伺服运动控制系统1(2009)
伺服控制系统介绍
1．交流伺服电机组成：励磁绕组/控制绕组：两绕组相差90度励磁绕组：励磁电压控制绕组：控制电压2．交流伺服电机控制模式：速度模式、位置模式、转矩模式3．控制方式：幅值控制：保持控制电压和励磁电压之间的相位角差β为90，仅仅改变控制电压的幅值，这种控制方式叫幅值控制。
相位控制：保持控制电压的幅值不变，仅仅改变控制电压与励磁电压的相位差β，这种控制方式叫相位控制。
幅值相位控制：在励磁电路中联移相电容，改变控制电压的幅值以引起励磁电压的幅值及其相对于控制电压的相位差发生变化，这种控制方式，叫幅值相位控制(或电容控制）。
4．直流伺服电动机与普通直流电动机基本一样，也是由：1、磁极（定子）2、电枢（转子）、3、电刷4、换向器定子磁极用于产生磁场。
5．直流伺服电机：直流伺服电动机具有起动转矩大、调速范围宽、机械特性和调节特性线性度好、控制方便等优点，被广泛应用在闭环或半闭环控制的伺服系统中。
6．直流伺服电机的分类：按结构分：永磁式、电磁式按励磁分：他励、并励、串励、复励7．直流伺服电机结构与普通电机的区别有三点：（1）转子是光滑无槽的铁芯，用绝缘粘合剂直接把线圈帖在铁心表面上。
（2）转子长而且直径小，这是为了减少转动惯量。
（3）定子结构采用图所示方形，提高了励磁线圈放置的有效面积．但由于无槽结构．气隙较大，励磁和线圈匝数较大，故损耗大，发热厉害，为此采取措施是在极间安放船型挡风板，增加风压，使之带走较多的热量。
而线圈外不包扎形成赤裸线圈。
8．直流伺服电机（1）、能量转换部分直流伺服电机的能量转换部分的结构和工作原理与普通小型直流电动机基本相同。
它的励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立电源供电。
通常采用电枢控制，就是励磁电压U f 一定，建立的磁通量Φ也是定值，而将控制电压Uc加在电枢上。
（2）、编码器部分用于返馈电动机转动的角度量。
9．直流伺服电机的速度控制方式：(1)电枢电压控制（恒转矩调速方式）----在定子磁场不变的情况下，通过改变施加在电枢绕组两端的电压来改变电动机的转速，由于负载和定子磁场均不变，电枢电流可以达到额定值，相应的输出转矩也可以达到额定值，由电机学可知，这种调速方式称为恒转矩调速方式。
伺服电机的控制方式和运动控制系统
伺服电机的控制方式和运动控制系统伺服电机是一种能够根据控制信号精确地控制旋转角度、转速和位置的电机，广泛应用于工业自动化领域。
在实际应用中，为了使伺服电机能够实现精准的控制，需要配合合适的控制方式和运动控制系统。
下面将介绍伺服电机的控制方式和运动控制系统。
一、伺服电机的控制方式1. 位置控制位置控制是指通过控制伺服电机的旋转角度或线性位置来控制工件或设备的位置。
在位置控制中，通常需要通过编码器等反馈装置实时监测伺服电机的位置，从而调整控制信号，使电机按照设定的位置参数进行运动。
2. 速度控制速度控制是指通过控制伺服电机的转速来实现控制目标。
通过调节电机的输入电压、电流或脉冲信号，可以实现对电机转速的精准控制。
速度控制广泛应用于需要稳定速度输出的场合，如汽车行驶控制、风机调速等。
3. 力矩控制力矩控制是指通过控制伺服电机的输出扭矩来实现对负载的力矩控制。
在一些需要对工件施加精确力矩的场合，如加工中心、机器人等，力矩控制是非常重要的控制方式。
二、运动控制系统1. 传感器传感器是运动控制系统中的重要组成部分，用于实时监测电机的位置、速度、力矩等参数。
常用的传感器包括编码器、霍尔传感器、压力传感器等，它们可以将实时采集到的数据反馈给控制系统，实现对电机的闭环控制。
2. 控制器控制器是指控制电机运动的核心部件，根据传感器反馈的数据计算出控制信号，并输出给伺服电机，以实现对其位置、速度或力矩的精准控制。
控制器通常可分为单轴控制器和多轴控制器，用于不同数量的电机同时运动的控制。
3. 运动控制算法运动控制算法是指控制系统中用于计算控制信号的算法，包括位置环控制、速度环控制、力矩环控制等。
运动控制算法的设计和优化对系统的性能和稳定性有重要影响，需要根据具体的应用场景选择合适的算法。
综上所述，伺服电机的控制方式和运动控制系统是伺服系统中至关重要的组成部分，直接影响到系统的性能和稳定性。
通过选择合适的控制方式和运动控制系统，可以实现对伺服电机的精准控制，满足不同应用场景的需求。
伺服控制系统的4种控制方式
伺服控制系统的4种控制方式导语：伺服控制系统的3种控制方式，速度控制和转矩控制，位置控制。
伺服控制系统的3种控制方式，速度控制和转矩控制，位置控制基础知识一、伺服系统组成（自上而下）控制器：plc，变频器，运动控制卡等其他控制设备，也称为上位机；伺服驱动器：沟通上位机和伺服电机，作用类似于变频器作用于普通交流马达。
伺服电机：执行设备，接受来自驱动器的控制信号；机械设备：将伺服电机的圆周运动（或直线电机的直线运动）转换成所需要的运动形式；各类传感器和继电器：检测工业控制环境下的各种信号送给上位机或驱动器做为某些动作的判断标准。
二、伺服控制方式三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式。
速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的，位置控制是通过发脉冲来控制的。
▶如果您对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩，当然是用转矩模式。
▶如果对位置和速度有一定的精度要求，而对实时转矩不是很关心，用速度或位置模式比较好。
▶如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，用速度控制效果会好一点。
▶如果本身要求不是很高，或者基本没有实时性的要求，用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。
就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快；位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。
对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。
如果控制器本身的运算速度很慢（比如PLC，或低端运动控制器），就用位置方式控制。
如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率；如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么做。
一般说驱动器控制的好坏，有个比较直观的比较方式，叫响应带宽。
当转矩控制或速度控制时，通过脉冲发生器给它一个方波信号，使电机不断的正转、反转，不断的调高频率，示波器上显示的是个扫频信号，当包络线的顶点到达最高值的70.7%时，表示已经失步，此时频率的高低，就能说明控制的好坏了，一般电流环能做到1000HZ 以上，而速度环只能做到几十赫兹。
《伺服控制系统》课件
伺服电机
作为伺服系统的驱动器， 根据控制信号，将电能转 化为机械能。
反馈装置
用于测量并反馈输出的位 置、速度和加速度信息。
控制器
接收反馈信息，并根据预 设的控制算法，输出控制 信号，调整伺服电机的运 行状态。
伺服电机的原理
1 电磁感应原理
利用电磁感应现象，将电能转化为机械能。
2 传感器反馈原理
通过传感器测量转子位置，实时反馈给控制器，实现闭环控制。
伺服控制系统在生产线、机器 人等工业自动化领域获得广泛 应用。
CNC加工
伺服控制系统在数控机床等 CNC加工设备中发挥重要作用。
运动控制
伺服控制系统广泛应用于运动 平台、舞台灯光等需要精确运 动控制的领域。
伺服控制系统的优势和劣势
优势
高精度控制、快速响应、稳定性好、适应性强、灵活可靠。
劣势
成本较高、对环境要求高、对参数调整要求高、故障排除较为复杂。
伺服控制系统的性能指标
1 位置误差
伺服控制系统位置控制 的偏差。
2 速度曲线
伺服控制系统输出速度 与时间的关系曲线。
3 加速度响应
伺服控制系统加速度变 化的能力。
3 电子调速原理
通过控制信号调整电机的转速，实现精确的位置和速度控制。
伺服控制系统的分类
位置控制系统
以精确的位置控制为目标， 广泛应用于工业自动化、机 器人等领域。
速度控制系统
以精确的速度控制为目标， 常用于纺织、包装等需要恒 定速度的应用。
力矩控制系统
以精确的力矩控制为目标， 适用于需要精确控制力矩的 应用，如模具加工。伺服控制系统与普通控来自系统的区别1 精度要求
伺服控制系统具有更高 的精度要求，能够实现 更精确的位置、速度和 力矩控制。
伺服控制系统名词解释
伺服控制系统名词解释 伺服控制系统用来精确地跟随或复现某个过程的系统。
是一种能对试验装置的机械运动按预定要求进行自动控制的操作系统。
在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。
如防空雷达控制就是一个典型的伺服控制过程。
它是以空中的目标为输入指令要求，雷达天线耍一直跟踪目标，为地面炮台提供目标方位；加工中心的机械制造过程也是伺服控制过程，位移传感器不断地将刀具进给的位移传送给计算机，通过与加工位置目标比较，计算机输出继续加工或停止：加工的控制信号。
绝大部分机电一体化系统都具有伺服功能，机电一体化系统中的伺服控制是为执行机构按设计要求实现运动而提供控制和动力的重要环节。
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。
交流伺服控制系统。
交流伺服控制系统包括基于异步电动机的交流伺服系统和基于同步电动机的交流伺服系统。
除了具有稳定性好、快速性好、精度高的特点外，具有一系列优点。
它的性能指标可以从调速范围、定位精度、稳速精度、动态响应和运行稳定性等方面来衡量。
直流伺服控制系统。
直流伺服控制系统的工作原理是建立在电磁力定律基础上。
与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流，它们分别控制励磁电流与电枢电流，可方便地进行转矩与转速控制。
伺服电机与伺服控制系统原理全
伺服电机与伺服控制系统原理全伺服电机是一种能够在给定的位置和速度范围内精确控制旋转或线性运动的电机。
它通常由电机本体、编码器和伺服控制器组成。
伺服控制系统则是用来控制伺服电机运动的系统，包括传感器、运动控制器和执行器等。
一、伺服电机的原理伺服电机的主要原理是通过反馈控制来实现精确位置和速度的控制。
伺服电机的控制系统通常由三个主要组件组成，分别是电机本体、编码器和伺服控制器。
1.电机本体：伺服电机通常采用带有内部电脑的电机，可以通过传感器测量其位置和速度。
它具有高速、高精度和高效率等特点。
2.编码器：编码器是一种用来测量电机位置和速度的传感器。
它通常安装在电机的轴上，并通过光电、磁电或电容等方式来检测旋转的位置和速度。
3.伺服控制器：伺服控制器是控制伺服电机运动的关键组件，它接收由编码器测量的位置和速度信息，并根据预定的控制算法计算出驱动电机的控制信号。
控制信号通过控制电流或电压来控制电机转动。
二、伺服控制系统的原理伺服控制系统的主要原理是通过对伺服电机进行闭环控制来实现运动的精确控制。
闭环控制系统由传感器、运动控制器和执行器组成。
1.传感器：传感器用于测量伺服电机的位置和速度，反馈给运动控制器。
传感器通常是编码器，通过检测电机的位置和速度来提供准确的反馈信号。
2.运动控制器：运动控制器接收传感器的反馈信号，并根据控制算法计算出控制信号。
控制信号传输给执行器驱动，以实现对伺服电机位置和速度的控制。
3.执行器：执行器是伺服电机的驱动器，它接收来自运动控制器的控制信号，并转化为适当的驱动电流或电压，以驱动电机转动。
伺服控制系统的工作原理是不断比较期望位置和实际位置之间的差距，并调整控制信号，使得它们尽可能接近。
控制器根据编码器反馈的位置和速度信息，计算出一个修正量，并将其与设定值进行对比。
然后，该修正值将被发送到执行器，以调整电机的转动。
由于伺服电机采用了闭环控制，可以有效地解决电机在负载变化、摩擦和惯性等方面的不确定性。
伺服电动机及其控制系统
5.2.1 直流伺服电动机的结构和分类
低惯量型直流伺服电动机
杯形电枢直流伺服电动机
图5.7 杯形电枢永磁式直流伺服电动机结构简图
5.2.1 直流伺服电动机的结构和分类
低惯量型直流伺服电动机
杯形电枢直流伺服电动机性能特点
低惯量。 灵敏度高。损耗小，效率高。 力矩波动小，低速运转平稳，噪音很小。 换向性能好，寿命长。
设计方案
相关控制 DSP控制电
路设计
传统型 低惯量型
单极性可逆调速 双极性可逆调速
机械特性 调节特性 笼型转子 非磁空心转子 磁性空心转子
机械特性 调节特性
表面式 内置式 爪极式 恒压频比控制 矢量控制 直接转矩控制 电流调节器设计 速度调节器设计 位置调节器设计
SVPWM 直流母线电压纹
波补偿 遇限削弱积分PI
If
Uf
M
Ia
Φ
Ua
图5.11 电枢控制时直流伺服电动机的工作原理图
直流电动机电枢回路的电压平衡方程式为：
Ua=Ea+IaRa
（5.1）
式中，Ua为电动机电枢绕组两端的电压；Ea为电动机电枢回路
的电动势；Ia为电动机电枢回路的电流；Ra为电动机电枢回路
的总电阻（包括电刷的接触电阻）。
当磁通Φ恒定时，电枢绕组的感应电势将与转速成正比，则
5.1伺服电动机概述
近年来，由于伺服电动机的应用范围日益扩展、 要求不断提高、促使它有了很大发展，出现了许 多新型结构。又因系统对电动机快速响应的要求 越来越高，使各种低惯量的伺服电动机相继出现， 如盘形电枢直流电动机、空心杯电抠直流电动机 和电枢绕组直接绕在铁心上的无槽电枢直流电动 机等。
运动控制——伺服系统ppt课件
速。这种维持与相位差为90º，利用改变控制电压幅值大小来
改变转速的方法，称为幅值控可编制辑课方件 法。
24
三、步进电动机及其控制
1、工作原理：
当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁阻最小的 路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1、3齿要和A级 对齐。当下一个脉冲通入B相时，磁通同样要按磁阻最小 的路径闭合，即2、4齿要和B级对齐，则转子就顺逆时针 方向转动一定的角度。
系统等效转动惯量系统等效转动惯量的计算的计算系统运动部件动能的总和为系统运动部件动能的总和为二伺服系统稳态设计二伺服系统稳态设计dx3737设等效到执行元件输出轴上的总动能为设等效到执行元件输出轴上的总动能为根据动能不变的原则有根据动能不变的原则有系统等效转动系统等效转动惯量为惯量为为执行元件输出轴的转速为执行元件输出轴的转速radrads二伺服系统稳态设计二伺服系统稳态设计dxdx3838等效负载转矩的计算等效负载转矩的计算设上述系统在时间内克服负载所作的功的总和设上述系统在时间内克服负载所作的功的总和执行元件输出轴在时间内的转角为执行元件输出轴在时间内的转角为则执行元件所作的功为则执行元件所作的功为由于由于所以执行元件输出轴所承受的负载所以执行元件输出轴所承受的负载转矩为转矩为二伺服系统稳态设计二伺服系统稳态设计3939执行元件功率的匹配执行元件功率的匹配1
可编辑课件
3
二、伺服系统类型
从系统组成元件的性质来看，有电气伺服系统、 液压伺服系统和电气—液压伺服系统、电气—气 动伺服系统等；
从系统输出量的物理性质来看，有速度或加速 度伺服系统和位置伺服系统等；
从系统中所包含的元件特性和信号作用特点来 看，有模拟式伺服系统和数字式伺服系统；
从系统结构特点来看，有单回路伺服系统、多 回路伺服系统和开环伺服系统、闭环伺服系统。
交流伺服动控制系统课件
1.4 现代交流伺服运动控制技术
数字化、高精度、高速度、高性能是交流伺服运 动控制系统的发展方向，主要表现在： 1、利用迅速发展的电子和计算机技术，增强软件 控制功能，排除模拟电路的误差及温度漂移等因素的 影响，采用最优控制、自适应控制 2、开发高精度、快速检测元件 3、开发高性能伺服电机 4、控制理论在伺服运动控制系统中的实现和应用
主讲：曾理湛、陈学东
数字制造装备与技术国家重点实验室 电话:13297015665 Email:zenglizhan@
本课程的任务： 了解交流伺服运动控制系统的检测技术 及选型 掌握永磁同步电动机交流伺服运动控制 系统的建模、控制系统设计及仿真方法 了解多种现代交流伺服运动控制技术 了解交流伺服运动控制系统的实际应用
2 “交流伺服运动控制”定义 交流伺服运动控制是以电力电子为基础、 以交流电机为控制对象、以自动控制理论为指导、 以电子技术和微处理器控制及计算机辅助设计为 手段,并与检测技术和数据通信技术相结合,将预 定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动 , 实现机械运动精确的位置控制（速度控制、转矩） 的控制。
1.4 课程内容安排、学习方法
机电一体化产品质量和技术水平的高低，已是当今世界衡 量一个国家实力和国际地位的重要标志。高等学校应培养基础 扎实、知识面宽、能力强、素质高，具有创新精神和实践能力 的“机电复合型”人才，使学生掌握机、电、液、计算机等综 合控制系统的技术。
课程体系：
数控技术 电类《电机与运动控制系统》 交流伺服运动控制系统 微机原理及接口、工程控制基础、机电传动控制
1.2 交流伺服运动控制的发展
4 交流电机调速技术的发展
（1）20世纪20年代人们就认识到了，但当时直至本世纪 50年代中期，一直几乎无法实现。 （2）20世纪50年代中期，晶闸管研制成功，不仅开创了 电力电子技术的新时代，同时也带来交流电机控制技术发 展的一个大飞跃。 （3） 20世纪70年代发展起来的矢量控制理论带交流电机 控制技术的革命，使交流电机的控制性能在理论上和直流 电机相当。 （4） 20世纪80年代的直接转矩控制方法，也对交流电机 控制技术发展发展起来推动作用。
伺服运动控制系统的工作原理
伺服运动控制系统的工作原理伺服运动控制系统是一种广泛应用于工业自动化领域的控制系统，它能够实现对机械运动的精确控制和定位。
伺服运动控制系统通常由伺服电机、编码器、控制器和传感器等组成，它的工作原理涉及到电子技术、机械技术和控制理论等多个方面。
本文将从整体结构、工作原理以及应用特点等方面介绍伺服运动控制系统的相关知识。
一、伺服运动控制系统的组成1. 伺服电机伺服电机通常采用直流电机或交流电机，它具有高精度、高性能和快速响应的特点。
伺服电机通过控制器输出的电流或电压信号来实现对电机的精确控制，从而实现对机械运动的精确定位和速度调节。
2. 编码器编码器是伺服运动控制系统中的重要传感器，用于检测电机的转动位置和速度。
根据编码器输出的信号，控制器可以实时监测电机的运动状态，并进行相应的调节和控制。
通常使用的编码器有光电编码器、磁性编码器等。
3. 控制器控制器是伺服运动控制系统的核心部件，它通常由数字信号处理器（DSP）或者嵌入式控制器组成，用于接收编码器反馈信号，并根据设定的控制算法计算出控制电流或电压信号，从而实现对伺服电机的精确控制。
4. 传感器传感器用于检测机械系统的位置、速度、力等参数，并将这些参数的信息反馈给控制器。
传感器的种类包括位移传感器、速度传感器、压力传感器等，它们可以帮助控制器获取所需的反馈信息，从而实现对机械系统的闭环控制。
以上是伺服运动控制系统的主要组成部分，这些部件通过协同工作来实现对机械运动的精确控制和定位。
二、伺服运动控制系统的工作原理伺服运动控制系统的工作原理主要包括信号采集、控制计算和执行输出三个主要环节。
1. 信号采集在伺服运动控制系统中，首先需要通过编码器和传感器等设备采集到机械系统的运动参数，如位置、速度等。
编码器会定期采集电机的转角信息，并将这些信息转换成数字信号发送至控制器。
传感器则会实时监测机械系统的运动参数，并将这些参数的信息反馈给控制器。
2. 控制计算控制器接收到编码器和传感器反馈的信息后，会进行控制计算，其主要目的是根据当前的位置、速度和期望的位置、速度等信息来计算出电机需要的控制信号。
伺服运动控制试题及答案
伺服运动控制试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1. 伺服运动控制系统中，通常所说的“伺服”是指（）。
A. 服务B. 跟随C. 服务和跟随D. 以上都不是2. 在伺服系统中，位置闭环控制的特点是（）。
A. 高精度B. 响应速度快C. 负载能力大D. 所有上述特点3. 伺服电机的控制方式不包括（）。
A. 电流控制B. 电压控制C. 速度控制D. 位置控制4. 下列哪项不是伺服驱动器的基本功能？（）A. 电流限制B. 速度控制C. 位置控制D. 音频放大5. 伺服系统中的“刚性”通常指的是系统的（）。
A. 负载能力B. 抗扰动能力C. 精度D. 响应速度6. 在伺服系统中，提高系统的动态响应通常可以通过增加（）来实现。
A. 系统的阻尼B. 系统的增益C. 系统的惯性D. 系统的摩擦7. 伺服电机的额定转速是指（）。
A. 电机的最高转速B. 电机的最低转速C. 电机在额定电压下的转速D. 电机在额定负载下的转速8. 在伺服系统中，减小负载惯量可以（）。
A. 提高系统的稳定性B. 提高系统的响应速度C. 降低系统的精度D. 增加系统的能耗9. 伺服系统中的“零漂”是指（）。
A. 系统在零负载下的漂移B. 系统在零输入下的漂移C. 系统在零速度下的漂移 D. 系统在零位置的漂移10. 下列哪项不是伺服电机的优点？（）A. 精度高B. 响应快C. 能耗低D. 维护复杂二、填空题（每题2分，共20分）11. 伺服运动控制系统主要由________、________和________组成。
12. 伺服系统的控制方式包括开环控制、闭环控制和________。
13. 伺服电机的类型包括直流伺服电机、交流伺服电机和________。
14. 在伺服系统中，________是用来测量电机实际位置的设备。
15. 伺服系统的带宽是指系统频率响应达到________的频率。
16. 伺服电机的额定负载是指在________和________下，电机能够连续工作而不发生过载的负载。
交流伺服运动控制系统
交流伺服运动控制系统简介交流伺服运动控制系统（AC Servo Motion Control System）是一种能够精确控制机械运动的电机控制系统。
它通常由交流伺服电机、驱动器和控制器等组成，通过控制器发送指令给驱动器，驱动器再以适当的电压和电流控制伺服电机的转动。
交流伺服运动控制系统广泛应用于数控机床、机器人、印刷设备、包装机械等行业。
工作原理交流伺服运动控制系统的工作原理基于反馈控制。
它通过传感器实时获取电机的位置和速度信息，然后将这些信息反馈给控制器。
控制器根据预设的运动规划和当前的反馈信息，计算出适当的控制信号，并发送给驱动器。
驱动器根据控制信号的输入，以恰当的电压和电流控制伺服电机的运动，从而实现精确的位置和速度控制。
系统组成交流伺服运动控制系统通常由多个组件组成。
下面是系统中常见的组件：交流伺服电机交流伺服电机是系统的核心部件，它负责转化电能为机械能。
它的转速和转矩可以被控制，在工业应用中通常由永磁同步或异步电机构成。
驱动器驱动器是连接控制器和伺服电机的中间设备，它负责接收控制器发送的指令，并根据指令控制电流输出，以控制伺服电机的运动。
驱动器还负责对电机进行监控和保护，以确保电机的安全运行。
控制器控制器是系统的大脑，它负责接收用户的输入指令，并计算出适当的控制信号发送给驱动器。
控制器通常拥有强大的运动规划和算法处理能力，可以实现高精度的位置和速度控制。
传感器传感器是用于实时监测伺服电机的位置和速度变化的设备，常见的传感器包括编码器、旋转变压器和霍尔传感器等。
传感器将获取的信息反馈给控制器，以实现闭环控制。
主要特点交流伺服运动控制系统具有以下主要特点：高精度控制交流伺服运动控制系统能够实现高精度的位置和速度控制，通常在0.01mm以内的误差范围内。
快速响应由于交流伺服电机的特性，系统具有快速的响应速度，能够快速调整电机的转速和转矩。
广泛应用交流伺服运动控制系统广泛应用于各种行业，如数控机床、机器人、印刷设备、包装机械等，可以满足不同应用领域的需要。
伺服控制系统
伺服系统的组成
例：仿型铣床随动系统
r(t)为模杆的位移，c(t)是铣刀杆的位移。希望铣刀的运动c(t)完全复现模杆
的运动r(t)。使得加工出来的零件尺寸和模型一样。
e(t) 信 号
放大
功率 放大
R1
R2
E
r(t)
c(t)
减速器
电动机
模型
零件
r(t)
电
位
_计
调 节 器
放 大 器
功率 放大
执行 电机
减 速 器
控制器
被控 对象
控制器
放大
被控 对象
舵机控制系统
θr 主指令信号；θy 舵角信号 e =θr -θy 偏差信号 e = 0 时，达到一致。 舵角连续跟踪θr 必须自动克服水流的干扰。
控制器 放大
电动机
θy 齿轮
θr 指 令
θy
舵轮
❖ 反馈的特点与作用
特点： 1、连续的检测偏差量； 2、回路增益可以较高，使误差很小，
n０ 理想空载转速，nR 满载转速
5、负载扰动作用下系统的响应 负载扰动对系统动态过程的影响是调速系统的重要
技术指标之一 衡量抗扰能力一般取大转速降(升)Δnmax与响应时
间tsf来度量
6、元件参数变化的敏感性要求
指控制系统本身各项元件参数的变化所引起的误差。 通 常如不提出要求，则应包含在系统精度和稳定性要求之内
❖ 控制理论快速发展 传递函数、拉普拉斯变换和奈奎斯特稳定理论；根 轨迹；现代控制理论
❖ 计算机、大规模集成电路的发展，各元器件趋于 数字化、集成化，使现代伺服系统朝着高精度、 低噪声的方向发展。
❖ 展望未来，新器件、新理论、新技术必将驱使伺 服系统朝“智能化”方向发展，赋予人工智能特 性的伺服系统以及智能控制器必将获得广泛应用。
伺服运动控制
机床电气控制
在实际生产中，由于大量存在一些用开关量控制的简单的程序控制过程，而实际生产工艺和流程又是经常变 化的，因而传统的继电器接触式控制系统常不能满足这种要求，因此曾出现了继电器接触控制和电子技术相结合 的控制装置，叫做顺序控制器。它能根据生产需要改变控制程序，而又远比电子计算机结构简单，价格低廉，它 是通过组合逻辑元件插接或编程来实现继电器接触控制的。但它的装置体积大，功能也受到一定限制。随着大规 模集成电路和微处理机技术的发展及应用，上述控制技术也发生了根本性的变化，在上世纪70年代出现了将计算 机的存储技术引入顺序控制器，产生了新型工业控制器——可编程序控制器(PLC)，它兼备了计算机控制和继电 器控制系统两方面的优点，故目前在世界各国已作为一种标准化通用装置普遍应用于工业控制。
伺服闭环系统
比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服自动控制的跟随误差，经驱动电路， 控制执行元件带动工作台继续移动，直到跟随误差为零。根据进入比较环节信号的形式以及反馈检测方式，闭环 (半闭环)系统可分为脉冲比较伺服自动控制、相位比较伺服自动控制和幅值比较伺服自动控制3种。
(4)宽调速范围的速度调节系统，即速度伺服自动控制：从系统的控制结构看，数控机床的位置闭环系统可 看作是位置调节为外环、速度调节为内环的双闭环自动控制系统，其内部的实际工作过程是把位置控制输入转换 成相应的速度给定信号后，再通过调速系统驱动伺服电机，实现实际位移。数控机床的主运动要求调速性能也比 较高，因此要求伺服自动控制为高性能的宽调速系统。
伺服控制系统原理
伺服控制系统原理
伺服控制系统原理是一种通过反馈控制的方式，对运动对象进行精确控制的方法。
该系统由三个主要组成部分构成：传感器、执行器和控制器。
传感器负责感知运动对象的位置、速度和加速度等相关参数。
常见的传感器包括光电传感器、编码器和加速度计等。
传感器将实时采集到的数据反馈给控制器。
执行器是伺服控制系统中的执行部件，它通过产生控制信号，将控制器计算出的运动指令转化为实际的运动，从而实现对运动对象位置、速度和加速度的控制。
执行器的种类多种多样，包括伺服电机、气动执行元件和液压缸等。
控制器是伺服控制系统中最为关键的部分，它负责根据传感器反馈的数据以及预设的控制算法，计算出适当的控制信号，并将其送往执行器。
控制器的设计通常基于PID（比例、积分、
微分）控制算法或者其他更高级的控制算法。
PID控制器根据
当前偏差（设定值与实际值之间的差异）、积分项（过去误差累积）和微分项（预测误差变化趋势）来生成输出信号。
伺服控制系统的原理是运用负反馈控制的思想，通过不断地对系统进行测量和调整，使得系统能够准确追踪预设的运动轨迹。
当实际运动与预设值产生偏差时，传感器会感知到这种差异，并将其传递给控制器。
控制器根据传感器反馈的数据计算出适当的控制信号，使执行器作出相应调整，进而对运动对象进行精确控制。
综上所述，伺服控制系统运用传感器、执行器和控制器三个组成部分，通过不断的测量、计算和调整，实现对运动对象的精确控制。
这种基于负反馈控制原理的方法广泛应用于机器人、自动化设备、航空航天等领域。
第五章 伺服驱动系统PPT课件
CP 13 出错报警输出
18，17，15 A，B，C相输出
16 电源
PA0 PA1
8155
PA2 PA5 PA6 PA7
PA3 PA4 TMOUT
+5V YB015
A0
Vcc A
A1
B
E0
C
E1
D
E2
E
R
+
GGNNDD
CP
YB013
A0 Vcc
A1
A
E0
B
E1
C
E2
+
R
-
GND CP
+5V
光电 隔离
41
1
0
2A03H 06H
正
4
1
1
0
2A13H 30H 正
5 1 0 0 2A04H 04H 转 5 1 0 0 2A14H 20H 转
6 1 0 1 2A05H 05H
6 1 0 1 2A15H 28H
2、功率放大器
作用：将环形分配器或I/O口输出的弱电信号放大，给步 进电机每相绕组提供脉冲励磁电流
调速系统：线路简单、效率高、调速范围宽、快速响应好、
抗干扰强；
2）直流PWM调速的基本原理：通过控制电枢电压的占空比，从
而改变其平均电压，完成转速控制。
S
平均电压U d
UmS T
忽略电枢内阻上压降，则电枢回路静态
Um
方程式为：
Ud
E
UmS T
Cen
T
n Um S n S
TCe
7、速度控制单元
分类： 按驱动方式：单压驱动、双压（高低压）驱动 按功率开关元件：功率晶体管驱动、晶闸管驱动 按控制方式：高低压定时控制、恒流斩波控制、脉宽 控制单电压与高低压驱动电路
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电液伺服控制由于具有输出功率大、系统刚度大、控制精度高和电 气控制电路简单等突出优点在各类机床、重型机械、起重机械、汽车、 大型试验设备、航空航天、船舶和武器装备等领域得到了广泛的应用。
但是，电液伺服控制系统的缺点是加工难度大，抗污染能力差，维
护不易，成本较高。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类
2、按照自动控制原理分类
1)闭环伺服系统 数控装置发出指令脉冲后，当指令值送到位置比较电路时，此时若 工作台没有移动，即没有位置反馈信号时，指令值使伺服驱动电动机转 动，经过齿轮、滚珠丝杠等传动元件带动机床工作台移动。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类 1、按照被驱动的执行元件分类
电液伺服控制系统（执行元件是液压缸） 伺服控制系统 回油端
滤油器
该伺服阀是一个四通控制滑阀，它属于转换放大组件，它将电气－ 机械转换器（例如：力矩马达）给出的机械信号转换成液压信号（流量、 压力）输出并加以功率放大。
200ms以内，甚至小于几十毫秒。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
二、数控机床对伺服控制系统的要求
4、调速范围广：为了简化机床的机械结构，提高机床的转动精 度和系统的硬度，数控机床对伺服控制系统提出较宽的调速范围。 机床的调速范围是指电动机带额定负载状态下能够达到的最高速 nmax和最低速nmin之比，即：
压缸也反向跟随运动。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类 1、按照被驱动的执行元件分类
电液伺服控制系统（执行元件是液压缸）
伺服控制系统
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类
1、按照被驱动的执行元件分类 电液伺服控制系统（执行元件是液压缸） 伺服控制系统
2、按照自动控制原理分类 开环伺服控制系统 伺服控制系统 半闭环伺服控制系统 闭环伺服控制系统
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类
2、按照自动控制原理分类
1)闭环伺服系统 数控装置发出指令脉冲后，当指令值送到位置比较电路时，此时若 工作台没有移动，即没有位置反馈信号时，指令值使伺服驱动电动机转 动，经过齿轮、滚珠丝杠等传动元件带动机床工作台移动。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类
2、按照自动控制原理分类
1)闭环伺服系统 数控装置发出指令脉冲后，当指令值送到位置比较电路时，此时若 工作台没有移动，即没有位置反馈信号时，指令值使伺服驱动电动机转 动，经过齿轮、滚珠丝杠等传动元件带动机床工作台移动。
压缸也反向跟随运动。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类 1、按照被驱动的执行元件分类
电液伺服控制系统（执行元件是液压缸）
伺服控制系统
于是伺服阀也处于中间位置，其输出流量等于零，液压缸停止运 动，此时负载就处于一个合适的平衡位置，从而完成了液压缸输出位移 对指令输入的跟随运动。如果加入反向指令信号，则滑阀反向运动，液
电液伺服控制系统（执行元件是液压缸） 伺服控制系统
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类 1、按照被驱动的执行元件分类
电液伺服控制系统（执行元件是液压缸） 伺服控制系统 回油端
滤油器
此系统的能源为液压泵，它以恒定的压力向系统供油，恒定压力的 大小由溢流阀来设定。液压动力装置由伺服阀和液压缸组成。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类 2、按照自动控制原理分类
1)闭环伺服系统 装在机床工作台上的位置测量元件，测出工作台的实际位移量后，反 馈到数控装置的比较器中与指令信号进行比较，并用比较后的差值进行 控制。若两者存在差值，经放大器放大后，再控制伺服驱动电动机转动， 直至差值为零时，工作台才停止移动。
数控机床的伺服控制系统
伺服控制系统(Servo Control System)定义：
在自动控制系统中，输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变
化的系统称为伺服系统，亦称随动系统。
数控机床的伺服控制系统
第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
第二章 伺服系统的执行组件 第三章 伺服驱动器的选择 第四章 步进电动机常见故障分析与维修
D
nmax nmin
一般数控机床的调速范围可达：D=24000
高精密数控机床的调速范围可达：D=100000
5、低速大转矩：机床加工的特点是低速时进行重切削，所以要求 伺服控制系统应具有低速时输出转矩大的特性。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类 1、按照被驱动的执行元件分类
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类 1、按照被驱动的执行元件分类
电液伺服控制系统（执行元件是液压缸）
伺服控制系统
同时位置传感器动作，使误差及阀的节流窗口开口量减小，直至反 馈传感气－ 机械转换器又回到中间位置(零位)，
加工轨迹控制，火炮方位的自动跟
踪，防空导弹的制导控制，宇航设 备的自动驾驶，机器人的动作控制
等等。
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8
第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
一、伺服控制系统的发展过程
例如，数控机床的定位控制和
加工轨迹控制，火炮方位的自动跟
踪，防空导弹的制导控制，宇航设 备的自动驾驶，机器人的动作控制
等等。
数控机床的伺服控制系统
第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
第二章 伺服系统的执行组件 第三章 伺服驱动器的选择 第四章 步进电动机常见故障分析与维修
第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
一、伺服控制系统的发展过程
第二次世界大战期间，由于军
事上的需求，美国麻省理工学院 于1944年研制成功了世界上第一
*
阀的阀心移动。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类 1、按照被驱动的执行元件分类
电液伺服控制系统（执行元件是液压缸）
伺服控制系统
假设阀心向右移动的距离为xv则节流窗口b、d便有一个相应的开口 量，阀心所移动的距离即节流窗口的开口量(通流面积)与上述误差信号 u (或电流i)成比例。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类 2、按照自动控制原理分类
1)闭环伺服系统 装在机床工作台上的位置测量元件，测出工作台的实际位移量后，反 馈到数控装置的比较器中与指令信号进行比较，并用比较后的差值进行 控制。若两者存在差值，经放大器放大后，再控制伺服驱动电动机转动， 直至差值为零时，工作台才停止移动。
数控机床的伺服控制系统
山东大学控制科学与工程学院 曾毅
第1讲
1
数控机床的伺服控制系统
山东大学控制科学与工程学院 曾毅
第1讲
2
伺服控制系统 数控机床的伺服控制系统
伺服控制系统(Servo Control System)定义：
在自动控制系统中，输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变
化的系统称为伺服系统，亦称随动系统。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类 1、按照被驱动的执行元件分类
电液伺服控制系统（执行元件是液压缸） 伺服控制系统 回油端
滤油器
该伺服阀是一个四通控制滑阀，它属于转换放大组件，它将电气－ 机械转换器（例如：力矩马达）给出的机械信号转换成液压信号（流量、 压力）输出并加以功率放大。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类 三、伺服控制系统的基本结构与分类
1、按照被驱动的执行元件分类
电液伺服控 制系统（执行元件是液压缸） 伺服控制系统
回油端
滤油器 当运动控制单元给出一指令信号 u p 时，反馈信号 u p 与指令信号 进行比较得出误差 u ， u 经放大器放大后得出的电信号（通常为电 流信号i）输送给电气－机械转换器，从而使电气－机械转换器带动滑
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
三、伺服控制系统的基本结构与分类 1、按照被驱动的执行元件分类
电液伺服控制系统（执行元件是液压缸） 伺服控制系统 回油端
滤油器
液压缸为执行器，其输入的是压力油流量，输出的是拖动负载（工 作台）位移或速度。位置传感器与液压缸相连用于检测液压缸活塞的位 置，从而构成反馈控制。
个伺服控制系统：火炮自动跟踪
目标伺服控制系统。 军事需求的激励和控制器件、 执行机构和功率驱动装置的发展 推动了伺服系统控制技术的高速 发展。上世纪60年代伺服系统的 理论与实践均趋于成熟，并得到
广泛应用。
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第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
一、伺服控制系统的发展过程
例如，数控机床的定位控制和
加工轨迹控制，火炮方位的自动跟
踪，防空导弹的制导控制，宇航设 备的自动驾驶，机器人的动作控制
等等。
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