《伺服运动控制技术》1.1运动控制系统的基本概念
运动控制系统
运动控制系统的简介摘要: 本文介绍了运动控制的定义，产生背景，发展与应用历程，以及与其他学科的联系。
对其某些控制手段和方式进行简单介绍，其中矢量控制篇幅较多。
关键词运动控制；控制方式；矢量控制；直接转矩控制1.运功控制背景运动控制起源于早期的伺服控制。
“伺服”(Servo)一词最早出现在1873年法国工程师Farcot的一本书《Le Servo-Motor on Moteur Asservi》，描述了在轮船引擎上由蒸汽驱动的伺服马达的工作原理。
H.Hazen完成了伺服控制理论的基础研究并发表在1934年9月的Franklin Institute 杂志上。
1940年G.S. Brown在MIT创立了世界上第一个伺服机构实验室，并在1952研制出了世界上第一台数控铣床。
1958年Kearney &Trecker开发了NC加工中心，同年，日本富士通和牧野 FRAICE公司开发成功NC铣床。
1961 年G. Devol研制成功世界第一台机器人。
随后被称为机器人之父的G.T. Engeleberger将其商业化成立了世界第一家机器人公司Unimation。
1968年日本Kawasaki公司从Unimation 买进技术。
机器人技术体现了运动控制和驱动传感器以及运动机构一体化的新思想。
日本安川公司的工程师把这叫做机电一体化技术。
自1973 年的石油危机以后，电气伺服成为市场主导，随着微电子技术和微型计算机技术的发展，交流伺服日趋成熟，为适应市场的多品种小批量的需求，以计算机控制为核心的FMS (Flexible Manufacturing System) CIMS 和 FA (Factory Automation)技术应运而生(1975)。
为适应电子芯片制造的需求，机电一体化技术和运动控制技术被广泛应用。
由国家组织的开放式运动控制系统的研究始于1987年，美国空军在美国政府资助下发表了著名的NGC下一代控制器研究计划，该计划首先提出了开放体系结构控制器的概念,其内容之一便是提出了开放系统体系结构标准规格(OSACA)。
运动控制系统概述
性能测试与评价：研究控制系统或控制元件在不同负载工况下的静动态 特性试验测试方法，以及性能评价与故障诊断等。
1.2、运动控制系统基本组成原理
系统静动态性能测试、 故障诊断和性能评价
控制器与控 制方法
驱动器
电力驱动元件、 驱动技术
扰动 执行机构
电动、液压、气动
负载
反馈元件
二、运动控制系统分类及特点
2.2 运动控制系统特点
运动控制系统运动规律复杂、速度响应快（大约在几～ 几十毫秒内）、负载变化大等。 对于电机驱动的运动控制系统特点：传输方便、速度高。 低速性能差、滞回和非线性较大。 对于液动伺服系统的特点：功率密度大、负载能力强、响 应快、低速平稳。泄漏、传输不方便。 对于气动伺服系统的特点：便于实现直线运动、比液压系 统传输方便。负载能力差、精度低、响应慢。
三、运动控制系统的应用与发展
3.1 应用 运动控制系统应用非常广泛：武器装备、机器人、工业
加工机床、冶金轧钢、交通工具、民用等各个领域。 3.2 发展 特种执行器（压电、人工肌肉、热敏、超音速电机、DDR 直驱电机、直线电机） 高功率密度执行机构（新材料，新结构、体积小、重量轻、 功率大） 非线性、滞回、死区控制方法 强耦合、过驱动复杂运动控制 超大功率驱动控制
传感器采集与 信号处理
二、运动控制系统分类及特点
2.1 运动控制系统分类 （1）按照执行机构的类型分：
电动、液动和气动
（2）按照被控物理量分： 位置（角位置）、速度（角速度）、力（力矩、压力）
（3）按照运动规律分：
点位控制系统、轨迹控制控制系统、随动控制系统
（4）按照控制器类型分：
模拟控制系统、数字控制系统
伺服原理及运动控制介绍2017
伺服系统的实例
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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
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。
【运动控制】运动控制系统基本概念介绍
【运动控制】运动控制系统基本概念介绍一个运动控制系统普通包括：处理运动算法和信号的控制器；一个能增加信号、可供给执行器提供运动输出；反馈（/变送器）系统，可基于输出和输入的比较值，调整过程变量。
系统还包括一个操作员界面或主机终端前端处理（front-end）设备。
反馈意味着大多数运动控制系统是闭环系统；但是，也不排解一些是开环系统，特殊是系统中。
执行器有各种形式--、汽缸、螺旋线圈等，可以是电气的、液压的、气动的或其他类型的设备。
轴：机械或系统的任何可移动的部分，需要被控制的运行。
不少的运动轴能合并在一个同等的多轴系统中；圆弧形补间运动：两个自立的运动轴的协调运动可产生一个圆形的运动。
它通过软件算法以一系列的近似直线来实现；换相：电动机线圈的延续的激励可在转子和定子磁场中维持相对的相位角，在规定的范围内，控制电动机的输出。
在有刷DC电动机中，这一功能由机械整流器和碳刷完成；在无刷电动机中，以转子位移反馈完成；齿轮：通过电子方式模拟机械传动的一种办法，以变量比喻式"强制"一个闭环回路轴从动于另一个轴（开环或闭环回路）；：一个反馈设备，能说明机械运动，以电子信号表现执行器的位移。
增量和肯定编码器较为常用，型号多样；同样，它们的输出也表示出位移的增强和肯定转变值；前馈：一种办法，按照电动机、驱动器或负荷特性得出的已知的误差，提前补偿一个控制回路，以提高响应。
它仅取决于命令，而不是测量误差；分度器：一个电子单元，可未来自于主机、或操作员面板的高层指令转换为步进电机驱动器所需的阶跃和指向脉冲信号；回路带宽：控制回路能响应控制参数变量的最大速率。
它体现了回路的性能，以Hz表示；第1页共2页。
伺服控制知识点总结
伺服控制知识点总结一、基本概念1. 伺服系统伺服系统是由伺服执行元件、位置传感器、控制器和电源组成的控制系统。
其中，伺服执行元件一般为电机，位置传感器用于检测电机的位置，控制器用于根据传感器的反馈信号控制电机的运动，电源用于为电机提供动力。
2. 伺服电机伺服电机是一种能够根据外部控制信号精确控制位置、速度和力的电机。
常见的伺服电机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进伺服电机等。
3. 位置传感器位置传感器用于检测伺服电机的位置，并将检测到的位置信息反馈给控制器。
常见的位置传感器有编码器、光栅尺、霍尔传感器等。
4. 控制器控制器是伺服系统中的核心部件，其主要功能是根据传感器的反馈信号计算出电机的控制指令，并将指令输出给电机驱动器。
5. 电机驱动器电机驱动器接收控制器输出的控制指令，通过控制电机的电源电压和频率来控制电机的转速和扭矩。
二、伺服控制原理1. 闭环控制伺服控制采用闭环控制的原理，即通过不断地检测输出和反馈，在控制过程中校正误差，从而实现精确的位置、速度和力控制。
在闭环控制系统中，控制器通过比较实际输出和期望输出之间的差距，不断调整控制指令，使输出逐渐趋近期望值。
2. PID控制PID控制是伺服控制中常用的一种控制算法，即比例、积分、微分控制算法的组合。
比例控制用于根据误差的大小调整控制输出；积分控制用于消除持续的误差；微分控制用于预测误差的变化趋势，并及时做出调整。
PID控制算法可以根据实际情况进行调整，适用于各种伺服控制场景。
3. 伺服控制系统的设计伺服控制系统的设计需要考虑多个因素，包括伺服系统的要求、控制器的选择、传感器的选择、电机的选择、控制算法的选择等。
在设计伺服控制系统时，需根据实际情况权衡各种因素，从而达到满足控制要求并尽可能减小成本的目标。
三、伺服控制应用领域1. 工业自动化在工业自动化领域，伺服控制被广泛应用于各种生产设备的位置和速度控制，如注塑机、包装机、数控机床等。
伺服控制可以实现快速、稳定、精确的运动控制，提高生产效率和产品质量。
《运动控制系统》教案
《运动控制系统》教案一、教学目标1. 了解运动控制系统的概念、组成和作用。
2. 掌握运动控制系统的常用传感器、执行器和控制器。
3. 学会分析运动控制系统的原理和应用。
4. 能够运用运动控制系统知识解决实际问题。
二、教学内容1. 运动控制系统的概念及组成1.1 运动控制系统的定义1.2 运动控制系统的组成要素1.3 运动控制系统的分类2. 运动控制系统的常用传感器2.1 速度传感器2.2 位置传感器2.3 力传感器2.4 加速度传感器3. 运动控制系统的执行器3.1 电动机3.2 液压执行器3.3 气动执行器3.4 步进执行器4. 运动控制系统的控制器4.1 开环控制器4.2 闭环控制器4.3 模糊控制器4.4 神经网络控制器三、教学方法1. 讲授法：讲解运动控制系统的概念、原理和特点。
2. 案例分析法：分析运动控制系统的应用实例。
3. 实验法：进行运动控制系统的实验操作。
4. 小组讨论法：探讨运动控制系统相关问题。
四、教学重点与难点1. 教学重点：运动控制系统的概念、组成、原理及应用。
2. 教学难点：运动控制系统的传感器、执行器和控制器的选择与配置。
五、教学课时本课程共48课时，其中理论教学32课时，实验教学16课时。
教案内容请根据实际教学需求进行调整和补充。
希望这份教案能对您的教学有所帮助！如有其他问题，请随时联系。
六、教学过程1. 引入：通过生活中的运动控制实例，如智能家居中的窗帘自动打开、关闭，引出运动控制系统的基本概念。
2. 讲解：详细讲解运动控制系统的概念、组成和作用，以及常用传感器、执行器和控制器的工作原理及应用。
3. 案例分析：分析典型的运动控制系统应用实例，如、数控机床等，让学生了解运动控制系统在实际工程中的应用。
4. 实验操作：安排实验室实践环节，让学生动手操作运动控制系统，加深对理论知识的理解。
5. 总结：对本次课程内容进行总结，强调运动控制系统在现代工业中的重要性。
七、教学评价1. 平时成绩：考察学生在课堂上的表现，如发言、提问等。
运动控制系统
Shanghai university
电力拖动自动控制系统
第
1
篇
直流拖动控制系统
Shanghai university
直流调速方法
根据直流电动机转速方程
U IR n K eΦ
式中 n — U— I — R— — Ke— （1-1）
转速（r/min）； 电枢电压（V）； 电枢电流（A）； 电枢回路总电阻（）； 励磁磁通（Wb）； 由电机结构决定的电动势常数。
Shanghai university
1.1.1 旋转变流机组（G-M系统）
Ward-Leonard系统
图1-1 旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（G-M系统）原理图
Shanghai university
• G-M系统特性
正向制动
n
正向电动
n1 n2
n0
-TL
O TL Te
Shanghai university
绪论
一。什么是运动控制系统？
运动控制系统（Motion Control System）也可称作电力 拖动控制系统（Control Systems of Electric Drive） 运动控制系统－－通过对电动机电压、电流、频率等 输入电量的控制，来改变工作机械的转矩、速度、位 移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行， 以满足生产工艺及其他应用的需要。工业生产和科学 技术的发展对运动控制系统提出了日益复杂的要求， 同时也为研制和生产各类新型的控制装置提供了可能。
Shanghai university
6．控制理论－－系统分析和设计的依据
控制理论是运动控制系统的理论基础，是指导系统分 析和设计的依据。控制系统实际问题的解决常常能推 动理论的发展，而新的控制理论的诞生，诸如非线性 控制、自适应控制、智能控制等，又为研究和设计各 种新型的运动控制系统提供了理论依据。
【PPT】什么是运动控制系统.
运动控制系统的发展过程及应用（续）
早就普遍应用于恒速运行场合的交流电机可以弥补直流电机的不 足，加之世界范围的能源短缺，人们又开始了新一轮的交流调速的 研究。仅对占传动总量三分之一强的风机、水泵设备而言，如果改 恒速为调速的话，就可节节电30%左右。近三四十年来，随着电力 电子技术、微电子技术、现代控制理论的发展，为交流调速产品的 开发创造了有利的条件，使交流调速逐步具备了宽调速范围、高稳 速精度、快速动态响应和四象限运行等良好的技术性能，并实现了 产品的系列化，从调速性能上完全可与直流调速系统相媲美。目前 交流调速系统已占据主导地位。 当今社会，运动控制系统的应用已相当普及，不论是民用还是军 用。在工厂、农村以及大多数家庭中，到处可以看到以电动机为动 力的各种生产机械或家用电器。例如：轧钢厂的连轧机，加工车间 的切削机床，造纸厂的纸机，纺织厂的纺织机，化工厂的搅拌机和 离心机，搬运场的起重机和传送带，矿山的卷扬机，田间的抽水泵， 家庭中的冰箱、空调、洗衣机以及电脑等。
图0.1 运动控制系统的基本结构
图中的三个主要组成部分是构成运动控制系统所必需的，而 且也是变化多样的。任何一部分微小的变化都可构成不同的 运动控制系统，这些不同系统的共性和特点以及它们的分析 和设计方法就是本课程研究的主要内容。我们把每一部分可 能的变化列于表0.1中。
表中各部分的不同组合，可以构成不同的运动控制系统。电动机部分、功率驱动部分 和控制器中的大部分内容分别在其他课程中有介绍，但它们组合成完整的运动控制系统以 后，有哪些新的控制要求，如何分析系统的性能，如何设计控制器使系统达到较高的性能 指标，在实际应用中存在哪些具体问题，以及如何解决等，这些都是个课程要解决的问题。
0.1 什么是运动控制系统
按中国大百科全书的解释，运动是物质的固有性质和 存在方式，是物质所固有的根本属性．没有不运动的物 质，也没有离开物质的运动、这是基于哲学的解释。与 中文“运动”对应的英义词汇有“movment”和 “motion”，按照大英百科全书的解释，运动是一个物 体相对于另一个物体或相对于一个坐标系统的位置的变 化、这是基于运动学的定义。运动涉及宇宙万物、大到 遥远的天体，小到物质内部的质子和电子，对这些运动 的研究覆盖了整个科学技术领域。 本课程所指的运动(motion)和运动控制系统(motion control system)是近10多年来在国际上流行的一个技术 术语，它源于一种狭义的、约定俗成的共识，即它的主 要研究内容是机械运动过程中涉及的力学、机械学、动 力驱动、运动参数检测和控制等方面的理论和技术问题。
运动控制技术 课程标准
运动控制技术课程标准
运动控制技术课程标准主要涵盖以下内容：
1. 运动控制系统基础知识：介绍运动控制系统的基本概念、组成和工作原理，包括运动控制器、伺服电机、传感器等的基本原理。
2. 运动控制系统设计：讲解运动控制系统的设计方法和步骤，包括运动控制系统的需求分析、功能设计、硬件选型和软件开发等方面。
3. 运动控制系统硬件：介绍运动控制系统的硬件组成，包括伺服电机、传感器、编码器、电机驱动器等的选型、安装和调试方法。
4. 运动控制系统软件：讲解运动控制系统的软件开发方法和技术，包括PID控制算法、闭环控制、轨迹规划和插补算法等。
5. 运动控制系统调试与优化：介绍运动控制系统的调试方法和技巧，包括系统参数调整、误差分析和优化方法等。
6. 运动控制系统应用案例：通过实际案例分析和实验，讲解运动控制技术在机械制造、自动化生产线、机器人等领域的应用。
以上内容仅作为运动控制技术课程标准的参考，实际的课程设置和深度还需根据教学目标、教学资源和学生需求等因素进行具体设计。
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伺服运动控制系统
主讲：刘洋
CIMC“西门子杯”中国智能制造挑战赛
2020.02.25
运动控制系统的基本概念
本节内容
•什么是运动？
•谁在运动的过程中控制运动效果？
•被控制的对象是什么？
•运动控制的过程中要控制被控对象的哪些状态？•控制的准确程度如何？
运动控制
人类目前已知的100米世界纪录，是牙买加著名短跑健将博尔特
于2009年8月17日在德国柏林创造的9秒58。
•100米
•9秒58
一次性医用口罩生产线
运动控制的工业应用场景
运动控制的工业应用场景
N95口罩生产线
运动控制的工业应用场景
工业机器人
运动控制的工业应用场景
数控加工运动控制的工业应用场景
运动控制的工业应用场景
弹簧机
•什么是运动？
•谁在运动的过程中控制运动效果？•被控制的对象是什么？•运动控制的过程中要控制被控对象的哪些状态？•控制的准确程度如何？•物体在空间中的相对位置随时间而变化•人、机械设备、电气设备•人体自身、口服液、汽车车身、金属卡扣•行进的速度，距离、扭矩
•人工控制的精度相对低，电气控制的精度高本节小结
精确运动控制伺服控制系统运动控制转矩速度位置。