1.3.3闭环伺服系统

nullnull1.3.3 闭环伺服系统一、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) 系统组成返回下一页null (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返回下一页上一页null (三) 闭环伺服系统常用的检测元件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返回下一页上一页null 2．检测传感器分类从检测的信号分 直线型回转型 从传感器 输出信号分 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、感应同步器返回下一页上一页null3．检测元件的特点 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。 返回下一页上一页null3．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。 返回下一页上一页4.检测元件工作原理4.检测元件工作原理下一页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.返回4. 检测元件工作原理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’=kUsSinθ或 U’=kUcCosθ旋转变压器的应用 旋转变压器的应用 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，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=Umsinωt Uc=Umcosωt下一页上一页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： U=kUssin θ+kUccos θ =kUmcos(ωt-θ) 由上式可知感应电压的相位角就等于转子的机 械转角θ。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。下一页上一页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（φ为机械转角） Us=Umsinφsinωt Uc=Umcosφsinωt 则在转子绕组上得到感应电压为 U =kUssin θ+kUccos θ =kUmsinωt(sin φsin θ+cos φcos θ) =kUmcos(φ-θ)sinωt下一页上一页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Us=Umsinθsin(ωt)，则此时加到补偿绕组的电压应为__。 ①Uc=Umcos θ sin(ωt) ②Uc=Umsin θ sin(ωt) ③Uc=Umcos θ cos(ωt) ④Uc=Umsin θcos(ωt)旋转变压器的输出反映了 和 的固定函数关系。答： ①答：电压 转子角位移 下一页上一页返回感应同步器感应同步器返回下一页上一页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。下一页上一页返回感应同步器感应同步器感应同步器下一页上一页返回思考与练习 感应同步器采用鉴幅法工作时，可用于检测位移和 。答：定位控制感应同步器定尺绕组中感应的总电势是滑尺上__和_可产生的感应电势的 。答：正弦绕组 余弦绕组 矢量和感应同步器是一种 式的高精度位移检测元件。它有 和 两种。答：电磁感应 直线式 圆盘式思考与练习 下一页上一页返回光栅位置检测装置光栅位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返回下一页上一页光栅尺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ω返回下一页上一页摩尔条纹光栅位置检测装置θW W、ω、θ之间的关系 W、ω、θ之间的关系 光栅位置检测装置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单位为rad时，Sin(θ/2) ≈ θ故 W ≈ ω/ θ摩尔条纹的作用摩尔条纹的作用下一页上一页放大作用误差均化作用光栅位置检测装置返回c. 测量位移摩尔条纹的移动距离与光栅的移动距离成比例， 光栅横向移动一个节距ω，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。光栅位置检测装置返回c. 测量位移下一页上一页磁尺位置检测装置 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。下一页上一页磁尺位置检测装置 磁尺尺：返回脉冲编码器下一页脉冲编码器脉冲编码器的分类返回增量式脉冲编码器下一页上一页增量式脉冲编码器脉冲编码器结构图返回工作原理下一页上一页脉冲编码器工作原理返回思考与练习思考与练习举出2～3种数控机床常用的位置传感器，并说明它们的主要特点？答：常用的位置传感有光栅、感应同步器、光电编码盘等等。 它们的特点是：检测范围较大，易于实现测量信号数字化，测量精度高。下一页上一页返回二、驱动元件 二、驱动元件 (一) 对驱动元件的要求 1．转动惯量小——以提高系统的快速响应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返回下一页上一页 (二) 直流伺服电动机 (二) 直流伺服电动机 1．小惯量直流伺服电动机 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 返回下一页上一页null1) 转矩大2) 调速范围宽 1000~1500r/min3) 转动惯量小 设计时可忽略其它传动件的转动惯量 4) 动态响应好 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) 过载能力强返回特点：2．大惯量直流伺服电动机 下一页上一页null1．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 返回下一页上一页null2．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 返回(三)交流伺服电动机 下一页上一页 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 返回下一页上一页null1．DC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 返回下一页上一页null1 ) 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：ⅰ）阳极A： 阴极K： ⅱ）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 返回下一页上一页null 三、速度调节 (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返回下一页上一页3. 脉宽调制 (PWM) 原理与系统3. 脉宽调制 (PWM) 原理与系统 1) 脉宽调速原理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。 返回下一页上一页3. 脉宽调制 (PWM) 原理与系统3. 脉宽调制 (PWM) 原理与系统 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=U 最高转速 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。 返回下一页上一页2) 脉宽调制器 PWM2) 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、高频极限环法等返回下一页上一页(二) 交流伺服电动机的调速(二) 交流伺服电动机的调速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 返回下一页上一页null第四章 进给伺服系统(二) 交流伺服电动机的调速2. PWM型变频器 构成 二极管整流器：交—直变换，经电容器滤波平滑， 产生恒定的直流电压，输出给逆变器。  PWM逆变器：直—交变换、调频、调压，产生电压、 频率可调交流电压,输出给伺服电动机的电枢绕组。返回下一页上一页1.3.3 闭环伺服系统 习题1.3.3 闭环伺服系统 习题感应同步器定尺绕组中感应的总电势是滑尺上正弦 绕组和余弦绕组所产生的感应电势的___。 ①代数和 ②代数差 ③矢量和 ④矢量差对于一个设计合理，制造良好的带位置闭环控制系统的数控 机床，可达到的精度由___决定。 ①机床机械结构的精度 ②检测元件的精度 ③计算机的运算速度 ④驱动装置的精度 返回下一页上一页②③习题习题解释摩尔条纹的放大作用？ 1.3.3 闭环伺服系统 返回下一页上一页习题习题1.3.3 闭环伺服系统 4） 小惯量直流电动机什么特点？可应用于什么场合？ 答：(1) 转动惯量小。约为普通直流电机的1/10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。 (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10r/min时，仍 无爬行现象，且调速范围宽。 (4) 峰值转矩可达额定值的10倍。习题习题 (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。 1.3.3 闭环伺服系统 5） 小惯量直流电动机什么特点？可应用于什么场合？ 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 习题习题1.3.3 闭环伺服系统 6） 大惯量直流电动机有哪些特点？多用于哪些场合？ 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特点：(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。习题习题1.3.3 闭环伺服系统 7） 大惯量直流电动机有哪些特点？多用于哪些场合？ (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。(3) 调速范围宽，低速性能好，转速可达0～1000r/min。 (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。(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。应用: