46
伺服系统的实例
47
为什么用伺服
总体是说就是对运动控制特性的更高追求，促 使用户选用伺服系统
高精度的要求 响应速度的要求 平稳性的要求 …
48
伺服电机的主要技术参数（一）
功率：（单位：W，KW）100、200、 400、600、1KW…
持续电流Ic：（单位：A） 峰值电流Ip：（单位：A） 反电动势：（单位:V/千转/分钟） 相间电阻：（单位：Ω）
民用：自动封装、机械制造、航空航天、交通运输、石油 化工、家用电器；
军用：武器控制，如导弹火炮；
狭义地讲，就是伺服控制系统；
3
2、为什么会产生运动控制系统
现实需求：如减轻劳动强度、提高生产效率、 探索自然奥秘；
相关技术的进步：如电力电子、计算机、微 处理器；
3、控制方式
开环控制：控制过程只有顺向作用而没有反 向联系，如步进马达控制；
W ( s ) K e j
• 当相位延迟180度时，系统变成正反馈； • 对于正反馈系统，当K小于1时系统依然稳定； • 可见，K与1的关系对于系统的稳定性具有决定
性的作用； • 由此，引出了增益裕度和相位裕度的概念。
增益（dB）
20
10
0
-10
-21001
102
103
104
100
相位（度）
2、基本功能组成
3、发展历史
控制方式：由模拟控制到数字控制； 功率驱动：50年代后期的晶闸管、70年代后期的
门极可关断晶闸管(GTO)、电力双极型晶体管 （BJT）、电力场效应管（Power-Mosfet）、80 年代后期出现的绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）、 目前开始广泛应用的IPM； 执行元件：从直流电机到交流电机
b. 1，响应为单调曲线，调整时间比 1的情况短．
c. 0，输出为等幅振荡，系统不能稳定工作。
d. 一般希望二阶系统工作在欠阻尼 0 1状态下，
=0.707较好．
4、信号滤波
为什么要滤波
信号可以看成是不同频率的正弦信号的叠加
周期性信号 非周期性信号 噪声：白噪声、色噪声
滤波就是滤除不需要的频率分量 应用极其广泛
分类
IIR、FIR（Infinite or Finite Impulse Response）
N
M
Y (n) a(i) y(n i) b(i)x(n i)
i1
i0
低通、高通、带通、带阻（陷波）
滤波器的设计方法
102
103
104
0
-50
-100
-150
101
102
103
104
频率(Hz，对数坐标)
相位（度）
六、小结
主要是基本概念的 介绍
现状； 线性系统； 三环设计； 稳定性； 滤波
• 现代伺服控制系统 涉及多个学科
– 电力电子 – 信号处理 – 自动控制 – 数字及模拟电路 – 计算机 – 网络通信
X ( ) x (t )e jt dt
y (t ) x ( )h (t )dt
Y (s) X (s) H (s)
4、冲击响应
5、阶跃响应
6、频率响应：输出的幅度和相位随输入正 弦波频率的变化规律
6、系统阶数
传递函数的极点 H (s) 1
1 2 ), t 0
（＊）
•上升时间 tr
在暂态过程中，第一次达到稳态值的时间．
0
•峰值时间 t p
响应由零上升到第一个峰值所需的时间．
0
•最大超调量 M p 最大超调量发生在 t t p 时刻，
0， M p 100 %
1， M p 0
0
•调整时间 ts
晰；
C (s)
k1k 2
R (s) s 2 s k1k 2
R(s)

k1
s 1
k2
C(s)
s
k1k 2


s 2 1 s k1k2





2 n
s ( s 2 n )
令
k1k 2



2 n
,
1


2 n ,
则
C (s)

2 n
R (s)
s2

0
-100
-200
101
102
103
104
频率(Hz，对数坐标)
相位裕度：当增益为1（0dB）时，相位延迟距180 度的距离，一般要求大于45度；
增益裕度：当相位延迟为180度时，增益的倒数， 一般要求大于10dB；
2、调节器（校正单元）
根据系统的开环传递函数，设计相应的 调节器，使伺服控制系统的指标达到设 计要求；
给定位置
DSP
输入处理、 位置调节、 速度调节、 电流调节
驱动电路
执行马达 + 负载
反馈信号检测电路
3、系统使用模式
A
电流模式
A cos( t )
电流放大器相
B
C
速度模式
调速系统
位置模式
Iq
Id
根据转子位置，产生与转
子磁场方向正交的合成磁
伺服原理及运动控制介绍
北京慧摩森电子系统技术有限公司 秦皇岛海纳科技开发有限公司
1
第一单元：伺服基本原理
概述 线性系统 伺服控制系统 三环设计 相关概念
2
一、概述
1、什么是运动控制系统
以运动为控制目标的自动控制系统； 为此，它要解决两个问题：动力的传输，机器与设
备的控制； 应用领域
场的过程称为换相
4、系统模型
G(s)
H (s)
G(s)——调节器，可变 H(s)——开环传递函数（系统固有），不可变
G(s)与H(s)相匹配，才能获得理想的 性能
5、系统性能
外在表现（市场营销人员）
精度、分辨率、控制带宽 容量（出力）、动态范围 辅助功能（易用性） 可靠性、安全性
智能系统，其本质是以DSP为核心的全数 字驱动器。在PC上位机软件的辅助下， 可以实现系统的重构、控制参数的整定、 控制策略的更改，使系统能够适应控制 需求的变化。
二、关于线性系统
1、什么是线性系统
叠加性：
y

f
(x)
f (x1 x2) f (x1) f (x2)
齐次性 y f (x) f (Kx) Kf (x)
第二单元：伺服运动控制系统
电机简介 伺服驱动简介 伺服驱动功能简介 伺服选型
41
电机种类
步进电机：步进电机是将电脉冲信号
转变为角位移或线位移的开环控制元步进 电机件。
变频电机：变频电机是一种感应电
机，通过调整电机的供电频率实现电机 转速的调整。
伺服电机：伺服电动机又称执行电
动机，在自动控制系统中，用作执行元 件，把所收到的电信号转换成电动机轴 上的角位移或角速度输出。
PID调节、模糊控制 是控制系统设计研发的永恒主题； 是控制系统中，最需要理论与工程经验
相结合的部分。
3、二阶系统的阶跃响应
为什么研究二阶系统
二阶系统时域响应已经很成熟，其响应特性常被视为一种基准； 能够满足实际需求，高阶系统可以用二阶系统近似； 高阶系统响应的解析表达式较为复杂，相应的物理意义还不够清
2
ns


2 n
上式为典型二阶系统的传递函数。
——阻尼比或衰减系数
n ——无阻尼自然振荡角频率
取横坐标为 nt ，不同阻尼比 值下的二阶系统单位阶跃响应
曲线族如图所示：
从图可见：
（１） 越小，振荡越厉害，当 增大到１以后，曲线变为单调上升。
（２） 0.5 ~ 0.8 之间时，欠阻尼系统比临界阻尼系统更快达到稳态值。 （３）在无振荡时，临界阻尼系统具有最快的响应。 （４）过阻尼系统过渡过程时间长。
频域法
时域法
滤波器举例：一阶巴特沃斯 滤波器
H (s) 1 1 Ts
y(n) y(n 1) x(n)
实际信号处理中常用的一 种滤波器
dB
0
-10
-20
-3100-2
10-1
100
101
0
?
-50
增益（dB）
-100
10-2
10-1
100
101
5
0
-5
-10
101
矩控制的场合要求不高的场合使用； 可实现大功率，变频器可以做到几千KW，甚
至上万KW ； 成本较低，小功率变频价格1000多元；
45
伺服电机的特点
采用闭环控制，控制精度高； 响应快，空或轻载情况下，200W以下的伺服
电机速度环带宽可达500-1000Hz； 伺服电机可实现高转速下的高扭矩； 过载能力强，一般具有2-3倍的过载能力； 允许平稳，有共振点抑制功能； 成本较高，至少也要约3000元一套；
速度；
动
力—电流；
力
位置的变化是速度 速度的变化是加速度（力）
2、位置伺服控制系统 的三环设计
给定位置
位置调节 Vd (PID)
位置检测
速度调节 Id (PI)
速度检测
电流调节 (PI)
驱动+马达 （负载）
电流检测
由内而外，电流环、速度环、位置环 ，内环决定外环的性能
伺服控制系统的数字化