1、第第7章章 位置伺服控制系统位置伺服控制系统7.1 位置伺服控制系统组成和控制要求位置伺服控制系统组成和控制要求 7.2 步进电动机步进电动机7.3 位置闭环伺服控制系统位置闭环伺服控制系统7.4 位置检测位置检测 伺服控制系统是一种能够跟随输入指令信号进行控制的系伺服控制系统是一种能够跟随输入指令信号进行控制的系统，也称随动控制系统。位置伺服控制系统用于机械的定位统，也称随动控制系统。位置伺服控制系统用于机械的定位和定向控制，机器人，数控机床，雷达跟踪，舰船操舵都大和定向控制，机器人，数控机床，雷达跟踪，舰船操舵都大量使用电机控制的位置伺服系统量使用电机控制的位置伺服系统。舰船操舵控制示意图
2、舵手操纵舵轮带动电位器舵手操纵舵轮带动电位器1RP的动臂转动的动臂转动 *发出船舵位置指令，发出船舵位置指令，1RP电位器电位器 将转角将转角转换为电信号转换为电信号船尾船舵上电位器船尾船舵上电位器*1U2RP检测船舵的实际转角检测船舵的实际转角船舵与转向指令偏差船舵与转向指令偏差*经放大器、变流器控制电动机并经减速机带动船舵转动，经放大器、变流器控制电动机并经减速机带动船舵转动，在船舵转角与方向轮转角相同在船舵转角与方向轮转角相同时，时，舰船按舵手操控的方向舰船按舵手操控的方向前进前进7.1 位置伺服控制系统组成和控制要求位置伺服控制系统组成和控制要求7.1.1 位置伺服控制系统的组成位置伺
3、服控制系统的组成位置伺服系统一般包括位置检测、控制器、执行机构等部分位置伺服系统一般包括位置检测、控制器、执行机构等部分位置检测方法有光电编码器，光栅，磁尺等位置检测方法有光电编码器，光栅，磁尺等控制器控制器：伺服控制的心脏，采用步进电动机的位置开环控伺服控制的心脏，采用步进电动机的位置开环控制，控制器是环形脉冲分配器；对闭环控制，控制器可以制，控制器是环形脉冲分配器；对闭环控制，控制器可以是是PID控制，前馈控制，复合控制以及发展迅速的各种智能控制，前馈控制，复合控制以及发展迅速的各种智能控制。控制。电气位置伺服系统的执行机构电气位置伺服系统的执行机构：主要包括电力电子变流器，主要包括电力电
4、子变流器，电动机和减速齿轮箱，从电动机区分有直流伺服系统，交电动机和减速齿轮箱，从电动机区分有直流伺服系统，交流伺服系统，永磁电机伺服系统等。流伺服系统，永磁电机伺服系统等。位置开环控制位置开环控制 位置闭环控制位置闭环控制7.1.2 位置伺服控制的基本要求位置伺服控制的基本要求 电气伺服系统的基本要求是控制精度高，响应快，稳定性电气伺服系统的基本要求是控制精度高，响应快，稳定性好，工作频率宽，负载和抗干扰能力强等，同时还要求体积好，工作频率宽，负载和抗干扰能力强等，同时还要求体积小、轻便，可靠性高和成本低。开环控制，结构简单，成本小、轻便，可靠性高和成本低。开环控制，结构简单，成本低廉，易于
5、维护，但是由于没有位置检测，精度低，抗干扰低廉，易于维护，但是由于没有位置检测，精度低，抗干扰能力差。闭环控制可以根据位置偏差调节，控制精度较高能力差。闭环控制可以根据位置偏差调节，控制精度较高 直流伺服系统有良好的机械特性和调节特性，机电时间常直流伺服系统有良好的机械特性和调节特性，机电时间常数小，起动电压低，缺点是有换向器和电刷，造成摩擦转矩数小，起动电压低，缺点是有换向器和电刷，造成摩擦转矩比较大，有火花干扰和维护不方便。交流伺服系统结构简单，比较大，有火花干扰和维护不方便。交流伺服系统结构简单，无电刷，转动惯量较直流电机小，响应快，交流伺服系统又无电刷，转动惯量较直流电机小，响应快，交
6、流伺服系统又有交流感应式伺服电机和交流永磁式伺服电机有交流感应式伺服电机和交流永磁式伺服电机， 7.2 步进电动机位置开环伺服控制系统步进电动机位置开环伺服控制系统 位置开环伺服系统一般使用步进电动机，步进电动位置开环伺服系统一般使用步进电动机，步进电动机由脉冲驱动，每个脉冲使电机转过一个角度，带机由脉冲驱动，每个脉冲使电机转过一个角度，带动机械移动一步，机械的转角或线位移正比于脉冲动机械移动一步，机械的转角或线位移正比于脉冲个数。个数。 步进电动机不用位置检测，定位精度取决于步进步进电动机不用位置检测，定位精度取决于步进电动机的步距精度和机械传动精度。步进电动机开电动机的步距精度和机械传动精
7、度。步进电动机开环伺服系统结构简单，使用维护方便，可靠性高，环伺服系统结构简单，使用维护方便，可靠性高，制造成本低，在经济型数控机床中广泛应用。制造成本低，在经济型数控机床中广泛应用。7.2.1 步进电动机原理步进电动机原理 (a) (b) (c) 图7.3 步进电动机原理 三相反应式步进电动机，其定子有三相反应式步进电动机，其定子有6个极，每极都装有控制绕组，个极，每极都装有控制绕组，转子铁芯上有四个均匀分布的齿，齿上没有绕组。转子铁芯上有四个均匀分布的齿，齿上没有绕组。 当当A相绕组通电时，因为磁通有使磁路磁阻最小的特性，因此拉相绕组通电时，因为磁通有使磁路磁阻最小的特性，因此拉动转子齿动
8、转子齿1、3与定子极与定子极 对齐对齐AAA相绕组断电，相绕组断电，B绕组通电时，绕组通电时，30 转子转过转子转过齿齿2、4与定子极与定子极BB对齐对齐BB B相断电，相断电，C相通电时转子相通电时转子又转过又转过30按ACBA顺序循环通电，电机顺时针旋转顺序循环通电，电机顺时针旋转 步进电动机每改变一次通电方式（接受一个脉冲），称为一步进电动机每改变一次通电方式（接受一个脉冲），称为一拍，每拍通电转子转过的角度称为步距角拍，每拍通电转子转过的角度称为步距角s， 1. 三相单三拍通电方式三相单三拍通电方式 按按ACBA2. 三相双三拍通电方式三相双三拍通电方式ABCABCAB30s每拍步距角
9、每拍步距角 每拍步距角每拍步距角30s3. 三相六拍通电方式三相六拍通电方式ACACBCBABA每拍步距角每拍步距角152/30s 为了使一相绕组通电时转子在该相牵引下转过一个步距角，为了使一相绕组通电时转子在该相牵引下转过一个步距角，对对m相步进电动机转子齿数为相步进电动机转子齿数为)1(2mKpzp22p为步进电动机定子极数；为步进电动机定子极数；m为相数；为相数；K为正整数为正整数 步进电动机的步距角步进电动机的步距角mzks3601k2k采用单拍或双拍工作方式采用单拍或双拍工作方式采用单、双拍工作方式时采用单、双拍工作方式时 若步进电动机通电频率为若步进电动机通电频率为 ff，步进电动
10、机的转速，步进电动机的转速 min/60rmzkfn 步进电动机有二相、三相、四相、五相、六相，甚至更步进电动机有二相、三相、四相、五相、六相，甚至更多相数，相数和齿数越多，步距角越小。在脉冲频率一定多相数，相数和齿数越多，步距角越小。在脉冲频率一定时，步进电动机的转速就越低。相数越多步进电机成本越时，步进电动机的转速就越低。相数越多步进电机成本越高，驱动脉冲电源越复杂，因此步进电机一般最多为六相高，驱动脉冲电源越复杂，因此步进电机一般最多为六相。7.2.2 步进电动机参数和特性步进电动机参数和特性步进电动机的参数除相数、额定电压和电流外主要有步进电动机的参数除相数、额定电压和电流外主要有1.
11、 步距角和静态步距误差步距角和静态步距误差静态步距误差是指理论步距角与实际的步距角之间的误差，以静态步距误差是指理论步距角与实际的步距角之间的误差，以分表示，一般在分表示，一般在10以内以内 2. 起动频率起动频率qf步进电动机在空载以阶跃给定起动时，能进入不丢步的正常步进电动机在空载以阶跃给定起动时，能进入不丢步的正常工作状态所允许的最高频率，称为起动频率或突眺频率工作状态所允许的最高频率，称为起动频率或突眺频率与与负载惯性有关，负载惯量越大产生丢步可能性越大，负载惯性有关，负载惯量越大产生丢步可能性越大，qf这时这时 不能很大不能很大qf3. 连续运行的最高工作频率连续运行的最高工作频率m
12、axf步进电动机保证不丢步的极限工作频率步进电动机保证不丢步的极限工作频率4. 加、减速特性加、减速特性 步进电动机在加速和减速步进电动机在加速和减速时，为了不发生丢步或加步时，为了不发生丢步或加步现象，脉冲频率的变化不能现象，脉冲频率的变化不能太快，因此转速上升时间太快，因此转速上升时间和和下降时间不能太短下降时间不能太短5. 矩频特性和动态转矩矩频特性和动态转矩矩频特性是步进电动机稳定矩频特性是步进电动机稳定连续工作时转矩与频率关系，连续工作时转矩与频率关系，动态转矩是矩频特性上每一动态转矩是矩频特性上每一频率对应的转矩，动态转矩频率对应的转矩，动态转矩随频率增加而减小。随频率增加而减小。
13、7.2.3 步进电动机的选用步进电动机的选用系统的精度和速度系统的精度和速度为了提高精度，希望脉冲当量小，但是脉冲当量越小系统的为了提高精度，希望脉冲当量小，但是脉冲当量越小系统的运行速度越低，因此要兼顾精度和速度来选择系统的脉冲当运行速度越低，因此要兼顾精度和速度来选择系统的脉冲当量量。 按脉冲当量按脉冲当量选择步进电动机的步距角和传动机构的传选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比，步进电动机的步距角理论上是固定的，实际上存在动比，步进电动机的步距角理论上是固定的，实际上存在误差，一般应将步进电机的步距误差，负载引起的定位误误差，一般应将步进电机的步距误差，负载引起的定位误差，传动机构的误
14、差等都全部考虑在内，使总的误差小于差，传动机构的误差等都全部考虑在内，使总的误差小于机械允许的定位误差。机械允许的定位误差。vf步进电动机进给速度步进电动机进给速度（mm/min）和工作频率）和工作频率 关系关系601000vf 脉冲当量，即每个脉冲进给移动的距离（脉冲当量，即每个脉冲进给移动的距离（mm/pulse）7.2.4 步进电动机的驱动步进电动机的驱动步进电动机控制电路原理由双稳态触发器组成环形脉冲分配器由双稳态触发器组成环形脉冲分配器一般由脉冲分配器，功率驱动两部分组成一般由脉冲分配器，功率驱动两部分组成1. 由双稳态触发器组成环形脉冲分配器由双稳态触发器组成环形脉冲分配器双稳态触
15、发器组成的三相六拍脉冲分配器2. 专用环形分配器模块专用环形分配器模块二相步进电动机二相步进电动机L297，PMM8713三相步进电动机三相步进电动机CH2503. 采用软件，利用查表或计算实现脉冲分配采用软件，利用查表或计算实现脉冲分配，2. 功率驱动功率驱动 （1） 单电压驱动电路单电压驱动电路单电压驱动器只用一路电单电压驱动器只用一路电源源U，结构简单，缺点是，结构简单，缺点是绕组通电时电流上升速度绕组通电时电流上升速度慢，高频时负载能力低慢，高频时负载能力低（2）高低压驱动电路）高低压驱动电路二路电源供电二路电源供电输入脉冲信号来到时输入脉冲信号来到时高电高电压，压，当电流上升到规定值
16、当电流上升到规定值时由低压时由低压供电，供电，有较陡的有较陡的电流前沿电流前沿（3）恒流斩波驱动电路）恒流斩波驱动电路 双电源驱动，绕组双电源驱动，绕组L不串电阻不串电阻，电流的上升率高。电流达到规电流的上升率高。电流达到规定值时，采样电阻上的反馈信号经整形放大使电路由低压电定值时，采样电阻上的反馈信号经整形放大使电路由低压电源供电源供电。1T 导通关断（斩波）使绕组电流近似恒定导通关断（斩波）使绕组电流近似恒定，恒流斩波驱动电恒流斩波驱动电流上升快边沿陡，响应好功耗小，输出转矩稳定，可减少步流上升快边沿陡，响应好功耗小，输出转矩稳定，可减少步进电动机的共振现象发生。进电动机的共振现象发生。7
17、.2.5 步距细分技术步距细分技术 步进电动机在二相同时通电时，转子受二相绕组磁场的合步进电动机在二相同时通电时，转子受二相绕组磁场的合力作用，齿停留在二相中间位置，如果控制二相绕组电流可力作用，齿停留在二相中间位置，如果控制二相绕组电流可以改变二相绕组磁场合力的方向，可使转子有多个稳定的位以改变二相绕组磁场合力的方向，可使转子有多个稳定的位置置 二相二齿步进电动机二相二齿步进电动机 (b) 合成电流矢量合成电流矢量 (c) 电流波形电流波形二相二相4极二齿步进电动机步距细分极二齿步进电动机步距细分7.3 位置闭环伺服控制系统位置闭环伺服控制系统7.3.1 位置闭环伺服控制系统的组成位置闭环伺
18、服控制系统的组成 1. 位置闭环伺服控制系统位置闭环伺服控制系统数控机床进给伺服系统位置闭环控制数控机床进给伺服系统位置闭环控制 工作台由伺服电机、减速器带动丝杠转动，丝杠和螺母传工作台由伺服电机、减速器带动丝杠转动，丝杠和螺母传动副将丝杠旋转变换为工作台的水平移动，通过光栅检测工动副将丝杠旋转变换为工作台的水平移动，通过光栅检测工作台位置，并将位置反馈信号与位置给定信号比较，有偏差作台位置，并将位置反馈信号与位置给定信号比较，有偏差则由位置调节器通过速度控制器、驱动器、伺服电动机等环则由位置调节器通过速度控制器、驱动器、伺服电动机等环节使工作台前移或后移，直到指定位置节使工作台前移或后移，直
19、到指定位置2. 半闭环位置伺服控制半闭环位置伺服控制 位置采用间接检测方法，数控机床一般用光电编码器检位置采用间接检测方法，数控机床一般用光电编码器检测伺服电动机或减速器转轴的转速或角位移，转轴角位移测伺服电动机或减速器转轴的转速或角位移，转轴角位移正比于工作台的直线位移，正比于工作台的直线位移， 半闭环控制，减速器和丝杠间隙造成的误差在位置反馈半闭环控制，减速器和丝杠间隙造成的误差在位置反馈环外，不能被抑制，控制精度较低，但是成本低，安装和环外，不能被抑制，控制精度较低，但是成本低，安装和维护都比较方便维护都比较方便7.3.2 位置伺服控制系统数学模型位置伺服控制系统数学模型直流位置伺服系统
20、基本结构直流位置伺服系统基本结构位置环位置环+电枢调压调速电枢调压调速位置环位置环+转速环的双闭环控制转速环的双闭环控制位置环位置环+转速环转速环+电流环的三环控制电流环的三环控制交流伺服系统交流伺服系统位置环位置环+VVVF转速开环控制转速开环控制位置环位置环+转速环的矢量控制控制转速环的矢量控制控制位置环位置环+转速环的直接转矩控制转速环的直接转矩控制 位置系统中位置环是共有的，位置系统中位置环是共有的， 位置环内包含了电动机转速位置环内包含了电动机转速调节系统的等效传递函数和减速器和传动机构的传递函数调节系统的等效传递函数和减速器和传动机构的传递函数 位置单闭环控制频带宽，响应快，一般用
21、在小功率伺服系位置单闭环控制频带宽，响应快，一般用在小功率伺服系统中。统中。 转速和电流内环的伺服系统动态性能较好，并且有电流和转速和电流内环的伺服系统动态性能较好，并且有电流和转矩限制，安全可靠性高，一般使用在中、大功率伺服系统。转矩限制，安全可靠性高，一般使用在中、大功率伺服系统。 转速内环以等效传递函数表示转速内环以等效传递函数表示, 减速器的传递函数是一个积减速器的传递函数是一个积分环节分环节, 因此位置调节器常用因此位置调节器常用PID调节器，以调节器的微分作调节器，以调节器的微分作用对消减速器的积分，以降低方程阶次，提高系统的稳定性用对消减速器的积分，以降低方程阶次，提高系统的稳定
22、性7.2.3 位置伺服系统的稳态性能位置伺服系统的稳态性能一一 伺服控制系统的稳态误差伺服控制系统的稳态误差稳态稳态误差误差有：有：检测误差，原理误差检测误差，原理误差，扰动误差扰动误差 1. 检测误差主要由检测装置的精度决定的，是系统不能克检测误差主要由检测装置的精度决定的，是系统不能克服的误差，减小检测误差采用高精度检测装置，圆盘脉冲编服的误差，减小检测误差采用高精度检测装置，圆盘脉冲编码器定位精度可以达到角秒级，圆光栅定位精度可以达到码器定位精度可以达到角秒级，圆光栅定位精度可以达到0.1角秒，长光栅角秒，长光栅0.05m。2. 扰动误差根据扰动的大小和加入的位置不同产生误差的扰动误差根
23、据扰动的大小和加入的位置不同产生误差的情况不同，需要具体情况具体分析。情况不同，需要具体情况具体分析。3. 原理误差是由系统结构和调节器参数决定的，可以根据原理误差是由系统结构和调节器参数决定的，可以根据系统开环传递函数和位置信号性质分析。系统开环传递函数和位置信号性质分析。二二 原理稳态误差分析原理稳态误差分析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输入信号输入信号函数表达式函数表达式拉氏变换拉氏变换阶阶跃信号跃信号速度速度（斜坡）信号（斜坡）信号加速度加速度（抛物线（抛物线） 正弦正弦信号信号RtR)(sRs )(cttR)(2)(sCs 221)(cttR3)(sCs tRt
24、RRmsin)(22)(RRss 伺服系统可以分为伺服系统可以分为0型系统，型系统，I型系统和型系统和II型系统，型系统， 0型系统没有积分环节，型系统没有积分环节，I型系统和型系统和II型系统分别包含一个型系统分别包含一个和两个积分环节，和两个积分环节， 在阶跃信号、速度和加速度信号输入时，系统的稳态误在阶跃信号、速度和加速度信号输入时，系统的稳态误差可以用拉氏终值定理求得差可以用拉氏终值定理求得0型型I型型II型型阶跃信号阶跃信号速度（斜坡）信号速度（斜坡）信号 0 加速度信号加速度信号 0 01kRkckc 正弦信号不能直接使用拉氏终值定理，因为正弦信号不能直接使用拉氏终值定理，因为22
25、)(RRss含有右半平面的极点含有右半平面的极点 1） 按误差公式计算，系统稳态误差为按误差公式计算，系统稳态误差为：)(21)()()(210tRCtRCtRCte)0(0eWC )0(1eWC)0(2eWC)(11)(sWsWe，误差传递函数误差传递函数， )(sW伺服系统开环传递函数伺服系统开环传递函数。例例7.1 设伺服系统传递函数为设伺服系统传递函数为) 1)(1()(21sTsTsKsW正弦输入信号正弦输入信号tRtRRmsin)(系统误差系统误差传递函数传递函数) 1)(1(11)(11)(21sTsTsKsWsWe)0(0eWC KWCe1)0(1)(2)0(2212KTTKW
26、Ce=0，, ,代入式代入式7.5kkmkkmRKTTRKtesincos1)(2212221)(1kkmmTTKRe（2）通过频率特性求稳态误差）通过频率特性求稳态误差)()(1)()(jRjWjWje例例7.2 已知系统结构如图已知系统结构如图 ， 前向通道传递函数前向通道传递函数，输入，输入信号信号tsRsin)(*5，求：求： 1/s时的稳态误差时的稳态误差 误差频率特性误差频率特性2122221 . 0500tan)1 . 0500(500500)( 1 . 0500)(1)(jjjWjW5576. 0005. 1)(1)(jWjW01)576. 0005. 1 ()()(1)()(
27、jRjWjWje)1 .116sin(0112. 0)576. 0sin(005. 1sin)(tttte稳态误差稳态误差7.4 位置检测位置检测7.4.1光电编码器光电编码器 角位移检测角位移检测 光电编码器由光源、透镜、光电编码器由光源、透镜、码盘、遮光板和光敏元件码盘、遮光板和光敏元件组成，光源光线经透镜、组成，光源光线经透镜、码盘和遮光板上窄缝使光码盘和遮光板上窄缝使光敏元件感光发出信号敏元件感光发出信号一一 码盘式编码器码盘式编码器1. 二进制码盘二进制码盘2. 循环码码盘循环码码盘二二 脉冲式编码器脉冲式编码器 脉冲式编码器码盘圆周上均匀分布小孔（或窄缝），码脉冲式编码器码盘圆周上
28、均匀分布小孔（或窄缝），码盘每转过一个孔距产生一个脉冲，计数脉冲个数可得转角，盘每转过一个孔距产生一个脉冲，计数脉冲个数可得转角，遮光板上有三个孔，遮光板上有三个孔，A、B两孔距离是码盘圆周孔距的两孔距离是码盘圆周孔距的4/ 1产生产生二路相差二路相差4/ 1周期的脉冲周期的脉冲，比较比较脉冲脉冲相位可以判别转向相位可以判别转向 码盘码盘内圈有一个零位孔，码盘每转一周，零位孔发出内圈有一个零位孔，码盘每转一周，零位孔发出“零位脉冲零位脉冲”信号，利用零位脉冲可以统计转数信号，利用零位脉冲可以统计转数7.4.2 光栅检测光栅检测将一片短光栅倾斜将一片短光栅倾斜角后叠在另一片长光栅上，角后叠在另一
29、片长光栅上，可以产生粗大的莫尔条纹可以产生粗大的莫尔条纹 莫尔条纹的间距莫尔条纹的间距WWWBH2/2/2/sin2/W光栅间距光栅间距 短光栅右移，莫尔条纹向短光栅右移，莫尔条纹向下移动，短光栅左移，莫尔下移动，短光栅左移，莫尔条纹向上移动条纹向上移动 检测莫尔条纹的移动个数，检测莫尔条纹的移动个数，从而检测短光栅相对长光栅从而检测短光栅相对长光栅的移动距离的移动距离。例如例如 50线线/mm光栅光栅，004. 0mmBH5004. 050/1光栅移动光栅移动1线（线（0.02mm），相当于莫尔条纹移动），相当于莫尔条纹移动5mm， 光栅检测用细分技术进一步提高分辨率，在莫尔条纹变化光栅检测
30、用细分技术进一步提高分辨率，在莫尔条纹变化的一个周期内发出的一个周期内发出N个计数脉冲，每个脉冲相当于原来栅距个计数脉冲，每个脉冲相当于原来栅距的的1/N，则测量精度可以提高为原来的，则测量精度可以提高为原来的N倍。倍。 光栅检测精度高，常用于高精度的机床线位移和角度检测，光栅检测精度高，常用于高精度的机床线位移和角度检测，以及速度，加速度、振动等测量中。以及速度，加速度、振动等测量中。本章小结本章小结 位置是机械装置经常需要控制的参数，电气位置位置是机械装置经常需要控制的参数，电气位置伺服系统以电动机为执行元件控制机械的位移。伺服系统以电动机为执行元件控制机械的位移。 电气位置伺服系统有位置
31、开环控制和闭环控制两电气位置伺服系统有位置开环控制和闭环控制两类，位置开环控制一般使用步进电动机，如果脉冲类，位置开环控制一般使用步进电动机，如果脉冲频率过高，驱动转矩不足，步进电动机都可能产生频率过高，驱动转矩不足，步进电动机都可能产生丢步现象，影响位置控制的精度。丢步现象，影响位置控制的精度。 位置闭环控制系统通过位置检测可以实现位置的位置闭环控制系统通过位置检测可以实现位置的高精度控制，过去位置伺服控制主要用直流电动机，高精度控制，过去位置伺服控制主要用直流电动机，随交流调速技术的发展，交流伺服控制系统应用也随交流调速技术的发展，交流伺服控制系统应用也越来越多，并且控制都实现了数字化，产品已经成越来越多，并且控制都实现了数字化，产品已经成套化，使用很方便。套化，使用很方便。 学习本章主要要掌握伺服控制的原理，可根据位学习本章主要要掌握伺服控制的原理，可根据位置控制的要求选用或设计位置伺服控制系统置控制的要求选用或设计位置伺服控制系统。
