伺服系统设计(改)
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。
《伺服系统设计》课件
了解伺服系统在机床 数控加工中的应用， 提高加工精度和效率。
自动化生产线
探索伺服系统在自动 化生产线中的应用， 实现自动化和智能化 生产。
航空航天
了解伺服系统在航空 航天领域的应用，确 保飞行器的安全和稳 定。
机器人控制
掌握伺服系统在机器 人控制中的应用，实 现精确的运动和操作。
总结
• 伺服系统的优点和局限性 • 伺服系统设计中需要注意的问题 • 未来伺服系统的发展《伺服系统设计》PPT课件。在本课程中，我们将深入探讨伺服系统 的原理、结构、参数设定以及应用，帮助您理解其功能和重要性。
课程概述
• 什么是伺服系统？ • 伺服系统的功能和特点 • 伺服系统在工业控制中的重要性
伺服系统原理
• 伺服系统工作原理概述 • 伺服电机的工作原理 • 编码器的作用和原理 • 控制器的作用和原理
掌握确定参数的基本原则和方法，以实现最 佳系统性能。
2 伺服系统参数设定的方法
学习具体的参数设定方法，包括响应时间和 稳定性的平衡。
3 PID控制器参数的选取方法
4 伺服系统参数整定的实例
了解PID控制器参数选取的常用方法和技巧。
通过实例学习如何在实际应用中进行参数整 定。
伺服系统的应用
机床数控加工
伺服系统的结构
伺服系统的结构
了解伺服系统各组成部分的功能和相互关系。
伺服电机和驱动器的选择
如何根据实际需求选择合适的伺服电机和驱动器。
编码器和控制器的选择
选择适合应用的编码器和控制器，确保系统的准 确性和可靠性。
控制器与编码器的接口
了解控制器和编码器之间的连接方式和通信协议。
伺服系统的参数设定
1 伺服系统参数设定的原则
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
伺服系统控制的设计
添加轴的操作 添加轴
知识准备
二、EtherCAT系统设置
3．轴的创建 (2) 轴的基本设置 轴的基本设置用来设置是否使用轴。如果使用轴，则设置轴的类型和
EtherCAT从站设备的节点地址。 双击[MC_Axis000（0）]，出现MC_Axis000（0）轴的基本设置界面，如图
所示。对节点1上的轴进行设置。
息。用Sysmac Studio创建轴时，轴变量按照轴生成的顺序登记在变量表中。
(1) 轴变量的名称
轴变量的名称为_MC_AX[0-63]，0-63为轴号；数据类型为_sAXIS_REF型的结构
体变量。
(2) 轴变量的属性 轴变量的属性见表，表中列举了部分轴变量。
轴变量_MC_AX[0-63]
轴状态 _MC_AX[0].Status
开始MC试运行
知识准备
二、EtherCAT系统设置
4．伺服驱动器的试运行 (3) 当出现如图所示的警示对话框时，仔细阅读，确认安全。
警对话框
知识准备
二、EtherCAT系统设置
4．伺服驱动器的试运行 (4) 点击警示对话框中的“确定”按钮。出现如图所示的MC试运行界面。
MC试运行界面
知识准备
二、EtherCAT系统设置
1．依据PLCopen的运动控制指令 MC功能模块的运动控制指令基于由PLCopen协会标志的运动控制块。这些指令
允许用户编程进行单轴PTP（点对点）定位、插补控制、电子凸轮等同步控制以 及速度控制和扭矩控制。此外，还可对各运动控制指令的启动设定速度、加速 度、减速度及跃度，因此可实现灵活的控制效果。 2．通过EtherCAT通信数据传送
设定电机转一周的工作行程：设置电机转一周实际的脉冲数，或者负载移 动的直线距离。
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。
浅谈伺服系统的设计
浅谈伺服系统的设计作者：张春凤来源：《职业·中旬》2010年第05期一、伺服系统及其构成伺服系统(Servo system)也叫随动系统,是自动控制系统的一种。
光机电一体化系统中的伺服系统,以机械量(如位移、速度、加速度、力和力矩等)作为控制量,在控制指令作用下驱动执行元件,使机械的运动部件按照控制指令的要求运动,并满足一定的性能指标。
伺服系统的基本要求是使系统的输出量能够快速而精确地跟随输入指令的变化规律。
伺服系统通常具有负反馈的闭环控制系统,也有采用开环控制系统。
伺服系统服务的对象很多,如计算机光盘驱动控制、弧焊机器人轨迹控制、雷达跟踪系统等,都需要使用伺服系统。
虽然服务对象的运动部件、检测部件以及机械结构等不同,对伺服系统的要求有差别,但所有伺服系统的共同点则是带动控制对象按照指定规律作机械运动。
伺服系统的一般组成可描述为图1所示的形式。
伺服系统的执行元件是机械部件和电子装置的接口,功能是根据控制器发出的控制指令,将能量转换为机械部件运动的机械能。
根据执行元件能量转换形式的不同,可以分为电气元件、液压元件和气压元件3种。
伺服系统的执行元件可由3种元件独立构成,也可以互相组合。
如完全由电气元件组成的电气伺服系统,由电气和液压元件组合的电气一液压伺服系统等等。
电气执行元件也就是通常所说的电机,具有能源易获取、干净无污染、控制性能良好等优点,目前多数伺服系统采用电机作为伺服系统的执行元件。
二、伺服系统的基本要求1.对系统稳态性能的要求伺服系统的稳态性能指标包括系统静态误差、速度误差、加速度误差。
速度误差是指系统处于等速跟踪状态时,输出轴与其输入轴作相等的匀速运动时,同一时刻二者的转角差;加速度误差是指系统输出轴在一定的速度和加速度范围内跟踪输入轴运动时,在同一时刻两轴之间的最大差值。
2.对伺服系统动态性能的要求伺服系统应渐近稳定并留有一定的稳定裕量。
在典型信号输入下,系统的时域响应特性要满足规定要求。
伺服驱动系统设计方案
伺服驱动系统设计方案伺服电机的原理：伺服的基本概念是准确、精确、快速定位。
与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。
定子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相差90°电角度。
伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动控制的u／V／W三相电形成电磁场转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。
伺服电机的精度决定于编码器的精度{线数)。
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。
其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降作用：伺服电机,可使控制速度,位置精度非常准确。
交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。
但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。
而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。
交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点：1、起动转矩大由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。
它可使临界转差率S0＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。
因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。
图3 伺服电动机的转矩特性2、运行范围较宽如图3所示，较差率S在0到1的范围内伺服电动机都能稳定运转。
3、无自转现象正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。
当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（T1－S1、T2－S2曲线）以及合成转矩特性（T－S曲线）如图4所示，与普通的单相异步电动机的转矩特性（图中T′－S曲线）不同。
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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二、伺服系统组成
例：数控机床伺服系统
由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样， 也是由控制器、功率放大器、执行机构、反馈测 量装置等部分组成。
二、伺服系统组成
控制器：主要任务是根据输入的信号和反馈的信号 决定控制策略。 功率放大器：将信号放大，并驱动执行机构完成某 种操作。 执行机构：把电信号转化为机械输出量，如速度、 位移、转角等。执行机构主要由伺服电动机或液压 伺服装置和机械传动装置等组成。通常采用电动机 作为驱动元件的执行机构。 测量装置：测量被控制量（即输出量），实现反馈 控制。
(2)步进电动机的结构
步进电机由转子和定子两部分组成，下图中三相 定子A、B、C，三相，每相两极： AA’,BB’,CC’，每极 上五个齿。
(2)步进电动机的结构
➢ 定子上线圈的绕法
A相
➢ 转子 （40齿）
C相
B相
下面以反应式步进电机为例说明步进电机的 结构和工作原理。
三相反应式步进电动机的原理结构图如下：
第3章 伺服驱动技术
3.1 概述 3.2 伺服系统的执行元件及控制 3.3 伺服系统设计
3.1 概述
一、伺服系统概念 二、伺服系统的类型 三、伺服系统的基本要求
一、伺服系统概念
伺服系统是自动控制系统的一类（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），它的根本任务是实现执行机构对 给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的转角 （或位移等）能够自动、连续、精确地复现输入 指令信号的变化规律。
1.反应式步进电机：定子上有若干对磁极，磁极上有 多相励磁绕组；转子上有均匀分布的小齿；利用磁阻 的变化产生转矩。
2.励磁式步进电机：转子有绕组(或用永久磁钢) ； 定子上有绕组；绕组轮流通电，建立的磁场与永磁体 恒定的磁场相互作用，产生转矩。
反应式步进电机的应用最广泛，它有两相、三相、多相之分。 这里主要讨论三相反应式步进电动机的结构和工作原理。
定子内圆周 均匀分布着六个 磁极，磁极上有 励磁绕组，每两 个相对的绕组组 成一相。采用Y 连接，转子有四 个齿。
(3).步进电机工作原理 由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，
因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转 矩，使转子转动。
现以A B C A的通电顺序，使三 相绕组 轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。
执行元件分类
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
伺服电机控制方式
一、步进电动机及其控制
步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲 信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉 冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段 距离。
特点: (1) 来一个脉冲，转一个步距角。
(2) 控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3) 改变脉冲顺序，可改变转动方向。 由于步进电动机的这一工作职能正好符合 数字控制系统要求，因此它在数控机床、钟表工 业及自动记录仪等方面都有很广泛的应用。
步进电机的种类、结构及工作原理
数控机床原理与系统
西工大机电学院
步进电动机
(1)种类：励磁式和反应式两种。
三、伺服系统的基本要求
对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速 响应性。
稳定性：是指作用在系统上的扰动消失后，系
统能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入 指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状 态的能力。
精度：是伺服系统的一项重要的性能要求。它
是指其输出量复现输入指令信号的精确程度。
快速响应性：是衡量伺服系统动态性能的另一
项重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指 动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化 的迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程 度。
5.2 伺服系统的执行元件及控制
一、执行元件类型及特点 二、伺服电机及其控制 三、步进电机及其控制
一、执行元件类型及特点
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。
二、伺服系统类型
从系统组成元件的性质来看，有电气伺服系统、 液压伺服系统和电气—液压伺服系统、电气—气 动伺服系统等；
从系统输出量的物理性质来看，有速度或加速 度伺服系统和位置伺服系统等；
系统；
从系统结构特点来看，有开环伺服系统、半开 环伺服系统、闭环伺服系统。
同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4
齿和B、B´ 磁极轴线对齐；当C相通电时，转子 再转过30角，1、3齿和C´、C磁极轴线对齐。
这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为 一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲， 所以称为三相单三拍工作方式。
按AB C A ……的顺序给三相绕 组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍
转过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)磁
场在空间旋转了360°而转子转过90°(一个齿 距角)。 ②. 三相六拍---单双相轮流通电方式
按AAB B BC C CA的顺序给三 相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控 制特性。
①.三相单三拍---单相通电方式 “三相”指三相步进电机；“单”指每次只能一相绕 组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。
A相绕组通电，B、C相 不通电。气隙产生以A-A为轴线 的磁场，而磁力线总是力图从 磁阻最小的路径通过，故电动 机转子受到一个反应转矩，在 此转矩的作用下，转子必然转 到左图所示位置：1、3齿与A、 A′极对齐。