第三章進給伺服系統(tǒng)2

第三節(jié)閉環(huán)伺服系統(tǒng)一、概述第三章進給伺服系統(tǒng)

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

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全閉環(huán)

精度高，但結(jié)構(gòu)復雜、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第三章進給伺服系統(tǒng)

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第三章進給伺服系統(tǒng)

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同步器、長光柵、長磁柵、激光干涉儀旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應同步器、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、感應同步器返回下一頁上一頁第三章進給伺服系統(tǒng)

感應同步器——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、應用較廣。

光柵——抗干擾能力強，高分辨率、大量程、測量精度高、

應用廣泛，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，有應用。3．檢測元件的特點返回下一頁上一頁第三章進給伺服系統(tǒng)

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，應用較少。3．檢測元件的特點返回下一頁上一頁第三章進給伺服系統(tǒng)

(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——以適應經(jīng)常出現(xiàn)的過沖現(xiàn)象返回下一頁上一頁第三章進給伺服系統(tǒng)

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第三章進給伺服系統(tǒng)

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

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表1日本富士通公司直流伺服電動機系列幾種規(guī)格的主要技術(shù)參數(shù)

第三章進給伺服系統(tǒng)

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（導體）

切割磁通產(chǎn)生感應電勢

感應電流

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

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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

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表2DC伺服電動機與AC伺服電動機的比較

第三章進給伺服系統(tǒng)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）導通條件：ⅰ）陽極A：

陰極K：

ⅱ）控制級G

加正向電壓。

第三章進給伺服系統(tǒng)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返回下一頁上一頁第三章進給伺服系統(tǒng)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返回下一頁上一頁第三章進給伺服系統(tǒng)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返回下一頁上一頁第三章進給伺服系統(tǒng)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uDuDUd1Ud2TTT：500～2500Hz，

大大小于電動機的時間常數(shù)，故無轉(zhuǎn)速脈動。

返回下一頁上一頁第三章進給伺服系統(tǒng)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

UD第三章進給伺服系統(tǒng)

調(diào)制信號發(fā)生器

產(chǎn)生頻率、幅值都固定的高頻載波信號D（t）,D(t)可以是三角波、鋸齒波、正弦波

高頻載波法的原理直流輸入信號Uc

疊加在載波信號D(t)上，再進入比較器。比較器是一個具有繼電器特性的電子元件，其輸出信號是一個與D(t)同頻率的矩形脈沖，脈沖占空比取決于Uc的大小。2)脈寬調(diào)制器PWM比較器

調(diào)制信號發(fā)生器

Uc

Uc+D(t)

e’(t)D(t)

++返回下一頁上一頁下一頁上一頁第三章進給伺服系統(tǒng)2)脈寬調(diào)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)返回第三章進給伺服系統(tǒng)3)功率放大器tttUb1Ub2UabMVD2VD1VD3VD4abV1V2V3V4EdUb3ttUb4H型單極型PWM放大器原理器返回下一頁上一頁第三章進給伺服系統(tǒng)3)功率放大器雙極型PWM放大器原理器UabtttUb1Ub2MVD2VD1VD3VD4abV1V2V3V4EdUb3ttUb4返回下一頁上一頁第三章進給伺服系統(tǒng)4)PWM-M系統(tǒng)組成及工作原理電壓—脈寬調(diào)制器

比較器

功率放大器

伺服電機

調(diào)制信號發(fā)生器

Uc

Uc+D(t)

e’(t)

u4

D(t)

++

PWM-M特點：

開關(guān)頻率高，僅靠電樞的電感作用，即可獲得滿意的濾波作用，近似直流。無論高速或低速電機轉(zhuǎn)速和扭矩平滑均勻，調(diào)速比可以做得很大，且發(fā)熱小，壽命長。返回下一頁上一頁第三章進給伺服系統(tǒng)1.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三章進給伺服系統(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~返回下一頁上一頁下一頁上一頁第三章進給伺服系統(tǒng)(二)交流伺服電動機的調(diào)速2.PWM型變頻器

返回PWM逆變器原理第三章進給伺服系統(tǒng)(二)交流伺服電動機的調(diào)速2.PWM型變頻器

PWM逆變器原理ED：二極管整流器輸出的直流電壓

VT1--VT4：大功率晶體管，工作于開關(guān)壯態(tài)下一頁上一頁返回控制信號：加在VT1--VT4基極上的一組等副、不等寬的矩形脈沖(調(diào)制信號)，由控制電路產(chǎn)生。輸出信號：逆變器輸出端Uab一組與控制信號頻率相同、但幅值放大的矩行脈沖。改變VT1、VY4和VT2、VT3交替導通的時間→改變輸出波形的頻率；返回下一頁上一頁第三章進給伺服系統(tǒng)(二)交流伺服電動機的調(diào)速2.PWM型變頻器

PWM逆變器原理改變半周期內(nèi)VT1、VY4（或VT2、VT3）的通斷比→改變脈沖寬度→改變輸出電壓幅值。下一頁上一頁返回六只大功率晶體管組成全橋式電路，電動機定子采用“Y”連接。

第三章進給伺服系統(tǒng)(二)交流伺服電動機的調(diào)速2.PWM型變頻器

PWM逆變器原理逆變器與電動機定子三相繞組的連接如圖所示第三章進給伺服系統(tǒng)

方波

——三角波調(diào)制：輸出波形的平均值按方波形式變化

三角波

——載波信號，決定逆變器的開關(guān)頻率。

3.PWM控制信號形成

返回下一頁上一頁第三章進給伺服系統(tǒng)*正弦波——三角波調(diào)制：輸出波形的平均值按正弦波形式變化*方波、正弦波

——控制信號，頻率、幅值均可調(diào)，決定逆變器的輸出頻率和幅值，可以由矢量變換控制獲得。*兩信號交叉點——調(diào)制信號，即逆變器功率晶體管基極的控制信號

3.PWM控制信號形成

返回下一頁上一頁4.失量變換控制原理

第三章進給伺服系統(tǒng)返回下一頁上一頁失量控制由德國學者于1972年提出,首先應用于感應(IM)電動機中,目前也應用于永磁電動機(PM)中,且更易實現(xiàn),在高性能伺服驅(qū)動系統(tǒng)中得以廣泛應用。失量控制是模仿直流電動機的控制得出的。直流伺服電動機

·定子——繞組通以電流If——產(chǎn)生勵磁磁通

·電樞——繞組通以電流Ia——產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩

If,Ia彼此獨立，分別調(diào)節(jié)可以控制φ、T此外，勵磁磁場和電樞電流空間角度是由電刷和機械換向所固定，且是正交的，從而使電樞電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩最大。4.失量變換控制原理第三章進給伺服系統(tǒng)返回下一頁上一頁同步：兩磁場相互作用，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁常相同永磁同步交流伺服電動·轉(zhuǎn)子——永磁體——產(chǎn)生恒定的勵磁磁場·定子——三相電樞繞組——電樞電流——產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場勵磁磁場與電樞電流的空間角度不是固定的，隨負載而變化，故不能簡單地通過調(diào)節(jié)電樞電流來直接控制電磁轉(zhuǎn)矩。4.失量變換控制原理第三章進給伺服系統(tǒng)返回下一頁上一頁設(shè)計一控制系統(tǒng)，對電樞電流相對勵磁磁場進行空間定向控制——角度控制；同時也控制電樞電流幅值——幅值控制，統(tǒng)稱失量控制。在角度控制中，選擇使電樞磁場與勵磁磁場空間角度正交——磁場定向，使電樞電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩最大，以實現(xiàn)直流伺服電動機的嚴格模擬。永磁同步交流伺服電動交流調(diào)速系統(tǒng)控制回路的結(jié)構(gòu)與原理如下圖：

第三章進給伺服系統(tǒng)返回下一頁上一頁交流調(diào)速系統(tǒng)控制回路的結(jié)構(gòu)與原理圖說明

第三章進給伺服系統(tǒng)返回下一頁上一頁1)轉(zhuǎn)子磁極位置檢測電路為了使電流與永磁體磁通在空間角度正交,必須正確檢測出磁極位置.檢測位置:旋轉(zhuǎn)變壓器2)正弦波產(chǎn)生電路產(chǎn)生以轉(zhuǎn)子位置為相位的正弦波3)DC-SIN(直流正弦)變換回路由于在交流伺服電動機中需向電繞組通以三相交流正弦電壓,故需將速度調(diào)節(jié)器輸出的直流電流參考信號轉(zhuǎn)化為交流正弦信號交流調(diào)速系統(tǒng)控制回路的結(jié)構(gòu)與原理圖說明

第三章進給伺服系統(tǒng)返回下一頁上一頁

DC-SIN變換回路原理:正弦波發(fā)生電路輸出的數(shù)字化正弦波信號與速度調(diào)節(jié)器輸出的直流信號在乘法器中相乘,其輸出信號作為交流正弦電流指令.交流調(diào)速系統(tǒng)控制回路的結(jié)構(gòu)與原理圖說明

第三章進給伺服系統(tǒng)返回下一頁上一頁交流調(diào)速系統(tǒng)控制回路的結(jié)構(gòu)與原理圖說明

第三章進給伺服系統(tǒng)返回下一頁上一頁4)正弦波PWM電路以一定頻率和一定振幅的三角波與電流調(diào)節(jié)器輸出的正弦波在比較器中進行比較，若只取出正弦波超出三角波的部分，即可輸出不等寬的脈沖列。當脈沖的占空比為50%時,逆變器的輸出電壓為零。由于正弦波以50%占空比為中心而向兩邊增減，平均看來就得到了正弦調(diào)制。交流調(diào)速系統(tǒng)控制回路的結(jié)構(gòu)與原理圖說明

第三章進給伺服系統(tǒng)返回下一頁上一頁交流調(diào)速系統(tǒng)控制回路的結(jié)構(gòu)與原理圖說明

第三章進給伺服系統(tǒng)返回下一頁上一頁5)速度檢測回路檢測裝置:旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器

可同時完成磁極位置的檢測。6)速度調(diào)節(jié)器ASRASR輸入信號：速度指令與速度反饋信號輸出信號：電流指令信號（直流量）控制規(guī)律：比例積分(PL)作用：進行穩(wěn)定的速度控制要求：能快速響應速度指令；交流調(diào)速系統(tǒng)控制回路的結(jié)構(gòu)與原理圖說明

第三章進給伺服系統(tǒng)返回下一頁上一頁7)電流調(diào)節(jié)器ACRACR輸入信號：電流指令與電流反饋信號輸出信號：電流控制信號控制規(guī)律：比例積分(PL)作用：完成與磁通矢良正交的高速控制，使電樞繞組中的電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，以適應對電流瞬時值跟蹤控制.感應同步器定尺繞組中感應的總電勢是滑尺上正弦繞組和余弦繞組所產(chǎn)生的感應電勢的___。

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

第三節(jié)閉環(huán)伺服系統(tǒng)

習題返回下一頁上一頁②③習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。第三節(jié)閉環(huán)伺服系統(tǒng)

返回下一頁上一頁習題為了改善磁柵傳感器的輸出信號，常采用有n個間隙的磁頭，磁頭之間間隔為___。

①一個節(jié)距②1/4節(jié)距③節(jié)距的整倍數(shù)④1/2節(jié)距④在磁柵傳感器中，有n個間隔為1/2節(jié)距的磁頭，相鄰兩磁頭的輸出繞組___，這樣得到的信號將為單個磁頭輸出信號的n倍。

①正向串接②反向并接③反向串接④反向并接③第三節(jié)閉環(huán)伺服系統(tǒng)

返回下一頁上一頁習題設(shè)指示光柵相對于標尺光柵作正向運動時，亮條紋按P1-P2-P3-P4-P1的順序掃描四個光電元件，經(jīng)過四倍頻細分電路，有四個尖脈沖依A’D’C’B’A’的順序出現(xiàn)；則光柵作反向運動時，即亮條紋按P4-P3-P2-P1-P4的順序掃描，四個尖脈沖出現(xiàn)的順序是________________。C’D’A’B’C’感應同步器中，為了辨別位移的方向和提高精度，采用了辯向及細分電子線路，這種電路還用在______。

①磁柵 ②磁柵③光柵 ④光電盤②第三節(jié)閉環(huán)伺服系統(tǒng)

返回下一頁上一頁第三節(jié)閉環(huán)伺服系統(tǒng)

習題將二進制數(shù)碼1011轉(zhuǎn)換為循環(huán)碼是____________。普通二進制編碼盤與葛萊循環(huán)碼盤有什么優(yōu)點？答：普通二進制編碼盤把角度與二進制數(shù)碼相對應，因而數(shù)值直觀。葛萊循環(huán)碼盤針對普通二進制編碼盤容易產(chǎn)生非單值性誤差這一缺點進行改進，使得相領(lǐng)兩個數(shù)碼之間只有一位變化，限制了非單值性誤差。1110第三節(jié)閉環(huán)伺服系統(tǒng)

習題PWM-M系統(tǒng)是指____。

①直流發(fā)電機—電動機組

②可控硅直流調(diào)壓電源加直流電動機組

③脈沖寬度調(diào)制器—直流電動機調(diào)速系統(tǒng)

④感應電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)脈沖調(diào)寬調(diào)速系統(tǒng)的開頭頻率可達____。

①100次/秒②1000次/秒

③2000次/分④2000次/秒③④返回下一頁上一頁習題第三節(jié)閉環(huán)伺服系統(tǒng)

小慣量直流電動機什么特點？可應用于什么場合？

答：(1)

轉(zhuǎn)動慣量小。約為普通直流電機的1/10左右。

(2)

電氣、機械時間常數(shù)小。故這種電機動態(tài)特性好，響應快、加、減速能力強。

(3)

由于轉(zhuǎn)子無槽，電氣、機械均衡性好，使其在低速時運轉(zhuǎn)穩(wěn)定而均勻。例如，當轉(zhuǎn)速低到10r/min時，仍無爬行現(xiàn)象，且調(diào)速范圍寬。

(4)

峰值轉(zhuǎn)矩可達額定值的10倍。

(5)由于這類電機轉(zhuǎn)動慣量小，一般與負載轉(zhuǎn)動慣量同一量級，甚至在某些機床上負載的轉(zhuǎn)動慣量要比電機的大得多