第六章闭环伺服系统
机床数控技术：第6章 数控伺服系统
6.2 伺服电动机
伺服电动机是数控伺服系统的重要组成部分， 是速度和轨迹控制的执行元件。
数控机床中常用的伺服电机： ● 直流伺服电机（调速性能良好） ● 交流伺服电机（主要使用的电机） ● 步进电机（适于轻载、负荷变动不大） ● 直线电机（高速、高精度）
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6.2.1 直流伺服电机及工作特性
6.1 概述
伺服系统的性能直接关系到数控机床执行件的 静态和动态特性、工作精度、负载能力、响应快慢 和稳定程度等。所以，至今伺服系统还被看做是一 个独立部分，与数控装置和机床本体并列为数控机 床的三大组成部分。
按ISO标准，伺服系统是一种自动控制系统，其 中包含功率放大和反馈，从而使得输出变量的值紧 密地响应输入量的值。
数控机床常用的直流电动机有： ●直流进给伺服系统：永磁式直流电机； ●直流主轴伺服系统：励磁式直流电机；
图6.5 直流伺服驱动系统的一般结构
32
6.2.1 直流伺服电机及工作特性
直流电动机原理
根据法拉第电磁感应定理 当载流导体位于磁场中，导
体上受到的电磁力F:
F = B ×L× i
B：磁场的磁通密度； L： 导体长度； i：导体中的电流。 F、B、i之间的方向关 系可用左手定则确定。
29
6.1 概述
6.1.4 伺服系统的发展 由于直流电动机存在换向火花和电刷磨损等问题
，美国通用电气(GE)公司于1983年研制成功采用 笼型异步交流伺服电动机的交流伺服系统。采用 矢量变换控制变频调速，使交流电动机具有和直 流电动机—样的控制性能，又具有机构简单、可 靠性高、成本低，以及电动机容量不受限制和机 械惯性小等优点。 日本于1986年又推出了全数字交流伺服系统。
28
闭环伺服系统
W
摩尔条纹节距
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光栅位置检测装置 W、ω、θ之间的关系 θ
BC=ABsin(θ/2) 其中 BC=ω/2 ， AB=W/2 ， 因此 W=ω/sin(θ/2)
ω
ω
ω
光栅 节距
标尺光栅 B C θ/2 W/2 θ 指示光栅
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3．检测元件的特点
感应同步器——抗干扰能力强，对环境要求低，维护简单、
价格低，寿命较长，具有一定精度、应用较广。
光栅——抗干扰能力强，高分辨率、大量程、测量精度高、
应用广泛，但成本较高，制造工艺要求高。
磁栅——抗干扰能力强，对环境条件要求低，安装调整方
旋转变压器的应用 转子旋转后，两个激磁电压在转子绕组中产生的 感应电压线性叠加得总感应电压为： U=kUssin θ+kUccos θ =kUmcos(ωt-θ) 由上式可知感应电压的相位角就等于转子的机 械转角θ。因此只要检测出转子输出电压的相位角 ，就知道了转子的转角，而且旋转变压器的转子 是和伺服电机或传动轴连接在一起的，从而可以求 得执行部件的角位移。
K=500, 即放大500倍，这样光栅节距虽小，摩尔条纹 的节距却有5mm，因此摩尔条纹清晰可见，易于测 量。
b. 误差均化作用
摩尔条纹是由许多根刻线共同形成的， 这样可使光栅的节距误差得到平均化。
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光栅位置检测装置 c. 测量位移
驱动 值比较大，信噪比好，光电密度为200线/mm时，光栅本身就已 电路
经细分到.005mm从而减轻了电子线路的负担。
光源 透镜 指示光栅Gi
光电元件
驱动电路
《闭环伺服系统设计》课件
自动化生产线伺服系统需要具备高精 度、快速响应和同步控制能力，以确 保生产线的稳定运行。
航空航天伺服系统
航空航天伺服系统是用于控制航 空器和航天器运动的关键技术之 一，具有高精度、高可靠性和耐
极端环境的特点。
航空航天伺服系统需要适应高速 、高海拔和强辐射等极端环境， 确保飞行器和航天器的安全和稳
定。
制作过程中应注重工艺控制， 保证电路板的加工精度和可靠 性。
电机驱动电路设计
01
电机驱动电路是伺服系统的动力 来源，其设计直接影响到伺服系 统的性能。
02
电机驱动电路设计应充分考虑电 机的电气特性，如电压、电流、 电阻等，以确保电机正常工作。
设计中应注重控制精度和响应速 度，以满足伺服系统的需求。
系统调试与优化
系统调试步骤
介绍系统调试的基本步骤、调试方法以及在闭 环伺服系统中的应用。
系统优化技巧
阐述系统优化的基本原则、优化方法以及在闭 环伺服系统中的应用。
性能测试与评估
介绍性能测试的方法、评估标准以及在闭环伺服系统中的应用。
2023
PART 05
闭环伺服系统应用案例
REPORTING
数控机床伺服系统
驱动方式
根据电机类型选择合适的驱动电路或驱动器，如H桥、三相逆变器等。
电Hale Waihona Puke 参数根据系统性能指标确定电机的转速、转矩、功率等参数。
电机控制
通过调整输入电压或电流实现对电机的速度和位置控制。
传感器与反馈控制
传感器类型
选择能够准确测量系统状态（如位置 、速度、加速度等）的传感器。
反馈控制
通过传感器反馈的系统状态信息，与 理想状态进行比较，形成误差信号， 用于调整系统输出。
闭环伺服系统设计
主控界面设计
设计简洁明了的主控界面，方便用户进行系统监控和控制。
自定义报表和图形显示
根据用户需求，设计各类报表和图形显示，提供直观的数 据分析和可视化功能。
05 闭环伺服系统调试与优化
系统调试流程
硬件检查
检查伺服系统的硬件连接是否 正确，确保电机、编码器、驱
数据分析
对记录的数据进行统计分析，找出最优的控制参数组合。
参数应用
将最优的控制参数应用到伺服系统中，并进行验证和确认。
06 闭环伺服系统发展趋势与 展望
新技术与新材料的应用
01
数字孪生技术
利用数字孪生技术建立系统的虚拟模型，实现物理系统与数字模型的实
时交互，提高系统的预测和优化能力。
02
新型传感器技术
模糊控制算法
基于模糊逻辑和专家经验， 处理不确定性和非线性问 题，提高系统鲁棒性。
神经网络控制算法
模拟人脑神经元网络，通 过学习自适应调整系统参 数，实现复杂系统的智能 控制。
通信协议设计
串行通信协议
如RS-232、RS-485等，实现设备间的数据传输和命令控制。
网络通信协议
如TCP/IP、UDP等，实现远程数据交换和控制，提高系统扩展性。
驱动器选型与设计
01
02
03Байду номын сангаас
驱动器类型选择
根据电机类型和控制需求， 选择合适的驱动器类型， 如直流电机驱动器、交流 电机驱动器等。
驱动器参数匹配
根据电机参数和控制要求， 选择合适的驱动器参数， 如电压、电流、功率等。
驱动器控制算法
根据电机控制策略，设计 驱动器的控制算法，如 PID控制、模糊控制等。
伺服系统的开环控制与闭环控制
伺服系统的开环控制与闭环控制伺服系统是一种能够对输出进行精确控制的系统。
在伺服系统中，输出通常指的是某种物理量，例如位置、速度或者力。
开环控制和闭环控制是伺服系统两种主要的控制方式。
一、开环控制开环控制又称为非反馈控制。
在该模式下，控制器没有反馈被控制量的信息。
相反，控制器根据已知的输入信号和系统的静态和动态特性进行计算，输出控制信号。
由于开环控制没有考虑系统的实际输出值，所以结果可能会受到许多外部因素的影响而导致不稳定，例如系统的负载或环境温度变化。
开环控制通常应用于简单的系统或者那些对输出精确度要求不高的系统中。
二、闭环控制闭环控制又称为反馈控制。
在该模式下，控制器通过传感器获取被控制量的实际输出值，并将其返回至控制器，以便计算误差并相应地调整输出信号。
闭环控制通常比开环控制更加精确，因为它可以对实际输出值进行即时调整。
当然，在闭环控制模式下，系统所需的硬件和软件成本也更高。
闭环控制通常应用于对输出精度要求高且稳定性要求高的系统中。
三、开环控制和闭环控制的比较总的来说，开环控制和闭环控制各有优缺点。
开环控制通常比较简单，并且可以为系统提供基本的控制。
但是，由于其不考虑实际输出值的变化，所以其控制精度较低，对于环境变化比较敏感。
闭环控制虽然成本高，但其控制精度相对较高，可以从控制误差中学习并自我调节。
此外，由于它可以实施实时调整，所以闭环控制通常比开环控制更稳定。
四、结论在伺服系统中，开环控制和闭环控制是两种常见的控制模式。
适合哪种控制模式应该根据具体情况而定，包括对所需控制的输出精度要求、系统成本、环境条件等各种因素的影响。
闭环伺服系统结构特点
闭环伺服系统结构特点
一、引言
闭环伺服系统是一种常见的控制系统，其结构特点决定了其在工业自动化领域的广泛应用。
本文将从以下几个方面对闭环伺服系统的结构特点进行详细介绍。
二、闭环伺服系统的基本组成
1. 传感器：用于检测被控对象的状态或位置，将信号转换为电信号送入控制器；
2. 控制器：处理传感器反馈信号，并根据设定值和反馈信号计算出控制指令；
3. 执行机构：根据控制指令执行动作，如电机、液压缸等。
三、闭环伺服系统的工作原理
1. 传感器检测被控对象状态或位置，并将信号送入控制器；
2. 控制器处理传感器反馈信号，并根据设定值和反馈信号计算出控制指令；
3. 控制指令送入执行机构，执行机构按照指令执行动作；
4. 执行机构动作产生反馈信号，传回给控制器；
5. 控制器根据反馈信号调整控制指令，使得被控对象达到设定值。
四、闭环伺服系统的优点
1. 精度高：闭环伺服系统通过反馈控制，可以实现对被控对象的精确控制；
2. 稳定性好：闭环伺服系统可以根据反馈信号实时调整控制指令，保证被控对象的稳定性；
3. 响应速度快：闭环伺服系统可以根据反馈信号实时调整控制指令，响应速度快。
五、闭环伺服系统的应用领域
1. 机器人：闭环伺服系统可以用于机器人的运动控制；
2. 飞行器：闭环伺服系统可以用于飞行器的姿态控制；
3. 机床：闭环伺服系统可以用于机床的位置和速度控制。
六、结论
闭环伺服系统是一种精确、稳定、响应速度快的控制系统，其基本组成包括传感器、控制器和执行机构。
在机器人、飞行器、机床等领域得到了广泛应用。
数控机床 课件 闭环伺服系统
e’(t)
比较器 功率放大器
u4
伺服 电机
D(t)
+
调制信号发生器
PWM-M 特点： 开关频率高，仅靠电枢的电感作用， 即可获得满意的滤波作用，近似直流。无论高速或 低速电机转速和扭矩平滑均匀，调速比可以做得很 大，且发热小，寿命长。
(二) 交流伺服电动机的调速
电流检测反馈
uk
α UD
M
速度检测及反馈 位置检测及反馈
M M
特点：工作频率低，输出电压波形差，电流脉动分量大， 这不但使电机发热，工作条件恶化，也影响电网电压 波动。
3. 脉宽调制 (PWM) 原理与系统
PWM — Pulse Width Modulation 1) 脉宽调速原理 直流电源电压U经开关S 转换为一定频率的方波电压加到 直流电机电枢上，通过对方波 脉冲宽度的控制，就可改变电枢 S
1.交流调速方法
交流电动机调速公式：
n = 60 f1(1-S)/P
f1: 定子电源频率 → 变频调速 高效率、 宽范围、 高精度 P: 磁极对数 S: 转差率 → 变 P调速 → 变 S调速
(二) 交流伺服电动机的调速 2. PWM型变频器
构成
产生恒定的直流电压，输出给逆变器。
二极管整流器：交—直变换，经电容器滤波平滑，
3.PWM 控制信号形成
正弦波控制信号 A 三角波控制信号
O
*正弦波——三角波调制：输出波形的平均值按正弦波形式变化
*方波、正弦波 ——控制信号，频率、幅值均可调，决定逆变器 的输出频率和幅值，可以由矢量变换控制获得。
*两信号交叉点——调制信号，即逆变器功率晶体管基极的控制 信号
伺服系统培训课件
出；使能信号与否接通；冷却润滑条件与 否满足；电磁制动与否释放；驱动单元故 障；伺服电动机故障 位置误差—系统设置旳允差过小；伺服增益 设置不妥；位置检测装置有污染；进给传 动链累积误差过大；主轴箱垂直运动时平 衡装置不稳
第二节 进给伺服系统
• 漂移—当指令值为零时，坐标轴仍移动从 而导致位置误差。通过漂移赔偿和驱动单 元上旳零速调整来消除
第二节 进给伺服系统
一、常见进给驱动系统 1.直流进给驱动系统 FANUC企业直流进给驱动系统
小惯量L、中惯量M系列直流伺服电动机 采用PWM速度控制单元 大惯量H系列直流伺服电动机，采用晶闸 管速度控制单元 均有过速、过流、过载等多种保护功能
第二节 进给伺服系统
一、常见进给驱动系统 1.直流进给驱动系统 SIEMENS企业直流进给驱动系统
• 回参照点故障—有找不到和找不准参照点 两种故障，前者重要是回参照点减速开关 产生旳信号或零标志脉冲信号失效所致， 可用示波器检测信号；后者是参照点开关 挡快位置设置不妥引起，只要重新调整即 可
第三节 位置检测装置
• 位置环是外环，其指令脉冲来自NC经插补 运算（包括对伺服系统位置和速度旳规定）
一、位置检测装置旳维护 4.旋转变压器 输出电压与转子旳角位移有固定旳函数关
• 位置环是伺服系统中重要旳一环，检测元 件旳精度直接影响机床旳位置精度（闭环 常用光栅，半闭环常用编码器）
• 故障形式是在CRT上显示报警号和信息 • 轮廓误差、静态误差监视报警和测量装
置监控报警
第三节 位置检测装置
第三节 位置检测装置
一、位置检测装置旳维护 1.光栅 透射光栅与反射光栅 光栅输出信号：二个相位和一种零标志 维护注意点
第六章闭环伺服系统
第六章闭环伺服系统
第六章闭环伺服系统
第六章闭环伺服系统
第六章闭环伺服系统
第六章闭环伺服系统
第六章闭环伺服系统
第六章闭环伺服系统
串行绝对式编码器
➢安川产品； ➢Heidenhain为代表的EnData。
第六章闭环伺服系统
6.3.3 反馈脉冲计数电路的实现方法
➢通用IC电路：多采用4位UP/DOWN计数器（例 如74LS169/669）级联而成，一般为16位/24位。 ➢专用计数电路：例HCTL2000系列芯片，片内带 有数字滤波、四倍频、16位U/D计数电路、三态输 出等功能。 ➢专用轴控制芯片：例如MCX312/314系列，片内 不但具有脉冲计数功能，还具有常用的插补功能 和开关量（限位）控制等功能。 ➢使用PLD器件，通过软件编程得到计数逻辑。
光栅
第六章闭环伺服系统
6.3 .1 脉冲编码器 ➢增量式/相对式脉冲编码器
第六章闭环伺服系统
第六章闭环伺服系统
第六章闭环伺服系统
第六章闭环伺服系统
第六章闭环伺服系统
莫尔干涉条纹的特点：
➢放大作用;
W表示栅距，B表示莫尔条纹的纹距（宽 度），θ表示光栅条纹的夹角。则：
Wcos
B
2
si n()
第六章闭环伺服系统
6.4 闭环伺服系统的部件互连
以安川伺服系统为例。
第六章闭环伺服系统
6.5 闭环系统的控制方式
第六章闭环伺服系统
第六章闭环伺服系统
第六章闭环伺服系统
第六章闭环伺服系统
6.6 伺服单元应用举例
第量的3倍，最佳条 件为二者相等。
第六章闭环伺服系统
6.1.3 直线电机
❖速度快； ❖直接驱动工作台，无机械中间环节，精 度高； ❖安装维护和调试复杂。
闭环进给伺服系统的工作原理
闭环进给伺服系统的工作原理一、引言闭环进给伺服系统是一种广泛应用于机床、自动化生产线等领域的控制系统，它具有高精度、高速度、高可靠性等优点。
本文将详细介绍闭环进给伺服系统的工作原理。
二、基本概念1. 伺服系统：是指通过对被控对象进行反馈控制，使其输出与输入之间的误差达到最小，并保持在一定范围内的一种控制系统。
2. 闭环控制：是指将被控对象的输出信号作为反馈信号送回到控制器中进行比较，从而实现对被控对象输出信号的精确调节。
3. 进给：是指机床在加工过程中工件相对于刀具沿着加工轨迹移动的过程。
4. 伺服进给系统：是指通过对机床进给轴进行反馈控制，使其能够实现高精度、高速度、高可靠性的进给运动。
三、闭环进给伺服系统组成1. 传感器：用于检测机床进给轴位置或速度等参数，并将检测结果转换成电信号送回到控制器中。
2. 控制器：根据传感器反馈的信号，计算出误差，并通过控制信号控制执行机构，使机床进给轴实现精确控制。
3. 执行机构：是指根据控制信号驱动进给电机或液压缸等装置，实现机床进给轴的运动。
四、闭环进给伺服系统工作原理1. 传感器检测：传感器通过检测机床进给轴位置或速度等参数，并将检测结果转换成电信号送回到控制器中。
传感器一般采用光电编码器、霍尔元件等。
2. 控制器计算：控制器通过比较传感器反馈的信号与设定值之间的误差，计算出控制量，并将其转换成电信号送到执行机构中。
控制器一般采用单片机、DSP等。
3. 执行机构驱动：执行机构根据接收到的电信号，驱动进给电机或液压缸等装置，实现对机床进给轴的精确控制。
4. 反馈调节：执行机构输出的运动状态通过传感器进行监测和反馈，形成一个闭环系统。
当被监测量与设定值之间存在误差时，控制系统会根据误差的大小和方向来调节执行机构的输出，使误差逐渐减小，直至达到设定值。
五、闭环进给伺服系统特点1. 高精度：传感器对机床进给轴位置或速度等参数进行实时监测和反馈，控制器通过计算误差并调节执行机构输出，可以实现高精度的进给运动。
《闭环伺服系统设计》课件
闭环伺服系统具有快速响应、精准控制和抗干扰能力强等特点，广泛应用于机械、电子和自 动化领域。
闭环控制系统
1
动态特性分析
闭环控制系统的动态特性包括稳态误差、超调量和调整时间等，影响着系统的响 应速度和稳定性。
2
性能指标
常用的闭环控制系统性能指标有稳态误差、超调量、调整时间和稳定裕度等，用 于评估系统的控制质量。
馈环路等关键步骤。
3
参数调整方法
常用的PID控制器参数调整方法包括 试-误法、Ziegler-Nichols法和优化算 法等，用于优化控制系统的性能。
强化学习
1 基本原理
强化学习是一种机器学习方法，通过智能体与环境的交互，通过试错来学习最优策略， 广泛应用于闭环伺服系统中。
2 应用
强化学习在闭环伺服系统中可以用于优化控制策略、自适应参数调整和解决复杂非线性 控制问题等。
《闭环伺服系统设计》 PPT课件
欢迎来到《闭环伺服系统设计》的课程！在本课程中，我们将深入探讨闭环 伺服系统的原理、设计和应用，帮助您了解并掌握这一重要领域的知识。
什么是闭环伺服系统
定义
闭环伺服系统是一种能根据反馈信号进行调整的控制系统，它可以实现精确的位置或速度控 制。
组成
闭环伺服系统由传感器、执行器、反馈环路和控制器等组件组成。
设计
模糊控制系统的设计包括建立模糊规则库、 设计输入输出变量的隶属函数和制定模糊推 理规则等步一种经典的闭环控制方法，
系统设计
2
通过比较控制目标与反馈信号的偏差， 计算出控制输出，实现控制系统的稳
PID控制系统的设计包括选择适当的
定与精确。
控制器参数、调整控制增益和设计反
传感器
机电一体化第六章伺服驱动控制系统设计
钟。 F.体积小、自定位和价格低是步进电动机驱动控制的三大优势。 G. 步进电机控制系统抗干扰性好
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二、 伺服驱动控制系统设计的基本要求
1. 高精度控制 2. 3. 调速范围宽、低速稳定性好 4. 快速的应变能力和过载能力强 5. 6.
闭环调节系统。
(4) ①
② 调节方法。
(5) ① 使用仪器。用整定电流环的仪器记录或观察转速实际值波形，电
② 调节方法。
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六、 晶体管脉宽(PWN)直流调速系统
晶体管脉宽直流调速系统与用频率信号作开关的晶闸管系统相比，具 (1) 由于系统主电源采用整流滤波，因而对电网波形影响小，几乎不 (2) 由于晶体管开关工作频率很高（在2 kHz左右），因此系统的 (3) 电枢电流的脉动量小，容易连续，不必外加滤波电抗器也可平稳 (4) 系统的调速范围很宽，并使传动装置具有较好的线性，采用Z2
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(2) ① A. 步进电动机型号：130BYG3100D (其他型号干扰大) B. 静转矩15 N·m C. 步距角0.3°/0 6°
D. 空载工作频率40 kHz E. 负载工作频率16 kHz ② A. 驱动器型号ZD-HB30810 B. 输出功率500 W C. 工作电压85～110 V D. 工作电流8 A E. 控制信号，方波电压5～9 V，正弦信号6～15 V ③ 控制信号源。
(3) ① 标准信号控制系统（如图6-16） ②检测信号控制系统 （如图6-17）
③ 计算机控制系统（如图6-18）
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图6-16 标准信号控制系统图 图6-17 检测信号控制系统图 图6-18 计算机控制系统图
闭环伺服系统结构特点
闭环伺服系统结构特点引言闭环伺服系统是一种常见的控制系统，被广泛应用于工业自动化、机械控制以及电子设备等领域。
本文将对闭环伺服系统的结构特点进行全面、详细、完整且深入地探讨。
一. 闭环伺服系统概述闭环伺服系统由传感器、控制器和执行器组成。
其中，传感器用于监测被控变量的状态，控制器根据传感器反馈的信息进行计算并产生相应的控制信号，最终由执行器完成动作。
闭环伺服系统的特点在于其具有反馈控制机制，通过不断对被控变量进行测量并与设定值进行比较，系统可以自动调整控制信号以实现精确控制。
二. 闭环伺服系统的结构特点闭环伺服系统具有以下结构特点：1. 传感器传感器是闭环伺服系统的重要组成部分，用于实时监测被控变量的状态。
传感器可以是物理量传感器，如温度传感器、压力传感器等，也可以是位置传感器、速度传感器等。
传感器将被控变量的状态转换为电信号，传递给控制器进行处理和分析。
2. 控制器控制器是闭环伺服系统的核心部分，负责计算控制信号以实现对被控变量的精确控制。
控制器通常采用微处理器、DSP芯片等计算设备，利用反馈控制算法对传感器反馈的信息进行分析和处理。
控制器根据测量值与设定值之间的差异计算出控制信号，并通过输出接口将信号传递给执行器。
执行器是闭环伺服系统的输出端，用于实现控制信号的动作。
执行器可以是电动机、伺服阀、液压缸等，根据被控变量的不同而选择不同的执行器。
执行器将控制信号转换为相应的动作或力，并作用于被控对象，从而实现对被控变量的控制。
4. 反馈回路闭环伺服系统的关键特点在于其具有反馈回路。
反馈回路是指从执行器输出到传感器输入之间的连接路径，它将被控对象输出的实际值反馈给控制器，用于控制器对控制信号的修正。
通过不断测量和比较实际值与设定值之间的差异，系统可以自动调整控制信号，达到对被控变量的精密控制。
三. 闭环伺服系统的工作原理闭环伺服系统按照以下步骤工作：1. 传感器测量传感器实时测量被控变量的状态，并将其转换为电信号。
闭环伺服系统设计PPT学习教案
交流伺服技术的发展使其不仅具有直流伺服电机那样的 优良静、动态性能，并且具有无电刷磨损、维修方便、价格 便宜等优点，在大、中型功率的伺服系统中有逐步取代直流 的趋势。
交流伺服电机分同步型和异步型交流伺服电机两种。
同步型交流伺服电机常用于位置伺服系统，如数控机床进
给系统，机器人关节伺服系统及其他机电一体化产品的
式中￡为系统阻尼比
c n 1 4 4 2 2
arctan
2
1 4 4 2 2
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伺服系统校正
计算伺服系统开环频域性能指标后，判断系统是否需要增加校正环节。 一般情况下，按照确定的参数来设计的实际系统，都需要校正才能是指标的 得到满足。
校正的工程方法有根轨迹法和频率法两种。其本质都是引入校正装置，
第16页/共19页
控制系统设计
控制系统方案的确定，主要是确定执行元件和伺服控制方式。根据前面讲的 元件的选择，校正环节的添加，涉及系统。
对于直流伺服电机采用晶体管脉宽调制还是采用晶闸管放大器驱动控制。对 相控制，
伺服系统的控制方式有模拟控制和数字控制，每种控制方式又有多种不同的 控制算法。像之前同学讲过的PWM（脉冲宽度调制）就是一种模拟控制。
步器等。如被测量为角位移，则应选取圆形的角位移传
感器，如光电编码器、圆感应同步器、旋转变压器、码
盘等。
一般来讲，半闭环控制的伺服系统主要采用角位移
传感器，全闭环控制的伺服系统主要采用直线位移传感
器。
选择传感器还应考虑结构空间及环境条件等的影
响
。
在位置伺服系统中，为了获得良好的性能，往往还
要对执行元件的速度进行反馈控制，因而还要选用速度
滞后r度，系统将处于临近稳定状态。 2 幅值裕度 设Wx为系统的穿越频率 Φ（wx)=∠G（jωc）H(ωc) =(2k+1) π ;k=0, ± 1...... 定义幅值裕度为 h= GM 1
闭环伺服系统的原理框
闭环伺服系统的原理框闭环伺服系统是一种能够根据反馈信号自动调整系统输出的控制系统。
它是由一个用来测量系统输出状态的传感器、一个用来比较系统输出与期望输出的比较器、一个用来根据比较结果调整输出的控制器和一个用来驱动执行机构的执行器组成。
闭环伺服系统通过不断地测量输出信号，与期望输出信号进行比较，并根据比较结果调整输出信号，来使系统的输出信号逐渐接近于期望输出信号。
闭环伺服系统的原理框图如下所示：输入信号> 比较器> 控制器> 执行器> 输出信号↑↓反馈信号在闭环伺服系统中，输入信号是指期望输出信号，比较器的作用是将输入信号与反馈信号进行比较，得到比较结果。
比较结果会作为控制器的输入，控制器根据比较结果产生控制信号，该控制信号会驱动执行器进行动作，从而改变系统的输出信号。
执行器的动作会被传感器感知，并将反馈信号发送给比较器，形成闭环。
闭环伺服系统的工作原理是基于控制器具有自适应调整的能力。
比较器将期望输出信号与反馈信号进行比较后，如果比较结果不等于0，即存在误差。
控制器会根据误差大小和误差的变化趋势，自动调整输出信号，使误差逐渐减小。
当误差减小到很小甚至为0时，系统的输出信号接近于期望输出信号，系统达到了稳态。
闭环伺服系统的优点是稳定性好、鲁棒性强、灵活性高等。
通过不断地测量反馈信号并进行调整，系统能够自动适应外界环境的变化，保持输出信号的稳定性。
另外，闭环伺服系统还可以根据需要进行参数调整，以适应不同的工作条件和要求。
闭环伺服系统主要应用于机械控制、电动机控制、机器人控制等领域。
在机械控制中，闭环伺服系统可以实现位置、速度、力矩等的精确控制，保证机械设备的正常运行。
在电动机控制中，闭环伺服系统可以实现电动机的精确控制，提高电动机的运行效率和工作性能。
在机器人控制中，闭环伺服系统可以实现机器人的精确控制，使其能够完成各种复杂的任务和动作。
综上所述，闭环伺服系统是一种能够根据反馈信号自动调整系统输出的控制系统。
闭环伺服系统教案
结论：变频器实现变频调压的
关键是逆变器控制端获得要求
的控制波形（如SPWM波）。
4、矢量控制及直线电动机内容由学生自学
二、鉴相式伺服系统
1）鉴相式伺服系统的组成
基准信号发生器输出：一定频率的脉冲信号作用：为伺服系统提供相位比较基准
检测元件及信号处理线路作用：检测工作台的位移，表达成与基准信号之间的相位差。
方法：将基准信号作为激磁信号，输出感应电压，它
2鉴相器的组成及工作原理
2鉴幅式伺服系统的工作方式
工作过程：a.根据偏差进行控制 b.数字脉冲 数码 c.直接用可逆计数器
d.数码 数字脉
数字脉冲比较系统的主要功能部件
1）功能部件
数码转化为数字脉冲线路图
本课的知识内容比较抽象，采用传统的教学模式教学，学生。
位置闭环伺服系统
控制特点
控制特点
闭环控制系统在控制上具有以下特点：由于输出信号的反馈量与输入量作比较产生偏差信号，利用偏差信号 实现对输出量的控制或者调节，所以系统的输出量能够自动地跟踪输入量，减小跟踪误差，提高控制精度，抑制 扰动信号的影响。除此之外，负反馈构成的闭环控制系统还有其他的优点：引入反馈通路后，使得系统对前向通 路中元器件参数的变化不灵敏，从而使系统对于前向通路中元器件的精度要求不高；反馈作用还可以使得整个系 统对于某些非线性影响不灵敏 。
原理
原理
基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较 系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输 入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控 制系统又称为闭环控制系统。反馈控制是自动控制的主要形式。自动控制系统多数是反馈控制系统。在工程上常 把在运行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称为自动调节系统，而把用来精确地跟随或实现某种过程 的反馈控制系统称为伺服系统或随动系统。
基本组成
基本组成
一个典型的反馈控制系统的基本组成可以用图1.8所示的框图表示。将组成系统的元件按在系统中的职能来 划分，主要有以下几种：
(1)给定元件：给出与期望输出对应的输入量。 (2)比较元件：求输入量与反馈量的偏差，常采用集成运算放大器(简称集成运放)来实现。 (3)放大元件：由于偏差信号一般较小，不足以驱动负载，故需要放大元件，包括电压放大及功率放大。 (4)执行元件：直接驱动被控对象，使输出量发生变化。常用的有电动机、调节阀、液压马达等。 (5)测量元件：检测被控量并转换为所需要的电信号。在控制系统中常用的有用于速度检测的测速发电机、 光电编码盘等；用于位置与角度检测的旋转变压器、自整机等；用于电流检测的互感器及用于温度检测的热电偶 等。这些检测装置一般都将被检测的物理量转换为相应的连续或离散的电压或电流信号。 (6)校正元件：也叫补偿元件，是结构与参数便于调整的元件，以串联或反馈的方式连接在系统中，完成所 需的运算功能，以改善系统的性能。根据在系统中所处的位置不同，可分别称为串联校正原件和反馈校正元件 。
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第六章 闭环伺服系统
第一节 闭环伺服系统组成方案
• 伺服系统，也称为随动系统，是一种能够及时跟 踪输入给定信号并产生动作，从而获得精确的位 置、速度等输出的自动控制系统。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。
第二节 伺服系统的数学模型
传递函数：输出量的Laplace变换与输入量的 Laplace变换之比。 一般性的伺服系统可分为三个控制环路： 1. 电流环 a. 电流环以直流电动机的电枢电流为反馈量； b. 电流环的主要作用是通过调节功率放大器输出电压， 使得电动机的转矩跟踪希望的设定值 ； c. 电流环可以看作是一个惯性环节，若忽略其时间常 数，可看作是比例环节。
特点：位置环采用PI控制器，系统从I型提高到II型，系统对 参考输入做到了二阶无静差，对负载转矩做到了一阶无静差。
• 2. 复合控制器
复合控制器就是在反馈控制器的基础上附加一 个前馈控制器。
第五节 数字控制器设计与实时控制算法
• 一、数字PID控制算法
按偏差的比例、积分和微分进行控制的PID调节器。其 参数整定方便，结构改变灵活（P, PI, PD, PID等），工 业中广泛应用。 P的作用是增加开环增益，降低系统稳态误差；I的作 用是使系统增加一阶纯积分，从而提高系统一个无静差度； D的作用是给系统提供阻尼，增加稳定性。
• 二、采样周期选择
准则1：若考虑对系统响应速度的影响，采样周期应 小于或等于系统的最小时间常数。 准则2：若考虑系统的抑制干扰能力，采样速率应为 闭环系统通频带的10倍以上。 准则3：实时算法程序所花费的时间总和最好小于采 样周期的1/10。
• 三、量化误差
任何微形计算机都是有限字长的，从而会形成 量化误差； 舍入误差由四舍五入量化器产生，截断误差由 截断低位数量化器产生； 量化误差的直接影响是在数字系统中引入量化 噪声。
第一节 闭环伺服系统组成方案
• 闭环伺服系统的组成方案
根据在系统中传递的信号形式不同，伺服系统分为 三类： 1. 模拟式伺服系统 a. 以模拟电压为位置指令 b. 以给定位移为位置指令 1. 参数脉冲系统 2. 采样—数据系统（计算机闭环控制系统）
第二节 伺服系统的数学模型
为了从理论上对系统进行分析及设计，至关重 要的是获得系统的数学模型，一般为描述输入和 输出关系的微分方程或传递函数。 步骤：①分析系统工作原理，确定输入量、输出 量和中间物理量； ②根据物理规律求出各物理变量间的微分方程或 传递函数； ③求出系统输入量与输出量之间的微分方程或传 递函数。
K P KV K t KR Ra
第三节 性能分析
• 二、动态性能 典型的二阶系统： 2 n ( s) 2 2 s 2 n s n
Xi (s) 2 n s(s +2n ) Xo (s)
以阶跃响应为例，其输出信号为：
1 c( s ) 2 2 s 2n s n s
第一节 闭环伺服系统组成方案
• 闭环伺服系统介绍
a. 闭环伺服系统是反馈控制系统，是控制器、受 控对象、反馈装置、以及比较器等部分组成。 b. 与开环伺服系统相比，闭环伺服系统具有精度 高、动态性能好、对环境变化灵敏度低，搞干扰 能力强等优点。 c. 全闭环与半闭环：间接测量的系统称为半闭环 系统；直接测量的系统称为全闭环系统。
第二节 伺服系统的数学模型
2. 速度环 a. 速度环以电机轴的转速为反馈量； b. 速度环Байду номын сангаас传递函数是一个惯性环节。 3. 位置环 位置反馈采用模拟式或数字式测量元件。
第三节 性能分析
伺服系统的性能指标包括静态和动态两个方面： 一、 静态性能
1.静态误差
静态误差又称稳态误差，若系统是稳定的，利用拉 氏变换终值定理，可以表示为：
ess lim s e ( s )
s 0
第三节 性能分析
a. 输入参考指令为单位阶跃
ess 0
b. 输入参考指令为单位斜坡
essv
1 K p KV
Kf
第三节 性能分析
• 2 伺服刚度 伺服系统的刚度定义为输出轴的单位位置 误差所能承受的负载转矩。根据定义，伺服 刚度为：
2 n
ξ为阻尼比，>0
第三节 性能分析
动态性能主要包括： 1. 系统自然频率 2. 阻尼比 3. 调整时间 4. 超调量
三、性能改进措施
• PI控制器 PI调节器框图如图所示：
Xi(s) E(s)
+
-
1 K p (1 ) Ti s
M(s)
G (s)
Xo(s)
M ( s) 1 Gc ( s) K p 1 E ( s) Ti s