伺服控制系统知识培训(高端培训)
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dt
实例：直流伺服系统
Ra
ei (t)
ia
La
0(t)
eb TM
TN
J
B
i f 常数
实例：直流伺服系统
伺服电机在磁化曲线的线性范围内使用，
因而气隙磁通 正比于励磁电流，即：
K f i f 式中：K f ——常数 i f 为磁场励磁电流
由电动机产生的转矩 TM 正比于电枢电流
和气隙磁通的乘积，即
电枢回路电压平衡方程式 U a Ea I a Ra
7.3 直流伺服电机及其速度控制
直流电机转速与转矩的关系n=f(T)称机械特性
主要内容
n
n0
n
电机转速与理想转速的差Δn， 反映了电机机械特性硬度，Δn
越小（转矩对转速变化的影响
T
T 程度越小），机械特性越硬。
n
Ua KE
Ra KE KT 2
Tm
TM K1K f i f ia 式中：K1 ——常数 ia 是电枢电流
实例：直流伺服系统
在电枢控制的直流电动机中，励磁电流为常数， 故上式可写成：
TM KT ia 式中：KT ——电动机的转矩常数
由控制输入电压 ei (t)开始，系统的因果方程为
1.电枢电压方程：
La
dia dt
Raia
ei
7——样件
8——触销
9——油缸
图1.7 液压仿形车床工作原理图
10——油泵
二. 伺服系统的定义： (servomechanism) (servo-system）
伺服系统是指实现输出变量精确 地跟随或复现输入变量的控制系统。
伺服电机
伺服电机（servo motor ） 伺服电动机又称执行电动机，在自动控
1 s(Js B)
0 (s)
Eb (s)
Kb (s)
直流伺服电机的系统方框图
7.3 直流伺服电机及其速度控制
直流伺服电Baidu Nhomakorabea的调速原理与方法
If If
原 理 Uf Uf 图
Ia Ia
主要内容
M M Ua Ua
Ra RLa a La
Ua Ua
等 Ea Ea 效
图
电磁转矩
Tm KT Ia
感应电势与转速关系 Ea K E n（ 一定）
驱动系统电机的调速
n
如果Δn值较大，不可能 实现宽范围的调速。永磁 n0N
式直流伺服电机的Δn值 n01
较小，因此，进给系统常 n02 采用永磁式直流电机。
ΔnN
nN
U aN
n1
U a1
n2
U a2
U aN>U a1 > U a2
O
TN
T
7.3 直流伺服电机及其速度控制
调节磁通（调磁调速）不但改变了电机的理想转 速，而且使直流电机机械特性变软
低速，特性很软，运转稳定性很差； 调节平滑性差，操作费力。nn主0 要内容
n
Ua KE
Ra KE KT 2
Tm
n0
Ra KE KT 2
Tm
R0 R1 R2
T
7.3 直流伺服电机及其速度控制
调节电枢电压（调压调速）时，直流电机机械特性为
一组平行线，只改主要变内电容 机的理想转速n0 ，保持了原 有较硬的机械特性，所以调压调速主要用于伺服进给
eb
实例：直流伺服系统
2.电动机转矩 TM KT ia
3.转矩平衡方程
J
d 20
dt 2
B
d0
dt
TM
TN
4.电动机的反电动势正比于速度
eb
Kb
d0
dt
Kb ——反电动势常数
实例：直流伺服系统
系统因果方程拉氏变换为
(Las Ra )Ia (s) Ei (s) Eb (s) TM (s) KT Ia (s)
i f ——励磁电流
Ra ——电枢电路的电阻
Rf ——励磁回路的电阻
La ——电枢回路的自感系数
Lf ——励磁回路的自感系数
——电动机的机械角速度
2. 机械系统的转矩平衡方程
Te
T2
T0
J
d
dt
Te ——电磁转矩 T2 ——负载转矩
T0 ——空载损耗转矩
如果电动机以恒 角速度转动，则 ：
J d 0
工程师培训资料
• 标题：伺服控制系统知识培训（高端培训） • 培训人：xx
伺服系统应用举例
机械手手臂伸缩运动的电液伺服系统原理图。
1－电放大器 2－电液伺服阀 3－液压缸 4－机械手手臂 5－齿轮齿条机构 6－电位器 7－步进电机
伺服系统应用举例（1）
1.2.3.4——节流口
5——工件
6——刀具
n0
KE
Ra KT 2
Tm
直流电机的基本调速方式有三种:
调节电阻Ra、调节电枢电压Ua和调 节磁通Φ的值。
他励式直流伺服电机的转速公式
主要内容
n
Ua KE
Ra KE KT 2
Tm
n0
Ra KE KT 2
Tm
7.3 直流伺服电机及其速度控制
电枢电阻调速很少采用，缺点：
不经济：要得到低速，R很大，则消耗大量电能；
i ——导体中的电流 ( A)
l ——导体的有效长度 (m)
直流电机原理
N
a
F
x
F'
x
S
载流线圈在磁场中产生转矩
如图所示： N和S是一对固定的磁
极（一般是电磁铁，也 可为永久磁铁），两级 之间装着一个可以转动 的铁质圆柱体，圆柱体 表面上固定这一个线圈， 上边为a，下圈为x，通入 如图所示的电流根据左 手定则便可得出电磁转 矩。
并励
串励
直流电机的基本方程式
1. 电气系统的电动平衡方程
感应电动势
ua
Gaf if
Raia
La
dia dt
uf
Rf if
Lf
di f dt
ua u f u
Ua
I
Ia
M
If
1. 电气系统的电动平衡方程
u ——电源电压
ua ——电枢绕组上的端电压
u f ——励磁绕组上的端电压
ia ——电枢电流
一、直流电机原理
为什么要用电刷？
一、直流电机的原理
N
F
1
8
3
n
A
6
B
5
4
7
2
SF
这样的连接方 法只有一组线 圈得电，绕组 使用率低，那 么如何提高绕 组的使用率 呢？
改进后的绕线
N
1
8
n6
3
7
2
4
5
S
改进后的绕组
提高了绕组的使用率
直流电机的励磁方式
励磁概念：由电流激励出磁场的过程叫做励磁。
他励
制系统中，它的转矩和转速受信号电压控 制。当信号电压的大小和相位发生变化时， 电动机的转速和转动方向将非常灵敏和准 确地跟着变化。当信号消失时，转子能及 时地停转。
伺服电机的分类
鼠笼转子
伺服电机
交流伺服电机 杯形转子
直流伺服电机
安培定律
F Bil B ——磁场的磁感应强度 (Wb / m2 )
(Js2 Bs)0(s) TN (s) Eb (s) Kbs0(s)
当负载转矩 T N ( s ) 0 其传递函数是:
实例：直流伺服系统
G(s) 0(s)
KT
Ei (s) s[(Las Ra )(Js B) KT Kb
TN (s)
Ei (s)
1 Las Ra
Ia (s)
KT TM (s)
实例：直流伺服系统
Ra
ei (t)
ia
La
0(t)
eb TM
TN
J
B
i f 常数
实例：直流伺服系统
伺服电机在磁化曲线的线性范围内使用，
因而气隙磁通 正比于励磁电流，即：
K f i f 式中：K f ——常数 i f 为磁场励磁电流
由电动机产生的转矩 TM 正比于电枢电流
和气隙磁通的乘积，即
电枢回路电压平衡方程式 U a Ea I a Ra
7.3 直流伺服电机及其速度控制
直流电机转速与转矩的关系n=f(T)称机械特性
主要内容
n
n0
n
电机转速与理想转速的差Δn， 反映了电机机械特性硬度，Δn
越小（转矩对转速变化的影响
T
T 程度越小），机械特性越硬。
n
Ua KE
Ra KE KT 2
Tm
TM K1K f i f ia 式中：K1 ——常数 ia 是电枢电流
实例：直流伺服系统
在电枢控制的直流电动机中，励磁电流为常数， 故上式可写成：
TM KT ia 式中：KT ——电动机的转矩常数
由控制输入电压 ei (t)开始，系统的因果方程为
1.电枢电压方程：
La
dia dt
Raia
ei
7——样件
8——触销
9——油缸
图1.7 液压仿形车床工作原理图
10——油泵
二. 伺服系统的定义： (servomechanism) (servo-system）
伺服系统是指实现输出变量精确 地跟随或复现输入变量的控制系统。
伺服电机
伺服电机（servo motor ） 伺服电动机又称执行电动机，在自动控
1 s(Js B)
0 (s)
Eb (s)
Kb (s)
直流伺服电机的系统方框图
7.3 直流伺服电机及其速度控制
直流伺服电Baidu Nhomakorabea的调速原理与方法
If If
原 理 Uf Uf 图
Ia Ia
主要内容
M M Ua Ua
Ra RLa a La
Ua Ua
等 Ea Ea 效
图
电磁转矩
Tm KT Ia
感应电势与转速关系 Ea K E n（ 一定）
驱动系统电机的调速
n
如果Δn值较大，不可能 实现宽范围的调速。永磁 n0N
式直流伺服电机的Δn值 n01
较小，因此，进给系统常 n02 采用永磁式直流电机。
ΔnN
nN
U aN
n1
U a1
n2
U a2
U aN>U a1 > U a2
O
TN
T
7.3 直流伺服电机及其速度控制
调节磁通（调磁调速）不但改变了电机的理想转 速，而且使直流电机机械特性变软
低速，特性很软，运转稳定性很差； 调节平滑性差，操作费力。nn主0 要内容
n
Ua KE
Ra KE KT 2
Tm
n0
Ra KE KT 2
Tm
R0 R1 R2
T
7.3 直流伺服电机及其速度控制
调节电枢电压（调压调速）时，直流电机机械特性为
一组平行线，只改主要变内电容 机的理想转速n0 ，保持了原 有较硬的机械特性，所以调压调速主要用于伺服进给
eb
实例：直流伺服系统
2.电动机转矩 TM KT ia
3.转矩平衡方程
J
d 20
dt 2
B
d0
dt
TM
TN
4.电动机的反电动势正比于速度
eb
Kb
d0
dt
Kb ——反电动势常数
实例：直流伺服系统
系统因果方程拉氏变换为
(Las Ra )Ia (s) Ei (s) Eb (s) TM (s) KT Ia (s)
i f ——励磁电流
Ra ——电枢电路的电阻
Rf ——励磁回路的电阻
La ——电枢回路的自感系数
Lf ——励磁回路的自感系数
——电动机的机械角速度
2. 机械系统的转矩平衡方程
Te
T2
T0
J
d
dt
Te ——电磁转矩 T2 ——负载转矩
T0 ——空载损耗转矩
如果电动机以恒 角速度转动，则 ：
J d 0
工程师培训资料
• 标题：伺服控制系统知识培训（高端培训） • 培训人：xx
伺服系统应用举例
机械手手臂伸缩运动的电液伺服系统原理图。
1－电放大器 2－电液伺服阀 3－液压缸 4－机械手手臂 5－齿轮齿条机构 6－电位器 7－步进电机
伺服系统应用举例（1）
1.2.3.4——节流口
5——工件
6——刀具
n0
KE
Ra KT 2
Tm
直流电机的基本调速方式有三种:
调节电阻Ra、调节电枢电压Ua和调 节磁通Φ的值。
他励式直流伺服电机的转速公式
主要内容
n
Ua KE
Ra KE KT 2
Tm
n0
Ra KE KT 2
Tm
7.3 直流伺服电机及其速度控制
电枢电阻调速很少采用，缺点：
不经济：要得到低速，R很大，则消耗大量电能；
i ——导体中的电流 ( A)
l ——导体的有效长度 (m)
直流电机原理
N
a
F
x
F'
x
S
载流线圈在磁场中产生转矩
如图所示： N和S是一对固定的磁
极（一般是电磁铁，也 可为永久磁铁），两级 之间装着一个可以转动 的铁质圆柱体，圆柱体 表面上固定这一个线圈， 上边为a，下圈为x，通入 如图所示的电流根据左 手定则便可得出电磁转 矩。
并励
串励
直流电机的基本方程式
1. 电气系统的电动平衡方程
感应电动势
ua
Gaf if
Raia
La
dia dt
uf
Rf if
Lf
di f dt
ua u f u
Ua
I
Ia
M
If
1. 电气系统的电动平衡方程
u ——电源电压
ua ——电枢绕组上的端电压
u f ——励磁绕组上的端电压
ia ——电枢电流
一、直流电机原理
为什么要用电刷？
一、直流电机的原理
N
F
1
8
3
n
A
6
B
5
4
7
2
SF
这样的连接方 法只有一组线 圈得电，绕组 使用率低，那 么如何提高绕 组的使用率 呢？
改进后的绕线
N
1
8
n6
3
7
2
4
5
S
改进后的绕组
提高了绕组的使用率
直流电机的励磁方式
励磁概念：由电流激励出磁场的过程叫做励磁。
他励
制系统中，它的转矩和转速受信号电压控 制。当信号电压的大小和相位发生变化时， 电动机的转速和转动方向将非常灵敏和准 确地跟着变化。当信号消失时，转子能及 时地停转。
伺服电机的分类
鼠笼转子
伺服电机
交流伺服电机 杯形转子
直流伺服电机
安培定律
F Bil B ——磁场的磁感应强度 (Wb / m2 )
(Js2 Bs)0(s) TN (s) Eb (s) Kbs0(s)
当负载转矩 T N ( s ) 0 其传递函数是:
实例：直流伺服系统
G(s) 0(s)
KT
Ei (s) s[(Las Ra )(Js B) KT Kb
TN (s)
Ei (s)
1 Las Ra
Ia (s)
KT TM (s)