《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)。

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。