第六章闭环伺服系统

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6.2 伺服电动机
伺服电动机是数控伺服系统的重要组成部分， 是速度和轨迹控制的执行元件。
数控机床中常用的伺服电机： ● 直流伺服电机（调速性能良好） ● 交流伺服电机（主要使用的电机） ● 步进电机（适于轻载、负荷变动不大） ● 直线电机（高速、高精度）
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6.2.1 直流伺服电机及工作特性
6.1 概述
伺服系统的性能直接关系到数控机床执行件的 静态和动态特性、工作精度、负载能力、响应快慢 和稳定程度等。所以，至今伺服系统还被看做是一 个独立部分，与数控装置和机床本体并列为数控机 床的三大组成部分。
按ISO标准，伺服系统是一种自动控制系统，其 中包含功率放大和反馈，从而使得输出变量的值紧 密地响应输入量的值。
数控机床常用的直流电动机有： ●直流进给伺服系统：永磁式直流电机； ●直流主轴伺服系统：励磁式直流电机；
图6.5 直流伺服驱动系统的一般结构
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6.2.1 直流伺服电机及工作特性
直流电动机原理
根据法拉第电磁感应定理 当载流导体位于磁场中，导
体上受到的电磁力F:
F = B ×L× i
B：磁场的磁通密度； L： 导体长度； i：导体中的电流。 F、B、i之间的方向关 系可用左手定则确定。
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6.1 概述
6.1.4 伺服系统的发展 由于直流电动机存在换向火花和电刷磨损等问题
，美国通用电气(GE)公司于1983年研制成功采用 笼型异步交流伺服电动机的交流伺服系统。采用 矢量变换控制变频调速，使交流电动机具有和直 流电动机—样的控制性能，又具有机构简单、可 靠性高、成本低，以及电动机容量不受限制和机 械惯性小等优点。 日本于1986年又推出了全数字交流伺服系统。
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1. 系统的位置、速度和电流环节的调整由软件实现。
2. 具有较高的动、静态特性。在检测灵敏度、温度漂移、噪声及抗干扰等方面都 优于模拟式伺服系统。
3. 引入前馈控制，构成了具有反馈和前馈复合控制的系统结构。
4. 由于全数字式伺服系统采用总线通信方式，极大地减小了连接电缆，便于设备 安装和维护，提高了系统可靠性，同时通过显示终端实时监控伺服状态。
• 在数控机床中，由计算机发出指令脉冲，让哪一个驱动电动 机拖着工作台动，这一台电动机就动，而且这台电动机的运动 速度、运动的距离，完全按着计算机的指令行事，非常准确无 误地完成指令要求的任务。
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• 很显然，伺服系统所以能作到这一点，也是非常不容易的。因为电动机拖着一个重量很重的工作台，而且 摩擦力随着季节、新旧程度、润滑状态等因素而变化，控制了一个稳定速度，精确定位，可以想象其难度 之大。
G(s)H (s)
(4)闭环传递函数 Closed-loop Transfer Function 假设N(s)=0 输出信号C(s)与输入信号R(s)之比。
C(s) G1(s)G2 (s) G(s) R(s) 1 H (s)G(s) 1 H (s)G(s)
推导：因为 C(s) E(s)G(s) [R(s) C(s)H (s)]G(s)
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伺服系统
半闭环伺服系统
半闭环伺服系统组成
机电一体化技术
位置
指令 +
位置控制 +
速度控制
调节器
—
— 调节器
实际速
实际位
度反馈
置反馈
信号处理
功率 驱动

W
摩尔条纹节距
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光栅位置检测装置 W、ω、θ之间的关系 θ
BC=ABsin(θ/2) 其中 BC=ω/2 ， AB=W/2 ， 因此 W=ω/sin(θ/2)
ω
ω
ω
光栅 节距
标尺光栅 B C θ/2 W/2 θ 指示光栅

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3．检测元件的特点
感应同步器——抗干扰能力强，对环境要求低，维护简单、
价格低，寿命较长，具有一定精度、应用较广。
光栅——抗干扰能力强，高分辨率、大量程、测量精度高、
应用广泛，但成本较高，制造工艺要求高。
磁栅——抗干扰能力强，对环境条件要求低，安装调整方

旋转变压器的应用 转子旋转后，两个激磁电压在转子绕组中产生的 感应电压线性叠加得总感应电压为： U=kUssin θ+kUccos θ =kUmcos(ωt-θ) 由上式可知感应电压的相位角就等于转子的机 械转角θ。因此只要检测出转子输出电压的相位角 ，就知道了转子的转角，而且旋转变压器的转子 是和伺服电机或传动轴连接在一起的，从而可以求 得执行部件的角位移。
K=500, 即放大500倍，这样光栅节距虽小，摩尔条纹 的节距却有5mm，因此摩尔条纹清晰可见，易于测 量。
b. 误差均化作用
摩尔条纹是由许多根刻线共同形成的， 这样可使光栅的节距误差得到平均化。

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光栅位置检测装置 c. 测量位移
驱动 值比较大，信噪比好，光电密度为200线/mm时，光栅本身就已 电路
经细分到.005mm从而减轻了电子线路的负担。
光源 透镜 指示光栅Gi

光电元件
驱动电路

自动化生产线伺服系统需要具备高精 度、快速响应和同步控制能力，以确 保生产线的稳定运行。
航空航天伺服系统
航空航天伺服系统是用于控制航 空器和航天器运动的关键技术之 一，具有高精度、高可靠性和耐
极端环境的特点。
航空航天伺服系统需要适应高速 、高海拔和强辐射等极端环境， 确保飞行器和航天器的安全和稳
定。
制作过程中应注重工艺控制， 保证电路板的加工精度和可靠 性。
电机驱动电路设计
01
电机驱动电路是伺服系统的动力 来源，其设计直接影响到伺服系 统的性能。
02
电机驱动电路设计应充分考虑电 机的电气特性，如电压、电流、 电阻等，以确保电机正常工作。
设计中应注重控制精度和响应速 度，以满足伺服系统的需求。
系统调试与优化
系统调试步骤
介绍系统调试的基本步骤、调试方法以及在闭 环伺服系统中的应用。
系统优化技巧
阐述系统优化的基本原则、优化方法以及在闭 环伺服系统中的应用。
性能测试与评估
介绍性能测试的方法、评估标准以及在闭环伺服系统中的应用。
2023
PART 05
闭环伺服系统应用案例
REPORTING
数控机床伺服系统
驱动方式
根据电机类型选择合适的驱动电路或驱动器，如H桥、三相逆变器等。
电Hale Waihona Puke 参数根据系统性能指标确定电机的转速、转矩、功率等参数。
电机控制
通过调整输入电压或电流实现对电机的速度和位置控制。
传感器与反馈控制
传感器类型
选择能够准确测量系统状态（如位置 、速度、加速度等）的传感器。
反馈控制
通过传感器反馈的系统状态信息，与 理想状态进行比较，形成误差信号， 用于调整系统输出。