第4章 伺服系统设计与禁忌
4.1 伺服系统设计概述
4.1.1 伺服系统及其基本构成
伺服系统亦称随动系统，隶属于自控系统的一个重要分支。它用来控制被控对象的转角（或位移），使其能自动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规律。伺服系统服务的对象种类繁多，如机器人手臂各关节的运动控
制，仿形铣床中铣刀与被加工件
之间相对运动轨迹的控制， 电弧
炼钢炉电极的位置控制，跟踪雷
达天线俯仰角、方位角的自动控
制，电动控制阀阀门的位置控制，
计算机的磁盘、光盘的驱动控制
等。伺服系统是由多种元、器件
连接组成的，如图4-1所示。其中
图4-1a 表示用步进电动机及驱动
线路所构成的开环伺服系统，图
4-1b 则表示闭环伺服系统。图中
各部分都是由传递信号来控制的。本章将主要讨论各部分的设计、选择、相互间的连接与匹配并构成系统的问题。就实际伺服系统而言，它除了包含图中所示各部分外，还应该有为各部分提供能源的电源设备，以及系统的控制、检测显示等装置。
从伺服系统组成元件的性质看，有全部为电气元件组成的电气伺服系统；有电气元件与液压元件组合成的电气-液压伺服系统；有电气元件与气动元件组合成的电气-气动伺服系统。本章仅以电气伺服系统为例，介绍伺服系统的设计方
法，举一反三，并不失其通用性。
伺服系统常用的控制方式见图4-2，其
中图4-2a 为开环控制；图4-2b 为闭环控制；
图4-2c 为开环与闭环的组合控制形式，简称
复合控制。 4.1.2 对伺服系统的设计要求 工程上对伺服系统的设计要求很具体，由于伺服系统所服务的对象不同、用途殊异，因而对伺服系统的要求也有差别。可将技术要求归纳为以下几个方面：
b) 图4-1 伺服系统的方框图
1)对系统基本性能的要求，包括对系统稳态性能和动态性能两方面的要求。
2)对系统工作体制、可靠性、使用寿命等方面的要求。
3)系统需适应的工作环境条件：如温度、湿度、防潮、防化、防辐射、抗振动、抗冲击等方面的要求。
4)对系统体积、容量、结构外形、安装特点等方面的限制。
5)对系统制造成本、运行的经济性、标准化程度、能源条件等方面的要求。
这些问题涉及的面很广，限于篇幅，本章只针对伺服系统的基本性能要求，讨论伺服系统设计的基本方法。因此，先将伺服系统稳态性能和动态性能的一般性要求简述如下。
（1）伺服系统的稳态性能要求
1)系统静误差e s（其量纲是角度或长度）。对闭环控制的伺服系统而言，按线性理论分析应该是无静差系统，但实际系统的检测装置分辨力有限，系统带动被控对象运动总会承受干摩擦，这些都造成实际系统有静误差e s存在。
2)系统速度误差e v（角度或长度）。系统处于等速跟踪状态时，系统输出轴与其输入轴作相等的匀速运动，在同一时刻，输入轴和输出轴之间的转角差。
3)系统最大跟踪误差e m（角度或长度）。系统输出轴在一定的速度和加速度范围内追随输入轴运动时，在同一时刻两轴之间最大的差值。
4)系统最低平稳跟踪角度Ωmin（或速度v min或转速n min），是系统输出轴平稳追随输入轴作匀速运动时，系统输出轴不出现明显的步进现象所能达到的最低速度。
5)系统最大跟踪角速度Ωmax（或v max或n max），是系统输出轴平稳跟随输入轴，且不超过系统速度误差e v的前提下，系统所能达到的最高速度。
6)最大跟踪角加速度εmax（或a max）,是系统输出轴跟随输入轴，在不超过最大跟踪误差e m 的前提下，系统所能达到的最大角加速度。
7)最大角速度Ωlim（或v lim或转速n lim）、输出最大角加速度εlim（或a lim）,均指不考虑跟踪精度的情况下，系统输出轴所能达到的极限速度和极限加速度。
当然，对系统稳态性能还有其他的要求或其他的提法，如正弦跟踪状态下的误差、速度品质系数K v、加速度品质系数K a、连续调速范围D等。
以上介绍稳态误差的时候，均提到系统输出轴跟踪系统输入轴运动，并以两轴之间的瞬时转角差作为系统的误差值，实际上有些伺服系统并没有实际的输入轴存在，输入信号不是依靠转动输入轴来产生，而是代表输入转角的信号电压或具体的数字代码。
(2）伺服系统动态性能要求
1)系统应是渐近稳定的，并应具有一定的稳定裕量。
2)在典型信号输入下，系统的时域响应特征要满足规定的要求，用得最多的是系统处于静止协调状态下（即零初始条件下），系统对阶跃输入信号的响应特征，通常取最大超调量M p﹪、协调时间（即过渡过程时间）t s、振荡次数N等特征量作定量的评价。
3)系统的频域响应特征，通常用波德图表示，有时取最大振荡指标M r、系统的频带宽度w b 等特征量作指标。
4)当系统稳态运行时（通常以等速跟踪状态下），系统输出轴承受负载力矩作阶跃变化或脉冲扰动变化时，系统的动态响应特征也是考核的内容，通常选取系统动态过程中的最大误差e t、
过渡过程时间t s等特征量来衡量。
5)根据系统内部参数的可能变化范围、被控对象特征的变化范围、系统工作环境条件的变化范围，对系统性能的鲁棒性提出要求。
以上仅仅是简要概括对伺服系统性能要求的几个方面，随被控对象的不同，对伺服系统的性能要求差别很大。在着手设计伺服系统时，必须注意用户对系统所提出的基本性能要求，并以此作为定量设计计算的依据。
4.1.3伺服系统设计的内容和步骤
伺服系统设计的主要内容和步骤可分为以下几点；
(1)系统总体方案的初步制定首先根据需要与可能，对伺服系统的总体有一个初步的设想。是采用纯电气的，还是采用电气-液压或是电气-气动的？在确定采用纯电气的方案时，是采用步进电动机作执行元件，还是采用直流伺服电动机或是交流伺服电动机？系统控制方式是用开环的或是闭环的或是复合控制的？是采用模拟式的还是采用数字式的？整个系统应由哪几个部分组成？这些问题在制定方案时必须明确回答。当然可以订几个方案，以便进一步分析比较。
(2)系统的稳态设计总体方案仅仅是一个粗略的轮廓，必须进一步将系统的各部分具体细化，通常先根据对系统稳态性能的要求，进行稳态设计，将系统各部分采用什么型号规格和具体参数值都确定下来。系统的稳态设计也要分步骤进行：首先要根据被控对象运动的特点，选择系统的执行电动机和相应的机械传动机构；接着可以选择或设计驱动执行电动机的功率放大装置；然后再根据系统工作精度的要求，确定检测装置具体的组成形式，选择元件的型号规格，设计具体的路线参数；最后根据已确定的执行电动机、功率放大装置和检测装置，设计前置放大器、信号转换路线等。在考虑各元、器件的相互连接时，要注意阻抗的匹配、饱和界限、分辨力、供电方式和接地方式；为使有用信号不失真的、不失精度的有效传递，要设计好耦合方式；同时也要考虑必要的屏蔽、去耦、滤波等抗干扰措施。
(3)建立系统的动态数学模型经过系统的稳态设计后，系统主回路各部分基本上均已确定。但稳态设计依据的主要是系统的稳态性能指标，因此所构成的系统还不能保证满足系统动态性能的要求，为系统的动态设计做准备，需要对稳态设计所确定的系统作定量计算（或辅助实验测试），建立它的动态数学模型，称之为原始系统的数学模型。
(4)系统的动态设计根据被控对象对系统动态性能的要求，结合以上获得的原始系统数学模型，进行动态设计，要确定采用什么校正（补偿）法方式，确定校正（补偿）装置具体线路和参数，确定校正装置在原始系统中具体连接的部位和连接方式。使校正（补偿）后的系统能满足动态性能指标要求。
(5)系统的仿真试验根据校正后系统的数学模型进行仿真，以检验各种工作状态下系统的性能，以便发现问题，及时予以调整。
以上设计内容和步骤只是拿出一个定量的设计方案，工程设计计算总是近似的，只作为工程实施的一个依据，在具体实施时，要经过系统调试实验，方能将系统的有关参数确定下来，特别是校正（补偿）装置的参数，往往要通过系统的反复调试才能确定。因此，本章所介绍的设计方法都不是万能的，它们只是便于工程设计定量，使设计者心里有数，灵活运用，禁忌生搬硬套，为工程实施少走弯路、减少盲目性。
4.1.4伺服系统设计方案的选择禁忌
1)伺服控制技术是机电一体化学科中与产业部门联系最紧密、服务最广泛的一个重要分支。在选用伺服系统方案时必须首先了解伺服系统的历史沿革，做到心中有数，禁忌盲目性。
早期的伺服系统都是采用“交磁电动机扩大机-直流电动机”式的驱动方式，由于交磁电动机扩大机的频率响应较差，电动转动部分的转动惯量以及电气时间常数都比较大，因此，响应速度比较慢，控制性能也较差。
20世纪60年代初期，有关电-液伺服技术的理论日趋完善，从而使电-液伺服系统的应用达到了前所未有的高潮，并被广泛地应用于武器、船舰、航空、航天等军事工业部门以及高精度机床控制；它表现出较早期伺服系统无以伦比的快速性、低速平稳性等一系列优点；因此，60年代的伺服系统中，液压控制有优于直流伺服电动机控制的趋向；有一些由电动机拖动的机床给进系统，也相继改成为电-液伺服系统；但是，液压系统存在漏油、维护修理不便、对油液中的污染物比较敏感、经常发生故障等缺点。
20世纪60年代机电伺服系统在一些重要元器件的性能上有新的突破，尤其是可控的大功率半导体器件??晶闸管问世，由它组成的静止式可控整流装置无论在运行性能还是可靠性上都具有明显的优点；20世纪70年代以来，国际上电力电子技术（即大功率半导体技术）突飞猛进，推出了新一代的开和关都能控制的“全控式”电力电子器件，如门极关断晶闸管（GTO）、大功率晶体管（GTR）、场效应晶体管（P-MOSFFT）等。与此同时，随着稀土磁材料的发展和电动机制作技术的进步，相继研制出了力矩电动机、印刷绕组电动机、无槽电动机、大惯量宽调速电动机等性能良好的执行元件，与脉宽调制式装置相配合，使直流电源以1～10kHz的频率交替地导通和关断，用改变脉冲电压的宽度来改变平均输出电压，从而调节电动机的转速，大大改善了伺服系统的性能。力矩电动机是一种低速电动机，调速范围广、低速平稳性好，最低平稳转速很低。这样可以用电动机直接拖动负载而省掉中间减速器，从根本上避免了齿隙、空回所带来的一系列问题。无槽电动机是一种小惯量高速电动机，其转动惯量甚至比同样功率的液压马达还小，其调速范围比同功率容量的液压马达还宽，加上机电系统维修简便，成本低廉，对电-液伺服系统形成了有力挑战。
伺服系统隶属于自控系统的一个重要分支，早先是以经典的频率法进行分析和设计，是以传递函数、拉氏变换和奈氏稳定理论为基础的。20世纪50年代发展了根轨迹法，这种方法是根据闭环传递函数特征方程的根在复平面上的分布，以及开环传递函数的零点和极点情况来判断增益对系统稳定性、动态特性、带宽等重要指标的影响而进行补偿器的设计。这些方法对于解决多变量时变系统是无能为力的。到了20世纪60年代发展了现代控制理论，适应于多变量时变系统，为计算机在伺服系统中的应用奠定了理论基础。随着控制技术的发展，对伺服系统的性能不断提出新的要求。近年来，数字技术的飞速发展，将计算机与伺服控制系统相结合，使计算机成为伺服系统中的一个环节已成为现实。在直流伺服系统中，利用计算机来完成系统的校正、改变伺服系统的增益、带宽、完成系统的管理、监视等任务，使伺服系统向着智能化方向发展。
随着大规模集成电路的飞速发展，以及计算机（特别是微处理机）在伺服控制系统中的普遍应用，近年来，构成伺服控制系统的重要组成部分??伺服元件发生了巨大变革，并且向着便于计算机控制方向发展。为提高控制精度，便于计算机相接，位置、速度等检测元件趋于数字化、
集成化。即使是模拟式的伺服元件亦在向着高精度、低噪声的方向发展。目前，用大功率晶体管PWM控制的永磁式直流伺服电动机驱动装置，是高精度伺服控制领域应用最为广泛的驱动形式。这种装置能实现宽范围的速度和位置控制，较之常规的驱动方式（交磁电动机扩大机驱动、晶体管线性放大驱动、电-液驱动、晶闸管驱动）具有无可比拟的优点。
总而言之，微电子学的突飞猛进、大规模集成电路的批量生产、微型计算机的广泛应用，使得伺服技术也获得迅猛发展。其中微处理机使现代控制理论在伺服系统中的应用得到了有力的支持，架起了现代控制论通向伺服系统领域的桥梁，大大改善了控制性能。而电力电子学的最新成就，又促进了伺服系统的发展。展望未来，新器件、新理论、新技术必将驱动伺服系统朝着“智能化”方向发展，赋予人工智能特性的伺服系统以及智能控制器在近代必将获得最广泛的应用。
伺服系统总是由若干元、器件组合而成。因此，伺服系统方案的选择要求系统设计师必须熟悉市场上供应的元器件和材料的新情况，及时索取最新技术产品资料，了解国内外加工工艺和检验技术水平，追踪新元器件、新工艺和新技术的发展，密切注视电力电子学领域的动态。这样，才有可能制定出能付诸实施的、先进合理的设计方案。系统设计师要经过调查研究，在充分掌握上述信息的基础上，结合系统设计的技术要求，制订出系统的结构方案。具体地说，要选定系统各主要元部件的形式、确定各部件的接口方式、系统控制方式，确定系统的主干线路、辅助线路及电源形式。同时，进行必要的稳态计算（稳态计算包括：执行元件的计算和选择，功率放大器的选择和计算，敏感元件确定，中间控制电路的确定、传动装置设计等），检验各部件之间输入、输出的功率匹配以及精度，解决信号的有效传递、综合叠加、信号形成与变换，以及级间耦合匹配等问题，作出定量的计算和选择。拟定系统主干线（指模拟控制系统）时，还要为引入的校正补偿装置留有余地，尽量照顾到改善动态性能及综合校正的方便。
在伺服系统方案的选用时必须做到心中有数，禁忌盲目性。因为伺服系统的服务对象是各种各样的，要概括出一种通用的、行之有效的设计方法是困难的。但伺服系统都是为某一具体的控制对象服务的，因而必须按照对象的特点和需要，制定出技术条件，以作为设计系统可行的依据。控制方案的选择要考虑到许多方面的因素，如系统的性能指标要求；元件的资源和经济性；工作的可靠性和使用寿命；操纵和维护是否方便等；亦称可操作性能和可维护性能。通常要经过反复比较，才能最后确定。系统方案的选择，从信号体制的不同，可以选择直流、交流、交直流混合和数字控制等不同的方案；从组成系统的回路和对系统的校正方式的不同，可以选取单回路和多回路的不同方案；从系统工作方式的不同，有线性控制和非线性控制的不同方案；从对付外界信号带来系统影响的补偿方式，可以选择前馈控制和补偿控制，亦称复合控制等等。近年来，由于数字计算机的普及，连续控制和离散控制的混合系统无疑是一个重要的技术发展方向。纯直流控制方案在结构上比较简单，容易实现而得到应用。但是直流放大器的漂移较大，这种系统的精度较低，目前只用于精度要求低的场合。全部交流控制方案，这种控制方案结构简单，使用元件少，但测量元件输出的误差信号中，含有较大的剩余电压，这部分电压是由正交分量和高次谐波所组成；当系统的增益较大时，剩余电压可使放大器饱和而堵塞控制信号的通道，使系统无法正常工作，因而这种方案限制了增益的提高，也就限制了控制系统精度的提高；另外，交流校正装置的实现是比较困难的，这给控制系统的调整带来麻烦；由于上述原因，就使得系统精度难以提高，目前全部交流方案应用也较少；通常，应用在精度要求不高的地方；例如航海使用的电罗经，精度要求±0.5°，就是应用全部交流控制方案。在要求较高的控制系统中，一般多采用交直流混合
的控制方案；这种方案比全部交流方案增加了相敏检波和滤波环节，有效地抑制了零位的高次谐波和正交分量；同时采用直流校正装置容易实现，使得控制系统的精度得到提高；因而得到广泛采用。在设计和调整中，要注意在交直流变换过程中，尽量少引入新的干扰成分和附加时间常数，在调解器中应注意滤波器参数的选择。
在选择以角度为控制对象伺服系统时，宜采用调相工作的角度随动系统。该系统的输入角由数字装置给出，它以输入方波对基准方波的相位表示。系统的输出角度经测量元件（精密移相器）变成方波电压的相角变化。这样输入和反馈的方波在比相器上进行相位比较，将相位差转换成直流电压，经校正后控制执行电动机转动。调相系统具有很强的抗干扰能力，和计算机连接很方便，采用计算机参与控制，可以使控制更灵活和具有更强的功能。控制系统可以由单回路、双回路和多回路构成。单回路的控制系统结构简单，容易实现；一般只能施加串联校正；这种结构在性能上存在下列缺陷：对系统参数变化较敏感，其参数变化全部反映在闭环传递函数的变化中；抑制干扰能力差，单回路控制系统难于抑制干扰作用的影响；另外，在单回路系统中，如果系统的指标要求较高，系统的增益应当较大，则系统通过串联校正很可能难以实现，必须改变系统结构；出于上述原因，单回路控制系统只适用于被控对象比较简单，性能指标要求不很高的情况。在要求较高的控制系统中，一般采用双回路和多回路的结构；双回路是在单回路（可选择串联校正装置）中增加局部反馈（可选择并联校正装置），由于有了局部反馈，可以充分用来抑制干扰作用，而且当有关部件参数变化很大时，局部闭环系统可以快速削弱它的影响；一般局部闭环是引入速度反馈，控制系统引入速度反馈还可改善系统的低速性能和动态品质；选择局部闭环的原则如下：一方面要包围干扰作用点及参数变化较大的环节，同时又不要使局部闭环的阶次过高（一般不得高于三阶）。除了上述双回路的控制方案之外，还有按干扰控制的多回路控制方案，亦称复合控制方案；反馈控制是按照被控参数的偏差进行控制的，只有当被控参数发生变化时，才会形成偏差，从而才有控制作用；复合控制则是在偏差出现以前，就产生控制作用，它属于开环控制方式，又称前馈控制或顺馈控制或开环补偿；引入前馈控制的目的之一是补偿系统在跟踪过程中产生的速度误差、加速度误差等；补偿控制是对干扰进行补偿，当外界干扰可检测时，通过补偿网络，引入补偿信号可以抵消干扰作用对输出的影响；并且理论上干扰对系统的作用可得到完全的补偿，亦称控制系统对干扰实现了完全的不变；但在实际系统中，由于干扰源较多，而且测量往往不易准确，网络的构成也存在困难，因此完全补偿是不可能实现的，只能做到近似补偿，也称近似不变性。
在选择方案时还应特别注意，选择方案最基本的依据就是用户对系统的主要技术要求。但是，针对不同的使用环境，选择方案的出发点就不同。例如，对军用伺服系统应多注意工作品质、可靠性和灵活性；而对民用工业的伺服系统，还需考虑长期运行的经济条件；系统在室内还是在室外工作、湿度变化范围、电气元件是否要密封；采用模拟控制有利还是数字控制有利等。当系统运行速度很高，且经常处于加速度状态，并对精度的要求又较高时，可以考虑设计二阶无静差的伺服系统或者采用复合控制系统。当然二阶无静差系统的稳定性不高，当机械传动的间隙稍大时易产生自振荡。负载需要调速范围很宽时，一般对执行电动机的选择须十分慎重。对负载需要高速旋转、且低速要求又很严时，一般选择无槽电动机为宜。但通常电动机与负载之间需要齿轮耦合。为了提高刚性，在高性能系统中，一般宜选择大惯量宽调速的低速伺服电动机，采用直接耦合传动方案。对于敏感元件，一般以采用无触点敏感元件为好。另外，在制定方案的同时，必须
认真考虑电磁兼容性要求。
总之，选择方案时应首先根据系统的主要要求，初步拟定一个方案，进行可行性分析；然后做一些实验和性能分析，进一步补充和完善；有时往往需要同时构思几个方案进行对比、优化。等待方案确定后便可按照设计步骤逐项进行，也可以在实验中做局部修改。
2)设计伺服系统必须按照用户所提出的要求，主要是依据被控对象工作的性质和特点，明确对伺服系统的基本性能要求；同时要充分了解市场上器材、元件的供应情况，了解它们的性能质量、品种规格、价格与售后服务，了解新技术、新工艺的发展动态。在通盘、全面考虑的基础上才能着手设计，禁忌顾此失彼、闭门造车。
在设计伺服系统时，首先要拟定一个设计方案，这个方案通常是个粗线条的、大概性的描述，在此基础上才便于开展定量的工程设计计算及工程实验，使设计方案逐步具体细化，以指导工程实践。
设计方案主要包含系统的构成及各主要元、器件采用什么类型？系统的输入采用什么形式？是机械位移（或转角）？是模拟电量，还是数码信号？相应的系统输出机械转角（或直线位移）采用什么类型的检测装置？系统的执行元件是采用交流伺服电动机，还是直流伺服电动机，或是采用液压马达？相应的功率驱动装置打算选用什么类型？系统位置闭环是采用模拟器比较，还是采用数字量比较？系统各主要元、部件之间相互连接的方式，以及信号传递、信号转换的形式。这些问题在制订方案时应有通盘的考虑。伺服技术发展很快，种类繁多，新元件、新方法在伺服系统中的应用层出不穷，可供设计者挑选的余地很宽。
伺服系统总是为某个具体的被控对象服务的，常是整个装置的一个组成部分，因此制订伺服系统设计方案时，不能脱离被控对象的实际情况，要仔细分析它对伺服系统的性能有哪些要求？伺服系统工作的环境条件，整个装置对伺服系统的结构尺寸、体积、重量、安装条件有哪些限制？为伺服系统所提供的能源条件等等。这些总是在制订系统方案时应全面考虑到。例如有些设备工作于露天野外环境，没什么防护设备，它所需要的伺服系统应能经受风雷、雨淋，系统各组成部分（特别是检测元件、执行电动机等需要运动的部件）均应采用密闭性好的封闭形式，并要具有在-40～+50℃环境下正常工作的能力。
又例如有些设备只能为伺服系统提供直流低压（如30V）电源，伺服系统主要消耗功率的部分是执行电动机及其功率驱动装置，低压的直流伺服电动机有现成的产品系列可供选择，而选用交流伺服电动机则要单独配置交流电源，若适应低压直流电源配置逆变器和相应的交流伺服电动机，因无现成的产品而需新设计研究，这就增加了伺服系统研制的经费和研制周期。总之，进行伺服系统方案选择时，要考虑实际需要与实现的可能性。可以提出多个方案进行全面的分析对比，选一个更切合实际的方案。
从控制原理上考虑，制订设计方案时亦应明确：是设计成线性连续的系统，还是设计成数字式的？可变结构的，或是具有非线性特性的？就是明确了设计成线性连续的系统，还需要明确是设计成Ⅰ型系统，还是Ⅱ型的或更高型的系统？打算用PI调节器，还是采用前馈加反馈（即复合控制方式）？甚至对系统的补偿是打算用串联补偿，还是采用状态反馈？这些问题在制订方案时也应有所考虑，事先考虑充分、周到，整个设计工作会少走许多弯路，设计的结果会少一些缺陷。
此外，伺服系统的制造成本、系统的寿命与可维修性，系统组成的标准化程度等，这些也是选择方案时需要考虑的，特别是对有一定批量的产品，这些问题更显得突出。
制订系统设计方案是件综合平衡的工作，要求设计者广泛地、深入地调整研究，仔细地分析实际需要，认真地探讨各种实现的可能性。对新元件、新技术的出现要敏感，要善于吸取，以推动伺服技术的发展。
总之，在伺服设计系统时，要注意综合考虑。因对伺服系统性能的要求是多方面的，每步设计都要将相关问题充分考虑周到；要善于综合平衡，灵活应用，禁忌顾此失彼，生搬硬套。并且这些设计思想，在具体到每一步设计中，都会涉及到，请设计者格外留意。
4.2执行电动机的选择与禁忌
4.2.1执行电动机选择的基本依据
伺服系统设计通常从选择执行电动机开始。作为伺服系统的执行元件，应能方便地实现连续地、平滑地、可逆调速，对控制信号反应快捷，才能保证整个系统带动被控对象按所要求的规律运动。
伺服系统应看作是被控对象的一个组成部分，执行电动机是伺服系统的一个重要组成部分，同时又要它驱动被控对象，因此它是伺服系统与被控对象相联系的一个关键部件。执行电动机必须适应被控对象工作的特点与环境条件，它的机械结构尺寸、安装固定方式，必须与被控对象紧密配合，以求得总体的合理配置，便于安装调整，便于使用维护。这些都关系到执行电动机的选择。在伺服系统应用的许多场合，要想改换别种类型的执行电动机，常会遇到机械结构、体积重量、使用环境条件、电源配备的种类等方面的限制，使设计难以实现。
可用作伺服系统执行元件的电动机种类很多，从大的类别看：有直流伺服电动机（他激的或永磁的）、直流力矩电动机、直流无刷电动机、两相异步电动机、三相异步电动机、滑差电动机、同步电动机、各种步进电动机等等。由于它们调速方法不同、所需电源种类不同、驱动它们运转的功率放大装置更是多种多样，因而它们的机械特性、调速特性、过载能力、线路的复杂程度、驱动功率的大小、以及构成系统的总成本，都各不相同，需要认真地具体分析比较来确定。
选择执行电动机不能只停留在确定电动机的类别及其控制方式上，还必须确定具体型号与规格，需要作定量的核算。为此，要根据被控对象的运动形式（旋转或直线运动），运动的变化规律，运动负载的性质和具体数量，运行工作体制（是长期连续运行或短时运行或间歇式运行），结合系统的稳态性能指标要求，作定量的分析。
伺服系统带动被控对象运动，常常很难用简单的数学表达式来描述，为便于工程设计计算，需作合理的简化，首先应将被控对象运动负载作必要的典型分解，以转动形式为例，常见的典型负载有以下几种：
1）干摩擦力力矩T C=∣T C∣signΩ
式中，Ω表示负载转动的角度（rad/s）；sign为符号函数。
2）惯性转矩T J =jε
式中，j为负载转动惯（kg2m2）；ε为负载角加速度（rad/s2）。
3）粘性摩擦力矩T b =CΩ
式中，C为粘性摩擦系数（N2m2s）。
4)重力力矩T G =Gl
式中，G表示负载重量（N）；l负载重心垂线到转动中心的距离（m）。
5）弹性力矩T K =Kθm
式中，K为扭转弹性系数（N2m/rad）；θm为负载转动角度（rad）。
6）风阻力矩T t =fΩ
式中，f为风阻系数（N2m2s2）。
尽管伺服系统的负载特性多种多样，其中大多数系统可用T c和T J两种组合表示，有的需三种或多种典型负载的组合来表示。
以上典型负载与其运动参数（角速度或角加速度或角度）有关，如果被控对象的运动有规律，其角速度Ω（t）、角加速度ε（t）、角度θm（t）能用简单的数学形式来表达，则定量分析系统负载的大小很方便。但多数被控对象的运动形态是随机性的，很难用简单的确定的格式来描述，工程上采用近似方法，或选取几个有代表性的工况作定量分析计算。如长期运行时执行电动机的发热状态，短时超载或系统极限运行时执行电动机的承受能力，根据对系统动态性能的要求检验执行电动机的响应能力等。
显然，被控对象的运动是与执行电动机的运动同时进行的。执行电动机除了要克服被控对象所形成的负载外，还必须克服电动机自身的干摩擦力矩T rc （N· m）和电动机转子的惯性转矩J r ε
[式中，J r （kg2m2）为电动机转子转动惯量，r（rad/s2）为电动机转动角加速度]。当执行r
电动机与被控对象之间有变速传动装置时，还需要考虑传动比i、传动效率η和传动装置的等效转动惯量J p（kg2m2）等因素。
被控对象的运动参数及负载特性由用户提出，而电动机的特征及其技术参数由生产厂家推出的产品目录来提供。但电动机的种类多、型号多、生产厂家也多，所提供的产品技术参数也不一致。所用量纲也不统一，因此选执行电动机作定量计算时，必须作相应的换算。
例如LY系列永磁式直流力矩电动机产品目录，列出电动机的输出参数有：峰值堵转力矩T mbl、最大空载转速n mo、连续堵转力矩T cbl；对应的电动机输入参数有: 峰值堵转电流I mbl和电压U m，连续堵转电流I cbl和电压U c；电动机自身的参数有：电势系数C e，转子转动惯量J r，电磁时间常数T i。
需要指出的是：其中n mo是电枢电压为U m时电动机的实际空载转速，并不是理想空载转速n io
n io =（4-1）n mo和T mbl可以决定电压为U m时电动机机械特性，并可求出电动机自身的摩擦力矩T rc
T rc =io-n mo ) （4-2）如对于90LY54系列电动机，它的技术参数：U m=48V，I mbl=1.5A，n mo=450r/min，I cbl=0.86A，U c=27.4V，C e=0.096V/(r/min)，T i=3ms，T mbl=14 kg2cm=0.14×9.8=1.372N·m，T c bl=8 kg2cm=0.784N·m，J r=6g2cm2s2=6×9.8×10-5=5.88×10-4 kg2m2。
将U m、C e代入式（4-1）得
n io =500r/min 再由式（4-2）得
T rc
=
连接n io和T mbl直线，如图4-3所示是电压为U m的机械特性。它代表该电动机特性的极限，在横坐标T cbl点作平行于第一条机械特征的平
行线，即得电压U c时的电动机机械特性，它
的空载转速n o为
n o
=/min
这两条机械特性就是电动机定量计算的依据。
此外，直流力矩电动机电枢电阻R a为
R a
=（4-3）
电动机的反电势常数K e (V2s)为
K e=9.55C e （4-4）对应90LY54电动机，其R a =32Ω，K e =0.9168 V2s，电磁转矩常数K m=0.9168N2m/A，即K m的数值等于K e，但量纲应是N2m/A。这些数据对于定量分析，建立系统动态数学模型都是重要的、必须的。
例如SZ系列直流伺服电动机的技术数据，产品手册上给出电动机的输出参数有额定转矩T nom、额定转速n nom、额定功率P nom，输入参数有电枢额定电压U nom、额定电流I nom、激磁电压U f 和激磁电流i f ；电枢转动惯量J r，其他参数需要用以下关系估算：
电枢电阻R a
=（4-5）
电枢电感L a
=（4-6）
式中，n p为电动机磁极对数。
电势常数K e
=（4-7）
转矩常数K m =︱K e︱（4-8）在ZK型封闭式直流伺服电动机的技术数据中，有额定功率P nom(kW)、额定电压U nom(V)、额定电流I nom(A)、额定转速n nom（r/min）、转子飞轮惯量GD2(kg2m2)。除需要上述关系式计算有关参数外，还有
额定转矩T nom =（4-9）
因P nom的量纲换算成W需要乘103。
转子转动惯量J r =（4-10）
电动机自身的摩擦力矩T re可以用下式估算：
T re =K m I nom—T nom （4-11）在SL系列两相异步电动机的技术参数中，有电动机输入参数：频率f（Hz）、激磁电压U f （V）、额定控制电压U nom、堵转电流I bl (A)、每相输入功率Pφ（W）；电动机输出参数有额定输入电压P nom（W）、空载转速n o(r/min)、堵转转矩T be (g2cm)；电动机自身参数有极对数P、电动机时间参数T m(s)。
两相异步电动机自身摩擦力矩很小，计算时可忽略。其额定转矩T nom =1/2T be9.8，额定转
速
n nom =（4-12）电动机转子转动惯量
J r =（4-13）
从产品手册中所列数据可看出：两相异步电动机的体积不小而输出功率小，只适于功率很小的场合。但由于控制线路简单，构成系统的成本低，仍应用很广泛。
可供伺服系统用作执行元件的直流电动机的类数很多，其控制线路也比较简单，加上直流电动机的调速特性线性化、实现可逆调速很方便，过载能力很大，因而在伺服系统中得到广泛的应用。
三相异步电动机作为伺服系统执行元件还是近年来才出现，三相异步电动机本身成本低，性能稳定，便于维护，为获得较宽的调速范围，需采用变频调速等较复杂的控制线路，目前用异步电动机构成伺服系统的总成本比直流伺服系统要高。但随着电子产品价格的不断下降，尤其是在中等功率特别是大功率的应用场合，交流伺服系统有逐渐代替直流伺服系统的趋势。
用步进电动机构成伺服系统，亦适用于小功率的场合，特别是用它可构成开环系统十分简单。在负载比较小的场合，用微处理器（或单片机）实现控制，是一种运用较为普遍的方案。
4.2.2单轴传动的执行电动机选择
执行电动机轴直接与被控对象的转轴相连称为单轴传动，此时，电动机的角速度与负载角速度相同，两者的转角相等，电动机轴承受的总负载只需简单的相加便可得到。下面通过举例来说明单轴传动的执行电动机如何选择，以及定量核算的方法。
例1某探测器需要一套方位角跟踪系统，最大跟踪角速度Ωm =12°/s，最大跟踪角加速
度εm=120°/s2，最大跟踪误差角度e m ≤20′。在零初始条件下，系统对输入阶跃信号的响应时间t s≤0.5s，最大调转角加速度εlim=200°/s2 。探测器在机座上转动有干摩擦力矩T c =0.1N2m，它的运动惯量J l =4.44 kg2m2。这里先只考虑执行电动机的选择问题。
先进行单位换算，角度都用弧度（rad）表示
Ωm =120°/s=2.09rad/s；εm=120°/s2=2.09rad/s2；
εlim =200°/s2=3.5rad/s2；e m≤120′=0.0058 rad
系统需要的角速度比一般直流伺服电动机、交流异步电动机的额定转速低许多，只宜采用力矩电动机才可能实现单轴传动。根据系统的负载和运动参数的要求，查手册可选择250LY55作该系统的执行电动机，需要根据电动机的参数检验它能否满足系统的要求，已知250LY55的技术参数如下：
峰值堵转力矩：T mbl =200kg2cm=19.6N2m；峰值堵转电流：I mbl =4.04A ；
峰值堵转电压：U m =48V；最大空转转速：n mo =80r/min=8.38rad/s；
连续堵转力矩：T cbl =130 kg2cm=12.74N2m；连续堵转电流：I cbl =2.63A；
连续堵转电压：U C =31.4V；电势系数：C e =0.51V/(r/min)；
转子转动惯量：J r =360g2cm2s2 =0.03528kg2m2。
由式（4-1）可计算出理想空载转速
n io =48/0.51r/min=94r/min=9.84 rad/s
根据n io和T mbl画出该电动机在U m =48V时的机械特性，如图4-4所示。再由T cbl作它的平行线，既得对应连续堵转的机械特性。它对应的空转转速为
n′o
=
由式（4-2）得电动机自身摩擦力矩T rc =2.9N2m。
探测器探测的目标无既定的运动规律，为适应
连续跟踪的要求，需检验伺服系统长期运行，
250LY55的功率是否满足要求。即检验电动机的发
热与温升是否在容许条件内，在此可用等效正弦运
动规律来计算执行电动机所承受的等效转矩T rms
T rms
=
（4-14）
将250LY55和被控对象的有关数据代入（4-14）得T rms =7.29N2m。根据T rms 和最大跟踪角度Ωom在4-4上确定长期运行的等效工作点A，它处在对应连续堵转的机械特性附近，说明电动机长期在A点运行时发热与温升都没有超过电动机的允许值。
当伺服系统带动探测器以加速度εl im作调转运行时，电动机轴上承受的总负载力矩
TΣ= T c + T rc + ( J c + J r ) εlim
=[0.1+2.9+（0.44+0.03528）×3.5 ]N2m = 18.66 N2m﹤T mbl （4-15）
该值小于电动机的峰值堵转力矩T mbl =19.6 N2m，说明该电动机能实现快速调转的要求。
最后还需要检验执行电动机能提供的响应频率ω k ，能否符合系统动态性能的要求，对力矩电动机而言，输出转矩不能超过T mbl ，作为系统的执行电动机所能提供的
ω k =（4-16）
将以上参数代入式(4-16)，即得250LY55为该系统所能提供的ω k =25.22 rad/s，它将大于系统开环的截止频率ω c。
根据系统对输入阶跃信号响应时间t s ≤0.5s 的要求，可近似估计系统的开环截止频率ω c，按照经验应有ω k ≥1.4w c，从以上数值看，可认为250LY55符合要求。
经以上从稳态和动态几方面的要求出发所作的定量计算，均说明250LY55可作为该探测器方位伺服系统的执行电动机。如以上任一项不能满足要求，则应考虑改选别的型号，直到以上要求均得到满足才算合适。
4.2.3多轴传动的执行电动机选择
多数伺服系统执行电动机与被控对象之间有减速传动装置，减速比i〉1，即执行电动机的转速是负载转速的i倍，执行电动机轴输出力矩是负载转矩的1/iη，这里η< 1是减速装置的传动效率。这种带减速传动装置的传动形式称之为多轴传动。
在选择多轴传动的执行电动机时，还需要确定减速传动装置的形式、传动比i、传动效率η和传动装置的等效传动惯量J p。在作定量计算时，要进行等效折算，把多轴传动折算成等效的单轴传动。下面列出折算的关系式，凡电动机轴上的有关参数下标用m表示，负载轴有关的参数下标用L表示。
转角：θm =iθL ；角速度：Ωm =iΩL ；角加速度：εm= iεL；
负载转矩折算到电动机轴上：T L /iη；负载转动惯量折算到电动机轴上：J L/i2η；
负载粘性摩擦因数折算到电动机轴上：b L/i2η；负载风阻系数折算到电动机轴上：f L/ i2η；
负载扭转弹性系数折算到电动机轴上：K L/i2η。
很显然，多轴传动的执行电动机选择问题比单轴传动的情况复杂，待定的参数太多，为减少盲目性，这里介绍一种简单的初选方法。然后确定有关参数，并按稳态和动态的要求对所选电动机作验算。
考虑到大多数伺服系统的负载只有干摩擦力矩T c（N2m）和惯性转矩J Lε（N2m），因此可依据伺服电动机的额定输出频率P nom（W），用式（4-17）初选电动机。
P nom≥2（T c+J Lεm）Ωm （4-17）
式中，εm是系统负载轴最大跟踪角加速度（rad/s2）；Ωm是系统负载轴最大跟踪角速度（rad/s）。
在初选电动机时，式（4-17）右端的各项参数都应是已知的。因此可很方便算出所需电动机的功率值，由它查产品手册可选出准备采用的电动机型号，同时电动机的各项技术参数便成为已知。接着根据电动机的技术参数和负载运动的要求，选择传动装置的传动比i，选择减速装置的类型，估计传动装置的传动效率η，估计传动装置折算到电动机轴上的等效转动惯量J p 。
伺服系统传动装置采用的类型很多，如齿轮（圆柱形、圆锥形）、齿条、蜗轮与蜗杆、螺母与丝杠、齿形带、谐波传动等，也可以是几种形式的组合。
为保证系统的快速响应，设计系统传动装置时应使其效率高、转动惯量小，通常η﹥0.6，惯量折算到电动机轴上J p≈(0.1~0.05) J r，电动机功率大的取较小的系数，功率较小的取较大的系数。
有经验数据可供估算效率η：每对齿轮副的η=0.94~0.96，经对研后可达到η≥0.98；每对锥齿轮副的η=0.92~0.96；蜗杆蜗轮传动，当Z=1时η=0.7~0.75，Z=2时η=0.75~0.82，Z=3或4时η=0.82~0.9，如形成自锁η﹤0.7；齿轮齿条传动η=0.7~0.8；螺母丝杠传动η=0.5~0.6，滚珠
丝杠传动η=（式中，d为丝杠直径，h为丝杠螺距）；谐波传动的η可查阅有关产品手册。
以上仅供估算η时参考。
以上参数均确定后，可对电动机进行验算，通常由三个方面进行定量检验：一是系统长期运行时电动机的发热与温升能否满足要求；二是系统短时极限运行状态电动机能否承受；三是系统动态响应频带的要求电动机能否提供。这与单轴传动时电动机的选择相类似。
检验系统长期运行时电动机的发热与温升，仍采取一个运行周期内电动机所承受的各种转矩的平方和开方求取等效转矩T rms的办法。如果系统的运动规律不定难以计算时，仍可用等效正弦的方法确定。
T rms =（4-18）
式中，εm是负载最大跟踪角加速度（rad/s2），要求所选电动机的额定功率P nom≥T rmsΩm （式
中，Ωm 是负载最大跟踪速度（rad/s））或者电动机的额定转矩满足T nom≥T rms ，则表明电动机的发热与温升不会超过该电动机的容许值。
当系统以极限角加速度εlim 作短时超载运行，或有突加的负载作用时，计算电动机轴上短时承受的最大转矩T∑。通常伺服电动机都容许短时超载，工程上常用过载系数λ来表示，即电动机允许的短时超载力矩T sup=λT nom 。电动机的种类不同，型号不同，其过载能力亦不同。笼型两相异步电动机的λ=1.8~2；空心杯式两相异步电动机的λ=1.1~1.4；作伺服用的三相异步电动机的λ=2，直流伺服电机λ=3，绝缘材料用F级或H级时，λ=5甚至更高；直流力矩电动机不能超过T mbl。以上短时是指超载力矩持续作用时间≤3s。因此要检验T∑≤λT nom，对力矩电机则求T∑≤λT mbl。
当然，还应检验所选执行电动机所能提供的极限响应频率
w k =（4-19）
应能满足系统开环截止频率的要求
ωk ≥1.4w c （4-20）只有以上验算都满足要求，所选电动机才算合适，其中任何一项得不到满足，则需要考虑改选电动机，重新按以上步骤进行验算。下面通过举例予以说明。
例2 有一转台需要设计水平方向传动的伺服系统，已知转台摩擦力矩T l=142N2m，转动
惯量J L=6394 kg2m2 ，最大跟踪角速度Ωm =24°/s，最大跟踪角加速度εm =5°/s2 ，系统最大跟踪误差e m≤0.3°，最大调转角加速度εlim=12°/s2，转台对输入阶跃信号响应时间t s≤1.2s，试选择执行电动机。
首先进行单位换算：
Ωm = 24°/s= 0.42rad/s ；εm = 5°/s2= 0.0875rad/s2；
εlim = 12°/s2 =0.2094rad/s2；e m≤0.3°=5.2310-3 rad
将参数代入式（4-17）得
P
e≥2(142+6394)0.42W= 589.2 W
然后根据手册查表选用ZK—32C直流伺服电动机，其特征参数：P nom = 760W﹥589.2W，n nom = 2500r/min，U nom = 110V，I nom = 8.2A，CD2 = 0.053kg2m2,，U f = 220V。需进一步估算电动机的其他参数。
由式（4-10）可得电动机转子转动惯量
J r = 0.053/4kg2m2 = 0.01325kg2m2
由式（4-5）估算电枢电阻R a =1.05Ω，再由式（4-7）求电势常数K e =0.387V2s，由式（4-8）可得转矩系数K m =0.387 N2m/A，由式（4-12）可得额定输出转矩T nom=2.9 N2m，由式（4-11）可计算电动机自身摩擦力矩T rc=0.273 N2m。
由n nom = 2500r/min=261.8 rad/s，传动装置的减速比i可以取为
i≈（4-21）
对应本例i=623，传动装置可采用三级圆柱齿轮传动和一级蜗轮蜗杆传动，总传动功率
η =0.963×0.8=0.7
减速装置折算到电动机轴上的等效惯量J p≈0.1J r 。
鉴于该转台没有明确的运动规律，只好用等效正弦来近似估计电动机的发热。由式（4-18）得等效转矩
T rms =N2m
=1.586N2m﹤T nom=2.9N2m
说明ZK―32C带动转台长期运行不成问题。
当电动机带动转台以εlim=0.2094 rad/s2作快速调转时，电动机轴上的总负载转矩
T∑==5.57 N2m
是电动机额定转矩T nom=2.9N2m的1.92倍，不超过该电动机的短时过载能力。
该直流伺服电动机过载系数λ=4，代入式（4-20），可估计ZK―32C带动负载所能提供的响应频率
ω k=rad/s=9.14rad/s
由系统响应时间t s≤1.2s的要求，估计系统的开环截止频率
ω c ≈=58.33rad/s
而1.4 ω c ≈711.66rad/s，w k 处于该数值范围内，故可认为所选ZK―2C做执行电动机，能满足转台对伺服系统的要求。
4.2.4步进电动机的选择
1.步进电动机的特点和类型
由步进电动机工作原理可知，步进电动机转子的转角与输入的脉冲数成比例，转速则与输入脉冲频率成正比，是脉冲信号控制，开环控制即可达到目的，因而使控制系统简化。在办公自动化中和工厂自动化中，得到了广泛的应用。
步进电动机一般分为三类：永久磁铁型、可变磁阻型和混合型。
永久磁铁步进电动机，转子用永久磁铁构成，产生转矩时兼有吸引力和排斥力。这种类型的步进电动机，在无励磁情况下能保持转矩的作用，特别适合于断电后要求保持位置的应用。
反应式步进电动机，转子用高导磁系数的材料，磁极上加工成齿状。定子也加工成齿状，其上绕有线圈。当定子磁极绕组上通电时，吸引转子凸极，可使其旋转一个角度。当磁极绕组不通电时，不能产生转矩，即此种步进电动机没有保持转矩。这种类型的步进电动机适应于要求转矩比较大的生产机械。
混合型步进电动机的构造是在励磁磁极及相对的转子外围设计多个齿轮状凸极，且在轴方向加入磁化永久磁铁。这样，既有永磁式步进电动机特性，又有反应式步进电动机的特性。一般地说，混合型步进电动机具有高精度、高转矩、步距角小的优点。混合式步进电动机应用很广，特别是在办公自动化和工厂自动化中得到广泛地应用。
步进电动机依据磁极的对数或励磁相数，分为三相、四相、五相、六相、m相等步进电动机。在相同频率情况下，相数增加，每相导通电流的时间增加，各相的平均电流增高些，步进电动机
的转速和转矩特性更好些，步距角也减小。但相数的增加，使结构变得复杂，通常多用3相步
进电动机。
2.步进电动机的主要特性
选择使用步进电动机，要根据步进电动机产品手册上的重要参数特性选择。步进电动机通常有以下参数：
（1）步距角步距角为输入一个脉冲，步进电动机转动一步对应的角度。
步进电动机工作时，若各相绕组是一相一相地单相通电，一个定子为m相的步进电动机，经过m步，转子转过一个齿，若步进电动机转子有z个齿，则步进电动机转一转所需的步数为z×m
图4-5 步进电动机矩角特性
步。在这种单相通电方式下，步进电动机每次只有一相通电，稳定性不好，当一相线圈断电时，另一相绕组刚刚开始通电，容易失步。
步进电动机工作时，每两相同时通电的控制方式，可以改善步进电动机的工作性能。例如三相步进电动机通电顺序为UV →VW →WU →UV 。 还可以采用几相同时通电的控制方式。通电相数多，转子受到的力矩大，静态误差小，且始终有绕组通电，工作稳定不易失步。
步进电动机的步距角和步进电动机自身结构有关，即与步进电动机的相数m 和齿数z 有关，还与通电方式有关。步进电动机的步距角的计算公式为
Θ=
式中，m 是步进电动机相数；z 是步进电动机转子的齿数；K 是通电方式。当相邻两次通电相数相同时，K =1；当相邻两次通电相数不同时，K =2。
（2）矩角特性 矩角特性是指当步进电动机失调角变化时，所产生的静态转矩的变化规律，是在单相额定电流下测定的。矩角特性是步进电动机最本质的特性。图4-5绘出了三相步进电动机单相通电时的矩角特性。由矩角特性，可得出两个重要的特征参数：最大静止转矩、起动转矩。
（3）最大静止转矩 步进电动机静止时能发出的最大转矩M max 。4-5中矩角特性的峰值即为最大静止转矩。它表示步进电动机承受负载的能力。最大静止转矩越大，电动机带负载能力越强，运行的快速性和稳定性越好。
（4）最大启动转矩 使步进电动机转动的最大转矩。图4-5中曲线U 和曲线V 的交点对应的力矩，即是最大起动力矩。当外加负载超过最大起动力矩时，步进电动机就不能起动。
（5）保持转矩 磁转子型步进电动机，在无励磁时具有的磁吸引力的作用，此作用可以保持电动机轴的位置。
（6）最大起动频率和起动时的惯频特性 步进电
动机空载时，在静止状态下能不失步地突然起动的最大
输入脉冲频率，称为最大起动频率或称为突跳频率，是
步进电动机快速性能的重要指标。一般来说，步进电动
机负载转动惯量增加，起动频率下降。步进电动机带动
纯惯性负载时，起动频率和负载转动惯量之间的关系，
称为起动时的惯频特性。不同负载下起动频率可以由下
式计算：
f J =
（4-22）
式中，f q 是空载起动频率；f J 是负载转动惯量为J F 时的起动频率；J F 是负载转动惯量；J 是步进电动机转子转动惯量。图4-6绘出了典型步进电动机起动的惯频特性。
（7）矩频特性 当负载转动惯量不变且稳态运行时，最大输出转矩与输入信号频率的关系曲线，称为矩频特性，如图4-7所示。矩频特性表征了步进电动机的动态性能及运行时承受负载的能力。
（8）最大连续响应频率 步进电动机在最大起动频率以下起动，进入连续运转特性范围，当输入脉冲信号频率连续上升时，能不失步运行的最大输入信号频率，以f max 表示。通常，f max 远远大于起动频率。
（9）安定时间 步进电动机由输入脉
冲停止，到转子静止所得要的时间。
关于步进电动机上述各参数的意义，
可参考图4-8步进电动机特性。 选择步进电动机，必须根据负载的特性，例如最大负载力矩、最大起动力矩、最大速度、最大加速度等，根据步进电动
机的特性，综合考虑，进行选择。现代控
制中，步进电动机驱动器的选择总是与步
进电动机的选择同时进行，选择配套的产
品比较合适。
4.2.5 直线电动机的选择
直线电动机是近年来国内外积极研究发展的新型电动机之一。它是一种不需要中间转换装置，而能直接作直线运动的电动机械。过去，在各种工程技术中需要直线运动时，一般是用旋转电动机通过曲柄连杆、齿轮齿条、丝杠等传动机构来获得的。但是，采用这些传动形式往往会带来结构复杂、重量重、体积大、啮合精度差且工作不可靠等缺点。近十几年来，科学技术的发展推动了直线电动机的研究和生产，目前在交通运输、机械工业和仪器仪表工业中，直线电动机已得到广泛应用。在自动控制系统中，采用直线电动机作为驱动、指示应用也更加广泛，例如在快速记录仪中，伺服电动机改用直线电动机后，可以提高仪器的精度和频带宽度；在雷达系统中，用直线自整角机代替电位器进行直线测量可提高精度，简化结构；在电磁流速计中，可用直线测速机来测量导电液体在磁场中的流速；另外，在录音磁头和各种记录装置中，也常用直线电动机传动。
与旋转电动机传动相比，直线电动机传动主要具有下列优点：
1)直线电动机由于不需要中间传动机械，因而使整个机械得到简化，提高了精度，减少了振动和噪声。
2)快速响应。用直线电动机驱动时，由于不存在中间传动机构的惯量和阻力矩的影响，因而加速和减速时间短，可实现快速起动和正反向运行。
3)仪表用的直线电动机，可以省去电刷和换向器等易损零件，提高可靠性，延长使用寿命。
4)直线电动机由于散热面积大，容易冷却，所以允许较高的电磁负荷，可提高电动机的容量定额。
5)装配灵活性大，往往可将电动机和其他机件合成一体。
目前直线电动机主要应用的机型有直线感应电动机、直线直流电动机和直线步进电动机三种。选择直线电动机时，要优先考虑以下参数：最大加速度、最大速度、恒速时额定推力、最大推力等。首先必须在根据实际应用情况分析直线电动机的工况和受力状态的基础上，确定其工作时的速度时间曲线，然后计算出工作过程中所需的最大加速力、最大减速力和整定力，则均方根力为
F rms=
式中，t a、t d、t r、t dw分别为加、减速时间、恒速运行时间和整定时间；F amax为最大加速力；F dmax 为最大减速力；F r为电动机恒速运行时需要的保持力；F dw为整定力。则所选的直线电动机必须同时满足F rms小于直线电动机恒速运行时的额定推力和F amax小于直线电动机所能提供的最大推力。直线电动机选定后还必须校验其工作电流是否超过允许的最大限制，同时其在工作过程中（以Kollmorgen直线电动机为例）最大功率损耗不得超过45W。按上述内容选用的直线电动机可满足实际应用需求，是确保发挥其优越性能的基础之一。
4.2.6执行电动机选择禁忌
1.选择执行电动机时必须熟悉掌握其性能特点，注重扬长避短，禁忌张冠李戴
作为伺服系统的执行元件，可选用电动机、液压泵和液压马达、气动设备、电磁离合器等，但用得最多的是电动机。对执行电动机的要求是：能满足负载运动的要求，即提供足够的力矩和功率使负载达到要求的运动性能；能快速起停和正反转，保证系统的快速运动；有较宽的调速范围；电动机本身的功率消耗小、体积小、重量轻、控制简单、操作维护方便。
控制对象的要求是选择执行电动机的依据。要正确选用执行电动机，必须对负载的固有特性及运动性能加以分析。电动机的主要指标是功率，若电动机功率不足，满足不了负载的要求，将降低系统的使用寿命和可靠性，并可能导致事故；若选用的电动机功率过大，又将使系统的体积和重量增加，并增加功率损耗，增加成本。除了功率外，执行电动机输出的转矩、转速也是选择的重要指标。故选择执行电动机应包含确定电动机类型、额定输入输出参数（如额定电压、额定电流、额定功率、额定转速等）、控制方法；确定电动机到负载之间传动装置的类型、速比、传动级数和速比分配，以及估算传动装置的转动惯量和传动效率等。可作为伺服系统执行元件的电动机种类很多，常用的有直流伺服电动机、低速大扭矩宽调速电动机、两相异步电动机、三相异步电动机、滑差电动机（亦称转差离合器）、力矩电动机、步进电动机、直线电动机等。
（1）直流伺服电动机直流伺服电动机按励磁方式分有：他励、串励和并励三种基本形式。
直流他励电动机按控制方式分电枢控制和磁场控制两大类。其中前者易获得较平直的机械特性和较宽的调速范围，其功率从几百瓦到几十千瓦的各类系统中，均可找到其应用实例。直流他励电动机的磁场控制，又分电枢电压保持不变和电枢电流保持不变两种。电枢电压为常值时，磁场控制还有不同情况。功率在几百瓦以上的电动机，具有弱磁升速特性。这种调速只能上调，调速范围一般小于2（专门生产的调励磁的电动机除外），励磁电流近似与转速成正比，可用于可逆连续调速场合，它的控制功率小（与同功率电动机电枢控制相比），但调速范围和调节特性的线性度均远不如电枢控制。电枢电流保持不变的磁场控制，只能用于几瓦至几十瓦的小功率电动机，只有加较深的速度负反馈系统才可获得稳定的转速，这在只有输出力矩（转速可以为零）的场合比较适用。事实上，直流他励伺服电动机的应用历史最长，众所周知，这种电动机的转矩-惯量比是很小的，已不能适应现代伺服控制技术的要求。永磁式直流伺服电动机，具有尺寸小、重量轻、效率高、出力大、结构简单、无需励磁等一系列优点，因而越来越受到重视。然而，普通伺服电动机在低速性能和动态指标上还不能令人满意，成为进一步提高伺服系统精度和快速性的主要障碍。因此，出现了两种高性能的小惯量高速直流伺服电动。
1)小惯量无槽电枢直流电动机，又称表面绕组电枢直流伺服电动机。这种电动机与普通电动机在结构上的不同之处在于电枢的铁心表面无槽，电枢绕组直接用环氧树脂粘接在光滑的铁心表面上，并用玻璃丝带加固，使电枢绕组与铁心成为一个坚实的整体。由于转子采用无槽结构，电枢绕组均匀分布在铁心表面上，大大缩小了电枢直径，减小了转子的转动惯量，也改善了低速下因齿槽效应面产生的转速脉动。又由于转子与换向器直径减小，摩擦转矩也大为减小，这些都为改善低速平稳性，扩大调速范围创造了有利条件；还由于定子与转子铁心之间填满了电枢绕组，使气隙主磁通和漏磁通的磁阻均增大，漏磁通减弱，从而使换向电动势减小，换向性能改善，过载能力大大加强。因此，小惯量无槽电枢直流电动机具有以下优点：转子转动惯量小，是普通电动机的1/10，电磁时间常数小，反应快；转矩-惯量比大，且过载能力强，最大转矩可比额定转矩大10倍；低速性能好，转矩波动小，线性度好，摩擦小，调整范围可达数千比一。但是，作为伺服系统的执行元件，高速小惯量电动机还存在一些缺点。首先，由于其转速高，作为伺服系统的执行电动机仍需减速器，故齿轮间隙给系统带来的种种不利因素依然存在。特别是对舰载、机载、车载、陀螺稳定伺服系统，过大的减速比使电动机的有效出力降低（转子自身加速的消耗功率加大）。其次，由于气隙大，安匝数多，其效率低。另外由于惯量小，热容量也较小，过载时间不能太长；为了解决散热，多用强迫风冷，因而体积、重量、噪声都较大。再者，由于电动机本身转动惯量小，负载转动惯量要占系统总惯量中较大成分，当所驱动负载的尺寸与重量改变时，负载转动惯量要发生变化，从而影响系统的动态性能，这个问题称为惯量匹配问题。无槽电枢直流伺服电动机是一种大功率直流伺服电动机，主要用于需要快速动作、功率较大的伺服系统中，如雷达天线的驱动、自行火炮、导弹发射架驱动、计算机外围设备以及数控机床等方面都有应用实例。
2)空心杯电枢直流伺服电动机。无槽电枢直流伺服电动机由于存在电枢铁心，故在实现快速动作的电子设备中，还嫌它的转动惯量太大。空心杯电枢直流伺服电动机则是一种转动惯量更小的直流伺服电动机，人们称它为“超低惯量伺服电动机”。其特点为：转动惯量低，由于转子无铁心，且壁薄而细长，其转动惯量特小，起动时间常数极小，可达1ms以下；转矩-转动惯量比很大，角加速度可达106rad/s2 ；灵敏度高，快速性能好、速度调节方便，其起动电压在100mV以下，
自动控制原理课程设计题目速度伺服控制系统设计 专业电气工程及其自动化 姓名 班级 学号 指引教师 机电工程学院 12月
目录一课程设计设计目 二设计任务 三设计思想 四设计过程 五应用simulink进行动态仿真六设计总结 七参照文献
一、课程设计目： 通过课程设计，在掌握自动控制理论基本原理、普通电学系统自动控制办法基本上，用MATLAB实现系统仿真与调试。 二、设计任务： 速度伺服控制系统设计。 控制系统如图所示，规定运用根轨迹法拟定测速反馈系数' k，以 t 使系统阻尼比等于0.5，并估算校正后系统性能指标。 三、设计思想： 反馈校正： 在控制工程实践中，为改进控制系统性能，除可选用串联校正方式外，经常采用反馈校正方式。常用有被控量速度，加速度反馈，执行机构输出及其速度反馈，以及复杂系统中间变量反馈等。反馈校正采用局部反馈包围系统前向通道中一某些环节以实现校正，。从控制观点来看，采用反馈校正不但可以得到与串联校正同样校正效果，并且尚有许多串联校正不具备突出长处：第一，反馈校正能有效地变化
被包围环节动态构造和参数；第二，在一定条件下，反馈校正装置特性可以完全取代被包围环节特性，反馈校正系数方框图从而可大大削弱这某些环节由于特性参数变化及各种干扰带给系统不利影响。 该设计应用是微分负反馈校正： 如下图所示，微分负反馈校正包围振荡环节。其闭环传递函数为 B G s （）=00t G s 1G (s)K s +（）=22t 1T s T K s ζ+（2+）+1 =22'1T s 21Ts ζ++ 试中，'ζ=ζ+t K 2T ，表白微分负反馈不变化被包围环节性质，但由于阻尼比增大，使得系统动态响应超调量减小，振荡次数减小，改进了系统平稳性。 微分负反馈校正系统方框图
机电伺服系统设计
基于PLC 的交流伺服系统设计 1.设计要求 以教材P133页机械传动系统为例，试根据给定参数（必须改变Z2：Z1）选择松下或者安川交流伺服系统并进行校核。 确定伺服系统的电子齿轮参数，并在此基础上以plc 作为控制器，采用位置模式（或者速度模式）对伺服系统进行控制，试设计实验系统并调试运行，完成设计报告。给出电路图，plc 程序以及电机参数设计。 伺服系统的结构如教材P133图6-18所示，参数如下： 齿数比：4/5/12=Z Z ； 指令脉冲当量：脉冲/01.0mm l g =?； 编码器每转反馈脉冲数：r p f /12000脉冲= ； 丝杠螺距：mm d B 10=； 快进速度：min /12000mm v F =； 丝杠飞轮惯量：22 2 10 94.2m N GD B ??=-； 齿轮2飞轮惯量：22 221064.17m N GD ??=-； 齿轮1飞轮惯量：22 2 11045.2m N GD ??=-； 每次进给长度：l =150mm ； 每次进给时间：s t 10≤； 每次进给次数：N =20； 工作台轴向运动力：m N Fc ?=1960； 驱动效率：9.0=η； 摩擦系数：1.0=μ。 2.设计过程 1) 电动机每转位移量mm Z Z d S B 85 4 1021=?==?； 2) 脉冲当量（位置分辨率）l ?，反馈脉冲当量l ?=pulse mm P s l f /00067.012000 8 ==?= ?，脉冲当量为0.01mm/pulse,两者不符，故使用电子齿轮。
pulse mm pulse mm B A B A l l g /01.0/120008=?=?=?， 所以 158 1200001.0=?=B A ，100,1500==B A ； 3) 电动机转速 因快进速度min /12000mm v F =，mm d B 10=，4/5/21=Z Z ，所以电动机应有的最高转速为min /15004 5 1012000r n =?= ； 4) 指令脉冲频率 s l v f g F g 脉冲3102060 1 01.012000601?=?=??= 每次进给位置信息存储地址数1500001 .0150 ==?=g l m ； 5) 负载转矩 ()m N S W F S F M c L ?=?????+= ??+=???= 05.38109.028.92001.020******** 33ππημπ 6) 负载飞轮惯量2 GD ，工作台换算到电动机轴上 22 32320127.01028196041024m N S W GD T ?=? ? ? ?????=??? ????=ππ 换算到电动机轴上的负载总飞轮惯量 () ()2 2 2 22222122168912.025 16 0294.01764.00245.00127.054m N GD GD GD GD GD GD B T L ?=?+++=? ?? ???++++= 7) 选定伺服电动机 电动机的额定转矩N M 应大于或等于m N M L ?=1.62， ??-=?? ? ??-=222 )02852.00095.0(311m N G GD L m 额定转速m in /1500r ， 选择预选松下伺服伺服电动机MSMA202A1G ，小惯量20W 带键槽200V 的无制动器的伺服电机。选用的是r p /2500五线制增量式编码器（分辨率为10000）额定功率200V ，额定转速 m in /3000r 。驱动器选择与之配套的松下MINAS-A4系列MSDA203A1A ，所选电机及驱动器满足 要求。
辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计 目录 1、前言 (1) 1.1设计目的 (1) 1.2设计内容 (1) 2、伺服系统的基本组成原理及电路设计 (2) 2.1伺服系统基本原理及系统框图 (2) 2.2 伺服系统的模拟PD+数字前馈控制 (4) 2.3 伺服系统的程序 (6) 3、仿真波形图 (9) 结论 (12) 心得与体会 (13) 参考文献 (14)
1、前言 1.1设计目的 1、使学生进一步掌握电力拖动自动控制系统的理论知识，培养学生工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力； 2、使学生基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力； 3、熟悉并学会选用电子元器件，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。 1.2设计内容 1、分析和设计具有三环结构的伺服系统，用绘图软件（matlab）画原理图还有波形图； 2、分析并理解具有三环结构的伺服系统原理。
2、伺服系统的基本组成原理及电路设计 2.1伺服系统基本原理及系统框图 伺服系统三环的PID控制原理: 以转台伺服系统为例,其控制结构如图2-1所示,其中r为框架参考角位置输入信号, 为输出角位置信号. 图2-1 转台伺服系统框图 伺服系统执行机构为典型的直流电动驱动机构,电机输出轴直接与负载-转动轴相连,为使系统具有较好的速度和加速度性能,引入测速机信号作为系统的速度反馈,直接构成模拟式速度回路.由高精度圆感应同步器与数字变换装置构成数字式角位置伺服回路. 转台伺服系统单框的位置环,速度环和电流环框图如图2-2,图2-3和图2-4所示. 图2-2 伺服系统位置环框图 图2-3 伺服系统速度环框图
第一章伺服系统概述 伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地跟随输入量的变化，因此又称之为随动系统或自动跟踪系统。机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。 近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步电机、感应电机为伺服电机的新一代交流伺服系统。 目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性制造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。 1.1伺服系统的基本概念 1.1.1伺服系统的定义 “伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行停止。 伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵活方便的控制。
1.1.2伺服系统的组成 伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。它由检测部分、误差放大部分、部分及被控对象组成。 1.1.3伺服系统性能的基本要求 1）精度高。伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。 2）稳定性好。稳定是指系统在给定输入或外界干扰的作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。 3）快速响应。响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。 4）调速范围宽。调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。 5）低速大转矩。在伺服控制系统中，通常要求在低速时为恒转矩控制，电机能够提供较大的输出转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。 6）能够频繁的启动、制动以及正反转切换。 1.1.4 伺服系统的种类 伺服系统按照伺服驱动机的不同可分为电气式、液压式和气动式三种；按照功能的不同可分为计量伺服和功率伺服系统，模拟伺服和功率伺服系统，位置
机电一体化系统设计基础课程教学辅导 第四章：伺服驱动系统的原理与种类 一、教学建议 ●通过文字教材掌握伺服驱动的基本原理，了解机电一体化伺服驱动系统的种类及其特性。 ●流媒体课件第15讲介绍了机电一体化系统伺服驱动的基本原理、种类及其特性； ●在学习的过程中，如果有学习的心得和体会，请在课程论坛上和大家分享；如果有什么疑惑，也可以在课程论坛寻找帮助。 二、教学要求 1．掌握伺服驱动的基本原理 一般来说，伺服系统组成框图如图1所示。 图1 伺服系统组成框图 （1）控制器：伺服系统中控制器的主要任务是根据输入信号和反馈信号决定控制策略，控制器通常由电子线路或计算机组成。 （2）功率放大器：伺服系统中功率放大器的作用是将信号进行放大，并用来驱动执行机构完成某种操作，功率放大装置主要由各种电力电子器件组成。 （3）执行机构：执行机构主要由伺服电动机或液压伺服机构和机械传动装置等组成。 （4）检测装置：检测装置的任务是测量被控制量，实现反馈控制。无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是低于检测装置的精度，因此要求检测装置精度高、线性度好、可靠性高、响应快。 2．了解机电一体化伺服驱动系统的种类及其特性 （1）根据使用能量的不同，可以分为电气式、液压式和气压式等几种类型，特性如表1所示。 表1 伺服驱动系统的特点及优缺点
（2）伺服驱动系统按控制原理的不同还可以分为开环、全闭环和半闭环等伺服系统。 ①开环伺服系统 如图2所示，若伺服驱动系统中没有检测反馈装置则称为开环伺服系统。开环伺服系统的精度较低，一般可达到0.01m左右，且速度也有一定的限制，但其结构简单、成本低、调整和维修都比较方便，另外由于被控量不以任何形式反馈到输入端，所以其工作稳定、可靠，因此在一些精度、速度要求不很高的场合，如线切割机、办公自动化设备中得到了广泛应用。 图2 开环伺服系统 ②全闭环伺服系统 如图3所示，全闭环伺服系统是由安装在工作台上的位置检测装置，将工作台的直线位移转换成电信号，并在比较环节与指令脉冲相比较，将所得的偏差值经过放大，由伺服电机驱动工作台向偏差减小的方向移动，直到偏差值等于零为止，定位精度可以达到亚微米量，是实现高精度位置控制的一种理想的控制方案。但由于全部的机械传动链都被包含在位置闭环之中，机械传动链的惯量、间隙、摩擦、刚性等非线性因素都会给伺服系统造成影响，从而使系统的控制和调试变得异常复杂，制造成本高。因此，全闭环伺服系统主要用于高精密和大型的机电一体化设备。 图3 全闭环伺服系统 ③半闭环伺服系统 半闭环伺服系统中工作台的位置通过电机上的传感器或是安装在丝杆轴端的编码器间接获得，它与全闭环伺服系统的区别在于检测元件位于系统传动链的中间，故称为半闭环伺
伺服驱动系统设计方案 伺服电机的原理： 伺服的基本概念是准确、精确、快速定位。与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。定子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相差90°电角度。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动控制的u／V／W三相电形成电磁场转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度{线数)。 伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降作用：伺服电机,可使控制速度,位置精度非常准确。 交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。 交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点： 1、起动转矩大 由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率S0＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。 图3 伺服电动机的转矩特性
?、伸缩缝损坏现状 伺服驱动系统设计方案 伺服电机的原理: 伺服的基本概念是准确、精确.快速定位。与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。；^^子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间柑差90°电角度。 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动控制的U/V/W三相电形成电磁场转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反惯值与目标值进行比较，调整转子转动的角度0伺服电机的精度决世于编码器的精度｛线数）。 伺服电动机又称执行电动机?在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出.其主要特点是，当信号电压为零时无自转现彖.转速随着转矩的增加而匀速下降作用：伺服电机/可使控制速度，位置精度非常准确。 交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转"现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时.如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。 交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点: lx起动转矩大 由于转子电阻大，苴转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2 相比，有明显的区别。它可使临界转差率so>r这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩0因此，当;^子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度髙的特点。
。 电液伺服控制系统的设计与仿真 引言 电液伺服系统具有响应速度快、输出功率大、控制精确性高等突出优点，因而在航空航天、军事、冶金、交通、工程机械等领域得到广泛应用。随着电液伺服阀的诞生，使液压伺服技术进入了电液伺服时代，其应用领域也得到广泛的扩展。随着液压系统逐渐趋于复杂和对液压系统仿真要求的不断提高，传统的利用微分方程和差分方程建模进行动态特性仿真的方法已经不能满足需要。因此，利用AMESim、Matlab／Simulink等仿真软件对电液伺服控制系统进行动态仿真，对于改进系统的设计以及提高液压系统的可靠性都具有重要意义。 1 液压系统动态特性研究概述 随着液压技术的不断发展与进步和应用领域与范围的不断扩大，系统柔性化与各种性能要求更高，采用传统的以完成执行机构预定动作循环和限于系统静态性能的系统设计远远不能满足要求。因此，现代液压系统设计研究人员对系统动态特性进行研究，了解和掌握液压系统动态工作特性与参数变化，以提高系统的响应特性、控制精度以及工作可靠性，是非常必要的。 液压系统动态特性简述 … 液压系统动态特性是其在失去原来平衡状态到达新的平衡状态过程中所表现出来的特性，原因主要是由传动与控制系统的过程变化以及外界干扰引起的。在此过程中，系统各参变量随时间变化性能的好坏，决定系统动态特性的优劣。系统动态特性主要表现为稳定性（系统中压力瞬间峰值与波动情况）以及过渡过程品质（执行、控制机构的响应品质和响应速度）问题。 液压系统动态特性的研究方法主要有传递函数分析法、模拟仿真法、实验研究法和数字仿真法等。数字仿真法是利用计算机技术研究液压系统动态特性的一种方法。先是建立液压系统动态过程的数字模型——状态方程，然后在计算机上求出系统中主要变量在动态过程的时域解。该方法适用于线性与非线性系统，可以模拟出输入函数作用下系统各参变量的变化情况，从而获得对系统动态过程直接、全面的了解，使研究人员在设计阶段就可预测液压系统动态性能，以便及时对设计结果进行验证与改进，保证系统的工作性能和可靠性，具有精确、适应性强、周期短以及费用低等优点。 仿真环境简介 基于Matlab平台的Simulink是动态系统仿真领域中著名的仿真集成环境，它在众多领域得到广泛应用。Simulink借助Matlab的计算功能，可方便地建立各种模型、改变仿真参数，有效解决了仿真技术中的问题。Simulink提供了交互的仿真环境，既可通过下拉菜单进行仿真，也可通过命令进行仿真。虽然Simulink提供了丰富的模块库，但是在Matlab／Simulink下对液压系统进行建模及仿真需要做很多简化工作，而模型的简化使得仿真结果往往出现一定的误差。AMESim (Advanced Modeling Environment for Simulation of Engineering Systems)是法国IMAGINE公司开发的一套高级仿真软件。它是一个图形化的开发环境，用于工程系统的建模、仿真和动态性能分析。AMESim的特点是面向工程应用从而使其成为
第四章工业机器人设计思考题与习题 1.工业机器人的定义是什么？操作机的定义是什么？ 答：我国国家标准GT/T12643-1997《工业机器人词汇》将工业机器人定义为“是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度操作机，能搬运物料、工件或夹持工具，用以完成各种作业”；将操作机定义为“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置”。 2.工业机器人由哪几部分组成？并比较它与数控机床组成的区别。 答：工业机器人由操作机、驱动单元和控制装置组成。数控机床一般由机床本体、伺服系统和数控装置组成。二者组成的区别主要在于机械本体，机器人操作机通常由末端执行器、手腕、手臂和机座组成，而数控机床机械本体通常包含主运动部件、进给运动部件、支承部件、冷却润滑、排屑等部分。 3.工业机器人的基本功能和基本工作原理是什么？它与机床主要有何相同和不同之处？ 答：工业机器人基本功能是提供作业所需的运动和动力，其基本工作原理是通过操作机上各运动构件的运动，自动地实现手部作业的动作功能及技术要求。 在基本功能及基本工作原理上，工业机器人与机床有如下相同之处：二者的末端执行器都有位姿变化要求；二者都是通过坐标运动来实现末端执行器的位姿变化要求。二者的主要不同之处有：机床是以直角坐标形式运动为主，而机器人是以关节形式运动为主；机床对刚度、精度要求很高，其灵活性相对较低；而机器人对灵活性要求很高，其刚度、精度相对较低 4.工业机器人的结构类型有哪几类？各种类型的特点如何？ 答：工业机器人的结构类型有如下四类： 关节型机器人，其特点是关节一般为回转运动副，灵活性好，工作空间范围大（同样占地面积情况下），但刚度和精度较低；球坐标型机器人，其特点是按球坐标形式动作（运动），灵活性好，工作空间范围大，但刚度、精度较
《伺服控制系统课程设计》 指导书 ?动化与电??程学院 ?零??年??
?、伺服控制系统课程设计的意义、?标和程序 (3) ?、伺服控制系统课程设计内容及要求 (5) 三、考核?式和报告要求 (11)
?、伺服控制系统课程设计的意义、?标和程序 （?）伺服控制系统程设计的意义 伺服控制系统课程设计是?动化专业?才培养计划的重要组成部分，是实现培养?标的重要教学环节，是?才培养质量的重要体现。通过伺服控制系统课程设计，可以培养考??所学基础课及专业课知识和相关技能，解决具体的?程问题的综合能?。本次课程设计要求考?在指导教师的指导下，独?地完成伺服控制系统的设计和仿真，解决与之相关的问题，熟悉伺服控制系统中控制器设计与整定、电机建模和仿真和其他检测装置的选型以及?程实践中常?的设计?法，具有实践性、综合性强的显著特点。因?对培养考?的综合素质、增强?程意识和创新能?具有?常重要的作?。 伺服控制系统课程设计是考?在课程学习结束后的实践性教学环节；是学习、深化、拓宽、综合所学知识的重要过程；是考?学习、研究与实践成果的全?总结；是考?综合素质与?程实践能?培养效果的全?检验；也是?向?程教育认证?作的重要评价内容。 （?）课程设计的?标 课程设计基本教学?标是培养考?综合运?所学知识和技能，分析与解决?程实际问题，在实践中实现知识与能?的深化与升华，同时培养考?严肃认真的科学态度和严谨求实的?作作风。使考?通过综合课程设计在具备?程师素质??更快地得到提?。对本次课程设计有以下???的要求: 1.主要任务 本次任务在教师指导下，独?完成给定的设计任务，考?在完成任务后应编写提交课程设计报告。 2.专业知识
毕业论文设计 题目：数控机床交流伺服控制系统设计 姓名： 所在系部： 班级名称： 学号： 指导老师： 2011年12月
毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目：数控机床交流伺服控制系统设计 指导教师：职称：类别：毕业论文 学生：学号：设计（论文）类型：论文 专业：机电一体化班级：是否隶属科研项目：否 1、设计（论文）的主要任务及目标 毕业设计/论文是本专业教学计划中重要的、最后的一个综合性的教学环节，其主要目标是：培养和提高学生综合运用所学的专业基础知识、专业理论知识和专业基本技能来分析、解决实际问题以及动手操作的能力，使得学生对数控机床交流伺服控制系统的设计有相当的认识深度；并学会查阅专业资料，能正确阅读外文相关科技文献，对设计研究的课题进行深入分析；也使学生在思想作风、学习毅力和工作作风上受到一次良好的锻炼。通过本课题的研究，使同学们能够领会交流伺服系统的原理和伺服驱动器的应用，进一步掌握交流伺服电机的工程应用、系统设计方法和调试实现过程，为毕业后能尽快适应机电一体化专业的相关工作打下良好的基础。 2、论文的主要内容 (1)交流伺服系统现状与发展、应用介绍； (2)交流伺服系统的组成、分类、结构等； (3)交流伺服电机及交流伺服驱动器技术基本介绍、电机及伺服驱动器选型； (4)数控机床交流伺服系统设计与调试。 3、论文的基本要求 （1）完成数控系统功能设定； （2）完成交流伺服电机及伺服驱动器的选型； （3）完成数控机床交流伺服系统总体设计； （4）完成数控机床交流伺服系统电气连接图、电气回路设计； （5）完成数控机床交流伺服控制系统参数整定与调试； （6）具有运用电气控制技术、交流伺服技术、仿真技术等理论知识进行研究和系统设计（论文）的能力； （7）具有收集参考资料加以消化、归纳的能力； （8）具有调研、收集、查阅资料、分析判断确定设计/论文方案的能力； （9）具有归纳、整理技术资料，撰写技术文件的能力；
液压伺服系统设计 液压伺服系统设计 在液压伺服系统中采用液压伺服阀作为输入信号的转换与放大元件。液压伺服系统能以小功率的电信号输入，控制大功率的液压能（流量与压力）输出，并能获得很高的控制精度和很快的响应速度。位置控制、速度控制、力控制三类液压伺服系统一般的设计步骤如下： 1）明确设计要求：充分了解设计任务提出的工艺、结构及时系统各项性能的要求，并应详细分析负载条件。 2）拟定控制方案，画出系统原理图。 3）静态计算：确定动力元件参数，选择反馈元件及其它电气元件。 4）动态计算：确定系统的传递函数，绘制开环波德图，分析稳定性，计算动态性能指标。 5）校核精度和性能指标，选择校正方式和设计校正元件。 6）选择液压能源及相应的附属元件。 7）完成执行元件及液压能源施工设计。 本章的内容主要是依照上述设计步骤，进一步说明液压伺服系统的设计原则和介绍具体设计计算方法。由于位置控制系统是最基本和应用最广的系统，所以介绍将以阀控液压缸位置系统为主。 4.1 全面理解设计要求 4.1.1 全面了解被控对象 液压伺服控制系统是被控对象—主机的一个组成部分，它必须满足主机在工艺上和结构上对其提出的要求。例如轧钢机液压压下位置控制系统，除了应能够承受最大轧制负载，满足轧钢机轧辊辊缝调节最大行程，调节速度和控制精度等要求外，执行机构—压下液压缸在外形尺寸上还受轧钢机牌坊窗口尺寸的约束，结构上还必须保证满足更换轧辊方便等要求。要设计一个好的控制系统，必须充分重视这些问题的解决。所以设计师应全面了解被控对象的工况，并综合运用电气、机械、液压、工艺等方面的理论知识，使设计的控制系统满足被控对象的各项要求。 4.1.2 明角设计系统的性能要求 1）被控对象的物理量：位置、速度或是力。 2）静态极限：最大行程、最大速度、最大力或力矩、最大功率。 3）要求的控制精度：由给定信号、负载力、干扰信号、伺服阀及电控系统零飘、非线性环节（如摩擦力、死区等）以及传感器引起的系统误差，定位精度，分辨率以及允许的飘移量等。 4）动态特性：相对稳定性可用相位裕量和增益裕量、谐振峰值和超调量等来规定，响应的快速性可用载止频率或阶跃响应的上升时间和调整时间来规定； 5）工作环境：主机的工作温度、工作介质的冷却、振动与冲击、电气的噪声干扰以及相应的耐高温、防水防腐蚀、防振等要求； 6）特殊要求；设备重量、安全保护、工作的可靠性以及其它工艺要求。 4.1.3 负载特性分析 正确确定系统的外负载是设计控制系统的一个基本问题。它直接影响系统的组成和动力元件参数的选择，所以分析负载特性应尽量反映客观实际。液压伺服系统的负载类型有
伺服驱动系统设计 方案
伺服驱动系统设计方案 伺服电机的原理： 伺服的基本概念是准确、精确、快速定位。与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。定子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相差90°电角度。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动控制的u／V／W三相电形成电磁场转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度{线数)。 伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降作用：伺服电机,可使控制速度,位置精度非常准确。 交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。可是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。 交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，
但前者的转子电阻比后者大得多，因此伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点： 1、起动转矩大 由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率S0＞1，这样不但使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。 图3 伺服电动机的转矩特性 2、运行范围较宽 如图3所示，较差率S在0到1的范围内伺服电动机都能稳定运转。 3、无自转现象 正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（T1－S1、T2－S2曲线）以及合成转矩特性（T－S曲线）如图4所示，与普通的单相异步电动机的转矩特性
伺服控制系统解决方案 挑战 传统意义上的伺服控制系统按照工程经验即可完成控制系统的设计。然而，实际应用的需求使得伺服控制系统在跟踪范围、跟踪精度、稳定精度等方面的要求不断提升，设计难度不断加大。从系统开发的角度来讲，挑战主要体现在： ?对被控对象机电模型的认识要更为准确，建立准确的控制对象模型； ?对于高精度的伺服控制系统，需要方便地将基于模型的控制器设计方法应用于系统开发中； ?需要对伺服控制系统的开发设计结果进行快速的数字仿真和实验验证； ?需要将设计结果快速转化实际产品； ?需要能够实现机电联合仿真的平台，更好地模拟系统的机械结构特性， 解决方案 鉴于伺服控制系统开发所面临的挑战，本方案提出基于MATLAB软件和快速仿真原型HiGale的伺服控制系统开发设计方案。 1.伺服控制系统设计平台 MATLAB软件包含大量的控制系统建模设计工具箱，基于这些工具箱可以很方便地完成控制系统的建模、设计、分析和数字验证；MATLAB软件下的Simulink环境拥有丰富的基本模块库，便于以拖拽的方式方便地建立控制系统的图形化模型，通过数字仿真不断优化和改善设计结果；通过将MathWorks代码生成工具与先进的实时验证系统集成，可以快速方便地实现快速控制原型，实时地测试验证设计结果。 仿真机HiGale系统是恒润科技开发的一套基于实时半实物仿真技术的控制系统开发及测试的工作平台。HiGale系统采用了NI公司的PXl机箱与高性能板卡，性能强劲的专用硬件具有高速计算和信号I／O 能力，能够应对各种控制工程和相关应用领域的开发和测试需求，并能保证实验过程中所采集的数据的精度和特性要求。HiGale系统的软件与MATLAB／Simulink完全无缝连接，在MATLAB／Simulink下搭建的模型可直接下载至Higale中，代替实际系统的控制器，形成控制系统快速控制原型，对控制算法和控制器接口进行测试验证。 2.伺服控制系统开发流程 基于MATLAB软件和仿真机HiGale的伺服控制系统开发设计流程如图1所示。该流程分为三个阶段：控制对象建模（系统辨识实验、实验数据处理、系统参数辨识）、控制器仿真设计（控制器设计和数字实验验证）、半实物实验验证及代码生成，下面就这三个阶段分别做论述。
伺服系统的动力方法设计 伺服系统的设计包括： 伺服系统的动力方法设计-静态设计 伺服电机型号和电机机械系统参数相互匹配。 控制理论方法设计-控制器参数和动态性能指标 一、惯量匹配： （一）.等效负载惯量JL的计算 1.驱动回转体的转动惯量： 回转运动的动能： 根据能量守恒: 推广到对多轴系统： 2.直线运动物体的等效转动惯量： 以丝杠螺母带动工作台为例： 直线运动工作台的动能： 将此能量转换成电机轴回转运动的能量，根据能量守恒， 推广到对一般系统： 3.回转和直线联动装置的等效转动惯量：
（二）. 惯量匹配原则 1.步进电机的惯量匹配条件： 带惯性负载时的最大启动频率： 2.交、直流伺服电机的惯量匹配原则： 对于采用惯量较小的直流伺服电机的伺服系统 对于采用大惯量直流伺服电机的伺服系统 二、容量匹配： （一）. 等效转矩的计算 1.等效负载转矩[TL]的计算 根据能量守恒原理： 有些机械装置中有负载作用的轴不止一个，此时 2.等效摩擦转矩[Tf]的计算 由于机械装置大部分损失的功率是克服摩擦力做功，所以等效摩擦力矩根据机械效率做近似估算： 3.等效惯性力矩[Ta]的计算 电机在变速时，需要一定的加速力矩。
（二）. 伺服电机容量匹配原则 1.步进电机的容量匹配 2.交直流伺服电机的容量匹配： 直流伺服电机的转矩-速度特性曲线分成连续工作区、断续工作区、加减速工作区，三个区用途不同，电机转矩的选择方法也不一样。工程上常根据电机发热条件的等效原则，将重复短时工作制等效于连续工作制的电机来选择。 三、速度匹配 同样功率的电机，额定转速高则电机尺寸小，重量轻；电机转速越高，传动比就会越大，这对于减小伺服电机等效转动惯量，提高电机负载能力有利。因此电机常工作在高转速低扭矩状态。但是机械装置工作在低转速高扭矩状态，所以要在伺服电机和机械装置之间需要减速器匹配。应该在对负载分析的基础上，合理选择减速器的减速比。 四、伺服电机选择实例： （一）步进电机选择实例 工作台（拖板）重量W=2000N，拖板导轨之间摩擦系数μ=0.06，车削是最大切削负载FZ=2150N，y向切削分力Fy=2FZ=4300N（垂直于导轨），要求刀具切削使得进给速度 v1=10-500mm/min，快速行程速度v2=3000mm/min，滚珠丝杠名义直径d0=32mm，导程tsp=6mm，丝杠总长l=1400mm，拖板最大行程为1150mm，定位精度±0.01mm，试选择合适的步进电机。 图4.18 步进电机带动工作台 1.脉冲当量的选择： 初选三相步进电机的步距角为0.75°/1.5°，当三相六拍运行时，步距角θ=0.75°，其每转脉冲数S=360°/θ=480。初选脉冲当量δ=0.01mm，根据脉冲当量的定义，可得中间齿轮传动比i为 选小齿轮齿数Z1=20，Z2=25。模数m=2 2.等效负载转矩的计算 （1）空载时的等效摩擦转矩Tf
永磁同步伺服电机(PMSM) 驱动器设计原理 周瑞华 周瑞华先生，中达电通股份有限公司应 用工程师。 关键词：PMSM 整流功率驱动单 元控制单元 永磁交流伺服系统的驱动器经历了 模拟式、模拟数字混合式的发展后，目 前已经进入了全数字的时代。全数字伺 服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散 性大、零漂、低可靠性等缺点，还充分 发挥了数字控制在控制精度上的优势和 控制方法的灵活，使伺服驱动器不仅结 构简单，而且性能更加可靠。现在，高性能的伺服系统大多数采用永磁交流伺服系统，其中包括永磁同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。后者由两部分组成：驱动器硬件和控制算法。控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分，也是技术垄断的核心。 一交流永磁伺服系统的基本结构 交流永磁伺服系统主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通信接口单元、伺服电机及相应的反馈检测器件组成。其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等。我们的交流永磁同步驱动器集先进的控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于高精度、高性能要求的伺服驱动领域，还体现了强大的智能化、柔性化，是传统的驱动系统所不可比拟的。 目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块(IPM)为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软起动电路,以减小起动过程对驱动器的冲击。 伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的两个模块，如图1所示。功率板(驱动板)是强电部分其中包括两个单元，一是功率驱动单元用于电机的驱动，二是开关电源单元为整个系统提供数字和模拟电源；控制板是弱电部分，是电机的控制核心也是伺服驱动器技术核心控制算法的运行载体。控制板通过相应的算法输出PWM信号，作为驱动电路的驱动信号，来改变逆变器的输出功率，以达到控制三相永磁式同步交流伺服电机的目的。
伺服系统的设计与计算 伺服系统：由伺服驱动电路、伺服驱动装置(电机)、位置检测装置、机械传动机构以及执行部件等部分组成。 它的作用是：接收数控系统发出的进给位移和速度指令信号：由伺服驱动电路作一定的转换和放大后，经伺服驱动装置(直流、交流伺服电机、直线电机、功率步进电机、电液伺服阀一液压马达等)和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴等执行部件进行工作进给和快速进给。 步进伺服结构简单，符合系统数字化发展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移动速度越低。特别是步进伺服易于失步，使其主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。但近年发展起来的恒斩波驱动、PWM驱动、微步驱动、超微步驱动和混合伺服技术，使得步进伺服的性能提高到一个新的水平。 半闭环进给伺服系统 间接测量执行部件的位置的系统称为半闭环系统。 半闭环系统只能补偿系统环路内部元件的误差，因此，半闭环进给系统的精度比闭环系统的精度要低一些，但是它的结构与调试都较简单，驱动功率大，快速响应好，因此适用于各种数控机床。对半闭环控制系统的机械误差，可以在数控装置中通过间隙补偿和螺距误差补偿来减小系统误差。
感应同步器位置检测装置（略） 感应同步器是由旋转变压器演变而来的，它是利用两个平面形印刷绕组，其间保持均匀气隙（0.25mm±0.05mm），相对平行移动时，根据交变磁场和互感原理而工作的。实质上，感应同步器是多极旋转变压器的展开形式，两者的工作原理基本上相同。 旋转变压器 旋转变压器是一种角度测量元件，在结构上与两相绕线式异步小型交流电动机相似，由定子和转子组成，有无刷和有刷两种类型。使用最多的是无刷旋转变压器，它由两大部分组成，一部分是分解器，分解器有定子与转子，定子与转子上分别绕有两相交流分布绕组与两绕组的轴线相互垂直。另一部分是变压器，它的一次线圈绕在与分解器转子轴同轴线的变压器转子上，与转子轴一起旋转，一次线圈与分解器转子的一个绕组并联相接，分解器转子的另一个绕组与高阻抗相接。变压器的二次线圈绕在与转子同心的定子线轴上。二次线圈的线端引出输出信号。无刷旋转变压器的工作可靠性高，寿命长，不用维修，而且输出信号强。 可编程序控制器的应用 数控机床使用的PLC可分为两类：一类是为“内装型”PLC；另一类是“独立型”PLC。 伺服驱动器 经过分析，伺服驱动装置采用武汉华中数控股份有限公司的HSV-16型伺服驱动器。 1. 驱动器特点：HSV-16 采用最新专用运动控制DSP大规模现场可编程逻辑阵列(FPGA)和智能化功率模块(IPM)等当今最新技术设计，操作简单可靠性高体积小巧易于安装。它控制简单灵活，通过修改伺服驱动器参数可对伺服驱动器系统的工作方式，内部参数进行修改以适应不同应用环境和要求 2. 运行模式： (1)位置控制方式(脉冲量接口):HSV-16 系列伺服驱动器可以通过内部参数设 置接收三种形式的脉冲指令(正交脉冲;脉冲+方向;正、负脉冲)。
第五章伺服控制系统 第一节概述 伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统。如防空雷达控制就是一个典型的伺服控制过程，它是以空中的目标为输入指令要求，雷达天线要一直跟踪目标，为地面炮台提供目标方位；加工中心的机械制造过程也是伺服控制过程，位移传感器不断地将刀具进给的位移传送给计算机，通过与加工位置目标比较，计算机输出继续加工或停止加工的控制信号。绝大部分机电一体化系统都具有伺服功能，机电一体化系统中的伺服控制是为执行机构按设计要求实现运动而提供控制和动力的重要环节。 一、伺服系统的结构组成 机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。如图5-1给出了系统组成原理框图。 1、比较环节是将输入的指令信号与系 统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间 的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算 机来实现。 2、控制器通常是计算机或PID控制电图5-1伺服系统组成原理框图 路，主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。 3、执行元件作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。 4、被控对象是指被控制的机构或装置，是直接完成系统目的的主体。一般包括传动系统、执行装置和负载。 5、检测环节是指能够对输出进行测量，并转换成比较环节所需要的量纲的装置。一般包括传感器和转换电路。 在实际的伺服控制系统中，上述的每个环节在硬件特征上并不独立，可能几个环节在一个硬件中，如测速直流电机即是执行元件又是检测元件。 二、伺服系统的分类 伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有： 1、按被控量参数特性分类按被控量不同，机电一体化系统可分为位移、速度、力矩等各种伺服系统。其它系统还有温度、湿度、磁场、光等各种参数的伺服系统 2、按驱动元件的类型分类按驱动元件的不同可分为电气伺服系统、液压伺服系统、气动伺服系统。电气伺服系统根据电机类型的不同又可分为直流伺服系统、交流伺服系统和步进电机控制伺服系统。 3、按控制原理分类按自动控制原理，伺服系统又可分为开环控制伺服系统、闭环控制伺服系统和半闭环控制伺服系统。 开环控制伺服系统结构简单、成本低廉、易于维护，但由于没有检测环节，系统精度低、抗干扰能力差。闭环控制伺服系统能及时对输出进行检测，并根据输出与输入的偏差，实时调整执行过程，因此系统精度高，但成本也大幅提高。半闭环控制伺服系统的检测反馈环节位于执行机
电液伺服控制系统的设计与仿真 引言 电液伺服系统具有响应速度快、输出功率大、控制精确性高等突出优点，因而在航空航天、军事、冶金、交通、工程机械等领域得到广泛应用。随着电液伺服阀的诞生，使液压伺服技术进入了电液伺服时代，其应用领域也得到广泛的扩展。随着液压系统逐渐趋于复杂和对液压系统仿真要求的不断提高，传统的利用微分方程和差分方程建模进行动态特性仿真的方法已经不能满足需要。因此，利用AMESim、Matlab／Simulink等仿真软件对电液伺服控制系统进行动态仿真，对于改进系统的设计以及提高液压系统的可靠性都具有重要意义。 1 液压系统动态特性研究概述 随着液压技术的不断发展与进步和应用领域与范围的不断扩大，系统柔性化与各种性能要求更高，采用传统的以完成执行机构预定动作循环和限于系统静态性能的系统设计远远不能满足要求。因此，现代液压系统设计研究人员对系统动态特性进行研究，了解和掌握液压系统动态工作特性与参数变化，以提高系统的响应特性、控制精度以及工作可靠性，是非常必要的。 1.1 液压系统动态特性简述 液压系统动态特性是其在失去原来平衡状态到达新的平衡状态过程中所表现出来的特性，原因主要是由传动与控制系统的过程变化以及外界干扰引起的。在此过程中，系统各参变量随时间变化性能的好坏，决定系统动态特性的优劣。系统动态特性主要表现为稳定性（系统中压力瞬间峰值与波动情况）以及过渡过程品质（执行、控制机构的响应品质和响应速度）问题。 液压系统动态特性的研究方法主要有传递函数分析法、模拟仿真法、实验研究法和数字仿真法等。数字仿真法是利用计算机技术研究液压系统动态特性的一种方法。先是建立液压系统动态过程的数字模型——状态方程，然后在计算机上求出系统中主要变量在动态过程的时域解。该方法适用于线性与非线性系统，可以模拟出输入函数作用下系统各参变量的变化情况，从而获得对系统动态过程直接、全面的了解，使研究人员在设计阶段就可预测液压系统动态性能，以便及时对设计结果进行验证与改进，保证系统的工作性能和可靠性，具有精确、适应性强、周期短以及费用低等优点。 1.2 仿真环境简介 基于Matlab平台的Simulink是动态系统仿真领域中著名的仿真集成环境，它在众多领域得到广泛应用。Simulink借助Matlab的计算功能，可方便地建立各种模型、改变仿真参数，有效解决了仿真技术中的问题。Simulink提供了交互的仿真环境，既可通过下拉菜单进行仿真，也可通过命令进行仿真。虽然Simulink提供了丰富的模块库，但是在Matlab／Simulink下对液压系统进行建模及仿真需要做很多简化工作，而模型的简化使得仿真结果往往出现一定的误差。AMESim (Advanced Modeling Environment for Simulation of Engineering Systems)是法国IMAGINE公司开发的一套高级仿真软件。它是一个图形化的开发环境，用于工程系统的建模、仿真和动态性能分析。AMESim的特点是面向工程应用从而使其成为汽车、航天和航空等工业研发部门的理想仿真工具。研究人员完全可以用AMESim的各种模型库来设计系