第十章数控机床的闭环控制系统

脉冲-相位调制式伺服系统
数字式脉冲-相位调制式伺服系统：
SM
问题1： 数字式脉冲-相位调制式伺服系统中，信号发生 器ROM保存的内容为：
A。计数器的计数值 B。正弦波的幅度值
问题2： 数字式脉冲-相位调制式伺服系统中，D/A转换 器用于：
A.提供旋转变压器所需的sin/cos信号 B.伺服电机的控制信号
当A绕组与定尺间相对量为θ 时 B绕组与定尺间相对量为θ-90
Vo kVm sin t cos kVm cost sin kVm sin(t )
Vo kV m sin t cos kV m cos t sin kV m sin(t )
θ
d 光栅节 距
（mm）表示莫尔条 纹的宽度，d(mm) 表示栅距，θ(rad) 为光栅线纹之间的 夹角。
摩尔条纹 节距
d d W sin
当 d =0.01mm， (l00线 / 毫米)θ=0.01 弧度，纹距W=1mm ， 即利用挡光效应，可把光栅线距转换成放大100倍的摩尔 条纹的宽度。表明莫尔条纹的节距是栅距的1／θ倍。
交流伺服电动机原理图
转子:
转子的形式有两种: 笼式转子 空心杯转子
工作原理
交流伺服电动机的工作原理和电容分 相式单相异步电动机相似。 在没有控制电压时，气隙中只有励磁绕 组产生的脉动磁场，转子上没有启动转矩而 静止不动。 当有控制电压且控制绕组电流和励磁绕 组电流不同相时，则在气隙中产生一个旋转 磁场并产生电磁转矩，使转子沿旋转磁场的 方向旋转。
Dei=Dri—Dfi+Dei-1
闭环系统即将此偏差值经过放大（增益系数KD）变成伺服电机的转速的数 字指令VD，再经过D/A转换后得到模拟电压VP此VP驱动伺服电机转动. 要使系统达到一稳定的运转状态，偏差De也将维持一稳定值，叫跟随偏差
§10—2闭环系统的位置检测
一。要求：
精度：1μ以下（可达0.5u）
第十章数控机床的闭环驱动系统
前面所述的开环系统，三大缺点：
1。精度不够高
步进电机步距有限，无法无限细，步距小，速度 慢，另外对机床传动机构精度要也高。
2。功率小 3。无法知道有无失步
目前，一般要求较高的数控机 床大多采用交、直流伺服电机 驱动的闭环和半闭环伺服系统
一。全闭环伺服系统
位置检测安装在工作台上
伺服电动机
伺服电动机的作用是将输入的 电压信号
（即控制电压）转换成轴上的角位移或角 速度输出。
在自动控制系统中常作为执行元件，所 以伺服电动机又称为执行电动机。
伺服电动机最大特点：
有控制电压时转子立即旋转，无控制电压时转 子立即停转。 转轴转向和转速是由控制电压的方向和大小决 定的。
基本结构
交流伺服电动机主要由 定子和转子构成，如图所示。 定子铁心通常用硅钢片叠 压而成。 定子铁心表面的槽内嵌 有两相绕组，其中一相绕组 是励磁绕组，另一相绕组是 控制绕组。
2．基本工作原理
传统直流伺服电动机的基本工作原理与普 通直流电动机完全相同。 依靠电枢电流与气隙磁通的作用产生电磁转 矩，使伺服电动机转动。 通常采用电枢控制方式，即在保持励磁电压 不变的条件下，通过改变电枢电压来调节转速。 电枢电压越小，则转速越低；电枢电压为零时， 电动机停转。由于电枢电压为零时电枢电流也为 零，电动机不产生电磁转矩，不会出现“自转”。
转矩特性
直流伺服电机的驱动电路
PWM原理示意图
第4节脉冲-相位调制式伺服系统
一。旋转变压器相位工作方式：
若在D、G两线圈加入：
uD U m sin t uG U m cost
u kUm sin(t )
u kUm cos( t )
相位工作状态方框图
光栅尺的基本工作原理基于莫尔 条纹，莫尔条纹可以：
A.增强通过光栅的光线强度 B.提高光栅刻度的分辨率 C.仅作为放大光栅条纹 D.放大光栅条纹，且起到平均光栅条纹间 距作用
三。旋转变压器
及 原信外旋 铁 理号形转 心 与强小变 可 变，巧压 旋压 抗 ， 器 转器 干 结 是 。类 扰 构 一 似能简种 ，力单交 但强牢流 次。固感 级其，应 线工输电 圈作出机 ，
三。描述全闭环、半闭环的性能指标
1。分辨率：
开环：步进电机的步进当量位移
闭环：检测系统的最小检测量 2。精度 ： 也即系统的误差，精度一般不高于检测系统的精度 3。跟随误差 开环不存在，闭环是指命令值与反馈值之差 4。运行速度
开环、半闭环、全闭环控制系统 的差异是：
A.输出驱动电路是否包含反馈回路，及反 馈回路的形式不同。 B.是指机床工作台是否包含位置检测装置 及检测装置的形式是否相同。 C.控制系统机箱是敞开式还是封闭式以及 是否需要屏蔽等的差异。

对应每圈都有光电传感器； 输出信号的路数与码盘圈数成正
比；

检测信号按某种规律编码输出， 故可测得被测轴的周向绝对位置。
四位二进制编码盘
四。增量型光电编码器
光电元件 圆盘透光狭缝
光电盘
光欄板
透镜
z
b
a m+τ/4 节距τ 光源
信号处理装置
Z Z B BA A
节距P A B
90°
90°
实际的光电编码盘
实际的旋转变压器：
D、G线圈在α、β线圈上感应电压：
D对α、β
u kuD cos u kuD cos( 90) kuD sin
u kuG cos( 90) u kuG cos
G对α、β
若在D、G两线圈加入：
uD U m sin t
u kuD cos kuG cos( 90) kU m sin t cos kU m cost cos( 90) kU m sin(t ) 同理： u kUm cos( t )
只要测出幅度变化，即可测出θ及位移x
第三节交直流伺服电机及其驱动系统
控制电机
从工作原理上看，控制电机和普通电 机没有本质上的差异，但普通电机功率 大，侧重于电机的启动、运行和制动等 方面的性能指标，而控制电机输出功率 较小，侧重于电机控制精度和响应速度。


控制电机按其功能和用途可分为信号检测 和传递类控制电机及动作执行类控制电机两大 类。执行电机包括伺服电机、步进电机和直线 电机；信号检测和传递电机包括测速发电机、 旋转变压器和自整角机等。 在自动控制系统中，伺服电动机是一个执 行元件，它的作用是把信号（控制电压或相位） 变换成机械位移，也就是把接收到的电信号变 为电机的一定转速或角位移。伺服电动机有直 流和交流之分。
uG U m cost
旋转变压器工作时：
A.转子上加正弦交流电，定子信号反映转 角状态。 B. 定子上加正弦交流电，转子信号反映转 角状态。
四。感应同步器
直线型----测直线 旋转型----测转角 相当于展开的多级旋转变压器
感应同步器有两种工作方式：
1。感应同步器在相位工作方式
Vs Vm sin t A绕组 Vc Vm cos t B绕组
第5节鉴幅型伺服控制系统
一。旋转变压器工作在幅值工作方式
u s U m sin r sin t uc U m cos r sin
uo kUm sint sin(r )
幅值工作方式方框图
特点： 转子电阻大 转动惯量小
1—外定子铁心；2—杯形转子； 3—内定子铁心；4—转轴； 5—轴承；6—定子绕组
杯形转子伺服电动机结构图
空心杯交流伺服电机
一、交流伺服电动机
励磁绕组和控制绕组：
两相绕组在空间位置 上互差90°电角度。 工作时励磁绕组与交流 励磁电源相连，控制绕组 加控制信号电压 U k
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速度 ：10m/min~20m/min
二。分类
三。绝对型光电编码器
绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把被测转角用 数字代码表示出来，且每一个角度位置均有其对应的测量代 码，它能表示绝对位置，没有累积误差，电源切除后，位置 信息不丢失，仍能读出转动角度。


结构和工作原理 码盘基片上有多圈码道，且每码 道的刻线数相等；
工作原理 ：
闭环系统的定位误差只取于位置检测单元 的误差，与机床传动部分没有关系。
二。半闭环控制系统
位置检测直接接在伺服电机转 轴上，另外还有速度检测器
工作原理：
一般速度用测速发电机检测，位置用轴角编码盘检测。
半闭环的特点 ：
由于机床的传动部分放在半闭环系统以 外，因而这部分传动误差无法克服，但比 起开环，精度仍要高许多。 另外，比全闭环稳定（全闭环易振荡）
光电型位置传感器还有光栅尺
尺子移动方向
莫尔条纹
条纹移动方向
根据定尺、动尺上的条纹间距，以及测出莫 尔条纹的移动条数即可算出光栅尺位移。 有反光型（玻璃、铝做成） 有透光型
如做成盘状，则可测出旋 转角度，即圆光栅
光栅倾角
干涉条纹的特点
(1)干涉条纹方向与 标尺光栅的刻线几 乎垂直。
(2)放大作用:用W
x k 耦合系数
相移（动、定尺之间） 感应同步器的半节距
x 滑尺位移
2。感应同步其工作在幅值工作方式
Vs Vm sin sin t A绕组 Vc Vm cos sin t B绕组
Vo kVs cos kVc cos( 90) kVm sin sin t cos kVm cos sin t sin kVm sin( ) sin t Vo的相位不变，但其幅度变化：kVm sin( )
转矩特性曲线
临界转差率S0＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性， 而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动， 即具有起动快、灵敏度高的特点
直流伺服电动机
1．基本结构 传统的直流伺 服电动机动实质是容 量较小的普通直流电 动机。 有他励式和永 磁式两种，其结构与 普通直流电动机的结 构基本相同。
旋转变压器工作原理：
两线圈的互感：
LD Lm cos
线圈D加入交流电：
uD U m sint
线圈α 感应电动势：
u kuD cos kUm sin t cos
K为变压器常数，即θ =0时的变比
在次级上再加一线圈β ：
u kuD cos(90 ) kuD sin
四。闭环系统的控制特点
位置检测采用定时采样，所以控制 输出也采用定时控制，在每个采样 周期，计算机比较指令值与反馈值 偏差，然后控制伺服电机运转，所 以通常用时间分割法插补运算实现 多坐标联动。
五.数控闭环系统的偏差
指令增量值 ，反馈增量值之差为偏差
De=Dr- Df
若把前一时刻遗留的偏差Dei-1计算在内