闭环伺服系统

1.3.3闭环伺服系统一、概述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

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

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下一页4.检测元件工作原理旋转变压器旋转变压器按照互感原理工作定子绕组上分别加上交变励磁电压当转子旋转时，通过电磁耦合，转子绕组内产生感应电势——感应电压.返回4.检测元件工作原理Us,Uc为定子正弦、余弦绕组上的激磁电压，k为变压比，即定子绕组与转子绕组的匝数比W1/W2。旋转变压器U’=kUsSinθ或U’=kUcCosθ旋转变压器作为位置检测装置有两种应用方式：鉴相方式和鉴幅方式。1.鉴相工作方式在旋转变压器定子的两相正交绕组，又称为正弦和余弦绕组上，分别加上幅值相等、频率相同的正弦、余弦激磁电压

Us=UmsinωtUc=Umcosωt旋转变压器的应用

下一页上一页返回旋转变压器的应用

转子旋转后，两个激磁电压在转子绕组中产生的感应电压线性叠加得总感应电压为：

U=kUssinθ+kUccosθ=kUmcos(ωt-θ)

由上式可知感应电压的相位角就等于转子的机械转角θ。因此只要检测出转子输出电压的相位角，就知道了转子的转角，而且旋转变压器的转子是和伺服电机或传动轴连接在一起的，从而可以求得执行部件的角位移。下一页上一页返回旋转变压器的应用

2.鉴幅工作方式给定子的两个绕组分别通上频率、相位相同但幅值不同，即调幅的少许磁电压（φ为机械转角）Us=UmsinφsinωtUc=Umcosφsinωt

则在转子绕组上得到感应电压为U=kUssinθ+kUccosθ=kUmsinωt(sinφsinθ+cosφcosθ)=kUmcos(φ-θ)sinωt下一页上一页返回思考与练习

旋转变压器工作时，加到励磁绕组的电压Us=Umsinθsin(ωt)，则此时加到补偿绕组的电压应为__。①Uc=Umcosθsin(ωt) ②Uc=Umsinθsin(ωt)③Uc=Umcosθ cos(ωt) ④Uc=Umsinθcos(ωt)旋转变压器的输出反映了

和

的固定函数关系。答：①答：电压

转子角位移

下一页上一页返回感应同步器工作原理图感应同步器感应同步器工作原理同旋转变压器的工作原理相同，滑齿的两个激磁绕组通以激磁电压，滑齿与定齿相对移动时，在定齿上便产生感应电压，感应电压随位移的变化而变化。节距为２τ=2mm返回下一页上一页这样滑尺在移动一个节距的过程中，感应电压变化了一个余弦波形。感应同步器感应同步器感应同步器工作原理图设当滑尺相对定尺移动后，感应电压逐渐变小，在错开1/4节距的b点时，感应电压为零。再继续移到1/2节距的c点时得到的电压值与a点位置相同，但极性相反。随后感应电压在3/4节距位置d点时又变为零，在移动一个节距到e点时，电压幅值与a点位置相同。下一页上一页返回感应同步器定尺和滑尺绕组的节距均为2τ=2mm，当两尺相对移动2τ后，感应电势以余弦或正弦函数变化电气角2π

，当相对移动距离为x时，则对应的感应电压将变化一个相位角θ，由比例关系

θ/(2π)=x/(2τ)

可得:

θ=πx/τ同理，因余弦绕组与正弦绕组错开1/4个节距，即π/2的相位角，由余弦绕组激磁在定尺上产生的感应电压应按正弦规律变化。定尺上的总感应电压，是上述两个感应电压的线性叠加。感应同步器下一页上一页返回

感应同步器采用鉴幅法工作时，可用于检测位移和

。答：定位控制感应同步器定尺绕组中感应的总电势是滑尺上__和_可产生的感应电势的

。答：正弦绕组 余弦绕组 矢量和感应同步器是一种

式的高精度位移检测元件。它有

和

两种。答：电磁感应 直线式圆盘式思考与练习

下一页上一页返回光栅位置检测装置光栅检测装置的结构执行部件带着标尺光栅相对指示光栅移动，通过读数头的光电转换，发送出与位移量对应的数字脉冲信号，用作位置反馈信号或位置显示信号返回下一页上一页光栅尺光栅位置检测装置

包括标尺光栅和指示光栅.根据制造方法和光学原理不同，光栅可分为透射光栅和反射光栅.

透射光栅是在光学玻璃表面，或在玻璃表面感光材料的涂层上刻成光栅线纹。其特点是:

光源可以垂直入射，光电元件直接接受光照，因此信号幅值比较大，信噪比好，光电密度为200线/mm时，光栅本身就已经细分到.005mm从而减轻了电子线路的负担。ω返回下一页上一页摩尔条纹光栅位置检测装置标尺光栅指示光栅光栅节距摩尔条纹节距

作用：放大作用误差均化作用测量位移θW光栅倾角W、ω、θ之间的关系

光栅位置检测装置BC=ABsin(θ/2)其中BC=ω/2，

AB=W/2，因此W=ω/sin(θ/2)由于θ很小，θ单位为rad时，Sin(θ/2)≈θ故W≈ω/θω光栅节距θW下一页上一页令k=W/ω=1/θ,则k为放大比。如ω=0.01mm，取θ=0.002rad=0.11o则W=5mm,

K=500,

即放大500倍，这样光栅节距虽小，摩尔条纹的节距却有5mm，因此摩尔条纹清晰可见，易于测量。摩尔条纹的作用放大作用误差均化作用摩尔条纹是由许多根刻线共同形成的，这样可使光栅的节距误差得到平均化。光栅位置检测装置返回摩尔条纹的移动距离与光栅的移动距离成比例，光栅横向移动一个节距ω，摩尔条纹正好沿刻线上下移动一个节距W，或者说在光栅刻线的某一位置，摩尔条纹明--暗--明变化一个周期，这为光元件的安装与信号检测提供了良好的条件。利用脉冲变换电路可以提高光栅检测装置的读数分辨率，有四倍、八倍、十倍、二十倍等。光栅位置检测装置返回c.测量位移下一页上一页

是一种精度较高的位置检测装置。它由磁性标尺、磁头、和检测电路组成。下一页上一页磁尺位置检测装置

磁尺尺：磁尺位置检测装置返回下一页脉冲编码器脉冲编码器是一种旋转式角位移检测装置，能将机械转角变换成电脉冲，是数空机床上使用最光的检测装置。脉冲编码器的分类增量式脉冲编码器绝对式脉冲编码盘光电式接触式电磁感应式光电式接触式电磁感应式返回下一页上一页增量式脉冲编码器脉冲编码器结构图指示光栅有两组线纹A和B，每组线纹的节距和圆光栅的节距相同，但A、B两组线纹彼此错开1/4个节距，每组线纹与旋转圆光栅配合产生两路脉冲A和B用于记数和辩向。返回下一页上一页脉冲编码器工作原理光源接通，圆光栅旋转，光线透过两个光栅的A,B两组线纹，每转过一个光栅节距，便在光电元件上形成明—暗—明变化一个周期的光信号，并被转化为两组近乎于正弦波的电压信号，连续旋转便得到A和B两路正弦电压信号脉冲编码的输出信号返回如右图所示：放大、整形后得到所示的方波信号A和B，如光栅盘正转时A相超前90o，反转时B相超前90o。另外还产生一转脉冲Z，Z为基准脉冲，或称零点脉冲，它是圆光栅盘，可以作为坐标原点的信号，车削螺纹时作为刀点的信号。思考与练习举出2～3种数控机床常用的位置传感器，并说明它们的主要特点？答：常用的位置传感有光栅、感应同步器、光电编码盘等等。它们的特点是：检测范围较大，易于实现测量信号数字化，测量精度高。下一页上一页返回

(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

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

下一页上一页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

返回下一页上一页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

下一页上一页返回下一页上一页

表2DC伺服电动机与AC伺服电动机的比较

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。

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uDuDUd1Ud2TT

T：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

UD1.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四章进给伺服系统(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

1.3.3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。1.3.3闭环伺服系统

返回下一页上一页习题1.3.3闭环伺服系统

4）小惯量直流电动机什么特点？可应用于什么场合？

答：