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1、电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统*第第9章章伺服系统伺服系统 第第3篇篇 伺服系统伺服系统 l伺伺服服（Servo）意意味味着着“伺伺候候”和和“服从服从”。l广广义义的的伺伺服服系系统统是是精精确确地地跟跟踪踪或或复复现现某某个个给给定定过过程程的的控控制制系系统统，也也可可称作随动系统。称作随动系统。伺服系统伺服系统 l狹狹义义伺伺服服系系统统又又称称位位置置随随动动系系统统，其其被被控控制制量量（输输出出量量）是是负负载载机机械械空空间间位位置置的的线线位位移移或或角角位位移移，当当位位置置给给定定量量（输输入入量量）作作任任意意变变化化时时，系系统统的
2、的主主要要任任务务是是使使输输出出量量快快速速而而准确地复现给定量的变化。准确地复现给定量的变化。内内 容容 提提 要要n伺服系统的特征及组成伺服系统的特征及组成n伺服系统控制对象的数学模型伺服系统控制对象的数学模型n伺服系统的设计伺服系统的设计9.1伺服系统的特征及组成伺服系统的特征及组成l伺服系统的功能是使输出快速而准确地复伺服系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：现给定，对伺服系统具有如下的基本要求：(1)稳定性好稳定性好 伺服系统在给定输入和外界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，达到新干扰下，能在短暂的过渡过程后，达到新的平衡状态，或
3、者恢复到原先的平衡状态。的平衡状态，或者恢复到原先的平衡状态。9.1.1伺服系统的基本要求伺服系统的基本要求及特征及特征(2)精度高精度高 伺服系统的精度是指输出量跟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。机床，要求很高的定位精度。(3)动态响应快动态响应快 动态响应是伺服系统重要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。速度足够快、超调小，甚至要求无超调。9.1.1伺服系统的基本要求伺服系统的基本要求及特征及特征(4)抗扰
4、动能力强抗扰动能力强 在各种扰动作用时，系在各种扰动作用时，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。数少，甚至要求无振荡。伺服系统的特征伺服系统的特征l必须具备高精度的传感器，能准确地给出必须具备高精度的传感器，能准确地给出输出量的电信号。输出量的电信号。l功率放大器以及控制系统都必须是可逆的。功率放大器以及控制系统都必须是可逆的。l足够大的调速范围及足够强的低速带载性足够大的调速范围及足够强的低速带载性能。能。l快速的响应能力和较强的抗干扰能力。快速的响应能力和较强的抗干扰能力。9.1.2伺服系统的组成伺服系统的组成l伺伺服服系系统统由
5、由伺伺服服电电动动机机、功功率率驱驱动动器器、控控制器和传感器四大部分组成。制器和传感器四大部分组成。l除除了了位位置置传传感感器器外外，可可能能还还需需要要电电压压、电电流和速度传感器。流和速度传感器。9.1.2伺服系统的组成伺服系统的组成图图9-1 位置伺服系统结构示意图位置伺服系统结构示意图A）开环系统）开环系统 b）半闭环系统）半闭环系统 c）全闭环系统）全闭环系统9.1.2伺服系统的组成伺服系统的组成l伺伺服服系系统统由由伺伺服服电电动动机机、功功率率驱驱动动器器、控控制器和传感器四大部分组成。制器和传感器四大部分组成。图图9-2 绝对值式编码器的码盘绝对值式编码器的码盘a)二进制码
6、盘二进制码盘 b)循环码码盘循环码码盘9.1.3 伺服系统的性能指标伺服系统的性能指标图图9-3 线性位置伺服系统一般动态结构图线性位置伺服系统一般动态结构图9.1.3 伺服系统的性能指标伺服系统的性能指标l伺伺服服系系统统实实际际位位置置与与目目标标值值之之间间的的误误差差，称作系统的稳态跟踪误差。称作系统的稳态跟踪误差。l由由系系统统结结构构和和参参数数决决定定的的稳稳态态跟跟踪踪误误差差可可分分为为三三类类：位位置置误误差差、速速度度误误差差和和加加速速度度误差。误差。l伺伺服服系系统统在在动动态态调调节节过过程程中中性性能能指指标标称称为为动动态态性性能能指指标标，如如超超调调量量、跟
7、跟随随速速度度及及时时间、调节时间、振荡次数、抗扰动能力等。间、调节时间、振荡次数、抗扰动能力等。9.1.3 伺服系统的性能指标伺服系统的性能指标图图9-4 位置伺服系统的典型输入信号位置伺服系统的典型输入信号a）位置阶跃输入）位置阶跃输入 b）速度输入）速度输入 c）加速度输入）加速度输入9.1.3 伺服系统的性能指标伺服系统的性能指标l伺伺服服系系统统在在三三种种单单位位输输入入信信号号的的作作用用下下给给定稳态误差定稳态误差 9.2 伺服系统控制对象的数伺服系统控制对象的数学模型学模型l根根据据伺伺服服电电动动机机的的种种类类，伺伺服服系系统统可可分分为为直流和交流两大类。直流和交流两大
8、类。l伺伺服服系系统统控控制制对对象象包包括括伺伺服服电电动动机机、驱驱动动装置和机械传动机构。装置和机械传动机构。9.2.1 直流伺服系统控制对直流伺服系统控制对象的数学模型象的数学模型l直直流流伺伺服服系系统统的的执执行行元元件件为为直直流流伺伺服服电电动动机机，中中、小小功功率率的的伺伺服服系系统统采采用用直直流流永永磁磁伺伺服服电电动动机机，当当功功率率较较大大时时，也也可可采采用用电电励磁的直流伺服电动机。励磁的直流伺服电动机。l直直流流无无刷刷电电动动机机与与直直流流电电动动机机有有相相同同的的控控制特性，也可归入直流伺服系统。制特性，也可归入直流伺服系统。9.2.1 直流伺服系统
9、控制对直流伺服系统控制对象的数学模型象的数学模型l直流伺服电动机的状态方程直流伺服电动机的状态方程l机械传动机构的状态方程机械传动机构的状态方程 9.2.1 直流伺服系统控制对直流伺服系统控制对象的数学模型象的数学模型l驱动装置的近似等效传递函数驱动装置的近似等效传递函数l状态方程状态方程 9.2.1 直流伺服系统控制对直流伺服系统控制对象的数学模型象的数学模型l控制对象的数学模型控制对象的数学模型 9.2.1 直流伺服系统控制对直流伺服系统控制对象的数学模型象的数学模型图图9-5直流伺服系统控制对象结构图直流伺服系统控制对象结构图9.2.1 直流伺服系统控制对直流伺服系统控制对象的数学模型象
10、的数学模型l采采用用电电流流闭闭环环后后，电电流流环环的的等等效效传传递递函函数数为为惯惯性性环环节节，故故带带有有电电流流闭闭环环控控制制的的对对象象数学模型为数学模型为9.2.1 直流伺服系统控制对直流伺服系统控制对象的数学模型象的数学模型图图9-6 带有电流闭环控制的对象结构图带有电流闭环控制的对象结构图9.2.2交流伺服系统控制对交流伺服系统控制对象的数学模型象的数学模型l用用交交流流伺伺服服电电动动机机作作为为伺伺服服系系统统的的执执行行电电动机，称作交流伺服系统。动机，称作交流伺服系统。l常常用用的的交交流流伺伺服服电电动动机机有有三三相相异异步步电电动动机机、永永磁磁式式同同步步
11、电电动动机机和和磁磁阻阻式式步步进进电电动动机机等等，也可用电励磁的同步伺服电动机。也可用电励磁的同步伺服电动机。l无无论论是是异异步步电电动动机机，还还是是同同步步电电动动机机，经经过过矢矢量量变变换换、磁磁链链定定向向和和电电流流闭闭环环控控制制均均可等效为电流控制的直流电动机。可等效为电流控制的直流电动机。9.2.2交流伺服系统控制对交流伺服系统控制对象的数学模型象的数学模型l异步电动机按转子磁链定向的数学模型为异步电动机按转子磁链定向的数学模型为9.2.2交流伺服系统控制对交流伺服系统控制对象的数学模型象的数学模型l采用电流闭环控制后，对象的数学模型为采用电流闭环控制后，对象的数学模型
12、为9.2.2交流伺服系统控制对交流伺服系统控制对象的数学模型象的数学模型lCT为为包包含含磁磁链链作作用用在在内内的的转转矩矩系系数数，电电流流转转矩矩分分量量相相当当于于直直流流电电动动机机的的电电枢枢电电流流，电电流流闭闭环环控控制制的的交交流流伺伺服服电电动动机机结结构构图图与与直流电动机相仿。直流电动机相仿。l对对于于同同步步伺伺服服电电动动机机也也可可得得到到相相同同结结论论，不重复论述。不重复论述。9.2.2交流伺服系统控制对交流伺服系统控制对象的数学模型象的数学模型l采采用用电电流流闭闭环环控控制制后后，交交流流伺伺服服系系统统与与直直流伺服系统具有相同的控制对象数学模型。流伺服
13、系统具有相同的控制对象数学模型。l称称作作在在电电流流闭闭环环控控制制下下交交、直直流流伺伺服服系系统统控制对象的统一模型。控制对象的统一模型。l用相同的方法设计交流或直流伺服系统。用相同的方法设计交流或直流伺服系统。9.3伺服系统的设计伺服系统的设计l伺伺服服系系统统的的结结构构因因系系统统的的具具体体要要求求而而异异，对对于于闭闭环环伺伺服服控控制制系系统统，常常用用串串联联校校正正或或并联校正方式进行动态性能的调整。并联校正方式进行动态性能的调整。9.3伺服系统的设计伺服系统的设计l校校正正装装置置串串联联配配置置在在前前向向通通道道的的校校正正方方式式称称为为串串联联校校正正，一一般般
14、把把串串联联校校正正单单元元称称作作调节器，所以又称为调节器校正。调节器，所以又称为调节器校正。l若若校校正正装装置置与与前前向向通通道道并并行行，则则称称为为并并联联校校正正；信信号号流流向向与与前前向向通通道道相相同同时时，称称作作前前馈馈校校正正；信信号号流流向向与与前前向向通通道道相相反反时时，则称作反馈校正。则称作反馈校正。9.3.1调节器校正及其传递调节器校正及其传递函数函数l常常用用的的调调节节器器有有比比例例微微分分（PD）调调节节器器、比比例例积积分分（PI）调调节节器器以以及及比比例例积积分分微微分分（PID）调调节节器器，设设计计中中可根据实际伺服系统的特征进行选择。可根
15、据实际伺服系统的特征进行选择。PD调节器校正调节器校正 l在在系系统统的的前前向向通通道道上上串串联联PD调调节节器器校校正正装装置置，可可以以使使相相位位超超前前，以以抵抵消消惯惯性性环环节节和和积积分分环环节节使使相相位位滞滞后后而而产产生生的的不不良后果。良后果。lPD调节器的传递函数为调节器的传递函数为PI调节器校正调节器校正 l如果系统的稳态性能满足要求，并有一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，则可定的稳定裕量，而稳态误差较大，则可以用以用PI调节器进行校正。调节器进行校正。lPI调节器的传递函数为调节器的传递函数为PID调节器校正调节器校正 l将将PD
16、串联校正和串联校正和PI串联校正联合使用，串联校正联合使用，构成构成PID调节器。调节器。l如果合理设计则可以综合改善伺服系统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。的动态和静态特性。lPID串联校正装置的传递函数为串联校正装置的传递函数为9.3.2单环位置伺服系统单环位置伺服系统l对对于于直直流流伺伺服服电电动动机机可可以以采采用用单单位位置置环环控控制方式，直接设计位置调节器制方式，直接设计位置调节器APR。l为为了了避避免免在在过过渡渡过过程程中中电电流流冲冲击击过过大大，应应采采用用电电流流截截止止反反馈馈保保护护，或或者者选选择择允允许许过过载倍数比较高的伺服电动机。载倍
17、数比较高的伺服电动机。9.3.2单环位置伺服系统单环位置伺服系统图图9-7 单环位置伺服系统单环位置伺服系统APR位置调节器位置调节器 UPE驱动装置驱动装置SM直流伺服电动机直流伺服电动机 BQ位置传感器位置传感器9.3.2单环位置伺服系统单环位置伺服系统l忽忽略略负负载载转转矩矩，直直流流伺伺服服系系统统控控制制对对象象传传递函数为递函数为l机电时间常数机电时间常数 9.3.2单环位置伺服系统单环位置伺服系统图图9-8 直流伺服系统控制对象结构图直流伺服系统控制对象结构图l采用采用PD调节器，其传递函数为调节器，其传递函数为9.3.2单环位置伺服系统单环位置伺服系统l伺服系统开环传递函数伺
18、服系统开环传递函数 l系统开环放大系数系统开环放大系数 9.3.2单环位置伺服系统单环位置伺服系统图图9-9 单位置环控制直流伺服系统结构图单位置环控制直流伺服系统结构图9.3.2单环位置伺服系统单环位置伺服系统l用系统的开环零点消去惯性时间常数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最大的开环极点，以加快系统的响应过程。程。l系统的开环传递函数系统的开环传递函数 9.3.2单环位置伺服系统单环位置伺服系统l伺服系统的闭环传递函数伺服系统的闭环传递函数l闭环传递函数的特征方程式闭环传递函数的特征方程式 9.3.2单环位置伺服系统单环位置伺服系统l用用Routh稳稳定定
19、判判据据，为为保保证证系系统统稳稳定定，须使须使图图9-10 单位置环伺服系统开环传递函数对数幅频特性单位置环伺服系统开环传递函数对数幅频特性9.3.3双环伺服系统双环伺服系统l在在电电流流闭闭环环控控制制的的基基础础上上，设设计计位位置置调调节节器器，构构成成位位置置伺伺服服系系统统，位位置置调调节节器的输出限幅是电流的最大值。器的输出限幅是电流的最大值。l以以直直流流伺伺服服系系统统为为例例，对对于于交交流流伺伺服服系系统统也也适适用用，只只须须对对伺伺服服电电动动机机和和驱驱动动装置应作相应的改动。装置应作相应的改动。9.3.3双环伺服系统双环伺服系统图图9-11 双环位置伺服系统双环位
20、置伺服系统9.3.3双环伺服系统双环伺服系统l忽忽略略负负载载转转矩矩时时，带带有有电电流流闭闭环环控控制制对对象象的传递函数为的传递函数为l为为了了消消除除负负载载扰扰动动引引起起的的静静差差，APR选选用用PI调节器，其传递函数调节器，其传递函数9.3.3双环伺服系统双环伺服系统图图9-12 双环位置伺服系统结构图双环位置伺服系统结构图9.3.3双环伺服系统双环伺服系统l系统的开环传递函数为系统的开环传递函数为l系统的开环放大系数系统的开环放大系数 9.3.3双环伺服系统双环伺服系统l伺服系统的闭环传递函数为伺服系统的闭环传递函数为l特征方程式特征方程式9.3.3双环伺服系统双环伺服系统l
21、伺服系统的闭环传递函数为伺服系统的闭环传递函数为l特征方程式特征方程式l特特征征方方程程式式未未出出现现s的的二二次次项项，由由Routh稳稳定判据可知，系统不稳定。定判据可知，系统不稳定。9.3.3双环伺服系统双环伺服系统l将将APR改用改用PID调节器，其传递函数调节器，其传递函数l伺服系统的开环传递函数伺服系统的开环传递函数 9.3.3双环伺服系统双环伺服系统l闭环传递函数闭环传递函数l系统特征方程式系统特征方程式9.3.3双环伺服系统双环伺服系统l由由Routh稳定判据求得系统稳定的条件稳定判据求得系统稳定的条件 9.3.3双环伺服系统双环伺服系统图图9-13 采用采用PID控制的双环
22、控制伺服系统开环传递函数对控制的双环控制伺服系统开环传递函数对数幅频特性数幅频特性9.3.3双环伺服系统双环伺服系统l若若APR仍采用仍采用PI调节器，可在位置反馈的基调节器，可在位置反馈的基础上，再加上微分负反馈，即转速负反馈。础上，再加上微分负反馈，即转速负反馈。图图9-14 带有微分负反馈的伺服系统带有微分负反馈的伺服系统 9.3.3双环伺服系统双环伺服系统图图9-15 带有微分负反馈的伺服系统结构图带有微分负反馈的伺服系统结构图9.3.4三环伺服系统三环伺服系统l在调速系统的基础上，再设一个位置环，形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。成三环控制的位置伺服系
23、统。图图9-16 三环位置伺服系统三环位置伺服系统APR位置调节器位置调节器 ASR转速调节器转速调节器 ACR电流调节器电流调节器BQ光电位置传感器光电位置传感器 DSP数字转速信号形成环节数字转速信号形成环节9.3.4三环伺服系统三环伺服系统l直流转速闭环控制系统按典型直流转速闭环控制系统按典型II型系统设计，型系统设计，开环传递函数开环传递函数 l矢量控制系统开环传递函数矢量控制系统开环传递函数 l两者结构相同。两者结构相同。9.3.4三环伺服系统三环伺服系统图图9-17 直流转速环结构图直流转速环结构图图图9-18 矢量控制系统结构示意图矢量控制系统结构示意图9.3.4三环伺服系统三环
24、伺服系统图图9-19 位置环的控制对象结构图位置环的控制对象结构图图图9-20 位置闭环控制结构图位置闭环控制结构图 9.3.4三环伺服系统三环伺服系统l位置环控制对象的传递函数位置环控制对象的传递函数l开环传递函数开环传递函数 9.3.4三环伺服系统三环伺服系统lAPR选选用用P调调节节器器就就可可实实现现稳稳态态无无静静差差，则系统的开环传递函数则系统的开环传递函数l开环放大系数开环放大系数 9.3.4三环伺服系统三环伺服系统l伺服系统的闭环传递函数伺服系统的闭环传递函数l特征方程式特征方程式 9.3.4三环伺服系统三环伺服系统l用用Routh稳稳定定判判据据，可可求求得得系系统统的的稳稳
25、定定条条件件 9.3.5复合控制的伺服系统复合控制的伺服系统l从给定信号直接引出开环的前馈控制，和闭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，构成复合控制系统环的反馈控制一起，构成复合控制系统 图图9-21 复合控制位置伺服系统的结构原理图复合控制位置伺服系统的结构原理图9.3.5复合控制的伺服系统复合控制的伺服系统l前馈控制器的传递函数选为前馈控制器的传递函数选为l得到得到 9.3.5复合控制的伺服系统复合控制的伺服系统l理理想想的的复复合合控控制制随随动动系系统统的的输输出出量量能能够够完完全全复复现现给给定定输输入入量量，其其稳稳态态和和动动态态的的给给定定误误差都为零。差都为零。l系统对给定输入实现了系统对给定输入实现了“完全不变性完全不变性”。l需要引入输入信号的各阶导数作为前馈控需要引入输入信号的各阶导数作为前馈控制信号，但同时会引入高频干扰信号，严重制信号，但同时会引入高频干扰信号，严重时将破坏系统的稳定性，这时不得不再加上时将破坏系统的稳定性，这时不得不再加上滤波环节。滤波环节。