第七章控制系统设计
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第七章控制系统设计
交流伺服电机
结构原理
第七章控制系统设计
交流伺服电机
分类
永磁同步电动机：结构简单、运行可靠、效率高。 用于负荷小、调速性能高的场合
鼠笼感应电动机：结构简单、容量大、造价低廉。 不能经济地实现平滑调速。 适于负荷大、调速性能要求低的场合
第七章控制系统设计
检测装置
传感器及组成
按被控制量变化规律 按系统结构特点
按能源类别
恒值控制系统 程序控制系统 随动系统 开环控制系统 闭环控制系统 复合控制系统
机械控制系统 液压控制系统 电气控制系统
第七章控制系统设计
控制系统组成
分控 制 部
X(s)
给定环节 +
给定环节
E(s)
校正及放大环节
- B(s) 测量环节
测量环节
比较环节
校正及放大环节 执行环节
第七章 控制系统设计
控制系统概述 典型空控制系统举例 控制电动机与检测装置 操纵机构
第七章控制系统设计
控制系统概述
任务：
➢使各执行机构按一定顺序和规律动作； ➢改变各运动构件的运动和规律； ➢协调各运动构件的运动和动作； ➢对整个系统进行监控，发现、防止事故发生。
第七章控制系统设计
控制系统分类
6） 低速输出转矩大，可将负载与电机直联。 7） 较宽的转速范围。
第七章控制系统设计
步进电机
缺点
1）控制不当，易产生共振； 2）难以运转到较高的转速; 3）难以获得较大的转矩 ; 4）在体积重量方面没有优势，能源利用率低。 5）超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和
噪声。
第七章控制系统设计
直流伺服电机
结构原理
第七章控制系统设计
直流伺服电机
分类
小惯量直流电动机：低转动惯量，高响应 永磁直流伺服电动机：大惯量、宽调速；启动力矩
大；低速平稳1r/min; 0.5r/min 无刷直流伺服电动机：无换向器，结构简单、可靠
第七章控制系统设计
直流伺服电机
特点
（1）调速范围宽：转速连续可调，且运行稳定 （2）特性呈线性：转速与控制电压呈线性 （3）反应快速：转子迅速反应，时间常数小
电机
护
3 无刷直流 无换向部件；具有直流伺服的优点；需 伺服电机 磁极位置检测部件。
4 交流伺服 惯量小，高响应；控制技术相对复杂。
电机
第七章控制系统设计
结构原理
旋转原因：错齿
步进电机
第七章控制系统设计
工作原理
步进电机
第七章控制系统设计
分类
步进电机
反应式：又称磁阻式步进电机，定子和转子均有软磁
传感器：能感受规定的被测量（物理量、化学量、生
物量），并按照一定的规律转换成可用输出
信号（一般为电量）的器件或装置。
组成：敏感元件、传感元件、信号调节转换电路
被测量 敏感元件
传感元件
输出量 转换电路
辅助电源
第七章控制系统设计
传感器及组成
例1：电阻应变片式测力传感器
第七章控制系统设计
传感器及组成
材料制成。
特点：步距角小，断电无定位转矩，启动运行频率高
永磁式：定子由软磁材料制成，转子由永磁材料制成
特点：步距角大，断电时有定位转矩，启动运行频率
低，能耗小 混合式：也称永磁感应式步进电机，定子由软磁材料制成，转
子由圆柱永磁体外套软磁材料制成
特点：步距角小，断电时有定位转矩，启动运行频率高，能
耗小
第七章控制系统设计
执行环节 被控对象
Y(s)
7.1 控制系统的要求
基 稳定性：系统响应过程随时间推移逐渐衰减。
本
要 求 响应特性
动态性能： 阻尼比和响应速度 稳态性能： 稳态误差
第七章控制系统设计
6.2 控制系统举例
——机械式控制系统应用实例 主要控制元件： 1、凸轮：记录时间 分配和行程信息 2、靠模：形状信息
结构型传感器： 通过敏感元件结构参数变化实现信息转换 如：应变式压力传感器、光栅尺等
物理型传感器： 通过敏感元件材料物理性质的变化实现信息转换 如：晶体的压电效应、半导体材料的压阻、热 阻、光阻效应等 。
第七章控制系统设计
传感器的一般特性
静态特性
在稳定信号作用下，传感器的输入与输出之间的关系 主要指标：测量范围、线性度、灵敏度、精确度、迟 滞、分辨率、稳定性等
ห้องสมุดไป่ตู้
第七章控制系统设计
优点
步进电机
1） 电机旋转的角度正比于输入脉冲数，可开环控制； 2 ) 结构简单，控制方便、成本低； 3） 电机停转的时候具有最大的转矩； 4） 每步的精度通常在3%到5%，误差不累积到下一步，
因而有较好的位置精度和运动的重复性；
5） 由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命主要 取决于轴承的寿命；
容栅、电位计等
第七章控制系统设计
机械系统常用传感器
第七章控制系统设计
机械系统常用传感器
第七章控制系统设计
机械系统常用传感器
速度、加速度传感器
类型：测速发电机、光电转速传感器、磁电转速传 感器、压电式加速度传感器等
电气伺服系统应用实例
采用低压压缩空气为工作介质，对环境污 染小，适合易燃、易爆和多尘工作场所。速度 快、安全性高。
第七章控制系统设计
第七章控制系统设计
控制电机与检测装置
控制电动机
序 类型 号
特点
1 步进电机 转角步进；定位转矩；简单、便宜；低 速能耗大；
2 直流伺服 高响应；可实现高精度数字控制；需维
例2：热电偶
A
T0
T
B T0
第七章控制系统设计
传感器的分类
（1）按检测量分类
以被测物理量命名： 位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力 传感器、流量传感器等
（2）按工作原理分类
以工作原理命名：
应变式、电感式、电容式、电压式、热电式、
压电式等
第七章控制系统设计
传感器的分类
（3）按物理结构分类
第七章控制系统设计
机电伺服系统应用实例
——数控机床的进给系统
机电伺服系统是以移动部件的位置和速度为控制量的 自动控制系统。例如数控机床中的进给系统。
第七章控制系统设计
电液伺服系统应用实例
采用液压控 制元件和液压 执行机构，在 简单的机液伺 服控制基础上 加入电气的输 入和反馈装置 构成。
第七章控制系统设计
动态特性
对激励的响应特性 主要指标：频率响应特性、幅频特性、相频特性、阶 跃响应特性等
第七章控制系统设计
传感器的选用原则
满足灵敏度要求 满足精确度要求 满足响应特性要求 满足线性范围要求 满足可靠性要求 满足检测要求
第七章控制系统设计
机械系统常用传感器
位移传感器
两类：直线位移传感器、角度位移传感器 类型：光电编码器、光栅尺、磁尺、差动变压器、
交流伺服电机
结构原理
第七章控制系统设计
交流伺服电机
分类
永磁同步电动机：结构简单、运行可靠、效率高。 用于负荷小、调速性能高的场合
鼠笼感应电动机：结构简单、容量大、造价低廉。 不能经济地实现平滑调速。 适于负荷大、调速性能要求低的场合
第七章控制系统设计
检测装置
传感器及组成
按被控制量变化规律 按系统结构特点
按能源类别
恒值控制系统 程序控制系统 随动系统 开环控制系统 闭环控制系统 复合控制系统
机械控制系统 液压控制系统 电气控制系统
第七章控制系统设计
控制系统组成
分控 制 部
X(s)
给定环节 +
给定环节
E(s)
校正及放大环节
- B(s) 测量环节
测量环节
比较环节
校正及放大环节 执行环节
第七章 控制系统设计
控制系统概述 典型空控制系统举例 控制电动机与检测装置 操纵机构
第七章控制系统设计
控制系统概述
任务：
➢使各执行机构按一定顺序和规律动作； ➢改变各运动构件的运动和规律； ➢协调各运动构件的运动和动作； ➢对整个系统进行监控，发现、防止事故发生。
第七章控制系统设计
控制系统分类
6） 低速输出转矩大，可将负载与电机直联。 7） 较宽的转速范围。
第七章控制系统设计
步进电机
缺点
1）控制不当，易产生共振； 2）难以运转到较高的转速; 3）难以获得较大的转矩 ; 4）在体积重量方面没有优势，能源利用率低。 5）超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和
噪声。
第七章控制系统设计
直流伺服电机
结构原理
第七章控制系统设计
直流伺服电机
分类
小惯量直流电动机：低转动惯量，高响应 永磁直流伺服电动机：大惯量、宽调速；启动力矩
大；低速平稳1r/min; 0.5r/min 无刷直流伺服电动机：无换向器，结构简单、可靠
第七章控制系统设计
直流伺服电机
特点
（1）调速范围宽：转速连续可调，且运行稳定 （2）特性呈线性：转速与控制电压呈线性 （3）反应快速：转子迅速反应，时间常数小
电机
护
3 无刷直流 无换向部件；具有直流伺服的优点；需 伺服电机 磁极位置检测部件。
4 交流伺服 惯量小，高响应；控制技术相对复杂。
电机
第七章控制系统设计
结构原理
旋转原因：错齿
步进电机
第七章控制系统设计
工作原理
步进电机
第七章控制系统设计
分类
步进电机
反应式：又称磁阻式步进电机，定子和转子均有软磁
传感器：能感受规定的被测量（物理量、化学量、生
物量），并按照一定的规律转换成可用输出
信号（一般为电量）的器件或装置。
组成：敏感元件、传感元件、信号调节转换电路
被测量 敏感元件
传感元件
输出量 转换电路
辅助电源
第七章控制系统设计
传感器及组成
例1：电阻应变片式测力传感器
第七章控制系统设计
传感器及组成
材料制成。
特点：步距角小，断电无定位转矩，启动运行频率高
永磁式：定子由软磁材料制成，转子由永磁材料制成
特点：步距角大，断电时有定位转矩，启动运行频率
低，能耗小 混合式：也称永磁感应式步进电机，定子由软磁材料制成，转
子由圆柱永磁体外套软磁材料制成
特点：步距角小，断电时有定位转矩，启动运行频率高，能
耗小
第七章控制系统设计
执行环节 被控对象
Y(s)
7.1 控制系统的要求
基 稳定性：系统响应过程随时间推移逐渐衰减。
本
要 求 响应特性
动态性能： 阻尼比和响应速度 稳态性能： 稳态误差
第七章控制系统设计
6.2 控制系统举例
——机械式控制系统应用实例 主要控制元件： 1、凸轮：记录时间 分配和行程信息 2、靠模：形状信息
结构型传感器： 通过敏感元件结构参数变化实现信息转换 如：应变式压力传感器、光栅尺等
物理型传感器： 通过敏感元件材料物理性质的变化实现信息转换 如：晶体的压电效应、半导体材料的压阻、热 阻、光阻效应等 。
第七章控制系统设计
传感器的一般特性
静态特性
在稳定信号作用下，传感器的输入与输出之间的关系 主要指标：测量范围、线性度、灵敏度、精确度、迟 滞、分辨率、稳定性等
ห้องสมุดไป่ตู้
第七章控制系统设计
优点
步进电机
1） 电机旋转的角度正比于输入脉冲数，可开环控制； 2 ) 结构简单，控制方便、成本低； 3） 电机停转的时候具有最大的转矩； 4） 每步的精度通常在3%到5%，误差不累积到下一步，
因而有较好的位置精度和运动的重复性；
5） 由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命主要 取决于轴承的寿命；
容栅、电位计等
第七章控制系统设计
机械系统常用传感器
第七章控制系统设计
机械系统常用传感器
第七章控制系统设计
机械系统常用传感器
速度、加速度传感器
类型：测速发电机、光电转速传感器、磁电转速传 感器、压电式加速度传感器等
电气伺服系统应用实例
采用低压压缩空气为工作介质，对环境污 染小，适合易燃、易爆和多尘工作场所。速度 快、安全性高。
第七章控制系统设计
第七章控制系统设计
控制电机与检测装置
控制电动机
序 类型 号
特点
1 步进电机 转角步进；定位转矩；简单、便宜；低 速能耗大；
2 直流伺服 高响应；可实现高精度数字控制；需维
例2：热电偶
A
T0
T
B T0
第七章控制系统设计
传感器的分类
（1）按检测量分类
以被测物理量命名： 位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力 传感器、流量传感器等
（2）按工作原理分类
以工作原理命名：
应变式、电感式、电容式、电压式、热电式、
压电式等
第七章控制系统设计
传感器的分类
（3）按物理结构分类
第七章控制系统设计
机电伺服系统应用实例
——数控机床的进给系统
机电伺服系统是以移动部件的位置和速度为控制量的 自动控制系统。例如数控机床中的进给系统。
第七章控制系统设计
电液伺服系统应用实例
采用液压控 制元件和液压 执行机构，在 简单的机液伺 服控制基础上 加入电气的输 入和反馈装置 构成。
第七章控制系统设计
动态特性
对激励的响应特性 主要指标：频率响应特性、幅频特性、相频特性、阶 跃响应特性等
第七章控制系统设计
传感器的选用原则
满足灵敏度要求 满足精确度要求 满足响应特性要求 满足线性范围要求 满足可靠性要求 满足检测要求
第七章控制系统设计
机械系统常用传感器
位移传感器
两类：直线位移传感器、角度位移传感器 类型：光电编码器、光栅尺、磁尺、差动变压器、