伺服系统电力拖动自动控制系统第版阮毅陈伯时.ppt
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1、电力拖动自动控制系统 运动控制系统,*第9章,伺服系统,第3篇,伺服系统,伺服(Servo)意味着“伺候”和“服从”。 广义的伺服系统是精确地跟踪或复现某个给定过程的控制系统,也可称作随动系统。,伺服系统,狹义伺服系统又称位置随动系统,其被控制量(输出量)是负载机械空间位置的线位移或角位移,当位置给定量(输入量)作任意变化时,系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化。,内 容 提 要,伺服系统的特征及组成 伺服系统控制对象的数学模型 伺服系统的设计,9.1伺服系统的特征及组成,伺服系统的功能是使输出快速而准确地复现给定,对伺服系统具有如下的基本要求: (1) 稳定性好 伺服系统在给
2、定输入和外界干扰下,能在短暂的过渡过程后,达到新的平衡状态,或者恢复到原先的平衡状态。,9.1.1伺服系统的基本要求及特征,(2) 精度高 伺服系统的精度是指输出量跟随给定值的精确程度,如精密加工的数控机床,要求很高的定位精度。 (3) 动态响应快 动态响应是伺服系统重要的动态性能指标,要求系统对给定的跟随速度足够快、超调小,甚至要求无超调。,9.1.1伺服系统的基本要求及特征,(4) 抗扰动能力强 在各种扰动作用时,系统输出动态变化小,恢复时间快,振荡次数少,甚至要求无振荡。,伺服系统的特征,必须具备高精度的传感器,能准确地给出输出量的电信号。 功率放大器以及控制系统都必须是可逆的。 足够大
3、的调速范围及足够强的低速带载性能。 快速的响应能力和较强的抗干扰能力。,9.1.2伺服系统的组成,伺服系统由伺服电动机、功率驱动器、控制器和传感器四大部分组成。 除了位置传感器外,可能还需要电压、电流和速度传感器。,9.1.2伺服系统的组成,图9-1 位置伺服系统结构示意图 A)开环系统 b)半闭环系统 c)全闭环系统,9.1.2伺服系统的组成,伺服系统由伺服电动机、功率驱动器、控制器和传感器四大部分组成。,图9-2 绝对值式编码器的码盘 a) 二进制码盘 b)循环码码盘,9.1.3 伺服系统的性能指标,图9-3 线性位置伺服系统一般动态结构图,9.1.3 伺服系统的性能指标,伺服系统实际位置
4、与目标值之间的误差,称作系统的稳态跟踪误差。 由系统结构和参数决定的稳态跟踪误差可分为三类:位置误差、速度误差和加速度误差。 伺服系统在动态调节过程中性能指标称为动态性能指标,如超调量、跟随速度及时间、调节时间、振荡次数、抗扰动能力等。,9.1.3 伺服系统的性能指标,图9-4 位置伺服系统的典型输入信号 a)位置阶跃输入 b)速度输入 c)加速度输入,9.1.3 伺服系统的性能指标,伺服系统在三种单位输入信号的作用下给定稳态误差,9.2 伺服系统控制对象的数学模型,根据伺服电动机的种类,伺服系统可分为直流和交流两大类。 伺服系统控制对象包括伺服电动机、驱动装置和机械传动机构。,9.2.1 直
5、流伺服系统控制对象的数学模型,直流伺服系统的执行元件为直流伺服电动机,中、小功率的伺服系统采用直流永磁伺服电动机,当功率较大时,也可采用电励磁的直流伺服电动机。 直流无刷电动机与直流电动机有相同的控制特性,也可归入直流伺服系统。,9.2.1 直流伺服系统控制对象的数学模型,直流伺服电动机的状态方程 机械传动机构的状态方程,9.2.1 直流伺服系统控制对象的数学模型,驱动装置的近似等效传递函数 状态方程,9.2.1 直流伺服系统控制对象的数学模型,控制对象的数学模型,9.2.1 直流伺服系统控制对象的数学模型,图9-5直流伺服系统控制对象结构图,9.2.1 直流伺服系统控制对象的数学模型,采用电
6、流闭环后,电流环的等效传递函数为惯性环节,故带有电流闭环控制的对象数学模型为,9.2.1 直流伺服系统控制对象的数学模型,图9-6 带有电流闭环控制的对象结构图,9.2.2交流伺服系统控制对象的数学模型,用交流伺服电动机作为伺服系统的执行电动机,称作交流伺服系统。 常用的交流伺服电动机有三相异步电动机、永磁式同步电动机和磁阻式步进电动机等,也可用电励磁的同步伺服电动机。 无论是异步电动机,还是同步电动机,经过矢量变换、磁链定向和电流闭环控制均可等效为电流控制的直流电动机。,9.2.2交流伺服系统控制对象的数学模型,异步电动机按转子磁链定向的数学模型为,9.2.2交流伺服系统控制对象的数学模型,
7、采用电流闭环控制后,对象的数学模型为,9.2.2交流伺服系统控制对象的数学模型,CT为包含磁链作用在内的转矩系数,电流转矩分量相当于直流电动机的电枢电流,电流闭环控制的交流伺服电动机结构图与直流电动机相仿。 对于同步伺服电动机也可得到相同结论,不重复论述。,9.2.2交流伺服系统控制对象的数学模型,采用电流闭环控制后,交流伺服系统与直流伺服系统具有相同的控制对象数学模型。 称作在电流闭环控制下交、直流伺服系统控制对象的统一模型。 用相同的方法设计交流或直流伺服系统。,9.3伺服系统的设计,伺服系统的结构因系统的具体要求而异,对于闭环伺服控制系统,常用串联校正或并联校正方式进行动态性能的调整。,
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