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1、2019/9/6,No.1/62,电气传动控制系统 Electrical Drive Control System,伺服系统,自动化专业、电气工程专业选修课,2019/9/6,No.2/62,第六章 伺服系统,2019/9/6,No.3/62,前 言,伺服（Servo）意味着“伺候”和“服从”。 广义的伺服系统是精确地跟踪或复现某个给定过程的控制系统，也可称作随动系统。 狹义伺服系统又称位置随动系统，其被控制量（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）作任意变化时，系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化。,2019/9/6,No.4/62,概 述,伺服系
2、统的功能是使输出快速而准确地复现给定，对伺服系统具有如下的基本要求：,稳定性好 伺服系统在给定输入和外界干扰下，能在短暂的过渡过程后，达到新的平衡状态，或者恢复到原先的平衡状态。,精度高 伺服系统的精度是指输出量跟随给定值的精确程度，如精密加工的数控机床，要求很高的定位精度。,动态响应快 动态响应是伺服系统重要的动态性能指标，要求系统对给定的跟随速度足够快、超调小，甚至要求无超调。,抗扰动能力强 在各种扰动作用时，系统输出动态变化小，恢复时间快，振荡次数少，甚至要求无振荡。,2019/9/6,No.5/62,伺服系统的特征,必须具备高精度的传感器，能准确地给出输出量的电信号。 功率放大器以及控
3、制系统都必须是可逆的。 足够大的调速范围及足够强的低速带载性能。 快速的响应能力和较强的抗干扰能力。,2019/9/6,No.6/62,伺服系统的组成,伺服系统由伺服电动机、功率驱动器、控制器和传感器四大部分组成。 除了位置传感器外，可能还需要电压、电流和速度传感器。,图9-1 位置伺服系统结构示意图 A）开环系统 b）半闭环系统 c）全闭环系统,2019/9/6,No.7/62,伺服系统的组成,旋转编码器,图9-2 绝对值式编码器的码盘 a) 二进制码盘 b)循环码码盘,2019/9/6,No.8/62,伺服系统的性能指标,伺服系统的实际位置与目标值之间的误差，称作系统的稳态跟踪误差。 由系
4、统结构和参数决定的稳态跟踪误差可分为两类：检测误差与系统误差。 伺服系统在动态调节过程中性能指标称为动态性能指标，如超调量、跟随速度及时间、调节时间、振荡次数、抗扰动能力等。,2019/9/6,No.9/62,伺服系统的性能指标,图9-4 位置伺服系统的典型输入信号 a）位置阶跃输入 b）速度输入 c）加速度输入,2019/9/6,No.10/62,伺服系统的性能指标,伺服系统在三种单位输入信号的作用下给定稳态误差：,2019/9/6,No.11/62,伺服系统的动态结构图,图9-3 线性位置伺服系统一般动态结构图,2019/9/6,No.12/62,第六章 伺服系统,2019/9/6,No.
5、13/62,概 述,根据伺服电动机的种类，伺服系统可分为直流和交流两大类。 伺服系统控制对象包括伺服电动机、驱动装置和机械传动机构。,2019/9/6,No.14/62,直流伺服系统控制对象的数学模型,直流伺服系统的执行元件为直流伺服电动机，中、小功率的伺服系统采用直流永磁伺服电动机，当功率较大时，也可采用电励磁的直流伺服电动机。 直流无刷电动机与直流电动机有相同的控制特性，也可归入直流伺服系统。,2019/9/6,No.15/62,直流伺服系统控制对象的数学模型,直流伺服电动机的状态方程 机械传动机构的状态方程,Id：电枢电流 R：包括驱动器内阻的电枢回路电阻 L：电枢回路电感,2019/9
6、/6,No.16/62,直流伺服系统控制对象的数学模型,驱动装置的近似等效传递函数 状态方程,2019/9/6,No.17/62,直流伺服系统控制对象的数学模型,控制对象的数学模型,2019/9/6,No.18/62,直流伺服系统控制对象的数学模型,图9-5 直流伺服系统控制对象结构图,2019/9/6,No.19/62,直流伺服系统控制对象的数学模型,采用电流闭环后，电流环的等效传递函数为惯性环节，故带有电流闭环控制的对象数学模型为,2019/9/6,No.20/62,直流伺服系统控制对象的数学模型,图9-6 带有电流闭环控制的对象结构图,2019/9/6,No.21/62,交流伺服系统控制
7、对象的数学模型,用交流伺服电动机作为伺服系统的执行电动机，称作交流伺服系统。 常用的交流伺服电动机有三相异步电动机、永磁式同步电动机和磁阻式步进电动机等，也可用电励磁的同步伺服电动机。 无论是异步电动机，还是同步电动机，经过矢量变换、磁链定向和电流闭环控制均可等效为电流控制的直流电动机。,2019/9/6,No.22/62,交流伺服系统控制对象的数学模型,异步电动机按转子磁链定向的数学模型为,2019/9/6,No.23/62,交流伺服系统控制对象的数学模型,采用电流闭环控制后，对象的数学模型为,2019/9/6,No.24/62,交流伺服系统控制对象的数学模型,CT 为包含磁链作用在内的转矩
8、系数，电流转矩分量相当于直流电动机的电枢电流，电流闭环控制的交流伺服电动机结构图与直流电动机相仿。 对于同步伺服电动机也可得到相同结论，不重复论述。,采用电流闭环控制后，交流伺服系统与直流伺服系统具有相同的控制对象数学模型。 称作在电流闭环控制下交、直流伺服系统控制对象的统一模型。 用相同的方法设计交流或直流伺服系统。,2019/9/6,No.25/62,第六章 伺服系统,2019/9/6,No.26/62,概 述,伺服系统的结构因系统的具体要求而异，对于闭环伺服控制系统，常用串联校正或并联校正方式进行动态性能的调整。 校正装置串联配置在前向通道的校正方式称为串联校正，一般把串联校正单元称作调
9、节器，所以又称为调节器校正。 若校正装置与前向通道并行，则称为并联校正；信号流向与前向通道相同时，称作前馈校正；信号流向与前向通道相反时，则称作反馈校正。,2019/9/6,No.27/62,调节器校正及其传递函数,常用的调节器有比例微分（PD）调节器、比例积分（PI）调节器以及比例积分微分（PID）调节器，设计中可根据实际伺服系统的特征进行选择。,2019/9/6,No.28/62,PD 调节器校正,在系统的前向通道上串联 PD 调节器校正装置，可以使相位超前，以抵消惯性环节和积分环节使相位滞后而产生的不良后果。 PD 调节器的传递函数为,2019/9/6,No.29/62,PI 调节器校正
10、,如果系统的稳态性能满足要求，并有一定的稳定裕量，而稳态误差较大，则可以用 PI 调节器进行校正。 PI 调节器的传递函数为,2019/9/6,No.30/62,PID 调节器校正,将 PD 串联校正和 PI 串联校正联合使用，构成 PID 调节器。 如果合理设计则可以综合改善伺服系统的动态和静态特性。 PID 串联校正装置的传递函数为,2019/9/6,No.31/62,单环位置伺服系统,对于直流伺服电动机可以采用单位置环控制方式，直接设计位置调节器 APR。 为了避免在过渡过程中电流冲击过大，应采用电流截止反馈保护，或者选择允许过载倍数比较高的伺服电动机。,2019/9/6,No.32/6
11、2,单环位置伺服系统,图9-7 单环位置伺服系统 APR位置调节器 UPE驱动装置 SM直流伺服电动机 BQ位置传感器,2019/9/6,No.33/62,单环位置伺服系统,忽略负载转矩，直流伺服系统控制对象传递函数为 机电时间常数,2019/9/6,No.34/62,单环位置伺服系统,图9-8 直流伺服系统控制对象结构图,采用 PD 调节器，其传递函数为,2019/9/6,No.35/62,单环位置伺服系统,伺服系统开环传递函数 系统开环放大系数,2019/9/6,No.36/62,单环位置伺服系统,图9-9 单位置环控制直流伺服系统结构图,?,2019/9/6,No.37/62,单环位置伺
12、服系统,用系统的开环零点消去惯性时间常数最大的开环极点，以加快系统的响应过程。 系统的开环传递函数,2019/9/6,No.38/62,单环位置伺服系统,伺服系统的闭环传递函数 闭环传递函数的特征方程式,2019/9/6,No.39/62,单环位置伺服系统,图9-10 单位置环伺服系统开环传递函数对数幅频特性,用 Routh 稳定判据，为保证系统稳定，须使:,2019/9/6,No.40/62,双环位置伺服系统,在电流闭环控制的基础上，设计位置调节器，构成位置伺服系统，位置调节器的输出限幅是电流的最大值。 以直流伺服系统为例，对于交流伺服系统也适用，只须对伺服电动机和驱动装置应作相应的改动。,
13、2019/9/6,No.41/62,双环位置伺服系统,图9-11 双环位置伺服系统,2019/9/6,No.42/62,双环位置伺服系统,忽略负载转矩时，带有电流闭环控制对象的传递函数为 为了消除负载扰动引起的静差，APR 选用 PI 调节器，其传递函数,2019/9/6,No.43/62,双环位置伺服系统,图9-12 双环位置伺服系统结构图,系统的开环传递函数为 系统的开环放大系数,2019/9/6,No.44/62,双环位置伺服系统,伺服系统的闭环传递函数为 特征方程式 特征方程式未出现 s 的二次项，由 Routh 稳定判据可知，系统不稳定。,2019/9/6,No.45/62,双环位置
14、伺服系统,将 APR 改用 PID 调节器，其传递函数 伺服系统的开环传递函数,2019/9/6,No.46/62,双环位置伺服系统,闭环传递函数 系统特征方程式,2019/9/6,No.47/62,双环位置伺服系统,由 Routh 稳定判据求得系统稳定的条件,图9-13 采用PID控制的双环控制伺服系统 开环传递函数对数幅频特性,2019/9/6,No.48/62,双环位置伺服系统,若 APR 仍采用 PI 调节器，可在位置反馈的基础上，再加上微分负反馈，即转速负反馈。,图9-14 带有微分负反馈的伺服系统,2019/9/6,No.49/62,双环位置伺服系统,图9-15 带有微分负反馈的伺
15、服系统结构图,2019/9/6,No.50/62,三环位置伺服系统,在调速系统的基础上，再设一个位置环，形成三环控制的位置伺服系统。,图9-16 三环位置伺服系统 APR位置调节器 ASR转速调节器 ACR电流调节器 BQ光电位置传感器 DSP数字转速信号形成环节,2019/9/6,No.51/62,三环位置伺服系统,直流转速闭环控制系统按典型 II 型系统设计，开环传递函数 矢量控制系统开环传递函数 两者结构相同。,2019/9/6,No.52/62,三环位置伺服系统,图9-17 直流转速环结构图,图9-18 矢量控制系统结构示意图,2019/9/6,No.53/62,三环位置伺服系统,图9
16、-19 位置环的控制对象结构图,图9-20 位置闭环控制结构图,2019/9/6,No.54/62,三环位置伺服系统,位置环控制对象的传递函数 开环传递函数,2019/9/6,No.55/62,三环位置伺服系统,给定输入为阶跃时，APR 选用 P 调节器就可实现稳态无静差，则系统的开环传递函数 开环放大系数,2019/9/6,No.56/62,三环位置伺服系统,伺服系统的闭环传递函数 特征方程式,2019/9/6,No.57/62,三环位置伺服系统,用 Routh 稳定判据，可求得系统的稳定条件,2019/9/6,No.58/62,复合控制的伺服系统,为了提高随动性能，从给定信号直接引出开环的前馈控制，和闭环的反馈控制一起，构成复合控制系统,图9-21 复合控制位置伺服系统的结构原理图,2019/9/6,No.59/62,复合控制的伺服系统,前馈控制器的传递函数选为 得到,2019/9/6,No.60/62,复合控制的伺服系统,理想的复合控制随动系统的输出量能够完全复现给定输入量，其稳态和动态的给定误差都为零。 系统对给定
