闭环伺服系统及轨迹实现

2. 三相同步交流伺服电机
三相同步型交流伺服电机虽较异步型交流伺服电机 复杂，但比直流伺服简单。它的定子与异步型电动机一 样，都在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同，按 不同的转子结构又分为电磁式及非电磁式两大类，后一 类又分为磁滞式、反应式、永磁式等多种。其中磁滞式、 反应式同步电动机存在效率低、功率因数低、制造容量 不大等缺点。
2.稳定性好
稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在 短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状 态，对伺服系统要求有较强的抗干扰能力。
3.快速响应
快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映 了系统的跟踪精度。
4.调速范围宽
调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速 和最低转速之比。在数控机床中，由于加工用刀具、被 加工材质及零件加工要求的不同，伺服系统需要具有足 够宽的调速范围。
✓速度环 由速度调节器、速度检测装置（如测速发 电机、脉冲编码器等）和速度反馈部分组成。
✓电流环 由电流调节器、电流检测环节和电流反馈 部分组成。
1.2 对伺服系统的基本要求
1.精度高
伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程 度。作为数控加工，对定位精度和轮廓加工精度要求都 比较高，定位精度一般允许的偏差为0.01～0.001mm， 甚至0.1μm。
✓如果将指示光栅沿标尺光栅长度方向平行地移动，莫尔条 纹也跟着移动，但移动方向与指示光栅垂直。
✓当指示光栅移动一条刻线时，莫尔条纹也正好移动一个条 纹。
✓莫尔条纹中两条亮纹或两条纹暗之间的距离称为莫尔条 纹的宽度为
w d sin 2 d
放大比
k d w 1
✓莫尔条纹具有误差平均效应，可以消除光栅的栅距不均 匀造成的测量误差。
4.1 光栅
光栅分为物理光栅和计量光栅，物理光栅刻线细密， 用于光谱分析和光波波长的测定。计量光栅刻线较粗， 栅距较小，在 0.004-0.25mm 之间，主要用在数字检测 系统。
光栅根据光线的运动路径分为透射光栅和反射光 栅。在数控系统中用的较多的是透射光栅。透射光栅的 特点是：光源可以采用垂直入射光，光电元件能够直接 接收，因此信号的幅值比较大，光栅读数头的结构简单。
➢在 t3 时间段，VT1、VT2、VT6 这 3 只逆变管导通， 电机线圈电流的方向是从R 到 B 和 从Y 到B，得到的线 电压为-UBR 和UYB。
➢在 t4 时间段，VT2、VT4、VT6 这3 只逆变管导通，电 机线圈电流的方向是从Y 到 R 和 从Y 到B，得到的线电 压为-URY 和UYB。
➢在 t5 时间段，VT2、VT3、VT4 这3 只逆变管导通，电 机线圈电流的方向是从Y 到 R 和 从B 到R，得到的线电 压为-URY 和 UBR。
➢在 t6 时间段，VT3、VT4、VT5 这 3 只逆变管导通，电 机线圈电流的方向是从B 到 R 和 从B 到Y，得到的线电 压为 UBR 和-UYB。
5.低速大转矩
机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此， 要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。
伺服系统中的执行元件——伺服电机
（1）电机从低速到高速范围内能平滑运转，且转矩波 动要小。在最低转速时，如0.1r/min或更低转速时，仍 有平稳的速度而无爬行现象。
（2）电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足 低速大转矩的要求。电机能在数分钟内过载数倍而不损 坏，直流伺服电机的过载倍数为4～6倍，交流伺服电 机的为2～4倍。
光栅按运动方式分为长光栅和圆光栅，长光栅用 来测量直线位移；圆光栅用来测量角度位移。
1. 光栅的结构
光栅由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺 光栅一般安装在机床的活动部件上（如工作台上），光 栅读数头安装在机床固定部件上（如底座上）。
光栅读数头中安装有指示光栅，当光栅读数头相对 于标尺光栅移动时，指示光栅便相对于标尺光栅做相对 移动。
✓检测装置的检测精度为±0.001-±0.002mm/m， 分辨率为0.001-0.01mm/m。能满足机床工作台 以0-24m/min 的速度运动。
✓不同类型数控机床对检测装置的精度和适应速度 的要求是不同的，对大型机床以满足速度要求为主。 对中、小型机床和高精度机床以满足精度要求为主。
✓选择测量装置的分辨率应比加工精度高一个数量 级。
1-定子 2-转子 3-脉冲编码器 4-定子三相绕组 5-接线盒
电枢在定子上，定子具有齿槽，内有三相交流绕组， 形状与普通交流感应电机的定子相同。
转子由多块永磁铁和铁心组成。
2.工作原理
永磁交流同步伺服电机定子绕组接通三相电源后便 产生旋转磁场。根据磁极异性相吸的原理，转子磁极就 被定子磁场吸住而以相同的转速(即同步转速)一起旋转。
开环伺服系统 通常使用步进电机，开环系统不需要 反馈元件，结构比较简单，成本低廉，但是精度取决 于步进电机的步距精度和工作频率以及传动机构的传 动精度，达不到很高的精度，主要应用在对精度要求 不是很高的场合。
闭环伺服系统 采用直流伺服电机或交流伺服电机， 需要在系统中增加检测元件，直接或间接的将被控制 量反馈给控制系统，构成闭环控制系统，系统较复杂、 成本高，适用于对精度要求比较高的场合。闭环伺服 系统又根据检测元件所在位置的不同，分为半闭环和 全闭环两种。
（1）增量式编码器 增量式编码器可通过光电转换将被测轴的角位移增
量转换成相应的脉冲数字量，然后由计算机数控系统或 计数器计数得到角位移和直线位移量。
1-旋转轴；2-轴承； 3-透光狭缝；4-光电码盘； 5 光源；6-聚光镜； 7-光栏板；8-光敏元件
缺点：噪声或其它外部干扰可能产生记数错误，另外 如果电源切断后会失去位置信息。
对于采用全闭环控制的数控机床，可采用感应同 步器、光栅、磁栅等测量装置，直接测量工作台的直线 位移。
检测装置能分辩出的最小测量值称为分辩率。分 辩率不仅取决于检测装置本身，也取决 于测量线路。
✓数控机床对检测装置的主要要求： （1）高可靠性和高抗干扰性； （2）满足精度、速度、行程的要求； （3）使用维护方便，适合机床运行环境； （4）成本低。
闭环伺服系统及轨迹实现
统由伺服电机、功率放大电路、电流调节 器、速度调节器、位置调节器和相应的检测装置（如脉冲 编码器等）组成。
✓位置环 由位置调节器、位置检测和位置反馈控制 部分组成，如果是半闭环系统，则位置反馈信号一般 取自伺服电机，如果是全闭环系统，则位置反馈信号 取自工作台。
线电压URY、UYB、UBR 三者之间互 差120°，它们的 幅值是U。
3.2 正弦脉宽调制
1. 正弦脉宽调制的原理
✓等宽脉冲波的脉宽调制
每个脉宽的宽度为 t1，相邻脉冲的间隔为 t2， t1+t2=TZ(脉冲波周期)。则等宽脉冲的占空比 α=t1/(t1+t2)。调节占空比α，就可以调节输出的平 均电压 ✓SPWM 波形
标尺光栅和指示光栅构成了光栅尺。在安装光栅尺 时，标尺光栅和指示光栅的平行度以及两者之间的间隙 （一般取0.05mm 或0.1mm）要严格 保证。
（2）光栅的工作原理
✓栅距相等的标尺光栅和指示光 栅刻面，相对以很小的间隙平行 放置，且指示光栅上的线纹和标 尺光栅上的线纹之间形成一个小
角度θ。
✓在光源的照射下，由于光 的衍射或遮光效应，在与两光栅 线纹角 θ 的平分线相垂直的方向上，形成明暗相间的条纹。 这种条纹称为“莫尔条纹”，其光强度分布近似于正弦波形。
1.主电路中各元件的功能
（1）交-直电路 整流管VD1～VD6 组成三相整流桥，对三相交流电
进行全波整流。整流后的直流电U=1.35×380V=513V， 滤波电容 Cr 滤除整流后的电压纹波，并在负载变化时 保持电 压平稳。
（2）直-交电路 逆变开关管VT1～VT6 组成三相逆变桥，将直流电逆
变成频率可调的矩形波交流电。
绝对式光电码盘与接触式码盘结构相似，只是 其中的黑白区域不表示导电区和绝缘区，而是表示 透光区和不透光区。其中黑的区域指不透光区，用 “0”表示；白的区域指透光区，用“1”表示。如 此，在任意角度都有“1”和“0”组成的二进制代 码。
在每一码道上都有一组光敏元件，这样，不论 码盘转到哪一角度位置，与之对应的各光敏元件受 光的输出为“1”，不受光的输出为“0”，由此组 成n 位二进制编码。
3 交流伺服电机的变频调速
3.1 交-直-交变频调速
变频调速实质上是向交流电动机提供一个频率可控 的电源。能实现这一功能的装置称为变频器。变频器由 两部分组成：主电路和控制电路，其中主电路通常采用 交-直-交方式，即 先将交流电转变成直流电(整流、滤波)， 再将直流电转变成频率可调的矩形波交流电(逆变)。
（2）绝对式编码器 ✓接触式绝对编码器
1-电刷 2-绝缘体 3-导电体
在一个不导电基体上做出许多金属区使其导电，其中 涂黑部分为导电区，用“1”表示，其他部分为绝缘区，用 “0”表 示。
编码器码道的圈数就是二进 制的位数，且高位在内，低位在 外。若 是n 位二进制码盘，就有 n圈码道，且圆周均为2n等分， 即共有2n个数来表示码盘的不同 位 置，所能分辨的角度为
2 交流伺服电机原理
2.1 交流伺服电机的类型
1. 三相异步交流伺服电机
✓异步型交流伺服电机必须克服交流伺服电机的所谓 “自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别 是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即 停止转动。
✓异步型交流伺服电机结构简单，制造容量大。
✓缺点：运行时必须从电网吸收滞后的无功功率，使 电网功率因数变差；另外速度受负载的变化影响较大， 不能经济地实现宽调速范围的平滑调节。
调节PWM（Pulse Width Modulation）波 的频率1/Tt，就可以改变 电源频率，实现调速。
4 闭环伺服系统常用检测装置
对于采用半闭环控制的数控机床，位置检测装置一 般采用旋转变压器，或高分辨率的脉冲编码器，安装在 进给电机或丝杠的端头。旋转变压器（或脉冲编码器） 的位移严格地对应着工作台的直线位移。