伺服原理及运动控制介绍2017
伺服机构工作原理
伺服机构工作原理
伺服机构是一种常见的控制系统，用于产生精确的运动。
它通常由电机、传感器、控制器和机械装置组成。
伺服机构的工作原理如下：
1. 传感器：伺服机构中的传感器被用来检测或测量系统输出的一些重要物理量，例如位置、速度或力量。
传感器可以是光电传感器、编码器、位移传感器等。
2. 控制器：伺服机构的控制器会接收传感器的反馈信息，并与用户输入的期望值进行比较。
通过比较反馈信号和期望值，控制器会生成一个误差信号。
3. 电机：误差信号将通过控制器发送到驱动电机。
电机可以根据误差信号来调整输出的力矩、角度或速度。
4. 机械装置：电机的输出将传递到机械装置，这是伺服机构的工作把手。
机械装置可以是一个转动轴、一个滑块或其他执行器，根据需求进行相应的运动。
5. 反馈回路：伺服机构中关键的一点是反馈回路。
电机的运动将会影响位置或速度传感器的读数，并将信息反馈给控制器。
控制器将根据传感器反馈的信息来调整输出，以实现对期望值的精确控制。
通过不断地测量、计算和调整，伺服机构能够实现准确的位置
或速度控制。
这使得伺服机构在各种应用中广泛使用，包括工业自动化、机器人、CNC机床、印刷设备等。
运动控制系统原理及应用
运动控制系统原理及应用运动控制系统是指通过控制器对运动设备进行控制，实现运动控制的系统。
它是现代工业自动化的重要组成部分，广泛应用于机械加工、自动化生产线、机器人、航空航天等领域。
本文将介绍运动控制系统的原理及应用。
一、运动控制系统的原理运动控制系统的原理是通过控制器对运动设备进行控制，实现运动控制。
控制器通常由控制器主板、输入输出模块、通信模块、电源模块等组成。
输入输出模块用于接收传感器信号和控制执行器，通信模块用于与上位机通信，电源模块用于为控制器提供电源。
运动控制系统的控制方式有开环控制和闭环控制两种。
开环控制是指控制器根据预设的运动参数直接控制执行器，不考虑实际运动情况。
闭环控制是指控制器通过传感器反馈实际运动情况，根据反馈信号调整控制参数，实现精确控制。
二、运动控制系统的应用1. 机械加工运动控制系统在机械加工中的应用非常广泛，可以实现高精度的加工。
例如，数控机床通过运动控制系统控制刀具的运动轨迹，实现高精度的加工。
另外，运动控制系统还可以应用于激光切割、电火花加工等领域。
2. 自动化生产线运动控制系统在自动化生产线中的应用也非常广泛。
例如，自动化装配线通过运动控制系统控制机械臂的运动，实现自动化装配。
另外，运动控制系统还可以应用于自动化包装、自动化检测等领域。
3. 机器人运动控制系统是机器人的核心控制系统，可以实现机器人的运动控制、路径规划、力控制等功能。
例如，工业机器人通过运动控制系统控制机械臂的运动，实现自动化生产。
另外，运动控制系统还可以应用于服务机器人、医疗机器人等领域。
4. 航空航天运动控制系统在航空航天领域中的应用也非常广泛。
例如，飞行控制系统通过运动控制系统控制飞机的姿态、速度等参数，实现飞行控制。
另外，运动控制系统还可以应用于卫星控制、火箭发射等领域。
运动控制系统是现代工业自动化的重要组成部分，广泛应用于机械加工、自动化生产线、机器人、航空航天等领域。
随着科技的不断发展，运动控制系统的应用将会越来越广泛。
伺服的工作原理
伺服的工作原理
伺服的工作原理是通过传感器检测并测量系统的状态，然后将这些测量值与预设的目标值进行比较。
如果测量值与目标值存在偏差，控制器会发出控制信号，使电机根据反馈信号做出相应的调整，使系统恢复到目标值附近。
伺服系统通常由三个基本组件组成：控制器、执行器和反馈装置。
控制器是系统的核心，负责接收来自传感器的反馈信息，并将其与目标值进行比较，然后计算出控制信号。
执行器是控制信号的接收者，通常是电机或液压装置，它们将接收到的控制信号转化为机械运动。
反馈装置用于监测执行器的运动状态，并将其转化为反馈信号，反馈给控制器进行实时调整。
在伺服系统中，控制器的设计是至关重要的。
控制器通常采用比例积分微分（PID）控制器，通过对误差的比例、积分和微
分进行加权，来计算控制信号。
其工作原理是根据当前的误差状态和误差变化率来调整控制信号，使系统能够稳定地接近目标值。
伺服系统的关键在于反馈机制，它实现了系统的闭环控制。
反馈装置通过监测执行器的运动状态，将实际测量值反馈给控制器。
控制器根据反馈信号进行实时调整，以便使系统尽可能地接近目标值。
通过持续的反馈和调整，伺服系统能够响应外部干扰，并保持系统在变化之间稳定运行。
总而言之，伺服的工作原理是通过传感器检测系统的状态，并与预设的目标值进行比较，然后通过控制器计算控制信号，使
执行器根据反馈信号进行调整，以使系统接近目标值。
通过持续的反馈和调整，伺服系统能够实现闭环控制，稳定地运行并应对外部干扰。
伺服原理及运动控制介绍2024
伺服原理及运动控制介绍2024
伺服原理及运动控制介绍2024
目录
一、什么是伺服原理
二、伺服系统分类
1、模拟伺服系统
2、数字伺服系统
三、伺服运动控制原理
1、基于PID控制的伺服运动控制
2、基于模型匹配控制的伺服运动控制
四、伺服控制应用
1、工业机器人
2、航天器自动驾驶
3、智能医疗机器人
一、什么是伺服原理
伺服原理（Servo Theory）是一个关于如何在机械、电子等系统中实现输入及输出平衡的通用概念。
换句话说，它是指机械或电子装置中的输出（即被控制的变量）可以通过输入（控制变量）来控制。
伺服原理可以帮助系统实现微小的变化，这有利于改善系统的性能、运行更平稳等。
二、伺服系统分类
伺服系统分为模拟伺服系统和数字伺服系统两大类。
1、模拟伺服系统
模拟伺服系统由模拟伺服控制器构成，是由模拟电路实现的伺服控制器。
模拟伺服控制器输入的是模拟信号，输出的是模拟信号。
根据工作原理的不同，模拟伺服控制器又可分为频率控制系统和比例控制系统。
2、数字伺服系统
数字伺服系统由数字伺服控制器构成，是由微处理器实现的数字控制系统，其输入的是数字信号，输出的也是数字信号。
伺服放大器原理及功能介绍
伺服放大器原理及功能介绍伺服放大器（Servo Amplifier）是一种用来控制电机或执行器的电子设备。
它可以根据输入信号的变化，调整输出信号的幅值或相位，以实现对电机或执行器的精确控制。
在很多自动化系统中，伺服放大器是关键的控制组件，可用于实现运动控制、位置控制、力控制等功能。
伺服放大器的原理是通过负反馈控制来实现精确的位置或速度控制。
通常情况下，伺服放大器会接收一个控制信号，该信号可以是电压、电流或脉冲等形式。
根据这个控制信号，伺服放大器会输出一个相应的信号来驱动电机或执行器。
同时，伺服放大器会不断监测输出的位置或速度，并与输入的控制信号进行比较，通过不断调整输出信号的幅值或相位，使得输出的位置或速度与输入信号的要求尽可能地一致。
1.位置控制：伺服放大器可以通过对输入信号进行处理，实现对电机或执行器的位置控制。
一般来说，位置控制可以通过控制输入信号的幅值和相位来实现。
当输入信号达到一定的幅值时，伺服放大器会输出相应的信号来驱动电机或执行器，使其移动到相应的位置。
通过不断监测输出的位置，并与输入信号进行比较，伺服放大器可以自动调整输出信号的幅值和相位，以实现更加准确的位置控制。
2.速度控制：除了位置控制，伺服放大器还可以实现对电机或执行器的速度控制。
通过控制输入信号的幅值和相位，伺服放大器可以调整输出信号的频率和幅值，从而控制电机或执行器的运动速度。
当输入信号的幅值和相位发生变化时，伺服放大器可以快速地调整输出信号的频率和幅值，以实现对电机或执行器速度的准确控制。
3.力控制：对一些应用来说，精确控制电机或执行器的力量是非常重要的。
伺服放大器可以通过调整输出信号的幅值和相位，实现对电机或执行器的力量控制。
当输入信号的幅值发生变化时，伺服放大器会自动调整输出信号的幅值和相位，以匹配输入信号的变化，从而实现对电机或执行器力量的准确控制。
4.压力控制：在一些应用中，需要对电机或执行器的输出压力进行控制。
交流伺服工作原理
交流伺服工作原理
伺服工作原理是指一种能够实时控制输出位置、速度和力量的电动执行机构。
它主要由伺服电动机、编码器、控制器和电源等组成。
在工作过程中，电源为伺服电动机提供电力。
伺服电动机内部的转子与编码器相连接，编码器可以实时检测电动机的转子位置，并将其信息反馈给控制器。
控制器则根据编码器反馈的位置信息和设定的目标位置，来调节电动机的输出力和速度。
通过不断地调整输出位置和速度，控制器使电机逐渐接近设定的目标位置，从而实现精确的位置控制。
控制器使用PID（比例-积分-微分）算法来计算电动机的输出
力和速度。
通过比较编码器反馈的实际位置和目标位置的差异，PID算法可以计算出控制电机所需要的力量和速度调整值。
这
些调整值通过电源供给给电动机，从而实现闭环控制。
总结起来，伺服工作原理就是通过传感器（编码器）不断地反馈实际位置信息，控制器根据反馈信息和目标位置来调整输出力和速度，从而实现精确控制伺服电机的运动。
这种原理被广泛应用于工业自动化、机器人、CNC机床等领域。
台达伺服工作原理
台达伺服工作原理标题：台达伺服工作原理引言概述：台达伺服系统是一种精密控制系统，通过控制电机的位置、速度和力度来实现精确的运动控制。
本文将详细介绍台达伺服系统的工作原理。
一、传感器反馈机制1.1 位置传感器：台达伺服系统通常配备编码器或光电编码器，用于实时监测电机的位置。
1.2 速度传感器：通过速度传感器可以监测电机的转速，确保电机运行在设定的速度范围内。
1.3 力传感器：力传感器用于监测电机输出的力度，可以实现精确的力控制。
二、控制器2.1 PID控制算法：台达伺服系统采用PID控制算法，通过不断调节比例、积分和微分参数，实现电机位置、速度和力度的精确控制。
2.2 控制器接口：控制器接口连接传感器和执行器，将传感器反馈的信息传输给控制器，控制器再根据设定的参数调节电机的运行状态。
2.3 通信接口：控制器还配备通信接口，可以与上位机或其他设备进行通信，实现远程监控和控制。
三、执行器3.1 伺服电机：台达伺服系统采用伺服电机作为执行器，通过控制电机的转子位置和速度，实现精确的位置控制。
3.2 伺服减速器：伺服减速器用于降低电机的转速，提高输出扭矩，同时保证电机的运行稳定性。
3.3 伺服驱动器：伺服驱动器将控制器发送的信号转换为电机的运行信号，控制电机的转速和位置。
四、反馈控制系统4.1 闭环控制：台达伺服系统采用闭环控制系统，通过不断比较实际输出与设定值之间的差异，调节电机的运行状态，实现精确的位置控制。
4.2 反馈延迟：反馈延迟是闭环控制系统中常见的问题，台达伺服系统通过优化算法和传感器的灵敏度，降低反馈延迟，提高控制精度。
4.3 稳定性分析：台达伺服系统在设计时考虑了系统的稳定性，通过合理的参数设置和控制策略，保证系统在各种工况下都能稳定运行。
五、应用领域5.1 工业自动化：台达伺服系统广泛应用于工业自动化领域，如机床、包装设备、搬运机器人等，实现精确的位置控制和高效的生产。
5.2 机器人领域：台达伺服系统在机器人领域也有着重要的应用，通过精确的控制和反馈机制，实现机器人的灵活运动和高效操作。
伺服工作原理
伺服工作原理
伺服工作原理是指通过运用反馈控制原理，使系统能够实时地根据所需输出值进行调整和校正，以达到精确控制输出的目的。
伺服系统主要包括信号调整器、执行器和反馈装置三个主要组成部分。
其中，信号调整器负责将输入信号进行放大、加工和调整，生成合适的控制信号。
执行器接收来自信号调整器的控制信号，并将其转化为相应的动作或力，以实现所需的运动或输出。
反馈装置监测执行器的输出，并将实际输出值反馈给信号调整器，用于校正和调整控制信号，以使输出更加准确。
在伺服系统中，最常见的反馈装置是编码器。
编码器通过测量旋转角度或线性位移的变化来获取系统的实际输出值，并将其转化为脉冲信号输出。
这些脉冲信号回传给信号调整器，用于比较和校正与期望输出值之间的差距，并生成修正后的控制信号。
当系统工作时，信号调整器将输入信号与反馈信号进行比较，并生成误差信号。
误差信号经过放大和滤波处理后，送入执行器，使其作出相应的调整。
执行器将调整后的输出力或运动传递到负载上，实现所需的运动或输出。
通过反复的比较和调整过程，伺服系统能够实现精确控制输出，并能够在外界干扰或负载变化的情况下自动校正。
伺服系统广泛应用于工业自动化、机器人技术、机械加工、医疗设备等领域，为各种精密控制提供强大支持。
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伺服系统的实例
47
为什么用伺服
总体是说就是对运动控制特性的更高追求，促 使用户选用伺服系统
高精度的要求 响应速度的要求 平稳性的要求 …
48
伺服电机的主要技术参数（一）
功率：（单位：W，KW）100、200、 400、600、1KW…
持续电流Ic：（单位：A） 峰值电流Ip：（单位：A） 反电动势：（单位:V/千转/分钟） 相间电阻：（单位：Ω）
民用：自动封装、机械制造、航空航天、交通运输、石油 化工、家用电器；
军用：武器控制，如导弹火炮；
狭义地讲，就是伺服控制系统；
3
2、为什么会产生运动控制系统
现实需求：如减轻劳动强度、提高生产效率、 探索自然奥秘；
相关技术的进步：如电力电子、计算机、微 处理器；
3、控制方式
开环控制：控制过程只有顺向作用而没有反 向联系，如步进马达控制；
W ( s ) K e j
• 当相位延迟180度时，系统变成正反馈； • 对于正反馈系统，当K小于1时系统依然稳定； • 可见，K与1的关系对于系统的稳定性具有决定
性的作用； • 由此，引出了增益裕度和相位裕度的概念。
增益（dB）
20
10
0
-10
-21001
102
103
104
100
相位（度）
2、基本功能组成
3、发展历史
控制方式：由模拟控制到数字控制； 功率驱动：50年代后期的晶闸管、70年代后期的
门极可关断晶闸管(GTO)、电力双极型晶体管 （BJT）、电力场效应管（Power-Mosfet）、80 年代后期出现的绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）、 目前开始广泛应用的IPM； 执行元件：从直流电机到交流电机
b. 1，响应为单调曲线，调整时间比 1的情况短．
c. 0，输出为等幅振荡，系统不能稳定工作。
d. 一般希望二阶系统工作在欠阻尼 0 1状态下，
=0.707较好．
4、信号滤波
为什么要滤波
信号可以看成是不同频率的正弦信号的叠加
周期性信号 非周期性信号 噪声：白噪声、色噪声
滤波就是滤除不需要的频率分量 应用极其广泛
分类
IIR、FIR（Infinite or Finite Impulse Response）
N
M
Y (n) a(i) y(n i) b(i)x(n i)
i1
i0
低通、高通、带通、带阻（陷波）
滤波器的设计方法
102
103
104
0
-50
-100
-150
101
102
103
104
频率(Hz，对数坐标)
相位（度）
六、小结
主要是基本概念的 介绍
现状； 线性系统； 三环设计； 稳定性； 滤波
• 现代伺服控制系统 涉及多个学科
– 电力电子 – 信号处理 – 自动控制 – 数字及模拟电路 – 计算机 – 网络通信
X ( ) x (t )e jt dt
y (t ) x ( )h (t )dt
Y (s) X (s) H (s)
4、冲击响应
5、阶跃响应
6、频率响应：输出的幅度和相位随输入正 弦波频率的变化规律
6、系统阶数
传递函数的极点 H (s) 1
1 2 ), t 0
（＊）
•上升时间 tr
在暂态过程中，第一次达到稳态值的时间．
0
•峰值时间 t p
响应由零上升到第一个峰值所需的时间．
0
•最大超调量 M p 最大超调量发生在 t t p 时刻，
0， M p 100 %
1， M p 0
0
•调整时间 ts
晰；
C (s)
k1k 2
R (s) s 2 s k1k 2
R(s)
k1
s 1
k2
C(s)
s
k1k 2
s 2 1 s k1k2
2 n
s ( s 2 n )
令
k1k 2
2 n
,
1
2 n ,
则
C (s)
2 n
R (s)
s2
0
-100
-200
101
102
103
104
频率(Hz，对数坐标)
相位裕度：当增益为1（0dB）时，相位延迟距180 度的距离，一般要求大于45度；
增益裕度：当相位延迟为180度时，增益的倒数， 一般要求大于10dB；
2、调节器（校正单元）
根据系统的开环传递函数，设计相应的 调节器，使伺服控制系统的指标达到设 计要求；
给定位置
DSP
输入处理、 位置调节、 速度调节、 电流调节
驱动电路
执行马达 + 负载
反馈信号检测电路
3、系统使用模式
A
电流模式
A cos( t )
电流放大器相
B
C
速度模式
调速系统
位置模式
Iq
Id
根据转子位置，产生与转
子磁场方向正交的合成磁
伺服原理及运动控制介绍
北京慧摩森电子系统技术有限公司 秦皇岛海纳科技开发有限公司
1
第一单元：伺服基本原理
概述 线性系统 伺服控制系统 三环设计 相关概念
2
一、概述
1、什么是运动控制系统
以运动为控制目标的自动控制系统； 为此，它要解决两个问题：动力的传输，机器与设
备的控制； 应用领域
场的过程称为换相
4、系统模型
G(s)
H (s)
G(s)——调节器，可变 H(s)——开环传递函数（系统固有），不可变
G(s)与H(s)相匹配，才能获得理想的 性能
5、系统性能
外在表现（市场营销人员）
精度、分辨率、控制带宽 容量（出力）、动态范围 辅助功能（易用性） 可靠性、安全性
智能系统，其本质是以DSP为核心的全数 字驱动器。在PC上位机软件的辅助下， 可以实现系统的重构、控制参数的整定、 控制策略的更改，使系统能够适应控制 需求的变化。
二、关于线性系统
1、什么是线性系统
叠加性：
y
f
(x)
f (x1 x2) f (x1) f (x2)
齐次性 y f (x) f (Kx) Kf (x)
第二单元：伺服运动控制系统
电机简介 伺服驱动简介 伺服驱动功能简介 伺服选型
41
电机种类
步进电机：步进电机是将电脉冲信号
转变为角位移或线位移的开环控制元步进 电机件。
变频电机：变频电机是一种感应电
机，通过调整电机的供电频率实现电机 转速的调整。
伺服电机：伺服电动机又称执行电
动机，在自动控制系统中，用作执行元 件，把所收到的电信号转换成电动机轴 上的角位移或角速度输出。
PID调节、模糊控制 是控制系统设计研发的永恒主题； 是控制系统中，最需要理论与工程经验
相结合的部分。
3、二阶系统的阶跃响应
为什么研究二阶系统
二阶系统时域响应已经很成熟，其响应特性常被视为一种基准； 能够满足实际需求，高阶系统可以用二阶系统近似； 高阶系统响应的解析表达式较为复杂，相应的物理意义还不够清
2
ns
2 n
上式为典型二阶系统的传递函数。
——阻尼比或衰减系数
n ——无阻尼自然振荡角频率
取横坐标为 nt ，不同阻尼比 值下的二阶系统单位阶跃响应
曲线族如图所示：
从图可见：
（１） 越小，振荡越厉害，当 增大到１以后，曲线变为单调上升。
（２） 0.5 ~ 0.8 之间时，欠阻尼系统比临界阻尼系统更快达到稳态值。 （３）在无振荡时，临界阻尼系统具有最快的响应。 （４）过阻尼系统过渡过程时间长。
频域法
时域法
滤波器举例：一阶巴特沃斯 滤波器
H (s) 1 1 Ts
y(n) y(n 1) x(n)
实际信号处理中常用的一 种滤波器
dB
0
-10
-20
-3100-2
10-1
100
101
0
?
-50
增益（dB）
-100
10-2
10-1
100
101
5
0
-5
-10
101
矩控制的场合要求不高的场合使用； 可实现大功率，变频器可以做到几千KW，甚
至上万KW ； 成本较低，小功率变频价格1000多元；
45
伺服电机的特点
采用闭环控制，控制精度高； 响应快，空或轻载情况下，200W以下的伺服
电机速度环带宽可达500-1000Hz； 伺服电机可实现高转速下的高扭矩； 过载能力强，一般具有2-3倍的过载能力； 允许平稳，有共振点抑制功能； 成本较高，至少也要约3000元一套；
速度；
动
力—电流；
力
位置的变化是速度 速度的变化是加速度（力）
2、位置伺服控制系统 的三环设计
给定位置
位置调节 Vd (PID)
位置检测
速度调节 Id (PI)
速度检测
电流调节 (PI)
驱动+马达 （负载）
电流检测
由内而外，电流环、速度环、位置环 ，内环决定外环的性能
伺服控制系统的数字化