第01讲 伺服系统与控制法则

第01讲伺服系统与控制法则位置控制模块速度控制单元测量与检测速度控制单元机床CNC速度环速度反馈速度检测位置环位置反馈++-位置误差计数器D/A转换器速度调节器电流调节器驱动器电流环+--指令一、学习目的和要求二、变频器的基本概念和作用三、变频器的发展历程四、变频器应用现状与发展趋势五、作业与思考主要内容应用领域

军事雷达天线、火炮、导弹发射架的自动瞄准跟踪控制，坦克炮塔的防摇稳定控制，防空导弹的制导控制。

冶金电弧炼钢炉、粉末冶金炉等的电极位置控制，轧钢机压辊压下运动的位置控制。

运输电气机车自动调速、高层建筑电梯升降，船舶自动操舵、飞机的自动驾驶等。

计算机磁盘、光盘驱动系统、绘图仪的画笔控制系统

机械机床运动部件速度控制、运动轨迹控制。伺服系统主要研究的内容

机械运动过程中涉及的力学、机械学、动力驱动、伺服参数检测和控制等方面的理论和技术。交叉学科力学、机械、电工、电子、计算机、信息、自动化基础技术机械、电路、计算机专业技术自动化、自动控制、电气工程、机电一体化一、伺服系统概念“伺服”-----源于希腊语“奴隶”，即人们想把“伺服机构”作为得心应手的驯服工具。

没有控制信号，转子静止不动，信号达到之后，转子立即转动。当信号消失，转子立即自行停止。伺服系统定义

在自动控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，或伺服系统。伺服系统作用

接收来自控制装置的指令信号，驱动移动部件跟随指令运动，并保证动作的快速和准确。二、伺服系统组成数控机床伺服系统一般组成

电流环、速度环、位置环三、伺服系统要求

稳定性好

系统在给定输入或外界干扰作用下，能否在短暂的调节过程后达到新的或者恢复到原有的平衡状态。

静态速降应小于5%，动态速降应小于10%。快速响应并无超调

要求跟踪指令信号的响应快。一方面要求过渡过程时间短，一般小于200ms；另一方面为了满足对超调的要求，要求过渡过程前沿陡，即：上升率大，且无振荡。精度高

精度是指输出量能跟随输入量的精确程度，一般用稳态误差来衡量。一般在0.01~0.001mm之间。低速大转矩

对于数控机床伺服系统来说，低速时进行重切削，要求伺服系统低速时要有大的转矩输出。进给伺服：整个速度范围内，伺服控制属于恒转矩控制；主轴伺服：低速时恒转矩，提供较大转矩；高速时恒功率，提供足够大的功率。

伺服系统常带有反馈电路，运动的来源于偏差信号，伺服系统的运动始终处于过渡过程，且具有放大作用。四、伺服系统特点精确的检测装置多种反馈方法（脉冲比较、相位比较、幅值比较）

高性能伺服电机（频繁启停，输出力矩和转动惯量比值大，产生足够大加速和制动力矩，低速大转矩，运行平稳，减少中间传动环节）

宽调速速度调节补充：转动惯量J（kg.m2）=mr2，其中m—质量，r—质点和转轴垂直距离。五、伺服系统分类按调节理论分类开环伺服系统全闭环伺服系统半闭环伺服系统

按使用的驱动元件分类电液伺服系统

电液伺服系统的执行元件为液压元件，其前一级为电气元件，驱动元件为被动机和液压缸，常用的有电液脉冲马达和电液伺服马达。数控机床发展的初期，多数采用电液伺服系统。电气伺服系统

电气伺服系统全部采用电子器件和电机部件，操作维护方便，可靠性高。电气伺服系统中的驱动元件主要有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。它们没有液压系统中的噪声、污染和维修费用高等问题。

按使用伺服电机电源形式分类

直流伺服系统

交流伺服系统

步进伺服系统

按进给驱动和主轴驱动分类

进给伺服系统

主轴伺服系统六、伺服系统与反馈按照经典控制理论，以传递函数方式表达含反馈环节的闭环系统框图。R（S）系统输入，C（S）系统输出，G（S）开环传递函数H（S）反馈环节增益

增加反馈环节，系统对自身参数变动及对外界干扰的敏感性得到较好的抑制。反馈环节

由运动参数测量单元（传感器）和反馈信号处理电路（反馈接口电路）组成。运动参数测量单元（传感器）模拟：测速发电机、旋转变压器、精密变阻式角位移传感器数字：旋转编码器、感应同步器、圆光栅、圆磁栅七、伺服控制法则1.控制系统建模

寻找一个可用的、在数学上经过提炼的模型。2.PID控制

在原控制系统的某处添加比例（P）、积分（I）和微分（D）环节。