第2章伺服控制基础知识.

1第二章伺服控制基础知识2内容提要第1节电力电子器件的应用第2节检测元件3第2节检测元件速度检测角度（角位移）检测位置检测4•数控机床对位置检测元件的要求1．具有高可靠性和高抗干扰能力；2．可满足数控机床精度和速度的要求；3．能适应生产现场的工作环境，使用、维护方便；4．价格低，寿命长；5．便于与数控机床安装、连接。5•位量检测元件的分类和特点经常用于数控机床的位置检测元件有旋转变压器、感应同步器、编码盘、光栅和磁尺等。☆安装的位置及耦合方式—直接测量和间接测量；☆测量方法—增量型和绝对型;☆检测信号的类型—模拟式和数字式；☆运动型式—回转型和直线型；☆信号转换的原理—光电效应、光栅效应、电磁感应原理、压电效应、压阻效应和磁阻效应等。分类：6一、速度检测在伺服系统中，机械的运动速度控制是最基本的控制内容，当对速度的稳定精度提出较高要求时，就要求对驱动电动机能够实行速度的闭环控制。速度闭环控制系统中，常用的速度检测元件一般分为二类，即：模拟速度检测元件和数字速度检测元件。测速发电机就是一种模拟速度检测元件。由测速发电机构成的速度闭环控制系统，其精度控制在3﹪之内已属不易。测速发电机是一种微型发电机，它的作用是将转速变为电压信号，在理想状态下，测速发电机的输出电压Uo可以用下式表示：Uo＝K*n＝KK’(dθ/dt)(2-1)式中KK′--比例常数(即输出特性的斜率)；n及θ--测速发电机转子的旋转速度、旋转角度。7可见，测速发电机主要有两种用途：1.其输出电压与转速成正比，故可用于测速度；2.如果以转子旋转角度为参数变量，则可作为机电微分、积分器。因此测速发电机广泛用于速度和位置控制系统中。根据结构和工作原理的不同，测速发电机分为直流测速发电机、交流测速发电机。交流测速发电机分交流同步测速发电机和交流异步测速发电机。交流同步测速发电机：其输出电压，不仅其幅值与转速有关，其频率也与转速有关，致使电机本身的阻抗与负载阻抗也与转速有关。这样，输出电压与转速呈非线性关系，因此，同步测速发电机不宜用于自动控制系统。交流异步测速发电机：其输出电压与转速有严格的线性关系，广泛用于自动控制系统。8同步电机和异步电机的区别：三相交流电通过一定结构的定子绕组时,要产生旋转磁场.在旋转磁场的作用下,转子随旋转磁场旋转。如果转子的转速同旋转磁场的转速完全一致,就是同步电机;如果转子的转速小于磁场转速,也就是说两者不同步,就是异步电机。异步电机结构简单,应用广泛；同步电机转子本身产生固定方向的磁场(用永磁铁或直流电流产生),定子旋转磁场拖着转子磁场(转子)转动,因此转子的转速一定等于同步速。9(一)异步(交流)测速发电机--模拟测量方式异步测速发电机的结构和空心杯形转子伺服电动机相似，其原理电路图如图所示。空心杯转子异步测速发电机结构原理如图所示：1.有两个定子，外定子和内定子，外定子铁芯槽内安放有励磁绕组和输出绕组，彼此在空间相差90°电角度；而内定子一般不放绕组，仅作磁路的一部分；2.空心杯转子位于内外绕组之间，通常用非磁性材料（如铜、铝或铝合金）。10当转子不转时，励磁后由杯形转子中的感应电流（包括涡流）产生的磁场与输出绕组轴线垂直，输出绕组不感应电动势；当转子转动时，由杯形转子感应电流产生的磁场与输出绕组轴线重合，在输出绕组中感应的电动势大小正比于杯形转子的转速，而频率和励磁电压频率相同。反转时输出电压相位也相反。（p33）励磁绕组输出绕组转子内定子测量仪器11(二)直流测速发电机--模拟测量方式直流测速发电机是一种用来测量转速的小型他励直流发电机，其工作原理见图2-44。nCEUeao空载时：负载时：aaaRRUnCRIEULeLRRCUae1n只要Ce（与磁通有关）与Ra、RL保持不变，则输出电压U与转速n成正比。改变转子的转向，则电势极性改变，输出电压的极性也改变。因此，直流测速发电机便将转速信号变换成电压信号，达到测速的目的。12异步测速发电机的主要优点是：不需要电刷和换向器，因而结构简单，维护容易，惯量小，无滑动接触，输出特性稳定，精度高，摩擦转矩小，不产生无线电干扰，工作可靠，正、反向旋转时输出特性对称。其主要缺点是：存在剩余电压和相位误差，且负载的大小和性质会影响输出电压的幅值和相位。直流测速发电机的主要优点是：没有相位波动，没有剩余电压，输出特性的斜率比异步测速发电机的大（即测量值变化明显）。其主要缺点是：由于有电刷和换向器，因而结构复杂，维护不便，摩擦转矩大，有换向火花，产生无线电干扰信号，输出特性不稳定，且正、反向旋转时，输出特性不对称。直流测速发电机与异步测速发电机的性能比较：13(三)光电测速盘（光电编码器）--数字测量方式1.光电测速原理2.电动机旋转方向辨别3.数字测速方法14光源光敏元件脉冲频率：fc=Nn/60N----圆盘的小孔数，受限于圆盘的大小。n----电动机转速可见：输出频率fc与转速n呈正比。这种测量精度比测速机的精度高出几个数量级。增量式光电测速原理15电动机旋转方向辨别：设置一对光电传感器，并使彼此测得信号相差90°相位角，根据测得脉冲的超前、滞后情况加以判断。16绝对式脉冲编码器绝对式脉冲编码器不需要基数，它在任意位置都给出与其对应的一个固定数字码输出。常用的绝对式脉冲编码器有接触式码盘、光学码盘和磁性码盘。例如：接触式码盘，敏感元件电刷与码盘上导电区直接接触，以检测出码盘的位置。•码盘基体是绝缘体，码道是一组同心圆导体，码道的数目根据分辨率来决定；•同心圆的径向距离是码道的宽度。若码道数为n，则每周测量的分辨率为360°/2n。以这个角度为间隔，在一周内划出2n个扇区，如下图所示。•其中阴影部分为导电区，逻辑电平为“1”，白色部分为绝缘区，逻辑电平为“0”。每个码道上装有一个电刷，每个电刷和一根单独电线相连，作为某一位逻辑电平“1”或“0”的输出。这样一组扇形区对应于一个二进制数。一般外轨道为低位，内轨道为高位，这样就可用二进制数来表示码盘转过的角度。17绝对脉冲发生器码盘18十位绝对式编码器19旋转编码器400线（400脉冲/周）型号：增量型旋转编码器，AB两相。通过旋转的光栅盘和光耦产生可识别方向的计数脉冲信号。性能：400P/R-400脉冲每转。DC12-24V供电，最小5V供电。最大机械转速10000转/分，响应频率：0-20KHz；用途：用于测量物体的旋转速度、角度、加速度及长度测量。使用范围：适用于各种位移变化智能控制、钢筋定长裁剪控制器、民用的测身高人体秤、大学生比赛用机器人等。特点：具有体积小、重量轻，安装方便，性价比极高的显著优点。接线输出：A相，B相，Vcc正电源，V0地，屏蔽线。接线颜色产品铭牌上有明确标注。20数字测速方法在闭环伺服控制系统中，根据脉冲计数来测量转速的方法有M法测速﹑T法测速和M/T法测速三种：M法测速是指：在规定时间间隔Tg内，测量所产生的脉冲数来获得被测速度值；T法测速是指：测量相邻两个脉冲的时间间隔Ttach来确定被测速度值；M/T法测速是指：同时测量检测时间和在此检测时间内脉冲发生器发送的脉冲数来确定被测速度值。21二、角度（角位移）检测在伺服系统中测角度（角位移）的方法很多，常用的有电位计、差动变压器、微动同步器、自整角机、旋转变压器等，这里介绍部分测量元件。---测小角位移(一)差动变压器和微同步器1.差动变压器直线位移式转角式励磁输出22差动变压器232.微动同步器微动同步器由四极定子和两极转子组成。在定子每个极上绕有两个线圈（初级在里侧，次级在外侧）。用各极中的一个线圈串联成初级激磁回路，各极中的另一线圈则串联成次级感应回路。信号型的微动同步器实际上是一种高精确度的变磁阻型旋转变压器。对于一定的励磁电压和频率来说，在一定的转子转角范围(一般为10度或12度)内，它的输出电压正比于转子转角。24激磁回路的连接原则是：当将等幅交流电压加于其上时，在激磁电流的某半周期内，各极上的磁通方向如图中箭头所示；次级感应回路的连接原则是：使总的输出电压是Ⅱ、Ⅲ极和I、Ⅳ极上感应电压之差。当转子如图处于对称于定子的位置时，定子和转子之间的四个气隙几何形状完全相同，各极的磁通相等，从而使得Ⅱ、Ⅲ极上的感应电压与I、IV极上的感应电压相等，总的输出电压为零，转子被看成处于零位。若转子偏离零位一个角度，则四个气隙不再相同，造成了各极磁通量的变化，其中一对磁极的磁通减小，另一对滋极的磁通增大，这样，次级就有一个正比于转子角位移的电压输出。当转动方向改变时，输出电压有180°的相位跃变，微动同步器的输出电压的频率等同励磁电源频率（通常采用的励磁电压为60～50ＫHz，5～50V）。微动同步器的灵敏度大约为每度0.2～5V，非线性度0.1％～1.0％。25(二)旋转变压器简称旋变，是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组（转子绕组）的电压幅值（或相位）与转子转角成正余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内成线性关系。旋转变压器常用于数控机床中角位移的检测。它具有结构简单、工作可靠、信号输出幅值大、抗干扰能力强等优点；但其测量精度低。一般用于精度要求不高的数控机床或大型数控机床的粗测及中测系统。261、旋转变压器的结构旋转变压器(又称同步分解器)微特电机的一种，和两相绕线式异步电机结构相似。它由定子和转子两部分组成。（定子和转子均由高导磁的铁镍软磁合金或硅钢薄板冲压成的槽状芯片叠成）在定子和转子的槽状铁芯内分别嵌有绕组，定子绕组为旋转变压器的原边，它通过固定在壳体上的接板直接引出；转子绕组为旋转变压器的副边，转子绕组分为有刷和无刷两种引出方式。定子转子S1R1S2S3S4R2R3R427根据转子绕组的引出方式，可将旋转变压器分为有刷式和无刷式两种结构形式。有刷式旋转变压器:它的转子绕组是通过滑环和电刷直接引出的，由于电刷与滑环是机械滑动接触，所以，旋转变压器的可靠性差，寿命短。(a)有刷式旋转变压器1—转子绕组；2—定子绕组；3—转子；4—整流子；5—电刷；6—接线柱注：换向器俗称整流子。28无刷式旋转变压器:它可分为旋转变压器本体和附加变压器两部分。附加变压器的原边、副边铁芯及绕组均做成环形，分别固定于转子轴和壳体上，径向留有一定的间隙。旋转变压器本体的转子绕组（副边）与附加变压器原边线圈连接在一起，因此，通过电磁耦合，附加变压器原边上的电信号经附加变压器副边间接地送了出去。这种结构避免了电刷与滑环的接触不良，提高了旋转变压器的可靠性和使用寿命，但也增加了体积、重量和成本。(b)无刷式旋转变压器1—壳体；2—本体定子；7—本体转子；3—附加变压器定子；4—附加变压器一次绕组（原边）；5—附加变压器转子线轴；6—附加变压器二次绕组（副边）；8—转子轴29常见的旋转变压器一般有两极绕组和四级绕组两种结构形式。除此之外，还有多极式旋转变压器，用于高精密绝对式检测系统。302、旋转变压器的工作原理由于旋转变压器在结构上保证了定子与转子之间空气间隙的磁通按正弦规律分布，当定子绕组加上400Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz或5000Hz交流励磁电压时，通过电磁耦合，转子绕组会产生感应电动势，其输出电压的大小取决于定子与转子两个绕组的轴线在空间的相对位置。31V1=VmsinωtE2=nVmsinωt（θ=90°）E2=nVmsinωtsinθE2=0（θ=0°）E2=nV1sinθ=nVmsinωtsinθθ=0°E2=0θ=90°E2=nVmsinωt式中:E2—转子绕组感应电势；V1—定子绕组励磁电压，V1=Vmsinωt；Vm—电压信号幅值；θ—定子绕组轴线的垂线与转子绕组轴线间夹角；n—变压比（即两个绕组匝数比）V1=VmsinωtV1=Vmsinωtθ1定子转子32实际使用中常采用正弦余弦旋转变压器，其定子和转子绕组中各有一对互相垂直的绕组，如图所示。当两个定子绕组分别加上两个相位相差90度的励磁电压，即：V1=Vmsinωt；V2=Vmcosωt应用叠加原理，可