1、第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.1/62电气传动控制系统Electrical Drive Control System伺服系统伺服系统自动化专业、电气工程专业选修课自动化专业、电气工程专业选修课第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.2/62第六章 伺服系统第六章 伺服系统6-1 6-1 伺服系统的特征及组伺服系统的特征及组成成本 章 小 本 章 小 结 结6-2 6-2 伺服系统控制对象的数学模伺服系统控制对象的数学模型型6-3 6-3 伺服系统的设伺服系统的设计计特征及组成特征及组成第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.3/62前 言前
2、言n伺服（伺服（Servo）意味着“伺候”和“服从”）意味着“伺候”和“服从”。n广义的伺服系统是精确地跟踪或复现某个给广义的伺服系统是精确地跟踪或复现某个给定过程的控制系统，也可称作随动系统。定过程的控制系统，也可称作随动系统。n狹义伺服系统又称位置随动系统，其被控制狹义伺服系统又称位置随动系统，其被控制量（输出量）是负载机械空间位置的线位移量（输出量）是负载机械空间位置的线位移或角位移，当位置给定量（输入量）作任意或角位移，当位置给定量（输入量）作任意变化时，系统的主要任务是使输出量快速而变化时，系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化。准确地复现给定量的变化。第六章 伺服系统
3、第六章 伺服系统23年6月27日No.4/62概 述概 述n伺服系统的功能是使输出快速而准确地复现伺服系统的功能是使输出快速而准确地复现给定，对伺服系统具有如下的基本要求：给定，对伺服系统具有如下的基本要求：稳定性好稳定性好 伺服系统在给定输入和外界干扰伺服系统在给定输入和外界干扰下，能在短暂的过渡过程后，达到新的平衡下，能在短暂的过渡过程后，达到新的平衡状态，或者恢复到原先的平衡状态。状态，或者恢复到原先的平衡状态。精度高 精度高 伺服系统的精度是指输出量跟随伺服系统的精度是指输出量跟随给定值的精确程度，如精密加工的数控机床给定值的精确程度，如精密加工的数控机床，要求很高的定位精度。，要求很
4、高的定位精度。动态响应快 动态响应快 动态响应是伺服系统重要的动态动态响应是伺服系统重要的动态性能指标，要求系统对给定的跟随速度足够性能指标，要求系统对给定的跟随速度足够快、超调小，甚至要求无超调。快、超调小，甚至要求无超调。抗扰动能力强 抗扰动能力强 在各种扰动作用时，系统输出动在各种扰动作用时，系统输出动态变化小，恢复时间快，振荡次数少，甚至态变化小，恢复时间快，振荡次数少，甚至要求无振荡。要求无振荡。第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.5/62伺服系统的特征伺服系统的特征n必须具备高精度的传感器，能准确地给出必须具备高精度的传感器，能准确地给出输出量的电信号。输出量的电
5、信号。n功率放大器以及控制系统都必须是可逆的功率放大器以及控制系统都必须是可逆的。n足够大的调速范围及足够强的低速带载性足够大的调速范围及足够强的低速带载性能。能。n快速的响应能力和较强的抗干扰能力。快速的响应能力和较强的抗干扰能力。第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.6/62伺服系统的组成伺服系统的组成n 伺服系统由伺服电动伺服系统由伺服电动机、功率驱动器、控机、功率驱动器、控制器和传感器四大部制器和传感器四大部分组成。分组成。n 除了位置传感器外，除了位置传感器外，可能还需要电压、电可能还需要电压、电流和速度传感器。流和速度传感器。图图 9-1 位置伺服系统结构示意图位置
6、伺服系统结构示意图A）开环系统 ）开环系统 b）半闭环系统 ）半闭环系统 c）全闭环）全闭环系统系统第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.7/62伺服系统的组成伺服系统的组成n 旋转编码器旋转编码器图图 9-2 绝对值式编码器的码盘绝对值式编码器的码盘a)二进制码盘 二进制码盘 b)循环码码循环码码盘盘第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.8/62伺服系统的性能指标伺服系统的性能指标n伺服系统的实际位置与目标值之间的误差，伺服系统的实际位置与目标值之间的误差，称作系统的稳态跟踪误差。称作系统的稳态跟踪误差。n由系统结构和参数决定的稳态跟踪误差可分由系统结构和参数
7、决定的稳态跟踪误差可分为两类：检测误差与系统误差。为两类：检测误差与系统误差。n伺服系统在动态调节过程中性能指标称为动伺服系统在动态调节过程中性能指标称为动态性能指标，如超调量、跟随速度及时间、态性能指标，如超调量、跟随速度及时间、调节时间、振荡次数、抗扰动能力等。调节时间、振荡次数、抗扰动能力等。第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.9/62伺服系统的性能指标伺服系统的性能指标图图 9-4 位置伺服系统的典型输入信号位置伺服系统的典型输入信号a）位置阶跃输入 ）位置阶跃输入 b）速度输入 ）速度输入 c）加速度输入）加速度输入第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日N
8、o.10/62伺服系统的性能指标伺服系统的性能指标n伺服系统在三种单位输入信号的作用下给伺服系统在三种单位输入信号的作用下给定稳态误差：定稳态误差：第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.11/62伺服系统的动态结构图伺服系统的动态结构图图图 9-3 线性位置伺服系统一般动态结构图线性位置伺服系统一般动态结构图第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.12/62第六章 伺服系统第六章 伺服系统6-1 6-1 伺服系统的特征及组伺服系统的特征及组成成本 章 小 本 章 小 结 结6-2 6-2 伺服系统控制对象的数学模伺服系统控制对象的数学模型型6-3 6-3 伺服系统
9、的设伺服系统的设计计数学模型数学模型第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.13/62概 述概 述n根据伺服电动机的种类，伺服系统可分为根据伺服电动机的种类，伺服系统可分为直流和交流两大类。直流和交流两大类。n伺服系统控制对象包括伺服电动机、驱动伺服系统控制对象包括伺服电动机、驱动装置和机械传动机构。装置和机械传动机构。第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.14/62直流伺服系统控制对象的数学模型直流伺服系统控制对象的数学模型n直流伺服系统的执行元件为直流伺服电动直流伺服系统的执行元件为直流伺服电动机，中、小功率的伺服系统采用直流永磁机，中、小功率的伺服系统采用直
10、流永磁伺服电动机，当功率较大时，也可采用电伺服电动机，当功率较大时，也可采用电励磁的直流伺服电动机。励磁的直流伺服电动机。n直流无刷电动机与直流电动机有相同的控直流无刷电动机与直流电动机有相同的控制特性，也可归入直流伺服系统。制特性，也可归入直流伺服系统。第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.15/62直流伺服系统控制对象的数学模型直流伺服系统控制对象的数学模型n直流伺服电动机的状态方程直流伺服电动机的状态方程n机械传动机构的状态方程机械传动机构的状态方程 Id：电枢电流：电枢电流R：包括驱动器内阻的电枢：包括驱动器内阻的电枢回路电阻回路电阻L：电枢回路电感：电枢回路电感011
11、11dddLeULELILRdtdITJTJdtdmddtjqw=第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.16/62直流伺服系统控制对象的数学模型直流伺服系统控制对象的数学模型n驱动装置的近似等效传递函数驱动装置的近似等效传递函数n状态方程状态方程 1ssKT s+cssdsduTKUTdtdU001第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.17/62直流伺服系统控制对象的数学模型直流伺服系统控制对象的数学模型n控制对象的数学模型控制对象的数学模型 0001111mTdLdeddldsdcssddtjCdITdtJJdICIUdtTLLdUKUudtTTqwww邋=-
12、=-+=-+第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.18/62直流伺服系统控制对象的数学模型直流伺服系统控制对象的数学模型图图 9-5 直流伺服系统控制对象结构图直流伺服系统控制对象结构图第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.19/62直流伺服系统控制对象的数学模型直流伺服系统控制对象的数学模型n采用电流闭环后，电流环的等效传递函数采用电流闭环后，电流环的等效传递函数为惯性环节，故带有电流闭环控制的对象为惯性环节，故带有电流闭环控制的对象数学模型为数学模型为*111mTdLdddiiddtjCdITdtJJdIIIdtTTqww=-=-+第六章 伺服系统第六章 伺
13、服系统23年6月27日No.20/62直流伺服系统控制对象的数学模型直流伺服系统控制对象的数学模型图图 9-6 带有电流闭环控制的对象结构图带有电流闭环控制的对象结构图第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.21/62交流伺服系统控制对象的数学模型交流伺服系统控制对象的数学模型n用交流伺服电动机作为伺服系统的执行电用交流伺服电动机作为伺服系统的执行电动机，称作交流伺服系统。动机，称作交流伺服系统。n常用的交流伺服电动机有三相异步电动机常用的交流伺服电动机有三相异步电动机、永磁式同步电动机和磁阻式步进电动机、永磁式同步电动机和磁阻式步进电动机等，也可用电励磁的同步伺服电动机。等，也
14、可用电励磁的同步伺服电动机。n无论是异步电动机，还是同步电动机，经无论是异步电动机，还是同步电动机，经过矢量变换、磁链定向和电流闭环控制均过矢量变换、磁链定向和电流闭环控制均可等效为电流控制的直流电动机。可等效为电流控制的直流电动机。第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.22/62交流伺服系统控制对象的数学模型交流伺服系统控制对象的数学模型n异步电动机按转子磁链定向的数学模型为异步电动机按转子磁链定向的数学模型为sstsmstrsmrrsrrsmstssmstsmrsmrrsrrrsmsmsmrmrrrLprstrmpLuiiLLLRLRLLLdtdiLuiiLLLRLRTLL
15、LdtdiiTLTdtdTJniJLLndtd1222122221第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.23/62交流伺服系统控制对象的数学模型交流伺服系统控制对象的数学模型n采用电流闭环控制后，对象的数学模型为采用电流闭环控制后，对象的数学模型为*111mTstLstststiiddtjCdiTdtJJdiiidtTTqww=-=-+第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.24/62交流伺服系统控制对象的数学模型交流伺服系统控制对象的数学模型nCT 为包含磁链作用在内的转矩系数，电为包含磁链作用在内的转矩系数，电流转矩分量相当于直流电动机的电枢电流流转矩分量相当
16、于直流电动机的电枢电流，电流闭环控制的交流伺服电动机结构图，电流闭环控制的交流伺服电动机结构图与直流电动机相仿。与直流电动机相仿。n对于同步伺服电动机也可得到相同结论，对于同步伺服电动机也可得到相同结论，不重复论述。不重复论述。n采用电流闭环控制后，交流伺服系统与直采用电流闭环控制后，交流伺服系统与直流伺服系统具有相同的控制对象数学模型流伺服系统具有相同的控制对象数学模型。n称作在电流闭环控制下交、直流伺服系统称作在电流闭环控制下交、直流伺服系统控制对象的统一模型。控制对象的统一模型。n用相同的方法设计交流或直流伺服系统。用相同的方法设计交流或直流伺服系统。第六章 伺服系统第六章 伺服系统23
17、年6月27日No.25/62第六章 伺服系统第六章 伺服系统6-1 6-1 伺服系统的特征及组伺服系统的特征及组成成本 章 小 本 章 小 结 结6-2 6-2 伺服系统控制对象的数学模伺服系统控制对象的数学模型型6-3 6-3 伺服系统的设伺服系统的设计计工程设计工程设计第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.26/62概 述概 述n 伺服系统的结构因系统的具体要求而异，对于闭伺服系统的结构因系统的具体要求而异，对于闭环伺服控制系统，常用串联校正或并联校正方式环伺服控制系统，常用串联校正或并联校正方式进行动态性能的调整。进行动态性能的调整。n 校正装置串联配置在前向通道的校正方
18、式称为串校正装置串联配置在前向通道的校正方式称为串联校正，一般把串联校正单元称作调节器，所以联校正，一般把串联校正单元称作调节器，所以又称为调节器校正。又称为调节器校正。n 若校正装置与前向通道并行，则称为并联校正；若校正装置与前向通道并行，则称为并联校正；信号流向与前向通道相同时，称作前馈校正；信信号流向与前向通道相同时，称作前馈校正；信号流向与前向通道相反时，则称作反馈校正。号流向与前向通道相反时，则称作反馈校正。第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.27/62调节器校正及其传递函数调节器校正及其传递函数n常用的调节器有比例微分（常用的调节器有比例微分（PD）调节）调节器、
19、比例积分（器、比例积分（PI）调节器以及比例）调节器以及比例积分微分（积分微分（PID）调节器，设计中）调节器，设计中可根据实际伺服系统的特征进行选择。可根据实际伺服系统的特征进行选择。第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.28/62PD 调节器校正调节器校正n在系统的前向通道上串联 在系统的前向通道上串联 PD 调节器调节器校正装置，可以使相位超前，以抵消惯校正装置，可以使相位超前，以抵消惯性环节和积分环节使相位滞后而产生的性环节和积分环节使相位滞后而产生的不良后果。不良后果。nPD 调节器的传递函数为调节器的传递函数为()(1)PDpdWsKst=+第六章 伺服系统第六章
20、伺服系统23年6月27日No.29/62PI 调节器校正调节器校正n如果系统的稳态性能满足要求，并有一如果系统的稳态性能满足要求，并有一定的稳定裕量，而稳态误差较大，则可定的稳定裕量，而稳态误差较大，则可以用 以用 PI 调节器进行校正。调节器进行校正。nPI 调节器的传递函数为调节器的传递函数为1()()iPIpisWsKstt+=第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.30/62PID 调节器校正调节器校正n将 将 PD 串联校正和 串联校正和 PI 串联校正联合串联校正联合使用，构成 使用，构成 PID 调节器。调节器。n如果合理设计则可以综合改善伺服系统如果合理设计则可以
21、综合改善伺服系统的动态和静态特性。的动态和静态特性。nPID 串联校正装置的传递函数为串联校正装置的传递函数为(1)(1)()idPIDpissWsKsttt+=第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.31/62单环位置伺服系统单环位置伺服系统n对于直流伺服电动机可以采用单位置环对于直流伺服电动机可以采用单位置环控制方式，直接设计位置调节器 控制方式，直接设计位置调节器 APR。n为了避免在过渡过程中电流冲击过大，为了避免在过渡过程中电流冲击过大，应采用电流截止反馈保护，或者选择允应采用电流截止反馈保护，或者选择允许过载倍数比较高的伺服电动机。许过载倍数比较高的伺服电动机。第六章
22、 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.32/62单环位置伺服系统单环位置伺服系统图图 9-7 单环位置伺服系统单环位置伺服系统APR 位置调节器 位置调节器 UPE 驱动装置驱动装置SM 直流伺服电动机 直流伺服电动机 BQ 位置传感器位置传感器第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.33/62单环位置伺服系统单环位置伺服系统n忽略负载转矩，直流伺服系统控制对象忽略负载转矩，直流伺服系统控制对象传递函数为传递函数为n机电时间常数机电时间常数 2/()()(1)(1)seobjsmlmKjCWss T sT TsT s=+eTmCCJRT第六章 伺服系统第六章 伺服系统2
23、3年6月27日No.34/62单环位置伺服系统单环位置伺服系统图图 9-8 直流伺服系统控制对象结构图直流伺服系统控制对象结构图n采用 采用 PD 调节器，其传递函数为调节器，其传递函数为()()(1)APRPDpdWsWsKst=+第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.35/62单环位置伺服系统单环位置伺服系统n伺服系统开环传递函数伺服系统开环传递函数 n系统开环放大系数系统开环放大系数 2(1)()(1)(1)dopsmlmKsWss T sT TsT sqqt+=+pseK KKjCq=第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.36/62单环位置伺服系统单环位
24、置伺服系统图图 9-9 单位置环控制直流伺服系统结构图单位置环控制直流伺服系统结构图?4mlTT2121(1)(1)mlmT TsT sTsT s+=+sTTT21第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.37/62单环位置伺服系统单环位置伺服系统n用系统的开环零点消去惯性时间常数最用系统的开环零点消去惯性时间常数最大的开环极点，以加快系统的响应过程大的开环极点，以加快系统的响应过程。n系统的开环传递函数系统的开环传递函数2()(1)(1)opsKWss T sT sqq=+第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.38/62单环位置伺服系统单环位置伺服系统n伺服系统的
25、闭环传递函数伺服系统的闭环传递函数n闭环传递函数的特征方程式闭环传递函数的特征方程式 3222()()clssKWsTT sTT ssKqqq=+0)(2232KssTTsTTss第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.39/62单环位置伺服系统单环位置伺服系统图图 9-10 单位置环伺服系统开环传递函数对数幅频特性单位置环伺服系统开环传递函数对数幅频特性n用 用 Routh 稳定判据，为保证系统稳稳定判据，为保证系统稳定，须使定，须使:22TTTTKss第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.40/62双环位置伺服系统双环位置伺服系统n在电流闭环控制的基础上，设计
26、位置调在电流闭环控制的基础上，设计位置调节器，构成位置伺服系统，位置调节器节器，构成位置伺服系统，位置调节器的输出限幅是电流的最大值。的输出限幅是电流的最大值。n以直流伺服系统为例，对于交流伺服系以直流伺服系统为例，对于交流伺服系统也适用，只须对伺服电动机和驱动装统也适用，只须对伺服电动机和驱动装置应作相应的改动。置应作相应的改动。第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.41/62双环位置伺服系统双环位置伺服系统图图 9-11 双环位置伺服系统双环位置伺服系统第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.42/62双环位置伺服系统双环位置伺服系统n忽略负载转矩时，带有电流
27、闭环控制对忽略负载转矩时，带有电流闭环控制对象的传递函数为象的传递函数为n为了消除负载扰动引起的静差，为了消除负载扰动引起的静差，APR 选选用 用 PI 调节器，其传递函数调节器，其传递函数2/()()(1)TobjiCjJWss Ts=+1()()()iAPRPIpisWsWsKstt+=第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.43/62双环位置伺服系统双环位置伺服系统图图 9-12 双环位置伺服系统结构图双环位置伺服系统结构图n系统的开环传递函数为系统的开环传递函数为n系统的开环放大系数系统的开环放大系数 23(1)(1)/()()(1)(1)piiTopiiiKsKsCj
28、JWsss Tss Tsqqttt+=+pTiK CKjJqt=23(1)(1)/()()(1)(1)piiTopiiiKsKsCjJWsss Tss Tsqqttt+=+第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.44/62双环位置伺服系统双环位置伺服系统n 伺服系统的闭环传递函数为伺服系统的闭环传递函数为n 特征方程式特征方程式n 特征方程式未出现 特征方程式未出现 s 的二次项，由 的二次项，由 Routh 稳稳定判据可知，系统不稳定。定判据可知，系统不稳定。43(1)()icliiKsWsTssKsKqqqqtt+=+430iITssKsKqqt+=第六章 伺服系统第六章 伺
29、服系统23年6月27日No.45/62双环位置伺服系统双环位置伺服系统n将 将 APR 改用 改用 PID 调节器，其传递函调节器，其传递函数数n伺服系统的开环传递函数伺服系统的开环传递函数(1)(1)()()idAPRPIDpissWsWsKsttt+=23(1)1)(1)1)/()()(1)(1)pididTopiiiKssKssCjJWsss Tss Tsqqttttt+=+（第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.46/62双环位置伺服系统双环位置伺服系统n闭环传递函数闭环传递函数n系统特征方程式系统特征方程式432(1)(1)()()idcliididKssWsTssK
30、sKsKqqqqqttt ttt+=+432()0iididTssKsKsKqqqt ttt+=第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.47/62双环位置伺服系统双环位置伺服系统n由 由 Routh 稳定判据求得系统稳定的条件稳定判据求得系统稳定的条件 图图 9-13 采用采用 PID 控制的双环控制伺服系统控制的双环控制伺服系统开环传递函数对数幅频特性开环传递函数对数幅频特性()()()1idiidididiidTKTqt tttttt ttt+-+第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.48/62双环位置伺服系统双环位置伺服系统n若 若 APR 仍采用 仍采用
31、PI 调节器，可在位置反馈调节器，可在位置反馈的基础上，再加上微分负反馈，即转速负反馈的基础上，再加上微分负反馈，即转速负反馈。图图 9-14 带有微分负反馈的伺服系统带有微分负反馈的伺服系统 第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.49/62双环位置伺服系统双环位置伺服系统图图 9-15 带有微分负反馈的伺服系统结构图带有微分负反馈的伺服系统结构图第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.50/62三环位置伺服系统三环位置伺服系统n在调速系统的基础上，再设一个位置环，形在调速系统的基础上，再设一个位置环，形成三环控制的位置伺服系统。成三环控制的位置伺服系统。图图 9
32、-16 三环位置伺服系统三环位置伺服系统APR 位置调节器 位置调节器 ASR 转速调节器 转速调节器 ACR 电流调节器电流调节器BQ 光电位置传感器 光电位置传感器 DSP 数字转速信号形成环节数字转速信号形成环节第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.51/62三环位置伺服系统三环位置伺服系统n直流转速闭环控制系统按典型 直流转速闭环控制系统按典型 II 型系统设型系统设计，开环传递函数 计，开环传递函数 n矢量控制系统开环传递函数矢量控制系统开环传递函数n两者结构相同。两者结构相同。2(1)()(1)NnnopnKsWss T st+=+22(1)/(1)()(1)(1)
33、nTnNnnopniik CsJKsWss Tss Tsttt+=+第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.52/62三环位置伺服系统三环位置伺服系统图图 9-17 直流转速环结构图直流转速环结构图图图 9-18 矢量控制系统结构示意图矢量控制系统结构示意图第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.53/62三环位置伺服系统三环位置伺服系统图图 9-19 位置环的控制对象结构图位置环的控制对象结构图图图 9-20 位置闭环控制结构图位置闭环控制结构图 第六章 伺服系统第六章 伺服系统23年6月27日No.54/62三环位置伺服系统三环位置伺服系统n位置环控制对象的传递函数位置环控制对象的传递函数n开环传递函数开环传递函数*32()(1)/()()()mNnobjnNnNsKsjWsss T ssKsKqqtwt+=+32(1)/()()()NnopAPRnNnNK
