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第1篇 电气伺服系统 1

第1章 伺服系统概述 1

1.1伺服系统的概念及分类 1

1.1.1伺服系统的概念 1

1.1.2伺服系统的分类 2

1.2伺服系统的组成及特点 4

1.2.1伺服系统的组成 4

1.2.2伺服系统的主要特点 5

1.3伺服系统的基本要求 5

第2章 位置和速度传感器 7

2.1概述 7

2.1.1传感器的作用和定义 7

2.1.2传感器的组成 7

2.1.3传感器的分类 8

2.2旋转变压器 8

2.2.1旋转变压器的基本类型 8

2.2.2旋转变压器的基本工作原理 9

2.2.3旋转变压器的基本参数和性能指标 12

2.3感应同步器 13

2.3.1感应同步器的基本类型和特点 13

2.3.2感应同步器的工作原理 14

2.3.3感应同步器的工作方式 15

2.3.4感应同步器鉴相系统 16

2.3.5感应同步器鉴幅系统 17

2.3.6感应同步器的电气参数和技术参数 17

2.4光电编码器 18

2.4.1增量式光电编码器 19

2.4.2绝对式光电编码器 21

2.4.3多转绝对式光电编码器 22

2.4.4混合式光电编码器 23

2.4.5数字测速方法 24

2.5光栅 27

2.5.1光栅的分类 27

2.5.2直线式透射光栅 28

2.5.3莫尔条纹式光栅 29

2.5.4光栅检测装置 30

2.6速度传感器 32

2.6.1测速发电机的工作原理、类型和特点 32

2.6.2桥式速度传感器和测速电路 34

2.6.3数字式速度传感器 35

2.6.4速度传感器的功能、特性 35

第3章 步进伺服系统 38

3.1步进电动机的工作原理 38

3.1.1步进电动机的基本结构及工作原理 39

3.1.2步进电动机的分类及型号命名 40

3.1.3步进电动机的主要特性 41

3.1.4步进电动机的主要技术参数 43

3.2步进电动机驱动与控制系统 47

3.2.1步进电动机驱动电路的组成 47

3.2.2步进电动机典型驱动方式 47

3.2.3步进电动机驱动／控制集成电路 51

3.3步进电动机计算机控制系统 59

3.3.1步进电动机的开环控制 59

3.3.2专用大规模集成电路与计算机组合控制系统 64

第4章 无刷直流电动机控制系统 69

4.1无刷直流电动机原理 69

4.1.1无刷直流电动机的基本结构及工作原理 69

4.1.2无刷直流电动机的基本方程式 74

4.1.3无刷直流电动机的运行特性 76

4.2无刷直流电动机驱动控制 77

4.2.1开环型无刷直流电动机驱动器 78

4.2.2速度闭环型无刷直流电动机驱动器 79

4.2.3速度电流双闭环型无刷直流电动机控制系统 79

4.2.4单片机控制的无刷直流电动机控制系统 80

4.2.5无位置传感器控制系统 80

4.3无刷直流电动机驱动控制专用芯片 81

第5章 交流伺服系统 84

5.1交流伺服电动机 84

5.1.1分类及产品名称代号 84

5.1.2结构与特点 85

5.1.3基本工作原理 85

5.1.4控制方式 86

5.1.5性能特点与运行特点 87

5.1.6绕组参数和工艺缺陷对性能的影响 90

5.1.7交流伺服电动机的应用及选择 90

5.1.8交流伺服电动机的主要技术参数 92

5.2数控机床中的主轴驱动系统 94

5.2.1数控机床对主轴驱动和主轴电动机的要求 94

5.2.2直流主轴驱动系统 96

5.2.3交流主轴驱动系统 99

5.2.4主轴定向控制 104

第6章 直流伺服系统 106

6.1直流伺服电动机 106

6.1.1分类及产品名称代号 106

6.1.2结构与特点 107

6.1.3工作原理 108

6.1.4主要特性 109

6.1.5交直流伺服电动机的比较 110

6.1.6应用与选择 111

6.1.7部分直流伺服电动机的主要技术数据 113

6.2直流伺服电动机控制技术 116

6.2.1直流伺服电动机的数学模型 116

6.2.2直流伺服电动机开环驱动的稳态和动态特性 117

6.2.3直流伺服电动机速度闭环控制的动态特性 118

6.2.4直流伺服电动机速度控制 119

6.3 PWM直流伺服控制系统 121

6.3.1 PWM直流伺服驱动装置的工作原理和特点 122

6.3.2 PWM直流伺服驱动系统典型实例 125

6.4单片机控制直流伺服电动机 127

6.4.1单片机与PWM功放器的接口 128

6.4.2直流伺服系统中的反馈电路及接口 129

6.4.3单片机控制直流伺服电动机实例 132

第7章 三相交流永磁同步电动机伺服系统 133

7.1交流永磁同步伺服系统原理 133

7.1.1永磁同步伺服电动机结构 133

7.1.2永磁同步伺服电动机工作原理 133

7.1.3永磁同步伺服电动机的启动 134

7.1.4交流永磁同步伺服系统的组成 135

7.1.5交流永磁同步伺服电动机的主要参数 135

7.1.6交流永磁同步伺服系统工作原理 136

7.2交流永磁同步伺服系统的控制实现 136

7.2.1转子磁极位置的检测 137

7.2.2正弦波产生电路 137

7.2.3 DC→SIN变换电路 138

7.2.4位置和速度检测 138

7.2.5电流检测 140

第8章 伺服系统控制性能 141

8.1伺服控制系统数学模型 141

8.1.1控制系统的几种典型环节 141

8.1.2伺服系统的数学模型 142

8.2伺服控制系统性能分析 146

8.2.1伺服系统动态性能指标 146

8.2.2系统的稳定性 148

8.2.3系统的稳态性能 149

8.2.4系统动态过程分析 151

8.3伺服控制系统性能的改善 152

8.3.1伺服系统的基本控制规律——PID控制 152

8.3.2控制系统设计与校正 156

8.3.3相位超前校正 157

8.3.4相位滞后校正 160

8.3.5串联滞后—超前校正 162

8.3.6反馈校正 164

第9章 基于DSP芯片核心的伺服系统 166

9.1 TM5320系列DSP概述 166

9.2 DSP的主要技术指标、基本结构及主要特征 166

9.2.1主要技术指标 166

9.2.2基本结构 167

9.2.3地址总线和数据总线 167

9.3 TMS320F2812DSP芯片功能与资源 168

9.3.1 TM S320F2812特征参数 168

9.3.2 TM S320F2812引脚功能 170

9.3.3 TM S320F281x外设 170

9.3.4外部中断接口 170

9.3.5定时器结构和工作原理 173

9.3.6数字I／O模块 174

9.4事件管理器EV模块 174

9.4.1事件管理器概述与结构框图 175

9.4.2通用定时器 177

9.4.3比较单元 182

9.4.4捕获单元与正交编码脉冲电路 187

9.4.5事件管理器模块的中断 190

9.5 ADC模块结构和功能 192

9.5.1自动转换排序器 192

9.5.2选择序列 194

9.5.3最大转换通道 194

9.5.4 A／D转换程序 195

9.6基于DSP的程序结构与集成开发环境CCS 197

9.6.1几个基本文件和一个库函数 197

9.6.2 MEMORY和SECTIONS伪指令 197

9.6.3 DSP集成开发环境CCS简介 200

9.6.4 CCS的主要功能 200

9.7基于TM S320F2812的交流电动机调速系统 201

9.7.1基于TM S320F2812的交流电动机调速系统组成 201

9.7.2交流电动机调速系统的硬件组成 203

9.7.3电源电路设计 203

9.7.4 PWM功能电路设计 203

9.7.5光电编码器接口电路设计 204

9.7.6继电器输出电路设计 204

9.7.7软件设计 205

第10章 数控机床伺服系统 206

10.1数控机床的控制方式 206

10.1.1对数控机床伺服系统的技术要求 206

10.1.2数控系统的控制方式 207

10.2开环控制系统设计 208

10.2.1开环控制系统的结构和工作原理 209

10.2.2开环控制系统的硬件设计 209

10.2.3提高开环控制系统精度的措施 209

10.3闭环控制系统设计 210

10.3.1脉冲比较伺服系统的结构和工作原理 210

10.3.2相位比较伺服系统的结构和工作原理 212

10.3.3幅值比较伺服系统的结构和工作原理 213

10.3.4闭环控制系统的硬件设计 214

10.4位置检测元件的选择 215

10.4.1对检测元件的技术要求 215

10.4.2位置检测元件的选择 215

10.5放大元件的选择 218

10.6伺服电动机的选择 220

10.6.1典型负载的分析与计算 220

10.6.2转动惯量计算 221

10.6.3等效转动惯量的测定 226

10.6.4负载的综合特性 227

10.6.5伺服电动机的选择 228

10.6.6齿轮传动总传动比和传动级数的选择及传动比分配原则 230

10.6.7 PWM驱动系统动力学计算 237

10.6.8选择电动机的步骤 239

10.6.9伺服系统设计选择电动机示例 239

10.7伺服系统的机械传动系统设计 246

10.7.1滚珠丝杠传动 246

10.7.2伺服刚度 248

10.7.3伺服刚度和机械刚度的失动量 249

10.7.4移动部件的导轨面 249

10.7.5控制装置与机械系统的匹配 250

10.7.6硬伺服和软伺服 251

10.7.7伺服系统的重复定位误差 252

10.8消除齿轮传动系统机械间隙的措施 257

10.9提高丝杠及其支承的刚度 259

10.10弹性环连接 262

10.10.1弹性环连接的工作原理 262

10.10.2弹性环连接的特点 262

10.10.3弹性环连接的结构形式 262

10.10.4弹性环的技术要求 263

10.10.5弹性环连接的受力分析 263

第2篇 液压伺服系统 264

第11章 概述 264

11.1液压伺服系统的工作原理 264

11.2液压伺服系统的组成 266

11.3液压伺服系统的类型 267

11.4液压伺服系统的特点 267

第12章 液压泵与液压马达 269

12.1液压泵与液压马达的工作原理 269

12.2液压泵与液压马达的分类 270

12.3液压泵与液压马达的性能参数 271

12.4变量泵与变量马达的变量方式 274

12.5液压泵与液压马达的性能比较和选用原则 274

12.6液压泵与液压马达的参数计算 277

第13章 液压缸 280

13.1液压缸的分类和工作原理 280

13.2组合液压缸 284

13.3液压缸的结构 286

13.4液油缸的设计计算 290

第14章 液压控制元件 293

14.1力矩马达和力马达 293

14.2液压控制阀 294

14.3伺服阀 299

第15章 液压驱动机构 305

15.1阀控缸驱动机构 306

15.1.1阀控缸驱动机构的静态特性 306

15.1.2阀控缸驱动机构的传递函数 308

15.1.3电液伺服阀控缸驱动机构 312

15.1.4阀控缸驱动机构的主要性能参数 313

15.2阀控马达驱动机构 314

15.2.1阀控马达驱动机构的静态特性 314

15.2.2阀控马达驱动机构的主要性能参数 315

15.2.3同时带有惯性负载和弹性负载的情况 317

15.2.4电液伺服阀控马达驱动机构 318

15.3泵控马达驱动机构 318

15.3.1泵控马达驱动机构的工作原理 318

15.3.2泵控马达驱动机构的静态特性 319

15.3.3泵控马达驱动机构的动态特性 322

第16章 液压伺服系统 325

16.1位置伺服系统 325

16.1.1位置伺服系统的组成与工作原理 325

16.1.2位置伺服系统的动态分析 327

16.1.3位置伺服系统的校正 334

16.2位置伺服系统的应用 336

16.2.1矿热电炉电极升降伺服系统 336

16.2.2机械手伸缩运动伺服系统 337

16.3钢带液压张力伺服系统 338

16.4速度伺服系统 339

16.5速度伺服系统的应用 340

16.5.1抛光机的伺服系统 341

16.5.2车床液压仿形刀架 341

16.6力和压力伺服系统 342

第17章 液压伺服系统设计 346

17.1设计要求和设计程序 346

17.2选择执行元件 346

17.3负载特性和选择伺服阀或变量泵 347

17.4选择传感器 348

17.5确定伺服放大器和整个开环的增益 349

17.6校验系统所达到的精度 350

17.7液压伺服系统设计实例 350

17.7.1位置伺服系统设计 350

17.7.2速度伺服系统设计 356

17.7.3力伺服系统设计 362

参考文献 364