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第11章 位置伺服系统 内容提要 本章第1节介绍位置伺服（随动）系统的基本组 成及分类。本章第2节讲述位置伺服系统的控制 结构及相应控制系统。本章第3节内容为伺服系 统的稳态分析和设计。本章第4节内容为位置伺 服系统的动态分析和设计。本章第5节介绍工业 生产中数字控制的位置伺服（随动）系统。 11.1位置伺服（随动）系统的基本组成及分类 位置伺服系统的基本组成 位置伺服系统的基本组成（续） 图11-1所示的伺服系统由以下5大部分组成： 传动机构和工作机械 伺服电机 伺服驱动器 控制器 传感器 伺服电机与伺服驱动器 伺服电机是伺服系统的执行机构元件，在小功 率伺服系统中多用永磁式伺服电机，如直流伺服 电机、直流无刷伺服电机、永磁式交流伺服电 机。 在大功率或较大功率的情况下也可采用电励 磁的直流或交流伺服电机。此外，还有特殊伺服 电机，如步进伺服电机、磁阻式伺服电机、力矩 伺服电机、直线伺服电机等 伺服电机与伺服驱动器（续） 伺服系统的位置控制器 位置伺服系统的分类 按控制方式来分类 按控制方式来分类（续） 第一种是按误差控制的系统，如图11-2a所 示。系统的闭环传递函数为 按控制方式来分类（续） 按位置伺服系统中元件或环节的静特性不同来分类 按位置反馈信号取出点不同来分类 全闭环位置伺服控制系统 按执行元件（伺服电动机）的功率大小来分类 11.2位置伺服系统的控制结构及相应的控制系统 直流伺服系统广义被控对象动态结构图 单环直流位置伺服系统 单环直流位置伺服系统（续） 双环直流位置伺服系统 双环直流位置伺服系统（续） 三环直流位置伺服系统 三环直流位置伺服系统（续） 交流位置伺服系统的控制结构及相应的控制系统 永磁同步电机的状态方程 交流永磁同步电机动态结构图 永磁同步电动机交流伺服系统 永磁同步电动机交流伺服系统（续） 伺服系统的稳态分析 影响位置伺服系统的控制精度，导致其产生稳态误差的因素 提高位置伺服系统精度的方法 复合控制系统的结构图 复合控制闭环系统对给定控制作用的传递函数 复合控制闭环系统对给定控制作用的传递函数（续） 位置伺服系统的稳定性 位置伺服系统的动态响应特性 位置伺服系统的动态响应特性（续） 单闭环位置伺服系统的动态分析和设计 单闭环位置伺服系统的动态分析和设计（续） 单闭环位置伺服系统的动态分析和设计（续） 若 ， 可分解为 。假 定 ，则系统的开环传递函数为 单闭环位置伺服系统的动态分析和设计（续） 单闭环位置伺服系统的动态分析和设计（续） 单闭环位置伺服系统的动态分析和设计（续） 双环位置伺服系统的动态分析与设计 双环位置伺服系统的动态分析与设计（续） 双环位置伺服系统的动态分析与设计（续） 对图11-24所示电流环的动态结构图进行简化处 理后得到图11-25所示的电流环动态结构图。 双环位置伺服系统的动态分析与设计（续） 双环位置伺服系统的动态分析与设计（续） 电流环进一步简化为图11-27所示的动态结构图 双环位置伺服系统的动态分析与设计（续） 交流位置伺服系统的动态分析和设计 永磁同步电动机三环位置伺服系统电流环设计 永磁同步电动机三环位置伺服系统电流环设计（续） 永磁同步电动机三环位置伺服系统电流环设计（续） 选择 ，实现零、极点对消，当小惯性环节 时间常数时，则电流环的开环传递函数为： 永磁同步电动机三环位置伺服系统速度环设计 速度环同样也是位置伺服系统中的一个重要 的环节，要求速度环具有足够高的增益和通频 带，以及很强的抗干扰能力 。 永磁同步电动机三环位置伺服系统速度环设计（续） 转速环的动态结构图如11-32所示 永磁同步电动机三环位置伺服系统速度环设计（续） 根据图11-32，可以得出速度环的开环传递函数为 永磁同步电动机三环位置伺服系统位置环设计 PMSM位置伺服系统位置环的变结构设计 位置环滑模变结构调节器结构图 提高位置伺服系统动态性能的措施 I-PD控制结构把常数倍输出信号作为状态反馈的 控制结构称为I-P控制系统，如果输出信号的微分 也以常数信号的形式参与反馈控制，那么这种结 构也就称为I-PD控制系统，如图11-35所示。这 时的控制信号为 I-PD控制系统 交流位置伺服系统 交流位置伺服系统分类 交流位置伺服系统图 交流位置伺服系统图b 交流位置随动系统与直流位置随动系统的区别 交流位置随动系统的优点 数控机床的概念 数控机床的分类 全闭环控制系统 CNC数控系统组成 数控机床的优点 数控机床的优点（续） CNC控制器的基本功能 CNC控制器的基本功能（续） 数控机床插补概念 数控机床