闭环伺服控制系统解决方案

第六章闭环伺服系统伺服系统定义伺服系统组成伺服系统要求及分类伺服系统控制环路伺服系统性能分析第六章闭环伺服系统（一）概念：1．伺服系统概念及分类P195～P1962．全闭环与半闭环P1963．伺服系统的控制环路P201～P2044．复合控制器P2095．数字PID控制算法P215（二）计算及简单应用：1．电流环、速度环传递函数2．位置环的开环传递函数P2043．伺服刚度P2054．伺服系统的闭环传递函数P2065．输入参考指令的单位阶跃和单位斜坡及系统误差P205伺服系统

机电一体化技术定义

以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。伺服系统（FeedServoSystem）位置指令位置控制调节器速度控制调节器速度检测位置控制速度控制+—--电机机械传动机构实际位置反馈实际速度反馈功率驱动位置检测—+伺服系统

机电一体化技术伺服系统组成伺服系统组成

位置检测装置将检测到的移动部件的实际位移量进行位置反馈，与位置指令信号进行比较，将两者的差值进行位置调节，变换成速度控制信号，控制驱动装置驱动伺服电动机以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到指令位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。伺服系统

机电一体化技术伺服系统组成基本工作原理伺服系统

机电一体化技术伺服系统要求

1.调速范围要宽且要有良好的稳定性（在调速范围内）

调速范围：RN=Fmax/Fmin一般要求：RN＞1000，且0.1mm/min≤Fmin＜1mm/min

稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要。

2.位置精度高实际位移与指令位移的差值要小。位置精度一般为0.01～0.001mm，甚至可高至0.1μm。

3.稳定性好即负载特性要硬，当负载发生变化或承受外界干扰的情况下，输出速度应基本不变，而且保持平稳均匀。

4.动态响应快即有高的灵敏度，达到最大稳态速度的时间要短，一般要求在200～100ms，甚至小于几十毫秒。动态响应的快慢，反映了系统跟踪精度的高低，直接影响轮廓加工精度的高低和加工表面质量的好坏。伺服系统

机电一体化技术伺服系统分类伺服系统是一个位置随动系统，按有无位置检测和反馈有以下三种：

开环伺服系统半闭环伺服系统闭环伺服系统步进电机步进驱动装置控制器脉冲串方向脉冲相电压伺服系统

机电一体化技术开环伺服系统开环伺服系统组成

由控制器送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，驱动步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠螺母副驱动执行部件，无需位置检测装置。系统的位置精度主要取决于步进电机的角位移精度、齿轮丝杠等传动元件的导程或节距精度以及系统的摩擦阻尼特性。位置精度较低，其定位精度一般可达±0.02mm。如果采取螺距误差补偿和传动间隙补偿等措施，定位精度可提高到±0.01mm。此外，由于步进电机性能的限制，开环进给系统的进给速度也受到限制，在脉冲当量为0.01mm时，一般不超过5m/min。伺服系统

机电一体化技术开环伺服系统开环伺服系统特点位置控制调节器速度控制调节器信号处理+—实际位置反馈实际速度反馈功率驱动—+编码器伺服电机位置指令伺服系统

机电一体化技术半闭环伺服系统半闭环伺服系统组成伺服系统

机电一体化技术半闭环伺服系统半闭环伺服系统特点

将检测装置装在伺服电机轴或传动装置末端，间接测量移动部件位移来进行位置反馈的进给系统称为半闭环伺服系统。在半闭环伺服系统中，将编码器和伺服电机作为一个整体，编码器完成角位移检测和速度检测，用户无需考虑位置检测装置的安装问题。这种形式的半闭环伺服系统在机电一体化设备上得到广泛的采用。位置指令位置控制调节器速度控制调节器速度检测+—实际位置反馈实际速度反馈功率驱动位置检测—+伺服电机测速发电机或编码器伺服系统

机电一体化技术闭环伺服系统闭环伺服系统组成

将检测装置装在移动部件上，直接测量移动部件的实际位移来进行位置反馈的进给系统称为闭环伺服系统。闭环伺服系统可以消除机械传动机构的全部误差，而半闭环伺服系统只能补偿部分误差，因此，半闭环伺服系统的精度比闭环系统的精度要低一些。由于采用了位置检测装置，所以，闭环进给系统的位置精度在其他因素确定之后，主要取决于检测装置的分辨率和精度。闭环和半闭环伺服系统因为采用了位置检测装置，所以在结构上较开环进给系统复杂。另外，由于机械传动机构部分或全部包含在系统之内，机械传动机构的固有频率、阻尼、间隙等将成为系统不稳定的因素，因此，闭环和半闭环系统的设计和调试都较开环系统困难。伺服系统

机电一体化技术闭环伺服系统闭环伺服系统特征伺服系统

机电一体化技术全数字式伺服系统

在全数字式伺服系统中，控制器直接将位置指令以数字信号的形式传送给伺服驱动装置，伺服驱动装置本身具有位置和速度控制功能。控制器与伺服驱动装置之间通过总线相互传递如下信息：位置指令和实际位置速度指令和实际速度转矩指令和实际转矩伺服系统及伺服电机参数伺服状态和报警全数字式伺服系统

CNC第n轴伺服单元

第1轴伺服单元…………SMPC总线总线SMPC

控制器第n轴伺服单元

第1轴伺服单元…………SMPC总线总线SMPC伺服系统

机电一体化技术全数字式伺服系统全数字式伺服系统组成伺服系统

机电一体化技术全数字式伺服系统全数字式伺服系统特点1.系统的位置、速度和电流环节的调整由软件实现。2.具有较高的动、静态特性。在检测灵敏度、温度漂移、噪声及抗干扰等方面都优于模拟式伺服系统。3.引入前馈控制，构成了具有反馈和前馈复合控制的系统结构。4.由于全数字式伺服系统采用总线通信方式，极大地减小了连接电缆，便于设备安装和维护，提高了系统可靠性，同时通过显示终端实时监控伺服状态。

当前，全数字式交流伺服系统在机电一体化设备驱动中得到了广泛应用。全数字式交流伺服可作速度、转矩和位置控制，接受指令脉冲或模拟电压指令信号，并自带位置环，具有丰富的自诊断、报警功能。各控制参数通过以下方法用数字方式设定：

通过驱动装置上的显示器和按键进行设定通过驱动装置上的通信接口与上位机通信进行设定通过可分离式编程器和驱动装置上的接口进行设定伺服系统

机电一体化技术全数字式伺服系统控制器总线驱动装置显示设定窗口编码器信号线三相电源进线伺服电机三相电源伺服概念：这是英文servo的谐音，念起来与外文的伺服发音差不多。但伺服这个字就是“侍候”，就是非常听话，让走到哪，就走到哪。在数控机床中，由计算机发出指令脉冲，让哪一个驱动电动机拖着工作台动，这一台电动机就动，而且这台电动机的运动速度、运动的距离，完全按着计算机的指令行事，非常准确无误地完成指令要求的任