伺服系统概要
伺服控制系统(设计)
第一章伺服系统概述伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。
在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地尾随输入量的变化，因此又称之为随动系统或者自动跟踪系统。
机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。
近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及机电创造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步机电、感应电机为伺服机电的新一代交流伺服系统。
目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路创造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性创造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。
1.1 伺服系统的基本概念1.1.1 伺服系统的定义“伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行住手。
伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵便方便的控制。
1.1.2 伺服系统的组成伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。
它由检测部份、误差放大部份、部份及被控对象组成。
1.1.3 伺服系统性能的基本要求1 )精度高。
伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。
2 )稳定性好。
稳定是指系统在给定输入或者外界干扰的作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。
3 )快速响应。
响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。
4)调速范围宽。
调速范围是指生产机械要求机电能提供的最高转速和最低转速之比。
5 )低速大转矩。
在伺服控制系统中，通常要求在低速时为恒转矩控制，电机能够提供较大的输出转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。
伺服系统基本概述
第一节:伺服系统基本概述
如果说整个系统的可靠性主要取决于数控装置 的话，那么，驱动系统的性能，在较大程度上 决定了现代数控机床的性能，数控机床的最大 移动速度、定位精度等指标主要取决于驱动系 统及CNC位置控制部分的动态和静态性能。另 外，对某些加工中心而言，刀库驱动也可认为 是数控机床的某一伺服轴，用以控制刀库中刀 具的定位。
在数控机床中，由计算机发出指令脉冲，让哪 一个驱动电动机拖着工作台动，这一台电动机就 动，而且这台电动机的运动速度、运动的距离， 完全按着计算机的指令行事，非常准确无误地完 成指令要求的任务。
第一节:伺服系统基本概述
很显然，伺服系统所以能作到这一点，也是非 常不容易的。因为电动机拖着一个重量很重的 工作台，而且摩擦力随着季节、新旧程度、润 滑状态等因素而变化，控制了一个稳定速度， 精确定位，可以想象其难度之大。
高精度的机床为了保证尺寸精度和表面粗糙度的水 平，
第一节:伺服系统基本概述
数控机床的进给系统，实际上是一个位置 随动系统。同任何一个位置随动系统一样，
当指令位移以某一速度变化时，实际位移必 须比指令位移滞后，这就是所谓跟随误差、， 当数控机床的各坐标轴以不同的速度和不同 的方向同时位移时，跟随误差就会造成加工 尺寸和形状的误差。
该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车 床、超精磨床以及较大型的数控机床等。
第一节:伺服系统基本概述
2．按使用的执行元件分类
（1）电液伺服系统 电液脉冲马达和电液伺服马达。 优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常 数小、反应快和速度平稳。 缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。
没有位置测量装置，信号流是单向的（数
控装置→进给系统），故系统稳定性好。
伺服系列之伺服概述
伺服系列之伺服概述伺服系统是一种能够根据给定的指令，精确地控制位置、速度和力量的电动执行机构。
它采用了闭环控制的方式，在执行机构上安装了一个反馈装置，用于实时检测执行机构的状态，并将其与指令进行比较，通过控制信号来调整执行机构的运动，以达到控制要求。
伺服系统广泛应用于机器人、自动化生产线、数控机床等领域。
在伺服系统中，有几个核心概念需要理解。
首先是虚拟主轴。
虚拟主轴是伺服系统中的一个重要概念，它可以将多个执行机构连接在一起，形成一个整体。
通过虚拟主轴的控制，可以实现多个执行机构的协调工作，从而提高整个系统的效率和精度。
其次是电子凸轮。
电子凸轮是一种用于控制执行机构运动轨迹的技术。
传统的机械凸轮需要进行制造和更换，而电子凸轮则可以通过软件编程实现凸轮曲线的生成和修改，从而减少了成本和维护工作。
电子凸轮可以实现复杂的运动轨迹，使得伺服系统能够应用于更广泛的场景。
最后是多轴控制。
在一些复杂的应用场景中，可能需要多个执行机构协同工作来完成任务。
这就需要实现多轴控制，即对多个执行机构进行统一的控制。
多轴控制需要考虑多个执行机构之间的运动协调，包括位置同步、速度同步和力量分配等。
通过多轴控制，可以实现更复杂的运动和更高的精度。
伺服系统的工作原理如下：首先，控制器接收到用户给出的指令，通过运算和控制算法，生成控制信号。
然后，控制信号通过放大器放大后，送到执行机构。
执行机构上的传感器会实时检测执行机构的状态，并将反馈信号送回控制器。
控制器将反馈信号与指令进行比较，通过调节控制信号的幅度和频率，实现控制目标。
伺服系统的优点是精度高、可靠性强、响应速度快。
它可以实现高精度的位置控制，达到微米级别的精度要求。
在高速运动情况下，伺服系统能够实时调整执行机构的运动状态，并保持较高的精度。
此外，伺服系统的可靠性很高，反馈装置可以及时检测到执行机构的状态，避免由于负载变化或干扰引起的运动偏差。
另外，伺服系统的响应速度非常快，可以在几毫秒的时间内实现响应，并实时调整执行机构的状态。
伺服系统简介
§5-1 伺服系统的性能要求
大惯量宽调速直流伺服电动机 特点:有良好测速性能, 特点:有良好测速性能,能在较大过载转矩下长时间工作 电动机转子惯量大, 电动机转子惯量大,能与丝杠连接不需中间传动装置 结构复杂,价格较贵 结构复杂, 交流伺服系统： ③ 交流伺服系统： 采用交流异步伺服电动机和永磁同步伺服电动机驱动 采用交流异步伺服电动机和永磁同步伺服电动机驱动 交流异步伺服电动机 交流异步伺服电动机: 交流异步伺服电动机:用于主轴伺服系统 永磁同步伺服电动机: 永磁同步伺服电动机:用于进给伺服系统
第五章 伺服系统简介
§5-1 伺服系统的性能要求
定义：数控机床的伺服系统是指以数控机床移动部件（ 定义：数控机床的伺服系统是指以数控机床移动部件（如工作 伺服系统是指以数控机床移动部件 位置和速度作为控制量的自动控制系统 作为控制量的自动控制系统， 台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，也就是 位置随动系统。 位置随动系统。 作用： 作用：是接受来自数控装置中插补器或计算机插补软件 生成的进给脉冲，经变换、 生成的进给脉冲，经变换、放大将其转化为数控 机床移动部件的位移，并保证动作的快速和准确。 机床移动部件的位移，并保证动作的快速和准确。 组成：伺服电路、伺服驱动装置、机械传动部件、 组成：伺服电路、伺服驱动装置、机械传动部件、末端执行件
§5-2 常用伺服系统简介
4、步进式伺服系统的特性 工作台位移量： ① 工作台位移量：进给脉冲的数量决定工作台的位移量 步进电动机的角位移θ 步进电动机的角位移θ，θ=nα（α为步距角） =nα 为步距角） 工作台的位移量L 工作台的位移量L： L=θP/360° L=θP/360°（P为导程） 为导程）
§5-1 伺服系统的性能要求
一、基本要求
伺服系统概述 PPT课件
12 伺服系统概述
伺服系统的特点和功用
• 伺服系统与一般机床的进给系统有本质上差别，它能根据 指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置 • 伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是数控系统的重 要组成
12 伺服系统概述
二、伺服系统基本类型
按控制原理分 有开环、闭环和半闭环三种形式 按被控制量性质分 有位移、速度、力和力矩等伺 服系统形式 按驱动方式分 有电气、液压和气压等伺服驱动形式 按执行元件分 有步进电机伺服、直流电机伺服和交 流电机伺服形式
12 伺服系统概述
气压系统与液压系统的比较
1.
2.
3. 4.
5.
空气可以从大气中取之不竭且不易堵塞；将用过的气体排入大 气，无需回气管路处理方便；泄漏不会严重的影响工作，不污 染环境。 空气粘性很小，在管路中的沿程压力损失为液压系统的干分之 一，易于远距离控制。 工作压力低．可降低对气动元件的材料和制造精度要求。 对开环控制系统，它相对液压传动具有动作迅速、响应快的优 点。 维护简便，使用安全，没有防火、防爆问题；适用于石油、化 工、农药及矿山机械的特殊要求。对于无油的气动控制系统则 特别适用于无线电元器件生产过程，也适用于食品和医药的生 产过程。
优点
操作简便；编程容易； 能实现定位伺服控制； 响应快、易与计算机 （CPU）连接；体积小、 动力大、无污染。
缺点
瞬时输出功率大；过载 差；一旦卡死，会引起 烧毁事故；受外界噪音 影响大。 功率小、体积大、难于 小型化；动作不平稳、 远距离传输困难；噪音 大；难于伺服。 设备难于小型化；液压 源和液压油要求严格； 易产生泄露而污染环境。
12 伺服系统概述
三、伺服系统基本要求
精度高： 稳定性好：
伺服系统简介介绍
受控对象
被控制的设备或系统， 可以是机械系统、电气 系统或其他系统。
伺服系统的分类
按受控对象
可分为位置伺服系统、速度伺服系统和力伺 服系统等。
按控制方式
可分为开环伺服系统和闭环伺服系统。
按执行器类型
可分为电动伺服系统、气动伺服系统和液压 伺服系统等。
02
01
按应用领域
可分为数控机床、机器人、航空航天、自动 化生产线等领域的伺服系统。
04
03
02 伺服系统的工作原理
伺服系统的工作原理
• 伺服系统是一种能够精确控制运动和速度的控制系 统。它广泛应用于各种工业自动化设备中，如数控 机床、机器人、印刷机等。
伺服系统的应用场景
03
工业自动化
01
数控机床
伺服系统用于数控机床的精密加工，提高加工精度和效 率。
02
生产线自动化
伺服系统用于生产线自动化，实现生产过程的精确控制 和优化。
能。
自动驾驶
伺服系统用于自动驾驶汽车的导航 和控制，实现精确的路径规划和避 障。
悬挂系统控制
伺服系统用于悬挂系统的控制，提 高车辆的行驶平顺性和稳定性。
04 伺服系统的优势与挑战
伺服系统的优势与挑战
• 伺服系统是一种被广泛应用于各种工业和商业领域的控制系 统。它通过接收输入信号，并利用内部的电子和机械部件来 控制输出运动，以满足特定的应用需求。伺服系统具有高精 度、高速度、高可靠性等优点，但也面临着一些挑战。
升级的工业应用需求。
03
5G技术的应用
5G技术为工业互联网的发展带来了新的机遇。未来的伺服系统将更加
注重与5G技术的融合，以实现更高效、更稳定的生产和制造。
伺服系统基础入门
伺服系统基础入门伺服系统是一种由电机、反馈装置、执行器和控制器组成的系统，可应用于各种工业和机械设备中。
它具有诸如高精度、高速度、高稳定性、多功能性等优点，广泛应用于工业自动化控制领域。
本文将从伺服系统的基本原理、功能特点、应用领域等方面进行介绍。
一、伺服系统基本原理伺服系统是一种控制系统，采用负反馈控制原理来实现位置、速度、力矩或其它控制目标的精确控制。
其基本结构由电机、减速机、编码器、控制器和执行器等部分组成。
其中，电机和减速机组成了伺服机构，它们的主要作用是将电机的高速旋转转换为较低的输出力矩和转速。
编码器是将运动轴位置信息等精确变化信息转化为数字信号并传送给伺服控制器的一个装置。
控制器利用接收到的编码器反馈信号与设定信号作差并进行运算，控制输出的驱动信号，控制执行器的产生作用，达到控制运动轴位置（或速度、力矩等）的目的。
二、伺服系统功能特点1. 高精度：伺服系统精度高，能够达到非常高的精度要求，满足高精度控制需求的场合。
2. 高速度：伺服系统能够在较短时间内达到需要的速度，并保持相当稳定，大大提高了生产效率。
3. 高稳定性：伺服系统在工作时，控制效果稳定可靠，保证生产的质量和效率。
4. 多功能性：伺服系统功能多样化，可实现精准位置控制、速度控制、力矩控制和力矩/速度联合控制等多种应用。
5. 系统可靠性：伺服系统采用多种防护装置，具有过载、过热、过电流保护等功能，确保系统的可靠性。
三、伺服系统应用领域伺服系统应用广泛，涉及到许多行业，如机械制造、半导体加工、液晶生产、医疗装置、电子设备等。
以下是其中几个重要应用领域的介绍。
1. 机床行业：伺服系统在机床行业中使用最为广泛，能够实现高速、高精度、高效率、高刚性等要求，如车床、铣床、磨床、线切割机、钻床等等。
2. 自动化设备：伺服系统在自动化设备中广泛应用，如自动化包装设备、自动化输送设备等。
能够实现高速、高效、高精度、高可靠性、灵活性强等多项优势。
伺服系统基本概述
伺服系统基本概述伺服系统是一种高性能的控制系统，主要用于电机驱动和运动控制应用。
其核心是一个伺服电机及其控制器，通过电机控制器对电机进行精确的控制和反馈，实现目标位置或速度的准确定位和调整。
伺服系统通常用于需要精确位置控制的应用，如机械臂、自动化设备、数控机床等。
伺服系统的基本组成部分包括伺服电机、反馈装置、控制器和电源等。
伺服电机是系统的执行器，通常采用三相交流电机或直流电机，具有高转矩和高转速输出能力。
反馈装置用于实时监测电机的位置、速度和加速度等参数，并将这些信息反馈给控制器，以便进行精确的闭环控制。
通常使用编码器、位置传感器或霍尔传感器等作为反馈装置。
控制器是伺服系统的核心，它根据反馈信息和设定的控制策略，计算出相应的控制信号，驱动伺服电机实现目标位置或速度的控制。
电源为伺服系统提供所需的电能，通常是直流电源或交流变频电源。
伺服系统的工作原理是闭环控制，通过将输出信号与设定值进行比较，计算出控制误差，并通过控制器对伺服电机进行调整，使其输出信号逼近设定值。
通常情况下，伺服系统采用位置控制或速度控制策略。
在位置控制中，控制器将目标位置与当前位置的差值进行计算，并生成一个输出信号，使电机按照设定的路径准确移动到目标位置。
在速度控制中，控制器根据设定的速度值，使电机运动达到设定的速度，并保持在该速度上。
伺服系统具有快速响应、高精度、滞回较小等特点。
通过闭环控制，可以实现对电机的准确定位和调整。
在实际应用中，伺服系统可以通过电气或机械传动装置与所需的负载连接，以实现机械运动的精确控制。
此外，伺服系统还可以通过通信接口与上位机或其他设备进行网络通信，实现远程控制和监测。
总之，伺服系统是一种高性能的控制系统，通过精确的控制器和反馈装置，实现对电机的准确定位和调整，广泛应用于机械臂、自动化设备、数控机床等需要精确位置控制的领域。
随着科技的不断进步，伺服系统的性能将进一步提高，应用范围也将更加广泛。
伺服系统总结
伺服系统总结伺服系统是一种能够控制位置、速度和力矩的自动控制系统。
它由电机和驱动器组成，通过传感器和控制器来实现精准的运动控制。
本文将对伺服系统的电机和驱动器进行详细的介绍和总结。
首先，我们来看一下伺服系统中的电机。
电机是伺服系统的核心部件，它负责将电能转换为机械能，并通过转子的旋转来驱动负载。
伺服系统常用的电机类型包括直流电机、交流电机和步进电机。
直流电机是伺服系统常用的一种电机类型，它具有结构简单、响应速度快、控制精度高等优点。
直流电机的转速和扭矩可以通过调节电源电压和极性来控制，其转速和位置可以通过编码器等传感器进行反馈控制。
交流电机是另一种常用的电机类型，它具有结构紧凑、维护方便等特点。
交流电机的转速和扭矩可以通过调节电源频率和电压来控制。
在伺服系统中，交流电机常常使用伺服电调器来实现精准的电流控制和位置控制。
步进电机是一种相对简单、易于控制的电机类型，它可以通过控制脉冲信号来实现精准的旋转角度控制。
步进电机适用于低速和高扭矩的应用场景，例如打印机、数控机床等。
接下来，我们将介绍伺服系统的驱动器。
驱动器是负责控制电机的运动和力矩输出的关键设备。
它根据来自控制器的命令，将电机的运动需求转化为相应的电流、电压和功率输出。
伺服系统常用的驱动器类型包括电流型驱动器、速度环控制器和位置环控制器。
电流型驱动器通过控制电流来控制电机的扭矩输出，能够实现较高的力矩响应和动态性能。
速度环控制器通过控制电机的转速来实现速度控制，可以实现较高的运动精度和平稳性。
位置环控制器通过控制电机的位置来实现位置控制，可以实现更高的控制精度和稳定性。
此外，现代伺服系统还广泛应用了数字信号处理器（DSP）和嵌入式系统技术。
DSP可以实现对控制算法的优化和实时运算，提高系统的运动控制性能。
嵌入式系统技术使得伺服系统具有更高的集成度和灵活性，可以实现复杂的运动轨迹规划和多轴协同控制。
总结起来，伺服系统是一种能够实现精确控制的自动控制系统，它由电机和驱动器组成。
伺服系统组成、概述与控制原理（难得好文）
伺服系统组成、概述与控制原理（难得好⽂）伺服系统既可以是开环控制⽅式，也可以是闭环控制⽅式。
⼀、伺服系统简述伺服系统（servomechanism）指经由闭环控制⽅式达到对⼀个机械系统的位置、速度和加速度的控制。
⼀个伺服系统的构成包括被控对象、执⾏器和控制器（负载、伺服电动机和功率放⼤器、控制器和反馈装置）。
1. 执⾏器的功能在于提供被控对象的动⼒，其构成主要包括伺服电动机和功率放⼤器，伺服电动机包括反馈装置如光电编码器、旋转编码器或光栅等（位置传感器）。
2. 控制器的功能在于提供整个伺服系统的闭环控制如转矩控制、速度控制、位置控制等，伺服驱动器通常包括控制器和功率放⼤器。
3. 反馈装置除了位置传感器，可能还需要电压、电流和速度传感器。
下图为⼀般⼯业⽤伺服系统的组成框图，其中红⾊为伺服驱动器组成部分，黄⾊为伺服电机组成部分。
“伺服”——词源于希腊语“奴⾪”的意思。
⼈们想把“伺服机构”当成⼀个得⼼应⼿的驯服⼯具，服从控制信号的要求⽽动作：在讯号来到之前，转⼦静⽌不动；讯号来到之后，转⼦⽴即转动；当讯号消失，转⼦能即时⾃⾏停转。
由于它的“伺服”性能，因此⽽得名——伺服系统。
⼆、常⽤参数1、伺服电机铭牌参数1. 法兰尺⼨2. 电机极对数3. 电机额定输出功率4. 电源电压规格：单相/三相5. 电机惯量：分为⼤、中、⼩惯量，指的是转⼦本⾝的惯量，从响应⾓度来讲，电机的转⼦惯量应⼩为好；从负载⾓度来看，电机的转⾃惯量越⼤越好6. 电机出轴类型：键槽、扁平轴、光轴、减速机适配…7. 电机动⼒线定义：U: RED V：BLACK W: WHITE8. 额定转速9. 编码器线数：2500/1250/1000/17B/20B法兰是轴与轴之间相互连接的零件，⽤于管端之间的连接。
2、伺服驱动器铭牌参数1. 额定输出功率2. 电源电压规格3. 编码器线数3、伺服系统的性能指标1. 检测误差：包括给定位置传感器和反馈位置传感器的误差，传感器本⾝固有，⽆法克服；2. 系统误差：系统类型决定了系统误差。
机电一体化第3章伺服系统
机电一体化第3章伺服系统伺服系统是一种通过对输出信号和反馈信号进行比较、处理和控制，从而实现对给定输出的精确控制的系统。
伺服系统通常由伺服电机、传感器和控制器组成。
伺服电机是伺服系统的核心部件。
它具有快速响应、输出力矩大、扭矩稳定性好等特点。
传感器是用来实时检测伺服电机的运动状态和位置的装置。
控制器是整个伺服系统的大脑，其主要功能是接收传感器反馈的信号，与给定的输出信号进行比较，然后产生相应的控制信号，实现对伺服电机的精确控制。
伺服系统在机电一体化中扮演着非常重要的角色。
它广泛应用于机床、自动化生产线、机器人等领域。
伺服系统具有下列特点：1.高精度：伺服系统可以实现对输出信号的精确控制，通常精度可达到小数微米或小数角度级别。
2.高可靠性：伺服系统具有较高的工作稳定性和可靠性，能够在恶劣环境和长时间工作条件下保持正常运行。
3.快速响应：伺服系统具有较快的响应速度，能够及时响应外部输入信号的变化，并迅速调整输出信号。
4.高动态性：伺服系统能够实现高速、高加速度的运动，适用于高速运动和快速变化的应用场景。
伺服系统在机电一体化中的应用非常广泛。
例如，在机床领域，伺服系统可以实现对工件的精确加工和定位；在自动化生产线上，伺服系统可以实现对物料的准确分拣和组装；在机器人领域，伺服系统可以实现对机器人的灵活运动和高精度操作。
总之，伺服系统是机电一体化中的重要组成部分，它能够实现对给定输出的精确控制，并具有高精度、高可靠性、快速响应和高动态性等特点。
伺服系统在各个领域中都有广泛的应用，对提高生产效率和产品质量起到了重要作用。
伺服系统概要
衡量伺服系统性能的主要指标有频带宽度和精度。
频带宽度简称带宽，由系统频率响应特性来规定，反映伺服系统的跟踪的快速性。
带宽越大，快速性越好。
伺服系统的带宽主要受控制对象和执行机构的惯性的限制。
惯性越大，带宽越窄。
一般伺服系统的带宽小于15HZ，大型设备伺服系统的带宽则在1～2HZ以下。
自20世纪70年代以来，由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机，使伺服系统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素，使带宽达到50HZ，并成功应用在远程导弹、人造卫星、精密指挥仪等场所。
伺服系统的精度主要决定于所用的测量元件的精度。
因此，在伺服系统中必须采用高精度的测量元件，如精密电位器、自整角机、旋转变压器、光电编码器、光栅、磁栅和球栅等。
此外，也可采取附加措施来提高系统的精度，例如将测量元件（如自整角机）的测量轴通过减速器与转轴相连，使转轴的转角得到放大，来提高相对测量精度。
采用这种方案的伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。
通过减速器与转轴啮合的测角线路称精读数通道，直接取自转轴的测角线路称粗读数通道。
伺服系统按所用驱动元件的类型可分为机电伺服系统、液压伺服系统和气动伺服系统。
最基本的伺服系统包括伺服执行元件（电机、液压缸等）、反馈元件和伺服驱动器，但是要让这个系统运转起来还需要一个上位机构：PLC、专门的运动控制卡、工控机+PCI卡、以便于给伺服驱动器发送指令。
在一个运动控制系统中“上位控制”和“执行机构”是系统中举足轻重的两个组成部分。
“执行机构”部分一般不外乎：步进电机，伺服电机，以及直流电机等。
它们作为执行机构，带动刀具或工件动作，我们称之为“四肢”；“上位控制”单元的方案主要有四种：单片机系统，专业运动控制PLC，PC+运动控制卡，专用控制系统。
“上位控制”是“指挥”执行机构动作的，我们也称之为“大脑”。
随着PC（Personal Computer）的发展和普及，采用PC+运动控制卡作为上位控制将是运动控制系统的一个主要发展趋势。
伺服系统简介
11
§4.2 伺服系统性能分析
§4.2.3 刚度特性（抗干扰）
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§4.2 伺服系统性能分析
§4.2.3 刚度特性（抗干扰）
结论：
13
§4.2 伺服系统性能分析
§4.2.3 刚度特性（抗干扰）
动态刚度：动态负载作用下的系统刚度。
14
§4.2 伺服系统性能分析
§4.2.3 刚度特性（抗干扰）
§4.2.1 静态性能
e(t ) ess 静态误差：当伺服系统稳定时，令t→∞时，系统误差极限 lim t 定义为静态误差。
以直流伺服系统为例，其数学模型如下图所示： 位置环
5
§4.2 伺服系统性能分析
§4.2.1 静态性能
位置环
6
§4.2 伺服系统性能分析
§4.2.1 静态性能
T (s) o ( s) T (s) o (s) i (s) 1 T (s) i (s) o (s)
23
§4.4 伺服系统机械谐振的控制
K L (c1 ( s ) c 2 ( s )) J z s 2c 2 ( s ) bsc 2 ( s )
U d ( s ) K d d ( s ) I d ( s )( Rd Ld s ) M d (s) K m I d (s) 1 M d ( s ) J d s d ( s ) M ( s ) i M ( s ) K L (c1 ( s ) c 2 ( s ))
第四章 伺服系统分析与综合
本章摘要 §4.1 相关的基本概念 §4.2 伺服系统性能分析 §4.3 伺服系统性能改进 §4.4 伺服系统机械谐振及其控制
1
§4.1 相关的基本概念
什么是伺服系统初步介绍
什么是伺服系统初步介绍伺服系统是一种控制系统，用于控制机械设备的运动，同时保持精确的运动位置。
其由伺服电机、位置传感器、控制器和其他组件组成。
在本文中，我们将初步介绍伺服系统，包括其工作原理、应用和优点。
一、工作原理伺服系统是由一个电动机、一个传感器和一个控制器组成的系统。
当控制器装置将信号传递到电动机上时，该电动机会使机械运动。
同时，传感器会将机械运动的位置反馈回控制器上。
控制器会根据传感器发送的信号来确定电动机的运动方式。
传感器负责不断地检测机械位置，将所得的数据通过反馈回路的方式传回给控制器。
这个回路可以帮助控制器发现是否需要微调或调整某一具体参数，以控制机械设备的准确位置。
二、应用伺服系统常用于自动化机械设备中，例如工厂中的装配线、机器人和风力涡轮。
其可以提供高精度的运动控制，使得设备位置非常准确。
此外，伺服系统也可用于纺织机、自动化包装机、及电扶梯等工业应用。
除此之外，伺服系统在医疗设备、精密数控加工工业等领域也有着广泛的应用。
由于其能够提供高度准确和可预测的位置控制，伺服系统可以帮助手术机器人完成更加安全和准确的手术。
三、优点伺服系统是自动化机械设备中非常重要的控制系统之一，它具有诸多优点。
首先，伺服系统具有高度控制的精度，可以控制机械设备的位置到微米级别。
其次，伺服系统具有很好的稳定性。
通过控制器和反馈回路，伺服系统可以克服机械设备中可能出现的摩擦、重量等特性，从而确保其始终处于良好的工作状态。
第三，伺服系统具有高效的能源利用效率。
与传统控制系统相比，伺服系统可以通过适当控制，尽可能减少功耗和能源损失，从而帮助企业降低成本。
四、结论伺服系统是一种高精度的运动控制系统，其具有广泛的应用。
伺服系统被广泛应用于制造业、医疗行业、精密加工等领域。
其能够提供诸多的优点，例如高度控制的精度、良好的稳定性和效率，使得其在自动化机械设备中有着重要作用。
伺服系统总结
伺服系统总结伺服系统是一种控制系统，由电机和驱动器组成。
它可以将机械运动与电子控制相结合，实现精确的位置、速度和力控制。
本文将对伺服系统的电机和驱动器进行详细总结。
电机是伺服系统的核心组件，它将电能转化为机械能，驱动机械执行器实现各种运动。
常见的伺服电机有直流无刷电机（BLDC）、步进电机、交流伺服电机等。
不同类型的电机适用于不同的应用场景。
直流无刷电机（BLDC）是一种先进的伺服电机，具有高效、高速、高扭矩和低维护成本的特点。
它通过电子换向器实现自动换向，不需要传统的机械换向器，使得其运行更加平稳和可靠。
BLDC电机的控制方式一般有开环控制和闭环控制两种。
开环控制是指根据电机的电压、电流和转速等参数进行控制，适用于一些简单的应用场景。
闭环控制是在开环控制的基础上加入编码器或传感器，实时监测电机的位置和速度，并进行反馈调整，以实现更精确的控制。
闭环控制广泛应用于需要高精度位置和速度控制的场合，如机床、印刷设备等。
步进电机是一种常见的伺服电机，其工作原理是根据电机的步进角度进行控制。
步进电机的控制方式有全步进和半步进两种。
全步进是每次给电机施加一个步进脉冲，使电机转动一个步进角度。
半步进是在全步进的基础上，通过控制电流的大小和方向，使电机转动一半的角度。
步进电机的优点是结构简单、控制方便，缺点是转速较低，不能实现高速和高精度的运动。
交流伺服电机是一种高性能的伺服电机，具有响应快、精度高和可靠性强的特点。
它通过电子控制器对电机供电进行频率、幅值和相位的调节，从而实现位置和速度的精确控制。
交流伺服电机适用于要求高速和高精度的应用，如机器人、自动化设备等。
驱动器是伺服系统的另一个重要组成部分，它接受来自控制器的信号，并将信号转化为电流或电压，驱动电机实现相应的运动。
驱动器的功能主要包括电源转换、信号放大、电流控制和保护等。
不同类型的电机需要不同的驱动器来实现最佳性能。
在选择驱动器时，需要考虑的因素包括电压和电流的要求、控制方式、保护功能和对外部环境的适应性。
有关伺服系统的简介
有关伺服系统的介绍第一章数控机床的伺服系统伺服系统是数控机床的重要组成部分之一。
数控机床的伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的机械位移为控制目标的自动控制系统，又称随动系统。
它将CNC装置中插补器传来的进给脉冲，经变换放大而转换成机床坐标轴的移动，从而实现加工顺序中所规定的操作。
数控装置每发送一个电压脉冲，工作台就相当于刀具移动一个基本长度单位，该长度单位称为脉冲当量。
高性能的伺服系统还能通过检测元件反馈实际的输出位置状态，并由位置调节器构成位置闭环控制。
在开环系统中伺服驱动元件常采用步进电动机，在闭环系统中则常采用直流伺服电动机或交流伺服电动机。
在数控机床中，伺服是指有关的传动或运动参数均严格按照数控装置的控制指令实现，这些参数主要包括运动的速度、运动的方向和运动的起停位置等。
数控机床的性能在很大程度上取决于进给伺服系统的性能。
第二章伺服系统的的组成伺服系统的一般结构图如2.1所示。
它是由一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环所组成。
速度环是一个非常重要的环，速度环中用作速度反馈的检测装置为测速发电机、脉冲编码器等。
速度控制单元是一个独立的单元部件，速度环由速度比较调节器、速度反馈和速度检测装置组成。
位置环是由CNC 装置中的位置控制模块速度控制单元、位置检测及反馈控制等组成。
第三章闭环伺服电机驱动系统闭环伺服驱动系统的性能指标与普通电机不同，在结构上也有着较大的差别。
它具有工作可靠、抗干扰力强、精度高等特点，但由于增加了位置检测、反馈、比较等环节，结构复杂，调试困难，价格昂贵。
3.1.直流伺服电机直流伺服电机由直流电信号进行控制，它将输入的电压控制信号快速地转换为轴上的角位移或角速度输出。
直流伺服电机信号响应迅速、输出力巨大、容易调速且调速范围宽、过载能力强、低速运转平稳，但结构复杂、制造困难，而且电刷和换向器容易磨损，影响电机转速的提高和使用寿命。
3.2.交流伺服电机交流伺服电机作为数控机床执行元件，将交流电信号转换为轴上的角位移或角速度，其间要求转子速度的快慢反应控制信号的相位。
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衡量伺服系统性能的主要指标有频带宽度和精度。
频带宽度简称带宽，由系统频率响应特性来规定，反映伺服系统的跟踪的快速性。
带宽越大，快速性越好。
伺服系统的带宽主要受控制对象和执行机构的惯性的限制。
惯性越大，带宽越窄。
一般伺服系统的带宽小于15HZ，大型设备伺服系统的带宽则在1～2HZ以下。
自20世纪70年代以来，由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机，使伺服系统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素，使带宽达到50HZ，并成功应用在远程导弹、人造卫星、精密指挥仪等场所。
伺服系统的精度主要决定于所用的测量元件的精度。
因此，在伺服系统中必须采用高精度的测量元件，如精密电位器、自整角机、旋转变压器、光电编码器、光栅、磁栅和球栅等。
此外，也可采取附加措施来提高系统的精度，例如将测量元件（如自整角机）的测量轴通过减速器与转轴相连，使转轴的转角得到放大，来提高相对测量精度。
采用这种方案的伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。
通过减速器与转轴啮合的测角线路称精读数通道，直接取自转轴的测角线路称粗读数通道。
伺服系统按所用驱动元件的类型可分为机电伺服系统、液压伺服系统和气动伺服系统。
最基本的伺服系统包括伺服执行元件（电机、液压缸等）、反馈元件和伺服驱动器，但是要让这个系统运转起来还需要一个上位机构：PLC、专门的运动控制卡、工控机+PCI卡、以便于给伺服驱动器发送指令。
在一个运动控制系统中“上位控制”和“执行机构”是系统中举足轻重的两个组成部分。
“执行机构”部分一般不外乎：步进电机，伺服电机，以及直流电机等。
它们作为执行机构，带动刀具或工件动作，我们称之为“四肢”；“上位控制”单元的方案主要有四种：单片机系统，专业运动控制PLC，PC+运动控制卡，专用控制系统。
“上位控制”是“指挥”执行机构动作的，我们也称之为“大脑”。
随着PC（Personal Computer）的发展和普及，采用PC+运动控制卡作为上位控制将是运动控制系统的一个主要发展趋势。
这种方案可充分利用计算机资源，用于运动过程、运动轨迹都比较复杂，且柔性比较强的机器和设备。
从用户使用的角度来看，基于PC机的运动控制卡主要是功能上的差别：硬件接口（输入/输出信号的种类、性能）和软件接口（运动控制函数库的功能函数）。
按信号类型一般分为：数字卡和模拟卡。
数字卡一般用于控制步进电机和伺服电机，模拟卡用于控制模拟式的伺服电机；数字卡可分为步进卡和伺服卡，步进卡的脉冲输出频率一般较低（几百K左右的频率），适用于控制步进电机；伺服卡的脉冲输出频率较高（可达几兆的频率），能够满足对伺服电机的控制。
目前随着数字式伺服电机的发展和普及，数字卡逐渐成为运动控制卡的主流。
伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器，属于伺服系统的一部分，其作用类似于变频器作用于普通交流马达。
目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法、数字化、网络化和智能化。
功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。
功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。
经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。
功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC 的过程。
整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。
伺服驱动器一般可以采用位置、速度和力矩三种控制方式，主要应用于高精度的定位系统，目前是传动技术的高端。
伺服驱动器的规格与选择伺服驱动系统的应用非常广泛，举凡需要做速度控制、位置控制、轨迹控制、追踪控制与同步运转控制等场合，都是它主要的应用范围。
在不同的运用场合虽然要求的特性规格与操作界面会有所不同，但其应用方法与控制原理可说是大同小异。
本文将说明直流伺服驱动系统的组成，伺服系统要求规格，驱动器的规格、型式、特性与工作原理，最后再介绍一些应用实例。
一个伺服电机驱动系统的基本结构如图1所示，通常包含三个主要部份：伺服电动机、速度回路驱动器与位置回路控制器。
伺服电机可根据应用的需要而决定是否加装转速计(tachometer)、光编码器(photo encoder)或剎车(braker)。
一般商品化的伺服驱动器即是指速度回路驱动器，其中包含了功率放大器与速度回路控制器，并包含适当的应用界面电路，因而能够根据应用场合做适当的组合。
位置控制器一般包含位置控制器与计算机或数字界面，亦包含一些较高层次的位置命令与参数调整等界面设定，通常为一可单独销售的产品。
附录A为日本山洋(SANYO)公司出品的PDT系列直流伺服驱动器的规格书，其主要规格如表1所列。
以PDT-093-10为例，其配合直流伺服电机为SM60-201，转子惯量为0.27×10-3Kg．cm sec2。
主回路(main circuit)是指其功率级所采用的功率转换方式，为晶体管脉宽调变(PWM)型，可逆是指可工作于正反转，因此可工作于四象限工作区。
减定规格(wave factor) 或称之为 derating factor 为波形率(form factor)的倒数。
直流伺服驱动器的wave factor系指其输出电流的平均值与rms的比值，其越接近1越好，表示其涟波电流越小，所造成的rms扭矩损也就越小，故系统的效率也就越高。
大多数的直流伺服驱动器均为模拟电压的转速输入，输入电压通常介于±10V，输入阻抗通常为10KΩ。
一般工业级伺服驱动器的瞬时最大输出电流约为其额定输出电流的2～3倍，瞬时最大输出电流直接关系到驱动系统的加速能力、伺服刚性与频宽，因此是重要的性能指针。
在选定伺服驱动器时，其速度控制范围与速度调节(speed regulation)的能力亦是重要的考虑因素。
速度控制范围直接影响到低速与高速运动的能力，一般的伺服驱动器其速控比(最高转速／最低转速)通常大于1000。
速度调节主要是指在环境变动或负载波动下其维持定速的能力，定义的项目通常包含：负载变动、电源电压变动与温度变动。
反应时间(response time)为瞬时响应的重要指标，0-1000 rpm的反应时间为一般参考标准。
在额定负载下的最高转速反应时间，在设计位置回路控制器时亦为重要的参考指标。
加减速特性主要指在最高转速的步阶响应其加减速的特性，图2(a)为直线一段加减速，图2(b)为直线两段加减速，图2(c) 为指数曲线加减速。
一般的伺服驱动器均为直线一段线性加速，但亦可根据实际应用需要选择不同加速曲线的驱动器，或在外回路位置控制加以修改。
由于伺服驱动系统大多应用于高精密快速响应的转速或位置控制系统，因此其闭回路特性就相当重要，表1的闭回路特性包含了：位置刚度(position stiffness)、1000 rpm时的回路增益(loop gain)与最高转速(2400 rpm)时的回路增益。
型式 Type 单位 PDT-093-10 PDT-093-20 PDT-093-30配适电机 Matching DC Servo Motor - SM60-201 SM80-201 U505T-002转子惯量Rotor Inertia Kg．cm．sec2 0.27 × 10-3 1.1 × 10-3 0.39 × 10-3电源 Power Reruirements - AC200/220 ±10%, 50/60Hz, 单相电源电流 Line Current A 1.5 2 1 周围条件 Enviromental Spec. - 温度：0~50C 湿度：35~85%主回路 Main Circuit - 晶体管PWM四象限减定格率 Wave Factor % 95 以上速度反馈Speed Feedback - MCTG相当(3V±5%/1000rpm) 7V+3V, -0V/1000rpm 输入Input 指令电压 Command V. V/1000rpm DC±3 Input Impedance 约10最大输出电压 Max. Output V. V DC±130 DC±130 DC±130额定输出电压 Rated Output Cur. A DC±1.5 DC±2 DC±1.1瞬时最大输出电流. Max. Inst. Output Cur. 高速时 A DC±3 DC±4.5 DC±2.5额定扭矩 Rated Torue 1000rpm Kg．cm 27 6 1.3最高速度 Kg．cm 27 6 1.3瞬时最大扭矩Max. Inst. Torque 0~1000rpm Kg．cm 5.3 14 3.7速度控制范围 Speed Cntrol Range rpm 2400~1 1200~1 3000~1速度变动 Speed Variation负荷变动 0~100% rpm 0.01电源电压变动±10 rpm 0.01温度变动 0~50C rpm 0.5反应时间 Response Time 01000rpm(90%) ms 10 13 15 0最高速率 (90%) ms 30 16 45加减速特性 Accel.Dclr. Chrst. - 直线1段闭路特性Closed Loop Chrst. Posn. Stiffness Kg．cm/0.01 3.5 10 2.5 Loop Gain (1000rpm) sec-1 120 120 12 0 Loop Gain (Max. Speed) sec-1 70 70 70外部电流限制 External Cur. Limit -保护机能 Protection - 电源电压低下、过速度、过电流、过负荷、TG异常重量 Weight Servo Ampl. kg 1.0 1.0 1.0 Power Xfmr. kg 5.5 5.5 4.0 Choke Coil kg假设一个伺服驱动系统的速度控制回路的回路转换函数(loop transferfunction)为GLV(s)，则其静态回路增益(static loop gain)为其位置误差常数(position error constant)。
实际的控制系统均有某一个程度的非线性特性，因此在实际量测一个控制系统的回路增益时均是在闭路控制的情况下，选择一个工作点再利用频率响应分析仪(frequency response analyzer)量测其小信号的回路增益，因此测试结果常标示其工作点。