chapt+11+位置伺服系统

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1、第11章位置伺服系统内容提要本章第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）。从狭义上而言，对于被控制量（

2、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传感器θmniR(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）图11-1所示的伺服系统由以下5大部分组成：传动机构和工作机械伺服电机伺服驱动器控制器传感器伺服电机与伺服驱动器伺服电机是伺服系

3、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）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（对于交流伺服电机），控制伺服电机的转矩和转速，满足伺服系统的要求。

4、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b)eG(s)F(s)G2(s)G1(s)F(s)a)B(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

5、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按位置伺服系统中元件或环节的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类按位置反馈信

6、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全闭环位置伺服控制系统按执行元件（伺服电动机）的功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50～500w之间）；大功率位置伺服系统（执行元件输出功率在

7、500w以上）。11.2位置伺服系统的控制结构及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ωPWM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直流伺服系统广义被控对象动态结构图图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）b)传动装置（减速器

8、）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；