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第五章 伺服驱动系统PPT课件

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第五章 伺服驱动系统PPT课件

第五章 伺服驱动系统PPT课件
控制输入脉冲数量、频率及电动机各相绕组的接通次序，可得 到各种需要的运行特性。 （一） 步进电动机的分类
（二） 步进电动机的工作原理
1. 反应式步进电动机 可变磁阻式/VR步进电动机
（1）反应式步进电动机的结构
（2）反应式步进电动机的工作原理 磁力线具有力图沿磁阻最小路径通过的特点，从而产生反应力
交流(AC)伺服系统向全数字化方向发展：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软件进行实时处 理；采用前馈与反馈结合的复合控制。
4、按控制对象和使用目的的不同：进给、主轴和辅助伺服系统。
进给伺服系统：用于控制机床各坐标轴的切削进给运动，是一 种精密的位置跟踪、定位系统：速度控制和位置控制
e= es + ec =kUmcos(ωt + θ) =kUmcos(ωt + x ·2π/ W)
通过鉴别定尺输出的感应电势的相位，即可测量定尺和滑尺之 间的相对位置。
感应同步器的鉴相方式用在相位比较伺服系统中
2、鉴幅方式 根据定尺感应输出的感应电势的振幅变化来检测 位移量的一种工作方式。
滑尺上的正弦、余弦励磁绕组提供同频率、同相位、幅值不同 的交流电压，即
检测装置的精度指标：系统精度（在一定长度或转角内测量积 累误差的最大值）和系统分辨率（测量元件所能正确检测的最小位 移量）
位置检测装置分类
数字式
增量式
绝对式
回转型 增量式光点脉冲编 绝对式光点脉
码器、圆光栅
冲编码器
直线型 计量光栅、激光干 编码尺、多通道
涉仪
透射光栅
模拟式
增量式
绝对式
旋转变压器、圆形感 多极旋转变压器、三 应同步器、圆形磁尺 速圆形感应同步器

伺服驱动技术

伺服驱动技术
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，以误差的形式 表现，可概括为动态误差、稳态误差和静态误差三个方面组成。
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 恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统 达到新的稳定运行状态的能力。
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。响应速度与许多因素有关，如计算机的运行速度、 运动系统的阻尼和质量等。
Ra CeC 2
T
由上式知，直流伺服电机的控制方式如下：
（1）调压调速（变电枢电压）
（2）调磁调速（变励磁电流）
（3）改变电枢回路电阻调速
转向取决于电磁转矩 T 的方向，而 T 的方向 取决于 Φ 和 Ia 的方向。
+ Ia
Ua
M
If + Uf
+ Ia
Ua
M
－
－磁
场
Uf
反
If +
向
－
－
－
If +
360° zN
=
360° 40×3
= 3°
②采用三相六拍时： θ=
360° zN
=
360° 40×6
= 1.5°
3.步进电动机驱动电源
(1)作用 : 发出一定功率的电脉冲信号，使定子励 磁绕组 顺序通电。
与一般交流和直流电动机所不同的是，步进电动机定子绕 组所加的电源形式为脉冲电压，而不是正弦电压或者恒定 直流电压。
U2
3
U1
V2
W2
V2
W2
V2
W2
W1
V1
W1

伺服驱动系统工作原理 ppt课件

伺服驱动系统工作原理 ppt课件

伺服驱动系统工作原理
伺服驱动系统由机械及电子两部分组成。 机械部分是指其外壳、底板、支撑件及连接件
等。 电子部分包括硬件及软件。 硬件通常由控制处理电路、信号驱动电路、功
率驱动电路、检测、保护及主电路等组成。 伺服系统的所有功能都是软件配合硬件一起完
成的。
伺服驱动系统工作原理
伺服驱动系统工作原理
0 0
Step Response
Time (Sec)
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
伺服驱动系统工作原理
例2：校正前后频率响应曲线对比
Magnitude (dB)
50
Bode Diagram
0
-50
-100
-150
10-2
10-1
100
101
102
103
104
Frequenct (Radian) 0
但它对干扰很敏感，很容易带来干扰。
伺服驱动系统工作原理
稳态误差 控制系统型别
设开环传递函数为：
v=0称为0型系统，v=1称为Ⅰ型系统，v=2称为Ⅱ型系统。
伺服驱动系统工作原理
例1：校正前后频率响应曲线对比
Bode Diagram 40
20
Magnitude (dB)
0 -20
-40
0
1
2
3
数字伺服系统需要硬件和软件配合来完成 伺服系统的所需的功能。
硬件是伺服系统的骨架，软件是伺服系统 的灵魂，通常，硬件是给伺服系统实现功 能提供了条件，软件实现具体的算法。
伺服驱动系统工作原理
右图是一 R
个典型的
S T
伺服驱动

第五-伺服驱动系统82页PPT

第五-伺服驱动系统82页PPT
• 物理光栅通常用于光谱分析和光波波长的测定。 • 计量光栅通常用于数字检测系统，用来检测高精度
直线位移和角度位移
计量光栅的种类及结构
种类： 1.直线光栅
⑴玻璃透射光栅 ⑵金属反射光栅 2.圆光栅 测量角位移。圆光栅是在玻璃圆盘的外环 端面上，做成黑白间隔条纹，条纹呈辐射状、 相互间的夹角相等。 结构：标尺光栅+读数头
（二）直线透射光栅的工作原理
标尺光栅和指示光栅具有间距很小的光栅刻线，二者间 有一小夹角，使得其透射或反射光产生莫尔条纹，莫尔条
纹间距W（mm）与栅距P(mm)及其间夹角θ之间的关系为：
W P P
sin 当标尺光栅与指示光栅相对移动时，照射到光敏元件 上的莫尔条纹也移动，光敏元件输出反映两尺相对移动量 的正弦电信号，对其进行整形、细分、辨向等处理即可得 到表示位移量的电脉冲。
P3 P4
微 分
Y5
B、C、D信号再经微分变成 窄脉冲A′、B′、C′、
差动
D′，即在正走或反走时每
放大 器
整B
形
反 D微
Y6 Y7
个方波的上升沿产生窄脉 冲，由与门电路把0o、90o、
相
分
180o、270o四个位置上产
Y8
生的窄脉冲组合起来，根
a) 原理电路图
据不同的移动方向形成正 向或反向脉冲。
莫 尔 条 纹
方 向
莫 尔 条 纹
方 向
W
光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个条纹宽度，理
论上光栅亮度变化是一个三角波形，但由于漏光和不能达到最 大亮度，被削顶削底后而近似一个正弦波。硅光电池将近似正 弦波的光强信号变为同频率的电压信号，经光栅位移—数字变 换电路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表 移动了一个栅距那么大的位移，通过对脉冲计数便可得到工作 台的移动距离。

数控机床的伺服驱动系统 PPT课件

数控机床的伺服驱动系统 PPT课件
2. 工作台进给速度的控制
进给脉冲频率f→定子绕阻通断电状态变化频率f→步 进电机转速ω→工作台进给速度v
3. 工作台运动方向的控制
定子绕阻通电顺序改变→工作台运动方向改变
2020/3/31
21
三、步进电机的驱动（控制）线路
功能：将一定频率f、数量N和方向的进给脉冲 转换为控制步进电机定子各相绕阻通断电状态变 化的频率、次数和顺序的功率信号
1. 步进电机的种类
按产生力矩原理分：反应式、激磁式 按输出力矩大小分：伺服式、功率式 按定子数：单定子、双定子、三定子、多定子 按各相绕阻分布：径向分相式、轴向分相式
2020/3/31
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2. 步进电机的结构
2020/3/31
16
3. 步进电机的工作原理
2020/3/31
17
基本结论
步进电机定子绕阻通电状态每改变一次，它的转子 转过一个固定的角度，即电机的步距角； 改变步进电机定子绕阻的通电顺序，其转子的旋转 方向随之改变; 步进电机定子绕阻通电状态变化的频率越高，转子 的转速越高; 步距角与定子绕阻相数m、转子齿数z、通电方式k 有关。 360 /(mzk )
2020/3/31
2
机床的伺服驱动
2020/3/31
3
Bedientafelfront mit PCU 20/50/70
E/R- Modul NCU
2020/3/31
DrehstromHauptspindelmotor
Peripherie SIMATIC S7-300
Umrichter SIMODRIVE 611 digital mit CNC SINUMERIK 840D
23
3. 加减速电路

数控机床伺服驱动ppt课件

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2．功率放大器 从环形脉冲分配器输出的控制脉
冲信号功率很小，必需经功率放大器 放大后，才干驱动步进电动机运转。 功率放大器有电压型和电流型。电压 100Ω 型又有单电压型、双电压型，电流型 有恒流型、斩波恒流型等。
采用脉冲变压器TI组成的高低压
VT1
功率放大器电路。
输入
当输入端为低电平常，晶体管VTl、 1kΩ VT2、VT3、VT4均截止，电动机绕组W 无电流经过。输入脉冲到来时，输入 端变为高电平，晶体管VTl、VT2、 VT4饱和导通。
困难。
二、开环伺服系统
〔一〕步进电动机 1．步进电动机的任务原理 由转子和定子组成。转子和定子均由带齿
的硅钢片叠成。定子上均布有六个磁极及其绕 组，同不断径上的为一相，共有三相，磁极上 有齿。转子上均匀分布着40个齿，齿与齿槽宽 度相等，齿间角9°。定子与转子齿间角相等。 假设A相齿与转子齿中心线对齐，B相齿相对转 子齿逆时针差1/3齿间角，C相齿相对转子齿逆 时针差2/3齿间角。
第五节 伺服驱动与控制
❖ 一、概述 ❖ 二、开环伺服系统 ❖ 三、闭环与半闭环伺服系统
一、概 述
❖ 定义——数控机床伺服系统属位置随动系统，是以挪动部件的直线或 角位移为控制目的的自动控制系统，它以CNC安装插补输出为指令， 对任务台、主轴箱、刀架等执行部件的坐标轴位移进展控制，最终获 得要求的刀具运动轨迹。因此，数控机床的伺服系统也被称为进给伺 服系统。
+12V
VD4 TI
R VT2 200Ω
VT3 VD3
R VD5 W
VT4
+80V VD2 VD1
18Ω
18Ω 0.1μF
在VT2由截止到饱和导通期间，其集电极电流，即脉冲变压TI的一次 电流急剧添加，在变压器二次侧感生一个电压，使VT3饱和导通，80V的 高压经高压管VT3加到绕组W上，使流过绕组W的电流迅速上升。当VT2进 入稳定形状后，TI一次侧电流恒定，无磁通量变化，二次侧的感应电压 为零，VT3截止，12V低压电源经VDl加到绕组W上，并维持绕组W中的电流。 输入脉冲终了后，晶体管VTl、VT2、VT3、VT4又都截止，储存在W中的能 量经过18Ω的电阻和VD2放电，电阻的作用是减小放电回路的时间常数， 改善电流波形的后沿。该电路由于采用高压驱动，电流增长加快，脉冲 电流的前沿变陡，电动机的动态转矩和运转频率都得到了提高。

第五章 伺服驱动系统PPT课件


CP 13 出错报警输出
18，17，15 A，B，C相输出
16 电源
PA0 PA1
8155
PA2 PA5 PA6 PA7
PA3 PA4 TMOUT
+5V YB015
A0
Vcc A
A1
B
E0
C
E1
D
E2
E
R
+
GGNNDD
CP
YB013
A0 Vcc
A1
A
E0
B
E1
C
E2
+
R
-
GND CP
+5V
光电 隔离
41
1
0
2A03H 06H
正
4
1
1
0
2A13H 30H 正
5 1 0 0 2A04H 04H 转 5 1 0 0 2A14H 20H 转
6 1 0 1 2A05H 05H
6 1 0 1 2A15H 28H
2、功率放大器
作用：将环形分配器或I/O口输出的弱电信号放大，给步 进电机每相绕组提供脉冲励磁电流
调速系统：线路简单、效率高、调速范围宽、快速响应好、
抗干扰强；
2）直流PWM调速的基本原理：通过控制电枢电压的占空比，从
而改变其平均电压，完成转速控制。
S
平均电压U d
UmS T
忽略电枢内阻上压降，则电枢回路静态
Um
方程式为：
Ud
E
UmS T
Cen
T
n Um S n S
TCe
7、速度控制单元
分类： 按驱动方式：单压驱动、双压（高低压）驱动 按功率开关元件：功率晶体管驱动、晶闸管驱动 按控制方式：高低压定时控制、恒流斩波控制、脉宽 控制单电压与高低压驱动电路
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检测装置的精度指标：系统精度（在一定长度或转角内测量积 累误差的最大值）和系统分辨率（测量元件所能正确检测的最小位 移量）
位置检测装置分类
数字式
增量式
绝对式
回转型 增量式光点脉冲编 绝对式光点脉
码器、圆光栅
冲编码器
直线型 计量光栅、激光干 编码尺、多通道
涉仪
透射光栅
模拟式
增量式
绝对式
旋转变压器、圆形感 多极旋转变压器、三 应同步器、圆形磁尺 速圆形感应同步器
第五章 伺服驱动系统 第一节 概述
伺服驱动系统简称为伺服系统(Servo system)，是一 种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。
伺服系统的性能，在很大程度上决定了数控机床的性 能。
一、数控机床伺服系统的分类
1、按伺服系统调节理论：开环、闭环和半闭环 2、按驱动部件的动作原理：电液控制系统和电气控制系 统（步进电机驱动系统、直流伺服系统和交流伺服系统）
数控机床伺服伺服常用的速度检测装置有：测速发电 机、回转式脉冲发生器、脉冲编码器和频率/电压转换器 等
一、感应同步器
感应同步器是利用两个平面形印刷绕组，其间保持均 匀气隙，相对平行移动时，根据交变磁场和互感原理而工 作。实质上就是多极旋转变压器的展开式
直线型感应同步器由定尺和滑尺组成 圆形感应同步器由转子和定子组成 （一）、感应同步器的结构
滑尺上的励磁电流为I1 I1产生的耦合磁通为Φ I2为定尺绕组由于磁通耦合所产生的感应电 流。
I1
定尺
I2
励磁电压：u=Umsinωt
在定尺绕组
产生的感应电势：e=kUmcosθcosωt
在一个节距W内，位移x与θ的关系应为： θ = x ·2π/ W （三）、感应同步器输出信号的处理方式
励磁方式的不同：鉴相方式和鉴幅方式
主轴伺服系统：用于控制机床主轴的旋转运动和切削过程的转 矩和功率，以速度控制为主。
辅助伺服系统：用在各类加工中心或多功能数控机床中，用来 控制刀库、料库等辅助系统，采用简易的位置控制。 二、数控机床对伺服系统的要求
(1) 高精度 定位准确：重复定位精度、跟随误差
(2) 快速响应，无超调 加减速度足够大；当负载突变时，要求速 度的恢复时间段，且无振荡 (3) 调速范围宽 加减速
直线型感应同步器、 三速直线型感应同步
磁尺
器、绝对值式磁尺
按被测量和所用检测装置的安装位置关系分：直接 测量和间接测量
直接测量：对机床的直线位移采用直线型检测装置 测量。其测量精度主要取决于测量元件的精度，不受机床 传动精度的直接影响。
间接测量：对机床的直线位移采用回转型检测装置测 量。其测量精度取决于测量元件和机床传动链的精度。
e= es + ec =kUm sin(θd - θ)cosωt =kUmsin(θd - x ·2π/ W) cosωt 若原始状态θd = θ ，则e=0 ，然后滑尺相对定尺有一位移，使θ 变为θ +Δ θ ，则感应电势增量为： Δ e≈ kUm x ·2π/ W cosωt
（四）、感应同步器的特点与使用 (1) 精度高 (2) 可用于长距离位移测量 (3) 对环境的适应性强 (4) 使用寿命长，维护简单 (5) 工艺性好，成本低
us=Umsinθdsinωt
uc=Um cosθd sinωt
它们的单独励磁，在定尺绕组上的感应电势分别为：
es=kUm sinθd cosθcosωt ec=kUm cosθd cos(θ+π/2)cosωt=-kUm cosθd sinθcosωt
根据叠加原理，在定尺绕组上总输出感应电势e为：
(4) 低速大转矩 大的转矩输出
(5) 可靠性高
多在低速进行重切削，即在低速段进给驱动要有
第二节 检测装置
其作用：检测位移和速度，发送反馈信号，构成半闭环、闭环 控制
其性能：主要体现在它的静态特性（精度、分辨率、灵敏度、 测量范围和量程、迟滞、零漂和温漂）和动态特性（其输出量对随 时间变化的输入量的响应特性）上。
e= es + ec =kUmcos(ωt + θ) =kUmcos(ωt + x ·2π/ W)
通过鉴别定尺输出的感应电势的相位，即可测量定尺和滑尺之 间的相对位置。
感应同步器的鉴相方式用在相位比较伺服系统中
2、鉴幅方式 根据定尺感应输出的感应电势的振幅变化来检测 位移量的一种工作方式。
滑尺上的正弦、余弦励磁绕组提供同频率、同相位、幅值不同 的交流电压，即
定尺为连续绕组，定尺节距W2， 定尺节距即为检测周期W。
滑尺上为分段绕组，分为正弦 和余弦绕组两部，绕组可做成W形 或U形。正弦与余弦绕组的中心距l1 为：
L1=(n/2+1/4)W
（二）、直线型感应同步器的工作原理
1、直线型感应同步器的种类 标准型、窄型、带状和三速(三重)式 2、标准型直线感应同步器的工作原理 若滑尺上加励磁电压，则由于电磁感应 而在定尺绕组上产生感应电势。
1、鉴相方式 作方式。
根据感应输出电压的相位来检测位移量的一种工
滑尺上的正弦、余弦励磁绕组提供同频率、同幅值、相位差 900的交流电压，即
us=Umsinωt
uc=Umcosωt
它们的单独励磁，在定尺绕组上的感应电势分别为：
es=kUmcosθcosωt ec=kUmcos(θ+π/2)sinωt=-kUmsinθsinωt 根据叠加原理，在定尺绕组上总输出感应电势e为：
交流(AC)伺服系统向全数字制模型和动态补偿均由高速微处理器及其软件进行实时处 理；采用前馈与反馈结合的复合控制。
4、按控制对象和使用目的的不同：进给、主轴和辅助伺服系统。
进给伺服系统：用于控制机床各坐标轴的切削进给运动，是一 种精密的位置跟踪、定位系统：速度控制和位置控制
3、按反馈比较控制方式：脉冲比较伺服系统、相位比较 伺服系统、幅值比较伺服系统和全数字伺服系统
开环伺服系统即无位置反馈的系统：电液脉冲电动机 驱动的电液控制系统和功率步进电动机驱动的全电气位置 控制系统。
闭环伺服系统：电液伺服系统和全电气的直流、交流 伺服系统。
直流(DC)伺服系统，大惯量直流伺服电动机具有良 好的调速性能，输出转矩大，过载能力强构成闭环易于调 整；小惯量直流伺服电动机具有可频繁启动、制动和快速 定位与切削的特点。 交流伺服(AC)电动机结构简单、不需要维护，适应在比 较恶劣的环境下使用。