第六章、闭环伺服系统

6.2 伺服驱动单元
6.2.1
伺服驱动单元 的工作原理
6.2.2
伺服电机的主回路
6.3 反馈部件
脉冲编码器
光栅
6.3 .1 脉冲编码器 增量式/相对式脉冲编码器 增量式 相对式脉冲编码器
莫尔干涉条纹的特点： 莫尔干涉条纹的特点： 放大作用; 放大作用 W表示栅距，B表示莫尔条纹的纹距（宽 表示栅距， 表示莫尔条纹的纹距 表示莫尔条纹的纹距（ 表示栅距 ），θ表示光栅条纹的夹角 表示光栅条纹的夹角。 度）， 表示光栅条纹的夹角。则：
6.4 闭环伺服系统的部件互连
以安川伺服系统为例。
6.5 闭环系统的控制方式
6.6 伺服单元应用举例
6.7 伺服电机的选型
1） 电机的最高转速不小于实际系统所要求的最高进 ） 给速率， 给速率，可以取
nmax Vm ⋅ i ≥k⋅ h (r / min)
式中， 为电机的最高转速； 式中，nmax为电机的最高转速；Vm为对应轴要求 的最大进给速度（ 为传动机构的传动比； 的最大进给速度 （ m/min）； i为传动机构的传动比； ） 为传动机构的传动比 h为丝杠螺距；k为裕度系数（1~1.5）。 为丝杠螺距； 为第六章 闭环伺服系统
6.1 伺服电机
直流伺服电机 交流伺服电机 直线电机
6.1.1 直流伺服电机
上世纪九十年 代数控系统多 为永磁式直流 伺服电机。 伺服电机。
6.1.1.1 转矩 速度特性曲线： 转矩—速度特性曲线 速度特性曲线：
转矩M 转矩 转矩界限 瞬时换向界限
III
换向界限
II
温度界限
6.1.2 交流伺服电机
目前数控系统中使用的交流伺服电机多为永磁同步交 流伺服电机。 流伺服电机。
6.1.2.1 转矩 速度特性曲线： 转矩—速度特性曲线 速度特性曲线：
6.1.2.2 交流伺服电机的调速方法： 交流伺服电机的调速方法： 交变频； 交—直—交变频； 直 交变频 交变频； 交—交变频； 交变频
3）负载转动惯量不大于电机转动惯量的 倍，最佳条 ）负载转动惯量不大于电机转动惯量的3倍 件为二者相等。 件为二者相等。 设负载转动惯量为J 设负载转动惯量为 LOAD，工作台转动惯量为 JTABLE，滚珠丝杠转动惯量为 LEADSCREW，带 滚珠丝杠转动惯量为J 的转动惯量为J 带轮2的转动惯量 轮1的转动惯量为 PULLEY1，带轮 的转动惯量 的转动惯量为 为JPULLEY2。则
6.3.3 反馈脉冲计数电路的实现方法
通用IC电路：多采用 位 计数器（ 通用 电路：多采用4位UP/DOWN计数器（例 电路 计数器 如74LS169/669）级联而成，一般为 位/24位。 ）级联而成，一般为16位 位 专用计数电路： 系列芯片， 专用计数电路：例HCTL2000系列芯片，片内带 系列芯片 有数字滤波、四倍频、 位 计数电路、 有数字滤波、四倍频、16位U/D计数电路、三态输 计数电路 出等功能。 出等功能。 专用轴控制芯片：例如 系列， 专用轴控制芯片：例如MCX312/314系列，片内 系列 不但具有脉冲计数功能， 不但具有脉冲计数功能，还具有常用的插补功能 和开关量（限位）控制等功能。 和开关量（限位）控制等功能。 使用PLD器件，通过软件编程得到计数逻辑。 器件，通过软件编程得到计数逻辑。 使用 器件
式中： 式中： m为工作台及工件总质量，单位kg；g=9.81m/s2；i为减 为工作台及工件总质量， kg； 为工作台及工件总质量 单位kg 为减 速比， 为丝杠螺距， 速比，i=D1/D2；h为丝杠螺距，单位 ；δ为倾角；μ ； 为丝杠螺距 单位m； 为倾角； 摩擦系数； 为机床配重百分比。 摩擦系数；k为机床配重百分比。
6.1.2.3 交流伺服电机的特点
无换向炭刷，维护方便； 无换向炭刷，维护方便； 速度高，动态性能好； 速度高，动态性能好； 制造成本低廉。 制造成本低廉。
6.1.3 直线电机
速度快； 速度快； 直接驱动工作台，无机械中间环节，精 直接驱动工作台，无机械中间环节， 度高； 度高； 安装维护和调试复杂。 安装维护和调试复杂。
(kgm )
2
上式中， 为滚珠丝杠的直径 为滚珠丝杠的直径； 为滚珠丝杠的长 上式中，d为滚珠丝杠的直径；L为滚珠丝杠的长 为带轮1的直径 的直径； 为带轮2的直径 的直径； 度；D1为带轮 的直径；D2为带轮 的直径；L1为 带轮1的宽度 的宽度； 为带轮2的宽度 实际中与L 的宽度， 带轮 的宽度；L2为带轮 的宽度，实际中与 1等 为材料系数， 宽 ； α为材料系数 ， 钢或铁取 为材料系数 钢或铁取7700kg/m3 ， 铝取 2700kg/m3。
6.1.1.2 直流伺服电机的调速方法： 直流伺服电机的调速方法： SRC调速 调速; 调速 PWM(Pulse Width Modulation)调速. Modulation)调速 调速.
6.1.1.3 直流伺服电机的特点 启动力矩大，低速性能好； 启动力矩大，低速性能好； 转动惯量大，可以和丝杠直连； 转动惯量大，可以和丝杠直连； 转子的热容量大，允许过载的时间长； 转子的热容量大，允许过载的时间长； 由于有换向炭刷，致使维护麻烦， 由于有换向炭刷，致使维护麻烦，换向时 的火花使最高速度和应用环境受到限制。 的火花使最高速度和应用环境受到限制。
4）电机额定扭矩不小于系统的有效扭矩。 ）电机额定扭矩不小于系统的有效扭矩。 设系统的有效扭矩为M 设系统的有效扭矩为 EFFICIENT，则
M EFFICIENT =
(M F + M W
+ MC )
2
tc 2 tp 2 t ac + (M F + M W ) + (M F + M W + M C ) (Nm) T T T
2）电机静扭矩不小于实际系统的静态扭矩 设系统的静态扭矩为M 摩擦扭矩为M 设系统的静态扭矩为 S，摩擦扭矩为 F，重力扭矩为 MW，切削扭矩为 C，则有：MS = MF + MW + MC 切削扭矩为M 则有：
m⋅ g⋅ µ⋅h+m⋅ g⋅sin ⋅h⋅k +F⋅ g⋅ h δ MS = MF +MW+MC = 2π ⋅i
J LOAD = J TABLE + J LEADSCREW + J PULLEY 1 + J PULLEY 2 2 i
2
d 4 ⋅ L ⋅ π ⋅ α D14 ⋅ L1 ⋅ π ⋅ α h + m + 4 D 2 ⋅ L2 ⋅ π ⋅ α 32 32 2π + = 2 32 i
上式中， 为系统加工周期 为系统加工周期， 为切削时间， 上式中，T为系统加工周期，tc为切削时间，tp为定位 时间， 为加减速时间，在实际中，经常取t 时间，tac为加减速时间，在实际中，经常取 c/T=0.6， ， tp/T=0.4，tac/T近似为 。 近似为0。 ， 近似为
速度界限
I
速度n 速度
I—连续工作区：转矩和速度的任意组合都可以 连续工作区： 连续工作区 长时间工作，转矩基本不变， 长时间工作，转矩基本不变，电机工作在恒转矩 区。 II—断续工作区：电机只能够间歇工作。一般情 断续工作区：电机只能够间歇工作。 断续工作区 况指在10分钟的工作周期内 电机有20%~40% 分钟的工作周期内， 况指在 分钟的工作周期内，电机有 的时间在工作。 的时间在工作。 III—加减速区：电机只能用于加速或减速，工 加减速区：电机只能用于加速或减速， 加减速区 作一段极短的时间。 作一段极短的时间。
2 = W ≈W B= θ θ sin(θ ) 2 sin 2
均化误差作用; 均化误差作用 莫尔条纹的光强移动变化近似于正弦波形。 莫尔条纹的光强移动变化近似于正弦波形。
W ⋅ cos
θ
零脉冲
绝对式脉冲编码器
6.3 .2 直线光栅尺
串行绝对式编码器
安川产品； Heidenhain为代表的EnData。