闭环伺服控制系统
伺服电动机运动系统的位置闭环控制
伺服电动机运动系统的位置闭环控制GeorgeEllis2010-01-13 15:20伺服电动机运动系统的位置闭环控制采用伺服电动机的闭环伺服系统主要由执行元件（如交直流伺服电动机、液压马达等）、反馈检测单元、比较环节、驱动线路和机械运动机构五部分组成。
其中，比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动线路控制执行元件带动机械位移，直到跟随误差为零。
根据比较环节组成的闭环位置控制方式不同，伺服系统也有多种形式。
随着微处理器及控制技术的介入和完善，由硬件组成的比较环节将由软件实现的位置控制环取代，即由模拟式向数字化方向过渡，以适应更高速度与精度的需要，而且，系统中的电流环、速度环和位置环的反馈控制全部数字化，全部伺服的控制模型和动态补偿均由高速微处理器及其控制软件进行实时处理，采样周期只有零点几毫秒，采用前馈与反馈结合的复合控制可以实现高精度和高速度，近年来又出现了学习控制这一种智能型的伺服控制，在周期性的高速度、高精度跟踪中，几乎可以消除第一个周期以外的全部伺服误差，数字化的软件伺服是当今的发展趋势。
下面将介绍几种典型的闭环伺服系统结构。
鉴相式伺服系统鉴相式伺服系统是运动控制中早期使用较多的一种闭环伺服系统，它具有工作可靠、抗干扰性强、精度高等优点。
但由于增加了位置检测、反馈、比较等元件，与步进式伺服系统相比，它的结构比较复杂，调试也比较困难。
下面讲述鉴相式伺服系统的工作原理。
图13. 16是鉴相式伺服系统框图，它主要由六部分组成，即基准信号发生器、脉冲调相器、检测元件及信号处理线路、鉴相器、驱动线路和执行元件。
基准信号发生器输出的是一列具有一定频率的脉冲信号，其作用是为伺服系统提供相位比较的基准。
脉冲调相器又称为数字相位转换器，它的作用是将来自主机的进给脉冲信号转换为相位变化信号，该相位变化信号可用正弦波或方波表示。
若主机没有进给脉冲输出，脉冲调相器的输出与基准信号发生器的基准信号同相位，即两者没有相位差。
伺服控制器的工作原理
伺服控制器的工作原理伺服控制器是现代工业中广泛使用的一种控制器，它可以实现对电机的精确运动控制。
伺服控制器通常被用于需要高精度、高速度、高可靠性及大转矩的自动控制系统。
本文将介绍伺服控制器的工作原理。
概述伺服控制器的工作原理基于一个闭环控制系统。
它包含一个控制电路、电机和传感器。
控制电路通过对电机施加合适的电压和电流来控制其旋转，传感器用于检测电机的转速和位置并将这些信息反馈给控制电路。
控制电路根据传感器反馈的信息调整电压和电流来控制电机的运动。
控制电路伺服控制器的控制电路包括一个运算放大器、比较器、计时器和数字转换器。
它通过将输入信号与参考信号进行比较，来控制电机。
参考信号通常是一个电机应该达到的期望位置或速度。
控制电路可以根据传感器的反馈信号与参考信号之间的误差，计算出输出信号来控制电机。
电机伺服控制器通常用于驱动直流电动机或同步电动机。
电机的工作原理基于电流通过导体的磁场引起力矩的作用。
电机的转子在电磁场中旋转，进而带动负载运动。
传感器传感器是伺服控制器的关键组成部分。
它们通过测量电机的转速和位置，将这些信息反馈给控制电路。
反馈信息可以用来计算电机的误差并调整输出信号来控制电机的运动。
控制方式伺服控制器有两种控制方式：位置控制和速度控制。
位置控制位置控制主要用于需要精确控制电机位置的应用。
控制电路根据传感器反馈的电机位置，将输出信号调整为使得电机到达目标位置。
速度控制速度控制主要用于需要精确控制电机速度的应用。
控制电路根据传感器反馈的电机速度和目标速度之间的误差，将输出信号调整为使得电机达到目标速度。
总结伺服控制器通过控制电路、电机和传感器的协同作用，可以实现对电机的精确运动控制。
控制方式分为位置控制和速度控制。
伺服控制器的应用范围广泛，例如制造业中的机器人控制、印刷、包装、电气设备等。
希望本文能够对伺服控制器的工作原理有一个基本的理解。
《闭环伺服系统设计》课件
自动化生产线伺服系统需要具备高精 度、快速响应和同步控制能力，以确 保生产线的稳定运行。
航空航天伺服系统
航空航天伺服系统是用于控制航 空器和航天器运动的关键技术之 一，具有高精度、高可靠性和耐
极端环境的特点。
航空航天伺服系统需要适应高速 、高海拔和强辐射等极端环境， 确保飞行器和航天器的安全和稳
定。
制作过程中应注重工艺控制， 保证电路板的加工精度和可靠 性。
电机驱动电路设计
01
电机驱动电路是伺服系统的动力 来源，其设计直接影响到伺服系 统的性能。
02
电机驱动电路设计应充分考虑电 机的电气特性，如电压、电流、 电阻等，以确保电机正常工作。
设计中应注重控制精度和响应速 度，以满足伺服系统的需求。
系统调试与优化
系统调试步骤
介绍系统调试的基本步骤、调试方法以及在闭 环伺服系统中的应用。
系统优化技巧
阐述系统优化的基本原则、优化方法以及在闭 环伺服系统中的应用。
性能测试与评估
介绍性能测试的方法、评估标准以及在闭环伺服系统中的应用。
2023
PART 05
闭环伺服系统应用案例
REPORTING
数控机床伺服系统
驱动方式
根据电机类型选择合适的驱动电路或驱动器，如H桥、三相逆变器等。
电Hale Waihona Puke 参数根据系统性能指标确定电机的转速、转矩、功率等参数。
电机控制
通过调整输入电压或电流实现对电机的速度和位置控制。
传感器与反馈控制
传感器类型
选择能够准确测量系统状态（如位置 、速度、加速度等）的传感器。
反馈控制
通过传感器反馈的系统状态信息，与 理想状态进行比较，形成误差信号， 用于调整系统输出。
第四章闭环伺服系统
U = U 0 sin (ω t+ 2 π x /λ )
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第四章 进给伺服系统
脉冲编码器
脉冲编码器是一种旋转式角位移检测装置，能 将机械转角变换成电脉冲，是数空机床上使用 最光的检测装置。
光电式
脉 冲 编 码 器 的 分 类 增量式脉冲编码器 接触式
磁
磁
检测 电路
伺服系统 数字显示
尺
磁尺位置检测装置
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第四章 进给伺服系统
磁尺位置检测装置
表面录有相等节距（一般为0.05，0.1， 磁性标尺：
0.2，1mm）周期变化的磁信号。
磁 尺 按 基 N 本 形 状 分 为 平面实体形 磁尺 一般长度为600mm
磁尺
带 状 磁 尺 基体厚0.2mm，宽70mm
① 20mm
② 10mm
③ 0.35mm
④ 2.85mm
答： ① 设有一光栅的条纹密度是10条/mm，要利用它测 出1的位移，应采用___套光电转换装置。 ①1 答： ② ②2 ③3 ④4
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第四章 进给伺服系统
磁尺位置检测装置 磁尺： 是一种精度较高的位置检测装置。它 由磁性标尺、磁头、和检测电路组成。
W、ω、θ之间的关系
ω
ω
θ
BC=ABsin(θ/2) 其中
ω
光栅 节距
标尺光栅 θ
BC=ω/2 ， AB=W/2 ，
指示光栅 B
因此
W=ω/sin(θ/2)
C θ /2 W /2
由于θ很小，θ单位为rad时， Sin(θ/2) ≈ θ 故 W ≈ ω/ θ
伺服电机与伺服控制系统原理全
伺服电机与伺服控制系统原理全伺服电机是一种能够在给定的位置和速度范围内精确控制旋转或线性运动的电机。
它通常由电机本体、编码器和伺服控制器组成。
伺服控制系统则是用来控制伺服电机运动的系统，包括传感器、运动控制器和执行器等。
一、伺服电机的原理伺服电机的主要原理是通过反馈控制来实现精确位置和速度的控制。
伺服电机的控制系统通常由三个主要组件组成，分别是电机本体、编码器和伺服控制器。
1.电机本体：伺服电机通常采用带有内部电脑的电机，可以通过传感器测量其位置和速度。
它具有高速、高精度和高效率等特点。
2.编码器：编码器是一种用来测量电机位置和速度的传感器。
它通常安装在电机的轴上，并通过光电、磁电或电容等方式来检测旋转的位置和速度。
3.伺服控制器：伺服控制器是控制伺服电机运动的关键组件，它接收由编码器测量的位置和速度信息，并根据预定的控制算法计算出驱动电机的控制信号。
控制信号通过控制电流或电压来控制电机转动。
二、伺服控制系统的原理伺服控制系统的主要原理是通过对伺服电机进行闭环控制来实现运动的精确控制。
闭环控制系统由传感器、运动控制器和执行器组成。
1.传感器：传感器用于测量伺服电机的位置和速度，反馈给运动控制器。
传感器通常是编码器，通过检测电机的位置和速度来提供准确的反馈信号。
2.运动控制器：运动控制器接收传感器的反馈信号，并根据控制算法计算出控制信号。
控制信号传输给执行器驱动，以实现对伺服电机位置和速度的控制。
3.执行器：执行器是伺服电机的驱动器，它接收来自运动控制器的控制信号，并转化为适当的驱动电流或电压，以驱动电机转动。
伺服控制系统的工作原理是不断比较期望位置和实际位置之间的差距，并调整控制信号，使得它们尽可能接近。
控制器根据编码器反馈的位置和速度信息，计算出一个修正量，并将其与设定值进行对比。
然后，该修正值将被发送到执行器，以调整电机的转动。
由于伺服电机采用了闭环控制，可以有效地解决电机在负载变化、摩擦和惯性等方面的不确定性。
闭环伺服系统设计
主控界面设计
设计简洁明了的主控界面，方便用户进行系统监控和控制。
自定义报表和图形显示
根据用户需求，设计各类报表和图形显示，提供直观的数 据分析和可视化功能。
05 闭环伺服系统调试与优化
系统调试流程
硬件检查
检查伺服系统的硬件连接是否 正确，确保电机、编码器、驱
数据分析
对记录的数据进行统计分析，找出最优的控制参数组合。
参数应用
将最优的控制参数应用到伺服系统中，并进行验证和确认。
06 闭环伺服系统发展趋势与 展望
新技术与新材料的应用
01
数字孪生技术
利用数字孪生技术建立系统的虚拟模型，实现物理系统与数字模型的实
时交互，提高系统的预测和优化能力。
02
新型传感器技术
模糊控制算法
基于模糊逻辑和专家经验， 处理不确定性和非线性问 题，提高系统鲁棒性。
神经网络控制算法
模拟人脑神经元网络，通 过学习自适应调整系统参 数，实现复杂系统的智能 控制。
通信协议设计
串行通信协议
如RS-232、RS-485等，实现设备间的数据传输和命令控制。
网络通信协议
如TCP/IP、UDP等，实现远程数据交换和控制，提高系统扩展性。
驱动器选型与设计
01
02
03Байду номын сангаас
驱动器类型选择
根据电机类型和控制需求， 选择合适的驱动器类型， 如直流电机驱动器、交流 电机驱动器等。
驱动器参数匹配
根据电机参数和控制要求， 选择合适的驱动器参数， 如电压、电流、功率等。
驱动器控制算法
根据电机控制策略，设计 驱动器的控制算法，如 PID控制、模糊控制等。
伺服系统的开环控制与闭环控制
伺服系统的开环控制与闭环控制伺服系统是一种能够对输出进行精确控制的系统。
在伺服系统中，输出通常指的是某种物理量，例如位置、速度或者力。
开环控制和闭环控制是伺服系统两种主要的控制方式。
一、开环控制开环控制又称为非反馈控制。
在该模式下，控制器没有反馈被控制量的信息。
相反，控制器根据已知的输入信号和系统的静态和动态特性进行计算，输出控制信号。
由于开环控制没有考虑系统的实际输出值，所以结果可能会受到许多外部因素的影响而导致不稳定，例如系统的负载或环境温度变化。
开环控制通常应用于简单的系统或者那些对输出精确度要求不高的系统中。
二、闭环控制闭环控制又称为反馈控制。
在该模式下，控制器通过传感器获取被控制量的实际输出值，并将其返回至控制器，以便计算误差并相应地调整输出信号。
闭环控制通常比开环控制更加精确，因为它可以对实际输出值进行即时调整。
当然，在闭环控制模式下，系统所需的硬件和软件成本也更高。
闭环控制通常应用于对输出精度要求高且稳定性要求高的系统中。
三、开环控制和闭环控制的比较总的来说，开环控制和闭环控制各有优缺点。
开环控制通常比较简单，并且可以为系统提供基本的控制。
但是，由于其不考虑实际输出值的变化，所以其控制精度较低，对于环境变化比较敏感。
闭环控制虽然成本高，但其控制精度相对较高，可以从控制误差中学习并自我调节。
此外，由于它可以实施实时调整，所以闭环控制通常比开环控制更稳定。
四、结论在伺服系统中，开环控制和闭环控制是两种常见的控制模式。
适合哪种控制模式应该根据具体情况而定，包括对所需控制的输出精度要求、系统成本、环境条件等各种因素的影响。
利用Simulink仿真直流伺服电机的闭环位置控制系统
利用Simulink 仿真直流伺服电机的闭环位置控制系统 一直流伺服电机传递函数及参数选择直流电机的工作转矩等于负载转矩与负载惯性系统加、减速转矩之和，表达式为： 1()()()()L a d t M t M t J J dtω=++。
其中，()M t 为电动机输出转矩，N m ⋅；()L M t 为负载转矩，N m ⋅；()t ω为电动机角速度，1rad s -⋅；a J 为电动机电枢转动惯量，322.210a J kg m -=⨯⋅；1J 为负载的转动惯量，需将移动工作台的惯性转换到电机轴上，取2321()510,2z h J m kg m π-=⋅≈⨯⋅h 为丝杠螺距，z m 为工作台质量。
电机电路处于动态过程时，对线圈施加的电源电压()a u t 和电枢线圈内通过的电流()a i t 的关系为：()()()()()a a a a ab di t u t R i t L e t d t =++。
其中，a R 为电机电枢线圈内阻，a R =20Ω；a L 为电机电枢线圈的电感，a L =2H ；()b e t 为电机电枢线圈在定子磁场中运动时产生的反电动势。
电机输出转矩()M t 应与通过电枢线圈的电流大小成正比，则()()T a M t K i t =。
其中，T K 为电机输出扭矩常数，T K =15N m A -⋅⋅。
电机电枢线圈产生的反电动势()b e t 与电枢的工作角速度()t ω成正比，故有：()()b b e t K t ω=。
其中，b K 为电机电枢反电动势系数，10.0498b K V rad -=⋅。
我们分别将上述的算式进行拉普拉斯变换，并令初始条件为零，则有：1()()()()L a M s M s J J s s =++Ω；()()()()a a a a b U s R sL I s E s =++；()()T a M s K I s =；()()b b E s K s =Ω。
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接 通 电 源
控制电路
发热盘
电饭锅 的内锅 热量
电饭锅的内 锅温度
输入
输出
单击此处编辑母版标题样式
LOGO
热量
给 定 温 度
＋ －
控制电 路
发热盘
电饭锅的 内锅
电饭锅的内锅 温度
检测装置
单击此处编辑母版标题样式 案例2 数控机床闭环伺服机构
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图
闭环控制系统
单击此处编辑母版标题样式
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图1-5 半闭环控制系统框图
单击此处编辑母版标题样式 三、 闭环伺服系统
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这是一种自动控制系统，其中包括功率放大和反馈，使输 出变量的值相应输入变量的值。 数控装置发出质量脉冲后，当指令值送到位置比较电路时， 此时若工作台没有移动，即没有位置反馈信号时，指令值 使伺服驱动电动机转动，经过齿轮、滚珠丝杠螺母副等传 动元件带动机床工作台移动。装在机床工作台上的位置测 量元件，测出工作台的实际位移量后，后反馈到数控装置 的比较器中与指令信号进行比较，并用比较后的差值进行 控制。若两者存在差值，经放大器后放大，再控制伺服驱 动电动机转动，直至差值为零时，工作台才停止移动。这 种系统称为闭环伺服系统。
图１-４ 按给定值操纵的开环控制系统方框图
单击此处编辑母版标题样式 2.2 半闭环伺服系统
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这种控制系统不是直接测量工作台的位移量，而是通过旋转变压器、 光电编码器或分解器等角位移测量元件，测量伺服机构中电动机或丝 杠的转角，来间接测量工作台的位移。这种系统中滚珠丝杠螺母副和 工作台均在反馈环路之外，其传动误差等仍会影响工作台的位置精度， 故称为半闭环控制系统。图1-5为半闭环控制系统框图。
单击此处编辑母版标题样式
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感谢欣赏
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闭环伺服控制系统
单击此处编辑母版标题样式 闭环伺服控制系统
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一、自动控制系统 二、开环和半闭环伺服系统 三、闭环伺服系统 四、案例
单击此处编辑母版标题样式 一、自动控制系统
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能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统，称为 自动控制系统。它一般由控制装置和被控制对象组成。被 控制对象（简称被控对象）是指要求实现自动控制的机器、 设备或生产过程，例如飞机、火车、机床，以及铁路行车 指挥过程或工业生产的某种过程等。控制装置则是指对被 控制对象起控制作用的设备总体。 自动控制的式，而半闭环控制方式就是开环控制方式 和闭环控制方式相结合的一种控制方式。
单击此处编辑母版标题样式
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图1-6 为闭环控制系统框图。闭环伺服系统的优点是精 度高、速度快。主要用在精度要求较高的数控镗铣床、 数控超精车床、数控超精镗床等机床上。
图1-6 闭环控制系统框图
单击此处编辑母版标题样式 四、闭环伺服系统案例
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案例1 案例1：普通家用电饭锅的煮饭控制：煮饭时电源接通， 内锅放在发热盘上，使锅内温度升高，当温度达到80度C 以上时，饭煮熟，进入保温状态；而保温时，系统通过检 测装置会不断检测锅内的温度，当锅内的温度过低时，又 会加热，使锅内温度始终保持在一定的范围内。
单击此处编辑母版标题样式 二、开环和半闭环控制系统 2.1 开环控制系统
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这种控制方式不带位置测量元件。 数控装置根据信息载体上的指令信号，经过控制运算发出指令脉冲， 使伺服驱动元件转过一定的角度，并通过传动齿轮、滚珠丝杠螺母副， 使执行机构（如工作台）移动或转动。图1-4为开环控制系统的框图。 这种控制方式没有来自位置的反馈信号，对执行机构的动作情况不进 行检查，指令流向为单向，因此被称为开环控制系统。