伺服控制系统
伺服控制系统(设计)
第一章伺服系统概述伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。
在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地尾随输入量的变化，因此又称之为随动系统或者自动跟踪系统。
机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。
近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及机电创造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步机电、感应电机为伺服机电的新一代交流伺服系统。
目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路创造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性创造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。
1.1 伺服系统的基本概念1.1.1 伺服系统的定义“伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行住手。
伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵便方便的控制。
1.1.2 伺服系统的组成伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。
它由检测部份、误差放大部份、部份及被控对象组成。
1.1.3 伺服系统性能的基本要求1 )精度高。
伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。
2 )稳定性好。
稳定是指系统在给定输入或者外界干扰的作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。
3 )快速响应。
响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。
4)调速范围宽。
调速范围是指生产机械要求机电能提供的最高转速和最低转速之比。
5 )低速大转矩。
在伺服控制系统中，通常要求在低速时为恒转矩控制，电机能够提供较大的输出转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。
伺服控制系统课程论文
伺服控制系统课程作业现代伺服系统综述指导教师：学生：学号：专业：班级：完成日期：摘要在自动控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为伺服系统。
伺服系统也叫位置随动系统，以精确运动控制和力能输出为目的，综合运用机电能量变换与驱动控制技术、检测技术、自动控制技术、计算机控制技术等，实现精确驱动与系统控制。
伺服系统主要包括电机和驱动器两部分，广泛用于航空、航天、国防及工业自动化等自动控制领域。
伺服系统按其驱动元件划分有步进式伺服系统、直流电动机伺服系统和交流电动机伺服系统。
随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术、电机永磁材料制造工艺的发展及电力电子、控制理论的应用，交流电动机伺服系统近年来获得了迅速发展，广泛用于工业生产的各个领域，如数控机床的进给驱动和工业机器人的伺服驱动等。
因此，在相当大的范围内，交流电动机伺服系统取代了步进电动机与直流电动机伺服系统，时至目前，具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美，已成为伺服系统的主流。
关键词：伺服系统自动控制驱动元件1 伺服系统的发展阶段伺服系统的发展与它的驱动元件——伺服电动机的不同发展阶段相联系，并结合老师在第一章所讲的伺服系统分类的知识，伺服电动机至今经历了三个主要的发展阶段。
（1）第一个发展阶段（20世纪60年代以前）：步进电动机开环伺服系统；伺服系统的驱动电机为步进电动机或功率步进电动机，位置控制为开环系统。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°；步进电机存在一些缺点：在低速时易出现低频振动现象；一般不具有过载能力；步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转现象，停止时转速过高易出现过冲现象。
伺服控制技术技术
• 伺服控制系统和调速控制系统一样，都属 于反馈控制系统，即通过对给定量和反馈 量的比较，按照某种控制运算规律对执行 机构进行调节控制。当给定量增大、反馈 量不变时，差值增大，输出量增大；当给 定量不变、输出量增大时，差值就会减小， 随之输出量也就会减小，形成闭环控制系 统。就控制原理而言，速度调节控制系统 与伺服控制系统的原理是完全相同的。
图7-3 图7-2
图7-2
图7-3
(7-9)
图7-3
2) 电流环控制
(7-10)
(7-10)
7.2.2 交流伺服控制系统的数学模型
6 6.1
(6-36) (6-39)
(7-11)
(7-11)
(7-12) (7-13)
2．交流伺服控制系统控制对象的统一模型
• 以上分析表明，采用电流闭环控制后，交 流伺服控制系统与直流伺服控制系统具有 相同的控制对象，式(7-11)或式(7-12)可以 称为在电流闭环控制下，交、直流伺服控 制系统控制对象的统一模型。
(2) 伺服电机及驱动器
• 由伺服电机及驱动器组成的伺服控制单元 是整个交流伺服系统的核心，如图7-4虚线 框内所示部件，用于实现系统位置控制、 速度控制、转矩和电流控制。
(3)
• 交流伺服控制系统的检测元件最常用的是 旋转式光电编码器和光栅。旋转式光电编 码器一般安装在电机轴的后端部，用于通 过检测脉冲来计算电机的转速和位置；光 栅通常安装在机械平台上，用于检测机械 平台的位移，以构成一个大的随动闭环结 构。
• 伺服控制系统与调速控制系统的主要区别 在于，调速控制系统的主要作用是保证稳 定和抵抗扰动，而伺服控制系统要求输出 量准确跟随给定量的变化，更突出快速响 应能力。
• 总体而言，稳态精度和动态稳定性是两种 控制系统都必须具备的，但在动态性能中， 调速控制系统多强调抗扰性，而伺服控制 系统则更强调快速跟随性。
伺服系统的组成部分,各功能实现方法
伺服系统的组成部分,各功能实现方法
伺服系统是一种复杂的控制系统，由多个部分组成，包括控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机。
以下是对这些组成部分的简要描述：
1. 控制器：这是伺服系统的核心部分，负责根据输入的指令和系统的反馈信息计算出控制量，以控制电动机的转动。
控制器的计算速度、精度和稳定性对整个伺服系统的性能有着决定性的影响。
2. 功率驱动装置：这部分负责将控制器的控制信号转换为能够驱动电动机的实际电流或电压。
功率驱动装置通常包括电力电子器件和驱动电路，用于实现电流的放大和转换。
3. 反馈装置：这部分负责实时监测电动机的转动状态，并将监测到的信息反馈给控制器。
常见的反馈装置包括编码器、光电码盘和霍尔元件等，用于检测电动机的转速、位置和方向等信息。
4. 电动机：这是伺服系统的执行部分，负责将控制器的控制信号转换为实际的机械运动。
伺服电动机通常采用直流或交流电源供电，具有较高的启动转矩和快速响应的特点。
在伺服系统中，控制器通过比较指令信号和反馈信号来调节电动机的转动，以达到对目标值的精确控制。
功率驱动装置则负责将控制器的控制信号转换为实际驱动电动机的电流或电压，而反馈装置则提供系统的实时信息，以便
控制器进行调节。
最终，伺服系统能够实现对目标值的精确跟踪，并保证系统的稳定性、快速性和精度。
伺服控制系统课程设计
伺服控制系统课程设计一、教学目标本节课的教学目标是使学生掌握伺服控制系统的基本原理、组成和应用，能够分析简单的伺服控制系统，并具备初步的设计和调试能力。
具体目标如下：1.知识目标：（1）了解伺服控制系统的定义、分类和基本原理；（2）掌握伺服控制系统的组成及其作用；（3）熟悉伺服控制系统的应用领域。
2.技能目标：（1）能够分析简单的伺服控制系统；（2）具备伺服控制系统的设计和调试能力；（3）学会使用相关仪器仪表和软件进行伺服控制系统的分析和设计。
3.情感态度价值观目标：（1）培养学生的创新意识和团队合作精神；（2）增强学生对自动化领域的兴趣和责任感；（3）提高学生解决实际问题的能力。
二、教学内容本节课的教学内容主要包括以下几个部分：1.伺服控制系统的定义、分类和基本原理；2.伺服控制系统的组成及其作用；3.伺服控制系统的应用领域；4.伺服控制系统的设计和调试方法；5.相关仪器仪表和软件的使用。
三、教学方法为了达到本节课的教学目标，将采用以下教学方法：1.讲授法：讲解伺服控制系统的基本原理、组成和应用；2.讨论法：引导学生讨论伺服控制系统的设计和调试方法；3.案例分析法：分析具体的伺服控制系统实例，加深学生对知识的理解；4.实验法：让学生动手进行伺服控制系统的设计和调试，提高实际操作能力。
四、教学资源为了支持本节课的教学内容和教学方法，将准备以下教学资源：1.教材：伺服控制系统相关教材；2.参考书：介绍伺服控制系统的相关书籍；3.多媒体资料：课件、视频、图片等；4.实验设备：伺服控制系统实验装置；5.软件：伺服控制系统分析和设计软件。
五、教学评估为了全面、客观地评估学生的学习成果，将采用以下评估方式：1.平时表现：通过观察学生在课堂上的参与程度、提问回答等情况，了解学生的学习状态；2.作业：布置与课程内容相关的作业，检查学生对知识的理解和应用能力；3.考试：定期进行考试，检验学生对课程知识的掌握程度；4.实验报告：评估学生在实验过程中的操作能力和分析问题的能力；5.小组项目：评估学生在团队合作中的表现以及对知识的综合运用能力。
伺服系统控制方法
伺服系统是一种常见的控制系统，用于精确控制机械运动。
以下是一些伺服系统的控制方法：
1.PID控制：PID控制是一种常用的控制方法，通过综合考虑系统的输入、
输出和误差来调整系统的控制输出，以实现系统的稳定和精确控制。
2.PI控制：PI控制是PID控制的一种简化形式，只考虑系统的误差，不考
虑系统的输入和输出。
3.PD控制：PD控制是PID控制的另一种简化形式，只考虑系统的误差和输
入。
4.P控制：P控制只考虑系统的误差，不考虑系统的输入和输出。
5.Fuzzy控制：Fuzzy控制是一种模糊逻辑控制方法，通过使用模糊逻辑来
处理不精确或不确定的信息，以实现系统的控制。
6.Neural network控制：Neural network控制是一种基于神经网络的控制
方法，通过使用神经网络来模拟系统的行为，并使用反向传播算法来训练网络，以实现系统的控制。
这些控制方法可以用于不同类型的伺服系统，以实现系统的精确控制和稳定性。
伺服控制系统的4种控制方式
伺服控制系统的4 种控制方式导语：伺服控制系统的3 种控制方式，速度控制和转矩控制，位置控制。
伺服控制系统的3 种控制方式，速度控制和转矩控制，位置控制基础知识一、伺服系统组成(自上而下)控制器：plc，变频器，运动控制卡等其他控制设备，也称为上位机；伺服驱动器：沟通上位机和伺服机电，作用类似于变频器作用于普通交流马达。
伺服机电：执行设备，接受来自驱动器的控制信号；机械设备：将伺服机电的圆周运动(或者直线机电的直线运动)转换成所需要的运动形式；各类传感器和继电器：检测工业控制环境下的各种信号送给上位机或者驱动器做为某些动作的判断标准。
二、伺服控制方式三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式。
速度控制和转矩控制都是用摹拟量来控制的，位置控制是通过发脉冲来控制的。
▶如果您对机电的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩，固然是用转矩模式。
▶如果对位置和速度有一定的精度要求，而对实时转矩不是很关心，用速度或者位置模式比较好。
▶如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，用速度控制效果会好一点。
▶如果本身要求不是很高，或者基本没有实时性的要求，用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。
就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快；位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。
对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对机电进行调整。
如果控制器本身的运算速度很慢(比如PLC，或者低端运动控制器)，就用位置方式控制。
如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率；如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这普通只是高端专用控制器才干这么做。
普通说驱动器控制的好坏，有个比较直观的比较方式，叫响应带宽。
当转矩控制或者速度控制时，通过脉冲发生器给它一个方波信号，使机电不断的正转、反转，不断的调高频率，示波器上显示的是个扫频信号，当包络线的顶点到达最高值的70.7%时，表示已经失步，此时频率的高低，就能说明控制的好坏了，普通电流环能做到1000HZ 以上，而速度环只能做到几十赫兹。
伺服控制系统设计
Wop (s)
s(Ts s
K 1)(T2 s
1)
3.2 单闭环位置伺服系统
伺服系统旳闭环传递函数
W cl
(s)
TsT2 s 3
(Ts
K T2 )s2
s
K
闭环传递函数旳特性方程式
TsT2s3 (Ts T2 )s2 s K 0
3.2 单闭环位置伺服系统
用Routh稳定判据，为保证系统稳定，
须使
K
Ts T2 TsT2
单位置环伺服系统开环传递函数对数幅频特性
3.3 双闭环伺服系统
在电流闭环控制旳基础上，设计位置 调整器，构成位置伺服系统，位置调整 器旳输出限幅是电流旳最大值。 以直流伺服系统为例，对于交流伺服 系统也合用，只须对伺服电动机和驱动 装置应作对应旳改动。
3.3 双闭环伺服系统
Tm
R J CT Ce
Tl
La R
3.2 单闭环位置伺服系统
驱动器
电机
直流伺服系统控制对象构造图
采用PD调整器，其传递函数为
减速器
WAPR (s) WPD (s) K p (1 d s)
3.2 单闭环位置伺服系统
伺服系统开环传递函数
Wop (s)
s(Ts s
K ( d s 1)
1)(TmTl s2 Tms
3.5 复合控制旳伺服系统
前馈控制器旳传递函数选为
G(s) 1 W2 (s)
得到
m (s) 1
* m
(
s)
3.5 复合控制旳伺服系统
理想旳复合控制随动系统旳输出量可以完 全复现给定输入量，其稳态和动态旳给定误 差都为零。 系统对给定输入实现了“完全不变性” 。 需要引入输入信号旳各阶导数作为前馈控 制信号，但同步会引入高频干扰信号，严重 时将破坏系统旳稳定性，这时不得不再加上 滤波环节。
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第四章伺服控制系统
内容提要
第一节概述
第二节伺服系统的驱动元件第三节位置控制系统
第四节伺服系统的特性对数控机床加工精度的影响
第一节概述
●伺服系统的概念
●数控机床对伺服系统的
要求
伺服系统的概念
伺服系统是一种反馈控制系统，以指令脉冲为输入给定值，与输出量进行比较，利用偏差值对系统进行自动调节，以消除误差，使输出量紧密跟踪给定值
•伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成
•伺服系统的性能直接关系到数控机床执行部件的静态和动态特性、工作精度、负载能力、响应快慢和稳定程度等
•进给系统的作用在于保证切削过程能够继续进行，不能控制执行件的位移和轨迹；伺服系统将指令信息加以转换和放大，不仅能控制执行件的速度、方向，而且能精确控制其位置，以及几个执行件按一定的运动规律合成的轨迹
数控机床对伺服系统的要求●调速范围宽
调速范围是指最高进给速度和最低
进给速度之比。
由于加工所用的刀
具、被加工零件材质以及零件加工
要求的变化范围很广，为了保证在
所有加工情况下都能得到最佳的切
削条件和加工质量，要求有很大的
同时要求在调速范围内，速度均匀、稳定，低速时无爬行，在零速时
伺服电机处于电磁锁住状态，以保
证定位精度不变
●精度高
数控机床是按预定的程序自动进行加工的，不可能像普通机床那样用
手动操作来调整和补偿各种因素对
加工精度的影响，故要求数控机床
的实际位移和指令位移之差要小
●响应快
要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，即灵敏程度要高，达到最大
稳定速度的时间要短，这种过渡一
般都在200ms以内，甚至几十毫秒
响应的快慢反映了系统跟踪精度的高低，且直接影响轮廓加工精度的
高低和加工表面质量的好坏
●低速大扭矩
数控机床的进给系统常在相对较低的速度下进行切削，故要求伺服系
统能够输出大的转矩。
普通加工直
径为400mm的车床，纵向和横向的
驱动力矩都在10Nm以上
为了输出大的扭矩，数控机床的进给传动链应尽量短，传动的摩擦系
数尽量小，并减少间隙，提高刚度
，减少惯量，提高效率
第二节伺服系统的驱动元件 驱动元件(伺服电机)是伺服系统
的关键部件，它接受控制系统
发来的进给指令信号，并将其
转变为角位移或直线位移，以
驱动数控机床的进给部件实现
所要求的运动
对伺服驱动元件的要求●这种运动要能进、能退、能快
、能慢，既精确又灵敏。
它应
满足
调速范围宽
精度高
电机负载特性好
电机的结构简单
直流伺服电机
●工作原理
直流伺服电机与一般直流电机的工作原理完全相同，他励直流电机转
子上的载流导体(即电枢绕组)在定
子磁场中受到电磁转矩M的作用，
使电机转子旋转
直流伺服电机
直流伺服电机
直流伺服电机
直流电机的静态特性
上式表示电机转速与电磁力矩的关系，称为机械特性，即静
态特性。
稳定运行时，电磁转
矩与所带负载转矩相等
当电机带动某一负载时，电机转速与理想空载转速会有一个
差值，这一差值表明了机械特
性的硬度，差值越小，机械特
性越硬
在数控机床的进给伺服系统中，电机经常处于过渡过程工作
状态，其动态特性直接影响生
产率、加工质量和表面质量
本小节结束
直流伺服电机具有良好的调速性能，但直流电机的电刷和换向器易磨
损，需要经常维护，而且换向器换
向时会产生火花，使电机的转速和
应用环境受到限制。
交流电机则没
有上述缺点，且转子惯量比直流电
机小，动态响应更好
●一般在同样的体积下，交流电机
的输出功率可比直流电机提高
10%-70%。
同时，交流电机的容
量可比直流电机大些，电压和转
速也更高
●在数控机床上主要应用的是永磁
式交流伺服电机
交流伺服电机的调速方法
●交流伺服电机的调速采用变频调速
的方法，即改变电源的频率
●交流伺服电机变频调速的关键问题
是要获得变频、调压的交流电源
●变频调压常用交流-直流-交流方法，
即将工频交流电整流成直流电，再
将直流逆变为频率可调的交流电
直线电机
将旋转电机沿径向剖开后，拉直展开便形成了直线电机。
它
省去了联轴器、滚珠丝杠螺母
副等传动环节，直接驱动工作
台移动
直线电机
目前应用较多的是交流直线电机，原来的定子称为“初级”
，原来的转子称为“次级”。
将“初级”和“次级”分别安
装在机床的运动部件和固定部
件上，初级的三向绕组通电时
即可实现部件间的相对运动
步进电机
●步进电机是一种将电脉冲信号转换
为机械角位移的机电执行元件
●步进电机的转子上无绕组，且均匀
分布若干个齿，定子上有激磁绕组。
当输给激磁绕组一个电脉冲时，
转子就转过一个相应的角度，称为
步距角。
步进电机
步进电机的角位移和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上
与输入脉冲同步。
步进电机的
调速范围、响应特性、位置精
度等都能满足一定场合的应用
要求
步进电机的工作原理
以三相三拍步进电机为例，如果按照A-B-C-A的顺序通电，转子则沿逆
时针方向一步一步地转动，每步转
过30度，显然，单位时间内通入的
电脉冲数越多，即电脉冲的频率越
高，电机转速越高
如果按照A-C-B-A的顺序通电，步进电机将沿着顺时针方向一
步步地转动。
因而只要控制输
入脉冲的数量、频率和通电绕
组的相序，即可获得所需转角
、转速及旋转方向
●从一相通电换接到另一相通电
称为一拍。
每一拍转子转动一
个步距角
●步进电机的步距角越小，则所
能达到的位置精度越高。
为此
需要将转子做成多齿
在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动
器来驱动步进电机，细分驱动
器的原理是通过改变相邻(A，B)
电流的大小，以改变合成磁场
的夹角来控制步进电机运转的
步进电机的主要特性
步进电机的主要特性
步进电机的主要特性 步进电机运行时，当控制脉冲的转换间隔小于电机的电磁和机械的过
渡过程，即前一个脉冲信号使步进
电机步距运动速度尚未达到零，新
的脉冲随即到来时，步进电机是按
与控制脉冲频率相应的同步速度作
连续运行的。
在连续运行状态下，
步进电机的电磁力矩是随着频率的
对主轴驱动系统的要求●机床的主轴驱动和进给驱动有很大
的差别，机床主轴运动通常是旋转
运动，无需丝杠或其他直线运动装
置
●在上世纪60年代中期，采用三相感
应电机配上多级变速箱被认为是机
床主轴传动的满意结构
随着生产率的不断提高，机床结构有了很大的改进，由于要求进一步
提高机床的生产率和刀具的利用率
，对主轴驱动提出了更高的要求，
既要能输出大功率，又要求结构简
单，有更大的无极调速范围
在一些机床上对主轴传动有特殊的要求，如为使数控车床等具有螺纹
切削功能，要求主轴能与进给运动
实现同步控制。
在加工中心上为了
实现自动换刀，要求主轴能进行高
精度准停控制。