伺服原及运动控制介绍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第单元：伺服基本原理第一单元：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、概述一、概述1、什么是运动控制系统什是制系以运动为控制目标的自动控制系统⏹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；备的控制⏹应用领域⏹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⏹军用：武器控制，如导弹火炮；⏹狭义地讲，就是伺服控制系统；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⏹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；控制装被控输入信号输出量装置对象–闭环控制：既有顺向作用又有反向联系。
闭环控制：既有顺向作用又有反向联系可以实现复杂而准确的控制。
是自然界中一切生物控制自身运动的基本规律也是切生物控制自身运动的基本规律，也是工程自动控制的基本方式。
闭环控制必定是一个负反馈控制4、分类独立运行的系统特点是不通用如数⏹独立运行的系统，特点是不通用，如数控、机器人及特种机械的控制；⏹基于PC的通用系统，其构成是PC＋运动控制卡＋驱动器；⏹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，字在C件可实系重构控制参整定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、关于线性系统什么是线性系统、关于线性系统1、什么是线性系统叠加性：()y f x=1212()()()f x x f x f x+=+齐次性()y f xKx Kf x==()()f x fyykx b=+-=y kxb kx6三、伺服控制系统1、何谓伺服？伺服也称随动用来控制被控对象的转角使⏹伺服也称随动，用来控制被控对象的转角使其能自动、连续、精确地复现输入指令的变化规律；化规律常制⏹通常是具有负反馈的闭环控制系统⏹对伺服控制系统的要求是稳、准、快发展历史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；执行元件直流电机到交流电机⏹执行元件：从直流电机到交流电机⏹直流电机：体积大、容量小、制造成本高、需要机械换装置维护困难；换向装置、维护困难⏹交流电机：结构简单可靠、维护少、无机械换向火花。
4、发展方向发展方向交流化；⏹⏹全数字化；⏹采用新型电力电子半导体器件；高⏹高度集成化；⏹智能化；⏹网络化。
四、伺服系统设计1、一般理解⏹位置；甲地乙地速度⏹速度；电流动⏹力—电流；力位置的变化是速度速度的变化是加速度（力）2、位置伺服控制系统位置伺服控制系统3、系统使用模式Aco s(A tωθ-⏹电流模式⏹电流放大器，无须换相()⏹力矩模式B C⏹电流模式+换相⏹速度模式⏹调速系统IdIq根据转子位置，产生与转⏹位置模式子磁场方向正交的合成磁场的过程称为换相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⏹内在性能（研发人员）⏹采样率、ADC位数、处理器位数⏹调节方式以及智能化程度五、相关概念1、系统的稳定性系定简言之受到扰动后不论扰动引起的偏差⏹简言之，受到扰动后，不论扰动引起的偏差有多大，当扰动消失后，系统都能以足够的准确度恢复到初始平衡状态；⏹开环系统必然是稳定系统；稳定的闭环系统必然是一个负反馈系统⏹稳定的闭环系统必然是一个负反馈系统；性有关20 10-202、调节器（校正单元）调节器单根据系统的开环传递函数设计相应的⏹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；调节模糊控制⏹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。
取横坐标为，不同阻尼比值下的二阶系统单位阶跃响应t ω取横标为不同阻尼值下的阶系统单位阶跃响应曲线族如图所示：n ζ从图可见从图可见：（１）越小，振荡越厉害，当增大到１以后，曲线变为单调上升。
ζζ~=（２）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。
8.05.0ζ•二阶系统暂态响应的性能指标r 0值有多个，按定义，其中最小的值是•结论根据值的大小以间接判断个阶系统的暂态特性值的大小可以间接判断一个二阶系统的暂态特性．ζa.，单位阶跃响应为单调曲线，没有超调和振荡，但调整时间较长系统反应迟缓1>ζ但调整时间较长，系统反应迟缓．b 响应为单调曲线调整时间比的情况短b.，响应为单调曲线，调整时间比的情况短．c.，输出为等幅振荡，系统不能稳定工作。
=1=ζ1>ζ，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状态下，0ζ10<<ζζ=0.707较好．信号滤波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）⏹Infinite or Finite Impulse Response-10101010六、小结主要是基本概念的现代伺服控制系统⏹•涉及多个学科介绍⏹现状；–电力电子–⏹线性系统；信号处理–自动控制⏹三环设计；⏹稳定性；–数字及模拟电路–计算机⏹滤波–网络通信第单元：伺服运动控制系统第二单元：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。
变频电机是一种感应电机件变频电机：变频电机是种感应电机，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上的角位移或角速度输出。
步进电机的特点（）步进电机的特点（一）用脉冲量控制一般用于点位控制⏹用脉冲量控制，一般用于点位控制；⏹开环控制没有反馈，存在丢步的可能；⏹低速时易出现低频振动现象；输出力矩随转速升高而下降且在较高转速时⏹输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，容易出现堵转现象，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。
工作转速般在步进电机的特点（二）步进电机的特点（）过载能力差一般没有过载能力在选型时为⏹过载能力差：一般没有过载能力，在选型时为了克服惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机；⏹响应速度慢：步进电机从静止加速到工作转速响应速度慢步进电机从静加速到作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒成本低100200w 多元一套⏹成本低，100-200w 的步进电机200多元，一套也就400-500元；变频电机的特点主要用途是调速⏹主要用途是调速；⏹主要功能是实现无级和可设定的多级变速；⏹可在开环和闭环状态下进行控制；闭环状态下的控制精度不高在速度控制和力⏹闭环状态下的控制精度不高，在速度控制和力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；伺服电机的特点采用闭环控制控制精度高⏹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；元一套；⏹成本较高，至少也要约3000元套；伺服系统的实例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⏹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⏹…伺服电机的主要技术参数（）伺服电机的主要技术参数（一）功率（单位⏹功率：（单位：W，KW）100、200、400、600、1KW…⏹持续电流Ic：（单位：A）单位⏹峰值电流Ip：（单位：A）⏹反电动势：（单位:V/千转/分钟）相间阻单位⏹相间电阻：（单位：Ω）伺服电机的主要技术参数（）伺服电机的主要技术参数（二）持续扭矩（推力）（单位:N m⏹持续扭矩（推力）：（单位:N.m）⏹峰值扭矩（推力）：（单位:N.m）⏹动子转动惯量（质量）：（单位:N.m）⏹法兰尺寸：（单位：mm）43、57、87等编码的线数线脉冲⏹编码器的线数：2500=10000。