系统的功能是使输出快速准确地复现给定，对系统的基本性能要求如下[22]：
( 1 )稳定性好伺服系统在给定输入和外界干扰下，能在短暂的过渡过程之后，达到新的平衡状态，或者恢复到原先的平衡状态。

系统稳定是系统正常工作的前提。

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( 2 )精度高伺服系统的精度是指输出量跟随给定值的精确程度。

在舵用电动伺服系统中体现为位置跟踪稳态误差，即系统对输入信号的瞬态响应过程结束以后，在稳态运行时伺服系统执行机构实际位置与给定值之间的误差。

系统精度越高，实现越困难，根据系统整体功能要求来确定系统的稳态精度。

( 3 )动态响应快动态响应是指当伺服系统的参考输入信号发生变化时，执行机构应实现快速跟踪。

这是伺服系统重要的动态性能指标，要求系统对给定的跟随速度足够快、超调小，甚至无超调。

系统的频率响应好坏能反映系统动态响应性能的快慢，系统频率响应的两个主要指标是幅值衰减和相移。

( 4 )抗扰动能力强在各种扰动作用时，系统输出动态变化小，恢复时间快，振荡次数小，甚至要求无振荡。

在舵机伺服系统中，由于负载时变性与不确定性，要求系统具有良好的抗扰动能力。

一般来说，不同用途的伺服系统，对于各种性能的要求也不一致。

系统结构对系统性能会产生很大的影响，从根本上决定了系统所能达到的性能指标，而控制系统是对在一定基础上对系统性能进行优化。

因此，要想得到具有良好系统的系统，不仅要通过良好控制策略，系统结构的确定也很重要。

本文的研究方向是飞行器舵机伺服系统，系统对动态响应性能和抗干扰能力的要求尤为突出，也是我们进行系统设计和研究的重点。

2.3电动伺服系统的执行电机
2.3.1伺服电机的选择
随着永磁材料性能的迅速提高，伺服电机多采用永磁结构。

因为永磁电机结构简单，控制性能优良。

永磁直流电机（有刷直流电机）一般采用定子磁钢、转子电枢结构；而永磁无刷电机多采用定子电枢、转子磁钢结构。

永磁无刷电机按照驱动方式的不同可分为两种：采用方波电流驱动的永磁无刷电机称为方波无刷直流电机 (Brushless DC Motor, BLDC)；采用正弦波电流驱动的永磁无刷电机成为正弦波无刷直流电机，又称永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)[23]。

根据所使用电机的不同，一般将伺服系统分为两种，即使用直流电机的直流伺服系统和使用交流电机的交流伺服系统。

直流电机，控制简单可靠，但控制精度稍差，一般用于飞行器、雷达等军用系统；交流电机，多应用永磁同步电机，随着矢量控制技术和复杂算法的应用，配合上高精度的位置传感器，其
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