闭环伺服系统
全闭环伺服系统结构特点
全闭环伺服系统结构特点全闭环伺服系统是一种高性能的运动控制系统，它由传感器、控制器和执行器组成，能够实现准确的位置、速度和力量控制。
全闭环伺服系统相比于开环系统具有更高的精度和稳定性，能够更好地适应复杂的工作环境和任务要求。
全闭环伺服系统的结构特点主要包括以下几点：1. 传感器：全闭环伺服系统中的传感器通常用于实时监测执行器的位置、速度和力量等参数，并将这些数据反馈给控制器。
常用的传感器包括编码器、位移传感器、力传感器等。
传感器的准确性和灵敏度直接影响系统的控制精度和性能。
2. 控制器：控制器是全闭环伺服系统的核心部件，负责接收传感器反馈的数据，进行运动控制算法的计算，并输出控制信号控制执行器的运动。
控制器通常采用高性能的数字信号处理器（DSP）或者专用的运动控制芯片，以确保系统的实时性和稳定性。
3. 执行器：执行器是全闭环伺服系统中的执行部件，负责根据控制器输出的控制信号实现精确的位置、速度和力量控制。
执行器通常采用伺服电机或者液压缸等设备，能够提供高精度、高速度和高力量的运动输出。
4. 反馈回路：全闭环伺服系统通过传感器采集到的反馈信号与控制器输出的控制信号进行比较，形成一个反馈回路。
通过不断地调节控制信号，使得实际输出与期望输出尽可能接近，从而实现准确的运动控制。
反馈回路能够有效地抑制系统的误差和干扰，提高系统的稳定性和精度。
5. 高性能控制算法：全闭环伺服系统通常采用先进的控制算法，如比例积分微分（PID）控制算法、模糊控制算法、模型预测控制算法等。
这些控制算法能够根据系统的数学模型和实时反馈信息，快速地调节控制参数，实现系统的高性能运动控制。
在全闭环伺服系统中，传感器、控制器、执行器和反馈回路相互作用，共同实现高精度、高稳定性的运动控制。
全闭环结构能够有效地抑制系统的误差和干扰，提高系统的响应速度和控制精度。
这种结构特点使得全闭环伺服系统在工业自动化、机器人技术、航空航天等领域得到广泛应用。
伺服电动机运动系统的位置闭环控制
伺服电动机运动系统的位置闭环控制GeorgeEllis2010-01-13 15:20伺服电动机运动系统的位置闭环控制采用伺服电动机的闭环伺服系统主要由执行元件（如交直流伺服电动机、液压马达等）、反馈检测单元、比较环节、驱动线路和机械运动机构五部分组成。
其中，比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动线路控制执行元件带动机械位移，直到跟随误差为零。
根据比较环节组成的闭环位置控制方式不同，伺服系统也有多种形式。
随着微处理器及控制技术的介入和完善，由硬件组成的比较环节将由软件实现的位置控制环取代，即由模拟式向数字化方向过渡，以适应更高速度与精度的需要，而且，系统中的电流环、速度环和位置环的反馈控制全部数字化，全部伺服的控制模型和动态补偿均由高速微处理器及其控制软件进行实时处理，采样周期只有零点几毫秒，采用前馈与反馈结合的复合控制可以实现高精度和高速度，近年来又出现了学习控制这一种智能型的伺服控制，在周期性的高速度、高精度跟踪中，几乎可以消除第一个周期以外的全部伺服误差，数字化的软件伺服是当今的发展趋势。
下面将介绍几种典型的闭环伺服系统结构。
鉴相式伺服系统鉴相式伺服系统是运动控制中早期使用较多的一种闭环伺服系统，它具有工作可靠、抗干扰性强、精度高等优点。
但由于增加了位置检测、反馈、比较等元件，与步进式伺服系统相比，它的结构比较复杂，调试也比较困难。
下面讲述鉴相式伺服系统的工作原理。
图13. 16是鉴相式伺服系统框图，它主要由六部分组成，即基准信号发生器、脉冲调相器、检测元件及信号处理线路、鉴相器、驱动线路和执行元件。
基准信号发生器输出的是一列具有一定频率的脉冲信号，其作用是为伺服系统提供相位比较的基准。
脉冲调相器又称为数字相位转换器，它的作用是将来自主机的进给脉冲信号转换为相位变化信号，该相位变化信号可用正弦波或方波表示。
若主机没有进给脉冲输出，脉冲调相器的输出与基准信号发生器的基准信号同相位，即两者没有相位差。
《闭环伺服系统设计》课件
自动化生产线伺服系统需要具备高精 度、快速响应和同步控制能力，以确 保生产线的稳定运行。
航空航天伺服系统
航空航天伺服系统是用于控制航 空器和航天器运动的关键技术之 一，具有高精度、高可靠性和耐
极端环境的特点。
航空航天伺服系统需要适应高速 、高海拔和强辐射等极端环境， 确保飞行器和航天器的安全和稳
定。
制作过程中应注重工艺控制， 保证电路板的加工精度和可靠 性。
电机驱动电路设计
01
电机驱动电路是伺服系统的动力 来源，其设计直接影响到伺服系 统的性能。
02
电机驱动电路设计应充分考虑电 机的电气特性，如电压、电流、 电阻等，以确保电机正常工作。
设计中应注重控制精度和响应速 度，以满足伺服系统的需求。
系统调试与优化
系统调试步骤
介绍系统调试的基本步骤、调试方法以及在闭 环伺服系统中的应用。
系统优化技巧
阐述系统优化的基本原则、优化方法以及在闭 环伺服系统中的应用。
性能测试与评估
介绍性能测试的方法、评估标准以及在闭环伺服系统中的应用。
2023
PART 05
闭环伺服系统应用案例
REPORTING
数控机床伺服系统
驱动方式
根据电机类型选择合适的驱动电路或驱动器，如H桥、三相逆变器等。
电Hale Waihona Puke 参数根据系统性能指标确定电机的转速、转矩、功率等参数。
电机控制
通过调整输入电压或电流实现对电机的速度和位置控制。
传感器与反馈控制
传感器类型
选择能够准确测量系统状态（如位置 、速度、加速度等）的传感器。
反馈控制
通过传感器反馈的系统状态信息，与 理想状态进行比较，形成误差信号， 用于调整系统输出。
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
双闭环机床伺服系统的组成及各部分作用
一、概述机床作为制造业中常见的设备之一，对于产品加工具有至关重要的作用。
而机床的运动控制系统中的伺服系统更是其核心部分之一。
双闭环机床伺服系统作为目前应用较为广泛的一种机床伺服系统，其组成及各部分作用备受关注。
本文旨在对双闭环机床伺服系统的组成及各部分作用进行系统的介绍，以期对读者有所启发。
二、双闭环机床伺服系统的基本概念1.1 双闭环机床伺服系统的定义双闭环机床伺服系统是一种具有两个闭环控制的机床伺服系统，分别是速度环和位置环。
通过这两个闭环系统的协同作用，可以更加精准地控制机床的运动，提高加工精度和效率。
1.2 双闭环机床伺服系统的优势双闭环机床伺服系统相较于单闭环系统具有许多优势，如运动精度更高、动态性能更好、抗干扰能力更强等。
三、双闭环机床伺服系统的组成2.1 电机部分电机是双闭环机床伺服系统的核心部分，负责将电能转换为机械能，驱动机床的各种运动。
通常采用的是交流伺服电机或直流伺服电机。
2.2 传感器部分传感器是用来感知机床运动状态的装置，可以采集到机床位置、速度等信息，并反馈给控制系统，以实现闭环控制。
常见的传感器包括编码器、光栅尺等。
2.3 控制器部分控制器是双闭环机床伺服系统的大脑，负责接收传感器反馈的信号，计算控制算法得出控制指令，并驱动电机实现所需的运动。
常见的控制器包括PLC、DSP等。
2.4 励磁部分励磁部分是用来控制电机的磁场强度的部分，可以根据运动需要调节电机的磁场，以实现精确的运动控制。
通常采用的是三相功率放大器。
四、双闭环机床伺服系统各部分的作用3.1 电机的作用电机是双闭环机床伺服系统的动力来源，可以根据控制器输出的控制指令实现精确的运动控制。
其性能的好坏直接影响着机床的加工精度和效率。
3.2 传感器的作用传感器负责采集机床的运动状态信息，并将其反馈给控制器，以实现闭环控制。
传感器的准确性和稳定性对机床的运动控制起着至关重要的作用。
3.3 控制器的作用控制器是整个双闭环机床伺服系统的大脑，负责接收传感器反馈的信号，计算控制算法，并输出控制指令驱动电机运动。
闭环伺服系统设计
主控界面设计
设计简洁明了的主控界面，方便用户进行系统监控和控制。
自定义报表和图形显示
根据用户需求，设计各类报表和图形显示，提供直观的数 据分析和可视化功能。
05 闭环伺服系统调试与优化
系统调试流程
硬件检查
检查伺服系统的硬件连接是否 正确，确保电机、编码器、驱
数据分析
对记录的数据进行统计分析，找出最优的控制参数组合。
参数应用
将最优的控制参数应用到伺服系统中，并进行验证和确认。
06 闭环伺服系统发展趋势与 展望
新技术与新材料的应用
01
数字孪生技术
利用数字孪生技术建立系统的虚拟模型，实现物理系统与数字模型的实
时交互，提高系统的预测和优化能力。
02
新型传感器技术
模糊控制算法
基于模糊逻辑和专家经验， 处理不确定性和非线性问 题，提高系统鲁棒性。
神经网络控制算法
模拟人脑神经元网络，通 过学习自适应调整系统参 数，实现复杂系统的智能 控制。
通信协议设计
串行通信协议
如RS-232、RS-485等，实现设备间的数据传输和命令控制。
网络通信协议
如TCP/IP、UDP等，实现远程数据交换和控制，提高系统扩展性。
驱动器选型与设计
01
02
03Байду номын сангаас
驱动器类型选择
根据电机类型和控制需求， 选择合适的驱动器类型， 如直流电机驱动器、交流 电机驱动器等。
驱动器参数匹配
根据电机参数和控制要求， 选择合适的驱动器参数， 如电压、电流、功率等。
驱动器控制算法
根据电机控制策略，设计 驱动器的控制算法，如 PID控制、模糊控制等。
伺服系统的开环控制与闭环控制
伺服系统的开环控制与闭环控制伺服系统是一种能够对输出进行精确控制的系统。
在伺服系统中，输出通常指的是某种物理量，例如位置、速度或者力。
开环控制和闭环控制是伺服系统两种主要的控制方式。
一、开环控制开环控制又称为非反馈控制。
在该模式下，控制器没有反馈被控制量的信息。
相反，控制器根据已知的输入信号和系统的静态和动态特性进行计算，输出控制信号。
由于开环控制没有考虑系统的实际输出值，所以结果可能会受到许多外部因素的影响而导致不稳定，例如系统的负载或环境温度变化。
开环控制通常应用于简单的系统或者那些对输出精确度要求不高的系统中。
二、闭环控制闭环控制又称为反馈控制。
在该模式下，控制器通过传感器获取被控制量的实际输出值，并将其返回至控制器，以便计算误差并相应地调整输出信号。
闭环控制通常比开环控制更加精确，因为它可以对实际输出值进行即时调整。
当然，在闭环控制模式下，系统所需的硬件和软件成本也更高。
闭环控制通常应用于对输出精度要求高且稳定性要求高的系统中。
三、开环控制和闭环控制的比较总的来说，开环控制和闭环控制各有优缺点。
开环控制通常比较简单，并且可以为系统提供基本的控制。
但是，由于其不考虑实际输出值的变化，所以其控制精度较低，对于环境变化比较敏感。
闭环控制虽然成本高，但其控制精度相对较高，可以从控制误差中学习并自我调节。
此外，由于它可以实施实时调整，所以闭环控制通常比开环控制更稳定。
四、结论在伺服系统中，开环控制和闭环控制是两种常见的控制模式。
适合哪种控制模式应该根据具体情况而定，包括对所需控制的输出精度要求、系统成本、环境条件等各种因素的影响。
闭环伺服系统结构特点
闭环伺服系统结构特点
一、引言
闭环伺服系统是一种常见的控制系统，其结构特点决定了其在工业自动化领域的广泛应用。
本文将从以下几个方面对闭环伺服系统的结构特点进行详细介绍。
二、闭环伺服系统的基本组成
1. 传感器：用于检测被控对象的状态或位置，将信号转换为电信号送入控制器；
2. 控制器：处理传感器反馈信号，并根据设定值和反馈信号计算出控制指令；
3. 执行机构：根据控制指令执行动作，如电机、液压缸等。
三、闭环伺服系统的工作原理
1. 传感器检测被控对象状态或位置，并将信号送入控制器；
2. 控制器处理传感器反馈信号，并根据设定值和反馈信号计算出控制指令；
3. 控制指令送入执行机构，执行机构按照指令执行动作；
4. 执行机构动作产生反馈信号，传回给控制器；
5. 控制器根据反馈信号调整控制指令，使得被控对象达到设定值。
四、闭环伺服系统的优点
1. 精度高：闭环伺服系统通过反馈控制，可以实现对被控对象的精确控制；
2. 稳定性好：闭环伺服系统可以根据反馈信号实时调整控制指令，保证被控对象的稳定性；
3. 响应速度快：闭环伺服系统可以根据反馈信号实时调整控制指令，响应速度快。
五、闭环伺服系统的应用领域
1. 机器人：闭环伺服系统可以用于机器人的运动控制；
2. 飞行器：闭环伺服系统可以用于飞行器的姿态控制；
3. 机床：闭环伺服系统可以用于机床的位置和速度控制。
六、结论
闭环伺服系统是一种精确、稳定、响应速度快的控制系统，其基本组成包括传感器、控制器和执行机构。
在机器人、飞行器、机床等领域得到了广泛应用。
伺服系统的分类和基本组成形式
伺服系统的分类和基本组成形式伺服系统是一种能够将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象的电机系统。
它的主要特点是具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可将所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
伺服电机分为直流和交流伺服电动机两大类，其转速随着转矩的增加而匀速下降。
在自动控制系统中，伺服电机常用作执行元件。
数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确。
其中，进给伺服控制对伺服系统的要求更高，而主运动的伺服控制要求相对较低。
因此，数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统的质量。
伺服系统按其驱动元件和控制方式划分，有步进式伺服系统、直流电动机伺服系统、交流电动机伺服系统、开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统等。
其中，开环系统主要由驱动电路、执行元件和机床3大部分组成，常用的执行元件是步进电机；闭环系统主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和机床5部分组成，常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和编码盘等。
根据进入比较环节信号的形式以及反馈检测方式，闭环(半闭环)系统可分为脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统3种。
在闭环系统中，检测元件将机床移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节，比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续移动，直到跟随误差为零。
半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些，这是由于丝杠和工作台之间传动误差的存在所导致的。
因此，伺服系统的分类和基本组成形式对于机床的性能和精度有着至关重要的影响，需要在实际应用中根据具体需求进行选择和配置。
执行元件在伺服系统中扮演着重要的角色，其作用是将电信号转化为机械位移，以实现控制信号的跟随。
直流宽调速电动机和交流电动机是常用的执行元件，不同的执行元件需要不同的驱动电路。
数控机床伺服系统的分类
数控机床伺服系统的分类数控机床伺服系统按用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按控制原理和有无检测反馈环节分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统；按使用的执行元件分为电液伺服系统和电气伺服系统。
1.按用途和功能分：(1)进给驱动系统：是用于数控机床工作台坐标或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的力矩。
主要关心其力矩大小、调速范围大小、调节精度高低、动态响应的快速性。
进给驱动系统一般包括速度控制环和位置控制环。
(2)主轴驱动系统：用于控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。
主要关心其是否有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围；它只是一个速度控制系统。
2.按使用的执行元件分：(1)电液伺服系统其伺服驱动装置是电液脉冲马达和电液伺服马达。
其优点是在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳；其缺点是液压系统需要供油系统，体积大、噪声、漏油等。
（2）电气伺服系统其伺服驱动装置伺服电机（如步进电机、直流电机和交流电机等）。
其优点是操作维护方便，可靠性高。
其中，1）直流伺服系统其进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机。
其优点是调速性能好；其缺点是有电刷，速度不高。
2）交流伺服系统其进给运动系统采用交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。
优点是结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作；动态响应好、转速高和容量大。
3.按控制原理分（1）开环伺服系统系统中没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。
开环伺服系统的特点：1. 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。
2. 无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，机床运动精度主要取决于伺服驱动电机和机械传动机构的性能和精度。
步进电机步距误差，齿轮副、丝杠螺母副的传动误差都会反映在零件上，影响零件的精度。
闭环进给伺服系统的工作原理
闭环进给伺服系统的工作原理一、引言闭环进给伺服系统是一种广泛应用于机床、自动化生产线等领域的控制系统，它具有高精度、高速度、高可靠性等优点。
本文将详细介绍闭环进给伺服系统的工作原理。
二、基本概念1. 伺服系统：是指通过对被控对象进行反馈控制，使其输出与输入之间的误差达到最小，并保持在一定范围内的一种控制系统。
2. 闭环控制：是指将被控对象的输出信号作为反馈信号送回到控制器中进行比较，从而实现对被控对象输出信号的精确调节。
3. 进给：是指机床在加工过程中工件相对于刀具沿着加工轨迹移动的过程。
4. 伺服进给系统：是指通过对机床进给轴进行反馈控制，使其能够实现高精度、高速度、高可靠性的进给运动。
三、闭环进给伺服系统组成1. 传感器：用于检测机床进给轴位置或速度等参数，并将检测结果转换成电信号送回到控制器中。
2. 控制器：根据传感器反馈的信号，计算出误差，并通过控制信号控制执行机构，使机床进给轴实现精确控制。
3. 执行机构：是指根据控制信号驱动进给电机或液压缸等装置，实现机床进给轴的运动。
四、闭环进给伺服系统工作原理1. 传感器检测：传感器通过检测机床进给轴位置或速度等参数，并将检测结果转换成电信号送回到控制器中。
传感器一般采用光电编码器、霍尔元件等。
2. 控制器计算：控制器通过比较传感器反馈的信号与设定值之间的误差，计算出控制量，并将其转换成电信号送到执行机构中。
控制器一般采用单片机、DSP等。
3. 执行机构驱动：执行机构根据接收到的电信号，驱动进给电机或液压缸等装置，实现对机床进给轴的精确控制。
4. 反馈调节：执行机构输出的运动状态通过传感器进行监测和反馈，形成一个闭环系统。
当被监测量与设定值之间存在误差时，控制系统会根据误差的大小和方向来调节执行机构的输出，使误差逐渐减小，直至达到设定值。
五、闭环进给伺服系统特点1. 高精度：传感器对机床进给轴位置或速度等参数进行实时监测和反馈，控制器通过计算误差并调节执行机构输出，可以实现高精度的进给运动。
闭环伺服系统结构特点
闭环伺服系统结构特点引言闭环伺服系统是一种常见的控制系统，被广泛应用于工业自动化、机械控制以及电子设备等领域。
本文将对闭环伺服系统的结构特点进行全面、详细、完整且深入地探讨。
一. 闭环伺服系统概述闭环伺服系统由传感器、控制器和执行器组成。
其中，传感器用于监测被控变量的状态，控制器根据传感器反馈的信息进行计算并产生相应的控制信号，最终由执行器完成动作。
闭环伺服系统的特点在于其具有反馈控制机制，通过不断对被控变量进行测量并与设定值进行比较，系统可以自动调整控制信号以实现精确控制。
二. 闭环伺服系统的结构特点闭环伺服系统具有以下结构特点：1. 传感器传感器是闭环伺服系统的重要组成部分，用于实时监测被控变量的状态。
传感器可以是物理量传感器，如温度传感器、压力传感器等，也可以是位置传感器、速度传感器等。
传感器将被控变量的状态转换为电信号，传递给控制器进行处理和分析。
2. 控制器控制器是闭环伺服系统的核心部分，负责计算控制信号以实现对被控变量的精确控制。
控制器通常采用微处理器、DSP芯片等计算设备，利用反馈控制算法对传感器反馈的信息进行分析和处理。
控制器根据测量值与设定值之间的差异计算出控制信号，并通过输出接口将信号传递给执行器。
执行器是闭环伺服系统的输出端，用于实现控制信号的动作。
执行器可以是电动机、伺服阀、液压缸等，根据被控变量的不同而选择不同的执行器。
执行器将控制信号转换为相应的动作或力，并作用于被控对象，从而实现对被控变量的控制。
4. 反馈回路闭环伺服系统的关键特点在于其具有反馈回路。
反馈回路是指从执行器输出到传感器输入之间的连接路径，它将被控对象输出的实际值反馈给控制器，用于控制器对控制信号的修正。
通过不断测量和比较实际值与设定值之间的差异，系统可以自动调整控制信号，达到对被控变量的精密控制。
三. 闭环伺服系统的工作原理闭环伺服系统按照以下步骤工作：1. 传感器测量传感器实时测量被控变量的状态，并将其转换为电信号。
伺服电机闭环控制原理
伺服电机闭环控制原理
伺服电机闭环控制原理是通过将电机的输出与目标值进行比较，并进行实时的调节，以使输出达到所期望的目标值。
闭环控制系统由以下几个部分组成：传感器、控制器和执行器。
传感器负责测量电机的输出值，例如转速、角度等，并将测量结果反馈给控制器。
控制器根据传感器的反馈信号与设定值之间的差距，计算出一个控制量，用于调节电机的输出。
控制器可以采用多种算法，如PID控制、模糊控制等。
执行器负责接收控制器输出的控制量，并通过调节电机的驱动力或输出信号来实现对电机的控制。
执行器可以是电机驱动器、电动阀、伺服阀等。
闭环控制系统的基本原理是实时地比较输出值与目标值之间的差异，并通过调节控制量来使差异最小化。
传感器的反馈信号可以帮助控制器实时地了解电机的实际状态，从而更精确地控制电机的输出。
闭环控制系统具有以下优点：
1. 可以实时地对电机的输出进行调节，使其更精确地达到期望值。
2. 可以应对外界干扰或电机参数变化等因素带来的影响，提高系统的稳定性和鲁棒性。
3. 可以根据实际需求对控制器的参数进行调节，以满足不同的控制要求。
总而言之，伺服电机闭环控制原理是通过传感器实时测量电机的输出值，控制器根据测量结果与目标值之间的差异计算出控制量，并通过执行器对电机的输出进行调节，以实现对电机的精确控制。
这种闭环控制系统可以提高系统的稳定性和鲁棒性，并适应不同的控制要求。
闭环伺服系统的数学建模和性能分析
丝 杠
伺服电机Ｌ Ｊ
：
作一个比例环节 ， 传递函数 Ｇ （ ） Ｋ 。 ｓ ： （ ）检测 环节 在闭环 控制 中起 两个作 用 ： 检测 ５ ① 被测信号的大小 ； ②将被测信号转换成为可与指令信 号进 行 比较 的物理量 ， 而构 成反馈 通道 。通 常测量 从
转换 作用 可看 成一个 比例 环节 ， 比例 系数就 是转换 其
・
３ ・ ０
・
机 械 研 究 与应 用 ・ ０ 年 期 （ 第１ 期 ２２ 第５ 总 ２ ） １ １
研究与分析
将 各 个传 递 函数 带 入 图 １可得 出 系统 的动 态 结 Ｇ 的 ， 其对斜坡输入信号的响应 ， 如图 ４所示。
构 图 ， 图 ２所示 。 如
ｌ Ｊ
位蓝控制器
ｃｏ ｅ ｌｏ ｅ ｖ ｙ ｔ ｍ ａ ｅ ｐ ｅ ｅ ｔｄ ａ ｄ ｒ ｓ ａ ｃ ｅ ．Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｏ ｌ ｒ ｖｄ ｈ ｏｅ ｉａ ａ ｉ ｆｒｍａ ｈ ｎ ｏ １ ｌｓ — ｏ ｐ ｓ ｒ ｏ ｓ ｓｅ ｒ ｒ ｓ ｎ ｅ ｎ ｅ ｅ ｒ ｈ ｄ ｈ ｅ ｕ ｔ ｃ ｕｄ ｐ ｏ ｉ ｅ ｔ ｅ ｒ ｔ ｌ ｓｓ ｏ ｃ ｉｅ ｔ ｏ ． ｓ ｃ ｂ
ｏ， 叫Ｈ佰ｌＩ 动 —一 Ａ— Ｒ ６ ｒ１ ＿ ｌ Ｉ １ ］
式 中 ： 为 惯性 环节 的时 间常数 。
（ ）机械传 动部 件 的作 用是 将 电机 转 角转 换 为 ４ 工作 台 的直线位 移 ， 如果将 传动误 差 和非线 性 因素 的 影 响作为 对系统 的动 态扰 动来处 理 ， 也可将 该环 节看
受 来 自伺 服 控 制 器 的 进 给 脉 冲 ， 变换 和 放 大转 换 为 机床 工 作 台的 位 移 ， 工 作 台跟 随指 令 脉 冲 移 动 。 讨 论 经 使
闭环伺服系统的原理框
闭环伺服系统的原理框闭环伺服系统是一种能够根据反馈信号自动调整系统输出的控制系统。
它是由一个用来测量系统输出状态的传感器、一个用来比较系统输出与期望输出的比较器、一个用来根据比较结果调整输出的控制器和一个用来驱动执行机构的执行器组成。
闭环伺服系统通过不断地测量输出信号，与期望输出信号进行比较，并根据比较结果调整输出信号，来使系统的输出信号逐渐接近于期望输出信号。
闭环伺服系统的原理框图如下所示：输入信号> 比较器> 控制器> 执行器> 输出信号↑↓反馈信号在闭环伺服系统中，输入信号是指期望输出信号，比较器的作用是将输入信号与反馈信号进行比较，得到比较结果。
比较结果会作为控制器的输入，控制器根据比较结果产生控制信号，该控制信号会驱动执行器进行动作，从而改变系统的输出信号。
执行器的动作会被传感器感知，并将反馈信号发送给比较器，形成闭环。
闭环伺服系统的工作原理是基于控制器具有自适应调整的能力。
比较器将期望输出信号与反馈信号进行比较后，如果比较结果不等于0，即存在误差。
控制器会根据误差大小和误差的变化趋势，自动调整输出信号，使误差逐渐减小。
当误差减小到很小甚至为0时，系统的输出信号接近于期望输出信号，系统达到了稳态。
闭环伺服系统的优点是稳定性好、鲁棒性强、灵活性高等。
通过不断地测量反馈信号并进行调整，系统能够自动适应外界环境的变化，保持输出信号的稳定性。
另外，闭环伺服系统还可以根据需要进行参数调整，以适应不同的工作条件和要求。
闭环伺服系统主要应用于机械控制、电动机控制、机器人控制等领域。
在机械控制中，闭环伺服系统可以实现位置、速度、力矩等的精确控制，保证机械设备的正常运行。
在电动机控制中，闭环伺服系统可以实现电动机的精确控制，提高电动机的运行效率和工作性能。
在机器人控制中，闭环伺服系统可以实现机器人的精确控制，使其能够完成各种复杂的任务和动作。
综上所述，闭环伺服系统是一种能够根据反馈信号自动调整系统输出的控制系统。
全闭环伺服系统结构特点
全闭环伺服系统结构特点
全闭环伺服系统是一种采用反馈控制的电气传动系统，其结构特点如下：
1. 传感器：全闭环伺服系统中必须配备传感器，用于检测电机转子位置、速度和加速度等参数，并将这些参数反馈给控制器。
2. 控制器：全闭环伺服系统的控制器主要包括数字信号处理器、运算放大器、模数转换器等电路，用于接收传感器反馈的信号，并根据预设的控制算法计算出电机应有的输出信号。
3. 驱动器：驱动器是将控制信号转换为实际输出功率的装置，其主要功能是将低电平控制信号放大到高电平驱动电机。
4. 电机：全闭环伺服系统所驱动的电机通常为直流无刷电机或步进电机，具有高精度、高效率、高响应速度和可靠性等特点。
5. 反馈回路：全闭环伺服系统通过反馈回路实现对输出功率的精确控制。
当输出功率与期望值不一致时，反馈回路会通过传感器检测到误差，并通过控制算法调整输出信号，使得输出功率达到期望值。
6. 高精度控制：全闭环伺服系统具有高精度的控制能力，可实现对输出功率的微调和精确控制，适用于需要高精度位置控制的应用场合。
7. 适应性强：全闭环伺服系统具有较强的适应性，可根据不同负载和工作条件自动调整输出功率，保证系统的稳定性和可靠性。
总之，全闭环伺服系统具有高精度、高效率、高响应速度和可靠性等特点，广泛应用于各种需要精确位置控制和速度调节的领域。
闭环伺服驱动系统的执行元件
闭环伺服驱动系统的执行元件执行元件是伺服系统的重要性组成部分，它的作用是把驱动线路的电信号转换为机械运动，整个伺服系统的调速性能、动态特性，运行精度等均与执行元件有关。
通常伺服系统对执行元件有如下要求：(1) 调速范围宽且具有良好的稳定性，尤其是低速运行的稳定性和均匀性。
(2) 负载特性硬，即使在低速时也应有足够的负载能力。
(3) 尽可能减少电动机的转动惯量，以提高系统的快速动态响应。
(4) 能够频繁启、停及换向。
目前，在数控机床上广泛应用的有直流伺服电机和交流伺服电机。
1.直流伺服电机直流伺服电机是机床伺服系统中使用较广的一种执行元件。
在伺服系统中常用的直流伺服电机多为大功率直流伺服电机，如低惯量电机和宽调速电机等。
这些伺服电机虽然构造不同，各有特色，但其工作原理与直流电机类似。
直流伺服电机调速由电工学的知识可知：在转子磁场不饱和的情况下，改变电枢电压即可改变转子转速。
直流电机的转速和其它参量的关系可用式6-12表示：式中：n转速，单位为rpm；U—电枢电压，单位为V；I—电枢电流，单位为A；R—电枢回路总电压，单位为Ω；φ—励磁磁通，单位为Wb（韦伯）；Ke—由电机构造决定的电动势常数。
根据上述关系式，实现电机调速是主要方法有三种：1）调节电枢供电电压U：电动机加以恒定励磁，用改变电枢两端电压U的方式来实现调速控制，这种方法也称为电枢控制；2）减弱励磁磁通φ：电枢加以恒定电压，用改变励磁磁通的方法来实现调速控制，这种方法也称为磁场控制；3）改变电枢回路电阻R来实现调速控制；对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以改变电枢电压的方式最好；改变电枢回路电阻只能实现有级调速，调速平滑性比较差；减弱磁通，虽然具有控制功率小和能够平滑调速等优点，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的升速控制。
因此，直流伺服电机的调速主要以电枢电压调速为主。
目前使用最广泛的是晶体管脉宽调制调速系统（即Pulse Width Modulation简称PWM）。
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W
摩尔条纹节距
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光栅位置检测装置 W、ω、θ之间的关系 θ
BC=ABsin(θ/2) 其中 BC=ω/2 ， AB=W/2 ， 因此 W=ω/sin(θ/2)
ω
ω
ω
光栅 节距
标尺光栅 B C θ/2 W/2 θ 指示光栅
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3．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
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。
K=500, 即放大500倍，这样光栅节距虽小，摩尔条纹 的节距却有5mm，因此摩尔条纹清晰可见，易于测 量。
b. 误差均化作用
摩尔条纹是由许多根刻线共同形成的， 这样可使光栅的节距误差得到平均化。
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光栅位置检测装置 c. 测量位移
驱动 值比较大，信噪比好，光电密度为200线/mm时，光栅本身就已 电路
经细分到.005mm从而减轻了电子线路的负担。
光源 透镜 指示光栅Gi
光电元件
驱动电路
光栅倾角
光栅位置检测装置 ii. 摩尔条纹
θω光ຫໍສະໝຸດ 节距标尺光栅指示光栅 作用： 放大作用 误差均化作用 测量位移
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2．检测传感器分类
直线型 从检测的 信号分 回转型 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 模拟式 从传感器 输出信号分 数字式 光栅检测装置、脉冲编码盘 旋转变压器、感应同步器
90 A B
5v 0v 5v 0v 90o
脉冲编码的输出信号
5v
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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。
便，精度高，但存在磁信号的稳定性，磁头磨损等问题，有应 用。
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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。
②Uc=Umsin θ sin(ωt) ④Uc=Umsin θcos(ωt) 和 的固定函数关
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cos(ωt)
转子角位移
感应同步器
感应同步器工作原理同旋 转变压器的工作原理相同 ，滑齿的两个激磁绕组通 以激磁电压，滑齿与定齿 相对移动时，在定齿上便 产生感应电压，感应电压 随位移的变化而变化。
光栅测位移原理动画演
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 上一页 下一页 等。
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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)
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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 尺： 由磁性标尺、磁头、和检测电路组成。
磁
磁
检测 伺服系统 电路 数字显示
尺
磁尺位置检测装置
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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 增量式脉冲编码器 接触式 电磁感应式 光电式 绝对式脉冲编码盘 接触式 电磁感应式
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脉冲编码器的分类
脉冲编码器
增量式脉冲编码器
印 刷 电 路 板
园光栅
指示光栅
光电元件 旋转轴
光源
结构图
指示光栅有两组线纹A和B，每组线纹的节距和圆 光栅的节距相同，但A、B两组线纹彼此错开1/4 个节距，每组线纹与旋转圆光栅配合产生两路脉 护罩 低坐 冲A和B用于记数和辩向。 A向
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光栅位置检测装置
光栅尺 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:
标尺光栅Gs
光源可以垂直入射，光电元件直接接受光照，因此信号幅
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4.检测元件工作原理
旋转变压器
Us(Sin) 定子 转子 Uc(Cos)
U
θ
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.
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
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A
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脉冲编码器
工作原理 如右图所示： 光源接通，圆光栅旋 U 转，光线透过两个光栅 放大、整形后得到所示 的A,B两组线纹，每转 的方波信号A和B，如 过一个光栅节距，便在 光栅盘正转时A相超前 o 光电元件上形成明 — 90o，反转时B相超前 暗o —明变化一个周期的 A相 90 。另外还产生一转 光信号，并被转化为两 脉冲Z，Z为基准脉 组近乎于正弦波的电压 冲，或称零点脉冲，它 B相 信号，连续旋转便得到 是圆光栅盘，可以作为 A和B两路正弦电压信 坐标原点的信号，车削 号 螺纹时作为刀点的信 Z
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(二) 闭环伺服系统分类
全闭环 精度高，但结构复杂、成本高，调试维修困 难，适于大型精密数控系统。 半闭环 交流伺服 直流伺服 数字伺服
精度较全闭环差些，但结构简单，造价低且 便于调整。
具有较高精度、速度、和动态特性
m
=kU cos(φ-θ)sinωt
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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) ③Uc=Umcos θ 答： ① 旋转变压器的输出反映了 系。 答：电压
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
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(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
节距为２τ=2mm
感应同步器工作原理图
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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
W
由于θ很小，θ单位为rad 时， Sin(θ/2) ≈ θ 故 W ≈ ω/ θ
A 横向莫尔条纹的参数
光栅位置检测装置 iii. 摩尔条纹的作用 a. 放大作用
令k= W/ω = 1/θ,则k为放大比。 如ω=0.01mm，取θ=0.002 rad = 0.11o 则W=5mm,
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4. 检测元件工作原理
旋转变压器
Us(Sin) 定子 转子 Uc(Cos)
U
θ
U’=kUsSinθ或 U’=kUcCosθ 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。
闭环伺服系统
一、概述
(一) 系统组成
比较环节 指令信号 反馈信号 位置检测单元 伺服驱动 伺服电机
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。
感应同步器工作原理图
点位置相同。 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 上一页 下一页 弦波形。