运动控制讲义

运动
实际运 动指令
控制
器
能量
输入能量控制装置 指令 电力驱动元件
反馈通路
检测 信号
运动控制讲义
伺服系统的地位、作用
高质量、高精度的运动（加工）需要需要高要求的机械能而 能换部件输出的机械能一般不能满足要求，传统的传动部件变换 出来的机械能也越来越达不到生产的需要；
研究表明，只要控制好能换部件的输入能量（如电压、电流 等），就能从能换部件的输出得到近似于需要的机械能，该机械 能甚至可直接用于驱动执行部件；
半闭环驱动系统：可通过丝杆螺母直接带动工作台工作。 速度、位置精度较高，稳定性较好，易于调试，但成本 较高，是目前广泛采用的系统。
闭环驱动系统：可通过丝杆螺母直接带动工作台工作。 具有很高的位置、速度控制精度，但结构复杂、安装和 调试相当困难、成本较高，广泛应用于现代数控镗铣床、 超精车床和超精磨床等。运动控制讲义
定义
以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统称之为伺服系统。它通过 控制电动机等能换器将电能或其它形式的能量转换成具有机械运动设备所需 转矩、转速或转角所对应的机械能。其最终目的是使能换器输出机械设备所 需的转矩、转速或转角。它是机械运动的驱动设备，以电动机为控制对象， 以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的 指导下组成的电气传动伺服控制系统。
带式传动：精度不高，须经 常维护
How can we do to improve the
齿类传动：齿其间位隙置的控存制精在度让
precision of F、 V or T and n ?
受限
运动控制讲义
伺服系统的定义
来由
“伺服” 源于希腊语“奴隶”。人们希望 有一种“伺服机构”能够作为 得心应手的驯服工具，准确地按照控制信号的要求而动作。由于其“伺服” 特性而将“伺服机构”及相关控制系统命名为伺服系统。
受限
运动控制讲义
传动部件从根本 上限制了伺服系 统的精度！
伺服控制系统及其产生
能量
驱动电路
Uidea、Iidea
动力部件
Fidea、Videa
最终执行部件 （Tidea、nidea）
伺服系统
控制部件
伺服控制系统
能量流动方向：
信息流动方向：
运动控制讲义
运动控制系统的总体构成
给定运动指令
能量
运动控制系统
传动部件
Fidea、Videa （Tidea、nidea）
最终执行部件
控制部件
能量流动方向：
信息流动方向：
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机械加工系统分析
能量
动力部件
F、V （T、n）
传动部件
伺服系统
Fidea、Videa （Tidea、nidea）
最终执行部件
控制部件
能量流动方向：
信息流动方向：
传动
？ 位置控制不可靠，
快速地完成状态变化。伺服系统则强调系统的跟随性能，让系
统以很快的速度以一定的精度跟随外界（指令）的变化。在要
求较高的场合，伺服系统通常还包含了调速系统，例如数控机
床的伺服系统。本课程将以数控机床的伺服系统为例学习运动
控制系统的相关知识。
数控机床伺服系统的分类
按驱动装置， 有如下几类：
按反馈方式，有如下几类：
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能量
传动
解决方案与思路
动力部件
Fidea、Videa （Tidea、nidea）
F、V （T、n）
传动部件
伺服系统
控制部件
？ 弱化甚 至消除
最终执行部件 Fidea、Videa
（Tidea、nidea）
能量流动方向：
信息流动方向：
位置控制不可靠， 带式传动：精度不高，须经
常维护
齿类传动：齿其间位隙置的控存制精在度让
电机学
电力电 子技术
微电子 技术
运动 控制
计算机 控制 技术
运信动处控号理制检技讲测术义控制理论
运动控制系统的分类
按外界提供的能量类型，运动控制系统可大致分为电力传
动系统、液压传动系统和气压传动系统；按受控的物理量，运
动控制系统可分为调速系统和伺服系统两大类。调速系统在于
系统速度的调节：稳态时能让系统“稳速”，动态时能让系统
1、步进驱动系统 2、直流驱动系统 3、交流驱动系统
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1、开环驱动系统 2、半闭环驱动系统 3、全闭环驱动系统
第一章 概述
一、伺服系统的产生和发展 二、伺服系统的功用和要求 三、伺服系统的分类
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机械加工系统的结构
请问，一个完整的生产机械由哪几部分构成？
能量
动力部件
F、V （T、n）
<<运动控制>> 讲义
讲课 32学时，实验4学时 共计36学时
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运动控制及其相关学科
自动控制
过程控制
（依据控制对象Leabharlann Baidu 运动控制
对象更复杂，具 有更高的动态性、
实时性要求
运动控制系统（motion control system）也可称为电力拖动控制系统 （control system of electric drive）。其任务为通过对电动机电压、 电流、频率等输入电量的控制，来改变工作机械的转矩、速度、位 移等机械量，让各种机械按照人们期望的要求运行，以满足生产工 艺及其他应用的需要。
数控机床伺服系统的结构
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数控机床伺服伺服系统的功用和要求
1、调速范围宽，在调速范围内，输出的运动具有良好的稳定性 2、输出的位移具有足够高的精度 3、具有很高的负载特性，在低速运动及加工时，具有足够的
负载能力和过载能力 4、动态相应快，动态误差小，反向死区小，能频繁启、停及
正反运动
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数控机床伺服系统的组成
开环驱动系统
脉冲
驱动电路
步进电机
工作台
闭环驱动系统
指令 位置控制
速度控制
伺服电机 速度检测
位置检测
半闭环驱动系统
指令 位置控制
速度控制
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伺服电机 脉冲编码器
工作台
数控机床伺服系统的特点
开环驱动系统：步进电动机自带一对齿轮传动并通过它 和丝杆螺母带动工作台。其特点是结构简单、易于控制、 工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，但 精度相对较低、低速不平稳、高速力矩小，适用于精度、 速度要求不高、驱动力矩不大的场合。一般用于经济型 数控机床。
国内现状与发展趋势
由伺服电动机和控制其输入能量的伺服驱动电路、检测反馈 等构成的伺服系统，因而输入能量的精确控制即可实现高精度的 机械能控制；目前在数控机床中，从数控系统发来的位移指令已 经相当精确，而传动部件和执行机构的机械结构现在已经得到极 大的简化，因而整个系统的性能在很大程度上取决于伺服系统的 精度。
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