伺服系统带宽
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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、准确地跟随输入量的变化，因此又称之为随动系统或自动跟踪系统。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电机制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电机、感应电机为伺服电机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、大规模集成电路制造、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、柔性制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，被控对象应自行停止。 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、速度及位置都能灵活方便的控制。
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。它由检测部分、误差放大部分、部分及被控对象组成。 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电机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。 6）能够频繁的启动、制动以及正反转切换。 1.1.4 伺服系统的种类 伺服系统按照伺服驱动机的不同可分为电气式、液压式和气动式三种；按照功能的不同可分为计量伺服和功率伺服系统，模拟伺服和功率伺服系统，位置
《运动控制系统》复习题 第一章伺服系统的作用及组成 1.在伺服控制系统中，使输出量能够以一定跟随输入量的变换而变换的系统称为，亦称为伺服系统。(准确度、随动系统) 2.伺服系统按调节理论分类可分为：开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环伺服系统。 3.伺服系统按使用的驱动元件分类可分为：步进伺服系统、直流伺服系统、交流伺服系统。 第二章伺服控制基础知识 GTR/MOSFET/IGBT各自的特点及应用范围。 。 第三章步进电动机的控制 1.简述反应式步进电机的工作原理。 2.一台无相步进电动机，工作在十拍方式，转子齿数为48，在单相绕组中测得的电流频率为500Hz，试求电动机的齿距角、步距角和转速。 ；
3.三相步进电动机工作在双三拍方式，已知步距角为3°,最大转矩T max =，转动部分的转动惯量J=×,试求该步进电动机的自由振荡频率和周期。 ！ 4.若一台BF 系列四相反应式步进电动机，其步距角为°/°。试问：(1) °/°表示什么意思(2)写出四相八拍运行方式的一个通电顺序。(4)在A 相测得电源频率为400Hz 时，每分钟的转速为多少 / 5.正常情况下步进电机的转速取决于( ) A.控制绕组通电频率 B.绕组通电方式 C.负载大小 D.绕组的电流 # 6.某三相反应式步进电机的转子齿数为50，其齿距角为( ) ° °电角度 °电角度 7.某四相反应式步进电机的转子齿数为60，其步距角为( ) °电角度 °电角度 8.某三相反应式步进电机的初始通电顺序为C B A →→，下列可使电机反转的通电顺序为（A ） A.A B C →→ B.A C B →→ C.B C A →→ D.C A B →→
课程设计 题目伺服电机驱动器计算机接口设计 基于通用数控系统的伺服接口设计学院工学院 专业机械设计制造及其自动化 班级2012卓越工程师 学生 学号 指导教师 二〇一四年十二月二十六日
摘要 数控伺服系统是根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。 数控伺服系统是以机械位置或角度作为控制量的自动控制系统，在数控机床、机器人系统中，由伺服系统接收控制指令经变换和传递放大,转化为伺服电动机驱动机械部件的高精度运动。 数控伺服系统通常控制系统提供C语言函数库和Windows动态链接库，实现复杂的控制功能。伺服电机驱动器控制接口能够将控制函数与自己控制系统所需的数据处理，界面显示等联系在一起。控制接口包括通用的计算机接口（如PS2 USB VGA LAN）以及运动控制专用接口，可以实现普通PC机的所有基本功能，是一种理想的方案。伺服电机可以用驱动器控制两路甚至多路电机，可以实现机床的各种功能。 伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。 国内外伺服控制器的水平主要体现在三个方面：硬件方案、核心控制算法以及应用软件功能。国内的伺服控制器所采用的硬件平台和国外产品没有太大的差距。国内伺服控制器的差距主要体现在控制算法和二次开发平台的易用性方面。尤其是在全数字化的高性能伺服驱动技术方面还有很大差距，已经成为我国发展高性能数控系统产业的“瓶颈”问题。国外的产品提供了比较好的产品升级功能及良好的软件开发环境，降低了对开发人员的要求，在一定程度上促进了产品的市场推广。同时提供了丰富的通讯接口可以方便的与其他设备进行数据交互，人性化好。 关键词：机电系统；伺服接口；数控系统；接口设计
伺服系统：是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。伺服电机工作原理: 伺服电机又称执行电动机，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。 伺服电机是一个典型闭环反馈系统，减速齿轮组由电机驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使伺服电机精确定位的目的。 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的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）。 一、交流伺服电动机 交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。 交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。 交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。 伺服使能，是伺服系统的输入信号，上位机输出信号给伺服系统使伺服系统处于使能状态，该信号有效时，驱动器控制电机绕组通电，允许接收其他控制指令；否则电机绕组断电，电机处于自由状态，为止偏差清零，不接收其他指令。 伺服准备好，是伺服系统的输出信号，当驱动器上电完成初始化，可以正常运行时，会输出该信号给上位机。
机电一体化系统设计基础课程教学辅导 第四章：伺服驱动系统的原理与种类 一、教学建议 ●通过文字教材掌握伺服驱动的基本原理，了解机电一体化伺服驱动系统的种类及其 特性。 ●流媒体课件第15讲介绍了机电一体化系统伺服驱动的基本原理、种类及其特性； ●在学习的过程中，如果有学习的心得和体会，请在课程论坛上和大家分享；如果有 什么疑惑，也可以在课程论坛寻找帮助。 二、教学要求 1．掌握伺服驱动的基本原理 一般来说，伺服系统组成框图如图1所示。 图1 伺服系统组成框图 （1）控制器：伺服系统中控制器的主要任务是根据输入信号和反馈信号决定控制策略，控制器通常由电子线路或计算机组成。 （2）功率放大器：伺服系统中功率放大器的作用是将信号进行放大，并用来驱动执行机构完成某种操作，功率放大装置主要由各种电力电子器件组成。 （3）执行机构：执行机构主要由伺服电动机或液压伺服机构和机械传动装置等组成。 （4）检测装置：检测装置的任务是测量被控制量，实现反馈控制。无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是低于检测装置的精度，因此要求检测装置精度高、线性度好、可靠性高、响应快。 2．了解机电一体化伺服驱动系统的种类及其特性 （1）根据使用能量的不同，可以分为电气式、液压式和气压式等几种类型，特性如表1所示。 表1 伺服驱动系统的特点及优缺点 种类特点优点缺点 电 气 式 可使用普通电源；信号与动力 的传送方向相同；有交流和直 流之别，须注意电压之大小 操作简便；编程容易；能实现定 位伺服；响应快、易与CPU接 口；体积小，动力较大；无污染 瞬时输出功率大，但过载能力差，由于某 种原因而卡住时，会引起烧毁事故，易受 外部噪声影响 气 压 式 空气压力源的压力为（5~7） ×105Pa；要求操作人员技术 熟练 气源方便、成本低；无泄漏污染； 速度快、操作比较简单 功率小，体积大，动作不够平稳；不易小 型化；远距离传输困难；工作噪声大、难 于伺服 液 压 式 要求操作人员技术熟练；液压 源的压力为（20~80）×105Pa 输出功率大，速度快，动作平 稳，可实现定位伺服 设备难于小型化；液压源或液压油要求（杂 质、温度、测量、质量）严格；易泄漏且 有污染
一、相关概念 伺服系统（servomechanism）又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。 在机器人中，伺服驱动器控制电机的运转。驱动器采用速度环，位置环，电流环三环闭环电路，内部还设有错误检出和保护电路。驱动器通过通信连接器，控制连接器，编码连接器跟外部输入信号和输出信号相连。通信连接器主要用于跟电脑或控制器通信。控制连接器用于跟伺服控制器联接，驱动器所需的输入信号、输出信号、控制信号和一些方式选择信号都通过该控制连接器传输，它是驱动器最为关键的连接器。编码连接器跟电机编码器连接，用于接收编码器闭环反馈信号，即速度反馈和换向信号。 伺服电机主要用于驱动机器人的关节。关节越多，机器人的柔性和精准度越高，所需要使用的伺服电机的数量就越多。机器人对伺服电机的要求非常高，必须满足快速响应、高起动转矩、动转矩惯量比大、调速范围宽，要适应机器人的形体做到体积小、重量轻，还必须经受频繁的正反向和加减速运行等苛刻的条件，做到高可靠性和稳定性。伺服电机分为直流、交流和步进，工业机器人用的较多的是交流。 机器人用伺服电机
二、伺服系统的技术现状 2.1视觉伺服系统 随着机器人技术的迅猛发展,机器人承担的任务更加复杂多样,传统的检测手段往往面临着检测范围的局限性和检测手段的单一性.视觉伺服控制利用视觉信息作为反馈，对环境进行非接触式的测量,具有更大的信息量，提高了机器人系统的灵活性和精确性,在机器人控制中具有不可替代的作用。 视觉系统由图像获取和视觉处理两部分组成,图像的获取是利用相机模型将三维空间投影到二维图像空间的过程,而视觉处理则是利用获取的图像信息得到视觉反馈的过程。基本的相机模型主要包括针孔模型和球面投影模型,统一化模型是对球面模型的推广,将各种相机的图像映射到归一化的球面上。视觉伺服中的视觉反馈主要有基于位置、图像特征和多视图几何的方法。 其中,基于位置的方法将视觉系统动态隐含在了目标识别和定位中，从而简化了控制器的设计，但是一般需要已知目标物体的模型，且对图像噪声和相机标定误差较为敏感。基于图像特征的视觉反馈构造方法，其中基于特征点的方法在以往的视觉伺服中应用较为广泛，研究较为成熟，但是容易受到图像噪声和物体遮挡的影响，并且现有的特征提取方法在发生尺度和旋转变化时的重复性和精度都不是太好，在实际应用中存在较大的问题。因此，学者们提出了基于全局图像特征的视觉反馈方法，利用更多的图像信息对任务进行描述，从而增强视觉系统的鲁棒性，但是模型较为复杂，控制器的设计较为困难，且可能陷入局部极小点。目前针对这一类系统的控制器设计的研究还比较少,一般利用局部线性化模型进行控制,只能保证局部的稳定性。多视图几何描述了物体多幅图像之间的关系，间接反映了相机之间的几何关系。相比于基于图像特征的方法，多视图几何与笛卡尔空间的关系较为直接，简化了控制器的设计。常用的多视图几何包括单应性、对极几何以及三焦张量。 2.2伺服系统控制技术 现代的机器人伺服系统多采用交流伺服驱动系统，而且正在逐渐向数字化方向转变。数字控制技术已经五孔不入，如信号处理技术中的数字滤波、数字控制器，把功能更加强大的控制器芯片已经各种智能处理模块应用到工业机器人交流伺服系统中，可以实现更好的控制性能。 最近几十年，由于微电子技术的进步，各种方便用户开发的微控制器与数字信号处理器件大量涌现市场，为各种先进的智能控制算法在控制系统中的应用提供了可能。如今，各种新型的伺服控制策略大量涌现，大有与传统控制策略一较高低的趋势下面简单介绍几种： 1）矢量控制矢量控制技术的提出，为交流伺服驱动系统的快速进步提供了理论支持。矢量控制技术的主要原理为：以转子旋转磁场作为参考系，将电动机定子矢量电流经过两次坐标变换分解为直轴电流和交轴电流分量，且使两电流分量相互正交，同时对交直轴电流分量的
伺服电机和步进电机有什么区别? 内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！ 更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展. 机器让人们解放了劳动力，现在的很多工厂都实现了自动化，不再需要人力。自动化的实现离不开电机，电机是机器的动力来源。从1820年发现电流的磁效应到现在将近200年的创新发展，科学家们制造了各种各样的电机。今天就分析一下伺服电机与步进电机的区别。 各种电机 什么是伺服电机和步进电机呢？ 伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以控制驱动对象。私服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性高度、始动电圧等特性，可把所收到的电信号转化成电动机轴上的角位移或角速度输出。 伺服电机 伺服电机的工作原理：伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控制量能够跟随输入目标的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到一个脉冲就会旋转一个脉冲相对应的角度从而实现位移，因为伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度就会发出对应数量的脉冲，这样和伺服电机接收的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道多少脉冲给伺服电机，同时就收了多少脉冲回来，这样就能够很精准的控制电机的转动，从而实现很精确的定位，可以达到0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护但维护不方便，产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小，重量轻，出力大，相应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式
伺服系统的扭矩控制(Toque Control)和速度控制(Velocity Control)? 作者：不详来源：互联网 一般定位上的伺服系统之伺服马达控制方式可分为扭矩控制(Toque Control)及速度控制(Velocity Control)两类,这两种控制方式都需要控制器和驱动器一起配合才有办法动作,扭矩控制定位时,速度增益是在控制器上调整,驱动器只要把命令转换成马达相对的输出扭矩即可,而速度控制定位时,速度增益是在驱动器上调整,驱动器要把命令转换成马达相对的转速输出.两者方式详细说明如下:所谓的扭矩控制就(Toque Control)是伺服控制器输出的+/- 10V 电压命令到伺服驱动器上所代表的是要控制伺服马达扭矩的大小,正电压越大代表控制马达的正向输出扭矩越大,负电压越大代表控制马达的逆向输出扭矩越大, 若命令电压为0V时则表示马达没有输出扭矩,在动作时,控制器会先输出扭矩控制命令给驱动器,驱动器会根据这命令控制马达的输出扭矩,而控制器同时根据外部编码器(一般皆安装在马达尾端) 回授来决定输出的扭矩命令是否要加强或是减弱,然后连续重复执行这种动作以达到定位位置.这种控制方式对控制器本身来说会比较复杂一点,因为速度增益要在控制器上做调整,多了一项参数要执行,而驱动器上则较为简单,至要把输入的控制命令转换成马达相对的扭矩输出即可,不需要考虑扭力是否足够负荷外部负载,这问题是由控制器那边去考虑的,所以这类的伺服驱动器一般都只是单纯的马达电流比例控制而已. 扭矩控制方式的优点是可以在控制器上随时改变马达的输出扭矩大小而不需要在驱动器上做硬性的调整,这种灵活的扭矩控制方式可以在某些场合上达到特
交流伺服运动控制系统 班级电气5班 学号 2015345 姓名李宏阳
1.引言 随着社会的发展，伺服控制系统在现代社会的作用就越来越大，运用范围也越来越广。从最开始的主要运用与军事方面到工业的方方面面都离不开伺服控制系统。伺服系统最初是用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。 伺服控制系统在整个社会发展中的地位越来越重要，我们主要可以去了解控制策略、控制方法、系统设计(包括交直流伺服、数控、视觉伺服、液压伺服、.气动伺服、机器人伺服等系统)、伺服电动机(包括永磁同步电机、步进电机、直线电机、开关磁阻电机等电机的设计、新原理、新材料、新结构和电机磁场与性能分析及软件分析平台)、伺服控制前沿技术、行业信息、应用案例、伺服器件、传感器、工业通信、新产品等关于伺服控制系统的知识。 2.伺服运动控制系统简介 2.1概念 用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统称为伺服控制系统。又称随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。 2.2指标要求 （1）系统精度要高 伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度,以误差的形式表现,可概括为动态误差,稳态误差和静态误差三个方面组成。在伺服控制系统中一般系统精度越高越好。 （2）稳定性要好 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后,系统能够恢复到原来稳定状态的能力;或者当给系统一个新的输入指令后,系统达到新的稳定运行状态的能力，在实际运用中我们希望系统的这一能力越强越好。 （3）响应速度要快 响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度,决定了系统的工作效率.响应速度与许多因素有关,如计算机的运行速度,运动系统的阻尼和质量等。在生产运用中我们希望响应速度是越快越好。 （4）工作频率范围要宽 工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围.当工作频率信号输入时,系统能够按技术要求正常工作;而其它频率信号时，体统不能正常工作。根据我们的实际需求我们希望一个系统的工作频率的范围要比较宽，这样才能将伺服控制系统用于实际生产。 2.3体系架构
创作编号：BG7531400019813488897SX 创作者：别如克* 伺服电机内部结构
伺服电机工作原理
伺服电机原理 一、交流伺服电动机 交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。 交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。 交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。 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。 2、运行范围较广 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）交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。当电源频率为50Hz，电压有36V、110V、220、380V；当电源频率为400Hz，电压有20V、2 6V、36V、115V等多种。
伺服电机控制系统的三种控制方式 力辉伺服控制系统一般分为三种控制方式：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模拟量来控制的，位置控制是通过发脉冲来控制的。？（1）如果对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩，当然是用转矩模式。？ （2）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，用转矩模式不太方便，用速度或位置模式比较好。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，需要实时对电机进行调整。那么如果控制器本身的运算速度很慢（比如，或低端运动控制器），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（比如大部分中高端运动控制器）；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，这一般只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用。？ 换一种说法是：？ 1、转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为；如果电机轴负载低于时电机正转，外部负载等于时电机不转，大于时电机反转（通常在有重力负载情况下产生）。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。？ 应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。？ 2、位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。？应用领域如、印刷机械等等。？ 3、速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时，速度模式也可以进行定位，但必须将电机的位置信号或直接负
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。 2.驱动器
《伺服电机及伺服系统》 习题集 班级： 姓名： 学号： 数控设备应用与维护教研室 2012-3-31
第一单元控制理论基础 1、什么是自动控制系统？ 2、根据系统有无反馈检测装置，将系统分为控制系统和控制系统。 3、一般控制系统由、、、、 等几部分组成。 4、画出室内空调系统的电气控制组成框图。 5、按照给定值的变化规律，将控制系统分为控制系统、控制系统、控制系统。 6、一般控制系统应该满足、、三方面的基本要求。 7、控制系统的性能指标包含指标和指标。 8、和反映了系统稳定性方面的要求，反映系统快速性方面的要求的指标是，反映系统准确性方面要求的指标是。 9、数控机床伺服系统是一个、双闭环系统，内环是，外环是。 10、按照在数控机床中的功能和作用，将伺服驱动系统分为和。 11、什么是数控机床的开环系统？什么是数控机床的闭环系统？什么是数控机床的半闭环系统？比较各自的特点。
12、什么是控制系统的数学模型？ 13、什么是传递函数？ 14、常见典型环节有哪些？写出各自的传递函数。 15、为什么反馈控制系统可以抑制干扰？ 16、干扰信号对系统的影响与哪些环节有关？
17、P、I、D分别表示什么控制规律？写出各自的传递函数。 18、P、I、D各控制规律分别有什么特点？ 19、P、I、D三种控制规律通常使用中有哪些组合？各自用在什么场合？
第二单元步进驱动系统 1、若一台BF系列四相步进电机，步距角为3.6°/1.8°，试问： （1）3.6°/1.8°表示什么意思？ （2）转子的齿数是多少？ （3）写出四相八拍运行方式的通电顺序 （4）若脉冲的频率为500Hz,电机每分钟的转速是多少？ （5）若该电机控制工作台滚珠丝杠的螺距为10mm，传动比为1，计算机床的脉冲当量是多少？频率脉冲为500Hz时，工作台移动的速度是多少？
概述 随着国内经济的高速发展，塑料制品行业对高速，高精密注塑机的需 求量与日剧增，而液压机高速，精密成型的保证，就是一必须拥有合 理而高刚性的锁模和射胶机构，二它必须拥有强劲的动力和反应灵敏 而精确的液控系统。其中，液压伺服控制系统是使执行元件以一定的 精度自动地按照输入信号的变化规律而动作的一种自动控制系统。其 可从不同的角度加以分类，按输出的物理量分类，有位置伺服系统， 速度伺服系统，力（或压力）伺服系统等；按控制信号分类，有机液 伺服系统，电液伺服系统，气液伺服系统；按控制元件分类，有阀控 系统和泵控系统两大类。下面，我们讨论阀控伺服系统。阀控伺服系 统主要由压力传感器，位置传感器，控制器和伺服阀等构成一个闭环 的系统，按系统的需求来分别做到或按序做到速度伺服控制，位置伺 服控制和压力伺服控制。最终，达到系统的要求和重复精度。 如图，传感器与控制卡（也可集成在塑机工控电脑中），伺服阀的有 机组合，就形成了一个闭环控制系统，随着系统工作情况要求的不同，来实现不同的伺服控制。在注射过程，注射到终点前，注射速度较为 重要，则此系统以速度闭环控制为主，控制器对位置传感器高频采样，测出活塞的瞬时速度与塑机电脑要求的速度对比，再发出调整后的信 号给伺服阀。最终，使活塞的运动速度达到塑机电脑要求的速度。进 入快到射胶终点，保压和熔胶背压阶段，这时压力较为重要，则此系 统以压力闭环控制为主，装在射胶油缸两侧的压力传感器传回的信号 起主要作用，控制卡将其与塑机电脑给出的压力信号对比，来调整给 伺服阀的信号，最终，使注射腔的压力值与设定值相同。在塑机电脑
没有发出任何指令的情况下，此时位置保持就比较重要，所以，系统 这时会主要进行位置闭环的控制。同理，在锁模油缸伺服控制的情形下，也是如此按顺序控制，锁模开始，快速移模可作速度闭环控制， 模具快合上时，切换到位置控制，有快速锁模到锁模油缸活塞停止的 位置之间的转换也是可控的，最后，模具合上时，切换的压力控制。 上述只是某种工艺要求下的伺服控制逻辑，随着不同的要求，控制的 逻辑，种类也都不尽相同，但是，其控制理念，是相同的。最终的目的，都是为了精确，迅速的达到塑机电脑的指令要求和保证动作的重 复精度。 下面对伺服闭环控制系统各组成部分作简单介绍。 传感器 任何好的系统，都必须具有迅捷，准确的感知部件，只有及时，准确 的监测执行机构当前所处的状态，控制器才能主动地发出新的指令， 来调整执行机构的运动，使之接近控制电脑所要求的运动状态。因此，全方位的了解执行机构，是伺服系统的必备条件。主要由压力，位置 等传感器来共同构成准确，及时的跟踪监测系统。传感器的固有特性，包括线性，最大采样频率，抗干扰能力等都对准确，及时地感知有重 要影响。 伺服阀 伺服系统中最重要，最基本的组成部分，它起着信号转换，功率放大 及反馈等控制作用。常见的伺服阀有直动式阀（滑阀），射流管先导 级伺服比例阀喷嘴挡板阀伺服电磁阀等。下面简单介绍它们的结构原 理及特点。 *直动式阀 将一与所期望的阀芯位移成正比的电信号输入阀内放大电路，此信号 将转换成一个脉宽调制电流作用在线性马达上，力马达产生推力推动 阀芯产生一定的位移。同时激励器激励阀芯位移传感器产生一个与阀 芯实际位移成正比的电信号，解调后的阀芯位移信号与输入指令信号 进行比较，比较后得到的偏差信号将改变输入至力马达的电流大小； 直到阀芯位移达到所需值。阀芯位移的偏差信号为零。最后得到的阀
一种基于通用机架的高精度伺服控制系统 摘要：无论是军事工业还是国计民生领域，高精度伺服控制技术一直都是研究 热点。本文以医用加速器为应用背景，提出了一种适用于通用机架的高精度伺服 控制系统，通过角度校验模块对光电编码器的测量值进行校验，从而实现了“自校准”功能，保证了高精度。本文首先介绍了系统的硬件组成和工作原理，然后详细描述了工作流程，最后完成了精度测量。 关键词：伺服控制；自校准；高精度 A high precision servo-control system for universal framework Bing Li Liang Sha Abstract：Whether in military industry or in the field of national economy and people's livelihood, high precision servo-control technology has always been a hot topic. In this paper, a high precision servo-control system based on universal frame is put forward with medical accelerator as its application background. The measurement value of photoelectric encoder and potentiometer is checked by the angle check module, thus the "self calibration" function is realized and the high precision is guaranteed. This paper first introduces the hardware composition and working principle of the system, then describes the work flow in detail, and finally completes the accuracy test. Key Words: Servo-control, self calibration, high precision 1、概述 伺服控制技术在工业生产中的重要性不言而喻，比如精密机床、医疗仪器、 建筑塔吊等等。伺服控制系统是一种能对试验装置的机械运动按预定要求进行自 动控制的操作系统，在这个过程中涉及到控制精度、稳定性、安全性等诸多技术 要求和其他相关因素[1-3]。其中，医用加速器对伺服控制技术的要求尤为严苛。 医用加速器中一般采用典型的通用机架，通过高精度伺服控制系统来保证机 架的旋转精度，从而实现自动弧度治疗功能，这也是中高能医用电子直线加速器 的最重要功能，事实上，不仅对伺服控制系统的精度要求高，而且提出了很高的 对安全性要求，需要随时调整机架的运行速度，保证机架速度应能在规定的速度 范围内可控，且机架须有“刹车”功能，即在紧急情况下能够在极短时间内“抱闸” 停转。 因为医用加速器机架结构复杂，内部电磁干扰严重，目前国内的医疗加速器 伺服控制系统存在精度差、工作状态不稳定、异常状态下保护措施不完善等缺陷，无法高精度完成自动弧度治疗任务。因此，本文提供了一种适用于通用机架的高 精度伺服控制系统，具有稳定性好、可靠性高、精度高等特点。 本文提出的适用于通用机架的伺服控制系统，通过光电编码器测量机架当前 位置信息，角度校验模块根据机架的运动速度和运动时间计算出机架的理论位置，并将该理论值和光电编码器的采集值进行对比校验，从而实现自校准功能。当机 架接收到目标角度时，根据当前角度和目标角度的差值调节变频器，使角度差值 和运动速度之间的关系可以模拟阻尼运动曲线，从而实现-180°~180°范围内任意 角度下的高精度旋转。自动防碰撞控制单元和防碰防过转控制单元通过实时检测 治疗床的位置，来防止机架和治疗床发生碰撞。 本文首先介绍了该伺服控制系统的硬件组成和工作原理，然后详细描述了工
第一部分：伺服系统的工作原理伺服系统(servo system)亦称随动系统，属于自动控制系统中的一种，它用来控制被控对象的转角(或位移)，使其能自动地、连续地、精确地复规输入指令的变化规律。它通常是具有负反馈的闭环控制系统，有的场合也可以用开环控制来实现其功能。在实际应用中一般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、转动惯量较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。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，一般其内部包括转矩（电流）、速度和/或位置闭环。其工作原理简单的说就是在开环控制的交直流电机的基础上将速度和位置信号通过旋转编码器、旋转变压器等反馈给驱动器做闭环负反馈的PID调节控制。再加上驱动器内部的电流闭环，通过这3个闭环调节，使电机的输出对设定值追随的准确性和时间响应特性都提高很多。伺服系统是个动态的随动系统，达到的稳态平衡也是动态的平衡。全数字伺服系统一般采用位置控制、速度控制和力矩控制的三环结构。系统硬件大致由以下几部分组成：电源单元；功率逆变和保护单元；检测器单元；数字控制器单元；接口单元。相对应伺服系统由外到内的"位置"、"速度"、"转矩" 三个闭环，伺服系统一般分为三种控制方式。
在使用位置控制方式时，伺服完成所有的三个闭环的控制。在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。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。而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，只需要发送给伺服单元一个目标扭矩值，多用在单一的扭矩控制场合，比如在小角度裁断机中，一个电机用速度或位置控制方式，用来向前传送材料，另一个电机用作扭矩控制方式，用来形成恒定的张力。『伺服机构系统』源自servomechanism system，系指经由闭回路控制方式达到一个机械系统位置、速度、或加速度控制的系统。一个伺服系统的构成通常包含受控体(plant)、致动器(actuator)、控制器(controller)等几个部分，受控体系指被控制的物件，例如一格机械手臂，或是一个机械工作平台。致动器的功能在於主要提供受控体的动力，可能以气压、油压、或是电力驱动的方式呈现，若是采用油压驱动方式，一般称之为油压伺服系统。目前绝大多数的伺服系统采用电力驱动方式，致动器包含了马达与功率放大器，特别设计应用於伺服系统的马达称之为伺服马达(servo motor)，通常内含位置回授装置，如光电编码器(optical encoder)或是解角器(resolver)，目前主要应用於工业界的
交流伺服控制系统的三种控制方式 交流伺服控制器主要由速度控制器、电流控制器和PWM生成电路组成。控制方式上交流伺服控制用脉冲串和方向信号实现。交流伺服控制系统有三种控制方式：速度控制、转矩控制和位置控制。 1.速度控制 速度控制方式主要以模拟量来控制。如果对位置和速度有一定的精度要求，用速度或位置模式较好;如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，则可选用速度控制。根据电动机的类型，调速控制系统也分不同类型，如异步电动机的变频调速和同步电动机的变频调速’异步电动机的变频调速分为笼型异步电动机的变频调速和PWM型变频调速。下面以PWM型变频调速为例来详细说明交流伺服控制原理。 图4-27给出了PWM调速系统示意图，主电路由不可控整流器UR、平波电容器C 和逆变器UI构成。逆变器输入为固定不变的直流电压%’通过调节逆变器输出电压的脉冲宽度和频率来实现调压和调频’同时减小三相电流波形畸变的输出。这种形式主电路特点如下。 ①由于主要电路只有一个功率控制级UI,因而结构简单。 ②由于使用了不可控整流桥，因而电网功率因数跟逆变器的输出大小无关。 ③逆变器在调频时实现调压，与中间直流环节的元件参数无关，从而加快了系统的动态响应。实际的变频调速系统一般都需要加上完善的保护以确保系统安全运行。 2.位置控制 在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电动机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载
外环检测位置信号，电动机轴端的编码器只检测电动机转速。由于位置模式对速度和位置都有很严格的控制，因而其主要应用于定位装置，如数控机床、印刷机械等。 3.转矩控制 转矩控制方式实际上就是通过外部模拟量的输入或直接的地址賦值来设定电动机轴输出转矩。例如10V对应5N ? m的话，当外部模拟量设定为5V时，电动机轴输出为2.5N ? m.如果电动机轴负载低于2.5N.m时电动机正转，外部负载等于2.5N ? m时电动机不转，大于2.5N*m时电动机反转(通常在有重力负载情况下产生)。可以通过即时改变模拟量的设定来改变设定力矩大小，也可通过通信方式改变对应的地址的数值来实现。转矩控制主要应用在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如绕线装置或拉光纤设备。
伺服电机内部结构 伺服电机工作原理 伺服电机原理 一、交流伺服电动机 交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似?其定子上装有两个位置互差90。的绕组，一个是励磁绕组Rf,它始终接在交流电
压Uf上；另一个是控制绕组L,联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机 又称两个伺服电动机。 交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的 调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2- 0.3mm ，为了减小磁路的磁阻，要在空心 杯形转子内放置固定的内定子?空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且 运转平稳，因此被广泛采用。 交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁 场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。 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。