第三节 闭环伺服系统
一、概述
第四章 进给伺服系统
1,位置检测单元 —— 将检测元件检测到的位置信号进行处理，
以形成位置反馈信号。
2,比较环节 —— 完成指令信号与反馈信号的比较等。
3,伺服驱动 —— 功率放大，以驱动伺服元件。
4,伺服电机 —— 将电信号转换成机械运动。
(一 ) 系统组成
指令信号
比较环节 伺服驱动 伺服电机
位置检测单元
反馈信号
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第四章 进给伺服系统
全闭环 精度高,但结构复杂、成本高，调试维修困难，
适于大型精密数控系统。
半闭环 精度较全闭环差些，但 结构简单，造价低 且
便于调整。
交流伺服
直流伺服
数字伺服
(二 ) 闭环伺服系统分类
具有较高精度、速度、和动态特性
定位与控制精度高，速度快，稳定性好，有故
障自诊断和报警功能
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第四章 进给伺服系统
1．对检测元器件的要求
1) 可靠性高, 抗干扰能力强
2) 精度, 速度满足要求
3) 对环境的适应性强, 维护方便
4) 成本低, 寿命长
5) 便于与数控系统联接
(三 ) 闭环伺服系统常用的检测元件
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第四章 进给伺服系统
从检测的
信号分
直线型
回转型
从传感器
输出信号分
模拟式
数字式
2．检测传感器分类
直线感应同步器、长光栅、
长磁栅、激光干涉仪
旋转变压器、圆感应同步器、
圆光栅、圆磁栅、编码盘
光栅检测装置、脉冲编码盘
旋转变压器、感应同步器
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第四章 进给伺服系统
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，安装调整方便，
精度高,但 存在磁信号的稳定性, 磁头磨损 等问题，有应用。
3．检测元件的特点
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第四章 进给伺服系统
旋转变压器 —— 抗干扰能力强, 工作可靠, 结构简单,
动作灵敏, 信号输出幅度大, 对环境无特殊要求, 维护方便,
应用广泛 。
脉冲编码盘 —— 工作可靠、精度高，结构紧凑、成本低，
是精密数字控制和伺服系统中常用的角位移数字式检测元
器件，但 抗污染能力差，易损坏 。
激光干涉仪 —— 精度很高，但 抗震性、抗干扰能力差,
价格较贵，应用较少 。
3．检测元件的特点
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4.检测元件工作原理
第四章 进给伺服系统
?旋转变压器
旋转变压器 按照 互感原理 工作定子绕组上分别加上 交变励
磁 电压当转子旋转时，通过 电磁耦合,转子绕组内产生 感
应电势 —— 感应电压, 返回
定子
Uc(Cos)
Us(Sin)
转子
θ
U
4,检测元件工作原理
第四章 进给伺服系统
Us,Uc为定子正弦、余弦绕组上的 激磁电压, k为 变压
比,即 定子绕组与转子绕组 的匝数比 W1/W2。
定子
Uc(Cos)
Us(Sin)
转子
θ
U
?旋转变压器
U’=kUsSinθ或 U’=kUcCosθ
第四章 进给伺服系统
旋转变压器 作为 位置检测装置 有两种应用方式：
鉴相方式 和 鉴幅方式 。
1.鉴相工作方式
在 旋转变压器 定子的两相正交绕组，又称为正弦
和余弦绕组上，分别加上 幅值相等, 频率相同 的
正弦、余弦激磁电压
Us=Umsinωt Uc=Umcosωt
?旋转变压器的应用
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?旋转变压器的应用
第四章 进给伺服系统
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 。
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?旋转变压器的应用
2.鉴幅工作方式
第四章 进给伺服系统
给定子的两个绕组分别通上频率、相位相同但幅
值不同，即调幅的少许磁电压（ φ为机械转角）
Us=Umsinφsinωt
Uc=Umcosφsinωt
则在转子绕组上得到感应电压为
U =kUssin θ+kUccos θ
=kUmsinωt(sin φsin θ+cos φcos θ)
=kUmcos(φ-θ)sinωt 下一页上一页 返回
思考与练习
?旋 转 变 压 器 工 作 时, 加 到 励 磁 绕 组 的 电 压
Us=Umsinθsin(ωt),则此时加到补偿绕组的电压应为 __。
① Uc=Umcos θ sin(ωt) ② Uc=Umsin θsin(ωt)
③ Uc=Umcos θ cos(ωt) ④ Uc=Umsin θcos(ωt)
?旋转变压器的输出反映了 和 的固定函数关
系 。
第四章 进给伺服系统
答,①
答,电压 转子角位移 下一页上一页 返回
感应同步器工作原理图
?感应同步器
第四章 进给伺服系统
感应同步器 工作原理同旋
转变压器的工作原理相同
,滑齿 的两个激磁绕组通
以 激磁电压,滑齿与定齿
相对移动时，在 定齿 上便
产生 感应电压,感应电压
随位移的变化而变化。
节距为２ τ=2mm
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这样滑尺在移动一个节距的过程中，感应电压变化了一个余
弦波形。
第四章 进给伺服系统
?感应同步器
感应同步器工作原理图
设当 滑尺相对定尺移动 后,感
应电压 逐渐变小，在错开 1/4节
距 的 b点 时，感应电压为零。再
继续移到 1/2节距 的 c点 时得到的
电压值与 a点位置相同，但极性
相反。随后感应电压在 3/4节距
位置 d点 时又变为零，在移动 一
个节距 到 e点 时，电压幅值与 a
点位置相同。
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第四章 进给伺服系统
?感应同步器
定尺和滑尺绕组的节距均为 2τ=2mm，当两 尺相
对移动 2 τ后，感应电势以余弦或正弦函数变化电
气角 2 π,当相对移动距离为 x时，则对应的感应
电压将变化一个相位角 θ，由比例关系
θ/(2 π)=x / ( 2 τ)
可得, θ= πx/ τ
同理，因 余弦绕组 与 正弦绕组 错开 1/4个节距，即
π/2的相位角,由余弦绕组激磁在定尺上产生的感
应电压应按 正弦规律变化 。定尺上的总感应电压，
是上述两个感应电压的 线性叠加 。
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?感应同步器采用鉴幅法工作时, 可用于检测位移
和 。
第四章 进给伺服系统
答：定位控制
?感应同步器定尺绕组中感应的总电势是滑尺上 __和 _
可产生的感应电势的 。
答：正弦绕组 余弦绕组 矢量和
?感应同步器是一种 式的高精度位移检测元件 。
它有 和 两种 。
答：电磁感应 直线式 圆盘式
思考与练习
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?光栅位置检测装置
第四章 进给伺服系统
i,光栅检测装置的结构
光源
透镜
标尺光栅G s
指示光栅G i
光电元件
驱动电路
驱动
电路
执行部件带着 标尺光栅 相对 指示光栅 移动，通过读
数头的 光电转换,发送出与位移量对应的 数字脉冲
信号，用作 位置反馈 信号或 位置显示 信号
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?光栅尺
?光栅位置检测装置
第四章 进给伺服系统
包括 标尺光栅 和 指示光栅,
根据制造方法和光学原理不同,光栅 可分为 透射光栅 和 反射光栅,
透射光栅 是在光学玻璃表面，或在玻璃表面 感光材料的涂层
上 刻成 光栅线纹 。其特点是,
光源可以垂直入射,光电元件直接接受光照，因此信号幅
值比较大,信噪比好,光电密度为 200线 /mm时，光栅本身就已
经细分到,005mm从而 减轻了电子线路的负担。
光源
透镜
标尺光栅G s
指示光栅G i
光电元件
驱动电路
驱动
电路
ω
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ii,摩尔条纹
?光栅位置检测装置
第四章 进给伺服系统
标尺光栅
指示光栅
光栅节距
摩尔条纹节距
作用：
放大作用
误差均化作用
测量位移
θ
光栅倾角
? W,ω,θ之间的关系
?光栅位置检测装置
第四章 进给伺服系统
ω ω
θ
θ/2
指示光栅
标尺光栅
B
A
C
W/2
横向莫尔条纹的参数
BC=ABsin(θ/2)
其中 BC=ω/2,
AB=W/2,
因此 W=ω/sin(θ/2)
由于 θ很小, θ单位为 rad时，
Sin(θ/2) ≈ θ
故 W ≈ ω/ θ
ω
光栅
节距
θ
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令 k= W/ω = 1/θ,则 k为放大比。
如 ω=0.01mm，取 θ =0.002 rad = 0.11o 则 W=5mm,
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 。
iii,摩尔条纹的作用
a,放大作用
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 。
第四章 进给伺服系统
?光栅位置检测装置
返回
第四章 进给伺服系统
摩尔条纹 的移动距离与 光栅 的移动距离成比例，
光栅 横向移动 一个节距 ω，摩尔条纹正好 沿刻线上
下 移动一个节距 W，或者说在光栅刻线的某一位
置，摩尔条纹 明 --暗 --明 变化一个周期，这为光
元件的 安装与信号检测 提供了良好的条件。
?利用 脉冲变换电路 可以提高光栅检测装置的
读数分辨率，有 四倍, 八倍, 十倍, 二十倍 等。
?光栅位置检测装置
返回
c,测量位移
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思考与练习
第四章 进给伺服系统
?由于差动变压器的输出信号很小, 首先应把这个信
号送入直流放大器进行放大, 放大后的信号再经过
A/D转换, 两块光栅之间的夹角为 0.057°, 则摩尔条
纹的宽度约为 ___。
① 20mm ② 10mm ③ 0.35mm ④ 2.85mm
?设有一光栅的条纹密度是 10条 /mm,要利用它测
出 1的位移, 应采用 ___套光电转换装置 。
① 1 ② 2 ③ 3 ④ 4
答,①
答,② 下一页上一页 返回
是一种精度较高的位置检测装置。它
由磁性 标尺, 磁头,和 检测电路 组成。
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第四章 进给伺服系统
?磁尺位置检测装置
磁尺：
伺服系统
数字显示
尺
磁
检测
电路
磁
磁尺位置检测装置
返回
?磁性标尺：
第四章 进给伺服系统
?磁尺位置检测装置
磁
尺
按
基
本
形
状
分
为
平面实体形 磁尺 一般长度为 600mm
带 状 磁 尺 基体厚 0.2mm，宽 70mm
线 状 磁 尺 长度小于 1.5m，套装在磁头内
圆 形 磁 尺 做成 磁盘状,检测 角位移
表面录有 相等节距 （一般为 0.05,0.1，
0.2,1mm）周期变化的磁信号。
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N N N NS S S S N N S S N N S S
磁尺
N
磁头
U
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?磁尺位置检测装置
磁头 是进行 磁 — 电 转换的 变换器,它把反
映空间位置的 磁信号 转换为 电信号 输送到
检测电路 中去。
使用 单个磁头 的 输出信号 很小，实际使用中常
将几个到几十个磁头以一定的方式联接起来，
组成 多间隙磁头 。多间隙磁头中的每一个磁头
都以相同的间距 λm/2配置，相邻两个磁头的输
出绕组 反向串接 。如图（多间隙磁头）
N N N NS S S S N N S S N N S S
磁尺
N
磁头
U
?磁头
第四章 进给伺服系统
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?工作原理
第四章 进给伺服系统
S NN N S S N N S N S S N N S S
求和
电路
带通滤波器
限幅放
大整形
功放
功放
低通滤波器
分频率
/4 00
震荡
器2M C
90度
移相
器
检相
内插
电路
可逆记数器 译码器
数字
显示
代码输出
磁场
分布
磁头I 磁头I I 磁尺
(m+1/ 4) λ
磁尺检测是 模拟测量,检出信号是一模拟信号，必须经 检
测电路 处理变换，才能获得表示 位移量 的 脉冲信号。
?工作原理 第四章 进给伺服系统
两个 磁头 I,II的激电流，由 分频, 滤波 和 功放
后获得，磁头 移动距离 x后 的输出电压为：
U 1 =U 0 s in (2 π /λ )s in ω t
U 2 =U 0 c o s (2 π /λ )s in ω t
在求和电路中相加，则得 磁头总输出电压 为：
U = U 0 s in (ω t+ 2 π x /λ )
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?脉冲编码器
第四章 进给伺服系统
脉冲编码器 是一种旋转式角位移检测装置，能
将 机械转角 变换成 电脉冲,是数空机床上 使用
最光 的检测装置。
脉
冲
编
码
器
的
分
类
增量式脉冲编码器
绝对式脉冲编码盘
光电式
接触式
电磁感应式
光电式
接触式
电磁感应式 返回
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板
路
电
刷
印
光源
园光栅
指示光栅
光电元件
低坐
护罩
旋转轴
A
A向
第四章 进给伺服系统
?增量式脉冲编码器
?脉冲编码器
结构图
指示光栅 有两组线纹 A和 B，每组线纹的 节距 和 圆
光栅 的节距相同，但 A,B两组线纹彼此错开 1/4
个节距，每组线纹与 旋转圆光栅 配合产生两路 脉
冲 A和 B用于 记数和辩向 。
返回
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第四章 进给伺服系统
?脉冲编码器
?工作原理
光源接通,圆光栅 旋转，
光线透过两个光栅的
A,B两组线纹，每转过
一个 光栅节距,便在光
电元件上形成 明 — 暗 —
明 变化一个周期的 光信
号,并被转化为两组近
乎于 正弦波 的电压信号，
连续旋转便得到 A和 B
两路 正弦电压信号
o
U A
B
90
A相
B相
90
o
5v
0v
5v
0v
脉冲编码的输出信号
返回
如右图所示：
放大、整形后得到所示
的方波信号 A和 B，如
光栅盘正转时 A相超前
90o，反转时 B相超前
90o。另外还产生一转
脉冲 Z,Z为基准脉冲，
或称零点脉冲，它是圆
光栅盘，可以作为坐标
原点的信号，车削螺纹
时作为刀点的信号。 5v0vZ
第四章 进给伺服系统
?脉冲编码器
是一种 绝对角度位置检测 装置，它的位置输出信号是
某种制式的数码信号，它表示位移后所达到的 绝对位置,
要用起点和终点的绝对位置的 数码信号,经运算后才能得
到位移量的大小。
?特点
电源切除 后位置 信息不会丢失,只要 通电就能显示出所在的绝
对位置信号,因此在 事故停机检修 后，可以根据加工 程序章上
标明的停机时的绝对位置,或 停机时记录下来的绝对位置,用
绝对位移指令 直接 找回原机位置进行继续加工 。
?绝对式脉冲编码盘
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第四章 进给伺服系统
?脉冲编码器
0
1
2
3 4
5
6
7
8
9
10
1112
13
14
15
(2)
0
(2)
1
(2)
2
(2)
3
(a)
0
1
2
3
4
5
6
78
9
10
11
12
13
14
15
(2)
0
(2)
1
(2)
2
(2)
3
输出
二进制编码盘 葛莱编码盘
(b)
绝对式脉冲编码盘
?绝对式脉冲编码盘
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第四章 进给伺服系统
码盘上有许多 同心圆环,称为 码道,整个圆盘又分
为若干个 等分的扇形区段,每一相同的扇形区段的
码道组成一个 数码, 着色的码道为,1”,未着色的
码道为,0”，内环码道为数码的高位。
A图为二进制数码,B图为葛莱循环码
在 圆盘 的同一半径方向的每个码道处，如图的 圆点
所示，安装一个 光电元件, 光源 装在圆盘的另一侧，
码盘转动，每一扇形区段愉的光信号通过光电元件
转换成数码脉冲信号 。
?脉冲编码器
?绝对式脉冲编码盘
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第四章 进给伺服系统
?脉冲编码器
图中 二进制 的数码
1100的位置就是从 0
位算起的第 12个角
度 绝对坐标位置,
换算成角度是
（ 360/16） x12=270
的位置（编码盘分
为 16个区段）。
0
1
2
3 4
5
6
7
8
9
10
1112
13
14
15
(2)
0
(2)
1
(2)
2
(2)
3
二进制编码盘
?绝对式脉冲编码盘
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第四章 进给伺服系统
纯二进制码 有一个 缺点,相邻 两个二进制数 可能有 多
位二进制码 不同，当数码切换时有多个数位要进行切
换,增大了误读的机率 。
葛莱码 相邻 两个二进制数码 只有 一个数位 不同，因此
两数切换时只在一位进行，提高了读数的可靠性。
0
1
2
3 4 5
6
7
8
9
10
1112
13
14
15
0
1
2
3
4
5
6
78
9
10
11
12
13
14 15
二进制编码盘
葛莱编码盘
多位二进
码不同
?两种编码的可靠性的比较,
?脉冲编码器
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第四章 进给伺服系统
?脉冲编码器
多圈式绝对编码器，综合了各种编码器的长处。其内部结构
如图所式。
?多圈式脉冲编码盘
固定窄缝
光码盘
A LSI
线性
驱动
LED
转盘
A B Z
+5V
+3V
CPU
A
磁电阻元件
磁盘
多圈式绝对编码器原理框图
?多圈式脉冲编码盘
第四章 进给伺服系统
?脉冲编码器
它有一个 光电码盘 和一个 磁码盘,两条通道的信号经过检测
装置内部的 CPU,大规模集成电路 及 驱动电路 串行地输出 绝对
位置信息 。
这种编码器的 优点 是：
? 分辨率高
? 响应快
? 具有数据长期存储功能
? 串行输出，信号线少，可靠性高，便于长距离传输
思考与练习
第四章 进给伺服系统
?对于单个码盘为 16位的光电编码盘, 它能测出的
最小角位移为 ____。
① 11.76’ ② 11.25° ③ 0.196° ④ 0.0055° (33’’)
?举出 2～ 3种数控机床常用的位置传感器, 并说明
它们的主要特点？
答,常用的位置传感有 光栅, 感应同步器, 光电编码
盘 等等 。
它们的特点是,检测范围较大, 易于实现测量
信号数字化, 测量精度高 。
④
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?激光干涉位置检测装置
第四章 进给伺服系统
? 激光 是一种新兴的能源，它有高度的 相干性 ；
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? 波长频谱宽度窄，是一种 单色光, 亮度极高 ；
? 光束的 发散角小 至 10e-4rad以下，有 很好的方向性 ;
由于激光有这些特性，因而广泛地应用与 长距离, 高精度
的 位置检测,测量中通常都是采用氦氖激光，其频谱宽度
为 1.5*10e3MHz,波长为 0.628um。
概
述
目前可供使用有 单频激光干涉法 与双 频激光干涉法 两种测
距发方法
激光测距 利用光的 干涉原理,使两束激光
产生 明暗相间 的干涉条纹，由光电元件接受
并转换成 电信号,经处理后由记数器记数，
从而实现对位移的测量，由于激光的 波长短
，单色性好，波长稳定准确,测量的分辨率
至少可达到 λ/ 2,如果利用 倍频 等电子技术
可达到更高的分辨率。
?激光干涉位置检测装置
第四章 进给伺服系统
?激光测距原理
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第四章 进给伺服系统
?双频激光干涉仪
统系
制控
激光器
滤光器
检偏器
测量信号
放大器
工作台
计算机
及
显示器
基准信号
双频激光干涉仪
f 测
f 基
D1
D2
M1
M2
a
b
f1
f2
f 1+ f
-
M3
M1,M2,M3 为分光镜
D 1,D 2 为光电元件
双频激光干涉仪 是利用光的 干涉原理 和 多普勒效应 （是指
光线射到运动粒子上其频率将发生改变的现象）产生 频差
的原理来进行 位置检测
第四章 进给伺服系统
双频激光干涉仪较单频激光干涉仪的优点：
a,接受信号为 交流信号,前置放大器为高倍数的交流放
大器,不用直流放大,故没有 零点漂移 问题；
b,采用 多普勒效应,计数器是计频率差的变化，不受激
光强度和磁场变化的影响。这对 远距离测量 十分重要
?激光干涉仪的 计量精度 和 分辨率 都很高，但是它对 使
用环境的要求高,而且 价格也较贵,目前多 用于坐标
测量 机床。
缺点
返回
?双频激光干涉仪
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第四章 进给伺服系统
(一 ) 对驱动元件的要求
1,转动惯量小 —— 以提高系统的快速响应
二、驱动元件
3,低速运行的稳定性、均匀性好 —— 以保证低速时的精度
2,过载能力强 —— 以适应经常出现的过冲现象
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第四章 进给伺服系统
1．小惯量直流伺服电动机
(二 ) 直流伺服电动机
1) 转子细而长 —— 大大减小了电动机的 转动惯量,
快速响应性能好 。
2) 气隙较大 —— 换向性好, 时间常数 5-10ms。
3) 转子上无槽 —— 电感小, 时间常数小, 动态特性
好, 响应快, 低速运转稳定而均匀 。
4) 气隙磁密度大 —— 过载能力强 。
输出功率几 +瓦 ─ +千瓦, 转速 1-3000r/min
最大转矩约 20N.m,但输出需加齿轮减速
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第四章 进给伺服系统
1) 转矩大
2) 调速范围宽 1000~1500r/min
3) 转动惯量小 设计时可 忽略 其它传动件的 转动惯量
4) 动态响应好
最大峰值转矩 可达 额定转矩 的 10倍，可在 3倍额定
转矩的过载条件下工作 30min，但 快速响应性能 不如小
惯量电机。
5) 过载能力强
返回
?特点：
2．大惯量直流伺服电动机
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第四章 进给伺服系统
表 1 日本富士通公司直流伺服电动机系列几种规格的主要技术参数
小惯量 中惯量 大惯量
型 号
参数
OL 5L
10L
H
OM 20M 30M 0 10 20H 40 50 70H
输出功率 ( kw ) 0, 3 0,6 6,0 0,4 1,8 2,8 0,4 1,1 3,1 5 10 22
暂定转矩 ( N, m ) 2,5 1,9 19 2,7 22,5 37,2 2,7 1 1,8 39,2 32,3 65,7 23,5
最大转矩 ( N, m ) 12,3 21,5 147 14,7 1 12 186 24 1 14 241 245 510 520
最大转速 ( r / m i n) 2 000 2000 2000 2000 1500 1200 2000 1500 1500 2000 2000 2000
电枢转动惯量
( 9, 8N, m
2
)
0, 0 0 0 1
9
0, 0 0 0 8
8
0,01
5
0,00
2
0,01
3
0,03
6
0, 0 0 2 8 0,02
0,03
8
0,12 0,19 0,60
机械时间常数
( m s )
7 5 7 10 10 8 25 19 17 24 15 18
热时间常数
( m i n)
15 20 10 10 70 85 50 100 35 120 120 35
重量 ( kg) 10 15 66 12 30 53 12 25 45 90 125 220
第四章 进给伺服系统
1．笼型异步型伺服电动机
?定子 — 对称三相绕组 ?产生旋转磁场
?转子 — 转子绕组 （ 导体 ） ? 切割磁通 ?产生感应电势
?感应电流 ? 电磁转矩 ? 转子转动
?转子 转动方向 与旋转磁场方向 不同 —— 异步
?转子 转动速度 小于 旋转磁场速度 n0 —— 转差率
(三 ) 交流伺服电动机
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第四章 进给伺服系统
2．永磁同步型伺服电动机
? 定子 — 三相电枢绕组 ?产生 旋转磁场
? 转子 — 永磁体 ? 产生恒定 励磁磁场
? 通电的电枢绕组及载流导体切割磁力线 ?产生电磁力 ?
? 以反作用力方式 驱动转子 永磁体 转动
? 转子 转动的方向 与旋转磁场方向 相同 —— 同步
返回
(三 )交流伺服电动机
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第四章 进给伺服系统
? 表 2 DC伺服电动机与 AC伺服电动机的比较
机种
比较内容
永磁同步型 AC
伺服电动机
异步型 AC
伺服电动机
DC 伺服电动机
电机构造 比较简单 简单
因有电刷和换向器，
结构复杂
变流机构
C T R 或 P - M O S F E T
逆变器
或 P - M O S F E T
逆变器
大转矩约束 永磁体去磁 无特殊要求
整流火花,
永磁体退磁
发热情况
只有定子线
圈发热，有利
定、转子均发热，需
采取措施
转子发热，不利
高速化 比较容易 容易 稍有困难
大容量化 稍微困难 容易 难
制动 容易 困难 容易
控制方法 稍复杂 复杂 ( 矢量控制 ) 简单
磁通产生 永磁体 二次感应磁通 永磁体
感应电压 电枢感应电压 二次阻抗电压 电枢感应电压
环境适应性 好 好 受火花限制
维护性 无 无 较麻烦
第四章 进给伺服系统
1,DC电动机转速公式
三、速度调节
(一 ) 直流伺服电动机的调速
n= UD /Ce? - RI/ Ce?
UD — 电枢电压 Ce— 与电机结构有关的常数
? — 励磁磁通 I — 励磁电流 R— 电枢回路电阻
改变 UD 调速 的方法
可控硅调速
PWM调速
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1 ) 可控硅
电力半导体 器件, 是 弱电 控制到 强电 输出的桥梁作用 。
包括,阳极 （ A）, 阴极 （ K）, 控制级 （ G）
导通条件,ⅰ ） 阳极 A,?
阴极 K,?
ⅱ ） 控制级 G加正向电压 。
第四章 进给伺服系统
2．可控硅调速 （ SCR-M）
三、速度调节
(一 ) 直流伺服电动机的调速
K
A
G
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第四章 进给伺服系统
三、速度调节
(一 ) 直流伺服电动机的调速
2) SCR-M调速系统
特点,工作频率 低, 输出电压波形 差, 电流脉动 分量大,
这不但 使电机发热, 工作条件恶化, 也影响电网电压
波动 。
位置检测及反馈
速度检测及反馈
位置 位置 速度 速度 电流 uk α
指令 偏差 指令 偏差 指令
MM
电流检测反馈 UD
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第四章 进给伺服系统
1) 脉宽调速原理
3,脉宽调制 (PWM) 原理与系统
PWM — Pulse Width Modulation
直流电源电压 U经 开关 S
转换为 一定频率 的 方波电压 加到
直流电机 电枢 上，通过对方波
脉冲宽度 的控制，就可改变电枢
的 平均电压,从而调节电机 转速。
S
U u
DMM
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第四章 进给伺服系统
设开关 S开闭周期为 T,每次 闭合时间为 ?
则电枢两端平均电压 Ud为,
Ud =? U/T=rU
r,导通率 (脉宽系数 )
T一定 ?? Ud ?
?=0 Ud=0 电机停止
?=T Ud=U 最高转速
S
U u
D
MM
3,脉宽调制 (PWM) 原理与系统
PWM — Pulse Width Modulation
1) 脉宽调速原理
uD uD
Ud1
Ud2
T T
? ?
T,500 ～ 2500Hz，
大大小于电动机的时间常数，故无转速脉动。 返回下一页上一页
第四章 进给伺服系统
2) 脉宽调制器 PWM
输入, 电流调节器 输出的直流电压 Uc
输出, 幅值恒定, 宽度可变 的 矩形脉冲电压
方法, 高频载波法, 数字脉宽调制, 高频极限环法 等
比较器
调制信号发生器
Uc Uc+D(t) e’(t)
D(t) +
+
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位置检测及反馈
速度检测及反馈
位置 位置 速度 速度 电流 uk α
指令 偏差 指令 偏差 指令
MM
电流检测反馈 UD
第四章 进给伺服系统
? 调制信号发生器
产生频率, 幅值都固定的高频载波信号 D（ t）,
D(t)可以是三角波、锯齿波、正弦波
? 高频载波法的原理
直流 输入信号 Uc 叠加
在 载波信号 D(t)上,
再进入 比较器 。
比较器 是一个具有继电器特性的电子元件, 其输出信号是一
个 与 D(t)同频率 的矩形脉冲, 脉冲 占空比 取决于 Uc的大小 。
2) 脉宽调制器 PWM
比较器
调制信号发生器
Uc Uc+D(t) e’(t)
D(t) +
+
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第四章 进给伺服系统
2) 脉宽调制器 PWM
Vc
D(t)
e(t)
e’(t)
Vc=0
Vc
D(t)
e(t)
e’(t)
Vc>0
Vc
D(t)
e(t)
e’(t)
Vc<0
e(t) e’(t)+VVc
-V
D(t)
?
返回
第四章 进给伺服系统
3) 功率放大器
t
t
t
Ub1
Ub2
Uab
M
VD2
VD1 VD3
VD4
a b
V1
V2
V3
V4
Ed
Ub3
t
t
Ub4
H型单极型 PWM放大器原理器
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第四章 进给伺服系统
3) 功率放大器
双极型 PWM放大器原理器
Uab
t
t
t
Ub1
Ub2
M
VD2
VD1 VD3
VD4
a b
V1
V2
V3
V4
Ed
Ub3
t
t
Ub4
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第四章 进给伺服系统
4) PWM-M系统组成及工作原理
电压 — 脉宽调制器
比较器 功率放大器
伺服
电机
调制信号发生器
Uc Uc+D(t) e’(t) ?u4
D(t) +
+
PWM-M 特点,开关频率高, 仅靠电枢的电感作用,
即可获得满意的滤波作用, 近似直流 。 无论高速或
低速电机转速和扭矩平滑均匀, 调速比可以做得很
大, 且发热小, 寿命长 。
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第四章 进给伺服系统
1.交流调速方法
交流电动机调速公式：
n = 60 f1(1-S)/P
f1,定子电源频率 → 变频调速 ?高效率、宽范围,高精度
P,磁极对数 → 变 P调速
S,转差率 → 变 S调速
(二 ) 交流伺服电动机的调速
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第四章 进给伺服系统
(二 ) 交流伺服电动机的调速
2,PWM型变频器
? 构成
?二极管整流器,交 — 直变换, 经电容器滤波平滑,
产生恒定的 直流电压,输出给逆变器。
? PWM逆变器,直 — 交变换, 调频、调压,产生 电压,
频率 可调 交流电压,输出给伺服电动机的电枢绕组 。
M~
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第四章 进给伺服系统
(二 ) 交流伺服电动机的调速
2,PWM型变频器
返回
?PWM 逆变器原理
O
a
b负载
Ed/2
Ed/2
VD1
VD2
VT1
VT4 VT3
VT2
VD3
VD4
Uab
Uab
+Ed
-Ed
+Ed
-Ed
VT1,VT4导 通
VT2,VT3导 通
π 2 π
a)
b)
逆变器输出波形
a)18 0
o
通电输出波形 b)脉 冲宽度调制输出波形
第四章 进给伺服系统
(二 ) 交流伺服电动机的调速
2,PWM型变频器
?PWM 逆变器原理
ED,二极管整流器输出的直流电压
VT1--VT4,大功率晶体管，工作于开关壮态
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控制信号,加在 VT1--VT4基极上的一组等副、不等宽的矩
形脉冲 (调制信号 )，由控制电路产生 。
输出信号,逆变器输出端 Uab一组与控制信号频率相同、但
幅值放大的矩行脉冲 。
改变 VT1, VY4和 VT2, VT3交替导通的时间 → 改变 输出波
形的频率 ；
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第四章 进给伺服系统
(二 ) 交流伺服电动机的调速
2,PWM型变频器
?PWM 逆变器原理
改变半周期内 VT1,VY4（ 或 VT2, VT3） 的通断比 → 改变
脉冲宽度 → 改变 输出电压幅值 。
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六只大功率 晶体
管 组成全桥式电
路，电动机定子
采用, Y”连接。
第四章 进给伺服系统
(二 ) 交流伺服电动机的调速
2,PWM型变频器
?PWM 逆变器原理
逆变器 与 电动机
定子三相绕组 的
连接如图所示
A
B
z
电动机定子连接
x y
VT 1
VT 4 VT 5
VT 2
VT 6
VT 3
第四章 进给伺服系统
方波 —— 三角波 调制：输出波形的平均值按方波形式变化
三角波 —— 载波信号, 决定逆变器的开关频率 。
3.PWM 控制信号形成
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方波控制信号 三角波控制信号
O
A
第四章 进给伺服系统
*正弦波 —— 三角波 调制：输出波形的平均值按正弦波形式变化
*方波、正弦波 —— 控制信号,频率、幅值均可调，决定逆变器
的输出频率和幅值，可以由矢量变换控制获得。
*两信号交叉点 —— 调制信号,即逆变器功率晶体管基极的控制
信号
3.PWM 控制信号形成
三角波控制信号正弦波控制信号
O
A
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4.失量变换控制原理
第四章 进给伺服系统
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失量控制由德国学者于 1972年提出,首先应用于 感应 (IM)电动
机 中,目前也应用于 永磁电动机 (PM)中,且更易实现,在 高性能
伺服驱动系统 中得以广泛应用。
失量控制 是 模仿 直流电动机 的 控制 得出的。
?直流伺服电动机
·定子 —— 绕组 通以电流 If—— 产生励磁磁通
·电枢 —— 绕组 通以电流 Ia—— 产生电磁转矩
If,Ia彼此独立,分别调节 可以控制 φ,T
此外, 励磁磁场 和 电枢电流空间角度 是由电刷和机械换向所
固定，且是正交的，从而使电枢电流产生的 电磁转矩 最大。
4.失量变换控制原理
第四章 进给伺服系统
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同步,两磁场 相互作用，转子产生转动，转速与旋转磁常相同
?永磁同步交流伺服电动
·转子 —— 永磁体 —— 产生恒定的励磁磁场
·定子 —— 三相电枢绕组 —— 电枢电流 —— 产生旋转磁场
励磁磁场 与 电枢电流 的 空间角度 不是固定的,随负载 而变化，
故不能简单地通过调节 电枢电流 来直接控制 电磁转矩 。
4.失量变换控制原理
第四章 进给伺服系统
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设计一 控制系统,对电枢电流相对励磁磁场进行 空间定向 控
制 —— 角度控制 ；同时也控制电枢电流幅值 —— 幅值控制,
统称 失量控制 。
在 角度控制 中，选择使电枢磁场与励磁磁场 空间角度正交 ——
磁场定向,使电枢电流产生的 电磁转矩最大,以实现直流伺服
电动机的严格模拟。
?永磁同步交流伺服电动
?交流调速系统控制回路的结构与原理如下图：
第四章 进给伺服系统
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晶体管桥
基级驱动
基级驱动
基级驱动
基级驱动
基级驱动
基级驱动
比较
器
比较
器
比较
器
U u
U v
U w
ACR
电流反馈
正弦波
PW M回路
三角波
产生回路
SM
3-
BR
转子位置检测
回路
正弦波产生回
路
速度检测回路
DC
SIN
变
换
回
路
ASR
U ω
U ω
AC 伺服电动机控制系统框图
?交流调速系统控制回路的结构与原理图说明
第四章 进给伺服系统
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1)转子磁极位置检测电路
为了使 电流 与 永磁体磁通 在空间角度 正交,
必须 正确检测出磁极位置,
检测位置,旋转变压器
2)正弦波产生电路 产生以转子位置为相位的 正弦波
BR
转子位置检测
回路
正弦波产生回
路
速度检测回路
3) DC-SIN (直流正弦 )变换回路
由于在 交流伺服电动机 中需向 电绕组 通以 三相交流正弦电压,故
需将 速度调节器 输出的 直流电流参考信号 转化为 交流正弦信号
?交流调速系统控制回路的结构与原理图说明
第四章 进给伺服系统
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DC-SIN变换回路原理,
正弦波 发生电路输出的 数字化正弦波信号 与速度调节器输出的直
流信号在 乘法器中相乘,其输出信号作为 交流正弦电流指令,
?交流调速系统控制回路的结构与原理图说明
第四章 进给伺服系统
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D 0
D 1D 3D 5D 7
D 2D 4D 8
电流反馈
O
电流指令
(速度调节器输出)
O
电流指令
电流指令
乘法器
Π
速度调节器
数字的正弦波信号
?交流调速系统控制回路的结构与原理图说明
第四章 进给伺服系统
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4)正弦波 PWM电路
以 一定频率 和 一定振幅 的三角波与电流调节器输出的 正弦波 在 比
较器中 进行比较，若只取出正弦波超出 三角波的部分,即可输出
不等宽 的 脉冲列 。当脉冲的占空比为 50%时,逆变器的输出电压
为 零 。由于正弦波以 50%占空比为中心 而向 两边增减,平均看来
就得到了 正弦调制 。
?交流调速系统控制回路的结构与原理图说明
第四章 进给伺服系统
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三角波控制信号正弦波控制信号
正弦波PW M的 原理
?交流调速系统控制回路的结构与原理图说明
第四章 进给伺服系统
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5) 速度检测回路
检测装置,旋转变压器, 光电编码器
可同时完成 磁极位置 的检测。
6) 速度调节器 ASR
ASR输入信号, 速度指令 与 速度反馈 信号
输出信号, 电流指令 信号（直流量）
控制规律, 比例积分 (PL)
作用,进行稳定的 速度控制
要求,能 快速响应速度指令 ；
?交流调速系统控制回路的结构与原理图说明
第四章 进给伺服系统
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7) 电流调节器 ACR
ACR输入信号,电流指令与电流反馈信号
输出信号,电流控制信号
控制规律,比例积分 (PL)
作用,完成与磁通矢良正交的高速控制，使电枢绕组中的电
流在幅值和相位上都得到有效控制
要求,具有更高的快速性，以适应对电流瞬时值跟踪控制,
2) 感应同步器定尺绕组中感应的 总电势 是滑尺上 正弦
绕组 和 余弦绕组 所产生的感应电势的 ___。
①代数和 ②代数差 ③矢量和 ④矢量差
1) 对于一个设计合理，制造良好的带 位置闭环控制系
统 的数控
机床，可达到的 精度 由 ___决定。
① 机床机械结构的精度 ② 检测元件的精度
③计算机的运算速度 ④驱动装置的精度
第三节 闭环伺服系统
习题
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②
③
习题
3) 解释摩尔条纹的 放大作用？
答,
将两块具有 相同栅距 的光栅, 取有刻线的一面叠合在一起,
并使它们的刻线之间保持一个很小的 夹角 θ。 这时如果在光栅
正面用 平行光 垂直投射, 则在光栅背面形成 明暗相间 的条纹,
即摩尔条纹 。 两条暗带或两条帝带之间的距离叫摩尔条纹的间
距 B。 设光栅的栅距为 W,则有
由上式可见 θ越小, B越大, 等于把栅距扩大了 1/ θ倍转化为摩
尔条纹 。
??
WWB ??
2s i n2
第三节 闭环伺服系统
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习题
4) 为了改善磁栅传感器的输出信号，常采用有 n个间隙的磁
头,磁头之间间隔 为 ___。
①一个节距 ② 1/4节距 ③节距的整倍数 ④ 1/2节距
④
5) 在磁栅传感器中，有 n个 间隔为 1/2节距 的磁头，相邻两磁
头的 输出绕组 ___，这样得到的信号将为 单个磁头 输出信
号的 n倍。
①正向串接 ②反向并接 ③反向串接 ④反向并接
③
第三节 闭环伺服系统
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习题
6) 设 指示光栅 相对于 标尺光栅 作正向运动时，亮条纹按
P1- P2- P3 -P4- P1的顺序扫描四个光电元件，经过四倍
频细分电路，有四个尖脉冲依 A’ D’ C’ B’ A’的顺序出现；
则光栅作反向运动时，即亮条纹按 P4- P3 -P2 -P1-P4的
顺序扫描，四个尖脉冲出现的顺序是 ________________。C’ D’ A’ B’ C’
7) 感应同步器 中，为了辨别位移的方向和提高精度，采
用了
辩向及 细分电子线路,这种电路还用在 ______。
① 磁栅 ② 磁栅 ③ 光栅 ④ 光电盘
②
第三节 闭环伺服系统
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第三节 闭环伺服系统
习题
8) 将二进制数码 1011转换为循环码是 ____________。
9) 普通二进制编码盘与 葛莱循环码 盘有什么优点？
答：普通二进制编码盘把角度与二进制数码相对应, 因而
数值直观 。 葛莱循环码 盘针对普通二进制编码盘容易产生
非单值性误差这一缺点进行改进, 使得相领两个数码之间
只有一位变化, 限制了非单值性误差 。
1110
第三节 闭环伺服系统
习题
10) PWM-M系统 是指 ____。
① 直流发电机 — 电动机组
② 可控硅直流调压电源加直流电动机组
③ 脉冲宽度调制器 — 直流电动机调速系统
④ 感应电动机变频调速系统
11) 脉冲调宽调速系统 的 开头频率 可达 ____。
① 100次 /秒 ② 1000次 /秒
③ 2000次 /分 ④ 2000次 /秒
③
④
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习题
第三节 闭环伺服系统
12) 小惯量直流电动机什么 特点？可应用于 什么场合？
答,(1) 转动惯量小 。 约为普通直流电机的 1/10左右 。
(2) 电气, 机械时间常数小 。 故这种电机动态特性好,
响应快, 加, 减速能力强 。
(3) 由于转子无槽, 电气, 机械均衡性好, 使其在低速
时运转稳定而均匀 。 例如, 当转速低到 10r/min时, 仍
无爬行现象, 且调速范围宽 。
(4) 峰值转矩可达额定值的 10倍 。
(5) 由于这类电机转动惯量小, 一般与负载转动惯量同
一量级, 甚至在某些机床上负载的转动惯量要比电机
的大得多 。 这样, 机床传动链和执行机构就成了影响
整个系统动态特性的主要因素, 增加了调试工作的困
难 。 而且, 当工作情况改变时, 系统容易出现不稳定
的情况 。
习题
第三节 闭环伺服系统
12) 小惯量直流电动机什么 特点？可应用于 什么场合？
答：
应用：
目前, 仅在高速轻载伺服系统, 如数控印刷电路板钻床中采用
习题
第三节 闭环伺服系统
13) 大惯量直流电动机有哪些 特点？多用于 哪些场合？
答,大惯量直流电动机工作原理与普通它激式直流电机相
同，其结构和性能上有以下 特点,
(1) 转子扁而粗, 其长度与直径之比仅为 0.2左右 。 在电枢
直径相同的条件下, 电枢直径增加一倍, 可使电动机产生的
电磁转矩增加一倍 。
理论分析还证明, 电动机旋转速度和电枢直径成反比, 因此
这种电机可以得到低速大扭矩 。
习题
第三节 闭环伺服系统
13) 大惯量直流电动机有哪些 特点？多用于 哪些场合？
(2) 转矩大, 转矩惯量比高于普通电机, 电枢电路的电感
小, 动态特性好 。
(3) 调速范围宽, 低速性能好, 转速可达 0～ 1000r/min。
(4) 转动惯量较大, 设计时可只考虑电机的转动惯量, 忽略
其它传动件挡量转动惯量 。
(5)过载能力大, 最大峰值转矩可达额定转矩的 10倍, 并可
在三倍额定转矩的过载条件下工作 30分钟 。
在数控机床的闭环、半闭环伺服系统中得到广泛应用。应用,
习题
第三节 闭环伺服系统
14) 感应电动机有几种 调速方法？在机床上常用哪两种
方法？其中哪一种方法 更有发展前途？
答：（ 1） 改变电动机磁极对数 P，可以改变电动机转速，
但只能实现有限的几档速度变化，已用于机床主驱动
系统。
（ 2） 定子电压调速法：实质上是改变电机运行时的转
差率 S，但这种调速方法正常运行时转差率较大，功
率损耗亦罗大，而且在低速运行时输出转矩小，因而
在机床上不使用。
习题
第三节 闭环伺服系统
14) 感应电动机有几种 调速方法？在机床上常用哪两种
方法？其中哪一种方法 更有发展前途？
（ 3） 变频调速法：改变电动机电源频率 f，可以改变
电动机的转速，它的转速可以在较宽的转矩范围内平
行地连续调节，而且可以维持电动机输出转矩不变。
这种调速方未能已成功地应用在数控机床的主驱动系
统中，是感应电动机调速方法中最有前途的。
本课程结束
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晶体管桥
基级驱动
基级驱动
基级驱动
基级驱动
基级驱动
基级驱动
比较
器
比较
器
比较
器
U u
U v
U w
ACR
电流反馈
正弦波
PW M回路
三角波
产生回路
SM
3-
BR
转子位置检测
回路
正弦波产生回
路
速度检测回路
DC
SIN
变
换
回
路
ASR
U ω
U ω
一、概述
第四章 进给伺服系统
1,位置检测单元 —— 将检测元件检测到的位置信号进行处理，
以形成位置反馈信号。
2,比较环节 —— 完成指令信号与反馈信号的比较等。
3,伺服驱动 —— 功率放大，以驱动伺服元件。
4,伺服电机 —— 将电信号转换成机械运动。
(一 ) 系统组成
指令信号
比较环节 伺服驱动 伺服电机
位置检测单元
反馈信号
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第四章 进给伺服系统
全闭环 精度高,但结构复杂、成本高，调试维修困难，
适于大型精密数控系统。
半闭环 精度较全闭环差些，但 结构简单，造价低 且
便于调整。
交流伺服
直流伺服
数字伺服
(二 ) 闭环伺服系统分类
具有较高精度、速度、和动态特性
定位与控制精度高，速度快，稳定性好，有故
障自诊断和报警功能
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第四章 进给伺服系统
1．对检测元器件的要求
1) 可靠性高, 抗干扰能力强
2) 精度, 速度满足要求
3) 对环境的适应性强, 维护方便
4) 成本低, 寿命长
5) 便于与数控系统联接
(三 ) 闭环伺服系统常用的检测元件
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第四章 进给伺服系统
从检测的
信号分
直线型
回转型
从传感器
输出信号分
模拟式
数字式
2．检测传感器分类
直线感应同步器、长光栅、
长磁栅、激光干涉仪
旋转变压器、圆感应同步器、
圆光栅、圆磁栅、编码盘
光栅检测装置、脉冲编码盘
旋转变压器、感应同步器
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第四章 进给伺服系统
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，安装调整方便，
精度高,但 存在磁信号的稳定性, 磁头磨损 等问题，有应用。
3．检测元件的特点
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第四章 进给伺服系统
旋转变压器 —— 抗干扰能力强, 工作可靠, 结构简单,
动作灵敏, 信号输出幅度大, 对环境无特殊要求, 维护方便,
应用广泛 。
脉冲编码盘 —— 工作可靠、精度高，结构紧凑、成本低，
是精密数字控制和伺服系统中常用的角位移数字式检测元
器件，但 抗污染能力差，易损坏 。
激光干涉仪 —— 精度很高，但 抗震性、抗干扰能力差,
价格较贵，应用较少 。
3．检测元件的特点
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4.检测元件工作原理
第四章 进给伺服系统
?旋转变压器
旋转变压器 按照 互感原理 工作定子绕组上分别加上 交变励
磁 电压当转子旋转时，通过 电磁耦合,转子绕组内产生 感
应电势 —— 感应电压, 返回
定子
Uc(Cos)
Us(Sin)
转子
θ
U
4,检测元件工作原理
第四章 进给伺服系统
Us,Uc为定子正弦、余弦绕组上的 激磁电压, k为 变压
比,即 定子绕组与转子绕组 的匝数比 W1/W2。
定子
Uc(Cos)
Us(Sin)
转子
θ
U
?旋转变压器
U’=kUsSinθ或 U’=kUcCosθ
第四章 进给伺服系统
旋转变压器 作为 位置检测装置 有两种应用方式：
鉴相方式 和 鉴幅方式 。
1.鉴相工作方式
在 旋转变压器 定子的两相正交绕组，又称为正弦
和余弦绕组上，分别加上 幅值相等, 频率相同 的
正弦、余弦激磁电压
Us=Umsinωt Uc=Umcosωt
?旋转变压器的应用
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?旋转变压器的应用
第四章 进给伺服系统
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 。
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?旋转变压器的应用
2.鉴幅工作方式
第四章 进给伺服系统
给定子的两个绕组分别通上频率、相位相同但幅
值不同，即调幅的少许磁电压（ φ为机械转角）
Us=Umsinφsinωt
Uc=Umcosφsinωt
则在转子绕组上得到感应电压为
U =kUssin θ+kUccos θ
=kUmsinωt(sin φsin θ+cos φcos θ)
=kUmcos(φ-θ)sinωt 下一页上一页 返回
思考与练习
?旋 转 变 压 器 工 作 时, 加 到 励 磁 绕 组 的 电 压
Us=Umsinθsin(ωt),则此时加到补偿绕组的电压应为 __。
① Uc=Umcos θ sin(ωt) ② Uc=Umsin θsin(ωt)
③ Uc=Umcos θ cos(ωt) ④ Uc=Umsin θcos(ωt)
?旋转变压器的输出反映了 和 的固定函数关
系 。
第四章 进给伺服系统
答,①
答,电压 转子角位移 下一页上一页 返回
感应同步器工作原理图
?感应同步器
第四章 进给伺服系统
感应同步器 工作原理同旋
转变压器的工作原理相同
,滑齿 的两个激磁绕组通
以 激磁电压,滑齿与定齿
相对移动时，在 定齿 上便
产生 感应电压,感应电压
随位移的变化而变化。
节距为２ τ=2mm
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这样滑尺在移动一个节距的过程中，感应电压变化了一个余
弦波形。
第四章 进给伺服系统
?感应同步器
感应同步器工作原理图
设当 滑尺相对定尺移动 后,感
应电压 逐渐变小，在错开 1/4节
距 的 b点 时，感应电压为零。再
继续移到 1/2节距 的 c点 时得到的
电压值与 a点位置相同，但极性
相反。随后感应电压在 3/4节距
位置 d点 时又变为零，在移动 一
个节距 到 e点 时，电压幅值与 a
点位置相同。
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第四章 进给伺服系统
?感应同步器
定尺和滑尺绕组的节距均为 2τ=2mm，当两 尺相
对移动 2 τ后，感应电势以余弦或正弦函数变化电
气角 2 π,当相对移动距离为 x时，则对应的感应
电压将变化一个相位角 θ，由比例关系
θ/(2 π)=x / ( 2 τ)
可得, θ= πx/ τ
同理，因 余弦绕组 与 正弦绕组 错开 1/4个节距，即
π/2的相位角,由余弦绕组激磁在定尺上产生的感
应电压应按 正弦规律变化 。定尺上的总感应电压，
是上述两个感应电压的 线性叠加 。
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?感应同步器采用鉴幅法工作时, 可用于检测位移
和 。
第四章 进给伺服系统
答：定位控制
?感应同步器定尺绕组中感应的总电势是滑尺上 __和 _
可产生的感应电势的 。
答：正弦绕组 余弦绕组 矢量和
?感应同步器是一种 式的高精度位移检测元件 。
它有 和 两种 。
答：电磁感应 直线式 圆盘式
思考与练习
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?光栅位置检测装置
第四章 进给伺服系统
i,光栅检测装置的结构
光源
透镜
标尺光栅G s
指示光栅G i
光电元件
驱动电路
驱动
电路
执行部件带着 标尺光栅 相对 指示光栅 移动，通过读
数头的 光电转换,发送出与位移量对应的 数字脉冲
信号，用作 位置反馈 信号或 位置显示 信号
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?光栅尺
?光栅位置检测装置
第四章 进给伺服系统
包括 标尺光栅 和 指示光栅,
根据制造方法和光学原理不同,光栅 可分为 透射光栅 和 反射光栅,
透射光栅 是在光学玻璃表面，或在玻璃表面 感光材料的涂层
上 刻成 光栅线纹 。其特点是,
光源可以垂直入射,光电元件直接接受光照，因此信号幅
值比较大,信噪比好,光电密度为 200线 /mm时，光栅本身就已
经细分到,005mm从而 减轻了电子线路的负担。
光源
透镜
标尺光栅G s
指示光栅G i
光电元件
驱动电路
驱动
电路
ω
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ii,摩尔条纹
?光栅位置检测装置
第四章 进给伺服系统
标尺光栅
指示光栅
光栅节距
摩尔条纹节距
作用：
放大作用
误差均化作用
测量位移
θ
光栅倾角
? W,ω,θ之间的关系
?光栅位置检测装置
第四章 进给伺服系统
ω ω
θ
θ/2
指示光栅
标尺光栅
B
A
C
W/2
横向莫尔条纹的参数
BC=ABsin(θ/2)
其中 BC=ω/2,
AB=W/2,
因此 W=ω/sin(θ/2)
由于 θ很小, θ单位为 rad时，
Sin(θ/2) ≈ θ
故 W ≈ ω/ θ
ω
光栅
节距
θ
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令 k= W/ω = 1/θ,则 k为放大比。
如 ω=0.01mm，取 θ =0.002 rad = 0.11o 则 W=5mm,
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 。
iii,摩尔条纹的作用
a,放大作用
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 。
第四章 进给伺服系统
?光栅位置检测装置
返回
第四章 进给伺服系统
摩尔条纹 的移动距离与 光栅 的移动距离成比例，
光栅 横向移动 一个节距 ω，摩尔条纹正好 沿刻线上
下 移动一个节距 W，或者说在光栅刻线的某一位
置，摩尔条纹 明 --暗 --明 变化一个周期，这为光
元件的 安装与信号检测 提供了良好的条件。
?利用 脉冲变换电路 可以提高光栅检测装置的
读数分辨率，有 四倍, 八倍, 十倍, 二十倍 等。
?光栅位置检测装置
返回
c,测量位移
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思考与练习
第四章 进给伺服系统
?由于差动变压器的输出信号很小, 首先应把这个信
号送入直流放大器进行放大, 放大后的信号再经过
A/D转换, 两块光栅之间的夹角为 0.057°, 则摩尔条
纹的宽度约为 ___。
① 20mm ② 10mm ③ 0.35mm ④ 2.85mm
?设有一光栅的条纹密度是 10条 /mm,要利用它测
出 1的位移, 应采用 ___套光电转换装置 。
① 1 ② 2 ③ 3 ④ 4
答,①
答,② 下一页上一页 返回
是一种精度较高的位置检测装置。它
由磁性 标尺, 磁头,和 检测电路 组成。
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第四章 进给伺服系统
?磁尺位置检测装置
磁尺：
伺服系统
数字显示
尺
磁
检测
电路
磁
磁尺位置检测装置
返回
?磁性标尺：
第四章 进给伺服系统
?磁尺位置检测装置
磁
尺
按
基
本
形
状
分
为
平面实体形 磁尺 一般长度为 600mm
带 状 磁 尺 基体厚 0.2mm，宽 70mm
线 状 磁 尺 长度小于 1.5m，套装在磁头内
圆 形 磁 尺 做成 磁盘状,检测 角位移
表面录有 相等节距 （一般为 0.05,0.1，
0.2,1mm）周期变化的磁信号。
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N N N NS S S S N N S S N N S S
磁尺
N
磁头
U
下一页上一页 返回
?磁尺位置检测装置
磁头 是进行 磁 — 电 转换的 变换器,它把反
映空间位置的 磁信号 转换为 电信号 输送到
检测电路 中去。
使用 单个磁头 的 输出信号 很小，实际使用中常
将几个到几十个磁头以一定的方式联接起来，
组成 多间隙磁头 。多间隙磁头中的每一个磁头
都以相同的间距 λm/2配置，相邻两个磁头的输
出绕组 反向串接 。如图（多间隙磁头）
N N N NS S S S N N S S N N S S
磁尺
N
磁头
U
?磁头
第四章 进给伺服系统
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?工作原理
第四章 进给伺服系统
S NN N S S N N S N S S N N S S
求和
电路
带通滤波器
限幅放
大整形
功放
功放
低通滤波器
分频率
/4 00
震荡
器2M C
90度
移相
器
检相
内插
电路
可逆记数器 译码器
数字
显示
代码输出
磁场
分布
磁头I 磁头I I 磁尺
(m+1/ 4) λ
磁尺检测是 模拟测量,检出信号是一模拟信号，必须经 检
测电路 处理变换，才能获得表示 位移量 的 脉冲信号。
?工作原理 第四章 进给伺服系统
两个 磁头 I,II的激电流，由 分频, 滤波 和 功放
后获得，磁头 移动距离 x后 的输出电压为：
U 1 =U 0 s in (2 π /λ )s in ω t
U 2 =U 0 c o s (2 π /λ )s in ω t
在求和电路中相加，则得 磁头总输出电压 为：
U = U 0 s in (ω t+ 2 π x /λ )
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?脉冲编码器
第四章 进给伺服系统
脉冲编码器 是一种旋转式角位移检测装置，能
将 机械转角 变换成 电脉冲,是数空机床上 使用
最光 的检测装置。
脉
冲
编
码
器
的
分
类
增量式脉冲编码器
绝对式脉冲编码盘
光电式
接触式
电磁感应式
光电式
接触式
电磁感应式 返回
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板
路
电
刷
印
光源
园光栅
指示光栅
光电元件
低坐
护罩
旋转轴
A
A向
第四章 进给伺服系统
?增量式脉冲编码器
?脉冲编码器
结构图
指示光栅 有两组线纹 A和 B，每组线纹的 节距 和 圆
光栅 的节距相同，但 A,B两组线纹彼此错开 1/4
个节距，每组线纹与 旋转圆光栅 配合产生两路 脉
冲 A和 B用于 记数和辩向 。
返回
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第四章 进给伺服系统
?脉冲编码器
?工作原理
光源接通,圆光栅 旋转，
光线透过两个光栅的
A,B两组线纹，每转过
一个 光栅节距,便在光
电元件上形成 明 — 暗 —
明 变化一个周期的 光信
号,并被转化为两组近
乎于 正弦波 的电压信号，
连续旋转便得到 A和 B
两路 正弦电压信号
o
U A
B
90
A相
B相
90
o
5v
0v
5v
0v
脉冲编码的输出信号
返回
如右图所示：
放大、整形后得到所示
的方波信号 A和 B，如
光栅盘正转时 A相超前
90o，反转时 B相超前
90o。另外还产生一转
脉冲 Z,Z为基准脉冲，
或称零点脉冲，它是圆
光栅盘，可以作为坐标
原点的信号，车削螺纹
时作为刀点的信号。 5v0vZ
第四章 进给伺服系统
?脉冲编码器
是一种 绝对角度位置检测 装置，它的位置输出信号是
某种制式的数码信号，它表示位移后所达到的 绝对位置,
要用起点和终点的绝对位置的 数码信号,经运算后才能得
到位移量的大小。
?特点
电源切除 后位置 信息不会丢失,只要 通电就能显示出所在的绝
对位置信号,因此在 事故停机检修 后，可以根据加工 程序章上
标明的停机时的绝对位置,或 停机时记录下来的绝对位置,用
绝对位移指令 直接 找回原机位置进行继续加工 。
?绝对式脉冲编码盘
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第四章 进给伺服系统
?脉冲编码器
0
1
2
3 4
5
6
7
8
9
10
1112
13
14
15
(2)
0
(2)
1
(2)
2
(2)
3
(a)
0
1
2
3
4
5
6
78
9
10
11
12
13
14
15
(2)
0
(2)
1
(2)
2
(2)
3
输出
二进制编码盘 葛莱编码盘
(b)
绝对式脉冲编码盘
?绝对式脉冲编码盘
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第四章 进给伺服系统
码盘上有许多 同心圆环,称为 码道,整个圆盘又分
为若干个 等分的扇形区段,每一相同的扇形区段的
码道组成一个 数码, 着色的码道为,1”,未着色的
码道为,0”，内环码道为数码的高位。
A图为二进制数码,B图为葛莱循环码
在 圆盘 的同一半径方向的每个码道处，如图的 圆点
所示，安装一个 光电元件, 光源 装在圆盘的另一侧，
码盘转动，每一扇形区段愉的光信号通过光电元件
转换成数码脉冲信号 。
?脉冲编码器
?绝对式脉冲编码盘
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第四章 进给伺服系统
?脉冲编码器
图中 二进制 的数码
1100的位置就是从 0
位算起的第 12个角
度 绝对坐标位置,
换算成角度是
（ 360/16） x12=270
的位置（编码盘分
为 16个区段）。
0
1
2
3 4
5
6
7
8
9
10
1112
13
14
15
(2)
0
(2)
1
(2)
2
(2)
3
二进制编码盘
?绝对式脉冲编码盘
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第四章 进给伺服系统
纯二进制码 有一个 缺点,相邻 两个二进制数 可能有 多
位二进制码 不同，当数码切换时有多个数位要进行切
换,增大了误读的机率 。
葛莱码 相邻 两个二进制数码 只有 一个数位 不同，因此
两数切换时只在一位进行，提高了读数的可靠性。
0
1
2
3 4 5
6
7
8
9
10
1112
13
14
15
0
1
2
3
4
5
6
78
9
10
11
12
13
14 15
二进制编码盘
葛莱编码盘
多位二进
码不同
?两种编码的可靠性的比较,
?脉冲编码器
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第四章 进给伺服系统
?脉冲编码器
多圈式绝对编码器，综合了各种编码器的长处。其内部结构
如图所式。
?多圈式脉冲编码盘
固定窄缝
光码盘
A LSI
线性
驱动
LED
转盘
A B Z
+5V
+3V
CPU
A
磁电阻元件
磁盘
多圈式绝对编码器原理框图
?多圈式脉冲编码盘
第四章 进给伺服系统
?脉冲编码器
它有一个 光电码盘 和一个 磁码盘,两条通道的信号经过检测
装置内部的 CPU,大规模集成电路 及 驱动电路 串行地输出 绝对
位置信息 。
这种编码器的 优点 是：
? 分辨率高
? 响应快
? 具有数据长期存储功能
? 串行输出，信号线少，可靠性高，便于长距离传输
思考与练习
第四章 进给伺服系统
?对于单个码盘为 16位的光电编码盘, 它能测出的
最小角位移为 ____。
① 11.76’ ② 11.25° ③ 0.196° ④ 0.0055° (33’’)
?举出 2～ 3种数控机床常用的位置传感器, 并说明
它们的主要特点？
答,常用的位置传感有 光栅, 感应同步器, 光电编码
盘 等等 。
它们的特点是,检测范围较大, 易于实现测量
信号数字化, 测量精度高 。
④
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?激光干涉位置检测装置
第四章 进给伺服系统
? 激光 是一种新兴的能源，它有高度的 相干性 ；
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? 波长频谱宽度窄，是一种 单色光, 亮度极高 ；
? 光束的 发散角小 至 10e-4rad以下，有 很好的方向性 ;
由于激光有这些特性，因而广泛地应用与 长距离, 高精度
的 位置检测,测量中通常都是采用氦氖激光，其频谱宽度
为 1.5*10e3MHz,波长为 0.628um。
概
述
目前可供使用有 单频激光干涉法 与双 频激光干涉法 两种测
距发方法
激光测距 利用光的 干涉原理,使两束激光
产生 明暗相间 的干涉条纹，由光电元件接受
并转换成 电信号,经处理后由记数器记数，
从而实现对位移的测量，由于激光的 波长短
，单色性好，波长稳定准确,测量的分辨率
至少可达到 λ/ 2,如果利用 倍频 等电子技术
可达到更高的分辨率。
?激光干涉位置检测装置
第四章 进给伺服系统
?激光测距原理
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第四章 进给伺服系统
?双频激光干涉仪
统系
制控
激光器
滤光器
检偏器
测量信号
放大器
工作台
计算机
及
显示器
基准信号
双频激光干涉仪
f 测
f 基
D1
D2
M1
M2
a
b
f1
f2
f 1+ f
-
M3
M1,M2,M3 为分光镜
D 1,D 2 为光电元件
双频激光干涉仪 是利用光的 干涉原理 和 多普勒效应 （是指
光线射到运动粒子上其频率将发生改变的现象）产生 频差
的原理来进行 位置检测
第四章 进给伺服系统
双频激光干涉仪较单频激光干涉仪的优点：
a,接受信号为 交流信号,前置放大器为高倍数的交流放
大器,不用直流放大,故没有 零点漂移 问题；
b,采用 多普勒效应,计数器是计频率差的变化，不受激
光强度和磁场变化的影响。这对 远距离测量 十分重要
?激光干涉仪的 计量精度 和 分辨率 都很高，但是它对 使
用环境的要求高,而且 价格也较贵,目前多 用于坐标
测量 机床。
缺点
返回
?双频激光干涉仪
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第四章 进给伺服系统
(一 ) 对驱动元件的要求
1,转动惯量小 —— 以提高系统的快速响应
二、驱动元件
3,低速运行的稳定性、均匀性好 —— 以保证低速时的精度
2,过载能力强 —— 以适应经常出现的过冲现象
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第四章 进给伺服系统
1．小惯量直流伺服电动机
(二 ) 直流伺服电动机
1) 转子细而长 —— 大大减小了电动机的 转动惯量,
快速响应性能好 。
2) 气隙较大 —— 换向性好, 时间常数 5-10ms。
3) 转子上无槽 —— 电感小, 时间常数小, 动态特性
好, 响应快, 低速运转稳定而均匀 。
4) 气隙磁密度大 —— 过载能力强 。
输出功率几 +瓦 ─ +千瓦, 转速 1-3000r/min
最大转矩约 20N.m,但输出需加齿轮减速
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第四章 进给伺服系统
1) 转矩大
2) 调速范围宽 1000~1500r/min
3) 转动惯量小 设计时可 忽略 其它传动件的 转动惯量
4) 动态响应好
最大峰值转矩 可达 额定转矩 的 10倍，可在 3倍额定
转矩的过载条件下工作 30min，但 快速响应性能 不如小
惯量电机。
5) 过载能力强
返回
?特点：
2．大惯量直流伺服电动机
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第四章 进给伺服系统
表 1 日本富士通公司直流伺服电动机系列几种规格的主要技术参数
小惯量 中惯量 大惯量
型 号
参数
OL 5L
10L
H
OM 20M 30M 0 10 20H 40 50 70H
输出功率 ( kw ) 0, 3 0,6 6,0 0,4 1,8 2,8 0,4 1,1 3,1 5 10 22
暂定转矩 ( N, m ) 2,5 1,9 19 2,7 22,5 37,2 2,7 1 1,8 39,2 32,3 65,7 23,5
最大转矩 ( N, m ) 12,3 21,5 147 14,7 1 12 186 24 1 14 241 245 510 520
最大转速 ( r / m i n) 2 000 2000 2000 2000 1500 1200 2000 1500 1500 2000 2000 2000
电枢转动惯量
( 9, 8N, m
2
)
0, 0 0 0 1
9
0, 0 0 0 8
8
0,01
5
0,00
2
0,01
3
0,03
6
0, 0 0 2 8 0,02
0,03
8
0,12 0,19 0,60
机械时间常数
( m s )
7 5 7 10 10 8 25 19 17 24 15 18
热时间常数
( m i n)
15 20 10 10 70 85 50 100 35 120 120 35
重量 ( kg) 10 15 66 12 30 53 12 25 45 90 125 220
第四章 进给伺服系统
1．笼型异步型伺服电动机
?定子 — 对称三相绕组 ?产生旋转磁场
?转子 — 转子绕组 （ 导体 ） ? 切割磁通 ?产生感应电势
?感应电流 ? 电磁转矩 ? 转子转动
?转子 转动方向 与旋转磁场方向 不同 —— 异步
?转子 转动速度 小于 旋转磁场速度 n0 —— 转差率
(三 ) 交流伺服电动机
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第四章 进给伺服系统
2．永磁同步型伺服电动机
? 定子 — 三相电枢绕组 ?产生 旋转磁场
? 转子 — 永磁体 ? 产生恒定 励磁磁场
? 通电的电枢绕组及载流导体切割磁力线 ?产生电磁力 ?
? 以反作用力方式 驱动转子 永磁体 转动
? 转子 转动的方向 与旋转磁场方向 相同 —— 同步
返回
(三 )交流伺服电动机
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第四章 进给伺服系统
? 表 2 DC伺服电动机与 AC伺服电动机的比较
机种
比较内容
永磁同步型 AC
伺服电动机
异步型 AC
伺服电动机
DC 伺服电动机
电机构造 比较简单 简单
因有电刷和换向器，
结构复杂
变流机构
C T R 或 P - M O S F E T
逆变器
或 P - M O S F E T
逆变器
大转矩约束 永磁体去磁 无特殊要求
整流火花,
永磁体退磁
发热情况
只有定子线
圈发热，有利
定、转子均发热，需
采取措施
转子发热，不利
高速化 比较容易 容易 稍有困难
大容量化 稍微困难 容易 难
制动 容易 困难 容易
控制方法 稍复杂 复杂 ( 矢量控制 ) 简单
磁通产生 永磁体 二次感应磁通 永磁体
感应电压 电枢感应电压 二次阻抗电压 电枢感应电压
环境适应性 好 好 受火花限制
维护性 无 无 较麻烦
第四章 进给伺服系统
1,DC电动机转速公式
三、速度调节
(一 ) 直流伺服电动机的调速
n= UD /Ce? - RI/ Ce?
UD — 电枢电压 Ce— 与电机结构有关的常数
? — 励磁磁通 I — 励磁电流 R— 电枢回路电阻
改变 UD 调速 的方法
可控硅调速
PWM调速
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1 ) 可控硅
电力半导体 器件, 是 弱电 控制到 强电 输出的桥梁作用 。
包括,阳极 （ A）, 阴极 （ K）, 控制级 （ G）
导通条件,ⅰ ） 阳极 A,?
阴极 K,?
ⅱ ） 控制级 G加正向电压 。
第四章 进给伺服系统
2．可控硅调速 （ SCR-M）
三、速度调节
(一 ) 直流伺服电动机的调速
K
A
G
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第四章 进给伺服系统
三、速度调节
(一 ) 直流伺服电动机的调速
2) SCR-M调速系统
特点,工作频率 低, 输出电压波形 差, 电流脉动 分量大,
这不但 使电机发热, 工作条件恶化, 也影响电网电压
波动 。
位置检测及反馈
速度检测及反馈
位置 位置 速度 速度 电流 uk α
指令 偏差 指令 偏差 指令
MM
电流检测反馈 UD
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第四章 进给伺服系统
1) 脉宽调速原理
3,脉宽调制 (PWM) 原理与系统
PWM — Pulse Width Modulation
直流电源电压 U经 开关 S
转换为 一定频率 的 方波电压 加到
直流电机 电枢 上，通过对方波
脉冲宽度 的控制，就可改变电枢
的 平均电压,从而调节电机 转速。
S
U u
DMM
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第四章 进给伺服系统
设开关 S开闭周期为 T,每次 闭合时间为 ?
则电枢两端平均电压 Ud为,
Ud =? U/T=rU
r,导通率 (脉宽系数 )
T一定 ?? Ud ?
?=0 Ud=0 电机停止
?=T Ud=U 最高转速
S
U u
D
MM
3,脉宽调制 (PWM) 原理与系统
PWM — Pulse Width Modulation
1) 脉宽调速原理
uD uD
Ud1
Ud2
T T
? ?
T,500 ～ 2500Hz，
大大小于电动机的时间常数，故无转速脉动。 返回下一页上一页
第四章 进给伺服系统
2) 脉宽调制器 PWM
输入, 电流调节器 输出的直流电压 Uc
输出, 幅值恒定, 宽度可变 的 矩形脉冲电压
方法, 高频载波法, 数字脉宽调制, 高频极限环法 等
比较器
调制信号发生器
Uc Uc+D(t) e’(t)
D(t) +
+
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位置检测及反馈
速度检测及反馈
位置 位置 速度 速度 电流 uk α
指令 偏差 指令 偏差 指令
MM
电流检测反馈 UD
第四章 进给伺服系统
? 调制信号发生器
产生频率, 幅值都固定的高频载波信号 D（ t）,
D(t)可以是三角波、锯齿波、正弦波
? 高频载波法的原理
直流 输入信号 Uc 叠加
在 载波信号 D(t)上,
再进入 比较器 。
比较器 是一个具有继电器特性的电子元件, 其输出信号是一
个 与 D(t)同频率 的矩形脉冲, 脉冲 占空比 取决于 Uc的大小 。
2) 脉宽调制器 PWM
比较器
调制信号发生器
Uc Uc+D(t) e’(t)
D(t) +
+
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第四章 进给伺服系统
2) 脉宽调制器 PWM
Vc
D(t)
e(t)
e’(t)
Vc=0
Vc
D(t)
e(t)
e’(t)
Vc>0
Vc
D(t)
e(t)
e’(t)
Vc<0
e(t) e’(t)+VVc
-V
D(t)
?
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第四章 进给伺服系统
3) 功率放大器
t
t
t
Ub1
Ub2
Uab
M
VD2
VD1 VD3
VD4
a b
V1
V2
V3
V4
Ed
Ub3
t
t
Ub4
H型单极型 PWM放大器原理器
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第四章 进给伺服系统
3) 功率放大器
双极型 PWM放大器原理器
Uab
t
t
t
Ub1
Ub2
M
VD2
VD1 VD3
VD4
a b
V1
V2
V3
V4
Ed
Ub3
t
t
Ub4
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第四章 进给伺服系统
4) PWM-M系统组成及工作原理
电压 — 脉宽调制器
比较器 功率放大器
伺服
电机
调制信号发生器
Uc Uc+D(t) e’(t) ?u4
D(t) +
+
PWM-M 特点,开关频率高, 仅靠电枢的电感作用,
即可获得满意的滤波作用, 近似直流 。 无论高速或
低速电机转速和扭矩平滑均匀, 调速比可以做得很
大, 且发热小, 寿命长 。
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第四章 进给伺服系统
1.交流调速方法
交流电动机调速公式：
n = 60 f1(1-S)/P
f1,定子电源频率 → 变频调速 ?高效率、宽范围,高精度
P,磁极对数 → 变 P调速
S,转差率 → 变 S调速
(二 ) 交流伺服电动机的调速
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第四章 进给伺服系统
(二 ) 交流伺服电动机的调速
2,PWM型变频器
? 构成
?二极管整流器,交 — 直变换, 经电容器滤波平滑,
产生恒定的 直流电压,输出给逆变器。
? PWM逆变器,直 — 交变换, 调频、调压,产生 电压,
频率 可调 交流电压,输出给伺服电动机的电枢绕组 。
M~
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第四章 进给伺服系统
(二 ) 交流伺服电动机的调速
2,PWM型变频器
返回
?PWM 逆变器原理
O
a
b负载
Ed/2
Ed/2
VD1
VD2
VT1
VT4 VT3
VT2
VD3
VD4
Uab
Uab
+Ed
-Ed
+Ed
-Ed
VT1,VT4导 通
VT2,VT3导 通
π 2 π
a)
b)
逆变器输出波形
a)18 0
o
通电输出波形 b)脉 冲宽度调制输出波形
第四章 进给伺服系统
(二 ) 交流伺服电动机的调速
2,PWM型变频器
?PWM 逆变器原理
ED,二极管整流器输出的直流电压
VT1--VT4,大功率晶体管，工作于开关壮态
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控制信号,加在 VT1--VT4基极上的一组等副、不等宽的矩
形脉冲 (调制信号 )，由控制电路产生 。
输出信号,逆变器输出端 Uab一组与控制信号频率相同、但
幅值放大的矩行脉冲 。
改变 VT1, VY4和 VT2, VT3交替导通的时间 → 改变 输出波
形的频率 ；
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第四章 进给伺服系统
(二 ) 交流伺服电动机的调速
2,PWM型变频器
?PWM 逆变器原理
改变半周期内 VT1,VY4（ 或 VT2, VT3） 的通断比 → 改变
脉冲宽度 → 改变 输出电压幅值 。
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六只大功率 晶体
管 组成全桥式电
路，电动机定子
采用, Y”连接。
第四章 进给伺服系统
(二 ) 交流伺服电动机的调速
2,PWM型变频器
?PWM 逆变器原理
逆变器 与 电动机
定子三相绕组 的
连接如图所示
A
B
z
电动机定子连接
x y
VT 1
VT 4 VT 5
VT 2
VT 6
VT 3
第四章 进给伺服系统
方波 —— 三角波 调制：输出波形的平均值按方波形式变化
三角波 —— 载波信号, 决定逆变器的开关频率 。
3.PWM 控制信号形成
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方波控制信号 三角波控制信号
O
A
第四章 进给伺服系统
*正弦波 —— 三角波 调制：输出波形的平均值按正弦波形式变化
*方波、正弦波 —— 控制信号,频率、幅值均可调，决定逆变器
的输出频率和幅值，可以由矢量变换控制获得。
*两信号交叉点 —— 调制信号,即逆变器功率晶体管基极的控制
信号
3.PWM 控制信号形成
三角波控制信号正弦波控制信号
O
A
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4.失量变换控制原理
第四章 进给伺服系统
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失量控制由德国学者于 1972年提出,首先应用于 感应 (IM)电动
机 中,目前也应用于 永磁电动机 (PM)中,且更易实现,在 高性能
伺服驱动系统 中得以广泛应用。
失量控制 是 模仿 直流电动机 的 控制 得出的。
?直流伺服电动机
·定子 —— 绕组 通以电流 If—— 产生励磁磁通
·电枢 —— 绕组 通以电流 Ia—— 产生电磁转矩
If,Ia彼此独立,分别调节 可以控制 φ,T
此外, 励磁磁场 和 电枢电流空间角度 是由电刷和机械换向所
固定，且是正交的，从而使电枢电流产生的 电磁转矩 最大。
4.失量变换控制原理
第四章 进给伺服系统
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同步,两磁场 相互作用，转子产生转动，转速与旋转磁常相同
?永磁同步交流伺服电动
·转子 —— 永磁体 —— 产生恒定的励磁磁场
·定子 —— 三相电枢绕组 —— 电枢电流 —— 产生旋转磁场
励磁磁场 与 电枢电流 的 空间角度 不是固定的,随负载 而变化，
故不能简单地通过调节 电枢电流 来直接控制 电磁转矩 。
4.失量变换控制原理
第四章 进给伺服系统
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设计一 控制系统,对电枢电流相对励磁磁场进行 空间定向 控
制 —— 角度控制 ；同时也控制电枢电流幅值 —— 幅值控制,
统称 失量控制 。
在 角度控制 中，选择使电枢磁场与励磁磁场 空间角度正交 ——
磁场定向,使电枢电流产生的 电磁转矩最大,以实现直流伺服
电动机的严格模拟。
?永磁同步交流伺服电动
?交流调速系统控制回路的结构与原理如下图：
第四章 进给伺服系统
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晶体管桥
基级驱动
基级驱动
基级驱动
基级驱动
基级驱动
基级驱动
比较
器
比较
器
比较
器
U u
U v
U w
ACR
电流反馈
正弦波
PW M回路
三角波
产生回路
SM
3-
BR
转子位置检测
回路
正弦波产生回
路
速度检测回路
DC
SIN
变
换
回
路
ASR
U ω
U ω
AC 伺服电动机控制系统框图
?交流调速系统控制回路的结构与原理图说明
第四章 进给伺服系统
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1)转子磁极位置检测电路
为了使 电流 与 永磁体磁通 在空间角度 正交,
必须 正确检测出磁极位置,
检测位置,旋转变压器
2)正弦波产生电路 产生以转子位置为相位的 正弦波
BR
转子位置检测
回路
正弦波产生回
路
速度检测回路
3) DC-SIN (直流正弦 )变换回路
由于在 交流伺服电动机 中需向 电绕组 通以 三相交流正弦电压,故
需将 速度调节器 输出的 直流电流参考信号 转化为 交流正弦信号
?交流调速系统控制回路的结构与原理图说明
第四章 进给伺服系统
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DC-SIN变换回路原理,
正弦波 发生电路输出的 数字化正弦波信号 与速度调节器输出的直
流信号在 乘法器中相乘,其输出信号作为 交流正弦电流指令,
?交流调速系统控制回路的结构与原理图说明
第四章 进给伺服系统
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D 0
D 1D 3D 5D 7
D 2D 4D 8
电流反馈
O
电流指令
(速度调节器输出)
O
电流指令
电流指令
乘法器
Π
速度调节器
数字的正弦波信号
?交流调速系统控制回路的结构与原理图说明
第四章 进给伺服系统
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4)正弦波 PWM电路
以 一定频率 和 一定振幅 的三角波与电流调节器输出的 正弦波 在 比
较器中 进行比较，若只取出正弦波超出 三角波的部分,即可输出
不等宽 的 脉冲列 。当脉冲的占空比为 50%时,逆变器的输出电压
为 零 。由于正弦波以 50%占空比为中心 而向 两边增减,平均看来
就得到了 正弦调制 。
?交流调速系统控制回路的结构与原理图说明
第四章 进给伺服系统
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三角波控制信号正弦波控制信号
正弦波PW M的 原理
?交流调速系统控制回路的结构与原理图说明
第四章 进给伺服系统
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5) 速度检测回路
检测装置,旋转变压器, 光电编码器
可同时完成 磁极位置 的检测。
6) 速度调节器 ASR
ASR输入信号, 速度指令 与 速度反馈 信号
输出信号, 电流指令 信号（直流量）
控制规律, 比例积分 (PL)
作用,进行稳定的 速度控制
要求,能 快速响应速度指令 ；
?交流调速系统控制回路的结构与原理图说明
第四章 进给伺服系统
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7) 电流调节器 ACR
ACR输入信号,电流指令与电流反馈信号
输出信号,电流控制信号
控制规律,比例积分 (PL)
作用,完成与磁通矢良正交的高速控制，使电枢绕组中的电
流在幅值和相位上都得到有效控制
要求,具有更高的快速性，以适应对电流瞬时值跟踪控制,
2) 感应同步器定尺绕组中感应的 总电势 是滑尺上 正弦
绕组 和 余弦绕组 所产生的感应电势的 ___。
①代数和 ②代数差 ③矢量和 ④矢量差
1) 对于一个设计合理，制造良好的带 位置闭环控制系
统 的数控
机床，可达到的 精度 由 ___决定。
① 机床机械结构的精度 ② 检测元件的精度
③计算机的运算速度 ④驱动装置的精度
第三节 闭环伺服系统
习题
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②
③
习题
3) 解释摩尔条纹的 放大作用？
答,
将两块具有 相同栅距 的光栅, 取有刻线的一面叠合在一起,
并使它们的刻线之间保持一个很小的 夹角 θ。 这时如果在光栅
正面用 平行光 垂直投射, 则在光栅背面形成 明暗相间 的条纹,
即摩尔条纹 。 两条暗带或两条帝带之间的距离叫摩尔条纹的间
距 B。 设光栅的栅距为 W,则有
由上式可见 θ越小, B越大, 等于把栅距扩大了 1/ θ倍转化为摩
尔条纹 。
??
WWB ??
2s i n2
第三节 闭环伺服系统
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习题
4) 为了改善磁栅传感器的输出信号，常采用有 n个间隙的磁
头,磁头之间间隔 为 ___。
①一个节距 ② 1/4节距 ③节距的整倍数 ④ 1/2节距
④
5) 在磁栅传感器中，有 n个 间隔为 1/2节距 的磁头，相邻两磁
头的 输出绕组 ___，这样得到的信号将为 单个磁头 输出信
号的 n倍。
①正向串接 ②反向并接 ③反向串接 ④反向并接
③
第三节 闭环伺服系统
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习题
6) 设 指示光栅 相对于 标尺光栅 作正向运动时，亮条纹按
P1- P2- P3 -P4- P1的顺序扫描四个光电元件，经过四倍
频细分电路，有四个尖脉冲依 A’ D’ C’ B’ A’的顺序出现；
则光栅作反向运动时，即亮条纹按 P4- P3 -P2 -P1-P4的
顺序扫描，四个尖脉冲出现的顺序是 ________________。C’ D’ A’ B’ C’
7) 感应同步器 中，为了辨别位移的方向和提高精度，采
用了
辩向及 细分电子线路,这种电路还用在 ______。
① 磁栅 ② 磁栅 ③ 光栅 ④ 光电盘
②
第三节 闭环伺服系统
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第三节 闭环伺服系统
习题
8) 将二进制数码 1011转换为循环码是 ____________。
9) 普通二进制编码盘与 葛莱循环码 盘有什么优点？
答：普通二进制编码盘把角度与二进制数码相对应, 因而
数值直观 。 葛莱循环码 盘针对普通二进制编码盘容易产生
非单值性误差这一缺点进行改进, 使得相领两个数码之间
只有一位变化, 限制了非单值性误差 。
1110
第三节 闭环伺服系统
习题
10) PWM-M系统 是指 ____。
① 直流发电机 — 电动机组
② 可控硅直流调压电源加直流电动机组
③ 脉冲宽度调制器 — 直流电动机调速系统
④ 感应电动机变频调速系统
11) 脉冲调宽调速系统 的 开头频率 可达 ____。
① 100次 /秒 ② 1000次 /秒
③ 2000次 /分 ④ 2000次 /秒
③
④
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习题
第三节 闭环伺服系统
12) 小惯量直流电动机什么 特点？可应用于 什么场合？
答,(1) 转动惯量小 。 约为普通直流电机的 1/10左右 。
(2) 电气, 机械时间常数小 。 故这种电机动态特性好,
响应快, 加, 减速能力强 。
(3) 由于转子无槽, 电气, 机械均衡性好, 使其在低速
时运转稳定而均匀 。 例如, 当转速低到 10r/min时, 仍
无爬行现象, 且调速范围宽 。
(4) 峰值转矩可达额定值的 10倍 。
(5) 由于这类电机转动惯量小, 一般与负载转动惯量同
一量级, 甚至在某些机床上负载的转动惯量要比电机
的大得多 。 这样, 机床传动链和执行机构就成了影响
整个系统动态特性的主要因素, 增加了调试工作的困
难 。 而且, 当工作情况改变时, 系统容易出现不稳定
的情况 。
习题
第三节 闭环伺服系统
12) 小惯量直流电动机什么 特点？可应用于 什么场合？
答：
应用：
目前, 仅在高速轻载伺服系统, 如数控印刷电路板钻床中采用
习题
第三节 闭环伺服系统
13) 大惯量直流电动机有哪些 特点？多用于 哪些场合？
答,大惯量直流电动机工作原理与普通它激式直流电机相
同，其结构和性能上有以下 特点,
(1) 转子扁而粗, 其长度与直径之比仅为 0.2左右 。 在电枢
直径相同的条件下, 电枢直径增加一倍, 可使电动机产生的
电磁转矩增加一倍 。
理论分析还证明, 电动机旋转速度和电枢直径成反比, 因此
这种电机可以得到低速大扭矩 。
习题
第三节 闭环伺服系统
13) 大惯量直流电动机有哪些 特点？多用于 哪些场合？
(2) 转矩大, 转矩惯量比高于普通电机, 电枢电路的电感
小, 动态特性好 。
(3) 调速范围宽, 低速性能好, 转速可达 0～ 1000r/min。
(4) 转动惯量较大, 设计时可只考虑电机的转动惯量, 忽略
其它传动件挡量转动惯量 。
(5)过载能力大, 最大峰值转矩可达额定转矩的 10倍, 并可
在三倍额定转矩的过载条件下工作 30分钟 。
在数控机床的闭环、半闭环伺服系统中得到广泛应用。应用,
习题
第三节 闭环伺服系统
14) 感应电动机有几种 调速方法？在机床上常用哪两种
方法？其中哪一种方法 更有发展前途？
答：（ 1） 改变电动机磁极对数 P，可以改变电动机转速，
但只能实现有限的几档速度变化，已用于机床主驱动
系统。
（ 2） 定子电压调速法：实质上是改变电机运行时的转
差率 S，但这种调速方法正常运行时转差率较大，功
率损耗亦罗大，而且在低速运行时输出转矩小，因而
在机床上不使用。
习题
第三节 闭环伺服系统
14) 感应电动机有几种 调速方法？在机床上常用哪两种
方法？其中哪一种方法 更有发展前途？
（ 3） 变频调速法：改变电动机电源频率 f，可以改变
电动机的转速，它的转速可以在较宽的转矩范围内平
行地连续调节，而且可以维持电动机输出转矩不变。
这种调速方未能已成功地应用在数控机床的主驱动系
统中，是感应电动机调速方法中最有前途的。
本课程结束
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晶体管桥
基级驱动
基级驱动
基级驱动
基级驱动
基级驱动
基级驱动
比较
器
比较
器
比较
器
U u
U v
U w
ACR
电流反馈
正弦波
PW M回路
三角波
产生回路
SM
3-
BR
转子位置检测
回路
正弦波产生回
路
速度检测回路
DC
SIN
变
换
回
路
ASR
U ω
U ω
