伺服系统
伺服系统
加减速时间设定
加减速用加减速时间的长短来设定，加减速时间越短，速度变化大， 系统易引起振荡；反之，系统的响应性变慢。加减速有线性加减速和指 数加减速。在线性加减速中，加速度有突变，应根据负载惯量核算最大 可达到的加速度，从而确定加速到最大速度所需要的时间；在指数加减 速中，加速度变化无突变，速度变化平稳，必须设定加减速总时间和加 减速升降速时间。
以移动部件的位置和速度作为控制量的 自动控制系统。
伺服系统
伺服系统组成
机电一体化技术
伺服系统组成
位置控制 + 位置控制 调节器 — 速度控制
+
—
--
位置 指令
速度控制 调节器
功率 驱动
机械传动机构
实际速度反馈 速度检测 电机 实际位置反馈 位置检测
伺服系统
伺服系统组成
机电一体化技术
基本工作原理
伺服系统
伺服系统参数
机电一体化技术
v、a v a
v、a
v
a
O t O
ta
t1
ta
t2
t
线性加减速
指数加减速
伺服系统
伺服系统参数
机电一体化技术
阻尼
运动中的机械部件易产生振动，其振幅取决于系统的阻尼和固有频率， 系统的阻尼越大，振幅越小，且衰减越快。运动副（特别是导轨）的摩擦阻 尼占主导地位，实际应用中一般将摩擦阻尼简化为粘性摩擦阻尼。系统的粘 性摩擦阻尼越大，系统的稳态误差越大，精度越低。对于质量大、刚度低的 机械系统，为了减小振幅，加速衰减。可增大粘性摩擦阻尼。
位置检测装置将检测到的移动部件的实 际位移量进行位置反馈，与位置指令信号进 行比较，将两者的差值进行位置调节，变换 成速度控制信号，控制驱动装置驱动伺服电 动机以给定的速度向着消除偏差的方向运动，
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）
31
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
伺服传动系统
7、步进电机的驱动控制电路 、
单电压驱动
双电压驱动
斩波恒流驱动（电流驱动）
二、直流电动机的调压调速原理
直流电动机
U IR n= KΦ
U－电枢电压，I－电枢电流，R—电路 总电阻，Φ－每极磁通量，K－电动机 结构参数
由上式可知，直流电动机的控制方式如下： 调压调速（改变电枢电压，恒转矩调速） 调磁调速（改变励磁电流，恒功率调速） 改变电枢回路的电阻调速
（2）功率晶体管（GTR） 功率晶体管（GTR）
工作状态
有截止，有源放大和饱和三种状态， 有截止，有源放大和饱和三种状态，一般作为开关 使用，开通时要驱动，正常导通时要线饱和， 使用，开通时要驱动，正常导通时要线饱和，关断 时要反偏， 时要反偏，目前驱动电路已集成化。
特点：饱和压降低，载流密度大，驱动电流较 特点：饱和压降低，载流密度大， 大。 （3）场效应晶体管（MOSFET） ）场效应晶体管（ ） 特点：驱动功率大，开关速度快，导通压降大， 特点：驱动功率大，开关速度快，导通压降大， 载流密度小。 载流密度小。
四、伺服系统基本要求 精度高 指输出量复现输入指令信号的 精确程度，通常用稳态误差表示
影响伺服系统精度的因素： 影响伺服系统精度的因素：
传感器的灵敏度和精度 1、组成元件本 身误差 伺服放大器的零点漂移和死区误差 机械装置反向间隙和传动误差 各元器件的非线性因素等 结构形式 2、系统本身 输入指令信号的形式 响应速度快 是衡量伺服系统动态性能的重要指标
调速范围大 是伺服系统提供的最高速与最低 速之比，即： R = nmax n nmin 要求： Rn要大，并且在该范围内，速度稳定； 无论高速低速下，输出力或力矩稳定，低速驱动时， 能输出额定的力 或力矩； 在零速时，伺服系统处于 “锁定” 状态，即惯性 锁定” 小。 应变能力和过载能力大 应变能力指能承受频繁的启动、制动、加速、减速 应变能力指能承受频繁的启动、制动、加速、减速 的冲击； 过载能力指在低速大转矩时，能承受较长时间的 过载能力指在低速大转矩时，能承受较长时间的 过载而不致损坏
伺服系统的基本要求
伺服系统的基本要求一、稳定性伺服系统需要具有良好的稳定性，能够稳定的工作在各种负载条件下。
在负载变化或环境变化的情况下，伺服系统应能够迅速调整控制参数，保持系统的稳定性。
这就要求伺服系统具有高效的反馈控制算法和优良的控制性能。
二、精密度伺服系统需要具有高精度的位置控制能力，能够实现对目标位置的快速、精准的控制。
这对伺服电机、编码器等部件的精度和稳定性提出了较高的要求。
此外，伺服系统还需要具有高分辩率的位置传感器和高精度的控制器。
三、高速度伺服系统需要具有较高的速度控制能力，能够在短时间内快速响应并实现高速度的运动。
对于高速运动的场合，伺服系统需要具有高动态响应和快速的控制算法。
四、可靠性伺服系统需要具有高可靠性，能够在长时间工作的情况下保持稳定的控制性能。
对于工业生产线等关键的应用场合，伺服系统的可靠性要求更高，要能够在极端环境条件下正常工作。
五、灵敏度伺服系统需要具有较高的灵敏度，能够快速、准确地对输入信号做出响应。
在高动态状态下，伺服系统需要具有较好的灵敏度和鲁棒性，能够有效抑制振动和干扰，实现稳定的控制。
六、节能环保伺服系统需要具有较高的能效性能，能够在提高性能的同时减少能源消耗。
对于高功率的伺服系统，需要考虑系统的节能设计和冷却方式，以降低能源消耗和环境排放。
综上所述，伺服系统的基本要求包括稳定性、精密度、高速度、可靠性、灵敏度和节能环保。
在实际的应用中，需要根据具体的需求和环境条件，针对上述要求进行系统设计和参数调整，以满足不同应用场合的需求。
同时，随着科技的发展和市场的需求，伺服系统的要求也会不断提高，新的技术和理念将不断应用到伺服系统中。
因此，伺服系统的基本要求是一个动态变化的概念，需要不断地进行研发和改进。
伺服系统的概念与分类
伺服系统的分类
（3）按照控制方式分类——开环伺服系统
组成原理图如图所示：
伺服系统的分类
（3）按照控制方式分类——半闭环伺服系统
半闭环伺服系统不对控制对象的实际位置进 行检测，而是用安装在伺服电机轴端上的速度、 角位移测量元件测量伺服电机的转动，间接地测 量控制对象的位移，角位移测量元件测出的位移 量反馈回来，与输入指令比较，利用差值来校正 伺服电机的转动位置。
机电伺服系统
以电动机作为动力驱动元件的伺服系统。
02 伺服系统的分类
伺服系统的分类
分类方法
按照驱动方式分类 按照功能特征分类 按照控制方式分类
伺服系统的分类
（1）按照驱动方式分类
伺服系统的分类
（1）按照驱动方式分类
电气 伺服
直流伺服 系统
交流伺服 系统
小惯量直流伺服电动机 永磁直流伺服电动机 交流异步伺服电动机 永磁同步伺服电动机
伺服系统的分类
（3）按照控制方式分类——半闭环伺服系统
组成原理图如图所示：
伺服系统的分类
（3）按照控制方式分类——闭环伺服系统
闭环伺服系统带有检测装置，可以直接 对工作台的位移量进行检测。在闭环伺服系 统中，速度、位移测量元件不断地检测控制 对象的运动状态。
伺服系统的分类
（3）按照控制方式分类——闭环伺服系统
伺服系统的分类
（2）按照功能特征分类
伺服系统的分类
（3）按照控制方式分类
伺服系统的分类
（3）按照控制方式分类——开环伺服系统
开环伺服系统没有速度及位置测量元件，伺 服驱动元件为步进电机或电液脉冲马达。由于这 种控制方式对传动机构或控制对象的运动情况不 进行检测与反馈，输出量与输入量之间只有前向 作用，没有反向联系，故称为开环伺服系统。
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：
什么是伺服系统
什么是伺服系统伺服系统是一种控制机械系统运动的技术，它通过传感器对输出信号进行反馈控制，实现精确的位置、速度和力控制。
伺服系统广泛应用于工业生产和自动化领域，提高了生产效率和产品质量。
一、伺服系统的工作原理伺服系统主要由伺服驱动器、伺服电机和反馈传感器组成。
伺服驱动器负责接收和处理控制信号，将信号转换为合适的电压或电流输出，驱动伺服电机运动。
而伺服电机作为执行器，根据伺服驱动器提供的控制信号，输出相应的运动。
反馈传感器则监测伺服电机的运动状态，将监测到的位置、速度或力信号返回给伺服驱动器，驱动器通过与设定值的比较，调整输出信号，实现对运动状态的精确控制。
二、伺服系统的特点1. 高精度：伺服系统能够实现微小运动的精确控制，可实时监测和调整输出信号，适用于对运动精度要求较高的场景。
2. 高响应性：伺服系统的反馈传感器能够实时监测电机的运动状态，并将信息传递给伺服驱动器，驱动器通过处理反馈信号，及时调整输出信号，使系统能够快速响应各种指令。
3. 多功能：伺服系统可通过调整控制参数，实现对位置、速度和力的精确控制，适用于不同的工业应用。
4. 稳定性好：伺服系统通过反馈控制，能够实时调整输出信号，使系统保持稳定运行。
5. 适应性强：伺服系统可根据不同的工作负载，调整输出信号，适应不同工况的需求。
三、伺服系统的应用1. 工业机械：伺服系统广泛应用于机床、激光切割机、注塑机等工业机械设备中，实现对加工精度和速度的要求。
2. 机器人技术：伺服系统在机器人技术中发挥重要作用，通过对关节运动的精确控制，实现机器人的灵活运动和高精度定位。
3. 自动化生产线：伺服系统可应用于自动化生产线中，控制工件输送、装配等过程，提高生产效率和产品质量。
4. 医疗设备：伺服系统在医疗设备中广泛使用，如手术机械臂、电动床等，实现对患者的精确控制和操作。
5. 航空航天：伺服系统应用于航空航天领域，控制飞机和航天器的各个部件的运动，确保航行安全和舒适。
伺服控制系统设计
Wop (s)
s(Ts s
K 1)(T2 s
1)
3.2 单闭环位置伺服系统
伺服系统旳闭环传递函数
W cl
(s)
TsT2 s 3
(Ts
K T2 )s2
s
K
闭环传递函数旳特性方程式
TsT2s3 (Ts T2 )s2 s K 0
3.2 单闭环位置伺服系统
用Routh稳定判据，为保证系统稳定，
须使
K
Ts T2 TsT2
单位置环伺服系统开环传递函数对数幅频特性
3.3 双闭环伺服系统
在电流闭环控制旳基础上，设计位置 调整器，构成位置伺服系统，位置调整 器旳输出限幅是电流旳最大值。 以直流伺服系统为例，对于交流伺服 系统也合用，只须对伺服电动机和驱动 装置应作对应旳改动。
3.3 双闭环伺服系统
Tm
R J CT Ce
Tl
La R
3.2 单闭环位置伺服系统
驱动器
电机
直流伺服系统控制对象构造图
采用PD调整器，其传递函数为
减速器
WAPR (s) WPD (s) K p (1 d s)
3.2 单闭环位置伺服系统
伺服系统开环传递函数
Wop (s)
s(Ts s
K ( d s 1)
1)(TmTl s2 Tms
3.5 复合控制旳伺服系统
前馈控制器旳传递函数选为
G(s) 1 W2 (s)
得到
m (s) 1
* m
(
s)
3.5 复合控制旳伺服系统
理想旳复合控制随动系统旳输出量可以完 全复现给定输入量，其稳态和动态旳给定误 差都为零。 系统对给定输入实现了“完全不变性” 。 需要引入输入信号旳各阶导数作为前馈控 制信号，但同步会引入高频干扰信号，严重 时将破坏系统旳稳定性，这时不得不再加上 滤波环节。
第五章_机电传动伺服系统
伺服系统概述
模拟控制方式的特点： 控制系统响应速度快，调速范围宽； 易于与常见输出模拟速度指令的CNC接 口； 系统状态及信号变化易于观测； 系统功能由硬件实现，易于掌握，有利 于使用者进行维护、调整； 模拟器件温漂和分散性对系统的性能影 响较大，系统的抗干扰能力较差； 难于实现复杂的控制算法，系统缺少柔 性。
伺服系统概述
5.1 伺服系统的基本概念
5.1.1 伺服的定义
伺服系统是指执行机构按照控制信号的要 求而动作。 主要任务：按照控制命令要求，对信号变 换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出 的转矩、速度及位置都能得到灵活的控制。
伺服系统概述
5.1.2 伺服系统的组成
组成:检测部分、误差放大部分、执行部
伺服系统概述
5.3.1.2 感应型交流伺服电机 随着电力电子技术、微处理器技术与磁场 定向控制技术的快速发展，使感应电机可以达 到与他励式直流电机相同的转矩控制特性，再 加上感应电机本身价格低廉、结构坚固及维护 简单的优点，感应电机逐渐在高精密速度及位 置控制系统得到越来越广泛的应用。
感应电机的定子电流中，包含相当于直流 电机励磁电流与电枢电流的两个成分。
伺服系统概述
5.5 交流伺服系统常用性能指标
（1） 调速范围D 伺服系统在额定负载时所提供的最高转速 与最低转速之比: nmax D nmin （2）转矩脉动系数 额定负载下转矩波动的峰峰值与平均转矩 之比：
TP P KTr 100% Tavg
伺服系统概述
（3） 稳速精度 伺服系统在最高转速、额定负载条件下， 令电源电压变化、环境温度变化，或电源电压 与环境温度都不变，连续运行若干小时，系统 电机的转速变化与最高转速的百分比分别称为 电压变化的稳速精度、温度变化的稳速精度、 时间变化的稳速精度。
伺服系统的控制方式
伺服系统的控制方式伺服系统是一种用来控制和驱动机械设备的系统，广泛应用于工业生产和自动化领域。
伺服系统的控制方式在不同的应用场景中有所差异，下面将介绍几种常见的伺服系统控制方式。
一、位置控制方式位置控制是伺服系统最基本的控制方式之一，通过控制伺服电机的输出位置来实现对机械系统的控制。
该控制方式常用于要求精确定位的场景，如机床加工、印刷机械等。
在位置控制方式下，控制系统会将目标位置与实际位置进行比较，然后通过调整电机的输出来减小误差。
通过控制伺服电机的运动速度和加速度，可以实现精确的位置控制。
二、速度控制方式速度控制是伺服系统另一种常见的控制方式，通过控制伺服电机的输出速度来实现对机械系统的控制。
该控制方式常用于需要保持匀速运动的场景，如输送带、风机等。
在速度控制方式下，控制系统会将目标速度与实际速度进行比较，然后通过调整电机的输出来减小误差。
通过控制伺服电机的加速度和减速度，可以实现平稳的速度控制。
三、力控制方式力控制是伺服系统的一种高级控制方式，通过控制伺服电机的输出力来实现对机械系统的控制。
该控制方式常用于需要精确控制力的场景，如装配机械、机器人等。
在力控制方式下，控制系统会将目标力与实际力进行比较，然后通过调整电机的输出来减小误差。
通过控制伺服电机的力矩和力度，可以实现精确的力控制。
四、扭矩控制方式扭矩控制是伺服系统的另一种高级控制方式，通过控制伺服电机的输出扭矩来实现对机械系统的控制。
该控制方式常用于需要精确控制扭矩的场景，如卷绕机械、起重机等。
在扭矩控制方式下，控制系统会将目标扭矩与实际扭矩进行比较，然后通过调整电机的输出来减小误差。
通过控制伺服电机的电流和电压，可以实现精确的扭矩控制。
综上所述，伺服系统的控制方式包括位置控制、速度控制、力控制和扭矩控制。
不同的控制方式适用于不同的应用场景，可以根据具体需求选择合适的控制方式。
通过科学合理的伺服系统控制方式，可以实现对机械设备的高效、精确控制，提高生产效率和产品质量。
伺服系统
伺服系统2.1 什么是控制系统通过执行规定的功能来实现某一给定目标的一些相互关联单元的组合，称为控制系统。
如室内温度、湿度控制，电机的转速控制，工业上的液位控制、压力控制等手动控制（Manual Control）自动控制（Automatic Control)2.2 什么是自动控制系统自动控制是在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量按照预定的规律变化的过程。
通过控制装置执行规定的功能来实现某一给定目标的一些相互关联单元的组合，称为自动控制系统。
2.3 自动控制系统的常用术语在自动控制系统中，被控制的设备或过程称为被控对象（或对象）；被控制的物理量称为被控量（或输出量）；决定被控量的物理量称为控制量或给定量；妨碍控制量对被控量进行正常控制的所有因素称为扰动量。
给定量和扰动量都是自动控制系统的输入量。
扰动量按其来源分内部扰动和外部扰动。
2.4 自动控制系统的两种外作用1、有效输入信号（简称输入信号）输入信号决定系统被控量的变化规律或代表期望值，并作用于系统的输入端。
2、有害干扰信号（简称干扰信号）干扰信号是系统所不希望而又不可避免的外作用信号，它不但可以作用于系统的任何部位，而且可能不止一个。
由于它会影响输入信号对系统被控量的有效控制，严重时必须加以抑制或补偿。
3.1 开环控制和闭环控制以恒温箱为例以书上晶闸管调速系统为例3.1 开环控制和闭环控制开环控制系统（Open-loop Control System)是指系统的输出端和输入端不存在反馈关系，系统的输出量对控制作用不发生影响的系统。
这种系统既不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到输入端与输入量进行比较，控制装置与被控对象之间只有顺向作用，没有反向联系。
闭环控制系统（Close-loop Control System)系统的控制装置和被控对象不仅有顺向作用，而且输出端和输入端之间存在反馈关系，所以称为闭环控制系统，闭环控制系统就是反馈控制系统。
伺服系统的组成和原理
伺服系统的组成和原理伺服系统是一种控制系统，用于控制机械系统或过程的运动和位置。
它通常由四个主要组成部分组成：传感器、执行器、控制器和电源。
1.传感器：传感器用于检测机械系统的位置和运动。
常见的传感器包括编码器、位置传感器和加速度传感器。
编码器用于测量转动运动的角度和速度，位置传感器用于测量直线运动的位置和速度，而加速度传感器则用于测量加速度。
2.执行器：执行器是伺服系统中的执行元件，用于实际控制机械系统的运动。
最常见的执行器是伺服电机，它由电动机和驱动器组成。
电动机将电能转化为机械能，而驱动器控制电动机的速度和位置。
3.控制器：控制器是伺服系统的“大脑”，用于处理传感器提供的反馈信号，并根据预设的控制算法生成相应的控制信号。
控制器通常使用微处理器或数字信号处理器来执行这些计算。
控制器还可以根据需要进行参数调整和系统校准。
4.电源：伺服系统需要稳定和可靠的电源来提供所需的电能。
电池、直流电源或交流电源都可以作为伺服系统的电源。
1.传感器通过测量机械系统的位置和运动并将其转换为电信号。
2.传感器的信号输入到控制器，在控制器中进行计算和处理。
控制器根据预设的控制算法，比较实际位置和期望位置之间的差异。
如果差异较大，控制器发出控制信号以调整机械系统的运动。
3.控制信号通过驱动器送至执行器。
驱动器根据控制信号控制伺服电机的速度和位置。
驱动器通常与电机直接连接，将电机转子的转动运动转换为线性或旋转的机械运动。
4.机械系统根据电机的控制运动。
反馈传感器不断监测机械系统的位置和运动，并将其反馈给控制器。
5.控制器使用反馈信号重新计算控制信号，并不断对机械系统进行调整，以使实际位置尽可能接近期望位置。
伺服系统
图9-7 单环位置伺服系统 APR—位置调节器 UPE—驱动装置 SM—直流伺服电动机 BQ—位置传感器
9.3.2单环位置伺服系统
忽略负载转矩，直流伺服系统控制对象 传递函数为
K s /( jCe ) Wobj ( s) 2 s(Ts s 1)(TmTl s Tm s 1)
机电时间常数
常用的调节器有比例－微分（PD）调节 器、比例－积分（ PI ）调节器以及比例 －积分－微分（ PID ）调节器，设计中 可根据实际伺服系统的特征进行选择。
PD调节器校正
在系统的前向通道上串联 PD 调节器校 正装置，可以使相位超前，以抵消惯性 环节和积分环节使相位滞后而产生的不 良后果。 PD调节器的传递函数为
R J Tm CT Ce
9.3.2单环位置伺服系统
图9-8 直流伺服系统控制对象结构图
采用PD调节器，其传递函数为
WAPR (s) WPD (s) K p (1 d s)
9.3.2单环位置伺服系统
伺服系统开环传递函数
K ( d s 1) W op ( s) s(Ts s 1)(TmTl s 2 Tm s 1)
直流伺服电动机的状态方程
d 1 1 Te TL dt J J R dId 1 1 Id E Ud0 dt L L L
机械传动机构的状态方程
d m dt j
9.2.1 直流伺服系统控制对 象的数学模型
驱动装置的近似等效传递函数
Ks Ts s 1
状态方程
9.2.1 直流伺服系统控制对 象的数学模型
图9-5直流伺服系统控制对象结构图
9.2.1 直流伺服系统控制对 象的数学模型
伺服系统的分类和特点
伺服系统的分类和特点一、引言伺服系统，作为现代工业自动化的重要组成部分，其性能和特点在很大程度上决定了整个系统的性能和稳定性。
伺服系统能够根据输入的指令信号，自动、快速、准确地控制执行机构的位移、速度和加速度，实现对目标值的精确跟踪。
本文将对伺服系统的分类和特点进行详细的阐述，以便更好地理解和应用伺服系统。
二、伺服系统的分类伺服系统可以根据工作原理和应用领域进行分类。
1.根据工作原理分类根据工作原理，伺服系统可以分为电气伺服系统和液压伺服系统两大类。
其中，电气伺服系统又可以分为直流伺服系统和交流伺服系统。
（1）直流伺服系统：直流伺服电机由定子、转子、电刷和换向器等部分组成。
其工作原理是当电流通过励磁绕组和电枢绕组时，产生磁场，驱动转子旋转。
直流伺服电机具有调速范围广、低速性能好、响应速度快等优点，但同时也存在维护成本高、易磨损等缺点。
（2）交流伺服系统：交流伺服电机由定子、转子和编码器等部分组成。
其工作原理是通过控制电机的输入电压或电流，改变电机的旋转速度和方向。
交流伺服电机具有效率高、可靠性高、维护成本低等优点，但同时也存在调速范围较窄、低速性能较差等缺点。
2.根据应用领域分类根据应用领域，伺服系统可以分为工业伺服系统和航空伺服系统两大类。
（1）工业伺服系统：工业伺服系统主要用于工业自动化生产线、数控机床、包装机械等领域。
其特点是要求精度高、稳定性好、可靠性高、响应速度快等。
常见的工业伺服系统有电机驱动控制系统、气压传动控制系统和液压传动控制系统等。
（2）航空伺服系统：航空伺服系统主要用于航空器自动驾驶系统、雷达天线控制系统等领域。
其特点是要求精度高、可靠性极高、响应速度快、抗干扰能力强等。
常见的航空伺服系统有舵机控制系统、燃油控制系统等。
三、伺服系统的特点1.精度高：伺服系统的输出量能够精确地跟踪输入指令信号，从而实现高精度的位置控制和速度控制。
2.快速响应：伺服系统具有快速的动态响应特性，能够迅速跟踪输入信号的变化，保证系统的稳定性和动态性能。
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。
伺服系统总结(电机和驱动)ppt课件
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(1) 液压伺服控制系统 液压伺服控制系统是以电机提供动力基础，使用液压泵将机械能转化为压力，推 动液压油。通过控制各种阀门改变液压油的流向，从而推动液压缸做出不同行程、 不同方向的动作，完成各种设备不同的动作需要。液压伺服控制系统按照偏差信 号获得和传递方式的不同分为机-液、电-液、气-液等,其中应用较多的是机-液和 电-液控制系统。按照被控物理量的不同,液压伺服控制系统可以分为位置控制、 速度控制、力控制、加速度控制、压力控制和其他物理量控制等。液压控制系统 还可以分为节流控制(阀控)式和容积控制(泵控)式。在机械设备中,主要有机-液伺 服系统和电-液伺服系统。
伺服系统介绍
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目录
伺服系统概述
系统结构原理以及分类
伺服电机
伺服驱动
编码器以及制动方式介绍
伺服与步进区别
伺服选型
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一、 伺服系统概述
伺服系统(servomechanism)又称随动系统， 是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制 系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态等 输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任 意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控 制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控 等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置 控制非常灵活方便。
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(4) 电液伺服控制系统 它是一种由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统。最常见的 有电液位置伺服系统、电液速度控制系统和电液力(或力矩)控制系统。 以上是我们常用到的四种伺服系统，他们的工作原理和性能以及可以应用的 范围都有所区别，各有自己的特点和优缺点。因此在选择或者购买的时候， 就需要根据系统的需要以及需要控制的参数和实现的性能，通过计算后在选 择合适的产品。
伺服系统
伺服的三种控制方式一般伺服都有三种控制方式:速度控制方式,转矩控制方式,位置控制方式 .1、转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转（通常在有重力负载情况下产生）。
可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。
应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。
2、位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。
由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。
3、速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。
位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加整个系统的定位精度。
4、谈谈3环，伺服电机一般为三个环控制，所谓三环就是3个闭环负反馈PID调节系统。
最内的PID环就是电流环，此环完全在伺服驱动器内部进行，通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定进行PID调节，从而达到输出电流尽量接近等于设定电流，电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最快。
第2环是速度环，通过检测的电机编码器的信号来进行负反馈PID调节，它的环内PID 输出直接就是电流环的设定，所以速度环控制时就包含了速度环和电流环，换句话说任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本，在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流（转矩）的控制以达到对速度和位置的相应控制。
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试卷一
一填空题
1、对伺服系统的基本要求有：稳定性好、精度高、快速响应并无超调，及低速大转矩和调速范围宽等。
2、相位比较伺服系统的位置检测即为响应的相位检测。
3、伺服系统中，直线位移或大角位移检测常用：感应同步器、光栅、磁尺等。
4、旋转变压器的信号处理有鉴相型和鉴幅型两种方式。
5、在鉴幅型工作方式下，旋转变压器的两相正交定子绕组分别加上相位相等、频率相同而幅值不同（或正交）的励磁电压。
6、步进电机的旋转方向由其绕组的通电顺序所决定，A、B、C、D四相步进电机采用四相双四拍控制方式时，正转相序为： AB-BC-CD-DA ；反转相序为： DC-CB-BA-AD 。
7、永磁无刷直流电机就其基本结构而言，是由电动机本体、转子位置传感器、电子开关线路等三部分组成。
8、目前步进电机环形分配器有硬件环形分配器和软件环形分配器两种形式。
9、ASDA-AB 系列伺服驱动器的操作模式主要有三种：位置模式、速度模式和扭矩模式。
10、伺服系统按驱动元件分类可分为：步进伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统。
11、相位比较伺服系统中，主要采用鉴相器来进行相位的比较，
12、交流伺服电机除了电机本体之外，常带有一个编码器来实现运行状态的检测。
13、采用并行控制方式的步进电机控制系统中，常采用编程的方式进行脉冲分配。
二、判断题（每题2分，共10分）
（√）14、步进电动机主要用于开环控制系统，也可以用于闭环控制系统。
（√）15、三相步进电机是靠三相绕组按照一定的相序轮流通电驱动的。
（√）16、交流伺服电机由于结构简单、成本低廉、无电刷磨损、维修方便，被认为是一种理想的伺服电机，
（╳）17、感应同步器只能测线位移，而不能测角位移。
（╳）18、机床的点位控制是不仅实现由一个位置点到另一个位置点的精确移动，而且在移动和定位的过程中仍需要不断加工。
三、选择题（每题2分，共10分）
（D）19.下面哪一项不属于用微机控制步进电机主要解决的问题。
A 用软件的方法产生脉冲序列
B 方向控制
C 控制程序设计
D 选择合适的脉冲分配器（D）20、以下哪一项不是对伺服系统的基本要求。
A 稳定性好
B 精度高
C 快速响应无超调
D 高速，转矩小
（C）21.使用测速电机作为检测装置，从而构成位置闭环的控制系统属于何种控制方式。
A 开环
B 闭环
C 半闭环
D 前馈（D）22.PWM调速方式称为（）。
A 变电流调速
B 变电压调速
C 变频调速
D 脉宽调速（A）23.无刷直流电动机的换相状态由以下什么因素决定。
A 转子的位置
B 位置传感器的安装位置
C 电机的电流
D 电机的电压
四、简答题（每题6分，5题共30分）
31、一台五相步进电动机，采用五相十拍脉冲分配方
式，转子有100个齿，脉冲频率为f=1000Hz，丝杠导
程为t=10mm，减速装置的传动比i=10。
求：（1）写出一个循环的通电顺序；（2）求步进电动机步距角；（3）求步进电动机转速；（4）求步进电机的脉冲当量解：（1）电机正转时，一个循环的通电顺序为： A→AB→B→BC→C→CD→D→DE→E→EA→A 电机反转时，一个循环通电顺序为： A→AE→E→ED→D→DC→C→CB→B→BA→A （2分）
（2）根据步距角的计算公式：
1、由下图分析幅值比较伺服系统的基本原理。
幅值比较伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较构成的闭环控制系统，简称幅值伺服系统。
（5分）特点是： 1.所用的位置检测元件应工作在幅值工作方式。
（2分） 2.给定信号与反馈信号以幅值方式进行比较。
（2分）
感应同步器和旋转变压器都可以用于幅值伺服系统，图中采用旋转变压器。
鉴幅器：作用是把正弦交变信号转换成相应的直流信号；（2分）
旋转变压器：取幅值工作方式反馈位置信息。
其定子上两个相互垂直的绕组应分别输入频率相同、幅值成正交关系的正余弦信号；（2分）
电压－频率变换器：任务是把鉴幅器输出的模拟电压UF变换成相应的脉冲序列。
该脉冲序列的重复频率与直流电压的高低成正比；（2分）
试卷二
一填空题
1、伺服系统主要研究内容是机械运动过程中涉及的力学、机械学、动力驱动、伺服参数检测和控制等方面的理论和技术问题。
2、无刷直流电机的位置传感器的种类很多，通常有电磁式、光电式和磁敏式三种。
3、伺服系统的作用是：接受来自控制装置的指令信号，驱动移动部件跟随指令运动，并保证动作的快速和准确。
4、在鉴相工作方式下，旋转变压器的两相正交定子绕组分别需要加上幅值相等、频率相同而相位相差90度的正弦励磁电压。
5、在伺服系统中，常用于测角（位移）的检测元件有电位计、差动变压器、微同步器、自整角机、旋转变压器等。
6、直流伺服电机的调速方式主要有：改变电枢电压、变磁通量和在电枢回路中串联调节电阻R。
8、步进电机的角位移量和指令脉冲的个数成正比。
9、交流伺服驱动器的输入电源包括：主回路电源和控制回路电源两部分。
10、幅值比较伺服系统的位置检测元件应工作在幅值工作方式。
11、脉冲比较伺服系统中脉冲的比较通常采用可逆计数器。
13、步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移的电动机
14、具有串行控制功能的单片机系统与步进电机驱动电源之间，具有较少连线，所以驱动电源必须具有环形分配器的功能。
15、测速发电机能够测速的主要原因是：其输出电压与转子转速成正比
二判断题
（√）16、步进电机转动速度与电脉冲频率成正比，通过改变电脉冲频率就可调节步进电机的转速。
（╳）17、四相步进电机是靠四相绕组按照随意的相序轮流通电驱动进行运转。
（√）18、交流伺服电机由于结构简单、成本低廉、无电刷磨损、维修方便，被认为是一种理想的伺服电机，
（╳）19、旋转变压器只能用于线位移的测量。
（√）20、连续控制的要求是：精确定位，并随时控制进给轴伺服电机的转向和转速。
四选择题
(D）21、以下哪一项不是对伺服系统的基本要求。
A 稳定性好
B 精度高
C 快速响应无超调
D 高速，转矩小
（A）22.通过以下哪种方式可以进一步减小步进电机的步距角，从而提高其走步精度。
A 细分
B 提高频率
C 减小电源电压
D 改变控制算法
（B）23.使用感应同步器作为位置检测装置，从而构成位置闭环的控制系统属于何种控制方式。
A 开环
B 闭环
C 半闭环
D 前馈（D）24.PWM调速方式称为（）。
A 变电流调速
B 变电压调速
C 变频调速
D 脉宽调速（A）25.无刷直流电动机的换相状态由以下什么因素决定。
A 转子的位置
B 位置传感器的安装位置
C 电机的电流
D 电机的电压
1、由下图分析相位比较伺服系统的基本原理。
答案要点：数控装置送来的进给指令脉冲首先经脉冲调相器变换成相位信号，即变换为重复频率为f0的PA(θ)。
（3分）感应同步器采用相位工作状态，（3分）以定尺的相位检测信号经整形放大后得到的PB(θ)作为位置反馈信号，PB(θ)代表了机床移动部件的实际位置。
（3分）这两个信号在鉴相器中进行比较，它们的相位差Δθ反映了实际位置和指令位置的偏差。
（3分）此偏差信号放大后驱动机床要移动部件朝指令位置进给，实现精确的位置控制。
（3分）。