控制系统第6章幻灯片.pptVIP

本讲主要内容 第六章 伺服控制技术技术 6.1伺服控制系统概述 6.2伺服控制系统的数学模型 6.3永磁同步电机交流伺服控制 6.4伺服控制系统的设计 6.5标准商用伺服驱动器应用简介 6.1 伺服控制系统概述 伺服意味着“伺候”和“服从”。广义的伺服控制系统指的是精确地跟踪或复现某个过程的反馈控制系统，也可称为随动系统。而狭义的伺服控制系统指的是，被控制量（输出量）是负载的线位移或角位移，当位置给定量（输入量）任意变化时，系统使输出量快速而准确地复现输入量的变化，又称为位置随动系统。 伺服控制系统和调速控制系统一样，都属于反馈控制系统，即通过对给定量和反馈量的比较，按照某种控制运算规律对执行机构进行调节控制。当给定量增大、反馈量不变时，差值增大，输出量增大；当给定量不变、输出量增大时，差值就会减小，随之输出量也就会减小，形成闭环控制系统。就控制原理而言，速度调节控制系统与伺服控制系统的原理是完全相同的。 伺服控制系统与调速控制系统的主要区别在于，调速控制系统的主要作用是保证稳定和抵抗扰动，而伺服控制系统要求输出量准确跟随给定量的变化，更突出快速响应能力。 总体而言，稳态精度和动态稳定性是两种控制系统都必须具备的，但在动态性能中，调速控制系统多强调抗扰性，而伺服控制系统则更强调快速跟随性。 1．伺服控制系统的基本要求 伺服控制系统的基本要求是： ①稳定性好； ②精度高； ③动态响应快； ④抗扰动能力强。 2．伺服控制系统的基本特征 伺服控制系统的基本特征是： ① 必须具备高精度的传感器，能准确地给出输出量的电信号； ② 功率放大器及控制系统都必须是可逆的； ③ 足够大的调速范围及足够强的低速带载能力； ④ 快速的响应能力和较强的抗干扰能力。 3．伺服控制系统的组成 图6-1所示的是伺服控制系统的框图。由图可见，系统由五大部件组成，控制器、驱动装置、伺服电机、机械传动机构和传感器。 1) 控制器 控制器是伺服控制系统的关键所在，伺服控制系统的控制规律体现在控制器上。控制器依据任务需求，结合传感器的反馈情况，得出偏差信号，经过必要的控制算法，产生驱动装置的控制信号。 2) 驱动装置与伺服电机 驱动装置主要起功率放大作用。根据不同的伺服电机，驱动装置控制伺服电机的转矩和转速，以满足伺服控制系统实际的需求。伺服电机是伺服系统的执行元件，通常用于精密机械的传动控制。 3) 传感器 传感器的检测精度和准确度对于伺服控制系统的性能至关重要。 通常，把控制器、驱动装置与传感器预处理电路整合在一起，制成一个标准产品，即伺服驱动器。 4) 机械传动机构 机械传动机构是实现控制的直接物理形式。为了满足各种功能需求，离不开机械机构的保证。高精度的机械传动是实现精密控制的坚实基础。 6.2 伺服控制系统的数学模型 按照伺服电机的属性，伺服控制系统可以分成：直流伺服控制系统和交流伺服控制系统。下面，从系统的数学模型入手进行研究。 6.2.1 直流伺服控制系统的数学模型 1．直流伺服控制系统的静态结构框图 2．直流伺服控制系统的数学模型 直流伺服控制系统的执行元件为直流伺服电机，中、小功率的伺服控制系统采用直流永磁伺服电机，当功率较大时，也可采用电源励磁的直流伺服电机，直流无刷电机与直流电机有相同的控制特性，也可归入直流伺服控制系统。由于在小功率位置伺服控制系统中，直流电机的电枢回路是不串联平波电抗器的，所使用的电机的电枢电阻又较大，因此电枢回路的电磁时间常数TL一般很小，甚至可以认为TL0；相应地，拖动系统的机电时间常数Tm则较大。下面根据图6-2所示的直流伺服控制系统框图，推出相应数学关系式。 数学关系式 (1) 直流伺服电机的数学模型与直流电机的数学模型无本质上的区别。假定气隙磁通恒定，则直流伺服电机的状态方程为 3．带电流环控制的直流伺服控制系统 2) 电流环控制 6.2.2 交流伺服控制系统的数学模型 2．交流伺服控制系统控制对象的统一模型 以上分析表明，采用电流闭环控制后，交流伺服控制系统与直流伺服控制系统具有相同的控制对象，式(6-11)或式(6-12)可以称为在电流闭环控制下，交、直流伺服控制系统控制对象的统一模型。 因此，可用相同的方法设计交流或直流伺服控制系统。 6.3 永磁同步电机交流伺服控制 1) 永磁同步电机基本结构和分类 图6-4所示的是一台永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）的剖面实物图。从图中可以看出PMSM主要组成部分有电机机座、定子绕组、转子（永磁体）、轴承、温度传感器、编码器和接线插座等。 PMSM主要有三种类型：凸极式、嵌入式和内埋式。这是按照磁极的构成形态进行分类的，如图6-5所示。 2) 永磁同步电机交流伺服控制系统的组成 (1)