第三章进给伺服系统2

第三节闭环伺服系统一、概述第三章进给伺服系统

1．位置检测单元——将检测元件检测到的位置信号进行处理，以形成位置反馈信号。2．比较环节——完成指令信号与反馈信号的比较等。3．伺服驱动——功率放大，以驱动伺服元件。4．伺服电机——将电信号转换成机械运动。(一)系统组成指令信号比较环节伺服驱动伺服电机

位置检测单元

反馈信号

返回下一页第三章进给伺服系统

全闭环

精度高，但结构复杂、成本高，调试维修困难，适于大型精密数控系统。半闭环

精度较全闭环差些，但结构简单，造价低且便于调整。交流伺服

直流伺服

数字伺服

(二)闭环伺服系统分类具有较高精度、速度、和动态特性定位与控制精度高，速度快，稳定性好，有故障自诊断和报警功能返回下一页上一页第三章进给伺服系统

1．对检测元器件的要求

1)可靠性高、抗干扰能力强

2)精度、速度满足要求

3)对环境的适应性强，维护方便

4)成本低、寿命长

5)便于与数控系统联接

(三)闭环伺服系统常用的检测元件返回下一页上一页第三章进给伺服系统

从检测的信号分

直线型回转型

从传感器输出信号分

模拟式

数字式

2．检测传感器分类直线感应同步器、长光栅、长磁栅、激光干涉仪旋转变压器、圆感应同步器、圆光栅、圆磁栅、编码盘光栅检测装置、脉冲编码盘旋转变压器、感应同步器返回下一页上一页第三章进给伺服系统

感应同步器——抗干扰能力强，对环境要求低，维护简单、价格低，寿命较长，具有一定精度、应用较广。

光栅——抗干扰能力强，高分辨率、大量程、测量精度高、

应用广泛，但成本较高，制造工艺要求高。

磁栅——抗干扰能力强，对环境条件要求低，安装调整方便，精度高，但存在磁信号的稳定性，磁头磨损等问题，有应用。3．检测元件的特点返回下一页上一页第三章进给伺服系统

旋转变压器——抗干扰能力强、工作可靠、结构简单、动作灵敏、信号输出幅度大，对环境无特殊要求，维护方便，应用广泛。

脉冲编码盘——工作可靠、精度高，结构紧凑、成本低，是精密数字控制和伺服系统中常用的角位移数字式检测元器件，但抗污染能力差，易损坏。激光干涉仪——精度很高，但抗震性、抗干扰能力差，价格较贵，应用较少。3．检测元件的特点返回下一页上一页第三章进给伺服系统

(一)对驱动元件的要求

1．转动惯量小——以提高系统的快速响应二、驱动元件

3．低速运行的稳定性、均匀性好——以保证低速时的精度2．过载能力强——以适应经常出现的过冲现象返回下一页上一页第三章进给伺服系统

1．小惯量直流伺服电动机

(二)直流伺服电动机

转子细而长——大大减小了电动机的转动惯量,快速响应性能好。2)

气隙较大——换向性好，时间常数5-10ms。

3)

转子上无槽——电感小，时间常数小，动态特性好，响应快，低速运转稳定而均匀。

4)气隙磁密度大——过载能力强。

输出功率几+瓦─+千瓦，转速1-3000r/min

最大转矩约20N.m,但输出需加齿轮减速返回下一页上一页第三章进给伺服系统

1)转矩大2)调速范围宽

1000~1500r/min3)转动惯量小设计时可忽略其它传动件的转动惯量

4)动态响应好

最大峰值转矩可达额定转矩的10倍，可在3倍额定转矩的过载条件下工作30min，但快速响应性能不如小惯量电机。5)过载能力强返回特点：2．大惯量直流伺服电动机

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表1日本富士通公司直流伺服电动机系列几种规格的主要技术参数

第三章进给伺服系统

1．笼型异步型伺服电动机定子

—对称三相绕组产生旋转磁场

转子

—转子绕组（导体）

切割磁通产生感应电势

感应电流

电磁转矩

转子转动

转子转动方向与旋转磁场方向不同——异步

转子转动速度小于旋转磁场速度n0——转差率

(三)交流伺服电动机

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2．永磁同步型伺服电动机

定子

—三相电枢绕组产生旋转磁场

转子

—永磁体产生恒定励磁磁场

通电的电枢绕组及载流导体切割磁力线产生电磁力

以反作用力方式驱动转子永磁体转动

转子转动的方向与旋转磁场方向相同——同步

返回(三)交流伺服电动机

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表2DC伺服电动机与AC伺服电动机的比较

第三章进给伺服系统1．DC电动机转速公式

三、速度调节

(一)直流伺服电动机的调速n=

UD/Ce-RI/Ce

UD—电枢电压Ce—与电机结构有关的常数

—励磁磁通

I—励磁电流

R—电枢回路电阻

改变UD

调速的方法

可控硅调速PWM调速返回下一页上一页1)可控硅电力半导体器件，是弱电控制到强电输出的桥梁作用。包括：阳极（A）、阴极（K）、控制级（G）导通条件：ⅰ）阳极A：

阴极K：

ⅱ）控制级G

加正向电压。

第三章进给伺服系统2．可控硅调速（SCR-M）三、速度调节

(一)直流伺服电动机的调速KAG返回下一页上一页第三章进给伺服系统三、速度调节

(一)直流伺服电动机的调速2)SCR-M调速系统

特点：工作频率低，输出电压波形差，电流脉动分量大，这不但使电机发热，工作条件恶化，也影响电网电压波动。位置检测及反馈

速度检测及反馈

位置

位置

速度

速度

电流

uk

α

指令

偏差

指令

偏差

指令

MM电流检测反馈

UDM返回下一页上一页第三章进给伺服系统1)脉宽调速原理3.脉宽调制(PWM)原理与系统PWM—PulseWidthModulation

直流电源电压U经开关S转换为一定频率的方波电压加到直流电机电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，就可改变电枢的平均电压，从而调节电机转速。SUuDMMM返回下一页上一页第三章进给伺服系统设开关S开闭周期为T，每次闭合时间为则电枢两端平均电压Ud为：

Ud=U/T=rU

r:导通率(脉宽系数)

T一定

Ud

=0Ud=0电机停止

=TUd=U最高转速

SUuDMMM3.脉宽调制(PWM)原理与系统PWM—PulseWidthModulation1)脉宽调速原理uDuDUd1Ud2TTT：500～2500Hz，

大大小于电动机的时间常数，故无转速脉动。

返回下一页上一页第三章进给伺服系统2)脉宽调制器PWM输入：电流调节器输出的直流电压Uc输出：幅值恒定，宽度可变的矩形脉冲电压方法：高频载波法、数字脉宽调制、高频极限环法等比较器

调制信号发生器

Uc

Uc+D(t)

e’(t)D(t)

++返回下一页上一页位置检测及反馈

速度检测及反馈

位置

位置

速度

速度

电流

uk

α

指令

偏差

指令

偏差

指令

MM电流检测反馈

UD第三章进给伺服系统

调制信号发生器

产生频率、幅值都固定的高频载波信号D（t）,D(t)可以是三角波、锯齿波、正弦波

高频载波法的原理直流输入信号Uc

叠加在载波信号D(t)上，再进入比较器。比较器是一个具有继电器特性的电子元件，其输出信号是一个与D(t)同频率的矩形脉冲，脉冲占空比取决于Uc的大小。2)脉宽调制器PWM比较器

调制信号发生器

Uc

Uc+D(t)

e’(t)D(t)

++返回下一页上一页下一页上一页第三章进给伺服系统2)脉宽调制器PWMVcD(t)e(t)e’(t)Vc=0VcD(t)e(t)e’(t)Vc>0VcD(t)e(t)e’(t)Vc<0e(t)e’(t)+VVc-VD(t)返回第三章进给伺服系统3)功率放大器tttUb1Ub2UabMVD2VD1VD3VD4abV1V2V3V4EdUb3ttUb4H型单极型PWM放大器原理器返回下一页上一页第三章进给伺服系统3)功率放大器双极型PWM放大器原理器UabtttUb1Ub2MVD2VD1VD3VD4abV1V2V3V4EdUb3ttUb4返回下一页上一页第三章进给伺服系统4)PWM-M系统组成及工作原理电压—脉宽调制器

比较器

功率放大器

伺服电机

调制信号发生器

Uc

Uc+D(t)

e’(t)

u4

D(t)

++

PWM-M特点：

开关频率高，仅靠电枢的电感作用，即可获得满意的滤波作用，近似直流。无论高速或低速电机转速和扭矩平滑均匀，调速比可以做得很大，且发热小，寿命长。返回下一页上一页第三章进给伺服系统1.交流调速方法

交流电动机调速公式：

n=60f1(1-S)/Pf1:

定子电源频率

→变频调速高效率、宽范围、高精度P:

磁极对数

→变P调速S:

转差率

→变S调速

(二)交流伺服电动机的调速返回下一页上一页第三章进给伺服系统(二)交流伺服电动机的调速2.PWM型变频器

构成

二极管整流器：交—直变换，经电容器滤波平滑，产生恒定的直流电压，输出给逆变器。

PWM逆变器：直—交变换、调频、调压，产生电压、频率可调交流电压,输出给伺服电动机的电枢绕组。M~返回下一页上一页下一页上一页第三章进给伺服系统(二)交流伺服电动机的调速2.PWM型变频器

返回PWM逆变器原理第三章进给伺服系统(二)交流伺服电动机的调速2.PWM型变频器

PWM逆变器原理ED：二极管整流器输出的直流电压

VT1--VT4：大功率晶体管，工作于开关壮态下一页上一页返回控制信号：加在VT1--VT4基极上的一组等副、不等宽的矩形脉冲(调制信号)，由控制电路产生。输出信号：逆变器输出端Uab一组与控制信号频率相同、但幅值放大的矩行脉冲。改变VT1、VY4和VT2、VT3交替导通的时间→改变输出波形的频率；返回下一页上一页第三章进给伺服系统(二)交流伺服电动机的调速2.PWM型变频器

PWM逆变器原理改变半周期内VT1、VY4（或VT2、VT3）的通断比→改变脉冲宽度→改变输出电压幅值。下一页上一页返回六只大功率晶体管组成全桥式电路，电动机定子采用“Y”连接。

第三章进给伺服系统(二)交流伺服电动机的调速2.PWM型变频器

PWM逆变器原理逆变器与电动机定子三相绕组的连接如图所示第三章进给伺服系统

方波

——三角波调制：输出波形的平均值按方波形式变化

三角波

——载波信号，决定逆变器的开关频率。

3.PWM控制信号形成

返回下一页上一页第三章进给伺服系统*正弦波——三角波调制：输出波形的平均值按正弦波形式变化*方波、正弦波

——控制信号，频率、幅值均可调，决定逆变器的输出频率和幅值，可以由矢量变换控制获得。*两信号交叉点——调制信号，即逆变器功率晶体管基极的控制信号

3.PWM控制信号形成

返回下一页上一页4.失量变换控制原理

第三章进给伺服系统返回下一页上一页失量控制由德国学者于1972年提出,首先应用于感应(IM)电动机中,目前也应用于永磁电动机(PM)中,且更易实现,在高性能伺服驱动系统中得以广泛应用。失量控制是模仿直流电动机的控制得出的。直流伺服电动机

·定子——绕组通以电流If——产生励磁磁通

·电枢——绕组通以电流Ia——产生电磁转矩

If,Ia彼此独立，分别调节可以控制φ、T此外，励磁磁场和电枢电流空间角度是由电刷和机械换向所固定，且是正交的，从而使电枢电流产生的电磁转矩最大。4.失量变换控制原理第三章进给伺服系统返回下一页上一页同步：两磁场相互作用，转子产生转动，转速与旋转磁常相同永磁同步交流伺服电动·转子——永磁体——产生恒定的励磁磁场·定子——三相电枢绕组——电枢电流——产生旋转磁场励磁磁场与电枢电流的空间角度不是固定的，随负载而变化，故不能简单地通过调节电枢电流来直接控制电磁转矩。4.失量变换控制原理第三章进给伺服系统返回下一页上一页设计一控制系统，对电枢电流相对励磁磁场进行空间定向控制——角度控制；同时也控制电枢电流幅值——幅值控制，统称失量控制。在角度控制中，选择使电枢磁场与励磁磁场空间角度正交——磁场定向，使电枢电流产生的电磁转矩最大，以实现直流伺服电动机的严格模拟。永磁同步交流伺服电动交流调速系统控制回路的结构与原理如下图：

第三章进给伺服系统返回下一页上一页交流调速系统控制回路的结构与原理图说明

第三章进给伺服系统返回下一页上一页1)转子磁极位置检测电路为了使电流与永磁体磁通在空间角度正交,必须正确检测出磁极位置.检测位置:旋转变压器2)正弦波产生电路产生以转子位置为相位的正弦波3)DC-SIN(直流正弦)变换回路由于在交流伺服电动机中需向电绕组通以三相交流正弦电压,故需将速度调节器输出的直流电流参考信号转化为交流正弦信号交流调速系统控制回路的结构与原理图说明

第三章进给伺服系统返回下一页上一页

DC-SIN变换回路原理:正弦波发生电路输出的数字化正弦波信号与速度调节器输出的直流信号在乘法器中相乘,其输出信号作为交流正弦电流指令.交流调速系统控制回路的结构与原理图说明

第三章进给伺服系统返回下一页上一页交流调速系统控制回路的结构与原理图说明

第三章进给伺服系统返回下一页上一页4)正弦波PWM电路以一定频率和一定振幅的三角波与电流调节器输出的正弦波在比较器中进行比较，若只取出正弦波超出三角波的部分，即可输出不等宽的脉冲列。当脉冲的占空比为50%时,逆变器的输出电压为零。由于正弦波以50%占空比为中心而向两边增减，平均看来就得到了正弦调制。交流调速系统控制回路的结构与原理图说明

第三章进给伺服系统返回下一页上一页交流调速系统控制回路的结构与原理图说明

第三章进给伺服系统返回下一页上一页5)速度检测回路检测装置:旋转变压器、光电编码器

可同时完成磁极位置的检测。6)速度调节器ASRASR输入信号：速度指令与速度反馈信号输出信号：电流指令信号（直流量）控制规律：比例积分(PL)作用：进行稳定的速度控制要求：能快速响应速度指令；交流调速系统控制回路的结构与原理图说明

第三章进给伺服系统返回下一页上一页7)电流调节器ACRACR输入信号：电流指令与电流反馈信号输出信号：电流控制信号控制规律：比例积分(PL)作用：完成与磁通矢良正交的高速控制，使电枢绕组中的电流在幅值和相位上都得到有效控制要求：具有更高的快速性，以适应对电流瞬时值跟踪控制.感应同步器定尺绕组中感应的总电势是滑尺上正弦绕组和余弦绕组所产生的感应电势的___。

①代数和②代数差③矢量和④矢量差对于一个设计合理，制造良好的带位置闭环控制系统的数控机床，可达到的精度由___决定。

①机床机械结构的精度②检测元件的精度

③计算机的运算速度

④驱动装置的精度

第三节闭环伺服系统

习题返回下一页上一页②③习题解释摩尔条纹的放大作用？答：

将两块具有相同栅距的光栅，取有刻线的一面叠合在一起，并使它们的刻线之间保持一个很小的夹角θ。这时如果在光栅正面用平行光垂直投射，则在光栅背面形成明暗相间的条纹，即摩尔条纹。两条暗带或两条帝带之间的距离叫摩尔条纹的间距B。设光栅的栅距为W，则有由上式可见θ越小，B越大，等于把栅距扩大了1/θ倍转化为摩尔条纹。第三节闭环伺服系统

返回下一页上一页习题为了改善磁栅传感器的输出信号，常采用有n个间隙的磁头，磁头之间间隔为___。

①一个节距②1/4节距③节距的整倍数④1/2节距④在磁栅传感器中，有n个间隔为1/2节距的磁头，相邻两磁头的输出绕组___，这样得到的信号将为单个磁头输出信号的n倍。

①正向串接②反向并接③反向串接④反向并接③第三节闭环伺服系统

返回下一页上一页习题设指示光栅相对于标尺光栅作正向运动时，亮条纹按P1-P2-P3-P4-P1的顺序扫描四个光电元件，经过四倍频细分电路，有四个尖脉冲依A’D’C’B’A’的顺序出现；则光栅作反向运动时，即亮条纹按P4-P3-P2-P1-P4的顺序扫描，四个尖脉冲出现的顺序是________________。C’D’A’B’C’感应同步器中，为了辨别位移的方向和提高精度，采用了辩向及细分电子线路，这种电路还用在______。

①磁栅 ②磁栅③光栅 ④光电盘②第三节闭环伺服系统

返回下一页上一页第三节闭环伺服系统

习题将二进制数码1011转换为循环码是____________。普通二进制编码盘与葛莱循环码盘有什么优点？答：普通二进制编码盘把角度与二进制数码相对应，因而数值直观。葛莱循环码盘针对普通二进制编码盘容易产生非单值性误差这一缺点进行改进，使得相领两个数码之间只有一位变化，限制了非单值性误差。1110第三节闭环伺服系统

习题PWM-M系统是指____。

①直流发电机—电动机组

②可控硅直流调压电源加直流电动机组

③脉冲宽度调制器—直流电动机调速系统

④感应电动机变频调速系统脉冲调宽调速系统的开头频率可达____。

①100次/秒②1000次/秒

③2000次/分④2000次/秒③④返回下一页上一页习题第三节闭环伺服系统

小惯量直流电动机什么特点？可应用于什么场合？

答：(1)

转动惯量小。约为普通直流电机的1/10左右。

(2)

电气、机械时间常数小。故这种电机动态特性好，响应快、加、减速能力强。

(3)

由于转子无槽，电气、机械均衡性好，使其在低速时运转稳定而均匀。例如，当转速低到10r/min时，仍无爬行现象，且调速范围宽。

(4)

峰值转矩可达额定值的10倍。

(5)由于这类电机转动惯量小，一般与负载转动惯量同一量级，甚至在某些机床上负载的转动惯量要比电机的大得多