第四章進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的控制

第四章進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的控制第1頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四一、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的概念及要求：1概念：進(jìn)給伺服系統(tǒng)是一種高精度的位置跟蹤與定位系統(tǒng)。伺服（servo）系統(tǒng)的作用就是嚴(yán)格執(zhí)行控制系統(tǒng)發(fā)出的速度指令、位置指令。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的框圖

第一節(jié)．概述返回目錄退出上一頁下一頁第2頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四從圖中驅(qū)動(dòng)裝置可劃分1）步進(jìn)驅(qū)動(dòng)：由步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成，不含有速度環(huán)及位置環(huán)電機(jī)分為：反應(yīng)式（轉(zhuǎn)子為鐵芯）2）直流驅(qū)動(dòng)：采用交直變換原理，根據(jù)速度指令輸出相當(dāng)?shù)闹绷麟妷海拥街绷麟姍C(jī)的電樞上，來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)為恒磁式（勵(lì)磁為永磁鐵）。缺點(diǎn)是存在機(jī)械換向，需維護(hù)。3）交流伺服驅(qū)動(dòng)：根據(jù)：n=60f/pn為電機(jī)轉(zhuǎn)速、f為交流電源的頻率、p為極對(duì)數(shù)。根據(jù)速度指令，通過調(diào)節(jié)輸出的f即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)為交流同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子為永磁鐵返回目錄退出上一頁下一頁第3頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四2要求：1）精度高：精度指定位精度（停止時(shí)實(shí)際位移與位置指令誤差）2）輪廓跟隨精度（插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)中位置誤差的穩(wěn)定）3）快速響應(yīng)、無超調(diào)：加減速時(shí)間快、但不能有超調(diào)和振蕩調(diào)速范圍寬。返回目錄退出上一頁下一頁第4頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四一、應(yīng)用范圍：簡(jiǎn)易型數(shù)控機(jī)床、普通機(jī)床的數(shù)控改造。第二節(jié)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)及開環(huán)進(jìn)給控制返回目錄退出上一頁下一頁第5頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四二、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)的原理：步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度

1組成：步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制裝置、步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)。實(shí)例如下圖2各部分的作用：

數(shù)控裝置：根據(jù)控制要求發(fā)出指令脈沖，指令脈沖的個(gè)數(shù)代表移動(dòng)距離；脈沖頻率代表移動(dòng)速度。每發(fā)出一個(gè)脈沖電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)特定的角度，即步距角環(huán)形分配：根據(jù)指令方向，依次產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的各相的通電步驟，分為硬件環(huán)分、軟件環(huán)分兩種。放大電路：放大環(huán)形分配的各相指令，產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的各相的驅(qū)動(dòng)電流返回目錄退出上一頁下一頁第6頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四

3三相三拍的原理介紹。

做出課件模擬步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作步驟三相是指步進(jìn)電機(jī)有三相定子繞組，三拍是指每三次轉(zhuǎn)換為一個(gè)循環(huán)三相步進(jìn)電機(jī)，定子有六個(gè)磁極，分為三對(duì)，每個(gè)磁極上裝有控制繞組。一對(duì)磁極通電后，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生N/S極磁場(chǎng)；轉(zhuǎn)子為帶齒的鐵心（反應(yīng)式）或磁鋼（混合式）。當(dāng)定子三相依次通電時(shí)，三對(duì)磁極依次產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)，吸引轉(zhuǎn)子一步步轉(zhuǎn)動(dòng)。返回目錄退出上一頁下一頁[動(dòng)畫模擬]第7頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四

三相三拍的通電次序?yàn)椋篈-B-C-A;AB-BC-CA-AB

三相六拍的通電次序?yàn)椋篈-AB-B-BC-C-CA-A

可見三相三拍與三相六拍相比較，六拍的步距角小，精度高。

設(shè)A相首先通電，轉(zhuǎn)子齒與定子A、A′對(duì)齊（圖a）。然后在A相繼續(xù)通電的情況下接通B相。這時(shí)定子B、B′極對(duì)轉(zhuǎn)子齒2、4產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，但是A、A′極繼續(xù)拉住齒1、3，因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩個(gè)磁拉力平衡為止。這時(shí)轉(zhuǎn)子的位置如圖3b所示，即轉(zhuǎn)子從圖(a)位置順時(shí)針轉(zhuǎn)過了15°。接著A相斷電，B相繼續(xù)通電。這時(shí)轉(zhuǎn)子齒2、4和定子B、B′極對(duì)齊（圖c），轉(zhuǎn)子從圖(b)的位置又轉(zhuǎn)過了15°4三相六拍：返回目錄退出上一頁下一頁第8頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四5三相硬件環(huán)分得的驅(qū)動(dòng)控制如圖：

CLK為指令脈沖DIR為旋轉(zhuǎn)方向，F(xiàn)ULL/HALF為整步/半步的控制。

返回目錄退出上一頁下一頁第9頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四6驅(qū)動(dòng)電路單電源：Vsr信號(hào)為高電平---GD（光電隔離二極管不導(dǎo)通，三極管截止）----VT基極有驅(qū)動(dòng)電流----L上通電。Vsr信號(hào)為低電平---GD（光電隔離二極管導(dǎo)通，三極管導(dǎo)通）----VT基極沒有驅(qū)動(dòng)電流----L上斷電。返回目錄退出上一頁下一頁第10頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四高低壓驅(qū)動(dòng)電路：高壓充電低壓維持，簡(jiǎn)介其原理返回目錄退出上一頁下一頁第11頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四三、步進(jìn)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)1步距角：電機(jī)每步的轉(zhuǎn)角稱為步距角，步距角越小精度越高。2最大靜轉(zhuǎn)矩：步進(jìn)電機(jī)最大的承載能力。3啟動(dòng)頻率：步進(jìn)電機(jī)由靜止突然啟動(dòng)，進(jìn)入不失步的正常運(yùn)行的最高頻率。超過了啟動(dòng)頻率，轉(zhuǎn)子跟不上定子的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生失步。4連續(xù)運(yùn)行頻率當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)后，能逐漸不失步連續(xù)升速的最高頻率。返回目錄退出上一頁下一頁第12頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四一、位置檢測(cè)元件的分類及要求1位置檢測(cè)元件的技術(shù)指標(biāo)：分辨率為位置檢測(cè)裝置所能測(cè)量的最小移動(dòng)量，分辨率不僅取決于檢測(cè)元件還取決于測(cè)量電路。2位置檢測(cè)的分類：直接測(cè)量：全閉環(huán)不受傳動(dòng)精度的影響有直線光柵尺和感應(yīng)同步器間接測(cè)量：半閉環(huán)，檢測(cè)角度，受傳動(dòng)精度的影響有光電編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器

3速度檢測(cè)元件：測(cè)速電機(jī)，光電編碼器。第三節(jié)．位置檢測(cè)裝置返回目錄退出上一頁下一頁第13頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四二、光電編碼器

1構(gòu)成：光源、指示光柵、圓光柵、光電元件。上一頁返回目錄退出上一頁下一頁第14頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四2信號(hào)：

A/B/CA\B相差90度用于計(jì)數(shù)及方向判別；C用于回參考點(diǎn)通過倍頻電路來提高分辨率返回目錄退出上一頁下一頁第15頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四三、光柵尺光柵尺外形圖返回目錄退出上一頁下一頁第16頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四分類方法1：物理光柵尺；計(jì)量光柵尺分類方法2：透射光柵尺；反射光柵尺分類方法3：增量式光柵尺；絕對(duì)是光柵尺

1種類：返回目錄退出上一頁下一頁第17頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四2結(jié)構(gòu)：光源、指示光柵、標(biāo)尺光柵、光電元件。

3原理

1）、指示光柵與標(biāo)尺光柵刻度等寬。2）、平行裝配，且無摩擦3）、兩尺條紋之間有一定夾角4）、當(dāng)指示光柵與標(biāo)尺光柵相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與光柵線垂直的橫向的條紋，該條紋為莫爾條紋，當(dāng)移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)，摩爾條紋也移動(dòng)一個(gè)紋距返回目錄退出上一頁下一頁第18頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四4輸出信號(hào)與測(cè)量電路

1）產(chǎn)生原理：返回目錄退出上一頁下一頁第19頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四2）鑒相與倍頻返回目錄退出上一頁下一頁第20頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四1應(yīng)用：應(yīng)用在早期的數(shù)控機(jī)床中。

2電機(jī)的結(jié)構(gòu)：定子：永磁體轉(zhuǎn)子：電樞檢測(cè)元件：測(cè)速發(fā)電機(jī)或編碼器

3控制原理：直流電機(jī)的機(jī)械特性公式：n=Ua/Ceφ-RaM/CeCmφ2改變Ua調(diào)速，恒轉(zhuǎn)矩，低速段改變?chǔ)眨ㄈ醮牛?，恒功率，高速段改變Ra，一般不用。

一、直流驅(qū)動(dòng)裝置第四節(jié)、交直流伺服驅(qū)動(dòng)裝置返回目錄退出上一頁下一頁第21頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四

4控制裝置：由于使用永磁電機(jī)，勵(lì)磁是不用調(diào)節(jié)的，裝置僅用來調(diào)節(jié)電樞電壓。調(diào)壓裝置的類型：a可控硅調(diào)壓電路，改變可控柜元件的導(dǎo)通角，從而獲得平均電壓的調(diào)節(jié)返回目錄退出上一頁下一頁第22頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四

控制框圖返回目錄退出上一頁下一頁第23頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四b晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)PWM。功率元件工作在開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)頻率恒定，調(diào)節(jié)一個(gè)周期內(nèi)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間來改變直流電機(jī)電樞兩端的平均電壓填寫返回目錄退出上一頁下一頁第24頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四控制電路框圖各部分的作用返回目錄退出上一頁下一頁第25頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四二者的區(qū)別：

可控硅是直接對(duì)交流電進(jìn)行控制

PWM是先將交流整流成穩(wěn)定的直流電壓，再對(duì)直流電壓進(jìn)行開關(guān)控制

PWM由于頻率高，所以電流脈動(dòng)小

返回目錄退出上一頁下一頁第26頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四

二、交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置交流伺服電機(jī)取代直流伺服電機(jī)是由于直流電機(jī)存在機(jī)械換向，需定期進(jìn)行維護(hù)。

1交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)：交流伺服電機(jī)也可稱為同步電機(jī)或里翻外的直流電機(jī)3-21交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)1．電機(jī)軸2.前端蓋3.三相繞組線圈4.壓板5.定子6.磁鋼7.后壓板8.動(dòng)力線接頭9.后端蓋10.反饋插頭11.脈沖編碼器12.電機(jī)后返回目錄退出上一頁下一頁第27頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四交流伺服驅(qū)動(dòng)、交流伺服電機(jī)及連接圖示意返回目錄退出上一頁下一頁第28頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四

2原理：1）給定子通過三相交流電流，由定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)