chapt+11+位置伺服系统

1、第第11章章 位置伺服系统位置伺服系统内容提要内容提要本章第1节介绍位置伺服（随动）系统的基本组成及分类。本章第2节讲述位置伺服系统的控制结构及相应控制系统。本章第3节内容为伺服系统的稳态分析和设计。本章第4节内容为位置伺服系统的动态分析和设计。本章第5节介绍工业生产中数字控制的位置伺服（随动）系统。11.1位置伺服（随动）系统的基位置伺服（随动）系统的基本组成及分类本组成及分类 伺服广义上是指用来控制被控对象的某种状态或某个过程，使其输出量能自动地、连续地、精确地复现或跟踪输入量的变化规律。其控制行为的主要特征表现为输出“服从”输入，输出“跟随”输入（为此伺服系统也叫做随动系统）。 从狭义上

2、而言，对于被控制量（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）做任意变化时，使其被控制量（输出量）快速、准确的复现给定量的变化，通常把这类伺服系统称作位置伺服系统，或叫位置随动系统。 位置伺服系统的基本组成位置伺服系统的基本组成 传感器mniR(t)位置、速度、电流（转矩）控制电力电子功率变换器伺服电动机传动机构工作机械本体电流传感器速度传感器位置传感器C(t)控制器伺服驱动器执行机构被控对象图10-1位置伺服系统位置伺服系统的基本组成（续）位置伺服系统的基本组成（续）图11-1所示的伺服系统由以下5大部分组成：l 传动机构和工作机械l 伺服电机l 伺服驱动器l 控制器

3、l 传感器伺服电机与伺服驱动器伺服电机与伺服驱动器 伺服电机是伺服系统的执行机构元件，在小功率伺服系统中多用永磁式伺服电机，如直流伺服电机、直流无刷伺服电机、永磁式交流伺服电机。 在大功率或较大功率的情况下也可采用电励磁的直流或交流伺服电机。此外，还有特殊伺服电机，如步进伺服电机、磁阻式伺服电机、力矩伺服电机、直线伺服电机等 伺服电机与伺服驱动器（续）伺服电机与伺服驱动器（续） 从电机结构和数学模型来看，伺服电机与调速电机没有本质区别，一般来说，伺服电机的转动惯量小于调速电机，低速和零速带载性能优于调速电机。 伺服驱动器主要起功率放大的作用，根据不同的伺服电机，输出合适的电压和频率（对于交流伺

4、服电机），控制伺服电机的转矩和转速，满足伺服系统的要求。由于伺服电机需要四象限运行，故伺服驱动器必须是可逆的 伺服系统的位置控制器伺服系统的位置控制器 控制器是伺服系统的核心部件，由它实现伺服系统的控制规律，控制器应根据偏差信号，经过必要的控制算法，产生驱动器的控制信号。 与调速系统一样，位置伺服系统控制器也经历了由模拟控制向计算机数字控制的发展过程。位置伺服系统的分类位置伺服系统的分类按执行元件的物理性质不同分为：按执行元件的物理性质不同分为：电气-液压位置伺服系统电气-气动位置伺服系统电气位置伺服系统 按控制方式来分类按控制方式来分类b)eG(s)F(s)G2(s)G1(s)F(s)a)B

5、(s)图10-2 伺服系统的基本控制方式a)按误差控制的系统； b)按误差和扰动复合控制的系统按控制方式来分类（续）按控制方式来分类（续）第一种是按误差控制的系统，如图11-2a所示。系统的闭环传递函数为 sFsGsGsWcl1按控制方式来分类（续）按控制方式来分类（续）第二种是按误差和扰动复合控制的系统，采用负反馈与前馈相结合的控制方式，亦称开环-闭环控制系统，如图11-2b所示，其系统闭环传递函数为 sFsGsGsGsGsBsWcl21211按位置伺服系统中元件或环节的按位置伺服系统中元件或环节的静特性不同来分类静特性不同来分类 按位置伺服系统中元件或环节静特性的性质不同可分为，线性位置伺

6、服系统和非线性位置伺服系统，如图11-3所示。feeb)a)Gc(s)G(s)G(s)图11-3线性位置伺服系统和非线性位置伺服系统a)线性位置伺服系统；b)非线性位置伺服系统按位置反馈信号取出点不同来分按位置反馈信号取出点不同来分类类按位置反馈信号取出点不同来分类可分为半闭环位置伺服系统 和全闭环位置伺服系统。工作机械伺服电机伺服系统位置指令机械螺距M速度反馈位置反馈伺服驱动器编码器BRT位置控制器速度控制器 图10-4 半闭环位置伺服系统全闭环位置伺服控制系统全闭环位置伺服控制系统 位置指令工作机械伺服电机位置反馈速度控制器速度反馈位置检测M编码器BRT伺服驱动器位置控制器图11-5 全闭

7、环位置伺服控制系统按执行元件（伺服电动机）的功按执行元件（伺服电动机）的功率大小来分类率大小来分类按执行元件的功率大小分为：小功率位置伺服系统（执行元件输出功率在50w以下）；中功率位置伺服系统（执行元件输出功率在50500w之间）；大功率位置伺服系统（执行元件输出功率在500w以上）。11.2位置伺服系统的控制结构及位置伺服系统的控制结构及相应的控制系统相应的控制系统 直流位置伺服系统的广义被控对象由驱动器（PWM功率变换器）、直流电动机、机械传动装置等三部分组成，如图11-6所示 PWM功率变换器Ud0Uc伺服驱动器直流电动机机械传动装置及工作机械图11-6 直流位置伺服系统的广义被控对象

8、直流伺服系统广义被控对象动态直流伺服系统广义被控对象动态结构图结构图图11-7 直流伺服系统广义被控对象动态结构图单环直流位置伺服系统单环直流位置伺服系统图10-8a所示为单环直流位置伺服系统的控制结构，可以看出，系统只有一个位置闭环，其相应的控制系统组成框图如图10-8b所示 单环直流位置伺服系统（续）单环直流位置伺服系统（续）b)传动装置（减速器）位置控制器位置检测PWM功率变换器DM位置给定工作机械图11-8 单环直流位置伺服系统a) 单环直流位置伺服系统动态结构图；b) 直流单闭环位置伺服系统组成框图 DM直流伺服电机 BQ位置传感器双环直流位置伺服系统双环直流位置伺服系统在电流控制系

9、统的基础上再加一个位置外环就构成了位置、电流双闭环直流位置控制系统，如图11-9所示。也可以在单环调速系统的基础上外加位置环构成位置、速度双闭环位置伺服系统。双环直流位置伺服系统（续）双环直流位置伺服系统（续）b)位置控制器电流控制器PWM功率变换器DM传动装置（减速器）位置检测工作机械图10-9 双环直流位置伺服系统a）双环位置伺服系统动态结构图； b)双环位置伺服系统三环直流位置伺服系统三环直流位置伺服系统在双闭环直流调速系统的基础上，设置位置控制闭环，则就得到三环直流位置伺服系统，其控制结构和相应的控制系统如图11-10所示 三环直流位置伺服系统（续）三环直流位置伺服系统（续）图10-1

10、0 三环直流位置伺服系统a)三环直流位置伺服系统动态结构图； b)三环直流位置伺服系统交流位置伺服系统的控制结构及交流位置伺服系统的控制结构及相应的控制系统相应的控制系统 交流伺服电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等。各种交流伺服电动机通过磁场定向（矢量控制）可等效为直流电动机，现以三相永磁同步电动机（PMSM）为例进行介绍。永磁同步电机的状态方程永磁同步电机的状态方程 JTLuLuiiJpLpLRppLRdtddtdidtdiLqqddrqdrnrnrnrnqd02300为获得线性状态方程，通常采用恒等于0的矢量控制方式，此时有：JTLuiJpLpLRdtddtdiLq

11、qrqrnrnq023（11-6）（11-7）交流永磁同步电机动态结构图交流永磁同步电机动态结构图式（11-7）即为PMSM的解耦状态方程。在零初始条件下，对永磁同步电机的解耦状态方程求拉氏变换，以电压为输入，转子速度为输出的交流永磁同步电机动态结构图如图11-11所示 永磁同步电动机交流伺服系统永磁同步电动机交流伺服系统图11-12a)永磁同步电动机三环交流伺服系统控制结构 永磁同步电动机交流伺服系统永磁同步电动机交流伺服系统（续）（续）b)ASRACRAPRPMSM传感器S N nN电流控制器速度控制器位置控制器乘法器弱磁控制速度反馈脉宽调制逆变器转子、磁极位置图11-12b)永磁同步电动

12、机交流伺服系统组成框图 伺服系统的稳态分析伺服系统的稳态分析 稳态是指过渡过程结束后位置伺服系统的状态。过渡过程结束后，即位置伺服系统达到新的平衡之后，最终保持的控制精度（稳态精度），反映了位置伺服系统的稳态性能，是衡量位置伺服系统稳态性能的唯一指标。控制精度也称作稳态误差，是指位置伺服系统过渡过程结束进入稳态时，输入与输出之间位置误差的大小。位置伺服系统对控制精度要求很高，一般不低于0.01mm，特别达到0.001mm以上。影响位置伺服系统的控制精度，影响位置伺服系统的控制精度，导致其产生稳态误差的因素导致其产生稳态误差的因素 影响位置伺服系统的控制精度，导致其产生稳态误差的因素有：检测元件

13、引起的检测误差；系统的结构及参数和系统的给定输入信号引起的原理误差；负载等外部扰动引起的扰动误差。 提高位置伺服系统精度的方法提高位置伺服系统精度的方法采用简单比例控制的位置控制系统，可以很容易地获得稳定、无超调的位置控制和良好的定位精度。但由于它不可避免地存在稳态位置跟踪误差，从而对运动轨迹跟随性能产生一定影响。为了解决上述问题，可以采用复合控制的办法。复合控制系统的结构图复合控制系统的结构图在闭环反馈控制的基础上，再引入一个对外部输入信号进行多阶微分的顺馈补偿，简称为前馈补偿或前馈控制，把前馈控制和反馈控制相结合构成的控制系统称为复合控制系统。复合控制系统的结构图如图11-17所示。 图1

14、1-17 复合控制系统结构图复合控制闭环系统对给定控制作复合控制闭环系统对给定控制作用的传递函数用的传递函数 根据11-17结构图可以写出复合控制闭环系统对给定控制作用的传递函数为)()(1)(1)()(sGsGsGsGsGpfc系统对输入的误差传递函数为)(1)()(1)(sGsGsGsGfbe（11-22）（11-23）复合控制闭环系统对给定控制作复合控制闭环系统对给定控制作用的传递函数（续）用的传递函数（续）由式（11-23）可以推导出对给定控制作用的误差恒等于零的条件，即系统对控制输入的不变性条件为：)(1)(sGsGbf在这种情况下，系统的误差与给定输入信号无关。前馈补偿信号的引入对

15、提高系统的性能是非常有益的。 位置伺服系统的稳定性位置伺服系统的稳定性 位置伺服系统的稳定性是指动态过程的震荡倾向和系统重新恢复平衡工作状态的能力。一个处于静止或平衡工作状态的系统，当受到任何输入的激励，就可能偏离原平衡状态。当激励消失后，经过一段暂态过程以后，系统的状态和输出都能恢复到原先的平衡状态，则系统是稳定的。 必须注意的是，稳定性只表示系统本身的一种特性，它决定于系统结构与元件参数，与外部输入指令或扰动信号无关。 位置伺服系统的动态响应特性位置伺服系统的动态响应特性给定作用下的动态特性 对伺服系统的动态性能的要求是要求伺服系统快速性好（快速的响应能力，指动态过程进行的时间短）。 伺服

16、系统的动态性能指标与系统的结构形式和结构参数密切相关。 稳定性和快速性反映了系统在控制过程中的性能。既快又稳，是指在过程中被控量偏离给定值小，偏离的时间短 位置伺服系统的动态响应特性位置伺服系统的动态响应特性（续）（续）扰动作用下的动态特性 位置伺服系统受到扰动的作用后，系统会恢复原状态或达到新的平衡状态，但由于系统机械部分存在质量、惯量，电路中存在电感、电容，同时也由于能源、功率的限制，使得系统不能瞬时达到平衡，而要经历一个过渡过程。要求位置伺服系统在各种扰动作用时，系统输出动态变化尽量小，恢复时间尽量快。 单闭环位置伺服系统的动态分析单闭环位置伺服系统的动态分析和设计和设计 根据图11-8

17、可得到图11-21所示的单闭环位置控制直流伺服系统结构图。图11-21 单闭环位置控制直流伺服系统结构图单闭环位置伺服系统的动态分析单闭环位置伺服系统的动态分析和设计（续）和设计（续）为了确保系统无震荡位置控制，通常位置控制器采用比例控制规律。因此，ARP选用P调节器，其传递函数为 ppAPRksW系统开环传递函数 12sTsTTsKsWmlm单闭环位置伺服系统的动态分析单闭环位置伺服系统的动态分析和设计（续）和设计（续）若 ， 可分解为 。假定 ，则系统的开环传递函数为lmTT412sTsTTmlm1121sTsT21TT 1121sTsTsKsWs系统的闭环传递函数为 KssTTsTTKs

18、Wcl221321单闭环位置伺服系统的动态分析单闭环位置伺服系统的动态分析和设计（续）和设计（续）由闭环传递函数的特征方程式0221321KssTTsTT用Routh稳定判据，可得， ，则系统稳定，其系统开环传递函数伯德图如图11-22所示。2121TTTTK图11-22单闭环位置伺服系统的动态分析单闭环位置伺服系统的动态分析和设计（续）和设计（续）若 ，直流伺服电动机为二阶振荡环节，则系统的开环传递函数为14TTm 12sTsTTsKsWmlm系统的闭环传递函数为 KssTsTTKsWmlmcl23单闭环位置伺服系统的动态分析单闭环位置伺服系统的动态分析和设计（续）和设计（续）由闭环传递函数

19、的特征方程式023KssTsTTmlm用Routh稳定判据，可求得 ，系统稳定。lTK1需要指出的是，为了避免在动态过程中过大的电流冲击需要指出的是，为了避免在动态过程中过大的电流冲击，应采用电流截止负反馈保护措施，或者选择允许过载，应采用电流截止负反馈保护措施，或者选择允许过载倍数较高的直流伺服电动机。还需要知道的是，由于只倍数较高的直流伺服电动机。还需要知道的是，由于只有一个闭环，因而有最快的动态相应，这是采用单环位有一个闭环，因而有最快的动态相应，这是采用单环位置伺服系统的最大优越之处。置伺服系统的最大优越之处。 双环位置伺服系统的动态分析与双环位置伺服系统的动态分析与设计设计 双环位置

20、伺服系统是指位置、电流双闭环控制系统或指位置、速度双闭环控制系统。 现以图11-9a所示的直流位置伺服系统（交流位置伺服系统也适用）为例来分析和设计双闭环位置伺服系统。直流位置伺服系统电流环的动态结构图如图11-24所示。双环位置伺服系统的动态分析与双环位置伺服系统的动态分析与设计（续）设计（续）图图11-24 11-24 直流位置伺服系统电流环动态结构图直流位置伺服系统电流环动态结构图双环位置伺服系统的动态分析与双环位置伺服系统的动态分析与设计（续）设计（续）对图11-24所示电流环的动态结构图进行简化处理后得到图11-25所示的电流环动态结构图。图11-25 简化的电流环动态结构图双环位置

21、伺服系统的动态分析与双环位置伺服系统的动态分析与设计（续）设计（续）当ACR选为PI调节器时，则电流环动态结构图如图11-26所示图11-26 ACR为PI算法时电流环动态结构图双环位置伺服系统的动态分析与双环位置伺服系统的动态分析与设计（续）设计（续）电流环进一步简化为图11-27所示的动态结构图图11-27 简化终极的电流环动态结构图双环位置伺服系统的动态分析与双环位置伺服系统的动态分析与设计（续）设计（续）设 ，为电流环的开环放大系数。将图11-26所示的电流环进行等效处理，使之成为位置环中的一个环节，如图11-28所示 ispiIRKKK图11-28 电流环等效处理后的结构图交流位置伺

22、服系统的动态分析和交流位置伺服系统的动态分析和设计设计 交流位置伺服电动机的数学模型具有非线性、强耦合的性质，仅采用单闭环位置控制方式难以达到位置伺服系统的动态要求，通常交流位置伺服系统都是建立在高性能（矢量控制、直接转矩控制）交流调速系统之上的，即在高性能交流调速系统的基础上再设置一个位置闭环，就形成了电流、速度、位置三环控制系统。 永磁同步电动机三环位置伺服系永磁同步电动机三环位置伺服系统电流环设计统电流环设计 图11-31 电流环动态结构图永磁同步电动机三环位置伺服系永磁同步电动机三环位置伺服系统电流环设计（续）统电流环设计（续） PMSM位置伺服系统的电流环是一个电流随动系统，在系统中

23、可以保证定、转子电流对矢量控制指令的快速而准确跟踪。 通过对图11-31的结构图变换可得到电流环开环传递函数为 ssTsTRsKKsGioilispii1111永磁同步电动机三环位置伺服系永磁同步电动机三环位置伺服系统电流环设计（续）统电流环设计（续）选择 ，实现零、极点对消，当小惯性环节时间常数时，则电流环的开环传递函数为： liT 1sTsKsGiIi闭环传递函数为 IiIiclKsTsKsG1永磁同步电动机三环位置伺服系永磁同步电动机三环位置伺服系统速度环设计统速度环设计 速度环同样也是位置伺服系统中的一个重要的环节，要求速度环具有足够高的增益和通频带，以及很强的抗干扰能力 。 综合考虑

24、速度环设计要求，则速度控制器应选PI算法。电流环作为速度环中的一个环节，可等效为 11111sTsKsGiIicl永磁同步电动机三环位置伺服系永磁同步电动机三环位置伺服系统速度环设计（续）统速度环设计（续）转速环的动态结构图如11-32所示 图11-32 采用PI控制的速度环动态结构框图永磁同步电动机三环位置伺服系永磁同步电动机三环位置伺服系统速度环设计（续）统速度环设计（续）根据图11-32，可以得出速度环的开环传递函数为 112sTssKsGinNs（11-39）由式（11-39）可知，转速环可以按典型的II型系统来设计。定义变量h为频宽，根据典型II型系统参数设计公式：InKh1IcNK

25、KJhhK21永磁同步电动机三环位置伺服系永磁同步电动机三环位置伺服系统位置环设计统位置环设计图11-33 位置环动态结构图PMSM位置伺服系统位置环的变位置伺服系统位置环的变结构设计结构设计变结构控制总是产生最大作用：变结构控制总是产生最大作用： 最大加速或最大减速，而且加速过程中没有减速的参与，减速的过程中也没有加速的参与。因此，要求较高的位置伺服系统的位置环选择变结构设计。位置环滑模变结构调节器结构图位置环滑模变结构调节器结构图 提高位置伺服系统动态性能的措施提高位置伺服系统动态性能的措施 I-PD控制结构把常数倍输出信号作为状态反馈的控制结构称为I-P控制系统，如果输出信号的微分也以常

26、数信号的形式参与反馈控制，那么这种结构也就称为I-PD控制系统，如图11-35所示。这时的控制信号为 sBsTsTKsRsTKsUdipip111I-PD控制系统控制系统图11-35交流位置伺服系统交流位置伺服系统 交流位置随动系统（也称作交流位置伺服系统），是一类以交流电动机为执行元件的伺服系统，它是在高性能交流调速系统（矢量控制系统、直接转矩控制系统）的基础上增设位置闭环而构成的随动系统。 交流位置伺服系统分类交流位置伺服系统分类 交流位置随动系统分为同步电机型和异步电机型两种，同步电机型交流位置随动系统的执行元件为正弦波永磁同步电动机、梯形波永磁同步电动机、步进电动机等，相应控制系统如图

27、11-51a所示；异步电机交流位置随动系统的执行元件为异步电动机，相应控制系统如图11-51b所示。 交流位置伺服系统图交流位置伺服系统图图11-50交流位置伺服系统图交流位置伺服系统图b交流位置随动系统与直流位置随交流位置随动系统与直流位置随动系统的区别动系统的区别 交流位置随动系统与直流位置随动系统的区别是所使用的伺服电动机及其转速控制策略的不同而已，在分析和设计位置闭环控制方面与直流位置随动系统完全一样。交流位置随动系统的动态性能如何取决于交流电动机的转速控制效果。这就要求转速控制系统必须采用高性能的矢量控制或者直接转矩控制方式，以及其他高性能转速控制方式。此外，位置随动系统特别要求在极

28、低速度下仍具有平稳的转矩特性，因此交流位置随动系统在低速运行区内采用了很多的控制措施 交流位置随动系统的优点交流位置随动系统的优点与直流位置随动系统相比，交流位置随动系统具有装置体积小、易于维护、摩擦力矩小（无机械换向器）、惯性小、响应速度快、调速范围宽等优点。 数控机床的概念数控机床的概念 数控机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能逻辑的处理具有使用号码，或其他符号编码指令的程序。数控系统能自动阅读输入载体上事先给定的数字值和指令，并将其译码处理，从而自动的控制机床移动，完成工件加工任务。 数控机床的分类数控机床的分类按功能上分为：数控车、铣、刨、磨、镗、拉、钻、板金成形、管成形机床，数控齿轮加工机床等多种类型。按运动轨迹可分为点位控制机床，如数控钻、冲、镗床等。直线控制机床，如数控车床。轮廓控制机床，如数控车、铣、磨床等。按伺服系统可分为全闭环控制、半闭环控制、开环与闭环混合控制等多种类型。全闭环控制系