伺服控制系统培训(工程师培训)PPT
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《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。
伺服系统专业知识讲座培训课件
1）进给伺服系统的调速要求 数控机床中，进给伺服系统的调速范围与伺服系统的
分辨率有关。 一般的调速范围要求在脉冲当量为0.001mm时达到0～
24000mm/min。
进给伺服系统的调速可分为以下几种： ①在1-24000mm/min范围，要求速度均匀、稳定、无爬行、
速降小。 ②在1mm/min以下时，具有一定的瞬时速度，而平均速度很
这一方面要求过渡过程时间要短，一般在200ms以内，甚 至小于几十毫秒；另一方面要求超调要小。
（4）调速范围宽
调速范围RN指生产机械要求电机能提供的最高转速nmax 和最低转速nmin之比：
RN
nmax nmin
通常，nmax和nmin一般对指额定负载时的转速，对于少 数负载很轻的机械，也可以是实际负载的转速。
例：一个三相步进电机（A、B、C三相绕组） 通电顺序为：A → AB → B → BC → C → CA → ……，
逆时针旋转。 通电顺序为：A → CA → C → BC → B → AB → ……，
顺时针旋转。
上述通电方式也称为三相单双六拍通电方式。其步距角减 少一半。
4.2.3 步进电机的主要特性参数
测量及反馈
系统的误差补偿，可获得很高的位置控制
伺服系统专业精知度识讲，座培系训统课件的稳定性易得到保证。
4.1 概述
4.1.4、数控机床伺服系统的分类
☆全闭环控制系统
x
伺服 伺服
CNC 驱动 电机
n
转速n测
量及反馈
直线位移x测量及反馈
位置检测装置安装在工作台上，直接反映工作台的直线 位移，位置控制精度比半闭环高，控制原理同半闭环。 由于受导轨摩擦系数、传动的润滑状况，传动间隙大小 等因素的影响，系统的稳定性不如半闭环。
伺服基础培训教材PPT课件
（圆盘上的形状）
例： 由B相作为基准 B相为On时如果A相有上升沿，定义为正传。 B相为Oｆｆ时如果A相有上升沿，定义为反转。
CHENLI
20
倍频的原理
直接计数脉冲数
1个脉冲计数2次（2倍频）
1组脉冲计数4次（4倍频）
右回転時 B相
A相
①
②
① ②③ ④
①②③④ ⑤⑥⑦⑧
左回転時 B相
A相 ①
②
绝对值编码器方式
14
伺服器的工作模式：
CHENLI
15
伺服驱动器铭牌含义
CHENLI
16
伺服驱动器铭牌含义
CHENLI
17
编码器：
CHENLI
18
CHENLI
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编码器：
１） 增量型编码器的原理
＊ 圆盘上刻有相位相差90度的A相、B相的槽 ＊ 由此可检测出旋转量和旋转方向。
旋转方向判定的原理
增量型编码器的原理
① ②③ ④
①②③ ④ ⑤ ⑥⑦⑧
本公司的绝对值编码器采用配置有电池，在伺服放大器电源关断时也能记忆当前位置情报 的方式。
伺服放大器电源打开后伺服放大器将电机轴距离原点的圈数及脉冲数所反映的当前位置情 报向上位控制器传送。
CHENLI
21
２）绝对值编码器的基本原理
＊在分辨率的范围内输出波形 是不重复的 ＊根据读取的输出波形可以得到 绝对位置的信息 ＊另外还配备了有电池作断电 备份的计数器以判断出当前所 转到的圈数位置
伺服放大器的功能框图如下图所示。
动力部分 电机
整流部分
逆变部分
反馈 CHENLI
编码器 23
１） 动力部分的构成
交流伺服电机的机械特性及控制方式PPT
互作用产生电磁力，这个电磁力F作用在转子上，并对转
轴形成电磁转矩。根据左手定则，转矩方向与磁铁转动的 方向是一致的，也是顺时针方向。因此，鼠笼转子便在电 磁转矩作用下顺着磁铁旋转的方向转动起来。
励磁绕组 控制绕组
电气原理图
ic I m sin t
if I m sin t 90
if Ic
南京埃斯顿 太仓东元
国内重要伺服系统生产企业
5、卧龙电气集团股份有限公司 公司，前身是成立于1995年的浙江 卧龙集团电机工业有限公司。1998 年变更设立为浙江卧龙电机股份有 限公司。
6、北京和利时电机技术有限公 司，位于江苏省苏州市太仓市浏河 镇闸南工业区。
卧龙电气
北京和利时
国外重要伺服系统生产企业 产品进入我国市场的国外重要伺服系统生产企业有：
(1)调速范围宽广。伺服电动机的转速随着控制电 压改变，能在宽广的范围内连续调节。 (2)转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转。 (3)控制功率小，过载能力强，可靠性好。
1.4 伺服电机在自控制系统中的典型应用
其它场合的应用
国内重要伺服系统生产企业
1、广州数控设备有限公司公司，创 建于1991年，位于广州市罗冲围螺涌北 路一街7号。
C B
A
伺服电动机的机械特性
设电机的负载阻转矩为TL，控制电压 0.25UC时,电机在特性点A运行，转速为na，这 时电机产生的转矩与负载阻转矩相平衡。当 控制电压升高到0.5UC时，电机产生的转矩就 随之增加C，由于电机的转子及其负载存在着 惯性，转速不能瞬时改变，因此电机就要瞬 时地在特性点C运行，这时电机产生的转矩大 于负载阻转矩，电机就加速，一直增加到nb， 电机就在B点运行。
德国西门子伺服电机 安川伺服电机驱动器
轴形成电磁转矩。根据左手定则，转矩方向与磁铁转动的 方向是一致的，也是顺时针方向。因此，鼠笼转子便在电 磁转矩作用下顺着磁铁旋转的方向转动起来。
励磁绕组 控制绕组
电气原理图
ic I m sin t
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南京埃斯顿 太仓东元
国内重要伺服系统生产企业
5、卧龙电气集团股份有限公司 公司，前身是成立于1995年的浙江 卧龙集团电机工业有限公司。1998 年变更设立为浙江卧龙电机股份有 限公司。
6、北京和利时电机技术有限公 司，位于江苏省苏州市太仓市浏河 镇闸南工业区。
卧龙电气
北京和利时
国外重要伺服系统生产企业 产品进入我国市场的国外重要伺服系统生产企业有：
(1)调速范围宽广。伺服电动机的转速随着控制电 压改变，能在宽广的范围内连续调节。 (2)转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转。 (3)控制功率小，过载能力强，可靠性好。
1.4 伺服电机在自控制系统中的典型应用
其它场合的应用
国内重要伺服系统生产企业
1、广州数控设备有限公司公司，创 建于1991年，位于广州市罗冲围螺涌北 路一街7号。
C B
A
伺服电动机的机械特性
设电机的负载阻转矩为TL，控制电压 0.25UC时,电机在特性点A运行，转速为na，这 时电机产生的转矩与负载阻转矩相平衡。当 控制电压升高到0.5UC时，电机产生的转矩就 随之增加C，由于电机的转子及其负载存在着 惯性，转速不能瞬时改变，因此电机就要瞬 时地在特性点C运行，这时电机产生的转矩大 于负载阻转矩，电机就加速，一直增加到nb， 电机就在B点运行。
德国西门子伺服电机 安川伺服电机驱动器
第2章伺服控制基础知识ppt课件
在伺服系统中测角度〔角位移〕的方法很多，常用的有电位计、差动变 压器、微动同步器、自整角机、旋转变压器等，这里引见部分丈量元件。 ---测小角位移
(一)差动变压器和微同步器
1.差动变压器
励磁
直线位移式
输出
转角式
差动变压器
2.微动同步器
微动同步器由四极定子和两极转子组成。在定子每个极上 绕有两个线圈〔初级在里侧，次级在外侧〕。用各极中的一 个线圈串联成初级激磁回路，各极中的另一线圈那么串联成 次级感应回路。
数字测速方法
在闭环伺服控制系统中，根据脉冲 计数来丈量转速的方法有M法测速﹑T 法测速和M/T法测速三种：
M法测速是指：在规定时间间隔Tg内， 丈量所产生的脉冲数来获得被测速度 值；
T法测速是指：丈量相邻两个脉冲的时 间间隔Ttach来确定被测速度值；
M/T法测速是指：同时丈量检测时间和
二、角度〔角位移〕检测
• 位量检测元件的分类和特点
经常用于数控机床的位置检测元件有旋转变压器、感 应同步器、编码盘、光栅和磁尺等。
分类：
☆ 安装的位置及耦合方式—直接丈量和间接丈量；
☆ 丈量方法
—增量型和绝对型;
☆ 检测信号的类型
—模拟式和数字式；
☆ 运动型式
—回转型和直线型；
☆ 信号转换的原理
—光电效应、光栅效应、电磁感应原理、
信号型的微动同步器实践上是一种高准确度的变磁阻型 旋转变压器。对于一定的励磁电压和频率来说，在一定的转 子转角范围(普通为10度或12度)内，它的输出电压正比于转 子转角。
激磁回路的衔接原那么是：当将等幅交流电压加于其上时，在激磁电流
的某半周期内，各极上的磁通方向如图中箭头所示；次级感应回路的衔接 原那么是：使总的输出电压是Ⅱ 、Ⅲ极和I 、Ⅳ极上感应电压之差。
伺服系统培训课件
伺服系统培训课件伺服系统培训课件伺服系统是现代工业控制领域中一种重要的控制系统，广泛应用于机械设备、自动化生产线以及机器人等领域。
为了提高工作效率和生产质量，许多企业都在对员工进行伺服系统培训，以使他们能够熟练操作和维护伺服系统。
一、伺服系统的基本原理伺服系统是一种通过反馈控制来实现精确位置和速度控制的系统。
它由伺服电机、编码器、控制器和驱动器等组成。
伺服电机通过控制器接收指令信号，经过编码器反馈位置信息，再由驱动器将电信号转换为机械运动。
二、伺服系统的应用领域伺服系统广泛应用于各个领域，如机械加工、印刷包装、纺织印染、电子设备制造等。
在机械加工领域，伺服系统可以实现高精度的数控加工，提高加工质量和效率。
在印刷包装领域，伺服系统可以实现准确的定位和调整，提高产品的包装质量。
在纺织印染领域，伺服系统可以实现精确的控制，提高纺织品的印染质量。
在电子设备制造领域，伺服系统可以实现高速、高精度的组装和测试，提高产品的生产效率。
三、伺服系统的特点和优势伺服系统具有以下特点和优势：1. 高精度：伺服系统可以实现微米级的位置和速度控制，满足各种精密加工和控制需求。
2. 高可靠性：伺服系统采用闭环控制，具有自动校正和故障保护功能，可以提高系统的可靠性和稳定性。
3. 高效率：伺服系统采用数字控制技术，具有快速响应和高效能的特点，可以提高生产效率和能源利用率。
4. 灵活性：伺服系统具有多种控制模式和参数设置，可以适应不同的工作需求和工艺要求。
5. 易维护：伺服系统采用模块化设计和自动诊断功能，便于维护和故障排除。
四、伺服系统的操作和维护为了正确操作和维护伺服系统，员工需要掌握以下技能和知识：1. 了解伺服系统的基本原理和工作原理，掌握伺服电机、编码器、控制器和驱动器等组成部分的功能和特点。
2. 掌握伺服系统的安装和调试方法，包括电气连接、参数设置和调整等。
3. 学会使用伺服系统的操作界面和控制软件，熟悉各种操作指令和参数设置。
伺服电机培训课件(PPT 39张)
Pr1.09第二转矩滤波 ↓
3.转矩控制的基本参数调节
参数号 Pr0.01 Pr3.18 Pr3.19 Pr3.20 Pr0.11 Pr3.21
参考值 2 用户指定 用户指定 用户指定 用户指定 用户设置
备注 控制方式选择，固定为“2” 转矩指令选择 转矩指令增益，单位 （×0.1V/100%） 电机旋转逻辑取反， 反馈脉冲数 转矩模式速度限制
速度前馈(speed feedforward)的效果：速度(speed)观测
【实时自动调整流程图】
实行实时自动调整的情况下， 右图表示调整流量。 是 运转是否 实时自动调整这一功能，可 结束 正常？ 以进行自动增益切换，自动 设定位置环路增益，速度环 路增益，速度环路积分时间 分析频率（FFT） 把握共振特性 常数、速度观测滤波器、转 矩滤波器、前馈速度，惯量 比等个调整参数，不能更改 ①把握速度环增益的范围 。 ②把握共振点,根据需要使用 按照操作手册进行调整时， 陷波滤波器 需要设定实时自动调整功能 为无效。 出现共振现象时 要求更短的整定时间时
举一个简单例子：有一台机械，是用伺服电机通过V形带传动一个恒定速 度、大惯性的负载。整个系统需要获得恒定的速度和较快的响应特性，分 析其动作过程： 当驱动器将电流送到电机时，电机立即产生扭矩；一开始，由于V形带 会有弹性，负载不会加速到象电机那样快；伺服电机会比负载提前到达设 定的速度，此时装在电机上的偏码器会削弱电流，继而削弱扭矩； 随着V 型带张力的不断增加会使电机速度变慢，此时驱动器又会去增加电流，周 而复始。 在此例中，系统是振荡的，电机扭矩是波动的，负载速度也随之波动。其 结果当然会是噪音、磨损、不稳定了。不过，这都不是由伺服电机引起的， 这种噪声和不稳定性，是来源于机械传动装置，是由于伺服系统反应速度 (高)与机械传递或者反应时间（较长）不相匹配而引起的，即伺服电机响 应快于系统调整新的扭矩所需的时间。 找到了问题根源所在，再来解决当然就容易多了，针对以上例子，您可以： （1）增加机械刚性和降低系统的惯性，减少机械传动部位的响应时间， 如把V形带更换成直接丝杆传动或用齿轮箱代替V型带。（2）降低伺服系 统的响应速度，减少伺服系统的控制带宽，如降低伺服系统的增益参数值。 （3）设置滤波器，陷波等。
伺服系统培训课件
伺服系统培训课件
第三节 位置检测装置
伺服系统培训课件
第三节 位置检测装置
一、位置检测装置的维护 1.光栅 • 透射光栅与反射光栅 • 光栅输出信号：二个相位和一个零标志 • 维护注意点
防污（冷却液轻微结晶、水雾、通入低压 压缩空气、无水酒精轻檫） 防振（不能敲击避免光学元件损坏）
伺服系统培训课件
第一节 主轴驱动系统 • 一般主轴要求：速度大范围连续可调、恒
功率范围宽 • 伺服主轴要求：有进给控制和位置控制 • 主轴变速形式：电动机带齿轮换档（降速、
增大传动比、增大主轴转矩）；电动机通 过同步齿带或皮带驱动主轴（恒功率、机 械传动简单）
伺服系统培训课件
第六章 伺服系统故障诊断
一、常用主轴驱动系统介绍 • FANUC公司主轴驱动系统
• 主轴电动机不转：CNC是否有速度信号输
出；使能信号是否接通、CTR观察I/O状态、
分析PLC梯形图以确定主轴的启动条件
（润滑、冷却）；主轴驱动故障；主轴电
机故障
伺服系统培训课件
第六章 伺服系统故障诊断
三、主轴直流驱动的故障诊断 1.控制电路
控制回路采用电流反馈和速度反馈的双闭 环调速系统，内环是电流环，外环是速度 环。 调速特点是速度环的输出是电流环的输入， 可以根据速度指令电压和转速反馈电压的 差值及时控制电动机的转矩。在速度差值 大时，转矩大，速度变化快，转速尽快达 到给定值，当转速伺服接系统近培训课给件 定值时，转矩自
伺服系统培训课件
第六章 伺服系统故障诊断
四、主轴交流驱动的故障诊断 （一）6SC650系列主轴交流驱动系统 1.驱动装置的组成（原理图）
伺服系统培训课件
第六章 伺服系统故障诊断
• 1.驱动装置的组成（主轴驱动系统）
第三节 位置检测装置
伺服系统培训课件
第三节 位置检测装置
一、位置检测装置的维护 1.光栅 • 透射光栅与反射光栅 • 光栅输出信号：二个相位和一个零标志 • 维护注意点
防污（冷却液轻微结晶、水雾、通入低压 压缩空气、无水酒精轻檫） 防振（不能敲击避免光学元件损坏）
伺服系统培训课件
第一节 主轴驱动系统 • 一般主轴要求：速度大范围连续可调、恒
功率范围宽 • 伺服主轴要求：有进给控制和位置控制 • 主轴变速形式：电动机带齿轮换档（降速、
增大传动比、增大主轴转矩）；电动机通 过同步齿带或皮带驱动主轴（恒功率、机 械传动简单）
伺服系统培训课件
第六章 伺服系统故障诊断
一、常用主轴驱动系统介绍 • FANUC公司主轴驱动系统
• 主轴电动机不转：CNC是否有速度信号输
出；使能信号是否接通、CTR观察I/O状态、
分析PLC梯形图以确定主轴的启动条件
（润滑、冷却）；主轴驱动故障；主轴电
机故障
伺服系统培训课件
第六章 伺服系统故障诊断
三、主轴直流驱动的故障诊断 1.控制电路
控制回路采用电流反馈和速度反馈的双闭 环调速系统，内环是电流环，外环是速度 环。 调速特点是速度环的输出是电流环的输入， 可以根据速度指令电压和转速反馈电压的 差值及时控制电动机的转矩。在速度差值 大时，转矩大，速度变化快，转速尽快达 到给定值，当转速伺服接系统近培训课给件 定值时，转矩自
伺服系统培训课件
第六章 伺服系统故障诊断
四、主轴交流驱动的故障诊断 （一）6SC650系列主轴交流驱动系统 1.驱动装置的组成（原理图）
伺服系统培训课件
第六章 伺服系统故障诊断
• 1.驱动装置的组成（主轴驱动系统）
伺服驱动器原理及应用培训ppt课件
一、电流环
CPU
CPU比较电流指令和电流反馈， 作为结果的波形送入放大器，再经 过PWM后将信号送到功率晶体管。
5
6
一、电流环
PWM
PWM（脉宽调制）是一种将模 拟信号转换为数字信号的方法。在模 拟信号上加上一个载波频率，其大小 依赖于功率模块的开关次数。每当模 拟信号与载频波形交叉时，PWM输 出就发生一次转换，一系列的转换就 形成了方波信号，其表现为模拟信号 的平均值，相当于该信号的数字形态。
27
六、再生
时序
如果发生了A13和A16报警，我们需要改变再生电阻R1的阻值。我们需 要消耗更多的流过电阻的电流量，因为V=I*R，我们能够通过使用更小的阻 值来增大流过电阻R1的电流量。增大电阻功率并不是正确的解决问题的方法， 因为流过电阻R1的电流量还是一样的。
当改变了电阻之后，我们需要检查再生电路是否满足更小阻值的要求。 一旦减小了R1的阻值，就增大了流过它的电流，如果电流增加的太多，有可 能超过电阻的额定功率，仅仅此时需要增大电阻的功率。
选型举例：步骤5
步骤5：预估：现在我们必须为电机确定正确的额定功率。要确定这个值，有2个 重要的因素，总的惯量和连续转矩。根据EMH电机的规格，我们预估如下：
我们总的惯量（Jtotal=JC+JS+JL）是34.3x10-4Kg·m2，这个值不能超过电机惯 量的5倍。如果超过了，我们可能会遇到过压报警。因此，我们将选择一个电机，它 的惯量要超过我们总的惯量的1/5。EMH-05AP-D04电机的惯量是8.5x10-4 Kg·m2， 这个值的5倍是42.5x10-4 Kg·m2，因为它大于我们总的惯量，所以满足我们的预估 标准。然而，我们也必须确信这个电机有足够的带载转矩。因为它的额定转矩是 4N·m，大于我们需要的1.56N·m，所以可以选它。
伺服控制系统PPT课件
第6章 伺服控制系统
第6章 伺服控制系统
6.1 概述 6.2 执行元件 6.3 电力电子变流技术 6.4 PWM 思考题
第6章 伺服控制系统
6.1
6.1.1 机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，
但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般 包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较 环节等五部分。图6-1给出了伺服系统组成原理框图。
如 果 把 角 速 度 ω 看 作 是 电 枢 电 压 Ua 的 函 数 ， 即
ω=f(Ua)，则可得到直流伺服电动机的调节特性表达式
Ua
Ce
kTm
(6-9)
式中,k是常数，k
Ra
CeCm
2
。
根据式(6-8)和式(6-9)，给定不同的Ua值和Tm值，可 分别绘出直流伺服电动机的机械特性曲线和调节特性曲线 如图6-5、图6-6所示。
第6章 伺服控制系统
4.
上述对直流伺服电动机特性的分析是在理想条件 下进行的，实际上电动机的驱动电路、电动机内部的 摩擦及负载的变动等因素都对直流伺服电动机的特性 有着不容忽略的影响。
1）驱动电路对机械特性的影响;
直流伺服电动机是由驱动电路供电的，假设驱动
电路的内阻是Ri，加在电枢绕组两端的控制电压是Uc，
第6章 伺服控制系统
3）
由式（6-5）知，在负载转矩TL不变的条件下，直流伺
服电动机角速度与电枢电压成线性关系。但在实际伺服系 统中，经常会遇到负载随转速变动的情况，如粘性摩擦阻 力是随转速增加而增加的，数控机床切削加工过程中的切 削力也是随进给速度变化而变化的。这时由于负载的变动 将导致调节特性的非线性，如图6-9所示。可见，由于负 载变动的影响，当电枢电压Ua增加时，直流伺服电动机角
第6章 伺服控制系统
6.1 概述 6.2 执行元件 6.3 电力电子变流技术 6.4 PWM 思考题
第6章 伺服控制系统
6.1
6.1.1 机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，
但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般 包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较 环节等五部分。图6-1给出了伺服系统组成原理框图。
如 果 把 角 速 度 ω 看 作 是 电 枢 电 压 Ua 的 函 数 ， 即
ω=f(Ua)，则可得到直流伺服电动机的调节特性表达式
Ua
Ce
kTm
(6-9)
式中,k是常数，k
Ra
CeCm
2
。
根据式(6-8)和式(6-9)，给定不同的Ua值和Tm值，可 分别绘出直流伺服电动机的机械特性曲线和调节特性曲线 如图6-5、图6-6所示。
第6章 伺服控制系统
4.
上述对直流伺服电动机特性的分析是在理想条件 下进行的，实际上电动机的驱动电路、电动机内部的 摩擦及负载的变动等因素都对直流伺服电动机的特性 有着不容忽略的影响。
1）驱动电路对机械特性的影响;
直流伺服电动机是由驱动电路供电的，假设驱动
电路的内阻是Ri，加在电枢绕组两端的控制电压是Uc，
第6章 伺服控制系统
3）
由式（6-5）知，在负载转矩TL不变的条件下，直流伺
服电动机角速度与电枢电压成线性关系。但在实际伺服系 统中，经常会遇到负载随转速变动的情况，如粘性摩擦阻 力是随转速增加而增加的，数控机床切削加工过程中的切 削力也是随进给速度变化而变化的。这时由于负载的变动 将导致调节特性的非线性，如图6-9所示。可见，由于负 载变动的影响，当电枢电压Ua增加时，直流伺服电动机角
伺服系统的控制方式ppt课件
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机电一体化技术
运动控制系统安装调试与运行
（a） 位置控制的目标
FA设备中的“定位”是指工件或工具（钻头、铣刀）等以合适的速度 向着目标位置移动，并高精度地停止在目标位置。这样的控制称为“定 位控制”。可以说伺服系统主要用来实现这种“定位控制”的目的。
定位置控制的要求是“始终正确地监视电机的旋转状态”，为了达到 此目的而使用检测伺服电机旋转状态的编码器。而且，为了使其具有迅速 跟踪指令的能力，伺服电机选用体现电机动力性能的起动转矩大而电机本 身惯性小的专用电机。
9
机电一体化技术
运动控制系统安装调试与运行
伺服系统的速度控制特点：可实现“精细、速度范围宽、速度波动小”的运行。
(a) 软起动、软停止功能：可调整加减速运动中的加速 度（速度变化率），避免加速、减速时的冲击。 (b) 速度控制范围宽：可进行从微速到高速的宽范围的 速度控制。（1：1000～5000左右）速度控制范围内 为恒转矩特性。 (c) 速度变化率小：即使负载有变化，也可进行小速度 波动的运行。
6
机电一体化技术
运动控制系统安装调试与运行
(b) 位置控制基本特点
伺服系统的位置控制基本特点如下所述。 机械的移动量与指令脉冲的总数成正比。 机械的速度与指令脉冲串的速度（脉冲频率）成正比。 最终在±1个脉冲的范围内定位即完成，此后只要不改变
位置指令，则始终保持在该位置。（伺服锁定功能）
因此，伺服系统中的位置精度由以下各项决定。 伺服电机每转1圈机械的移动量 伺服电机每转1圈编码器输出的脉冲数 机械系统中的间隙（松动）等误差
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2、速度控制模式
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机电一体化技术
运动控制系统安装调试与运行
目标速度变化时，也可快速响应。即使负载变 化，也可最大限度地缩小与目标速度的差异。能 实现在宽广的速度范围内连续运行。
机电一体化技术
运动控制系统安装调试与运行
（a） 位置控制的目标
FA设备中的“定位”是指工件或工具（钻头、铣刀）等以合适的速度 向着目标位置移动，并高精度地停止在目标位置。这样的控制称为“定 位控制”。可以说伺服系统主要用来实现这种“定位控制”的目的。
定位置控制的要求是“始终正确地监视电机的旋转状态”，为了达到 此目的而使用检测伺服电机旋转状态的编码器。而且，为了使其具有迅速 跟踪指令的能力，伺服电机选用体现电机动力性能的起动转矩大而电机本 身惯性小的专用电机。
9
机电一体化技术
运动控制系统安装调试与运行
伺服系统的速度控制特点：可实现“精细、速度范围宽、速度波动小”的运行。
(a) 软起动、软停止功能：可调整加减速运动中的加速 度（速度变化率），避免加速、减速时的冲击。 (b) 速度控制范围宽：可进行从微速到高速的宽范围的 速度控制。（1：1000～5000左右）速度控制范围内 为恒转矩特性。 (c) 速度变化率小：即使负载有变化，也可进行小速度 波动的运行。
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机电一体化技术
运动控制系统安装调试与运行
(b) 位置控制基本特点
伺服系统的位置控制基本特点如下所述。 机械的移动量与指令脉冲的总数成正比。 机械的速度与指令脉冲串的速度（脉冲频率）成正比。 最终在±1个脉冲的范围内定位即完成，此后只要不改变
位置指令，则始终保持在该位置。（伺服锁定功能）
因此，伺服系统中的位置精度由以下各项决定。 伺服电机每转1圈机械的移动量 伺服电机每转1圈编码器输出的脉冲数 机械系统中的间隙（松动）等误差
7
2、速度控制模式
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机电一体化技术
运动控制系统安装调试与运行
目标速度变化时，也可快速响应。即使负载变 化，也可最大限度地缩小与目标速度的差异。能 实现在宽广的速度范围内连续运行。
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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
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
dt
实例：直流伺服系统
Ra
La
ei (t)
ia
0(t)
J
eb TM
TN
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
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；
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
直流伺服电机的调速原理与方法
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）
培训资料
• 名称：伺服控制系统培训（工程师培训） • 所属班组：xx • 汇报人：xx
伺服马达之分类
DC 伺服马达
AC 伺服马达
1、线圈会旋转 2、定子为永久磁铁 3、有碳刷及整流子
1、定子为线圈 2、转子为永久磁铁 3、无碳刷及整流子
内容
• 基本概念的介绍与举例 • 伺服电机原理介绍 • 伺服控制系统介绍 • 总结
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
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。
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
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
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
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
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)
(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)
பைடு நூலகம்
1 Las Ra
Ia (s)
KT TM (s)
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
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
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 )
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。
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
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
dt
实例：直流伺服系统
Ra
La
ei (t)
ia
0(t)
J
eb TM
TN
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
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；
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
直流伺服电机的调速原理与方法
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）
培训资料
• 名称：伺服控制系统培训（工程师培训） • 所属班组：xx • 汇报人：xx
伺服马达之分类
DC 伺服马达
AC 伺服马达
1、线圈会旋转 2、定子为永久磁铁 3、有碳刷及整流子
1、定子为线圈 2、转子为永久磁铁 3、无碳刷及整流子
内容
• 基本概念的介绍与举例 • 伺服电机原理介绍 • 伺服控制系统介绍 • 总结
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
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。
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
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
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
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
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)
(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)
பைடு நூலகம்
1 Las Ra
Ia (s)
KT TM (s)
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
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B
5
4
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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
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
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 )
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。