第4章-伺服驱动系统与检测装置

第4章伺服驱动系统与检测装置概述4.1伺服系统的驱动电机4.2检测装置4.34.1概述

4.1.1伺服系统的类型1．按伺服电机类型分类（1）直流伺服系统。（2）交流伺服系统。2．按驱动装置类型分类（1）电液伺服系统。（2）电气伺服系统。3．按进给驱动和主轴驱动分类

（1）进给伺服系统。（2）主轴伺服系统。4．按反馈比较控制方式分类

（1）相位伺服系统。图4.1相位伺服系统（2）幅值伺服系统。图4.2幅值伺服系统（3）脉冲、数字比较伺服系统。图4.3脉冲、数字比较伺服系统（4）数字式伺服系统。图4.4全数字式伺服系统4.1.2数控机床对伺服系统的要求1．精度要高（1）定位精度高（2）位移精度高。2．稳定性要好3．速度响应要快4．调速范围要宽5．低速大转矩4.1.3数控机床对检测装置的要求数控机床对检测装置的主要要求如下。（1）受温度、湿度的影响小，工作可靠、抗干扰能力强。（2）在机床移动的范围内满足精度和速度要求。（3）使用维护方便，适合机床运行环境。（4）成本低。（5）易于实现高速的动态测量。4.2伺服系统的驱动电机

4.2.1步进电动机1．步进电动机的分类

2．步进电动机的结构目前，我国使用的步进电动机多为反应式步进电动机。在反应式步进电动机中，有轴向分相和径向分相两种。

1—绕组；2—定子铁芯；3—转子铁芯

图4.5单定子、径向分相、反应式步进电动机结构原理图

图4.6步进电动机的齿距图4.7所示为一个轴向分相、反应式伺服步进电动机的结构原理图。图4.7轴向分相、反应式步进电动机结构原理图

3．步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。图4.8步进电动机工作原理图综上所述，可以得到如下结论。（1）步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个固定的角度，即步距角。（2）改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变。（3）步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高。（4）步进电动机步距角与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，可用下式表示：对于图4.5所示的单定子、径向分相、反应式步进电动机，当它以三相三拍通电方式工作时，其步距角为

若按三相六拍通电方式工作，则步距角为

4．步进电动机的主要特性（1）步距角和静态步距误差。步进电动机的步距角是反应步进电动机定子绕组的通电状态，每改变一次，转子转过一定的角度，它的大小取决于电动机结构和控制方式。实际的步距角与理论值有误差。在一转内各步距误差的最大值，被定为步距误差。（2）静态矩角特性。图4.9步进电动机工作待性（3）启动频率。（4）连续运行频率。（5）矩频特性与动态转矩。（6）加减速特性。图4.10加减速特性曲线4.2.2直流伺服电动机1．直流伺服电机的结构和工作原理直流伺服电动机的结构与一般的电机结构相似，也是由定子、转子和电刷等部分组成，在定子上有励磁绕组和补偿绕组，转子绕组通过电刷供电。图4.11直流伺服电动机的结构和工作原理

2．直流伺服电动机的类型及特点直流伺服电动机按电枢的结构与形状可分为平滑电枢型、空心电枢型和有槽电枢型等。平滑电枢型的电枢无槽，其绕组用环氧树脂粘固在电枢铁芯上，因而转子形状细长，转动惯量小。空心电枢型的电枢无铁芯，且常做成杯形，其转子转动惯量最小。有槽电枢型的电枢与普通直流电动机的电枢相同，因而转子转动惯量较大。3．直流伺服电机的调速原理和常用的

调速方法

直流电机的转速和其他参量的关系可用下式表示：式中，n—转速，r/min；

U

—电枢电压，V；

I

—

电枢电流，A；

R

—

电枢回路总电压，Ω；

φ

—

励磁磁通，Wb；

Ke

—

由电机结构决定的电动势常数。根据上述关系式，实现电机调速是主要方法有3种。（1）调节电枢供电电压U。电动机加以恒定励磁，用改变电枢两端电压U的方式来实现调速控制，这种方法也称为电枢控制。（2）减弱励磁磁通φ。（3）改变电枢回路电阻R来实现调速控制。4.2.3交流伺服电动机

1．交流伺服电动机的工作原理交流伺服电动机一般是两相交流电机，由定子和转子两部分组成。交流伺服电动机的转子有笼形和杯形两种，无论哪一种转子，它的转子电阻都做得比较大，其目的是使转子在转动时产生制动转矩，使它在控制绕组不加电压时，能及时制动，防止自转。图4.12交流伺服电机的工作原理图

2．交流伺服电动机的种类和特点交流伺服电动机可分为异步型交流伺服电动机和同步型交流伺服电动机。异步型交流伺服电动机，又称为交流感应电动机。异步型交流伺服电动机的特点：转子的重量轻、惯性小，响应速度快。同步型交流伺服电动机，又可分为永磁式、反应式等多种类型。数控机床的进给伺服系统多采用永磁式交流伺服电动机，它的结构简单、运行可靠、效率高，但启动困难。

3．交流伺服电机调速的原理和方法交流伺服电动机的旋转机理都是由定子绕组产生旋转磁场使转子运转。

不同的是交流永磁式伺服电动机的转速和外加电源频率存在严格的关系，所以电源频率不变时，它的转速是不变的；交流感应式伺服电动机由于需要转速差才能在转子上产生感应磁场，所以电动机的转速比其同步转速小，外加负载越大，转速差越大。旋转磁场的同步速度由交流电的频率来决定：频率低，转速低；频率高，转速高。因此，这两类交流电动机的调速方法主要是用改变供电频率来实现。交流伺服电动机的速度控制可分为标量控制法和矢量控制法。4.3检测装置

4.3.1旋转变压器旋转变压器是一种数控机床上常见的角度测量装置，它具有结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要求低（特别是高温、高粉尘的地方）、输出信号幅度大和抗干扰能力强等特点，其缺点是信号处理比较复杂。旋转变压器又叫同步分解器，在结构上与两相绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成，是一种旋转式的小型交流电动机。1—转子轴；2—壳体；3—分解器定子；4—变压器定子；5—变压器一次绕组；

6—变压器转子线轴；7—变压器二次绕组；8—分解器转子

图4.13旋转变压器结构示意图旋转变压器又分为单极对和多极对。4.3.2感应同步器

感应同步器类似于旋转变压器，相当于一个展开的多极旋转变压器。感应同步器的种类繁多，根据用途和结构特点可分成直线式和旋转式（圆盘式）两大类。直线式由定尺和滑尺组成，用以测量直线位移，用于全闭环伺服系统。旋转式由定子和转子组成，用以测量旋转角度，用于半闭环伺服系统。

1．感应同步器的结构与种类（1）直线感应同步器。直线感应同步器的定尺和滑尺的绕组结构示意图。定尺为连续绕组，节距（亦称极距）为w2＝2（a2+b2）。滑尺上为分段绕组，分为正弦和余弦绕组两部分，绕组可做成W形或U形。图4.14直线感应同步器定尺与滑尺绕组（2）圆盘式感应同步器。圆盘式感应同步器的定子、转子都采用不锈钢、硬铝合金等材料作基板，呈环形辐射状。图4.15圆盘式感应同步器绕组

2．感应同步器的工作原理如图4.16所示的直线式感应同步器，其定尺上有节距为2

的单向均匀感应绕组，滑尺上有正弦和余弦两组励磁绕组，两组绕组的节距与定尺的节距相同，并相互错开1/4节距排列。当正弦励磁绕组的每一只线圈与定尺感应绕组的线圈对准时，余弦励磁绕组的每一只线圈则与定尺感应绕组的线圈相差/2的距离，由于2

节距相当于2的电角度，所以/2的距离相当于二者相差/2的电角度。图4.16直线式感应同步器绕组原理图滑尺与定尺互相平行并保持一定的间距，当向滑尺上的绕组通以交流励磁电压时，则在滑尺绕组中产生励磁电流，绕组周围产生按正弦规律变化的磁场，由电磁感应，在定尺上感应出感应电压，当滑尺与定尺间产生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺上的感应电压随位移的变化而变化。图4.17定尺绕组产生感应电动势原理图4.3.3光栅光栅按用途分有两大类：一类是物理光栅（亦称衍射光栅），另一类是计量光栅。

1．光栅的种类与精度计量光栅按形状可以分为长光栅（又称直线光栅）和圆光栅。长光栅用于检测直线位移，圆光栅用于测量转角位移。按制作原理又可以分成玻璃透射光栅和金属反射光栅。（1）长光栅。

①玻璃透射光栅是在玻璃的表面上用真空镀膜法镀一层金属膜，再涂上一层均匀的感光材料，用照相腐蚀法制成透明与不透明间隔相等的线纹，也有用刻蜡、腐蚀、涂黑工艺制成的。玻璃透射光栅的特点如下。（a）光源可以采用垂直入射，光电元件可直接接收光信号，因此信号幅度大，读数头结构比较简单。（b）每毫米上的线纹数多，一般为每毫米100、125、250条，再经过电路细分，可做到微米级的分辨率。②金属反射光栅是在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法或用钻石刀直接刻划制成的光栅线纹；金属反射光栅常用的线纹数为每毫米4、10、25、40、50条，因此，其分辨率比玻璃透射光栅低。金属反射光栅的特点如下。（a）标尺光栅的线膨胀系数很容易做到与机床材料一致。（b）标尺光栅的安装和调整比较方便。（c）安装面积较小。（d）易于接长或制成整根的钢带长光栅。（e）不易碰碎。（2）圆光栅。在玻璃圆盘的外环端面上，做成黑白相间条纹，条纹呈辐射状，相互间夹角（称为栅距角）相等。圆光栅一般有3种形式。①六十进制，如圆周内的线纹数为：10

800，21

600，32

400，64

800等。②十进制，如圆周内的线纹数为：1

000，2

500，5

000等。③二进制，如圆周内的线纹数为：512，1

024，2

048等。

2．计量光栅的精度计量光栅的精度主要取决于光栅尺本身的制造精度，也就是计量光栅任意两点间的误差。表4.2列出几种光栅的精度数据。表中“精度”指两点间最大均方根误差。

3．光栅的结构与测量原理（1）光栅的结构。图4.18光栅尺光栅读数头又称光电转换器，它由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。光栅读数头的结构形式很多，按光路分，常见的有分光读数头、垂直入射读数头、反射读数头和镜像读数头，光路图如图4.19所示，图中Q表示光源，L表示透镜，G表示光栅，P表示光电元件。图4.19光栅读数头光路图（2）光栅的基本测量原理。图4.20光栅工作原理莫尔条纹具有如下特性：①起放大作用。②实现平均误差作用。③莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。4.3.4编码器1．接触式码盘接触式码盘是一种绝对值式的检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有表示该位置的唯一对应的代码，因此这种测量方式即使断电或切断电源，也能读出转动角度。图4.21接触式码盘接触式绝对值编码器优点是简单、体积小、输出信号强。缺点是电刷磨损造成寿命降低，转速不能太高（每分钟几十转），精度受外圈（最低位）码道宽度限制，因此使用范围有限。2．光电式编码器

常用的光电式编码器为增量式光电编码器，亦称光电码盘、光电脉冲发生器、光电脉冲编码器等，是一种旋转式脉冲发生器，它把机械转角变成电脉冲，是数控机床上常用的一种角位移检测元件，也可用于角速度检测。为了适应高速、高精度数字伺服系统的需要，先后又发展了高分辨率的脉冲编码器，见表4.4。光电编码器由光源、透镜、光栏板、光电码盘、光电元件及信号处理电路组成。1—光源；2—透镜；3—光栏板；4—光电码盘；5—光电元件；6—参考标记图4.22增量式光电脉冲编码器结构示意图光电式编码器的优点是没有接触磨损，码盘寿命长，允许转速高，而且最外圈每片宽度可做得很小，因而精度高。缺点是结构复杂，价格高，光源寿命短。4.3.5磁栅磁栅又称磁尺，是用电磁方法计算磁波数目的一种位置检测元件。可用于直线和角位移的测量，磁栅与感应同步器、光栅相比，测量精度略低。

1．磁栅的工作原理与结构磁栅检测装置由磁性标尺、磁头和检测电路3部分组成。