chapt+11+位置伺服系統(tǒng)

1、第第11章章 位置伺服系統(tǒng)位置伺服系統(tǒng)內(nèi)容提要內(nèi)容提要本章第1節(jié)介紹位置伺服（隨動）系統(tǒng)的基本組成及分類。本章第2節(jié)講述位置伺服系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)及相應(yīng)控制系統(tǒng)。本章第3節(jié)內(nèi)容為伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì)。本章第4節(jié)內(nèi)容為位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計(jì)。本章第5節(jié)介紹工業(yè)生產(chǎn)中數(shù)字控制的位置伺服（隨動）系統(tǒng)。11.1位置伺服（隨動）系統(tǒng)的基位置伺服（隨動）系統(tǒng)的基本組成及分類本組成及分類 伺服廣義上是指用來控制被控對象的某種狀態(tài)或某個過程，使其輸出量能自動地、連續(xù)地、精確地復(fù)現(xiàn)或跟蹤輸入量的變化規(guī)律。其控制行為的主要特征表現(xiàn)為輸出“服從”輸入，輸出“跟隨”輸入（為此伺服系統(tǒng)也叫做隨動系統(tǒng)）。 從狹義上

2、而言，對于被控制量（輸出量）是負(fù)載機(jī)械空間位置的線位移或角位移，當(dāng)位置給定量（輸入量）做任意變化時，使其被控制量（輸出量）快速、準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn)給定量的變化，通常把這類伺服系統(tǒng)稱作位置伺服系統(tǒng)，或叫位置隨動系統(tǒng)。 位置伺服系統(tǒng)的基本組成位置伺服系統(tǒng)的基本組成 傳感器mniR(t)位置、速度、電流（轉(zhuǎn)矩）控制電力電子功率變換器伺服電動機(jī)傳動機(jī)構(gòu)工作機(jī)械本體電流傳感器速度傳感器位置傳感器C(t)控制器伺服驅(qū)動器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象圖10-1位置伺服系統(tǒng)位置伺服系統(tǒng)的基本組成（續(xù)）位置伺服系統(tǒng)的基本組成（續(xù)）圖11-1所示的伺服系統(tǒng)由以下5大部分組成：l 傳動機(jī)構(gòu)和工作機(jī)械l 伺服電機(jī)l 伺服驅(qū)動器l 控制器

3、l 傳感器伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動器伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動器 伺服電機(jī)是伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)元件，在小功率伺服系統(tǒng)中多用永磁式伺服電機(jī)，如直流伺服電機(jī)、直流無刷伺服電機(jī)、永磁式交流伺服電機(jī)。 在大功率或較大功率的情況下也可采用電勵磁的直流或交流伺服電機(jī)。此外，還有特殊伺服電機(jī)，如步進(jìn)伺服電機(jī)、磁阻式伺服電機(jī)、力矩伺服電機(jī)、直線伺服電機(jī)等 伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動器（續(xù)）伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動器（續(xù)） 從電機(jī)結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型來看，伺服電機(jī)與調(diào)速電機(jī)沒有本質(zhì)區(qū)別，一般來說，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量小于調(diào)速電機(jī)，低速和零速帶載性能優(yōu)于調(diào)速電機(jī)。 伺服驅(qū)動器主要起功率放大的作用，根據(jù)不同的伺服電機(jī)，輸出合適的電壓和頻率（對于交流伺

4、服電機(jī)），控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，滿足伺服系統(tǒng)的要求。由于伺服電機(jī)需要四象限運(yùn)行，故伺服驅(qū)動器必須是可逆的 伺服系統(tǒng)的位置控制器伺服系統(tǒng)的位置控制器 控制器是伺服系統(tǒng)的核心部件，由它實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的控制規(guī)律，控制器應(yīng)根據(jù)偏差信號，經(jīng)過必要的控制算法，產(chǎn)生驅(qū)動器的控制信號。 與調(diào)速系統(tǒng)一樣，位置伺服系統(tǒng)控制器也經(jīng)歷了由模擬控制向計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的發(fā)展過程。位置伺服系統(tǒng)的分類位置伺服系統(tǒng)的分類按執(zhí)行元件的物理性質(zhì)不同分為：按執(zhí)行元件的物理性質(zhì)不同分為：電氣-液壓位置伺服系統(tǒng)電氣-氣動位置伺服系統(tǒng)電氣位置伺服系統(tǒng) 按控制方式來分類按控制方式來分類b)eG(s)F(s)G2(s)G1(s)F(s)a)B

5、(s)圖10-2 伺服系統(tǒng)的基本控制方式a)按誤差控制的系統(tǒng)； b)按誤差和擾動復(fù)合控制的系統(tǒng)按控制方式來分類（續(xù)）按控制方式來分類（續(xù)）第一種是按誤差控制的系統(tǒng)，如圖11-2a所示。系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 sFsGsGsWcl1按控制方式來分類（續(xù)）按控制方式來分類（續(xù)）第二種是按誤差和擾動復(fù)合控制的系統(tǒng)，采用負(fù)反饋與前饋相結(jié)合的控制方式，亦稱開環(huán)-閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖11-2b所示，其系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為 sFsGsGsGsGsBsWcl21211按位置伺服系統(tǒng)中元件或環(huán)節(jié)的按位置伺服系統(tǒng)中元件或環(huán)節(jié)的靜特性不同來分類靜特性不同來分類 按位置伺服系統(tǒng)中元件或環(huán)節(jié)靜特性的性質(zhì)不同可分為，線性位置伺

6、服系統(tǒng)和非線性位置伺服系統(tǒng)，如圖11-3所示。feeb)a)Gc(s)G(s)G(s)圖11-3線性位置伺服系統(tǒng)和非線性位置伺服系統(tǒng)a)線性位置伺服系統(tǒng)；b)非線性位置伺服系統(tǒng)按位置反饋信號取出點(diǎn)不同來分按位置反饋信號取出點(diǎn)不同來分類類按位置反饋信號取出點(diǎn)不同來分類可分為半閉環(huán)位置伺服系統(tǒng) 和全閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)。工作機(jī)械伺服電機(jī)伺服系統(tǒng)位置指令機(jī)械螺距M速度反饋位置反饋伺服驅(qū)動器編碼器BRT位置控制器速度控制器 圖10-4 半閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)全閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)全閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng) 位置指令工作機(jī)械伺服電機(jī)位置反饋速度控制器速度反饋位置檢測M編碼器BRT伺服驅(qū)動器位置控制器圖11-5 全閉

7、環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)按執(zhí)行元件（伺服電動機(jī)）的功按執(zhí)行元件（伺服電動機(jī)）的功率大小來分類率大小來分類按執(zhí)行元件的功率大小分為：小功率位置伺服系統(tǒng)（執(zhí)行元件輸出功率在50w以下）；中功率位置伺服系統(tǒng)（執(zhí)行元件輸出功率在50500w之間）；大功率位置伺服系統(tǒng)（執(zhí)行元件輸出功率在500w以上）。11.2位置伺服系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)及位置伺服系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的控制系統(tǒng)相應(yīng)的控制系統(tǒng) 直流位置伺服系統(tǒng)的廣義被控對象由驅(qū)動器（PWM功率變換器）、直流電動機(jī)、機(jī)械傳動裝置等三部分組成，如圖11-6所示 PWM功率變換器Ud0Uc伺服驅(qū)動器直流電動機(jī)機(jī)械傳動裝置及工作機(jī)械圖11-6 直流位置伺服系統(tǒng)的廣義被控對象

8、直流伺服系統(tǒng)廣義被控對象動態(tài)直流伺服系統(tǒng)廣義被控對象動態(tài)結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖圖11-7 直流伺服系統(tǒng)廣義被控對象動態(tài)結(jié)構(gòu)圖單環(huán)直流位置伺服系統(tǒng)單環(huán)直流位置伺服系統(tǒng)圖10-8a所示為單環(huán)直流位置伺服系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，可以看出，系統(tǒng)只有一個位置閉環(huán)，其相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成框圖如圖10-8b所示 單環(huán)直流位置伺服系統(tǒng)（續(xù)）單環(huán)直流位置伺服系統(tǒng)（續(xù)）b)傳動裝置（減速器）位置控制器位置檢測PWM功率變換器DM位置給定工作機(jī)械圖11-8 單環(huán)直流位置伺服系統(tǒng)a) 單環(huán)直流位置伺服系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖；b) 直流單閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)組成框圖 DM直流伺服電機(jī) BQ位置傳感器雙環(huán)直流位置伺服系統(tǒng)雙環(huán)直流位置伺服系統(tǒng)在電流控制系

9、統(tǒng)的基礎(chǔ)上再加一個位置外環(huán)就構(gòu)成了位置、電流雙閉環(huán)直流位置控制系統(tǒng)，如圖11-9所示。也可以在單環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上外加位置環(huán)構(gòu)成位置、速度雙閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)。雙環(huán)直流位置伺服系統(tǒng)（續(xù)）雙環(huán)直流位置伺服系統(tǒng)（續(xù)）b)位置控制器電流控制器PWM功率變換器DM傳動裝置（減速器）位置檢測工作機(jī)械圖10-9 雙環(huán)直流位置伺服系統(tǒng)a）雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖； b)雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)三環(huán)直流位置伺服系統(tǒng)三環(huán)直流位置伺服系統(tǒng)在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)置位置控制閉環(huán)，則就得到三環(huán)直流位置伺服系統(tǒng)，其控制結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)如圖11-10所示 三環(huán)直流位置伺服系統(tǒng)（續(xù)）三環(huán)直流位置伺服系統(tǒng)（續(xù)）圖10-1

10、0 三環(huán)直流位置伺服系統(tǒng)a)三環(huán)直流位置伺服系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖； b)三環(huán)直流位置伺服系統(tǒng)交流位置伺服系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)及交流位置伺服系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的控制系統(tǒng)相應(yīng)的控制系統(tǒng) 交流伺服電機(jī)有三相異步電動機(jī)、永磁式同步電動機(jī)和磁阻式步進(jìn)電動機(jī)等。各種交流伺服電動機(jī)通過磁場定向（矢量控制）可等效為直流電動機(jī)，現(xiàn)以三相永磁同步電動機(jī)（PMSM）為例進(jìn)行介紹。永磁同步電機(jī)的狀態(tài)方程永磁同步電機(jī)的狀態(tài)方程 JTLuLuiiJpLpLRppLRdtddtdidtdiLqqddrqdrnrnrnrnqd02300為獲得線性狀態(tài)方程，通常采用恒等于0的矢量控制方式，此時有：JTLuiJpLpLRdtddtdiLq

11、qrqrnrnq023（11-6）（11-7）交流永磁同步電機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖交流永磁同步電機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖式（11-7）即為PMSM的解耦狀態(tài)方程。在零初始條件下，對永磁同步電機(jī)的解耦狀態(tài)方程求拉氏變換，以電壓為輸入，轉(zhuǎn)子速度為輸出的交流永磁同步電機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖11-11所示 永磁同步電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)永磁同步電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)圖11-12a)永磁同步電動機(jī)三環(huán)交流伺服系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu) 永磁同步電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)永磁同步電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)（續(xù)）（續(xù)）b)ASRACRAPRPMSM傳感器S N nN電流控制器速度控制器位置控制器乘法器弱磁控制速度反饋脈寬調(diào)制逆變器轉(zhuǎn)子、磁極位置圖11-12b)永磁同步電動

12、機(jī)交流伺服系統(tǒng)組成框圖 伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析 穩(wěn)態(tài)是指過渡過程結(jié)束后位置伺服系統(tǒng)的狀態(tài)。過渡過程結(jié)束后，即位置伺服系統(tǒng)達(dá)到新的平衡之后，最終保持的控制精度（穩(wěn)態(tài)精度），反映了位置伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，是衡量位置伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的唯一指標(biāo)?？刂凭纫卜Q作穩(wěn)態(tài)誤差，是指位置伺服系統(tǒng)過渡過程結(jié)束進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時，輸入與輸出之間位置誤差的大小。位置伺服系統(tǒng)對控制精度要求很高，一般不低于0.01mm，特別達(dá)到0.001mm以上。影響位置伺服系統(tǒng)的控制精度，影響位置伺服系統(tǒng)的控制精度，導(dǎo)致其產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差的因素導(dǎo)致其產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差的因素 影響位置伺服系統(tǒng)的控制精度，導(dǎo)致其產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差的因素有：檢測元件

13、引起的檢測誤差；系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)和系統(tǒng)的給定輸入信號引起的原理誤差；負(fù)載等外部擾動引起的擾動誤差。 提高位置伺服系統(tǒng)精度的方法提高位置伺服系統(tǒng)精度的方法采用簡單比例控制的位置控制系統(tǒng)，可以很容易地獲得穩(wěn)定、無超調(diào)的位置控制和良好的定位精度。但由于它不可避免地存在穩(wěn)態(tài)位置跟蹤誤差，從而對運(yùn)動軌跡跟隨性能產(chǎn)生一定影響。為了解決上述問題，可以采用復(fù)合控制的辦法。復(fù)合控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖復(fù)合控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖在閉環(huán)反饋控制的基礎(chǔ)上，再引入一個對外部輸入信號進(jìn)行多階微分的順饋補(bǔ)償，簡稱為前饋補(bǔ)償或前饋控制，把前饋控制和反饋控制相結(jié)合構(gòu)成的控制系統(tǒng)稱為復(fù)合控制系統(tǒng)。復(fù)合控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖11-17所示。 圖1

14、1-17 復(fù)合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖復(fù)合控制閉環(huán)系統(tǒng)對給定控制作復(fù)合控制閉環(huán)系統(tǒng)對給定控制作用的傳遞函數(shù)用的傳遞函數(shù) 根據(jù)11-17結(jié)構(gòu)圖可以寫出復(fù)合控制閉環(huán)系統(tǒng)對給定控制作用的傳遞函數(shù)為)()(1)(1)()(sGsGsGsGsGpfc系統(tǒng)對輸入的誤差傳遞函數(shù)為)(1)()(1)(sGsGsGsGfbe（11-22）（11-23）復(fù)合控制閉環(huán)系統(tǒng)對給定控制作復(fù)合控制閉環(huán)系統(tǒng)對給定控制作用的傳遞函數(shù)（續(xù)）用的傳遞函數(shù)（續(xù)）由式（11-23）可以推導(dǎo)出對給定控制作用的誤差恒等于零的條件，即系統(tǒng)對控制輸入的不變性條件為：)(1)(sGsGbf在這種情況下，系統(tǒng)的誤差與給定輸入信號無關(guān)。前饋補(bǔ)償信號的引入對

15、提高系統(tǒng)的性能是非常有益的。 位置伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性位置伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性 位置伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指動態(tài)過程的震蕩傾向和系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡工作狀態(tài)的能力。一個處于靜止或平衡工作狀態(tài)的系統(tǒng)，當(dāng)受到任何輸入的激勵，就可能偏離原平衡狀態(tài)。當(dāng)激勵消失后，經(jīng)過一段暫態(tài)過程以后，系統(tǒng)的狀態(tài)和輸出都能恢復(fù)到原先的平衡狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。 必須注意的是，穩(wěn)定性只表示系統(tǒng)本身的一種特性，它決定于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)，與外部輸入指令或擾動信號無關(guān)。 位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性給定作用下的動態(tài)特性 對伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能的要求是要求伺服系統(tǒng)快速性好（快速的響應(yīng)能力，指動態(tài)過程進(jìn)行的時間短）。 伺服

16、系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)。 穩(wěn)定性和快速性反映了系統(tǒng)在控制過程中的性能。既快又穩(wěn)，是指在過程中被控量偏離給定值小，偏離的時間短 位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性（續(xù)）（續(xù)）擾動作用下的動態(tài)特性 位置伺服系統(tǒng)受到擾動的作用后，系統(tǒng)會恢復(fù)原狀態(tài)或達(dá)到新的平衡狀態(tài)，但由于系統(tǒng)機(jī)械部分存在質(zhì)量、慣量，電路中存在電感、電容，同時也由于能源、功率的限制，使得系統(tǒng)不能瞬時達(dá)到平衡，而要經(jīng)歷一個過渡過程。要求位置伺服系統(tǒng)在各種擾動作用時，系統(tǒng)輸出動態(tài)變化盡量小，恢復(fù)時間盡量快。 單閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析單閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì) 根據(jù)圖11-8

17、可得到圖11-21所示的單閉環(huán)位置控制直流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖11-21 單閉環(huán)位置控制直流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖單閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析單閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計(jì)（續(xù)）和設(shè)計(jì)（續(xù)）為了確保系統(tǒng)無震蕩位置控制，通常位置控制器采用比例控制規(guī)律。因此，ARP選用P調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 ppAPRksW系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù) 12sTsTTsKsWmlm單閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析單閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計(jì)（續(xù)）和設(shè)計(jì)（續(xù)）若 ， 可分解為 。假定 ，則系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為lmTT412sTsTTmlm1121sTsT21TT 1121sTsTsKsWs系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 KssTTsTTKs

18、Wcl221321單閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析單閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計(jì)（續(xù)）和設(shè)計(jì)（續(xù)）由閉環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程式0221321KssTTsTT用Routh穩(wěn)定判據(jù)，可得， ，則系統(tǒng)穩(wěn)定，其系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖如圖11-22所示。2121TTTTK圖11-22單閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析單閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計(jì)（續(xù)）和設(shè)計(jì)（續(xù)）若 ，直流伺服電動機(jī)為二階振蕩環(huán)節(jié)，則系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為14TTm 12sTsTTsKsWmlm系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 KssTsTTKsWmlmcl23單閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析單閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計(jì)（續(xù)）和設(shè)計(jì)（續(xù)）由閉環(huán)傳遞函數(shù)

19、的特征方程式023KssTsTTmlm用Routh穩(wěn)定判據(jù)，可求得 ，系統(tǒng)穩(wěn)定。lTK1需要指出的是，為了避免在動態(tài)過程中過大的電流沖擊需要指出的是，為了避免在動態(tài)過程中過大的電流沖擊，應(yīng)采用電流截止負(fù)反饋保護(hù)措施，或者選擇允許過載，應(yīng)采用電流截止負(fù)反饋保護(hù)措施，或者選擇允許過載倍數(shù)較高的直流伺服電動機(jī)。還需要知道的是，由于只倍數(shù)較高的直流伺服電動機(jī)。還需要知道的是，由于只有一個閉環(huán)，因而有最快的動態(tài)相應(yīng)，這是采用單環(huán)位有一個閉環(huán)，因而有最快的動態(tài)相應(yīng)，這是采用單環(huán)位置伺服系統(tǒng)的最大優(yōu)越之處。置伺服系統(tǒng)的最大優(yōu)越之處。 雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析與雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析與設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 雙環(huán)位置

20、伺服系統(tǒng)是指位置、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)或指位置、速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。 現(xiàn)以圖11-9a所示的直流位置伺服系統(tǒng)（交流位置伺服系統(tǒng)也適用）為例來分析和設(shè)計(jì)雙閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)。直流位置伺服系統(tǒng)電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖11-24所示。雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析與雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析與設(shè)計(jì)（續(xù)）設(shè)計(jì)（續(xù)）圖圖11-24 11-24 直流位置伺服系統(tǒng)電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖直流位置伺服系統(tǒng)電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析與雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析與設(shè)計(jì)（續(xù)）設(shè)計(jì)（續(xù)）對圖11-24所示電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行簡化處理后得到圖11-25所示的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。圖11-25 簡化的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙環(huán)位置

21、伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析與雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析與設(shè)計(jì)（續(xù)）設(shè)計(jì)（續(xù)）當(dāng)ACR選為PI調(diào)節(jié)器時，則電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖11-26所示圖11-26 ACR為PI算法時電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析與雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析與設(shè)計(jì)（續(xù)）設(shè)計(jì)（續(xù)）電流環(huán)進(jìn)一步簡化為圖11-27所示的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖11-27 簡化終極的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析與雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析與設(shè)計(jì)（續(xù)）設(shè)計(jì)（續(xù)）設(shè) ，為電流環(huán)的開環(huán)放大系數(shù)。將圖11-26所示的電流環(huán)進(jìn)行等效處理，使之成為位置環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，如圖11-28所示 ispiIRKKK圖11-28 電流環(huán)等效處理后的結(jié)構(gòu)圖交流位置伺

22、服系統(tǒng)的動態(tài)分析和交流位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 交流位置伺服電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型具有非線性、強(qiáng)耦合的性質(zhì)，僅采用單閉環(huán)位置控制方式難以達(dá)到位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)要求，通常交流位置伺服系統(tǒng)都是建立在高性能（矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制）交流調(diào)速系統(tǒng)之上的，即在高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再設(shè)置一個位置閉環(huán)，就形成了電流、速度、位置三環(huán)控制系統(tǒng)。 永磁同步電動機(jī)三環(huán)位置伺服系永磁同步電動機(jī)三環(huán)位置伺服系統(tǒng)電流環(huán)設(shè)計(jì)統(tǒng)電流環(huán)設(shè)計(jì) 圖11-31 電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖永磁同步電動機(jī)三環(huán)位置伺服系永磁同步電動機(jī)三環(huán)位置伺服系統(tǒng)電流環(huán)設(shè)計(jì)（續(xù)）統(tǒng)電流環(huán)設(shè)計(jì)（續(xù)） PMSM位置伺服系統(tǒng)的電流環(huán)是一個電流隨動系統(tǒng)，在系統(tǒng)中

23、可以保證定、轉(zhuǎn)子電流對矢量控制指令的快速而準(zhǔn)確跟蹤。 通過對圖11-31的結(jié)構(gòu)圖變換可得到電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為 ssTsTRsKKsGioilispii1111永磁同步電動機(jī)三環(huán)位置伺服系永磁同步電動機(jī)三環(huán)位置伺服系統(tǒng)電流環(huán)設(shè)計(jì)（續(xù)）統(tǒng)電流環(huán)設(shè)計(jì)（續(xù)）選擇 ，實(shí)現(xiàn)零、極點(diǎn)對消，當(dāng)小慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)時，則電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： liT 1sTsKsGiIi閉環(huán)傳遞函數(shù)為 IiIiclKsTsKsG1永磁同步電動機(jī)三環(huán)位置伺服系永磁同步電動機(jī)三環(huán)位置伺服系統(tǒng)速度環(huán)設(shè)計(jì)統(tǒng)速度環(huán)設(shè)計(jì) 速度環(huán)同樣也是位置伺服系統(tǒng)中的一個重要的環(huán)節(jié)，要求速度環(huán)具有足夠高的增益和通頻帶，以及很強(qiáng)的抗干擾能力 。 綜合考慮

24、速度環(huán)設(shè)計(jì)要求，則速度控制器應(yīng)選PI算法。電流環(huán)作為速度環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，可等效為 11111sTsKsGiIicl永磁同步電動機(jī)三環(huán)位置伺服系永磁同步電動機(jī)三環(huán)位置伺服系統(tǒng)速度環(huán)設(shè)計(jì)（續(xù)）統(tǒng)速度環(huán)設(shè)計(jì)（續(xù)）轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如11-32所示 圖11-32 采用PI控制的速度環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖永磁同步電動機(jī)三環(huán)位置伺服系永磁同步電動機(jī)三環(huán)位置伺服系統(tǒng)速度環(huán)設(shè)計(jì)（續(xù)）統(tǒng)速度環(huán)設(shè)計(jì)（續(xù)）根據(jù)圖11-32，可以得出速度環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 112sTssKsGinNs（11-39）由式（11-39）可知，轉(zhuǎn)速環(huán)可以按典型的II型系統(tǒng)來設(shè)計(jì)。定義變量h為頻寬，根據(jù)典型II型系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)公式：InKh1IcNK

25、KJhhK21永磁同步電動機(jī)三環(huán)位置伺服系永磁同步電動機(jī)三環(huán)位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)設(shè)計(jì)統(tǒng)位置環(huán)設(shè)計(jì)圖11-33 位置環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖PMSM位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)的變位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)的變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變結(jié)構(gòu)控制總是產(chǎn)生最大作用：變結(jié)構(gòu)控制總是產(chǎn)生最大作用： 最大加速或最大減速，而且加速過程中沒有減速的參與，減速的過程中也沒有加速的參與。因此，要求較高的位置伺服系統(tǒng)的位置環(huán)選擇變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。位置環(huán)滑模變結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖位置環(huán)滑模變結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖 提高位置伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的措施提高位置伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的措施 I-PD控制結(jié)構(gòu)把常數(shù)倍輸出信號作為狀態(tài)反饋的控制結(jié)構(gòu)稱為I-P控制系統(tǒng)，如果輸出信號的微分也以常

26、數(shù)信號的形式參與反饋控制，那么這種結(jié)構(gòu)也就稱為I-PD控制系統(tǒng)，如圖11-35所示。這時的控制信號為 sBsTsTKsRsTKsUdipip111I-PD控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)圖11-35交流位置伺服系統(tǒng)交流位置伺服系統(tǒng) 交流位置隨動系統(tǒng)（也稱作交流位置伺服系統(tǒng)），是一類以交流電動機(jī)為執(zhí)行元件的伺服系統(tǒng)，它是在高性能交流調(diào)速系統(tǒng)（矢量控制系統(tǒng)、直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)）的基礎(chǔ)上增設(shè)位置閉環(huán)而構(gòu)成的隨動系統(tǒng)。 交流位置伺服系統(tǒng)分類交流位置伺服系統(tǒng)分類 交流位置隨動系統(tǒng)分為同步電機(jī)型和異步電機(jī)型兩種，同步電機(jī)型交流位置隨動系統(tǒng)的執(zhí)行元件為正弦波永磁同步電動機(jī)、梯形波永磁同步電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)等，相應(yīng)控制系統(tǒng)如圖

27、11-51a所示；異步電機(jī)交流位置隨動系統(tǒng)的執(zhí)行元件為異步電動機(jī)，相應(yīng)控制系統(tǒng)如圖11-51b所示。 交流位置伺服系統(tǒng)圖交流位置伺服系統(tǒng)圖圖11-50交流位置伺服系統(tǒng)圖交流位置伺服系統(tǒng)圖b交流位置隨動系統(tǒng)與直流位置隨交流位置隨動系統(tǒng)與直流位置隨動系統(tǒng)的區(qū)別動系統(tǒng)的區(qū)別 交流位置隨動系統(tǒng)與直流位置隨動系統(tǒng)的區(qū)別是所使用的伺服電動機(jī)及其轉(zhuǎn)速控制策略的不同而已，在分析和設(shè)計(jì)位置閉環(huán)控制方面與直流位置隨動系統(tǒng)完全一樣。交流位置隨動系統(tǒng)的動態(tài)性能如何取決于交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制效果。這就要求轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)必須采用高性能的矢量控制或者直接轉(zhuǎn)矩控制方式，以及其他高性能轉(zhuǎn)速控制方式。此外，位置隨動系統(tǒng)特別要求在極

28、低速度下仍具有平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩特性，因此交流位置隨動系統(tǒng)在低速運(yùn)行區(qū)內(nèi)采用了很多的控制措施 交流位置隨動系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)交流位置隨動系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與直流位置隨動系統(tǒng)相比，交流位置隨動系統(tǒng)具有裝置體積小、易于維護(hù)、摩擦力矩小（無機(jī)械換向器）、慣性小、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。 數(shù)控機(jī)床的概念數(shù)控機(jī)床的概念 數(shù)控機(jī)床是一個裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床，該系統(tǒng)能邏輯的處理具有使用號碼，或其他符號編碼指令的程序。數(shù)控系統(tǒng)能自動閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字值和指令，并將其譯碼處理，從而自動的控制機(jī)床移動，完成工件加工任務(wù)。 數(shù)控機(jī)床的分類數(shù)控機(jī)床的分類按功能上分為：數(shù)控車、銑、刨、磨、鏜、拉、鉆、板金成形、管成形機(jī)床，數(shù)控齒輪加工機(jī)床等多種類型。按運(yùn)動軌跡可分為點(diǎn)位控制機(jī)床，如數(shù)控鉆、沖、鏜床等。直線控制機(jī)床，如數(shù)控車床。輪廓控制機(jī)床，如數(shù)控車、銑、磨床等。按伺服系統(tǒng)可分為全閉環(huán)控制、半閉環(huán)控制、開環(huán)與閉環(huán)混合控制等多種類型。全閉環(huán)控制系