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)的控制結構及相應控制系統(tǒng)。本章第3節(jié)內(nèi)容為伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設計。本章第4節(jié)內(nèi)容為位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析和設計。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）是負載機械空間位置的線位移或角位移，當位置給定量（輸入量）做任意變化時，使其被控制量（輸出量）快速、準確的復現(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（轉矩）控制電力電子功率變換器伺服電動機傳動機構工作機械本體電流傳感器速度傳感器位置傳感器C(t)控制器伺服驅動器執(zhí)行機構被控對象圖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 傳動機構和工作機械l 伺服電機l 伺服驅動器l 控制器

3、l 傳感器伺服電機與伺服驅動器伺服電機與伺服驅動器 伺服電機是伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機構元件，在小功率伺服系統(tǒng)中多用永磁式伺服電機，如直流伺服電機、直流無刷伺服電機、永磁式交流伺服電機。 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。此外，還有特殊伺服電機，如步進伺服電機、磁阻式伺服電機、力矩伺服電機、直線伺服電機等 伺服電機與伺服驅動器（續(xù)）伺服電機與伺服驅動器（續(xù)） 從電機結構和數(shù)學模型來看，伺服電機與調速電機沒有本質區(qū)別，一般來說，伺服電機的轉動慣量小于調速電機，低速和零速帶載性能優(yōu)于調速電機。 伺服驅動器主要起功率放大的作用，根據(jù)不同的伺服電機，輸出合適的電壓和頻率（對于交流伺

4、服電機），控制伺服電機的轉矩和轉速，滿足伺服系統(tǒng)的要求。由于伺服電機需要四象限運行，故伺服驅動器必須是可逆的 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，由它實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的控制規(guī)律，控制器應根據(jù)偏差信號，經(jīng)過必要的控制算法，產(chǎn)生驅動器的控制信號。 與調速系統(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算機數(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)行元件的物理性質不同分為：按執(zhí)行元件的物理性質不同分為：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合控制的系統(tǒng)，采用負反饋與前饋相結合的控制方式，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不同來分按位置反饋信號取出點不同來分類類按位置反饋信號取出點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)。工作機械伺服電機伺服系統(tǒng)位置指令機械螺距M速度反饋位置反饋伺服驅動器編碼器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) 位置指令工作機械伺服電機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）的功按執(zhí)行元件（伺服電動機）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)的控制結構及位置伺服系統(tǒng)的控制結構及相應的控制系統(tǒng)相應的控制系統(tǒng) 直流位置伺服系統(tǒng)的廣義被控對象由驅動器（PWM功率變換器）、直流電動機、機械傳動裝置等三部分組成，如圖11-6所示 PWM功率變換器Ud0Uc伺服驅動器直流電動機機械傳動裝置及工作機械圖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)結構圖結構圖圖11-7 直流伺服系統(tǒng)廣義被控對象動態(tài)結構圖單環(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)的控制結構，可以看出，系統(tǒng)只有一個位置閉環(huán)，其相應的控制系統(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)結構圖；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 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)的基礎上再加一個位置外環(huán)就構成了位置、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)調速系統(tǒng)的基礎上外加位置環(huán)構成位置、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)結構圖； 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)直流調速系統(tǒng)的基礎上，設置位置控制閉環(huán)，則就得到三環(huán)直流位置伺服系統(tǒng)，其控制結構和相應的控制系統(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)結構圖； b)三環(huán)直流位置伺服系統(tǒng)交流位置伺服系統(tǒng)的控制結構及交流位置伺服系統(tǒng)的控制結構及相應的控制系統(tǒng)相應的控制系統(tǒng) 交流伺服電機有三相異步電動機、永磁式同步電動機和磁阻式步進電動機等。各種交流伺服電動機通過磁場定向（矢量控制）可等效為直流電動機，現(xiàn)以三相永磁同步電動機（PMSM）為例進行介紹。永磁同步電機的狀態(tài)方程永磁同步電機的狀態(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）交流永磁同步電機動態(tài)結構圖交流永磁同步電機動態(tài)結構圖式（11-7）即為PMSM的解耦狀態(tài)方程。在零初始條件下，對永磁同步電機的解耦狀態(tài)方程求拉氏變換，以電壓為輸入，轉子速度為輸出的交流永磁同步電機動態(tài)結構圖如圖11-11所示 永磁同步電動機交流伺服系統(tǒng)永磁同步電動機交流伺服系統(tǒng)圖11-12a)永磁同步電動機三環(huán)交流伺服系統(tǒng)控制結構 永磁同步電動機交流伺服系統(tǒng)永磁同步電動機交流伺服系統(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制逆變器轉子、磁極位置圖11-12b)永磁同步電動

12、機交流伺服系統(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)是指過渡過程結束后位置伺服系統(tǒng)的狀態(tài)。過渡過程結束后，即位置伺服系統(tǒng)達到新的平衡之后，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?？刂凭纫卜Q作穩(wěn)態(tài)誤差，是指位置伺服系統(tǒng)過渡過程結束進入穩(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，導致其產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差的因素導致其產(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)的結構及參數(shù)和系統(tǒng)的給定輸入信號引起的原理誤差；負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，可以采用復合控制的辦法。復合控制系統(tǒng)的結構圖復合控制系統(tǒng)的結構圖在閉環(huán)反饋控制的基礎上，再引入一個對外部輸入信號進行多階微分的順饋補償，簡稱為前饋補償或前饋控制，把前饋控制和反饋控制相結合構成的控制系統(tǒng)稱為復合控制系統(tǒng)。復合控制系統(tǒng)的結構圖如圖11-17所示。 圖1

14、1-17 復合控制系統(tǒng)結構圖復合控制閉環(huán)系統(tǒng)對給定控制作復合控制閉環(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結構圖可以寫出復合控制閉環(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）復合控制閉環(huán)系統(tǒng)對給定控制作復合控制閉環(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。前饋補償信號的引入對

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)，當受到任何輸入的激勵，就可能偏離原平衡狀態(tài)。當激勵消失后，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)結構與元件參數(shù)，與外部輸入指令或擾動信號無關。 位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應特性位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應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（快速的響應能力，指動態(tài)過程進行的時間短）。 伺服

16、系統(tǒng)的動態(tài)性能指標與系統(tǒng)的結構形式和結構參數(shù)密切相關。 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)響應特性位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應特性（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)會恢復原狀態(tài)或達到新的平衡狀態(tài)，但由于系統(tǒng)機械部分存在質量、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)分析和設計和設計 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)結構圖。圖11-21 單閉環(huán)位置控制直流伺服系統(tǒng)結構圖單閉環(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)分析和設計（續(xù)）和設計（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)分析和設計（續(xù)）和設計（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)分析和設計（續(xù)）和設計（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)分析和設計（續(xù)）和設計（續(xù)）若 ，直流伺服電動機為二階振蕩環(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)分析和設計（續(xù)）和設計（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，應采用電流截止負反饋保護措施，或者選擇允許過載，應采用電流截止負反饋保護措施，或者選擇允許過載倍數(shù)較高的直流伺服電動機。還需要知道的是，由于只倍數(shù)較高的直流伺服電動機。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，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，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)分析與設計設計 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）為例來分析和設計雙閉環(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)結構圖如圖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)分析與設計（續(xù)）設計（續(xù)）圖圖11-24 11-24 直流位置伺服系統(tǒng)電流環(huán)動態(tài)結構圖直流位置伺服系統(tǒng)電流環(huán)動態(tài)結構圖雙環(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)分析與設計（續(xù)）設計（續(xù)）對圖11-24所示電流環(huán)的動態(tài)結構圖進行簡化處理后得到圖11-25所示的電流環(huán)動態(tài)結構圖。圖11-25 簡化的電流環(huán)動態(tài)結構圖雙環(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)分析與設計（續(xù)）設計（續(xù)）當ACR選為PI調節(jié)器時，則電流環(huán)動態(tài)結構圖如圖11-26所示圖11-26 ACR為PI算法時電流環(huán)動態(tài)結構圖雙環(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)分析與設計（續(xù)）設計（續(xù)）電流環(huán)進一步簡化為圖11-27所示的動態(tài)結構圖圖11-27 簡化終極的電流環(huán)動態(tài)結構圖雙環(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)分析與設計（續(xù)）設計（續(xù)）設 ，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)等效處理后的結構圖交流位置伺

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)分析和設計設計 交流位置伺服電動機的數(shù)學模型具有非線性、強耦合的性質，僅采用單閉環(huán)位置控制方式難以達到位置伺服系統(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、直接轉矩控制）交流調速系統(tǒng)之上的，即在高性能交流調速系統(tǒng)的基礎上再設置一個位置閉環(huán)，就形成了電流、速度、位置三環(huán)控制系統(tǒng)。 永磁同步電動機三環(huán)位置伺服系永磁同步電動機三環(huán)位置伺服系統(tǒng)電流環(huán)設計統(tǒng)電流環(huán)設計 圖11-31 電流環(huán)動態(tài)結構圖永磁同步電動機三環(huán)位置伺服系永磁同步電動機三環(huán)位置伺服系統(tǒng)電流環(huán)設計（續(xù)）統(tǒng)電流環(huán)設計（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、轉子電流對矢量控制指令的快速而準確跟蹤。 通過對圖11-31的結構圖變換可得到電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為 ssTsTRsKKsGioilispii1111永磁同步電動機三環(huán)位置伺服系永磁同步電動機三環(huán)位置伺服系統(tǒng)電流環(huán)設計（續(xù)）統(tǒng)電流環(huán)設計（續(xù)）選擇 ，實現(xiàn)零、極點對消，當小慣性環(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永磁同步電動機三環(huán)位置伺服系永磁同步電動機三環(huán)位置伺服系統(tǒng)速度環(huán)設計統(tǒng)速度環(huán)設計 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，以及很強的抗干擾能力 。 綜合考慮

24、速度環(huán)設計要求，則速度控制器應選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永磁同步電動機三環(huán)位置伺服系永磁同步電動機三環(huán)位置伺服系統(tǒng)速度環(huán)設計（續(xù)）統(tǒng)速度環(huán)設計（續(xù)）轉速環(huán)的動態(tài)結構圖如11-32所示 圖11-32 采用PI控制的速度環(huán)動態(tài)結構框圖永磁同步電動機三環(huán)位置伺服系永磁同步電動機三環(huán)位置伺服系統(tǒng)速度環(huán)設計（續(xù)）統(tǒng)速度環(huán)設計（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，轉速環(huán)可以按典型的II型系統(tǒng)來設計。定義變量h為頻寬，根據(jù)典型II型系統(tǒng)參數(shù)設計公式：InKh1IcNK

25、KJhhK21永磁同步電動機三環(huán)位置伺服系永磁同步電動機三環(huán)位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)設計統(tǒng)位置環(huán)設計圖11-33 位置環(huán)動態(tài)結構圖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)的變結構設計結構設計變結構控制總是產(chǎn)生最大作用：變結構控制總是產(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)選擇變結構設計。位置環(huán)滑模變結構調節(jié)器結構圖位置環(huán)滑模變結構調節(jié)器結構圖 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控制結構把常數(shù)倍輸出信號作為狀態(tài)反饋的控制結構稱為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，那么這種結構也就稱為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為執(zhí)行元件的伺服系統(tǒng)，它是在高性能交流調速系統(tǒng)（矢量控制系統(tǒng)、直接轉矩控制系統(tǒng)）的基礎上增設位置閉環(huán)而構成的隨動系統(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)分為同步電機型和異步電機型兩種，同步電機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、梯形波永磁同步電動機、步進電動機等，相應控制系統(tǒng)如圖

27、11-51a所示；異步電機交流位置隨動系統(tǒng)的執(zhí)行元件為異步電動機，相應控制系統(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及其轉速控制策略的不同而已，在分析和設計位置閉環(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的轉速控制效果。這就要求轉速控制系統(tǒng)必須采用高性能的矢量控制或者直接轉矩控制方式，以及其他高性能轉速控制方式。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)的轉矩特性，因此交流位置隨動系統(tǒng)在低速運行區(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)點交流位置隨動系統(tǒng)的優(yōu)點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、摩擦力矩?。o機械換向器）、慣性小、響應速度快、調速范圍寬等優(yōu)點。 數(shù)控機床的概念數(shù)控機床的概念 數(shù)控機床是一個裝有程序控制系統(tǒng)的機床，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，從而自動的控制機床移動，完成工件加工任務。 數(shù)控機床的分類數(shù)控機床的分類按功能上分為：數(shù)控車、銑、刨、磨、鏜、拉、鉆、板金成形、管成形機床，數(shù)控齒輪加工機床等多種類型。按運動軌跡可分為點位控制機床，如數(shù)控鉆、沖、鏜床等。直線控制機床，如數(shù)控車床。輪廓控制機床，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