第六章_伺服系统检测元件概论
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第六章进给伺服系统
二、步进电机的主要性能指标 1. 步距角和步距误差 每输入一个脉冲电信号，步进电机转子转过的角度成为步距 角。 步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的 360 关系如下： ＝ KmZ (6-1) 式中 —步进电机的步距角； m—电机相数； Z—转子齿数； K—系数，相邻两次通电相数相同，K＝1； 相邻两次通电相数不同，K＝2。 同 一 相 数 的 步 进 电 机 可 有 两 种 步 距 角 ， 通 常 为 1.2/0.6 、 1.5/0.75 、 1.8/0.9 、 3/1.5 度等。步距误差是指步进电机运行 时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。步 距误差直接影响执行部件的定位精度及步进电机的动态特 性。大小由制造精度、齿槽的分布及定子和转子间气隙不 均匀等因素造成。
步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或线位移 的一种机电式数模转换器。在结构上分为定子和 转子两部分，现以图6-5所示的反应式三相步进电 机为例加以说明。定子上有六个磁极，每个磁极 上绕有励磁绕组，每相对的两个磁极组成一相， 分成A、B、C三相。转子无绕组，它是由带齿的铁 心做成的。步进电机是按电磁吸引的原理进行工 作的。当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三 对磁极就依次产生磁场，并每次对转子的某一对 齿产生电磁引力，将其吸引过来，而使转子一步 步转动。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极 中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零。如果控制 线路不停地按一定方向切换定子绕组各相电流， 转子便按一定方向不停地转动。步进电机每次转 过的角度称为步距角。
进给伺服系统的作用：接受数控装置发出 的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置 作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、 交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动 机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作 进给或快速运动。 数控机床的进给伺服系统与一般机床的进给系 统有着本质的区别：能根据指令信号精确地控 制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行 部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。如果 把数控装置比作数控机床的“大脑”，是发布 “命令”的指挥机构，那么伺服系统就是数控 机床的“四肢”，是执行“命令”的机构，它 是一个不折不扣的跟随者。
机床数控技术：第6章 数控伺服系统
30
6.2 伺服电动机
伺服电动机是数控伺服系统的重要组成部分， 是速度和轨迹控制的执行元件。
数控机床中常用的伺服电机： ● 直流伺服电机（调速性能良好） ● 交流伺服电机（主要使用的电机） ● 步进电机（适于轻载、负荷变动不大） ● 直线电机（高速、高精度）
31
6.2.1 直流伺服电机及工作特性
6.1 概述
伺服系统的性能直接关系到数控机床执行件的 静态和动态特性、工作精度、负载能力、响应快慢 和稳定程度等。所以，至今伺服系统还被看做是一 个独立部分，与数控装置和机床本体并列为数控机 床的三大组成部分。
按ISO标准，伺服系统是一种自动控制系统，其 中包含功率放大和反馈，从而使得输出变量的值紧 密地响应输入量的值。
数控机床常用的直流电动机有： ●直流进给伺服系统：永磁式直流电机； ●直流主轴伺服系统：励磁式直流电机；
图6.5 直流伺服驱动系统的一般结构
32
6.2.1 直流伺服电机及工作特性
直流电动机原理
根据法拉第电磁感应定理 当载流导体位于磁场中，导
体上受到的电磁力F:
F = B ×L× i
B：磁场的磁通密度； L： 导体长度； i：导体中的电流。 F、B、i之间的方向关 系可用左手定则确定。
29
6.1 概述
6.1.4 伺服系统的发展 由于直流电动机存在换向火花和电刷磨损等问题
，美国通用电气(GE)公司于1983年研制成功采用 笼型异步交流伺服电动机的交流伺服系统。采用 矢量变换控制变频调速，使交流电动机具有和直 流电动机—样的控制性能，又具有机构简单、可 靠性高、成本低，以及电动机容量不受限制和机 械惯性小等优点。 日本于1986年又推出了全数字交流伺服系统。
28
6.2 伺服电动机
伺服电动机是数控伺服系统的重要组成部分， 是速度和轨迹控制的执行元件。
数控机床中常用的伺服电机： ● 直流伺服电机（调速性能良好） ● 交流伺服电机（主要使用的电机） ● 步进电机（适于轻载、负荷变动不大） ● 直线电机（高速、高精度）
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6.2.1 直流伺服电机及工作特性
6.1 概述
伺服系统的性能直接关系到数控机床执行件的 静态和动态特性、工作精度、负载能力、响应快慢 和稳定程度等。所以，至今伺服系统还被看做是一 个独立部分，与数控装置和机床本体并列为数控机 床的三大组成部分。
按ISO标准，伺服系统是一种自动控制系统，其 中包含功率放大和反馈，从而使得输出变量的值紧 密地响应输入量的值。
数控机床常用的直流电动机有： ●直流进给伺服系统：永磁式直流电机； ●直流主轴伺服系统：励磁式直流电机；
图6.5 直流伺服驱动系统的一般结构
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6.2.1 直流伺服电机及工作特性
直流电动机原理
根据法拉第电磁感应定理 当载流导体位于磁场中，导
体上受到的电磁力F:
F = B ×L× i
B：磁场的磁通密度； L： 导体长度； i：导体中的电流。 F、B、i之间的方向关 系可用左手定则确定。
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6.1 概述
6.1.4 伺服系统的发展 由于直流电动机存在换向火花和电刷磨损等问题
，美国通用电气(GE)公司于1983年研制成功采用 笼型异步交流伺服电动机的交流伺服系统。采用 矢量变换控制变频调速，使交流电动机具有和直 流电动机—样的控制性能，又具有机构简单、可 靠性高、成本低，以及电动机容量不受限制和机 械惯性小等优点。 日本于1986年又推出了全数字交流伺服系统。
28
伺服控制(电液伺服系统 )课件
20
（二）系统的闭环刚度特性
闭环惯性环节转折频率的无因次曲线
17
闭环振荡环节固有频率无因次曲线
当h和Kv/h较小时
nc h
18
当h和Kv/h较小时
2 nc 2 h — Kv / h
闭环振荡环节阻尼系数无因次曲线
19
系统频宽主要受h和h的影响 和限制，应适当提高h和 h ， 但过大的 h会降低nc，影响响
应速度。
电液位置控制系统闭环频率特性曲线
4）只有在工作频率接近谐振频率h时才有稳定性问题。当工作频率 接近h时，负载压力且也将接近ps了，也就是说压力趋于饱和，Kc变得很
大，阻尼系数比较高。
14
P116页使系统满足一定稳定要求的参数估算
由于以上几点原因，估算时一般可用
Kv
h
3
电液位置伺服系统难于得到较大的幅值稳定裕量Kg，而相位稳定
裕量 易于保证。
6
位置比较用电压比较代替 缸
电液伺服阀 液压能源
样板 给定
xi 位移 ei 比较eg 电伺服 I
传感器
- 放大器
ef
力矩 马达
液压 放大元件
扰动
液压 xp
执行件
位移 传感器1
A 双传感器阀控位置控制系统
7
由计算机图 形代替样板
程序 ei 比较eg
给定
-
ef
电液伺服阀 液压能源
电伺服 i 放大器
力矩 马达
11
将电液伺服阀看成比例环节
Kv
Ke Kd Ka Ksv iDm
TL
K V ce
iD K m
4
s
t
1
e ce
i +
（二）系统的闭环刚度特性
闭环惯性环节转折频率的无因次曲线
17
闭环振荡环节固有频率无因次曲线
当h和Kv/h较小时
nc h
18
当h和Kv/h较小时
2 nc 2 h — Kv / h
闭环振荡环节阻尼系数无因次曲线
19
系统频宽主要受h和h的影响 和限制，应适当提高h和 h ， 但过大的 h会降低nc，影响响
应速度。
电液位置控制系统闭环频率特性曲线
4）只有在工作频率接近谐振频率h时才有稳定性问题。当工作频率 接近h时，负载压力且也将接近ps了，也就是说压力趋于饱和，Kc变得很
大，阻尼系数比较高。
14
P116页使系统满足一定稳定要求的参数估算
由于以上几点原因，估算时一般可用
Kv
h
3
电液位置伺服系统难于得到较大的幅值稳定裕量Kg，而相位稳定
裕量 易于保证。
6
位置比较用电压比较代替 缸
电液伺服阀 液压能源
样板 给定
xi 位移 ei 比较eg 电伺服 I
传感器
- 放大器
ef
力矩 马达
液压 放大元件
扰动
液压 xp
执行件
位移 传感器1
A 双传感器阀控位置控制系统
7
由计算机图 形代替样板
程序 ei 比较eg
给定
-
ef
电液伺服阀 液压能源
电伺服 i 放大器
力矩 马达
11
将电液伺服阀看成比例环节
Kv
Ke Kd Ka Ksv iDm
TL
K V ce
iD K m
4
s
t
1
e ce
i +
第六章_伺服系统检测元件
2、光栅的结构
光栅由光源，透镜，光栅副和光电接收元件构成。
光源：钨丝灯泡；发光二极管； 光栅副：由栅距相等的主光栅和指示光栅组成； 光电接收元件：把莫尔条纹的明暗变化转换为电量输出。
3、莫尔条纹的形成 安装角θ
W栅距
亮带 暗带
B节距
3、莫尔条纹的形成
B
W 2 sin
B
W
2 特点： (一) 莫尔条纹的移动量，移动方向与光 栅尺的位移量，位移方向具有对应关 系，且关系是固定的。 (二) 莫尔条纹的间距对光栅距有放大作 用例：如W=0.02mm，θ =0.1度 =0.001745rad则：B=11.4592mm (三) 莫尔条纹测位移的原理 当两光栅相对移动一个栅距W时，莫尔条 纹移动一个条纹间距 B ，莫尔条纹明 暗的变化转换为输出电压的变化，近 似为一正弦曲线，得位移量x=N W N:条纹数
易安装和调整、抗干扰能力强。
大尺寸磁栅尺外形图
一、磁栅的组成及类型
1．磁栅的组成
磁栅传感器是由磁栅（磁尺）、磁头、检测电路
组成。
l－磁尺； 2－尺基； 3－磁性薄膜； 4－铁心； 5－磁头
静态磁头
磁尺
固定孔
去信号处理电 路
磁栅的外形及结构图
2．磁栅的类型
同轴形 长磁栅 （测量直线位移）
带形 尺形 圆磁栅 （测量角位移）
故定尺的感应电压的大小为：
| ud | kUm sin( 1 )
当： 1 时， ud 0 ，故在滑尺移动中出现的该点称为节距零点。
若改变滑尺的位置使1 ，则在定尺上出现感应电压
ud kU m sin(1 ) cos t kU m sin cos t
数控机床电气控制第六章
第六章 检测装置
6.5 光栅 6.5.1 光栅结构与工作原理 无论是长光栅或圆光栅，主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。通常，标尺光栅固定在机床活动部 件（如工作台或丝杠）上，光栅读数头安装在机床的固定部件（如机床底座）上，两者由于工作台的移动而 雨相对移动。在光栅读数头中，有一个指示光栅，它可以随光栅读数头在标尺光栅上移动，因此，在光栅安 装时，必须严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度要求以及二者之间的间隙（通常取 0.05mm 或 0.lmm）要 求。 1 结构 （1）光栅尺 标尺光栅和指示光栅，统称光栅尺，采用真空镀膜方法光刻上均匀密集线纹的透明玻璃板或长条形金属 镜面。对于长光栅，这些线纹相互平行、距离相等，该间距被称为栅距。对于圆光栅，这些线纹是等栅距角 的向心条纹。栅距和栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。常见的长光栅的线纹密度为每毫米 25 条、50 条、 条、 条、 条。 100 125 250 对于圆光栅， 如果直径为 70mm， 一周内的刻线 100～768 条； 如果直径为 110mrn， 一周内的刻线 600～1024 条。但是对于同一光栅元件，其标尺光栅和指示光栅的线纹密度必须相同。
Hale Waihona Puke 第六章 检测装置图 6-3 绝对式光电编码器的结构图 由于绝对式光电编码器转过的圈数由 RAM 保存，所以断电后机床的位置即使断电或断电后又移动过也 能够正常工作。
第六章 检测装置
6.3 感应同步器 6.3.1 感应同步器结构与工作原理 1.结构特点 直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，相当于一个展开式的多极旋转变压器，其结构如图 6-4 所示。定 尺和滑尺的基板由与机床线胀系数相近的钢板制成，钢板上用绝缘粘接剂贴有钢箔，利用照相腐蚀的办法做 成图示的印刷线路绕组。感应同步器定尺绕组是一个单向均匀的连续绕组；滑尺有两个绕组，其位置相距绕 组节距（2 ）的 1/4，分别称为正弦绕组和余弦绕组。定尺和滑尺绕组的节距相等，均为 2 ，这是衡量感 应同步器精度的主要参数，工艺上要保证其节距的精度。一块标准型感应同步器定尺长度为 250mm，节距 为 2mm，其绝对精度可达 2.5 m，分辨率为 0.25 m。
伺服系统概述 PPT课件
12 伺服系统概述
伺服系统的特点和功用
• 伺服系统与一般机床的进给系统有本质上差别，它能根据 指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置 • 伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是数控系统的重 要组成
12 伺服系统概述
二、伺服系统基本类型
按控制原理分 有开环、闭环和半闭环三种形式 按被控制量性质分 有位移、速度、力和力矩等伺 服系统形式 按驱动方式分 有电气、液压和气压等伺服驱动形式 按执行元件分 有步进电机伺服、直流电机伺服和交 流电机伺服形式
12 伺服系统概述
气压系统与液压系统的比较
1.
2.
3. 4.
5.
空气可以从大气中取之不竭且不易堵塞；将用过的气体排入大 气，无需回气管路处理方便；泄漏不会严重的影响工作，不污 染环境。 空气粘性很小，在管路中的沿程压力损失为液压系统的干分之 一，易于远距离控制。 工作压力低．可降低对气动元件的材料和制造精度要求。 对开环控制系统，它相对液压传动具有动作迅速、响应快的优 点。 维护简便，使用安全，没有防火、防爆问题；适用于石油、化 工、农药及矿山机械的特殊要求。对于无油的气动控制系统则 特别适用于无线电元器件生产过程，也适用于食品和医药的生 产过程。
优点
操作简便；编程容易； 能实现定位伺服控制； 响应快、易与计算机 （CPU）连接；体积小、 动力大、无污染。
缺点
瞬时输出功率大；过载 差；一旦卡死，会引起 烧毁事故；受外界噪音 影响大。 功率小、体积大、难于 小型化；动作不平稳、 远距离传输困难；噪音 大；难于伺服。 设备难于小型化；液压 源和液压油要求严格； 易产生泄露而污染环境。
12 伺服系统概述
三、伺服系统基本要求
精度高： 稳定性好：
第六章位置检测技术
如果光栏板上两条夹缝中的信号分别为A和B，相
位相差90°，通过整形，成为两个方波信号，光电
编码盘的输出波形如图6-7所示。根据A和B的先后
顺序，即可判断光电盘的正反转。若A相超前于B相，
对应转轴正转；若B相超前于A相，则对应于轴反转。
若以该方波的前沿或后沿产生记数脉冲，可以形成
代表正向位移或反向位移的脉冲序列。除此之外，
编 码
即具有断电记忆力功能。
器
图6-8 接触式码盘
第六章 位置检测技术
2.2 编码器在数控机床中的应用
第 二 节
光
电
编
码
器
位移测量
1
2 主轴控制
测速 3
零标志脉冲用于 回参考点控制
4
第六章 位置检测技术
3.1 光栅尺的结构及工作原理
第 三
光栅尺的结构组成
节
光
电
尺
数控机床中用于直线位移检测的光栅尺有透射光栅和反射光栅两大类 。
小的角度b，两光栅线纹相交，形成透光
和不透光的菱形条纹，这种黑白相间的条
纹称为莫尔条纹。莫尔条纹的传播方向与
光栅线纹大致垂直。两条莫尔条纹间的距 离为p，因偏斜角度b很小，所以有近似公
图6-11 光栅尺工作原理
式 当工作台正向或反向移动一个栅距l时，莫尔条纹向
上或向下移动一个纹距p，莫尔条纹经狭缝和透镜
和
磁
栅
尺
图6-9 光栅尺外观示意图 1—光栅尺；2—扫描头；3—电缆
图6-10 透射光栅组成示意图
第六章 位置检测技术
3.1 光栅尺的结构及工作原理
第 三
光栅尺的工作原理与特点
节
光
电
伺服系统简介介绍
受控对象
被控制的设备或系统， 可以是机械系统、电气 系统或其他系统。
伺服系统的分类
按受控对象
可分为位置伺服系统、速度伺服系统和力伺 服系统等。
按控制方式
可分为开环伺服系统和闭环伺服系统。
按执行器类型
可分为电动伺服系统、气动伺服系统和液压 伺服系统等。
02
01
按应用领域
可分为数控机床、机器人、航空航天、自动 化生产线等领域的伺服系统。
04
03
02 伺服系统的工作原理
伺服系统的工作原理
• 伺服系统是一种能够精确控制运动和速度的控制系 统。它广泛应用于各种工业自动化设备中，如数控 机床、机器人、印刷机等。
伺服系统的应用场景
03
工业自动化
01
数控机床
伺服系统用于数控机床的精密加工，提高加工精度和效 率。
02
生产线自动化
伺服系统用于生产线自动化，实现生产过程的精确控制 和优化。
能。
自动驾驶
伺服系统用于自动驾驶汽车的导航 和控制，实现精确的路径规划和避 障。
悬挂系统控制
伺服系统用于悬挂系统的控制，提 高车辆的行驶平顺性和稳定性。
04 伺服系统的优势与挑战
伺服系统的优势与挑战
• 伺服系统是一种被广泛应用于各种工业和商业领域的控制系 统。它通过接收输入信号，并利用内部的电子和机械部件来 控制输出运动，以满足特定的应用需求。伺服系统具有高精 度、高速度、高可靠性等优点，但也面临着一些挑战。
升级的工业应用需求。
03
5G技术的应用
5G技术为工业互联网的发展带来了新的机遇。未来的伺服系统将更加
注重与5G技术的融合，以实现更高效、更稳定的生产和制造。
第六章：伺服系统(6学时)PPT课件
4
四、常见三种电气伺服驱动装置的特点：
1、步进电机（Stepping Motor）
✓转角与数字脉冲成比例，可构成直接数字控制 ✓构成廉价的开环系统 ✓控制系统控制较简单
2、直流伺服电机(DC Servo Motor)
✓高响应、高功率密度 ✓可实现高精度的数字控制 ✓换向器件需维护
3、交流伺服电机(AC Servo Motor)
对于直线移动的工作台，折算到丝杠轴的转动惯量为：
J
M
(
p
2
)2
丝杠轴折算到电机轴的转动惯量为：
J
1 i2
J
z
2
Js
p M(
2
)
2
因此，折算到电机轴的等效转动惯量Jd为：
Jd
Jm
J z1
1 i2
J
z
2
Js
M
(
p
2
)
2
对于齿轮齿条传动的工作台，折算到驱动轴的转动惯量为：
J M R 2 R为齿轮分度圆半径
TN
Jm
d
dt
因此，比功率为：
dP dt
TN2
/
Jm
2、快速性好；调速范围宽（1：1000以上）；适应启停频繁的工作要 求等。
6
§ 6.2 步进电机伺服驱动
一、步进电机工作原理
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的电气执行元件，电机绕组每接 受一个脉冲，转子转过相应的角度（即步距角），低频率运行时，明显 可见电机轴是一步一步转动的，故称为步进电动机。
适用范围：空压伺服、步进电机伺服、 交流直流伺服、液压伺服
2
三、伺服系统基本要求
精度 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
四、常见三种电气伺服驱动装置的特点：
1、步进电机（Stepping Motor）
✓转角与数字脉冲成比例，可构成直接数字控制 ✓构成廉价的开环系统 ✓控制系统控制较简单
2、直流伺服电机(DC Servo Motor)
✓高响应、高功率密度 ✓可实现高精度的数字控制 ✓换向器件需维护
3、交流伺服电机(AC Servo Motor)
对于直线移动的工作台，折算到丝杠轴的转动惯量为：
J
M
(
p
2
)2
丝杠轴折算到电机轴的转动惯量为：
J
1 i2
J
z
2
Js
p M(
2
)
2
因此，折算到电机轴的等效转动惯量Jd为：
Jd
Jm
J z1
1 i2
J
z
2
Js
M
(
p
2
)
2
对于齿轮齿条传动的工作台，折算到驱动轴的转动惯量为：
J M R 2 R为齿轮分度圆半径
TN
Jm
d
dt
因此，比功率为：
dP dt
TN2
/
Jm
2、快速性好；调速范围宽（1：1000以上）；适应启停频繁的工作要 求等。
6
§ 6.2 步进电机伺服驱动
一、步进电机工作原理
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的电气执行元件，电机绕组每接 受一个脉冲，转子转过相应的角度（即步距角），低频率运行时，明显 可见电机轴是一步一步转动的，故称为步进电动机。
适用范围：空压伺服、步进电机伺服、 交流直流伺服、液压伺服
2
三、伺服系统基本要求
精度 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
机床数控技术--习题答案—第6章数控伺服系统
第5章 位置检测装置习题及答案1.伺服系统中常用的位置检测装置有几种？各有什么特点？答：伺服系统中常用的位置检测装置有：旋转变压器、感应同步器、脉冲编码器和光栅，各检测装置的特点如下：旋转变压器：又称同步分解器，是利用电磁感应原理的一种模拟式测角器件，是一种旋转式的小型交流电动机，在结构上和二相绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成，分有刷和无刷两种。
其特点是坚固、耐热、耐冲击、抗干扰、成本低，是数控系统中较为常用的位置传感器；感应同步器：感应同步器是从旋转变压器发展而来的直线式感应器，相当于一个展开的多级旋转变压器。
踏实利用滑尺上的励磁绕组和定尺上的感应绕组之间相对位置的变化而产生电磁耦合的变化，从而发出相应的位置信号来实现位移检测的，其特点为：精度高，工作可靠，抗干扰能力强，维修简单、寿命长，测量距离长，工艺好、成本低、便于成批生产；脉冲编码器：脉冲编码器分为光电式、接触式和电磁感应式三种。
数控机床主要使用光电式脉冲编码器。
光电式脉冲编码器按编码方式又分为绝对值式和增量式两种，常用的为增量式脉冲编码器，其优点是结构简单、成本低、使用方便，缺点是有可能由于噪声或其它外界的干扰产生计数误差，若因停电、刀具破损而停机，事故排除后不能再找到事故发生前执行部件的正确位置；光栅：在高精度数控机床和数显系统中，常使用光栅作为位置检测装置。
它是将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反馈给CNC或数显装置来实现闭环控制的。
计量光栅分为圆光栅和长光栅两种。
圆光栅用于测量转角位移，长光栅用于测量直线位移，由于激光技术的发展，光栅制作的精度有了很大的提高，现在光栅精度可以达到微米级甚至亚微米级。
2. 旋转变压器由哪些部分组成？其检测的基本原理如何？答：旋转变压器又称同步分解器，是利用电磁感应原理的一种模拟式测角器件，是一种旋转式的小型交流电动机，在结构上和二相绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成，分有刷和无刷两种，结构如下图所示：有刷式旋转变压器的结构无刷式旋转变压器结构示意图1-转轴 ; 2-轴承 ; 3-机壳; 4-转子铁心; 5-定子铁心6-端盖 ; 7-电刷 ;8-集电环旋转变压器是根据互感原理工作的。
伺服系统概述
第6章 机电一体化伺服控制技术
６．１ 伺服系统概述
６．１．４ 伺服系统的分类
２．按驱动元件的类型分类 按驱动元件不同，伺服系统可分为电气伺服系统、气动伺服系统、液压伺服系统，其特点及优 缺点如表６-１所示。
表６-１ 伺服系统的特点及优缺点
第6章 机电一体化伺服控制技术
６．１ 伺服系统概述
６．１．４ 伺服系统的分类
１．系统精度 伺服系统精度指的是输出量 复现输入信号要求的精确程度。
２．稳定性 伺服系统的稳定性是指当作用在
系统上的干扰消失以后，系统能够恢 复原来稳定状态的能力
３．响应特性 响应特性指的是输出量跟随 输入指令变化的反应速度，决定 了系统的工作效率。
４．工作频率 工作频率通常是指系统允许输
入信号的频率范围。
（４）可靠的电动机 过热保护。
（５）丰富的选件。
第6章 机电一体化伺服控制技术
６．１ 伺服系统概述
６．１．１ 伺服系统相关概念
４．伺服放大器和运动控制器 伺服放大器由给伺服电动机供电的功率放大器和闭环控制用的 调节器组成。
第6章 机电一体化伺服控制技术
６．１ 伺服系统概述
６．１．２ 对伺服系统的基本要求
６．１ 伺服系统概述
６．１．１ 伺服系统相关概念
３．伺服电动机 电动机是驱动机器运动的动力来源。伺服电动机的特点如下。
（１）转 速性能好，调速范围大 。
（３）电动机寿命长， 防护等级高。
第6章 机电一体化伺服控制技术
６．１ 伺服系统概述
６．１．１ 伺服系统相关概念
图６-３ 闭环控制伺服系统
第6章 机电一体化伺服控制技术
６．１ 伺服系统概述
６．１．４ 伺服系统的分类
机电一体化第六章伺服驱动控制系统设计
更加简单。步进电机既是驱动元件，又是脉冲角位移变换元件。 E. 当控制脉冲数很小，细分数较大时，运行速度达到每转30分
钟。 F.体积小、自定位和价格低是步进电动机驱动控制的三大优势。 G. 步进电机控制系统抗干扰性好
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二、 伺服驱动控制系统设计的基本要求
1. 高精度控制 2. 3. 调速范围宽、低速稳定性好 4. 快速的应变能力和过载能力强 5. 6.
闭环调节系统。
(4) ①
② 调节方法。
(5) ① 使用仪器。用整定电流环的仪器记录或观察转速实际值波形，电
② 调节方法。
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六、 晶体管脉宽(PWN)直流调速系统
晶体管脉宽直流调速系统与用频率信号作开关的晶闸管系统相比，具 (1) 由于系统主电源采用整流滤波，因而对电网波形影响小，几乎不 (2) 由于晶体管开关工作频率很高（在2 kHz左右），因此系统的 (3) 电枢电流的脉动量小，容易连续，不必外加滤波电抗器也可平稳 (4) 系统的调速范围很宽，并使传动装置具有较好的线性，采用Z2
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(2) ① A. 步进电动机型号：130BYG3100D (其他型号干扰大) B. 静转矩15 N·m C. 步距角0.3°/0 6°
D. 空载工作频率40 kHz E. 负载工作频率16 kHz ② A. 驱动器型号ZD-HB30810 B. 输出功率500 W C. 工作电压85～110 V D. 工作电流8 A E. 控制信号，方波电压5～9 V，正弦信号6～15 V ③ 控制信号源。
(3) ① 标准信号控制系统（如图6-16） ②检测信号控制系统 （如图6-17）
③ 计算机控制系统（如图6-18）
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图6-16 标准信号控制系统图 图6-17 检测信号控制系统图 图6-18 计算机控制系统图
钟。 F.体积小、自定位和价格低是步进电动机驱动控制的三大优势。 G. 步进电机控制系统抗干扰性好
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二、 伺服驱动控制系统设计的基本要求
1. 高精度控制 2. 3. 调速范围宽、低速稳定性好 4. 快速的应变能力和过载能力强 5. 6.
闭环调节系统。
(4) ①
② 调节方法。
(5) ① 使用仪器。用整定电流环的仪器记录或观察转速实际值波形，电
② 调节方法。
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六、 晶体管脉宽(PWN)直流调速系统
晶体管脉宽直流调速系统与用频率信号作开关的晶闸管系统相比，具 (1) 由于系统主电源采用整流滤波，因而对电网波形影响小，几乎不 (2) 由于晶体管开关工作频率很高（在2 kHz左右），因此系统的 (3) 电枢电流的脉动量小，容易连续，不必外加滤波电抗器也可平稳 (4) 系统的调速范围很宽，并使传动装置具有较好的线性，采用Z2
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(2) ① A. 步进电动机型号：130BYG3100D (其他型号干扰大) B. 静转矩15 N·m C. 步距角0.3°/0 6°
D. 空载工作频率40 kHz E. 负载工作频率16 kHz ② A. 驱动器型号ZD-HB30810 B. 输出功率500 W C. 工作电压85～110 V D. 工作电流8 A E. 控制信号，方波电压5～9 V，正弦信号6～15 V ③ 控制信号源。
(3) ① 标准信号控制系统（如图6-16） ②检测信号控制系统 （如图6-17）
③ 计算机控制系统（如图6-18）
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图6-16 标准信号控制系统图 图6-17 检测信号控制系统图 图6-18 计算机控制系统图
伺服控制系统- 概述
伺服控制系统- 概述第六章伺服控制系统第一节概述伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统。
如防空雷达控制就是一个典型的伺服控制过程，它是以空中的目标为输入指令要求，雷达天线要一直跟踪目标，为地面炮台提供目标方位;加工中心的机械制造过程也是伺服控制过程，位移传感器不断地将刀具进给的位移传送给计算机，通过与加工位置目标比较，计算机输出继续加工或停止加工的控制信号。
绝大部分机电一体化系统都具有伺服功能，机电一体化系统中的伺服控制是为执行机构按设计要求实现运动而提供控制和动力的重要环节。
一、伺服系统的结构组成机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。
如图6-1给出了系统组成原理框图。
1、比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。
2、控制器通常是计算机或PID控制电图6-1伺服系统组成原理框图路，主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。
3、执行元件作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。
机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。
4、被控对象是指被控制的机构或装置，是直接完成系统目的的主体。
一般包括传动系统、执行装置和负载。
5、检测环节是指能够对输出进行测量，并转换成比较环节所需要的量纲的装置。
一般包括传感器和转换电路。
在实际的伺服控制系统中，上述的每个环节在硬件特征上并不独立，可能几个环节在一个硬件中，如测速直流电机即是执行元件又是检测元件。
二、伺服系统的分类伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有:1、按被控量参数特性分类按被控量不同，机电一体化系统可分为位移、速度、力矩等各种伺服系统。
数控机床伺服系统培训课件
•起动频率fq 电机正常起动时(不丢步)所能承受旳最高 控制频率,起动频率低于持续运动频率,由 于起动时电机既要克服负载力矩,又要克 服惯性力矩，且负载越大，fq越低。
•持续运行频率（最高工作频率） fm步ax进电机持续工作时能接受旳最高频率,因运行时
转动惯量旳影响比起动时大大减小，因此fmax 》 fq，它表明步进电机所能到达旳最高速度
•步进电机定子绕组的通电状态的改变速度越快，其 转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高， 转子的转速越高，即步进电机选型及工作方式定下后， 步令距脉角冲频率是f确的定大的小，：因n=此其×转60速f=n3(r6/0min×)只60取f 决于指
mzk
2. 步进电机旳重要特性
•步距角 输入一种脉冲信号,转子转过旳角度 步距角越小,加工精度越高
变化外加电压u 变化磁通量
他励式直流电动机 调速原理图
电枢等效电路图
变化磁通量旳措施不能满足数控机床旳规定，而变 化电压旳措施具有恒转矩旳调速特性，机械特性好，
即机械特性与调整特性都是直线，转速与控制量U之 间是线性关系，而后一种措施转速与控制量 是非
线性关系，控制及设计系统都不以便。因此永磁直
流电机大都采用该调速方案。
•脉冲分派器（环C)伺服电动机
直流伺服电动机是将直流电能转换成机械能旳旋转电动机 直流伺服电动机具有良好旳调速特性，对伺服电机旳调速 性能规定高旳设备中，大都采用DC伺服电动机驱动。
直流伺服电动机的工作原理主要基于
电磁力定律：载流导体在磁场中要受到电磁力作用
电磁感应定律：当导体在磁场中运动并切割磁力线时，导 体中要产生感应电动势
㈣ 交流(AC)伺服电动机
直流伺服电动机构造较复杂，电刷、换向器需常常维 护，电机转速受限，AC克服此缺陷，因此AC伺服电动 机有取代DC伺服电动机旳趋势
•持续运行频率（最高工作频率） fm步ax进电机持续工作时能接受旳最高频率,因运行时
转动惯量旳影响比起动时大大减小，因此fmax 》 fq，它表明步进电机所能到达旳最高速度
•步进电机定子绕组的通电状态的改变速度越快，其 转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高， 转子的转速越高，即步进电机选型及工作方式定下后， 步令距脉角冲频率是f确的定大的小，：因n=此其×转60速f=n3(r6/0min×)只60取f 决于指
mzk
2. 步进电机旳重要特性
•步距角 输入一种脉冲信号,转子转过旳角度 步距角越小,加工精度越高
变化外加电压u 变化磁通量
他励式直流电动机 调速原理图
电枢等效电路图
变化磁通量旳措施不能满足数控机床旳规定，而变 化电压旳措施具有恒转矩旳调速特性，机械特性好，
即机械特性与调整特性都是直线，转速与控制量U之 间是线性关系，而后一种措施转速与控制量 是非
线性关系，控制及设计系统都不以便。因此永磁直
流电机大都采用该调速方案。
•脉冲分派器（环C)伺服电动机
直流伺服电动机是将直流电能转换成机械能旳旋转电动机 直流伺服电动机具有良好旳调速特性，对伺服电机旳调速 性能规定高旳设备中，大都采用DC伺服电动机驱动。
直流伺服电动机的工作原理主要基于
电磁力定律：载流导体在磁场中要受到电磁力作用
电磁感应定律：当导体在磁场中运动并切割磁力线时，导 体中要产生感应电动势
㈣ 交流(AC)伺服电动机
直流伺服电动机构造较复杂，电刷、换向器需常常维 护，电机转速受限，AC克服此缺陷，因此AC伺服电动 机有取代DC伺服电动机旳趋势
伺服系统中的传感器与检测系统
为了提高分辨率和测得比栅距更小的位移量，可以 增加刻线密度，但这种方法制造、安装及调试困难；
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。
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。
第六章 伺服系统检测元件教材PPT课件
位置检测装置的分类 按检测元件输出信号类型：数字式、模拟式、脉冲式 按检测量测量基准：绝对式、增量式 按被测位移量类型：直线式、回转式 按与被测对象联系方式：接触式、非接触式
常用的传感器：旋转变压器，感应同步器，光栅，光电盘和编 码盘
回转型：脉冲编码器，旋转变压器，圆感应同步器，圆光栅，磁栅，多 速旋转变压器，绝对脉冲编码器，三速感应同步器
闭环、实 位 反闭半际置馈环闭数环控进机给床伺的服实 速 反加际 度 馈系工统精的度重在要很组大成电机程部度分上。是由位
置检测装置的精度检决测与定反的馈 ，在设计数控机床进给伺服
单元
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。
综述
位置检测元件的性能要求 可靠性、抗干扰能力和环境适应能力强 满足精度、速度和测量范围的要求 使用维护方便，便于与CNC系统相联 成本↓，寿命↑
U s U m s int和 U c U m c o st
相应的感应电动势分别为：
ud1 kUmcoscost
ud2
kUm
cos(
)sint
2
应用叠加原理，定尺上感应电动势为：
ud ud1 ud2
kUm cos cost kUm sin sint
kUm cos(t )
kUm
cos(t
直线型：直线感应同步器，计量光栅，磁尺，激光干涉仪，三速感应同 步器，绝对值式磁尺。
综述
分类
增量式
绝对式
回转型——脉冲编码器、 多极旋转变压器 、
自整角机 、旋转变压度传感式光栅 、 三速圆感应同
器 、圆光栅、圆磁栅
步器 、磁阻式多极旋转
传感器
它们在转子的绕组中产生感应电压，并叠加得：
常用的传感器：旋转变压器，感应同步器，光栅，光电盘和编 码盘
回转型：脉冲编码器，旋转变压器，圆感应同步器，圆光栅，磁栅，多 速旋转变压器，绝对脉冲编码器，三速感应同步器
闭环、实 位 反闭半际置馈环闭数环控进机给床伺的服实 速 反加际 度 馈系工统精的度重在要很组大成电机程部度分上。是由位
置检测装置的精度检决测与定反的馈 ，在设计数控机床进给伺服
单元
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。
综述
位置检测元件的性能要求 可靠性、抗干扰能力和环境适应能力强 满足精度、速度和测量范围的要求 使用维护方便，便于与CNC系统相联 成本↓，寿命↑
U s U m s int和 U c U m c o st
相应的感应电动势分别为：
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2
应用叠加原理，定尺上感应电动势为：
ud ud1 ud2
kUm cos cost kUm sin sint
kUm cos(t )
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直线型：直线感应同步器，计量光栅，磁尺，激光干涉仪，三速感应同 步器，绝对值式磁尺。
综述
分类
增量式
绝对式
回转型——脉冲编码器、 多极旋转变压器 、
自整角机 、旋转变压度传感式光栅 、 三速圆感应同
器 、圆光栅、圆磁栅
步器 、磁阻式多极旋转
传感器
它们在转子的绕组中产生感应电压，并叠加得：
伺服系统组成、概述与控制原理（难得好文）
伺服系统组成、概述与控制原理（难得好⽂）伺服系统既可以是开环控制⽅式，也可以是闭环控制⽅式。
⼀、伺服系统简述伺服系统（servomechanism）指经由闭环控制⽅式达到对⼀个机械系统的位置、速度和加速度的控制。
⼀个伺服系统的构成包括被控对象、执⾏器和控制器（负载、伺服电动机和功率放⼤器、控制器和反馈装置）。
1. 执⾏器的功能在于提供被控对象的动⼒，其构成主要包括伺服电动机和功率放⼤器，伺服电动机包括反馈装置如光电编码器、旋转编码器或光栅等（位置传感器）。
2. 控制器的功能在于提供整个伺服系统的闭环控制如转矩控制、速度控制、位置控制等，伺服驱动器通常包括控制器和功率放⼤器。
3. 反馈装置除了位置传感器，可能还需要电压、电流和速度传感器。
下图为⼀般⼯业⽤伺服系统的组成框图，其中红⾊为伺服驱动器组成部分，黄⾊为伺服电机组成部分。
“伺服”——词源于希腊语“奴⾪”的意思。
⼈们想把“伺服机构”当成⼀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。
⼆、常⽤参数1、伺服电机铭牌参数1. 法兰尺⼨2. 电机极对数3. 电机额定输出功率4. 电源电压规格：单相/三相5. 电机惯量：分为⼤、中、⼩惯量，指的是转⼦本⾝的惯量，从响应⾓度来讲，电机的转⼦惯量应⼩为好；从负载⾓度来看，电机的转⾃惯量越⼤越好6. 电机出轴类型：键槽、扁平轴、光轴、减速机适配…7. 电机动⼒线定义：U: RED V：BLACK W: WHITE8. 额定转速9. 编码器线数：2500/1250/1000/17B/20B法兰是轴与轴之间相互连接的零件，⽤于管端之间的连接。
2、伺服驱动器铭牌参数1. 额定输出功率2. 电源电压规格3. 编码器线数3、伺服系统的性能指标1. 检测误差：包括给定位置传感器和反馈位置传感器的误差，传感器本⾝固有，⽆法克服；2. 系统误差：系统类型决定了系统误差。
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（1）可以直接读出角度坐标的绝对值。 （2）没有积累误差。 （3）电源切除后位置信号不会丢失 （4）允许的最高旋转速度较高。 （5）为提高精度和分辨率，必须增加码道数，使 构造变得复杂，价格也较贵。
二、旋转变压器
1、工作原理 2、工作方式
1、工作原理
旋转变压器根据互感原理，在定子绕组上加交流励磁电 压时，通过互感在转子绕组中产生感应电动势。关系为：
第三章 伺服驱动系统
综述（数控机床检测装置的类型与要求 及位置检测装置的分类 ）
一、脉冲编码器 二、旋转变压器 三、感应同步器 四、光栅测量装置 五、磁尺
综述
组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信
位号置处控理制装置组成的速。度 控 制
CN 单元作用：实时测量单执元行部件的位移和速度信号，并变
每转过一条狭缝只反映相对 上次的角度增量；
光电式码盘编码器
信号处理电路：整形，放大，分频，计数，
译码等
分辨角：
3600 狭缝数
分辨率=
1
狭缝数
提高分辨率的方法 1、提高光电盘圆周的等分狭缝的密度 2、增加光电盘的发讯通道
接触式码盘
分辨角度 a= 3600 2n
分辨率= 1 2n
绝对式编码器的特点
u2 ku1 sin kUm sin t sin
式中： Байду номын сангаас为定子与转子
绕组的匝数 比; Um电：压最大瞬时 θ ：两绕组轴 线间夹角。
机床中常用 正余弦旋转 变压器
2、工作方式
1）旋转变压器的信号处理方式有两种：鉴相型工作方式和 鉴幅型工作方式。
2）鉴相型工作方式 ：当给定子两绕组分别通以同幅，同频 但相位相差90度的交流励磁电压，即
C插 补
换+ 成位- 置位控调置制节控器单制 元所+ 要- 求的调速节信度与控号驱制动形式，将运机部件械动执部行件现
指令 实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是
闭环、实 位 反闭半际置馈环闭数环控进机给床伺的服实 速 反加际 度 馈系工统精的度重在要很组大成电机程部度分上。是由位
置检测装置的精度检决测与定反的馈 ，在设计数控机床进给伺服
uu11cs
Usm Ucm
sin sin
t
,
t
式中：UUcsmm
Um sin Um cos
它们在转子的绕组中产生感应电压，并叠加得：
u2 kUm sin sin t sin kUm cos sin t cos k cos( )Um sin t
由上式中可以看出，电压的幅值随转子的偏转角的变
—
传感器 数字脉编码式速度传感器 、（Tachsyn）、数字电
霍耳速度传感器
磁、磁敏式速度传感器
电流 霍耳电流传感器
传感器
一、脉冲编码器
• 编码器分类 按码盘读取方式：光电式、接触式、电磁式 按测量基准：增量式、绝对式
（二）增量式光电脉冲编码器 （光电码盘，光电脉冲发生 器）结构
组成：光源、聚光镜、光电码 盘、光栏板、光电元件等；
自整角机 、旋转变压器、圆绝对脉冲编码器 绝对值
位移
感应同步器 、光栅角度传感式光栅 、 三速圆感应同
器 、圆光栅、圆磁栅
步器 、磁阻式多极旋转
传感器
变压器
直线型——直线应同步 三速感应同步器 、 器 、光栅尺、磁栅尺 、激 绝对值磁尺、光电编码 光干涉仪 霍耳位置传感器 尺 、磁性编码器
速度
交、直流测速发电机 、 速度 角度传感器
单元
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。
综述
位置检测元件的性能要求 可靠性、抗干扰能力和环境适应能力强 满足精度、速度和测量范围的要求 使用维护方便，便于与CNC系统相联 成本↓，寿命↑
位置检测装置的分类 按检测元件输出信号类型：数字式、模拟式、脉冲式 按检测量测量基准：绝对式、增量式 按被测位移量类型：直线式、回转式 按与被测对象联系方式：接触式、非接触式
光电码盘：圆周均布一系列透 光狭缝，可转动；
光栏板：两条相距3/4节距的 透光狭缝，每条后面有一个 光电元件
增量式光电脉冲编码器
工作原理 检测角位移和角速度：光电码 盘转动→每转过一条狭缝→光 电元件→正弦电信号→放大、 整形→电脉冲信号→脉冲个数 和频率→角位移和角速度；
方向辨别：光栏板两条狭缝输出 相位差位90°的A相和B相信号， 若A相超前B相，则正转，反之 为反转；
常用的传感器：旋转变压器，感应同步器，光栅，光电盘和编 码盘
回转型：脉冲编码器，旋转变压器，圆感应同步器，圆光栅，磁栅，多 速旋转变压器，绝对脉冲编码器，三速感应同步器
直线型：直线感应同步器，计量光栅，磁尺，激光干涉仪，三速感应同 步器，绝对值式磁尺。
综述
分类
增量式
绝对式
回转型——脉冲编码器、 多极旋转变压器 、
（1）鉴相型
使滑尺上余弦和正弦绕组的配置错开1/4定 尺节距的距离，而且使两个绕组的励磁电压 同频等幅，彼此相差90度电相角，则励磁 信号分别为：
Us Um sint和Uc Um cost
相应的感应电动势分别为：
ud1 kUm cos cost
ud 2
kU m
化而变化，测量幅值即可求出θ。α为电相角，通过不断 修改电相角，使其跟踪θ的变化。
三、感应同步器
1、感应同步器的结构： 感应同步器按结构可 分为直线式和旋转式 两种。 直线式主要包括定尺 和滑尺两部分组成， 定尺上为连续绕组， 滑尺上为分段绕组。 相当于一个展开的多 极旋转变压器。
W W/4
2、感应同步器的工作原理
当励磁绕组用一定频率的正弦电压励磁时，产生 同频率的交变磁通，感应绕组与这个交变磁通耦 合，感应出同频率的交变电动势。
3、信号处理
根据精度和工作要求不同，主要有鉴相型 工作方式和鉴幅型工作方式
鉴相型：根据被测对象的信号相位角来鉴别位 移量
鉴幅型：根据被测对象的信号振幅来鉴别信号 位移量
u1s Um sin t u1c Um cost
它们在转子的绕组中产生感应电压，并叠加得：
u2 kUm sin t sin kUm cost cos kUm cos(t )
测量转子绕组输出电压的相位角θ即可测得转子相对于定子 的转角位置。
2、工作方式
3）鉴幅型工作方式：当给定子两绕组分别通以同频同相位 但幅值不同的交流励磁电压，即
二、旋转变压器
1、工作原理 2、工作方式
1、工作原理
旋转变压器根据互感原理，在定子绕组上加交流励磁电 压时，通过互感在转子绕组中产生感应电动势。关系为：
第三章 伺服驱动系统
综述（数控机床检测装置的类型与要求 及位置检测装置的分类 ）
一、脉冲编码器 二、旋转变压器 三、感应同步器 四、光栅测量装置 五、磁尺
综述
组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信
位号置处控理制装置组成的速。度 控 制
CN 单元作用：实时测量单执元行部件的位移和速度信号，并变
每转过一条狭缝只反映相对 上次的角度增量；
光电式码盘编码器
信号处理电路：整形，放大，分频，计数，
译码等
分辨角：
3600 狭缝数
分辨率=
1
狭缝数
提高分辨率的方法 1、提高光电盘圆周的等分狭缝的密度 2、增加光电盘的发讯通道
接触式码盘
分辨角度 a= 3600 2n
分辨率= 1 2n
绝对式编码器的特点
u2 ku1 sin kUm sin t sin
式中： Байду номын сангаас为定子与转子
绕组的匝数 比; Um电：压最大瞬时 θ ：两绕组轴 线间夹角。
机床中常用 正余弦旋转 变压器
2、工作方式
1）旋转变压器的信号处理方式有两种：鉴相型工作方式和 鉴幅型工作方式。
2）鉴相型工作方式 ：当给定子两绕组分别通以同幅，同频 但相位相差90度的交流励磁电压，即
C插 补
换+ 成位- 置位控调置制节控器单制 元所+ 要- 求的调速节信度与控号驱制动形式，将运机部件械动执部行件现
指令 实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是
闭环、实 位 反闭半际置馈环闭数环控进机给床伺的服实 速 反加际 度 馈系工统精的度重在要很组大成电机程部度分上。是由位
置检测装置的精度检决测与定反的馈 ，在设计数控机床进给伺服
uu11cs
Usm Ucm
sin sin
t
,
t
式中：UUcsmm
Um sin Um cos
它们在转子的绕组中产生感应电压，并叠加得：
u2 kUm sin sin t sin kUm cos sin t cos k cos( )Um sin t
由上式中可以看出，电压的幅值随转子的偏转角的变
—
传感器 数字脉编码式速度传感器 、（Tachsyn）、数字电
霍耳速度传感器
磁、磁敏式速度传感器
电流 霍耳电流传感器
传感器
一、脉冲编码器
• 编码器分类 按码盘读取方式：光电式、接触式、电磁式 按测量基准：增量式、绝对式
（二）增量式光电脉冲编码器 （光电码盘，光电脉冲发生 器）结构
组成：光源、聚光镜、光电码 盘、光栏板、光电元件等；
自整角机 、旋转变压器、圆绝对脉冲编码器 绝对值
位移
感应同步器 、光栅角度传感式光栅 、 三速圆感应同
器 、圆光栅、圆磁栅
步器 、磁阻式多极旋转
传感器
变压器
直线型——直线应同步 三速感应同步器 、 器 、光栅尺、磁栅尺 、激 绝对值磁尺、光电编码 光干涉仪 霍耳位置传感器 尺 、磁性编码器
速度
交、直流测速发电机 、 速度 角度传感器
单元
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。
综述
位置检测元件的性能要求 可靠性、抗干扰能力和环境适应能力强 满足精度、速度和测量范围的要求 使用维护方便，便于与CNC系统相联 成本↓，寿命↑
位置检测装置的分类 按检测元件输出信号类型：数字式、模拟式、脉冲式 按检测量测量基准：绝对式、增量式 按被测位移量类型：直线式、回转式 按与被测对象联系方式：接触式、非接触式
光电码盘：圆周均布一系列透 光狭缝，可转动；
光栏板：两条相距3/4节距的 透光狭缝，每条后面有一个 光电元件
增量式光电脉冲编码器
工作原理 检测角位移和角速度：光电码 盘转动→每转过一条狭缝→光 电元件→正弦电信号→放大、 整形→电脉冲信号→脉冲个数 和频率→角位移和角速度；
方向辨别：光栏板两条狭缝输出 相位差位90°的A相和B相信号， 若A相超前B相，则正转，反之 为反转；
常用的传感器：旋转变压器，感应同步器，光栅，光电盘和编 码盘
回转型：脉冲编码器，旋转变压器，圆感应同步器，圆光栅，磁栅，多 速旋转变压器，绝对脉冲编码器，三速感应同步器
直线型：直线感应同步器，计量光栅，磁尺，激光干涉仪，三速感应同 步器，绝对值式磁尺。
综述
分类
增量式
绝对式
回转型——脉冲编码器、 多极旋转变压器 、
（1）鉴相型
使滑尺上余弦和正弦绕组的配置错开1/4定 尺节距的距离，而且使两个绕组的励磁电压 同频等幅，彼此相差90度电相角，则励磁 信号分别为：
Us Um sint和Uc Um cost
相应的感应电动势分别为：
ud1 kUm cos cost
ud 2
kU m
化而变化，测量幅值即可求出θ。α为电相角，通过不断 修改电相角，使其跟踪θ的变化。
三、感应同步器
1、感应同步器的结构： 感应同步器按结构可 分为直线式和旋转式 两种。 直线式主要包括定尺 和滑尺两部分组成， 定尺上为连续绕组， 滑尺上为分段绕组。 相当于一个展开的多 极旋转变压器。
W W/4
2、感应同步器的工作原理
当励磁绕组用一定频率的正弦电压励磁时，产生 同频率的交变磁通，感应绕组与这个交变磁通耦 合，感应出同频率的交变电动势。
3、信号处理
根据精度和工作要求不同，主要有鉴相型 工作方式和鉴幅型工作方式
鉴相型：根据被测对象的信号相位角来鉴别位 移量
鉴幅型：根据被测对象的信号振幅来鉴别信号 位移量
u1s Um sin t u1c Um cost
它们在转子的绕组中产生感应电压，并叠加得：
u2 kUm sin t sin kUm cost cos kUm cos(t )
测量转子绕组输出电压的相位角θ即可测得转子相对于定子 的转角位置。
2、工作方式
3）鉴幅型工作方式：当给定子两绕组分别通以同频同相位 但幅值不同的交流励磁电压，即