第 5章 机电传动伺服系统
5.1 伺服系统中主要元器件
5.2 伺服控制系统设计方法
5.3 伺服系统应用举例
5.1 伺服系统中主要元器件
? 5.1.1直流伺服电动机
影响伺服系统控制因素很多，其中最重要的是位
置、速度、加速度以及振动等伺服
1．角速度的检测
(1)测速发电机
直流测速发电机
直流测速发电机有他励式和永磁式两种，其主要
性能均一致。它的电枢提供直流电压。输出，极
性由输入转向决定，大小与输入角速度成正比。
(2)测速电桥
(3)光电测速盘
(4)速率陀螺
当运动物体不是做连续旋转时，例如船在水中受风浪作
用而摇摆，飞行器在空中飞行时受气流作用而摇摆，车
辆在地上行驶时因路面不平而引起车身左右颠簸等，都
是做小角度的摆动。要测量它们摆动的角速度用以上介
绍的测速装置难以奏效，则可采用速率陀螺来检测。
2,常用典型测角 (位移 )元件
在伺服系统中测角 (位移 )的方法很多，这里介绍一些已
系列化生产的测角 (位移 )元件，常用的有电位计、差动变
压器、自整角机、旋转变压器、感应同步器、陀螺等。
3,双通道测角线路
用自整角机或旋转变压器测角, 转角不受限制是它们的
优点之一, 因而在随动系统中用得很广泛 。 可是自整角机和
旋转变压器的制造误差, 常超过了系统的误差要求 。 采用精
,粗双通道测角线路, 在多数情况能解决此矛盾 。
4,扫描测量
以上介绍的测角 (位移 )方法, 要求系统的输入是机械转角 (
或位移 ),并能通过传感器直接检测 。 还有一些场合无法直
接测量输入, 就不能采用上述方法, 例如跟踪飞行器的雷达
天线伺服系统, 是利用发射电磁波并通过目标反射的回波,
来鉴别天线轴线与目标视线的误差角 。 又如利用飞行器自身
发出的红外线, 由红外探测器来检测探测器轴线与目标视线
之间的误差角 。 又如声纳利用声波或超声波来探测水面下的
物体等 。 利用电磁波, 光波, 声波作扫描运动, 可以精确地
测得误差角 (位移 )。 扫描形式有圆锥形, 扇形, 玫瑰瓣形等
多种 。
5．脉冲比较测角 (位移 )
在进行大型建筑施工时，需要光电准直测量，以保证施
工的质量。常用的方法如图 5.31所示。一端安置激光发射
装置，向另一端发射很细的激光束；另一端用光电准直仪
校准，准直仪的光学系统将激光束投射到光敏元件表面，
成一圆形光斑。光敏元件可用四象限光电池或四象限光电
二极管。图 5.31采用的是四象限光电二极管，它们是在同
一基片上制成的四个二极管，具有相同的光电特性。当光
斑中心正对 A,B,C,D四管中间十字线的交点时，四管所
受光照面积相同、光强一致，表示两端已对准成一直线。
5.2 伺服控制系统设计方法
? 5.2.1伺服系统的组成
伺服系统的种类很多, 组成方式和工作状况也是多种多
样, 可简单的用图 5.32所示方块图来表示它的组成 。 它有
检测装置, 用来检测输入信号和系统的输出, 有 放大装置
和 执行部件, 为使各部件之间有效的组配和使系统具有良
好的工作品质, 一般还有 信号转换线路 和 补偿装置 。 这仅
指信息在系统中传递所必经的各个部分 。 此外, 以上各部
分都离不开相应的能源设备, 相应的保护装置, 控制设备
和其它辅助设备 。
伺服系统的输出可以是各种不同的物理量, 本书将结
合机械运动控制中的问题进行讨论, 如速度 (包括角速度 )
控制, 位置 (包括转角 )控制和运动轨迹控制, 讨论各种速
度伺服系统和位置伺服系统 (亦称随动系统 )的原理与设计
问题 。
5.2.2系统品质与系统特性
为保证伺服系统的精确和稳定, 提高系统的品质, 就需要对
伺服系统进行补偿 。 对系统进行补偿的方法很多, 常用的有串
联补偿, 反馈补偿, 顺馈补偿, 前馈补偿 (即复合控制 ),选择
性反馈与顺馈等, 除线性补偿外, 还有非线性补偿 。 伺服系统
的类型很多, 被控对象多种多样, 因此它们的工作状况千差万
别 。 衡量一个系统品质的优, 劣, 应该从它完成工作的质量来
检验 。 当进行系统设计时, 就应当把它应该完成的工作状况和
质量要求, 变成可以计量的品质指标 。 这些指标大体上可分为
两类：一类是稳态品质指标；另一类为动态品质指标 。 我们将
分别结合系统稳态设计和动态设计来讨论 。
系统的特性通常用它的数学模型来描述，也是进行系统设计
计算的基础。这里主要讨论系统的线性数学模型，用它的传
递函数和频率特性来表示。在介绍各种补偿方法之前，先抓
住伺服系统的稳态精度与过渡过程品质，简单地讨论它们与
系统特性的关系，以利于对各种补偿方法和补偿装置的功效
的理解。
1．系统特性与稳态精度的关系
系统的稳态精度是用稳态误差的数值来衡量的 。 伺服系统的
稳态误差, 不仅与系统的特性有关, 而且与输入信号的类型
有关 。 常用来分析伺服系统稳态误差的典型输入信号有四种,
即阶跃信号, 斜坡信号 (或称等速信号 ),抛物线信号 (或称
等加速信号 )和正弦信号 (或称谐波信号 )。
以上讨论说明：系统稳态误差不仅与输入信号的形式及大
小有关, 而且与系统开环增益 K的大小和包含的积分环节数
有关 。
2．系统特性与其过渡过程品质的关系
以上简单的分析表明：影响系统稳态精度的主要是系统的低
频段特性, 具体讲, 就看系统的开环增益的大小和串联积分
环节的多少 。 系统开环幅频特性中频段的位置与形状, 直接
关系到系统的过渡过程品质, 它们都与系统的开环增益和开
环零, 极点分布的状况有关 。 这也是我们讨论以下各种补偿
作用的主要依据 。
5.2.3常用的线性补偿
在伺服系统中常用具有线性特性的补偿装置 (通常是补偿电
路 ),采取 串联, 顺馈 (或称并联 ),负反馈, 正反馈, 以及它
们的组合形式, 来改善系统的特性, 提高系统的工作品质 。
下面分别介绍各种补偿联接形式的特点及有关注意事项 。
1,串联补偿
串联补偿是指在系统主通道 (即前向通道 )中串接人适当
的补偿装置 (电路 )。 如图 5.38所示 。
2,顺馈补偿
顺馈补偿是在系统主通道的某个局部, 顺向并联一个补
偿通道, 故亦称为 并联补偿 。 如图 5.42中既是补偿电路的传
递函数, 与其并联的是主通道的一部分 。
3,负反馈补偿
伺服系统都用负反馈构成闭环系统, 该反馈通称为系统
的主反馈 。 这里要讨论的是为改善系统品质而采用的负反
馈补偿, 通常在系统中形成局部的闭环 。 由于负反馈有许
多优点, 因而在伺服系统中应用得十分广泛 。
5.2.4 复合控制技术
1,扰动补偿的不变性原理
控制系统工作时, 除有控制输人外, 常有扰动作用于系
统, 为使系统输出精确地复现输人, 必须对扰动进行补偿,
为此有人曾提出了扰动补偿的, 不变性原理, 。
2,复合控制伺服系统
在按误差控制的基础上, 再引入前馈补偿通道 (亦称扰动控
制 ),即构成复合控制系统, 亦称开环一闭环控制系统 。
3,模型跟踪控制系统
模型跟踪控制系统看作是复合控制的一种形式
5.2.5 非线性补偿技术
仅依赖线性补偿技术，有时难以达到用户对伺服系统品
质的要求，因而在伺服系统中采用非戋性补偿技术、多模控
制技术日益增多。
5.3 伺服系统应用举例
5.3.1运动控制专用微处理器
运动控制器通常是以微处理器为核心，由计算机编程、运动
轨迹设计，向伺服电动机或步进电动机发出运动指令，实现
被控制对象的位置、速度、加速度控制。运动控制器可分为
,箱式,,, 卡式, 和, 单片, 三个层次。
5.3.2火炮方位伺服系统
在防空武器系统中, 由炮瞄雷达自动跟踪空中飞行目标, 同
时将目标的距离, 方位角, 高低角等数据不断地传递给火控计
算机, 后者算出目标飞行的速度, 航向, 并算出火炮瞄准目标
进行射击必须的提前量, 控制火炮方位伺服系统和高低伺服系
统, 带动炮身指向预定的方向对空射击, 因此火炮伺服系统是
防空武器系统中不可缺少的一环 。
火炮方位伺服系统控制炮身绕垂直地面轴沿水平方向转动，
高低伺服系统控制炮身绕耳轴作俯仰运行。前者沿水平方向转
动可以不受限制，后者转角有限制，以炮管轴线与地平面夹角
表示，一般在范围之内，两套伺服系统的线路基本一致，现以
一种火炮方位伺服系统为例加以介绍。
5.1 伺服系统中主要元器件
5.2 伺服控制系统设计方法
5.3 伺服系统应用举例
5.1 伺服系统中主要元器件
? 5.1.1直流伺服电动机
影响伺服系统控制因素很多，其中最重要的是位
置、速度、加速度以及振动等伺服
1．角速度的检测
(1)测速发电机
直流测速发电机
直流测速发电机有他励式和永磁式两种，其主要
性能均一致。它的电枢提供直流电压。输出，极
性由输入转向决定，大小与输入角速度成正比。
(2)测速电桥
(3)光电测速盘
(4)速率陀螺
当运动物体不是做连续旋转时，例如船在水中受风浪作
用而摇摆，飞行器在空中飞行时受气流作用而摇摆，车
辆在地上行驶时因路面不平而引起车身左右颠簸等，都
是做小角度的摆动。要测量它们摆动的角速度用以上介
绍的测速装置难以奏效，则可采用速率陀螺来检测。
2,常用典型测角 (位移 )元件
在伺服系统中测角 (位移 )的方法很多，这里介绍一些已
系列化生产的测角 (位移 )元件，常用的有电位计、差动变
压器、自整角机、旋转变压器、感应同步器、陀螺等。
3,双通道测角线路
用自整角机或旋转变压器测角, 转角不受限制是它们的
优点之一, 因而在随动系统中用得很广泛 。 可是自整角机和
旋转变压器的制造误差, 常超过了系统的误差要求 。 采用精
,粗双通道测角线路, 在多数情况能解决此矛盾 。
4,扫描测量
以上介绍的测角 (位移 )方法, 要求系统的输入是机械转角 (
或位移 ),并能通过传感器直接检测 。 还有一些场合无法直
接测量输入, 就不能采用上述方法, 例如跟踪飞行器的雷达
天线伺服系统, 是利用发射电磁波并通过目标反射的回波,
来鉴别天线轴线与目标视线的误差角 。 又如利用飞行器自身
发出的红外线, 由红外探测器来检测探测器轴线与目标视线
之间的误差角 。 又如声纳利用声波或超声波来探测水面下的
物体等 。 利用电磁波, 光波, 声波作扫描运动, 可以精确地
测得误差角 (位移 )。 扫描形式有圆锥形, 扇形, 玫瑰瓣形等
多种 。
5．脉冲比较测角 (位移 )
在进行大型建筑施工时，需要光电准直测量，以保证施
工的质量。常用的方法如图 5.31所示。一端安置激光发射
装置，向另一端发射很细的激光束；另一端用光电准直仪
校准，准直仪的光学系统将激光束投射到光敏元件表面，
成一圆形光斑。光敏元件可用四象限光电池或四象限光电
二极管。图 5.31采用的是四象限光电二极管，它们是在同
一基片上制成的四个二极管，具有相同的光电特性。当光
斑中心正对 A,B,C,D四管中间十字线的交点时，四管所
受光照面积相同、光强一致，表示两端已对准成一直线。
5.2 伺服控制系统设计方法
? 5.2.1伺服系统的组成
伺服系统的种类很多, 组成方式和工作状况也是多种多
样, 可简单的用图 5.32所示方块图来表示它的组成 。 它有
检测装置, 用来检测输入信号和系统的输出, 有 放大装置
和 执行部件, 为使各部件之间有效的组配和使系统具有良
好的工作品质, 一般还有 信号转换线路 和 补偿装置 。 这仅
指信息在系统中传递所必经的各个部分 。 此外, 以上各部
分都离不开相应的能源设备, 相应的保护装置, 控制设备
和其它辅助设备 。
伺服系统的输出可以是各种不同的物理量, 本书将结
合机械运动控制中的问题进行讨论, 如速度 (包括角速度 )
控制, 位置 (包括转角 )控制和运动轨迹控制, 讨论各种速
度伺服系统和位置伺服系统 (亦称随动系统 )的原理与设计
问题 。
5.2.2系统品质与系统特性
为保证伺服系统的精确和稳定, 提高系统的品质, 就需要对
伺服系统进行补偿 。 对系统进行补偿的方法很多, 常用的有串
联补偿, 反馈补偿, 顺馈补偿, 前馈补偿 (即复合控制 ),选择
性反馈与顺馈等, 除线性补偿外, 还有非线性补偿 。 伺服系统
的类型很多, 被控对象多种多样, 因此它们的工作状况千差万
别 。 衡量一个系统品质的优, 劣, 应该从它完成工作的质量来
检验 。 当进行系统设计时, 就应当把它应该完成的工作状况和
质量要求, 变成可以计量的品质指标 。 这些指标大体上可分为
两类：一类是稳态品质指标；另一类为动态品质指标 。 我们将
分别结合系统稳态设计和动态设计来讨论 。
系统的特性通常用它的数学模型来描述，也是进行系统设计
计算的基础。这里主要讨论系统的线性数学模型，用它的传
递函数和频率特性来表示。在介绍各种补偿方法之前，先抓
住伺服系统的稳态精度与过渡过程品质，简单地讨论它们与
系统特性的关系，以利于对各种补偿方法和补偿装置的功效
的理解。
1．系统特性与稳态精度的关系
系统的稳态精度是用稳态误差的数值来衡量的 。 伺服系统的
稳态误差, 不仅与系统的特性有关, 而且与输入信号的类型
有关 。 常用来分析伺服系统稳态误差的典型输入信号有四种,
即阶跃信号, 斜坡信号 (或称等速信号 ),抛物线信号 (或称
等加速信号 )和正弦信号 (或称谐波信号 )。
以上讨论说明：系统稳态误差不仅与输入信号的形式及大
小有关, 而且与系统开环增益 K的大小和包含的积分环节数
有关 。
2．系统特性与其过渡过程品质的关系
以上简单的分析表明：影响系统稳态精度的主要是系统的低
频段特性, 具体讲, 就看系统的开环增益的大小和串联积分
环节的多少 。 系统开环幅频特性中频段的位置与形状, 直接
关系到系统的过渡过程品质, 它们都与系统的开环增益和开
环零, 极点分布的状况有关 。 这也是我们讨论以下各种补偿
作用的主要依据 。
5.2.3常用的线性补偿
在伺服系统中常用具有线性特性的补偿装置 (通常是补偿电
路 ),采取 串联, 顺馈 (或称并联 ),负反馈, 正反馈, 以及它
们的组合形式, 来改善系统的特性, 提高系统的工作品质 。
下面分别介绍各种补偿联接形式的特点及有关注意事项 。
1,串联补偿
串联补偿是指在系统主通道 (即前向通道 )中串接人适当
的补偿装置 (电路 )。 如图 5.38所示 。
2,顺馈补偿
顺馈补偿是在系统主通道的某个局部, 顺向并联一个补
偿通道, 故亦称为 并联补偿 。 如图 5.42中既是补偿电路的传
递函数, 与其并联的是主通道的一部分 。
3,负反馈补偿
伺服系统都用负反馈构成闭环系统, 该反馈通称为系统
的主反馈 。 这里要讨论的是为改善系统品质而采用的负反
馈补偿, 通常在系统中形成局部的闭环 。 由于负反馈有许
多优点, 因而在伺服系统中应用得十分广泛 。
5.2.4 复合控制技术
1,扰动补偿的不变性原理
控制系统工作时, 除有控制输人外, 常有扰动作用于系
统, 为使系统输出精确地复现输人, 必须对扰动进行补偿,
为此有人曾提出了扰动补偿的, 不变性原理, 。
2,复合控制伺服系统
在按误差控制的基础上, 再引入前馈补偿通道 (亦称扰动控
制 ),即构成复合控制系统, 亦称开环一闭环控制系统 。
3,模型跟踪控制系统
模型跟踪控制系统看作是复合控制的一种形式
5.2.5 非线性补偿技术
仅依赖线性补偿技术，有时难以达到用户对伺服系统品
质的要求，因而在伺服系统中采用非戋性补偿技术、多模控
制技术日益增多。
5.3 伺服系统应用举例
5.3.1运动控制专用微处理器
运动控制器通常是以微处理器为核心，由计算机编程、运动
轨迹设计，向伺服电动机或步进电动机发出运动指令，实现
被控制对象的位置、速度、加速度控制。运动控制器可分为
,箱式,,, 卡式, 和, 单片, 三个层次。
5.3.2火炮方位伺服系统
在防空武器系统中, 由炮瞄雷达自动跟踪空中飞行目标, 同
时将目标的距离, 方位角, 高低角等数据不断地传递给火控计
算机, 后者算出目标飞行的速度, 航向, 并算出火炮瞄准目标
进行射击必须的提前量, 控制火炮方位伺服系统和高低伺服系
统, 带动炮身指向预定的方向对空射击, 因此火炮伺服系统是
防空武器系统中不可缺少的一环 。
火炮方位伺服系统控制炮身绕垂直地面轴沿水平方向转动，
高低伺服系统控制炮身绕耳轴作俯仰运行。前者沿水平方向转
动可以不受限制，后者转角有限制，以炮管轴线与地平面夹角
表示，一般在范围之内，两套伺服系统的线路基本一致，现以
一种火炮方位伺服系统为例加以介绍。
