伺服系统电力拖动自动控制系统-2

电力拖动自动控制系统—运动控制系统伺服系统电力拖动自动控制系统第1页*第9章伺服系统第3篇伺服（Servo）意味着“伺候”和“服从”。广义伺服系统是准确地跟踪或复现某个给定过程控制系统,也可称作随动系统。伺服系统伺服系统电力拖动自动控制系统第2页伺服（Servo）意味着“伺候”和“服从”。广义伺服系统是准确地跟踪或复现某个给定过程控制系统,也可称作随动系统。狹义伺服系统又称位置随动系统,其被控制量（输出量）是负载机械空间位置线位移或角位移,当位置给定量（输入量）作任意改变时,系统主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量改变。伺服系统伺服系统电力拖动自动控制系统第3页狹义伺服系统又称位置随动系统,其被控制量（输出量）是负载机械空间位置线位移或角位移,当位置给定量（输入量）作任意改变时,系统主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量改变。内容提要伺服系统特征及组成伺服系统控制对象数学模型伺服系统设计内

容

提

要伺服系统电力拖动自动控制系统第4页伺服系统特征及组成伺服系统控制对象数学模型伺服系统设计9.1伺服系统特征及组成伺服系统功效是使输出快速而准确地复现给定，对伺服系统含有以下基本要求:(1)稳定性好伺服系统在给定输入和外界干扰下，能在短暂过渡过程后，到达新平衡状态，或者恢复到原先平衡状态。9.1伺服系统特征及组成伺服系统电力拖动自动控制系统第5页伺服系统功效是使输出快速而准确地复现给定，对伺服系统含有以下基本要求:(1) 稳定性好 伺服系统在给定输入和外界干扰下，能在短暂过渡过程后，到达新平衡状态，或者恢复到原先平衡状态。9.1.1伺服系统基本要求及特征(2)精度高伺服系统精度是指输出量跟随给定值准确程度,如精密加工数控机床,要求很高定位精度。(3)动态响应快动态响应是伺服系统主要动态性能指标,要求系统对给定跟随速度足够快、超调小,甚至要求无超调。9.1.1伺服系统基本要求及特征伺服系统电力拖动自动控制系统第6页精度高伺服系统精度是指输出量跟随给定值准确程度,如精密加工数控机床,要求很高定位精度。动态响应快动态响应是伺服系统主要动态性能指标,要求系统对给定跟随速度足够快、超调小,甚至要求无超调。9.1.1伺服系统基本要求及特征伺服系统电力拖动自动控制系统第7页(4)抗扰动能力强在各种扰动作用时,系统输出动态改变小,恢复时间快,振荡次数少,甚至要求无振荡。伺服系统特征伺服系统电力拖动自动控制系统第8页必须具备高精度传感器,能准确地给出输出量电信号。功率放大器以及控制系统都必须是可逆。足够大调速范围及足够强低速带载性能。快速响应能力和较强抗干扰能力。9.1.2伺服系统组成伺服系统由伺服电动机、功率驱动器、控制器和传感器四大部分组成。除了位置传感器外,可能还需要电压、电流和速度传感器。9.1.2伺服系统组成伺服系统电力拖动自动控制系统第9页伺服系统由伺服电动机、功率驱动器、控制器和传感器四大部分组成。除了位置传感器外,可能还需要电压、电流和速度传感器。9.1.2伺服系统组成图9-1

位置伺服系统结构示意图A）开环系统b）半闭环系统c）全闭环系统9.1.2伺服系统组成位置伺服系统结构示意图b）半闭环系统c）全闭环系统图9-1A）开环系统伺服系统电力拖动自动控制系统第10页9.1.2伺服系统组成伺服系统由伺服电动机、功率驱动器、控制器和传感器四大部分组成。图9-2绝对值式编码器码盘a)

二进制码盘

b)循环码码盘伺服系统电力拖动自动控制系统第11页9.1.3

伺服系统性能指标图9-3

线性位置伺服系统普通动态结构图9.1.3伺服系统性能指标图9-3线性位置伺服系统普通动态结构图伺服系统电力拖动自动控制系统第12页9.1.3伺服系统性能指标伺服系统电力拖动自动控制系统第14页图9-4

位置伺服系统经典输入信号a）位置阶跃输入

b）速度输入

c）加速度输入9.1.3伺服系统性能指标伺服系统电力拖动自动控制系统第15页伺服系统在三种单位输入信号作用下给定稳态误差9.2

伺服系统控制对象数学伺服系统电力拖动自动控制系统第16页模型依据伺服电动机种类,伺服系统可分为直流和交流两大类。伺服系统控制对象包含伺服电动机、驱动装置和机械传动机构。9.2.1直流伺服系统控制对象数学模型直流伺服系统执行元件为直流伺服电动机,中、小功率伺服系统采取直流永磁伺服电动机,当功率较大时,也可采取电励磁直流伺服电动机。直流无刷电动机与直流电动机有相同控制特征,也可归入直流伺服系统。9.2.1直流伺服系统控制对象数学模型伺服系统电力拖动自动控制系统第17页直流伺服系统执行元件为直流伺服电动机,中、小功率伺服系统采取直流永磁伺服电动机,当功率较大时,也可采取电励磁直流伺服电动机。直流无刷电动机与直流电动机有相同控制特征,也可归入直流伺服系统。9.2.1

直流伺服系统控制对象数学模型直流伺服电动机状态方程机械传动机构状态方程9.2.1直流伺服系统控制对象数学模型直流伺服电动机状态方程机械传动机构状态方程伺服系统电力拖动自动控制系统第18页9.2.1

直流伺服系统控制对象数学模型9.2.1直流伺服系统控制对象数学模型控制对象数学模型伺服系统电力拖动自动控制系统第20页9.2.1

直流伺服系统控制对象数学模型图9-5直流伺服系统控制对象结构图9.2.1直流伺服系统控制对象数学模型图9-5直流伺服系统控制对象结构图伺服系统电力拖动自动控制系统第21页9.2.1直流伺服系统控制对象数学模型采取电流闭环后,电流环等效传递函数为惯性步骤,故带有电流闭环控制对象数学模型为9.2.1直流伺服系统控制对象数学模型采取电流闭环后,电流环等效传递函数为惯性步骤,故带有电流闭环控制对象数学模型为伺服系统电力拖动自动控制系统第22页9.2.1

直流伺服系统控制对象数学模型图9-6

带有电流闭环控制对象结构图9.2.1直流伺服系统控制对象数学模型图9-6带有电流闭环控制对象结构图伺服系统电力拖动自动控制系统第23页9.2.2交流伺服系统控制对象数学模型用交流伺服电动机作为伺服系统执行电动机,称作交流伺服系统。惯用交流伺服电动机有三相异步电动机、永磁式同时电动机和磁阻式步进电动机等,也可用电励磁同时伺服电动机。不论是异步电动机,还是同时电动机,经过矢量变换、磁链定向和电流闭环控制均可等效为电流控制直流电动机。9.2.2交流伺服系统控制对象数学模型伺服系统电力拖动自动控制系统第24页用交流伺服电动机作为伺服系统执行电动机,称作交流伺服系统。惯用交流伺服电动机有三相异步电动机、永磁式同时电动机和磁阻式步进电动机等,也可用电励磁同时伺服电动机。不论是异步电动机,还是同时电动机,经过矢量变换、磁链定向和电流闭环控制均可等效为电流控制直流电动机。9.2.2交流伺服系统控制对象数学模型异步电动机按转子磁链定向数学模型为9.2.2交流伺服系统控制对象数学模型异步电动机按转子磁链定向数学模型为伺服系统电力拖动自动控制系统第25页9.2.2交流伺服系统控制对象数学模型采取电流闭环控制后,对象数学模型为9.2.2交流伺服系统控制对象数学模型采取电流闭环控制后,对象数学模型为伺服系统电力拖动自动控制系统第26页9.2.2交流伺服系统控制对象数学模型CT为包含磁链作用在内转矩系数,电流转矩分量相当于直流电动机电枢电流,电流闭环控制交流伺服电动机结构图与直流电动机相仿。对于同时伺服电动机也可得到相同结论,不重复叙述。9.2.2交流伺服系统控制对象数学模型伺服系统电力拖动自动控制系统第27页CT为包含磁链作用在内转矩系数,电流转矩分量相当于直流电动机电枢电流,电流闭环控制交流伺服电动机结构图与直流电动机相仿。对于同时伺服电动机也可得到相同结论,不重复叙述。9.2.2交流伺服系统控制对象数学模型采取电流闭环控制后,交流伺服系统与直流伺服系统含有相同控制对象数学模型。称作在电流闭环控制下交、直流伺服系统控制对象统一模型。用相同方法设计交流或直流伺服系统。9.2.2交流伺服系统控制对象数学模型伺服系统电力拖动自动控制系统第28页采取电流闭环控制后,交流伺服系统与直流伺服系统含有相同控制对象数学模型。称作在电流闭环控制下交、直流伺服系统控制对象统一模型。用相同方法设计交流或直流伺服系统。伺服系统结构因系统详细要求而异,对于闭环伺服控制系统,惯用串联校正或并联校正方式进行动态性能调整。9.3伺服系统设计伺服系统电力拖动自动控制系统第29页伺服系统结构因系统详细要求而异,对于闭环伺服控制系统,惯用串联校正或并联校正方式进行动态性能调整。9.3伺服系统设计伺服系统电力拖动自动控制系统第30页校正装置串联配置在前向通道校正方式称为串联校正,普通把串联校正单元称作调整器,所以又称为调整器校正。若校正装置与前向通道并行,则称为并联校正；信号流向与前向通道相同时,称作前馈校正；信号流向与前向通道相反时,则称作反馈校正。9.3.1调整器校正及其传递函数惯用调整器有百分比－微分（PD）调整器、百分比－积分（PI）调整器以及百分比－积分－微分（PID）调整器,设计中可依据实际伺服系统特征进行选择。9.3.1调整器校正及其传递函数伺服系统电力拖动自动控制系统第31页惯用调整器有百分比－微分（PD）调整器、百分比－积分（PI）调整器以及百分比－积分－微分（PID）调整器,设计中可依据实际伺服系统特征进行选择。假如系统稳态性能满足要求,并有一定稳定裕量,而稳态误差较大,则能够用PI调整器进行校正。PI调整器传递函数为PI调整器校正假如系统稳态性能满足要求,并有一定稳定裕量,而稳态误差较大,则能够用PI调整器进行校正。PI调整器传递函数为伺服系统电力拖动自动控制系统第33页将PD串联校正和PI串联校正联合使用,组成PID调整器。假如合理设计则能够综合改进伺服系统动态和静态特征。PID串联校正装置传递函数为PID调整器校正将PD串联校正和PI串联校正联合使用,组成PID调整器。假如合理设计则能够综合改进伺服系统动态和静态特征。PID串联校正装置传递函数为伺服系统电力拖动自动控制系统第34页9.3.2单环位置伺服系统图9-7

单环位置伺服系统APR—位置调整器UPE—驱动装置

SM—直流伺服电动机BQ—位置传感器9.3.2单环位置伺服系统图9-7

单环位置伺服系统APR—位置调整器

UPE—驱动装置SM—直流伺服电动机

BQ—位置传感器伺服系统电力拖动自动控制系统第36页9.3.2单环位置伺服系统忽略负载转矩,直流伺服系统控制对象传递函数为机电时间常数9.3.2单环位置伺服系统忽略负载转矩,直流伺服系统控制对象传递函数为机电时间常数伺服系统电力拖动自动控制系统第37页9.3.2单环位置伺服系统伺服系统开环传递函数系统开环放大系数9.3.2单环位置伺服系统伺服系统开环传递函数系统开环放大系数伺服系统电力拖动自动控制系统第39页9.3.2单环位置伺服系统伺服系统电力拖动自动控制系统第40页图9-9单位置环控制直流伺服系统结构图9.3.2单环位置伺服系统用系统开环零点消去惯性时间常数最大开环极点,以加紧系统响应过程。系统开环传递函数9.3.2单环位置伺服系统用系统开环零点消去惯性时间常数最大开环极点,以加紧系统响应过程。系统开环传递函数伺服系统电力拖动自动控制系统第41页9.3.2单环位置伺服系统伺服系统闭环传递函数闭环传递函数特征方程式9.3.2单环位置伺服系统伺服系统闭环传递函数闭环传递函数特征方程式伺服系统电力拖动自动控制系统第42页9.3.2单环位置伺服系统用Routh稳定判据,为确保系统稳定,须使图9-10单位置环伺服系统开环传递函数对数幅频特征9.3.2单环位置伺服系统用Routh稳定判据,为确保系统稳定,须使图9-10单位置环伺服系统开环传递函数对数幅频特征伺服系统电力拖动自动控制系统第43页9.3.3双环伺服系统在电流闭环控制基础上,设计位置调整器,组成位置伺服系统,位置调整器输出限幅是电流最大值。以直流伺服系统为例,对于交流伺服系统也适用,只须对伺服电动机和驱动装置应作对应改动。9.3.3双环伺服系统伺服系统电力拖动自动控制系统第44页在电流闭环控制基础上,设计位置调整器,组成位置伺服系统,位置调整器输出限幅是电流最大值。以直流伺服系统为例,对于交流伺服系统也适用,只须对伺服电动机和驱动装置应作对应改动。9.3.3双环伺服系统图9-11

双环位置伺服系统9.3.3双环伺服系统图9-11双环位置伺服系统伺服系统电力拖动自动控制系统第45页9.3.3双环伺服系统伺服系统电力拖动自动控制系统第46页忽略负载转矩时,带有电流闭环控制对象传递函数为为了消除负载扰动引发静差,APR选取PI调整器,其传递函数9.3.3双环伺服系统伺服系统电力拖动自动控制系统第47页图9-12双环位置伺服系统结构图9.3.3双环伺服系统伺服系统电力拖动自动控制系统第48页系统开环传递函数为系统开环放大系数9.3.3双环伺服系统伺服系统电力拖动自动控制系统第49页伺服系统闭环传递函数为特征方程式9.3.3双环伺服系统伺服系统闭环传递函数为特征方程式特征方程式未出现s二次项,由Routh稳定判据可知,系统不稳定。9.3.3双环伺服系统伺服系统闭环传递函数为特征方程式特征方程式未出现s二次项,由Routh稳定判据可知,系统不稳定。伺服系统电力拖动自动控制系统第50页9.3.3双环伺服系统闭环传递函数系统特征方程式9.3.3双环伺服系统闭环传递函数系统特征方程式伺服系统电力拖动自动控制系统第52页9.3.3双环伺服系统伺服系统电力拖动自动控制系统第53页由Routh稳定判据求得系统稳定条件9.3.3双环伺服系统图9-13采取PID控制双环控制伺服系统开环传递函数对数幅频特征伺服系统电力拖动自动控制系统第54页9.3.3双环伺服系统若APR仍采取PI调整器,可在位置反馈基础上,再加上微分负反馈,即转速负反馈。图9-14带有微分负反馈伺服系统伺服系统电力拖动自动控制系统第55页9.3.3双环伺服系统图9-15

带有微分负反馈伺服系统结构图9.3.3双环伺服系统图9-15带有微分负反馈伺服系统结构图伺服系统电力拖动自动控制系统第56页9.3.4三环伺服系统在调速系统基础上,再设一个位置环,形成三环控制位置伺服系统。图9-16三环位置伺服系统APR—位置调整器ASR—转速调整器ACR—电流调整器BQ—光电位置传感器DSP—数字转速信号形成步骤9.3.4三环伺服系统在调速系统基础上,再设一个位置环,形成三环控制位置伺服系统。图9-16三环位置伺服系统APR—位置调整器ASR—转速调整器ACR—电流调整器BQ—光电位置传感器DSP—数字转速信号形成步骤伺服系统电力拖动自动控制系统第57页9.3.4三环伺服系统直流转速闭环控制系统按经典II型系统设计,开环传递函数矢量控制系统开环传递函数二者结构相同。伺服系统电力拖动自动控制系统第58页9.3.4三环伺服系统图9-17

直流转速环结构图图9-18

矢量控制系统结构示意图9.3.4三环伺服系统图9-17直流转速环结构图图9-18矢量控制系统结构示意图伺服系统电力拖动自动控制系统第59页9.3.4三环伺服系统图9-19

位置环控制对象结构图图9-20

位置闭环控制结构图9.3.4三环伺服系统图9-19位置环控制对象结构图图9-20

位置闭环控制结构图伺服系统电力拖动自动控制系