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1、第第4章章伺服控制系统伺服控制系统第第4章章伺服驱动系统设计伺服驱动系统设计4.1概述概述4.2传感与检测传感与检测4.3驱动元件驱动元件4.4伺服驱动系统设计伺服驱动系统设计4.5数控机床设计实例数控机床设计实例思考题思考题第第4章章伺服控制系统伺服控制系统4.1概述概述4.1.1伺服驱动系统的基本概念伺服驱动系统的基本概念一、基本概念一、基本概念伺伺服服控控制制系系统统是是一一种种能能够够跟跟踪踪输输入入的的指指令令信信号号进进行行动动作作，从从而而获获得得精精确确的的位位置置、速速度度及及动动力力输输出出的的自自动控制系统。动控制系统。P152第第4章章伺服控制系统伺服控制系统二、伺服系
2、统的基本结构形式二、伺服系统的基本结构形式机机电电一一体体化化的的伺伺服服控控制制系系统统的的结结构构、类类型型繁繁多多，但但从从自自动动控控制制理理论论的的角角度度来来分分析析，伺伺服服控控制制系系统统一一般般包包括括控控制制器器、被被控控对对象象、执执行行环环节节、检检测测环环节节、比比较较环节等五部分。环节等五部分。图图4-1给出了伺服系统组成原理框图。给出了伺服系统组成原理框图。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统图图4-1伺服系统组成原理框图伺服系统组成原理框图第第4章章伺服控制系统伺服控制系统1.比较环节比较环节;比比较较环环节节是是将将输输入入的的指指令令信信号号与与系系统统的的反
3、反馈馈信信号号进进行行比比较较，以以获获得得输输出出与与输输入入间间的的偏偏差差信信号号的的环环节节，通通常常由由专专门门的的电路或计算机来实现。电路或计算机来实现。2.控制器控制器;控控制制器器通通常常是是计计算算机机或或PID控控制制电电路路，其其主主要要任任务务是是对对比比较较元元件件输输出出的的偏偏差差信信号号进进行行变变换换处处理理，以以控控制制执执行行元元件件按按要求动作。要求动作。3.执行环节执行环节;执执行行环环节节的的作作用用是是按按控控制制信信号号的的要要求求，将将输输入入的的各各种种形形式式的的能能量量转转化化成成机机械械能能，驱驱动动被被控控对对象象工工作作。机机电电一
4、一体体化化系系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统4.被控对象被控对象;5.检测环节检测环节;检检测测环环节节是是指指能能够够对对输输出出进进行行测测量量并并转转换换成成比比较较环环节节所所需需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。伺服系统的分类伺服系统的分类伺伺服服系系统统的的分分类类方方法法很很多多，常常见见的的分分类类方方法法有有以以下下三三种。种。(1)按被控量参数特性分类。按被控量参数特性分类。(2)按驱动元件的类型分类。按驱动元件的类型
5、分类。(3)按控制原理分类。按控制原理分类。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统4.1.2伺服控制系统设计方法及步骤伺服控制系统设计方法及步骤一、伺服控制系统的基本要求一、伺服控制系统的基本要求1、稳定性、稳定性伺伺服服系系统统的的稳稳定定性性是是指指当当作作用用在在系系统统上上的的干干扰扰消消失失以以后后，系系统统能能够够恢恢复复到到原原来来稳稳定定状状态态的的能能力力；或或者者当当给给系系统统一一个个新新的的输输入入指指令令后后，系系统统达达到到新新的的稳稳定定运运行状态的能力。行状态的能力。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统2、系统精度、系统精度伺伺服服系系统统精精度度指指的的是是输输出出
6、量量复复现现输输入入信信号号要要求求的的精精确确程程度度，以以误误差差的的形形式式表表现现，可可概概括括为为动动态态误误差差、稳态误差和静态误差三个方面组成。稳态误差和静态误差三个方面组成。稳稳定定的的伺伺服服系系统统对对输输入入变变化化是是以以一一种种振振荡荡衰衰减减的的形形式式反反映映出出来来，振振荡荡的的幅幅度度和和过过程程产产生生了了系系统统的的动动态态误误差差；当当系系统统振振荡荡衰衰减减到到一一定定程程度度以以后后，我我们们称称其其为为稳稳态态，此此时时的的系系统统误误差差就就是是稳稳态态误误差差；由由设设备备自自身身零零件精度和装配精度所决定的误差通常指静态误差。件精度和装配精度
7、所决定的误差通常指静态误差。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统3、响应特性、响应特性响响应应特特性性指指的的是是输输出出量量跟跟随随输输入入指指令令变变化化的的反反应应速速度度，决决定定了了系系统统的的工工作作效效率率。响响应应速速度度与与许许多多因因素素有有关关，如计算机的运行速度、运动系统的阻尼和质量等。如计算机的运行速度、运动系统的阻尼和质量等。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统4、工作频率、工作频率工工作作频频率率通通常常是是指指系系统统允允许许输输入入信信号号的的频频率率范范围围。当当工工作作频频率率信信号号输输入入时时，系系统统能能够够按按技技术术要要求求正正常常工工作作；而其它频
8、率信号输入时，系统不能正常工作。而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。上上述述的的四四项项特特性性是是相相互互关关联联的的，是是系系统统动动态态特特性性的的表表现现特特征征。利利用用自自动动控控制制理理论论来来研研究究、分分析析所所设设计计系系统统的的频频率率特特性性，就就可可以以确确定定系系统统的的各各项项动动态态指指标标。系系统统设设计计时时，在在满满足足系系统统工工作作要要求求（包包括括工工作作频频率率）的的前前提提下下，首首先先要要保保证证系系统统的的稳稳定定性性和和精精度度，并并尽尽量量提提高高系系统统的的响响应速度。应速度。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统二、系统伺服设计的一般
9、步骤二、系统伺服设计的一般步骤1、设计要求分析、设计要求分析分析技术指标；明确应用场合和目的；根据技术分析技术指标；明确应用场合和目的；根据技术条件设定设计思路、方案；经论证，选定设计方案。条件设定设计思路、方案；经论证，选定设计方案。2、系统系能分析、系统系能分析系统主程序流程；对前述的基本要求相关指标，系统主程序流程；对前述的基本要求相关指标，依次进行分析（稳定性尤重）；依次进行分析（稳定性尤重）；3、计算选定测量或执行元件等、计算选定测量或执行元件等4、设计机械传动和执行部分、设计机械传动和执行部分第第4章章伺服控制系统伺服控制系统5、控制系统设计、控制系统设计主要有信号处理、功放电路、
10、校正设计、伺服电主要有信号处理、功放电路、校正设计、伺服电机、驱动电路、接口设计等。机、驱动电路、接口设计等。6、系统性能复查、系统性能复查边计算边调整，直至满意为止；边计算边调整，直至满意为止；7、依据前、依据前6个步骤，确定设计方案，编写说明书，进个步骤，确定设计方案，编写说明书，进行样机试制。行样机试制。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统编码器分类编码器分类编码器编码器模拟量编码器模拟量编码器数字编码器数字编码器旋转变压器旋转变压器Sin/Cos Sin/Cos 编码器编码器增量编码器增量编码器绝对值编码器绝对值编码器A, A, B, B, C, C_格雷码格雷码二进制码二进制码4.2伺
11、服驱动系统中的传感与检测伺服驱动系统中的传感与检测第第4章章伺服控制系统伺服控制系统4.2.1位置检测元件位置检测元件一、光电旋转编码器一、光电旋转编码器光光电电编编码码器器是是一一种种旋旋转转式式测测量量装装置置，通通常常安安装装在在被被测测轴轴上上，随随被被测测轴轴一一起起转转动动，可可将将被被测测轴轴的的角角位位移移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。所所谓谓增增量量式式，即即只只测测量量位位移移增增量量，并并用用数数字字脉脉冲冲的个数表示单位位移的数量。的个数表示单位位移的数量。根根据据检检测测原原理理，编编码码器器可可分分为为光光学学式式、磁磁
12、式式、感感应式和电容式。应式和电容式。根根据据其其刻刻度度方方法法及及信信号号输输出出形形式式，可可分分为为增增量量式式、绝对式以及混合式三种。绝对式以及混合式三种。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动
13、机同轴，地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图所示号，其原理示意图如图所示：第第4章章伺服控制系统伺服控制系统图图4-2 4-2 增量式光电编码器示意原理增量式光电编码器示意原理 增量式光电编码器检测装置由光源、聚光镜、光增量式光电编码器检测装置由光源、聚光镜、光栅盘、光栅板、光电管、信号处理电路等组成。光栅栅盘、光栅板、光电管、信号处理电路等组成。光栅盘和光栅板用玻璃研磨抛光制成，
14、玻璃的表面在真空盘和光栅板用玻璃研磨抛光制成，玻璃的表面在真空中镀一层不透明的铬，然后用照相腐蚀法，在光栅盘中镀一层不透明的铬，然后用照相腐蚀法，在光栅盘的边缘上开有间距相等的透光狭缝。在光栅板上制成的边缘上开有间距相等的透光狭缝。在光栅板上制成两条狭缝，每条狭缝的后面对应安装一个光电管。两条狭缝，每条狭缝的后面对应安装一个光电管。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统当光栅盘随被测工作轴一起转动时，每转过一个当光栅盘随被测工作轴一起转动时，每转过一个缝隙，光电管就会感受到一次光线的明暗变化，使光缝隙，光电管就会感受到一次光线的明暗变化，使光电管的电阻值改变，这样就把光线的明暗变化转变成电管的电阻
15、值改变，这样就把光线的明暗变化转变成电信号的强弱变化，而这个电信号的强弱变化近似于电信号的强弱变化，而这个电信号的强弱变化近似于正弦波的信号，经过整形和放大等处理，变换成脉冲正弦波的信号，经过整形和放大等处理，变换成脉冲信号。信号。通过计数器计量脉冲的数目，即可测定旋转运动通过计数器计量脉冲的数目，即可测定旋转运动的角位移；通过计量脉冲的频率，即可测定旋转运动的角位移；通过计量脉冲的频率，即可测定旋转运动的转速，测量结果可以通过数字显示装置进行显示或的转速，测量结果可以通过数字显示装置进行显示或直接输入到控制系统中。直接输入到控制系统中。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统图图4-3 4-3 增
16、量式光电编码器外形结构图增量式光电编码器外形结构图第第4章章伺服控制系统伺服控制系统增量式光电编码器外形结构见图增量式光电编码器外形结构见图4-3。实际应用的光电编码器的光栅板上有两组条纹实际应用的光电编码器的光栅板上有两组条纹A、A和和B、B，A组与组与B组的条纹彼此错开组的条纹彼此错开14节距，两组节距，两组条纹相对应的光敏元件所产生的信号彼此相差条纹相对应的光敏元件所产生的信号彼此相差90相位，相位，用于辨向。此外，在光电码盘的里圈里还有一条透光用于辨向。此外，在光电码盘的里圈里还有一条透光条纹条纹C(零标志刻线零标志刻线)，用以每转产生一个脉冲，该脉冲，用以每转产生一个脉冲，该脉冲信号
17、又称零标志脉冲，信号又称零标志脉冲，作为测量基准。作为测量基准。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统通过光栏板两条狭缝的光信号通过光栏板两条狭缝的光信号A和和B，相位角相差，相位角相差90，通过光电管转换并经过信号的放大整形后，成为两，通过光电管转换并经过信号的放大整形后，成为两相方波信号。相方波信号。图图4-4 4-4 光电编码器的输出波形光电编码器的输出波形第第4章章伺服控制系统伺服控制系统光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与光栅盘圆周的条纹数有关，即分辨角而这与光栅盘圆周的条纹数有关，即分辨角分辨角分辨角=360/条纹条纹如
18、果数条纹数为如果数条纹数为1024，则分辨角则分辨角=360/1024=0.352。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统增量式旋转编码器的特点：增量式旋转编码器的特点：编码器每转动一个预先设定的角度将输出一个脉编码器每转动一个预先设定的角度将输出一个脉冲信号，通过统计脉冲信号的数量来计算旋转的角度，冲信号，通过统计脉冲信号的数量来计算旋转的角度，因此编码器输出的位置数据是相对的由于采用固定脉因此编码器输出的位置数据是相对的由于采用固定脉冲信号，因此旋转角度的起始位可以任意设定。冲信号，因此旋转角度的起始位可以任意设定。由于采用相对编码，因此掉电后旋转角度数据会由于采用相对编码，因此掉电后旋转角度
19、数据会丢失需要重新复位。丢失需要重新复位。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统2、绝对式旋转编码器、绝对式旋转编码器用光信号扫描分度盘（分度盘与传动轴相联）上用光信号扫描分度盘（分度盘与传动轴相联）上的格雷码刻度盘以确定被测物的绝对位置值，然后将的格雷码刻度盘以确定被测物的绝对位置值，然后将检测到的格雷码数据转换为电信号以脉冲的形式输出检测到的格雷码数据转换为电信号以脉冲的形式输出测量的位移量。测量的位移量。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统绝对式旋转编码器的特点：绝对式旋转编码器的特点：在一个检测周期内对不同的角度有不同的格雷码在一个检测周期内对不同的角度有不同的格雷码编码，因此编码器输出的位
20、置数据是唯一的编码，因此编码器输出的位置数据是唯一的因使用机械连接的方式，在掉电时编码器的位置因使用机械连接的方式，在掉电时编码器的位置不会改变，上电后立即可以取得当前位置数据检测到不会改变，上电后立即可以取得当前位置数据检测到的数据为格雷码，因此不存在模拟量信号的检测误差。的数据为格雷码，因此不存在模拟量信号的检测误差。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统编码器在扩展轴上编码器在实体轴上绝对编码器分解器临近传感器通用编码器安装在扩展轴上第第4章章伺服控制系统伺服控制系统二、光栅传感器二、光栅传感器光栅的组成结构和检测原理光栅的组成结构和检测原理光栅是一种在透明玻璃上或金属的反光平面上刻光栅是一
21、种在透明玻璃上或金属的反光平面上刻上平行、等距的密集刻线，制成的光学元件。数控机上平行、等距的密集刻线，制成的光学元件。数控机床上用的光栅尺，是利用两个光栅相互重叠时形成的床上用的光栅尺，是利用两个光栅相互重叠时形成的莫尔条纹现象，制成的光电式位移测量装置。莫尔条纹现象，制成的光电式位移测量装置。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统按制造工艺不同可分为透射光栅和反射光栅。按制造工艺不同可分为透射光栅和反射光栅。透射光栅是在透明的玻璃表面刻上间隔相等的不透射光栅是在透明的玻璃表面刻上间隔相等的不透明的线纹制成的，线纹密度可达到每毫米透明的线纹制成的，线纹密度可达到每毫米100条以上；条以上；反射光
22、栅一般是在金属的反光平面上刻上平行、等距反射光栅一般是在金属的反光平面上刻上平行、等距的密集刻线，利用反射光进行测量，其刻线密度一般的密集刻线，利用反射光进行测量，其刻线密度一般为每毫米为每毫米450条。条。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统光栅是一种高精度的位移传感器，按结构可分为直线光栅是一种高精度的位移传感器，按结构可分为直线光栅和圆光栅，直线光栅用于测量直线位移，园光栅用来光栅和圆光栅，直线光栅用于测量直线位移，园光栅用来测量角位移。光栅装置在数控设备、坐标镗床、工具显微测量角位移。光栅装置在数控设备、坐标镗床、工具显微镜镜X-Y工作台上广泛使用的位置检测装置，光栅主要用于工作台上广泛
23、使用的位置检测装置，光栅主要用于测量运动位移，确定工作台运动方向及确定工作台运动的测量运动位移，确定工作台运动方向及确定工作台运动的速度。图速度。图4-5是光栅尺在车床上的安装示意图。是光栅尺在车床上的安装示意图。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统示例为图示例为图4-6直线透射光栅尺直线透射光栅尺由光源、长光栅由光源、长光栅(标尺光栅标尺光栅)、短光栅、短光栅(指示光栅指示光栅)、光电元件等组成，一般移动的光栅为短光栅，长光栅光电元件等组成，一般移动的光栅为短光栅，长光栅装在机床的固定部件上。短光栅随工作台一起移动，装在机床的固定部件上。短光栅随工作台一起移动，长光栅的有效长度即为测量范围。两
24、块光栅的刻线密长光栅的有效长度即为测量范围。两块光栅的刻线密度度(即栅距即栅距)相等，其相互平行并保持一定的间隙相等，其相互平行并保持一定的间隙(0.050.1mm)，并且使两块光栅的刻线相互倾斜一个微小，并且使两块光栅的刻线相互倾斜一个微小的角度的角度。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统当光线平行照射光栅时，由于光的透射及衍射效应，当光线平行照射光栅时，由于光的透射及衍射效应，在与线纹垂直的方向上，准确地说，在与两光栅线纹夹角在与线纹垂直的方向上，准确地说，在与两光栅线纹夹角的平分线相垂直的方向上，会出现明暗交替、间隔相等的平分线相垂直的方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗条纹，这就是的粗条
25、纹，这就是“莫尔干涉条纹莫尔干涉条纹”，简称莫尔条纹。，简称莫尔条纹。图图4-6直线透射光栅尺直线透射光栅尺第第4章章伺服控制系统伺服控制系统图图4-7是莫尔条纹形成的原理图是莫尔条纹形成的原理图 当光栅移动一个栅距形时，莫尔条纹也相应移动一莫当光栅移动一个栅距形时，莫尔条纹也相应移动一莫尔条纹的间距尔条纹的间距B B，即光栅某一固定点的光强按明一暗一明，即光栅某一固定点的光强按明一暗一明规律交替变化一次。因此，光电元件只要读出移动的莫尔规律交替变化一次。因此，光电元件只要读出移动的莫尔条纹数目，就知道光栅移动了多少栅距，从而也就知道了条纹数目，就知道光栅移动了多少栅距，从而也就知道了运动部件
26、的准确位移量。运动部件的准确位移量。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统为了对莫尔条纹的移动计数，并判别工作台移动为了对莫尔条纹的移动计数，并判别工作台移动的方向，在光栅尺的一侧安装上光源，另一侧安装上的方向，在光栅尺的一侧安装上光源，另一侧安装上4个光敏元件，每个光敏元件相距为四分之一光栅刻线个光敏元件，每个光敏元件相距为四分之一光栅刻线间距间距(4)，如图，如图4-8所示。所示。当标尺光栅随机床运动部件移动时：当标尺光栅随机床运动部件移动时：1）照射到光敏元件上的光线也随着莫尔条纹移动而产生）照射到光敏元件上的光线也随着莫尔条纹移动而产生明暗相间的变化，经过光敏元件的明暗相间的变化，经过光敏
27、元件的“光一电光一电”变换，变换，得到与刻线移动，相对应的正弦波信号，经过放大、得到与刻线移动，相对应的正弦波信号，经过放大、整形等处理后，变成测量脉冲输出，波形如图整形等处理后，变成测量脉冲输出，波形如图4-8所示。所示。脉冲数等于移动过的刻线数，将该脉冲信号送到计数脉冲数等于移动过的刻线数，将该脉冲信号送到计数器中计数，则计数值就反映了光栅尺移动的距离。器中计数，则计数值就反映了光栅尺移动的距离。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统2 2）每个光敏元件相距为四分）每个光敏元件相距为四分之一光栅刻线间距之一光栅刻线间距( ( 4)4)，使输出信号的相位差为使输出信号的相位差为9090，通过过鉴
28、相电路可判别其运动通过过鉴相电路可判别其运动方向。方向。图图4-8输出信号波形图输出信号波形图第第4章章伺服控制系统伺服控制系统图图4-9四倍频辨向计数电路四倍频辨向计数电路此外，为了提出高测量精度，常用倍频细分法对输出信号进行处理。此外，为了提出高测量精度，常用倍频细分法对输出信号进行处理。图图4-9所示为四倍频电路，所示为四倍频电路，4个光敏元件的安装位置彼此相差个光敏元件的安装位置彼此相差14栅距，栅距，（也就是在一个变化周期内，将光电管由一个增加到四个）这样，产生（也就是在一个变化周期内，将光电管由一个增加到四个）这样，产生4列彼此相差列彼此相差90的信号，为了在的信号，为了在0，90
29、，180，270的位置上都能得到的位置上都能得到脉冲，必须把两路相差脉冲，必须把两路相差90的方波各自反相一次，然后再微分，就可得的方波各自反相一次，然后再微分，就可得到到4个脉冲，从而使分辨率提高个脉冲，从而使分辨率提高4倍。倍。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统为了辨别方向，正向运动时，为了辨别方向，正向运动时，用用“与或与或”门门YHl（图（图4-9所示）所示）得到得到AB+AD+CD+BC的的4个个正向输出脉冲；反向运动时，用正向输出脉冲；反向运动时，用“与或与或”门门YH2得到得到AB+BC+CD+AD的的4个反向个反向输出脉冲。输出脉冲。其波形如图其波形如图4-10所示。所示。图图
30、4-10四倍频波形图四倍频波形图第第4章章伺服控制系统伺服控制系统三、感应同步器三、感应同步器 利用电磁感应原理制成的位移测量装置。利用电磁感应原理制成的位移测量装置。 按结构和用途可分为直线感应同步器和圆盘旋转按结构和用途可分为直线感应同步器和圆盘旋转式感应同步器两类，直线感应同步器用于测量直线位式感应同步器两类，直线感应同步器用于测量直线位移，圆盘旋转式感应同步器用于测量角位移，两者的移，圆盘旋转式感应同步器用于测量角位移，两者的工作原理基本相同。工作原理基本相同。 感应同步器具有较高的测量精度和分辨率，工作感应同步器具有较高的测量精度和分辨率，工作可靠，抗干扰能力强，使用寿命长。目前，直
31、线式感可靠，抗干扰能力强，使用寿命长。目前，直线式感应同步器的测量精度可达应同步器的测量精度可达1.5m1.5m，测量分辨率可，测量分辨率可0.05m0.05m，并可测量较大位移。因此，感应同步器广泛，并可测量较大位移。因此，感应同步器广泛应用于坐标镗床、坐标铣床及其他机床的定位；旋转应用于坐标镗床、坐标铣床及其他机床的定位；旋转式感应同步器常用于雷达天线定位跟踪、精密机床或式感应同步器常用于雷达天线定位跟踪、精密机床或测量仪器的分度装置等。测量仪器的分度装置等。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统感应同步器的结构感应同步器的结构 直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，图直线式感应同步器由定尺
32、和滑尺两部分组成，图4-114-11是感应同步器结构示意图。定尺和滑尺分别安装在机床床是感应同步器结构示意图。定尺和滑尺分别安装在机床床身和移动部件上，定尺或滑尺随工作台一起移动，两者平身和移动部件上，定尺或滑尺随工作台一起移动，两者平行放置，保持行放置，保持0.20.20.3mm0.3mm间隙。标准的感应同步器定尺间隙。标准的感应同步器定尺250mm250mm，尺上有一组感应绕组；滑尺长，尺上有一组感应绕组；滑尺长100mm100mm，尺上有两组，尺上有两组励磁绕组，一组为正弦励磁绕组励磁绕组，一组为正弦励磁绕组usus，一组为余弦励磁绕组，一组为余弦励磁绕组ucuc。绕组的节距与定尺绕组节
33、距相同，均为。绕组的节距与定尺绕组节距相同，均为2mm2mm，用，用表示。表示。当正弦励磁绕组与定尺绕组对齐时，余弦励磁绕组与定尺当正弦励磁绕组与定尺绕组对齐时，余弦励磁绕组与定尺绕组相差绕组相差1 14 4节距。由于定尺绕组是均匀的，因此，滑尺节距。由于定尺绕组是均匀的，因此，滑尺上的两个绕组在空间位置上相差上的两个绕组在空间位置上相差1 14 4节距，即节距，即 /2/2相位角。相位角。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统图图4-11感应同步器结构示意图感应同步器结构示意图a)外观及安装形式外观及安装形式b)绕组绕组第第4章章伺服控制系统伺服控制系统感应同步器在实际应用时，如果被测量的位移长
34、感应同步器在实际应用时，如果被测量的位移长度比定尺长，怎样解决呢？度比定尺长，怎样解决呢？我们可以采用多块定尺接长，相邻定尺间隔通过我们可以采用多块定尺接长，相邻定尺间隔通过调整，使总长度上的累积误差不大于单块定尺的最大调整，使总长度上的累积误差不大于单块定尺的最大偏差。在行程为几米到几十米的中型或大型机床中，偏差。在行程为几米到几十米的中型或大型机床中，工作台位移的直线测量大多数采用感应同步器来实现。工作台位移的直线测量大多数采用感应同步器来实现。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统感应同步器的工作原理：感应同步器的工作原理：感应同步器一般当在滑尺的正弦绕组加一组交流感应同步器一般当在滑尺的正
35、弦绕组加一组交流电压，产生励磁，绕组中产生励磁电流，并产生交变电压，产生励磁，绕组中产生励磁电流，并产生交变磁通，这个交变磁通与定尺绕组耦合，在定尺绕组上磁通，这个交变磁通与定尺绕组耦合，在定尺绕组上分别感应出同频率的交流电压。分别感应出同频率的交流电压。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统图图4-12定尺绕组感应电动势产生原理定尺绕组感应电动势产生原理第第4章章伺服控制系统伺服控制系统图图4-124-12所示为滑尺在不同位置时定尺上的感应电压。如果滑尺处于所示为滑尺在不同位置时定尺上的感应电压。如果滑尺处于图中图中a a点位置，就是，滑尺绕组与定尺绕组完全对应重合，那么，由电工点位置，就是，滑
36、尺绕组与定尺绕组完全对应重合，那么，由电工学知识我们知道：定尺上的感应电压最大。随着滑尺相对定尺做平行移学知识我们知道：定尺上的感应电压最大。随着滑尺相对定尺做平行移动，感应电压逐渐减小。当滑尺移动至图中动，感应电压逐渐减小。当滑尺移动至图中b b点位置，与定尺绕组刚好错点位置，与定尺绕组刚好错开开1 14 4节距时，感应电压为零。再继续移至节距时，感应电压为零。再继续移至1 12 2节距处，即图中节距处，即图中c c点位置点位置时，为最大的负值电压时，为最大的负值电压( (即感应电压的幅值与即感应电压的幅值与a a点相同但极性相反点相同但极性相反) )。再移。再移至至3 34 4节距，即图中
37、节距，即图中d d点位置时，感应电压又变为零。当移动到一个节距点位置时，感应电压又变为零。当移动到一个节距位置即图中位置即图中e e点，又恢复初始状态，即与点，又恢复初始状态，即与a a点情况相同。同学们看看图点情况相同。同学们看看图4-4-1212所示的感应电压，从我们刚才的分析可以看出：显然在定尺和滑尺的所示的感应电压，从我们刚才的分析可以看出：显然在定尺和滑尺的相对位移中，感应电压呈周期性变化，其波形为余弦函数。在滑尺移动相对位移中，感应电压呈周期性变化，其波形为余弦函数。在滑尺移动一个节距的过程中，感应电压变化了一个余弦周期。一个节距的过程中，感应电压变化了一个余弦周期。 同样，若在滑
38、尺的余弦绕组中通以交流励磁电压，也能得出定尺绕同样，若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压，也能得出定尺绕组中感应电压与两尺相对位移的关系曲线，它们之间为正弦函数关系。组中感应电压与两尺相对位移的关系曲线，它们之间为正弦函数关系。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统图图4-13感应同步器相位工作方式感应同步器相位工作方式第第4章章伺服控制系统伺服控制系统4.2.2速度检测元件速度检测元件一、测速电机一、测速电机直直流流测测速速发发电电机机在在结结构构上上与与普普通通小小微微型型直直流流发发电电机机相同，通常是两极电机，分为他励式和永磁式两种。相同，通常是两极电机，分为他励式和永磁式两种。他他励励式
39、式测测速速发发电电机机的的磁磁极极由由铁铁心心和和励励磁磁绕绕组组构构成成，在在励励磁磁绕绕组组中中通通入入直直流流电电流流便便可可以以建建立立极极性性恒恒定定的的磁磁场场。它它的的励励磁磁绕绕组组电电阻阻会会因因电电机机工工作作温温度度的的变变化化而而变变化化，使使励磁电流及其生成的磁通随之变化，产生线性误差。励磁电流及其生成的磁通随之变化，产生线性误差。永磁式测速发电机的磁极由永久磁铁构成，不需励永磁式测速发电机的磁极由永久磁铁构成，不需励磁电源。磁极的热稳定性较好，磁通随电机工作温度的磁电源。磁极的热稳定性较好，磁通随电机工作温度的变化而变化的程度很小，但易受机械振动的影响而引发变化而变
40、化的程度很小，但易受机械振动的影响而引发不同程度的退磁。不同程度的退磁。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统直流测速发电机的工作原理可由直流测速发电机的工作原理可由图图4-14来说明。当励磁电压来说明。当励磁电压Uf恒定且恒定且主磁通主磁通 不变时，测速发电机的电枢不变时，测速发电机的电枢与被测机械连轴而随之以转速与被测机械连轴而随之以转速n旋转，旋转，电枢导体切割主磁通电枢导体切割主磁通 而在其中生成而在其中生成感应电动势感应电动势E。电动势电动势E的极性决定于的极性决定于测速发电机的转向，电动势测速发电机的转向，电动势E的大小与的大小与转速成正比，即转速成正比，即测速发电机空载时，其输出电测
41、速发电机空载时，其输出电压压U为为图4-14 直流测速发电机原理图 第第4章章伺服控制系统伺服控制系统测速发电机负载时，电枢绕组中因流测速发电机负载时，电枢绕组中因流过电枢电流过电枢电流I而在电枢绕组电阻而在电枢绕组电阻ra上产生电压上产生电压降降Ira，如果忽略电枢反应、工作温度对主磁如果忽略电枢反应、工作温度对主磁通通 的影响，忽略电刷与换向器之间的接触的影响，忽略电刷与换向器之间的接触压降，则有压降，则有得得由上式可见，只要主磁通由上式可见，只要主磁通 、接触电压降、电、接触电压降、电枢电阻枢电阻ra、负载电阻负载电阻RL为常数，则输出电压为常数，则输出电压U与电机的转速与电机的转速n成
42、线性关系。输出电压成线性关系。输出电压U随电随电机转速机转速n变化而变化的关系曲变化而变化的关系曲线线，称，称为输出特性，如图为输出特性，如图4-15所示。负载电阻所示。负载电阻RL的的值越大时，值越大时，斜率越大，测速发电机斜率越大，测速发电机的灵敏度越高。的灵敏度越高。 1RL较小；2RL较大 图4-15 直流测速发电机输出特性 第第4章章伺服控制系统伺服控制系统二、光电编码器二、光电编码器上节已介绍。上节已介绍。光电编码器可代替测速发电机的模拟测速而成为数光电编码器可代替测速发电机的模拟测速而成为数字测速装置。字测速装置。P165第第4章章伺服控制系统伺服控制系统4.2.3检测方案设计检
43、测方案设计一、传感器的选择一、传感器的选择现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。取决于传感器的选用是否合理。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统1、根据测量
44、对象与测量环境确定传感器的类型要进行、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测题：量程的大
45、小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。的具体性能指标。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统2、灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传、灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏
46、度高时，与被感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的厂扰信号。传感器的信噪比，尽员减少从外界引入的厂扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量
47、，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。敏度越小越好。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统3、频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的、频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有条件，实际上传感器的响应总有定延迟，希望延迟定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频时间越短越好。传感器
48、的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点低。在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、稳态、瞬态、随机等随机等)响应特性，以免产生过火的误差。响应特性，以免产生过火的误差。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统4、线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的、线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值
49、。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。给测量带来极大的方便
50、。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统5、稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适
51、当的措施，减小环境的影响。传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。严格，要能够经受住长时间的考验。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统6、精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系、精度精度是传感器的一个
52、重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为
53、了定量分析，必须获得精确的值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统传感器的另外选择传感器的另外选择1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理
54、的传感器更为合适，的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量引出方法，有线或是非接触测量.在考虑上述问题之后在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。的具体性能指标。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统2、灵敏
55、度的选择、灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。精度。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统3、频率响应特性、频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，传感器
56、的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有上传感器的响应总有定延迟，希望延迟时间越短越定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等稳态、瞬态、随机等)响应响应特性，以免
57、产生过火的误差。特性，以免产生过火的误差。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统4、线性范围、线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内灵敏度保持定值。传感器的以理论上讲，在此范围内灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当
58、器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。带来极大的方便。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统5、稳定性、稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的
59、稳定性，传感器必须要有较强的使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场要求传感器能长期
60、使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。住长时间的考验。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统6、精度、精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的
61、的诸多传感器中选择比较便宜可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的，选用重和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。制传感器的性
62、能应满足使用要求。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统二、二、测量方案设计测量方案设计（P166）三、测量方式选择三、测量方式选择（P167）第第4章章伺服控制系统伺服控制系统4.3伺服系统中的驱动元件伺服系统中的驱动元件4.3.1驱动元件分类及特点驱动元件分类及特点一、伺服驱动系统对驱动元件的基本要求一、伺服驱动系统对驱动元件的基本要求详见详见P169170第第4章章伺服控制系统伺服控制系统二、二、伺服驱动系统中驱动元件的分类及特点伺服驱动系统中驱动元件的分类及特点伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有：伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有：1、按被控量参数特性分类、按被控量参数特性分类
63、按被控量不同，机电一体化系统可分为位移、速按被控量不同，机电一体化系统可分为位移、速度、力矩等各种伺服系统。其它系统还有温度、湿度、度、力矩等各种伺服系统。其它系统还有温度、湿度、磁场、光等各种参数的伺服系统磁场、光等各种参数的伺服系统2、按驱动元件的类型分类、按驱动元件的类型分类按驱动元件的不同可分为电气伺服系统、液压伺按驱动元件的不同可分为电气伺服系统、液压伺服系统、气动伺服系统。电气伺服系统根据电机类型服系统、气动伺服系统。电气伺服系统根据电机类型的不同又可分为直流伺服系统、交流伺服系统和步进的不同又可分为直流伺服系统、交流伺服系统和步进电机控制伺服系统。电机控制伺服系统。第第4章章伺服
64、控制系统伺服控制系统3、按控制原理分类、按控制原理分类按自动控制原理，伺服系统按自动控制原理，伺服系统又可分为开环控制伺服系统、闭环控制伺服系统和半又可分为开环控制伺服系统、闭环控制伺服系统和半闭环控制伺服系统。闭环控制伺服系统。开环控制伺服系统结构简单、成本低廉、易于维开环控制伺服系统结构简单、成本低廉、易于维护，但由于没有检测环节，系统精度低、抗干扰能力护，但由于没有检测环节，系统精度低、抗干扰能力差。闭环控制伺服系统能及时对输出进行检测，并根差。闭环控制伺服系统能及时对输出进行检测，并根据输出与输入的偏差，实时调整执行过程，因此系统据输出与输入的偏差，实时调整执行过程，因此系统精度高，但
65、成本也大幅提高。半闭环控制伺服系统的精度高，但成本也大幅提高。半闭环控制伺服系统的检测反馈环节位于执行机构的中间输出上，因此一定检测反馈环节位于执行机构的中间输出上，因此一定程度上提高了系统的性能。如位移控制伺服系统中，程度上提高了系统的性能。如位移控制伺服系统中，为了提高系统的动态性能，增设的电机速度检测和控为了提高系统的动态性能，增设的电机速度检测和控制就属于半闭环控制环节。制就属于半闭环控制环节。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统伺服驱动系统中驱动元件的分类及特点：伺服驱动系统中驱动元件的分类及特点：执行元件是能量变换元件，目的是控制机械执行执行元件是能量变换元件，目的是控制机械执行机构
66、运动。机电一体化伺服系统要求执行元件具有转机构运动。机电一体化伺服系统要求执行元件具有转动惯量小、输出动力大、便于控制、可靠性高和安装动惯量小、输出动力大、便于控制、可靠性高和安装维护简便等特点。根据使用能量的不同，可以将执行维护简便等特点。根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电气式、液压式和气动式等几种类型。元件分为电气式、液压式和气动式等几种类型。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统1、电气式执行元件是将电能转化成电磁力，并用、电气式执行元件是将电能转化成电磁力，并用电磁力驱动执行机构运动。如交流电机、直流电机力电磁力驱动执行机构运动。如交流电机、直流电机力矩电机、步进电机等。对控制用电机
67、性能除要求稳速矩电机、步进电机等。对控制用电机性能除要求稳速运转之外，还要求加速、减速性能和伺服性能，以及运转之外，还要求加速、减速性能和伺服性能，以及频繁使用时的适应性和便于维护性。频繁使用时的适应性和便于维护性。电气执行元件的特点是操作简便、便于控制、能电气执行元件的特点是操作简便、便于控制、能实现定位伺服、响应快、体积小、动力较大和无污染实现定位伺服、响应快、体积小、动力较大和无污染等优点，但过载能力差、易于烧毁线圈、容易受噪声等优点，但过载能力差、易于烧毁线圈、容易受噪声干扰。干扰。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统2、液压式执行元件是先将电能变化成液体压力，、液压式执行元件是先将电能
68、变化成液体压力，并用电磁阀控制压力油的流向，从而使液压执行元件并用电磁阀控制压力油的流向，从而使液压执行元件驱动执行机构运动。液压式执行元件有直线式油缸、驱动执行机构运动。液压式执行元件有直线式油缸、回转式油缸、液压马达等。回转式油缸、液压马达等。液压执行元件的特点是输出功率大、速度快、动液压执行元件的特点是输出功率大、速度快、动作平稳、可实现定位伺服、响应特性好和过载能力强。作平稳、可实现定位伺服、响应特性好和过载能力强。缺点是体积庞大、介质要求高、易泄露和环境污染。缺点是体积庞大、介质要求高、易泄露和环境污染。3、气压式执行元件与液压式执行元件的原理相同，、气压式执行元件与液压式执行元件的
69、原理相同，只是介质由液体改为气体。气压式执行元件的特点是只是介质由液体改为气体。气压式执行元件的特点是介质来源方便、成本低、速度快、无环境污染，但功介质来源方便、成本低、速度快、无环境污染，但功率较小、动作不平稳、有噪声、难于伺服。率较小、动作不平稳、有噪声、难于伺服。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统 在闭环或半闭环控制的伺服系统中，主要采用直流伺服电动机、交流伺服电动机或在闭环或半闭环控制的伺服系统中，主要采用直流伺服电动机、交流伺服电动机或伺服阀控制的液压伺服马达作为执行元件。液压伺服马达主要用在负载较大的大型伺伺服阀控制的液压伺服马达作为执行元件。液压伺服马达主要用在负载较大的大型伺服
70、系统中，在中、小型伺服系统中，则多数采用直流或交流伺服电动机。由于直流伺服系统中，在中、小型伺服系统中，则多数采用直流或交流伺服电动机。由于直流伺服电动机具有优良的静、动态特性，并且易于控制，因而在服电动机具有优良的静、动态特性，并且易于控制，因而在2020世纪世纪9090年代以前，一直年代以前，一直是闭环系统中执行元件的主流。近年来，由于交流伺服技术的发展，使交流伺服电动是闭环系统中执行元件的主流。近年来，由于交流伺服技术的发展，使交流伺服电动机可以获得与直流伺服电动机相近的优良性能，而且交流伺服电动机无电刷磨损问题，机可以获得与直流伺服电动机相近的优良性能，而且交流伺服电动机无电刷磨损问题
71、，维修方便，随着价格的逐年降低，正在得到越来越广泛的应用，因而目前已形成了与维修方便，随着价格的逐年降低，正在得到越来越广泛的应用，因而目前已形成了与直流伺服电动机共同竞争市场的局面。在闭环伺服系统设计时，应根据设计者对技术直流伺服电动机共同竞争市场的局面。在闭环伺服系统设计时，应根据设计者对技术的掌握程度及市场供应、价格等情况，适当选取合适的执行元件。的掌握程度及市场供应、价格等情况，适当选取合适的执行元件。 第第4章章伺服控制系统伺服控制系统4.3.2步进电机步进电机步进电动机又称电脉冲马达，是通过脉冲数量决步进电动机又称电脉冲马达，是通过脉冲数量决定转角位移的一种伺服电动机。由于步进电动
72、机成本定转角位移的一种伺服电动机。由于步进电动机成本较低，易于采用计算机控制，因而被广泛应用于开环较低，易于采用计算机控制，因而被广泛应用于开环控制的伺服系统中。步进电动机比直流电动机或交流控制的伺服系统中。步进电动机比直流电动机或交流电动机组成的开环控制系统精度高，适用于精度要求电动机组成的开环控制系统精度高，适用于精度要求不太高的机电一体化伺服传动系统。不太高的机电一体化伺服传动系统。目前，一般数控机械和普通机床的微机改造中大目前，一般数控机械和普通机床的微机改造中大多数均采用开环步进电动机控制系统。多数均采用开环步进电动机控制系统。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统1、步进电机的种类与特
73、点、步进电机的种类与特点详见详见P172173第第4章章伺服控制系统伺服控制系统不同生产厂家的步进电机型号表示方法也不尽相不同生产厂家的步进电机型号表示方法也不尽相同，举例如下同，举例如下：第第4章章伺服控制系统伺服控制系统2、步进电动机的结构与工作原理：、步进电动机的结构与工作原理：步进电动机按其工作原理分，主要有磁电式和反步进电动机按其工作原理分，主要有磁电式和反应式两大类，这里只介绍常用的反应式步进电动机的应式两大类，这里只介绍常用的反应式步进电动机的工作原理。三相反应式步进电动机的工作原理如图工作原理。三相反应式步进电动机的工作原理如图4-4-1616所示，所示，其中步进电动机的定子上
74、有其中步进电动机的定子上有6 6个齿，其上分别个齿，其上分别缠有缠有WAWA、WBWB、WCWC三相绕组，构成三对磁极，转子上则三相绕组，构成三对磁极，转子上则均匀分布着均匀分布着4 4个齿。步进电动机采用直流电源供电。当个齿。步进电动机采用直流电源供电。当WAWA、WBWB、WCWC三相绕组轮流通电时，通过电磁力吸引步三相绕组轮流通电时，通过电磁力吸引步进电动机转子一步一步地旋转。进电动机转子一步一步地旋转。 第第4章章伺服控制系统伺服控制系统图图4-16步进电机运动原理图步进电机运动原理图其中步进电动机的定子上有其中步进电动机的定子上有6个齿，其上分别缠有个齿，其上分别缠有WA、WB、WC
75、三相绕组，构成三对磁极，转子上则均三相绕组，构成三对磁极，转子上则均匀分布着匀分布着4个齿。步进电动机采用直流电源供电。当个齿。步进电动机采用直流电源供电。当WA、WB、WC三相绕组轮流通电时，通过电磁力吸引步进电三相绕组轮流通电时，通过电磁力吸引步进电动机转子一步一步地旋转。动机转子一步一步地旋转。 第第4章章伺服控制系统伺服控制系统首先假设首先假设U U相绕组通电，则转子上下两齿被磁吸住，转子就停留在相绕组通电，则转子上下两齿被磁吸住，转子就停留在U U相通电的位置上。然后相通电的位置上。然后U U相断电，相断电，V V相通电，则磁极相通电，则磁极U U的磁场消失，磁极的磁场消失，磁极V
76、V产生了磁场，磁极产生了磁场，磁极V V的磁场把离它最近的另外两齿吸引过去，停止在的磁场把离它最近的另外两齿吸引过去，停止在V V相相通电的位置上，这时转子逆时针转了通电的位置上，这时转子逆时针转了3030度。随后度。随后V V相断电，相断电，W W相通电，根相通电，根据同样的道理，转子又逆时针转了据同样的道理，转子又逆时针转了3030度，停止在度，停止在W W相通电的位置上。若再相通电的位置上。若再U U相通电，相通电，W W相断电，那么转子再逆转相断电，那么转子再逆转3030度。定子各相轮流通电一次，转度。定子各相轮流通电一次，转子转一个齿。子转一个齿。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统步
77、进电机绕组按步进电机绕组按依次轮流依次轮流通电，步进电动机转子就一步步地按逆时针方向旋转。通电，步进电动机转子就一步步地按逆时针方向旋转。反之，如果步进电动机按倒序依次使绕组通电，即：反之，如果步进电动机按倒序依次使绕组通电，即：，则步进电动机将按顺时针方向旋转。，则步进电动机将按顺时针方向旋转。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统对于一个真实的步进电动机，为了减少每通电一对于一个真实的步进电动机，为了减少每通电一次的转角，在转子和定子上开有很多定分的小齿其次的转角，在转子和定子上开有很多定分的小齿其中定子的三相绕组铁心间有一定角度的齿差，当中定子的三相绕组铁心间有一定角度的齿差，当U相定相定子
78、小齿与转子小齿对正时，子小齿与转子小齿对正时，V相和相和W相定子上的齿则处相定子上的齿则处于错开状态，如图于错开状态，如图4-17（下图）所示。工作原理与上（下图）所示。工作原理与上同，只是步距角是小齿距夹角的同，只是步距角是小齿距夹角的1/3。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统3、步进电动机的通电方式、步进电动机的通电方式如果步进电动机绕组的每一次通断电操作称为一如果步进电动机绕组的每一次通断电操作称为一拍，每拍中只有一相绕组通电，其余断电，这种通电拍，每拍中只有一相绕组通电，其余断电，这种通电方式称为单相通电方式。三相步进电动机的单相通电方式称为单相通电方式。三相步进电动机的单相通电方式称
79、为三相单三拍通电方式。方式称为三相单三拍通电方式。如：如：。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统如果步进电动机通电循环的每拍中都有两相绕组如果步进电动机通电循环的每拍中都有两相绕组通电，这种通电方式称为双相通电方式。三相步进电通电，这种通电方式称为双相通电方式。三相步进电动机采用双相通电方式时动机采用双相通电方式时（如：（如：），称为三相），称为三相双三拍通电方式。双三拍通电方式。如果步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、如果步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态，这种通电方式称为单双相轮流通电方双相通电状态，这种通电方式称为单双相轮流通电方式。三相步进电动机采用单双相轮流通电方式时
80、，每式。三相步进电动机采用单双相轮流通电方式时，每个通电循环中共有六拍，因而又称为三相六拍通电方个通电循环中共有六拍，因而又称为三相六拍通电方式，即式，即。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统由于采用单相通电方式工作时，步进电动机的矩由于采用单相通电方式工作时，步进电动机的矩频特性（输出转矩与输入脉冲频率的关系）较差，在频特性（输出转矩与输入脉冲频率的关系）较差，在通电换相过程中，转子状态不稳定，容易失步，因而通电换相过程中，转子状态不稳定，容易失步，因而实际应用中较少采用。实际应用中较少采用。图图4-18是某三相反应式步进电动机在不同通电方式是某三相反应式步进电动机在不同通电方式下工作时的矩频
81、特性曲线。显然，采用单双相轮流通下工作时的矩频特性曲线。显然，采用单双相轮流通电方式可使步进电动机在各种工作频率下都具有较大电方式可使步进电动机在各种工作频率下都具有较大的负载能力。的负载能力。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统图 4-18 不同通电方式时的矩频特性 图图4-18是某三相反应式步进电动机在不同通电方式下是某三相反应式步进电动机在不同通电方式下工作时的矩频特性曲线。显然，采用单双相轮流通电方工作时的矩频特性曲线。显然，采用单双相轮流通电方式可使步进电动机在各种工作频率下都具有较大的负载式可使步进电动机在各种工作频率下都具有较大的负载能力。能力。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统通
82、电方式不仅影响步进电动机的矩频特性，对步通电方式不仅影响步进电动机的矩频特性，对步距角也有影响。一个距角也有影响。一个m相步进电动机，如其转子上有相步进电动机，如其转子上有z个小齿，则其步距角可通过下式计算：个小齿，则其步距角可通过下式计算：式中，式中，k是通电方式系数，当采用单相或双相通电是通电方式系数，当采用单相或双相通电方式时，方式时，k1；当采用单双相轮流通电方式时，；当采用单双相轮流通电方式时，k2。可见采用单双相轮流通电方式还可使步距角减小可见采用单双相轮流通电方式还可使步距角减小半。步进电机的步距角决定了系统的最小位移，步半。步进电机的步距角决定了系统的最小位移，步距角越小，位移
83、的控制精度越高。距角越小，位移的控制精度越高。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统第第4章章伺服控制系统伺服控制系统4 4、步进电动机的使用特性、步进电动机的使用特性 （1 1）步距误差）步距误差 步距误差直接影响执行部件的定位精度。步进电动机单相通步距误差直接影响执行部件的定位精度。步进电动机单相通电时。步距误差取决于定子和转子的分齿精度和各相定子的错位电时。步距误差取决于定子和转子的分齿精度和各相定子的错位角度的精度。多相通电时，步距角不仅与加工装配精度有关，还角度的精度。多相通电时，步距角不仅与加工装配精度有关，还和各相电流的大小、磁路性能等因素有关。国产步进电动机的步和各相电流的大小、磁
84、路性能等因素有关。国产步进电动机的步距误差一般为，功率步进电动机的步距误差距误差一般为，功率步进电动机的步距误差般为。精度较高的般为。精度较高的步进电动机可达步进电动机可达2 25 5。 （2 2）最大静转矩）最大静转矩 是指步进电动机在某相始终通电而处于静止不动状态时，所是指步进电动机在某相始终通电而处于静止不动状态时，所能承受的最大外加转矩，亦即所能输出的最大电磁转矩，它反映能承受的最大外加转矩，亦即所能输出的最大电磁转矩，它反映了步进电动机的制动能力和低速步进运行时的负载能力。了步进电动机的制动能力和低速步进运行时的负载能力。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统（3）启动矩一频特性）启动矩
85、一频特性空载时步进电动机由静止突然启动，并不失步地空载时步进电动机由静止突然启动，并不失步地进入稳速运行所允许的最高频率称为最高启动频率。进入稳速运行所允许的最高频率称为最高启动频率。启动频率与负载转矩有关。启动频率与负载转矩有关。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统（4）运行矩频特性）运行矩频特性步进电动机连续运行时所能接受的最高频率称为步进电动机连续运行时所能接受的最高频率称为最高工作频率，它与步距角一起决定执行部件的最大最高工作频率，它与步距角一起决定执行部件的最大运行速度。最高工作频率决定于负载惯量运行速度。最高工作频率决定于负载惯量J，还与定子，还与定子相数、通电方式、控制电路的功率驱
86、动器等因素有关。相数、通电方式、控制电路的功率驱动器等因素有关。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统当带负载起动时，所允许的起动控制频率会大大下降，它反映了电当带负载起动时，所允许的起动控制频率会大大下降，它反映了电机跟踪的快速性，且随负载惯量的增加而下降。步进电动机带动惯性负机跟踪的快速性，且随负载惯量的增加而下降。步进电动机带动惯性负载时的起跳频率与负载转动惯量之间的关系为惯载时的起跳频率与负载转动惯量之间的关系为惯- -频特性。除惯性负载之频特性。除惯性负载之外，还有外负载转矩，则起跳频率将会进一步下降。外，还有外负载转矩，则起跳频率将会进一步下降。90BF00290BF002型步进电动机
87、的启动矩频特性曲线和运行矩频特性。型步进电动机的启动矩频特性曲线和运行矩频特性。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统由启动矩频图可见，负载转矩越大，所允许的最大启动频率越小。由启动矩频图可见，负载转矩越大，所允许的最大启动频率越小。选用步进电动机时应使实际应用的启动频率与负载转矩所对应的启动工选用步进电动机时应使实际应用的启动频率与负载转矩所对应的启动工作点位于该曲线之下，才能保证步进电动机不失步地正常启动。当伺服作点位于该曲线之下，才能保证步进电动机不失步地正常启动。当伺服系统要求步进电动机的运行频率高于最大允许启动频率时，可先按较低系统要求步进电动机的运行频率高于最大允许启动频率时，可先按较
88、低的频率启动，然后按一定规律逐渐加速到运行频率。的频率启动，然后按一定规律逐渐加速到运行频率。由运行矩频图图可见，步进电动机的输出转矩随运行频率的增加而由运行矩频图图可见，步进电动机的输出转矩随运行频率的增加而减小，即高速时其负载能力变差，这一特性是步进电动机应用范围受到减小，即高速时其负载能力变差，这一特性是步进电动机应用范围受到限制的主要原因之一。选用步进电动机时，应使实际应用的运行频率与限制的主要原因之一。选用步进电动机时，应使实际应用的运行频率与负载转矩所对应的运行工作点位于运行矩频特性之下，才能保证步进电负载转矩所对应的运行工作点位于运行矩频特性之下，才能保证步进电动机不失步地正常运
89、行。动机不失步地正常运行。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统5、步进电动机的控制与驱动、步进电动机的控制与驱动步进电动机的电枢通断电次数和各相通电顺序决步进电动机的电枢通断电次数和各相通电顺序决定了输出角位移和运动方向，控制脉冲分配频率可实定了输出角位移和运动方向，控制脉冲分配频率可实现步进电动机的速度控制。因此，步进电机控制系统现步进电动机的速度控制。因此，步进电机控制系统一般采用开环控制方式。图一般采用开环控制方式。图4-21为开环步进电动机控为开环步进电动机控制系统框图，系统主要由环形分配器、功率驱动器、制系统框图，系统主要由环形分配器、功率驱动器、步进电动机等组成。步进电动机等组成。第
90、第4章章伺服控制系统伺服控制系统步步进进电电动动机机在在一一个个脉脉冲冲的的作作用用下下，转转过过一一个个相相应应的的步步距距角角，因因此此只只要要控控制制一一定定的的脉脉冲冲数数，即即可可精精确确控控制制步步进进电电动动机机转转过过的的相相应应的的角角度度。但但步步进进电电动动机机的的各各绕绕组组必必须须按按一一定定的的顺顺序序通通电电才才能能正正确确工工作作，这这种种使使电电动动机机绕绕组组的的通通断断电电顺顺序序按按输输入入脉脉冲冲的的控控制制而而循循环环变变化化的的过过程程称称为为环环形形脉脉冲冲分配。分配。实实现现环环形形分分配配的的方方法法有有两两种种。一一种种是是计计算算机机软软
91、件件分分配配，采采用用查查表表或或计计算算的的方方法法使使计计算算机机的的三三个个输输出出引引脚脚依依次次输输出出满满足足速速度度和和方方向向要要求求的的环环形形分分配配脉脉冲冲信信号号。这这种种方方法法能能充充分分利利用用计计算算机机软软件件资资源源，减减少少硬硬件件成成本本，尤尤其其是是多多相相电电动动机机的的脉脉冲冲分分配配更更能能显显示示出出这这种种分分配配方方法法的的优优点点。但但由由于于软软件件运运行行会会占占用用计计算算机机的的运运行行时时间间，因因而而会会使使插插补补运运算算的总时间增加，的总时间增加，从而影响步进电动机的从而影响步进电动机的运行速度。运行速度。第第4章章伺服控
92、制系统伺服控制系统另另一一种种是是硬硬件件环环形形分分配配，采采用用数数字字电电路路搭搭建建或或专专用用的的环环形形分分配配器器件件将将连连续续的的脉脉冲冲信信号号经经电电路路处处理理后后输输出出环环形形脉脉冲冲。采采用用数数字字电电路路搭搭建建的的环环形形分分配配器器通通常常由由分分立立元元件件（如如触触发发器器、逻逻辑辑门门等等）构构成成，特特点点是是体体积积大大，成成本本高高，可可靠靠性性差差。专专用用的的环环形形分分配配器器目目前前市市面面上上有有很很多多种种，如如CMOS电电路路CH250即即为为三三相相步步进进电电动动机机的的专专用用环环形形分分配配器器，它它的的引引脚脚功功能能及
93、及三三相相六六拍拍线线路路图如图图如图6-18所示。所示。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统 图6-18 环形分配器CH250引脚图(a) 引脚功能； (b) 三相六拍线路图第第4章章伺服控制系统伺服控制系统 图6-18 环形分配器CH250引脚图(a) 引脚功能； (b) 三相六拍线路图第第4章章伺服控制系统伺服控制系统第四章第四章作作业业1、感应同步器在实际应用时，如果被测量的位移长度比、感应同步器在实际应用时，如果被测量的位移长度比定尺长，怎样解决呢？定尺长，怎样解决呢？2、试解释，步进电机的力矩会随转速的升高而下降的原、试解释，步进电机的力矩会随转速的升高而下降的原因因?第第4章章伺服
94、控制系统伺服控制系统4.3.3直流伺服电机直流伺服电机一、直流伺服电机的原理及特点一、直流伺服电机的原理及特点1、直流伺服电机的原理及特点、直流伺服电机的原理及特点第第4章章伺服控制系统伺服控制系统直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片结构组成（如图直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片结构组成（如图4-224-22所示）。其中磁极在工作中固定不动，故又称定子。定子磁极用于所示）。其中磁极在工作中固定不动，故又称定子。定子磁极用于产生磁场。在永磁式直流伺服电动机中，磁极采用永磁材料制成，充磁产生磁场。在永磁式直流伺服电动机中，磁极采用永磁材料制成，充磁后即可产生恒定磁场。在他励式直
95、流伺服电动机中，磁极由冲压硅钢片后即可产生恒定磁场。在他励式直流伺服电动机中，磁极由冲压硅钢片叠成，外绕线圈，靠外加励磁电流才能产生磁场。电枢是直流伺服电动叠成，外绕线圈，靠外加励磁电流才能产生磁场。电枢是直流伺服电动机中的转动部分，故又称转子，它由硅钢片叠成，表面嵌有线圈，通过机中的转动部分，故又称转子，它由硅钢片叠成，表面嵌有线圈，通过电刷和换向片与外加电枢电源相连。电刷和换向片与外加电枢电源相连。 第第4章章伺服控制系统伺服控制系统直流伺服电动机是在定子磁场的作用下，使通有直流伺服电动机是在定子磁场的作用下，使通有直流电的电枢（转子）受到电磁转矩的驱使，带动负直流电的电枢（转子）受到电磁
96、转矩的驱使，带动负载旋转。通过控制电枢绕组中电流的方向和大小，就载旋转。通过控制电枢绕组中电流的方向和大小，就可以控制直流伺服电动机的旋转方向和速度。当电枢可以控制直流伺服电动机的旋转方向和速度。当电枢绕组中电流为零时，伺服电动机则静止不动。绕组中电流为零时，伺服电动机则静止不动。直流伺服电动机的控制方式主要有两种：一种是直流伺服电动机的控制方式主要有两种：一种是电枢电压控制，即在定子磁场不变的情况下，通过控电枢电压控制，即在定子磁场不变的情况下，通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转制施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转速和输出转矩；另一种是励磁磁场控制，即通过改变速和
97、输出转矩；另一种是励磁磁场控制，即通过改变励磁电流的大小来改变定子磁场强度，从而控制电动励磁电流的大小来改变定子磁场强度，从而控制电动机的转速和输出转矩。机的转速和输出转矩。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统采用电枢电压控制方式时，由于定子磁场保持不采用电枢电压控制方式时，由于定子磁场保持不变，其电枢电流可以达到额定值，相应的输出转矩也变，其电枢电流可以达到额定值，相应的输出转矩也可以达到额定值，因而这种方式又被称为恒转矩调速可以达到额定值，因而这种方式又被称为恒转矩调速方式。方式。而采用励磁磁场控制方式时，由于电动机在额定而采用励磁磁场控制方式时，由于电动机在额定运行条件下磁场已接近饱和，因
98、而只能通过减弱磁场运行条件下磁场已接近饱和，因而只能通过减弱磁场的方法来改变电动机的转速。由于电枢电流不允许超的方法来改变电动机的转速。由于电枢电流不允许超过额定值，因而随着磁场的减弱，电动机转速增加，过额定值，因而随着磁场的减弱，电动机转速增加，但输出转矩下降，输出功率保持不变，所以这种方式但输出转矩下降，输出功率保持不变，所以这种方式又被称为恒功率调速方式。又被称为恒功率调速方式。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统2、直流伺服电机的主要技术参数、直流伺服电机的主要技术参数P183-184第第4章章伺服控制系统伺服控制系统由图由图4-23可见，直流伺服电动机的机械特性是一可见，直流伺服电动机
99、的机械特性是一组斜率相同的直线簇。每条机械特性和一种电枢电压组斜率相同的直线簇。每条机械特性和一种电枢电压相对应，与轴的交点是该电枢电压下的理想空载角速相对应，与轴的交点是该电枢电压下的理想空载角速度，与轴的交点则是该电枢电压下的启动转矩。度，与轴的交点则是该电枢电压下的启动转矩。图 4-23 直流伺服电动机机械特性 Tm为电磁转矩第第4章章伺服控制系统伺服控制系统由图由图4-24可见，直流伺服电动机的调节特性也是一组斜率相同可见，直流伺服电动机的调节特性也是一组斜率相同的直线簇。每条调节特性和一种电磁转矩相对应，与的直线簇。每条调节特性和一种电磁转矩相对应，与Ua轴的交点轴的交点是启动时的电
100、枢电压。是启动时的电枢电压。从图中还可看出，调节特性的斜率为正，说明在一定负载下，从图中还可看出，调节特性的斜率为正，说明在一定负载下，电动机转速随电枢电压的增加而增加；而机械特性的斜率为负，电动机转速随电枢电压的增加而增加；而机械特性的斜率为负，说明在电枢电压不变时，电动机转速随负载转矩增加而降低。说明在电枢电压不变时，电动机转速随负载转矩增加而降低。图 4-24 直流伺服电动机调节特性 第第4章章伺服控制系统伺服控制系统直流伺服系统直流伺服系统由由于于伺伺服服控控制制系系统统的的速速度度和和位位移移都都有有较较高高的的精精度度要要求求，因因而而直直流流伺伺服服电电动动机机通通常常以以闭闭环
101、环或或半半闭闭环环控控制制方方式式应应用用于于伺伺服服系系统统中中。直直流流伺伺服服系系统统的的闭闭环环控控制制是是针针对对伺伺服服系系统统的的最最后后输输出出结结果果进进行行检检测测和和修修正正的的伺伺服服控控制制方方法法，而而半半闭闭环环控控制制是是针针对对伺伺服服系系统统的的中中间间环环节节（如如电电动动机机的的输输出出速速度度或或角角位位移移等等）进进行行监监控控和和调调节节的的控控制制方方法法。它它们们都都对对系系统统输输出出进进行行实实时时检检测测和和反反馈馈，并并根根据据偏偏差差对对系系统统实实施施控控制制。两两者者的的区区别别仅仅在在于于传传感感器器检检测测信信号号的的位位置置
102、不不同同，由由此此导导致致设设计计、制制造造的的难难易易程程度度不不同同,工工作作性性能能不不同同，但但两两者者的的设设计计与与分分析析方方法法基基本本上上是是一一致致的的。闭闭环环和和半半闭闭环环控控制制的的位位置置伺伺服系统的服系统的结构原理分别如图结构原理分别如图6-10、图、图6-11所示。所示。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统图4-25 闭环伺服系统结构原理图第第4章章伺服控制系统伺服控制系统图4-26 半闭环伺服系统结构原理图第第4章章伺服控制系统伺服控制系统4.4PWM型变频电路型变频电路图图6-25所所示示即即为为交交直直交交变变频频电电路路。逆逆变变电电路路采采用用4.3节
103、介绍的方法节介绍的方法,具有以下缺点：具有以下缺点：(1)输输出出电电压压为为矩矩形形波波，其其中中含含有有较较多多的的谐谐波波，对对负载有不利影响。负载有不利影响。(2)用用相相控控方方式式来来改改变变中中间间直直流流环环节节的的电电压压，使使得得输入功率因数降低。输入功率因数降低。(3)整整流流电电路路和和逆逆变变电电路路两两级级均均采采用用可可控控的的功功率率环环节，较为复杂，也提高了成本。节，较为复杂，也提高了成本。(4)中中间间直直流流环环节节有有大大电电容容存存在在，因因此此调调节节电压时惯性较大，响应缓慢。电压时惯性较大，响应缓慢。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统图图4-25中
104、中的的可可控控整整流流电电路路在在这这里里由由不不可可控控整整流流电电路路代代替替，逆逆变变电电路路常常采采用用自自关关断断器器件件。这这种种PWM逆逆变变电电路主要具有以下特点：路主要具有以下特点：(1)可以得到相当接近正弦波的输出电压。可以得到相当接近正弦波的输出电压。(2)整整流流电电路路采采用用二二极极管管，可可获获得得接接近近1的的功功率率因因数数。(3)只只用用一一级级可可控控的的功功率率环环节节，电电路路结结构构较较简简单。单。(4)通过对输出脉冲宽度的控制就可改变输出电压，通过对输出脉冲宽度的控制就可改变输出电压，大大加快了变频器的动态响应。大大加快了变频器的动态响应。第第4章
105、章伺服控制系统伺服控制系统图4-25 交直交变频电路结构图第第4章章伺服控制系统伺服控制系统4.4.1SPWM波形原理波形原理在在采采样样控控制制理理论论中中有有一一个个重重要要的的结结论论：冲冲量量相相等等而而形形状状不不同同的的窄窄脉脉冲冲加加在在具具有有惯惯性性的的环环节节上上时时，其其效效果果基基本本相相同同。冲冲量量即即指指窄窄脉脉冲冲的的面面积积。这这里里所所说说的的效效果果基基本本相相同同，是是指指环环节节的的输输出出响响应应波波形形基基本本相相同同。下下面面来来分分析析一一下下如如何何用用一一系系列列等等幅幅而而不不等等宽宽的的脉脉冲冲来来代代替一个正弦电波。替一个正弦电波。把
106、把图图4-30(a)所所示示的的正正弦弦半半波波波波形形分分成成N等等份份，就就可可把正弦半波看成由把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。个彼此相连的脉冲所组成的波形。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统这这些些脉脉冲冲宽宽度度相相等等，都都等等于于N，但但幅幅值值不不等等，且且脉脉冲冲顶顶部部不不是是水水平平直直线线，而而是是曲曲线线，各各脉脉冲冲的的幅幅值值按按正正弦弦规规律律变变化化。如如果果把把上上述述脉脉冲冲序序列列用用同同样样数数量量的的等等幅幅而而不不等等宽宽的的矩矩形形脉脉冲冲序序列列代代替替，使使矩矩形形脉脉冲冲的的中中点点和和相相应应正正弦弦等等分分的的中中点点重重
107、合合，且且使使矩矩形形脉脉冲冲和和相相应应正正弦弦部部分分面面积积（冲冲量量）相相等等，就就得得到到图图4-30(b)所所示示的的脉冲序列，这就是脉冲序列，这就是PWM波形。波形。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统图4-30正弦波PWM原理示意图(a)正弦半波；(b)PWM波形第第4章章伺服控制系统伺服控制系统4.4.2单相单相SPWM控制原理控制原理图图4-31是采用电力晶体管作为开关器件的电压型单是采用电力晶体管作为开关器件的电压型单相桥式逆变电路相桥式逆变电路。控制控制V4或或V3通断的方法如图通断的方法如图4-32所示。所示。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统图4-31 单相桥式PWM
108、逆变电路第第4章章伺服控制系统伺服控制系统图4-32 单极性PWM控制方式原理第第4章章伺服控制系统伺服控制系统图图4-31所所示示的的单单相相桥桥式式逆逆变变电电路路采采用用双双极极性性控控制制方方式时的波形如图式时的波形如图4-33所示。所示。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统图4-33 双极性PWM控制方式原理第第4章章伺服控制系统伺服控制系统4.4.3三相三相SPWM控制原理控制原理在在PWM型型逆逆变变电电路路中中，使使用用最最多多的的是是图图4-34(a)所所示示的的三三相相桥桥式式逆逆变变电电路路，其其控控制制方方式式一一般般都都采采用用双双极极性性方方式式。U、V和和W三三相相
109、的的PWM控控制制通通常常公公用用一一个个三三角角波波载载波波uc，三三相相调调制制信信号号urU、urV和和urW的的相相位位依依次次相相差差120。U、V和和W各各相相功功率率开开关关器器件件的的控控制制规规律律相相同同，现现以以U相相为为例例来来说说明明。当当urUuc时时，给给上上桥桥臂臂晶晶体体管管V1以以导导通通信信号号，给给下下桥桥臂臂晶晶体体管管V4以以关关断断信信号号，则则U相相相相对对于于直直流流电电源源假假想想中中点点N的的输输出出电电压压uUN=Ud/2。当当urUuc时时，给给V4以以导导通通信信号号，给给V1以以关断信号，则关断信号，则uUN=Ud2。第第4章章伺服
110、控制系统伺服控制系统V1和和V4的的驱驱动动信信号号始始终终是是互互补补的的。当当给给V1（V4）加导通信号时，可能是加导通信号时，可能是V1（V4）导导通通，也也可可能能二二极极管管VD1（VD4）续续流流导导通通，这这要要由由感感性性负负载载中中原原来来电电流流的的方方向向和和大大小小来来决决定定，和和单单相相桥桥式式逆逆变变电电路路双双极极性性SPWM控控制制时时的的情情况况相相同同。V相相和和W相相的的控控制制方方式式和和U相相相相同同。uUN、uVN和和uWN的的波波形形如如图图4-34(b)所所示示。可可以以看看出出，这这些些波波形形都都只只有有Ud/2两两种种电电平平。像像这这种
111、种逆逆变变电电路路相相电电压压（uUN、uVN和和uWN）只只能能输输出出两种电平的三相桥式两种电平的三相桥式电路无法实现单极性控制。电路无法实现单极性控制。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统图图中中线线电电压压uUV的的波波形形可可由由uUN-uVN得得出出。可可以以看看出出，当当臂臂1和和6导导通通时时，uUV=Ud，当当臂臂3和和4导导通通时时，uUV=-Ud，当当臂臂1和和3或或4和和6导导通通时时，uUV=0，因因此此逆逆变变器器输输出出线线电电压压由由+Ud、-Ud和和零零三三种种电电平平构构成成。负负载载相相电电压压uUN可可由由下下式式求得求得从从图图中中可可以以看看出出，它它
112、由由（2/3）Ud,（1/3）Ud和和零零共共5种电平组成。种电平组成。(4-18)第第4章章伺服控制系统伺服控制系统图4-34 三相SPWM逆变电路及波形第第4章章伺服控制系统伺服控制系统图4-34 三相SPWM逆变电路及波形第第4章章伺服控制系统伺服控制系统在双极性在双极性SPWM控制方式中，同一相上、下两个控制方式中，同一相上、下两个臂的驱动信号都是互补的。但实际上为了防止上、下臂的驱动信号都是互补的。但实际上为了防止上、下两个臂直通而造成短路，在给一个臂施加关断信号后，两个臂直通而造成短路，在给一个臂施加关断信号后，再延迟再延迟t时间，才给另一个臂施加导通信号。延迟时时间，才给另一个臂
113、施加导通信号。延迟时间的长短主要由功率开关器件的关断时间决定。这个间的长短主要由功率开关器件的关断时间决定。这个延迟时间将会给延迟时间将会给输出的输出的PWM波形带来影响，使其偏离波形带来影响，使其偏离正弦波。正弦波。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统4.4.4SPWM逆变电路的调制方式逆变电路的调制方式1.异步调制异步调制载载波波信信号号和和调调制制信信号号不不保保持持同同步步关关系系的的调调制制方方式式称称为为异异步步方方式式。图图4-34(b)所所示示的的波波形形就就是是异异步步调调制制三三相相SPWM波波形形。图图4-35的的例例子子是是N=9时时的的同同步步调调制制三三相相SPWM波
114、形。波形。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统图4-35 同步调制三相SPWM波形第第4章章伺服控制系统伺服控制系统4.4.5SPWM型变频器的主电路型变频器的主电路使使用用单单相相电电源源和和三三相相电电源源的的SPWM型型变变频频器器主主电电路分别如图路分别如图4-36和图和图6-37所示。所示。图图4-37中中为为了了限限制制泵泵升升电电压压，在在电电路路中中的的直直流流侧侧并并联联了了电电阻阻R0和和可可控控晶晶体体管管V0，当当泵泵升升电电压压超超过过一一定定数数值时，使值时，使V0导通，让导通，让R0消耗掉多余的电能。消耗掉多余的电能。第第4章章伺服控制系统伺服控制系统图4-36使用单相电源的交直交变频电路 (a)三相输出；(b）单相输出第第4章章伺服控制系统伺服控制系统图4-37 使用三相电源的交直交变频电路 第第4章章伺服控制系统伺服控制系统作作业：业：1、什么是步距角？步距角如何进行细分？、什么是步距角？步距角如何进行细分？2、什么是隔离放大器？隔离放大器有什么特点？、什么是隔离放大器？隔离放大器有什么特点？3、数字滤波有哪些优点？、数字滤波有哪些优点？4、步进电机是如何实现速度控制的？、步进电机是如何实现速度控制的？5、试述直流电机伺服系统中脉宽调制放大器的基本工作、试述直流电机伺服系统中脉宽调制放大器的基本工作原理。原理。
