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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CCS197

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