运动控制——伺服系统

伺服控制器的运动控制算法介绍伺服控制器是一种用于实现精确运动控制的设备，广泛应用于工业自动化、机械加工和机器人等领域。

它通过接收传感器反馈信号，对执行器施加控制，实现定位、速度和力控制等功能。

而伺服控制器在实现运动控制的过程中，依赖于各种算法来实现精确的位置反馈和稳定的控制。

1. 位置控制算法位置控制是伺服控制器最基本的功能之一。

位置控制算法通过接收传感器反馈的位置信号，并与预设的目标位置进行比较，计算出控制信号以驱动执行器运动到目标位置。

常用的位置控制算法有PID控制算法和模型预测控制算法。

PID控制算法是一种经典的控制算法，通过比较实际位置与目标位置之间的差异，并计算出控制信号。

PID算法包含三个参数：比例、积分和微分，可以根据实际应用进行调整，以实现更好的控制效果。

模型预测控制算法则基于数学模型对系统进行预测，并根据预测结果计算出控制信号。

这种算法可以提前对系统进行优化，从而实现更精确的位置控制。

2. 速度控制算法除了位置控制，伺服控制器还可以实现精确的速度控制。

速度控制算法通过接收传感器反馈的速度信号，并与预设的目标速度进行比较，计算出控制信号以控制执行器的运动速度。

常用的速度控制算法有PID控制算法和模型预测控制算法。

与位置控制算法类似，PID控制算法在速度控制中同样适用。

通过根据实际速度与目标速度之间的差异计算控制信号，PID算法能够实时调整控制信号，从而实现精确的速度控制。

而模型预测控制算法则通过对速度进行数学建模和预测，实现更精确的速度控制效果。

3. 力控制算法除了位置和速度控制，伺服控制器还可以实现精确的力控制。

力控制算法通过接收传感器反馈的力信号，并与预设的目标力进行比较，计算出控制信号以控制执行器施加的力。

常用的力控制算法有力矩控制算法和阻抗控制算法。

力矩控制算法是一种常用的力控制算法，通过根据实际力和目标力之间的差异计算控制信号，实现精确的力控制。

力矩控制算法能够根据实际应用需求进行调整，从而实现不同力度的控制。

基于PLC的伺服系统的运动控制系统设计本文没有目录。

II引言本文介绍了一个运动控制系统，该系统可以实现对伺服电机的精确控制。

该系统由安装台面、XY伺服轴和旋转工作盘三部分组成。

通过个人计算机与PLC通讯输入运行程序，设定运行参数后，QD75P2系统模块控制伺服放大器的输出，之后伺服放大器给伺服电机输出信号，伺服电机反馈信号到伺服放大器，从而驱动跟踪圆盘上的磁珠转动。

III运动控制系统运动控制(nControl)通常是指在复杂条件下,将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，实现机械运动精确的位置控制、速度控制加速度控制、转矩或力的控制。

电气运动控制是由电力拖动发展而来的,电力拖动或电气传动是对以电动机为对象的控制系统的通称。

从电力拖动开始,经历四十多年的发展过程,现代运动控制已成为一个以控制理论为基础，涵盖电机技术、电力电子技术、微电子技术、传感器检测技术、信息处理技术、自动控制技术、微计算机技术和计算机仿真和辅助制造技术等许多学科,且多种不同学科交叉应用的控制技术。

IV运动控制系统的构建该系统由两工位运动控制系统组成：2套伺服放大器及伺服电机、QD75系统模块、变频器、三菱可编程序控制器、触摸屏等组成。

构建“PLC+伺服放大器+伺服电机+触摸屏”的运动控制系统。

运动控制系统多种多样,但从基本结构上看,一个典型的现代运动控制系统的硬件主要由上位计算机、运动控制器、功率驱动装置、电动机、执行机构和传感器反馈检测装置等部分组成。

其中的运动控制器是指以中央逻辑控制单元为核心,以传感器为信号敏感元件,以电机或动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。

它的主要任务是根据运动控制的逻辑、数学运算,为电机或其它动力和执行装置提供正确的控制信号。

V系统组成安装台面、XY伺服轴、旋转工作盘三大部分构成了运动控制模型。

图中上端为XY十字工作台（伺服电机控制），考虑到机械强度的问题，Y轴有两个平行轴固定，其中左侧的为主动驱动轴，右侧为从动轴；X轴平面装有霍尔传感器；上方为旋转工作台，工作盘由交流电机（电机的速度由变频器控制）带着转动工作时，在工作盘放入磁钢，当工作盘转动时，X轴上部安装的传感器须一直能够对应到磁钢（XY轴随动，传感器保持检测到磁钢而不脱开）。

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。

什么是伺服控制系统
伺服控制系统是一种智能化电子控制系统，用于实现自动化机械、
设备等的精密控制。

该系统的主要功能是能够将机械、电子和控制技
术等多种技术手段结合起来，以实现对于电机或者其他设备的精准控制，从而达到更高效、更稳定的运转状态。

伺服控制系统的工作原理是利用传感器实时监测设备的运动状态，
并通过微处理器、控制器等计算机硬件设备，在此基础上对于设备的
运动状态进行实时控制，实现设备运动不受外界干扰，运动更加稳定、快速响应、运动路径更加精准。

伺服控制系统可以应用在多种领域，包括但不限于加工机床、自动
化装备、机器人、无人驾驶等。

在工业生产中，伺服控制系统可以提
高生产效率，改善产品质量，降低设备运行成本。

此外，随着技术的不断发展，伺服控制系统的功能从最初的位置控制、速度控制、扭矩控制逐渐向更高级的控制模式上发展，如自适应
控制、智能控制、模糊控制等，此类高级模式能够更好地满足现代工
业对于高精度、高速度、高效率生产的需求。

总结来看，伺服控制系统作为一种高精度、高效率、高可靠性的自
动化控制技术，已经成为了现代工业生产的核心竞争力之一，其应用
前景广阔，未来还将继续在工业生产和汽车工业、电子航空等领域中
得到广泛的应用。

伺服运动控制试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1. 伺服运动控制系统中，通常所说的“伺服”是指（）。

A. 服务B. 跟随C. 服务和跟随D. 以上都不是2. 在伺服系统中，位置闭环控制的特点是（）。

A. 高精度B. 响应速度快C. 负载能力大D. 所有上述特点3. 伺服电机的控制方式不包括（）。

A. 电流控制B. 电压控制C. 速度控制D. 位置控制4. 下列哪项不是伺服驱动器的基本功能？（）A. 电流限制B. 速度控制C. 位置控制D. 音频放大5. 伺服系统中的“刚性”通常指的是系统的（）。

A. 负载能力B. 抗扰动能力C. 精度D. 响应速度6. 在伺服系统中，提高系统的动态响应通常可以通过增加（）来实现。

A. 系统的阻尼B. 系统的增益C. 系统的惯性D. 系统的摩擦7. 伺服电机的额定转速是指（）。

A. 电机的最高转速B. 电机的最低转速C. 电机在额定电压下的转速D. 电机在额定负载下的转速8. 在伺服系统中，减小负载惯量可以（）。

A. 提高系统的稳定性B. 提高系统的响应速度C. 降低系统的精度D. 增加系统的能耗9. 伺服系统中的“零漂”是指（）。

A. 系统在零负载下的漂移B. 系统在零输入下的漂移C. 系统在零速度下的漂移 D. 系统在零位置的漂移10. 下列哪项不是伺服电机的优点？（）A. 精度高B. 响应快C. 能耗低D. 维护复杂二、填空题（每题2分，共20分）11. 伺服运动控制系统主要由________、________和________组成。

12. 伺服系统的控制方式包括开环控制、闭环控制和________。

13. 伺服电机的类型包括直流伺服电机、交流伺服电机和________。

14. 在伺服系统中，________是用来测量电机实际位置的设备。

15. 伺服系统的带宽是指系统频率响应达到________的频率。

16. 伺服电机的额定负载是指在________和________下，电机能够连续工作而不发生过载的负载。

伺服系统名词解释
伺服系统（Servo System）是一种能够控制和调节机械运动的自动控制系统。

它通常由伺服电机、编码器、控制器和反馈装置组成。

伺服电机是一种具有高精度和高响应性能的电动机，通过提供恒定的转矩和转速来驱动机械装置。

编码器是用于测量电机转动位置和速度的装置，将这些信息反馈给控制器。

控制器是伺服系统的核心部分，负责接收编码器反馈信号，并根据设定的控制算法来计算控制信号。

控制器将控制信号发送给伺服电机，以实现所需的运动控制。

反馈装置是用于检测机械装置的位置、速度、加速度等信息的装置，将这些信息反馈给控制器，以便控制器可以实时调整控制信号，从而实现精确的运动控制和位置控制。

伺服系统广泛应用于工业自动化、机械加工、机器人、航空航天等领域。

它具有高精度、高速度、高可靠性和灵活性的特点，能够实现各种复杂的运动控制任务。

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。

运动控制系统和伺服驱动器是同一个东西吗？
不是。

虽然两者都可以用来控制电机，但是运动控制系统比伺服驱动器应用的范围要更广泛一些。

伺服驱动器又称为"伺服控制器"、"伺服放大器"，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，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。

运动控制系统是基于PC总线，利用高性能微处理器(如DSP)及大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制的一种高性能的步进/伺服电机运动控制卡，包括脉冲输出、脉冲计数、数字输入、数字输出、D/A输出等功能。

该产品广泛应用于工业自动化控制领域中需要精确定位、定长的位置控制系统和基于PC的NC控制系统，具体就是将实现运动控制的底层软件和硬件集成在一起，使其具有伺服电机控制所需的各种速度、位置控制功能,这些功能能通过计算机方便地调用。

伺服系统定义：实现输出变量精确地跟随或复现输入变量的控制系统。

对运动控制的要求越来越高，伺服控制应运而生。

这个词源于希腊语“奴隶”的意思。

人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。

在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。

由于它的“伺服”性能，因此而得名——伺服系统。

（1）系统：是使物体的位置、方位、状态等输出，能够跟随输入量（或给定值）的任意变化而变化的自动控制系统。

（2）在自动控制系统中，能够以一定的准确度响应控制信号的系统称为随动系统，亦称伺服系统。

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、速度和位置控制得非常灵活方便。

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伺服系统组成、概述与控制原理（难得好⽂）伺服系统既可以是开环控制⽅式，也可以是闭环控制⽅式。

⼀、伺服系统简述伺服系统（servomechanism）指经由闭环控制⽅式达到对⼀个机械系统的位置、速度和加速度的控制。

⼀个伺服系统的构成包括被控对象、执⾏器和控制器（负载、伺服电动机和功率放⼤器、控制器和反馈装置）。

1. 执⾏器的功能在于提供被控对象的动⼒，其构成主要包括伺服电动机和功率放⼤器，伺服电动机包括反馈装置如光电编码器、旋转编码器或光栅等（位置传感器）。

2. 控制器的功能在于提供整个伺服系统的闭环控制如转矩控制、速度控制、位置控制等，伺服驱动器通常包括控制器和功率放⼤器。

3. 反馈装置除了位置传感器，可能还需要电压、电流和速度传感器。

下图为⼀般⼯业⽤伺服系统的组成框图，其中红⾊为伺服驱动器组成部分，黄⾊为伺服电机组成部分。

“伺服”——词源于希腊语“奴⾪”的意思。

⼈们想把“伺服机构”当成⼀个得⼼应⼿的驯服⼯具，服从控制信号的要求⽽动作：在讯号来到之前，转⼦静⽌不动；讯号来到之后，转⼦⽴即转动；当讯号消失，转⼦能即时⾃⾏停转。

由于它的“伺服”性能，因此⽽得名——伺服系统。

⼆、常⽤参数1、伺服电机铭牌参数1. 法兰尺⼨2. 电机极对数3. 电机额定输出功率4. 电源电压规格：单相/三相5. 电机惯量：分为⼤、中、⼩惯量，指的是转⼦本⾝的惯量，从响应⾓度来讲，电机的转⼦惯量应⼩为好；从负载⾓度来看，电机的转⾃惯量越⼤越好6. 电机出轴类型：键槽、扁平轴、光轴、减速机适配…7. 电机动⼒线定义：U: RED V：BLACK W: WHITE8. 额定转速9. 编码器线数：2500/1250/1000/17B/20B法兰是轴与轴之间相互连接的零件，⽤于管端之间的连接。

2、伺服驱动器铭牌参数1. 额定输出功率2. 电源电压规格3. 编码器线数3、伺服系统的性能指标1. 检测误差：包括给定位置传感器和反馈位置传感器的误差，传感器本⾝固有，⽆法克服；2. 系统误差：系统类型决定了系统误差。

伺服控制系统的应用领域伺服控制系统是一种自动化控制系统，用于控制和调节电机和运动系统的位置、速度和加速度。

这种控制系统在许多工业和商业应用中很常见，以下就伺服控制系统的应用领域做些讨论。

一、制造业在制造业中，伺服控制系统被广泛应用于机器人、自动化生产线、3D打印机等各种自动化和精密控制设备中。

它们可以监测和调整设备的位置，确保零件加工的精度和质量。

另外，一些需要高速旋转的设备，如钻机、车床和磨床，也需要伺服控制系统来控制电机的速度和精度，让设备能够顺畅地工作且准确地处理工作。

二、电子制造在电子制造业中，伺服控制系统也扮演着非常关键的角色。

例如，在半导体制造和显示器制造中，需要将微小的零件和组件安装在精确的位置上。

伺服控制系统能够精确地控制电机，确保组件的位置精度和组装速度，从而保证产品最终的质量。

三、航空和航天在航空和航天领域中，伺服控制系统也扮演着重要的角色。

例如，它们在飞机、无人机或导弹中用于控制飞行方向和作动器。

此外，伺服控制系统还用于航天载具的控制和航天望远镜在空间中的朝向的控制。

四、生物医疗在生物医疗领域，伺服控制系统被广泛应用于各种设备中，比如医疗机器人、放射治疗设备等。

这些设备需要高精度的运动控制，以确保治疗的准确性和安全性。

五、机器人技术随着机器人技术的快速发展，伺服控制系统的应用也变得越来越广泛。

例如，在制造、医疗、教育和军事等各个领域中都需要机器人帮助人类完成特定任务。

伺服控制系统也可以被应用于机器人中，以帮助机器人完成更准确的运动和更高效的生产及工作。

这些应用包括底盘运动控制、重量支持、手臂运动等等。

总之，伺服控制系统在许多领域都扮演着重要的角色，这些领域包括制造业、电子制造、航空和航天、生物医疗和机器人技术。

随着技术的大力发展与创新，我们相信伺服控制系统所应用的领域将会越来越广泛且更加普及。