1.3.3閉環(huán)伺服系統(tǒng)一、概述1．位置檢測單元——將檢測元件檢測到的位置信號進行處理，以形成位置反饋信號。2．比較環(huán)節(jié)——完成指令信號與反饋信號的比較等。3．伺服驅(qū)動——功率放大，以驅(qū)動伺服元件。4．伺服電機——將電信號轉(zhuǎn)換成機械運動。(一)系統(tǒng)組成指令信號比較環(huán)節(jié)伺服驅(qū)動伺服電機

位置檢測單元

反饋信號

返回下一頁全閉環(huán)

精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，調(diào)試維修困難，適于大型精密數(shù)控系統(tǒng)。半閉環(huán)

精度較全閉環(huán)差些，但結(jié)構(gòu)簡單，造價低且便于調(diào)整。交流伺服

直流伺服

數(shù)字伺服

(二)閉環(huán)伺服系統(tǒng)分類具有較高精度、速度、和動態(tài)特性定位與控制精度高，速度快，穩(wěn)定性好，有故障自診斷和報警功能返回下一頁上一頁1．對檢測元器件的要求

1)可靠性高、抗干擾能力強

2)精度、速度滿足要求

3)對環(huán)境的適應(yīng)性強，維護方便

4)成本低、壽命長

5)便于與數(shù)控系統(tǒng)聯(lián)接

(三)閉環(huán)伺服系統(tǒng)常用的檢測元件返回下一頁上一頁從檢測的信號分

直線型回轉(zhuǎn)型

從傳感器輸出信號分

模擬式

數(shù)字式

2．檢測傳感器分類直線感應(yīng)同步器、長光柵、長磁柵、激光干涉儀旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同步器、圓光柵、圓磁柵、編碼盤光柵檢測裝置、脈沖編碼盤旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器返回下一頁上一頁

感應(yīng)同步器——抗干擾能力強，對環(huán)境要求低，維護簡單、價格低，壽命較長，具有一定精度、應(yīng)用較廣。

光柵——抗干擾能力強，高分辨率、大量程、測量精度高、

應(yīng)用廣泛，但成本較高，制造工藝要求高。

磁柵——抗干擾能力強，對環(huán)境條件要求低，安裝調(diào)整方便，精度高，但存在磁信號的穩(wěn)定性，磁頭磨損等問題，有應(yīng)用。3．檢測元件的特點返回下一頁上一頁

旋轉(zhuǎn)變壓器——抗干擾能力強、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏、信號輸出幅度大，對環(huán)境無特殊要求，維護方便，應(yīng)用廣泛。

脈沖編碼盤——工作可靠、精度高，結(jié)構(gòu)緊湊、成本低，是精密數(shù)字控制和伺服系統(tǒng)中常用的角位移數(shù)字式檢測元器件，但抗污染能力差，易損壞。

激光干涉儀——精度很高，但抗震性、抗干擾能力差，價格較貴，應(yīng)用較少。3．檢測元件的特點返回下一頁上一頁下一頁4.檢測元件工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器按照互感原理工作定子繞組上分別加上交變勵磁電壓當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電勢——感應(yīng)電壓.返回4.檢測元件工作原理Us,Uc為定子正弦、余弦繞組上的激磁電壓，k為變壓比，即定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組的匝數(shù)比W1/W2。旋轉(zhuǎn)變壓器U’=kUsSinθ或U’=kUcCosθ旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置檢測裝置有兩種應(yīng)用方式：鑒相方式和鑒幅方式。1.鑒相工作方式在旋轉(zhuǎn)變壓器定子的兩相正交繞組，又稱為正弦和余弦繞組上，分別加上幅值相等、頻率相同的正弦、余弦激磁電壓

Us=UmsinωtUc=Umcosωt旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用

下一頁上一頁返回旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用

轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后，兩個激磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓線性疊加得總感應(yīng)電壓為：

U=kUssinθ+kUccosθ=kUmcos(ωt-θ)

由上式可知感應(yīng)電壓的相位角就等于轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)角θ。因此只要檢測出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就知道了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角，而且旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子是和伺服電機或傳動軸連接在一起的，從而可以求得執(zhí)行部件的角位移。下一頁上一頁返回旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用

2.鑒幅工作方式給定子的兩個繞組分別通上頻率、相位相同但幅值不同，即調(diào)幅的少許磁電壓（φ為機械轉(zhuǎn)角）Us=UmsinφsinωtUc=Umcosφsinωt

則在轉(zhuǎn)子繞組上得到感應(yīng)電壓為U=kUssinθ+kUccosθ=kUmsinωt(sinφsinθ+cosφcosθ)=kUmcos(φ-θ)sinωt下一頁上一頁返回思考與練習(xí)

旋轉(zhuǎn)變壓器工作時，加到勵磁繞組的電壓Us=Umsinθsin(ωt)，則此時加到補償繞組的電壓應(yīng)為__。①Uc=Umcosθsin(ωt) ②Uc=Umsinθsin(ωt)③Uc=Umcosθ cos(ωt) ④Uc=Umsinθcos(ωt)旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出反映了

和

的固定函數(shù)關(guān)系。答：①答：電壓

轉(zhuǎn)子角位移

下一頁上一頁返回感應(yīng)同步器工作原理圖感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器工作原理同旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理相同，滑齒的兩個激磁繞組通以激磁電壓，滑齒與定齒相對移動時，在定齒上便產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓隨位移的變化而變化。節(jié)距為２τ=2mm返回下一頁上一頁這樣滑尺在移動一個節(jié)距的過程中，感應(yīng)電壓變化了一個余弦波形。感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器工作原理圖設(shè)當(dāng)滑尺相對定尺移動后，感應(yīng)電壓逐漸變小，在錯開1/4節(jié)距的b點時，感應(yīng)電壓為零。再繼續(xù)移到1/2節(jié)距的c點時得到的電壓值與a點位置相同，但極性相反。隨后感應(yīng)電壓在3/4節(jié)距位置d點時又變?yōu)榱?，在移動一個節(jié)距到e點時，電壓幅值與a點位置相同。下一頁上一頁返回感應(yīng)同步器定尺和滑尺繞組的節(jié)距均為2τ=2mm，當(dāng)兩尺相對移動2τ后，感應(yīng)電勢以余弦或正弦函數(shù)變化電氣角2π

，當(dāng)相對移動距離為x時，則對應(yīng)的感應(yīng)電壓將變化一個相位角θ，由比例關(guān)系

θ/(2π)=x/(2τ)

可得:

θ=πx/τ同理，因余弦繞組與正弦繞組錯開1/4個節(jié)距，即π/2的相位角，由余弦繞組激磁在定尺上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓應(yīng)按正弦規(guī)律變化。定尺上的總感應(yīng)電壓，是上述兩個感應(yīng)電壓的線性疊加。感應(yīng)同步器下一頁上一頁返回

感應(yīng)同步器采用鑒幅法工作時，可用于檢測位移和

。答：定位控制感應(yīng)同步器定尺繞組中感應(yīng)的總電勢是滑尺上__和_可產(chǎn)生的感應(yīng)電勢的

。答：正弦繞組 余弦繞組 矢量和感應(yīng)同步器是一種

式的高精度位移檢測元件。它有

和

兩種。答：電磁感應(yīng) 直線式圓盤式思考與練習(xí)

下一頁上一頁返回光柵位置檢測裝置光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu)執(zhí)行部件帶著標(biāo)尺光柵相對指示光柵移動，通過讀數(shù)頭的光電轉(zhuǎn)換，發(fā)送出與位移量對應(yīng)的數(shù)字脈沖信號，用作位置反饋信號或位置顯示信號返回下一頁上一頁光柵尺光柵位置檢測裝置

包括標(biāo)尺光柵和指示光柵.根據(jù)制造方法和光學(xué)原理不同，光柵可分為透射光柵和反射光柵.

透射光柵是在光學(xué)玻璃表面，或在玻璃表面感光材料的涂層上刻成光柵線紋。其特點是:

光源可以垂直入射，光電元件直接接受光照，因此信號幅值比較大，信噪比好，光電密度為200線/mm時，光柵本身就已經(jīng)細分到.005mm從而減輕了電子線路的負擔(dān)。ω返回下一頁上一頁摩爾條紋光柵位置檢測裝置標(biāo)尺光柵指示光柵光柵節(jié)距摩爾條紋節(jié)距

作用：放大作用誤差均化作用測量位移θW光柵傾角W、ω、θ之間的關(guān)系

光柵位置檢測裝置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單位為rad時，Sin(θ/2)≈θ故W≈ω/θω光柵節(jié)距θW下一頁上一頁令k=W/ω=1/θ,則k為放大比。如ω=0.01mm，取θ=0.002rad=0.11o則W=5mm,

K=500,

即放大500倍，這樣光柵節(jié)距雖小，摩爾條紋的節(jié)距卻有5mm，因此摩爾條紋清晰可見，易于測量。摩爾條紋的作用放大作用誤差均化作用摩爾條紋是由許多根刻線共同形成的，這樣可使光柵的節(jié)距誤差得到平均化。光柵位置檢測裝置返回摩爾條紋的移動距離與光柵的移動距離成比例，光柵橫向移動一個節(jié)距ω，摩爾條紋正好沿刻線上下移動一個節(jié)距W，或者說在光柵刻線的某一位置，摩爾條紋明--暗--明變化一個周期，這為光元件的安裝與信號檢測提供了良好的條件。利用脈沖變換電路可以提高光柵檢測裝置的讀數(shù)分辨率，有四倍、八倍、十倍、二十倍等。光柵位置檢測裝置返回c.測量位移下一頁上一頁

是一種精度較高的位置檢測裝置。它由磁性標(biāo)尺、磁頭、和檢測電路組成。下一頁上一頁磁尺位置檢測裝置

磁尺尺：磁尺位置檢測裝置返回下一頁脈沖編碼器脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式角位移檢測裝置，能將機械轉(zhuǎn)角變換成電脈沖，是數(shù)空機床上使用最光的檢測裝置。脈沖編碼器的分類增量式脈沖編碼器絕對式脈沖編碼盤光電式接觸式電磁感應(yīng)式光電式接觸式電磁感應(yīng)式返回下一頁上一頁增量式脈沖編碼器脈沖編碼器結(jié)構(gòu)圖指示光柵有兩組線紋A和B，每組線紋的節(jié)距和圓光柵的節(jié)距相同，但A、B兩組線紋彼此錯開1/4個節(jié)距，每組線紋與旋轉(zhuǎn)圓光柵配合產(chǎn)生兩路脈沖A和B用于記數(shù)和辯向。返回下一頁上一頁脈沖編碼器工作原理光源接通，圓光柵旋轉(zhuǎn)，光線透過兩個光柵的A,B兩組線紋，每轉(zhuǎn)過一個光柵節(jié)距，便在光電元件上形成明—暗—明變化一個周期的光信號，并被轉(zhuǎn)化為兩組近乎于正弦波的電壓信號，連續(xù)旋轉(zhuǎn)便得到A和B兩路正弦電壓信號脈沖編碼的輸出信號返回如右圖所示：放大、整形后得到所示的方波信號A和B，如光柵盤正轉(zhuǎn)時A相超前90o，反轉(zhuǎn)時B相超前90o。另外還產(chǎn)生一轉(zhuǎn)脈沖Z，Z為基準(zhǔn)脈沖，或稱零點脈沖，它是圓光柵盤，可以作為坐標(biāo)原點的信號，車削螺紋時作為刀點的信號。思考與練習(xí)舉出2～3種數(shù)控機床常用的位置傳感器，并說明它們的主要特點？答：常用的位置傳感有光柵、感應(yīng)同步器、光電編碼盤等等。它們的特點是：檢測范圍較大，易于實現(xiàn)測量信號數(shù)字化，測量精度高。下一頁上一頁返回

(一)對驅(qū)動元件的要求

1．轉(zhuǎn)動慣量小——以提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)二、驅(qū)動元件

3．低速運行的穩(wěn)定性、均勻性好——以保證低速時的精度2．過載能力強——以適應(yīng)經(jīng)常出現(xiàn)的過沖現(xiàn)象返回下一頁上一頁

1．小慣量直流伺服電動機

(二)直流伺服電動機

轉(zhuǎn)子細而長——大大減小了電動機的轉(zhuǎn)動慣量,快速響應(yīng)性能好。2)

氣隙較大——換向性好，時間常數(shù)5-10ms。

3)

轉(zhuǎn)子上無槽——電感小，時間常數(shù)小，動態(tài)特性好，響應(yīng)快，低速運轉(zhuǎn)穩(wěn)定而均勻。4)氣隙磁密度大——過載能力強。

輸出功率幾+瓦─+千瓦，轉(zhuǎn)速1-3000r/min

最大轉(zhuǎn)矩約20N.m,但輸出需加齒輪減速返回下一頁上一頁1)轉(zhuǎn)矩大2)調(diào)速范圍寬

1000~1500r/min3)轉(zhuǎn)動慣量小設(shè)計時可忽略其它傳動件的轉(zhuǎn)動慣量

4)動態(tài)響應(yīng)好

最大峰值轉(zhuǎn)矩可達額定轉(zhuǎn)矩的10倍，可在3倍額定轉(zhuǎn)矩的過載條件下工作30min，但快速響應(yīng)性能不如小慣量電機。5)過載能力強返回特點：2．大慣量直流伺服電動機

下一頁上一頁1．籠型異步型伺服電動機定子

—

對稱三相繞組

產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場

轉(zhuǎn)子

—

轉(zhuǎn)子繞組（導(dǎo)體）

切割磁通

產(chǎn)生感應(yīng)電勢

感應(yīng)電流

電磁轉(zhuǎn)矩

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向不同——異步

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度小于旋轉(zhuǎn)磁場速度n0——轉(zhuǎn)差率

(三)交流伺服電動機

返回下一頁上一頁2．永磁同步型伺服電動機

定子

—

三相電樞繞組

產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場

轉(zhuǎn)子

—

永磁體

產(chǎn)生恒定勵磁磁場

通電的電樞繞組及載流導(dǎo)體切割磁力線

產(chǎn)生電磁力

以反作用力方式驅(qū)動轉(zhuǎn)子永磁體轉(zhuǎn)動

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向相同——同步

返回(三)交流伺服電動機

下一頁上一頁返回下一頁上一頁

表2DC伺服電動機與AC伺服電動機的比較

1．DC電動機轉(zhuǎn)速公式

三、速度調(diào)節(jié)

(一)直流伺服電動機的調(diào)速n=

UD/Ce

-RI/Ce

UD—電樞電壓Ce—與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)

—勵磁磁通

I

—勵磁電流

R—電樞回路電阻

改變UD

調(diào)速的方法

可控硅調(diào)速PWM調(diào)速返回下一頁上一頁1)可控硅電力半導(dǎo)體器件，是弱電控制到強電輸出的橋梁作用。包括：陽極（A）、陰極（K）、控制級（G）導(dǎo)通條件：?。╆枠OA：

陰極K：

ⅱ）控制級G

加正向電壓。

2．可控硅調(diào)速（SCR-M）三、速度調(diào)節(jié)

(一)直流伺服電動機的調(diào)速KAG返回下一頁上一頁三、速度調(diào)節(jié)

(一)直流伺服電動機的調(diào)速2)SCR-M調(diào)速系統(tǒng)

特點：工作頻率低，輸出電壓波形差，電流脈動分量大，這不但使電機發(fā)熱，工作條件惡化，也影響電網(wǎng)電壓波動。位置檢測及反饋

速度檢測及反饋

位置

位置

速度

速度

電流

uk

α

指令

偏差

指令

偏差

指令

MM電流檢測反饋

UDM返回下一頁上一頁1)脈寬調(diào)速原理3.脈寬調(diào)制(PWM)原理與系統(tǒng)PWM—PulseWidthModulation

直流電源電壓U經(jīng)開關(guān)S轉(zhuǎn)換為一定頻率的方波電壓加到直流電機電樞上，通過對方波脈沖寬度的控制，就可改變電樞的平均電壓，從而調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。SUuDMMM返回下一頁上一頁設(shè)開關(guān)S開閉周期為T，每次閉合時間為

則電樞兩端平均電壓Ud為：

Ud=

U/T=rU

r:導(dǎo)通率(脈寬系數(shù))

T一定

Ud

=0Ud=0電機停止

=TUd=U最高轉(zhuǎn)速

SUuDMMM3.脈寬調(diào)制(PWM)原理與系統(tǒng)PWM—PulseWidthModulation1)脈寬調(diào)速原理uDuDUd1Ud2TT

T：500～2500Hz，

大大小于電動機的時間常數(shù)，故無轉(zhuǎn)速脈動。

返回下一頁上一頁2)脈寬調(diào)制器PWM輸入：電流調(diào)節(jié)器輸出的直流電壓Uc輸出：幅值恒定，寬度可變的矩形脈沖電壓方法：高頻載波法、數(shù)字脈寬調(diào)制、高頻極限環(huán)法等比較器

調(diào)制信號發(fā)生器

Uc

Uc+D(t)

e’(t)D(t)

++返回下一頁上一頁位置檢測及反饋

速度檢測及反饋

位置

位置

速度

速度

電流

uk

α

指令

偏差

指令

偏差

指令

MM電流檢測反饋

UD1.交流調(diào)速方法

交流電動機調(diào)速公式：

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

定子電源頻率→變頻調(diào)速

高效率、寬范圍、高精度P:

磁極對數(shù)→變P調(diào)速S:

轉(zhuǎn)差率

→變S調(diào)速

(二)交流伺服電動機的調(diào)速返回下一頁上一頁第四章進給伺服系統(tǒng)(二)交流伺服電動機的調(diào)速2.PWM型變頻器

構(gòu)成

二極管整流器：交—直變換，經(jīng)電容器濾波平滑，產(chǎn)生恒定的直流電壓，輸出給逆變器。

PWM逆變器：直—交變換、調(diào)頻、調(diào)壓，產(chǎn)生電壓、頻率可調(diào)交流電壓,輸出給伺服電動機的電樞繞組。M~返回下一頁上一頁感應(yīng)同步器定尺繞組中感應(yīng)的總電勢是滑尺上正弦繞組和余弦繞組所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢的___。①代數(shù)和②代數(shù)差③矢量和④矢量差對于一個設(shè)計合理，制造良好的帶位置閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機床，可達到的精度由___決定。

①機床機械結(jié)構(gòu)的精度②檢測元件的精度③計算機的運算速度

④驅(qū)動裝置的精度

1.3.3閉環(huán)伺服系統(tǒng)

習(xí)題返回下一頁上一頁②③習(xí)題解釋摩爾條紋的放大作用？答：

將兩塊具有相同柵距的光柵，取有刻線的一面疊合在一起，并使它們的刻線之間保持一個很小的夾角θ。這時如果在光柵正面用平行光垂直投射，則在光柵背面形成明暗相間的條紋，即摩爾條紋。兩條暗帶或兩條帝帶之間的距離叫摩爾條紋的間距B。設(shè)光柵的柵距為W，則有由上式可見θ越小，B越大，等于把柵距擴大了1/θ倍轉(zhuǎn)化為摩爾條紋。1.3.3閉環(huán)伺服系統(tǒng)

返回下一頁上一頁習(xí)題1.3.3閉環(huán)伺服系統(tǒng)

4）小慣量直流電動機什么特點？可應(yīng)用于什么場合？

答：