伺服控制系统(设计).pdf

第一章伺服系统概述

伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。在伺服系统中，输出量
能够自动、快速、准确地跟随输入量的变化，因此又称之为随动系统或自动跟踪
系统。机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。
近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材
料技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发
展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步电机、感应电
机为伺服电机的新一代交流伺服系统。
目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，
而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、
办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性制造系统
以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。

1.1伺服系统的基本概念

1.1.1伺服系统的定义

“伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来
之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控
制信号消失之后，被控对象应自行停止。
伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等
处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵活方便的控制。

1.1.2伺服系统的组成

伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。它由检测部分、误差放大部分、
部分及被控对象组成。
1.1.3伺服系统性能的基本要求

1）精度高。伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。
2）稳定性好。稳定是指系统在给定输入或外界干扰的作用下，能在短暂的
调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。
3）快速响应。响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的
跟踪精度。
4）调速范围宽。调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低
转速之比。
5）低速大转矩。在伺服控制系统中，通常要求在低速时为恒转矩控制，电
机能够提供较大的输出转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出
功率。
6）能够频繁的启动、制动以及正反转切换。

1.1.4伺服系统的种类

伺服系统按照伺服驱动机的不同可分为电气式、液压式和气动式三种；按
照功能的不同可分为计量伺服和功率伺服系统，模拟伺服和功率伺服系统，位置
伺服、速度伺服和加速度伺服系统等。
电器伺服系统根据电气信号可分为直流伺服系统和交流伺服系统两大类。交流伺
服系统又有感应电机伺服系统和永磁同步电机伺服系统两种。

1.2伺服系统的发展过程

伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程，电器伺服系统的发展则与伺服
电机的不同发展阶段具有紧密的联系，伺服电机至今已有50多年的发展历史，
经历了三个主要发展阶段。
第一发展阶段（20世纪60年代以前）：此阶段是以步进电动机驱动的液压
伺服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位置控制多为
开环控制。这一时期是液压伺服系统系统的全盛期。液压伺服系统能够传递巨大
的转矩，控制简单，可靠性高，在整个速度范围内保持恒定的转矩输出，主要应
用在重型设备和一些关键场合，比如机场设备。但它也存在一些缺点，例如发热
大、效率低、易污染环境、不易维修等。
第二个发展阶段（20世纪60至70年代）：这一阶段是直流伺服电机的诞生
和全胜发展时代，由于直流电机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用
了直流电机，伺服系统的位置控制也由开环控制系统发展成为闭环系统。但是，
直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易
发热，影响了与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，
换向器成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。由于人们通过材料和工艺的改进来尽
量提高直流伺服的生命力，因此直流伺服电机仍将在相当长的时间内得到应用，
只是市场份额预计会持续下降。
第三发展阶段（20世纪80年代至今）：这一阶段是以机电一体化时代作为
时代背景的。由于伺服电机结构及永磁材料、半导体功率器件技术、控制技术的
突破性进展，出现了无刷直流伺服电机（方波驱动）、交流伺服电机（正弦波驱
动）、矢量控制的感应电机和开关磁阻电机等新型电机。尤其是80年代以来，矢
量控制技术的不断成熟，极大地推动了交流伺服驱动技术的发展，是交流伺服驱
动系统的性能可以与直流伺服系统媲美。伺服驱动装置经历了模拟式——数字模
拟混合式——全数字化的发展。伺服系统控制器的实现方式在数字控制中也在由
硬件方式向着软件方式发展；在软件方式中也是从伺服系统的外环向内环、进而
向接近电动机环路的更深层发展。
交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的
各种缺点，过载能力强和转动惯量低体现出了交流伺服系统的优越性。交流伺服
系统