现代交流伺服系统 课件 第1章 伺服系统概述

第1章伺服系统概述

内容提要1.1伺服系统的基本概念1.2对伺服系统的基本要求1.3伺服系统的分类1.4伺服系统的发展历程1.5交流伺服电动机与直流伺服电动机的综合比较1.6交流永磁伺服系统简介1.7伺服系统的典型输入信号伺服系统概述1伺服系统概述

随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、自动控制技术、新材料技术和新工艺的不断进步，当代伺服技术的发展已经达到相当高的水平。2

伺服技术的应用遍及各个领域，例如绕地飞行和高空探测的各类卫星，地面上飞驰的高速列车，在海上游弋的万吨邮轮和舰船，军事上的导弹发射架的天线驱动，特定环境下完成特殊任务的各类机器人，各种办公室自动化设备等。3伺服系统概述1.1伺服系统的基本概念内容提要1.1.1伺服系统的定义1.1.2伺服系统发展回顾1.1.3伺服系统的组成41.1.1伺服系统的定义在自动控制系统中，被控对象的输出量能够以一定速度和足够的精度跟踪输入量的变化且复现输入量的系统，称为随动系统，也叫伺服系统。被控量可能是气体或液体的压力、流速、流量或温度等过程控制变量。这种由动力及传感器所组成的负反馈闭环系统称为伺服机构，即伺服系统。51.1.2伺服系统发展回顾

“伺服”一词是英文servo的音译，它源于拉丁文servus，意为奴隶之意，奴隶必须无条件地服从主人的命令，从事繁重的体力劳动。从这里可以体会到“伺服”一词的寓意。后来，这个社会学中的名词被引申到工程技术领域中。1866年英国工程师罗伯特·怀特黑德发明了鱼雷，第一次用压缩空气做动力驱动鱼雷在水下运动击中水上目标。罗伯特·怀特黑德鱼雷下水准备中61868年，法国工程师法尔科发明了反馈调节器，又把它与蒸汽机阀连接起来操作蒸汽船的船舵，被称为伺服机构。在总结前人的经验基础上，美国人黑曾于1934年发表了《关于伺服机构理论》的论文，促进了经典控制理论的诞生。第二次世界大战不久，美国空军面临着研发新型飞机的任务，委托巴森兹公司与麻省理工学院的伺服机构研究所，在1951年研发出三坐标数控铣床，用于加工复杂的飞机叶片。法尔科飞机叶片71.1.2伺服系统发展回顾1952年巴森兹公司的福雷斯特等人向美国专利局申请了“数控伺服机构”的专利，历经十年的考核，终于在1962年得到批准。这件事情震动了国际数控界。“伺服机构”专利的重要性由此可见一斑。

此后，由于经济发展和国防空间技术发展的需要，伺服技术得到了突飞猛进的发展，新产品层出不穷，理论也越来越成熟，尤其是日本和德国在数控机床的制造和应用上达到了国际领先水平。81.1.2伺服系统发展回顾1.1.3伺服系统的组成

伺服系统应用场合千差万别，其系统的组成环节各异。但是伺服系统作为一种自动控制系统都有大致相同的结构和组成环节。如图1-1所示，它表示的是一般化的伺服系统的各功能环节及其组成的系统原理图。图1-1伺服系统的一般结构91.1.3伺服系统的组成

图1-1伺服系统的一般结构101.1.3伺服系统的组成（6）执行环节（执行机构）：控制信号获得功率放大后，激励被控机械对象使其被控的输出量产生出应有的变化；（7）被控对象：是伺服控制系统所要控制的设备运动或生产过程动作，这些运动或动作称为伺服系统的被控对象；（8）扰动：除给定的输入信号外，能使被控量偏离给定输入信号的要求值或规律地来自系统内部或外部的一种与给定信号要求相左的物理量，都称为扰动。图1-1伺服系统的一般结构11内容提要1.2.1稳定性好1.2.2动态特性快速精准1.2.3稳态特性平稳无静差1.2对伺服系统的基本要求121.2对伺服系统的基本要求

一般来说，可根据各种形式的被控量。实际上，在绝大多数情况下，一些非常重要的伺服机构都是机电式的。因为伺服机构的重要目的是用电动机和齿轮箱（机械变速箱）来确定受控物体的位置，所以伺服机构就是伺服系统，又称为随动系统。

各类伺服系统广泛应用于工业、国防武器、空间技术与科学实验中。由于被控对象不同，工作要求不同，对伺服系统的具体要求也千差万别，要针对实际要求具体对待。但是，对伺服系统来讲，普遍存在着一些共同的要求。为了说明这些普遍要求，需要充分认识伺服系统的输入输出过程。131.2.1稳定性好

稳定性是指伺服系统在给定输入信号或外界干扰信号作用下，经由暂短调节过程后，系统的输出量到达一个新的或恢复到原来的平衡状态。

实际系统中都存在集中性或分布性的电感与电容。而电感中的电流、电容上的电压都是不能跃变的；更何况电机本身与其轴上所驱动的机械负载装置具有更大的机械惯性、电磁惯性与其串行叠加，更加大了惯性的作用。在电源所提供的功率强度有限情况下，输出量不可能在瞬间达到给定信号的期望值；抑制干扰信号也需要一个暂短的抵制与恢复过程，才能使输出达到或恢复原过程，这一过程，被称为过渡过程或动态过程。14

稳定性反应了动态过程的振荡倾向和系统重新恢复到平衡状态工作的能力。如果系统受到扰动后偏离了原工作状态，而控制装置再也不能使系统恢复到原状态，并且越来越偏离原状态，并且误差越来越大，以至到∞，如图1-2中的过程曲线③所示。这样的系统就称为不稳定系统。

不稳定系统在一般的情况下完全是由该系统的结构和参数决定，这是系统的本质特性，通常与外界的正常输入信号无关。常用的输入信号函数在具有较高阶导数情况下，这个输入函数和控制对象的结构与参数配合不适当时，也可使系统变成不稳定的。

系统稳定是系统正常工作的前提条件，要有一定的裕量范围内能抵抗扰动和参数变化的能力，所谓的鲁棒性。图1-2系统的动态过程151.2.1稳定性好

动态特性反应在动态过程中，对给定信号的响应，如果响应过程持续时间长，将使系统长时间内出现较大偏差，这种系统在跟踪上显得迟钝，难以复现快速变化的指令信号，就认为是动态过程中伺服系统的跟踪性不好，如图1-2的响应曲线①所示。

要求既快又稳，还要折中处理，在保证良好稳定性的前提下，要尽可能实现快速，同时在动态响应过程中，被控制量与给定量的偏差尽量小，而且偏差存在的时间短，即系统的动态精度高。如图1-2所示的曲线④所示。1.2.2动态特性快速精准图1-2系统的动态过程161.2.3

稳态特性平稳无静差

跟随给定信号的过渡过程的结束到达一个新的平衡状态后，或者系统受扰动重新恢复到平衡之后，最终保持的精度，反映了动态响应过程结束后的稳态特性。对稳态特性的主要要求是被控量与给定量的偏差越来越小，理想的情况是偏差为零。

由于被控对象与控制目的要求不同，因而对系统的动态特性和稳态特性要求亦不同。快、稳、准三项要求相互制约，往往产生矛盾。具体设计伺服系统时，要抓住主要要求，兼顾其他，又要考虑经济效益成本等诸多方面。基本要求要满足，不可脱离要求实际，单纯追求高指标，要适可而止。171.3伺服系统的分类内容提要1.3.1按调节理论分类1.3.2按使用执行元件分类1.3.3按系统信号特点分类1.3.4按系统部件输入-输出特性不同分类181.3.1按调节理论分类（1）开环伺服系统

这是一种简单的伺服系统，没有被控系统输出量的检测与反馈。最典型的开环系统是执行元件操作用步进电机的伺服系统。开环伺服系统因其结构简单，成本低廉的特点，应用领域广阔。（2）闭环伺服系统

闭环伺服系统把输出量检测后反馈到系统的输入端，与输入信号进行比较得到差值，该差值经过放大和变换后驱动执行元件使输出向减小误差的方向变化，直到误差等于零为止。在这类系统中，给定信号和最终输出信号共同参与控制，最终的输出量精度显著提高，误差大为减小。但如果闭环系统内各个环节的参数匹配不好，将会引起系统振荡，甚至使稳定性遭到破坏。一般说来，闭环伺服系统控制性能好，但调试复杂，成本也相对较高，适用于高性能要求高的应用场合。19（3）半闭环伺服系统

半闭环伺服系统主要用在系统最终端输出量不易测量的场合。而选择在最终端输出量之前的某一个适当位置上取得反馈信号，但要求这个反馈信号与最终端的输出信号之间具有简单精准的对应关系。实际上是一种闭环系统，只是检测点位置没有设在最终端而已，半闭环系统也存在着稳定性问题。这种系统的性能介于开环系统和闭环系统之间，但却能给实际工作带来很大便利，因此得到了广泛使用。

半闭环伺服系统的不足之处在于不能补偿半闭环检测点到最终输出量之间传导误差，因为半闭环检测点与最终输出量间的这一传递过程是在闭环之外，未被包围在闭环之内。1.3.1按调节理论分类201.3.2按使用执行元件分类

在伺服技术不同的时期，先后出现了不同的执行元件。按所用执行元件的不同，构成了不同类型的伺服系统。（1）气压伺服系统：最初以压缩空气为动力，推进水中的负载-鱼雷螺旋桨；（2）电-气伺服系统：系统的误差检测与前置放大部分采用电气技术，而执行元件却是气动的；（3）电-液伺服系统：系统的误差检测与前置放大部分是电气的，而系统的功率放大与执行元件是液压的；（4）液压伺服系统：系统的误差，检测放大与执行全是由液压元件实现的系统；（5）电动伺服系统：组成系统的元件除了机械部分之外，均是由电子-电磁元件组成，而执行元件是由各种类型的电动机完成。根据电动机的不同类型大体上可分为两大类。211.3.3按系统信号特点分类1）连续伺服系统：

系统传递的电信号都是时间的连续函数，而不是离散的，称该系统为连续伺服系统，通常也称模拟伺服系统。2）数字伺服系统：

系统中至少有一处传递的电信号是时间断续的、离散的脉冲数字信号，则称为数字伺服系统，通常也称为采样系统或离散伺服系统。221.3.4按系统部件输入-输出特性不同分类1）线性伺服系统：

系统的各部件的输入-输出特性在正常工作范围内呈线性关系，描述这种系统的微分运动方程是线性微分方程，如方程的系数是常数，则称为定常线性伺服系统；若微分方程方程的系数不是常数而是时间的函数，则称为变系数线性伺服系统。2）非线性伺服系统：

系统中含有输入-输出的特性是非线性部件，描述这种系统特性的是非线性微分方程，对非线性系统的处理比较困难，需根据情况而定。实际上，任何伺服系统都具有一定的非线性因素存在，因为该系统的组成元部件总是存在一定的死区或饱和等现象。231.4伺服系统的发展历程

近代伺服系统的发展经历了液压到电动的过程，作为执行元件的伺服电动机在很大程度上决定了伺服系统的性能优劣。伺服电动机的发展历史，主要经历了三个阶段。（1）第一阶段（20世纪60年代之前）此阶段主要是以步进电机驱动的液压伺服马达，稍后以功率步进电动机直接驱动为中心的步进电机时代。液压伺服系统具有巨大驱动扭矩，控制简单，可靠性高，在整个速度范围内保持恒转矩输出，主要应用在重型设备和一些关键场合。它的主要缺点是需要清洁能源，易污染环境，效率低，维护麻烦。液压伺服马达液压公司241.4伺服系统的发展历程（2）第二阶段（20世纪60-70年代）

这一时期是直流伺服电动机，由于直流伺服电动机具有十分优良的调速性能。由步进电动机为主的开环系统发展而成了以大惯量直流电动机为主的闭环伺服系统。虽然电动机的惯量增加很大，但惯量大，对于防噪声干扰、环境振动都有鲁棒性。但是，直流伺服电动机存在固有缺点，就是存在着机械换向器和电刷，结构复杂，增加了维护的麻烦，长期运转的可靠性降低，也不宜做高速运行，重载时电刷易于产生火花，影响到与之相连的精密传动部件——滚珠丝杠的精度，难以应用在高速大容量伺服系统中。直流伺服电动机25（3）第三阶段（20世纪80年代至今）

由于伺服电动机的结构及永磁材料、半导体功率器件、控制技术以及电动机运行机理的深入研究，随之出现了直流无刷电动机、交流伺服电动机、矢量控制感应伺服电动机、永磁同步交流伺服电动机等新型驱动形式。

矢量控制技术更加成熟，再加上微型计算机发展与普及，使交流伺服系统的性能达到和超过了直流伺服系统的水平。交流伺服电动机的无刷化和逆变器的高频化以及惯量的降低，坚固耐用，无需维护，使其独占鳌头。直流无刷电动机交流伺服电动机永磁同步交流伺服电动机1.4伺服系统的发展历程261.5交流伺服电动机与直流伺服电动机的综合比较

电气伺服系统技术在各领域应用最为广泛，其主要原因是由于伺服电动机控制方便、灵活，维护容易。

在电气伺服领域，按伺服系统的执行元件来分，主要有直流（DC）伺服电动机和交流（AC）伺服电动机两大类。直流电机伺服系统应用较早，对伺服技术的发展是不可逾越的一个阶段。随着

AC

伺服的发展，DC

伺服被逐渐取代。为当前和以后的应用选择起见，现将它们各自优缺点的综合比较列于表中。271.5交流伺服电动机与直流伺服电动机的综合比较

机种永磁同步型AC伺服电动机异步型AC伺服电动机DC伺服电动机比较内容电动机构造比较简单简单因有电刷和换向器，结构复杂变流机构P-MOSFET逆变器或IGBTP-MOSFET逆变器或IGBT

最大转矩约束永磁体去磁无特殊要求整流火花，永磁体退磁发热情况只有定子线圈发热，有利定、转子均发热，需采取措施转子发热，不利高速化比较容易容易稍有困难大容量化稍微困难容易难制动容易困难容易控制方法稍复杂复杂(矢量控制)简单磁通产生永磁体二次感应磁通永磁体感应电压电枢感应电压二次阻抗电压电枢感应电压环境适应性好好受火花限制维护性无无较麻烦281.6交流永磁伺服系统简介

为了对永磁交流伺服系统能有一个初步的认识，首先介绍它的组成框图，如图1-3所示。图1-3永磁同步电动机AC伺服系统的组成291.6交流永磁伺服系统简介

系统的执行元件是永磁交流同步伺服电动机，其结构如图1-4所示。永磁同步交流伺服电动机主要是由定子和转子两大部分组成，其结构是在转子上装有特殊形状的永磁体，用以产生恒定磁场，为提高伺服电动机性能提供了条件。电机的定子铁心上绕有三相电枢绕组，接在可控的变频电源上。1-检测器（旋转变压器）；2-永磁体；3-电枢铁心；4-电枢三相绕组；5-输出轴图1-4永磁同步伺服电动机的结构301.6交流永磁伺服系统简介

311.7伺服系统的典型输入信号

首先说明为什么要研究典型输入信号？1）实际伺服系统在工作中，可能遇到各种不同的输入信号，而这些信号的变化规律完全是不确定的，也不可能事先知道，因此往往不能采用解析方法。2）另外，伺服系统的性能不但与被控对象的特性有关，同时也与输入信号的形式相关。输入信号通过控制对象与控制器组成闭环系统得到输出的被控制量，所以研究输入信号的形式对输出是很重要的。3）在选择控制方案、设计与分析各种伺服系统的性能时，需要相互对比其性能的优劣，这就需要有一个比较的基准作为参考；而且根据伺服控制对象的需要，选择同一类型的输入信号才能做出比较与判断。4）实际的输入信号往往是一种或多种典型信号的组合。典型信号是可以用解析方法表达的时间函数，尽管与实际输入信号有一定的差别，但在输出性能的主要方面可以得到与实际系统相一致的结果。

综合各方面的情况来看，研究典型输入信号，并以此作为测试信号还是有特别意义的。32

典型输入信号有以下几种：1.

阶跃输入函数（stepinputfunction）

阶跃信号表示输入量的一种瞬变，如图1-5所示。其数学表达式为

图1-5阶跃输入函数1.7伺服系统的典型输入信号33

由分析可知，阶跃函数占有很宽的频带。阶跃作