伺服考试点南阳理工学院

1、第一章、伺服系统概述：1.1伺服系统主要研究内容是机械运动过程中涉及的力学、机械学、动力驱动、伺服参数检测和控制等方面的理论和技术问题。 它是运动控制系统及现代电力电子技术相结合的交叉学科，是力学、机械、电工、电子、计算机、信息和自动化等科学和技术领域的综合。1.2本课程主要以数控机床为研究对象（应用领域）展开对伺服系统的学习。 1、数控机床中：伺服系统接受来自CNC( Computerized Numerical Control) 装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴，使其按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有的带动刀架， 2、主轴驱动伺服系统（主要用于带动刀架）;进给驱动伺服

2、系统（主要用于控制工作台）1.3在自动控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统。数控机床的伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。伺服系统的作用：接受来自控制装置的指令信号，驱动移动部件跟随指令运动，并保证动作的快速和准确。1.4对伺服系统的基本要求：(1)稳定性好： (2)快速相应并无超调： (3)准度高： (4)低速时大转矩，调速范围宽。因此,伺服系统常常有反馈回路（步进系统除外），伺服系统的运动来源于偏差信号，伺服系统的运动始终处于过渡过程，它还具有力的放大作用。1.5伺服系统的主要特点：（1）精确的检测装置（2）

3、有多种反馈比较原理与方法：脉冲比较、相位比较、幅值比较 （3）高性能伺服电动机：可以频繁启动、制动，要求输出力矩与转动惯量比值大，以产生足够大的加速和制动力矩；低速时要求有足够大的输出力矩，且运行平稳，以便在与机械运动部分连接中尽量减少中间环节。（4）宽调速范围的速度调节系统：源于系统对速度要求较高。1.6伺服系统分类：按调节理论分类：开环伺服系统 闭环伺服系统 半闭环伺服系统。按反馈比较控制方式分类：脉冲、数字比较伺服系统 相位比较伺服系统 幅值比较伺服系统 全数字伺服系统 1.7按进给驱动和主轴驱动分类 ：进给伺服系统：完成各坐标轴的进给运动，具有定位和轮廓跟踪功能，是数控机床中要求最高的

4、伺服控制系统。主轴伺服系统：实现主轴的旋转运动，提供切削过程中的转矩和功率。主要是一个速度控制系统。 第二章、2.1检测元件：速度检测 角度（角位移）检测 位置检测 2.2数控机床对位置检测元件的要求：（1）具有高可靠性和高抗干扰能力；（2）可满足数控机床精度和速度的要求；（3）能适应生产现场的工作环境，使用、维护方便；（4）价格低，寿命长；（5）便于与数控机床安装、连接。2.3速度检测：在伺服系统中，机械的运动速度控制是最基本的控制内容.常用的速度检测元件一般分为二类，即：模拟速度检测元件（测速发电机）和数字速度检测元件（数字编码器）。2.4测速发电机：UoK*nKK(d/dt)测速发电机用

5、途1. 其输出电压与转速成正比，故可用于测速度；2. 如果以转子旋转角度为参数变量，则可作为机电微分、积分器。测速发电机广泛用于速度和位置控制系统中。测速发电机分为直流测速发电机、交流测速发电机。交流测速发电机分交流同步测速发电机和交流异步测速发电机。交流同步测速发电机：输出电压与转速呈非线性关系。交流异步测速发电机：输出电压与转速有严格的线性关系。2.5直流测速发电机与异步测速发电机的性能比较：异步测速发电机的优点是：不需要电刷和换向器，因而结构简单，维护容易，惯量小，无滑动接触，输出特性稳定，精度高，摩擦转矩小，不产生无线电干扰（无摩擦火花），工作可靠，正、反向旋转时输出特性对称。缺点是：

6、存在剩余电压和相位误差，且负载的大小和性质会影响输出电压的幅值和相位，了解模拟测量方式（异步(交流)测速发电机、直流测速发电机）。直流测速发电机的优点是：没有相位波动，没有剩余电压，输出特性的斜率比异步测速发电机的大（即测量值变化明显）。缺点是：由于有电刷和换向器，因而结构复杂，维护不便，摩擦转矩大，有换向火花，产生无线电干扰信号，输出特性不稳定，且正、反向旋转时，输出特性不对称。2.6重点理解:1、光电测速盘（光电编码器）-数字测量方式.2、增量式光电测速原理: 这种测量精度比测速机的精度高出几个数量级。3、绝对式脉冲编码器：绝对式脉冲编码器不需要基数，它在任意位置都给出与其对应的一个固定数

7、字码输出。常用的绝对式脉冲编码器有接触式码盘、光学码盘和磁性码盘。 4、对旋转编码器 400线（400脉冲/周）：型号：增量型旋转编码器，A、B两相。通过旋转的光栅盘和光耦产生可识别方向的计数脉冲信号。性能：400P/R-400脉冲每转。DC12-24V供电，最小5V供电。最大机械转速10000转/分，响应频率：0-20KHz；用途：用于测量物体的旋转速度、角度、加速度及长度测量。使用范围：适用于各种位移变化智能控制、钢筋定长裁剪控制器、民用的测身高人体秤、大学生比赛用机器人等。特点：具有体积小、重量轻，安装方便，性价比极高的显著优点。接线输出：A相，B相，Vcc正电源，V0地，屏蔽线。接线颜

8、色产品铭牌上有明确标注。5、电动机旋转方向辨别; 设置一对光电传感器，并使彼此测得信号相差90相位角，根据测得脉冲的超前、滞后情况加以判断。6、数字测速方法 ：在闭环伺服控制系统中，根据脉冲计数来测量转速的方法有M法测速T法测速和M/T法测速三种：M法测速是指：在规定时间间隔Tg内，测量所产生的脉冲数来获得被测速度值；T法测速是指：测量相邻两个脉冲的时间间隔Ttach来确定被测速度值；M/T法测速是指：同时测量检测时间和在此检测时间内脉冲发生器发送的脉冲数来确定被测速度值。 2.7角度测量：旋转变压器简称旋变，是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕

9、组（转子绕组）的电压幅值（或相位）与转子转角成正余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内成线性关系。常见的旋转变压器一般有两极绕组和四级绕组两种结构形式。可采用测量旋转变压器转子绕组感应电动势的相位的方法，来测量转子转角的变化。2.8旋转变压器的信号处理有鉴相型和鉴幅型两种方式：1）鉴相型工作方式：旋转变压器的两相正交定子绕组分别加上幅值相等、频率相同而相位相差90度的正弦励磁电压。2）鉴幅型工作方式：旋转变压器的两相正交定子绕组分别加上相位相等、频率相同而幅值不同的励磁电压这两相励磁电压在转子绕组中产生的感应电动势为：2.9在伺服系统中运动部件的位置检测分角位移和直线位移检测。大

10、角位移检测或直线位移检测，常用感应同步器、光栅、磁尺等。2.10感应同步器是一种检测机械角位移或直线位移的精密传感器。分旋转式（圆盘式）和直线式（较多使用）两种，在伺服系统中，分别用于测量角度和长度。直线式由定尺和滑尺组成；圆盘式由转子和定子组成。前者用于直线位移的测量，后者用于角位移的测量。感应同步器的信号处理有鉴相型和鉴幅型两种工作方式： 1）a、鉴相型工作方式：“根据定尺绕组感应电动势的相位变化来鉴别滑尺相对于定尺的位移量。当滑尺上两个互相错开1/4节距的绕组分别加上幅值、频率相同，而相位相差90的励磁电压。 b、定尺绕组总的感应电动势为： c、定尺绕组感应电动势的相位(t+)反映了感应

11、同步器定滑两尺的相对位移x 线性位移,可通过测量定尺绕组感应电动势的相位变化来测量感应同步器两尺的相对位移量2）鉴幅型工作方式：鉴幅型工作方式是根据定尺绕组感应电动势的幅值变化来鉴别滑尺相对于定尺的位移量。当滑尺上两个互相错开1/4节距的绕组分别加上相位、频率相同，而幅值不同的励磁电。定尺绕组感应电动势的幅值nUmsin( -)反映了感应同步器两尺的相对位移x。因此，可通过测量定尺绕组感应电动势的幅值变化来测量感应同步器两尺的相对位移量2.11光栅是一种运用光的透射和衍射来测量直线位移或角位移的光学传感器。它具有检测范围大、测量精度高、响应速度快等优点。 光栅由光源、透镜、光栅（标尺光栅（长光

12、栅、移动光栅）、指示光栅（短光栅、固定光栅）和光敏元件构成。光栅按其功能可分为长光栅和圆光栅：长光栅：呈尺状，用于测量直线位移；圆光栅：呈盘状，用于测量角位移。 光栅按对入射光波的调制方式又可分为振幅光栅和相位光栅 2.12莫尔条纹的特点 ：（1）移动规律：莫尔条纹的移动量、移动方向与光栅尺的位移量、位移方向具有对应关系。（2）放大作用：莫尔条纹的间距W对光栅的栅距有放大作用。（3）光栅尺移动一个栅距，莫尔条纹的变化经历一个周期，即移动了一个节距W。光栅透光的强弱及光敏元件输出的电压按正弦规律变化。（4）平均效应：莫尔条纹对光栅栅距的局部误差具有误差平均作用。 光栅检测装置的辨向：根据两隙缝输

13、出信号的超前或滞后，就可以确定标尺光栅G2的移动方向。2.13提高光栅分辨精度的措施1：提高刻线精度；增加刻线密度（有局限性，刻线密度不能超过200条线/mm）；2：采用倍频的方法获得高的分辨精度。2.14怎样辨别正反运动方向：为了辨别正、反运动方向，可通过八个与门YlY8将方波A、B、C、D与尖脉冲A、B、C、D进行逻辑组合。使正向运动的尖脉冲从或门H1输出，负向运动的尖脉冲从或门H2输出，即： H1=AB十AD+CD+BC； H2=BC+AB+AD+CD。同时或门H1、H2输出尖脉冲的个数分别反映了正、负方向位移量的大小，如光栅栅距W=0.02mm，则一个尖脉冲表示的位移量为: 0.02m

14、m/4=5um。速度的测量：由A 、B 、C 、D的变化频率可以推断出两光栅尺的相对位移速度第三章、步进电动机的控制3.1步进电动机主要用于开环控制系统，也可以用于闭环控制系统。 由于它可以直接接收计算机输出的数字信号，而不需要进行数/模转换，所以广泛应用于数字控制系统。3.2步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。相当于一个数字/角度转换器。步进电机角位移与控制脉冲间精确同步，若将角位移的改变转变为线性位移、位置、体积、流量等物理量的变化，便可实现对它们的控制。3.3步进电动机有如下特点：1. 电机输出轴的角位移与输入脉冲数成正比；转速与脉冲频率成正比；转向与

15、通电相序有关。没有累积误差，具有良好的跟随性。2. 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既简单、廉价，又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。3. 步进电机的动态响应快，易于起停、正反转、变速。4. 步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。5. 步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。3.6什么是矩频特性？怎样提高矩频特性？答：步进电动机的最大动态转矩和脉冲频率的关系，即Tdm=F()，称为矩频特性。矩频特性的特点：步进电动机的动态转矩随着脉冲频率的升高而降低。（1）尽量减小它的电感，使控制绕组匝数减少，（2）有时也在控制绕

16、组回路中串接一个较大的附加电阻（3）也可以采用双电源供电， 3.5小步距角步进电动机的齿距、步距角 3.6启动频率和连续运行频率：步进电动机的工作频率一般包括启动频率、制动频率和连续运行频率。 步进电动机的启动频率st是指在一定负载转矩下能够不失步地启动的最高脉冲频率。st的大小与驱动电路和负载大小有关。步距角b越小，负载（包括负载转矩与转动惯量）越小，则启动频率越高。 步进电动机的连续运行频率c：是指步进电动机启动后，当控制脉冲频率连续上升时，能不失步运行的最高频率。 步进电动机的运行频率比启动频率高得多，3.7步进电动机的驱动方法：驱动电源按供电方式分类，有：单电压供电、双电压供电、调频调

17、压供电；按功率驱动部分所用元件分类，有大功率晶体管驱动、快速晶闸管驱动、可关断晶闸管驱动、混合驱动。信号接口：PULSE+ 电机输入控制脉冲信号； DIR+ 电机转动方向控制信号； RESET+ 复位信号，用于封锁输入信号； READY+ 报警信号； PULSE-、DIR-、RESET-和READY-短接公共地；状态指示：RDY 灯亮表示驱动器正常工作； TEMP 灯亮表示驱动器超温； FLT 灯亮表示驱动器故障；功能选择：MOT.CURR 设置电机相电流； STEP1、STEP2 设置电机每转的步数； CURR.RED 设定半流功能 PULSE.SYS 可设置成“脉冲和方向”控制方式； 也可

18、以设置成“正转和反转”控制方式；功率接口：DC+和DC-接制动电容； U、V、W 接电机动力线，PE是地； L、N、PE 接驱动器电源，电源电压是220VAC输入时，最大电流是3A。电源线横截面1.5平方毫米，尽量短。驱动器的L端和N端接供电电源，同时要串接一个6.3A保险丝；PE为接地。驱动电源主要包括：脉冲发生器（变频信号源）、环形分配器（脉冲分配器）、功率放大器。“PULSE.SYS”为控制方式选择开关：步进电机的控制方法可归纳为两点：第一、按预定的工作方式分配各个绕组的通电脉冲；第2、 控制步进电机的速度，使它始终遵循加速-匀速-减速的运动规律工作。3.8介绍8713集成电路芯片,87

19、13是属于单极性控制,用于控制三相和四相步进电机, 单时钟（单脉冲）输入方式：8713的3脚为步进脉冲输入端，4脚为转向控制端，这两个引脚的输入均由单片机提供和控制。选用对四相步进电动机进行八拍方式控制，所以5、6、7均接高电平。有两种脉冲输入方法,双脉冲输入法：、分别接控制步进电机正反转的输入脉冲；单脉冲输入法：为脉冲输入,步进电机的正反转方向由的电位高低决定;. 环形分配器有硬件环形分配器、软件环形分配器。软件环形分配器:在程序中，只要依次将这10个控制字送到P1口，每送一个控制字，就完成一拍，步进电动机转过一个步距角。程序就是根据这个原理设计的.下面以五相步进电动机工作在十拍方式为例，说

20、明如何设计软件。五相十拍工作方式的正序为：AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB，共有10个通电状态。如果P1口输出的控制信号中，0代表使绕组通电，1代表使绕组断电，则可用10个控制字来对应这10个通电状态。了解五相十拍工作方式的控制字表p57页，3.9 功率放大器：对驱动电路要求的核心问题是如何提高电动机的快速性和平稳性。步进电动机的驱动电路：1.单电压恒流功放电路：特点是电阻R上有功率损耗，线路简单常用于驱动电流较小的伺服步进电动机。2. 高低压（双电压）功率放大电路：高低压功放电路比单电压功放电路的波形好，有十分明显的高速率上升和下降沿，所以高频特性好，电源

21、效率也高。不足之处是：高压产生的电流上冲作用在低频时会使输入能量过大，引起电动机的低频振荡加重。常用于驱动中功率和大功率伺服步进电动机。3 调频调压功放电路:在低频时，则低频振荡较高。采用调频调压的控制方法，即： 低频时工作在低压状态，减少能量的流入，从而抑制了振荡；在高频时工作在高压状态，电动机将有足够的驱动能力。调频调压的控制方式很多，简单的方式是分频段调压。一般把步进电机的工作频率分成几段，每段的工作电压不同，即调频调压方法。在理想条件下，保持步进电动机力矩不变，则电源电压应随工作频率的升高而升高，随工作频率的下降而下降。3.10步进电动机的控制: 1.使用微型机对步进电机进行控制有串行

22、和并行两种方式，什么是步进电机的串行控制方式？什么是步进电机的并行控制方式？ 具有串行控制功能的单片机系统与步进电动机驱动电源之间，具有较少的连线，所以在这种系统中，驱动电源中必须含有环形分配器。（3分）用微型计算机系统的多个端口直接去控制步进电动机各相驱动电路的方法称为并行控制。（2分）减速（时间）t终点低速恒速升速起点2.步进电动机的最佳点-位控制,在此过程中主要强调的是速度， 对于点、位控制系统，从起点至终点的运行速度都有一定要求。因此在点-位控制过程中，运行速度都需要有一个加速-恒速-减速-（低恒速）-停止的过程，升速规律一般可有两种选择：一是按直线规律升速，二是按指数规律升速。第四章

23、、直流电动机的调速方法：一、调压调速（电枢的端电压）二、串电阻调速（电枢电阻串）三、弱磁调速，第五章、无刷直流电动机控制系统，一、三相永磁无刷直流电动机(即无刷直流电动机)的结构特点：1. 装有永磁体的转子（取代有刷直流电动机的定子磁极）；2. 具有三相绕组的定子（取代转子电枢）；3.用逆变器和转子位置检测器组成电子换向器，取代有刷直流电动机的机械换向器和电刷。二、无刷组成直流电动机(brushless DC motor)是由：电动机本体、转子位置传感器和电子开关线路三部分2、 位置传感器的种类有：电磁式、光电式、磁敏式等。1.位置传感器是作用是：检测主转子在运动过程中的位置，将转子磁极的位置

24、信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，以控制它们的导通与截止，使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换向，形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。2.以霍尔效应原理构成的霍尔元件、霍尔集成电路、霍尔组件统称为霍尔效应磁敏传感器，简称霍尔传感器，霍尔元件有线性型和开关型之分；通常将霍尔芯片（一矩形半导体薄片）、放大器、温度补偿电路、电源稳压电路、输出级等制作在同一块硅片上，俗称霍尔元件， 线性型：输入为为变化的磁感应强度，得到与磁感应强度成线性关系的输出电压。可用于磁场测量、电流测量、电压测量等。开关型：输入为磁感应强度，输出为开关信号（含施密特触发器：能

25、够把变化缓慢的输入信号整形成边沿陡峭的矩形脉冲）。霍尔效应用于位置识别就是将电流I恒定（由控制器控制），则UH唯一随B变化。开关型就是UH只有两个极限值，即高电平和低电平，无中间状态。易见，UH的有无，也就是B的有无，而B随位置而变，这就是霍尔效应应用于位置识别的基本原理霍尔位置传感器必须满足以下两个条件：1）位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态是不重复的，每一个开关状态所占的电角度应相等。2)位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态数应和电动机的工作状态数相对应。三、1.开环型无刷直流电动机驱动器：开环型三相无刷直流电动机驱动器内部包含有：电子换相器主电路（三相H形桥式逆变器）、换相控制

26、逻辑电路、PWM调速电路以及过流保护等保护电路。脉宽调制电路来实现电动机的调速：由换相控制逻辑电路输出的换相信号的频率与电动机的转速有关，还与电动机的磁极数有关，换相控制信号的频率都远远低于PWM信号的频率。因此，可以把PWM信号和换相控制信号，通过逻辑“与”的办法合成在一起，通过调节PWM信号的占空比，来调节电动机的定子电枢电压，从而实现调速。2.速度闭环的无刷直流电动机驱动器，一般将霍尔位置传感器的信号加以处理后，形成速度反馈信号。在开环型驱动器的基础上，加上速度闭环图如154页。脉冲的频率正比于电动机的转速，首先应当对Ha、Hb、Hc，其进行辨向和6倍频处理，正转时：CPZ输出脉冲信号，

27、CPF输出0；反转时：CPZ输出0，CPF输出脉冲信号；3.速度电流双闭环的无刷直流电动机驱动器：构成电流闭环的方式有两种，一个电流控制器；两个电流控制器。主要是与单电流的区别，(一) 采用单一电流控制器的方式 ，采用单一电流控制器的方式，需要将检测到的电流值Ia和Ib “拼接”起来，形成一个总的电流反馈信号，这个总的电流反馈信号的幅值就是Im。(二)采用两只电流控制器的方式，与采用两只电流控制器构成双闭环系统，无需对电流反馈进行“拼接”，但需要对速度调节器的输出信号Ugi进行“分解”，使其能够成为A相和B相的电流的给定信号。第六章、异步电动机调速系统及主轴驱动：异步电动机调速系统及主轴驱动：

28、一、异步电动机变频调速系统中的变频调速基本原理，如下式，由此可见，若能连续地改变异步电动机的供电频率,就可以平滑地改变电动机的同步速度及电动机轴上的转速，从而实现异步电动机的无级调速，这就是变频调速的基本原理。在异步电动机调速是一个重要的因素是希望保持每极磁通为额定值。 变频调速的过程中需保持每极磁通恒定，不能太高（铁心过分饱和，励磁电流过大，绕组过分发热，功率因数降低），也不能太低（铁心没有充分利用） 。对此，需考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。1. 基频以下调速，采用恒电动势频比控制方式；恒压频比的控制方式，（恒转矩调速）2.基频以上调速，这将迫使磁通与频率成反比地减少，相当于直

29、流电动机弱磁升速的情况。（恒功率调速）二、（1）.正弦波脉宽调制（SPWM）原理： 在采样控制理论中有一个重要结论，冲量（窄脉冲的面积）相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同该结论是PWM控制的重要理论基础。（2）.SPWM逆变器的调制方式：1.同步调制方式，载波比N等于常数时称同步调制方式2.异步调制方式， 载波比N不是一个常数。3.分段同步调制方式，具体地说，把整个变频范围划分为若干频段，在每个频段内都维持N恒定，而对不同的频段取不同的N值，频率低时，N值取大些（3）实验四，函数发生器，第八章进给伺服系统有多种反馈比较原理与方法。根据检测装置实现信息反馈的原理不同，伺

30、服系统反馈比较的方法也不同。常用的有：脉冲比较、相位比较、幅值比较三种。一、（1）脉冲比较的进给位置伺服系统 ：如果选择磁尺、光栅、光电编码器等元件作为机床移动部件移动量的检测装置，检出的位置反馈信号是数字脉冲。即给定量与反馈量的比较就是直接的脉冲比较，由此构成的伺服系统称为脉冲比较伺服系统。 它包含速度控制单元和位置控制外环，由于它的位置环是按给定输入脉冲和反馈脉冲数进行比较而构成闭环控制，所以属脉冲比较位置伺服系统。正传是为正给定，反转是为负给定，两个脉冲同时来要分离。（1） 脉冲比较电路：在脉冲比较伺服系统中，实现指令脉冲fp与反馈脉冲ff的比较后，才能检出位置的偏差。脉冲比较电路的基本组成有两个部分：一是脉冲分离；二是可逆计数器。2、 相位比较的进给伺服系统中感应同步器（或旋转变压器）采用相位工作方式，1. 脉冲调相器是一种把脉冲数变换成相位位移的变换器。它由一个脉冲加减器和两个分频器组成。2.脉冲加减器：它是脉冲-相位