第五章_數(shù)控機床的伺服系統(tǒng).

1、第五章第五章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)是指以機床運動部件是指以機床運動部件( (如工作臺、主軸和刀具等如工作臺、主軸和刀具等) )的的位置和速度位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)，又稱為隨動系統(tǒng)。作為控制量的自動控制系統(tǒng)，又稱為隨動系統(tǒng)。 數(shù)控伺服系統(tǒng)的作用數(shù)控伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的進給脈沖信號，在于接受來自數(shù)控裝置的進給脈沖信號，經(jīng)過一定的信號變換及電壓、功率放大，驅(qū)動機床運動部件實現(xiàn)經(jīng)過一定的信號變換及電壓、功率放大，驅(qū)動機床運動部件實現(xiàn)運動，并保證動作的快速性和準確性。運動，并保證動作的快速性和準確性。 伺服系統(tǒng)既是數(shù)控機床控制器與刀具

2、、主軸間的信息傳遞環(huán)節(jié)，伺服系統(tǒng)既是數(shù)控機床控制器與刀具、主軸間的信息傳遞環(huán)節(jié)，又是能量放大與傳遞的環(huán)節(jié)，它的性能在很大程度上決定了數(shù)控又是能量放大與傳遞的環(huán)節(jié)，它的性能在很大程度上決定了數(shù)控機床的性能。因此，伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機床的關(guān)鍵技術(shù)之機床的性能。因此，伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機床的關(guān)鍵技術(shù)之一。一。第一節(jié) 概述伺服系統(tǒng)的主要功能伺服系統(tǒng)的主要功能: :從數(shù)控系統(tǒng)接收微小的電從數(shù)控系統(tǒng)接收微小的電控信號（控信號（5V5V左右，左右，mAmA級），放大成強電的驅(qū)動信號級），放大成強電的驅(qū)動信號（幾十、上百伏、安培級），用以驅(qū)動伺服系統(tǒng)的執(zhí)（幾十、上百伏、安培級），用以驅(qū)動伺服系統(tǒng)的執(zhí)行

3、元件行元件伺服電動機，將電控信號的變化，轉(zhuǎn)換成伺服電動機，將電控信號的變化，轉(zhuǎn)換成電動機輸出軸的角位移或角速度的變化，從而帶動機電動機輸出軸的角位移或角速度的變化，從而帶動機床主體部件（如工作臺、主軸或刀具進給等）運動，床主體部件（如工作臺、主軸或刀具進給等）運動，實現(xiàn)對機床主體運動的速度控制和位置控制，達到加實現(xiàn)對機床主體運動的速度控制和位置控制，達到加工出所需工件的外形和尺寸的最終目標。工出所需工件的外形和尺寸的最終目標。數(shù)控機床的伺服驅(qū)動數(shù)控機床的伺服驅(qū)動第一節(jié) 概述CNCCNC裝置裝置伺服驅(qū)動伺服驅(qū)動器器伺服電機伺服電機數(shù)控機床數(shù)控機床第一節(jié) 概述一、數(shù)控機床對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求一、數(shù)

4、控機床對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求 1 1、精度高、精度高 由于伺服系統(tǒng)控制數(shù)控機床的速度和位移輸出，為保證加由于伺服系統(tǒng)控制數(shù)控機床的速度和位移輸出，為保證加工質(zhì)量，要求它有足夠高的定位精度和重復(fù)定位精度。一般要工質(zhì)量，要求它有足夠高的定位精度和重復(fù)定位精度。一般要求定位精度為求定位精度為0.0010.001-0.01mm-0.01mm，高檔設(shè)備達到高檔設(shè)備達到0.10.1mm以上。速度以上。速度控制要求較高的調(diào)節(jié)精度和較強的抗負載干擾能力，以保證動、控制要求較高的調(diào)節(jié)精度和較強的抗負載干擾能力，以保證動、靜態(tài)精度較高。靜態(tài)精度較高。2 2、快速響應(yīng)特性好、快速響應(yīng)特性好 快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)

5、的標志之一，反映系統(tǒng)的跟快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的標志之一，反映系統(tǒng)的跟蹤精度。它要求伺服系統(tǒng)跟隨指令信號不僅跟隨誤差小，而且蹤精度。它要求伺服系統(tǒng)跟隨指令信號不僅跟隨誤差小，而且響應(yīng)要快，穩(wěn)定性要好?，F(xiàn)代數(shù)控機床的插補時間都在響應(yīng)要快，穩(wěn)定性要好?，F(xiàn)代數(shù)控機床的插補時間都在2020msms以以內(nèi)，在短時間內(nèi)指令變化一次，要求伺服系統(tǒng)動態(tài)、靜態(tài)誤差內(nèi)，在短時間內(nèi)指令變化一次，要求伺服系統(tǒng)動態(tài)、靜態(tài)誤差小，反向死區(qū)小，能頻繁啟、停和正、反向運動。小，反向死區(qū)小，能頻繁啟、停和正、反向運動。 第一節(jié) 概述3 3、調(diào)速范圍寬、調(diào)速范圍寬 由于工件材料、刀具以及加工要求各不相同，要保證數(shù)控由于工件材

6、料、刀具以及加工要求各不相同，要保證數(shù)控機床在任何情況下都能得到最佳切削條件，伺服系統(tǒng)就必須有機床在任何情況下都能得到最佳切削條件，伺服系統(tǒng)就必須有足夠的調(diào)速范圍。既滿足高速加工要求，又滿足低速進給要求。足夠的調(diào)速范圍。既滿足高速加工要求，又滿足低速進給要求。在低速切削時，還要求伺服系統(tǒng)能輸出較大的轉(zhuǎn)距。在低速切削時，還要求伺服系統(tǒng)能輸出較大的轉(zhuǎn)距。4 4、系統(tǒng)可靠性好、系統(tǒng)可靠性好 數(shù)控機床的使用率很高，常常是數(shù)控機床的使用率很高，常常是2424h h連續(xù)工作不停機，因而連續(xù)工作不停機，因而要求其工作可靠。系統(tǒng)的可靠性常用發(fā)生故障時間間隔的長短要求其工作可靠。系統(tǒng)的可靠性常用發(fā)生故障時間間隔

7、的長短的平均值作為依據(jù)，即平均無故障時間。這個時間越長，可靠的平均值作為依據(jù)，即平均無故障時間。這個時間越長，可靠性越好。性越好。 第一節(jié) 概述 執(zhí)行元件及其驅(qū)動控制單元執(zhí)行元件及其驅(qū)動控制單元必不可少。驅(qū)動控制單元將進給必不可少。驅(qū)動控制單元將進給指令轉(zhuǎn)化為執(zhí)行元件所需要的信號形式，執(zhí)行元件則將該信號指令轉(zhuǎn)化為執(zhí)行元件所需要的信號形式，執(zhí)行元件則將該信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的機械位移。轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的機械位移。 開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)由驅(qū)動控制單元、執(zhí)行元件和機床組成。通常，由驅(qū)動控制單元、執(zhí)行元件和機床組成。通常，執(zhí)行元件選用步進電動機。執(zhí)行元件選用步進電動機。 閉環(huán)（半閉環(huán)）伺服系統(tǒng)閉環(huán)（半閉環(huán)）伺

8、服系統(tǒng)由執(zhí)行元件、驅(qū)動控制單元、機床由執(zhí)行元件、驅(qū)動控制單元、機床以及反饋檢測元件、比較環(huán)節(jié)組成。反饋檢測元件分為速度反以及反饋檢測元件、比較環(huán)節(jié)組成。反饋檢測元件分為速度反饋和位置反饋兩類，閉環(huán)伺服系統(tǒng)采用位置反饋元件將工作臺饋和位置反饋兩類，閉環(huán)伺服系統(tǒng)采用位置反饋元件將工作臺的實際位置檢測后反饋給比較環(huán)節(jié)，比較環(huán)節(jié)將指令信號和反的實際位置檢測后反饋給比較環(huán)節(jié)，比較環(huán)節(jié)將指令信號和反饋信號進行比較，以兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差，經(jīng)饋信號進行比較，以兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差，經(jīng)驅(qū)動控制單元驅(qū)動和控制執(zhí)行元件帶動工作臺運動。驅(qū)動控制單元驅(qū)動和控制執(zhí)行元件帶動工作臺運動。二、數(shù)控機

9、床伺服系統(tǒng)的基本組成二、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的基本組成 伺服系統(tǒng)若按有無檢測裝置可分為兩大類；伺服系統(tǒng)若按有無檢測裝置可分為兩大類；開環(huán)伺開環(huán)伺服系統(tǒng)服系統(tǒng)和和閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 開環(huán)開環(huán)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)閉環(huán)閉環(huán)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)第一節(jié) 概述數(shù)控伺服系統(tǒng)的基本組成數(shù)控伺服系統(tǒng)的基本組成 第一節(jié) 概述三、數(shù)控機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)的分類三、數(shù)控機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)的分類 按控制原理和有無位置反饋裝置分為按控制原理和有無位置反饋裝置分為開環(huán)和閉環(huán)伺開環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)服系統(tǒng)；按用途和功能分為；按用途和功能分為進給驅(qū)動系統(tǒng)和主軸驅(qū)動進給驅(qū)動系統(tǒng)和主軸驅(qū)動系統(tǒng)系統(tǒng)；按驅(qū)動執(zhí)行元件的動作原理分為；按驅(qū)動執(zhí)行元件的

10、動作原理分為電液伺服驅(qū)動電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)和電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)系統(tǒng)和電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)。電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)又分為。電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)又分為直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)、交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)及直線電動機直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)、交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)及直線電動機伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)。第一節(jié) 概述驅(qū)動電路驅(qū)動電路步進電機步進電機工作臺工作臺脈沖脈沖1.1.開環(huán)和閉環(huán)控制開環(huán)和閉環(huán)控制(1) (1) 開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)由步進電機及其驅(qū)動電路組成，無位置檢測裝開環(huán)伺服系統(tǒng)由步進電機及其驅(qū)動電路組成，無位置檢測裝置。（信號流是單向的）置。（信號流是單向的）數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令脈沖經(jīng)過驅(qū)動線路變換與放大，傳給步進數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令脈沖經(jīng)

11、過驅(qū)動線路變換與放大，傳給步進電機。步進電機每接收一個指令脈沖，就旋轉(zhuǎn)一個角度，再通電機。步進電機每接收一個指令脈沖，就旋轉(zhuǎn)一個角度，再通過齒輪副和絲杠螺母副帶動機床工作臺移動。過齒輪副和絲杠螺母副帶動機床工作臺移動。指令脈沖的頻率決定了步進電機的轉(zhuǎn)速，進而決定了工作臺指令脈沖的頻率決定了步進電機的轉(zhuǎn)速，進而決定了工作臺的移動速度；指令脈沖的數(shù)量決定了步進電機轉(zhuǎn)動的角度，進的移動速度；指令脈沖的數(shù)量決定了步進電機轉(zhuǎn)動的角度，進而決定了工作臺的位移大小。而決定了工作臺的位移大小。開環(huán)伺服系統(tǒng)加工精度低。由于無位置檢測裝置，其精度取開環(huán)伺服系統(tǒng)加工精度低。由于無位置檢測裝置，其精度取決于步進電機的

12、步距精度和工作頻率以及傳動機構(gòu)的傳動精度。決于步進電機的步距精度和工作頻率以及傳動機構(gòu)的傳動精度。結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，適用于對精度和速度要求不高的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，適用于對精度和速度要求不高的經(jīng)濟型、中小型數(shù)控系統(tǒng)。型、中小型數(shù)控系統(tǒng)。第一節(jié) 概述(2) (2) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng) 有位置檢測裝置，且裝在機床工作臺上，直接檢測工有位置檢測裝置，且裝在機床工作臺上，直接檢測工作臺的實際位移。作臺的實際位移。 利用利用CNCCNC裝置的指令值與位置檢測裝置的檢測值的差值裝置的指令值與位置檢測裝置的檢測值的差值進行位置控制。進行位置控制。 精度高，其運動精度取決于檢測裝置的精度，與傳動精

13、度高，其運動精度取決于檢測裝置的精度，與傳動鏈的誤差無關(guān)。鏈的誤差無關(guān)。 位置環(huán)內(nèi)的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間位置環(huán)內(nèi)的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使系統(tǒng)隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和調(diào)試都相當困難。的設(shè)計、安裝和調(diào)試都相當困難。 適用于大型或比較精密的數(shù)控設(shè)備。適用于大型或比較精密的數(shù)控設(shè)備。指令指令伺服電機伺服電機速度檢測速度檢測速度控制速度控制位置控制位置控制位置檢測位置檢測伺服電機伺服電機速度控制速度控制位置控制位置控制工作臺工作臺脈沖編碼器脈沖編碼器指令指令第一節(jié) 概述(3) (3) 半閉環(huán)伺

14、服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 有位置檢測裝置，且裝在電機或絲杠的端頭，檢測有位置檢測裝置，且裝在電機或絲杠的端頭，檢測角位移，間接獲得工作臺的位移。角位移，間接獲得工作臺的位移。 由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。 半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其

15、系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。適用于中小型數(shù)控機床。適用于中小型數(shù)控機床。 第一節(jié) 概述進給伺服系統(tǒng)進給伺服系統(tǒng)用于數(shù)控機床工作臺或刀架坐標用于數(shù)控機床工作臺或刀架坐標的控制系統(tǒng)，控制機床各坐標軸的切削進給運的控制系統(tǒng)，控制機床各坐標軸的切削進給運動，并提供切削過程所需轉(zhuǎn)矩，包括速度控制動，并提供切削過程所需轉(zhuǎn)矩，包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。環(huán)和位置控制環(huán)。主軸伺服系統(tǒng)主軸伺服系統(tǒng)只是一個速度控制系統(tǒng)，控制機只是一個速度控制系統(tǒng)，控制機床主軸的旋轉(zhuǎn)運動，為機床主軸提供驅(qū)動功率床主軸的旋轉(zhuǎn)運動，為機床主軸提供驅(qū)動功率和所需的切削力，且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。和所需

16、的切削力，且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。 2.2.進給驅(qū)動與主軸驅(qū)動進給驅(qū)動與主軸驅(qū)動第一節(jié) 概述2.2.直流伺服驅(qū)動與交流伺服驅(qū)動直流伺服驅(qū)動與交流伺服驅(qū)動直流大慣量伺服電動機具有良好的寬調(diào)速性能，輸出轉(zhuǎn)矩大，過直流大慣量伺服電動機具有良好的寬調(diào)速性能，輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強，而且由于電動機慣性與機床傳動部件的慣量相當，構(gòu)成載能力強，而且由于電動機慣性與機床傳動部件的慣量相當，構(gòu)成閉環(huán)后易于調(diào)整；直流中小慣量伺服電動機，比較適應(yīng)數(shù)控機床對閉環(huán)后易于調(diào)整；直流中小慣量伺服電動機，比較適應(yīng)數(shù)控機床對頻繁啟動、制動，以及快速定位、切削的要求。頻繁啟動、制動，以及快速定位、切削的要求。直流電動機具有電直流電

17、動機具有電刷和機械換向器，限制了它向大容量、高電壓、高速度方向發(fā)展。刷和機械換向器，限制了它向大容量、高電壓、高速度方向發(fā)展。在電動機控制領(lǐng)域交流電動機調(diào)速技術(shù)的突破，交流伺服系統(tǒng)迅在電動機控制領(lǐng)域交流電動機調(diào)速技術(shù)的突破，交流伺服系統(tǒng)迅速進入電氣傳動調(diào)速控制的各個領(lǐng)域。交流伺服系統(tǒng)的最大優(yōu)點是速進入電氣傳動調(diào)速控制的各個領(lǐng)域。交流伺服系統(tǒng)的最大優(yōu)點是交流電動機容易維修，制造簡單，易于向大容量、高速度方向發(fā)展，交流電動機容易維修，制造簡單，易于向大容量、高速度方向發(fā)展，適合于在較惡劣的環(huán)境中使用。同時，從減少伺服驅(qū)動系統(tǒng)外形尺適合于在較惡劣的環(huán)境中使用。同時，從減少伺服驅(qū)動系統(tǒng)外形尺寸和提高可

18、靠性角度來看，寸和提高可靠性角度來看，采用交流電動機比直流電動機將更合理。采用交流電動機比直流電動機將更合理。 第一節(jié) 概述伺服驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展概況伺服驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展概況 在在5050年代年代，數(shù)控機床主要采用液壓驅(qū)動，稱為，數(shù)控機床主要采用液壓驅(qū)動，稱為液壓伺服系統(tǒng)液壓伺服系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的優(yōu)點是剛性好，時間常數(shù)小。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是剛性好，時間常數(shù)小。 6060年代初年代初，日本推出，日本推出步進電機開環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)步進電機開環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)，這種系統(tǒng)結(jié)，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，使用維修方便，在數(shù)控設(shè)備中被廣泛采用。構(gòu)簡單，價格低廉，使用維修方便，在數(shù)控設(shè)備中被廣泛采用。 7070年代年代，直

19、流電機伺服系統(tǒng)直流電機伺服系統(tǒng)采用采用閉環(huán)閉環(huán)或或半閉環(huán)控制半閉環(huán)控制，精度提高，精度提高一個數(shù)量級，調(diào)速范圍可達一個數(shù)量級，調(diào)速范圍可達1 1：1000010000，運行速度提高到，運行速度提高到15-15-24m/min24m/min。直流電機伺服系統(tǒng)的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴。直流電機伺服系統(tǒng)的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴。 在在8080年代以后年代以后，微機和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，為，微機和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，為交流電機伺交流電機伺服系統(tǒng)服系統(tǒng)的調(diào)速控制提供了條件，的調(diào)速控制提供了條件，伺服系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是交流伺服伺服系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)逐漸取代了直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)逐

20、漸取代了直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)。第二節(jié)第二節(jié) 步進式伺服系統(tǒng)步進式伺服系統(tǒng) 在步進式伺服系統(tǒng)中，在步進式伺服系統(tǒng)中，步進電機步進電機作為作為執(zhí)行元執(zhí)行元件件，受驅(qū)動控制線路的控制，將代表進給脈沖的，受驅(qū)動控制線路的控制，將代表進給脈沖的電平信號直接變換為具有一定方向、大小和速度電平信號直接變換為具有一定方向、大小和速度的機械角位移，并通過齒輪和絲杠帶動工作臺移的機械角位移，并通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測環(huán)節(jié)，它的精度較動。由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測環(huán)節(jié)，它的精度較差，速度也受到步進電機性能的限制，但它的結(jié)差，速度也受到步進電機性能的限制，但它的結(jié)構(gòu)簡單，容易調(diào)整，故在構(gòu)簡單，容易

21、調(diào)整，故在速度和精度要求不太高速度和精度要求不太高的場合的場合，具有一定的使用價值。，具有一定的使用價值。 步進電機驅(qū)動模塊步進電機驅(qū)動模塊步進電機步進電機步進電機的類型及結(jié)構(gòu)步進電機的類型及結(jié)構(gòu) 步進電機的結(jié)構(gòu)形式很多，其分類方式也很多。常見步進電機的結(jié)構(gòu)形式很多，其分類方式也很多。常見的分類方式是按的分類方式是按產(chǎn)生力矩的原理產(chǎn)生力矩的原理、輸出力矩的大小輸出力矩的大小以及以及定定子和轉(zhuǎn)子的數(shù)量子和轉(zhuǎn)子的數(shù)量等方面來分類等方面來分類 目前，我國使用的步進電機多為反應(yīng)式步進電機，目前，我國使用的步進電機多為反應(yīng)式步進電機，如圖所示。這是一臺典型的單定子徑向分相的三相反如圖所示。這是一臺典型的

22、單定子徑向分相的三相反應(yīng)式步進電機的結(jié)構(gòu)原理圖應(yīng)式步進電機的結(jié)構(gòu)原理圖 單定子徑向分相式三相單定子徑向分相式三相步進電機結(jié)構(gòu)原理圖步進電機結(jié)構(gòu)原理圖 多定子軸向分相式五相步進電機結(jié)構(gòu)原理圖多定子軸向分相式五相步進電機結(jié)構(gòu)原理圖 步步進進電電機機工工作作原原理理 步進電機是步進電機是將將電脈沖信號電脈沖信號變變換換成角位移或線成角位移或線位移位移的一種的一種機電機電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器式數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它是根據(jù)同步電它是根據(jù)同步電機原理制成的。機原理制成的。下面以三相反應(yīng)下面以三相反應(yīng)式步進電機為例，式步進電機為例，說明步進電機的說明步進電機的基本工作原理基本工作原理 第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)三相單三拍工

23、作方式：三相單三拍工作方式：AABBCCAABBCCAABBCC1112223333444逆時針轉(zhuǎn) 300逆時針轉(zhuǎn) 300逆時針轉(zhuǎn) 300假設(shè)轉(zhuǎn)子上有四個齒，當假設(shè)轉(zhuǎn)子上有四個齒，當A A相通電時，相通電時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子1 1、3 3齒被磁極齒被磁極A A產(chǎn)生的電磁引力吸產(chǎn)生的電磁引力吸引過去，使引過去，使1 1、3 3齒與齒與A A相磁極對齊。接相磁極對齊。接著著B B相通電，相通電，A A相斷電，磁極相斷電，磁極B B又把距它又把距它最近的一對齒最近的一對齒2 2、4 4吸引過來，使轉(zhuǎn)子按吸引過來，使轉(zhuǎn)子按逆時針方向轉(zhuǎn)動逆時針方向轉(zhuǎn)動3030度。然后度。然后C C相通電，相通電，B B相斷電，

24、轉(zhuǎn)子又逆時針旋轉(zhuǎn)相斷電，轉(zhuǎn)子又逆時針旋轉(zhuǎn)3030度，依次度，依次類推，定子按類推，定子按ABCAABCA順序通電，轉(zhuǎn)順序通電，轉(zhuǎn)子就一步步地按逆時針方向轉(zhuǎn)動，每步子就一步步地按逆時針方向轉(zhuǎn)動，每步轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)3030度。度。若改變通電順序，按若改變通電順序，按ACBAACBA使定子繞組通電，步進電機就按順時針方向轉(zhuǎn)使定子繞組通電，步進電機就按順時針方向轉(zhuǎn)動，同樣每步轉(zhuǎn)動，同樣每步轉(zhuǎn)3030度。這種控制方式叫三相單三拍方式，度。這種控制方式叫三相單三拍方式，“單單”是指每次只有是指每次只有一相繞組通電，一相繞組通電，“三拍三拍”是指每三次換接為一個循環(huán)。是指每三次換接為一個循環(huán)。(1)(1)步進電機定子

25、繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一個確定的角度，即為步進電機的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一個確定的角度，即為步進電機的步步距角距角 ；(2)(2)改變步進電機定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)改變步進電機定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向?qū)㈦S之改變；方向?qū)㈦S之改變；(3)(3)步進電機定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)步進電機定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高；子的轉(zhuǎn)速越高；(4)(4)步進電機的步進電機的步距角步距角 與定子繞組的相數(shù)與定子繞組的相數(shù)m m、轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)子的齒數(shù)z z、通電方式、通電方式K K有關(guān)，可用下式表示：有關(guān)，可用下式表示：

26、 式中，三相三拍時式中，三相三拍時K K=1=1；三相六拍時；三相六拍時K K=2=2。 Kzm360 如前圖所示的步進電機，若轉(zhuǎn)子齒數(shù)如前圖所示的步進電機，若轉(zhuǎn)子齒數(shù)z40，以三相三拍通電時，以三相三拍通電時，步距角步距角為為 若以三相六拍通電方式工作時，若以三相六拍通電方式工作時，步距角步距角為為31403360360Kzm 5 . 12403360360Kzm 例例 題題 步進電機的主要特性步進電機的主要特性 (1)(1)步距角步距角步進電機的步距角是反映步進電機定子繞組的通電步進電機的步距角是反映步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。它是

27、決定步進伺服系它是決定步進伺服系統(tǒng)脈沖當量的重要參數(shù)。數(shù)控機床中常見的反應(yīng)式步進電統(tǒng)脈沖當量的重要參數(shù)。數(shù)控機床中常見的反應(yīng)式步進電機的步距角一般為機的步距角一般為0.50.5o o33o o度。通常，步進角越小，加工精度。通常，步進角越小，加工精度越高。度越高。 (2)(2)啟動頻率啟動頻率 步進電機在空載的條件下由靜止突然啟動，并進步進電機在空載的條件下由靜止突然啟動，并進入不丟步的正常運行所允許的最高頻率，稱為啟動頻率或入不丟步的正常運行所允許的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率。突跳頻率。若啟動時頻率大于突跳頻率，步進電機就不能若啟動時頻率大于突跳頻率，步進電機就不能正常啟動。因此，空載

28、啟動時，步進電機定子繞組通電狀正常啟動。因此，空載啟動時，步進電機定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率當步進電機加負載后，態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率當步進電機加負載后，其啟動頻率隨負載轉(zhuǎn)動慣量增加而減小。其啟動頻率隨負載轉(zhuǎn)動慣量增加而減小。 (3) (3) 連續(xù)運行的最高工作頻率連續(xù)運行的最高工作頻率f fmaxmax 步進電機連續(xù)運行步進電機連續(xù)運行時保證不丟步的極限頻率時保證不丟步的極限頻率f fmaxmax稱為最高工作頻率。稱為最高工作頻率。 ( (4) 4) 加減速特性加減速特性步進電機的加減速特性是描述步進電步進電機的加減速特性是描述步進電機由靜止到工作頻率和由工作頻率到

29、靜止的加減速過機由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時間的關(guān)系。程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時間的關(guān)系。加減速特性曲線加減速特性曲線步進系統(tǒng)原理框圖步進系統(tǒng)原理框圖 步進式伺服系統(tǒng)的工作原理步進式伺服系統(tǒng)的工作原理 1工作臺位移量的控制工作臺位移量的控制 進給脈沖數(shù)進給脈沖數(shù)N定子繞組通電狀態(tài)變化次數(shù)定子繞組通電狀態(tài)變化次數(shù)N步進電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角步進電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角工作臺位移量工作臺位移量L2工作臺進給速度的控制工作臺進給速度的控制 進給脈沖的頻率進給脈沖的頻率f定子繞組通電狀態(tài)的變化頻定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率率f步進電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速步進電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)

30、速工作臺進給速度工作臺進給速度v3工作臺運動方向的控制工作臺運動方向的控制 步進電機定子繞組的通電順序步進電機定子繞組的通電順序步進電機正轉(zhuǎn)步進電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)工作臺的進給方向工作臺的進給方向步進電機的驅(qū)動控制線路步進電機的驅(qū)動控制線路1 1脈沖混合電路脈沖混合電路 無論是數(shù)控裝置送來的插補進給信號、齒補信號，還是手無論是數(shù)控裝置送來的插補進給信號、齒補信號，還是手動進給、手動回原點信號等動進給、手動回原點信號等等，這些信號的目的無非是要使工等，這些信號的目的無非是要使工作臺正向進給和反向進給，因此首先應(yīng)將這些信號混合為使工作臺正向進給和反向進給，因此首先應(yīng)將這些信號混合為使工作臺正向運行

31、的作臺正向運行的“正向進給正向進給”信號或使之反向運行的信號或使之反向運行的“反向進反向進給給”信號。這就是脈沖混合電路的作用。信號。這就是脈沖混合電路的作用。 2 2加減脈沖分配電路加減脈沖分配電路 加減脈沖分配電路的作用，是將正反向進給脈沖，根據(jù)步加減脈沖分配電路的作用，是將正反向進給脈沖，根據(jù)步進電機的原轉(zhuǎn)向和可逆計數(shù)器的存數(shù)狀態(tài)，決定脈沖進入可逆進電機的原轉(zhuǎn)向和可逆計數(shù)器的存數(shù)狀態(tài)，決定脈沖進入可逆計數(shù)器時，應(yīng)作加法計數(shù)還是減法計數(shù)。若步進電機正轉(zhuǎn)，輸計數(shù)器時，應(yīng)作加法計數(shù)還是減法計數(shù)。若步進電機正轉(zhuǎn)，輸入正向進給脈沖：步進電機反轉(zhuǎn)，輸入反向進給脈沖，此時不入正向進給脈沖：步進電機反轉(zhuǎn)

32、，輸入反向進給脈沖，此時不管可逆計數(shù)器是否全為零，均作加法計數(shù)。而當可逆計數(shù)器非管可逆計數(shù)器是否全為零，均作加法計數(shù)。而當可逆計數(shù)器非全零時，步進電機正轉(zhuǎn)，輸入反向進給脈沖；步進電機反轉(zhuǎn)，全零時，步進電機正轉(zhuǎn)，輸入反向進給脈沖；步進電機反轉(zhuǎn)，輸入正向進給脈沖，均作減法計數(shù)。輸入正向進給脈沖，均作減法計數(shù)。3 3加減速電路加減速電路( (自動升降速電路自動升降速電路) ) 步進電機的加減速特性要求是，進入步進電機繞組的脈沖步進電機的加減速特性要求是，進入步進電機繞組的脈沖電流的頻率變化要平滑，而且應(yīng)有一定的時間常數(shù)，但各進給脈電流的頻率變化要平滑，而且應(yīng)有一定的時間常數(shù)，但各進給脈沖頻率間的變化

33、可能是躍變的。因此應(yīng)該將此躍變頻率經(jīng)加減速沖頻率間的變化可能是躍變的。因此應(yīng)該將此躍變頻率經(jīng)加減速電路緩沖后，再進入步進電機繞組，使步進電機工作正常可靠。電路緩沖后，再進入步進電機繞組，使步進電機工作正常可靠。這就是加減速電路的作用。這就是加減速電路的作用。 4 4環(huán)形分配器環(huán)形分配器 環(huán)形分配器的作用是把來自加減速的一串進給脈沖按一定環(huán)形分配器的作用是把來自加減速的一串進給脈沖按一定規(guī)律分成若干路電平信號去控制步進電機的幾個定子繞組，使規(guī)律分成若干路電平信號去控制步進電機的幾個定子繞組，使其正向運轉(zhuǎn)或反相運轉(zhuǎn)。其正向運轉(zhuǎn)或反相運轉(zhuǎn)。 簡單移相寄存器簡單移相寄存器 1 1 0 00 0 0 0

34、 1 01 0 0 0 0 10 15.5.功率放大器功率放大器 從環(huán)形分配器來的脈沖電流只有幾毫安，從環(huán)形分配器來的脈沖電流只有幾毫安，而步進電機的定子繞組需要幾安培的電流，因此而步進電機的定子繞組需要幾安培的電流，因此需要功率放大。功率放大器由前置放大器和大功需要功率放大。功率放大器由前置放大器和大功率驅(qū)動兩部分組成。前置放大器是為了放大環(huán)形率驅(qū)動兩部分組成。前置放大器是為了放大環(huán)形分配器送來的脈沖信號并推動大功率驅(qū)動部分而分配器送來的脈沖信號并推動大功率驅(qū)動部分而設(shè)置的，一般可根據(jù)要求選擇一個適當?shù)募稍O(shè)置的，一般可根據(jù)要求選擇一個適當?shù)募稍淮蠊β黍?qū)動部分進一步將前置放大器送來的

35、件；大功率驅(qū)動部分進一步將前置放大器送來的脈沖電流信號放大，得到步進電機各相繞組所需脈沖電流信號放大，得到步進電機各相繞組所需的脈沖電流。它既要控制步進電機各相繞組的通的脈沖電流。它既要控制步進電機各相繞組的通斷電，又要起功率放大的作用，因而它是步進電斷電，又要起功率放大的作用，因而它是步進電機驅(qū)動線路中很重要的一部分。通常采用大功率機驅(qū)動線路中很重要的一部分。通常采用大功率晶體管、快速可控硅或可關(guān)斷可控硅。晶體管、快速可控硅或可關(guān)斷可控硅。 提高步進系統(tǒng)精度的措施提高步進系統(tǒng)精度的措施1細分線路細分線路 所謂細分線路，就是把步進電機的一步所謂細分線路，就是把步進電機的一步 再分得細一些，來減

36、小步距角。再分得細一些，來減小步距角。 2齒距誤差和反向間隙補償齒距誤差和反向間隙補償3混合伺服系統(tǒng)混合伺服系統(tǒng)兩種控制線路刀具軌跡比較兩種控制線路刀具軌跡比較間隙補償原理間隙補償原理 根據(jù)實際測得傳動間隙或齒距誤差的大根據(jù)實際測得傳動間隙或齒距誤差的大小，每當出現(xiàn)反向或移動到有齒距誤差的位小，每當出現(xiàn)反向或移動到有齒距誤差的位置時，用補充固定的脈沖來克服。置時，用補充固定的脈沖來克服。 混合伺服系統(tǒng)混合伺服系統(tǒng)第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)1 1 直流伺服電機直流伺服電機（1 1）直流伺服電機的結(jié)構(gòu)）直流伺服電機的結(jié)構(gòu)定子定子：產(chǎn)生定子磁極、磁場。：產(chǎn)生定子磁極、磁場。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子：表面嵌有線圈，通直流電

37、時，在定子磁場作用下產(chǎn)生帶：表面嵌有線圈，通直流電時，在定子磁場作用下產(chǎn)生帶負載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。負載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。電刷與換向片電刷與換向片：為使產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定的方向，保證轉(zhuǎn)：為使產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定的方向，保證轉(zhuǎn)子能沿著固定方向均勻地連續(xù)旋轉(zhuǎn)，將電刷與外加直流電源連接，子能沿著固定方向均勻地連續(xù)旋轉(zhuǎn)，將電刷與外加直流電源連接，換向片與電樞線圈連接。換向片與電樞線圈連接。數(shù)控機床的使用的直流伺服電機主要是數(shù)控機床的使用的直流伺服電機主要是大功率直流伺服電機大功率直流伺服電機：p小慣量直流伺服電機：小慣量直流伺服電機：最大限度地減小電樞的轉(zhuǎn)動慣量，可以最大限度地減小電樞的轉(zhuǎn)動慣量，可以

38、獲得較快的響應(yīng)速度。獲得較快的響應(yīng)速度。p寬調(diào)速直流伺服電機：寬調(diào)速直流伺服電機：轉(zhuǎn)子直徑較大，力矩大，轉(zhuǎn)動慣量大，轉(zhuǎn)子直徑較大，力矩大，轉(zhuǎn)動慣量大，能在較大過載轉(zhuǎn)矩時長時間工作。能在較大過載轉(zhuǎn)矩時長時間工作。一、直流伺服電機與速度控制一、直流伺服電機與速度控制其中：其中：n n為電機轉(zhuǎn)速，為電機轉(zhuǎn)速，UaUa為電樞外加電壓，為電樞外加電壓，CeCe為反電動勢常數(shù)，為反電動勢常數(shù)，為電機磁通量，為電機磁通量，RaRa為電樞電阻，為電樞電阻，CmCm為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，M M為電磁轉(zhuǎn)矩。為電磁轉(zhuǎn)矩。直流電機的三種調(diào)速方法：直流電機的三種調(diào)速方法：改變電樞外加電壓改變電樞外加電壓UaUa。該方

39、法可以得到調(diào)速范圍較寬的恒轉(zhuǎn)矩特該方法可以得到調(diào)速范圍較寬的恒轉(zhuǎn)矩特性，機械特性好，性，機械特性好，適用于主軸驅(qū)動的低速段和進給驅(qū)動適用于主軸驅(qū)動的低速段和進給驅(qū)動。改變磁通量改變磁通量。改變勵磁線圈電壓使磁通量改變。改變勵磁線圈電壓使磁通量改變 ，適用于主軸，適用于主軸驅(qū)動的高速段，不適合于進給驅(qū)動。驅(qū)動的高速段，不適合于進給驅(qū)動。改變電樞電路的電阻改變電樞電路的電阻RaRa。該方法得到的機械特性較軟，不能實現(xiàn)。該方法得到的機械特性較軟，不能實現(xiàn)無級調(diào)速，也不適合于數(shù)控機床。無級調(diào)速，也不適合于數(shù)控機床。目前應(yīng)用最多的是目前應(yīng)用最多的是晶體管脈寬調(diào)制（晶體管脈寬調(diào)制（PWMPWM）調(diào)速系統(tǒng)）

40、調(diào)速系統(tǒng)：利用大功：利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓加率晶體管的開關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓加到直流電機的電樞上，通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞的到直流電機的電樞上，通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。平均電壓，調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。2 2 直流伺服電機速度調(diào)節(jié)直流伺服電機速度調(diào)節(jié)直流電機機械特性公式：直流電機機械特性公式：MCCRCUnmeaea2 第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)二、交流伺服電機與速度控制二、交流伺服電機與速度控制直流電機缺點：直流電機缺點：電刷和換向器有磨損，有時會產(chǎn)生火花；電刷和換向器有磨損，有時會產(chǎn)生火花；換向

41、器由多種材料制成，制作工藝復(fù)雜；換向器由多種材料制成，制作工藝復(fù)雜；電機最高速度受限制；電機最高速度受限制；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。 交流伺服電動機沒有直流伺服電動機上述的缺點，而且轉(zhuǎn)子交流伺服電動機沒有直流伺服電動機上述的缺點，而且轉(zhuǎn)子慣量比直流伺服電動機小，慣量比直流伺服電動機小，動態(tài)響應(yīng)好動態(tài)響應(yīng)好。同樣體積下，交流伺。同樣體積下，交流伺服電動機的輸出功率可比直流伺服電動機提高服電動機的輸出功率可比直流伺服電動機提高10102020。交。交流伺服電動機的流伺服電動機的容量可以做得比直流伺服電動機大容量可以做得比直流伺服電動機大，達到更高，達到更高的轉(zhuǎn)速。從的轉(zhuǎn)速。從808

42、0年代后期開始，交流伺服電動機逐漸替代直流伺年代后期開始，交流伺服電動機逐漸替代直流伺服電動機占據(jù)主要位置。服電動機占據(jù)主要位置。第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)1.1.交流伺服電機的類型交流伺服電機的類型交流伺服電動機在結(jié)構(gòu)上為一兩相感應(yīng)電動機，其定子兩相繞交流伺服電動機在結(jié)構(gòu)上為一兩相感應(yīng)電動機，其定子兩相繞組在空間相距組在空間相距9090電角度，電角度，一相作為勵磁繞組一相作為勵磁繞組，運行時接到交流，運行時接到交流電源上，電源上，另一相作為控制繞組另一相作為控制繞組，輸入控制電壓。，輸入控制電壓。主要有：主要有：永磁式交流伺服電機永磁式交流伺服電機和和感應(yīng)式交流伺服電機感應(yīng)式交流伺服電機共同點：工

43、作原理均由定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場使得轉(zhuǎn)子跟隨定共同點：工作原理均由定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場使得轉(zhuǎn)子跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場一起運轉(zhuǎn)。子旋轉(zhuǎn)磁場一起運轉(zhuǎn)。不同點：永磁式伺服電機的轉(zhuǎn)速與外加交流電源的頻率存在著不同點：永磁式伺服電機的轉(zhuǎn)速與外加交流電源的頻率存在著嚴格的同步關(guān)系，即嚴格的同步關(guān)系，即電機的轉(zhuǎn)速等于旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速電機的轉(zhuǎn)速等于旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速；而感；而感應(yīng)式伺服電機由于應(yīng)式伺服電機由于需要轉(zhuǎn)速差才能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩需要轉(zhuǎn)速差才能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，因此，電機的，因此，電機的轉(zhuǎn)速低于磁場同步轉(zhuǎn)速，負載越大，轉(zhuǎn)速差越大。轉(zhuǎn)速低于磁場同步轉(zhuǎn)速，負載越大，轉(zhuǎn)速差越大。第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)交流異步電機的轉(zhuǎn)速表達

44、式為：交流異步電機的轉(zhuǎn)速表達式為： 2.2.交流電機的速度控制交流電機的速度控制 spfn1601f f1 1 定子電源頻率（定子電源頻率（HzHz）；）； p p 磁極對數(shù)；磁極對數(shù)； s s 轉(zhuǎn)差率。轉(zhuǎn)差率。異步電機的調(diào)速方法，可以有異步電機的調(diào)速方法，可以有變轉(zhuǎn)差率、變極對數(shù)及變頻變轉(zhuǎn)差率、變極對數(shù)及變頻三種。三種。（1 1）變磁極對數(shù)：通過對定子繞組接線的切換改變磁極對數(shù)來實）變磁極對數(shù)：通過對定子繞組接線的切換改變磁極對數(shù)來實現(xiàn)，現(xiàn)，只能產(chǎn)生二種或三種轉(zhuǎn)速，不能無級調(diào)速，應(yīng)用范圍較窄只能產(chǎn)生二種或三種轉(zhuǎn)速，不能無級調(diào)速，應(yīng)用范圍較窄。（2 2）改變轉(zhuǎn)差率：只適合于異步型交流電機的調(diào)速

45、，）改變轉(zhuǎn)差率：只適合于異步型交流電機的調(diào)速，低速時轉(zhuǎn)差低速時轉(zhuǎn)差率大，轉(zhuǎn)差損耗功率也大，效率低率大，轉(zhuǎn)差損耗功率也大，效率低。（3 3）變頻調(diào)速：通過改變電機電源的頻率而改變電機的轉(zhuǎn)速。）變頻調(diào)速：通過改變電機電源的頻率而改變電機的轉(zhuǎn)速。變變頻調(diào)速從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，具有高效率、寬范頻調(diào)速從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能，可以認為是一種理想的調(diào)速方法。圍和高精度的調(diào)速性能，可以認為是一種理想的調(diào)速方法。第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)（r/minr/min）第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)：變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)：為交流電機提供變頻電源的變頻器為

46、交流電機提供變頻電源的變頻器。變頻器分：變頻器分：交交交交 變頻變頻 ：利用可控硅整流器直接將工頻交流電（頻率利用可控硅整流器直接將工頻交流電（頻率50Hz50Hz）變成頻率較低的脈動交流電，該方法所得的交流電波）變成頻率較低的脈動交流電，該方法所得的交流電波動比較大，且最大頻率即為變頻器輸入的工頻電壓頻率。動比較大，且最大頻率即為變頻器輸入的工頻電壓頻率。 交交直直交交 變頻：變頻：先將交流電整流成直流電，然后將直流電先將交流電整流成直流電，然后將直流電壓變成矩形脈沖方波電壓，該調(diào)頻方式所得交流電的波動小，壓變成矩形脈沖方波電壓，該調(diào)頻方式所得交流電的波動小，調(diào)頻范圍比較寬，調(diào)節(jié)線性度好。調(diào)

47、頻范圍比較寬，調(diào)節(jié)線性度好。數(shù)控機床常采用交數(shù)控機床常采用交直直交變頻調(diào)速交變頻調(diào)速。其中，。其中，SPWMSPWM（正弦（正弦波脈寬調(diào)制）變頻器波脈寬調(diào)制）變頻器是目前應(yīng)用最廣、最基本的一種交是目前應(yīng)用最廣、最基本的一種交直直交型電壓型變頻器，交型電壓型變頻器，在交流調(diào)速系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用在交流調(diào)速系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。三、直線電機的特點三、直線電機的特點機床進給系統(tǒng)采用直線電機直接驅(qū)動，與原旋轉(zhuǎn)電機傳動方式的最大機床進給系統(tǒng)采用直線電機直接驅(qū)動，與原旋轉(zhuǎn)電機傳動方式的最大區(qū)別區(qū)別是：取消了從電機到工作臺（拖板）之間的機械中間傳動環(huán)節(jié)，即把機床是：取消了從電機到工作臺（拖板）之間的機械中間傳動

48、環(huán)節(jié)，即把機床進給傳動鏈的長度縮短為零，故這種傳動方式稱為進給傳動鏈的長度縮短為零，故這種傳動方式稱為“直接驅(qū)動直接驅(qū)動”，也稱，也稱“零傳動零傳動”。直接驅(qū)動避免了絲杠傳動中的反向間隙、慣性、摩擦力和剛。直接驅(qū)動避免了絲杠傳動中的反向間隙、慣性、摩擦力和剛性不足等缺點。性不足等缺點。 定子(初級)籠形轉(zhuǎn)子(次級)初級次級第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)直線電動機的工作原理與旋轉(zhuǎn)電動機相似。以直線感應(yīng)電動機為例：直線電動機的工作原理與旋轉(zhuǎn)電動機相似。以直線感應(yīng)電動機為例：當初級繞組通入交流電源時，便在氣隙中產(chǎn)生磁場，次級在磁場切當初級繞組通入交流電源時，便在氣隙中產(chǎn)生磁場，次級在磁場切割下，將感應(yīng)出電動勢

49、并產(chǎn)生電流，該電流與氣隙中的磁場相作用割下，將感應(yīng)出電動勢并產(chǎn)生電流，該電流與氣隙中的磁場相作用就產(chǎn)生電磁推力。如果初級固定，則次級在推力作用下做直線運動；就產(chǎn)生電磁推力。如果初級固定，則次級在推力作用下做直線運動；反之，則初級做直線運動。反之，則初級做直線運動。 第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)特點特點：將指令脈沖信號和位置檢測反饋信號都轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的同頻：將指令脈沖信號和位置檢測反饋信號都轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的同頻率的某一載波的不同相位的脈沖信號，在位置控制單元進行相位率的某一載波的不同相位的脈沖信號，在位置控制單元進行相位比較，相位差反映了指令位置與實際位置的偏差。比較，相位差反映了指令位置與實際位置的偏差。位

50、置檢測元件位置檢測元件采用旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器或磁柵，工作在相位采用旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器或磁柵，工作在相位工作狀態(tài)。工作狀態(tài)。脈沖調(diào)相器：脈沖調(diào)相器：將數(shù)控裝置的進給脈沖信號轉(zhuǎn)換為相位變化信號。將數(shù)控裝置的進給脈沖信號轉(zhuǎn)換為相位變化信號。鑒相器鑒相器：鑒別指令信號與反饋信號的相位，判別兩者之間的相位：鑒別指令信號與反饋信號的相位，判別兩者之間的相位差及其相位超前、滯后關(guān)系，并變成相應(yīng)的誤差電壓信號作為速差及其相位超前、滯后關(guān)系，并變成相應(yīng)的誤差電壓信號作為速度單元的輸入信號。度單元的輸入信號。四、鑒相式伺服系統(tǒng)四、鑒相式伺服系統(tǒng)第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)五、鑒幅式伺服系統(tǒng)五、鑒幅式伺服系統(tǒng)以以位

51、置檢測信號的幅值大小來反映機械位移的數(shù)值位置檢測信號的幅值大小來反映機械位移的數(shù)值，并作為位置，并作為位置反饋信號與指令信號進行比較，構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋信號與指令信號進行比較，構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。位置檢測元件工作在幅值工作方式，感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器和位置檢測元件工作在幅值工作方式，感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器和磁柵。磁柵。 鑒幅器：對位置檢測裝置輸出的代表工作臺實際位移的電壓信號鑒幅器：對位置檢測裝置輸出的代表工作臺實際位移的電壓信號進行濾波、放大、檢波、整流，變成正、負與工作臺移動方向相進行濾波、放大、檢波、整流，變成正、負與工作臺移動方向相對應(yīng)、幅值與工作臺位移成正比的直流電壓信號。對應(yīng)

52、、幅值與工作臺位移成正比的直流電壓信號。 第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)六、數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)六、數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)較簡單，常用光電編碼器、光柵作位置檢測裝置，以半閉結(jié)構(gòu)較簡單，常用光電編碼器、光柵作位置檢測裝置，以半閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)形式較為普遍。環(huán)的控制結(jié)構(gòu)形式較為普遍。 特點：指令脈沖信號與位置檢測裝置的反饋脈沖信號在比較器特點：指令脈沖信號與位置檢測裝置的反饋脈沖信號在比較器中以中以脈沖數(shù)字脈沖數(shù)字的形式進行比較。的形式進行比較。 反饋脈沖反饋脈沖數(shù)數(shù)/ /模模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器脈沖處理脈沖處理伺服伺服電機電機工作臺工作臺位置檢測裝置位置檢測裝置（光電編碼器）（光電編碼器）伺服放大器伺服放大器位

53、置檢測信息位置檢測信息P Pf f指令脈沖指令脈沖PcPc比較器比較器PePe第四節(jié) 數(shù)控機床的檢測裝置作用作用：檢測位移（線位移或角位移）和速度，發(fā)送反饋信號至數(shù)控：檢測位移（線位移或角位移）和速度，發(fā)送反饋信號至數(shù)控裝置，構(gòu)成伺服系統(tǒng)閉環(huán)或半閉環(huán)控制，使工作臺按指令路徑精確裝置，構(gòu)成伺服系統(tǒng)閉環(huán)或半閉環(huán)控制，使工作臺按指令路徑精確地移動。地移動。組成組成：檢測元件（傳感器）和信號處理裝置。：檢測元件（傳感器）和信號處理裝置。常用檢測裝置：常用檢測裝置：旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、編碼器、光柵、磁柵旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、編碼器、光柵、磁柵等。等。數(shù)控機床對位置檢測裝置的要求如下：數(shù)控機床對位置

54、檢測裝置的要求如下：（1 1）工作可靠，抗干擾能力強；）工作可靠，抗干擾能力強；（2 2）滿足精度和速度的要求；）滿足精度和速度的要求；（3 3）易于安裝，維護方便，適應(yīng)機床工作環(huán)境；）易于安裝，維護方便，適應(yīng)機床工作環(huán)境；（4 4）成本低。）成本低。 一、概述一、概述（一）直接測量和間接測量（一）直接測量和間接測量 1.1.直接測量直接測量 將直線型檢測裝置安裝在移動部件上，用來直接測量工作臺將直線型檢測裝置安裝在移動部件上，用來直接測量工作臺的直線位移，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號，而構(gòu)成位的直線位移，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號，而構(gòu)成位置閉環(huán)控制。置閉環(huán)控制。優(yōu)點優(yōu)點是準確性高

55、、可靠性好，是準確性高、可靠性好，缺點缺點是測量裝置要是測量裝置要和工作臺行程等長，所以在大型數(shù)控機床上受到一定限制。和工作臺行程等長，所以在大型數(shù)控機床上受到一定限制。2.2.間接測量間接測量 將旋轉(zhuǎn)型檢測裝置安裝在驅(qū)動電機軸或滾珠絲杠上，通過檢將旋轉(zhuǎn)型檢測裝置安裝在驅(qū)動電機軸或滾珠絲杠上，通過檢測轉(zhuǎn)動件的角位移來間接測量機床工作臺的直線位移，作為半測轉(zhuǎn)動件的角位移來間接測量機床工作臺的直線位移，作為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用。閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用。優(yōu)點優(yōu)點是測量方便、無長度限制。是測量方便、無長度限制。缺點缺點是測量信號中增加了由回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動的傳動鏈是測量信號中增加了由回轉(zhuǎn)運

56、動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動的傳動鏈誤差，從而影響了測量精度。誤差，從而影響了測量精度。第四節(jié) 數(shù)控機床的檢測裝置第四節(jié) 數(shù)控機床的檢測裝置（二）數(shù)字式測量和模擬式測量（二）數(shù)字式測量和模擬式測量1.1.數(shù)字式測量數(shù)字式測量 將被測的量以數(shù)字形式來表示，測量信號一般為脈沖，可以將被測的量以數(shù)字形式來表示，測量信號一般為脈沖，可以直接把它送到數(shù)控裝置進行比較、處理。信號抗干擾能力強、直接把它送到數(shù)控裝置進行比較、處理。信號抗干擾能力強、處理簡單。處理簡單。2.2.模擬量測量模擬量測量 將被測的量用連續(xù)變量來表示，如電壓變化、相位變化等。將被測的量用連續(xù)變量來表示，如電壓變化、相位變化等。對信號處理的方法相對

57、來說比較復(fù)雜。對信號處理的方法相對來說比較復(fù)雜。第四節(jié) 數(shù)控機床的檢測裝置（三）增量式測量和絕對式測量（三）增量式測量和絕對式測量1.1.增量式測量增量式測量 在輪廓控制數(shù)控機床上多采用這種測量方式，增量式測量只測在輪廓控制數(shù)控機床上多采用這種測量方式，增量式測量只測相對位移量，優(yōu)點是測量裝置較簡單，任何一個對中點都可以作相對位移量，優(yōu)點是測量裝置較簡單，任何一個對中點都可以作為測量的起點，而移距是由測量信號計數(shù)累加所得，但一旦計數(shù)為測量的起點，而移距是由測量信號計數(shù)累加所得，但一旦計數(shù)有誤，以后測量所得結(jié)果完全錯誤。有誤，以后測量所得結(jié)果完全錯誤。 2.2.絕對式測量絕對式測量 絕對式測量裝

58、置對于被測量的任意一點位置均由固定的零點標絕對式測量裝置對于被測量的任意一點位置均由固定的零點標起，每一個被測點都有一個相應(yīng)的測量值。測量裝置的結(jié)構(gòu)較增起，每一個被測點都有一個相應(yīng)的測量值。測量裝置的結(jié)構(gòu)較增量式復(fù)雜，如編碼盤中，對應(yīng)于碼盤的每一個角度位置便有一組量式復(fù)雜，如編碼盤中，對應(yīng)于碼盤的每一個角度位置便有一組二進制位數(shù)。顯然，分辨精度要求愈高，量程愈大，則所要求的二進制位數(shù)。顯然，分辨精度要求愈高，量程愈大，則所要求的二進制位數(shù)也愈多，結(jié)構(gòu)就愈復(fù)雜。二進制位數(shù)也愈多，結(jié)構(gòu)就愈復(fù)雜。 第四節(jié) 數(shù)控機床的檢測裝置（一）結(jié)構(gòu)與工作原理（一）結(jié)構(gòu)與工作原理 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角位移測量裝置，由

59、定子和轉(zhuǎn)子組成。工旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角位移測量裝置，由定子和轉(zhuǎn)子組成。工作原理與普通變壓器基本相似，根據(jù)互感原理工作作原理與普通變壓器基本相似，根據(jù)互感原理工作, ,其中定子繞其中定子繞組作為變壓器的一次側(cè)，接受勵磁電壓。轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器組作為變壓器的一次側(cè)，接受勵磁電壓。轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的二次側(cè)，通過電磁耦合得到感應(yīng)電壓，只是其輸出電壓大小的二次側(cè)，通過電磁耦合得到感應(yīng)電壓，只是其輸出電壓大小與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。旋轉(zhuǎn)變壓器通過測量電動機或被測軸的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。旋轉(zhuǎn)變壓器通過測量電動機或被測軸的轉(zhuǎn)角來間接測量工作臺的位移。來間接測量工作臺的位移。二、旋轉(zhuǎn)變壓器二、旋轉(zhuǎn)變壓器有兩種典型工作方

60、式，鑒相式和鑒幅式。有兩種典型工作方式，鑒相式和鑒幅式。 鑒相式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來檢測位移量；鑒相式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來檢測位移量； 鑒幅式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的幅值來檢測位移量。鑒幅式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的幅值來檢測位移量。三三 、感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器與旋轉(zhuǎn)變壓器一樣，是利用電磁耦合原理，將位移或轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化成電信號的位置檢測裝置。實質(zhì)上，感應(yīng)同步器是多極旋轉(zhuǎn)變壓器的展開形式。感應(yīng)同步器按其運動形式和結(jié)構(gòu)形式的不同，可分為旋轉(zhuǎn)式（或稱圓盤式）和直線式兩種。前者用來檢測轉(zhuǎn)角位移，用于精密轉(zhuǎn)臺，各種回轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)；后者用來檢測直線位移，用于大型和精密機床的自動定位，位移數(shù)字顯示和