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1、,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,(二) 闭环伺服系统分类,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,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,从检测的信号分,直线型,回转型,从传感器 输出信号分,2检测传感器分类,直线感应同步器、长光栅
2、、 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,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,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
3、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,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.,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=kUsSin或 U=kUcCos,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，
4、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=Umsint Uc=Umcost,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： U=kUssin +kUccos =kUmcos(t-),由上式可知感应电压的相位角就等于转子的机 械转角。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。,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（为机械
5、转角） Us=Umsinsint Uc=Umcossint,则在转子绕组上得到感应电压为 U =kUssin +kUccos =kUmsint(sin sin +cos cos ) =kUmcos(-)sint,感应同步器,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,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。,感应同步器,感应同步器,光栅位
6、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,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。,摩尔条纹的作用,放大作用,误差均化作用,光栅位置检测装置,摩尔条纹的移动距离与光栅的移动距离
7、成比例， 光栅横向移动一个节距，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,c. 测量位移,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。,磁尺位置检测装置,磁尺：,磁尺位置检测装置,磁性标尺：,磁尺位置检测装置,表面录有相等节距（一般为0.05，0.1，0.2，1mm）周期变化的磁信号。,磁尺位置检测装置,磁头,工作原理,磁尺检测是模拟测量，检出信号是一模拟信号，必须经
8、检 测电路处理变换，才能获得表示位移量的脉冲信号。,工作原理,两个磁头I、II的激电流，由分频、滤波和功放 后获得，磁头移动距离x后的输出电压为：,在求和电路中相加，则得磁头总输出电压为：,脉冲编码器,脉冲编码器的分类,增量式脉冲编码器,脉冲编码器,结构图,脉冲编码器,工作原理,脉冲编码器,是一种绝对角度位置检测装置，它的位置输出信号是 某种制式的数码信号，它表示位移后所达到的绝对位置， 要用起点和终点的绝对位置的数码信号，经运算后才能得 到位移量的大小。,特点,电源切除后位置信息不会丢失，只要通电就能显示出所在的绝 对位置信号，因此在事故停机检修后，可以根据加工程序章上 标明的停机时的绝对位
9、置，或停机时记录下来的绝对位置，用 绝对位移指令直接找回原机位置进行继续加工。,绝对式脉冲编码盘,脉冲编码器,绝对式脉冲编码盘,码盘上有许多同心圆环，称为码道，整个圆盘又分为若干个等分的扇形区段，每一相同的扇形区段的码道组成一个数码，着色的码道为“1”，未着色的码道为“0”，内环码道为数码的高位。,A图为二进制数码，B图为葛莱循环码,在圆盘的同一半径方向的每个码道处，如图的圆点所示，安装一个光电元件，光源装在圆盘的另一侧，码盘转动，每一扇形区段愉的光信号通过光电元件转换成数码脉冲信号。,脉冲编码器,绝对式脉冲编码盘,脉冲编码器,绝对式脉冲编码盘,纯二进制码有一个缺点：相邻两个二进制数可能有多
10、位二进制码不同，当数码切换时有多个数位要进行切 换，增大了误读的机率。,葛莱码相邻两个二进制数码只有一个数位不同，因此 两数切换时只在一位进行，提高了读数的可靠性。,两种编码的可靠性的比较:,脉冲编码器,脉冲编码器,多圈式绝对编码器，综合了各种编码器的长处。其内部结构 如图所式。,多圈式脉冲编码盘,多圈式脉冲编码盘,脉冲编码器,它有一个光电码盘和一个磁码盘，两条通道的信号经过检测 装置内部的CPU、大规模集成电路及驱动电路串行地输出绝对 位置信息。,这种编码器的优点是： 分辨率高 响应快 具有数据长期存储功能 串行输出，信号线少，可靠性高，便于长距离传输,(一) 对驱动元件的要求,1转动惯量小
11、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,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,1) 转矩大,2) 调速范围宽 10001500r/min,3) 转动惯量小 设计时可忽略其它传动件的转动惯量,4) 动
12、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,特点：,2大惯量直流伺服电动机,表1 日本富士通公司直流伺服电动机系列几种规格的主要技术参数,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,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
13、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,(三)交流伺服电动机,表2 DC伺服电动机与AC伺服电动机的比较,1DC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,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：）阳极A： 阴极K： ）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,三、速度
14、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。,M,1) 脉宽调速原理,3. 脉宽调制 (PWM) 原理与系统,PWM Pulse Width Modulation,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。,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 =0 Ud=0 电机停止 =T Ud=
15、U 最高转速,3. 脉宽调制 (PWM) 原理与系统,PWM Pulse Width Modulation,1) 脉宽调速原理,T：500 2500Hz， 大大小于电动机的时间常数，故无转速脉动。,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,调制信号发生器 产生频率、幅值都固定的高频载波信号D（t）, D(t)可以是三角波、锯齿波、正弦波,高频载波法的原理 直流输入信号Uc 叠加 在载波信号D(t)上， 再进入比较器。 比较器是一个具有继电器特性的电子元件，其输出信号是一个与D(t)同频率的矩形脉冲，脉冲占空比取决于Uc的大小。,2) 脉宽调制器 PWM,2) 脉宽调制器 PWM,3) 功率放大器,3) 功率放大器,4) PWM-M系统组成及工作原理,PWM-M 特点： 开关频率高，仅靠电枢的电感作用，即可获得满意的滤波作用，近似直流。无论高速或低速电机转速和扭矩平滑均匀，调速比可以做得很大，且发热小，寿命长。,1.交流调速方法,交流电动机调速公式： n = 60 f1(1-S)/P f1: 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
