第6章 控制系统设计(朱龙根书)

1．步进电动机的分类 （1）反应式步进电动机 又称磁阻式步 进电动机。 （2）永磁式步进电动机 （3）混合式（永磁感应子式）步进电动 机 2．步进电动机的特性曲线及主要技术 参数
特性曲线和技术参数是选择步进电动机
的主要依据。步进电动机有两条重要的特 性曲线，如图 7-1所示。
一条是反映起动频率与负载 转矩关系的起动矩频特性； 另一条是反映连续运行频率 与转矩关系的工作矩频特性 曲线。由于步进电动机的驱 动频率代表了步进电动机的 速度，因此，特性曲线实际 是速度与转矩的关系曲线。
对于一个伺服控制系统来说，被控物理量 的变化规律是 随机的.
无论多么复杂的控制系统，都由一些 基本环节或元件组成，图 7-1 是一个典型 的闭环控制系统方框图，它由以下几个环 节组成。
（1）给定环节 给定环节是给出与反馈信 号同样形式和因次的控制信号，确定被控对象 “目标值”的环节。给定环节的物理特性决定 了给出的信号可以是电量、非电量，也可以是 数字量或模拟量。
（三）交流伺服电动机 由于直流电动机具有优良的调速性能，
因此长期以来，在要求调速性能较高的场 合，直流电动机调速系统一直占据主导地 位。但直流电动机却存在着固有的缺点， 使人们一直在寻找用交流电动机调速来代 替直流电动机调速方案。新型大功率电力 电子器件、新型变频技术的发展，以及现 代控制理论、微机的数字控制技术等在实 际应用中取得的重要进展，使得交流伺服 驱动逐渐代替直流伺服驱动。
二、位置检测装置 位置检测装置（或称检测元器件）是
伺服系统的重要组成部分。它的作用是 检测位移和速度，发送反馈信号，构成 闭环控制（或半闭环控制）。闭环伺服 系统的运动精度主要取决于检测系统的 精度。位移检测系统能够测量出的最小 位移量称为分辨率。分辨率不仅取决于 检测装置本身，也取决于测量线路。数 控机床通常选择的测量系统分辨率要比 加工精度高一个数量级。
线性控制系统中各组成元件或环节
不包含非线性元件。线性系统用线性 方程来描述，并符合叠加原理。非线 性控制系统中包含有非线性元件或环 节,其输入量与输出量之间是非线性 关系。非线性系统用非线性方程来描 述，不符合叠加原理。
（3）定常（常系数）控制系统与时变 （变系数）控制系统
定常控制系统内各元件及环节的参
数都不随时间而变化。时变控制系统内 包含有变系数环节、元件或对象，其参 数随时间而变化，如化学反应器控制系 统。
3．按系统结构特点分类 按系统结构特点分为： ① 单回路控
制系统与多回路控制系统； ② 开环控 制系统、闭环控制系统、复合控制系统； ③ 单级控制系统与多级控制系统。
4．按控制系统的功能分类 可分为自动调节系统、最优控制系统、 自学习控制系统、自适应控制系统等。 5．按自动化技术工具特点分类 可分为常规仪表控制系统和计算机控制 系统。 6．按元器件及装置的能源分类 可分为机械控制系统、液压控制系统、
要环节是能为交流电动机提供变频电源的变频 器。
变频器可分为交－直－交变频器和交－交变
频器两大类。交－直－交变频器是先将电网的 三相交流电源输入到整流器，由整流器整流后 变为直流电，直流电经滤波电路后，进入逆变 器，由逆变器将直流电变为电压和频率可变的 三相交流电。交－交变频器不经过中间环节， 直接将一种频率的三相交流电变换为另一种频 率的三相交流电。交－直－交变频器是目前用 得最多的变频器。
2．电液位置伺服系统 图 7-26 所示是一个简单的电液位置伺 服系统。其给定环节与反馈环节都是电位 计，它们组成桥式电路，将给定信号 Ui与 反馈信号 U 之差 △ U 送入运算放大器中， 经过放大的信号以电流形式送入到电液伺 服阀的输入线圈中，伺服阀便产生对应的 流量来控制液压缸活塞的运动，此系统的 负载为惯性负载。当系统任意给一个电压 Ui时，伺服阀便产生一个对应的流量，迫 使液压缸活塞带动负载运动。
（1）连续控制系统与断续控制系统 连续控制系统中不包含断续元件，各个 组成元件输出量都是输入量的连续函数。 断续控制系统中包含有断续元件。断续 控制系统又可分成继电控制系统和离散 控制系统。其中，离散控制系统又分为 脉冲控制系统（采样控制系统，包含脉 冲元件）、数字控制系统（包含数字逻 辑元件）。
（2）线性控制系统与非线性控制系 统
（二）直流伺服电动机 1．直流伺服电动机的分类 直流伺服电动机主要有以下几种： （1）小惯量直流电动机 由于最大限度地减少了电动机的电枢转动
惯量，因此这类电机能获得很好的快速性。 在早期的数控机床上应用这类电动机较多， 至今仍有使用。
（2）永磁直流伺服电动机 也叫直流力矩电动机或叫大惯量宽调速
直流伺服电动机。其定子采用永磁材料制成。
1．交流伺服电动机的分类 交流伺服电动机在结构和原理上通常采
用笼型感应电动机和永磁式同步电动机两 种形式。
2．交流伺服电动机的特性曲线和主要 技术参数
交流伺服电动机的性能也用特性曲线和
技术参数数据来表示。最主要的特性曲线 是转矩－转速曲线。
3．交流伺服电动机的调速及驱动 交流电机广泛采用变频调速。变频调速的主
用步进电动机组成的系统具有结构简
单、运行可靠等优点。步进电动机制造 容易控制原理简单，不需要反馈元件就 可进行位置控制，在不丢步的情况下运 行，其步距误差不会长期积累，因此， 用它组成的数字开环控制系统简单、易 调。现在，一般数控机床上已不使用， 功能简单的经济型数控机床及一般开环 控制的机械上仍有使用。
第六章 控制系统设计(朱龙根书)
第一节 控制系统的作用、分类和组成
一、控制系统作用
机械系统在工作过程中，各执行机构 应根据生产要求，以一定的顺序和规律运 动。各执行机构运动的开始、结束及其顺 序一般由控制系统保证。这里的控制系统 指自动控制系统。
2．按控制系统中所包含的元件特性、 信号作用特点分类
2．直流伺服电动机的特性曲线及主要 技术参数
直流伺服电动机的“伺服”特性，主要 表现在：1）调速范围宽。 2）特性呈线性。 3）快速反应。
3．直流伺服电动机的调速及驱动系统 他励直流电动机调速方法有两种：1）改变电 枢外加电压；2）改变气隙磁通量。 直流伺服电动机的驱动系统，已经成为一个
独立、完整的模块，称为速度控制单元。现在
当将杠杆压到某个位置时，四通阀的进油 窗口被打开，重物开始上升，同时带动杠 杆的另一端上升，使四通阀渐渐关小进油 窗口。一旦进油窗口完全关闭，重物就停 在相应的位置上（此时进、回油窗口完全 被堵死）。如果由于漏油等原因使重物有 些下降，则杠杆又将进油窗口打开，使物 料又开始上升，直到恢复原位。可见这种 装置能够自动地完成举升重物的工作，因 此称为自动控制的液压举重装置。这是一 种机液位置伺服系统。
直流速度控制单元较多地采用晶闸管（即可控 硅 SCR，Silicon Controled Rectifier ）调速系 统和晶体管脉宽调制（ PWM , Pulse Width Modulation ）调速系统。直流速度控制单元接 收转速指令信号（多为电压值），改变为相应
的电枢电压，即可达到永磁直流伺服电动机速 度调节的目的。
第三节 控制电机和位置检测装置 一、控制电机
控制电机主要有三种：步进电动机、直流伺 服电动机、交流伺服电动机。
（一）步进电动机 步进电动机的运动是用电脉冲信号进行控制 的。靠一种叫做环形分配器的电子开关器件， 通过功率放大后，使步进电动机激磁绕组按规 定顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空 间按一定规律排列，轮流接通直流电源后，就 会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转 子步进式转动。
（4）校正及放大环节 为了实现控制，要将偏差信号作必要的校正，
然后进行功率放大以便推动执行环节。实现上 述功能的环节即为校正及放大环节。常用的放 大类型有电流放大、电气－液压放大等。
（5）执行环节 执行环节是接收放大环节的控制信号，
驱动被控对象按照预期规律运动的环节。 执行环节一般是能将外部能量传送给被控 对象的有源功率放大装置，工作中要进行 能量转换，如把电能通过电机转换成机械 能，驱动被控对象作机械运动。给定环节、 测量环节、比较环节、校正放大环节和执 行环节一起，组成了控制系统的控制部分， 实现对被控对象的控制。
第二节 控制原理 经典控制理论与现代控制理论
经典控制理论是基于传递函数对系统的数学
描述（输入输出描述），以根轨迹法和频率法 为研究方法，目的在于研究系统的稳定性以及 在给定输入和给定指标情况下的系统综合。
现代控制理论是针对多变量系统、非线性系
统、时变系统、大系统以及智能控制系统，基 于状态空间分析法对系统的状态进行分析和综 合，能方便地利用数字计算机进行运算和求解。 包括：系统辨识、最优控制、最优估计（最佳 滤波）。
在伺服系统中除位置检测外，还有速
度检测，其目的是精确地控制转速。转速 检测装置常用测速发电机或回转式脉冲编 码器。
1．旋转变压器 是一种交流型转角检测装置，结构上
与交流感应两相异步电动机相似，由定子 和转子组成，分有刷和无刷两种。
2．感应同步器 感应同步器是一种电磁感应式的高精
度位移检测装置，实质上，它是多极旋转 变压器的展开形式。感应同步器分旋转式 和直线式两种，前者用于角度测量，后者 用于长度测量，两者工作原理相同。
1．液压举重装置 图 7-23 所示为一液压举重装置。相当 于对力的放大，可以举起人力无法举起的 重物，但其举物高度很难控制，物料下降 要靠物体的重力把液体压回到液压装置中 才能实现。
如果改成如图 7－24 所示的装置，即用四 通阀代替节流阀，用杠杆操纵四通阀的移 动，则重物上升的速度可由四通阀的窗口 大小来控制。而物料下降又可通过四通阀 窗口使油直接回到液压装置中的油箱，因 此，可以控制自如、上下方便。由于漏油 等原因，很难使重物持久保持在某一高度。 如果采用图 7－25 所示的液压装置可克服 上述缺点。
（3）无刷直流伺服电动机 又叫无整流子电动机。它没有换向器，
由同步电动机和逆变器组成，而逆变器则 是由装在转子上的转子位置传器控制。 因此它实质上是交流调速电动机的一种。
由于无刷直流伺服电动机的性能达到直
流伺服电动机的水平，又取消了换向器及 电刷部件，使电动机寿命提高了一个数量 级，因此无刷伺服电动机正逐步取代有刷 直流电动机。通常所说的直流伺服电动机， 一般是指永磁直流伺服电动机。
6．磁尺（磁栅） 磁尺由磁性标尺、磁头和检测电路组
成。磁尺采用拾磁原理工作。根据检测 电路是幅值检测或相位检测，在磁头的 激磁绕组通入相应的激磁电流，由磁头 的拾磁绕组拾取信号，从而对位移进行 检测。
第四节伺服系统设计 一、伺服系统举例
伺服系统又称随动系统或自动跟踪系
统，是一种对机械运动参量如位移、速度、 加速度或力的自动控制系统，在各种机械 的自动控制中用得很普遍。
气压控制系统、电力拖动系统与电气控制 系统，以及混合控制系统。例如，可将数 控机床的进给系统看做线性、定常、多环 （闭环）、连续（或离散）的伺服系统。
三、控制系统的组成 控制系统主要由控制部分和被控
对象组成。控制部分的功能是接受指 令信号和被控对象的反馈信号，并对 被控部分发出控制信号。被控部分则 是接受控制信号，发出反馈信号，并 在控制信号的作用下实现被控运动。
3．光电脉冲编码器 是一种增量型旋转式脉冲发生器，能
把机械转角变成电脉冲。广泛用于位置检 测，也可用作速度检测。
4．光电式绝对值编码器 是一种直接编码和直接测量的检测装
置。它能指示绝对位置，没有累积误差， 电源切断后，位置信息不丢失。
5．光栅 光栅是高精度位置检测装置，它可将
机械位移或模拟量转换为数字脉冲。由 于激光技术的发展，光栅制作精度得到 很大提高。
（2）测量环节 测量环节用于测量被控变 量，并将被控变量转换为便于传送的另一物理 量（一般为电量）的环节。例如电位计可将转 角转换为电压信号，测速发电机可将转速转换 为电压信号，光栅测量装置可将直线位移转换 为数字信号，这些都可作为控制系统的测量环 节。测量环节一般是一个非电量的电测量环节。
（3）比较环节 比较环节是将输入信号 X(s)与测量环节发出 的有关被控变量 Y(s) 的反馈量信号 B (s)进行比 较的环节。经比较后得到一个小功率的偏差信 号 E(s) =X(s)-B(s) ，如幅值偏差、相位偏差、 位移偏差等。如果 X(s)与B(s)都是电压信号， 则比较环节就是一个电压相减环节。