数控课件第六章.ppt

第六章数控机床的伺服系统 第一节概述 一 伺服系统的概念及组成伺服系统是指以机械位置或角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 伺服系统是数控装置 计算机 和机床的联系环节 是数控机床的重要组成部分 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 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 第一节概述 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 第一节概述 二 伺服系统应具有的基本性能1 精度高伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度 静态精度包括定位精度和重复定位精度 动态精度指跟踪精度即轮廓加工精度 2 稳定性好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 第一节概述 第一节概述 3 快速响应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 为保证轮廓切削形状精度和低的表面粗糙度 要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快 跟随误差小 要求执行部件的运动速度的建立时间tp应尽可能短通常要求从0 Fmax Fmax 0 其时间应小于200ms 且不能有超调 4 调速范围宽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 一般要求5 低速大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 6 高性能电机 1 调运范围宽且有良好的稳定性 低速时的速度平稳性 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 第一节概述 三 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 第一节概述 开环数控系统没有位置测量装置 信号流是单向的 数控装置 进给系统 故系统稳定性好 第一节概述 无位置反馈 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 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件 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 第一节概述 半闭环数控系统半闭环数控系统的位置采样点如图所示 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 第一节概述 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 第一节概述 全闭环数控系统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 第一节概述 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 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 第一节概述 2 按使用的执行元件分类 1 电液伺服系统电液脉冲马达和电液伺服马达 优点 在低速下可以得到很高的输出力矩 刚性好 时间常数小 反应快和速度平稳 缺点 液压系统需要供油系统 体积大 噪声 漏油 2 电气伺服系统伺服电机 步进电机 直流电机和交流电机 1 直流伺服系统进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机 主运动系统采用他激直流伺服电机 优点 调速性能好 缺点 有电刷 速度不高 2 交流伺服系统交流感应异步伺服电机 一般用于主轴伺服系统 和永磁同步伺服电机 一般用于进给伺服系统 第一节概述 3 按被控对象分类 1 进给伺服系统指一般概念的位置伺服系统 包括速度控制环和位置控制环 2 主轴伺服系统只是一个速度控制系统 C轴控制功能 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 第一节概述 第二节步进电机伺服系统 一 步进电机分类和工作原理分类按运动方式 旋转运动 直线运动 平面运动 滚切式步进电机 按工作原理 反应式 电磁式 永磁式等 按使用场合 功率步进电机 控制步进电机 按结构分 单段式 径向式 多段式 轴向式 印刷绕组式 按相数分 三相 四相 五相 六相 按使用频率 高频步进电机 低频步进电机 第二节步进电机伺服系统 2 工作原理步进电机在结构上分为定子和转子两部分 以反应式三相步进电机为例加以说明 定子上有六个磁极 每个磁极上绕有励磁绕组 每相对的两个磁极组成一相 分成A B C三相 转子无绕组 它是由带齿的铁心做成的 如图中极之间夹角为60 每个定子磁极上均匀分布5隔齿 齿距角9 三相定子磁极上的齿一次错开1 3齿距 即3 转子均匀分布40个齿 齿距角也是9 步进电机是按电磁吸引的原理进行工作的 当定子绕组按顺序轮流通电时 A B C三对磁极就依次 第二节步进电机伺服系统 产生磁场 并每次对转子的某一对齿产生电磁引力 将其吸引过来 而使转子一步步转动 三相反应式步进电机结构 第二节步进电机伺服系统 步进电机的通电方式有 三相单三拍工作方式 A B C A 三相双三拍工作方式 AB BC CA AB 三相六拍工作方式 A AB B BC C CA 首先分析三相三拍工作方式 第二节步进电机伺服系统 定子 定子 定子 转子 转子 转子 定子 定子 定子 转子 转子 转子 A A B B C C 3 A相通电B相通电 3 第二节步进电机伺服系统 定子 定子 定子 转子 转子 转子 定子 定子 定子 转子 转子 转子 A A B B C C C相通电 第二节步进电机伺服系统 双三拍工作方式 AB BC CA AB 原理同上面 只是每次两相通电 转子齿与两相定子齿都不对齐 在中间位置 步距角仍为3 三相六拍工作方式 A AB B BC C CA A 单相通电时的情况同单三拍方式 单两相通电时 转子齿与两相定子齿都不对齐 步距角为1 5 定子 定子 定子 转子 转子 转子 A B C 第二节步进电机伺服系统 结论步进电机定子绕组的通电状态每改变一次 它的转子便转过一个确定的角度 即步进电机的步距角改变步进电机定子绕组的通电顺序 转子的旋转方向也随之改变步进电机定子绕组的通电状态的改变速度越快 其转子旋转的速度越快 即通电状态的变化频率越高 转子的转速越高 步进电机的步距角与定子绕组的相数m 通电方式k有关 可用下式表示 相邻两次通电相数一样时 k 1 反之 k 2 三相三拍时k 1 三相六拍时k 2 第二节步进电机伺服系统 二 步进电机的主要特性1 步距角同一相数的步进电机可有两种步距角 通常为1 2 0 6 1 5 0 75 1 8 0 9 3 1 5度等 2 矩角特性当步进电机上某相定子绕组通电之后 转子齿将力求与定子齿对齐 使磁路中的磁阻最小 转子处在平衡位置不动 0 如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz 转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度 角度 称为失调角 有失调角之后 步进电机就产生一个静态转矩 也称为电磁转矩 第二节步进电机伺服系统 这时静态转矩等于负载转矩 静态转矩与失调角 的关系叫矩角特性 如图6 6所示 近似为正弦曲线 该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩 在静态稳定区内 当外加负载转矩除去时 转子在电磁转矩作用下 仍能回到稳定平衡点位置 0 第二节步进电机伺服系统 3 起动频率fg空载时 步进电机由静止状态突然起动 并进入不失步的正常运行的最高频率 称为启动频率或突跳频率 加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率 就不能正常工作 步进电机在带负载 尤其是惯性负载 下的启动频率比空载要低 而且 随着负载加大 在允许范围内 启动频率会进一步降低 4 最高工作频率fmax步进电机连续工作时能接受的最高频率 因运行时转动惯量的影响比起动时大大减小 所以fmax fq 它表明步进电机所能达到的最高速度 第二节步进电机伺服系统 5 矩频特性矩频特性是描述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 该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩 当步进电机正常运行时 若输入脉冲频率逐渐增加 则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降 f M 第二节步进电机伺服系统 三 步进电机的控制方法环形分配器是用于控制步进电机的通电方式的 其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上 控制各相绕组的通电 断电 环形分配器功能可由硬件或软件产生 硬件环形分配器是根据步进电机的相数和控制方式设计的 数控机床上常用三相 四相 五相及六相步进电机 现介绍三相六拍步进电机环形分配器的工作原理 硬件环形分配器是根据真值表或逻辑关系式采用逻辑门电路和触发器来实现 如图所示 第二节步进电机伺服系统 该线路由与非门和J K触发器组成 指令脉冲加到三个触发器的时钟输入端CP 旋转方向由正 反控制端的状态决定 为三个触发器的Q端输出 连到A B C三相功率放大器 若 1 表示通电 0 表示断电 对于三相六拍步进电机正向旋转 正向控制端状态置 1 反向控制端状态置 0 初始时 在预置端加上预置脉冲 将三个触发器置为100状态 当在CP端送入一个脉冲时 环形分配器就由100状态变为110状态 随着指令脉冲的不断到来 各相通电状态不断变化 按照100 110 010 011 001 101即A AB B BC C CA次序通电 步进电机反转时 由反向控制信号 1 状态控制 正向控制为 0 通电次序为A CA C CB B BA A 第二节步进电机伺服系统 正反置零CP指令脉冲 A相 B相 C相 S R R 第二节步进电机伺服系统 软件环形分配器实现较为简单 方便 计算机控制的步进电机驱动系统中 使用软件实现脉冲分配 常用的是查表法 例如对于三相六拍环形分配器 每当接收到一个进给脉冲指令 环形分配器软件根据下表所示真值表 按顺序及方向控制输出接口将A B C的值输出即可 如果上一个进给脉冲到来时 控制输出接口输出的A B C的值是100 则对于下一个正向进给脉冲指令 控制输出接口输出的值是110 再下一个正向进给脉冲 应是010 而使步进电机正向地旋转起来 第二节步进电机伺服系统 三相六拍环形分配器真值表 第二节步进电机伺服系统 实现真值表与接口电路有关 如图所示的8031单片机的P1 0 P1 1 P1 2端口经光隔 驱动后接步进电机的A B C三相 当采用三相六拍工作方式时 环形分配表为 单片机控制的步进电机驱动电路框图 第二节步进电机伺服系统 第二节步进电机伺服系统 四 步进电机伺服系统的功率驱动单电压功率放大图a为单电压功放电路 L为步进电机励磁绕组的电感 Ra为绕组电阻 Rc为外接电阻 电阻Rc并联一电容C 可以提高负载瞬间电流的上升率 从而提高电动机快速响应能力和启动性能 环形分配器输出为高电平时 T饱和导通 绕组电流按指数曲线上升 串联电阻Rc可以使电流上升时间减小 改善带负载能力 当环形分配器输出为低电平时 T截止 绕组断电 因步进电机的绕组是电感性负载 当T管从饱和到突然截止的瞬间 将产生一较大反电势 续流二 第二节步进电机伺服系统 二极管D和电阻Rd接在T管集电极和电源之间 组成放电回路 使反电势通过二极管D续流作用而衰减掉 图b为电流波形 可见电流波形前沿不陡 绕组电流缓慢增加 而使电机带负载能力下降 单电压驱动电路的优点是线路简单 缺点是电流上升不够快 高频时带负载能力低 输入 Ra L U DRd CRc T t i 图b电流波形 图a电路原理图 第二节步进电机伺服系统 2 高低电压功率驱动图c所示为高低压电路 这种电路特点是高压充电 低压维持 当环形分配器输出高电平时 两只功率放大管T1 T2同时导通 电机绕组以 80V高压供电 绕组电流快速上升 前沿很陡 当接近额定电流时 单稳延时时间到 T1管截止 改由低压 12V供电 维持绕组额定电流 由于额定电流是由低压维持的 只需较小的限流电阻 功耗小 该电路能在较宽的频率范围内有较大的平均电流 能产生较大且较稳定的电磁转矩 缺点是高低压电路波形连接处有凹形 第二节步进电机伺服系统 U1 U2 V1 V2 t1t2 R2L VD1R1 VD2 图c高低压驱动电路原理图 第二节步进电机伺服系统 高低压驱动电路波形图 Vh1 电枢电流 电枢电压 V2基极信号 V1基极信号 第二节步进电机伺服系统 3 斩波恒流功放电路原理图见图d 其工作原理是 Vin为低电平时Vb 0采样电阻R3上无电压反馈 A1输出高电平 当Vin 1 与门A2输出高电平 V2导通 绕组上有电流 当绕组电流上升到额定值以上的某一数值时 Vf Vref时 A1输出低电平 A2的输出Vb 0V2截止 绕组电流下降 但刚降到额定值以下时 由于采样电阻Re的反馈作用 又使V2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 第二节步进电机伺服系统 图d恒流斩波驱动电路原理图 第二节步进电机伺服系统 电枢电流 电枢电压 脉冲信号 第二节步进电机伺服系统 4 步进电机的细分技术定义 将一个步距角细分成若干点步的驱动方式称细分驱动 特点 在不改动电动机结构参数的情况下 使步距角减小 方法 需将绕组中的矩形电流波改成阶梯电流波 实现 硬件或软件 第二节步进电机伺服系统 如图为硬件实现步进电机细分 当基极电流b1 b2 b3 b4 b5等时间间隔依次加到三极管上 步进电机相电流将按阶梯波形逐渐增大 硬件实现步进电机细分 第二节步进电机伺服系统 图为软件实现细分的原理图 来自单片机的数据增加时 经A D转换和放大后输出电压Va增加 Vb产生突变 使电机电流迅速上升 第三节数控机床的位置检测装置 一 概述1 位置检测装置是数控机床的重要组成部分 要求 受温度 湿度影响小 工作可靠 能长期保持精度 抗干扰能力强 在机床执行部件工作范围内 能满足精度和速度的要求 进给速度20 30m min 转速高达100000r min 使用维护方便 适应机床工作环境 成本低 2 位置测量装置分类数字式测量模拟式测量 第三节数控机床的位置检测装置 数字式测量 被测的量以数字的形式来表示 测量信号为电脉冲 可以直接把它们送入数控装置进行比较 处理 特点 被测的量转换为脉冲个数 便于显示和处理 测量精度取决于测量单位 和量程基本无关 测量装置比较简单 脉冲信号抗干扰能力较强 模拟式测量 模拟式测量是将被测量用连续变量来表示 如电压变化 相位变化等 数控机床所用模拟式测量主要用于小量程的测量 如感应同步器的一个线距 2mm 内的信号相位变化等 第三节数控机床的位置检测装置 特点 直接测量被测的量 无需变换 在小量程内实现较高精度的测量 技术成熟 增量式测量绝对式测量增量式 只测量位移量 eg 测量单位为0 01mm每移动0 01mm发出一个脉冲信号 优点 装置简单 任何一个对中点都可作为测量的起点 在轮廓控制的数控机床上大都采用这种方式 缺点 在增量式检测系统中 移距是由测量信号计数读出 一旦计数有误 以后的测量结果则完全错误 如出某种事故 无法恢复 第三节数控机床的位置检测装置 绝对式 对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起 每一个被测点都有一个相应的测量值 特点 用编码器装置的结构较为复杂按安装位置不同分直接测量 将检测装置安装在执行部件上间接测量 将检测元件安装在滚珠丝杠或驱动电动机轴上 按测量对象不同分位移检测装置 脉冲编码器 光栅速度检测装置 测速发电机 直接测量 光栅 间接测量 第三节数控机床的位置检测装置 二 旋转变压器1 结构旋转变压器是一种角位移测量装置 由定子和转子组成 其工作原理与普通变压器基本相似 其中定子绕组作为变压器的一次侧 接受励磁电压 转子绕组作为变压器的二次侧 通过电磁耦合得到感应电压 只是其输出电压大小与转子位置有关 旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移 旋转变压器分为单极和多极形式 先分析一下单极工作情况 第三节数控机床的位置检测装置 2 原理 单极型旋转变压器的定子和转子各有一对磁极 假设加到定子绕组的励磁电压为 U1 Umsin t通过电磁耦合 转子产生感应电压 当转子绕组的磁轴自垂直位置转过一定角度时 转子绕组中产生的感应电压为U2 KU1sin KUmsin tsin 式中K 变压比 即定子 转子绕组匝数比 Um 励磁信号的幅值 励磁信号角频率 旋转变压器转角 当转子转过900 两磁轴平行 此时转子绕组中感应电压最大 即U2 KUmsin t 第三节数控机床的位置检测装置 图旋转变压器工作原理 第三节数控机床的位置检测装置 实际使用时通常采用多极形式 如正余弦旋转变压器 其定子和转子均由两个匝数相等 轴线相互垂直的绕组构成 如图所示 一个转子绕组接高阻抗作为补偿 另一个转子绕组作为输出 应用叠加原理 其磁通为转子输出电压则为 Vs Umsin t Vc Umcos t 定子 转子 第三节数控机床的位置检测装置 3 应用旋转变压器作为位置检测装置 有两种典型工作方式 鉴相式和鉴幅式 鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量 鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量 1 鉴相工作方式给定子两绕组分别通以幅值相同 频率相同 相位差900的交流励磁电压 即这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感应电压 第三节数控机床的位置检测装置 根据线性叠加原理 转子中的感应电压应为这两个电压的代数和 由上式可知 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 这样 只要检测出转子输出电压的相位角 就可知道转子的转角 由于旋转变压器的转子和被测轴连接在一起 所以 被测轴的角位移就知道了 第三节数控机床的位置检测装置 2 鉴幅工作方式给定子的两个绕组分别通以频率相同 相位相同 幅值分别按正弦和余弦变化的交流激磁电压 即式中 电 激磁绕组中的电气角 则转子上的叠加电压为 第三节数控机床的位置检测装置 三 脉冲编码器光电编码器是一种回转式数字测量元件 通常装在被检测轴上 随被测轴一起转动 可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式 一 增量式脉冲编码器增量式脉冲编码器分光电式 接触式和电磁感应式三种 就精度和可靠性来讲 光电式脉冲编码器优于其它两种 它的型号是用脉冲数 转 p r 来区分 数控机床常用2000 2500 3000p r等 现在已有每转发10万个脉冲的脉冲编码器 脉冲编码器除用于角度检测外 还可以用于速度检测 第三节数控机床的位置检测装置 光电式脉冲编码器通常与电机做在一起 或者安装在电机非轴伸端 电动机可直接与滚珠丝杠相连 或通过减速比为i的减速齿轮 然后与滚珠丝杠相连 那么每个脉冲对应机床工作台移动的距离可用下式计算 式中 脉冲当量 mm 脉冲 S 滚珠丝杠的导程 mm i 减速齿轮的减速比 M 脉冲编码器每转的脉冲数 p r 第三节数控机床的位置检测装置 转轴 码盘及狭缝 光敏元件 批示光栅及辨向用的A B狭缝 光源 零位标志 AB C 第三节数控机床的位置检测装置 光电式脉冲编码器结构示意图 第三节数控机床的位置检测装置 光电编码器的指示光栅上有A组与B组两组狭缝 彼此错开1 4节距 两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号A B彼此相差90 相位 用于辩向 A B两相的作用 根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移 根据脉冲的频率可得被测轴的转速 根据A B两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向 后续电路可利用A B两相的90 相位差进行细分处理 四倍频电路实现 第三节数控机床的位置检测装置 第三节数控机床的位置检测装置 码盘里圈 还有一根狭缝C 每转能产生一个脉冲 该脉冲信号又称 一转信号 或零标志脉冲 作为测量的起始基准 C相的作用 被测轴的周向定位基准信号 被测轴的旋转圈数记数信号 第三节数控机床的位置检测装置 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 第三节数控机床的位置检测装置 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 A1 C 第三节数控机床的位置检测装置 四 光栅结构光栅的分类 物理光栅和计量光栅光栅的运动方式 长光栅和圆光栅光线的走向 透射光栅和反射光栅直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用 其中长的称为标尺光栅或长光栅 一般固定在机床移动部件上 要求与行程等长 短的为指示光栅或短光栅 装在机床固定部件上 两光栅尺是刻有均匀密集线纹的透明玻璃片 线纹密度为25 50 100 250条 mm等 线纹之间距离相等该间距称为栅距 测量时它们相互平行放置 并保持0 05 0 1mm的间隙 第三节数控机床的位置检测装置 2 透射光栅的结构 第三节数控机床的位置检测装置 光栅传感器是由光源 透镜 主光栅 指示光栅和光电接收元件组成 第三节数控机床的位置检测装置 3 工作原理当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一小角度放置时 两光栅尺上线纹互相交叉 在光源的照射下 交叉点附近的小区域内黑线重叠 形成黑色条纹其它部分为明亮条纹 这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹 莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列 莫尔条纹的特性 1 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 则 第三节数控机床的位置检测装置 标尺光栅 W P P W 第三节数控机床的位置检测装置 2 均化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 3 莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例当光栅尺移动一个栅距P时 莫尔条纹也刚好移动了一个条纹宽度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 第三节数控机床的位置检测装置 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 莫尔条纹移动方向与光栅移动方向及光栅夹角的关系 第三节数控机床的位置检测装置 4 光栅的应用当光栅移动一个栅距 莫尔条纹便移动一个条纹宽度 假定开辟一个小窗口来观察莫尔条纹的变化情况就会发现它在移动一个栅距期间明暗变化了一个周期 理论上光栅亮度变化是一个三角波形 但由于漏光和不能达到最大亮度 被削顶削底后而近似一个正弦波 见下图a 硅光电池将近似正弦波的光强信号变为同频率的电压信号 图b 经光栅位移 数字变换电路放大 整形 微分输出脉冲 每产生一个脉冲 就代表移动了一个栅距那么大的位移 通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离 第三节数控机床的位置检测装置 亮度电压 图a光栅的实际亮度变化图b光栅的输出波形图 光栅位移O光栅位移 第三节数控机床的位置检测装置 信号转变过程 第三节数控机床的位置检测装置 采用一个光电元件即只开一个窗口观察 只能计数 却无法判断移动方向 因为无论莫尔条纹上移或下移从一固定位置看其明暗变化是相同的 为了确定运动方向 至少要放置两个光电元件 两者相距1 4莫尔条纹宽度 当光栅移动时 莫尔条纹通过两个光电元件的时间不同 所以两个光电元件所获得的电信号虽然波形相同 但相位相差90o 根据两光电元件输出信号的超前和滞后 可以确定标尺光栅移动方向 第三节数控机床的位置检测装置 通常采用倍频或细分的方法来提高光栅的分辨精度 P1 P2 P3 P4是四块硅光电池 产生的信号相位彼此相差90o P1 P3信号是相位差180o的两个信号 接差动放大器放大 得正弦信号 同理 P2 P4信号送另一个差动放大器 得到余弦信号 正弦和余弦信号经整形变成方波A和B 为使每隔1 4节距都有脉冲 把A B各自反向一次得C D信号 A B C D信号再经微分变成窄脉冲A B C D 即在正走或反走时每个方波的上升沿产生窄脉冲 由与门电路把0o 90o 180o 270o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或反向脉冲 正向运动时 用与门Y1 Y4及或门H1 得到A B AD C D B C的四个输出脉冲 第三节数控机床的位置检测装置 反向运动时 用与门Y5 Y8及或门H2 得到BC CD A D AB 的四个输出脉冲 Y6 微分 微分 微分 整形 P1 P2 P4 P3 差动放大器 差动放大器 整形 反相 反相 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y7 Y8 微分 B A D C 第三节数控机床的位置检测装置 四倍频辩向电路sincosABCDA B C D 正向相加A B AD C D B C反向相加BC CD A D AB 第三节数控机床的位置检测装置 若光栅栅距0 01mm 则工作台每移动0 0025mm 就会送出一个脉冲 即分辨率为0 0025mm 由此可见 光栅检测系统的分辨力不仅取决于光栅尺的栅距 还取决于鉴向倍频的倍数 除四倍频以外 还有十倍频 二十倍频等 五 磁栅磁栅是一种利用电磁特性和录磁原理对位移进行检测的装置 它一般分为磁性标尺 拾磁磁头以及检测电路三部分 在磁性标尺上 有用录磁磁头录制的具有一定波长的方波或正弦波信号 检测时 拾磁磁头读取磁性标尺上的方波或正弦波电磁信号 并将其转化为电信号 根据此电信号 实现对位移的检测 磁栅按其结构特点可分为直线式和角位移式 分别用于长度和角度的检测 磁栅具有精度高 复制简单以及安装调整方便等优点 而且在油污 灰尘较多的工作环境使用时 仍具有较高的稳定性 磁栅作为检测 元件可用在数控机床和其他测量机上 一 磁性标尺和拾磁磁头1 磁性标尺一般由非导磁材磁性标尺 简称磁尺 可分为两部分即磁性标尺基体和磁性膜 磁性标尺的基体料 如玻璃 铜 铝或其他合金材料 制成 磁性膜是化学涂敷 化学沉积或电镀在磁性标尺基体上的一层厚的磁性材料 该磁性材料均匀分布在磁性标尺的基体上 且成膜状 故称磁性膜 磁性膜上有用录磁方法录制的波长为的磁波 对于长磁性标尺来说 其磁性膜上的磁波波长一般取0 005 0 01 0 20 1mm等几种 对于圆磁性标尺 为了等分圆周 录制的磁波波长不一定是整数值 在实际应用中 为防止磁头对磁性膜的磨损 一般在磁性膜上均匀地涂上一层厚的耐磨塑料保护层 以提高磁性标尺的寿命 按磁性标尺基体的形状 磁栅可分为实体式磁栅 带状磁栅 线状磁栅和回转形磁栅 前三种磁栅用于直线位移测量 后一种用于角位移测量 2 拾磁磁头拾磁磁头是进行磁电转换的器件 它将磁性标尺上的磁信号检测出来 并转换成电信号 磁栅的拾磁磁头与一般录音机上使用的单间隙速度响应式磁头不同 它不仅能在磁头与磁性标尺之间有一定相对速度时拾取信号 这种磁头叫做磁通响应式磁头 如图 二 磁栅的工作原理在实际应用时 为了提高拾磁绕组中感应电势的幅值 常将空间上相距的几个磁头的线圈串联起来 作为一组拾磁磁头 磁栅作为测量元件 根据对磁头上拾磁绕组中感应电势的不同处理方法 可做成鉴相式工作状态和振幅式工作状态两种 无论哪一种工作状态 为了辨别移动方向 都必须设置两个或两组间距为 n 1 4 的拾磁磁头 如图所示 n是任意整数 1 鉴相工作方式两组磁头A和B的激磁绕组分别通以同频率 同相位 同幅值的激磁电流 取磁尺上的某N点为起点 若A磁头离开起点的距离为x 则A和B磁头上拾磁绕组输出的感应电势二次谐波为 式中I0 激磁电流幅值 E0 磁头输出的感应电势二次谐波幅值 激磁电流频率的二倍值 把A磁头输出的感应电势eA中的E0sin t移相 2则得到e A将e A和eB相加 于是有 通过鉴别e和E0sin t之间的相位差 2 x 便可检测出磁头相对于磁尺的位移x 鉴别e和E0sin t之间的相位差 与鉴相式旋转变压器及鉴相式感应同步器的原理和方法一致 它们的信号处理和应用方式也一样 一 直流电机种类 常用的直流电动机有 永磁式直流电机 有槽 无槽 杯型 印刷绕组 励磁式直流电机混合式直流电机无刷直流电机直流力矩电机直流进给伺服系统 永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直流电机 普通型 直流主轴伺服系统 励磁式直流电机类型中的他激直流电机 第四节直流电动机伺服系统 永磁直流电动机定子大多为新型稀土永磁材料 按电枢惯量分 小惯量和大惯量电动机两大类 瓦状永磁材料 定子 电枢 转子 极靴 机壳 1 直流伺服电机的结构 二 一般直流电机的工作特性 静态特性电磁转矩由下式表示 KT 转矩常数 磁场磁通 Ia 电枢电流 TM 电磁转矩 电枢回路的电压平衡方程式为 Ua 电枢上的外加电压 Ra 电枢电阻 Ea 电枢反电势 2一般直流电机的工作特性 电枢反电势与转速之间有以下关系 Ke 电势常数 电机转速 角速度 根据以上各式可以求得 当负载转矩为零时 理想空载转速当转速为零时 启动转矩 当电机带动某一负载TL时电机转速与理想空载转速的差 2一般直流电机的工作特性 图直流电机的机械特性 动态特性直流电机的动态力矩平衡方程式为式中TM 电机电磁转矩 TL 折算到电机轴上的负载转矩 电机转子角速度 J 电机转子上总转动惯量 t 时间自变量 2一般直流电机的工作特性 小惯量电机措施是从结构上减小其转子的转动惯量 大惯量电机措施是从结构上提高启动转矩 三 永磁式直流伺服电机 1 永磁直流伺服电机的性能特点1 低转速大惯量2 转矩大3 起动力矩大4 调速泛围大 低速运行平稳 力矩波动小 2 永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述1 转矩 速度特性曲线 工作曲线 2 负载 工作周期曲线过载倍数Tmd 负载工作周期比d 3 数据表 N T 时间常数 转动惯量等等 d 80110 120 60130 140 40160 d180 20200 013tR6103060100tR min 图b负载 工作周期曲线 M N cm 转矩极限1200010000瞬时换向极限8000 6000 换向极限速度极限4000温度极限2000 050010001500n图a永磁直流伺服电机工作曲线 区为连续工作区 区为断续工作区 由负载 工作周期曲线决定工作时间 区为瞬时加减速区 四 直流伺服电机的调速原理根据机械特性公式可知调速有二种方法 电枢电压Ua和气隙磁通 改变电枢外加电压Ua 由于绕组绝缘耐压的限制 调压只能在额定转速以下进行 属于恒转矩调速 改变气隙磁通量 改激磁电流即可改 在Ua恒定情况下 磁场接近饱和 故只能弱磁调速 在额定转速以上进行 属于恒功率调速 直流速度控制单元调速控方式 晶闸管 可控硅 调速系统 晶体管脉宽调制 PWM 调速系统可控硅又称晶闸管 改变触发角即可控制可控硅的导通时间 为了扩大调速范围 常采用双环调节 脉宽调制是利用脉宽调制器对大功率晶体管放大器的开关时间进行控制将直流电转换为某一频率的矩形波电压 加到电机的电枢两端 对矩形波脉冲宽度的改变 就改变了电枢两端的平均电压 达到调节速度的目的 1 晶闸管调速系统包括控制回路 速度环 电流环 触发脉冲发生器主回路 可控硅整流放大器等 速度环 速度调节 PI 作用 好的静态 动态特性 电流环 电流调节 P或PI 作用 加快响应 启动 低频稳定等触发脉冲发生器 产生移相脉冲 使可控硅触发角前移或后移 可控硅整流放大器 整流 放大 驱动 使电机转动 组成 由大功率晶闸管构成的三相全控桥式 三相全波 反并接可逆电路 分成二大部分 和 每部分内按三相桥式连接 二组反并接 分别实现正转和反转 原理 三相整流器 由二个半波整流电路组成 每部分内又分成共阴极组 1 3 5 和共阳极组 2 4 6 为构成回路 这二组中必须各有一个可控硅同时导通 1 3 5在正半周导通 2 4 6在负半周导通 每组内 即二相间 触发脉冲相位相差120 每相内二个触发脉冲相差180 按管号排列 触发脉冲的顺序 1 2 3 4 5 6 相邻之间相位差60 为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通 或已截止的相再次导通 采用双脉冲控制 既每个触发脉冲在导通60 后 在补发一个辅助脉冲 也可以采用宽脉冲控制 宽度大于60 小于120 原理 e 只要改变可控硅触发角 即改变导通角 就能改变可控硅的整流输出电压 从而改变直流伺服电机的转速 触发脉冲提前来 增大整流输出电压 触发脉冲延后来 减小整流输出电压 主回路波形图 3 控制回路分析 触发脉冲产生的过程 改变触发角 即改变控制角 窄脉冲 即移相触发脉冲 可控硅导通时间 可调速 没反馈是开环 特性软 1 同步电路2 移向控制电路3 脉冲分配器 电流调节器 同上 加快电流的反应 触发脉冲发生器 正弦波同步锯齿波触发电路 与F直流信号叠加 速度调节器 比例积分PI 高放大 相当C短路 缓放大 增放大 稳定 相当C开路 无静差 运算放大器的类型 反向比例放大器 反向比例加法运算放大器 同向比例放大器 积分运算放大器 比例积分运算放大器 比较器 R3 R3 二个输入端的内阻非常大 不向运放内流电流 放大倍数非常大 同相端接地 电位为0 为实地 方反向端电为也为0 虚地 U2 U1 R3 R2 2 脉宽调制 PWM 调速系统 U usr usf 整流 功放 主回路 大功率晶体管开关放大器 功率整流器 控制回路 速度调节器 电流调节器 固定频率振荡器及三角波发生器 脉宽调制器和基极驱动电路 区别 与晶闸管调速系统比较 速度调节器和电流调节器原理一样 不同的是脉宽调制器和功率放大器 直流脉宽调制 功率放大器中的大功率晶体管工作在开关状态下 开关频率保持恒定 用调整开关周期内晶体管导通时间 即改变基极调制脉冲宽度 的方法来改变输出 从而使电机获得脉宽受调制脉冲控制的电压脉冲 由于频率高及电感的作用则为波动很小的直流电压 平均电压 脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化 直流脉宽调调制的基本原理 周期不变 周期不变 脉宽 脉宽 脉宽 脉宽 平均直流电压 脉冲宽度正比代表速度F值的直流电压 U t 2 脉宽调制器 t 同向加法放大器电路图USr 速度指令转化过来的直流电压U 三角波USC 脉宽调制器的输出 USr U 调制波形图 USr为0时 调制出正负脉宽一样方波平均电压为0 USr为正时 USr为负时 调制出脉宽较宽的波形平均电压为正 调制出脉宽较窄的波形平均电压为负 3 开关功率放大器 主回路 可逆H型双极式PWM开关功率放大器 电路图 由四个大功率晶体管 GTR T1 T2 T3 T4及四个续流二极管组成的桥式电路 H型 又分为双极式 单极式和受限单极式三种 Ub1 Ub2 Ub3Ub4 为调制器输出 经脉冲分配 基极驱动转换过来的脉冲电压 分别加到T1 T2 T3 T4的基极 t 工作原理 T1和T4同时导通和关断 其基极驱动电压Ub1 Ub4 T2和T3同时导通和关断 基极驱动电压Ub2 Ub3 Ub1 以正脉冲较宽为例 既正转时 负载较重时 起动状态 当0 t t1时 Ub1 Ub4为正 T1和T4导通 Ub2 Ub3为负 T2和T3截止 电机端电压UAB US 电枢电流id id1 由US T1 T4 地 续流维持电动状态 在t1 t T时 Ub1 Ub4为负 T1和T4截止 Ub2 Ub3变正 但T2和T3并不能立即导通 因为在电枢电感储能的作用下 电枢电流id id2 由D2 D3续流 在D2 D3上的压降使T2 T3的c e极承受反压不能导通 UAB US 接着再变到起动状态 续流维持电动状态反复进行 如