现代伺服系统设计ch03n
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1 kg·m = 9.8 J 1 W·h = 3600 J
1 kg·m/s = 9.8 W 1 hP = 735.5 W
§3.2 伺服系统典型负载分析和计算
明确了系统技术指标后，研究被控对象的运动学、动力学特 性，根据对象的具体特点和受载情况选择执行元件。
掌握了一般性研究方法后，需对负载作定量分析，根据对象 的实际运动规律来建立负载和干扰模型。
§3.1 概 述
一、伺服系统实例
• 火炮随动系统
• 雷达-自动跟踪
• 机器人-动作控制 • 数控机床-定位和
加工轨迹
二、 伺服系统的基本要求及特征
• 1.伺服系统的基本要求 ✓（1）稳定型好 ✓（2）精度高 ✓（3）动态响应快 ✓（4）抗扰动能力强
• 2.伺服系统的基本特征 ✓(1) 必须具备高精度的传感器，能准确地给出
CNC 插补指令
脉冲频率f 脉冲个数n
换算
f、n
脉冲环 形分配 变换
A相、B相 功率 放大
C相、…
机械执行部件
电机
• 如果在电动机轴或丝杆上安装一个旋转变压器反馈转角的变 化，则系统变成了半闭环系统。这样，与开环系统相比，半 闭环系统，提高了精度，但它检测的反馈信号来自于系统中 某一个非最终输出的环节，使得系统无法对这一环节到最终 控制目标之间的误差自动进行补偿。
台体
SSI编码器 BAMS58
四、电动伺服系统控制方法
• 伺服系统的控制方法主要分为开环、闭环和半闭环三种控制方法。它实 际上是指伺服系统实现位置伺服控制的三种方式。
• 开环控制只有从发出的位置指令输入到最后的位置输出的前向通道控制， 而没有测量实际位置输出的反馈通道。由步进电动机直接驱动滚珠丝杆 副的结构就是开环控制系统的实例。它的结构简单、调整维护方便、工 作可靠、成本低，但每一指令脉冲的进给误差、传动链的误差间隙、导 轨滑动时摩擦力的不均衡等造成的误差等最终都反映到实际位移中去， 使得定位精度较低。此外，它的速度低，低速平稳性差，效率也较低。
CNC 插补 指令
位置控制单元 + -
位置控制调节器
速度控制单元
+
-
速度控制 调节与驱动
机械执行部件
实际位 置反馈
实际速 度反馈
检测与反馈单元
电机
五、伺服系统稳态设计的内容
对控制对象运动与动力学分析、负载分析、执行电动机及传 动装置的确定、测量元件的选择、放大装置的选择与设计计算。
六、伺服系统稳态设计目的
CNC 插补 指令
位置控制单元 + -
位置控制调节器
速度控制单元
+
-
速度控制 调节与驱动
实际位 置反馈
实际速 度反馈
检测与反馈单元
机械执行部件 电机
• 在前向控制通道的基础上在加上直接检测最 终输出的反馈控制通道就形成了闭环控制的 伺服系统。检测元件通常为直线感应同步器 和光栅等直线行位检元件，安装在最终的移 动目标工作台上。
一、系统典型负载分析
随动系统和调速系统一般来说都是由执行电动机 (或液压、气动马达)带动被控对象做机械运动。其控 制特性与被控对象相联系的动力学特性关系极大。
被控对象能否达到预期的运动状况，完全取决于系统的稳 态和动态性能。系统常见的负载类型有：惯性负载、阻尼负载、 弹性负载、干扰负载(包括摩擦负载、常值力、重力负载）以及 流体动力负载等，其中惯性负载、摩擦负载几乎任一系统均有。
1 r/min = π/30 rad/s
1 kg·m2 = 9.8 N·m2 1 g·cm2 = 9.8×10-7来自百度文库N·m 1 kg·m·s2 = 9.8 kg·m2 1g·cm·s2=9.8×10-5kg·m2
1 kg = 9.8 N
1 kg·m = 9.8 N·m 1 g·cm = 9.8×10-5 N·m
确定系统的基本不变部分的结构，稳态设计的结果确定了系 统的控制能力。
动态设计计算则是在此基础上使系统达到要求的动态性能。包 括满足动态误差、稳定性及快速性要求。
• 伺服系统稳态设计特点
稳态设计运用基础知识面更宽，需要有一定的实践经验。
七、工程定量计算的计量单位
我国计量管理规定一律采用国际单位制(SI)。国内有些产品铭 牌数据仍沿用工程单位制。在计算时应统一换算成国际单位制。
1.摩擦负载 在任何机械传动系统中，每一对相对运动物体的接触表面
之间都存在着摩擦。普通的现象，情况却十分复杂。
在工程设计中，多采取实测的办法，或采用手册提供的数 据做近似地估算。
从接触表面的相对运动形式看，有滑动摩擦与滚 动摩擦。在条件相同的情况下，滚动摩擦力比滑动摩 擦力小。
以接触表面之间的润滑条件来看，有干摩擦、粘 性摩擦(或称湿摩擦)和介于两者之间的边界摩擦(俗称 半干摩擦)。在条件相同情况下，干摩擦最大，粘性 摩擦小，半干摩擦力介于两者之间。
输出量的电信号； ✓(2)功率放大器以及控制系统都必须是可逆的； ✓(3)足够大的调速范围及足够强的低速带载性
能力； ✓(4)快速的响应能力和较强的抗干扰能力。
三、 电动伺服系统的组成
• 由伺服电机、功率驱动器、控制器和传感器 4大部分组成
• 除了位置传感器外，可能还需要电压、电流和 速度传感器。
驱动器
交流伺服电机 减速机
SSI编码器反馈
PMAC 控制指令
驱动器
直驱电机
SSI编码器反馈
UMAC
ACC-24E2A Opt-1A
ACC-53E
控制分辨率1.582秒
SGMPH-08A
驱动器
交流伺服
减速机 CSD-40-100
齿间隙<1分
半闭环(速度) 半闭环编码器反馈16bit
24bit绝对式反馈0.077秒 全闭环(位置)
随动系统通过其控制的动力机构（执行元件为电机或液压马 达）来带动工作机构（被控对象）完成预定的运动。
被控对象在运动中的动力要求，对控制系统而言即负载特性， 负载特性中的受力对控制系统而言，即运动中所受的阻力。
动力机构所得到的系统输出特性与负载特性有一个匹配问题。 也就是说动力机构的输出能力应大于或等于负载的要求。（即负 载特性）。
名称 转速角速度
飞轮转矩 转动惯量
力 力矩
功(能) 功率
符号 nΩ GD2
J F M或T
W
P
工程单位
r/min
kg·m2 g·cm2 kg·m·s2 g·cm·s2
kg
kg·m g·cm
kg·m W·h
kg·m/s hP
国际单位 rad/s N·m2
kg·m2 N
N·m
J或N·m W或J/s
换算关系
1 kg·m/s = 9.8 W 1 hP = 735.5 W
§3.2 伺服系统典型负载分析和计算
明确了系统技术指标后，研究被控对象的运动学、动力学特 性，根据对象的具体特点和受载情况选择执行元件。
掌握了一般性研究方法后，需对负载作定量分析，根据对象 的实际运动规律来建立负载和干扰模型。
§3.1 概 述
一、伺服系统实例
• 火炮随动系统
• 雷达-自动跟踪
• 机器人-动作控制 • 数控机床-定位和
加工轨迹
二、 伺服系统的基本要求及特征
• 1.伺服系统的基本要求 ✓（1）稳定型好 ✓（2）精度高 ✓（3）动态响应快 ✓（4）抗扰动能力强
• 2.伺服系统的基本特征 ✓(1) 必须具备高精度的传感器，能准确地给出
CNC 插补指令
脉冲频率f 脉冲个数n
换算
f、n
脉冲环 形分配 变换
A相、B相 功率 放大
C相、…
机械执行部件
电机
• 如果在电动机轴或丝杆上安装一个旋转变压器反馈转角的变 化，则系统变成了半闭环系统。这样，与开环系统相比，半 闭环系统，提高了精度，但它检测的反馈信号来自于系统中 某一个非最终输出的环节，使得系统无法对这一环节到最终 控制目标之间的误差自动进行补偿。
台体
SSI编码器 BAMS58
四、电动伺服系统控制方法
• 伺服系统的控制方法主要分为开环、闭环和半闭环三种控制方法。它实 际上是指伺服系统实现位置伺服控制的三种方式。
• 开环控制只有从发出的位置指令输入到最后的位置输出的前向通道控制， 而没有测量实际位置输出的反馈通道。由步进电动机直接驱动滚珠丝杆 副的结构就是开环控制系统的实例。它的结构简单、调整维护方便、工 作可靠、成本低，但每一指令脉冲的进给误差、传动链的误差间隙、导 轨滑动时摩擦力的不均衡等造成的误差等最终都反映到实际位移中去， 使得定位精度较低。此外，它的速度低，低速平稳性差，效率也较低。
CNC 插补 指令
位置控制单元 + -
位置控制调节器
速度控制单元
+
-
速度控制 调节与驱动
机械执行部件
实际位 置反馈
实际速 度反馈
检测与反馈单元
电机
五、伺服系统稳态设计的内容
对控制对象运动与动力学分析、负载分析、执行电动机及传 动装置的确定、测量元件的选择、放大装置的选择与设计计算。
六、伺服系统稳态设计目的
CNC 插补 指令
位置控制单元 + -
位置控制调节器
速度控制单元
+
-
速度控制 调节与驱动
实际位 置反馈
实际速 度反馈
检测与反馈单元
机械执行部件 电机
• 在前向控制通道的基础上在加上直接检测最 终输出的反馈控制通道就形成了闭环控制的 伺服系统。检测元件通常为直线感应同步器 和光栅等直线行位检元件，安装在最终的移 动目标工作台上。
一、系统典型负载分析
随动系统和调速系统一般来说都是由执行电动机 (或液压、气动马达)带动被控对象做机械运动。其控 制特性与被控对象相联系的动力学特性关系极大。
被控对象能否达到预期的运动状况，完全取决于系统的稳 态和动态性能。系统常见的负载类型有：惯性负载、阻尼负载、 弹性负载、干扰负载(包括摩擦负载、常值力、重力负载）以及 流体动力负载等，其中惯性负载、摩擦负载几乎任一系统均有。
1 r/min = π/30 rad/s
1 kg·m2 = 9.8 N·m2 1 g·cm2 = 9.8×10-7来自百度文库N·m 1 kg·m·s2 = 9.8 kg·m2 1g·cm·s2=9.8×10-5kg·m2
1 kg = 9.8 N
1 kg·m = 9.8 N·m 1 g·cm = 9.8×10-5 N·m
确定系统的基本不变部分的结构，稳态设计的结果确定了系 统的控制能力。
动态设计计算则是在此基础上使系统达到要求的动态性能。包 括满足动态误差、稳定性及快速性要求。
• 伺服系统稳态设计特点
稳态设计运用基础知识面更宽，需要有一定的实践经验。
七、工程定量计算的计量单位
我国计量管理规定一律采用国际单位制(SI)。国内有些产品铭 牌数据仍沿用工程单位制。在计算时应统一换算成国际单位制。
1.摩擦负载 在任何机械传动系统中，每一对相对运动物体的接触表面
之间都存在着摩擦。普通的现象，情况却十分复杂。
在工程设计中，多采取实测的办法，或采用手册提供的数 据做近似地估算。
从接触表面的相对运动形式看，有滑动摩擦与滚 动摩擦。在条件相同的情况下，滚动摩擦力比滑动摩 擦力小。
以接触表面之间的润滑条件来看，有干摩擦、粘 性摩擦(或称湿摩擦)和介于两者之间的边界摩擦(俗称 半干摩擦)。在条件相同情况下，干摩擦最大，粘性 摩擦小，半干摩擦力介于两者之间。
输出量的电信号； ✓(2)功率放大器以及控制系统都必须是可逆的； ✓(3)足够大的调速范围及足够强的低速带载性
能力； ✓(4)快速的响应能力和较强的抗干扰能力。
三、 电动伺服系统的组成
• 由伺服电机、功率驱动器、控制器和传感器 4大部分组成
• 除了位置传感器外，可能还需要电压、电流和 速度传感器。
驱动器
交流伺服电机 减速机
SSI编码器反馈
PMAC 控制指令
驱动器
直驱电机
SSI编码器反馈
UMAC
ACC-24E2A Opt-1A
ACC-53E
控制分辨率1.582秒
SGMPH-08A
驱动器
交流伺服
减速机 CSD-40-100
齿间隙<1分
半闭环(速度) 半闭环编码器反馈16bit
24bit绝对式反馈0.077秒 全闭环(位置)
随动系统通过其控制的动力机构（执行元件为电机或液压马 达）来带动工作机构（被控对象）完成预定的运动。
被控对象在运动中的动力要求，对控制系统而言即负载特性， 负载特性中的受力对控制系统而言，即运动中所受的阻力。
动力机构所得到的系统输出特性与负载特性有一个匹配问题。 也就是说动力机构的输出能力应大于或等于负载的要求。（即负 载特性）。
名称 转速角速度
飞轮转矩 转动惯量
力 力矩
功(能) 功率
符号 nΩ GD2
J F M或T
W
P
工程单位
r/min
kg·m2 g·cm2 kg·m·s2 g·cm·s2
kg
kg·m g·cm
kg·m W·h
kg·m/s hP
国际单位 rad/s N·m2
kg·m2 N
N·m
J或N·m W或J/s
换算关系