《闭环伺服系统.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《闭环伺服系统.pdf（47页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、闭环伺服系统闭环伺服系统一、概述一、概述1位置检测单元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。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比较环节比较环节完成指令信号与反馈信号的比较等。完成指令信号与反馈信号的比较等。3伺服驱动伺服驱动功率放大，以驱动伺服元件。功率放大，以驱动伺服元件。4伺服电机伺服电机将电信号转换成机械运动。将电信号转换成机械运动。(一一)系统组成系统组成指令信号指令信号比较环节比较环节伺服驱动伺服驱动伺服电机伺服电机位置检测单元位置检测单元反馈信号反馈信号返回返回下一页下一页全闭环 全闭环 精度高精度高，但结构复杂、成本高，调试维
2、修困 难，适于大型精密数控系统。，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 半闭环 精度较全闭环差些，但精度较全闭环差些，但结构简单，造价低结构简单，造价低且且便于调整。便于调整。交流伺服直流伺服数字伺服交流伺服直流伺服数字伺服(二二)闭环伺服系统分类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返回下一页下一页上一页上一页1对检测元器件的要求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
3、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(三三)闭环伺服系统常用的检测元件闭环伺服系统常用的检测元件返回返回下一页下一页上一页上一页从检测的 信号分从检测的 信号分直线型回转型直线型回转型从传感器输出信号分从传感器输出信号分模拟式数字式模拟式数字式2检测传感器分类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、感应同步器直线感应同步器、长光栅、长磁栅、激光干涉仪旋转变压
4、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、感应同步器返回返回下一页下一页上一页上一页感应同步器感应同步器抗干扰能力强抗干扰能力强，对，对环境要求低环境要求低，维护简单维护简单、价格低，、价格低，寿命较长寿命较长，具有一定精度、，具有一定精度、应用较广应用较广。光栅光栅抗干扰能力抗干扰能力强，强，高分辨率高分辨率、大量程大量程、测量、测量精度高精度高、应用广泛应用广泛，但，但成本较高成本较高，制造，制造工艺要求高工艺要求高。磁栅磁栅抗干扰能力抗干扰能力强，对强，对环境条件要求环境条件要求低，安装调整方 便，低，安装调整方 便，精度高精度高，但，但存在磁信号的稳定
5、性存在磁信号的稳定性，磁头磨损磁头磨损等问题，有应 用。等问题，有应 用。3检测元件的特点检测元件的特点返回返回下一页下一页上一页上一页旋转变压器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。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，易损坏抗污染能
6、力差，易损坏。激光干涉仪激光干涉仪精度很高，但精度很高，但抗震性、抗干扰能力差抗震性、抗干扰能力差，价格较贵，应用较少。，价格较贵，应用较少。3检测元件的特点检测元件的特点返回返回下一页下一页上一页上一页下一页下一页4.4.检测元件工作原理检测元件工作原理检测元件工作原理检测元件工作原理旋转变压器旋转变压器旋转变压器旋转变压器按照按照互感原理互感原理工作定子绕组上分别加上工作定子绕组上分别加上交变励磁交变励磁电压当转子旋转时，通过电压当转子旋转时，通过电磁耦合电磁耦合，转子绕组内产生，转子绕组内产生感应电势感应电势感应电压感应电压.返回返回定子Uc(Cos)定子Uc(Cos)Us(Sin)Us
7、(Sin)转子转子U U4.4.检测元件工作原理检测元件工作原理检测元件工作原理检测元件工作原理Us,Uc为定子正弦、余弦绕组上的为定子正弦、余弦绕组上的激磁电压激磁电压，k为为变压 比变压 比，即，即定子绕组与转子绕组定子绕组与转子绕组的匝数比的匝数比W1/W2。定子Uc(Cos)定子Uc(Cos)Us(Sin)Us(Sin)转子转子U U旋转变压器旋转变压器U=kUsSin或或 U=kUcC旋转变压器旋转变压器作为作为位置检测装置位置检测装置有两种应用方式：有两种应用方式：鉴相方式鉴相方式和和鉴幅方式鉴幅方式。1.鉴相工作方式鉴相工作方式在在旋转变压器旋转变压器定子的两相正交绕组，又称为正
8、弦和余弦绕组上，分别加上定子的两相正交绕组，又称为正弦和余弦绕组上，分别加上幅值相等幅值相等、频率相同频率相同的正弦、余弦激磁电压的正弦、余弦激磁电压Us=UmsintUc=Umcost旋转变压器的应用旋转变压器的应用下一页下一页上一页上一页返回返回旋转变压器的应用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：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=kUssin+kUccos=kUmcos(t-)由上式可知感应电压的由上式可知感应电压的相位角相位角就等于转子的就等于转子的机械转角机械转角。因此只要检测出转子输出电
9、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。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角位移。下一页下一页上一页上一页返回返回旋转变压器的应用旋转变压器的应用2.鉴幅工作方式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（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（为机械转角）为机械转角）Us=UmsinsintUc=Umcossint则在转子绕组上得到感应电压为则在转子绕组
10、上得到感应电压为U=kUssin+kUccos=kUmsint(sin sin+cos cos)=kUmcos(-)sint下一页下一页上一页上一页返回返回思考与练习思考与练习 旋 转 变 压 器 工 作 时，加 到 励 磁 绕 组 的 电 压 旋 转 变 压 器 工 作 时，加 到 励 磁 绕 组 的 电 压 Us=Um sinsin(t)，则此时加到补偿绕组的电压应为，则此时加到补偿绕组的电压应为 _。Uc=Um cos sin(t)Uc=Um sin sin(t)Uc=Um cos cos(t)Uc=Um sin cos(t)旋转变压器的输出反映了 旋转变压器的输出反映了 和 和 的固定
11、函数关 系。的固定函数关 系。答：答：电压 转子角位移答：答：电压 转子角位移下一页下一页上一页上一页返回返回感应同步器工作原理图感应同步器工作原理图感应同步器感应同步器感应同步器感应同步器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，工作原理同旋转变压器的工作原理相同，滑齿滑齿的两个激磁绕组通以的两个激磁绕组通以激磁电压激磁电压，滑齿与定齿相对移动时，在，滑齿与定齿相对移动时，在定齿定齿上便产生上便产生感应电压感应电压，感应电压随位移的变化而变化。，感应电压随位移的变化而变化。节距为节距为=2mm返回返回下一页下一页上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
12、弦波形。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感应同步器感应同步器感应同步器感应同步器感应同步器感应同步器工作原理图感应同步器工作原理图设当设当滑尺相对定尺移动滑尺相对定尺移动后，后，感应电压感应电压逐渐变小，在错开逐渐变小，在错开1/4节距节距的的b点点时，感应电压为零。再继续移到时，感应电压为零。再继续移到1/2节距节距的的c点点时得到的电压值与时得到的电压值与a点位置相同，但极性相反。随后感应电压在点位置相同，但极性相反。随后感应电压在3/4节距节距位置位置d点点时又变为零，在移动时又变为零，在移动一个节距一个节距到到e点点时，电压幅
13、值与时，电压幅值与a点位置相同。点位置相同。下一页下一页上一页上一页返回返回感应同步器感应同步器感应同步器感应同步器定尺和滑尺绕组的节距均为定尺和滑尺绕组的节距均为2=2mm，当两 尺相 对移动，当两 尺相 对移动2 后，感应电势以余弦或正弦函数变化 电气角后，感应电势以余弦或正弦函数变化 电气角2 ，当相对移动距离为，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时，则对应的感 应电压将变化一个相位角，由比例关系，由比例关系/(2)=x/(2)可得 可得:=x/同理，因同理，因余弦绕组余弦绕组与与正弦绕组正弦绕组错开错开1/4个节距，即 个节距，即/2的相位角的相位角，由余弦绕组激
14、磁在定尺上产生的 感应电压应按，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。定尺上的总感应电 压，是上述两个感应电压的线性叠加线性叠加。感应同步器感应同步器感应同步器感应同步器下一页下一页上一页上一页返回返回 感应同步器采用鉴幅法工作时，可用于检测位移 和 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感应同步器定尺绕组中感应的总电势是滑尺上_和和_ 可产生的感应电势的 可产生的感应电势的。答：正弦绕组 余弦绕组 矢量和答：正弦绕组 余弦绕组 矢量和感应同步器是
15、一种 感应同步器是一种 式的高精度位移检测元件。它有 式的高精度位移检测元件。它有 和 和 两种。两种。答：电磁感应 直线式 圆盘式答：电磁感应 直线式 圆盘式思考与练习思考与练习下一页下一页上一页上一页返回返回光栅位置检测装置光栅位置检测装置光栅位置检测装置光栅位置检测装置i.光栅检测装置的结构光栅检测装置的结构光源透镜标尺光栅Gs指示光栅Gi光电元件驱动电路驱动电路光源透镜标尺光栅Gs指示光栅Gi光电元件驱动电路驱动电路执行部件带着执行部件带着标尺光栅标尺光栅相对相对指示光栅指示光栅移动，通过读 数头的移动，通过读 数头的光电转换光电转换，发送出与位移量对应的，发送出与位移量对应的数字脉冲
16、 数字脉冲 信号，用作信号，用作位置反馈位置反馈信号或信号或位置显示位置显示信号信号返回返回下一页下一页上一页上一页光栅尺光栅尺光栅尺光栅尺光栅位置检测装置光栅位置检测装置光栅位置检测装置光栅位置检测装置包括包括标尺光栅标尺光栅和和指示光栅.指示光栅.根据制造方法和光学原理不同，根据制造方法和光学原理不同，光栅光栅可分为可分为透射光栅透射光栅和和反射光栅反射光栅透射光栅透射光栅是在光学玻璃表面，或在玻璃表面是在光学玻璃表面，或在玻璃表面感光材料的涂层 上感光材料的涂层 上刻成刻成光栅线纹光栅线纹。其特点是:。其特点是:光源可以垂直入射光源可以垂直入射，光电元件直接接受光照，因此信号幅 值比较大
17、，光电元件直接接受光照，因此信号幅 值比较大，信噪比好信噪比好，光电密度为200线/mm时，光栅本身就已 经细分到.005mm从而，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。减轻了电子线路的负担。光源透镜标尺光栅Gs指示光栅Gi光电元件驱动电路驱动电路光源透镜标尺光栅Gs指示光栅Gi光电元件驱动电路驱动电路返回返回下一页下一页上一页上一页ii.ii.摩尔条纹摩尔条纹摩尔条纹摩尔条纹光栅位置检测装置光栅位置检测装置光栅位置检测装置光栅位置检测装置标尺光栅指示光栅标尺光栅指示光栅光栅节距光栅节距摩尔条纹节距摩尔条纹节距作用：放大作用误差均化作用测量位移
18、作用：放大作用误差均化作用测量位移W光栅倾角光栅倾角W、之间的关系之间的关系之间的关系之间的关系光栅位置检测装置光栅位置检测装置光栅位置检测装置光栅位置检测装置/2指示光栅标尺光栅指示光栅标尺光栅BACW/2横向莫尔条纹的参数横向莫尔条纹的参数BC=ABsin(/2)其中 其中 BC=/2，AB=W/2，因此 因此 W=/sin(/2)由于由于很小很小，单位为，单位为rad 时，时，Sin(/2)故故 W /光栅节距光栅节距W下一页下一页上一页上一页令令k=W/=1/k=W/=1/,则则k k为放大比。如=0.01mm，取=0.002 rad=0.11为放大比。如=0.01mm，取=0.002
19、 rad=0.11o o 则W=5mm,则W=5mm,K=500,K=500,即即放大500放大500倍倍，这样光栅节距虽小，摩尔条纹 的节距却有5mm，因此这样光栅节距虽小，摩尔条纹 的节距却有5mm，因此摩尔条纹清晰可见，易于测 量摩尔条纹清晰可见，易于测 量。iii.iii.摩尔条纹的作用摩尔条纹的作用摩尔条纹的作用摩尔条纹的作用a.放大作用放大作用b.误差均化作用误差均化作用摩尔条纹摩尔条纹是由许多根刻线共同形成的，这样可使光栅的是由许多根刻线共同形成的，这样可使光栅的节距误差节距误差得到得到平均化平均化。光栅位置检测装置光栅位置检测装置光栅位置检测装置光栅位置检测装置返回返回摩尔条纹
20、摩尔条纹的移动距离与的移动距离与光栅光栅的移动距离成比例，光栅的移动距离成比例，光栅横向移动横向移动一个节距，摩尔条纹正好一个节距，摩尔条纹正好沿刻线上下沿刻线上下移动一个节距移动一个节距W，或者说在光栅刻线的某一位置，摩尔条纹，或者说在光栅刻线的某一位置，摩尔条纹明明-暗暗-明明变化一个周期，这为光元件的变化一个周期，这为光元件的安装与信号检测安装与信号检测提供了良好的条件。提供了良好的条件。利用利用脉冲变换电路脉冲变换电路可以提高光栅检测装置的 读数分辨率，有可以提高光栅检测装置的 读数分辨率，有四倍四倍、八倍八倍、十倍十倍、二十倍 二十倍 等。等。光栅位置检测装置光栅位置检测装置光栅位置
21、检测装置光栅位置检测装置返回返回c.测量位移测量位移下一页下一页上一页上一页光栅测位移原理动画演是一种精度较高的位置检测装置。它 由磁性是一种精度较高的位置检测装置。它 由磁性标尺标尺、磁头磁头、和、和检测电路检测电路组成。组成。下一页下一页上一页上一页磁尺位置检测装置磁尺位置检测装置磁尺位置检测装置磁尺位置检测装置磁尺 尺：磁尺 尺：伺服系统数字显示伺服系统数字显示尺尺磁磁检测电路检测电路磁磁磁尺位置检测装置磁尺位置检测装置返回返回下一页下一页脉冲编码器脉冲编码器脉冲编码器脉冲编码器脉冲编码器脉冲编码器是一种旋转式角位移检测装置，能 将是一种旋转式角位移检测装置，能 将机械转角机械转角变换成
22、变换成电脉冲电脉冲，是数空机床上，是数空机床上使用 最光使用 最光的检测装置。脉冲编码器的分类的检测装置。脉冲编码器的分类增量式脉冲编码器增量式脉冲编码器绝对式脉冲编码盘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光电式接触式电磁感应式光电式接触式电磁感应式返回返回下一页下一页上一页上一页板路电刷印光源板路电刷印光源园光栅园光栅指示光栅指示光栅光电元件低坐护罩光电元件低坐护罩旋转轴AA向旋转轴AA向增量式脉冲编码器增量式脉冲编码器增量式脉冲编码器增量式脉冲编码器脉冲编码器脉冲编码器脉冲编码器脉冲编码器结构图结构图指示光栅指示光栅有两组线纹有两组线纹A和和B，每组线纹的，每组线纹
23、的节距节距和和圆 光栅圆 光栅的节距相同，但的节距相同，但A、B两组线纹彼此错开两组线纹彼此错开1/4 个节距，每组线纹与个节距，每组线纹与旋转圆光栅旋转圆光栅配合产生两路配合产生两路脉 冲脉 冲A和和B用于用于记数和辩向记数和辩向。返回返回下一页下一页上一页上一页脉冲编码器脉冲编码器脉冲编码器脉冲编码器 工作原理工作原理工作原理工作原理光源接通，光源接通，圆光栅圆光栅旋 转，光线透过两个光栅 的旋 转，光线透过两个光栅 的A,B两组线纹，每转 过一个两组线纹，每转 过一个光栅节距光栅节距，便在 光电元件上形成，便在 光电元件上形成明明 暗暗明明变化一个周期的 变化一个周期的 光信号光信号，并
24、被转化为两 组近乎于，并被转化为两 组近乎于正弦波正弦波的电压 信号，连续旋转便得到 的电压 信号，连续旋转便得到 A和和B两路两路正弦电压信 号正弦电压信 号oUAB90A相B相90oUAB90A相B相90o o5v0v5v0v5v0v5v0v脉冲编码的输出信号脉冲编码的输出信号返回返回如右图所示：放大、整形后得到所示 的方波信号如右图所示：放大、整形后得到所示 的方波信号A和和B，如 光栅盘正转时，如 光栅盘正转时A相超前 相超前 90o，反转时，反转时B相超前 相超前 90o。另外还产生一转 脉冲。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
25、信号，车削 螺纹时作为刀点的信 号为基准脉 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5v0vZ思考与练习思考与练习举出举出23种数控机床常用的位置传感器，并说明 它们的主要特点？答：种数控机床常用的位置传感器，并说明 它们的主要特点？答：常用的位置传感有常用的位置传感有光栅光栅、感应同步器感应同步器、光电编码 盘光电编码 盘等等。它们的特点是：等等。它们的特点是：检测范围较大检测范围较大，易于实现测量 信号数字化易于实现测量 信号数字化，测量精度高测量精度高。下一页下一页上一页上一页返回返回(一一)对驱动元件的要求对驱动元件的要求11转动惯量小转
26、动惯量小以提高系统的快速响应以提高系统的快速响应二、驱动元件二、驱动元件二、驱动元件二、驱动元件33低速运行的稳定性、均匀性好低速运行的稳定性、均匀性好以保证低速时的精度以保证低速时的精度22过载能力强过载能力强以适应经常出现的过冲现象以适应经常出现的过冲现象返回返回下一页下一页上一页上一页1小惯量直流伺服电动机1小惯量直流伺服电动机(二二二二)直流伺服电动机直流伺服电动机直流伺服电动机直流伺服电动机1)转子细而长转子细而长大大减小了电动机的大大减小了电动机的转动惯量转动惯量,快速响应性能好。,快速响应性能好。2)气隙较大气隙较大换向性好换向性好，时间常数5-10ms。，时间常数5-10ms。
27、3)转子上无槽转子上无槽电感小，时间常数小电感小，时间常数小，动态特性 好，响应快，低速运转稳定而均匀。，动态特性 好，响应快，低速运转稳定而均匀。4)气隙磁密度大气隙磁密度大过载能力强过载能力强。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。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返回下一页下一页上一页上一页1)转矩大转矩大2)调速范围宽 调速范围宽 10001500r/min3)转动惯量小 转动惯量小 设计时可设计时可忽略忽略其它传动件的其它传动件的转动惯量转动惯量4)动态响应好动态响应好最大峰
28、值转矩最大峰值转矩可达可达额定转矩额定转矩的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，但快速响应性能快速响应性能不如小惯量电机。不如小惯量电机。5)过载能力强过载能力强返回返回特点：特点：2 2大惯量直流伺服电动机大惯量直流伺服电动机下一页下一页上一页上一页1笼型异步型伺服电动机1笼型异步型伺服电动机定子定子 对称三相绕组对称三相绕组产生旋转磁场产生旋转磁场转子 转子 转子绕组（导体）转子绕组（导体）切割磁通切割磁通产生感应电势产生感应电势感应电流感应电流 电磁转矩电磁转矩 转子转动转子转动转子转子转动方向转动方向与旋转磁场方向
29、与旋转磁场方向不同不同异步异步转子转子转动速度转动速度小于小于旋转磁场速度n旋转磁场速度n0 0 转差率转差率(三)交流伺服电动机(三)交流伺服电动机返回返回下一页下一页上一页上一页2永磁同步型伺服电动机2永磁同步型伺服电动机定子 定子 三相电枢绕组三相电枢绕组产生产生旋转磁场旋转磁场转子 转子 永磁体永磁体 产生恒定产生恒定励磁磁场励磁磁场 通电的电枢绕组及载流导体切割磁力线通电的电枢绕组及载流导体切割磁力线产生电磁力产生电磁力 以反作用力方式以反作用力方式驱动转子驱动转子永磁体永磁体转动转动 转子转子转动的方向转动的方向与旋转磁场方向与旋转磁场方向相同相同同步同步返回返回(三)交流伺服电动
30、机(三)交流伺服电动机下一页下一页上一页上一页返回返回下一页下一页上一页上一页表2 DC伺服电动机与AC伺服电动机的比较表2 DC伺服电动机与AC伺服电动机的比较机 种机 种比 较 内 容比 较 内 容 永 磁 同 步 型永 磁 同 步 型 A C 伺 服 电 动 机伺 服 电 动 机 异 步 型异 步 型 A C 伺 服 电 动 机伺 服 电 动 机 D C 伺 服 电 动 机伺 服 电 动 机 电 机 构 造电 机 构 造 比 较 简 单比 较 简 单 简 单简 单 因 有 电 刷 和 换 向 器，因 有 电 刷 和 换 向 器，结 构 复 杂结 构 复 杂 变 流 机 构变 流 机 构
31、C TR 或或 P-MO SFET逆 变 器逆 变 器 或或 P-MO SFET 逆 变 器逆 变 器 大 转 矩 约 束大 转 矩 约 束 永 磁 体 去 磁永 磁 体 去 磁 无 特 殊 要 求无 特 殊 要 求 整 流 火 花，整 流 火 花，永 磁 体 退 磁永 磁 体 退 磁 发 热 情 况发 热 情 况 只 有 定 子 线只 有 定 子 线 圈 发 热，有 利圈 发 热，有 利 定、转 子 均 发 热，需定、转 子 均 发 热，需采 取 措 施采 取 措 施 转 子 发 热，不 利转 子 发 热，不 利 高 速 化高 速 化 比 较 容 易比 较 容 易 容 易容 易 稍 有 困
32、难稍 有 困 难 大 容 量 化大 容 量 化 稍 微 困 难稍 微 困 难 容 易容 易 难难 制 动制 动 容 易容 易 困 难困 难 容 易容 易 控 制 方 法控 制 方 法 稍 复 杂稍 复 杂 复 杂复 杂(矢 量 控 制矢 量 控 制)简 单简 单 磁 通 产 生磁 通 产 生 永 磁 体永 磁 体 二 次 感 应 磁 通二 次 感 应 磁 通 永 磁 体永 磁 体 感 应 电 压感 应 电 压 电 枢 感 应 电 压电 枢 感 应 电 压 二 次 阻 抗 电 压二 次 阻 抗 电 压 电 枢 感 应 电 压电 枢 感 应 电 压 环 境 适 应 性环 境 适 应 性 好好 好好
33、 受 火 花 限 制受 火 花 限 制 维 护 性维 护 性 无无 无无 较 麻 烦较 麻 烦 1DC电动机转速公式1DC电动机转速公式三、速度调节三、速度调节三、速度调节三、速度调节(一)直流伺服电动机的调速(一)直流伺服电动机的调速n=U UD D/Ce -RI/Ce UUD D 电枢电压 电枢电压 C Ce e 与电机结构有关的常数与电机结构有关的常数 励磁磁通 励磁磁通 I I 励磁电流 励磁电流 R R电枢回路电阻改变 电枢回路电阻改变 U UD D 调速调速的方法的方法可控硅调速可控硅调速PWM调速调速返回返回下一页下一页上一页上一页1)可控硅可控硅电力半导体电力半导体器件，是器件
34、，是弱电弱电控制到控制到强电强电输出的桥梁作用。包括：输出的桥梁作用。包括：阳极阳极（A）、）、阴极阴极（K）、）、控制级控制级（G）导通条件：）导通条件：）阳极阳极A：阴极阴极K：）控制级控制级G 加正向电压。加正向电压。2可控硅调速2可控硅调速（SCR-M）三、速度调节三、速度调节三、速度调节三、速度调节(一)直流伺服电动机的调速(一)直流伺服电动机的调速KAG返回返回下一页下一页上一页上一页三、速度调节三、速度调节三、速度调节三、速度调节(一)直流伺服电动机的调速(一)直流伺服电动机的调速2)SCR-M调速系统特点：特点：工作频率工作频率低低，输出电压波形输出电压波形差差，电流脉动电流脉
35、动分量大分量大，这不但，这不但使电机发热，工作条件恶化，也影响电网电压波动。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检测及反馈速度检测及反馈位置 位置 速度 速度 电流 位置 位置 速度 速度 电流 uk 指令 偏差 指令 偏差 指令指令 偏差 指令 偏差 指令MM电流检测反馈 电流检测反馈 UDM返回返回下一页下一页上一页上一页1)脉宽调速原理脉宽调速原理3.脉宽调制(脉宽调制(PWM)原理与系统原理与系统PWM Pulse Width Modulation 直流电源电压U直流电源电压U经经开关S开关S转换为转换为一定频率一定频率的的方波电压方波电压加到
36、直流电机加到直流电机电枢电枢上，通过对方波上，通过对方波脉冲宽度脉冲宽度的控制，就可改变电枢的的控制，就可改变电枢的平均电压平均电压，从而调节电机，从而调节电机转速。转速。SUuDMMM返回返回下一页下一页上一页上一页设开关S设开关S开闭周期为开闭周期为T，每次，每次闭合时间为闭合时间为则电枢两端平均电压则电枢两端平均电压Ud 为：为：Ud=U/T=rUr:导通率(脉宽系数)导通率(脉宽系数)T一定 一定 Ud =0 Ud=0 电机停止电机停止=T Ud=U 最高转速最高转速SUuDMMM3.脉宽调制(脉宽调制(PWM)原理与系统原理与系统PWM Pulse Width Modulation
37、1)脉宽调速原理脉宽调速原理uDuDUd1Ud2TT T：500 2500Hz，大大小于电动机的时间常数，故无转速脉动。T：500 2500Hz，大大小于电动机的时间常数，故无转速脉动。返回返回下一页下一页上一页上一页2)脉宽调制器 脉宽调制器 PWM输入输入：电流调节器电流调节器输出的直流电压U输出的直流电压Uc c输出输出：幅值恒定幅值恒定，宽度可变宽度可变的的矩形脉冲电压矩形脉冲电压方法方法：高频载波法高频载波法、数字脉宽调制数字脉宽调制、高频极限环法高频极限环法等等比较器比较器调制信号发生器调制信号发生器UcUc+D(t)e(t)D(t)+返回返回下一页下一页上一页上一页位置检测及反馈
38、速度检测及反馈位置检测及反馈速度检测及反馈位置 位置 速度 速度 电流 位置 位置 速度 速度 电流 uk 指令 偏差 指令 偏差 指令指令 偏差 指令 偏差 指令MM电流检测反馈 电流检测反馈 UD1.交流调速方法1.交流调速方法交流电动机调速公式：交流电动机调速公式：n=60 f1(1-S)/Pf f1:1:定子电源频率 定子电源频率 变频调速变频调速 高效率、宽范围、高精度高效率、宽范围、高精度P:P:磁极对数 磁极对数 变 P调速S:变 P调速S:转差率 转差率 变 S调速变 S调速(二二)交流伺服电动机的调速交流伺服电动机的调速返回返回下一页下一页上一页上一页第四章第四章第四章 第四
39、章 进给伺服系统进给伺服系统进给伺服系统进给伺服系统(二二)交流伺服电动机的调速交流伺服电动机的调速2.2.PWM型变频器PWM型变频器构成构成 二极管整流器：二极管整流器：交交直变换直变换，经电容器滤波平滑经电容器滤波平滑，产生恒定的，产生恒定的直流电压直流电压，输出给逆变器。，输出给逆变器。PWM逆变器：逆变器：直直交变换交变换、调频、调压，调频、调压，产生产生电压电压、频率频率可调可调交流电压交流电压,输出给伺服电动机的电枢绕组。,输出给伺服电动机的电枢绕组。M返回返回下一页下一页上一页上一页2)2)感应同步器定尺绕组中感应的感应同步器定尺绕组中感应的总电势总电势是滑尺上是滑尺上正弦绕组
40、正弦绕组和和余弦绕组余弦绕组所产生的感应电势的_。代数和 代数差 矢量和 矢量差所产生的感应电势的_。代数和 代数差 矢量和 矢量差1)1)对于一个设计合理，制造良好的带对于一个设计合理，制造良好的带位置闭环控制系 统位置闭环控制系 统的数控机床，可达到的的数控机床，可达到的精度精度由_决定。机床机械结构的精度 检测元件的精度计算机的运算速度 驱动装置的精度由_决定。机床机械结构的精度 检测元件的精度计算机的运算速度 驱动装置的精度1.3.3 闭环伺服系统 1.3.3 闭环伺服系统 习题习题返回返回下一页下一页上一页上一页习题习题3)解释摩尔条纹的解释摩尔条纹的放大作用放大作用？答答：将两块具
41、有：将两块具有相同栅距相同栅距的光栅，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夹角。这时如果在 光栅正面用。这时如果在 光栅正面用平行光平行光垂直投射，则在光栅背面形成垂直投射，则在光栅背面形成明暗相间明暗相间的条 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。设光栅的栅距为W，则有由上式可见越小，则有由上式可见越小，B越大，等于把栅距扩大了越大，等于把栅距扩大了1/倍转化为 摩尔条纹。倍转化为 摩尔
42、条纹。WWB2sin21.3.3 闭环伺服系统1.3.3 闭环伺服系统返回返回下一页下一页上一页上一页习题习题1.3.3 闭环伺服系统1.3.3 闭环伺服系统4）4）小惯量直流电动机什么小惯量直流电动机什么特点特点？可应用于？可应用于什么场合什么场合？答：答：(1)转动惯量小。约为普通直流电机的转动惯量小。约为普通直流电机的1/10左右。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。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，当转速低到由于转子无槽，电气、机械均衡
43、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。时，仍无爬行现象，且调速范围宽。(4)峰值转矩可达额定值的峰值转矩可达额定值的10倍。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。这样，机床传动链和执行机构就成了影响整个系统动态特性的主要因素，增加了调试工作的困难。而且，当工作情况改变时，系统容易出现不稳定的情况。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。这样，机床传动链和执行机构就成了影响整个系统动态特性的主要因素，增加了调
44、试工作的困难。而且，当工作情况改变时，系统容易出现不稳定的情况。习题习题1.3.3 闭环伺服系统1.3.3 闭环伺服系统5）5）小惯量直流电动机什么小惯量直流电动机什么特点特点？可应用于？可应用于什么场合什么场合？答：应用：答：应用：目前，仅在高速轻载伺服系统，如数控印刷电路板钻床中采用目前，仅在高速轻载伺服系统，如数控印刷电路板钻床中采用习题习题1.3.3 闭环伺服系统1.3.3 闭环伺服系统6）6）大惯量直流电动机有哪些大惯量直流电动机有哪些特点特点？多用于？多用于哪些场合哪些场合？答：答：大惯量直流电动机工作原理与普通它激式直流电机相同，其结构和性能上有以下大惯量直流电动机工作原理与普通
45、它激式直流电机相同，其结构和性能上有以下特点特点：(1)(1)转子扁而粗，其长度与直径之比仅为0.2左右。在电枢直径相同的条件下，电枢直径增加一倍，可使电动机产生的电磁转矩增加一倍。理论分析还证明，电动机旋转速度和电枢直径成反比，因此这种电机可以得到低速大扭矩。转子扁而粗，其长度与直径之比仅为0.2左右。在电枢直径相同的条件下，电枢直径增加一倍，可使电动机产生的电磁转矩增加一倍。理论分析还证明，电动机旋转速度和电枢直径成反比，因此这种电机可以得到低速大扭矩。习题习题1.3.3 闭环伺服系统1.3.3 闭环伺服系统7）7）大惯量直流电动机有哪些大惯量直流电动机有哪些特点特点？多用于？多用于哪些场
46、合哪些场合？(2)(2)转矩大，转矩惯量比高于普通电机，电枢电路的电感小，动态特性好。转矩大，转矩惯量比高于普通电机，电枢电路的电感小，动态特性好。(3)(3)调速范围宽，低速性能好，转速可达调速范围宽，低速性能好，转速可达01000r/min。(4)(4)转动惯量较大，设计时可只考虑电机的转动惯量，忽略其它传动件挡量转动惯量。转动惯量较大，设计时可只考虑电机的转动惯量，忽略其它传动件挡量转动惯量。(5)(5)过载能力大，最大峰值转矩可达额定转矩的10倍，并可在三倍额定转矩的过载条件下工作30分钟。在数控机床的闭环、半闭环伺服系统中得到广泛应 用过载能力大，最大峰值转矩可达额定转矩的10倍，并可在三倍额定转矩的过载条件下工作30分钟。在数控机床的闭环、半闭环伺服系统中得到广泛应 用应用:应用: