运动控制——伺服系统

一、执行元件类型及特点
1. 电气执行元件 电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（AC） 伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元 件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态 性能好，适合于频繁使用，便于维修等 2．液压式执行元件 液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、 液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况 下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点 3．气压式执行元件 气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液 压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动 力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩 性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。
二、伺服电机及其控制
在自动控制系统中，伺服电动机将电压信号转 换电动机的转速 和转向将快速、准确地跟着变化。目前常用的伺 服电动机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进 电机。
二、伺服电机及其控制
1 直流伺服电动机
(1) 调速方式
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。
二、伺服系统类型
例：数控机床伺服系统，
由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样， 也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分 组成。
三、伺服系统的基本要求
对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速 响应性。
稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统 能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指 令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态 的能力。
直流伺服电机的机械特性方程为：
n
Uc Ce
R CeCt2
T
式中，U c 一电枢控制电压； R 一电枢回路电
阻； —每极磁通；C
的结构常数。
e
、Ct
—分别为电动机
二、伺服电机及其控制
由上式知，直流伺服电机的控制方式如下： （1）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速） （2）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速） （3）改变电枢回路电阻调速
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。
画出系统的传递函数框图，可得到系统的开环传递 函数。
二、伺服电机及其控制
二、伺服电机及其控制
2. 交流伺服电动机
交流伺服电动机的接线图
杯形转子伺服电动机的结构图
1—励磁绕组 2—控制绕组 3—内定子 4—外定子 5—转子
二、伺服电机及其控制
(1) 原理: 励磁绕组WF接到电压为的交流电网上，控制
G6 (s)
式中：
s(Td
s2
Kd Tms
1)
Kd
Cm Rd B CeCm
Td
JLd Rd B CeCm
Tm
JRd BLd Rd B CeCm
Td Tm ——电磁时间常数和机电时间常数
Ld Rd——电枢绕组的电感和电阻 Ce Cm——反电动势常数和力矩常数 B J ——阻尼和电机轴转动惯量
二、伺服电机及其控制
5)直流电机 直流电机原理 见右图
二、伺服电机及其控制
设输入信号为Ud ,输出为电机转角 则其
传递函数：
Ld
did dt
Rdid
Ed Ced Ce
M d Cmid
Ud
d
dt
Ed
d 2 d
M d J dt 2 B dt
拉式变换，消去id（s）后可得电机的传递函
数G6(S)
二、伺服电机及其控制
1)校正环节：一般速度环调节器为比例环节 G1(S) =Kp
位置环为PI调节
G2
(
s)
K
v
(1
1 Ti s
)
2)检测环节：速度检测： G3 (s) K fv
位置检测： G4 (s) K fp
3)整流装置（惯性环节）G5
(s)
ks Ti1s
1
各种整流装置的时间常数见下表
二、伺服电机及其控制
第五章 伺服系统
5.1 概述 5.2 伺服系统的执行元件及控制 5.3 伺服系统设计
5.1 概述
一、伺服系统概念 二、伺服系统的类型 三、伺服系统的基本要求
一、伺服系统概念
伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变 量通常是机械或位置的运动，它的根本任务是实 现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出 变量的某种状态能够自动、连续、精确地复现输 入指令信号的变化规律。
二、伺服电机及其控制
(2) 控制:
幅值控制原理图
不同控制电压下的 机械特性曲线
由右图可知，在一定负载转矩下，控制电压越高，转差率 越小，电动机的转速就越高，不同的控制电压对应着不同的转 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，称为幅值控制方法。
三、步进电动机及其控制
常用的是前面2种调速方式。
二、伺服电机及其控制
(2) 直流电机的功率驱动 直流电机的调速电路目前以脉冲宽度调制电路应
用最为广泛。
桥式(H形)PWM变换器主电路
二、伺服电机及其控制
作用在电机两端的 平均电压为：
UAB
( 2ton T
1)Us
二、伺服电机及其控制 (3) 直流伺服系统模型
绕组接到控制电压上，当有控制信号输入时，两 相绕组便产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应 电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场以 一定的转差率转动起来，其旋转速度为
n 60 f (1 s) p n0 (1 s)
式中，f为交流电源频率(Hz)；p为磁极对数； n0为电动机旋转磁场转速(r/min)；s为转差率 。
精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是 指其输出量复现输入指令信号的精确程度。
快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项 重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动 态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的 迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。
5.2 伺服系统的执行元件及控制
一、执行元件类型及特点 二、伺服电机及其控制 三、步进电机及其控制