数控技术第六章数控机床的伺服驱动系统.ppt

第 6 章 数控机床的伺服驱动系统,机械电子工程系 机械设计制造及其自动化教研室 李德俭 副教授,白城师范学院机电系机自教研室,2,目 录,第一节 概 述,第三节 数控机床的位置检测装置,第四节 直流电动机伺服系统,复习题,第二节 步进电动机伺服系统,第五节 交流电动机伺服系统,白城师范学院机电系机自教研室,3,第一节 概 述,一、数控机床伺服系统的概念及组成 数控机床伺服系统是指以数控机床移动部件的位置和速度作为控制对象的自动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。 该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强。,白城师范学院机电系机自教研室,4,伺服系统是数控机床的重要组成部分。伺服系统位于数控机床数控系统与机床主体之间，伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系环节。 伺服系统的作用示意图见下图。,伺服系统,机床,CNC系统,指令,动作,脉冲频率 脉冲数量,速度 位置,伺服系统的作用示意图,白城师范学院机电系机自教研室,5,伺服系统结构图,白城师范学院机电系机自教研室,6,伺服系统的主要功能就是从数控系统接收微小的电控信号（5V左右，mA级），放大成强电的驱动信号（几十、上百伏、安培级），用以驱动伺服系统的执行元件伺服电动机，将电控信号的变化，转换成电动机输出轴的角位移或角速度的变化，从而带动机床主体部件（如工作台、主轴或刀具进给等）运动，实现对机床主体运动的速度控制和位置控制，达到加工出所需工件的外形和尺寸的最终目标。,白城师范学院机电系机自教研室,7,伺服系统的组成 组成：伺服电机 驱动信号控制转换电路 电子电力驱动放大模块 位置调节单元 速度调节单元 电流调节单元 检测装置 一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环。,白城师范学院机电系机自教研室,8,位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。 严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。,伺服系统的组成,白城师范学院机电系机自教研室,9, 精度高 稳定性好 快速响应好 调速范围宽 低速大转矩,调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。024m / min。 为适应不同的加工条件，例如加工零件的材料、尺寸、部位以及刀具的种类和冷却方式等不同，数控机床的进给速度需要在很宽的范围内无级变化。这就要求伺服电机要有很宽的调速范围和优异的调速特性。一般数控机床进给伺服系统的调速范围都在030m/min，高的可达240 m/min。,伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。包括定位精度和轮廓加工精度。 为了保证数控机床的加工精度，除了要求数控系统精度和机床机械精度有足够高以外，还要求具有足够高的伺服系统定位精度和进给跟踪精度，并且还起着主要作用。一般要求定位精度为0.010.001mm；而高档设备的定位精度还应在0.1m以内。,快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。 为了保证轮廓切削形状精度和加工表面粗糙度，要求伺服系统除了要有较高的定位精度外，还要有良好的快速响应特性，也就是要求伺服电动机起、停的升降速过程要短，要有较高的加速度。电动机转速从0升至1500r/min的时间控制在0.2s以内。,由于机床在低速切削时，切深和进给都比较大，也就是说吃刀抗力较大，这就要求主轴电动机输出的转矩也应该较大。现代数控机床的伺服电动机通常都是与丝杠直接相连，中间没有减速齿轮，这就要求进给电动机能输出较大的转矩。 进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。,稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。 要求伺服系统有较高的可靠性、稳定性，并且受电源、环境、负载等的影响要小。还要具有足够的传动刚性和速度稳定性。也就是说伺服系统在负载或切削条件发生变化时，应使进给速度保持恒定。刚性良好的系统，负载力矩的变化对进给速度的影响很小。,二、伺服系统应具有的基本性能,白城师范学院机电系机自教研室,10,对伺服电机的要求： （1）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时的速度平稳,无爬行现象。 （2）电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。 （3）反应速度快，电机必须具有较小的转动惯量、较大的转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度(400rad/s2以上)。 （4）能承受频繁的起动、制动和正反转。,三、位置控制系统和速度控制系统的主要技术指标 位置控制系统是保证位置精度的重要环节。 速度控制系统由速度控制单元、伺服电动机、速度检测装置等构成。速度控制系统的核心是速度控制单元，用来控制电动机转速。 一般的位置控制包括位置环和速度环，具有位置控制环节的系统才是真正的伺服系统。 两者的共同之处是通过系统的执行元件直接或通过机械传动装置间接带动被控制对象，完成给定控制规律要求的动作。不同之处可以用位移与速度之间的关系来理解。,白城师范学院机电系机自教研室,11,（一）位置控制系统的主要技术指标 1.系统静态误差。 2.速度误差和正弦跟踪误差。 3.速度品质因数和加速度品质因数。 4.最大跟踪角速度、最低平滑角速度、最大角加速度。 5.振幅指标和频带宽度。 6.系统对阶跃信号输入的响应特性。 7.等速跟踪状态下，负载扰动所造成的瞬时误差和过渡过程时间。 8.对系统工作制、平均无故障时间（MTBF）、可靠性、使用寿命的要求。,白城师范学院机电系机自教研室,12,（二）速度控制系统的主要技术要求 1.被控对象的最高运行速度 2.最低平滑速度。 3.速度调节的连续性和平滑性要求。 4.静差率或转速降。 5.对阶跃信号输入下系统的响应特性。 6.负载扰动下的系统响应特性。 7.对系统工作制、平均无故障工作时间、可靠性以及使用寿命等要求。,白城师范学院机电系机自教研室,13,白城师范学院机电系机自教研室,14,四、伺服系统的分类 1按调节理论分类 （1）开环伺服系统 （2）闭环伺服系统 （3）半闭环伺服系统,白城师范学院机电系机自教研室,15,开环数控系统,无位置反馈（测量），信号流是单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好。但精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。,开环系统通常使用步进电动机。 在开环系统中，插补脉冲经功率放大后直接控制步进电动机，由输出脉冲的频率来控制步进电动机的速度，由输出脉冲的数量来控制工作台的位置。其定位精度一般为0.010.005mm。,这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。,白城师范学院机电系机自教研室,16,半闭环数控系统,半闭环数控系统的位置采样点是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置， 而是由位置检测元件间接测量工作台的位置。由位置反馈信号来调节伺服电动机的速度。,半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。,由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。,半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。,白城师范学院机电系机自教研室,17,全闭环数控系统,闭环系统通常使用直流伺服电动机或交流伺服电动机。,全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。,在闭环伺服系统中，由速度检测元件来测量电动机的速度，由位置检测元件来测量工作台的位置，由速度和位置反馈信号来调节伺服电动机的速度和工作台的位置。因此从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。其定位精度一般为0.0010.003mm。,由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。,该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。,白城师范学院机电系机自教研室,18,2按使用的驱动元件分类 （1）电液伺服系统 （2）电气伺服系统 3按被控对象分类 （1）进给伺服系统 （2）主轴伺服系统 4按反馈比较控制方式分类 （1）脉冲、数字比较伺服系统 （2）相位比较伺服系统 （3）幅值比较伺服系统 （4）全数字伺服系统,第二节 步进电动机伺服系统,步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁机械装置。由于所用的电源是脉冲电源，所以又称为脉冲马达。步进电机用于与控制脉冲组成的开环系统中。 步进电机是一种特殊的电动机，一般电动机通电后连续旋转，但步进电动机却是跟随输入脉冲按节拍一步一步地转动。 步进电动机的转动，是由电动机绕组的脉冲电流控制的，也就是说由指令脉冲决定的。,白城师范学院机电系机自教研室,19,白城师范学院机电系机自教研室,20,指令脉冲数决定它的转动步数，即角位移的大小，对步进电动机施加一个电脉冲信号时，步进电动机就旋转一个固定的角度，称为一步，每一步所转过的角度称为步距角；指令脉冲频率决定它的转动速度。只要改变指令脉冲频率，就可以使步进电动机的旋转速度在很宽的范围内连续调节。改变绕组的通电顺序，就可以改变它的旋转方向。在无脉冲输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于定位状态。,白城师范学院机电系机自教研室,21,一、步进电机的分类、结构和工作原理 1.步进电机的分类 按力矩产生的原理分： 磁阻式（反应式）、感应子式和永磁式。 按输出力矩大小分： 功率式和伺服式。 按结构分： 径向式（单段式）、轴向式 （多段）和印刷绕组式。 按相数分： 三相、四相、五相、六相等。,2.步进电动机的结构 目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机。下图是一典型的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。它与普通电机一样，也是由定子和转子构成，其中定子又分为定子铁心和定子绕组。 在定子的每个磁极上面向 转子的部分，均匀分布着 5 个小齿，齿槽等宽，齿 间夹角为9度。 转子上没有绕组，只有均 匀分布的40个齿，其大小 和间距与定子上的完全相同。并与之相差1/3齿距。,白城师范学院机电系机自教研室,22,白城师范学院机电系机自教研室,23,3步进电动机工作原理 步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。现以三相反应式步进电动机为例说明。,若按A-B-C-A通电相序连续通电，则步进电机就连续地沿逆时针方向旋转，每换接一次通电相序，步进电机沿逆时针方向转过30，即步距角为30。反之则为顺时针方向旋转。,图6-4 反应式步进电机工作原理,当A相通电时，电动机铁芯AA方向产一磁通，在磁拉力作用下，转子1、3齿与A相磁极对齐。2、4两齿与B、C两磁极相对错开30,当B相通电时，电动机铁芯BB方向产生磁通，在磁拉力作用下，转子沿逆时针方向旋转30，转子2、4齿与B相磁极对齐。1、3两齿与A、C两磁极相对错开30。,当C相通电时，电动机铁芯CC方向产生磁通，在磁拉力作用下，转子没逆时针方向旋转，转子1、3齿与C相磁极对齐。2、4两齿与A、B两磁极相对错开30。,白城师范学院机电系机自教研室,24,三相单三拍：(正转) A, B, C,(反转) ACBA,A,白城师范学院机电系机自教研室,25,三相双三拍：(正转) AB,AB,CA,BC,(反转) ACCBBAAC,白城师范学院机电系机自教研室,26,请看原理动画。, AB, B, BC, C, CA, A,(反转) A AC C CB B BA A,三相六拍：(正转) A,白城师范学院机电系机自教研室,27,m相步进电机通电方式 m相单m拍： 例 ABC D EA m相双m拍： 例 ABBCCD DEEA AB 或 ABCBCDCDE DEAEAB ABC m相2m拍： 例 A AB B BC C CD D DEE EA A 或 AB ABC BC BCD CD CDE DE DEAEA EAB AB,白城师范学院机电系机自教研室,28,三种通电方式的特点： 单m拍： 每次一相通电,切换瞬间失去自锁力矩易失步,在平衡位置易振荡。 双m拍： 每次同时有二相通电,切换瞬间仍有一相保持通电,运行稳定。 2m拍： 步距角小一半，切换瞬间仍有一相保持通电，运行稳定。,白城师范学院机电系机自教研室,29,二、步进电机的主要特性 步进电机输出的角位移量与输入的指令脉冲数成正比，在时间上与输入的脉冲同步；而步进电机的转速与指令脉冲频率成正比。 在步进电机负载能力允许的 情况下，这种线性关系不会 因为负载的变化等因素而变 化，所以可以在较宽的范围 内，通过对指令脉冲频率和 数量的控制，实现对机床运 动速度和位置的控制。,白城师范学院机电系机自教研室,30,（1）步距角和静态步距误差 步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它取决于电机结构和控制方式。步距角可由下式计算： =360/mzk 式中：m是定子励磁绕组数；Z是转子的齿数；k是控制方式确定的拍数与相数的比例系数。按通电方式的不同分别为：2m拍 k =2 ，其它 k =1。 若步进电动机通电的脉冲频率为f，则步进电动机的转速为 在一转内各步距误差的最大值，被定为步距误差。它的大小是由制造精度等因素决定的。,（2）矩角特性、最大静态转矩和起动转矩 矩角特性是步进电机的一个重要特性，它是指步进电机产生的静态转矩与失调角的变化规律。 空载时，若步进电机某相绕组通电，根据步进电机的工作原理，电磁转矩会使得转子齿槽与该相定子齿槽相对齐，这时，转子上没有转矩输出。如果在电机轴上加一逆时针方向的负载转矩M，则步进电机转子就要逆时针方向转过一个角度才能重新稳定下来，这时转子上受到的电磁转矩Mj和负载转矩M相等。我们称Mj为静态转矩，为失调角。不断改变M值，就得到Mj与的函数曲线，如图所示。我们称Mj=f（）曲线为转矩-失调角特性曲线，或称为矩角特性。,白城师范学院机电系机自教研室,31,图中A，B，C三相的矩角特性曲线在相位上互差1/3周期。曲线上峰值所对应的转矩叫做最大静态转矩，用Mjmax表示，它表示步进电机承受负载的能力。其值愈大，自锁转矩愈大，静态误差愈小。换句话说，最大静态转矩Mjmax愈大，电机带负载的能力愈强，运行的快速性和稳定性愈好。,白城师范学院机电系机自教研室,32,曲线A和B的交点所对应的力矩Mq是电机运行状态的最大起动转矩。当负载力矩Mf小于Mq时，电机才能正常起动运行，否则，将造成失步，电机也不能正常启动。,（3）起动频率fq 空载时，步进电机由静止突然起动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为起动频率或突跳频率。若起动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常起动。空载起动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。 （4）连续运行的最高工作频率fmxa 步进电机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率fmxa，称为最高工作频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决定了步进电机的最高转速。,白城师范学院机电系机自教研室,33,（5）矩频特性与动态转矩 矩频特性Md=F（f）所描述的 是步进电机连续稳定运行时输 出转矩与连续运行频率之间的 关系。如图所示。该特性曲线 上每一频率 f 所对应的转矩为 动态转矩Md。可见动态转矩的 基本趋势是随连续运行频率的增大而降低。 （6）加减速特性 步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。,白城师范学院机电系机自教研室,34,白城师范学院机电系机自教研室,35,步进电动机控制框图,四、步进电动机的控制方法 步进电动机的驱动电源是专用的，是由环形分配器和功率放大器组成的。,三、三相反应式步进电动机的特点 不受各种干扰因素的影响 误差不会长期积累 控制简单,CNC,自动升降速,环形分配器,功率放大器,电动机绕组,-向,+向,如电压、电流、温度等，只要没有引起反应式步进电机产生失步，就都不会影响步距角。,虽然反应式步进电机存在着步距误差，但每转一周的积累误差为零，所以步距误差不会长期积累。,步进电机既是驱动元件，又是将脉冲变为角位移的变换元件，所以省去了位置检测元件及其相应的线路。,环形分配器 环形分配器的功能是把来自CNC的脉冲信号按一定的规律分配给各相功率放大器，来驱动相应的励磁绕组，进而实现步进电动机按规定的方式进行工作。 脉冲分配有两种方式： 一种是由专门的硬件脉冲分配器来完成的硬件脉冲分配： 硬件脉冲分配器是由门电路及逻辑电路构成的，它提供符合步进电动机控制指令所需要的顺序脉冲。,白城师范学院机电系机自教研室,36,白城师范学院机电系机自教研室,37,特点：需要专用硬件资源，运行效率高。,另一种是由计算机的软件来完成的软件脉冲分配： 软件脉冲分配是用软件来实现脉冲分配的。它是预先将逻辑序列按地址的顺序存入到ROM当中。在工作时，就根据计算的指令步数求出每一步相应的地址，从ROM中取出该节拍的控制信息，由I/O接口送入功率放大器。根据指令的步数循环执行这一序列表，步进电动机就按设定的节拍连续运行。,白城师范学院机电系机自教研室,38,白城师范学院机电系机自教研室,39,特点：节省了环分器硬件，但软件运行效率低，用于速度要求不高处,五、步进电机伺服系统的功率驱动 在实际的控制过程当中，环形分配器的输出信号很小，而步进电动机的绕组电流又很大。所以需要进行功率放大。过去采用单电压驱动电路，后来采用高低压驱动电路，现在则比较多的采用了恒流斩波、调频调压和细分驱动电路等形式的驱动电路。,白城师范学院机电系机自教研室,40,提速（限流）电阻Rc：改变时间常数，提高响应速度 续流二极管D：用于功率晶体管的过电压保护 特点：结构简单、效率低、能耗高，发热大、工作稳定性差。 应用：小功率步进电机驱动,白城师范学院机电系机自教研室,41,1.单电压功率放大电路,42,2. 双电压驱动电路 这种驱动电路供给步进电动机绕组的电压有两种：一种是低电压U2，一般为12V或24V；另一种是高电压U1，电压为80V以上。见图。,在相序输入信号IN、IL到来时，VT1、VT2同时导通，给绕组加上高压U1，以提高绕组中电流上升率，当电流达到规定值时， VT1关断、 VT2仍然导通（tN的脉宽小于tL），则自动切换到低压U2,该电路的优点是在较宽的频率范围内有较大的平均电流，能产生较大且稳定的平均转距，其缺点是电流波形有谷点，波形如图。,43, 斩波驱动电路 由于双电压驱动电路存在着电流在高低压连接处出现谷点，造成高频输出转矩在谷点下降。为了使励磁绕组中的电流维持在额定值附近，提高步进电动机的转矩和效率，所以需要采用斩波驱动电路。原理见图。,输入信号若为正脉冲，则VT1、VT2同时导通，由于U1电压较高，绕组回路中又没串电阻，所以绕组中电流迅速上升，当电流达到规定值时，由于采样电阻Re的反馈作用，经整形、放大后送至VT1基极，使VT1截止。接着绕组由U2供电，绕组中电流迅速下降，但刚降到额定值以下时，由于采样电阻Re的反馈作用，使整形电路无信号输出，此时高压前置放大电路又使VT1导通，电流又上升。,如此反复进行，形成一个在额定电流值上下波动呈锯齿状的绕组电流波形，近似恒流，其电流波形如图。,44,六、步进电机的细分驱动技术 把额定电流分成n个极分别进行通电，转子就会以n个通电极别所决定的步数来完成原有一个步距角所转过的角度，使原来的每个脉冲走过一个步距角，变成了每个脉冲走1/n个步距角，即把原来一个步距角细分成n份，从而提高了步进电机的精度。 三相步进电动机线性细分后，原来一相的一个大脉冲由现在的n个阶梯脉冲所代替。 通过细分驱动可得到更小的脉冲当量，因而提高了定位精度。基本上消除了步进电机的低速振动问题，使步进电机低速运转平稳，没有噪声。 请看原理动画2。,第三节 数控机床的位置检测装置,组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。 作用：闭环数控系统为反馈控制的随动系统，它的输出量是机械位移、速度或加速度，利用这些量的反馈实现精确的位移、速度控制目的。数控系统的检测装置（即传感器）起着测量和反馈两个作用，它发出的信号传送给数控装置或专用控制器，构成闭环控制。从一定意义上看，数控机床的加工精度和定位精度主要取决于检测装置的精度。传感器能分辨出的最小测量值称为分辨率。分辨率不仅取决于传感器本身，也取决于测量线路。,白城师范学院机电系机自教研室,45,数控机床上使用的检测装置应满足以下要求： 准确性好，满足精度要求，工作可靠，能长期保持精度。 满足速度、精度和机床工作行程的要求。 可靠性好，抗干扰性强，适应机床工作环境的要求。 使用、维护和安装方便，成本低。 对大型机床以满足速度为主，对中、小型机床和高精度机床以满足精度为主。,白城师范学院机电系机自教研室,46,检测装置的分类 数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流三种类型。 根据安装的位置及耦合方式直接测量和间接测量。 按测量方法增量型和绝对型。 按检测信号的类型模拟式和数字式。 根据运动型式 回转型和直线型。 按信号转换的原理光电效应、光栅效应、电磁感应原理、压电效应、压阻效应和磁阻效应等。,白城师范学院机电系机自教研室,47,白城师范学院机电系机自教研室,48,白城师范学院机电系机自教研室,49,一、旋转变压器 旋转变压器是一种控制用的微电动机，它将机械转角变换成与该转角呈某一函数关系的电信号。 在结构上与二相线绕式异步电动机相似，由定子和转子组成。定子绕组为变压器的一次侧，转子绕组为变压器的二次侧。励磁电压接到定子绕组上，其频率通常为400Hz、500Hz、1000Hz和5000Hz。 旋转变压器的结构简单、动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，但测量精度较低，一般用于精度要求不高或大型机床的粗测及中测系统。,白城师范学院机电系机自教研室,50,1.旋转变压器的结构 有电刷集电环结构和无刷结构。每一类又分为单对极元件、多对极元件（或称多极元件）。,白城师范学院机电系机自教研室,51,旋转变压器结构示意 1-转轴 2-轴承 3-机壳 4-转子铁心 5-定子铁心 6-端盖 7-电刷 8-集电环,2.旋转变压器的工作原理 旋转变压器的工作原理和普通变压器的基本相似，区别在于普通变压器的一次、二次绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常数；而旋转变压器的一次、二次绕组之间是随着转子的角位移发生相对位置变化的，因而其输出电压的大小也随之而变化。也就是说当定子绕组加上交流电压时，转子绕组输出电压的大小取决于定子与转子两个绕组磁轴线在空间的相对位置。转子绕组电压的频率与定子绕组的相同，但幅值随转子与定子的相对角位移的正弦函数而变化。所以只要测出转子的输出电压的幅值，就可求出转子相对定子的角位移,白城师范学院机电系机自教研室,52,。,白城师范学院机电系机自教研室,53,白城师范学院机电系机自教研室,54,当转子绕组磁轴与定子绕组磁轴垂直时，=0，不产生感应电压；当两磁轴平行时，=90，感应电压最大；当两磁轴为任意角度时，感应电压为： 式中： K变压比(转子绕组与定子绕组 的匝数比)， U1励磁电压， Um励磁电压的幅值， 励磁电压的角频率。,3.旋转变压器的应用 旋转变压器的工作方式 （1）鉴相工作方式,白城师范学院机电系机自教研室,55,该方式是通过旋转变压器转子绕组输出电压 的相位确定被测角位移，即给定子的两个绕组分别通以同幅、同频但相位差为90的励磁电压，这两个励磁电压在转子绕组中产生的感应电压是叠加在一起的。因而转子中的感应电压为两个电压的代数和，转子输出电压的相位角和转子的偏转角之间有严格的对应关系，只要检测出转子输出电压的相位角，就可以知道转子的转角。,白城师范学院机电系机自教研室,56,Vs=Vmsint Vc=Vmcost E2=KV m cos- KV csin =KV m (sintcos- costsin) =KV m sin(t-),（2）鉴幅工作方式,白城师范学院机电系机自教研室,57,该方式是通过旋转变压器转子绕组输出电压的幅值确定被测角位移，即给定子的两个绕组分别通以同相、同频但幅值不同的交流励磁电压，转子输出电压的幅值随转子的偏转角而变化，测量出幅值即可求得转子转角值。,白城师范学院机电系机自教研室,58,Vs=Vmsin电sint Vc=Vmcos电sint E2=KV m cos机- KV csin机 =KV m sint(sin电cos机- cos电sin机 =KV m sin(电-机) sint,感应电势（E2）是以为角频率、以Vm sin(电 -机 )为幅值的交变电压信号。若电气角电已知，只要测出E2 幅值(利用E2 =0)，便可间接的求出机械角机 ，从而得出被测角位移。,二、感应同步器 1.感应同步器的结构和特点 感应同步器是利用电磁耦合原理，将位移或转角变为电信号，借以进行位置检测的反馈控制，在数控机床上使用极为普遍。 按其用途可分为两大类：直线感应同步器和圆感应同步器。 前者用于直线位移的测量，后者用于转角的测量。在结构上，两者都包括固定和运动两大部分，对旋转式分别称为定子和转子；对直线式分别称为定尺和滑尺。,白城师范学院机电系机自教研室,59,感应同步器是一种电磁感应式多极位置传感元件，由旋转变压器演变而来。它的极对数可以做得很多，一般取360对极、720对极，最多的达2000对极。由于多极结构，在电与磁两方面对误差都起补偿作用，所以具有很高的精度。感应同步器的励磁频率一般取210kHz。 （1）圆感应同步器 它由定子和转子组成。转子绕组为连续绕组；定子上有两相正交绕组（ sin绕组和 cos 绕组做成分段式，两相绕组交差分布，相差90电相角。属于同一相的各相绕组用导线串联起来,白城师范学院机电系机自教研室,60,），,。,白城师范学院机电系机自教研室,61,（2）直线式感应同步器,考虑到接长和安装，通常定尺绕组做成连续式单相绕组,滑尺上配置断续绕组，并且分为正弦励磁绕组和余弦励磁绕组，这两个绕组在空间上错开90电相角。,白城师范学院机电系机自教研室,62,感应同步器的使用特点 精度高 可拼接成各种需要的长度 对环境的适应性强 使用寿命长 注意安装间隙,根据测量长度的要求，采用多块定尺接长，相邻定尺间隔也可以调整，使拼接后总长度的精度保持（或略低于）单块定尺的精度。尺与尺之间的绕组连接方式有两种：当定尺少于10块时，将各绕组串联连接，当多于10块时，先将各绕组分成两组串联，然后将此两组再并联，以不使定尺绕组阻抗过高为原则。,直线式感应同步器金属基尺与安装部件的材料的膨胀系数相近，当环境温度变化时，两者的变化规律相同，而不影响测量精度。感应同步器为非接触式电磁耦合器件，可选耐温性能好的非导磁性材料作保护层，加强了其抗温防湿的能力，同时在绕组的每个周期内，任何时候都可以给出与绝对位置相对应的单值电压信号，不受环境干扰的影响。,由于感应同步器是直接对机床位移进行测量，中间不经过任何机械转换装置，测量精度只受本身精度限制。定尺和滑尺上的平面绕组，采用专门的工艺方法制作精确。再加上它的极对数多，定尺上的感应电压信号是多周期的平均效应，从而减少了制造绕组局部误差的影响，所以测量精度高。目前直线感应同步器的精度可达0.001mm,重复精度0.0002mm,灵敏度0.00005m。直径为302mm的感应同步器的精度可达0.5,重复精度0.1，灵敏度0.05。,由于感应同步器定尺与滑尺之间不直接接触，因而没有磨损，所以寿命长。但是感应同步器大多装在切屑或切削液容易入侵的部位，所以必须用钢带或折罩覆盖，以免切屑划伤滑尺与定尺的绕组。,感应同步器安装时要注意定尺与滑尺之间的间隙，一般在（0.020.25）mm0.05mm以内，滑尺在移动过程中，由于晃动所引起的间隙变化也必须控制在0.01mm之内。如果间隙过大，必将影响测量信号的灵敏度。,2.感应同步器的工作原理,白城师范学院机电系机自教研室,63,当滑尺上励磁绕组和定尺上的绕组位置重合时，耦合磁通最大，感应电动势也最大。,当继续平行移动滑尺时，感应电动势逐渐减小，当移动到1/4节距位置处，在感应绕组内的感应电动势为零。,继续移动到半个节距处，可得到与初始位置极性相反的最大感应电动势。,在3/4节距处，感应电动势又 变为零。,移动到下一个节距时，又回到与初始位置完全相同的耦合状态，感应电动势最大。这样，感应电动势随滑尺相对于定尺的移动而呈周期性变化。,白城师范学院机电系机自教研室,64,(1) 鉴相型系统 当在正弦绕组加励磁电压Us=Umsint，它在定尺绕组中产生的感应电动势为： 式中 K耦合系数， 与位移X对应的角度，定、滑尺相对移动一个节距P=2，从0变到2，即,白城师范学院机电系机自教研室,65,同理，在余弦绕组加励磁电压Uc=Umcost，它在定尺绕组中产生的感应电动势为： 应用迭加原理，定尺上的感应电动势为： 下张片子中上面这张图是鉴相检测系统方框图；下面这张图是脉冲相位变换器方框图。,白城师范学院机电系机自教研室,66,白城师范学院机电系机自教研室,67,（2）鉴幅式系统 鉴幅式伺服系统原理框图,进入比较器的信号有两路，一路来自进给脉冲，它代表了数控装置要求机床工作台移动的位移量。另一路来自测量及信号处理电路，以数字脉冲形式出现，体现了工作台实际移动的距离。鉴幅式系统工作之前，数控装置和测量元件的信号处理电路都没有脉冲输出，比较器的输出为零，工作台不移动。,出现进给脉冲信号后，比较器的输出不为零，经数模转换电路将比较器输出的数字量转化为电压信号，经放大后，由伺服电机带动工作台移动。,同时，工作在鉴幅状态的感应同步器的定尺感应出电压信号，经信号处理线路转换成相应的数字脉冲信号，该数字脉冲信号作为反馈信号进入比较器与进给脉冲进行比较。,若两者相等，比较器输出为零，工作台不动；若两者不相等，说明工作台实际移动的距离还不等于指令信号要求移动的距离，伺服电机继续带动工作台移动，直到比较器输出为零时停止。,三、脉冲编码器 1.脉冲编码器的分类和结构 脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲，可作为位置检测和速度检测装置。 脉冲编码器分为：光电式、接触式和电磁感应式。从精度和可靠性方面来看，光电式脉冲编码器优于其他两种。 脉冲编码器是一种增量检测装置，它的型号是由每转发出的脉冲数来区分。数控机床上常用的有：2000P/r、2500 P/r和3000 P/r等。,白城师范学院机电系机自教研室,68,这种检测方式的特点是： 检测方式是非接触式的，无摩擦和磨损，驱动力矩小； 由于光电变换性能的提高，可得到较快的响应速度。 其缺点是抗污染能力差，容易损坏。,白城师范学院机电系机自教研室,69,光电脉冲编码器的结构 1-光源； 2-圆光栅； 3-指示光栅； 4-光电池组； 5-机械部件； 6-护罩；7-印刷电路板,2.光电脉冲编码器的工作原理,白城师范学院机电系机自教研室,70,两个光电元件错开90相位角安装。当圆盘旋转一个节距时，在光源照射下，就在光电元件上得到一个光电波形输出,A相比B相导前90。若A相导前B相时为正方向旋转，则B相导前A相时就是负方向旋转。利用A相与B相的相应关系可以判别编码器的旋转方向,A、B信号为具有90相位差的正弦波，这组信号经放大器放大与整形，得下图所示的输出方波,3. 光电脉冲编码器的应用 光电脉冲编码器在数控机床上，用在数字比较伺服系统中，作为位置检测装置。光电脉冲编码器将位置检测信号反馈给CNC装置有几种方式： 一是适应带加减计数要求的可逆计数器，形成加计数脉冲和减计数脉冲。 二是适应有计数控制端和方向控制端的计数器，形成正走、反走计数脉冲和方向控制电平。,白城师范学院机电系机自教研室,71,白城师范学院机电系机自教研室,72,应用一： 适应带加减计数要求的可逆计数器，形成加计数脉冲和减计数脉冲。,光电脉冲编码器的输出脉冲信号A、A、B、B经过差分驱动传输进入CNC装置，仍为A相信号和B相信号。,将A、B信号整形后，变成规整的方波（电路中a、b点）。,当光电脉冲编码器正转时，A相信号超前B相信号，经过单稳电路变成d点的窄脉冲，与B相比反向后c点的信号e相，由e点输出正向计数脉冲。,f点由于在窄脉冲出现时，b点的信号为低电平，所以f点也保持低电平。这时可逆计数器进行加计数。,当光电脉冲编码器反转时，B相信号超前A相信号，在d点窄脉冲出现时，因为c点是低电平，所以e点保持低电平。,f点输出窄脉冲，作为反向减计数脉冲。这时可逆计数器进行减计数。这样就实现了不同旋转方向时，数字脉冲由不同通道输出，分别进入可逆计数器做进一步的误差处理工作。,白城师范学院机电系机自教研室,73,应用二： 适应有计数控制端和方向控制端的计数器，形成正走、反走计数脉冲和方向控制电平。,正走时，A脉冲超前B脉冲，B方波和A1窄脉冲进入C“与非门”，A方波和B1窄脉冲进入D“与非门”，则C门和D门分别输出高电平和负脉冲。,光电脉冲编码器的输出脉冲信号A、A、B、B经过差分驱动传输进入CNC装置，为A相信号和B相信号，该两相信号为本电路的输入脉冲。经整形和单稳后变成A1、B1窄脉冲。,这两个信号使由1、2“与非门”组成的“R-S”触发器置“0”，（此时，Q端输出“0”，代表正方向），使3“与非门”输出正走计数脉冲。,反走时， B脉冲超前A脉冲，B方波和A1窄脉冲；A方波和B1窄脉冲同样进入C、 D“与非门”，但由于其信号相位不同，使C门和D门分别输出负脉冲和高电平。,从而将 “R-S”触发器置“1”，（此时，Q端输出“1”，代表负方向），使3“与非门”输出反走计数脉冲。不论正走、反走，与非门3都是计数脉冲输出门、 “R-S”触发器的Q端输出方向控制信号。,四、绝对式编码器 1.绝对式编码器的种类 绝对式编码器是一种直接编码、绝对测量的检测装置。与增量脉冲编码器不同，它是通过读取绝对编码盘、编码尺（通称为码盘）的代码（图案）信号指示绝对位置。电源切除后，位置信息不丢失，也没有积累差。 从编码器使用的计数制来分类，有二进制编码、二进制循环码（葛莱码）、余三码和二一十进制码等编码器。 从结构原理来分类，有接触式、光电式和电磁式等绝对值式编码器。,白城师范学院机电系机自教研室,74,白城师范学院机电系机自教研室,75,2.结构及工作原理 绝对式编码器通过读取编码盘上的图案来表示数值。其结构及工作原理是：,图中空白的部分透光，用“0”表示，涂黑的部分不透光，用“1”表示。,二进制编码器的主要缺点是图案转移点不明确，将在使用中产生较多的误差,葛莱编码盘是改进后的，它的特点是每相邻十进制数之间只有一位二进制码不同。因此，图案的切换只用一位数进行。所以能把误读控制在一个数单位之内，提高了可靠性,绝对值式编码器一般都做成二进制编码，码盘的图案由若干同心圆环（码道）组成。码道的数量与二进制的倍数相同。靠近圆心的码道代表高倍数码，越往外倍数越低，最外圈是最低位。,五、光栅 光栅用于光谱分析和光波波长的测定，是测量数控机床工作台位移的光电检测元件。 光栅分为物理光栅和计量光栅。 物理光栅刻线细密，用于光谱分析和光波波长的测定。 计量光栅比较而言刻线较粗，但栅距也较小，在0.0040.25mm之间，测量的位置精度非常高，分辨率也很高，达0.1m，主要用在数字检测系统。,白城师范学院机电系机自教研室,76,1.光栅的种类 光栅传感器为动态测量元件，按运动方式分为长光栅和圆光栅： 长光栅用来测量直线位移； 圆光栅用来测量角度位移。 根据光线在光栅中的运动路径分为透射光栅和反射光栅。 一般光栅传感器都是做成增量式的，也可以做成绝对值式的。 目前光栅传感器应用在高精度数控机床的伺服系统中，其精度仅次于激光式测量。在加工中心等高精度数控机床上应用较广。,白城师范学院机电系机自教研室,77,白城师范学院机电系机自教研室,78,光栅测量系统,光栅是由光源、聚光镜、主光栅、指示光栅和光敏元件等构成。,主光栅和指示光栅分别安装在机床的移动部件及固定部件上，两者相对移动，相互平行，它们之间保持0.05mm或0.1mm的间隙。主光栅和指示光栅的刻线错开一定的角度，以得到莫尔条纹。,主光栅和指示光栅通称为光栅尺，它们是在真空镀膜的玻璃片或长条形金属镜面上光刻出均匀密集的线纹。 光栅的线纹相互平行，线纹之间的距离称为栅距。对于圆光栅，这些线纹是圆心角相等的向心条纹。两条向心纹线之间的夹角称为栅距角。栅距和栅距角是光栅的重要参数。 对于长光栅，金属反射光栅的线纹密度为2550/mm；玻璃透射光栅为100250/mm对于圆光栅，一周内刻有10800条线纹（圆光栅直径为270mm，360进制）。,白城师范学院机电系机自教研室,79,。,白城师范学院机电系机自教研室,80,光栅的结构 1-防护垫 2-光栅读数头 3-标尺光栅 4-防护罩,光栅读数头 1-光源 2-准直镜 3-指示光栅 4-光敏元件 5-驱动线路,什么叫莫尔条纹？ 栅距相同的主光栅和指示光栅，刻线面相对的重叠在一起，中间留有适当小的间隙，并且两者刻线错开一定的角度，两块光栅的刻线就会相交。这样由于光的干涉效应，就会产生和栅线接近于垂直的明暗相间的条纹，这些条纹就是莫尔条纹。 严格地说，莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。,白城师范学院机电系机自教研室,81,图6-25 莫尔条纹,莫尔条纹中相邻两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的间距,白城师范学院机电系机自教研室,82,莫尔条文宽度B的理论公式,莫尔条纹,莫尔条纹的特征（特点）： （1）莫尔条纹的变化规律 两片两光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹间距。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正（余）弦函数，变化周期数与两光栅相对移过的栅距数同步。,白城师范学院机电系机自教研室,83,白城师范学院机电系机自教研室,84,（2）放大作用 用W（mm）表示莫尔条纹的宽度，P(mm)表示栅距，(rad)为光栅线纹之间的夹角，在两光栅栅线夹角较小的情况下，如图6-25所示则有 莫尔条纹宽度W与角成反比， 越小，放大倍数越大。就不需要经过复杂的光学系统，便能将光栅的栅距放大，从而大大减化了电子放大线路。,（3）均化栅距误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，例如，200条/mm的光栅，10mm宽的光栅就由2000条线纹组成，这样栅距之间的固有相邻误差就被平均化了，消除了栅距之间不均匀造成的误差。,白城师范学院机电系机自教研室,85,（4） 辨向作用 当光栅尺移动一个栅距P时，莫尔条纹也相应地向上或向下准确地移动一个间距 W。只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，就可知道光栅移动了多少个栅距，工作台移动的距离可以计算出来。若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反（见图6-25）。 若标尺光栅不动，将指示光栅转一很小的角度，两者移动方向及光栅夹角关系如下表所示。因莫尔条纹移动方向与光栅移动方向垂直，可用检测垂直方向宽大的莫尔条纹代替光栅水平方向移动的微小距离。,白城师范学院机电系机自教研室,86,莫尔条纹移动方向与光栅移动方向及光栅夹角的关系表,白城师范学院机电系机自教研室,87,请看动画,3.提高光栅检测分辨精度的细分电路 利用莫尔条纹的特点，光敏元件可以把光强变化转换成相应的电压信号，根据电压信号的变化，我们就可测量出光栅的相对位移情况，如位移大小、位移方向和移动速度等。 在光栅测量系统中，为了提高分辨率和测量精度，不可能仅靠增大栅线的密度来实现。工程上采用莫尔条纹的细分技术。细分技术有光学细分、机械细分和电子细分等方法。伺服系统中应用最多的是电子细分法。最基础的是4倍频光栅位移-数字变换电路。这种电路的组成就是后面这张图。,白城师范学院机电系机自教研室,88,白城师范学院机电系机自教研室,89,然后经过位移-数字变换电路形成正走、反走时的正向、反向脉冲,光栅移动时产生的莫尔条纹由光电元件接受,a、c信号是相位差为180的两个信号，送入差动放大器放大，得到sin信号。将信号幅度放大到足够大。,同理b、d信号送入到另一个差动放大器，得到cos信号。,然后将这4个方波信号再经过微分变成4个窄脉冲，由与门电路把0、90、180和270四个位置上产生的窄脉冲组合起来，根据不同的移动方向形成正向脉冲或反向脉冲。最后再计算出脉冲个数，来测量光栅的实际位移。,sin、cos信号经过整形器的整形变成两个方波，这两个方波信号再经过反向又得到两个方波信号。,由4块光电池发出的信号分别为a、b、c和d，相位彼此相关90,六、磁栅 磁栅（磁尺）是一种高精度的位置检测装置，可用于长度和角度的测量，具有精度高，加工工艺比较简单，安装调试方便及使用条件要求较低等一系列优点。在油污和粉尘较多的工作条件下使用具有较好的稳定性。磁栅按其结构可分为直线磁栅和圆磁栅，分别用于直线位移和角度位移的测量。高精度的磁栅可用于各种测量机、精密机床和数控机床。,白城师范学院机电系机自教研室,90,白城师范学院机电系机自教研室,91,91,磁栅由磁尺、磁头和检测电路等三部分组成。它是利用录磁原理工作的。,磁栅位置检测装置方框图,先用录磁磁头将按一定周