现代交流伺服系统分析与设计

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1、现代交流伺服系统分析与设计第一章交流伺服系统概述提出问题1：如何认识交流伺服系统？应用特点：运动变量控制，“承上（接收控制器命令）启下（驱动机构）应用要求：高速高响应，高精度第一节伺服系统基本概念和主要应用基本概念：变频控制系统：压频变换建立电机的合适工作方式和工作点调速系统：宽调速范围和稳速精度伺服系统：定位精度、跟随精度和跟随速度，关注机构的最终控制性能主要应用：数控机床、轻工自动化系统、半导体加工设备、机器人、武器装备第二节伺服系统的基本应用结构形式提出问题2：交流伺服系统的应用结构是什么样的？各有什么样的特点？伺服系统是如何接受信息

2、？如何处理信息？如何对信息进行反应的？作出正确的反应关键问题有那些？1、开环伺服系统应用结构形式2、半闭环伺服系统应用结构形式3、全闭环伺服系统应用结构形式4、混合闭环伺服系统应用结构形式控制器＋伺服驱动系统＋机械传动机构应用要求：控制信号的处理（接口类型选择），机械负载特性的建模计算（设计选型、系统调整）控制形式：转矩/电流、速度、位置第三节伺服系统的基本组成结构和性能指标提出问题3：伺服系统的信息传递通道是怎么样构建的？为什么要如此设计？结合伺服系统诸多特点和要求，如何分析和构建伺服系统的内部结构？它的物理结构和控制结构是什么样的？在指

3、标上如何定义才能反映应用的要求和性能的要求外部接口：1）与控制器的接口，（1）＋/-10V模拟接口实现速度或转矩控制（2）脉冲接口实现位置控制（3）网络通讯接口，全面的诊断、控制、协调功能（4）逻辑功能接口实现辅助逻辑控制或组合工艺控制1）与伺服电机的接口：（1）提供电机动力电源，PWM电压（2）位置反馈接口，检测位置或速度反馈信息基本组成：1）硬件角度：功率回路，电源回路，控制回路2）控制结构角度：轨迹/位置控制＋速度控制＋转矩控制实现运动控制或伺服控制基本组成结构：1）全硬件伺服系统（集成电路或ASIC/FPGA）2）全数字半软件伺服系

4、统（CPU＋ASIC/FPGA）3）全数字软件伺服系统（DSP/MCU）性能指标：精度、快速性、稳定性1)技术要求：基础可适用性、可靠性、环境、体积、经济性2)系统性能指标要求：稳态跟踪精度、定位精度、最高频率、瞬时最大电流和额定电流、速度变动率、转速不均匀度；3)系统控制特性指标要求：稳定性、时频域特性、鲁棒性第四节伺服系统的知识背景和发展趋势提出问题4：伺服系统的专业知识背景和发展的趋势？知识基础：1)电学：电子、电路、电气2)磁学：电机3)力学：机构建模4)自动控制：控制器算法设计5)计算机软件：编程发展趋势：高速化（带宽增加）高精度

5、化（处理信息更精确）网络化（诊断、互换性、开放性）绿色化（功率因数、电磁干扰）大容量化（高效节能）小型微细化（应用领域高扩散性）主流厂商：美国：A－B，PacificScience，Danaher日本：三菱、安川、松下、FANUC欧洲：西门子、Indramat、CT国内：广州数控、华中数控、迈信、埃斯顿、南京高士达第二章现代交流伺服系统的基本特征提出问题5：现代交流伺服系统的体系结构和基本控制原理是什么样的？如何结合实际应用的要求认识和解决其基本控制实现问题？第一节高性能的交流伺服电动机提出问题6：控制对象的特征认识：伺服电动机的基本特点？

6、伺服电机有那些种类？各有什么特点？基础控制问题是什么？控制关键是什么？如何高速精确地实现电机的控制？伺服电机的基本特点：（1）体积小、重量轻、大转矩输出能力（2）较低的惯量（3）良好的控制性能以及发电制动能力（4）转矩脉动小主要分类：（1）直流伺服电机：依据电枢结构不同可分为多种，有杯型空心结构、无槽铁心结构、印刷绕组、有槽电枢结构优点：过载能力强、峰值电流承受能力强；大转矩惯量比，加速能力强，响应快；低速大转矩；调速范围宽；转子热容量大；控制简单。缺点：电刷问题可靠性较差；整流子限制高速、高压应用；转子热变形；惯量相对较大；控制原理：转速

7、∝电枢电压，电磁转矩∝电枢电流，电枢和磁场通过机械结构（电刷和整流子）保持自然的空间关系。（2）三相永磁同步伺服电机A，结构：定子：带有齿槽，内嵌绕组；转子：永磁材料构成（钐钴材料、铷铁硼材料）依据转子结构可分为：1）外装式（表面式）PMSM、BLDCM；中小容量，中低速；2）内装式，凸极特性，IPM，大容量、高速型B，磁势分布：正弦波和方波C．控制原理和关键技术控制速度反电动势和电流的相位关系同步――――矢量控制依据反馈元件描述的转子磁场的相位控制电流即机电配合―――磁场定向控制（3）三相异步伺服电机与普通异步电动机结构一样，但有特殊性如

8、低惯量、低发热、通风容易、高速化，大功率、高转速应用控制原理：更为复杂，核心是电流矢量分解为垂直的转矩分量和磁场分量，其实现关键是磁场相位和幅值信息的获得，估算观测或直接获得，基