闭环伺服系统
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II—断续工作区：电机只能够间歇工作。一般情 况指在10分钟的工作周期内，电机有20%~40% 的时间在工作。
III—加减速区：电机只能用于加速或减速，工 作一段极短的时间。
6.1.1.2 直流伺服电机的调速方法： ➢SRC调速; ➢PWM(Pulse Width Modulation)调速.
6.1.1.3 直流伺服电机的特点
J LOAD
J TABLE
J LEADSCREW i2
J PULLEY1
J PULLEY 2
m
h
2
2
d4
L
32
D14
L1
32
D24
L2
i2
32
kgm2
上式中，d为滚珠丝杠的直径；L为滚珠丝杠的长 度；D1为带轮1的直径；D2为带轮2的直径；L1为 带轮1的宽度；L2为带轮2的宽度，实际中与L1等 宽 ； α 为 材 料 系 数 ， 钢 或 铁 取 7700kg/m3 ， 铝 取 2700kg/m3。
第六章 闭环伺服系统
6.1 伺服电机
➢直流伺服电机 ➢交流伺服电机 ➢直线电机
6.1.1 直流伺服电机
上世纪九十年 代数控系统多 为永磁式直流 伺服电机。
6.1.1.1 转矩—速度特性曲线：
转矩M
转矩界限
瞬时换向界限
III
换向界限
II
速度界限
温度界限
I
速度n
I—连续工作区：转矩和速度的任意组合都可以 长时间工作，转矩基本不变，电机工作在恒转矩 区。
M
S
M
F
M
WMC
m
g
h
Fra Baidu bibliotek
m
g sin 2 i
h
k
F
g
h
式中：
m为工作台及工件总质量，单位kg；g=9.81m/s2；i为减 速比，i=D1/D2；h为丝杠螺距，单位m；δ为倾角；μ 摩擦系数；k为机床配重百分比。
3）负载转动惯量不大于电机转动惯量的3倍，最佳条 件为二者相等。
设负载转动惯量为JLOAD，工作台转动惯量为 JTABLE，滚珠丝杠转动惯量为JLEADSCREW，带 轮1的转动惯量为JPULLEY1，带轮2的转动惯量 为JPULLEY2。则
1） 电机的最高转速不小于实际系统所要求的最高进 给速率，可以取
nm a x
k
Vm h
i
(r / min)
式中，nmax为电机的最高转速；Vm为对应轴要求 的最大进给速度（m/min）；i为传动机构的传动比； h为丝杠螺距；k为裕度系数（1~1.5）。
2）电机静扭矩不小于实际系统的静态扭矩 设系统的静态扭矩为MS，摩擦扭矩为MF，重力扭矩为 MW，切削扭矩为MC，则有：MS = MF + MW + MC
6.1.2.3 交流伺服电机的特点
➢无换向炭刷，维护方便； ➢速度高，动态性能好； ➢制造成本低廉。
6.1.3 直线电机
❖速度快； ❖直接驱动工作台，无机械中间环节，精 度高； ❖安装维护和调试复杂。
6.2 伺服驱动单元
6.2.1 伺服驱动单元 的工作原理
6.2.2 伺服电机的主回路
6.3 反馈部件
4）电机额定扭矩不小于系统的有效扭矩。 设系统的有效扭矩为MEFFICIENT，则
M EFFICIENT
M F
MW
M C 2
tc T
M F
MW
2
tp T
M F
MW
M C 2
t ac T
(Nm)
上式中，T为系统加工周期，tc为切削时间，tp为定位 时间，tac为加减速时间，在实际中，经常取tc/T=0.6， tp/T=0.4，tac/T近似为0。
6.3 .2 直线光栅尺
串行绝对式编码器
➢安川产品； ➢Heidenhain为代表的EnData。
6.3.3 反馈脉冲计数电路的实现方法
➢通用IC电路：多采用4位UP/DOWN计数器（例 如74LS169/669）级联而成，一般为16位/24位。
➢专用计数电路：例HCTL2000系列芯片，片内带 有数字滤波、四倍频、16位U/D计数电路、三态输 出等功能。
脉冲编码器
光栅
6.3 .1 脉冲编码器 ➢增量式/相对式脉冲编码器
莫尔干涉条纹的特点：
➢放大作用;
W表示栅距，B表示莫尔条纹的纹距（宽 度），θ表示光栅条纹的夹角。则：
W cos
B
2
sin( )
W
2 sin
W
2
➢均化误差作用;
➢莫尔条纹的光强移动变化近似于正弦波形。
零脉冲
➢绝对式脉冲编码器
➢启动力矩大，低速性能好； ➢转动惯量大，可以和丝杠直连； ➢转子的热容量大，允许过载的时间长；
➢由于有换向炭刷，致使维护麻烦，换向时 的火花使最高速度和应用环境受到限制。
6.1.2 交流伺服电机
目前数控系统中使用的交流伺服电机多为永磁同步交 流伺服电机。
6.1.2.1 转矩—速度特性曲线：
6.1.2.2 交流伺服电机的调速方法： ➢交—直—交变频； ➢交—交变频；
➢专用轴控制芯片：例如MCX312/314系列，片内 不但具有脉冲计数功能，还具有常用的插补功能 和开关量（限位）控制等功能。
➢使用PLD器件，通过软件编程得到计数逻辑。
6.4 闭环伺服系统的部件互连
以安川伺服系统为例。
6.5 闭环系统的控制方式
6.6 伺服单元应用举例
6.7 伺服电机的选型
III—加减速区：电机只能用于加速或减速，工 作一段极短的时间。
6.1.1.2 直流伺服电机的调速方法： ➢SRC调速; ➢PWM(Pulse Width Modulation)调速.
6.1.1.3 直流伺服电机的特点
J LOAD
J TABLE
J LEADSCREW i2
J PULLEY1
J PULLEY 2
m
h
2
2
d4
L
32
D14
L1
32
D24
L2
i2
32
kgm2
上式中，d为滚珠丝杠的直径；L为滚珠丝杠的长 度；D1为带轮1的直径；D2为带轮2的直径；L1为 带轮1的宽度；L2为带轮2的宽度，实际中与L1等 宽 ； α 为 材 料 系 数 ， 钢 或 铁 取 7700kg/m3 ， 铝 取 2700kg/m3。
第六章 闭环伺服系统
6.1 伺服电机
➢直流伺服电机 ➢交流伺服电机 ➢直线电机
6.1.1 直流伺服电机
上世纪九十年 代数控系统多 为永磁式直流 伺服电机。
6.1.1.1 转矩—速度特性曲线：
转矩M
转矩界限
瞬时换向界限
III
换向界限
II
速度界限
温度界限
I
速度n
I—连续工作区：转矩和速度的任意组合都可以 长时间工作，转矩基本不变，电机工作在恒转矩 区。
M
S
M
F
M
WMC
m
g
h
Fra Baidu bibliotek
m
g sin 2 i
h
k
F
g
h
式中：
m为工作台及工件总质量，单位kg；g=9.81m/s2；i为减 速比，i=D1/D2；h为丝杠螺距，单位m；δ为倾角；μ 摩擦系数；k为机床配重百分比。
3）负载转动惯量不大于电机转动惯量的3倍，最佳条 件为二者相等。
设负载转动惯量为JLOAD，工作台转动惯量为 JTABLE，滚珠丝杠转动惯量为JLEADSCREW，带 轮1的转动惯量为JPULLEY1，带轮2的转动惯量 为JPULLEY2。则
1） 电机的最高转速不小于实际系统所要求的最高进 给速率，可以取
nm a x
k
Vm h
i
(r / min)
式中，nmax为电机的最高转速；Vm为对应轴要求 的最大进给速度（m/min）；i为传动机构的传动比； h为丝杠螺距；k为裕度系数（1~1.5）。
2）电机静扭矩不小于实际系统的静态扭矩 设系统的静态扭矩为MS，摩擦扭矩为MF，重力扭矩为 MW，切削扭矩为MC，则有：MS = MF + MW + MC
6.1.2.3 交流伺服电机的特点
➢无换向炭刷，维护方便； ➢速度高，动态性能好； ➢制造成本低廉。
6.1.3 直线电机
❖速度快； ❖直接驱动工作台，无机械中间环节，精 度高； ❖安装维护和调试复杂。
6.2 伺服驱动单元
6.2.1 伺服驱动单元 的工作原理
6.2.2 伺服电机的主回路
6.3 反馈部件
4）电机额定扭矩不小于系统的有效扭矩。 设系统的有效扭矩为MEFFICIENT，则
M EFFICIENT
M F
MW
M C 2
tc T
M F
MW
2
tp T
M F
MW
M C 2
t ac T
(Nm)
上式中，T为系统加工周期，tc为切削时间，tp为定位 时间，tac为加减速时间，在实际中，经常取tc/T=0.6， tp/T=0.4，tac/T近似为0。
6.3 .2 直线光栅尺
串行绝对式编码器
➢安川产品； ➢Heidenhain为代表的EnData。
6.3.3 反馈脉冲计数电路的实现方法
➢通用IC电路：多采用4位UP/DOWN计数器（例 如74LS169/669）级联而成，一般为16位/24位。
➢专用计数电路：例HCTL2000系列芯片，片内带 有数字滤波、四倍频、16位U/D计数电路、三态输 出等功能。
脉冲编码器
光栅
6.3 .1 脉冲编码器 ➢增量式/相对式脉冲编码器
莫尔干涉条纹的特点：
➢放大作用;
W表示栅距，B表示莫尔条纹的纹距（宽 度），θ表示光栅条纹的夹角。则：
W cos
B
2
sin( )
W
2 sin
W
2
➢均化误差作用;
➢莫尔条纹的光强移动变化近似于正弦波形。
零脉冲
➢绝对式脉冲编码器
➢启动力矩大，低速性能好； ➢转动惯量大，可以和丝杠直连； ➢转子的热容量大，允许过载的时间长；
➢由于有换向炭刷，致使维护麻烦，换向时 的火花使最高速度和应用环境受到限制。
6.1.2 交流伺服电机
目前数控系统中使用的交流伺服电机多为永磁同步交 流伺服电机。
6.1.2.1 转矩—速度特性曲线：
6.1.2.2 交流伺服电机的调速方法： ➢交—直—交变频； ➢交—交变频；
➢专用轴控制芯片：例如MCX312/314系列，片内 不但具有脉冲计数功能，还具有常用的插补功能 和开关量（限位）控制等功能。
➢使用PLD器件，通过软件编程得到计数逻辑。
6.4 闭环伺服系统的部件互连
以安川伺服系统为例。
6.5 闭环系统的控制方式
6.6 伺服单元应用举例
6.7 伺服电机的选型