伺服控制基础知识学习教案

1、会计学1伺服控制伺服控制(kngzh)基础知识基础知识第一页，共61页。第1页/共60页第二页，共61页。 数控机床对位置检测元件的要求数控机床对位置检测元件的要求(yoqi) 1具有高可靠性和高抗干扰能力；具有高可靠性和高抗干扰能力； 2可满足数控机床精度和速度的要求可满足数控机床精度和速度的要求(yoqi)； 3能适应生产现场的工作环境，使用、维护能适应生产现场的工作环境，使用、维护方便；方便； 4价格低，寿命长；价格低，寿命长； 5便于与数控机床安装、连接。便于与数控机床安装、连接。第2页/共60页第三页，共61页。位量检测元件位量检测元件(yunjin)的分类和特点的分类和特点 经常(

2、jngchng)用于数控机床的位置检测元件有旋转变压器、感应同步器、编码盘、光栅和磁尺等。 安装的位置及耦合方式安装的位置及耦合方式直接测量和间接测量；直接测量和间接测量； 测量方法测量方法 增量型和绝对型增量型和绝对型; ; 检测信号的类型检测信号的类型 模拟式和数字式；模拟式和数字式； 运动型式运动型式 回转型和直线型；回转型和直线型； 信号转换的原理信号转换的原理 光电效应、光栅效应、电磁感应光电效应、光栅效应、电磁感应(dinc-gnyng)(dinc-gnyng)原理原理、 压电效应、压阻效应和磁阻效应等。压电效应、压阻效应和磁阻效应等。 分类：分类：第3页/共60页第四页，共61页

3、。第4页/共60页第五页，共61页。第5页/共60页第六页，共61页。同步电机和异步电机的区别：三相交流电通过同步电机和异步电机的区别：三相交流电通过(tnggu)(tnggu)一定结构的定子一定结构的定子绕组时绕组时, ,要产生旋转磁场要产生旋转磁场. .在旋转磁场的作用下在旋转磁场的作用下, ,转子随旋转磁场旋转。如果转子随旋转磁场旋转。如果转子的转速同旋转磁场的转速完全一致转子的转速同旋转磁场的转速完全一致, ,就是同步电机就是同步电机; ;如果转子的转速小如果转子的转速小于磁场转速于磁场转速, ,也就是说两者不同步也就是说两者不同步, ,就是异步电机。就是异步电机。 异步电机结构简单异

4、步电机结构简单, ,应用广泛；同步电机转子本身产生固定方向的磁场应用广泛；同步电机转子本身产生固定方向的磁场( (用永磁铁或直流电流产生用永磁铁或直流电流产生),),定子旋转磁场定子旋转磁场 拖着拖着 转子磁场转子磁场( (转子转子) )转动转动, ,因因此转子的转速一定等于同步速。此转子的转速一定等于同步速。第6页/共60页第七页，共61页。 空心杯转子异步测速发电机结构原理如图所示：空心杯转子异步测速发电机结构原理如图所示：1.有两个定子，外定子和内定子，外定子铁芯槽内安放有励磁绕组和输出绕组，有两个定子，外定子和内定子，外定子铁芯槽内安放有励磁绕组和输出绕组，彼此在空间相差彼此在空间相差

5、90电角度；而内定子一般不放绕组，仅作磁路的一部分；电角度；而内定子一般不放绕组，仅作磁路的一部分；2.空心杯转子位于内外空心杯转子位于内外(niwi)绕组之间，通常用非磁性材料（如铜、铝或铝合绕组之间，通常用非磁性材料（如铜、铝或铝合金）。金）。第7页/共60页第八页，共61页。 当转子不转时，励磁后由杯形转子中的感应电流当转子不转时，励磁后由杯形转子中的感应电流(gnyng din li)(gnyng din li)（包括涡流）（包括涡流）产生的磁场与输出绕组轴线垂直，输出绕组不感应电动势；产生的磁场与输出绕组轴线垂直，输出绕组不感应电动势； 当转子转动时，由杯形转子感应电流当转子转动时，

6、由杯形转子感应电流(gnyng din li)(gnyng din li)产生的磁场与输出绕组产生的磁场与输出绕组轴线重合，在输出绕组中感应的电动势大小正比于杯形转子的转速，而频率和励磁电压频轴线重合，在输出绕组中感应的电动势大小正比于杯形转子的转速，而频率和励磁电压频率相同。反转时输出电压相位也相反。（率相同。反转时输出电压相位也相反。（p33p33）励磁绕组励磁绕组输出绕组输出绕组转子转子内定子内定子测量仪器测量仪器第8页/共60页第九页，共61页。nCEUeao 空载空载(kn zi)时：时：负载时：负载时：aaaRRUnCRIEULe LRRCUae1n 只要只要CeCe（与磁通有关）

7、与（与磁通有关）与RaRa、RLRL保持不变，则保持不变，则输出电压输出电压U U与转速与转速n n成正比成正比。改。改变转子的转向，则电势极性改变，输出电压的极性也改变。因此，直流测速发电机便将变转子的转向，则电势极性改变，输出电压的极性也改变。因此，直流测速发电机便将转速信号变换成电压信号，达到测速的目的。转速信号变换成电压信号，达到测速的目的。第9页/共60页第十页，共61页。直流测速发电机与异步测速发电机的性能直流测速发电机与异步测速发电机的性能(xngnng)比较：比较：第10页/共60页第十一页，共61页。第11页/共60页第十二页，共61页。光源光源(gungyun)光敏元件光敏

8、元件(yunjin)脉冲频率：脉冲频率：fc=Nn/60 N-圆盘的小孔数，受限于圆盘的大小。圆盘的小孔数，受限于圆盘的大小。 n-电动机转速电动机转速可见可见(kjin)：输出频率：输出频率fc与转速与转速n呈正比。呈正比。这种测量精度比测速机的精度高出几个数量级。这种测量精度比测速机的精度高出几个数量级。增量式光电测速原理增量式光电测速原理第12页/共60页第十三页，共61页。 设置一对光电传感器，并使彼此设置一对光电传感器，并使彼此(bc)测得信号相差测得信号相差90相位角，根据测得脉冲的超前、滞后情况加以判断。相位角，根据测得脉冲的超前、滞后情况加以判断。第13页/共60页第十四页，共

9、61页。绝对绝对(judu)式脉冲编式脉冲编码器码器 绝对式脉冲绝对式脉冲(michng)(michng)编码器不需要基数，它在任意位置都给出编码器不需要基数，它在任意位置都给出与其对应的一个固定数字码输出。与其对应的一个固定数字码输出。 常用的绝对式脉冲常用的绝对式脉冲(michng)(michng)编码器有接触式码盘、光学码盘和编码器有接触式码盘、光学码盘和磁性码盘。磁性码盘。 例如：接触式码盘，敏感元件电刷与码盘上导电区直接接触，以检测例如：接触式码盘，敏感元件电刷与码盘上导电区直接接触，以检测(jin c)(jin c)出码盘的位置。出码盘的位置。 u 码盘基体是绝缘体，码道是一组同心

10、圆导体，码道的数目根据分辨率码盘基体是绝缘体，码道是一组同心圆导体，码道的数目根据分辨率来决定；来决定；u 同心圆的径向距离是码道的宽度。若码道数为同心圆的径向距离是码道的宽度。若码道数为n n，则每周测量的分辨率为，则每周测量的分辨率为360360/2/2n n。以这个角度为间隔，在一周内划出。以这个角度为间隔，在一周内划出2 2n n个扇区，如下图所示。个扇区，如下图所示。u 其中阴影部分为导电区，逻辑电平为其中阴影部分为导电区，逻辑电平为“1 1”，白色部分为绝缘区，逻辑电，白色部分为绝缘区，逻辑电平为平为“0 0”。每个码道上装有一个电刷，。每个码道上装有一个电刷，每个电刷和一根单独电

11、线相连，作为某每个电刷和一根单独电线相连，作为某一位逻辑电平一位逻辑电平“1 1”或或“0 0”的输出的输出。这样一组扇形区对应于一个二进制数。这样一组扇形区对应于一个二进制数。一般外轨道为低位，内轨道为高位一般外轨道为低位，内轨道为高位，这样就可用二进制数来表示码盘转过的角度。，这样就可用二进制数来表示码盘转过的角度。第14页/共60页第十五页，共61页。绝对绝对(judu)(judu)脉冲发生器码盘脉冲发生器码盘 第15页/共60页第十六页，共61页。17格雷码盘格雷码盘第16页/共60页第十七页，共61页。十位十位(sh wi)绝对式编码器绝对式编码器第17页/共60页第十八页，共61页

12、。旋转旋转(xunzhun)(xunzhun)编码器编码器 400 400线（线（400400脉冲脉冲/ /周）周）型号：增量型旋转编码器，型号：增量型旋转编码器，A A、B B两相。通过旋转的光栅盘和光耦产生两相。通过旋转的光栅盘和光耦产生可识别方向的计数脉冲信号。可识别方向的计数脉冲信号。性能：性能：400P/R-400400P/R-400脉冲每转。脉冲每转。DC12-24VDC12-24V供电，最小供电，最小5V5V供电。最大机械供电。最大机械转速转速1000010000转转/ /分，响应频率：分，响应频率：0-20KHz0-20KHz；用途：用于测量物体的旋转速度、角度、加速度及长度测

13、量。用途：用于测量物体的旋转速度、角度、加速度及长度测量。使用范围：适用于各种位移变化智能控制使用范围：适用于各种位移变化智能控制(kngzh)(kngzh)、钢筋定长裁剪、钢筋定长裁剪控制控制(kngzh)(kngzh)器、民用的测身高人体秤、大学生比赛用机器人等。器、民用的测身高人体秤、大学生比赛用机器人等。特点：具有体积小、重量轻，安装方便，性价比极高的显著优点。特点：具有体积小、重量轻，安装方便，性价比极高的显著优点。接线输出：接线输出：A A相，相，B B相，相，VccVcc正电源，正电源，V0V0地，屏蔽线。接线颜色产品铭牌地，屏蔽线。接线颜色产品铭牌上有明确标注。上有明确标注。第

14、18页/共60页第十九页，共61页。第19页/共60页第二十页，共61页。( (一一) )差动变压器和微同步器差动变压器和微同步器 1.1.差动变压器差动变压器直线直线(zhxin)位移式位移式转角式转角式励磁励磁输出输出第20页/共60页第二十一页，共61页。差动变压器差动变压器第21页/共60页第二十二页，共61页。2.2.微动同步器微动同步器 微动同步器由四极定子和两极转子组成(z chn)。在定子每个极上绕有两个线圈（初级在里侧，次级在外侧）。用各极中的一个线圈串联成初级激磁回路，各极中的另一线圈则串联成次级感应回路。 信号型的微动同步器实际上是一种高精确度的变磁阻型旋转变压器。对于一

15、定的励磁电压和频率来说，在一定的转子转角范围(一般为10度或12度)内，它的输出电压正比于转子转角。 第22页/共60页第二十三页，共61页。 激磁回路的连接原则是：当将等幅交流电压加于其上时，在激磁电流激磁回路的连接原则是：当将等幅交流电压加于其上时，在激磁电流的某半周期内，各极上的磁通方向如图中箭头所示；次级感应回路的连接的某半周期内，各极上的磁通方向如图中箭头所示；次级感应回路的连接原则是：使总的输出电压是原则是：使总的输出电压是 、极和极和I I 、极上感应电压之差。极上感应电压之差。 当转子如图处于对称于定子的位置时，定子和转子之间的四个气隙几当转子如图处于对称于定子的位置时，定子和

16、转子之间的四个气隙几何形状完全相同，各极的磁通相等，从而使得何形状完全相同，各极的磁通相等，从而使得 、极上的感应电压与极上的感应电压与I I 、IVIV极上的感应电压相等，总的输出电压为零，转子被看成处于零位。若极上的感应电压相等，总的输出电压为零，转子被看成处于零位。若转子偏离零位一个角度转子偏离零位一个角度(jiod)(jiod)，则四个气隙不再相同，造成了各极磁，则四个气隙不再相同，造成了各极磁通量的变化，其中一对磁极的磁通减小，另一对滋极的磁通增大，这样，通量的变化，其中一对磁极的磁通减小，另一对滋极的磁通增大，这样，次级就有一个正比于转子角位移的电压输出。次级就有一个正比于转子角位

17、移的电压输出。 当转动方向改变时，输出电压有当转动方向改变时，输出电压有180180的相位跃变，微动同步器的输的相位跃变，微动同步器的输出电压的频率等同励磁电源频率（通常采用的励磁电压为出电压的频率等同励磁电源频率（通常采用的励磁电压为60605050HzHz，5 5 50V 50V）。微动同步器的灵敏度大约为每度）。微动同步器的灵敏度大约为每度0.20.25V5V，非线性度，非线性度0.10.11.01.0。第23页/共60页第二十四页，共61页。 旋转变压器常用于数控机床中角位移的检测。它具有结构简单、工作可靠、信号输出幅值大、抗干扰能力强等优点； 但其测量精度(jn d)低。一般用于精度

18、(jn d)要求不高的数控机床或大型数控机床的粗测及中测系统。第24页/共60页第二十五页，共61页。定子定子转子转子S S1R1S S2S S3S S4R2R3R4第25页/共60页第二十六页，共61页。(a)(a)有刷式旋转有刷式旋转(xunzhun)(xunzhun)变变压器压器11转子绕组；转子绕组；22定子绕组；定子绕组；33转子；转子；44整流子；整流子；55电刷；电刷；66接线柱接线柱注：换向器俗称注：换向器俗称(s chn)整流子。整流子。第26页/共60页第二十七页，共61页。(b)(b)无刷式旋转变压器无刷式旋转变压器11壳体；壳体；22本体定子；本体定子； 7 7本体转子

19、；本体转子； 3 3附加附加(fji)(fji)变压器定子；变压器定子；44附加附加(fji)(fji)变压器一次绕组（原边）；变压器一次绕组（原边）；55附加附加(fji)(fji)变压器转子线轴；变压器转子线轴；66附加附加(fji)(fji)变压器二次绕组（副边）；变压器二次绕组（副边）；88转子轴转子轴第27页/共60页第二十八页，共61页。第28页/共60页第二十九页，共61页。第29页/共60页第三十页，共61页。V1=VmsintE 2= nVmsint （=90） E2=nVmsint sin E E2 2=0=0（=0） E2= nV1sin = nVm sint sin =

20、0 E 2=0 =90 E 2=nVmsint式中式中:E2转子绕组感应转子绕组感应(gnyng)电势；电势；V1定子绕组励磁电压，定子绕组励磁电压，V1=Vm sint； Vm电压信号幅值；电压信号幅值；定子绕组轴线的垂线与转子绕组轴线间夹角；定子绕组轴线的垂线与转子绕组轴线间夹角； n变压比（即两个绕组匝数比）变压比（即两个绕组匝数比）V1=VmsintV1=Vmsint1定子定子(dngz)转子转子(zhun z)第30页/共60页第三十一页，共61页。应用叠加原理，可求出转子应用叠加原理，可求出转子绕组中一个绕组的感应磁通绕组中一个绕组的感应磁通为：为：( (使用时另一个绕组接使用时另

21、一个绕组接高阻抗高阻抗(zkng)(zkng)，不作为，不作为旋转变压器的输出，主要起旋转变压器的输出，主要起平衡磁场的作用，目的在于平衡磁场的作用，目的在于提高测量精度提高测量精度) )V2V2产生产生(chns(chnshng)hng)的磁通的磁通V1V1产生的产生的磁通磁通作用于转子部分作用于转子部分的磁通分量的磁通分量)tcos(ctcosstsincossu1m1m1m12113nVosnVinnVnVinnV12113cossin112233输出电动势：输出电动势：第31页/共60页第三十二页，共61页。)tcos(ctcosstsincossu1m1m1m12113 nVosnV

22、innVnVinnV第32页/共60页第三十三页，共61页。1）鉴相型工作）鉴相型工作(gngzu)方式方式(同前面同前面) 在鉴相型工作方式下，旋转变压器的在鉴相型工作方式下，旋转变压器的两相正交定子绕组两相正交定子绕组分别加上分别加上幅值相等、频幅值相等、频率相同而相位相差率相同而相位相差90度度的正弦励磁电压，即：的正弦励磁电压，即： V1=Vm sint V2=Vm cost式中：式中：Vm励磁电压的幅值；励磁电压的幅值； 励磁角频率。励磁角频率。这两相励磁电压在转子绕组中产生的感应电动势为：这两相励磁电压在转子绕组中产生的感应电动势为： 第33页/共60页第三十四页，共61页。 由上

23、式可知，转子(zhun z)绕组感应电动势的相位严格地按转子(zhun z)转角1的正弦(或余弦)规律变化，其频率和励磁电压频率相同（幅值不变）。因此，可利用鉴相器线路检测旋转变压器转子(zhun z)绕组中感应电动势的相位来测量出转子(zhun z)相对于定子的转角1，即被测位移的大小。 但是，因为u3是关于1的周期函数，故转子(zhun z)每转一周，u3将周期性的变化一次，因此，实际应用中，不但要测u3的大小（为了测相位），还要测其周期性变化的次数；或者将被测角位移限制在180以内。 )tcos(u1m3 nV第34页/共60页第三十五页，共61页。tsin)sin()sin(tsinc

24、ostsinsinsintsincoscossummmm213nVnVnVnVnVinnV 可见，旋转变压器转子绕组感应电动势的可见，旋转变压器转子绕组感应电动势的幅值幅值严格地按转子转角严格地按转子转角的变的变化而变化。若化而变化。若= = ，则，则E E2 20 0。实际应用中，可根据转子绕组感应电动势的。实际应用中，可根据转子绕组感应电动势的大小大小( (即励磁幅值即励磁幅值) )，不断修改定子绕组励磁信号的，不断修改定子绕组励磁信号的 ，使其跟踪使其跟踪的变化的变化，以测量角位移以测量角位移。 第35页/共60页第三十六页，共61页。第36页/共60页第三十七页，共61页。第37页/共

25、60页第三十八页，共61页。定子定子(dngz) (dngz) 转子转子分段绕组分为两组，布置成空间相差分段绕组分为两组，布置成空间相差9090相角，即相角，即1/41/4节距（一节距相当于旋转变压器一转，节距（一节距相当于旋转变压器一转，360360电角度电角度(jiod)(jiod)），又称为正、余弦绕组），又称为正、余弦绕组1)圆盘式（旋转圆盘式（旋转(xunzhun)）感应同步器）感应同步器2)直线式感应同步器直线式感应同步器第38页/共60页第三十九页，共61页。(a)定尺绕组(roz)(b)W形滑尺绕组(roz) (c)U形滑尺绕组 印制电路绕组：用绝缘粘贴剂把铜箔粘牢在金属（或玻

26、璃）基板上，然后按设计要求腐印制电路绕组：用绝缘粘贴剂把铜箔粘牢在金属（或玻璃）基板上，然后按设计要求腐蚀成不同曲折形状的平面绕组。这种绕组称为印制电路绕组。蚀成不同曲折形状的平面绕组。这种绕组称为印制电路绕组。 节距节距第39页/共60页第四十页，共61页。第40页/共60页第四十一页，共61页。1 1）鉴相型工作方式）鉴相型工作方式 根据定尺绕组感应电动势的相位变化来鉴别根据定尺绕组感应电动势的相位变化来鉴别(jinbi)(jinbi)滑尺相对于定尺的位移量。滑尺相对于定尺的位移量。 当滑尺上两个互相错开当滑尺上两个互相错开1/41/4节距的绕组分别加上幅值节距的绕组分别加上幅值、频率相同

27、，而相位相差、频率相同，而相位相差9090的励磁电压的励磁电压Us=UmcostUs=Umcost和和Uc=UmsintUc=Umsint时，它们在定尺绕组上所产生的感应电动势时，它们在定尺绕组上所产生的感应电动势分别为：分别为： 这时定尺绕组总的感应电动势为：这时定尺绕组总的感应电动势为： costsinnUeintcosnUemcms s)tsin(nUsintcosnUostsinnUeeemmmsc c第41页/共60页第四十二页，共61页。n 电磁耦合系数电磁耦合系数的幅值的幅值反映的是定尺和滑尺的相对移动的距离反映的是定尺和滑尺的相对移动的距离x。SUmU 当滑尺移动的距离(jl)

28、为x时，检测周期是2，则对应于感应电势以余弦函数将变化角： 即：定尺绕组感应电动势的相位(t+)反映了感应同步器定滑两尺的相对位移(wiy)x。因此，可通过测量定尺绕组感应电动势的相位变化来测量感应同步器两尺的相对位移(wiy)量。)tsin(nUsintcosnUostsinnUeeemmmsc cx 22第42页/共60页第四十三页，共61页。 costsinnUtsinnUetsinnUintsinnUecs sincossincossmcmmsm这时定尺绕组这时定尺绕组(roz)(roz)总的感应电动势为：总的感应电动势为： 这里，定尺绕组感应电动势的幅值这里，定尺绕组感应电动势的幅值

29、nUnUm msin( -sin( -) )反映了感应同步器两尺的相对位反映了感应同步器两尺的相对位移移x x。因此，。因此，可通过测量定尺绕组感应电动势的幅值变化来测量感应同步可通过测量定尺绕组感应电动势的幅值变化来测量感应同步器两尺的相对位移量器两尺的相对位移量。tsinnUtsinnUsintnUcostsinnUeeemmmmsc ）（）（sinsincossinsin第43页/共60页第四十四页，共61页。5 5、感应同步器数字位置、感应同步器数字位置(wi zhi)(wi zhi)测量系统测量系统 图图2-52 2-52 鉴相型控制鉴相型控制(kngzh)(kngzh)原理图原理图

30、常把感应同步器作为位置常把感应同步器作为位置(wi zhi)检测元件。检测元件。第44页/共60页第四十五页，共61页。第45页/共60页第四十六页，共61页。 图2-53 感应同步器闭环系统(xtng)第46页/共60页第四十七页，共61页。(a)(a)串联串联(chunlin)(chunlin)方式方式 (b) (b) 串、并联串、并联(bnglin)(bnglin)方式方式6.6.感应同步器的拼接感应同步器的拼接第47页/共60页第四十八页，共61页。1.光栅光栅(gungshn)的分类的分类光栅按其功能可分为光栅按其功能可分为长光栅长光栅和和圆光栅圆光栅：长光栅：呈尺状，用于测量直线位

31、移；长光栅：呈尺状，用于测量直线位移；圆光栅：呈盘状，用于测量角位移。圆光栅：呈盘状，用于测量角位移。 光栅按对入射光波的调制方式又可分为振幅光栅和相位光栅光栅按对入射光波的调制方式又可分为振幅光栅和相位光栅 ：振幅光栅：振幅光栅：称为黑白光栅（透射光栅），其栅线与缝隙是黑白相间的，称为黑白光栅（透射光栅），其栅线与缝隙是黑白相间的，缝缝隙是透光的细直线，这种光栅只对入射光波的振幅或光强进行调制；隙是透光的细直线，这种光栅只对入射光波的振幅或光强进行调制；相位光栅相位光栅：即反射光栅，即反射光栅，刻线呈锯齿形或三角形，它通过控制刻划面与光栅刻线呈锯齿形或三角形，它通过控制刻划面与光栅平面的夹角

32、来改变各级光谱的相对光强的分布，即对相位进行调制。平面的夹角来改变各级光谱的相对光强的分布，即对相位进行调制。 第48页/共60页第四十九页，共61页。计量光栅计量光栅(gungshn)分类图分类图 第49页/共60页第五十页，共61页。透射透射(tu sh)(tu sh)光栅（最长可达光栅（最长可达2m2m） 反射光栅，常用反射光栅，常用(chn(chn yn yn) )于大位移于大位移 第50页/共60页第五十一页，共61页。光栅：由标尺光栅光栅：由标尺光栅G2(G2(又叫主光栅又叫主光栅)()(长长) )和指示光栅和指示光栅G1(G1(短短) )组成。标尺光组成。标尺光栅和指示光栅均为透明的光学玻璃条，并在上面刻有很多与运动方向垂直栅和指示光栅均为透明的光学玻璃条，并在上面刻有很多与运动方向垂直的线条。刻线的线条。刻线(k xin)(k xin)的密度为的密度为5050、100100、200200、500