《机电一体化系统设计》第4章_伺服系统设计[1]
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绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的， 它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数， 什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的 位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠 性大大提高了。
光栅传感器
长光栅横向模尔条纹
从图中不难看出。当光栅副间的夹角θ 很小，且两光栅的栅距相等，都为W时，莫 尔条纹间距B为:
三、步进电动机及其控制Fra bibliotek3) 最大静转矩和失调角 当转子带有负载力矩通电时，转子就不再能和
定子上的某极对齐，而是相差一定的角度，该角 度所形成的电磁转矩正好和负载力矩相平衡。这 个角度称为失调角。 步进电动机所能带的静转矩是受到限制的，最 大静转矩表示步进电机的承受载荷的能力。
二、伺服电机及其控制
二、伺服系统类型
按被控量的不同可以将伺服系统分为位置 伺服系统、速度伺服系统，其中最常见的 是位置伺服系统 ；
按照控制方式，可将伺服系统分为开环、 闭环、半闭环系统 。 （P25）
根据执行器使用的动力源，可以将伺服系 统分为电气伺服系统、液压伺服系统和气 压伺服系统等几种类型
二、伺服系统类型
定子：磁场—永磁体
转子：电枢绕组
换向：换向器与电刷
二、伺服电机及其控制
(2) 调速方式 直流伺服电机的机械特性方程为（P101）：
nCUe c CeCRt2 T
式中，U c 一电枢控制电压；R一电枢回路电
阻； —每极磁通；C e 、C t —分别为电动机
脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制 电机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。
定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上 述的通电方式称为三相单三拍。所谓“单”是指 每次只有一相绕组通电；所谓“三拍”是指经过 三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。
三、步进电动机及其控制
2. 性能参数
(1)步距角
绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道 刻线依次以2线、4线、8线、16 线。。。。。。 编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取 每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的 n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称 为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的 机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。
例：数控机床伺服系统，
由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样， 也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分 组成。
三、伺服系统的基本要求
对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速 响应性。
稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统 能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指 令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态 的能力。
精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是 指其输出量复现输入指令信号的精确程度。
快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项 重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动 态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的 迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。
由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还 是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过 零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。
1 直流伺服电动机 基本原理是主磁极的励磁线圈在直流电源
下产生恒定磁场，当电枢绕组通入直流电， 在电枢线圈中有直流电流，因而电枢线圈 在磁场的作用下受到电磁力矩而带动转子 旋转。
加于直流电机的直流电源，借助于换向器和电刷的 作用，使直流电机电枢线圈流过的电流，方向是交 变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变， 确保直流电机朝确定的方向连续旋转。
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。
一、执行元件类型及特点
1. 电气执行元件 电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（AC） 伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元 件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态 性能好，适合于频繁使用，便于维修等 2．液压式执行元件 液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、 液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况 下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点 3．气压式执行元件 气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液 压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动 力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩 性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。
信号连接—编码器的脉冲信号一般连接计数器、 PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速 模块与高速模块之分，开关频率有低有高。 如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。 A.B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和 测速。 A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置 测量。
绝对型编码器（旋转型）
步进电动机走一步所转过的角度称为步距角，
可按下面公式计算
360 0
Zm
式中 为步距角； Z为转子上的齿数；m为
步进电动机运行的拍数。
同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时 步距角也是不同的
三、步进电动机及其控制
(2) 启动频率和运行频率 我们把不失步启动的最高脉冲频率称为启动频
率，也称突跳频率，是步进电动机的一项重要性 能指标。 运行频率是指步进电动机起动后，当控制脉冲 频率连续上升时，步进电动机能不失步的最高频 率
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
光栅传感器
长光栅横向模尔条纹
从图中不难看出。当光栅副间的夹角θ 很小，且两光栅的栅距相等，都为W时，莫 尔条纹间距B为:
三、步进电动机及其控制Fra bibliotek3) 最大静转矩和失调角 当转子带有负载力矩通电时，转子就不再能和
定子上的某极对齐，而是相差一定的角度，该角 度所形成的电磁转矩正好和负载力矩相平衡。这 个角度称为失调角。 步进电动机所能带的静转矩是受到限制的，最 大静转矩表示步进电机的承受载荷的能力。
二、伺服电机及其控制
二、伺服系统类型
按被控量的不同可以将伺服系统分为位置 伺服系统、速度伺服系统，其中最常见的 是位置伺服系统 ；
按照控制方式，可将伺服系统分为开环、 闭环、半闭环系统 。 （P25）
根据执行器使用的动力源，可以将伺服系 统分为电气伺服系统、液压伺服系统和气 压伺服系统等几种类型
二、伺服系统类型
定子：磁场—永磁体
转子：电枢绕组
换向：换向器与电刷
二、伺服电机及其控制
(2) 调速方式 直流伺服电机的机械特性方程为（P101）：
nCUe c CeCRt2 T
式中，U c 一电枢控制电压；R一电枢回路电
阻； —每极磁通；C e 、C t —分别为电动机
脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制 电机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。
定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上 述的通电方式称为三相单三拍。所谓“单”是指 每次只有一相绕组通电；所谓“三拍”是指经过 三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。
三、步进电动机及其控制
2. 性能参数
(1)步距角
绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道 刻线依次以2线、4线、8线、16 线。。。。。。 编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取 每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的 n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称 为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的 机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。
例：数控机床伺服系统，
由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样， 也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分 组成。
三、伺服系统的基本要求
对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速 响应性。
稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统 能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指 令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态 的能力。
精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是 指其输出量复现输入指令信号的精确程度。
快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项 重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动 态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的 迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。
由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还 是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过 零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。
1 直流伺服电动机 基本原理是主磁极的励磁线圈在直流电源
下产生恒定磁场，当电枢绕组通入直流电， 在电枢线圈中有直流电流，因而电枢线圈 在磁场的作用下受到电磁力矩而带动转子 旋转。
加于直流电机的直流电源，借助于换向器和电刷的 作用，使直流电机电枢线圈流过的电流，方向是交 变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变， 确保直流电机朝确定的方向连续旋转。
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。
一、执行元件类型及特点
1. 电气执行元件 电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（AC） 伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元 件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态 性能好，适合于频繁使用，便于维修等 2．液压式执行元件 液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、 液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况 下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点 3．气压式执行元件 气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液 压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动 力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩 性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。
信号连接—编码器的脉冲信号一般连接计数器、 PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速 模块与高速模块之分，开关频率有低有高。 如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。 A.B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和 测速。 A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置 测量。
绝对型编码器（旋转型）
步进电动机走一步所转过的角度称为步距角，
可按下面公式计算
360 0
Zm
式中 为步距角； Z为转子上的齿数；m为
步进电动机运行的拍数。
同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时 步距角也是不同的
三、步进电动机及其控制
(2) 启动频率和运行频率 我们把不失步启动的最高脉冲频率称为启动频
率，也称突跳频率，是步进电动机的一项重要性 能指标。 运行频率是指步进电动机起动后，当控制脉冲 频率连续上升时，步进电动机能不失步的最高频 率
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