精密伺服电机的原理与应用.

伺服系统的种类
通常根据伺服驱动机的种类来分类，有电
气式、油压式或电气—油压式三种。 伺服系统若按功能来分，则有计量伺服和功率 伺服系统;模拟伺服和功率伺服系统;位置伺服和 加速度伺服系统等。
电气式伺服系统根据电气信号可分为DC直 流伺服系统和AC交流伺服系统二大类。AC交 流伺服系统又有异步电机伺服系统和同步电机 伺服系统两种。
圆光栅配合产生两路脉冲A和B用于计数和
辩向。
345 6
增量式脉冲编码器
工作原理
U
光源接通, 圆光栅旋转, 光线透
0
过两个光栅的A,B两组线纹, 每转
过一个光栅节距, 便在光电元件
上形成明--暗--明变化一个周期的
光信号,并被转化为两组近似于正
余弦电压信号, 此信号可用于电
U
机的辩向, 如图1.
将图1负半周的信号反相后, 可得 0 到图2 的波形.
闭环和半闭环进给伺服系统
闭环进给系统的伺服驱动装置主要是: 直流或交流伺服电机以及电液阀--液压马达.
与开环进给系统最主要的区别是:
安装在执行部件或其他传动元件上的位置检测装置, 将执 行部件的实际位移量转换成电脉冲或模拟电压量后, 反馈到输 入端并与输入位置指令进行比较, 将两者的差值放大和变换, 控制伺服驱动装置驱动执行部件以给定的速度向着消偏差的 方向运动, 直到指令位置与反馈的实际位置的差值等于零为止 .
上只有唯一的一个位置作为Z,
图4。
Z
A B 图1
90o
图2
图3Fra Baidu bibliotek
图4
光栅检测装置的位移--脉冲变换电路
右图为光栅检测装置的结构示意图。 在标尺光栅刻线平行的方向上安装 四个光电元件P1～P4，彼此之间 的距离为W/4，当指示光栅与标尺 光栅相对移动时，四个硅光电池接 受近似正弦规律变化的光强，产生 出四路频率，幅值相同，但相位相 差1/4个周期的电压信号。
AB’
Y6
A’D
Y7
Y8
CD’
A
+ H1正向 脉
B C
冲D
A’
B’
C’
+
H2反向 脉
D’ 相加
冲 A’
B’
C’
D’
相加
反向
正向时上 升沿微分 反向时上 升沿微分
光栅检测装置的位移--脉冲变换电路
信号送至上页所示的电路，经差动放大器放大，再经过整形， 使之成为两路正弦及余弦方波。然后经微分电路获得脉冲， 由于脉冲是在方波的上升沿产生，为了使0度，90度，180度， 270度的位置上都得到脉冲，所以必须把正弦和余弦方波分别 各自反相一次，然后再微分，这样可得到4个脉冲。
伺服电机的定子和转子与一般电机相同. 直流伺服电机的定子一般是 永磁体, 转子是绕组线圈. 交流伺服电机的定子和转子一般都是绕组 线圈.
转子的类型
伺服电机的转子有两类, 一类是空心杯转子, 另一类是嵌线圈转子.
空心杯转子的优点是: 1. 便于电机的启动和制动, 启动速度快, 制动容易. 2. 启动和空载电流小. 3. 对驱动回路的冲击小.
为了辨别正向和反向运动，可用一些与门把4个方波sin, -sin, cos及-cos(即A,B,C,D)和4个脉冲进行逻辑组合。 当正向运动时，通过与门Y1～Y4及或门H1得到 A‘B＋AD‘＋C’D＋B‘C4个脉冲输出。 当反向运动时，通过与门Y5～Y8及或门H2得到 BC’＋AB‘＋A’D＋CD‘4个脉冲输出。
F. 直流调速系统原理. G. 交流调速系统原理. H. 直流伺服系统原理与电路分析. I. 交流伺服系统原理与电路分析. J. 伺服电机的常见故障 K. 伺服电机的维修方法(车间实习)
第一部分.伺服系统慨念
“伺服”—词源于希腊语“奴隶”的意思 。人们 想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从 控制信号的要求而动作。在讯号来到之前，转子静 止不动;讯号来到之后，转子立即转动;当讯号消失， 转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能，因 此而得名—伺服系统。
Exact servo Motor Principles and Application
精密伺服电机的原理与应用
Marshal yang. Jun.4 以下资料仅供大家参考共同学习
主要内容:
A. 了解什么是伺服系统? B. 伺服系统有哪几个组成部分?
C. 伺服电机的分类. D. 每种伺服电机的结构. E. 各种伺服电机的控制方式,特点和 应用.
N=0(原点）
n+1=n
N=n（最后集数）
光栅检测装置的结构
1-光源 2-透镜
12
63
4
3-指示光栅Gi
4-光电元件
5-驱动电路
6-标尺光栅Gs
5
驱动 线路
前5个元器件安装在同一个支架上, 构成光栅读数头。 标尺光栅安装在执行部件的被测移动零件上。 标尺光栅与指示光栅应相互平行, 并保持0.03~0.1mm的间隙。
第二部分.伺服电机的结 构和原理
伺服电机与非伺服电机的区别:
1.结构 伺服电机自带位置检测装置 非伺服电机不具有位置检测装置
2.运行方式 伺服电机在闭环模式下运行 非伺服电机一般在开环模式下运行
伺服电机的结构:
检测部分 （伺服电机必需部分）
动力部分
CD card carbon brush
magnetic field bearing(red part) spindle
现以驱动电源分类讲解 伺服电机:
1. 直流伺服电机 2. 交流伺服电机 主要讲解直流伺服电机
有刷直流伺服电机
1.直流伺服电机
无刷直流伺服电机
1.1 有刷直流伺服电机： A. 结构:
普通有刷直流电机+位置检测系统(光电编码器)
B.分类:
铁芯、绕组直流伺服电机 空心杯直流伺服电机
和光电编码器
C. 优缺点
编码器
编码器有接阻式,光电式,电磁式三种 光电式编码器
(1) 分类 增量式旋转编码器和绝对式旋转编码器
A.增量式旋转编码器: 轴的每圈转动，增量型编码器提供一定数量的
脉冲 ,周期性的测量或者单位时间内的脉冲计数可 以用来测量移动的速度。
如果在一个参考点后面脉冲数被累加，计 算值就代表了转动角度或行程的参数。双通道编码器 输出脉冲之间相差为90º。能使接收脉冲的电子设备 接收轴的旋转感应信号， 因此可用来实现双向的定 位控制；另外，三通道增量型旋转编码器每一圈产生 一个称之为零位信号的脉冲。
例如:
前段伺服电机的结构:(直流) 定子
换向器 (碳刷)
位置检测装置 驱动线
检测装置信号线 轴承
底座 转子
直流伺服电机主要技术参数：
• 额定功率Pe • 额定电压Ue • 额定电流Ie • 额定转速ne • 额定转矩MIe • 调速比D
直流伺服电机的选择，是根据被驱动机械的负载 转矩、运动规律和控制要求来确定。
B. 绝对式旋转编码器
绝对值编码器为每一个轴的位置提供一个独一无二的编 码数字值。
0000-2222共16记数
绝对式旋转编码器
特别是在定位控制应用中，绝对值编码器减轻了 电子接收设备的计算任务，从而省去了复杂的和昂贵 的输入装置：而且，当机器合上电源或电源故障后再 接通电源，不需要回到位置参考点，就可利用当前的 位置值。 单圈绝对值编码器把轴细分成规定数量的测量步，最 大的分辨率为13位，这就意味着最大可区分8192个位 置+多圈绝对值编码器不仅能在一圈内测量角位移，而 且能幸，J用多步齿轮测量圈数。多圈的圈数为12位， 也就是说最大4096圈可以被识别。总的分辨率可达到 25位或者33，554，432个测量步数。
D.编码器的原理与应用
编码器是一种将角位移转换成一连串电数字脉 冲的旋转式传感器，这些脉冲能用来控制角位移， 如果编码器与齿条或螺旋杆结合在一起，也可于 控制直线位移。
编码器中角位移的转换采用了光电扫描原理。 读数系统是基于径向分度盘的旋转，该分度盘是 由交替的透光窗口和不透光窗口构成的。此系统 全部用一个红外光源垂直照射，这样光就把盘子 和图像投射到接收器表面上，该接收器覆盖着一 层光栅，称为准直仪，它具有和光盘相同的窗口。 接收器的工作是感受光盘转动所产生的光变化， 然后将光变化转换成相应的电变化。
A B 图1
90o
图2
增量式脉冲编码器
U
工作原理
图2的波形经取峰值电压, 并放大, 0 整形后得到图3所示的方波信号.
由此方波可用于计数. 如图3.
U
由此可知，光栅每位移一个光栅
节距，将产生4个计数脉冲。
0
另外还产生一转脉冲Z，为基准
脉冲，或称零点脉冲， 电机在固定的圆周位置
它是伺服 圆光栅盘
CNT
➢以交流伺服电机为驱动元件的伺服系统，称交流伺服 系统。
开环进给伺服系统
开环系统是最简单的进给系统. 这种系统的伺服驱动装置 主要是
步进电机, 电脉冲马达.
X, T
Z2
步进
电机
伺服
Z1
t
CNC
驱动 电路
指令脉冲
伺服驱动电路 伺服驱动装置
机械传动及执行部件
闭环进给系统:
CNC
位 置 反 馈
伺服驱动电路(系统) 速度控制电路
增量式脉冲编码器
结构图
增量式脉冲编码器有光电式, 接触式和电 磁感应式三种, 很多伺服电机用的都是光 2
电式编码器. 其结构如右图, 圆光栅3固定在
旋转轴8上, 指示光栅4固定在机座6上, 与圆 光栅平行并保持一定间隙(0.03mm), 光源27,
光电元件5及印刷电路板1都固定在底座6 上, 全部用护罩7盖上. 整个编码器通过底 1
高度平滑的运转 ,特别是在低速时,需要高速度 （>5000RPM）；需要特别的速度稳定性； 较恒定的力 矩 .直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在调速 方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好（启动 转矩大，启动电流小），运行平稳，噪音低，效率高 等.
当然在缺点方面也很明显，如有刷电机要维护更换 电刷 ,寿命短等.
位置控 制电路
电流反馈
机械传动及执行部件 X, T
速度反馈
D.C或
伺服驱A动,C装置
t
位置检测装置
半闭环进给系统:
CNC
位 置 反 馈
伺服驱动电路(系统) 速度控制电路
位置控 制电路
电流反馈
机械传动及执行部件
X, T
速度反馈
D.C或
A,C
伺服驱动装置
t
位置检测装置
闭环和半闭环进给系统因为采用了检测装置, 所以在结构上 较开环进给系统复杂, 成本较高。
标尺光栅
P P P P
硅光电
指示光栅 聚光镜 光源
光栅检测装置的位移--脉冲变换电路
正向
sin cos
差动
(sin) 整 形
微 分 (sin)
A’
放大器 P1
A反 相
微 分
C’
P2
P3
(cos)
微 分 B’
P4 差 动 整 放大器 形
(cos)
B反 相
微 分 D’
A’B
Y1
AD’
Y2
Y3 C’D Y4 B’C Y5 BC’
Raster Plate(or CD card for motor) 光栅片
我们在拆装电机时,不能 随便动光栅片,弄花或者 弄坏.如万一使之位置发 生变化的话,我们在没有 示波器的条件下很难恢复, 因为每个电机在出厂时, 它的波形就确定了,在调 整的时要根据波形来调 光栅片的位置,所以一般 我们拆下电机就报废.
座6安装在伺服电机上。
345 6
增量式脉冲编码器
结构图
圆光栅的基体是玻璃圆盘, 表面上用真空
镀膜法镀上一层不透光的金属膜, 再涂上一 层均匀的感光材料, 用照相腐蚀工艺, 制成等
2
距的透光和不透光相间的辐射状线纹,相邻
的两指个示透光光栅和上不有透两光组线线纹纹构A成和一B,个每节组距线P纹o。7
的节距与圆光栅的节距相同, 但A,B两组线 1 纹彼此错开1/4个节距, A,B两组线纹与旋转
伺服电机的分类:
按驱动电源分为: 直流伺服电机 交流伺服电机
按功率大小分为: 小功率伺服电机 (<200W) 大功率伺服电机 (>=200W)
按精度分为:
高精度伺服电机 (<1度/步) 一般精度伺服电机 (>=1度/步)
按调速范围分为: 大惯量伺服电机(又称宽调速伺服电机) 小惯量伺服电机
伺服电机的定子与转子
伺服系统是一个闭环的控制系统,它主 由控制元件,执行元件和反馈网络构成.
Control Unit
Enforce Unit
Exp.
Feedback Unit
当我们需要用手去抓住一样东西的时候,我们 的手,眼睛,大脑就构成了一个伺服系统.
大脑
手
眼睛
伺服系统的要求
“伺服”一词是跟随的意思，即被控的电机忠实地 执行频繁变化的位置或速度指令，精确地控制机械系统 运动的位移或角度，这种自动系统称伺服系统或随动系 统。 ➢以直流伺服电机为驱动元件的伺服系统，称直流伺服 系统。
光栅检测装置的结构
指示光栅
标尺光栅
光栅位置检测装置的介绍
光栅作为检测装置, 已历史长久, 可用以测量长度, 角度, 速度, 加速度, 振动和爬行等。
在数控进给系统中, 用它来检测直线位移, 角位移和速度。
用长光栅(或称直线光栅)来测量直线位移, 用圆光栅来测 量角 位移.将激光测长技术用于刻制光栅, 可以制造出精度很高的 光栅尺, 因而使光栅检测的分辨率与精度有了很大的提高, 光栅检测的分辨率可达微米级, 通过细分电路细分可达 0.1um, 甚至更高的水平。