伺服系统第二章位置检测
伺服系统中如何实现位置控制
伺服系统中如何实现位置控制伺服系统是一种能够根据输入信号控制输出轴的相对位置和速度的系统。
在现代机械控制中，伺服系统已经广泛应用于各种工业领域，如 CNC 机床、自动化装置、机器人等。
伺服系统的位置控制是其中最基本和重要的一部分。
本文将介绍如何实现伺服系统的位置控制。
一、伺服系统基本结构伺服系统主要由以下部分组成：1. 控制器控制器是伺服系统中最核心的部分。
它负责生成输出信号，将输入信号转化为控制信号，并且通过控制信号来调节系统的运动状态。
控制器根据输入信号和反馈信号的差异（误差）来控制输出轴的运动状态，以实现位置控制。
2. 电机电机是伺服系统的输出轴。
它的转动状态会通过机械装置转化为控制的位置和速度状态。
3. 反馈元件反馈元件可以检测输出轴的状态并且将其转化为电信号，并将其与控制信号进行比较，以实现位置控制。
反馈元件可以是编码器、霍尔传感器等。
二、位置控制实现原理1. PID控制算法PID控制算法是伺服系统中常用的位置控制算法。
它是一种保持输出轴在给定位置附近运动的控制算法。
PID控制算法可以通过测量输出轴的状态，比较预期状态和实际状态的误差，并对误差进行反馈修正。
PID算法的输出是由一些基本控制变量组成的，包括偏差计算、比例控制、积分控制和微分控制。
2. 死区补偿在伺服系统中，由于传感器等元件存在测量误差，会导致误差信号过大。
精度较低的测量元件可能导致误差信号饱和，甚至忽略细微的运动变化。
这就需要对误差信号进行死区补偿。
死区补偿可以使得系统在较小的误差范围内运行，从而得到更高精度的位置控制。
3. 位置反演控制在某些伺服系统中，会采用位置反演控制方式来实现位置控制。
位置反演控制的基本思想是：根据系统的反馈信号和运动方程反演出控制输入信号，实现对输出位置的控制。
在当前的伺服系统中，位置反演控制的应用场景较少。
三、总结伺服系统是一种能够根据输入信号控制输出轴的相对位置和速度的系统。
在伺服系统中，位置控制是其中最基本和重要的一部分，而PID控制算法是实现位置控制的主要手段。
伺服系统误差分析(精)
伺服系统元件误差
测量元件的误差占系 次要输入 统误差的比例重 供电 温度 冲击振动 电磁场 伺服系统中的测量元 件对系统精度的影响 主要输入 主要输出 是直接的 传 感 器 （基准加使用） 反馈所包围回路中的 线性 各种放大、执行等元 电压灵敏度 滞后 干扰 件的误差或因环境条 温度系数 件变化而引起的误差， 重复性 稳定性 一般都会得到有效的 误差源 抑制 传感器输入输出作用图
G1 ( s )G2 ( s )G3 ( s )G4 ( s ) C ( s ) eN0 ( s ) N 0 ( s ) 1 G1 ( s )G2 ( s )G3 ( s )G4 ( s ) G2 ( s )G3 ( s )G4 ( s ) C ( s ) eN1 ( s ) N1 ( s ) 1 G1 ( s )G2 ( s )G3 ( s )G4 ( s ) G3 ( s )G4 ( s ) C ( s ) eN 2 ( s ) N 2 ( s ) 1 G1 ( s )G2 ( s )G3 ( s )G4 ( s ) G4 ( s ) C ( s ) eN3 ( s ) N 3 ( s ) 1 G1 ( s )G2 ( s )G3 ( s )G4 ( s )
线性度表示图
(3) 分辨力指传感器输入从任意某个非零值开始变化时，所引起 传感器输出变化的最小输入变化值。指传感器能够检测到的被测 量对象的最小值。 传感器的分辨力和其量程之比的百分数称为分辨率。 (4)重复性ex：指传感器输入量按同一方向变化，并连续多次 测量所测得的输出不一致的程度。它反映了传感器的随机误差。 ex=±[3σ/UFS]×100% UFs U 其中，σ是n次测量误差的均方根。 (5)迟滞误差(回差)et U 反映传感器在正行程测量与 反行程测量之间不重合的程度。 r 计算时用et/2较为合理。 et=[ΔU正反max/UFS]×100% 迟滞误差
伺服控制知识点总结
伺服控制知识点总结一、基本概念1. 伺服系统伺服系统是由伺服执行元件、位置传感器、控制器和电源组成的控制系统。
其中，伺服执行元件一般为电机，位置传感器用于检测电机的位置，控制器用于根据传感器的反馈信号控制电机的运动，电源用于为电机提供动力。
2. 伺服电机伺服电机是一种能够根据外部控制信号精确控制位置、速度和力的电机。
常见的伺服电机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进伺服电机等。
3. 位置传感器位置传感器用于检测伺服电机的位置，并将检测到的位置信息反馈给控制器。
常见的位置传感器有编码器、光栅尺、霍尔传感器等。
4. 控制器控制器是伺服系统中的核心部件，其主要功能是根据传感器的反馈信号计算出电机的控制指令，并将指令输出给电机驱动器。
5. 电机驱动器电机驱动器接收控制器输出的控制指令，通过控制电机的电源电压和频率来控制电机的转速和扭矩。
二、伺服控制原理1. 闭环控制伺服控制采用闭环控制的原理，即通过不断地检测输出和反馈，在控制过程中校正误差，从而实现精确的位置、速度和力控制。
在闭环控制系统中，控制器通过比较实际输出和期望输出之间的差距，不断调整控制指令，使输出逐渐趋近期望值。
2. PID控制PID控制是伺服控制中常用的一种控制算法，即比例、积分、微分控制算法的组合。
比例控制用于根据误差的大小调整控制输出；积分控制用于消除持续的误差；微分控制用于预测误差的变化趋势，并及时做出调整。
PID控制算法可以根据实际情况进行调整，适用于各种伺服控制场景。
3. 伺服控制系统的设计伺服控制系统的设计需要考虑多个因素，包括伺服系统的要求、控制器的选择、传感器的选择、电机的选择、控制算法的选择等。
在设计伺服控制系统时，需根据实际情况权衡各种因素，从而达到满足控制要求并尽可能减小成本的目标。
三、伺服控制应用领域1. 工业自动化在工业自动化领域，伺服控制被广泛应用于各种生产设备的位置和速度控制，如注塑机、包装机、数控机床等。
伺服控制可以实现快速、稳定、精确的运动控制，提高生产效率和产品质量。
伺服系统中的位置检测元件
∙关键词：伺服系统位置检测元件感应同步器∙摘要：位置伺服系统的位置控制是将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电机。
而实际反馈位置的采集，则是由一些位置检测装置来完成。
这些检测装置有旋转变压器、感应同步器、脉冲编码器、光栅、磁栅等。
1.位置检测元件的要求和种类位置伺服系统的位置控制是将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电机。
而实际反馈位置的采集，则是由一些位置检测装置来完成。
这些检测装置有旋转变压器、感应同步器、脉冲编码器、光栅、磁栅等。
对于采用半闭环控制的位置伺服系统，其闭环路内不包括机械传动环节，它的位置检测装置一般采用旋转变压器，或高分辨率的脉冲编码器，装在进给电机或者丝杠的端头，旋转变压器(或脉冲编码器)每旋转一个角度，都严格对应着运动机构移动的一定距离。
测量了电机或丝杠的角位移，也就是间接测量了运动机构的直线位移。
对于采用闭环控制系统的位置伺服系统，应该直接测量工作台的直线位移，可采用感应同步器、光栅、磁栅等测量装置。
由工作台直接带动感应同步器的滑动尺度的同时，与装在机床床身上的定尺配合，测量出工作台的实际位置。
可见，位置测量装置是位置伺服系统的重要组成部分。
它的作用是测量位移和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环控制。
数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。
位移检测系统能够测量的最小位移量称为分辨率。
分辨率不仅取决于检钡4元件本身，也取决于测量线路。
位置伺服系统对检测装置的主要要求如下：(1)高可靠性和高抗干扰性.(2)满足精度和速度要求.(3)使用维护方便，适合机床运行环境.(4)成本低。
2. 感应同步器感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理组成的。
可用来测量直线或转角位移。
测量直线位移的称长感应同步器，测量转角位移的称圆感应同步器。
长感应同步器由定尺和滑尺组成，如图10．10所示。
圆感应同步器由转子和定子组成。
伺服运动控制系统
２、仅指伺服调速器（单元或功率放 伺服系统：由伺服驱动 大器）。 器和上级装置以及外围 安川公司默认第１种。 装置组合而成的一组完
整的伺服控制系统
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5
第四章 交流伺服驱动器的选择
设计伺服系统就是根据负载，选择伺服驱动器型号的过程，交流
伺服系统目前在我国使用的比较普遍，以安川公司生产的伺服驱动器 为例说明伺服系统的集成过程。
第一章 伺服控制系统的基本结构与分类
第二章 伺服系统的测速与测角（位移） 第三章 伺服系统的执行组件 第四章 交流伺服驱动器的选择
第四章 交流伺服驱动器的选择
设计伺服系统就是根据负载，选择伺服驱动器型号的过程，交流
伺服系统目前在我国使用的比较普遍，以安川公司生产的伺服驱动器 为例说明伺服系统的集成过程。 伺服驱动器有两种解释： １、具有伺服电机与伺服调速器（单 元或功率放大器）这两个器件；
按下述流程图进行。
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第四章 交流伺服驱动器的选择
一、伺服驱动器及外围装置的选型
1、伺服电机的选型 ①型号说明 ②伺服电机选型流程图 SGMAH,SGMPH,SGMGH,SGMSH,SGMDH 型伺服电机的选型请
按下述流程图进行。
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第四章 交流伺服驱动器的选择
一、伺服驱动器及外围装置的选型
数控机床的伺服控制系统
山东大学控制科学与工程学院 曾毅
第二讲
1
数控机床的伺服控制系统
山东大学控制科学与工程学院 曾毅
第二讲
2
数控机床的伺服控制系统
第一章 伺服控制系统的基本结构与分类 第二章 伺服系统的测速与测角（位移） 第三章 伺服系统的执行组件 第四章 交流伺服驱动器的选择
第二章习题答案参考
第二章 金属切削机床设计22. 什么是传动组的级比和级比指数？常规变速传动系的各传动组的级比指数有什么规律性？ 传动组的级比是指主动轴上同一点传往被动轴相邻两传动线的比值，用ϕxi 表示。
级比ϕxi 中的指数X i 值称为级比指数，它相当于由上述相邻两传动线与被动轴交点之间相距的格数。
设计时要使主轴转速为连续的等比数列，必须有一个变速组的级比指数为1，此变速组称为基本组。
基本组的级比指数用X 0表示，即X 0 ＝ 1，后面变速组因起变速扩大作用，所以统称为扩大组。
第一扩大组的级比指数X 1一般等于基本组的传动副数P 0，即X 1 ＝ P 0。
第二扩大组的作用是将第一扩大组扩大的变速范围第二次扩大，其级比指数X 2等于基本组的传动副数和第一扩大组传动副数的乘积，即X 2 ＝ P 0×P 1。
如有更多的变速组，则依次类推。
上述设计是传动顺序和扩大顺序相一致的情况，若将基本组和各扩大组采取不同的传动顺序，还有许多方案。
25. 某机床主轴转速n ＝100～1120 r/min ，转速级数z ＝8，电动机转速n 电＝1440 r/min ，试设计该机床主传动系，包括拟定结构式和转速图，画出主传动系图。
解：2.111001120min max ===n n R n ===-712.11Z n R φ 1.41查表可获得8级转速为 100，140，200，280，400，560，800，1120拟定8级转速的结构式：根据级比规律和传动副前多后少、传动线前密后疏的的原则确定4212228⨯⨯=241.141.111max ≤===ϕ主u 符合要求4/182.2/141.133min ≥===--ϕ主u 符合要求最后扩大组的变速范围：8441.1)12(4)1(≤===--i i P x i R ϕ符合要求 绘制传动系统图如下：26. 试从ϕ＝1.26，z ＝18级变速机构的各种传动方案中选出其最佳方案，并写出结构式，画出转速图和传动系图。
数控机床原理作业参考
第二章 位置检测装置4．有一伺服电动机同轴安装有光电解码器，指标为1024脉冲，该电动机与螺距为6mm 的滚珠丝杠通过联轴器相联，在位置控制伺服中断4ms 内，光电编码器输出脉冲信号量经4倍频处理后，共计脉冲0.2K （1K=1024）问：1）倍频的作用。
【提示】倍频就是将一个脉冲分成多个脉冲，也称细分，编码器常采用4倍频。
倍频能提高测量分辨力，从而提高位置控制精度。
本题中，倍频后的脉冲为0.2K ，则倍频前的脉冲m 1=0.2/4=0.05K 。
2）工作台移动了多少mm ？【提示】设编码器输出脉冲N =1024P/r ，丝杠螺距t =6mm ，则m 1脉冲对应的转角θ为直线位移x 为3） 电动机的转速（r/min ）为多少？【提示】中断时间T C =4ms=0.004s ，则转速n 为5．光电编码器安装在滚珠丝杠驱动前端和末端有什么区别？【提示】参考P20图2-6及光盘课件。
丝杠在传动过程中要产生扭转变形，该变形最终要影响到工作台的位置精度。
若编码器安装在驱动前端（通常编码器和伺服电动机同轴连接），则丝杠的扭转变形量编码器无法测量到；若编码器安装在丝杠末端，编码器就能将扭转变形量测量出来，因此，编码器在末端的测量精度要比前端高。
οοο183********.010243601=⨯⨯=⨯=N m θ10．解释配置增量式位置检测装置的数控机床开机后进行“回零”操作的目的。
【提示】增量式测量装置在断电后即失去对当前位置的记忆，开机上电后需重新设置脉冲计数的起点，这一过程称为“回零”操作。
第三章 驱动电动机3．何谓步距角？步距角的大小与哪些参数有关？【提示】通电绕组电源改变一次，转子转过的角度称为步距角α。
61）图a 、b 为何种通电方式？【提示】图a 为三相三拍，图b 为三相六拍10．交流伺服电动机用于进给驱动有何好处？【提示】无机械式的电刷和换向器，维护方便，转速不随负载的变化而改变。
13．交流主轴电动机是什么样的电动机？【提示】交流主轴电动机通常为三相交流异步电动机。
伺服系统的安装调试与使用技巧
伺服系统的安装调试与使用技巧伺服系统是一种能够精确控制电机运动的系统，广泛应用于机械、自动化、机器人等领域。
正确的安装调试和使用技巧能够确保伺服系统的正常运行和高效工作。
本文将介绍伺服系统的安装调试与使用技巧。
一、安装1. 确定安装位置：选择一个平稳且无振动的位置安装伺服系统。
避免安装在有强电磁干扰的场所，如高压电缆附近。
2. 固定安装座和电机：将安装座固定在合适的位置上，并使用螺丝紧固。
确保电机与安装座连接牢固，避免发生机械松动。
3. 连接电源和信号线：根据伺服系统的电源要求，正确连接电源和信号线。
注意检查线缆是否正常连接，避免短路或断路。
4. 安装好其他附件：根据具体需求，安装好其他附件，如编码器、传感器等。
确保附件连接正确无误。
二、调试1. 设置参数：根据伺服系统的技术手册，设置好参数。
包括电机参数、速度、力矩等设置，根据具体应用需求进行调整。
2. 系统复位：进行系统复位操作，将伺服系统恢复到初始状态。
确保系统在正常的工作状态下进行调试。
3. 运动测试：进行运动测试，检查伺服系统的运动是否平稳、准确。
可以通过手动输入指令或使用控制面板进行操作。
4. 检查反馈：根据伺服系统的反馈机制，检查反馈是否正常。
可以通过查看显示屏或使用示波器进行检测。
5. 调整参数：根据实际的运动测试情况，逐步调整参数。
通过微调参数，使伺服系统的运动更加精确和稳定。
三、使用技巧1. 编程控制：了解伺服系统的编程控制技巧，可以根据具体需求编写程序，实现更复杂的运动控制。
2. 温度监测：定期检查伺服系统的温度，避免因过热而影响系统正常运行。
可以使用温度传感器进行监测。
3. 维护保养：做好伺服系统的维护保养工作，定期清洁和润滑系统。
避免灰尘和腐蚀物影响系统的运行。
4. 注意安全：在伺服系统运行过程中，注意安全操作。
避免发生意外事故，保护使用人员的安全。
结语伺服系统的安装调试与使用技巧对于保证系统正常运行至关重要。
正确安装并进行调试，合理使用技巧，能够提高伺服系统的工作效率和精确度。
机床数控技术第二(2)版课后答案
第一章绪论简答题答案，没有工艺题的1 什么是数控机床答：简单地说，就是采用了数控技术（指用数字信号形成的控制程序对一台或多台机床机械设备进行控制的一门技术）的机床；即将机床的各种动作、工件的形状、尺寸以及机床的其他功能用一些数字代码表示，把这些数字代码通过信息载体输入给数控系统，数控系统经过译码、运算以及处理，发出相应的动作指令，自动地控制机床的道具与工件的相对运动，从而加工出所需要的工件。
2 数控机床由哪几部分组成？各组成部分的主要作用是什么？答：（1）程序介质：用于记载机床加工零件的全部信息。
（2）数控装置：控制机床运动的中枢系统，它的基本任务是接受程序介质带来的信息，按照规定的控制算法进行插补运算，把它们转换为伺服系统能够接受的指令信号，然后将结果由输出装置送到各坐标的伺服系统。
（3）伺服系统：是数控系统的执行元件，它的基本功能是接受数控装置发来的指令脉冲信号，控制机床执行元件的进给速度、方向和位移量，以完成零件的自动加工。
（4）机床主体（主机）：包括机床的主运动、进给运动部件。
执行部件和基础部件。
3 数控机床按运动轨迹的特点可分为几类？它们特点是什么？答：（1）点位控制数控机床：要求保证点与点之间的准确定位（它只能控制行程的终点坐标，对于两点之间的运动轨迹不作严格要求；对于此类控制的钻孔加工机床，在刀具运动过程中，不进行切削加工）。
（2）直线控制数控机床：不仅要求控制行程的终点坐标，还要保证在两点之间机床的刀具走的是一条直线，而且在走直线的过程中往往要进行切削。
（3）轮廓控制数控机床：不仅要求控制行程的终点坐标值，还要保证两点之间的轨迹要按一定的曲线进行；即这种系统必须能够对两个或两个以上坐标方向的同时运动进行严格的连续控制。
4 什么是开环、闭环、半闭环伺服系统数控机床？它们之间有什么区别？答：(1)开环：这类机床没有来自位置传感器的反馈信号。
数控系统将零件程序处理后，输出数字指令后给伺服系统，驱动机床运动；其结构简单、较为经济、维护方便，但是速度及精度低，适于精度要求不高的中小型机床，多用于对旧机床的数控化改造。
伺服电机检测
伺服电机检测伺服电机是一种能够根据输入信号进行位置或速度控制的电机。
它通常由电机驱动器和反馈装置组成，可以实现高精度的运动控制。
伺服电机广泛应用于机械设备、工业自动化和机器人等领域。
为确保伺服电机的正常工作，对其进行检测和测试是非常重要的。
伺服电机的检测主要包括以下几个方面：机械结构检测、电气性能检测和控制系统检测。
首先，对伺服电机的机械结构进行检测。
这包括检查电机轴承的磨损情况，确认电机转子是否能够自由旋转，并且检查电机的连接螺栓是否松动。
另外，还需要检查电机的外壳是否存在破损或变形等问题，以确保电机的机械结构完好无损。
其次，对伺服电机的电气性能进行检测。
这包括检查电机的绝缘电阻是否符合标准要求，使用万用表等测试仪器对电机的电阻、电压和电流进行测量，并与设备手册中的规格进行对比。
此外，还需要检测电机的温升情况，确保电机在运行过程中不会因过热而损坏。
最后，对伺服电机的控制系统进行检测。
这包括检查伺服电机的驱动器和反馈装置是否正常工作，是否能够正确接收和响应控制信号。
可以通过连接伺服电机到控制器，并进行一系列运动控制和位置检测来验证控制系统的性能。
同时，还需要检查伺服系统的PID参数是否设置正确，以确保伺服电机能够稳定地控制运动。
在进行伺服电机检测时，还需要注意一些细节。
首先是检测环境的安全性，确保检测过程中没有危险因素存在。
其次是使用合适的测试仪器和工具进行检测，以获取准确的测试结果。
此外，还需要记录和保存测试数据，以备日后对比分析和故障排查使用。
总之，伺服电机的检测是确保其正常工作的重要环节。
通过对机械结构、电气性能和控制系统的检测，可以及时发现和排除潜在问题，以保证伺服电机的稳定性和可靠性。
因此，对伺服电机进行定期的检测和测试是非常值得推荐的做法，可以提高设备的工作效率和寿命，同时减少故障和维修的风险。
伺服转子初始位置的检测
采用增量式光电编码器作为位置检测元件的PMSM伺服电机，必须要在系统刚上电时就测得电机精确的初始位置。
因为在永磁伺服驱动系统中，电机转子的位置检测与初始定位是系统构成与运行的基本条件，也是矢量控制解耦的必要条件。
只有永磁同步电机的转子位置能够准确知道，才可以按照矢量控制的一系列方程，将永磁同步电机等效变换成dq坐标系上的等效模型，系统才能按照类似他励直流电机的控制方法对永磁同步电机进行控制，从而可以达到他励直流电机构成的伺服传动系统的性能指标要求。
使用增量式光电编码器测量电机位置的伺服系统中, 系统上电后需要先检测出电机的初始位置。
电机的初始位置不仅影响伺服系统的定位精度, 而且会对电机的快速启动性能造成一定的影响。
在系统刚刚上电，电机尚未运行时，系统开始测量转子的初始位置，此过程只需要电流环工作，根据伺服系统运行要求，在寻找初始位置的过程中，只允许有很微小的抖动，并且要求很快回归原位。
假设，采用H45-8-2500-WL型光电编码器，电机转动过程中，编码器输出的信号：A（/A）、B（/B）、Z（/Z）、U（/U）、V（/V）和W（/W），如图1（b）所示。
其中A（/A）、B（/B）两组信号为相差相位角的同频率信号，分辨率为2500PPR，通过判断两组脉冲的相位可以判断出电机的旋转方向，这两组信号经4倍频之后，电机空间位置的分辨率变为10000PPR。
脉冲Z （/Z）是同步信号，电机每旋转一周产生一个信号，其产生的位置固定，即电机转子转到该位置时发出信号（零位信号）。
如图1所示为伺服电机混合式光电编码器的码盘结构及输出信号波形。
码盘的中间码道为刻有高密度的增量式透光缝隙（2000，2500，3000PPR等），两边分布两组互成的三个缝隙，受光元件（Photo-Diode Array）接收到发光元件（LED）通过缝隙的光线而产生互差的三相信号，经过放大整形后输出矩形波信号U（/U）、V（/V）和W（/W）。
数控原理基本第二章
A组与B组两组狭缝，彼此错开1/4节距，两组狭 缝相对应的光敏元件产生的信号A、 B彼此相差 90°相位，用于辩向。
节距P
A
B
90°
90°
如何进行位置和速度的测量? ☆根据脉冲数目可得被测轴的角位移； ☆根据脉冲频率可得被测轴的转速。 如何辨别转轴方向? ☆根据A、B两相相位超前滞后关系可判断被 测轴旋转方向。
第一节 概 述
组成：位置检测装置是由检测元件（传感器）和
主要内容
作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，并 变换成位置控制单元所要求的信号形式。它是闭环、 半闭环进给伺服系统的重要组成部分。
闭 环数控机床的加工 精度在很大程度上 是由位置 检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系 统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位 置检测装置。
E
+
转轴
01 0000 1111111
00
0
1001 1000 000000 01
23
2
2
1
20
高位在内，低位在外。n位二进制码盘，有n圈码道，圆周
均分2n等份(有2n不同位置)，最小分辨角α＝360°/2n。 n越大，能分辨的角度越小，测量精度越高。目前n=8～
14位。
若要求位数更多，采用组合码盘，一个为粗计码盘，一 个为精计码盘。精计码盘转1圈，粗计码盘转1格。
☆被测轴的周向定位基准信号；
☆被测轴的旋转圈数记数信号
测量精度为能分辨的最小角度，分辨角α＝360°/狭 缝 数 。 如 条 纹 数 为 1024 ， 则 α ＝ 360°/1024 ＝ 0.352°。
光电编码器的输出信号为差动信号，进行倍频处理， 进一步提高分辨率。
伺服系统中的传感器与检测系统
采用细分技术：它是在莫尔条纹信号变化的一个周 期内，给出若干个计数脉冲来减小脉冲当量的方法。 在一个莫尔条纹的间隔内，放置若干个光电元件，使光 栅每移动一个栅距时输出均匀分布的n个脉冲，从而得 到比栅距更小的分度值，使分辨率提高到W/n。
U
1
U
0
sin
2
x
U
2
U
0
cos
2
x
两组磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一个正（余） 弦信号，经信号处理后可进行位置检测。这种方法的检测
线路比较简单，但分辨率受到录磁节距λ的限制，若要提 高分辨率就必须采用较复杂的信频电路，所以不常采用。
鉴相测量方式：
将一组磁头的励磁信号移相90°，则得到输出电压为
节距
（2）感应同步器的工作原理 定尺或滑尺其中一种绕组上通以交流激励电压，由于
电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势，该电动 势随定尺与滑尺的相对位置不同呈正弦、余弦函数变化。 再通过对此信号的处理，便可测量出直线位移量。
定尺与滑尺间的 气隙应保持在 0.25±0.05mm范 围内。
在滑尺上施加的正弦激磁电压为：
U3
D4
Z3
Z4
U 3 k U11skincos
1 3
U1
（k取0.5时）
2.3.2 光电编码器
角度编码器是测量角位移的最直接、最有效的 数字式传感器，它把角位移直接转换成脉冲或二 进制编码，分为增量编码器（脉冲盘式）和绝对 编码器（码盘式）。
按结构分为光电式、接触式和电磁式三种。 光电式具有非接触、体积小、分辨率高、可靠性 好、使用方便等特点，在数控机床、机器人位置 控制等领域有广泛应用。
《数控机床》作业参考答案
《数控机床》作业参考答案（一）第一章数控机床简介一、填空题1、控制介质、数控系统、伺服系统、机床本体、反馈装置2、数字控制3、并联4、自适应控制（AC）二、单选题1、C2、D3、A4、D5、B三、判断题1、×2、√3、×4、√5、√四、简答题1、简述数控机床的发展趋势。
答：（1）高速度与高精度化：为实现这一指标，主要采取以下的措施：①数控系统采用位数、频率更高的微处理器；②采用全数字交流伺服系统，大大提高了系统的定位精度、进给速度；③机床静、动摩擦的非线性补偿技术；④应用高速大功率电主轴；⑤配置高速、功能强的内装式可编程控制器；⑥采用高性能和可靠的新型功能部件—电滚珠丝杠；（2）多功能化：数控机床采用一机多能；数控机床具有前台加工、后台编辑的前后台功能；数控机床除具有通讯口、DNC功能外，还具有网络功能；（3）智能化：数控机床引进自适应控制技术；采用故障自诊断、自修复功能；具有刀具寿命自动检测和自动换刀功能；数控机床引进模式识别技术；（4）高的可靠性：为实现这一指标，主要采取以下的措施：①提高系统的硬件质量；②采用硬件结构模块化、标准化、通用化方式；③增强故障自诊断、自恢复和保护功能。
2、简述数控机床各组成部分的作用。
答：数控机床一般由以下几个部分组成：（1）控制介质：控制介质是将零件加工信息传送到数控装置中去的信息载体，是人与数控机床之间联系的中间媒介物质，反映了数控加工中的全部信息。
常见的控制介质有穿孔纸带、穿孔卡、磁盘、磁带等。
（2）数控系统：数控系统是机床实现自动加工的核心，是整个数控机床的灵魂所在，主要由输入装置、监视器、主控制系统、可编程控制器、各种输入/输出接口等组成。
主控制系统主要由CPU、存储器、控制器等组成，是数控系统的核心，一般称它为数控装置（CNC装置）。
（3）伺服系统：是数控系统和机床本体之间的电传动联系环节，主要由伺服电机、伺服驱动控制器组成。
伺服电机是系统的执行元件，驱动控制系统则是伺服电机的动力源。
伺服工作的原理
伺服工作的原理
伺服工作的原理是通过电机和反馈系统的协同工作来实现精确的位置控制。
它通常由三个部分组成：电机、位置传感器和控制器。
1. 电机：伺服系统中常用的电机类型是直流伺服电机或交流伺服电机。
它们通过传输电流来控制转子的位置和速度。
电机通常由定子和转子组成，其中定子是电机的静态部分，而转子则是旋转部分。
2. 位置传感器：伺服系统必须准确地知道电机转子的位置，以便进行相应的控制。
为了实现位置反馈，通常使用编码器或位置传感器来检测电机转子的位置。
编码器通过对转子位置的离散采样来输出相应的位置信号。
位置传感器可以是光电传感器、霍尔传感器等。
3. 控制器：控制器是伺服系统中的大脑，它接收来自位置传感器的反馈信号，并根据预先设定的目标位置来计算输出的电流信号。
控制器将输出的电流信号发送给电机驱动器，以实现对电机的精确控制。
控制器通过不断比较电机的实际位置和目标位置，自动调整输出信号，使电机能够准确地到达目标位置。
整个伺服系统的工作原理可以概括为: 控制器接收到目标位置后，通过位置传感器获取电机当前的实际位置，然后与目标位置进行比较，计算出控制信号，并将控制信号发送给电机驱动器。
驱动器将控制信号转换为电流信号，通过控制电机的电流来实现精确的位置控制。
持续的反馈循环可以保持电机的稳定
运行，使其能够精确地到达目标位置，并实现高精度的运动控制。
数控机床闭环进给伺服系统位置检测装置的要求和分类
数控机床闭环进给伺服系统位置检测装置的要求和分类位置检测装置是数控机床闭环进给伺服系统的重要组成部分。
它的作用是在线实时检测执行部件的直线位移或角位移，并发送位移反馈信号，以构成闭环位置掌握。
闭环数控机床的加工精度在很大程度上由位置检测系统的精度打算。
不同类型的数控机床，对位置检测元件、检测系统的精度要求和被测部件的最高移动速度各不相同。
现在检测元件与系统的最高水平是：被测部件的最高移动速度高至240m/min时，其检测位移的辨别率（能检测出的最小位移量）可达1μm，如24m/min时可达0.1μm。
最高辨别率可达到0.01μm。
1.数控机床对位置检测装置有如下要求：受温度、湿度的影响小，工作牢靠，能长期保持精度，抗干扰力量强；在机床执行部件移动范围内，能满意精度和速度的要求；使用维护便利，适应机床工作环境；成本低。
2.位置检测装置分类数控机床常用的位置检测装置类型许多，按其测量方式和所获信号的不同，可分为以下两种：数字式和模拟式测量数字式测量数字式测量是将被测量以数字的形式来表示，测量信号一般为电脉冲，可以将它直接送到数控装置进行比较处理和显示。
这样的检测装置有光栅检测装置和脉冲编码器。
数字式测量装置比较简洁、位移脉冲信号抗干扰力量较强。
模拟式测量模拟式测量是将被测量用连续变量来表示，如电压的幅值变化、相位变化。
模拟式测量装置有旋转变压器和感应同步器等。
模拟式测量所得的模拟量（如相位变化的电压），可以直接发送至数控系统与移相的指令电压信号进行比较；或者将模拟信号（如鉴幅测量所得到的为幅值变化的电压信号）转换成数字脉冲信号后，再送至数控系统进行比较和显示。
增量式和肯定式测量增量式测量检测装置只测出位移的增量，并用数字脉冲个数来表示单位位移（即最小设定单位）的数量。
执行部件每移动一个最小设定单位的距离，如0.001mm，发出一个脉冲信号。
位移的距离由增量值累积求得，一旦在某处测量有误，则其后所得的位移距离都是错误的。
电静压伺服系统原理
电静压伺服系统原理电静压伺服系统是一种高精度、高稳定的控制系统，广泛应用于各种工业领域。
这种系统通过静电力来控制和操作机械装置，具有响应速度快、精度高、稳定性好等优点。
本文将主要探讨电静压伺服系统的原理，从以下八个方面进行详细介绍：信号处理信号处理是电静压伺服系统的关键部分之一。
它主要负责对外部输入的信号进行接收、处理和分析，并将其转换为系统所需的电信号。
这些电信号可以用来控制机械装置的移动和位置。
信号处理还负责对系统的工作状态进行监控，并根据需要调整参数以优化系统性能。
电力转换电静压伺服系统的电力转换部分将信号处理部分输出的电信号转换为能够驱动机械装置的静电力。
这通常需要通过一系列的电力转换器和控制器来实现。
这些电力转换器可以控制电力的大小和方向，从而实现对机械装置的精确控制。
液压放大液压放大是电静压伺服系统的重要部分之一。
它通过将电力转换为液压能来放大和控制静电力的大小。
液压放大器通常由一些液压部件和控制器组成，可以对电力进行放大、分配和调整，从而实现机械装置的位移和力的控制。
伺服控制伺服控制是电静压伺服系统的核心部分之一。
它主要负责根据外部输入的信号和控制目标来控制机械装置的位置和速度。
伺服控制器通常由一些硬件和软件组成，可以根据需要调整参数以实现所需的控制性能。
位置检测位置检测是电静压伺服系统的关键部分之一。
它主要负责对机械装置的位置和位移进行检测和监控。
位置检测器通常由一些传感器和控制器组成，可以根据需要选择不同类型的传感器以实现高精度和高可靠性的位置检测。
检测到的位置信息可以反馈到伺服控制器中，以实现对机械装置的精确控制。
系统保护系统保护是电静压伺服系统中至关重要的一部分。
它主要负责对系统进行保护，以防止系统故障或意外情况的发生。
系统保护措施可以包括过载保护、过压保护、欠压保护、过热保护等。
这些保护措施可以确保系统的安全和稳定运行，从而延长其使用寿命。
系统诊断系统诊断是电静压伺服系统的重要部分之一。
伺服系统常用传感器及检测装置
操作面板
P
L
数
C
输入设备 控
装
置 输出设备
接口电路
机
主轴伺服 主轴电
床
单元
机
本
进给电
体
进给伺服 机
单元
位置检
测
位置检测装置在数控机床中的位置
操作面板
P
L
输入设备
数
C
控
装
输出设备
置
接口电路
机
主轴伺服
主轴电
床
单元
机
本
进给伺服单 元
进给电 机
体
位置检
测
数控机床物理结构与逻 辑结构比较
3.1 概 述
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3.2 旋转变压器
3.2.1旋转变压器的结构
旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的角位移测 量装置。当励磁绕组以一定频率的交流电压激励时，输出绕 组的电压幅值与转角成正、余弦函数关系。也可以改变连接 方式，使输出电压在一定范围内成线性关系。这两种旋转变 压器分别称为正、余弦旋转变压器和线性旋转变压器。旋转 变压器又叫同步分解器，由定子和转子组成，是一种旋转式 的小型交流电机。旋转变压器分为有刷和无刷两种。
旋转变压器根据互感原理工作，定子与转子之间气隙磁 通分布呈正/余弦规律。当定子加上一定频率的激磁电压时 （为交变电压，频率为2～4kHZ），通过电磁耦合，转子 绕组产生感应电势，其输出电压的大小取决于定子和转子两 个绕组轴线在空间的相对位置。两者平行时感应电势最大， 两者垂直时，感应电势为零。
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3.3 感应同步器
3.3.2 感应同步器的工作原理
伺服系统中的常用检测装置
当它的原绕组施加单相交流电压励磁时，副绕组输出电压 的幅值将与转子转角有关。
2024/4/7
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分类方法:
(1)若按有无电刷来分，可分为接触式和无接触式两种； (2)若按极对数来分，可分为单对极和多对极； (3)若按用途来分，可分为计算用旋转变压器和数据传输
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感应同步器作为检测元件有如下的优点：
(1)精度高
因为定尺的节距误差有平均自补偿作用，所以尺子本身的精 度能做得较高。
直线感应同步器对机床位移的测量是直接测量，不经过任何 机械传动装置，测量精度主要取决于尺子的精度
(2)测量长度不受限制 当测量长度大于250mm时，可以采用多块定尺接长，相邻定
直线式由定尺和滑尺两部分组成； 而圆形感应同步器由定子和转子组成。 感应同步器的这两部分绕组相当于旋转变压器的初级和次
级线圈，它们都是利用交变磁场和互感原理工作的。 为了辨向和细分，在滑尺上制作两个彼此相差τ/2的绕组，
这两个绕组分别为正弦绕组和余弦绕组。
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5.4 光栅
光栅是利用光的反射、透射和干涉现象制成，有物理光栅和 计量光栅。
物理光栅两刻线之间距离在0.002-0.005 mm之间，常用于光谱 分析和光波波长的测定；
计量光栅栅距在0.004-用较多的一种检测装置
（6）使用经济。
成本低、寿命长。
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5.1.2 分类
分类
增量式
绝对式
位移 传感器
回转型--脉冲编码器、自整角机 、多极旋转变压器 、绝对脉冲编 旋转变压器、圆感应同步器 、光 码器 绝对值式光栅 、 三速圆 栅角度传感器 、圆光栅、圆磁栅 感应同步器 、磁阻式多极旋转
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• 在数控机床上应用直线式感应同步器较多。
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感应同步器工作原理
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First way
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测位移
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伺服控制基础知识
三、位置检测
张健、区立毅、冯祖权、唐家华、杨浩然、周振华、詹煌
2018.3.18
位置检测 • 在伺服系统中运动部件的位置检测分角位移和直线位移
检测 • 上述介绍的角位移传感器一般用于小角位移（速度）检 测。而大角位移检测或直线位移检测，常用感应同步器、 光栅、磁尺等。
感应同步器
• 感应同步器工作原理 • 应用举例
感应同步器工作原理
感应同步器是一种检测机械角位移或直线位移的精密传感器。
在伺服系统中，它提供被测部件偏移基准点的角度和位置的测量电信号。
旋转式
直线式
• 用于测量角度。
• 用于测量长度。
• 工作原理及使用方法与自整角机和旋转变压器相似. • 可以用于测量角度。 • 精度比感应同步器低些。
张健、区立毅、冯祖权、唐家华、杨浩然、周振华、詹煌
a） b） c）
Another way
张健、区立毅、冯祖权、唐家华、杨浩然、周振华、詹煌
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感应同步器
应用举例
鉴相型测量电路
用正弦波基准信号对滑尺的 sin和cos两个绕组进行激磁时， 则从定尺绕组取得的感应电势将对应于基准信号的相位， 并反映滑尺与定尺的相对位移。将感应同步器测得的反馈 信号的相位与给定的指令信号相位相比较，如有相位差存 在，则控制设备继续移动，直至相位差为零才停止。
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应用举例
• 图2-53为应用感应同步器闭环系统电
路的例子。注意图中通过放大器后给
滑尺sin，cos两个绕组激磁电压的幅 值为峰 值 1V(Up-p=1V), 而从 定尺感
应的电压通过前置放大器后，获得信
号波形的幅值为峰值10V(Up-p=10V)。 反馈测量得到的信号在鉴相器与指令 值进行比较，得到的误差值通过D/ A 转换器，变成位置控制的指令去同服 驱动部件。
张健、区立毅、冯祖权、唐家华、杨浩然、周振华、詹煌
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感应同步器
应用举例
• 右图为应用感应同步器闭环系统电路的例子。
张健、区立毅、冯祖权、唐家华、杨浩然、周振华、詹煌
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光栅
• 光栅的基本工作原理 • 直线光栅检测装置的线路
光栅
光栅的基本工作原理
• 计量光栅有长光栅和圆光柵两种，是数控机床和数显系统常用的检测元件。 • 具有精度高、响应速度较快等优点。采用非接触式测量。 • 光栅位置检测装置由光源、二块光栅(长光栅、短光栅)和光电元件等组成。 • 长光栅G1装在机床的移动部件上，称之为标尺光栅。 • 短光栅G2装在机床的固定部件上 ，称之为指示光栅。
法用肉眼来分辨的，但它的 莫尔条纹却清晰可见。
而是一组线的平均效应。
张健、区立毅、冯祖权、唐家华、杨浩然、周振华、詹煌
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光栅
• 直线光栅检测装置的线路
• 右图是光栅测量装置的逻辑框图。
• 为了提高光栅分辨精度，线路采用了四倍频的方案，所
以光敏元件为4只硅光电池(2CR型)，相邻硅光电池的距 离为W /4 。
张健、区立毅、冯祖权、唐家华、杨浩然、周振华、詹煌
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Thanks.
张健、区立毅、冯祖权、唐家华、 杨浩然、周振华、詹煌
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鉴幅型测量电路
在感应同步器的滑尺两个绕组上，分别给以两个频率相同， 相位相同但幅值不同的正弦波电压进行激磁，则从定尺绕 组输出的感应电势的幅值随着定尺和滑尺的相对位置的不 同而发生变化，通过鉴幅器可以鉴别反馈信号的幅值，用 以测量位移量。图2-52是鉴相型测量控制电路原理框图。
张健、区立毅、冯祖权、唐家华、杨浩然、周振华、詹煌
张健、区立毅、冯祖权、唐家华、杨浩然、周振华、詹煌指示光柵在其自身的 平面內转过一个很小的角度d, 这样两块光栅的刻线相交， 则在相交处出现黑色条纹， 称为莫尔条纹。
独具特点
如果光栅的刻线为100条，即
平均效应
用莫尔条纹测量长度，决定 其精度的要素不是一根线，
栅距为0.01mm时，人们是无