第四章 伺服系统
第四章 伺服系统的检测装置
感应同步器
感应同步器就是利用感应电压的变化进行位置检测的. 感应同步器就是利用感应电压的变化进行位置检测的.
感 应 同 步 器 结 构 图
定尺绕组中的感应电势U 定尺绕组中的感应电势 2 s 滑尺的正,余弦绕组的励磁电压 滑尺的正,余弦绕组的励磁电压Um s
U2 s=K Us cosθ=K Um s cosθ sinωt
数控机床对检测装置的主要要求为 (1)工作可靠,抗干扰性强; 工作可靠,抗干扰性强; 工作可靠 (2)使用维护方便,适应机床的工作环境; 使用维护方便, 使用维护方便 适应机床的工作环境; (3)满足精度和速度的要求; 满足精度和速度的要求; 满足精度和速度的要求 (4)成本低. 成本低. 成本低
通常,数控装置要求位置检测的分辨率为 通常,数控装置要求位置检测的分辨率为0.001～0.0lmm; ～ ; 测量精度为±0.002～±0.02mm/m,能满足数控机床以1～ 测量精度为± ～ / ,能满足数控机床以 ～ l0m/min的最大速度移动. 的最大速度移动. / 的最大速度移动 位置检测装置分类 数字式 增量式 绝对式 增量式 旋转变压器, 旋转变压器, 感应同步器, 感应同步器, 圆型磁尺 直线感应同步 器,磁尺 模拟式 绝对式 多级旋转变压 器,旋转变压 器组合 绝对值式磁尺
按磁性标尺基本形状分类的各种磁尺磁通响应型磁头光 来自 盘编 码 盘�
光电盘, 光电盘, 回转型 编码盘 圆光栅 长光栅, 长光栅, 直线型 激光干 编码尺 涉仪
旋转变压器
旋转变压器工作原理
E1=nV1 sinθ = nVm sinωtsinθ 式中 n——变压比; V1——定子的输入电压; Vm——定子最大瞬时电压.
当转子转到两磁轴平行时(即θ=90o), 转子绕组中感应电势最大,即 E1=n V ms inωt
伺服传动系统
7、步进电机的驱动控制电路 、
单电压驱动
双电压驱动
斩波恒流驱动（电流驱动）
二、直流电动机的调压调速原理
直流电动机
U IR n= KΦ
U－电枢电压，I－电枢电流，R—电路 总电阻，Φ－每极磁通量，K－电动机 结构参数
由上式可知，直流电动机的控制方式如下： 调压调速（改变电枢电压，恒转矩调速） 调磁调速（改变励磁电流，恒功率调速） 改变电枢回路的电阻调速
（2）功率晶体管（GTR） 功率晶体管（GTR）
工作状态
有截止，有源放大和饱和三种状态， 有截止，有源放大和饱和三种状态，一般作为开关 使用，开通时要驱动，正常导通时要线饱和， 使用，开通时要驱动，正常导通时要线饱和，关断 时要反偏， 时要反偏，目前驱动电路已集成化。
特点：饱和压降低，载流密度大，驱动电流较 特点：饱和压降低，载流密度大， 大。 （3）场效应晶体管（MOSFET） ）场效应晶体管（ ） 特点：驱动功率大，开关速度快，导通压降大， 特点：驱动功率大，开关速度快，导通压降大， 载流密度小。 载流密度小。
四、伺服系统基本要求 精度高 指输出量复现输入指令信号的 精确程度，通常用稳态误差表示
影响伺服系统精度的因素： 影响伺服系统精度的因素：
传感器的灵敏度和精度 1、组成元件本 身误差 伺服放大器的零点漂移和死区误差 机械装置反向间隙和传动误差 各元器件的非线性因素等 结构形式 2、系统本身 输入指令信号的形式 响应速度快 是衡量伺服系统动态性能的重要指标
调速范围大 是伺服系统提供的最高速与最低 速之比，即： R = nmax n nmin 要求： Rn要大，并且在该范围内，速度稳定； 无论高速低速下，输出力或力矩稳定，低速驱动时， 能输出额定的力 或力矩； 在零速时，伺服系统处于 “锁定” 状态，即惯性 锁定” 小。 应变能力和过载能力大 应变能力指能承受频繁的启动、制动、加速、减速 应变能力指能承受频繁的启动、制动、加速、减速 的冲击； 过载能力指在低速大转矩时，能承受较长时间的 过载能力指在低速大转矩时，能承受较长时间的 过载而不致损坏
第4章 数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统 工作原理：假设是单三拍通电工作方式。 （1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 1 120/9 = 13 齿 3 2 A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 26 个 3 齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对 齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、 定子相差 1/3 个齿（3），C相的转子、定 子相差2/3个齿（6）。
mz2 k
式中：n —转速（r/min）； f —控制脉冲频率，即每秒输入步进电动机的脉冲数； 由上式可知：工作台移动的速度由指令脉冲的频率所控制。
第4章 数控机床伺服系统 特点：
(1)来一个脉冲，转一个步距角。
(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。
(3)改变脉冲顺序，改变方向。
种类：
有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转 子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。
第4章 数控机床伺服系统
计算机数控系统 机床 I/O 电路和装置 操作面板 键盘 输入输出 设备 机 床
PLC
计算机 数 装 控 置
主轴伺服单元
主轴驱动装置
进给伺服单元 测量装置
进给驱动装置
主进辅 运给助 传控 动 动制 机机机 构构构
数控机床的组成
第4章 数控机床伺服系统
第4章
数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统
360o s mz2 k
第4章 数控机床伺服系统
每个步距角对应工作台一个位移值，这个位移值称为脉 冲当量。 因此，只要控制指令脉冲的数量即可控制工作台移动的 位移量。步距角越小，它所达到的位置精度越高，因此实际 使用的步进电动机一般都有较小的步距角。 步进电动机的转速公式为：n 60 f
第四章闭环伺服系统
U = U 0 sin (ω t+ 2 π x /λ )
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第四章 进给伺服系统
脉冲编码器
脉冲编码器是一种旋转式角位移检测装置，能 将机械转角变换成电脉冲，是数空机床上使用 最光的检测装置。
光电式
脉 冲 编 码 器 的 分 类 增量式脉冲编码器 接触式
磁
磁
检测 电路
伺服系统 数字显示
尺
磁尺位置检测装置
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第四章 进给伺服系统
磁尺位置检测装置
表面录有相等节距（一般为0.05，0.1， 磁性标尺：
0.2，1mm）周期变化的磁信号。
磁 尺 按 基 N 本 形 状 分 为 平面实体形 磁尺 一般长度为600mm
磁尺
带 状 磁 尺 基体厚0.2mm，宽70mm
① 20mm
② 10mm
③ 0.35mm
④ 2.85mm
答： ① 设有一光栅的条纹密度是10条/mm，要利用它测 出1的位移，应采用___套光电转换装置。 ①1 答： ② ②2 ③3 ④4
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第四章 进给伺服系统
磁尺位置检测装置 磁尺： 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。
W、ω、θ之间的关系
ω
ω
θ
BC=ABsin(θ/2) 其中
ω
光栅 节距
标尺光栅 θ
BC=ω/2 ， AB=W/2 ，
指示光栅 B
因此
W=ω/sin(θ/2)
C θ /2 W /2
由于θ很小，θ单位为rad时， Sin(θ/2) ≈ θ 故 W ≈ ω/ θ
伺服系统课件
伺服系统课件伺服系统课件伺服系统是一种广泛应用于各种机械设备中的控制系统，它具有高精度、高可靠性和高响应速度等特点。
在现代工业中，伺服系统被广泛应用于机床、机器人、自动化生产线等领域。
为了更好地理解和掌握伺服系统的原理和应用，许多学校和培训机构都开设了相关的课程，并提供相应的课件。
一、伺服系统的基本原理伺服系统的基本原理是通过对输出信号和反馈信号进行比较，控制执行机构的运动，使其达到预定的位置、速度或力矩。
伺服系统通常由控制器、执行机构和反馈装置组成。
控制器负责接收输入信号，并根据反馈信号进行控制算法的计算，然后输出控制信号给执行机构。
执行机构根据控制信号的变化来调整自身的运动状态。
反馈装置负责采集执行机构的运动信息，并将其反馈给控制器，以便控制器进行调整。
二、伺服系统的应用领域伺服系统在各个领域都有广泛的应用。
在机床领域，伺服系统可以实现高精度的切削加工，提高加工质量和效率。
在机器人领域，伺服系统可以实现机器人的精确定位和运动控制，使机器人能够完成各种复杂的任务。
在自动化生产线领域，伺服系统可以实现产品的高速运输和精确定位，提高生产效率和质量。
三、伺服系统的优势和挑战伺服系统相比于传统的开环控制系统具有许多优势。
首先，伺服系统具有高精度和高可靠性，可以实现对输出位置、速度和力矩的精确控制。
其次，伺服系统具有高响应速度，可以快速调整执行机构的运动状态，适应快速变化的工作环境。
此外，伺服系统还具有较低的能耗和噪音，能够提供更加舒适和安静的工作环境。
然而，伺服系统也面临一些挑战。
首先，伺服系统的设计和调试较为复杂，需要专业的知识和技能。
其次，伺服系统的成本较高，对于一些小型企业和个人来说，可能难以承受。
此外，伺服系统对环境的要求较高，对温度、湿度和电磁干扰等因素都有一定的限制。
四、伺服系统课件的设计和应用为了帮助学生更好地理解和掌握伺服系统的原理和应用，许多学校和培训机构都开设了相关的课程，并提供相应的课件。
自动控制原理伺服系统知识点总结
自动控制原理伺服系统知识点总结自动控制原理中的伺服系统是一种常见而重要的控制系统，广泛应用于工业控制、机械运动控制以及航空航天等领域。
本文将对伺服系统的基本概念、结构和运作原理进行总结，希望能够帮助读者对伺服系统有更加清晰的了解。
一、基本概念伺服系统是一种能够接受输入信号并对其进行控制输出的系统。
它由控制器、执行机构和反馈装置组成。
其中，控制器用于根据输入信号生成控制指令，执行机构负责根据控制指令产生运动，而反馈装置则用于获取系统的输出信息，并将其与输入信号进行比较，实现闭环控制。
二、结构伺服系统的基本结构包括传感器、控制器、执行器和负载。
传感器用于测量系统的输出变量，并将其转化为电信号。
控制器接收传感器的信号，经过运算后生成控制信号，并将其送往执行器。
执行器根据控制信号产生相应的输出力或扭矩，作用于负载上，使其发生所需的运动。
三、运作原理伺服系统的运作原理涉及到反馈控制和误差校正两个方面。
当输入信号经过控制器处理后，由执行器产生的输出会引起系统输出变量的变化。
此时，反馈装置会将实际输出信息与期望输出进行比较，并计算出误差信号。
控制器根据误差信号进行调整，通过对执行机构施加合适的控制力或扭矩，使得系统输出逐渐趋近于期望输出。
这个过程是一个不断校正误差的闭环反馈控制过程。
四、常见的伺服系统类型1. 位置伺服系统：通过控制执行机构的位置来实现对负载位置的控制，常见的应用包括数控机床和机械臂等。
2. 速度伺服系统：通过控制执行机构的速度来实现对负载速度的控制，常见的应用包括汽车巡航控制和搬运机械等。
3. 力/扭矩伺服系统：通过控制执行机构施加的力或扭矩来实现对负载的控制，常见的应用包括机器人抓取和飞行器控制等。
五、伺服系统的性能指标伺服系统的性能指标通常包括稳定性、精度和动态响应速度等。
稳定性指系统在受到外部扰动时，是否能够快速恢复到期望状态。
精度指系统输出与期望输出之间的偏差大小。
动态响应速度指系统输出达到稳定状态所需要的时间。
伺服系统总结
伺服系统总结伺服系统是一种控制系统，由电机和驱动器组成。
它可以将机械运动与电子控制相结合，实现精确的位置、速度和力控制。
本文将对伺服系统的电机和驱动器进行详细总结。
电机是伺服系统的核心组件，它将电能转化为机械能，驱动机械执行器实现各种运动。
常见的伺服电机有直流无刷电机（BLDC）、步进电机、交流伺服电机等。
不同类型的电机适用于不同的应用场景。
直流无刷电机（BLDC）是一种先进的伺服电机，具有高效、高速、高扭矩和低维护成本的特点。
它通过电子换向器实现自动换向，不需要传统的机械换向器，使得其运行更加平稳和可靠。
BLDC电机的控制方式一般有开环控制和闭环控制两种。
开环控制是指根据电机的电压、电流和转速等参数进行控制，适用于一些简单的应用场景。
闭环控制是在开环控制的基础上加入编码器或传感器，实时监测电机的位置和速度，并进行反馈调整，以实现更精确的控制。
闭环控制广泛应用于需要高精度位置和速度控制的场合，如机床、印刷设备等。
步进电机是一种常见的伺服电机，其工作原理是根据电机的步进角度进行控制。
步进电机的控制方式有全步进和半步进两种。
全步进是每次给电机施加一个步进脉冲，使电机转动一个步进角度。
半步进是在全步进的基础上，通过控制电流的大小和方向，使电机转动一半的角度。
步进电机的优点是结构简单、控制方便，缺点是转速较低，不能实现高速和高精度的运动。
交流伺服电机是一种高性能的伺服电机，具有响应快、精度高和可靠性强的特点。
它通过电子控制器对电机供电进行频率、幅值和相位的调节，从而实现位置和速度的精确控制。
交流伺服电机适用于要求高速和高精度的应用，如机器人、自动化设备等。
驱动器是伺服系统的另一个重要组成部分，它接受来自控制器的信号，并将信号转化为电流或电压，驱动电机实现相应的运动。
驱动器的功能主要包括电源转换、信号放大、电流控制和保护等。
不同类型的电机需要不同的驱动器来实现最佳性能。
在选择驱动器时，需要考虑的因素包括电压和电流的要求、控制方式、保护功能和对外部环境的适应性。
《变频及伺服应用技术》教案
《变频及伺服应用技术》教案教案：《变频及伺服应用技术》一、教学内容本节课的教学内容选自《自动化设备与应用》教材的第四章，主要涉及变频器和伺服系统的原理及应用。
具体内容包括：1. 变频器的基本原理、结构及功能；2. 伺服系统的基本原理、结构及功能；3. 变频器和伺服系统在自动化设备中的应用案例。
二、教学目标1. 了解变频器和伺服系统的基本原理、结构及功能；2. 掌握变频器和伺服系统在自动化设备中的应用方法；3. 能够分析实际工程中变频器和伺服系统的问题，并提出解决方案。
三、教学难点与重点1. 变频器和伺服系统的原理及功能；2. 变频器和伺服系统在实际工程中的应用。
四、教具与学具准备1. PPT课件；2. 变频器和伺服系统的实物模型或图片；3. 相关实例视频资料。
五、教学过程1. 引入：通过播放一个自动化生产线的实例视频，让学生了解变频器和伺服系统在实际工程中的应用，激发学生的学习兴趣。
2. 讲解：详细讲解变频器的基本原理、结构及功能，并通过实物模型或图片进行展示，让学生更直观地理解。
3. 互动：提问学生关于变频器的工作原理和功能，引导学生进行思考和讨论，巩固所学知识。
4. 讲解：详细讲解伺服系统的基本原理、结构及功能，并通过实物模型或图片进行展示，让学生更直观地理解。
5. 互动：提问学生关于伺服系统的工作原理和功能，引导学生进行思考和讨论，巩固所学知识。
6. 应用：介绍变频器和伺服系统在自动化设备中的应用案例，让学生了解实际工程中的应用方法。
7. 练习：给出一个实际工程案例，让学生分析并运用所学知识解决问题。
六、板书设计1. 变频器的基本原理、结构及功能；2. 伺服系统的基本原理、结构及功能；3. 变频器和伺服系统在自动化设备中的应用案例。
七、作业设计1. 请简述变频器的工作原理和功能。
答案：变频器是一种用于调节交流电机转速的装置，通过改变供电频率来改变电机的转速。
变频器的主要功能有：调节电机转速、实现电机软启动、提高电机运行效率、降低电机噪音等。
第4章 进给伺服系统
4.1 概述
• 4.1.1 基本定义 • 4.1.2 伺服系统的基本要求 • 4.1.3 分类
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4.1.1 基本定义
• 伺服系统
– 根据数控装置给出的指令控制工作台的速度 、位移或主轴转速的控制系统。
• 分类：
– 进给伺服系统 – 主轴伺服系统
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4.2 步进电机及其调速
• 步进电机的结构与工作原理 • 步进电机的特征参数 • 步进电机开环进给的传动计算及电机选
用 • 步进电机的驱动
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步进电机的结构与工作原理
• 步进电机控制原理：
– 电脉冲信号→角位移 – 脉冲数→位移 – 脉冲频率→转速
• 缺点：
– 容易失步（大负载和高速情况下）
• 位移精度取决：
– 步进电机的角位移精度 – 齿轮丝杠等传动元件的导程或节矩精度 – 系统的摩擦阻尼特性
• 性能
– 定位精度：±0.02mm，±0.01mm – 速度：脉冲当量为0.01mm时，不超过5m/min
• 特点：
– 结构简单，用于精度要求不高的机床
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闭环和半闭环进给伺服系统
转矩——频率特性
• 负载转矩越大，工作频 率越低，符合加工实际 需求
• 在步进电机运行时，对 应于某一频率，只有当 负载转矩小于它在该频 率时的最大动态转矩， 电机才能正常运转
• 应根据负载要求参照高 频输出转矩来选用步进 电机的规格
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步进电机开环进给的传动计算及电机选用 • 传动计算
– 硬件、软件
• 功率放大器
– 功率放大，脉冲电流 1~10A，每一相绕组 都有一套
数控机床的伺服系统
4.2 步进电动机驱动控制系统
4.2.3 步进电动机的驱动控制
1.步进电动机的工作方式 从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每拍转子转过一个
步距角。按A→B → C → A → …的顺序通电时，电动机的转 子便会按此顺序一步一步地旋转;反之，若按A → C → B → A→…的顺序通电，则电动机就会反向转动，这种三相依次 单相通电的方式，称为三相单三拍式运行，“单”是指每次 只有一相绕组通电，“三拍”是指一个循环内换接了三次， 即A、B、C三拍。单三拍通电方式每次只有一相控制绕组通 电吸引转子，容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行稳 定性较差;另外，在切换时一相控制绕组断电而另一相控制绕 组开始
4.2.2 步进电动机的工作原理与主要特 性
1.步进电动机的工作原理
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4.2 步进电动机驱动控制系统
步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。下面以 图4-2所示的一个最简单步进电动机结构为例说明步进电动机 的工作原理。其定子上分布有6个齿极，每两个相对齿极装有 一相励磁绕组，构成三相绕组。
也称为数组的长度。
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6.1 一维数组
对数组的定义应注意以下几点。 (1)数组的类型实际上是指数组元素的取值类型。对于同一
个数组，其所有元素的数据类型都是相同的。 (2)数组名的书写规则应符合标识符的书写规定。 (3)数组名不能与其他变量名相同。 (4)不能在方括号中用变量来表示元素的个数，但是可以用
按伺服控制方式不同，数控机床伺服系统可分为开环、闭环 和半闭环系统。开环型采用步进电动机驱动，控制方式简单， 信号单向传递，无位置反馈，所以精度不高，适用于要求不 高的经济型数控机床中。而闭环控制系统采用直流、交流伺 服电动机驱动，位置检测元件安装于机床运动部件上，
第四章--舵机与舵回路
位置反馈：可提高通频带，快速性，影响 静态稳定性。（kf 太大，系统不稳）
混合反馈：一般速度反馈不能大，液压舵 回路中，一般不用速度反馈。
对于各种反馈量的确定──可用根轨迹分
析、动态响应分析，通频带，快速性及静态 特性几个方面对比来定。
四、舵回路举例系统的设计
技术要求： 舵机要有足够的功率输出； 各种飞行状态舵机都能稳定工作；
KM S2
TM
L R
舵机电气时间常数
TM 一般很小，可略去。
电动舵机传递函数
2）舵面负载不为零时 M j 0 B 0
Ai2
WM (S )
k (S)
U (S)
(TM S
M
j
R
1)
Ji M
2
j
S2
1
当略去TM 时，
Ai2
WM
(S)
M
j
R
Ji2
M
j
S2
1
电动舵机特性分析
空载时：舵机动特性可描述为两个积分环 节与一个惯性环节相串联
第四章 舵机与舵回路 舵机（执行机构） 舵面负载及对舵机的影响 舵回路的基本类型与特点 舵机特性对舵回路的影响 舵机与飞机操纵系统的联接方式
引言
舵回路（伺服系统）是飞行自动控制系统 中不可缺少的组成部分，它按照指令模型 装置或敏感元件输出的电信号操纵舵面， 实现飞机角运动或航迹运动的自动稳定与 控制。
i
舵面角 k 鼓轮角 “△”表示增量
“－”表示舵面转的方向与鼓轮转的方向
相反
电动舵机方框图
电动舵机传递函数
1）舵面负载为零 M j 0 时，B 0
得空载时电动舵机输入电压对鼓轮输出转角
的传函：
有关伺服系统的简介
有关伺服系统的介绍第一章数控机床的伺服系统伺服系统是数控机床的重要组成部分之一。
数控机床的伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的机械位移为控制目标的自动控制系统，又称随动系统。
它将CNC装置中插补器传来的进给脉冲，经变换放大而转换成机床坐标轴的移动，从而实现加工顺序中所规定的操作。
数控装置每发送一个电压脉冲，工作台就相当于刀具移动一个基本长度单位，该长度单位称为脉冲当量。
高性能的伺服系统还能通过检测元件反馈实际的输出位置状态，并由位置调节器构成位置闭环控制。
在开环系统中伺服驱动元件常采用步进电动机，在闭环系统中则常采用直流伺服电动机或交流伺服电动机。
在数控机床中，伺服是指有关的传动或运动参数均严格按照数控装置的控制指令实现，这些参数主要包括运动的速度、运动的方向和运动的起停位置等。
数控机床的性能在很大程度上取决于进给伺服系统的性能。
第二章伺服系统的的组成伺服系统的一般结构图如2.1所示。
它是由一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环所组成。
速度环是一个非常重要的环，速度环中用作速度反馈的检测装置为测速发电机、脉冲编码器等。
速度控制单元是一个独立的单元部件，速度环由速度比较调节器、速度反馈和速度检测装置组成。
位置环是由CNC 装置中的位置控制模块速度控制单元、位置检测及反馈控制等组成。
第三章闭环伺服电机驱动系统闭环伺服驱动系统的性能指标与普通电机不同，在结构上也有着较大的差别。
它具有工作可靠、抗干扰力强、精度高等特点，但由于增加了位置检测、反馈、比较等环节，结构复杂，调试困难，价格昂贵。
3.1.直流伺服电机直流伺服电机由直流电信号进行控制，它将输入的电压控制信号快速地转换为轴上的角位移或角速度输出。
直流伺服电机信号响应迅速、输出力巨大、容易调速且调速范围宽、过载能力强、低速运转平稳，但结构复杂、制造困难，而且电刷和换向器容易磨损，影响电机转速的提高和使用寿命。
3.2.交流伺服电机交流伺服电机作为数控机床执行元件，将交流电信号转换为轴上的角位移或角速度，其间要求转子速度的快慢反应控制信号的相位。
机电一体化系统设计第4章伺服系统设计1
常用的是前面2种调速方式。
晶闸管的结构与符号
晶闸管是具有三个PN 结的四层结构, 其外形、 结构及符号如图。
四
层
A
半
导
体
G
K
(a) 符号
A 阳极
三
二、步进电动机及其控制
1、工作原理：
当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁阻最小的 路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1、3齿要和A 级对齐。当下一个脉冲通入B相时，磁通同样要按磁阻最 小的路径闭合，即2、4齿要和B级对齐，则转子就顺逆 时针方向转动一定的角度。
三、步进电动机及其控制
若通电脉冲的次序为A、C、B、A…，则不 难推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这 样，用不同的脉冲通入次序方式就可以实观对步 进电动机的控制。
B
W 2 sin
W
2
由于θ值很小，条纹近似与栅线的方向 垂直，故称为横向莫尔条纹。
横向莫尔条纹重要特性: ①莫尔条纹运动与光栅运动具有对应关系 ②莫尔条纹具有位移放大作用 ③莫尔条纹具有平均光栅误差作用
原理图1
退出
4.2 伺服系统执行元件及其控制
一、执行元件类型及特点 二、步进电机及其控制 三、伺服电机及其控制
(1) 原理: 励磁绕组WF接到电压为的交流电网上，控制
绕组接到控制电压上，当有控制信号输入时，两 相绕组便产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应 电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场以 一定的转差率转动起来，其旋转速度为
n 6f( 0 1 s )p n 0 ( 1 s )
伺服系统工作原理
伺服系统工作原理
伺服系统是一种基于反馈控制的自动控制系统，用于准确地控制机械装置的位置、速度或力量。
它由伺服电机、传感器、控制器和执行器组成。
伺服电机是伺服系统的关键组件之一。
它通过电流的反馈控制，实现位置或速度的精确控制。
伺服电机通常由直流电机和位置传感器（如编码器）组成。
编码器可以监测电机转动的位置，将位置信息反馈给控制器。
控制器根据编码器的反馈信号，计算出控制电机的电流指令。
控制器是伺服系统中的另一个重要组成部分。
它接收传感器反馈的位置信息，并与预设的目标位置进行比较。
控制器通过不断调整输出信号来控制电流，从而使伺服电机按照预定的轨迹或速度运动。
控制器通常采用PID控制算法（比例-积分-微分
控制）来实现精确的控制。
执行器是伺服系统的输出部分，负责将电机的运动转化为机械装置的实际运动。
执行器可以是传动系统（如齿轮和导轨），也可以是液压或气动系统。
执行器的目标是将电机的运动传递到机械装置上，以实现预期的运动效果。
伺服系统的工作原理可以总结为以下几个步骤：首先，传感器监测电机的位置，并将位置信息反馈给控制器。
控制器根据位置信息和目标位置之间的差异，计算出控制信号。
然后，控制信号通过放大器被转化为驱动电机的电流。
伺服电机接收电流指令，并根据指令的大小和方向旋转相应的角度或速度。
最后，
通过执行器将电机的运动转化为机械装置的实际运动。
通过不断地监测和调整，伺服系统可以实现对机械装置位置、速度或力量的精确控制。
这使得伺服系统广泛应用于机床、自动化生产线、机器人等领域。
数控技术第四章开环伺服系统
开环伺服系统在机器人中的应用
机器人是另一个应用开环伺服系统的关键领域。开环伺服系统在机器人 的运动控制中发挥着重要作用，确保机器人能够准确、快速地执行任务 。
在机器人应用中，开环伺服系统主要用于控制机器人的关节运动和末端 执行器的位置，实现精确的定位和轨迹跟踪。
针对不同类型和用途的机器人，开环伺服系统的设计和性能也有所不同 ，需要进行针对性的开发和优化。
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开环伺服系统的优缺点
开环伺服系统的优点
结构简单
开环伺服系统结构简单，没有反馈环节，因此系统设计和调试相对容易。
稳定性好
由于没有反馈控制，开环伺服系统的稳定性较好，不容易受到外部干扰的影响。
成本较低
开环伺服系统的元件相对较少，因此成本较低，适合于对精度要求不高的场合。
速度快
由于开环控制的特点，开环伺服系统在定位过程中速度较快。
定制化服务的需求增加
不同应用领域对开环伺服系统的需求差异较大，用户需要更加定制 化的服务来满足其特定需求。
开环伺服系统的未来展望
技术创新不断涌现
随着科技的不断进步，未来将有更多的技术创新应用于开环伺服系统，推动其性能和功 能的不断提升。
绿色环保成为重要发展方向
随着环保意识的不断提高，未来开环伺服系统将更加注重绿色环保，减少对环境的负面 影响。
智能化和网络化成为发展趋势
未来开环伺服系统将更加智能化和网络化，能够实现远程控制和实时监测，提高系统的 可靠性和稳定性。
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运动稳定性
开环伺服系统的运动稳定性主要取决于系统参数的调整和机械系统的动态特性，通过合理 设置系统参数和优化机械系统设计，可以提高系统的运动稳定性。
伺服系统的原理与结构
伺服系统的原理与结构伺服系统是现代自动控制系统中常见的一种控制方式，它广泛应用于工业生产、机械制造、航空航天等领域。
本文将介绍伺服系统的原理与结构，以帮助读者更好地理解和应用伺服系统。
一、原理伺服系统的原理基于反馈控制理论，主要包括测量反馈、比较反馈和校正反馈三个步骤。
首先，通过传感器测量被控对象的状态，如位置、速度、力量等。
然后，将测量值与设定值进行比较，得到误差信号。
最后，通过校正反馈的方法，将误差信号转换为控制信号，作用于执行机构，使系统输出与设定值更加接近，实现对被控对象的精确控制。
伺服系统的原理可以用数学公式描述，其中关键的控制算法有比例控制、积分控制和微分控制三种方式。
比例控制根据误差信号的大小调节输出信号，实现快速的响应速度；积分控制根据误差信号的累积值调整输出信号，实现较好的稳定性；微分控制根据误差信号的变化率调节输出信号，实现平稳的过渡过程。
综合使用这三种控制方式，可以使伺服系统具有较好的动态特性和鲁棒性。
二、结构伺服系统由多个组成部分构成，包括传感器、执行机构、控制器和供电系统。
下面将分别介绍各个组成部分的功能和特点。
1. 传感器：传感器是伺服系统中获取被控对象状态信息的关键部分。
常见的传感器包括位置传感器、速度传感器和力传感器等。
位置传感器用于测量被控对象的位置，速度传感器用于测量被控对象的速度，力传感器用于测量被控对象的力量。
传感器的选择应根据具体应用需求来确定。
2. 执行机构：执行机构是伺服系统中实现控制效果的关键部分。
常见的执行机构包括伺服电机、伺服阀和伺服驱动器等。
伺服电机通常具有高转矩、高精度和高响应速度的特点，可用于控制机械设备的位置和速度。
伺服阀常用于液压系统，可用于控制液压执行元件的力量和速度。
伺服驱动器是控制执行机构的关键设备，可接收控制信号并驱动执行机构进行精确控制。
3. 控制器：控制器是伺服系统中实现控制算法的核心部分。
根据实际需求，控制器可以采用单片机、PLC或专用的伺服控制器等设备。
初步了解伺服系统
初步了解伺服系统(没有明确的格式要求，所以本文将采用常规的段落文章格式。
)初步了解伺服系统伺服系统作为一种自动控制系统，在现代机械设备的应用中越来越普遍。
本文将介绍伺服系统的基本结构以及其工作原理。
一、伺服系统的基本结构伺服系统由三个基本部分组成：控制器（Controller）、执行机构（Actuator）和反馈传感器（Feedback Sensor）。
控制器根据反馈传感器的输入信号控制执行机构的运动，从而达到预定的控制目标。
具体地说，控制器主要包括中央处理器（CPU）和控制电路组成，用于计算控制信号并输出到执行机构。
执行机构通常是电动机，包括直流电动机、交流电动机和步进电动机等。
反馈传感器的作用是对执行机构的位置、速度和加速度等运动状态进行检测，并将检测结果反馈给控制器。
常见的反馈传感器包括编码器、旋转变压器以及霍尔传感器等。
二、伺服系统的工作原理伺服系统的工作原理可以概括为反馈控制原理。
具体来说，控制器会根据反馈传感器的信号与预设信号之间的误差进行比较，计算出修正控制信号，从而使执行机构向预定状态（如位置、速度或加速度）靠近。
这个过程不断重复，直到执行机构到达目标状态。
伺服系统的工作过程分为四个基本阶段：采集、处理、输出和反馈。
在采集阶段，反馈传感器会捕捉执行机构的实际运动状态，并将信息反馈给控制器。
在处理阶段，控制器会根据反馈信号和预设信号计算出控制信号，并输出给执行机构。
在输出阶段，执行机构会根据控制信号进行运动。
在反馈阶段，反馈传感器会不断捕捉执行机构的实际运动状态，并再次反馈给控制器。
三、伺服系统的应用伺服系统广泛应用于各种机械设备，如机床、制造业、飞行器等。
在自动化生产流水线中，伺服系统可用于控制并保持产品的稳定状态，提高生产效率和质量。
在飞行器中，伺服系统可控制机身的姿态和运动，保证飞机飞行的稳定性和安全性。
在工程领域，伺服系统是一个非常关键的技术，对于自动化生产线和机器人等领域具有重要意义。
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第三节 交流电动机伺服系统
第三节 交流电动机伺服系统
第三节 交流电动机伺服系统
• 由表4-5可知,交流伺服电动机本身已附装了增量式光电编 码器，用于电动机速度及位置的反馈控制。目前许多数控 机床均采用这种半闭环的控制方式，而无需在机床导轨上 安装检测装置。若采用全闭环控制方式，则需在机床上安 装光栅或其它位移检测装置。 • 全数字交流伺服电动机驱动器的外形如图4-23所示。其面 板由四部分组成，即数码显示与按键、接线端子排、CN 连接器、状态指示灯。作为用户,应重点掌握这几部分的 接线方法及与电动机的连接方式。表4-7给出了外部接线 端子及线径。
四、步进电动机驱动装置应用实例介绍
第二节 步进电动机及驱动电路
• 为使初学者了解和掌握步进电动机在实际 使用时接线方式及控制方法。下面以上海 开通数控公司KT350系列五相混合式步进电 动机驱动器为例，介绍步进电动机驱动器 的使用方法。如图4-13所示步进电动机驱 动器的外形图。在实现步进电动机的控制 中，用户需要掌握接线端子排、D型连接器 CN1及4位拔动开关使用方法，其中接线端 子排的意义见表4-3。
第三节 交流电动机伺服系统
图4-23 交流伺服电动机驱动器外形图
第三节 交流电动机伺服系统
第三节 交流电动机伺服系统
• 表4-7中再生放电电阻的作用是通过泄放能量来达到限制 电压的目的。KT270-20、30伺服驱动器需外接再生放电 电阻。KT270-50、75伺服驱动器必须采用外部再生放电 电阻（38 /220V）。机械负载惯量折算到电动机轴端为 电动机惯量的4倍以下时，一般都能正常运行。当惯量太 大时或降速时间过小时，在电动机减速或制动过程中将出 现主电路过电压报警。 • 图4-24为KT270-20、30标准接线图，各端子脚号的含义 见表4-8～表4-12。
第一节 概 述
• 数控机床对主轴驱动的要求： • 1)能提供大的切削功率； • 2)调速范围达200：1，以利于选择合适的 主轴转速； • 3)能满足不同的加工要求，在一定速度范围 内保持恒转矩或恒功率切削。
第二节 步进电动机及驱动电路
• • 一、步进电动机的工作原理和主要特性 (一)步进电动机的工作原理
图4-4 三相反应式步进电动机的结构图
第二节 步进电动机及驱动电路
图4-5 三相反应式步进电动机工作原理图
第二节 步进电动机及驱动电路
• （二）步进电动机的主要特性 • 1．步距角θs和步距误差∆θs • 2．静态转矩和矩角特性
图4-6 步进电动机的静态矩角特性
第二节 步进电动机及驱动电路
• 3．最大起动转矩Mq
• 一、交流伺服电动机的类型
图4-16 交流伺服电动机及其驱动实形图
第三节 交流电动机伺服系统
• 二、交流伺服电动机的工作原理
图4-17 永磁式同步型电动机的工作原理
第三节 交流电动机伺服系统
• • • • • 三、交流伺服系统的控制方法 1．交流伺服电动机的调速方法 ． （1）恒转矩调速 ） （2）恒功率调速 ） （3）恒最大转矩调速 ）
第三节 交流电动机伺服系统
• 四、交流伺服电动机驱动系统应用实例
下面以上海开通数控公司KT270系列全数字交流伺服 系列全数字交流伺服 下面以上海开通数控公司 驱动系统为例，介绍交流伺服电动机驱动装置的使用方法。 驱动系统为例，介绍交流伺服电动机驱动装置的使用方法。 为了解交流伺服电动机及其驱动装置的功能及性能指标， 为了解交流伺服电动机及其驱动装置的功能及性能指标， 和表4-6分别给出了交流伺服电动机部分驱动模块及 表4-5和表 分别给出了交流伺服电动机部分驱动模块及 和表 电动机的规格。 电动机的规格。
第三节 交流电动机伺服系统
• 2．变频器的类型 变频器可分为“交—交”型和“交— 直—交”型两类。前者又称直接式变频器， 后者又称带直流环节的间接式变频器。 （1）“交—交”型变频器 （2）“交—直—交”型变频器
第三节 交流电动机伺服系统
• 3．SPWM变频控制器
图4-22 与正弦波等效的SPWM波形
• • • • • • • • •
第二节 步进电动机及驱动电路
• 综上述，步进电动机的控制信号主要是通过计算机数控装置经D型连接器 CN1传送给步进驱动器来实现，步进电动机的控制方式主要是通过四位拔动 开关SW来设置，其典型的接线如图4-15所示。
图4-15 步进电动机的典型接线图
第三节 交流电动机伺服系统
第一节 概 述
• 一、伺服系统的组成与分类 1.开环伺服系统 开环伺服系统
图4-1 开环伺服系统
第一节 概 述
• 2.半闭环伺服系统 半闭环伺服系统
图4-2 半闭环伺服系统
第一节 概 述
• 3.闭环伺服系统 闭环伺服系统
图4-3 闭环控制系统
第一节 概 述
• 二、伺服系统的基本要求 • 根据机械切削加工的特点，数控机床对进 给驱动有如下要求： • 1．位移精度高 • 2．调速范围宽 • 3．响应速度快 • 4．稳定性好 • 5．低速大转矩
第三节 交流电动机伺服系统
图4-24 KT270标准接线图
第三节 交流电动机伺服系统
第三节 交流电动机伺服系统
第三节 交流电动机伺服系统
第三节 交流电动机伺服系统
第三节 交流电动机伺服系统
第三节 交流电动机伺服系统
• • • • 图4-23中部分功能说明如下： （1）6个LED显示和系统按键 KT270交流伺服电动机驱动系统面板有6个LED数码管显示器和4个按键 组成，用来显示系统各种状态、设置参数等。操作是分层操作， 键 表示层次的后退和前进， 键有进入、确定的意义， 键有退出、取消的意 义； 、 键表示增加、减少序号或数值大小。如果按下 、 键并保持， 则具有重复效果，并且保持时间越长，重复速率越高。 如果6个数码管或最右边数码管的小数点显示闪烁，表示发生报警。 （2）SON、CHG指示灯 SON为伺服开启信号；CHG为伺服系统电源指示。 （3）CN3为型连接器（9芯），用于伺服系统接受外部脉冲输入。 （4）CN4为D型连接器（15芯），用于伺服系统接受外部控制信号和输出反 馈信号。 （5）CN5为D型连接器（15芯），用于伺服系统接受电动机编码器检测信号。 （6）CN6为D型连接器（15芯），用于伺服系统接受CNC输入的模拟量速度 信号。 图4-25为KT270伺服系统与KT590数控系统连接图。
• 四、直流电动机的调速
由式（4-11）可知，直流电动机的调速方式有：①改 变电枢电压Ua；②改变励磁电流If以改变磁通Φ；③改变 电枢回路电阻Ra。
第四节 直流伺服电动机
• 1．机械调速特性
图4-28 直流电动机的机械特性
图4-29 直流电动机的机械调速特性
第四节 直流伺服电动机
•2．调节特性 ．
图4-9 单电压驱动电路原理图
第二节 步进电动机及驱动电路
• （2）高低压驱动电路
图4-11 高低压驱动电路原理图
第二节 步进电动机及驱动电路
• （3）恒流斩波驱动电路
图4-10 驱动电路波形图
第二节 步进电动机及驱动电路
ห้องสมุดไป่ตู้
图4-12 斩波驱动电路原理图
第二节 步进电动机及驱动电路
三、开环控制步进电动机伺服系统的工作原理 • 1．工作台位移量的控制 • 2．工作台运动方向的控制
• • • •
图4-7步进电动机的起动转矩 4．最高起动频率 fq 5．连续运行的最高工作频率fmax 6．矩频特性曲线 7．步进电动机的选用
第二节 步进电动机及驱动电路
• • • •
•
二、步进电动机的驱动控制 1．环形脉冲分配器 ． 2．步进电动机驱动电源（功率放大器） ．步进电动机驱动电源（功率放大器） （1）单电压驱动电路 如图4-9所示
图4-30 直流电动机的调节特性
第四章 伺服系统
• • • • • • • • • 习 题 1．数控机床对伺服系统有哪些要求？ 2．简述反应式步进电动机的工作原理。 3．某五相步进电动机转子有48个齿，试计算单拍制和双 拍制的步距角。 4．如何控制步进电动机的转速及输出转角？ 5．什么是反应式步进电动机的启动矩频特性和运行矩频 特性？ 6．步进电动机的控制电源由哪几部分组成？各有什么作 用？ 7．试比较高低压、恒流斩波驱动电源的特点。 8．交流伺服电动机的调速方法有几种？哪种应用最广泛？
第二节 步进电动机及驱动电路
图4-13 步进电动机驱动器的外形 图4-13中的拔动开关SW是一个四位开关，如图4-14所示。通过该开关可设 置步进电动机的控制方式，其各位的意义如下。
第二节 步进电动机及驱动电路
图4-14 设定用拔动开关
第二节 步进电动机及驱动电路
• • 第一位：控制方式的选择 ON位置为双脉冲控制方式，OFF位置为单脉冲控制方式。在双脉冲控制方式下，连接 器CN1的CW、 端子输入正转运行脉冲信号，CCW、 端子则输入反转脉冲信号。在单 脉冲控制方式下，连接器CN1的CP、 端子输入正、反转运行脉冲信号，DIR、 端子输 入正、反转运行方向信号。 第二位：运行方向的选择（仅在单脉冲方式时有效） OFF位置为标准设定，ON位置为单方向转，与OFF状态转向相反。 第三位：整/半步运行模式选择 ON位置时步进电动机以整步方式运行，OFF位置时步进电动机以半步方式运行。 第四位：自动试机运行 ON位置时自动试机运行，此时步进电动机在半步控制方式下以50r/min速度自动运行； 在整步控制方式下以100r/min速度自动运行，而不需外部脉冲输入，OFF位置时驱动器 接受外部脉冲才能运行， 此外，在驱动器的面板上还有两个LED指示灯： CP—驱动器通电情况下，步进电动机运行时闪烁，其闪烁的频率等于电气循环原点信 号的频率。 PWR—驱动器工作电源指示灯，驱动器通电时亮。
图4-26 直流伺服电动机及其驱动器的实形图