數(shù)控系統(tǒng)位移與速度檢測(cè)課件

數(shù)控機(jī)床與編程

寧波大學(xué)

第二章數(shù)控系統(tǒng)及工作原理第一節(jié)概述第二節(jié)數(shù)控插補(bǔ)原理第三節(jié)數(shù)控補(bǔ)償原理第四節(jié)位移與速度檢測(cè)第五節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)與控制第六節(jié)CNC裝置第七節(jié)

CNC系統(tǒng)中的可編程控制器（PLC）

第五節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)與控制數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)屬位置隨動(dòng)系統(tǒng)，又稱進(jìn)給伺服系統(tǒng)。以移動(dòng)部件的直線或角位移為控制目標(biāo)，以CNC裝置插補(bǔ)輸出為指令，對(duì)工作臺(tái)、主軸箱、刀架等執(zhí)行部件的坐標(biāo)軸位移進(jìn)行控制，最終獲得要求的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡。進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件，其靜、動(dòng)態(tài)性能決定了數(shù)控機(jī)床的精度、穩(wěn)定性、可靠性和加工效率。

一、概述CNC裝置插補(bǔ)輸出環(huán)形脈沖分配

功率放大

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

傳動(dòng)與執(zhí)行部件步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器

圖2-24開環(huán)伺服系統(tǒng)構(gòu)成框圖

開環(huán)伺服系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定，成本低、使用和維護(hù)方便，缺點(diǎn)是精度低、低速不平穩(wěn)、高速扭矩小，主要用于輕載、負(fù)載變化不大或經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上。

閉環(huán)伺服系統(tǒng)是按誤差控制的隨動(dòng)系統(tǒng)。

三個(gè)控制環(huán)：電流環(huán)，速度環(huán)，位置環(huán)。

理論上講，閉環(huán)伺服系統(tǒng)反饋控制環(huán)內(nèi)的各種機(jī)電誤差都可以得到校正和補(bǔ)償，系統(tǒng)的定位精度取決于檢測(cè)裝置的精度。但機(jī)床結(jié)構(gòu)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的各種非線性（摩擦特性、剛性、間隙等）都會(huì)影響自動(dòng)調(diào)解的品質(zhì)。只有機(jī)械系統(tǒng)具有較高精度和良好性能，才能保證系統(tǒng)的高精度和高速度。閉環(huán)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是調(diào)試、維修較困難，故主要用于精密、大型數(shù)控設(shè)備上。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)與閉環(huán)伺服系統(tǒng)工作原理相同，只是位置檢測(cè)元件從執(zhí)行件移到伺服電動(dòng)機(jī)軸或機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的中間傳動(dòng)絲杠軸端，系統(tǒng)通過角位移的測(cè)量間接計(jì)算出末端執(zhí)行部件的實(shí)際位移量。半閉環(huán)控制系統(tǒng)的性能和復(fù)雜程度介于開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)之間。

若按A-C-B-A……的順序改變定子繞組通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子就逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。上述兩種通電方式稱三相三拍或單三拍。

若按A→AB→B→BC→C→CA→A……或A→AC→C→CB→B→BA→A……的順序改變定子繞組通電狀態(tài)，通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子順時(shí)針或轉(zhuǎn)逆時(shí)針過1.5°。這種通電方式稱三相六拍。

若按AB→BC→CA→AB……或AC→CB→BA→AC……的順序改變定子繞組通電狀態(tài)，通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子順時(shí)針或轉(zhuǎn)逆時(shí)針過3°。這種通電方式稱雙三拍。

（2）靜態(tài)矩角特性和最大靜轉(zhuǎn)矩

矩角特性曲線上的電磁轉(zhuǎn)矩的最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax。最大靜轉(zhuǎn)矩與通電狀態(tài)和繞組通電電流有關(guān)。

失調(diào)角θ

（3）最高啟動(dòng)頻率最高啟動(dòng)頻率是指空載時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止突然啟動(dòng)并不丟步地進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)所允許的最高指令脈沖頻率。（4）最高工作頻率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)以后，在連續(xù)運(yùn)行時(shí)所能接受的最高指令脈沖頻率。（5）運(yùn)行矩頻特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在連續(xù)運(yùn)行時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系，它是衡量步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)承載能力的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。fMfM（二）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器1．環(huán)形脈沖分配器

將CNC裝置插補(bǔ)輸出的進(jìn)給指令脈沖，按步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的繞組通電方式，按規(guī)定的順序分配給各繞組，作為繞組通電的控制脈沖。

軟件脈沖分配器：CNC裝置輸出接口的一位對(duì)應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的一相，通過對(duì)輸出接口置“1”和清“0”來實(shí)現(xiàn)脈沖的輸出，脈沖分配規(guī)律則通過軟件邏輯實(shí)現(xiàn)。硬件脈沖分配器：以D觸發(fā)器或JK觸發(fā)器為主加分立元件構(gòu)成邏輯電路；用專用的集成環(huán)形脈沖分配器，外配分立元件構(gòu)成；目前廣泛采用集成環(huán)形脈沖分配器。集成環(huán)形脈沖分配器集成度高、功能強(qiáng)、可靠性好、可編程。

在啟動(dòng)和停止階段應(yīng)進(jìn)行加減速控制，使控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖頻率平滑上升或下降，以適應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟、制動(dòng)特性。加減速控制的功能可由軟件實(shí)現(xiàn)，也可以由硬件電路實(shí)現(xiàn)。

三、閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)1．永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)

在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)中，主要使用永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)

；主運(yùn)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中，主要使用電磁式直流電動(dòng)機(jī)

。永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)又稱大慣量寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)，或直流力矩電動(dòng)機(jī)，具有轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)矩和電流成正比、伺服性能好、反應(yīng)迅速、體積小、功率體積比大、功率質(zhì)量比大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，能在較大過載轉(zhuǎn)矩下長(zhǎng)時(shí)間工作，可直接與絲杠相連而不需中間傳動(dòng)裝置。永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、電刷和換向器等部分構(gòu)成。（一）直流伺服電動(dòng)機(jī)及其速度控制

直流伺服電動(dòng)機(jī)都可以內(nèi)裝速度和位移檢測(cè)元件，供用戶選購。速度檢測(cè)元件一般采用低紋波（紋波系數(shù)一般在2%以下）的測(cè)速發(fā)電機(jī)，其輸出電壓可作為速度環(huán)的反饋信號(hào)。位移檢測(cè)元件一般采用旋轉(zhuǎn)變壓器或脈沖編碼器。

2．直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性、調(diào)速原理和方法機(jī)械特性方程

（2-18）

（2）脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)主回路

（3）脈寬調(diào)制器

（二）交流伺服電動(dòng)機(jī)及其速度控制

交流伺服電動(dòng)機(jī)沒有電刷和換向器等結(jié)構(gòu)上的缺陷，可以達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速和更大的容量，并且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，同樣體積下，功率可比直流伺服電動(dòng)機(jī)提高10～70﹪。隨著功率開關(guān)器件、專用集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制算法、電動(dòng)機(jī)制造技術(shù)等的發(fā)展，使得交流伺服系統(tǒng)的性能優(yōu)于直流伺服系統(tǒng)。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中普遍采用交流伺服系統(tǒng)，直流伺服系統(tǒng)已基本被交流伺服系統(tǒng)所取代。1．交流伺服電動(dòng)機(jī)同步交流伺服電動(dòng)機(jī)：永磁式、勵(lì)磁式、磁阻式和磁滯式，數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)多采用永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、效率較高，盡管體積比其它同步交流伺服電動(dòng)機(jī)稍大。

異步交流伺服電動(dòng)機(jī)：也稱交流感應(yīng)伺服電動(dòng)機(jī)，主要用于數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的無級(jí)調(diào)速驅(qū)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、容量大等優(yōu)點(diǎn)。

（1）永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

由定子、轉(zhuǎn)子和速度檢測(cè)元件三部分組成。

（2）永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)工作原理當(dāng)定子三相繞組通以三相交流電后，產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子永久磁場(chǎng)相互作用，即定子和轉(zhuǎn)子異性磁極相互吸引，使定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子一起以同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)，如圖2-37所示。

永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)p是固定的，則只能通過改變交流電頻率f來可達(dá)到調(diào)速目的，這種調(diào)速方法稱為變頻調(diào)速。變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是變頻電源，又稱變頻器。變頻器可分為交—直—交變頻器和交—交變頻器兩大類。交—直—交變頻器：先將電網(wǎng)電源輸入到整流器，經(jīng)整流后變?yōu)橹绷?，再?jīng)電容或電感或由兩者組合的電路濾波后供給逆變器（直流變交流）部分，輸出電壓和頻率可變的交流電。交—交變頻器不經(jīng)過中間環(huán)節(jié)，直接將一種頻率的交流電變換為另一種頻率的交流電。目前數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)上常用交—直—交變頻器，采用PWM控制。2．交流伺服電動(dòng)機(jī)的速度控制

電流環(huán)速度環(huán)（1）PWM變頻器PWM變頻器是采用脈沖寬度調(diào)制方法來控制交流電頻率的。最基本、應(yīng)用最廣泛的是SPWM調(diào)制，即正弦波脈沖寬度調(diào)制SPWM變頻器由U/f變換器、SPWM調(diào)制器和功率放大器主回路三部分組成。（2）SPWM調(diào)制原理及調(diào)制器功用是調(diào)制出與正弦波等效的一系列等幅、不等寬的矩形脈沖波形，如圖2-39所示。

等效的原則是各矩形脈沖的面積與正弦波下的面積相等或成比例。

圖2-40為一種單相雙極性SPWM調(diào)制器的電路原理圖。該電路用三角波ut為載波，用正弦波us為控制波，進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，得到調(diào)制波um、ut、us、和um的波形如圖2-42所示。

（3）SPWM變頻器功率放大主回路SPWM調(diào)制器輸出的SPWM調(diào)制波經(jīng)功率放大才能驅(qū)動(dòng)交流伺服電動(dòng)機(jī)，圖2-41為與上述SPWM調(diào)制器配套的雙極性SPWM功率放大主回路

橋式整流器

逆變器

采用上述硬件電路實(shí)現(xiàn)SPWM控制的方法，缺點(diǎn)是所需硬件比較多，而且不夠靈活，改變參數(shù)和調(diào)試比較麻煩。全數(shù)字伺服系統(tǒng)采用微處理器通過軟件算法實(shí)現(xiàn)SPWM控制。在全數(shù)字伺服系統(tǒng)中，速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器等弱電控制功能都是由軟件算法實(shí)現(xiàn)的，其優(yōu)點(diǎn)是所需硬件少，靈活性好，智能性強(qiáng)。采用微機(jī)控制的數(shù)字化SPWM技術(shù)已占當(dāng)今PWM逆變器的主導(dǎo)地位。

（三）位置控制

位置控制是伺服系統(tǒng)位置環(huán)的任務(wù)，是伺服系統(tǒng)重要組成部分，是保證執(zhí)行件位置精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。實(shí)現(xiàn)位置控制的專用裝置有全硬件伺服系統(tǒng)，也有全數(shù)字伺服系統(tǒng)。全硬件伺服系統(tǒng)多采用數(shù)字脈沖比較方式。全數(shù)字伺服系統(tǒng)采用一個(gè)或多個(gè)微處理器為控制核心，通過軟件實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的所有控制功能。采用全數(shù)字伺服系統(tǒng)配合CNC裝置實(shí)現(xiàn)位置控制，是數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向，1．?dāng)?shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)在數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)中，指令位移和實(shí)際位移均采用數(shù)字脈沖或數(shù)碼表示，采用數(shù)字脈沖比較的方法構(gòu)成位置閉環(huán)控制。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，其控制性能優(yōu)于相位和幅值伺服系統(tǒng)。在半閉環(huán)控制的數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)中，多使用脈沖編碼器或絕對(duì)值編碼器作為檢測(cè)元件。在閉環(huán)控制的數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)中，多使用光柵或絕對(duì)值磁尺、絕對(duì)值光電編碼尺作為檢測(cè)元件。

2．全數(shù)字伺服系統(tǒng)全數(shù)字伺服系統(tǒng)用計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)全部信息處理和控制功能，主要包括位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)中控制任務(wù)的實(shí)現(xiàn)。全數(shù)字伺服系統(tǒng)可以包括位置環(huán)控制，也可以將位置環(huán)控制任務(wù)交給CNC裝置由軟件完成。全數(shù)字伺服系統(tǒng)在硬件構(gòu)成上，可以使用一個(gè)微處理器完成所有控制任務(wù)，也可以使用多個(gè)微處理器，將控制任務(wù)分解為位置控制、速度控制和電流控制、PWM調(diào)制等幾部分，各部分控制功能采用單獨(dú)的微處理器構(gòu)成相應(yīng)的功能模塊分別加以實(shí)現(xiàn)。全數(shù)字伺服系統(tǒng)