伺服控制系統(tǒng)(設(shè)計)復(fù)習(xí)過程

1、第一章 伺服系統(tǒng)概述伺服系統(tǒng)是以機(jī)械參數(shù)為控制對象的自動控制系統(tǒng)。 在伺服系統(tǒng)中， 輸出量 能夠自動、 快速、準(zhǔn)確地跟隨輸入量的變化， 因此又稱之為隨動系統(tǒng)或自動跟蹤 系統(tǒng)。機(jī)械參數(shù)主要包括位移、角度、力、轉(zhuǎn)矩、速度和加速度。近年來，隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、材 料技術(shù)的快速發(fā)展以及電機(jī)制造工藝水平的逐步提高， 伺服技術(shù)已迎來了新的發(fā) 展機(jī)遇，伺服系統(tǒng)由傳統(tǒng)的步進(jìn)伺服、 直流伺服發(fā)展到以永磁同步電機(jī)、 感應(yīng)電 機(jī)為伺服電機(jī)的新一代交流伺服系統(tǒng)。目前，伺服控制系統(tǒng)不僅在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用， 而且在許多高科技領(lǐng)域， 如激光加工、 機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床

2、、大規(guī)模集成電路制造、 辦公自動化設(shè)備、 衛(wèi)星姿態(tài)控制、 雷達(dá)和各種軍用武器隨動系統(tǒng)、 柔性制造系統(tǒng) 以及自動化生產(chǎn)線等領(lǐng)域中的應(yīng)用也迅速發(fā)展。1.1 伺服系統(tǒng)的基本概念1.1.1 伺服系統(tǒng)的定義“伺服系統(tǒng)” 是指執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照控制信號的要求而動作， 即控制信號到來 之前，被控對象時靜止不動的；接收到控制信號后，被控對象則按要求動作；控 制信號消失之后，被控對象應(yīng)自行停止。伺服系統(tǒng)的主要任務(wù)是按照控制命令要求， 對信號進(jìn)行變換、 調(diào)控和功率放大等 處理，使驅(qū)動裝置輸出的轉(zhuǎn)矩、速度及位置都能靈活方便的控制。1.1.2 伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)是具有反饋的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。它由檢測部分、誤差放大部分、

3、 部分及被控對象組成。1.1.3 伺服系統(tǒng)性能的基本要求1）精度高。伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)出輸入量的精確程度。2）穩(wěn)定性好。穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾的作用下，能在短暫的 調(diào)節(jié)過程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。3）快速響應(yīng)。響應(yīng)速度是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)的 跟蹤精度。4）調(diào)速范圍寬。調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低 轉(zhuǎn)速之比。5）低速大轉(zhuǎn)矩。在伺服控制系統(tǒng)中，通常要求在低速時為恒轉(zhuǎn)矩控制，電 機(jī)能夠提供較大的輸出轉(zhuǎn)矩；在高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出 功率。6）能夠頻繁的啟動、制動以及正反轉(zhuǎn)切換。1.1.4 伺服系統(tǒng)的種類伺服系

4、統(tǒng)按照伺服驅(qū)動機(jī)的不同可分為電氣式、液壓式和氣動式三種；按 照功能的不同可分為計量伺服和功率伺服系統(tǒng)， 模擬伺服和功率伺服系統(tǒng)， 位置 伺服、速度伺服和加速度伺服系統(tǒng)等。電器伺服系統(tǒng)根據(jù)電氣信號可分為直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)兩大類。 交流伺 服系統(tǒng)又有感應(yīng)電機(jī)伺服系統(tǒng)和永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)兩種。1.2 伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓到電氣的過程， 電器伺服系統(tǒng)的發(fā)展則與伺服 電機(jī)的不同發(fā)展階段具有緊密的聯(lián)系，伺服電機(jī)至今已有 50 多年的發(fā)展歷史， 經(jīng)歷了三個主要發(fā)展階段。第一發(fā)展階段（ 20 世紀(jì) 60 年代以前）：此階段是以步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動的液壓 伺服馬達(dá)或以功率步進(jìn)電動機(jī)直

5、接驅(qū)動為中心的時代， 伺服系統(tǒng)的位置控制多為 開環(huán)控制。 這一時期是液壓伺服系統(tǒng)系統(tǒng)的全盛期。 液壓伺服系統(tǒng)能夠傳遞巨大 的轉(zhuǎn)矩，控制簡單，可靠性高，在整個速度范圍內(nèi)保持恒定的轉(zhuǎn)矩輸出，主要應(yīng) 用在重型設(shè)備和一些關(guān)鍵場合， 比如機(jī)場設(shè)備。 但它也存在一些缺點(diǎn)， 例如發(fā)熱 大、效率低、易污染環(huán)境、不易維修等。第二個發(fā)展階段（ 20世紀(jì) 60至70年代）：這一階段是直流伺服電機(jī)的誕生 和全勝發(fā)展時代， 由于直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能， 很多高性能驅(qū)動裝置采用 了直流電機(jī)，伺服系統(tǒng)的位置控制也由開環(huán)控制系統(tǒng)發(fā)展成為閉環(huán)系統(tǒng)。但是， 直流伺服電機(jī)存在機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)， 在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)

6、子容易 發(fā)熱，影響了與其連接的其他機(jī)械設(shè)備的精度， 難以應(yīng)用到高速及大容量的場合， 換向器成為直流伺服驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的瓶頸。 由于人們通過材料和工藝的改進(jìn)來盡 量提高直流伺服的生命力，因此直流伺服電機(jī)仍將在相當(dāng)長的時間內(nèi)得到應(yīng)用， 只是市場份額預(yù)計會持續(xù)下降。第三發(fā)展階段（ 20 世紀(jì) 80 年代至今）：這一階段是以機(jī)電一體化時代作為 時代背景的。 由于伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)及永磁材料、 半導(dǎo)體功率器件技術(shù)、 控制技術(shù)的 突破性進(jìn)展，出現(xiàn)了無刷直流伺服電機(jī)（方波驅(qū)動） 、交流伺服電機(jī)（正弦波驅(qū) 動）、矢量控制的感應(yīng)電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)等新型電機(jī)。 尤其是 80 年代以來， 矢 量控制技術(shù)的不斷成熟， 極大地

7、推動了交流伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展， 是交流伺服驅(qū) 動系統(tǒng)的性能可以與直流伺服系統(tǒng)媲美。 伺服驅(qū)動裝置經(jīng)歷了模擬式數(shù)字模 擬混合式全數(shù)字化的發(fā)展。 伺服系統(tǒng)控制器的實(shí)現(xiàn)方式在數(shù)字控制中也在由 硬件方式向著軟件方式發(fā)展； 在軟件方式中也是從伺服系統(tǒng)的外環(huán)向內(nèi)環(huán)、 進(jìn)而 向接近電動機(jī)環(huán)路的更深層發(fā)展。交流伺服電機(jī)克服了直流伺服電機(jī)存在的電刷、 換向器等機(jī)械部件所帶來的 各種缺點(diǎn)， 過載能力強(qiáng)和轉(zhuǎn)動慣量低體現(xiàn)出了交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性。 交流伺服 系統(tǒng)采用以微處理器為基礎(chǔ)的系統(tǒng)芯片和智能化功率器件， 很好的克服了伺服系 統(tǒng)中模型參數(shù)變化和非線性等不確定因素， 提高了系統(tǒng)的魯棒性和容錯性， 成功 實(shí)現(xiàn)了高精度

8、伺服控制。 特別是控制理論的新發(fā)展及智能控制的興起和不斷成熟， 加之計算機(jī)技術(shù)、 微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展， 使基于智能控制理論的先進(jìn)控制策略 和基于傳統(tǒng)控制理論的傳統(tǒng)控制策略完美結(jié)合， 為交流伺服系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用奠定 了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1.3 元件選擇1.3.1 功率變換器交流伺服系統(tǒng)功率變換器的主要功能是根據(jù)控制電路的指令， 將電源單元提 供的直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)樗欧姍C(jī)電樞繞組中的三相交流電流， 以產(chǎn)生所需要的電磁 轉(zhuǎn)矩。功率變換器主要包括控制電路、驅(qū)動電路、功率變換主電路等。功率變換主電路主要由整流電路、 濾波電路和逆變電路三部分組成。 為了保 證逆變電路的功率開關(guān)器件能夠安全、 可靠地工作， 對于高

9、壓、 大功率的交流伺 服系統(tǒng)，有時需要有壓抑電壓、電流尖峰的“緩沖電路” 。另外，對于頻繁運(yùn)行 于快速正反轉(zhuǎn)狀態(tài)的伺服系統(tǒng)，還需要有消耗多余再生能量的“制動電路” ?？刂齐娐分饕蛇\(yùn)算電路、PWM生成電路、檢測信號處理電路、輸入輸出電 路、保護(hù)電路等構(gòu)成， 其主要作用是完成對功率變換主電路的控制和實(shí)現(xiàn)各種保 護(hù)功能等。驅(qū)動電路的作用是根據(jù)控制信號對功率半導(dǎo)體開關(guān)進(jìn)行驅(qū)動， 并為器件提供 保護(hù)，主要包括開關(guān)器件的前級驅(qū)動電路和輔助開關(guān)電源電路等。1.3.2 傳感器在伺服系統(tǒng)中，需要對伺服電機(jī)的繞組電流及轉(zhuǎn)子速度、 位置進(jìn)行檢測， 以 構(gòu)成電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，因此需要相應(yīng)的傳感器及其信號變換電

10、路。電流檢測通常采用電阻隔離檢測或霍爾電流傳感器。 直流伺服電機(jī)只需一個 電流環(huán)，而交流伺服電機(jī)（兩相交流伺服電機(jī)除外）則需要兩個或三個。其構(gòu)成 方法也有兩種 : 一種是交流電流直接閉環(huán)；另一種是把三相交流變換為旋轉(zhuǎn)正交 雙軸上的矢量之后再閉環(huán)， 這就需要把電流傳感器的輸出信號進(jìn)行坐標(biāo)變換的接 口電路。速度檢測可采用無刷測速發(fā)電機(jī)、 增量式光電編碼器、 磁編碼器或無刷旋轉(zhuǎn) 變壓器。位置檢測通常采用絕對式光電編碼器或無刷旋轉(zhuǎn)變壓器， 也可采用增量 式光電編碼器進(jìn)行位置檢測。 由于無刷旋轉(zhuǎn)變壓器具有既能進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測又能進(jìn) 行絕對位置檢測的優(yōu)點(diǎn)， 且抗機(jī)械沖擊性能好， 可在惡劣環(huán)境下工作， 在交流伺

11、 服系統(tǒng)中的應(yīng)用日趨廣泛。1.3.3 控制器在交流電機(jī)伺服系統(tǒng)中， 控制器的設(shè)計直接影響著伺服電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)， 從 而在很大程度上決定了整個系統(tǒng)的性能。交流電機(jī)伺服系統(tǒng)通常有兩類， 一類是速度伺服系統(tǒng)； 另一類為位置伺服系 統(tǒng)。前者的伺服控制器主要包括電流 （ 轉(zhuǎn)矩） 控制器和速度控制器， 后者還要增加 位置控制器。其中電流（轉(zhuǎn)矩）控制器是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，因?yàn)闊o論是速度控制還是 位置控制，最終都將轉(zhuǎn)換為對電機(jī)的電流（轉(zhuǎn)矩）控制。電流環(huán)的響應(yīng)速度要遠(yuǎn) 遠(yuǎn)大于速度環(huán)和位置環(huán)。 為了保證電機(jī)定子電流相應(yīng)的快速性， 電流控制器的實(shí) 現(xiàn)不應(yīng)太復(fù)雜， 這就要求其設(shè)計方案必須恰當(dāng)， 使其有效的發(fā)揮作用。 對于速

12、度 和位置控制， 由于其時間常數(shù)較大， 因此可借助計算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜的基于 現(xiàn)代控制理論的控制策略，從而提高伺服系統(tǒng)的性能。1. 電流控制器電流環(huán)由電流控制器和逆變器組成， 其作用是使電機(jī)繞組電流實(shí)時、 準(zhǔn)確地 跟蹤電流指令信號。 為了能夠快速、 準(zhǔn)確地控制伺服電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩， 在交流伺 服系統(tǒng)中，需要分別對永磁同步電機(jī)（或感應(yīng)電機(jī)）的d、q 軸電流進(jìn)行控制。2. 速度控制器速度環(huán)的作用是保證電機(jī)的轉(zhuǎn)速與速度指令值一致， 消除負(fù)載轉(zhuǎn)矩擾動等因 素對電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。 速度指令與反饋的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速相比較， 其差值通過速度 控制器直接產(chǎn)生Q軸指令電流，并進(jìn)一步用d軸電流指令共同作用，控制電機(jī)加

13、速、減速或勻速旋轉(zhuǎn)， 使電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令值保持一致。 速度控制器通常采 用的是 PI 控制方式。3. 位置控制器位置環(huán)的作用是產(chǎn)生電機(jī)的速度指令并使電機(jī)準(zhǔn)確定位和跟蹤。 通過比較設(shè) 定的目標(biāo)位置與電機(jī)的世紀(jì)位置， 利用其偏差通過位置控制器來產(chǎn)生電機(jī)的速度 指令當(dāng)電機(jī)啟動后在大偏差區(qū)域，產(chǎn)生最大速度指令，使電機(jī)加速運(yùn)行后以最大 速度恒速運(yùn)行；在小偏差區(qū)域，產(chǎn)生逐次遞減的速度指令，使電機(jī)減速運(yùn)行直至 最終定位。第二章噴繪機(jī)原理2.1噴繪機(jī)原理單元介紹熔斷器熔斷器是根據(jù)電流超過規(guī)定值一定時間后，以其自身產(chǎn)生的熱量使熔體熔化， 從而使電路斷開的原理制成的一種電流保護(hù)器。熔斷器作為短路和過流保護(hù)是應(yīng)

14、 用最普遍的保護(hù)器件之一，廣泛應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)及用電設(shè)備中。熔斷器是一種過電流保護(hù)電器。熔斷器主要由熔體和熔管兩個部分及外加填 料等組成。使用時，將熔斷器串聯(lián)于被保護(hù)電路中，當(dāng)被保護(hù)電路的電流超過規(guī) 定值，并經(jīng)過一定時間后，由熔體自身產(chǎn)生的熱量熔斷熔體，使電路斷開，起到 保護(hù)的作用。運(yùn)動控制卡運(yùn)動控制卡是一種上位控制單元，可以控制伺服電機(jī)，是基于PC總線，利用高性能微處理器（如DSP及大規(guī)?？删幊唐骷?shí)現(xiàn)多個伺服電機(jī)的多軸協(xié)調(diào) 控制的一種高性能的步進(jìn)/伺服電機(jī)運(yùn)動控制卡包括脈沖輸出、脈沖計數(shù)、數(shù)字 輸入、數(shù)字輸出、D/A輸出等功能，它可以發(fā)出連續(xù)的、高頻率的脈沖串，通過 改變發(fā)出脈

15、沖的頻率來控制電機(jī)的速度， 改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來控制電機(jī)的位置， 它的脈沖輸出模式包括脈沖 / 方向、脈沖/ 脈沖方式。脈沖計數(shù)可用于編碼器的位 置反饋，提供機(jī)器準(zhǔn)確的位置，糾正傳動過程中產(chǎn)生的誤差。數(shù)字輸入 / 輸出點(diǎn) 可用于語限位、 原點(diǎn)開關(guān)等。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化控制領(lǐng)域中需要精確定 位、定長的位置控制系統(tǒng)和基于PC的NC控制系統(tǒng)。具體就是將實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制的 底層軟件和硬件集成在一起， 使其具有伺服電機(jī)控制所需的各種速度、 位置控制 功能。這些功能能通過計算機(jī)方便地調(diào)用。運(yùn)動控制卡不僅要發(fā)送脈沖給電機(jī)驅(qū)動器， 同時接受伺服電機(jī)編碼器反饋的 脈沖數(shù)，還接受光柵尺反饋信號， 進(jìn)而控制伺服電

16、機(jī)的轉(zhuǎn)速。 伺服驅(qū)動器既要與 運(yùn)動控制卡有數(shù)據(jù)線連接，其本身還要連接插座電源。如果你的運(yùn)動控制卡時比較好的卡， 伺服刷新率可以達(dá)到要求， 可以把編碼 器反饋直接接到運(yùn)動控制卡， 形成一個整體的閉環(huán)。 若對對精度有很高的要求可 以用雙閉環(huán)，運(yùn)動控制卡就是根據(jù)要求 x-y 平臺運(yùn)行的位置， 控制電機(jī)運(yùn)動到準(zhǔn) 確的位置。2.1.3PC 總線現(xiàn)有的放開式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案主要采用 PC機(jī)和數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合的方法，PC 機(jī)作為上位機(jī)實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通信， 人機(jī)交互等功能， 數(shù)控系統(tǒng)作為下位機(jī) 將上位機(jī)輸入的運(yùn)行參數(shù)經(jīng)過處理交給執(zhí)行部件執(zhí)行， 同時將檢測系統(tǒng)的反饋信 息上傳給上位機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控， 各個模塊之間

17、協(xié)調(diào)工作互不干擾， 給系統(tǒng)升級帶 來了方便。放開式系統(tǒng)動態(tài)控制器的核心是 DSP它具有運(yùn)算速度快，支持復(fù)雜運(yùn)動算 法的特點(diǎn)，可以滿足高精度運(yùn)動控制的要求，因此，以DSP為核心的多軸動態(tài)控 制卡越來越廣泛地應(yīng)用在運(yùn)動控制系統(tǒng)中，將多軸動態(tài)控制卡插在PC機(jī)擴(kuò)展槽上，就可以組成高精度運(yùn)動控制系統(tǒng)， 位置反饋信號的采集、 閉環(huán)控制計算及控 制量的輸出均由動態(tài)控制卡完成， 極大的提高了運(yùn)算速度和控制響應(yīng)速度， 將工 控機(jī)的資源從煩瑣的數(shù)據(jù)采集和計算中解決出來， 從而可以更好的實(shí)施整個控制 系統(tǒng)的管理。2.1.4 驅(qū)動器伺服驅(qū)動器是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器， 其作用類似于變頻器作用于 普通交流馬達(dá)。目

18、前主流的伺服驅(qū)動器均采用數(shù)字信號處理器（DSP作為控制核心，可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，事項(xiàng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件 普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計的驅(qū)動電路，1PM內(nèi)部集成了驅(qū)動電 路, 同時具有過電壓、 過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護(hù)電路 , 在主回路中還加 入軟啟動電路 ， 以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。 功率驅(qū)動單元首先通過三相全 橋整流電路對輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流， 得到相應(yīng)的直流電。 經(jīng)過整流好 的三相電或市電，再通過三相正弦pwM!壓型逆變器變頻來驅(qū)動三相永磁式同步 交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC勺過程。整流單元（

19、AC-DC主要的拓?fù)潆娐肥侨嗳珮虿豢卣麟娐贰Ｋ欧?qū)動器一般可以采用位置、 速度和力矩三種控制方式， 主要應(yīng)用于高精 度的定位系統(tǒng)，目前是傳動技術(shù)的高端。編碼器（en coder）是將信號或數(shù)據(jù)進(jìn) 行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。驅(qū)動器是一個驅(qū)動放大元件， 只是把上位機(jī) （如運(yùn)動控制卡） 發(fā)來的一些信 號進(jìn)行放大， 以致使電機(jī)可以運(yùn)轉(zhuǎn)起來。MAC系列運(yùn)動控制卡是基于總線的電 機(jī)運(yùn)動控制卡。 采用專用控制芯片為核心器件， 輸入輸出信號均為光電隔離， 可 與各種類型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器連接， 驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)， 構(gòu)成高精度位置控制系統(tǒng)或 調(diào)速系統(tǒng)。可與PC機(jī)構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)：PC

20、機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)界面的管理和其它管 理工作；而控制卡負(fù)責(zé)運(yùn)動控制方面的所有細(xì)節(jié)。 用戶通過我們提供的動態(tài)鏈接 庫可方便快速的開發(fā)出自己需要的運(yùn)動控制功能。2.1.5 驅(qū)動器結(jié)構(gòu)圖4.2驅(qū)動器結(jié)構(gòu)2.2編碼器編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號， 前者成為碼盤，后者稱碼尺。按 照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種。 接觸式采用電刷輸出，一電 刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“ T還是“ 0”；非接觸式的接受敏 感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼 的狀態(tài)是“ 1”還是“ 0”，通過“1”和“ 0”的二進(jìn)制編碼來將采集來的物理信 號轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼可讀取的電信

21、號用以通訊、傳輸和儲存。按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn) 換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移 的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應(yīng)一個確定的數(shù)字碼， 因此它的示值只與 測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。編碼器優(yōu)點(diǎn)工業(yè)控制中的定位，接近開關(guān)、光電開關(guān)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟了， 而且很好 用。可是，隨著工控的不斷發(fā)展，又有了新的要求，這樣，選用旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng) 用優(yōu)點(diǎn)就突出了：1. 信息化除了定位，控制室還可知道其具體位置。2. 柔性化 定位可以在控制室柔性調(diào)整?，F(xiàn)場安裝的方便和安全，拳頭大小的一個旋轉(zhuǎn)編碼器，可以測量

22、從幾個卩到 幾十幾百米的距離， n 個工位，只要解決一個旋轉(zhuǎn)編碼器的安全安裝問題，可以 避免諸多接近開關(guān)、 光電開關(guān)在現(xiàn)場機(jī)械安裝麻煩， 容易被撞壞和遭高溫、 水氣 困擾等問題。由于是光電碼盤，無機(jī)械損耗，只要安裝位置準(zhǔn)確，其使用壽命往 往很長。3. 多功能化 除了定位，還可以遠(yuǎn)傳當(dāng)前位置，換算運(yùn)動速度，對于變頻 器，步進(jìn)電機(jī)等的應(yīng)用尤為重要。4. 經(jīng)濟(jì)化 對于多個控制工位，只需一個旋轉(zhuǎn)編碼器的成本，以及更主要 的安裝、維護(hù)、損耗成本降低，使用壽命增長，其經(jīng)濟(jì)化逐漸突顯出來。如上所述優(yōu)點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)編碼器已經(jīng)越來越廣泛地被應(yīng)用于各種工控場合。2.2.2 編碼器工作原理由一個中心有軸的光電碼盤， 其上

23、有環(huán)形通、 暗的刻線， 有光電發(fā)射和接收 器件讀取,獲得四組正弦波信號組合成 A、B、C、D,每個正弦波相差90度相位 差（相對于一個周波為360度），將C、D信號反向，疊加在 A B兩相上，可增 強(qiáng)穩(wěn)定信號；另每轉(zhuǎn)輸出一個 Z 相脈沖以代表零位參考位。由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼 器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。編碼器碼盤的材料有玻璃、 金屬、 塑料， 玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻 線，其熱穩(wěn)定性好，精度高，金屬碼盤直接以通和不通刻線，不易碎，但由于金 屬有一定的厚度， 精度就有限制， 其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個數(shù)量級， 塑

24、料 碼盤是經(jīng)濟(jì)型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。分辨率編碼器以每旋轉(zhuǎn) 360度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率， 也稱解 析分度、或直接稱多少線，一般在每轉(zhuǎn)分度 5-10000 線。信號輸出有正弦波（電流或電壓），方波（TTL、HTL,集電極開路（PNR NPN，推拉式多種形式，其中TTL為長線差分驅(qū)動（對稱A, A- ； B, B-; Z, Z-）， HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對應(yīng)。信號連接一編碼器的脈沖信號一般連接計數(shù)器 PLC計算機(jī)，PLC和計算機(jī)連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分， 開關(guān)頻率有低有高。 如單相聯(lián)接， 用于 單方向計數(shù)，

25、單方向測速。A、B兩相聯(lián)接，用于正反向計數(shù)、判斷正反向和測 速。 A、 B、 Z 三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測量。A、 A-， B、 B-， Z、 Z-連接，由于帶有對稱負(fù)信號的連接， 電流對于電纜貢獻(xiàn)的電磁場為 0，衰減最小， 抗干擾最佳， 可傳輸較遠(yuǎn)的距離。 對于 TTL 的帶有對稱負(fù)信號輸出的編碼器， 信 號傳輸距離可達(dá)150米。對于HTL的帶有對稱負(fù)信號輸出的編碼器，信號傳輸距 離可達(dá) 300 米。第三章交流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)如圖所示，通常由交流伺服電機(jī)，功率變換器，速度、位置傳 感器及位置、速度電流控制器構(gòu)成。交流伺服系統(tǒng)具有電流反饋、速度反饋和位置反饋的三閉環(huán)結(jié)構(gòu)形式，其中

26、 電流環(huán)和速度環(huán)為內(nèi)環(huán)（局部環(huán)），位置環(huán)為外環(huán)（主環(huán)）。電流環(huán)的作用是使電 機(jī)繞組電流實(shí)時、準(zhǔn)確的跟蹤電流指令信號，限制電樞電流在動態(tài)工程中不超過 最大值，使系統(tǒng)具有足夠大的加速轉(zhuǎn)矩， 提高系統(tǒng)的快速性。速度環(huán)的作用是增 強(qiáng)系統(tǒng)抗負(fù)載擾動的能力，抑制速度波動，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差。位置環(huán)的作用是保 證系統(tǒng)靜態(tài)精度和動態(tài)跟蹤的性能，這直接關(guān)系到交流伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性和能否 高性能運(yùn)行，是設(shè)計的關(guān)鍵所在。當(dāng)傳感器檢測的是輸出軸的速度、 位置時，系統(tǒng)稱為半閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)檢測的 是負(fù)載的速度、位置時，稱為閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)同時檢測輸出軸和負(fù)載的速度、位置 時，稱為多重反饋閉環(huán)系統(tǒng)。3.1交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)的電機(jī)

27、本體為三相永磁同步電機(jī)或三相籠式感應(yīng)電動機(jī)，其功率變換器采用三相電壓型PWM逆變器。在數(shù)十瓦的小容量交流伺服系統(tǒng)中，也有 采用電壓控制兩相高阻值籠型感應(yīng)電機(jī)作為執(zhí)行元件的， 這種系統(tǒng)稱為兩相交流 伺服系統(tǒng)。采用三相永磁同步電機(jī)的交流伺服系統(tǒng)， 相當(dāng)于把直流電機(jī)的電刷和換向器 置換成由功率半導(dǎo)體器件構(gòu)成的開關(guān)，因此很多時候稱之為無刷直流伺服電機(jī)； 有時交流伺服電機(jī)單指采用了三相籠型感應(yīng)電機(jī)的伺服電機(jī)， 當(dāng)把兩者一同叫做 交流伺服電機(jī)時， 通常前者為同步型交流伺服電機(jī)， 稱后者為感應(yīng)性交流伺服電 機(jī)。3.1.1 同步型交流伺服電機(jī)（無刷直流伺服電機(jī)） 交流伺服電機(jī)中最為普及的是同步型交流伺服電機(jī)，

28、 其勵磁磁場由轉(zhuǎn)子上的 永磁體產(chǎn)生， 通過控制三相電樞電流， 使其合成電流矢量與勵磁磁場正交而產(chǎn)生 轉(zhuǎn)矩。由于只需控制電樞電流就可以控制轉(zhuǎn)矩， 因此比感應(yīng)型交流伺服電機(jī)控制 簡單。而且利用永磁體產(chǎn)生勵磁磁場， 特別是數(shù)千瓦的小容量同步型交流伺服電 機(jī)比感應(yīng)型效率更高。為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量、 提高電機(jī)的效率和功率因數(shù)， 同步型交流伺服電 機(jī)的勵磁一般采用磁性能好的稀土永磁體。 由于永磁體存在去磁問題， 如果電樞 電流過大， 就可能產(chǎn)生不可逆去磁， 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就不可能正常輸出， 因此必須限 制最大電樞電流。在伺服系統(tǒng)中， 有時要求在出現(xiàn)異常時進(jìn)行制動， 由于同步型交流伺服電機(jī) 的轉(zhuǎn)子上有永磁體，

29、故用接觸器和電阻把電樞繞組短路，就可以實(shí)現(xiàn)制動。3.1.2 感應(yīng)型交流伺服電機(jī)近年來，隨著電力電子技術(shù)、微處理器技術(shù)與磁場定向控制技術(shù)的快速發(fā)展， 使感應(yīng)電機(jī)可以達(dá)到與他勵式直流電機(jī)相同的轉(zhuǎn)矩控制特性， 再加上感應(yīng)電機(jī)本 身價格低廉、 結(jié)構(gòu)堅(jiān)固及維護(hù)簡單， 因此感應(yīng)電機(jī)逐漸在高精密速度及位置控制 系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。感應(yīng)電機(jī)的定子電流包含相當(dāng)于直流電機(jī)勵磁電流與電樞電流兩個成分， 把 這兩個成分分解成正交矢量進(jìn)行控制的新型控制理論矢量控制理論出現(xiàn)以 后，感應(yīng)電機(jī)作為伺服電機(jī)才開始實(shí)用化。 感應(yīng)型交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制比同步型復(fù)雜， 但是電機(jī)本身具有很多優(yōu)點(diǎn)， 作為伺服電機(jī)主要應(yīng)用于較大

30、容量的伺服系統(tǒng)中。感應(yīng)型交流伺服電機(jī)在空載狀態(tài)也需要勵磁電流， 這點(diǎn)與同步型不同。 異常 時的制動需要通過機(jī)械式制動或由預(yù)先準(zhǔn)備好的直流電源進(jìn)行直流制動。3.1.3 兩種交流伺服電機(jī)的比較（1）同步型交流伺服電機(jī)1）正弦波電流控制稍復(fù)雜，轉(zhuǎn)矩波動小。2）方波電流控制較為簡單，轉(zhuǎn)矩波動較大。3）采用稀土永磁體勵磁，功率密度高。4）電子換向，不需維護(hù)，散熱好，慣量小，峰值轉(zhuǎn)矩大。5）弱磁控制難，不適合恒功率運(yùn)行。6）要注意高溫及大電流可能引起的永磁體去磁。（2）感應(yīng)型交流伺服電機(jī)1）采用磁場定向控制，轉(zhuǎn)矩控制原理類似直流伺服。2）需要無功的勵磁電流，損耗稍大。3）設(shè)計上減小漏感及磁路飽和的影響。4

31、）利用弱磁控制，適用高速及恒功率運(yùn)行。5）結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固，適合大功率應(yīng)用。6）控制復(fù)雜，參數(shù)易受轉(zhuǎn)子升溫影響。3.1.4 交流伺服電動機(jī)簡介交流伺服電動機(jī)定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動機(jī)相似， 如下 圖 3-2 所示。圖3-2交流伺服電動機(jī)原理圖其定子上裝有兩個位置互差90。的繞組，一個是勵磁繞組Rf,它始終接在 交流電壓Uf上；另一個是控制繞組L,聯(lián)接控制信號電壓Uq所以交流伺服電 動機(jī)又稱兩個伺服電動機(jī)。交流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，但為了使伺 服電動機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機(jī)械特性，無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)的 性能，它與普通電動機(jī)相比，應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動慣量小這兩

32、個特點(diǎn)。目前應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式：一種是采用高電阻率的導(dǎo)電材料做成的高電阻 率導(dǎo)條的鼠籠轉(zhuǎn)子，為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)子做得細(xì)長；另一種是采用鋁 合金制成的空心杯形轉(zhuǎn)子，杯壁很薄，僅 ，為了減小磁路的磁阻，要 在空心杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)放置固定的內(nèi)定子，如圖3-3所示?？招谋无D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量 很小，反應(yīng)迅速，而且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此被廣泛采用。圖3-3空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)交流伺服電動機(jī)在沒有控制電壓時，定子內(nèi)只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場， 轉(zhuǎn)子靜止不動。當(dāng)有控制電壓時，定子內(nèi)便產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場 的方向旋轉(zhuǎn)，在負(fù)載恒定的情況下，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化， 當(dāng) 控制電壓的相

33、位相反時，伺服電動機(jī)將反轉(zhuǎn)。交流伺服電動機(jī)的工作原理與分相 式單相異步電動機(jī)雖然相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多，所以伺服電動機(jī) 與單機(jī)異步電動機(jī)相比，有三個顯著特點(diǎn)。交流伺服電動機(jī)特點(diǎn)1. 起動轉(zhuǎn)矩大由于轉(zhuǎn)子電阻大，其轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖3中曲線1所示，與普通異步電動機(jī) 的轉(zhuǎn)矩特性曲線2相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率 S。 1，這樣不僅使 轉(zhuǎn)矩特性（機(jī)械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動轉(zhuǎn)矩。因此，當(dāng)定子 一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動，即具有起動快、靈敏度高的特點(diǎn)。圖3-4伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性2. 運(yùn)行范圍較寬如圖3-4所示，較差率S在0到1的范圍內(nèi)伺服電動機(jī)都能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。3. 無自轉(zhuǎn)

34、現(xiàn)象正常運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服電動機(jī)，只要失去控制電壓，電機(jī)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)伺服電 動機(jī)失去控制電壓后，它處于單相運(yùn)行狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子電阻大，定子中兩個相反 方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個轉(zhuǎn)矩特性（T1 S1、T2 S2曲線）以及合成轉(zhuǎn)矩特性（T S曲線）如圖3-4所示，與普通的單相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn) 矩特性（圖中T' S曲線）不同。這時的合成轉(zhuǎn)矩T是制動轉(zhuǎn)矩，從而使電動 機(jī)迅速停止運(yùn)轉(zhuǎn)。下圖3-6是伺服電動機(jī)單相運(yùn)行時的機(jī)械特性曲線。負(fù)載一定時，控制電壓Uc愈高，轉(zhuǎn)速也愈高，在控制電壓一定時，負(fù)載增加，轉(zhuǎn)速下降。圖3-6伺服電動機(jī)的機(jī)械特性交流伺服電動機(jī)的輸出功率一般是 0.1-100W。當(dāng)

35、電源頻率為50Hz,電壓有36V、110V 220、380V;當(dāng)電源頻率為 400Hz,電壓有 20V、26V、36V、115V 等 多種。交流伺服電動機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小。但控制特性是非線性，并且由于轉(zhuǎn)子 電阻大、損耗大、效率低，因此與同容量直流伺服電動機(jī)相比，體積大、重量重， 所以只適用于0.5-100W的小功率控制系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)和原理交流伺服電動機(jī)的定子繞組和單相異步電動機(jī)相似， 它的定子上裝有兩個在 空間相差90°電角度的繞組，即勵磁繞組和控制繞組。運(yùn)行時勵磁繞組始終加 上一定的交流勵磁電壓，控制繞組上則加大小或相位隨信號變化的控制電壓。轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式籠型轉(zhuǎn)子和空心杯型轉(zhuǎn)子兩種。 籠型轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與一般籠型異步電 動機(jī)的轉(zhuǎn)子相同，但轉(zhuǎn)子做的細(xì)長，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體用高電阻率的材料作成。 其目的是 為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，增加啟動轉(zhuǎn)矩對輸入信號的快速反應(yīng)和克服自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。 空心杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動機(jī)的定子分為外定子和內(nèi)定子兩部分。外定子的結(jié)構(gòu)與籠型交流伺服電動機(jī)的定子相同，鐵心槽內(nèi)放有兩相繞組?？招谋无D(zhuǎn)子由導(dǎo) 電的非磁性材料（如鋁）做成薄壁筒形，放在內(nèi)、外定子之間。杯子底部固定于 轉(zhuǎn)軸上，杯臂薄而輕，厚度一般在0.2-0.8mm