《机电一体化系统设计》第4章_伺服系统设计[1]
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机电一体化系统设计基础(0004)
稳态电压平衡方程： U a a a a a a
a m a a a e
电磁转矩：
U Cm R Tm Ia Tm Cm I a U
a a
Tm Cm I a
m
a
永磁直流伺服电动机等效电路
Ua 0 m Ce C C e 0 m kTm
Ua Ra2 m Ce C m 2 0C e kT R a C C C T e e m m kT 2
2
2
2
m 折算到电动机轴上的负载均方根 TLr 也是总传 动比it的函数。
4.3 直流伺服电动机的驱动与 控制
直流伺服电动机具有调速性能良好，响应迅速，负载能 力大，稳定性好，精度和效率高等优点，广泛应用在闭 环或半闭环伺服控制系统中。 伺服系统对直流伺服电动机的性能有如下要求： （1）良好的低速平稳性 （2）调速范围要宽 （3）机械特性尽可能硬 （4）过载能力强 （5）换向器和电刷间的接触火花尽可能小 （6）响应迅速，输出转矩大
4.2 典型载荷分析与负载的转 矩特性
二、负载的等效换算
负载的运动有直线运动、旋转运动等形式，它与执 行元件连接有直接连接，也有通过传动装置连接的。 执行元件的额定转矩（或力）及制动方案等的选择 应与负载的固有参数（如m，J）相匹配。故要将负 载相关部件的固有参数及所受载荷（F，T）等效换 算到执行元件的输出轴上。 等效转动惯量、等效负载转矩（回转运动）
m –工作台及工件的质量（kg） r – 传送带驱动轮半径（m） i -- 电机轴至驱动轮的总传动比
i
4.2 典型载荷分析与负载的转 矩特性
2. 等效负载转矩Teq 设系统运动部件的功率总和为：
a m a a a e
电磁转矩：
U Cm R Tm Ia Tm Cm I a U
a a
Tm Cm I a
m
a
永磁直流伺服电动机等效电路
Ua 0 m Ce C C e 0 m kTm
Ua Ra2 m Ce C m 2 0C e kT R a C C C T e e m m kT 2
2
2
2
m 折算到电动机轴上的负载均方根 TLr 也是总传 动比it的函数。
4.3 直流伺服电动机的驱动与 控制
直流伺服电动机具有调速性能良好，响应迅速，负载能 力大，稳定性好，精度和效率高等优点，广泛应用在闭 环或半闭环伺服控制系统中。 伺服系统对直流伺服电动机的性能有如下要求： （1）良好的低速平稳性 （2）调速范围要宽 （3）机械特性尽可能硬 （4）过载能力强 （5）换向器和电刷间的接触火花尽可能小 （6）响应迅速，输出转矩大
4.2 典型载荷分析与负载的转 矩特性
二、负载的等效换算
负载的运动有直线运动、旋转运动等形式，它与执 行元件连接有直接连接，也有通过传动装置连接的。 执行元件的额定转矩（或力）及制动方案等的选择 应与负载的固有参数（如m，J）相匹配。故要将负 载相关部件的固有参数及所受载荷（F，T）等效换 算到执行元件的输出轴上。 等效转动惯量、等效负载转矩（回转运动）
m –工作台及工件的质量（kg） r – 传送带驱动轮半径（m） i -- 电机轴至驱动轮的总传动比
i
4.2 典型载荷分析与负载的转 矩特性
2. 等效负载转矩Teq 设系统运动部件的功率总和为：
机电一体化第4章 控制系统及接口设计(4.11输入／输出控制的可靠性设计)
Vss Vcc
Vss
1k 8031 8155 8255 T0/T1 G LM331
+V LOGIO
3.3k
1k G LM331
1k
1
T
a)
b)
特点：可提高在恶劣环境中前向型通道和电源的抗干扰 能力。
5
控制系统及接口设计-接口技术
二、信息转换电路设计
(1) 弱点/强电转换电路 微机应用系统中的微机发出的控制信号一般要经 过功率放大后，才能驱动备类执行元件。
G 功放电路 K KM AC电动机
来 自 微 机 开 关 量
G
功放电路
K
AC电动机
G
功放电路
K
DT
G
功放电路
YA
5
控制系统及接口设计-接口技术
（2）数字/脉冲信号转换——并行转换为串行
微 机
I/O 接 口
光 电 隔 离 电 路
A相功放电路 A相功放电路 A相功放电路 步进电机
5
控制系统及接口设计-接口技术
5
控制系统及接口设计-接口技术
光电耦合隔离器按其输出级不同可分为三极管型、单 向晶闸管型、双向晶闸管型等几种，如图所示。它们的 原理是相同的，即都是通过电→光→电这种信号转换， 利用光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的。
5
控制系统及接口设计-接口技术
现以最简单的三极管型光电耦合隔离器为例来说明它 的结构原理，如图所示。
例如在现场传感器与A/D转换器或D/A转换器与现 场执行器之间的模拟信号的线性传送，可用光耦的 这种线性区对模拟信号进行隔离。
5
控制系统及接口设计-接口技术
光耦的这两种隔离方法各有优缺点。 • 模拟信号隔离方法的优点是使用少量的光耦，成本 低；缺点是调试困难，如果光耦挑选得不合适，会影 响A/D或D/A转换的精度和线性度。数字信号隔离方法 的优点是调试简单，不影响系统的精度和线性度； • 缺点是使用较多的光耦器件，成本较高。但因光耦 越来越价廉，数字信号隔离方法的优势凸现出来，因 而在工程中使用的最多。
Vss
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+V LOGIO
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1k G LM331
1k
1
T
a)
b)
特点：可提高在恶劣环境中前向型通道和电源的抗干扰 能力。
5
控制系统及接口设计-接口技术
二、信息转换电路设计
(1) 弱点/强电转换电路 微机应用系统中的微机发出的控制信号一般要经 过功率放大后，才能驱动备类执行元件。
G 功放电路 K KM AC电动机
来 自 微 机 开 关 量
G
功放电路
K
AC电动机
G
功放电路
K
DT
G
功放电路
YA
5
控制系统及接口设计-接口技术
（2）数字/脉冲信号转换——并行转换为串行
微 机
I/O 接 口
光 电 隔 离 电 路
A相功放电路 A相功放电路 A相功放电路 步进电机
5
控制系统及接口设计-接口技术
5
控制系统及接口设计-接口技术
光电耦合隔离器按其输出级不同可分为三极管型、单 向晶闸管型、双向晶闸管型等几种，如图所示。它们的 原理是相同的，即都是通过电→光→电这种信号转换， 利用光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的。
5
控制系统及接口设计-接口技术
现以最简单的三极管型光电耦合隔离器为例来说明它 的结构原理，如图所示。
例如在现场传感器与A/D转换器或D/A转换器与现 场执行器之间的模拟信号的线性传送，可用光耦的 这种线性区对模拟信号进行隔离。
5
控制系统及接口设计-接口技术
光耦的这两种隔离方法各有优缺点。 • 模拟信号隔离方法的优点是使用少量的光耦，成本 低；缺点是调试困难，如果光耦挑选得不合适，会影 响A/D或D/A转换的精度和线性度。数字信号隔离方法 的优点是调试简单，不影响系统的精度和线性度； • 缺点是使用较多的光耦器件，成本较高。但因光耦 越来越价廉，数字信号隔离方法的优势凸现出来，因 而在工程中使用的最多。
机电一体化技术——伺服系统
Ua MR a n= − 2 C eφ C e G φ
n M=0 M1 M2
M一定时，控制电压Ua 一定时，控制电压 一定时 高时，转速n也高 也高， 高时，转速 也高，二者成正 比关系。 比关系。 当n=0时，不同转矩 需 时 不同转矩M需 要的控制制电压Ua也不同 也不同。 要的控制制电压 也不同。
二、伺服系统的分类 1、根据执行元件性质分类 、 电气伺服系统 液压伺服系统 气动伺服系统 2、根据控制方式分类 、 开环伺服系统 闭环伺服系统
三、伺服系统的基本要求 1、高可靠性。 、高可靠性。 2、良好的动态性。 、良好的动态性。
3、动作准确性高、系统精度高。 、动作准确性高、系统精度高。 4、高效率。 、高效率。
控制绕组 1、结构特点 、
定子
定子为三对磁极， 定子为三对磁极，磁极对数称 相对的极属一相。 做“相”，相对的极属一相。 磁极个数是定子相数m的 倍 磁极个数是定子相数 的2倍 即2 m,每个磁极上套有该相的控制 每个磁极上套有该相的控制 绕组,在磁极的极靴上制有小齿 在磁极的极靴上制有小齿， 绕组 在磁极的极靴上制有小齿，转 子由软磁材料制成齿状。 子由软磁材料制成齿状。 转子
转子齿距要相同。 （1）定、转子齿距要相同。 ） （2）在同相的磁极下，定、转子齿应同 ）在同相的磁极下， 时对齐或同时错开 ，以保证产生最大转矩。 以保证产生最大转矩。 三相反应式步进电动机
转子齿的相对位置应依次错开1/m齿距。当连续改变 齿距。 （3）在不同相的磁极下，定、转子齿的相对位置应依次错开 ）在不同相的磁极下， 齿距 通电状态时，可以获得连续不断的步进运动。 通电状态时，可以获得连续不断的步进运动。
伺服电动机的技术要求
电 动 机 交流(AC)伺服电动机 伺服电动机 交流 直流(DC)伺服电动机 伺服电动机 直流 步进电动机 其它电动机
机电一体化第四章
K为控制状态系数（3拍为1，6拍为2）
显然，单位时间内通入的电脉冲数越多，即电
脉冲频率越高，电机转速越高。三相励磁绕组
依次单独通电运行，换接三次完成一个通电循
环，称为三相单三拍通电方式。
精品课件
16
三相双三拍
通电顺序： UV 相→VW 相→WU 相。
U1
U1
U1
V2
W2
V2
W2
V2
W2
W1
V1
U2
精品课件
45
2．步矩角的选择和精度
步矩角的选择是由脉N 冲当量等因素来决 定的。
步进电机的步距角精度将会影响开环系统的
精度。
步电 矩机角的精转度角是在空载，条其件中下，在36为0步°范矩围角内，
11
图4-2为反应式步进电机结构简图。其定子
转子角有位六移个的均大匀小分及布转的速磁分极，每两个相对U磁1 极组
别与成输一入相的，电即脉有冲U数-及U 其、频V-V、W-W三相，磁极
率成上正绕比励，磁并绕在组时。间定上子与、输转子上V2都均匀分布了 W2
入脉一冲些同齿步，只要控制输入
电脉冲的数量、频率以及电
① UV 相通电
W1
V1
U2
② VW 相通电
W1
V1
U2
③ WU 相通电
※ 步距角：θ = 30°
精品课件
17
通电顺序：U→UV →V→VW →W →WU →U。
U1
1
U1
2
U1
V2
4
1
W2
V2
W2
V2
W2
1
3
4
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W1
3
V1
显然，单位时间内通入的电脉冲数越多，即电
脉冲频率越高，电机转速越高。三相励磁绕组
依次单独通电运行，换接三次完成一个通电循
环，称为三相单三拍通电方式。
精品课件
16
三相双三拍
通电顺序： UV 相→VW 相→WU 相。
U1
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W1
V1
U2
精品课件
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2．步矩角的选择和精度
步矩角的选择是由脉N 冲当量等因素来决 定的。
步进电机的步距角精度将会影响开环系统的
精度。
步电 矩机角的精转度角是在空载，条其件中下，在36为0步°范矩围角内，
11
图4-2为反应式步进电机结构简图。其定子
转子角有位六移个的均大匀小分及布转的速磁分极，每两个相对U磁1 极组
别与成输一入相的，电即脉有冲U数-及U 其、频V-V、W-W三相，磁极
率成上正绕比励，磁并绕在组时。间定上子与、输转子上V2都均匀分布了 W2
入脉一冲些同齿步，只要控制输入
电脉冲的数量、频率以及电
① UV 相通电
W1
V1
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② VW 相通电
W1
V1
U2
③ WU 相通电
※ 步距角：θ = 30°
精品课件
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通电顺序：U→UV →V→VW →W →WU →U。
U1
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机电一体化系统设计
图2.6 锥齿轮轴向压簧调整
图2.7 锥齿轮周向弹簧调整 1.大片锥齿轮 2.小片锥齿轮 3.锥齿轮 4.镶块 5.弹簧 6.止动螺钉 7.凸爪 8.槽
（四）齿轮齿条传动机构
结构如图2.8所示。用于行程较长的大型机床上，易于得 到高速直线运动。 1.双片簿齿轮调整法 分别与齿条齿槽的左、右两侧贴紧， 从而消除齿侧间隙（传动负载小时采用）。 2.双厚齿轮传动的结构 进给运动由轴5输入，该轴上装有
1.垫片调整法 结构如图2.4所示。在两薄片斜齿轮1、2中间 加垫片3，改变两薄片斜齿轮之间的轴向距离，使薄片斜齿 轮1、2的螺旋线错位。
特点：1)结构简单；2)齿侧间隙不能自动补偿。3) 使用时需 要反复测试齿轮的啮合情况，反复调节垫片的厚度。
图2.4 斜齿薄片齿轮垫片调整
(二)斜齿轮传动机构
功用： 转矩匹配； 惯量匹配；脉冲当量匹配；降速
消除传动间隙
作用：消除反向间隙，提高传动精度 方法：使啮合状态轮齿的两侧均处于接触状 实现：偏心轴调整、轴向垫片调整 （刚性）
轴向压簧调整、周向压簧调整（柔性）
径向（中心矩）调隙法；轴向调隙法；周向(切向）调隙法
(一)直齿圆柱齿轮传动机构
1.偏心轴套调整法 结构如图2.1所示。转动偏心轴套2调整 两啮合齿轮的中心距，消除齿侧间隙及其造成的换向死区。 特点：结构简单，侧隙调整后不能自动补偿。
此外，还要求机械系统具有较大的刚度、良好的可靠性和重量轻、 体积小、寿命长。
三、机械系统的组成
1.传动机构 ：如，齿轮传动机构、蜗杆蜗轮传动机构、丝杠传动机 构、链传动、带传动等。
要求：满足整个机械系统良好的伺服性能；要满足传动精度的要求； 满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性的要求。
《机电一体化系统设计》_伺服系统设计解析69页PPT
谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
《机电一体化系统设计》_伺服系统设计 解析
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
机电一体化系统设计最终版
其显著特征之一，是用尽可能小的动力输 入获得尽可能大的功能输出。
21.06.2021
电力拖动
38
第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
传感检测单元
对系统运行过程中所需要的本身和外界环 境的各种参数及状态进行检测，并转换成 可识别信号，传输到控制信息处理单元， 经过分析、处理产生相应的控制信息。
对其要求是体积小、便于安装与联接、检 测精度高、抗干扰
21.06.2021
电力拖动
33
第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
21.06.2021
电力拖动
34
第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
21.06.2021
电力拖动
35
第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
21.06.2021
电力拖动
36
第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
机械本体（机械系统）
机械技术（精密机械技术）
是机电一体化的基础。机电一体化的机械产 品与传统的机械产品的区别在于：机械结构 更简单、机械功能更强、性能更优越。
机械技术的出发点在于如何与机电一体化技 术相适应，利用其他高新技术来更新概念， 实现结构、材料、性能以及功能上的变更。
21.06.2021
电力拖动
25
第三节 机电一体化的相关技术
包括机械传动装置和机械结构装置。其主 要功能是使构造系统的各子系统、零部件 按照一定的空间和时间关系安置在一定位 置上，并保持特定的关系。
其开发重点是模块化、标准化和系列化， 以便于机械系统的快速组合和更换
21.06.2021
电力拖动
37
第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
动力单元
按照机电一体化系统的控制要求。，为系 统提供能量和动力以保证系统正常运行。
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电力拖动
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第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
传感检测单元
对系统运行过程中所需要的本身和外界环 境的各种参数及状态进行检测，并转换成 可识别信号，传输到控制信息处理单元， 经过分析、处理产生相应的控制信息。
对其要求是体积小、便于安装与联接、检 测精度高、抗干扰
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电力拖动
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第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
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电力拖动
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第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
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第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
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电力拖动
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第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
机械本体（机械系统）
机械技术（精密机械技术）
是机电一体化的基础。机电一体化的机械产 品与传统的机械产品的区别在于：机械结构 更简单、机械功能更强、性能更优越。
机械技术的出发点在于如何与机电一体化技 术相适应，利用其他高新技术来更新概念， 实现结构、材料、性能以及功能上的变更。
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电力拖动
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第三节 机电一体化的相关技术
包括机械传动装置和机械结构装置。其主 要功能是使构造系统的各子系统、零部件 按照一定的空间和时间关系安置在一定位 置上，并保持特定的关系。
其开发重点是模块化、标准化和系列化， 以便于机械系统的快速组合和更换
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电力拖动
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第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
动力单元
按照机电一体化系统的控制要求。，为系 统提供能量和动力以保证系统正常运行。
第4章伺服系统设计与禁忌
第4章 伺服系统设计与禁忌4.1 伺服系统设计概述4.1.1 伺服系统及其基本构成伺服系统亦称随动系统，隶属于自控系统的一个重要分支。
它用来控制被控对象的转角（或位移），使其能自动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规律。
伺服系统服务的对象种类繁多，如机器人手臂各关节的运动控制，仿形铣床中铣刀与被加工件之间相对运动轨迹的控制， 电弧炼钢炉电极的位置控制，跟踪雷达天线俯仰角、方位角的自动控制，电动控制阀阀门的位置控制，计算机的磁盘、光盘的驱动控制等。
伺服系统是由多种元、器件连接组成的，如图4-1所示。
其中图4-1a 表示用步进电动机及驱动线路所构成的开环伺服系统，图4-1b 则表示闭环伺服系统。
图中各部分都是由传递信号来控制的。
本章将主要讨论各部分的设计、选择、相互间的连接与匹配并构成系统的问题。
就实际伺服系统而言，它除了包含图中所示各部分外，还应该有为各部分提供能源的电源设备，以及系统的控制、检测显示等装置。
从伺服系统组成元件的性质看，有全部为电气元件组成的电气伺服系统；有电气元件与液压元件组合成的电气-液压伺服系统；有电气元件与气动元件组合成的电气-气动伺服系统。
本章仅以电气伺服系统为例，介绍伺服系统的设计方法，举一反三，并不失其通用性。
伺服系统常用的控制方式见图4-2，其中图4-2a 为开环控制；图4-2b 为闭环控制；图4-2c 为开环与闭环的组合控制形式，简称复合控制。
4.1.2 对伺服系统的设计要求 工程上对伺服系统的设计要求很具体，由于伺服系统所服务的对象不同、用途殊异，因而对伺服系统的要求也有差别。
可将技术要求归纳为以下几个方面：b) 图4-1 伺服系统的方框图1)对系统基本性能的要求，包括对系统稳态性能和动态性能两方面的要求。
2)对系统工作体制、可靠性、使用寿命等方面的要求。
3)系统需适应的工作环境条件：如温度、湿度、防潮、防化、防辐射、抗振动、抗冲击等方面的要求。
4)对系统体积、容量、结构外形、安装特点等方面的限制。
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绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的， 它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数， 什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的 位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠 性大大提高了。
光栅传感器
长光栅横向模尔条纹
从图中不难看出。当光栅副间的夹角θ 很小，且两光栅的栅距相等，都为W时，莫 尔条纹间距B为:
三、步进电动机及其控制Fra bibliotek3) 最大静转矩和失调角 当转子带有负载力矩通电时，转子就不再能和
定子上的某极对齐，而是相差一定的角度，该角 度所形成的电磁转矩正好和负载力矩相平衡。这 个角度称为失调角。 步进电动机所能带的静转矩是受到限制的，最 大静转矩表示步进电机的承受载荷的能力。
二、伺服电机及其控制
二、伺服系统类型
按被控量的不同可以将伺服系统分为位置 伺服系统、速度伺服系统，其中最常见的 是位置伺服系统 ；
按照控制方式，可将伺服系统分为开环、 闭环、半闭环系统 。 （P25）
根据执行器使用的动力源，可以将伺服系 统分为电气伺服系统、液压伺服系统和气 压伺服系统等几种类型
二、伺服系统类型
定子：磁场—永磁体
转子：电枢绕组
换向：换向器与电刷
二、伺服电机及其控制
(2) 调速方式 直流伺服电机的机械特性方程为（P101）：
nCUe c CeCRt2 T
式中，U c 一电枢控制电压；R一电枢回路电
阻； —每极磁通；C e 、C t —分别为电动机
脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制 电机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。
定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上 述的通电方式称为三相单三拍。所谓“单”是指 每次只有一相绕组通电；所谓“三拍”是指经过 三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。
三、步进电动机及其控制
2. 性能参数
(1)步距角
绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道 刻线依次以2线、4线、8线、16 线。。。。。。 编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取 每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的 n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称 为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的 机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。
例：数控机床伺服系统，
由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样， 也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分 组成。
三、伺服系统的基本要求
对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速 响应性。
稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统 能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指 令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态 的能力。
精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是 指其输出量复现输入指令信号的精确程度。
快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项 重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动 态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的 迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。
由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还 是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过 零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。
1 直流伺服电动机 基本原理是主磁极的励磁线圈在直流电源
下产生恒定磁场，当电枢绕组通入直流电， 在电枢线圈中有直流电流，因而电枢线圈 在磁场的作用下受到电磁力矩而带动转子 旋转。
加于直流电机的直流电源，借助于换向器和电刷的 作用，使直流电机电枢线圈流过的电流，方向是交 变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变， 确保直流电机朝确定的方向连续旋转。
二、步进电动机及其控制
1、工作原理：
当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁阻最小的 路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1、3齿要和A 级对齐。当下一个脉冲通入B相时，磁通同样要按磁阻最 小的路径闭合，即2、4齿要和B级对齐，则转子就顺逆 时针方向转动一定的角度。
三、步进电动机及其控制
若通电脉冲的次序为A、C、B、A…，则不 难推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这 样，用不同的脉冲通入次序方式就可以实观对步 进电动机的控制。
一、执行元件类型及特点
1. 电气执行元件 电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（AC） 伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元 件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态 性能好，适合于频繁使用，便于维修等 2．液压式执行元件 液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、 液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况 下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点 3．气压式执行元件 气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液 压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动 力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩 性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。
信号连接—编码器的脉冲信号一般连接计数器、 PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速 模块与高速模块之分，开关频率有低有高。 如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。 A.B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和 测速。 A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置 测量。
绝对型编码器（旋转型）
步进电动机走一步所转过的角度称为步距角，
可按下面公式计算
360 0
Zm
式中 为步距角； Z为转子上的齿数；m为
步进电动机运行的拍数。
同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时 步距角也是不同的
三、步进电动机及其控制
(2) 启动频率和运行频率 我们把不失步启动的最高脉冲频率称为启动频
率，也称突跳频率，是步进电动机的一项重要性 能指标。 运行频率是指步进电动机起动后，当控制脉冲 频率连续上升时，步进电动机能不失步的最高频 率
B
W 2 sin
W
2
由于θ值很小，条纹近似与栅线的方向 垂直，故称为横向莫尔条纹。
横向莫尔条纹重要特性: ①莫尔条纹运动与光栅运动具有对应关系 ②莫尔条纹具有位移放大作用 ③莫尔条纹具有平均光栅误差作用
原理图1
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4.2 伺服系统执行元件及其控制
一、执行元件类型及特点 二、步进电机及其控制 三、伺服电机及其控制
光栅传感器
长光栅横向模尔条纹
从图中不难看出。当光栅副间的夹角θ 很小，且两光栅的栅距相等，都为W时，莫 尔条纹间距B为:
三、步进电动机及其控制Fra bibliotek3) 最大静转矩和失调角 当转子带有负载力矩通电时，转子就不再能和
定子上的某极对齐，而是相差一定的角度，该角 度所形成的电磁转矩正好和负载力矩相平衡。这 个角度称为失调角。 步进电动机所能带的静转矩是受到限制的，最 大静转矩表示步进电机的承受载荷的能力。
二、伺服电机及其控制
二、伺服系统类型
按被控量的不同可以将伺服系统分为位置 伺服系统、速度伺服系统，其中最常见的 是位置伺服系统 ；
按照控制方式，可将伺服系统分为开环、 闭环、半闭环系统 。 （P25）
根据执行器使用的动力源，可以将伺服系 统分为电气伺服系统、液压伺服系统和气 压伺服系统等几种类型
二、伺服系统类型
定子：磁场—永磁体
转子：电枢绕组
换向：换向器与电刷
二、伺服电机及其控制
(2) 调速方式 直流伺服电机的机械特性方程为（P101）：
nCUe c CeCRt2 T
式中，U c 一电枢控制电压；R一电枢回路电
阻； —每极磁通；C e 、C t —分别为电动机
脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制 电机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。
定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上 述的通电方式称为三相单三拍。所谓“单”是指 每次只有一相绕组通电；所谓“三拍”是指经过 三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。
三、步进电动机及其控制
2. 性能参数
(1)步距角
绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道 刻线依次以2线、4线、8线、16 线。。。。。。 编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取 每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的 n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称 为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的 机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。
例：数控机床伺服系统，
由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样， 也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分 组成。
三、伺服系统的基本要求
对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速 响应性。
稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统 能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指 令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态 的能力。
精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是 指其输出量复现输入指令信号的精确程度。
快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项 重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动 态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的 迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。
由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还 是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过 零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。
1 直流伺服电动机 基本原理是主磁极的励磁线圈在直流电源
下产生恒定磁场，当电枢绕组通入直流电， 在电枢线圈中有直流电流，因而电枢线圈 在磁场的作用下受到电磁力矩而带动转子 旋转。
加于直流电机的直流电源，借助于换向器和电刷的 作用，使直流电机电枢线圈流过的电流，方向是交 变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变， 确保直流电机朝确定的方向连续旋转。
二、步进电动机及其控制
1、工作原理：
当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁阻最小的 路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1、3齿要和A 级对齐。当下一个脉冲通入B相时，磁通同样要按磁阻最 小的路径闭合，即2、4齿要和B级对齐，则转子就顺逆 时针方向转动一定的角度。
三、步进电动机及其控制
若通电脉冲的次序为A、C、B、A…，则不 难推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这 样，用不同的脉冲通入次序方式就可以实观对步 进电动机的控制。
一、执行元件类型及特点
1. 电气执行元件 电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（AC） 伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元 件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态 性能好，适合于频繁使用，便于维修等 2．液压式执行元件 液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、 液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况 下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点 3．气压式执行元件 气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液 压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动 力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩 性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。
信号连接—编码器的脉冲信号一般连接计数器、 PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速 模块与高速模块之分，开关频率有低有高。 如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。 A.B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和 测速。 A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置 测量。
绝对型编码器（旋转型）
步进电动机走一步所转过的角度称为步距角，
可按下面公式计算
360 0
Zm
式中 为步距角； Z为转子上的齿数；m为
步进电动机运行的拍数。
同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时 步距角也是不同的
三、步进电动机及其控制
(2) 启动频率和运行频率 我们把不失步启动的最高脉冲频率称为启动频
率，也称突跳频率，是步进电动机的一项重要性 能指标。 运行频率是指步进电动机起动后，当控制脉冲 频率连续上升时，步进电动机能不失步的最高频 率
B
W 2 sin
W
2
由于θ值很小，条纹近似与栅线的方向 垂直，故称为横向莫尔条纹。
横向莫尔条纹重要特性: ①莫尔条纹运动与光栅运动具有对应关系 ②莫尔条纹具有位移放大作用 ③莫尔条纹具有平均光栅误差作用
原理图1
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4.2 伺服系统执行元件及其控制
一、执行元件类型及特点 二、步进电机及其控制 三、伺服电机及其控制