? 2005 GDGM 机电,数控机床与编程》
模块 四 进给伺服系统
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 20052
?单元一 伺服电机及其调速
?单元二 位置检测装置
?单元三 典型进给伺服系统
?单元四 伺服系统的特性对加工精度的影响
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 20053
单元一 步进电机及其调速
一, 步进电机
二, 直流伺服电机及其调速系统
三, 交流伺服电机及其调速
Exit
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 20054
单元一 步进电机及其调速
一, 步进电机
Exit
′
′
′
° ° °
相相 相
各相定子齿
转子齿展开
顺时针方向
图 4-1 径向分相式反应步进电机
磁路 定子 转子 绕组 机壳 端盖端板
图 4-2 轴向分相反映式步进电机
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 20055
二, 直流伺服电机及其调速系统
Exit
单元一 步进电机及其调速
1,直流伺服电机的结构、原理与调速
2、大惯量直流伺服电机
3,直流伺服电机的可控硅调速系统
4,晶体管脉冲调宽（ PWM） 调速系统
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 20056
二, 直流伺服电机及其调速系统
Exit
磁极
电枢导体
电刷
换
向
片
磁极
R f
I f
R a
I a u
u f
图 4-3 直流伺服电机 图 4-4 他激直流电动机的工作原理图
单元一 步进电机及其调速
1,直流伺服电机的结构、原理与调速
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 20057
二, 直流伺服 电机 及其调速系统
Exit
单元一 步进电机及其调速
3,直流伺服电机的可控硅调速系统
ST LT
U p
U G
U i -
+
U i ′
U k
α
DC
TG
+
-
图 4-5 可控硅（晶闸管）直流调速系统
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 20058
二, 直流伺服电机及其调速系统
Exit
单元一 步进电机及其调速
4,晶体管脉冲调宽（ PWM） 调速系统
U p
+
-
U G
ST LT TGDC
U i
U i ′
-
+
U c
C
U
PWM
U T
U T
速度控制器 电流控制器
图 4-6 直流伺服电机的脉冲调宽调速系统
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 20059
单元一 步进电机及其调速
三, 交流伺服电机及其调速
Exit
1、交流伺服电机的分类和特点
2、永磁交流伺服电动机
a） 结构
b） 工作原理
转轴
轴 向
通风孔
永久磁铁
定子
出线盒
脉 冲
编码器
定子三相绕组压板转子定子
S
S
N
S
N
N
N
S
S
S
SN
N
N
N
S
θns
n(= ns )
ns
(a) 永磁同步电动机横剖面图 (b) 永磁同步电动机纵剖面图
图 4-7 永磁同步电动机结构
图 4-8 永磁交流伺服电动机的工作原理
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200510
单元二 位置检测装置
Exit
一, 位置检测装置的要求与分类
二, 旋转变压器
三, 感应同步器
四, 光栅
五, 磁尺
六, 脉冲编码器
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200511
单元二 位置检测装置
Exit
一, 位置检测装置的要求与分类
1、位置检测装置的要求
2、位置检测装置的分类
a） 增量式和绝对式测量
b） 数字式和模拟式测量
c） 直接和间接测量
3、常见的位置检测装置
类型 增量式 绝对式
回转
型
脉冲编码器 旋转变压
器 圆感应同步器 圆光
栅 圆磁栅
多速旋转变压器 绝对脉冲编码
器 3速圆感应同步器
直线
型
直线感应同步器 计量光
栅
磁尺激光干涉仪
3速感应同步器 绝对值式磁尺
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200512
单元二 位置检测装置
Exit
二, 旋转变压器
1、旋转变压器的工作原理 U
m
( a)线圈位置图 ( b )波形图
Φ 2
Φ 1 Φ 1 Φ 1
Φ 2
定子
转子
U 1 =U m s in ω t U 1 =U m s in ω t U 1 =U m s in ω t
θ =0
φ 2 =0
E 2 =0
θ = θ
φ 2 =k φ 1 s in θ
E 2 = nU m s in ω t sin θ
θ =90 °
φ 2 =k φ 1
E 2 = nU m s in ω t
输出
激磁
U 1
E 2
t
ω t
图 4-9 旋转变压器的工作原理
[ 1,2 ]
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200513
单元二 位置检测装置
Exit
二, 旋转变压器
2、旋转变压器的应用
a） 鉴相工作方式
b） 鉴幅工作方式
U=kUssinθ机 +kUccosθ机 =kUmcos(ωt-θ机 )
U=kUssinθ机 +kUccosθ机
=kUmsinωt(sinθ电 sinθ机 +cosθ电 Uccosθ机 )
=kUmcos(θ电 -θ机 ) sinωt
[ 1,2 ]
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200514
单元二 位置检测装置
Exit
三, 感应同步器
滑
尺
(m+1/2) τ
2 τ2 τ
定尺
滑
尺
定 尺
a
点
b
点
c
点
d
点
e
点
节距
感
应
电
压
a
b
c
d
e
感应电压
移动距离
图 4-10 直线式感应同步器的结构原理
图 4-11 感应同步器的工作原理
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200515
单元二 位置检测装置
Exit
四, 光栅
驱
动
线
路
光源 透镜 标尺光栅 光敏元件
指示光栅
图 4-12 光栅位置检测装置
灯泡 透镜
指示光尺 标尺光栅
光电元件
读数头
W
位移S
位移S
位移S
位移S
脉冲输出
整形输出
光电元件输出
光通量变化
图 4-13 透射直线式光栅原理图
W
ba
节距W
指示光栅G2标尺光栅G1
θ
明
明
暗
暗
W
W
图 4-14 莫尔条纹式光栅
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200516
单元二 位置检测装置
Exit
五, 磁尺
磁
性
标
尺
连接
电缆
磁头
数字显示
伺服系统
检测电路
图 4-15 磁尺结构与工作原理
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200517
单元二 位置检测装置
Exit
六, 脉冲编码器
ω t
i
B
A
节距P
O
B
A
光敏元件电路板 圆光栅
轴 连接法兰指示光栅光源
图 4-16 光电式脉冲编码器的结构 图 4-17 脉冲编码器输出波形
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200518
单元三 典型进给伺服系统
一, 开环进给伺服系统
二, 脉冲比较进给伺服系统
三, 全数字进给伺服系统
Exit
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200519
单元三 典型进给伺服系统
一, 开环进给伺服系统
Exit
( b )( a )
Z k
Z w
步进电机 α °
Z 1
Z 2
t
δ °
δ
t
Z 2
Z 1
步进电机 α °
图 4-18 步进开环系统的传动
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200520
单元三 典型进给伺服系统
二, 脉冲比较进给伺服系统
Exit
比较环节 数/模转换器 伺服放大器 伺服电机
工作台
位置检测器
光电编码器
脉冲处理
F
指令脉冲
反馈脉冲 位置信息
P t
图 4-19 脉冲比较伺服系统的结构框图
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200521
单元三 典型进给伺服系统
三, 全数字进给伺服系统
Exit
位移运算
速度运算
T
Σ
OO
A/D
A，B，Z
电流检测
电流控制速度控制位置控制
外部联系
T
Σ
OO
整形、倍率
辨向、零位
PG
D.
C.
PWM
功率
放大
器
PWM
专用
LSI
数字
运算
数字
运算
共
用
R
A
M
共
用
R
A
M
数字
运算
图 4-20 全数字进给伺服系统
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200522
单元四 伺服系统的特性对加工精度的影响
一, 速度误差对加工精度的影响
二, 伺服系统的相应特性对加工拐角的影响
Exit
1,速度误差对单坐标直线加工的影响
2,速度误差对加工直线轮廓的影响
3,速度误差对加工圆弧轮廓的影响
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200523
单元四 伺服系统的特性对加工精度的影响
一, 速度误差对加工精度的影响
Exit
1,速度误差对单坐标直线加工的影响
K s 1/ S
x e ( s ) x e ( s ) x o ( s ) O
O
f 0
f A
t p
t p
t
tt p
图 4-21 伺服系统的简化图 图 4-22 位置指令跟踪误差
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200524
单元四 伺服系统的特性对加工精度的影响
一, 速度误差对加工精度的影响
Exit
2,速度误差对加工直线轮廓的影响
O
α
e x
A(x,y)
e y
A(x-e x,y-e y )
v y
y=kx+bv
x
图 4-23 速度误差对直线加工的影响
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200525
单元四 伺服系统的特性对加工精度的影响
一, 速度误差对加工精度的影响
Exit
3,速度误差对加工圆弧轮廓的影响
v x
v y
Ae y
A
e x
α
O
R
R
图 4-24 速度误差对圆弧加工的影响
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200526
单元四 伺服系统的特性对加工精度的影响
二, 伺服系统的相应特性对加工拐角的影响
Exit
O
X
t
X
O t
(a) (b) (c) (d)
图 4-25 速度误差对加工拐角的影响
Δ
1
2
3
B A
图 4-26 系统增益对拐角的影响
模块 四 进给伺服系统
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 20052
?单元一 伺服电机及其调速
?单元二 位置检测装置
?单元三 典型进给伺服系统
?单元四 伺服系统的特性对加工精度的影响
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 20053
单元一 步进电机及其调速
一, 步进电机
二, 直流伺服电机及其调速系统
三, 交流伺服电机及其调速
Exit
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 20054
单元一 步进电机及其调速
一, 步进电机
Exit
′
′
′
° ° °
相相 相
各相定子齿
转子齿展开
顺时针方向
图 4-1 径向分相式反应步进电机
磁路 定子 转子 绕组 机壳 端盖端板
图 4-2 轴向分相反映式步进电机
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 20055
二, 直流伺服电机及其调速系统
Exit
单元一 步进电机及其调速
1,直流伺服电机的结构、原理与调速
2、大惯量直流伺服电机
3,直流伺服电机的可控硅调速系统
4,晶体管脉冲调宽（ PWM） 调速系统
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 20056
二, 直流伺服电机及其调速系统
Exit
磁极
电枢导体
电刷
换
向
片
磁极
R f
I f
R a
I a u
u f
图 4-3 直流伺服电机 图 4-4 他激直流电动机的工作原理图
单元一 步进电机及其调速
1,直流伺服电机的结构、原理与调速
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 20057
二, 直流伺服 电机 及其调速系统
Exit
单元一 步进电机及其调速
3,直流伺服电机的可控硅调速系统
ST LT
U p
U G
U i -
+
U i ′
U k
α
DC
TG
+
-
图 4-5 可控硅（晶闸管）直流调速系统
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 20058
二, 直流伺服电机及其调速系统
Exit
单元一 步进电机及其调速
4,晶体管脉冲调宽（ PWM） 调速系统
U p
+
-
U G
ST LT TGDC
U i
U i ′
-
+
U c
C
U
PWM
U T
U T
速度控制器 电流控制器
图 4-6 直流伺服电机的脉冲调宽调速系统
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 20059
单元一 步进电机及其调速
三, 交流伺服电机及其调速
Exit
1、交流伺服电机的分类和特点
2、永磁交流伺服电动机
a） 结构
b） 工作原理
转轴
轴 向
通风孔
永久磁铁
定子
出线盒
脉 冲
编码器
定子三相绕组压板转子定子
S
S
N
S
N
N
N
S
S
S
SN
N
N
N
S
θns
n(= ns )
ns
(a) 永磁同步电动机横剖面图 (b) 永磁同步电动机纵剖面图
图 4-7 永磁同步电动机结构
图 4-8 永磁交流伺服电动机的工作原理
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200510
单元二 位置检测装置
Exit
一, 位置检测装置的要求与分类
二, 旋转变压器
三, 感应同步器
四, 光栅
五, 磁尺
六, 脉冲编码器
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200511
单元二 位置检测装置
Exit
一, 位置检测装置的要求与分类
1、位置检测装置的要求
2、位置检测装置的分类
a） 增量式和绝对式测量
b） 数字式和模拟式测量
c） 直接和间接测量
3、常见的位置检测装置
类型 增量式 绝对式
回转
型
脉冲编码器 旋转变压
器 圆感应同步器 圆光
栅 圆磁栅
多速旋转变压器 绝对脉冲编码
器 3速圆感应同步器
直线
型
直线感应同步器 计量光
栅
磁尺激光干涉仪
3速感应同步器 绝对值式磁尺
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200512
单元二 位置检测装置
Exit
二, 旋转变压器
1、旋转变压器的工作原理 U
m
( a)线圈位置图 ( b )波形图
Φ 2
Φ 1 Φ 1 Φ 1
Φ 2
定子
转子
U 1 =U m s in ω t U 1 =U m s in ω t U 1 =U m s in ω t
θ =0
φ 2 =0
E 2 =0
θ = θ
φ 2 =k φ 1 s in θ
E 2 = nU m s in ω t sin θ
θ =90 °
φ 2 =k φ 1
E 2 = nU m s in ω t
输出
激磁
U 1
E 2
t
ω t
图 4-9 旋转变压器的工作原理
[ 1,2 ]
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200513
单元二 位置检测装置
Exit
二, 旋转变压器
2、旋转变压器的应用
a） 鉴相工作方式
b） 鉴幅工作方式
U=kUssinθ机 +kUccosθ机 =kUmcos(ωt-θ机 )
U=kUssinθ机 +kUccosθ机
=kUmsinωt(sinθ电 sinθ机 +cosθ电 Uccosθ机 )
=kUmcos(θ电 -θ机 ) sinωt
[ 1,2 ]
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200514
单元二 位置检测装置
Exit
三, 感应同步器
滑
尺
(m+1/2) τ
2 τ2 τ
定尺
滑
尺
定 尺
a
点
b
点
c
点
d
点
e
点
节距
感
应
电
压
a
b
c
d
e
感应电压
移动距离
图 4-10 直线式感应同步器的结构原理
图 4-11 感应同步器的工作原理
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200515
单元二 位置检测装置
Exit
四, 光栅
驱
动
线
路
光源 透镜 标尺光栅 光敏元件
指示光栅
图 4-12 光栅位置检测装置
灯泡 透镜
指示光尺 标尺光栅
光电元件
读数头
W
位移S
位移S
位移S
位移S
脉冲输出
整形输出
光电元件输出
光通量变化
图 4-13 透射直线式光栅原理图
W
ba
节距W
指示光栅G2标尺光栅G1
θ
明
明
暗
暗
W
W
图 4-14 莫尔条纹式光栅
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200516
单元二 位置检测装置
Exit
五, 磁尺
磁
性
标
尺
连接
电缆
磁头
数字显示
伺服系统
检测电路
图 4-15 磁尺结构与工作原理
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200517
单元二 位置检测装置
Exit
六, 脉冲编码器
ω t
i
B
A
节距P
O
B
A
光敏元件电路板 圆光栅
轴 连接法兰指示光栅光源
图 4-16 光电式脉冲编码器的结构 图 4-17 脉冲编码器输出波形
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200518
单元三 典型进给伺服系统
一, 开环进给伺服系统
二, 脉冲比较进给伺服系统
三, 全数字进给伺服系统
Exit
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200519
单元三 典型进给伺服系统
一, 开环进给伺服系统
Exit
( b )( a )
Z k
Z w
步进电机 α °
Z 1
Z 2
t
δ °
δ
t
Z 2
Z 1
步进电机 α °
图 4-18 步进开环系统的传动
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200520
单元三 典型进给伺服系统
二, 脉冲比较进给伺服系统
Exit
比较环节 数/模转换器 伺服放大器 伺服电机
工作台
位置检测器
光电编码器
脉冲处理
F
指令脉冲
反馈脉冲 位置信息
P t
图 4-19 脉冲比较伺服系统的结构框图
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200521
单元三 典型进给伺服系统
三, 全数字进给伺服系统
Exit
位移运算
速度运算
T
Σ
OO
A/D
A，B，Z
电流检测
电流控制速度控制位置控制
外部联系
T
Σ
OO
整形、倍率
辨向、零位
PG
D.
C.
PWM
功率
放大
器
PWM
专用
LSI
数字
运算
数字
运算
共
用
R
A
M
共
用
R
A
M
数字
运算
图 4-20 全数字进给伺服系统
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200522
单元四 伺服系统的特性对加工精度的影响
一, 速度误差对加工精度的影响
二, 伺服系统的相应特性对加工拐角的影响
Exit
1,速度误差对单坐标直线加工的影响
2,速度误差对加工直线轮廓的影响
3,速度误差对加工圆弧轮廓的影响
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200523
单元四 伺服系统的特性对加工精度的影响
一, 速度误差对加工精度的影响
Exit
1,速度误差对单坐标直线加工的影响
K s 1/ S
x e ( s ) x e ( s ) x o ( s ) O
O
f 0
f A
t p
t p
t
tt p
图 4-21 伺服系统的简化图 图 4-22 位置指令跟踪误差
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200524
单元四 伺服系统的特性对加工精度的影响
一, 速度误差对加工精度的影响
Exit
2,速度误差对加工直线轮廓的影响
O
α
e x
A(x,y)
e y
A(x-e x,y-e y )
v y
y=kx+bv
x
图 4-23 速度误差对直线加工的影响
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200525
单元四 伺服系统的特性对加工精度的影响
一, 速度误差对加工精度的影响
Exit
3,速度误差对加工圆弧轮廓的影响
v x
v y
Ae y
A
e x
α
O
R
R
图 4-24 速度误差对圆弧加工的影响
模块 四：进给伺服系统
? 2005 GDGM 机电GDGM 200526
单元四 伺服系统的特性对加工精度的影响
二, 伺服系统的相应特性对加工拐角的影响
Exit
O
X
t
X
O t
(a) (b) (c) (d)
图 4-25 速度误差对加工拐角的影响
Δ
1
2
3
B A
图 4-26 系统增益对拐角的影响
