伺服系统概述
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。
伺服系统-第一章伺服系统设计概述
最大跟踪角加速度εmax
系统跟踪误差不超过em时，系统输出轴所能达到 的最大角加速度。
最大角速度Ωk、最大角加速度εk
不考虑跟踪精度的情况下，系统输出轴所能达到 的极限速度和极限角加速度。
正弦跟踪误差esin 速度品质系数Kv、加速度品质系数Ka 调速范围D
对系统工作制的要求 长期连续运行、间歇循环运行、短时间运行
对系统可靠性以及使用寿命的要求 连续运行无故障时间
对系统的使用环境条件的要求 环境温度、湿度、三防（防潮、防腐蚀、防辐 射）、抗振动、抗冲击
对系统结构形式的要求 体积、重量、结构外形、安装特点等
对系统经济性的要求 制造成本、标准化程度、元部件通用性、能源利 用率、维护使用、系统电源条件（电源种类、规 格、容量）
1.2 伺服系统的应用
机械制造 冶金 航天 微电子 军事 运输 通信工程 日常生活
机械制造
– 机床运动部分的位置控制、速度控制、运动轨迹控制 – 仿形机床、机器人手臂关节
冶金
– 电弧炼钢炉、粉末冶金炉的电极位置控制 – 轧钢机轧辊压下运动的位置控制
电极
轧前的 钢板
按控制方式分类
– 开环控制 – 闭环控制 – 复合控制
开环伺服系统
r
G1 ( s )
闭环伺服系统
r
e
G1 ( s )
－
复合控制伺服系统
r
G2 ( s ) c
G2 ( s ) c
B (s)
e G1 ( s ) ＋
－
G2 ( s ) c
1.7 伺服系统的技术要求
什么是伺服系统
什么是伺服系统伺服系统是一种控制机械系统运动的技术，它通过传感器对输出信号进行反馈控制，实现精确的位置、速度和力控制。
伺服系统广泛应用于工业生产和自动化领域，提高了生产效率和产品质量。
一、伺服系统的工作原理伺服系统主要由伺服驱动器、伺服电机和反馈传感器组成。
伺服驱动器负责接收和处理控制信号，将信号转换为合适的电压或电流输出，驱动伺服电机运动。
而伺服电机作为执行器，根据伺服驱动器提供的控制信号，输出相应的运动。
反馈传感器则监测伺服电机的运动状态，将监测到的位置、速度或力信号返回给伺服驱动器，驱动器通过与设定值的比较，调整输出信号，实现对运动状态的精确控制。
二、伺服系统的特点1. 高精度：伺服系统能够实现微小运动的精确控制，可实时监测和调整输出信号，适用于对运动精度要求较高的场景。
2. 高响应性：伺服系统的反馈传感器能够实时监测电机的运动状态，并将信息传递给伺服驱动器，驱动器通过处理反馈信号，及时调整输出信号，使系统能够快速响应各种指令。
3. 多功能：伺服系统可通过调整控制参数，实现对位置、速度和力的精确控制，适用于不同的工业应用。
4. 稳定性好：伺服系统通过反馈控制，能够实时调整输出信号，使系统保持稳定运行。
5. 适应性强：伺服系统可根据不同的工作负载，调整输出信号，适应不同工况的需求。
三、伺服系统的应用1. 工业机械：伺服系统广泛应用于机床、激光切割机、注塑机等工业机械设备中，实现对加工精度和速度的要求。
2. 机器人技术：伺服系统在机器人技术中发挥重要作用，通过对关节运动的精确控制，实现机器人的灵活运动和高精度定位。
3. 自动化生产线：伺服系统可应用于自动化生产线中，控制工件输送、装配等过程，提高生产效率和产品质量。
4. 医疗设备：伺服系统在医疗设备中广泛使用，如手术机械臂、电动床等，实现对患者的精确控制和操作。
5. 航空航天：伺服系统应用于航空航天领域，控制飞机和航天器的各个部件的运动，确保航行安全和舒适。
伺服系统简介介绍
受控对象
被控制的设备或系统， 可以是机械系统、电气 系统或其他系统。
伺服系统的分类
按受控对象
可分为位置伺服系统、速度伺服系统和力伺 服系统等。
按控制方式
可分为开环伺服系统和闭环伺服系统。
按执行器类型
可分为电动伺服系统、气动伺服系统和液压 伺服系统等。
02
01
按应用领域
可分为数控机床、机器人、航空航天、自动 化生产线等领域的伺服系统。
04
03
02 伺服系统的工作原理
伺服系统的工作原理
• 伺服系统是一种能够精确控制运动和速度的控制系 统。它广泛应用于各种工业自动化设备中，如数控 机床、机器人、印刷机等。
伺服系统的应用场景
03
工业自动化
01
数控机床
伺服系统用于数控机床的精密加工，提高加工精度和效 率。
02
生产线自动化
伺服系统用于生产线自动化，实现生产过程的精确控制 和优化。
能。
自动驾驶
伺服系统用于自动驾驶汽车的导航 和控制，实现精确的路径规划和避 障。
悬挂系统控制
伺服系统用于悬挂系统的控制，提 高车辆的行驶平顺性和稳定性。
04 伺服系统的优势与挑战
伺服系统的优势与挑战
• 伺服系统是一种被广泛应用于各种工业和商业领域的控制系 统。它通过接收输入信号，并利用内部的电子和机械部件来 控制输出运动，以满足特定的应用需求。伺服系统具有高精 度、高速度、高可靠性等优点，但也面临着一些挑战。
升级的工业应用需求。
03
5G技术的应用
5G技术为工业互联网的发展带来了新的机遇。未来的伺服系统将更加
注重与5G技术的融合，以实现更高效、更稳定的生产和制造。
伺服系统
什么叫做伺服系统伺服驱动系统（Servo System）简称伺服系统，是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，例如数控机床等。
使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量（使用在机电系统中的伺服电机的转动惯量较大，为了能够和丝杠等机械部件直接相连。
伺服电机有一种专门的小惯量电机，为了得到极高的响应速度。
但这类电机的过载能力低，当使用在进给伺服系统中时，必须加减速装置。
转动惯量反映了系统的加速度特性，在选择伺服电机时，系统的转动惯量不能大于电机转动惯量的3倍。
）较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。
当然，其基本工作原理和普通的交直流电机没有什么不同。
该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有时简称为伺服，一般其内部包括电流、速度和/或位置闭环。
我接触伺服电机的时间只有十来天，下面是我收集的基础的知识，希望对出学者有帮助：问：控制方式中的"位置","速度","转矩"有什么分别？答：位置"、"速度"、"转矩"是伺服系统由外到内的三个闭环控制方式。
位置控制方式有伺服完成所有的三个闭环的控制，计算机只需要发送脉冲串给伺服单元即可，计算机一侧不需要完成PID控制算法；使用速度控制方式时，伺服完成速度和扭矩（电流）两个闭环的控制，计算机需要发送模拟量给伺服单元，计算机一侧需要完成PID位置控制算法，然后通过D/A输出；一般来讲，我们的需要位置控制的系统，既可以使用伺服的位置控制方式，也可以使用速度控制方式，只是上位机的处理不同。
另外，有人认为位置控制方式容易受到干扰。
扭矩控制方式是伺服系统只进行扭矩的闭环控制，即电流控制，上位机的算法也简单，只需要发送给伺服单元一个目标扭矩值，是一个模拟量。
多用在单一的扭矩控制场合，比如在印刷机系统中，一个电机用速度或位置控制方式，用来确定印刷位置，另一个电机用作扭矩控制方式，用来形成恒定的张力。
伺服系统基础知识资料
交流永磁同步伺服驱动系统一、伺服系统简介伺服来自英文单词Servo，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。
伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。
在20世纪60年代，最早是直流电机作为主要执行部件，在70年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。
交流永磁同步伺服驱动系统（以下简称伺服系统），是基于国外高端伺服技术开发出适合于国内环境的伺服驱动系统，具有性能优异、可靠性强，广泛应用于数控机床、织袜机械、纺织机械、绣花机、雕刻机械等领域，在这些要求高精度高动态性能以及小体积的场合，应用交流永磁同步电机（PMSM）的伺服系统具有明显的优势。
其中，PMSM具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广、动态特性和效率都很高。
交流伺服系统的性能指标可以从调速范围、定位精度、稳速精度、动态响应和运行稳定性等方面来衡量。
伺服系统调速范围一般的在1:5000～1:10000；定位精度一般都要达到±1个脉冲；稳速精度，尤其是低速下的稳速精度，比如给定1rpm时，一般的在±0.1rpm以内，高性能的可以达到±0.01rpm以内；动态响应方面，通常衡量的指标是系统最高响应频率，即给定最高频率的正弦速度指令，系统输出速度波形的相位滞后不超过90°或者幅值不小于50％。
应用在特定要求高的一些场合，目前国内主流产品的频率在200～500Hz。
运行稳定性方面，主要是指系统在电压波动、负载波动、电机参数变化、上位控制器输出特性变化、电磁干扰、以及其他特殊运行条件下，维持稳定运行并保证一定的性能指标的能力。
二、伺服系统的组成伺服系统的组成1.上位机上位机通过控制端口发送指令（模拟指令或脉冲指令）给驱动器。
驱动器跟随外部指令来执行，同时驱动器反馈信号给上位机。
伺服系统的组成和原理
伺服系统的组成和原理伺服系统是一种控制系统，用于控制机械系统或过程的运动和位置。
它通常由四个主要组成部分组成：传感器、执行器、控制器和电源。
1.传感器：传感器用于检测机械系统的位置和运动。
常见的传感器包括编码器、位置传感器和加速度传感器。
编码器用于测量转动运动的角度和速度，位置传感器用于测量直线运动的位置和速度，而加速度传感器则用于测量加速度。
2.执行器：执行器是伺服系统中的执行元件，用于实际控制机械系统的运动。
最常见的执行器是伺服电机，它由电动机和驱动器组成。
电动机将电能转化为机械能，而驱动器控制电动机的速度和位置。
3.控制器：控制器是伺服系统的“大脑”，用于处理传感器提供的反馈信号，并根据预设的控制算法生成相应的控制信号。
控制器通常使用微处理器或数字信号处理器来执行这些计算。
控制器还可以根据需要进行参数调整和系统校准。
4.电源：伺服系统需要稳定和可靠的电源来提供所需的电能。
电池、直流电源或交流电源都可以作为伺服系统的电源。
1.传感器通过测量机械系统的位置和运动并将其转换为电信号。
2.传感器的信号输入到控制器，在控制器中进行计算和处理。
控制器根据预设的控制算法，比较实际位置和期望位置之间的差异。
如果差异较大，控制器发出控制信号以调整机械系统的运动。
3.控制信号通过驱动器送至执行器。
驱动器根据控制信号控制伺服电机的速度和位置。
驱动器通常与电机直接连接，将电机转子的转动运动转换为线性或旋转的机械运动。
4.机械系统根据电机的控制运动。
反馈传感器不断监测机械系统的位置和运动，并将其反馈给控制器。
5.控制器使用反馈信号重新计算控制信号，并不断对机械系统进行调整，以使实际位置尽可能接近期望位置。
00伺服系统概述
第一节:伺服系统基本概述
三环结构如图4-1所示。
第一节:伺服系统基本概述
这三个环就是位置环、速度环、电流环。
1、位置环也称为外环，其输人信号是计算机 给出的指令和位置检侧器反馈的位置信号。这 个反馈是负反馈，也就是说与指令信号相位相 反。
指令信号是向位置环送去加数，而反馈信号是 送去减数。 位置环的输出就是速度环的输人。
第一章
机电一体化的控制方法： •手动自动 •简单到复杂 •电力电子技术 数控机床：
概述
•机械制造技术 •自动化技术 •伺服驱动技术 •监控检测技术
•…
第一节:伺服系统基本概述
通过以前的相关知识，我们知道数控机床由四 个基本部分组成，即控制介质、数控装置(或 计算机)、伺服系统和机床本体。
其中伺服系统是数控系统的执行部件，是数控 机床的重要组成部分，产生进给脉冲的数控装 置是否能够以足够高的速度与精度进行计算， 关键在于数控伺服系统能以多高的速度与精度 去执行。
切削进给的速度越快，跟随误差对精度的影响就越 大。提高伺服系统响应的快速性，是减小跟随误差， 提高进给速度的根本措施。但伺服系统的响应速度 并不是可以无限制提高的，并且任何的提高都要以 成本的上升为代价。所以对伺服系统的响应速度的 要求要限制在一个合理的范围之内。在一般情况下， 数控机床的进给响应时间 应该在2mm以内。
第一节:伺服系统基本概述
2、速度环也称为中环，这个环是一个非常重 要的环，它的输人信号有两个： 一个是位置环的输出，做为速度环的指令信号 送给速度环；另一个由电动机带动的测速发电 机经反馈网络处理后的信息，做为负反馈送给 速度环。速度环的两个输人信号也是反相的。 一个是加，一个是减。 速度环的翰出就是电流环的指令输人信号。
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其他
与材料有关
压电元件
12 伺服系统概述
1. 电气执行元件 电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（AC） 伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元 件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态 性能好，适合于频繁使用，便于维修等 2．液压式执行元件 液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、 液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况 下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点 3．气压式执行元件 气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液 压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动 力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩 性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。
12 伺服系统概述
第二节 伺服系统的执行元件概述
执行元件的种类及特点 执行元件的基本要求 常用的控制用电机
12 伺服系统概述
一、执行元件的种类及其特点
电磁式
电动机 电磁铁及其他
交流伺服电机 直流伺服电机
执
液压式
行
元
件 气压式
油缸 液压马达 气缸 气压马达
步进电机 其他电机 双金属片 状态记忆金属
要求：
• Rn＝
nmax nmin
要大，并且在该范围内，速度稳定；
• 无论高速低速下，输出力或力矩稳定，低速驱动时， 能输出额定的力 或力矩；
• 在零速时，伺服系统处于 “锁定” 状态，即惯性小。
12 伺服系统概述
低速大转矩
应变能力指能承受频繁的启动、制动、加速、减速的 冲击； 过载能力指在低速大转矩时，能承受较长时间的过载 而不致损坏。
12 伺服系统概述
第12讲内容
伺服系统概述 伺服系统的执行元件概述 控制电动机 伺服系统设计
12 伺服系统概述
第一节 伺服系统概述
伺服系统基本概念 伺服系统基本类型 伺服系统基本要求
12 伺服系统概述
一、伺服系统基本概念
伺服来自英文单词Servo，指系统跟随外部指令进行 人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。
12 伺服系统概述
3.执行环节 执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形 式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系 统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。 4.被控对象
5.检测环节 检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所 需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。
气体压力源压力 5~7×Mpa；要求操作 人员技术熟练。
液体压力源压力 20~80×Mpa；要求 操作人员技术熟练。
优点
缺点
操作简便；编程容易； 瞬时输出功率大；过载
能实现定位伺服控制； 差；一旦卡死，会引起
响应快、易与计算机
烧毁事故；受外界噪音
（CPU）连接；体积小、 影响大。
动力大、无污染。
气源方便、成本低；无 泄露而污染环境；速度 快、操作简便。
稳态误差表示
影响伺服系统精度的因素： 传感器的灵敏度和精度
组成元件本身误 差
伺服放大器的零点漂移和死区误差 机械装置反向间隙和传动误差
各元器件的非线性因素等
系统本身
结构形式 输入指令信号的形式
12 伺服系统概述
▪ 响应速度:是衡量伺服系统动态性能的重要指标
调速范围 是伺服系统提供的最高速与最低速之比
12 伺服系统概述
气压系统与液压系统的比较
1. 空气可以从大气中取之不竭且不易堵塞；将用过的气体排入大 气，无需回气管路处理方便；泄漏不会严重的影响工作，不污 染环境。
2. 空气粘性很小，在管路中的沿程压力损失为液压系统的干分之 一，易于远距离控制。
3. 工作压力低．可降低对气动元件的材料和制造精度要求。 4. 对开环控制系统，它相对液压传动具有动作迅速、响应快的优
12 伺服系统概述
伺服系统的特点和功用
• 伺服系统与一般机床的进给系统有本质上差别，它能根据 指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置
• 伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是数控系统的重 要组成
12 伺服系统概述
二、伺服系统基本类型
➢ 按控制原理分 有开环、闭环和半闭环三种形式 ➢ 按被控制量性质分 有位移、速度、力和力矩等伺
Hale Waihona Puke 功率小、体积大、难于 小型化；动作不平稳、 远距离传输困难；噪音 大；难于伺服。
输出功率大，速度快、 动作平稳，可实现定位 伺服控制；易与计算机 （CPU）连接。
设备难于小型化；液压 源和液压油要求严格； 易产生泄露而污染环境。
应用：液压系统用于需大的功率重型设备;气动用于工件夹紧、输送等 自动化生产线; 电动应用最广泛.
输入指令 比较 元件
调节 元件
执行 元件
被控 对象
输出量
测量、反 馈元件
伺服系统组成原理框图
12 伺服系统概述
1.比较环节 比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行 比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专 门的电路或计算机来实现。
2.控制器 控制器通常是计算机或PID（比例、积分和微分）控 制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变 换处理，以控制执行元件按要求动作。
12 伺服系统概述
电磁式
感应电动机
永磁同步电动机
异步电动机
离合器电动机
微型直流减速电动机
12 伺服系统概述
液压式
12 伺服系统概述
12 伺服系统概述
气压式
12 伺服系统概述
种类
电 气 式
气 压 式
液 压 式
特点
可用商业电源；信号 与动力传送方向相同； 有交流直流之分；注意 使用电压和功率。
伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服 系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。
电气控制装置
由两部分组成：
电气控制装置部分 机械执行装置部分
执行元件
机械执行 装置
传 感 器
伺服系统组成图
12 伺服系统概述
伺服系统的结构组成
机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从 自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控 制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五 部分。
服系统形式 ➢ 按驱动方式分 有电气、液压和气压等伺服驱动形式 ➢ 按执行元件分 有步进电机伺服、直流电机伺服和交
流电机伺服形式
12 伺服系统概述
三、伺服系统基本要求
✓精度高： ✓稳定性好： ✓快速响应： ✓调速范围宽： ✓低速大转矩：
12 伺服系统概述
三、伺服系统基本要求 ▪ 精度:指输出量复现输入指令信号的精确程度，通常用