伺服系统分析报告

1、伺服系统分析报告伺服系统（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），其结构组成和其他形式 的反馈控制系统没有原则上的区别。中文名外文名另称作用伺服系统servomecha

2、nism随动系统反馈控制系统目录1、伺服系统的概述2、伺服系统的分类3、伺服系统的性能要求4、伺服系统的主要特点5、伺服系统的结构6、伺服电机的工作原理7、伺服电机的国内发展现状8、伺服系统的发展历程伺服系统的概述：用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。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。伺服系统最初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

3、置控制、导弹和飞船的制导等。 采用伺服系统主要是为了达到下面几个 目的：以小功率指令信号去控制大功率负载。火炮控制和船舵控制就是典型的例子。在没有机械连接的情况下， 由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动。 使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录和指示仪表等。伺服系统的分类：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-液压伺服系统及电气- 电气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从系统中所包含的元件特性和信号作用特点来看，有模拟式伺服系统和数字式伺服系统 从系统的结构特点来看，有单回伺服系统、多回伺服系统和开环伺服系统、闭环伺服

4、系统。伺服系统的性能要求：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： 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：输出量复现输入指令信号的精确程度快速响应性：有两方面含义，一是指动态响应过程中，输出量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伺服系统的主要特点：4.1. 精确的检测装置：以组成速度和位置闭环控制；4.2. 有多种反馈比较原理与方法：根据检测装置实现信息反馈的原理不同，伺服系统反馈比较的方法也不相同。常用的有脉冲比较、相位比较和幅值比较3 种；4.3. 高性能的伺服

5、电动机（简称伺服电机）：用于高效和复杂型面加工的数控机床，伺服系统将经常处于频繁的启动和制动过程中。要求电机的输出力矩与转动惯量的比值大，以产生足够大的加速或制动力矩。要求伺服电机在低速时有足够大的输出力矩且运转平稳，以便在与机械运动部分连接中尽量减少中间环节；4.4. 宽调速范围的速度调节系统，即速度伺服系统：从系统的控制结构看，数控机床的位置闭环系统可看作是位置调节为外环、速度调节为内环的双闭环自动控制系统，其内部的实际工作过程是把位置控制输入转换成相应的速度给定信号后，再通过调速系统驱动伺服电机，实现实际位移。数控机床的主运动要求调速性能也比较高，因此要求伺服系统为高性能的宽调速系统。伺

6、服系统的结构：服系统主要由三部分组成:控制器,功率驱动装置,反馈装置和电动机.控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差,调节控制量;功率驱动装置作为系统的主回路一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上,调节电动机转矩的大小,另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电; 电动机则按供电大小拖动机械运转。伺服电机的工作原理: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

7、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）。伺服电机的国内发展现状：中国伺服系统行业市场前瞻与投资战略规划分析报告显示，我

8、国制造业产业升级的不断推进，为我国伺服产业的发展提供了巨大的市场，近年来，随着数控机床、包装机械、电子 专用设备等行业继续保持较好发展以及交流伺服技术的日益成熟，新兴行业如新能源行业中的风电产业伺服技术的应用使得我国伺服市场迅速发展，2010年，我国伺服市场同比增长39.7%,市场规模达到 39.9亿元。 很多有远识的国产厂商正加大研发力度提升其产品的性能，进而扩大其品牌的号召力，国产伺服厂商改变进口垄断格局将指日可待。由此预测，未来五年，我国伺服系统行业受益于产业升级的影响，仍将保持 20%以上的增长速度，至 2015年，我国伺服系统行业市场规模有 望突破100亿元，其中，国产伺服产品的市场

9、占有率将达到40%左右。伺服系统的发展历程：8.1. 直流伺服系统伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流（DC）伺服系统和交流（AC）伺服系统。50年代，无刷电机和直流电机实现了产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。70年代则是直流伺服电机的应用最为广泛的时代。8.2. 交流伺服系统从70年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、 大功率高性能半导体功率器件技术和电 机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术一交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础 技术之一

10、，并将逐渐取代直流伺服系统。交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类：永磁同步（SM型）电动机交流伺服系统和感应式异步（IM型）电动机交流伺服系统。其中，永磁同步电动机交流伺 服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制， 拓宽了系统的调速范围， 适应了高性能伺服驱动的要求。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向。但由于该系统采用矢量变换控制

11、，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电机低速运行时还存在着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，目前并未得到普遍应用。系统的执行元件一般为普通三相鼠笼型异步电动机，功率变换器件通常采用智能功率模块 IPM。为进一步提高系统的动态和静态性能，可采用位置和速度闭环控制。三相交流电流的 跟随控制能有效地提高逆变器的电流响应速度，并且能限制暂态电流，从而有利于IPM的安全工作。速度环和位置环可使用单片机控制，以使控制策略获得更高的控制性能。电流调节器若为比例形式，三个交流电流环都用足够大的比例调节器进行控制，其比例系数应该在保证系统不产生振荡的前提下尽量选大些，使被控异步电动机三相交流电

12、流的幅值、相位和频率紧随给定值快速变化，从而实现电压型逆变器的快速电流控制。电流用比例调节，具有结构简单、电流跟随性能好以及限制电动机起制动电流快速可靠等诸多优点。8.3. 交直流伺服系统的比较直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响，其发展受到了限制。直流伺服电机存在机械结构复杂、 维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的其他机械设备的精度， 难以应用到高速及大容量的场合，机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。所以交流伺服系统

13、在工厂自动化（FAA等各个领域得到了广泛的应用。从伺服驱动产品当前的应用来看，直流伺服产品正逐渐减少，交流伺服产品则日渐增加，市场占有率逐步扩大。在实际应用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服产品已经成为主流产品。8.4. 伺服系统的发展趋势从前面的讨论可以看出，数字化交流伺服系统的应用越来越广，用户对伺服驱动技术的要求越来越高。总的来说，伺服系统的发展趋势可以概括为以下几个方面：8.4.1 交流化伺服技术将继续迅速地由DC伺服系统转向AC伺服系统。从目前国际市场的情况看，几乎所有的新产品都是 AC伺服系统。在工业发达国家，AC伺服电机的市场占有率已经超过80%。在国内生产AC伺服电机

14、的厂家也越来越多，正在逐步地超过生产 DC伺服电机的厂家。 可以预见，在不远的将来，除了在某些微型电机领域之外，AC伺服电机将完全取代 DC伺服电机。8.4.2 全数字化采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP）的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先进算法（如 :最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等）成为可能。8.4.3 采用新型电力电子半导体器件目前， 伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件，主要有大功率晶

15、体管（GTRR、功率场效应管（MOSFET和绝缘门极晶体管（IGBT）等。这些先 进器件的应用显著地降低了伺服单元输出回路的功耗，提高了系统的响应速度，降低了运行噪声。 尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系统已经开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块，称为智能控制功率模块（Intelligent?Power?Modules ,简称IPM）。这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、 过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块之中。其输入逻辑电平与 TTL信号完全兼容，与微处理器的输出可以直接接口。它的应用显著地简化了伺服单元的设计，并实现了伺服系统的小型化和微

16、型化。8.4.4 高度集成化新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元两个模块的做法，代之以单一的、高度集成化、多功能的控制单元。同一个控制单元，只要通过软件设置系统参数， 就可以改变其性能，既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化还显著地缩小了整个控制系统的体积，使得伺服系统的安装与调试工作都得到了简化。8.4.5 智能化智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置当然也不例外。最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品，它们的智能化特点表

17、现在以下几个方面:首先他们都具有参数记忆功能，系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通信接口，这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改，应用起来十分方便;其次它们都具有故障自诊断与分析功能，无论什么时候，只要系统出现故障，就会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性;除以上特点之外，有的伺服系统还具有参数自整定的功能。众所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工作。带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。对于使用伺服单元的用户来说，这是新型伺服系统最具吸引力的特点之一。8.4.6 模块化和