交流永磁伺服系統(tǒng)技術(shù)講座原稿第1

交流永磁伺服系統(tǒng)技術(shù)講座（原稿第1-4講）TechnologyCathedraforACPermenant-MagnetServoSystem第一講：伺服技術(shù)的基本概念郭慶鼎趙希梅（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院遼寧沈陽(yáng)110023）一、“伺服”的由來(lái)“伺服”一詞系英語(yǔ)單詞“servo”的音譯和義譯的結(jié)合，它來(lái)源于拉丁語(yǔ)servus,意為奴隸、仆人；漢語(yǔ)中的“伺”有侍奉、“服”為服從之意，合起來(lái)“伺服”一詞的漢語(yǔ)與英語(yǔ)的意義也是相同的。在奴隸社會(huì)中，奴隸必須無(wú)條件的按主人命令行事，侍奉主人，服從主人的意志，為主人服務(wù)。近代人們把這個(gè)社會(huì)學(xué)中的名詞，引申到技術(shù)領(lǐng)域的機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制中，表示運(yùn)動(dòng)機(jī)械必須按照控制器發(fā)出的控制命令要求，準(zhǔn)確無(wú)誤地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，伺服系統(tǒng)是以被驅(qū)動(dòng)機(jī)械物體的位置（姿態(tài)）、速度、加速度等變量為被控量，使之能隨指令值的任意變化進(jìn)行追蹤的控制系統(tǒng)。由此可見(jiàn)，不論從它原本的社會(huì)學(xué)意義或它引申出來(lái)的工程意義上來(lái)看，“伺服”的基本特征就是“服從”和“追蹤”，深刻地認(rèn)識(shí)這一點(diǎn)是有意義的。這樣看來(lái)，伺服系統(tǒng)可以認(rèn)為是隨動(dòng)控制系統(tǒng)，既可以認(rèn)為是速度隨動(dòng)控制，也可以認(rèn)為是位置隨動(dòng)控制。從廣義的角度上看，電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)也可以認(rèn)為是伺服控制的一種，只不過(guò)在調(diào)速系統(tǒng)中，特別是功率較大的裝置，所強(qiáng)調(diào)的被調(diào)量是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，所看重的是更加高效率地實(shí)現(xiàn)功率變換。在通常情況下，速度給定量是恒定的，起動(dòng)的速度平穩(wěn)，靜態(tài)誤差小是其追求的主要目標(biāo)。而伺服系統(tǒng)一般的功率較小，要求輸出忠實(shí)地跟蹤控制器所發(fā)出的命令，并能產(chǎn)生足夠的力或力矩，使被驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)械獲得所希望的加速度、速度和位置（位姿）。當(dāng)然，在伺服控制中，也存在對(duì)系統(tǒng)功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，雖然在這一點(diǎn)上與調(diào)速系統(tǒng)一致，但它控制的出發(fā)點(diǎn)卻是要求追蹤任意變化的控制命令，并且要求實(shí)現(xiàn)精確位置跟蹤控制。二、伺服技術(shù)簡(jiǎn)史最早的伺服系統(tǒng)應(yīng)用是開(kāi)始于軍事裝備的位置控制上，即1886年所發(fā)明魚(yú)雷中。魚(yú)雷在水中應(yīng)保持在一定的水深中推進(jìn)。它是以貯氣筒內(nèi)的壓縮空氣為動(dòng)力推進(jìn)螺旋槳，以氣壓陀螺為方向檢測(cè)器，以氣壓舵導(dǎo)航，用水壓計(jì)測(cè)水深，并用氣壓沉浮舵控制它在水中的深度。整個(gè)控制系統(tǒng)是以實(shí)現(xiàn)方向和水下深度一定擊中對(duì)方艦只為目標(biāo)。繼魚(yú)雷之后，航船也實(shí)行自動(dòng)導(dǎo)航。實(shí)際上比魚(yú)雷控制還要簡(jiǎn)單，因?yàn)榇歉≡谒缴系模槐叵篝~(yú)雷那樣要測(cè)水深，只需用陀螺盤(pán)為方向檢測(cè)器即可。第一次世界大戰(zhàn)后，飛機(jī)也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)駕駛。這種初期的伺服機(jī)械系統(tǒng)主要用于運(yùn)載物體或空間運(yùn)動(dòng)體的自動(dòng)控制上。然而，那時(shí)并沒(méi)有明確的“伺服”概念，直到1934年，美國(guó)人H?黑曾（Hazen）在論文《關(guān)于伺服機(jī)構(gòu)理論》中才第一次提出了伺服機(jī)構(gòu)（servomechanism）這個(gè)詞，標(biāo)志著伺服控制理論的誕生。在第二次世界大戰(zhàn)中，由于戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，以美國(guó)麻省理工學(xué)院雷達(dá)研究室為中心，致力于研究自動(dòng)跟蹤飛機(jī)的雷達(dá)伺服系統(tǒng)，不僅研究出了伺服系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，而且提出了切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案，發(fā)展了作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)新分支——伺服系統(tǒng)的控制理論，形成目前眾所周知的頻率響應(yīng)法。結(jié)合雷達(dá)天線伺服跟蹤的研究，形成一系列有關(guān)伺服系統(tǒng)的基本概念。與此同時(shí)，在工業(yè)領(lǐng)域中廣為應(yīng)用的反饋控制理論已形成了獨(dú)立的控制體系，更加充實(shí)了伺服控制技術(shù)。在二次大戰(zhàn)剛結(jié)束不久，美國(guó)空軍在生產(chǎn)飛機(jī)時(shí)，為了減輕機(jī)體的重量，要求凡不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的金屬部分都要切削掉。因此，對(duì)飛機(jī)零件的切削加工量很大，而且每改變一次機(jī)型都要進(jìn)行一次大切削加工，零件形狀越是復(fù)雜，切削困難也越大。為了縮短生產(chǎn)周期，空軍方面迫切要求探索加工復(fù)雜零件的新技術(shù)。為回應(yīng)這種要求，經(jīng)過(guò)數(shù)年的努力，麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)研究室于1952年宣布開(kāi)發(fā)成功了世界上第一臺(tái)數(shù)控銑床。這標(biāo)志著伺服技術(shù)登上了金屬切削機(jī)床的加工領(lǐng)域，從此伺服技術(shù)與裝備成為機(jī)床不可或缺的組成部分了。研究人員于1952年提出“數(shù)控伺服機(jī)構(gòu)”的專利申請(qǐng)，歷時(shí)10年的考核，于1962年才獲得專利批準(zhǔn)，震動(dòng)了當(dāng)時(shí)的數(shù)控技術(shù)界，這說(shuō)明了伺服技術(shù)的重要性。從此，“伺服”才從理論概念中走出來(lái)，被權(quán)威部門(mén)認(rèn)證，正式從軍事裝備應(yīng)用過(guò)渡到數(shù)控機(jī)床，表明了伺服技術(shù)整體上的成熟，奠定了它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、軍事裝備等領(lǐng)域中不可或缺的地位。并且開(kāi)始了新的發(fā)展時(shí)期。上世紀(jì)50年代開(kāi)發(fā)出的數(shù)控機(jī)床，其伺服驅(qū)動(dòng)主要是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)，由于受大功率晶體管功率的限制，步進(jìn)電機(jī)的輸出功率一直難以提高。當(dāng)時(shí)的數(shù)控機(jī)床受制于伺服系統(tǒng)的約束，機(jī)床的切削量很小，效率也低，只用于復(fù)雜型面的加工。在1959年，日本fanuc公司研制出了電液脈沖馬達(dá)，即步進(jìn)電機(jī)加液壓扭矩放大器，由于新的執(zhí)行元件大大提高伺服系統(tǒng)輸出力矩，克服了單一步進(jìn)拖動(dòng)的缺點(diǎn)，因此擴(kuò)大了數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍，60年代幾乎是電液伺服的全盛時(shí)期。但由于液壓機(jī)構(gòu)存在著噪聲、漏油、效率低，不便維護(hù)等固有缺點(diǎn)，推動(dòng)了電動(dòng)伺服技術(shù)的研究。由于普通直流電動(dòng)機(jī)本身的慣量較大，難以滿足伺服系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求，而提高電機(jī)的峰值加速轉(zhuǎn)矩當(dāng)時(shí)又受到限制，所以人們企圖減小電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來(lái)提高響應(yīng)的快速性。日本安川電機(jī)廠于1963年研發(fā)出了一種無(wú)槽小直徑轉(zhuǎn)子的所謂小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)。但由于其自身的慣量很小，快速性是提高了，可又出現(xiàn)了新問(wèn)題，由于與所帶的機(jī)械負(fù)載慣性不易匹配，降低了帶負(fù)載能力，因此未得到推廣應(yīng)用。在此期間，美國(guó)蓋梯斯公司另辟蹊徑，通過(guò)提高直流電動(dòng)機(jī)的加速扭矩來(lái)提高其快速性。在1969年推出了所謂大慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)，雖然電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑加大了，使慣量大增，但對(duì)電機(jī)通以10?15倍的額定電流，因磁性材料和設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)使峰值轉(zhuǎn)矩大增，達(dá)到較高的扭矩/慣量比。正是由于電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量大，容易使之與所帶負(fù)載慣量實(shí)現(xiàn)匹配，使得原來(lái)極力避免的大慣量而在這里變成了優(yōu)點(diǎn)。由于它能瞬時(shí)輸出數(shù)倍的額定轉(zhuǎn)矩，使動(dòng)態(tài)響應(yīng)大大加快，而被廣泛應(yīng)用于各種伺服領(lǐng)域。日本FANUC公司于1974年購(gòu)買(mǎi)了美國(guó)的專利并結(jié)合晶體管PWM技術(shù)，隨后推出了大慣量直流電機(jī)閉環(huán)伺服系統(tǒng)，廣泛用在機(jī)床中，并且結(jié)束了由它自己開(kāi)創(chuàng)的電液開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)。大慣量直流伺服系統(tǒng)曾風(fēng)行于70年代末到80年代初的十多年時(shí)間內(nèi)。但由于直流電機(jī)存在著機(jī)械換向器和電刷等諸多問(wèn)題，終于難逃被交流伺服所取代的命運(yùn)。1983年美國(guó)通用電氣公司開(kāi)發(fā)出感應(yīng)型交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低、電機(jī)容量不受限制和機(jī)械慣性小等優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)創(chuàng)了人們夢(mèng)寐以求的交流伺服系統(tǒng)的新時(shí)代，它獲得與直流伺服相同性能，但無(wú)直流電機(jī)機(jī)械換向器之虞的優(yōu)點(diǎn)，而倍受歡迎。與此同時(shí)，由于感應(yīng)式交流伺服電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)是基于矢量變換控制，控制上較復(fù)雜，轉(zhuǎn)子回路存在電流，低速時(shí)易發(fā)熱。因而，為進(jìn)一步克服這些不足，而發(fā)揚(yáng)交流伺服電動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)處。歐美等先進(jìn)國(guó)研發(fā)出同步型永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)。它比感應(yīng)型更為簡(jiǎn)單，由轉(zhuǎn)子上的永磁體提供二次磁通，革除了轉(zhuǎn)子回路，轉(zhuǎn)子不存在發(fā)熱問(wèn)題，使控制更加簡(jiǎn)單方便，輸出力矩更大，線性更好。因而它成為交流伺服系統(tǒng)應(yīng)用的主流。到目前為止，它主導(dǎo)交流伺服系統(tǒng)發(fā)展時(shí)間達(dá)到了近20年。從伺服驅(qū)動(dòng)的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，除了電液脈沖馬達(dá)已被淘汰外，其它型式的驅(qū)動(dòng)都有自身的某些特定市場(chǎng)。大、小慣量直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)雖有應(yīng)用，但卻日漸式微。對(duì)步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于開(kāi)環(huán)控制，簡(jiǎn)單廉價(jià)，除用在小型經(jīng)濟(jì)型數(shù)控設(shè)備上外，還廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、打字機(jī)、通訊設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等許多領(lǐng)域。至于交流伺服，特別是同步型永磁式交流伺服系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)、高精度傳感器、高頻大功率器件、控制理論、高性能永磁材料等高水平物質(zhì)基礎(chǔ)和理論基礎(chǔ)的支撐下，在性能指標(biāo)方面，達(dá)到幾近完善程度了。90年代中期以后，在國(guó)際上機(jī)床行業(yè)掀起了一股直線電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的應(yīng)用熱潮。早在1986年，美國(guó)Anorad工廠在1MTS-86'芝加哥國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)上展出了該廠生產(chǎn)的直線伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的高精度機(jī)床工作臺(tái)。此外，美國(guó)Ingersoll銑床公司，德國(guó)EX-cell等廠家先后在90年代之后的幾屆國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)上都展有直線伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床，并且其勢(shì)頭越來(lái)越熱，方興未艾，成為新一代數(shù)控機(jī)床最具代表性的先進(jìn)技術(shù)，是伺服技術(shù)的一次重要突破。其主要的特點(diǎn)，因其消除慣性較大的機(jī)械傳動(dòng)鏈，而成為“零傳動(dòng)”。所以快速性與反應(yīng)能力大為提高，加速過(guò)程快、速度高，同時(shí)提高了傳動(dòng)剛度和精度。由于直線伺服驅(qū)動(dòng)的高速響應(yīng)性和高精度性，成為下一代新機(jī)床進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)的主力。但直線電機(jī)存在著散熱、隔磁、抗擾動(dòng)等問(wèn)題，需要較多的相關(guān)的配套技術(shù)，它以整臺(tái)位移裝置的形式存在，不象旋轉(zhuǎn)電機(jī)那樣僅以單機(jī)出現(xiàn)，這就導(dǎo)致了機(jī)床結(jié)構(gòu)的變化，需要重新設(shè)計(jì)，多少年來(lái)已習(xí)慣于“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”進(jìn)給形式的機(jī)床設(shè)計(jì)一下子改變了過(guò)來(lái)也并非易事。再加上直線伺服系統(tǒng)價(jià)格較高等原因。因此，雖然直線伺服系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)突出，應(yīng)用的呼聲很高，但在國(guó)內(nèi)機(jī)床上的實(shí)際應(yīng)用依然是鳳毛麟角，好似正在待機(jī)而動(dòng)。三、伺服技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)上面，從執(zhí)行元件的發(fā)展歷程，概略地介紹了伺服技術(shù)的發(fā)展情況。由于伺服技術(shù)是一項(xiàng)綜合性復(fù)合技術(shù)，涉及的領(lǐng)域很寬，哪一方面的發(fā)展勢(shì)態(tài)都可能對(duì)其產(chǎn)生重要影響。電子技術(shù)、新材料、電力電子器件、電機(jī)理論與自動(dòng)控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)等諸方面，在不同時(shí)期，都曾經(jīng)促進(jìn)了伺服系統(tǒng)中不同的執(zhí)行元件的出現(xiàn)和發(fā)展，今后仍將是如此。根據(jù)過(guò)去的發(fā)展經(jīng)歷和當(dāng)前的現(xiàn)狀，我們將憧憬并期待著未來(lái)的伺服系統(tǒng)朝著以下方向發(fā)展。（1） 包括執(zhí)行電機(jī)和控制器在內(nèi)的伺服系統(tǒng)必須在保持要求輸出能力的情況下，體積更小，重量更輕，跟蹤性和抗擾性都更強(qiáng)，魯棒性更強(qiáng)健，適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用。（2） 要實(shí)現(xiàn)小型化，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)微型化，突破常規(guī)伺服尺寸的范圍，進(jìn)入微制造領(lǐng)域以滿足微制造領(lǐng)域內(nèi)的精密快速伺服定位的需要。（3） 大力研發(fā)永磁直線伺服驅(qū)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)磁懸浮伺服驅(qū)動(dòng)，徹底消除摩擦影響，確保高反應(yīng)能力和高精度，變革當(dāng)前機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)。（4） 軟件伺服突破傳統(tǒng)PID控制理論框架，將先進(jìn)控制方法，包括現(xiàn)代控制理論

成果，以伺服軟件模塊化的方式提供給用戶。用戶能根據(jù)需要任意選用和組合，使應(yīng)用具有極大的靈活性和適應(yīng)性。（以下為第二講,第一講為滿3p）TechnologyCathedraforACPermenant-MagnetServoSystem第二講：伺服系統(tǒng)的組成第二講：伺服系統(tǒng)的組成（一）沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院郭慶鼎趙希梅伺服系統(tǒng)組成伺服系統(tǒng)主要由三部分組成：被控制的機(jī)械對(duì)象，伺服電動(dòng)機(jī)，控制裝置。按傳感器安放的位置分為全閉環(huán)和半閉環(huán)兩種控制結(jié)構(gòu)。全閉環(huán)控制：不僅控制伺服電動(dòng)機(jī)，而且對(duì)受控機(jī)械對(duì)象終端的速度或位置也進(jìn)行控制。因此，不僅在伺服電動(dòng)機(jī)的輸出端，而且機(jī)械機(jī)構(gòu)終端也要放置傳感器把各種狀態(tài)信息檢測(cè)出來(lái)，比如在機(jī)床上安裝直線光柵傳感器，把各種狀態(tài)信息檢測(cè)出來(lái)，進(jìn)行負(fù)反饋控制。這種檢測(cè)控制方式為全閉環(huán)控制，但應(yīng)用并不廣泛。其原因是因?yàn)樵趯?shí)際使用時(shí)，要在機(jī)械機(jī)構(gòu)末端直接安裝各種傳感器來(lái)檢測(cè)速度、加速度和位置，比較困難；再者，因?yàn)闄C(jī)械自身的振動(dòng)、電機(jī)與機(jī)械機(jī)構(gòu)之間的配合不良、摩擦等因素直接影響到系統(tǒng)的性能，給設(shè)計(jì)與調(diào)整控制系統(tǒng)帶來(lái)了很大困難。因此全閉環(huán)控制方式較少應(yīng)用。采用較多的是半閉環(huán)控制方案。半閉環(huán)控制：檢測(cè)裝置只是安裝在伺服電動(dòng)機(jī)的非負(fù)載側(cè)軸上，控制裝置只對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)輸出軸的速度和轉(zhuǎn)角位置進(jìn)行檢測(cè)與反饋，形成所謂的半閉環(huán)控制.整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的精度還與閉環(huán)之外的機(jī)械裝置本身的精度有關(guān)。1.慣量與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系現(xiàn)在，來(lái)分析電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)與其相連的運(yùn)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)的模型：主要是討論慣量和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，它涉及電機(jī)與負(fù)載間的慣量匹配和最佳減速比問(wèn)題。1.1電機(jī)慣量與負(fù)載慣量的匹配問(wèn)題通常，絲杠或工作臺(tái)等可移動(dòng)的物體的慣量都作為負(fù)載折合到電動(dòng)機(jī)的輸出端。設(shè)Jl[kg?m?s2]代表了折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Jm為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子自身的慣量，T為電磁轉(zhuǎn)矩，T為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（摩擦轉(zhuǎn)矩，外加阻力矩）。慣量、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩之間的方ML程式為：dwJ二T-TdtML其中，J=J+J。ML那么，在總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量中，二者之間，即電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量與折算到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量之間具有什么樣的最佳比例關(guān)系是最理想，取得最好的加速能力？這就是所謂電動(dòng)機(jī)慣量與負(fù)載慣量的匹配問(wèn)題。

負(fù)載的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能為若在某一時(shí)刻-轉(zhuǎn)子的速度達(dá)到o(rad/s)，則T為轉(zhuǎn)子獲得的加速轉(zhuǎn)矩，MLT=TT為轉(zhuǎn)子獲得的加速轉(zhuǎn)矩，MLT=T—T。則在時(shí)刻t.時(shí)負(fù)載所具有的能量為M L 1P-1[\〔Tdt]2 'Ll-L2J0 (J+J)2這里設(shè)J=aJ，則MLLMP-1[\t1Tdt]2 aL 2J 01 (1+a)2M可見(jiàn)，P與a有關(guān)，為了求取P的最大值，可對(duì)a求偏微分LL6PLda2J比Tdt]201—a(1+a)2d2PLd2PLda29.8x10-22JM[\t\Tdt]202(a—2)(1+a)4dP d2P二1時(shí),PL具有極大值。在—召二0時(shí)，求出a=1,而且a=1時(shí)，一l二1時(shí),PL具有極大值。da da2在理論上，即Jm:Jl=1：1時(shí)，負(fù)載獲得最大能量，實(shí)現(xiàn)了最快速的響應(yīng)，這是理想的匹配條件。但在實(shí)際上，在選擇交流伺服電動(dòng)機(jī)時(shí)，主要是考慮負(fù)載所需要的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,電機(jī)所具有的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不可能和事實(shí)上存在的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量完全相等，只能是在數(shù)值上有一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶?。?duì)于交流伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，可在產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中查到JM，折算到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量J則可以通過(guò)力學(xué)方法計(jì)算出來(lái)。選擇電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1時(shí)，只要滿L足J>0.4J條件，就認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了近似的匹配，滿足了動(dòng)態(tài)反應(yīng)能力的要求。ML順便指出，對(duì)大慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)而言，則有另外的慣量匹配條件1<Jl<1。4JM1.2進(jìn)給機(jī)構(gòu)減速比計(jì)算這里討論的減速比是指交流伺服電動(dòng)機(jī)軸到滾珠絲杠付之間的齒輪傳動(dòng)減速比，齒輪減速傳動(dòng)比計(jì)算如圖1所示。44圖1齒輪減速傳動(dòng)比計(jì)算

對(duì)于圖1采用減速齒輪和滾珠絲杠傳動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，其齒輪減速比為i二ixi二Z/ZxZ/Z1 2 2 1 4 3這里是減速運(yùn)動(dòng)。齒輪的齒數(shù)關(guān)系為Z>Z,Z>Z，因此二級(jí)減速比定義為2 1 4 3

i>1,i>1。假如絲杠的角加速度為a，則電動(dòng)機(jī)所需要的加速轉(zhuǎn)矩T由下式確定LMa+TT>Jia+lllMML iq式中，—一電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg-m-s2）,J一負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，a一滾珠絲杠的角加速度，i一減速比，ia—電機(jī)軸的角加速度，Ja一負(fù)載的加速轉(zhuǎn)矩，T一克服負(fù)載L LL L所需要的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，q一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率?，F(xiàn)在，以T為縱坐標(biāo)，i為橫坐標(biāo)作出T=f①曲線，如圖2所示。MMT.Ja+TJaidiMLja+TJaidiMLja+TL_L L=0時(shí),T=0時(shí),T最小Mini圖2Tm=f（i）曲線即為最佳減速比。為了求出最佳減速比i，現(xiàn)在求冬M二0時(shí)的i，即為最佳減速比。TOC\o"1-5"\h\z0 di 0令T=Jia+lll，求M=0時(shí)令T=Jia+lll，求M=0時(shí)i值。而m>0，故存在最小值。mml iq di 0 di2若按此時(shí)i二JL+J,選擇減速比，所需起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T最小，將i值代入T表0飛Jaq M 0 M'ML達(dá)式中便可求出其最小值,這就是按“最小轉(zhuǎn)矩法”求取最佳減速比。按著最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可以克服負(fù)載靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T，并可以使電機(jī)轉(zhuǎn)子（Jm）與負(fù)載（Jl）的運(yùn)動(dòng)同時(shí)，使?jié)L珠絲杠獲得%角加速度起動(dòng)。如果選擇電機(jī)的轉(zhuǎn)矩略大于Tm，在保證不浪費(fèi)電機(jī)轉(zhuǎn)矩資源的同時(shí)，系統(tǒng)也提高了快速響應(yīng)能力。當(dāng)然，實(shí)際減速比的選擇還要考慮到電機(jī)與負(fù)載間的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和慣量匹配的要求，以及傳動(dòng)效率等問(wèn)題。由上述分析可見(jiàn)，在選擇最佳減速比和慣性匹配之后，都可以提高系統(tǒng)反應(yīng)能力，充分利用了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這是非常有意義的。（（以下為第三講,第一講為滿3p））由伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理可知，在同步型永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)中，電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩與電樞的電流成正比，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸運(yùn)動(dòng)。為了以所希望的速度控制實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)位置，在速度控制時(shí)，首先把期望運(yùn)行速度以指令方式輸入速度控制器，并與檢測(cè)到的速度反饋信號(hào)相比較，按照偏差原則調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，使輸出速度與速度指令值相一致。在速度指令為階躍輸入信號(hào)時(shí)，其電機(jī)軸上的輸出速度稱為速度階躍響應(yīng)Q?Q，如圖3所示。并且本小節(jié)以速度階躍響應(yīng)的不同情況，來(lái)說(shuō)明系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)與靜態(tài)特性。曲線Q響應(yīng)慢，說(shuō)明系統(tǒng)的阻尼作用過(guò)大；曲線Q阻尼作用大小合適，響應(yīng)加快了，稍微存在一點(diǎn)超調(diào)后，就穩(wěn)定在指令值上，這是通常所期望的一種階躍響應(yīng)，一般將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成微欠阻尼狀態(tài)；曲線Q阻尼作用過(guò)小，放大倍數(shù)過(guò)大，輸出產(chǎn)生增幅振蕩，系統(tǒng)已不穩(wěn)定了。通常，速度控制器采用PI控制規(guī)律?？梢赃_(dá)到快速響應(yīng)和無(wú)靜差的控制效果。在理想情況下，伺服控制系統(tǒng)的被調(diào)量與指令值在任何時(shí)候都應(yīng)該保持相等，二者間沒(méi)有誤差，而且不受干擾的影響。然而在實(shí)際系統(tǒng)中，由于存在電磁慣性、機(jī)械慣性以及電源功率限制，以及間隔、死區(qū)等，使得電機(jī)軸上受控負(fù)載機(jī)械的加速度不會(huì)很大，速度與位移不會(huì)瞬間變化，而是要經(jīng)歷一個(gè)隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。通常以階躍輸入信號(hào)作用下，來(lái)觀察它的輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。工程上常從穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)特性、穩(wěn)態(tài)特性三個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)伺服系統(tǒng)的控制性能。③①壞）0圖③①壞）0圖3速度階躍響應(yīng)（第二講的結(jié)尾）交流永磁伺服系統(tǒng)技術(shù)講座TechnologyCathedraforACPermenant-MagnetServoSystem第三講： 伺服系統(tǒng)的組成（二）—5.8.用沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院郭慶鼎趙希梅四.伺服系統(tǒng)組成2.速度控制器與電流控制器穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡工作狀態(tài)的能力。一個(gè)處于靜止或平衡工作狀態(tài)的系統(tǒng)，當(dāng)受到任何輸入的激勵(lì)，就可能偏離原平衡狀態(tài)。當(dāng)激勵(lì)消失后，經(jīng)過(guò)暫態(tài)過(guò)程以后，系統(tǒng)中的狀態(tài)和輸出都能恢復(fù)到原先的平衡狀態(tài)，則系統(tǒng)稱為穩(wěn)定的。由于實(shí)際系統(tǒng)存在慣性、延遲，所以當(dāng)系統(tǒng)的各參數(shù)配合不恰當(dāng)時(shí)，將會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生越來(lái)越大的輸出，引起系統(tǒng)中某些工作部件的損壞。因此一個(gè)控制系統(tǒng)要能工作，它必須是穩(wěn)定的，而且必須具有一定的穩(wěn)定裕量，即當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生某些變化時(shí)，也能夠使系統(tǒng)保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。如系統(tǒng)受擾后偏離了原工作狀態(tài)，而控制裝置再也不能使系統(tǒng)恢復(fù)到原狀態(tài)，并且越偏越遠(yuǎn)。當(dāng)指令階躍變化以后，控制裝置再也無(wú)法使被控對(duì)象跟隨指令運(yùn)行，并且也是越差越大，如圖3中過(guò)程Q所示。這樣的系統(tǒng)稱之為不穩(wěn)定系統(tǒng)，顯然，這是根本完不成控制任務(wù)的。在有可能達(dá)到平衡的條件下，要求系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩要小，對(duì)被控量的振幅和頻率應(yīng)有所限制。過(guò)大的波動(dòng)將使運(yùn)動(dòng)部件超載，而導(dǎo)致松動(dòng)和破壞。圖3速度階躍響應(yīng)動(dòng)態(tài)特性穩(wěn)定的控制系統(tǒng)受到外加控制信號(hào)或擾動(dòng)的作用后，系統(tǒng)會(huì)恢復(fù)原狀態(tài)或達(dá)到新的平衡狀態(tài)，但由于系統(tǒng)機(jī)械部分存在慣性，電路中存在電感、電容，同時(shí)也由于能源功率的限制，使得系統(tǒng)的各信號(hào)不能瞬時(shí)達(dá)到平衡，而要經(jīng)歷一個(gè)過(guò)程，即動(dòng)態(tài)過(guò)程或過(guò)渡過(guò)程。動(dòng)態(tài)特性即是反映在這一過(guò)程中，系統(tǒng)跟蹤控制信號(hào)或抑制擾動(dòng)的速度快慢、系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)程的振蕩大小及平穩(wěn)、均勻的程度?？焖傩跃褪侵竸?dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間長(zhǎng)短。過(guò)程時(shí)間持續(xù)很長(zhǎng)，將使系統(tǒng)長(zhǎng)久地出現(xiàn)大偏差，同時(shí)也說(shuō)明系統(tǒng)響應(yīng)很遲鈍，難以復(fù)現(xiàn)快速變化的指令信號(hào)，如圖3中過(guò)程Q所示。穩(wěn)定性和快速性反映了系統(tǒng)在控制過(guò)程中的性能。既快又穩(wěn)，則過(guò)程中被控量偏離給定值小，偏離的時(shí)間很短，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度高，如圖3中過(guò)程Q所示。穩(wěn)態(tài)特性在過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，系統(tǒng)的誤差值反映了系統(tǒng)控制的精確程度。差值越小，則說(shuō)明系統(tǒng)控制的精度越高。準(zhǔn)確性就是指系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束過(guò)渡到新的平衡工作狀態(tài)以后，或系統(tǒng)受擾重新恢復(fù)平衡之后，最終保持的精度，反映了動(dòng)態(tài)過(guò)程后期的性能。這時(shí)系統(tǒng)的被控量對(duì)給定量的偏差，一般應(yīng)該是很小的，如數(shù)控機(jī)床的加工誤差小于0.002mm。一般恒速、恒溫控制系統(tǒng)的靜態(tài)誤差都在給定值的1％以內(nèi)。由于控制系統(tǒng)的控制目的、要求和對(duì)象的不同，因而各系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)特性、穩(wěn)態(tài)特性的要求也不同。例如，隨動(dòng)系統(tǒng)對(duì)快速性要求高一些；電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)則要求過(guò)渡過(guò)程平穩(wěn)、均勻；而機(jī)器人控制系統(tǒng)則不允許系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。對(duì)于同一個(gè)系統(tǒng)，體現(xiàn)穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性的穩(wěn)、快、準(zhǔn)這三個(gè)要求是互相制約的。提高過(guò)程快速性，則會(huì)使系統(tǒng)振蕩性加強(qiáng)；改善系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性，則又可能使控制過(guò)程時(shí)間延長(zhǎng)，反應(yīng)遲緩，甚至使最終精度也很差；提高系統(tǒng)控制的穩(wěn)態(tài)精度，則會(huì)引起動(dòng)態(tài)性能（過(guò)渡過(guò)程時(shí)間及振蕩性）的變化。速度控制器的輸出被永磁伺服電機(jī)磁極位置信號(hào)調(diào)制后的輸出作為電流控制器（也是轉(zhuǎn)矩控制器）的指令輸入，與檢測(cè)到的電機(jī)繞組中的實(shí)際電流反饋值相比較，通過(guò)PI控制器調(diào)節(jié)作用其輸出作為后級(jí)PWM環(huán)節(jié)的調(diào)制信號(hào)。由于電流構(gòu)成閉環(huán)，利用電樞繞組中的L-R對(duì)電流的慣性作用，實(shí)現(xiàn)了繞組電流對(duì)指令信號(hào)的跟蹤，隨被跟蹤指令信號(hào)不同，或獲得正弦波電流或獲得交流方波形電流。對(duì)電流控制器的要求主要是通帶寬，快速性好，精確復(fù)現(xiàn)指令，使電動(dòng)機(jī)獲得快速平穩(wěn)的加速能力，在速度變化過(guò)程中，它實(shí)際上是加速度控制器。3.位置控制器3.1位置控制的基本概念位置控制的根本任務(wù)就是使執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)位置指令的精確跟蹤。被控量一般是負(fù)載的空間位移，當(dāng)給定量隨機(jī)變化時(shí)，系統(tǒng)能使被控量無(wú)誤地跟蹤并復(fù)現(xiàn)給定量，給定量可能是角位移或直線位移。所以，位置控制必然是一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，組成位置控制回路，即位置環(huán)。它處于系統(tǒng)最外環(huán)，其組成各部分包括：位置檢測(cè)器、位置控制器、功率變換器、伺服電動(dòng)機(jī)以及速度和電流控制的2個(gè)內(nèi)環(huán)等。速度控制的給定量通常為恒值，不管外界擾動(dòng)的情況如何，希望輸出量能夠穩(wěn)定，因此系統(tǒng)的抗擾性能就顯得十分重要。而位置控制系統(tǒng)中的位置指令是經(jīng)常變化的，是一個(gè)隨機(jī)變量，要求輸出量準(zhǔn)確跟蹤給定量的變化。輸出響應(yīng)的快速性、靈活性、準(zhǔn)確性成了位置控制系統(tǒng)的主要特征，也就是說(shuō)，系統(tǒng)的跟隨性成為主要指標(biāo)。在位置控制系統(tǒng)中的輸入端加入位置給定信號(hào)，而位置控制器的輸出端即速度指令信號(hào)，伺服電動(dòng)機(jī)即按速度指令運(yùn)轉(zhuǎn)。所以，只要在速度控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再加上一個(gè)位置外環(huán)就構(gòu)成了位置控制系統(tǒng)了。位置控制大體有二類：一類是模擬位置控制，如圖4所示。它的位置控制精度不是很高；另一類是數(shù)字式位置控制，如圖5所示。圖4模擬式位置控制系統(tǒng)原理圖圖5數(shù)字式位置控制系統(tǒng)原理圖在這類位置控制系統(tǒng)中，檢測(cè)元件一般為光電編碼器或其它數(shù)字反饋發(fā)生器，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路得到二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，與給定的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)同時(shí)送入計(jì)算機(jī)或可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行比較并確定出誤差，按一定控制規(guī)律運(yùn)算后（通常為比例放大），構(gòu)成數(shù)字形式的校正信號(hào)，在經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換變成電壓信號(hào)，作為速度控制器的給定。采用微機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，系統(tǒng)的控制規(guī)律可以很方便地通過(guò)軟件來(lái)改變，這大大增加了控制的靈活性。

3.2位置控制系統(tǒng)方框圖圖6表示為以轉(zhuǎn)角為輸入量的位置控制系統(tǒng)方框圖。圖中的位置控制器主要為比例(P)控制，而把系統(tǒng)中擾動(dòng)的影響都用速度內(nèi)環(huán)的速度控制器來(lái)補(bǔ)償，在位置環(huán)中可暫不考慮對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償。位置指令 速度指令 速度0pd冬 3.2位置控制系統(tǒng)方框圖圖6表示為以轉(zhuǎn)角為輸入量的位置控制系統(tǒng)方框圖。圖中的位置控制器主要為比例(P)控制，而把系統(tǒng)中擾動(dòng)的影響都用速度內(nèi)環(huán)的速度控制器來(lái)補(bǔ)償，在位置環(huán)中可暫不考慮對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償。位置指令 速度指令 速度0pd冬 vrefrad/s] v[rad/s]f得心戶一?速度控制系統(tǒng) 1-位置環(huán)增益位置0[rad]圖6位置控制系統(tǒng)方框圖在圖6所示的位置控制系統(tǒng)方框圖中，速度控制系統(tǒng)PI控制。該位置控制系統(tǒng)的

輸入與輸出信號(hào)皆為轉(zhuǎn)角，以[rad]為單位，K為位置控制器的增益。由于多用光電編

0

碼器檢測(cè)位置，所以常用脈沖數(shù)作為位置控制系統(tǒng)的輸入與輸出量，如圖7所示。位置指令速度指令Vrefpulse/s]速度V[pulse/s「*|速度控制系統(tǒng) u-位置環(huán)增益位置

X[pulse]圖7用輸入與輸出的脈沖數(shù)表示的位置控制系統(tǒng)框圖根據(jù)光電碼盤(pán)上一周內(nèi)的刻度數(shù)，可以折算轉(zhuǎn)角與脈沖數(shù)之間的關(guān)系0refNref其中，0 ，X,0,X分別為以脈沖數(shù)表示的角度和位移的位置給定值和實(shí)際值，N為refref一周2兀[rad]內(nèi)的脈沖數(shù)。((以下為第四講,第一講為滿3p))

交流永磁伺服系統(tǒng)技術(shù)講座TechnologyCathedraforACPermenant-MagnetServoSystem第四講：伺服系統(tǒng)的組成第四講：伺服系統(tǒng)的組成（三）—5.8.以后用（已0k）沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院郭慶鼎趙希梅四.伺服系統(tǒng)組成3.3位置控制特性對(duì)于不同的輸入信號(hào)，位置控制系統(tǒng)所表現(xiàn)出的特性是不同的。典型的輸入信號(hào)有三種形式：位置輸入（位置階躍輸入）、速度輸入（又稱斜坡輸入），以及加速度輸入（拋物線輸入）?，F(xiàn)以斜坡輸入為例加以說(shuō)明。這時(shí)，位置指令Xf的波形如圖8（a）所示，它是一條斜率恒定的直線，把這個(gè)波形微分,則產(chǎn)生出階躍速度指令信號(hào)，如圖8（b）所示。也就是說(shuō)，當(dāng)位置輸入為斜坡信號(hào)時(shí)，就相當(dāng)于把階躍速度指令信號(hào)加在速度控制系統(tǒng)上，系統(tǒng)的輸出