运动控制系统第6章位置随动系统
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第6章 位置随动系统
本章教学要求与目标 掌握位置随动系统的特点、要求和组成 熟悉位置随动系统的控制方法 了解位置随动系统的数学模型和校正设计
6.1 位置随动系统概述
伺服（Servo）的意思是“伺候”和“服从”，广义的伺服系统是精确 地跟踪或复现某个给定过程的控制系统，也称为随动系统，它的主要 目标是实现精确、快速的轨迹跟踪，在现代工业中不可缺少。典型的 应用领域如数控机床、机器人、雷达跟踪、绘图仪等。
速度控制 转矩控制
速度反馈 位置反馈
伺服 电动机
机械传 输出 动机构
旋转 编码器
图6-1 半闭环位置伺服系统结构示意图
全闭环位置伺服系统
全闭环结构的位置伺服系统以工作台的平动位移为被控量，采用光栅尺（也可 用感应同步器）作为位置检测元件。全闭环结构在一些大型机械设备和超精密 机械设备中得到应用。由于全闭环位置伺服系统将机械传动机构也包括到了位 置控制回路中，就使得机械传动结构的误差也可以通过闭环控制得到减小，但 同时也增大了位置闭环整定的难度。
2）定位精度与速度控制范围 定位精度是评价位置随动系统控制准确度的性能指标。系统最终定 位点与指令目标值间的静止误差定义为系统的定位精度。 位置伺服系统，应当能对位置输入指令输入的最小设定单位（1脉 冲当量），作出相应的响应。为了实现这一目标，一是要采用分辨 率足够高的位置检测器，二是要求系统的速度单元具有足够宽的调 速范围，也就是说速度单元要有较好的低速运行性能。 图6-3为速度控制单元的输入输出特性
（3）最大快移速度
最大快移速度即为系统速度控制单元所能提供的最高速度Vmax，最大快移 速度也是决定系统定位精度的一个重要参数。系统最小分辨率为
（4）伺服刚度
vmax
DK v Kp
（6-2）
伺服刚度表达的是伺服系统抵抗负载外力，在原来的位置保持静止的能力。
作为位置随动系统的速度内环，相对于一般的调速系统而言，性能要 求严格得多。如数控加工中，有时候速度变化很快（如尖角过渡）， 速度内环必须要有足够的带宽才能跟踪这样的快速变化。
位置随动系统性能指标
1）稳态位置跟随误差 当位置随动系统对输入指令信号的瞬态响应过程结束后，在稳定运 行时，位置的指令值与实际值之间的误差被定义为系统的稳态位置 跟随误差。
位置随动系统可以是开环控制系统，如步进电机控制系统。 在跟随精度要求较高而且驱动力矩又较大的场合，多采用闭环控制系
统，驱动电动机采用直流伺服电动机、两相感应交流伺服电动机或三 相永磁同步伺服电动机等。 位置随动系统闭环结构一般采用三重闭环的形式，即位置环、速度环 和电流环。从运动控制的基本规律来理解，这样的三闭环结构是最合 理的。 数控机床伺服系统包括机械执行机构和电气自动控制两个组成部分。 数控机床一般需要多轴联动，可以采用运动控制卡在上位机控制下协 调工作。每根轴的运动控制系统可分为半闭环位置伺服系统、全闭环 位置伺服系统两种基本结构。这两类结构的根本区别在于位置检测元 件不同、位置检测元件的安装位置也不同。
半闭环位置伺服系统
半闭环结构的位置伺服系统以伺服电动机轴的转角位移为被控量，采用旋转编 码器（也可以用旋转变压器）作为位置检测元件。图中电流反馈部分没有画出。 半闭环结构是当前应用最为广泛的结构，由于它的电气自动控制部分与机械部 分相对独立，可以对驱动器进行通用化设计。
指令 装置
位置 制
速度控制 转矩控制
伺服 电动机
机械传 输出 动机构
速度反馈
光栅尺
位置反馈
图6-2 全闭环位置伺服系统结构示意图
5.1.2 位置随动系统的特点
位置随动系统与调速系统相比较，有下面一些特点： 1）输出量（被控量）为位移，而不是转速。 2）输入量是不断变化的（而不是恒定量），系统主要要求输出量 能按一定精度跟随输入量的变化，以跟随性能为主。而调速系统主 要要求输出量保持恒定，能抑制负载扰动对转速的影响，以抗扰性 能为主。 3）功率放大器及控制系统都必须是可逆的，使伺服电动机可以正、 反两个方向转动，并消除正或负的位置偏差。而调速系统可以有不 可逆系统。 4）位置随动系统的外环为位置环，而速度环、电流环为内环。
死区越小，说明速度控制单 元的低速性能越好。
系统在静止状态收到相当于 1个脉冲的输入指令时，为 使位置伺服机构移动，指令
必须大于 。调速范围D
应当达到
D max
（6-1）
v/mm·s-1 Vmax
O
Kv
位置误差/mm
εmax （速度指令）
±Δε死区
图6-3 速度控制单元输入输出特性
2）精度高。伺服系统的精度是指输出量跟随给定值的精确程度，如 精密加工的数控机床，就需要很高的定位精度。
3）动态响应快。伺服系统要求对给定的跟随速度足够快、超调小， 甚至要求无超调。
4）抗干扰能力强。在各种扰动作用时，系统输出动态变化小，恢复 时间快，振荡次数少，甚至要求无振荡。
6.1.1 位置随动系统的组成
狭义的伺服系统又称为位置随动系统，其被控制量（输出量）是负载 机械空间位置的线位移或角位移，当位置给定量（输入量）作任意变 化时，系统的主要任务是使输出量快速准确地复现给定量的变化。
伺服系统的基本要求是：
1）稳定性好。伺服系统在给定输入和外界干扰下，能在短暂的过渡 过程后，达到新的平衡状态，或者恢复到原先的平衡状态。
5.1.3 位置随动系统的基本性能指标
位置随动系统的性能指标，可以分为动态和稳态两个方面。其动态性 能基本上是由内环来保证的，而稳态精度则主要靠外环来实现。
对位置随动系统总的要求是稳定性好、精度高、动态响应快、抗扰动 能力强。对于内环的要求是希望有足够的调速范围、快且平稳的起制 动性能、转速尽量不受负载变化、电源电压波动及环境温度等干扰因 素的影响。而对外环的要求是有足够的位置控制精度（定位精度）、 位置跟踪精度（位置跟踪误差）、足够快的跟踪速度、位置保持能力 （伺服刚度）等。
本章教学要求与目标 掌握位置随动系统的特点、要求和组成 熟悉位置随动系统的控制方法 了解位置随动系统的数学模型和校正设计
6.1 位置随动系统概述
伺服（Servo）的意思是“伺候”和“服从”，广义的伺服系统是精确 地跟踪或复现某个给定过程的控制系统，也称为随动系统，它的主要 目标是实现精确、快速的轨迹跟踪，在现代工业中不可缺少。典型的 应用领域如数控机床、机器人、雷达跟踪、绘图仪等。
速度控制 转矩控制
速度反馈 位置反馈
伺服 电动机
机械传 输出 动机构
旋转 编码器
图6-1 半闭环位置伺服系统结构示意图
全闭环位置伺服系统
全闭环结构的位置伺服系统以工作台的平动位移为被控量，采用光栅尺（也可 用感应同步器）作为位置检测元件。全闭环结构在一些大型机械设备和超精密 机械设备中得到应用。由于全闭环位置伺服系统将机械传动机构也包括到了位 置控制回路中，就使得机械传动结构的误差也可以通过闭环控制得到减小，但 同时也增大了位置闭环整定的难度。
2）定位精度与速度控制范围 定位精度是评价位置随动系统控制准确度的性能指标。系统最终定 位点与指令目标值间的静止误差定义为系统的定位精度。 位置伺服系统，应当能对位置输入指令输入的最小设定单位（1脉 冲当量），作出相应的响应。为了实现这一目标，一是要采用分辨 率足够高的位置检测器，二是要求系统的速度单元具有足够宽的调 速范围，也就是说速度单元要有较好的低速运行性能。 图6-3为速度控制单元的输入输出特性
（3）最大快移速度
最大快移速度即为系统速度控制单元所能提供的最高速度Vmax，最大快移 速度也是决定系统定位精度的一个重要参数。系统最小分辨率为
（4）伺服刚度
vmax
DK v Kp
（6-2）
伺服刚度表达的是伺服系统抵抗负载外力，在原来的位置保持静止的能力。
作为位置随动系统的速度内环，相对于一般的调速系统而言，性能要 求严格得多。如数控加工中，有时候速度变化很快（如尖角过渡）， 速度内环必须要有足够的带宽才能跟踪这样的快速变化。
位置随动系统性能指标
1）稳态位置跟随误差 当位置随动系统对输入指令信号的瞬态响应过程结束后，在稳定运 行时，位置的指令值与实际值之间的误差被定义为系统的稳态位置 跟随误差。
位置随动系统可以是开环控制系统，如步进电机控制系统。 在跟随精度要求较高而且驱动力矩又较大的场合，多采用闭环控制系
统，驱动电动机采用直流伺服电动机、两相感应交流伺服电动机或三 相永磁同步伺服电动机等。 位置随动系统闭环结构一般采用三重闭环的形式，即位置环、速度环 和电流环。从运动控制的基本规律来理解，这样的三闭环结构是最合 理的。 数控机床伺服系统包括机械执行机构和电气自动控制两个组成部分。 数控机床一般需要多轴联动，可以采用运动控制卡在上位机控制下协 调工作。每根轴的运动控制系统可分为半闭环位置伺服系统、全闭环 位置伺服系统两种基本结构。这两类结构的根本区别在于位置检测元 件不同、位置检测元件的安装位置也不同。
半闭环位置伺服系统
半闭环结构的位置伺服系统以伺服电动机轴的转角位移为被控量，采用旋转编 码器（也可以用旋转变压器）作为位置检测元件。图中电流反馈部分没有画出。 半闭环结构是当前应用最为广泛的结构，由于它的电气自动控制部分与机械部 分相对独立，可以对驱动器进行通用化设计。
指令 装置
位置 制
速度控制 转矩控制
伺服 电动机
机械传 输出 动机构
速度反馈
光栅尺
位置反馈
图6-2 全闭环位置伺服系统结构示意图
5.1.2 位置随动系统的特点
位置随动系统与调速系统相比较，有下面一些特点： 1）输出量（被控量）为位移，而不是转速。 2）输入量是不断变化的（而不是恒定量），系统主要要求输出量 能按一定精度跟随输入量的变化，以跟随性能为主。而调速系统主 要要求输出量保持恒定，能抑制负载扰动对转速的影响，以抗扰性 能为主。 3）功率放大器及控制系统都必须是可逆的，使伺服电动机可以正、 反两个方向转动，并消除正或负的位置偏差。而调速系统可以有不 可逆系统。 4）位置随动系统的外环为位置环，而速度环、电流环为内环。
死区越小，说明速度控制单 元的低速性能越好。
系统在静止状态收到相当于 1个脉冲的输入指令时，为 使位置伺服机构移动，指令
必须大于 。调速范围D
应当达到
D max
（6-1）
v/mm·s-1 Vmax
O
Kv
位置误差/mm
εmax （速度指令）
±Δε死区
图6-3 速度控制单元输入输出特性
2）精度高。伺服系统的精度是指输出量跟随给定值的精确程度，如 精密加工的数控机床，就需要很高的定位精度。
3）动态响应快。伺服系统要求对给定的跟随速度足够快、超调小， 甚至要求无超调。
4）抗干扰能力强。在各种扰动作用时，系统输出动态变化小，恢复 时间快，振荡次数少，甚至要求无振荡。
6.1.1 位置随动系统的组成
狭义的伺服系统又称为位置随动系统，其被控制量（输出量）是负载 机械空间位置的线位移或角位移，当位置给定量（输入量）作任意变 化时，系统的主要任务是使输出量快速准确地复现给定量的变化。
伺服系统的基本要求是：
1）稳定性好。伺服系统在给定输入和外界干扰下，能在短暂的过渡 过程后，达到新的平衡状态，或者恢复到原先的平衡状态。
5.1.3 位置随动系统的基本性能指标
位置随动系统的性能指标，可以分为动态和稳态两个方面。其动态性 能基本上是由内环来保证的，而稳态精度则主要靠外环来实现。
对位置随动系统总的要求是稳定性好、精度高、动态响应快、抗扰动 能力强。对于内环的要求是希望有足够的调速范围、快且平稳的起制 动性能、转速尽量不受负载变化、电源电压波动及环境温度等干扰因 素的影响。而对外环的要求是有足够的位置控制精度（定位精度）、 位置跟踪精度（位置跟踪误差）、足够快的跟踪速度、位置保持能力 （伺服刚度）等。