主要内容概述伺服系统元件误差伺服系统原理动态误差伺服系
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
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，
伺服的工作原理
伺服的工作原理
伺服的工作原理是通过传感器检测并测量系统的状态，然后将这些测量值与预设的目标值进行比较。
如果测量值与目标值存在偏差，控制器会发出控制信号，使电机根据反馈信号做出相应的调整，使系统恢复到目标值附近。
伺服系统通常由三个基本组件组成：控制器、执行器和反馈装置。
控制器是系统的核心，负责接收来自传感器的反馈信息，并将其与目标值进行比较，然后计算出控制信号。
执行器是控制信号的接收者，通常是电机或液压装置，它们将接收到的控制信号转化为机械运动。
反馈装置用于监测执行器的运动状态，并将其转化为反馈信号，反馈给控制器进行实时调整。
在伺服系统中，控制器的设计是至关重要的。
控制器通常采用比例积分微分（PID）控制器，通过对误差的比例、积分和微
分进行加权，来计算控制信号。
其工作原理是根据当前的误差状态和误差变化率来调整控制信号，使系统能够稳定地接近目标值。
伺服系统的关键在于反馈机制，它实现了系统的闭环控制。
反馈装置通过监测执行器的运动状态，将实际测量值反馈给控制器。
控制器根据反馈信号进行实时调整，以便使系统尽可能地接近目标值。
通过持续的反馈和调整，伺服系统能够响应外部干扰，并保持系统在变化之间稳定运行。
总而言之，伺服的工作原理是通过传感器检测系统的状态，并与预设的目标值进行比较，然后通过控制器计算控制信号，使
执行器根据反馈信号进行调整，以使系统接近目标值。
通过持续的反馈和调整，伺服系统能够实现闭环控制，稳定地运行并应对外部干扰。
第4章 数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统 工作原理：假设是单三拍通电工作方式。 （1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 1 120/9 = 13 齿 3 2 A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 26 个 3 齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对 齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、 定子相差 1/3 个齿（3），C相的转子、定 子相差2/3个齿（6）。
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式中：n —转速（r/min）； f —控制脉冲频率，即每秒输入步进电动机的脉冲数； 由上式可知：工作台移动的速度由指令脉冲的频率所控制。
第4章 数控机床伺服系统 特点：
(1)来一个脉冲，转一个步距角。
(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。
(3)改变脉冲顺序，改变方向。
种类：
有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转 子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。
第4章 数控机床伺服系统
计算机数控系统 机床 I/O 电路和装置 操作面板 键盘 输入输出 设备 机 床
PLC
计算机 数 装 控 置
主轴伺服单元
主轴驱动装置
进给伺服单元 测量装置
进给驱动装置
主进辅 运给助 传控 动 动制 机机机 构构构
数控机床的组成
第4章 数控机床伺服系统
第4章
数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统
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第4章 数控机床伺服系统
每个步距角对应工作台一个位移值，这个位移值称为脉 冲当量。 因此，只要控制指令脉冲的数量即可控制工作台移动的 位移量。步距角越小，它所达到的位置精度越高，因此实际 使用的步进电动机一般都有较小的步距角。 步进电动机的转速公式为：n 60 f
伺服工作原理
伺服工作原理
伺服工作原理是指通过运用反馈控制原理，使系统能够实时地根据所需输出值进行调整和校正，以达到精确控制输出的目的。
伺服系统主要包括信号调整器、执行器和反馈装置三个主要组成部分。
其中，信号调整器负责将输入信号进行放大、加工和调整，生成合适的控制信号。
执行器接收来自信号调整器的控制信号，并将其转化为相应的动作或力，以实现所需的运动或输出。
反馈装置监测执行器的输出，并将实际输出值反馈给信号调整器，用于校正和调整控制信号，以使输出更加准确。
在伺服系统中，最常见的反馈装置是编码器。
编码器通过测量旋转角度或线性位移的变化来获取系统的实际输出值，并将其转化为脉冲信号输出。
这些脉冲信号回传给信号调整器，用于比较和校正与期望输出值之间的差距，并生成修正后的控制信号。
当系统工作时，信号调整器将输入信号与反馈信号进行比较，并生成误差信号。
误差信号经过放大和滤波处理后，送入执行器，使其作出相应的调整。
执行器将调整后的输出力或运动传递到负载上，实现所需的运动或输出。
通过反复的比较和调整过程，伺服系统能够实现精确控制输出，并能够在外界干扰或负载变化的情况下自动校正。
伺服系统广泛应用于工业自动化、机器人技术、机械加工、医疗设备等领域，为各种精密控制提供强大支持。
伺服系统基础知识资料
交流永磁同步伺服驱动系统一、伺服系统简介伺服来自英文单词Servo，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。
伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。
在20世纪60年代，最早是直流电机作为主要执行部件，在70年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。
交流永磁同步伺服驱动系统（以下简称伺服系统），是基于国外高端伺服技术开发出适合于国内环境的伺服驱动系统，具有性能优异、可靠性强，广泛应用于数控机床、织袜机械、纺织机械、绣花机、雕刻机械等领域，在这些要求高精度高动态性能以及小体积的场合，应用交流永磁同步电机（PMSM）的伺服系统具有明显的优势。
其中，PMSM具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广、动态特性和效率都很高。
交流伺服系统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。
伺服系统调速范围一般的在1:5000～1:10000；定位精度一般都要达到±1个脉冲；稳速精度，尤其是低速下的稳速精度，比如给定1rpm时，一般的在±0.1rpm以内，高性能的可以达到±0.01rpm以内；动态响应方面，通常衡量的指标是系统最高响应频率，即给定最高频率的正弦速度指令，系统输出速度波形的相位滞后不超过90°或者幅值不小于50％。
应用在特定要求高的一些场合，目前国内主流产品的频率在200～500Hz。
运行稳定性方面，主要是指系统在电压波动、负载波动、电机参数变化、上位控制器输出特性变化、电磁干扰、以及其他特殊运行条件下，维持稳定运行并保证一定的性能指标的能力。
二、伺服系统的组成伺服系统的组成1.上位机上位机通过控制端口发送指令（模拟指令或脉冲指令）给驱动器。
驱动器跟随外部指令来执行，同时驱动器反馈信号给上位机。
伺服电机及其控制原理-PPT
开环伺服控制回路
位置控制 控制器 （ＮＣ装置）
步进 驱动器
步进马达
指令脉冲
脉冲马达
１脉冲 ＝ １步进角
例 步进角 ０.３６°的情况 １脉冲 → ０.３６°的动作
１０００脉冲 → ３６０°（１圈）
开环伺服控制回路
位置控制 控制器 （ＮＣ装置）
步进 驱动器
步进马达
位置 ＝ 脉冲数 速度 ＝ 脉冲频率
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问题8：伺服电机过热（电机烧毁）。
原因：1、负载惯性（负荷）太大，增大电机和控制器 的容量；2、设备（机械）松动、脱落，重新确认设备 （机械）各部件；3、与驱动器接线错误，确认电机和 控制器名牌，根据说明书检查是否接线错误。4、电机 轴承故障。5、电机故障（接地、缺相等）
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3.1 伺服控制器概述
伺服驱动器（servo drives） 又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是 用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似 于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统 的一部分，主要应用于高精度的定位系统。
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伺服控制器的作用
1、按照定位指令装置输出的脉冲串，对工件进行定位控制。 2、伺服电机锁定功能：当偏差计数器的输出为零时，如果有外力
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需要我们注意的是： 伺服电机实际使用当中，必须了解电
机的型号规格，确认好电机编码器的分 辨率，才能选择合适的伺服控制器。
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松下伺服电机常见故障分析
问题1：对伺服电机进行机械安装时，应该 注意什么问题？
由于每台伺服电机都带有编码器，它是一个十分容易碎 的精密光学器件，过大的冲击力会使其破坏。因而在安 装的过程中要避免对编码器使用过大的冲击力。
开环伺服系统结构简图
数控装置发出脉冲指令，经过脉冲分配和功 率放大后，驱动步进电机和传动件的累积误 差。因此，开环伺服系统的精度低，一般可 达到0.01mm左右，且速度也有一定的限制。
伺服电机综述
伺服电机综述luqingsong@摘要：文章对伺服电机及其工作原理进行了简要介绍，并介绍了伺服控制系统同时分析了国内外伺服电机的研究现状。
关键词：伺服电机伺服系统研究现状1伺服电机简介伺服电机（servo motor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。
伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。
伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。
[1]2伺服电机工作原理伺服电机在控制系统的控制下，实现相应的动作，其相应的命令就是输入的电压信号，一般由单片机提供，有几伏电压到几千伏电压驱动的伺服电机，伺服电机通过接受到的电压信号，识别信号的占空比，从而实现伺服电机的转速的输出控制，伺服电机把输入的电压信号转换为伺服电机的转矩，其占空比比较大，时间常数相应比较小，能够快速的响应，其归根结底则是根据输入的信号电平转化为伺服电机电机轴的角位移或者角速度输出，达到信号旋转驱动后面负载的元器件的功能，其作为一个动力驱动源，应用很广泛。
伺服电机一般度较小，现今使用的多为交流伺服电机，交流伺服电机有着优良的特性，体积小，执行相应时间小，其功率值的调动范围很大，相对于交流伺服电机而言直流伺服电机体积比较大，其执行的精度虽高，但在成本和实用下，性能比远远低于交流伺服电机。
现如今，工业企业等大小的实验，均采用的是交流伺服电机，交流伺服电机分为同步交流伺服电机和异步交流伺服电机。
交流伺服电机采用的是单片机输入的ＰＷＭ脉宽数，执行相应的反应动作，交流伺服电机通过接收到的ＰＷＭ脉宽数，执行电机的主轴输出轴的转速的控制。
伺服系统误差分析.
考虑其动态误差，只用上述静态误差指标计算测量误差；
在计算测量误差时，根据工况找主要影响的指标；
(单向位移传感器和温度、压力传感器，灵敏限就不一定很主
要，测量区域常常不包含零点。因此，线性度、迟滞回差、重复
性、温度误差和电源误差是主要的误差来源)
计算总误差时可以认为它们是独立的、且对总误差影响很小的
对应的谱密度为 SR (), SNi () ，则
3
2
Se () e ( j) 2 SR () eNi ( j) SNi ()
i0
注意：
e2
0 Se ()d
以上方法具有普遍适用性； 对非单位反馈必须转化为单位反馈后，再分析计算； 对各元件的扰动误差都可计算到它的输出端； 对多回路，现内环后外环，简化回路，等效为单环单位反 馈回路，其各回路误差可等效为干扰量； 串级反馈系统具有抑制干扰的能力，位置越后，抑制力越 强，位置越前，抑制力越弱。检测、前置放大精度高的原因。
1、如果各量均为确定函数，用拉氏变换归化：
3
E(s) e (s)R(s) eNi (s)Ni (s) i0
e (s)
E(s) R(s)
1 (s)
1 1 G1(s)G2 (s)G3 (s)G4 (s)
eN0
(s)
C ( s) N0 (s)
G1(s)G2 (s)G3 (s)G4 (s) 1 G1(s)G2 (s)G3 (s)G4 (s)
一般都会得到有效的
误差源
抑制
传感器输入输出作用图
一、测量元件测量误差的定义及分析计算方法 传感器精度（或误差）表示有总指标或分项指标 传感器输入输出关系为：
c (a0 a1r (1) a2r (2) anr (n) )r
第三节 伺服进给系统
第三节伺服进给系统数控机床的进给系统又称“伺服进给系统”。
所谓“伺服”，即，可以严格按照控制信号完成相应的动作。
在数控机床的结构中，简化最多的就是进给系统。
所有数控机床的（做直线运动的）伺服进给系统，基本形式都是一样的。
一、传统机床进给系统的特点1．进给运动速度低、消耗功率少进给运动的速度一般较低，因而常采用大降速比的传动机构，如丝杠螺母、蜗杆蜗轮等。
这些机构的传动效率虽低，但因进给功率小，相对功率损失很小。
2．进给运动数目多不同的机床对进给运动的种类和数量要求也不同。
例如：立式钻床只要求一个进给运动；卧式车床为两个（纵、横向）；而卧式铣镗床则有五个进给运动。
进给运动越多，相应的各种机构（如变速与换向、运动转换以及操纵等机构）也就越多，结构就更为复杂。
3．恒转矩传动进给运动的载荷特点与主运动不同。
当进给量较大时，常采用较小的背吃刀量；当进给量较小时，则选用较大的背吃刀量。
所以，在采用各种不同进给量的情况下，其切削分力大致相同，即都有可能达到最大进给力。
因此，进给传动系统最后输出轴的最大转矩可近似地认为相等。
这就是进给传动恒转矩工作的特点。
4．进给传动系统的传动精度进给传动链从首端到末端，有很多齿轮等进行传递，每个传动件的误差都将乘以其后的传动比并最终影响末端件输出，输出端的总误差是中间各传动件误差的累积（均方根）。
因为进给传动链总趋势是降速，所以远离末端件的传动件误差影响较小，而越靠近末端件的传动件误差，对总的传动精度的影响越大。
因此把越靠近末端件的传动比取得越小（相当于“前慢后快”原则），对减小其前面各传动件的误差影响越大。
这就是“传动比递降原则”。
应该注意：传统机床仅在“内联系传动链”中需要考虑传动精度。
二、提高传动精度的措施：①缩短传动链减少传动件数目，以减少误差的来源。
（即累积误差减少）②合理分配各传动副的传动比尽可能采用传动比递降原则；尽量采用大降速比的末端传动副，如：输出为回转运动用蜗杆蜗轮副，输出为直线运动用丝杠螺母副。
进给伺服系统概述
大倍数。 调速单元输出的量是速度量，这一速度量经过积分环节 1/s 后成为角 位移量。
2-1、进给伺服系统的数学模型
对控制系统的数学描述， 实际上就是首先建立系统中各环节的传 递函数，然后求出整个系统的传递函数。有速度内环的闭环系统如 图 8-4 所示：
位置检测环节是指位置传感器（光电编码器，旋转变压器等）和后置 处理电路。作用是把位置信号转换为电信号。这个环节也可以看做是 一个比例环节，比例系数是 K f 。 将各环节的传递函数置换 8-4 的框图， 就得到了动态结构图， 如图 8-5 所示：
1．静态性能分析
控制系统中，最重要的是稳定性问题。如果一台数控机床的伺服 控制系统是不稳加工的。因此，任何控制系统首先必须是稳定的。 2、稳态性能指标 位置伺服系统的稳态性能指标主要是定位精度，指的是系 统过度过程终了时实际状态与期望状态之间的偏差程度。 一般数控机 床的定位精度应不低于 0.01mm，而高性能数控机床定位精度将达到 0.001mm 以上。 影响伺服系统稳态精度的原因主要有两类， 一类是位置测量装置
伺服控制系统- 概述
伺服控制系统- 概述第六章伺服控制系统第一节概述伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统。
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，雷达天线要一直跟踪目标，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。
一、伺服系统的结构组成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。
如图6-1给出了系统组成原理框图。
1、比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。
2、控制器通常是计算机或PID控制电图6-1伺服系统组成原理框图路，主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。
3、执行元件作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。
机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。
4、被控对象是指被控制的机构或装置，是直接完成系统目的的主体。
一般包括传动系统、执行装置和负载。
5、检测环节是指能够对输出进行测量，并转换成比较环节所需要的量纲的装置。
一般包括传感器和转换电路。
在实际的伺服控制系统中，上述的每个环节在硬件特征上并不独立，可能几个环节在一个硬件中，如测速直流电机即是执行元件又是检测元件。
二、伺服系统的分类伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有:1、按被控量参数特性分类按被控量不同，机电一体化系统可分为位移、速度、力矩等各种伺服系统。
伺服电机的工作原理
伺服电机的工作原理引言概述：伺服电机是一种能够精准控制位置、速度和加速度的电机，广泛应用于工业自动化、机器人技术、航空航天等领域。
了解伺服电机的工作原理对于掌握其应用和维护至关重要。
一、伺服电机的基本结构1.1 电机部分：伺服电机通常由电机、编码器、控制器和传感器等部分组成。
1.2 编码器：编码器用于反馈电机的位置信息，实现闭环控制。
1.3 控制器：控制器接收编码器反馈的位置信息，并根据设定的目标位置控制电机的转动。
二、伺服电机的工作原理2.1 闭环控制：伺服电机采用闭环控制系统，通过不断比较实际位置和目标位置的差异，调整电机的转速和转向，实现精准控制。
2.2 PID控制：伺服电机控制器通常采用PID控制算法，即比例、积分、微分控制，通过调节这三个参数，实现对电机的精确控制。
2.3 反馈系统：编码器等反馈系统可以实时监测电机的位置信息，将实际位置反馈给控制器，从而实现闭环控制。
三、伺服电机的应用领域3.1 工业自动化：伺服电机广泛应用于自动化生产线上，用于控制机械臂、输送带等设备的运动。
3.2 机器人技术：伺服电机是机器人关节驱动的重要组成部分，可以实现机器人的精准运动和操作。
3.3 航空航天：伺服电机在航空航天领域用于控制飞行器的姿态和航向，保证飞行器的稳定性和精准性。
四、伺服电机的优势4.1 精准控制：伺服电机可以实现高精度的位置控制，适用于对运动精度要求较高的场合。
4.2 高效能：伺服电机具有高效能的特点，能够在短时间内实现快速响应和高速转动。
4.3 稳定性：由于采用闭环控制系统，伺服电机具有良好的稳定性和抗干扰能力，适用于复杂环境下的应用。
五、伺服电机的发展趋势5.1 高性能化：伺服电机将不断追求更高的性能指标，如更高的转速、更高的精度等。
5.2 智能化：伺服电机将逐渐智能化，具备自学习、自适应等功能，更好地适应各种复杂环境。
5.3 网络化：伺服电机将与网络技术结合，实现远程监控、故障诊断等功能，提高设备的可靠性和维护性。
伺服系统概述
12 伺服系统概述
半闭环数控系统
半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置 (常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测， 不是直接检测运动部件的实际位置。
位置控制单元 CNC 插补 指令 + 位置控制调节 器
速度控制单元 +
-
速度控制 调节与驱动
机械执行部件
实际 位置 反馈
实际 速度 反馈 检测与反馈单 元
电机
12 伺服系统概述
从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、
间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。
由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚 性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳 定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。
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。
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。
输入指令
比较 元件
调节 元件
执行 元件
被控 对象
输出量
测量、反 馈元件
伺服系统工作原理
第一部分：伺服系统的工作原理伺服系统(servo system)亦称随动系统，属于自动控制系统中的一种，它用来控制被控对象的转角(或位移)，使其能自动地、连续地、精确地复规输入指令的变化规律。
它通常是具有负反馈的闭环控制系统，有的场合也可以用开环控制来实现其功能。
在实际应用中一般以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，例如数控机床等。
使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。
其基本工作原理和普通的交直流电机没有什么不同。
该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有时简称为伺服，一般其内部包括转矩（电流）、速度和/或位置闭环。
其工作原理简单的说就是在开环控制的交直流电机的基础上将速度和位置信号通过旋转编码器、旋转变压器等反馈给驱动器做闭环负反馈的PID调节控制。
再加上驱动器内部的电流闭环，通过这3个闭环调节，使电机的输出对设定值追随的准确性和时间响应特性都提高很多。
伺服系统是个动态的随动系统，达到的稳态平衡也是动态的平衡。
全数字伺服系统一般采用位置控制、速度控制和力矩控制的三环结构。
系统硬件大致由以下几部分组成：电源单元；功率逆变和保护单元；检测器单元；数字控制器单元；接口单元。
相对应伺服系统由外到内的"位置"、"速度"、"转矩" 三个闭环，伺服系统一般分为三种控制方式。
在使用位置控制方式时，伺服完成所有的三个闭环的控制。
在使用速度控制方式时，伺服完成速度和扭矩（电流）两个闭环的控制。
一般来讲，我们的需要位置控制的系统，既可以使用伺服的位置控制方式，也可以使用速度控制方式，只是上位机的处理不同。
另外，有人认为位置控制方式容易受到干扰。
而扭矩控制方式是伺服系统只进行扭矩的闭环控制，即电流控制，只需要发送给伺服单元一个目标扭矩值，多用在单一的扭矩控制场合，比如在小角度裁断机中，一个电机用速度或位置控制方式，用来向前传送材料，另一个电机用作扭矩控制方式，用来形成恒定的张力。
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位置、速度和加速度的系统，它在工业自动化、机器人、数控机床等领域得到了广泛的应用。
伺服系统的工作原理主要包括传感器、控制器和执行器三个部分。
首先，传感器是伺服系统的感知器官，它可以实时地感知运动位置、速度和加速度等参数，并将这些参数反馈给控制器。
常用的传感器包括编码器、光栅尺、霍尔传感器等，它们能够将机械运动转换成电信号，从而实现对运动状态的实时监测。
其次，控制器是伺服系统的大脑，它根据传感器反馈的信息，通过内部的控制算法计算出控制指令，并将指令发送给执行器。
控制器通常采用微处理器或者数字信号处理器，它能够实时地对传感器反馈的信息进行处理，从而保证系统对运动状态的精准控制。
最后，执行器是伺服系统的执行器官，它根据控制器发送的指令，驱动负载实现精确的运动控制。
常见的执行器包括伺服电机、液压缸、气动马达等，它们能够根据控制器发送的脉冲信号，精准地控制负载的位置和速度。
总的来说，伺服系统的工作原理可以简单概括为，传感器感知运动状态，控制器计算控制指令，执行器驱动负载实现精确的运动控制。
这种闭环控制系统能够实现对运动状态的高精度控制，从而满足工业自动化和机器人等领域对运动精度的要求。
在实际应用中，伺服系统的工作原理可以根据具体的控制要求进行调整和优化，例如采用不同的传感器、控制算法和执行器等，以适应不同的工程需求。
因此，了解伺服系统的工作原理对于工程师和技术人员来说至关重要，它能够帮助他们更好地设计和应用伺服系统，从而提高生产效率和产品质量。
综上所述，伺服系统的工作原理是一个涉及传感器、控制器和执行器的闭环控制系统，它能够实现对运动状态的高精度控制。
通过对伺服系统工作原理的深入了解，我们能够更好地应用和优化伺服系统，从而推动工业自动化和智能制造的发展。
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。
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(7)稳定度
稳定度指传感器在规定的工作条件下，长期保持恒定不变的 能力。分短期和长期漂移。短期4小时，长期30 ed = [Δd/UFS ]×100% 其中: Δd为相邻时间间隔对应于满量程UFS输入的同一100%输入所 测得的输出最大差值；UFS
em = [ Δc/UFS ]×100%
Δc为相邻时间间隔对应于满量程UFS输入的同一90%输入所
1、如果各量均为确定函数，用拉氏变换归化：
E ( s ) e ( s ) R ( s ) eNi ( s) N i ( s)
i 0 3
e ( s)
E ( s) 1 1 ( s) R( s) 1 G1 ( s )G2 ( s )G3 ( s )G4 ( s )
2、分指标精度（七个分指标）
U
UFs (1) 线性度ef(非线性误差) 表示实测输出特性曲线与理想拟合 实际情况 直线之间的吻合程度。其最大偏差为 拟合直线 ΔUmax，满量程输出为UFS， ef=±[ΔUmax/UFS]×100% 把ef折算为输入量，还需除以该传感 器的灵敏度。
U max
r
(2) 灵敏限(死区)Δrs 当传感器输入量缓慢地从零点开始，逐渐增加到传感器输出值 刚刚开始微小变化时的输入值Δrs。 死区为输入量变化的一个有限区间内，输出为零。 对于双量测量元件，如果拟合直线通过死区中点，那么灵敏限
0.9811mv
3σ=±2.9434 mV 可以将输出最大误差折算到输入端(信号端)，求出传感器的最
放大器
二、自整角机对的误差
随动系统中常用自整角机作为测 角元件，并且成对使用。 自整角机的静态精度分三个等级
精度等级
静误差不大于
控制 线圈 r U 伺服电机 减速器 雷达天线 俯仰角 a ZKB
E2
刻度盘
0级
±5(角分)
1级
±10(角分)
2级
±20(角分)
ZKF
计算自整角机的测量误差时，分
Ui 雷达俯仰角自动显示系统
1. 自整机都有明确的精度等级，实际就是一个综合的精度指标。 2 2 F J 式中 ΔF：自整角发送机误差；ΔJ：自整角接收变压器误差 Δ：
2.自整角机的速度误差 随动系统需要较高的跟踪速度。高速旋转将产生旋转电势， 形成附加误差Δv。 一般50Hz的自整角机300r/min时产生的Δv≈0.6°～2°。 500Hz的自整机300r/min时产生的Δv≈0.06°～2°。 在计算自整角机对的测量误差时，除了考虑静态误差以外， 可根据实际情况增加一个速度误差Δv。
一、测量元件测量误差的定义及分析计算方法 传感器精度（或误差）表示有总指标或分项指标 传感器输入输出关系为：
c (a0 a1r
(1)
a2 r
(2)
an r
(n)
)r
其中，ai为常数，理想情况下，有 c a0 r 线性关系
对于动态情况，c与r的各阶导数有关，理想情况是各 阶导数为零。 输出与理想输出的偏差可看成随机分布，不管其原因 传感器给出的精度指标一般有两种（综合与分指标）
伺服系统元件误差
测量元件的误差占系 次要输入 统误差的比例重 供电 温度 冲击振动 电磁场 伺服系统中的测量元 件对系统精度的影响 主要输入 主要输出 是直接的 传 感 器 （基准加使用） 反馈所包围回路中的 线性 各种放大、执行等元 电压灵敏度 滞后 干扰 件的误差或因环境条 温度系数 件变化而引起的误差， 重复性 稳定性 一般都会得到有效的 误差源 抑制 传感器输入输出作用图
几点说明：
·关于误差E(s)与偏差ε
(s)的区别
定义: E(s)=Cr(s) －C(s)； ε (S)=R(s) －C(s)H(s) 对单位反馈，期望输出cr等于实际输入r，有E(s)= ε (s)； 对非单位反馈，期望输出cr不等于实际输入r，其关系为： Cr (s)=R (s)/H (s)=R′(S);
r _ ε G H c r
E(s)= ε (s)/ H(s)
1/H r' e _ G H c
·关于干扰对误差E(s)的影响
C ( s) , N0 ( s) ·关于负号问题 eN0 ( s) 而不是 eN0 ( s)
E ( s) N0 ( s)
e f (t ) crf (t ) c f (t ) crf (t ) 0, e f (t ) c f (t )
G1 ( s )G2 ( s )G3 ( s )G4 ( s ) C ( s ) eN0 ( s ) N 0 ( s ) 1 G1 ( s )G2 ( s )G3 ( s )G4 ( s ) G2 ( s )G3 ( s )G4 ( s ) C ( s ) eN1 ( s ) N1 ( s ) 1 G1 ( s )G2 ( s )G3 ( s )G4 ( s ) G3 ( s )G4 ( s ) C ( s ) eN 2 ( s ) N 2 ( s ) 1 G1 ( s )G2 ( s )G3 ( s )G4 ( s ) G4 ( s ) C ( s ) eN3 ( s ) N 3 ( s ) 1 G1 ( s )G2 ( s )G3 ( s )G4 ( s )
所处的位置不同，对系统影响也不同；只知范围，不知
1、元件误差 各种元件本身的各类误差
精确值；测量元件误差是重点。 2、原理误差 控制机理的必然；外部干扰作用产生误差。 原理误差分为确定型和随机型两类。 3、环境变化引起的系统误差 温度、压力、振动、冲击、腐蚀以及元件的自然老化
讨论系统各环节对输入信号、干扰信号引起的误差传 递和归化
1、综合精度——精确度
这种指标把输出对于理想输出的偏差都看成是随机分布，不管 它是由什么原因造成的。综合精度有正确度和精密度两种。 （1）正确度 它表明传感器示值有规律地偏离真值大小的程度，反映了元件 系统误差的大小； 其特点是被测量对象受少数几个影响显著作用而出现的误差； 一般来说，这些误差是有规律地出现的，它可通过适当地修 （2）精密度(简称精度) 它表示传感器示值不一致程度。也就是说，测量结果不致性； 精度等级反映传感器综合精度的基本指标； 在工程测量中，为简单表示传感器测量结果的可靠程度，常用 精度等级A%来表示精度等级的概念。
线性度表示图
(3) 分辨力指传感器输入从任意某个非零值开始变化时，所引起 传感器输出变化的最小输入变化值。指传感器能够检测到的被测 量对象的最小值。 传感器的分辨力和其量程之比的百分数称为分辨率。 (4)重复性ex：指传感器输入量按同一方向变化，并连续多次 测量所测得的输出不一致的程度。它反映了传感器的随机误差。 ex=±[3σ/UFS]×100% UFs U 其中，σ是n次测量误差的均方根。 (5)迟滞误差(回差)et U 反映传感器在正行程测量与 反行程测量之间不重合的程度。 r 计算时用et/2较为合理。 et=[ΔU正反max/UFS]×100% 迟滞误差
精度等级A%定义为
max A% 100% xmax xmin
Δmax：在规定工作条件下，测得的最大绝对误差允许值 Xmax Xmin：测量范围下限值 L = Xmax - Xmin 量程 精度等级的意义: A%=0.1%时，该传感器为0.1级；Δmax 在出厂时，一般取 3σ值。这意味着把随机误差看成高斯分 布，有99.73%的把握， 使随机误差不大于Δmax。也有用2σ 值，即有95.45%的把握保 证随机误差不大于Δmax 如果给出了传感器的精度等级和量程L，传感器的最大误差 Δmax=A%· L
(4)
Δ4 = 0.0004/℃· FS×(50℃-25℃)×150mV =1.5mV (5)
Δ5 = 0.0004/℃· FS×(50℃-25℃)×150mV =1.5mV (6)电源波动引起的误差 Δ6 = 10mV/V×0.01V = 0.1mV 总均方差
6 1 2 i2 0.926(mv)2 ; 6 i 1
三、提高测量精度的方法
对要求很高的控制系统，现有测量元件满足不了测量精度的 要求，需要从方法上提高测量精度。 提高测量精度的方法是针对元件主要测量误差来源不同而采 取不同的措施。有的方法能提高综合精度，有的能提高单项精 度。常用的方法
1.采用双读数的方法 一对精粗测自整角机测量装置。减速器的速比为i 如果发送机为1级精度，接收变压器为2级精度，仅用粗测对时 的静态误差为 JF JJ 2 2 2 2 10 20 22.4 F J 若采用双速测量时，精测 通道的静误差为 i Δ′=Δ/i 式中忽略了传动装置的传动误 差，这是允许的。可以采取专 r(t) CF CJ c(t) 门措施消除齿轮间隙误差。 速比大则静差小。i=15时，Δ′=1.5′。但速比太大会导致精 粗测组转速过高，引起速度误差的增大。 大信号下粗测工作，粗测组工作在一个有限的范围。i<30.
实际的测量元件，有的只给出上面多项指标中的几项； 有时给出其他指标如电源指标（激励电源变化单位值时输出 (输入)的变化量）和动态指标(二阶振荡环节，给出它的固有频率 和阻尼比)；输入变量的频谱在1/5～1/10传感器通频带内，可以不 考虑其动态误差，只用上述静态误差指标计算测量误差； 在计算测量误差时，根据工况找主要影响的指标； (单向位移传感器和温度、压力传感器，灵敏限就不一定很主 要，测量区域常常不包含零点。因此，线性度、迟滞回差、重复 性、温度误差和电源误差是主要的误差来源) 计算总误差时可以认为它们是独立的、且对总误差影响很小的 随机变量服从高斯分布。设每个单项误差为Δi，则总的误差为 1 n 2 emax 3 , i n i 1
第二章 伺服系统误差分析
主要内容
概述 伺服系统元件误差 伺服系统原理动态误差 伺服系统原理稳态误差 随机系统误差分析 伺服系统设计中的误差分配