下载文档原格式
伺服电动机运动系统的位置闭环控制GeorgeEllis2010-01-13 15:20伺服电动机运动系统的位置闭环控制采用伺服电动机的闭环伺服系统主要由执行元件（如交直流伺服电动机、液压马达等）、反馈检测单元、比较环节、驱动线路和机械运动机构五部分组成。
其中，比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动线路控制执行元件带动机械位移，直到跟随误差为零。
根据比较环节组成的闭环位置控制方式不同，伺服系统也有多种形式。
随着微处理器及控制技术的介入和完善，由硬件组成的比较环节将由软件实现的位置控制环取代，即由模拟式向数字化方向过渡，以适应更高速度与精度的需要，而且，系统中的电流环、速度环和位置环的反馈控制全部数字化，全部伺服的控制模型和动态补偿均由高速微处理器及其控制软件进行实时处理，采样周期只有零点几毫秒，采用前馈与反馈结合的复合控制可以实现高精度和高速度，近年来又出现了学习控制这一种智能型的伺服控制，在周期性的高速度、高精度跟踪中，几乎可以消除第一个周期以外的全部伺服误差，数字化的软件伺服是当今的发展趋势。
下面将介绍几种典型的闭环伺服系统结构。
鉴相式伺服系统鉴相式伺服系统是运动控制中早期使用较多的一种闭环伺服系统，它具有工作可靠、抗干扰性强、精度高等优点。
但由于增加了位置检测、反馈、比较等元件，与步进式伺服系统相比，它的结构比较复杂，调试也比较困难。
下面讲述鉴相式伺服系统的工作原理。
图13. 16是鉴相式伺服系统框图，它主要由六部分组成，即基准信号发生器、脉冲调相器、检测元件及信号处理线路、鉴相器、驱动线路和执行元件。
基准信号发生器输出的是一列具有一定频率的脉冲信号，其作用是为伺服系统提供相位比较的基准。
脉冲调相器又称为数字相位转换器，它的作用是将来自主机的进给脉冲信号转换为相位变化信号，该相位变化信号可用正弦波或方波表示。
若主机没有进给脉冲输出，脉冲调相器的输出与基准信号发生器的基准信号同相位，即两者没有相位差。
第一章数控机床概论第一章数控机床概论1．简述数控机床、数控技巧的全然概念2．简述数控机床的产生过程以及数控技巧的成长趋势3．与传统机床比拟,数控机床有何特点？4．数控机床有哪几部分构成?各部分的感化是什么？5．简述数控机床的加工道理、应用范畴6．按操纵体系的特点数控机床分哪几类？7．按伺服体系的操纵道理数控机床分哪几类？8．什么是点位操纵、直线操纵、轮廓操纵数控机床？第二章运算机数控体系1．CNC体系重要由哪几部分构成？CNC装配重要由哪几部分构成？2．试述CNC装配的工作过程。
3．单微处理器构造的CNC装配与多微处理器构造的CNC装配有何差别？多微处理器构造的CNC装配有哪些全然功能模块？4．共享总线构造的CNC装配与共享储备器构造的CNC装配各有何特点？5．试分析现代CNC装配的硬件构造的特点？6．CNC装配中常用的CPU有哪几类？其特点若何？7．CNC装配中常用的储备器有哪几类？其特点若何？8．CNC装配与机床电气设备之间的接口按功能分为哪几类？各传送什么信息？9．CNC装配的I/O接口电路中常用哪些抗干扰技巧？10．CNC装配的软件构造可分为哪两类？各有何特点？11．中断型构造的软件中，各中断办事法度榜样的优先级是若何安排的？12．CNC装配常用的输入输出设备有哪些？13．CNC装配常用的通信接口有哪些？各有什么特点？14．现代CNC装配的诊断技巧有哪些成长偏向?15．CNC装配的重要技巧指标有哪些？16．简述我国应用较多的几种典范CNC装配的功能和特点？17．何谓刀具长度补偿、刀具半径补偿？其履行过程若何？18．B功能刀具半径补偿与C功能刀具半径补偿的差别在何处？19．什么叫插补？今朝应用较多的插补算法有哪些？20．试述逐点比较法插补的四个节拍，并推导第Ⅱ象限直线插补公式。
21．设欲加工第一象限直线OE、起点坐标为O（0，0），终点坐标为E（11，8），脉冲当量δ＝1，试用逐点比较法插补之并画出插补轨迹。
第3章习题解答3.1 简述数控伺服系统的组成和作用。
数控伺服驱动系统按有无反馈检测元件分为开环和闭环（含半闭环）两种类型。
开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。
驱动控制单元的作用是将进给指令转化为执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。
闭环（半闭环）伺服系统由执行元件、驱动控制单元、机床，以及反馈检测元件、比较环节组成。
位置反馈元件将工作台的实际位置检测后反馈给比较环节，比较环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动控制单元驱动和控制执行元件带动工作台运动。
3.2 数控机床对伺服系统有哪些基本要求？数控机床对伺服系统的基本要求：⒈精度高；⒉快速响应特性好；⒊调速范围宽；⒋系统可靠性好。
3.3 数控伺服系统有哪几种类型？简述各自的特点。
数控伺服系统按有无检测装置分为开环伺服系统、半闭环伺服系统和闭环伺服系统。
开环伺服系统是指不带位置反馈装置的控制方式。
开环控制具有结构简单和价格低廉等优点。
半闭环伺服系统是通过检测伺服电机的转角间接地检测出运动部件的位移（或角位移）反馈给数控装置的比较器，与输入指令进行比较，用差值控制运动部件。
这种系统的调试十分方便，并具有良好的系统稳定性。
闭环伺服系统将直接测量到的位移或角位移反馈到数控装置的比较器中与输入指令位移量进行比较，用差值控制运动部件，使运动部件严格按实际需要的位移量运动。
闭环控制系统的运动精度主要取决于检测装置的精度，而与机械传动链的误差无关，其控制精度将超过半闭环系统。
3.4 简述步进电动机的分类及其一般工作原理。
从结构上看，步进电动机分为反应式与激磁式，激磁式又可分为供电激磁和永磁式两种。
按定子数目可分为单段定子式与多段定子式。
按相数可分为单相、两相、三相及多相，转子做成多极。
在输入电信号之前，转子静止不动；电信号到来之后，转子立即转动，且转向、转速随电信号的方向和大小而改变，同时带动一定的负载运动；电信号一旦消失，转子立即自行停转。
试卷一一填空题1、对伺服系统的基本要求有：稳定性好、精度高、快速响应并无超调，及低速大转矩和调速范围宽等。
2、相位比较伺服系统的位置检测即为响应的相位检测。
3、伺服系统中，直线位移或大角位移检测常用：感应同步器、光栅、磁尺等。
4、旋转变压器的信号处理有鉴相型和鉴幅型两种方式。
5、在鉴幅型工作方式下，旋转变压器的两相正交定子绕组分别加上相位相等、频率相同而幅值不同（或正交）的励磁电压。
6、步进电机的旋转方向由其绕组的通电顺序所决定，A、B、C、D四相步进电机采用四相双四拍控制方式时，正转相序为： AB-BC-CD-DA ；反转相序为： DC-CB-BA-AD 。
7、永磁无刷直流电机就其基本结构而言，是由电动机本体、转子位置传感器、电子开关线路等三部分组成。
8、目前步进电机环形分配器有硬件环形分配器和软件环形分配器两种形式。
9、ASDA-AB 系列伺服驱动器的操作模式主要有三种：位置模式、速度模式和扭矩模式。
10、伺服系统按驱动元件分类可分为：步进伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统。
11、相位比较伺服系统中，主要采用鉴相器来进行相位的比较，12、交流伺服电机除了电机本体之外，常带有一个编码器来实现运行状态的检测。
13、采用并行控制方式的步进电机控制系统中，常采用编程的方式进行脉冲分配。
二、判断题（每题2分，共10分）（√）14、步进电动机主要用于开环控制系统，也可以用于闭环控制系统。
（√）15、三相步进电机是靠三相绕组按照一定的相序轮流通电驱动的。
（√）16、交流伺服电机由于结构简单、成本低廉、无电刷磨损、维修方便，被认为是一种理想的伺服电机，（╳）17、感应同步器只能测线位移，而不能测角位移。
（╳）18、机床的点位控制是不仅实现由一个位置点到另一个位置点的精确移动，而且在移动和定位的过程中仍需要不断加工。
三、选择题（每题2分，共10分）（D）19.下面哪一项不属于用微机控制步进电机主要解决的问题。
伺服系统中如何实现高精度定位伺服系统是在现代控制理论基础上发展起来的一种机电传动装置，广泛应用于数控机床、自动化生产线、机器人等自动化设备中。
在伺服系统中，高精度定位是一项至关重要的技术指标，在实际应用中，不仅能够提高设备的加工精度和稳定性，还可以对工作效率和质量产生积极影响。
本文将围绕如何实现伺服系统的高精度定位来进行讨论。
一、伺服系统的组成和原理伺服系统通常包括伺服电机、减速器、编码器、伺服控制器等组成部分，其中，伺服电机的转速和转矩能够通过伺服控制器的控制输出来实现精确定位和精确控制。
伺服系统运作的核心是通过对反馈信号的采集和处理，对电机的输出转矩进行控制，实现精准的旋转和定位。
二、提高编码器分辨率编码器是伺服系统反馈控制的重要组成部分，主要用于采集伺服系统的位置和速度信息。
在实际应用中，提高编码器的分辨率是一种简单有效的方式，可以大幅提高定位精度。
常见的提高编码器分辨率的方法包括增大光栅片的尺寸和位数、增加编码器的采样频率等。
三、减小机械间隙在伺服系统中，机械间隙是影响定位精度的关键因素之一。
机械间隙分为传动系统间隙和系统刚性间隙两类。
在实际应用中，应通过调整传动件紧密度、优化传动系统设计等方式，尽量减小机械间隙，提高伺服系统的定位精度。
四、提高伺服控制器的响应速度伺服控制器的响应速度直接影响伺服系统的跟踪精度。
在实际应用中，可以通过增加控制器的带宽，提高信号采样频率等方式，提高控制器的响应速度和稳定性。
五、改进PID控制算法伺服系统的控制算法是影响定位精度的关键因素之一。
传统的基于PID控制算法的控制方法存在响应速度慢、超调量大等问题。
在实际应用中，可以通过改进PID控制算法。
如采用自整定PID控制算法、先进的模糊控制算法等，可以实现更为准确和稳定的控制。
六、结语在伺服系统中，高精度定位是实现精准控制和定位的重要技术指标。
通过改进编码器精度、减小机械间隙、提高控制器响应速度、改进控制算法等措施，可以不断提高伺服系统的定位精度和稳定性，在实际应用中发挥更好的作用。
1、数控机床的驱动执行部分是（）。
1.数控机床本体2.数控装置3.伺服系统4.控制介质与阅读装置2、刀位点是（）上的点。
1.刀具2.工件3.夹具3、闭环控制系统的位置反馈元件应（）。
1.装在电机轴/传动丝杆上2.装在执行部件上3.装在传动丝杆上4、改变步进电机定子绕组的通电顺序，则（）。
1.步进电机的脉冲当量发生变化2.转子的旋转方向发生变化3.步进电机的步距角发生变化4.步进电机转子转速发生变化5、逐点比较法是用（）来逼近曲线的。
1.折线2.直线3.圆弧和直线6、所谓插补就是根据输入线型和速度的要求（）。
1.实时分配各轴在每个插补周期内的位移量2.计算各轴下一插补周期的位移量3.实时计算刀具相对与工件的合成进给速度7、建立刀具长度正补偿的指令是（）。
1. G432. G443. G498、为确定工件在机床中的位置，要确定（）。
1.机床坐标系2.工件坐标系3.笛卡尔坐标系9、数控机床上交流伺服电机的变频调速常采用（）方式。
1.交-直-交变频调速2.交-交变频调速3.直-交-直变频调速4.直-直变频调速10、步进电动机的转速主要取决于（）。
1.电脉冲的总数2.电流的大小3.电脉冲的频率4.电压的高低多项选择题11、伺服系统是一种以（）为控制对象的自动控制系统。
1.功率2.机械位置或角度3.加速度4.速度12、数控机床适合加工（）。
1.大批量生产的标准件2.结构比较复杂精度要求高的零件3.加工批量小、改型频繁的零件4.多品种小批量生产的零件。
13、对于步进电机的特性，以下说法正确的是（）。
<br< span="" style="box-sizing: border-box;"></br<>1.启动频率(突跳频率)fq是反映步进电机快速性能的重要指标，若启动时的频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动，而造成失步；2.步进电机连续运行的工作频率fmax通常低于步进电机的启动频率fq；3.最大静态转矩Mjmax反应了步进电机的自锁能力；4.步进电机采用单相轮流通电方式与单双相轮流通电方式的步距角相同，采用双相轮流通电方式时步距角可减半。
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。
数控原理与系统复习题(总17页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--《数控原理与系统》复习题一、教材本课程教材为：王细洋编著，《机床数控技术》，国防工业出版社。
二、复习题（一）填空题1．数控机床一般是由控制介质、数控装置、伺服驱动装置、机床本体等部分组成。
2．数控机床是用数字化代码来控制刀具与工件的相对运动，从而完成零件的加工。
3．标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手直角笛卡尔坐标系决定，增大刀具与工件距离的方向即为各坐标轴的正方向。
4．从结构上看，柔性制造系统主要有两部分组成：一是传递物质的设备，我们称之为物质流；二是传递信息的网络，我们称之为信息流。
5．FMS中文含义是柔性制造系统。
6．数控技术是指用数字化信号对机床运动及其加工过程进行自动控制的一种方法。
7．在整个使用寿命期，根据数控机床的故障频度，数控机床的故障发生规律大致分为三个阶段：早期故障期、偶发故障期、耗损故障期。
8．确定数控机床坐标系时首先要确定Z轴，它是沿提供切削功率的主轴轴线方向。
9．数控机床按控制运动轨迹可分为点位控制、直线控制和轮廓控制等几种。
按控制方式又可分为开环、闭环和半闭环控制等。
10．穿孔带是数控机床的一种控制介质，国际上通用标准有EIA和ISO两种，我国采用的标准是ISO。
11．当数控机床发生故障时，用于诊断出故障源所在范围或具体位置所使用的程序叫作诊断程序，它一般有三种类型：启动诊断、在线诊断、离线诊断。
12．从数控机床故障诊断的内容看。
故障诊断专家系统可以用于三个方面：故障监测、故障分析、决策处理。
13．所谓“插补”就是指在一条已知起点和终点的曲线上进行数据密化的过程。
14．对于以坐标原点为起点的第一象限直线OA ，其偏差函数为：e i e i i y x x y F -=，若0≥i F ，刀具往+X 进给；若0<i F ，刀具往+Y 进给。
