第六章 数控机床的伺服系统

1、 伺服驱动系统伺服驱动系统（Servo System) CNC系统系统驱动电机驱动电机 检测装置检测装置 控制信号控制信号 反馈信号反馈信号 光栅尺光栅尺 一、数控机床伺服系统的定义一、数控机床伺服系统的定义 是一种以机械位置或角度作为控制对象是一种以机械位置或角度作为控制对象 的自动控制系统。的自动控制系统。 CNC装置是数控机床的装置是数控机床的“大脑大脑” ， “指挥机构指挥机构” 伺服系统是数控机床的伺服系统是数控机床的“四肢四肢” ， “执行机构执行机构”。 伺服驱动电路：把位移、速度信号转换和放大驱动电机伺服驱动电路：把位移、速度信号转换和放大驱动电机 检测装置：感应同步器、旋转变

2、压器、光栅、脉冲编码器等。检测装置：感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码器等。 驱动电机：步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机驱动电机：步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机 二、数控机床伺服系统的分类二、数控机床伺服系统的分类 1、按伺服系统控制方式分、按伺服系统控制方式分 开环系统开环系统 步进电机，无位置反馈，投资低，精度低步进电机，无位置反馈，投资低，精度低 闭环系统闭环系统 直接测量实际位移进行反馈，精度高直接测量实际位移进行反馈，精度高 半闭环系统半闭环系统 间接测量位移进行反馈，精度低于闭环间接测量位移进行反馈，精度低于闭环 2、按控制对象和使用目的不同分、按控制对象

3、和使用目的不同分 进给伺服系统进给伺服系统 控制各坐标轴的切削进给运动控制各坐标轴的切削进给运动 主轴驱动伺服系统主轴驱动伺服系统 控制主轴的旋转运动控制主轴的旋转运动 辅助伺服系统辅助伺服系统 控制刀库、料库等辅助系统的运动，多采控制刀库、料库等辅助系统的运动，多采 用简易的位置控制。用简易的位置控制。 二、数控机床伺服系统的分类二、数控机床伺服系统的分类 3、按反馈比较控制方式分、按反馈比较控制方式分 脉冲比较伺服系统脉冲比较伺服系统 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 全数字伺服系统。全数字伺服系统。 4、按所用驱动元件的类型分、按所用驱动元件的类型分 步

4、进电动机驱动系统步进电动机驱动系统 直流伺服驱动系统直流伺服驱动系统 交流伺服驱动系统交流伺服驱动系统 电动机驱动系统电动机驱动系统 伺服系统（伺服系统（Servo System) CNC系统系统驱动电机驱动电机 检测装置检测装置 控制信号控制信号 反馈信号反馈信号 光栅尺光栅尺 开环步进伺服系统开环步进伺服系统 步进电动机主要用于开步进电动机主要用于开 环位置控制系统。它由步进环位置控制系统。它由步进 电动机驱动电源和步进电动电动机驱动电源和步进电动 机组成，没有反馈环节。机组成，没有反馈环节。 这种系统较简单，控制这种系统较简单，控制 较容易，维修也较方便，而较容易，维修也较方便，而 且为

5、全数字化控制。且为全数字化控制。 由于开环系统精度不高，且步进电动机的功率和速度由于开环系统精度不高，且步进电动机的功率和速度 不高，因此步进电动机驱动系统仅用于小容量、加工速度不高，因此步进电动机驱动系统仅用于小容量、加工速度 低、脉冲当量和精度不太高的场合，如经济型数控机床和低、脉冲当量和精度不太高的场合，如经济型数控机床和 电加工机床、计算机的打印机、绘图仪等设备。电加工机床、计算机的打印机、绘图仪等设备。 一、步进电动机一、步进电动机 1. 步进电动机的分类步进电动机的分类 (1) 按运动方式分：旋转式、直线运动式、平面运动式。按运动方式分：旋转式、直线运动式、平面运动式。 (2) 按

6、工作原理分：反应式按工作原理分：反应式(磁阻式磁阻式)、永磁式、永磁感应子式、永磁式、永磁感应子式( 混合式混合式)。 (3) 按结构分：单段式按结构分：单段式(径向式径向式)、多段式、多段式(轴向式轴向式)，印刷绕组式，印刷绕组式 (4) 按相数分：三相、四相、五相、六相和八相等。按相数分：三相、四相、五相、六相和八相等。 (5) 按使用频率分：高频步进电动机和低频步进电动机。按使用频率分：高频步进电动机和低频步进电动机。 2. 步进电动机的控制原理步进电动机的控制原理 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线 位移的控制电动机。位

7、移的控制电动机。 位移量的控制位移量的控制 向步进电动机送一个控制脉冲，其转轴就转向步进电动机送一个控制脉冲，其转轴就转 过一个角度或移动一个直线位移，称为一步；脉冲数增加，角过一个角度或移动一个直线位移，称为一步；脉冲数增加，角 位移位移(或线位移或线位移)随之增加，即脉冲数决定位移量。随之增加，即脉冲数决定位移量。 进给速度的控制进给速度的控制 脉冲频率高，则步进电动机的旋转速度就脉冲频率高，则步进电动机的旋转速度就 高，反之则低，即脉冲频率决定进给速度。高，反之则低，即脉冲频率决定进给速度。 运动方向的控制运动方向的控制 改变分配脉冲的相序，实现步进电动机的改变分配脉冲的相序，实现步进电

8、动机的 正、反转，从而改变运动方向。正、反转，从而改变运动方向。 与一般交流和直流电动机所不同的是，步进电动机定子与一般交流和直流电动机所不同的是，步进电动机定子 绕组所加的电源形式为脉冲电压，而不是正弦电压或者恒绕组所加的电源形式为脉冲电压，而不是正弦电压或者恒 定直流电压。定直流电压。 3. 反应式步进电动机反应式步进电动机 极与极之间的夹角为极与极之间的夹角为60，每个定子磁极上均匀分布了五，每个定子磁极上均匀分布了五 个齿，齿槽距相等，齿距角为个齿，齿槽距相等，齿距角为9。转子铁心上无绕组，只有均。转子铁心上无绕组，只有均 匀分布的匀分布的40个齿，齿槽距相等，齿距角为个齿，齿槽距相等

9、，齿距角为360/409。 绕组绕组 定子铁心定子铁心 转子铁心转子铁心 （1）反应式步进电动机的结构）反应式步进电动机的结构 单段式三相单段式三相 反应式步进电动反应式步进电动 机的结构：机的结构： 定子铁心上定子铁心上 有六个均匀分布有六个均匀分布 的磁极，沿直径的磁极，沿直径 相对两个极上的相对两个极上的 线圈串联，构成线圈串联，构成 一相励磁绕组。一相励磁绕组。 （2）反应式步进电动机的工作原理）反应式步进电动机的工作原理 按电磁吸引的原理工作的。按电磁吸引的原理工作的。必须抓住两点： 磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩 各相定子齿

10、之间彼此错齿各相定子齿之间彼此错齿1/m齿距，齿距，m为相数为相数 几个概念的含义： “拍”定子相绕组每改变一次 通电状态，称为“一拍”。 “单”指只有一相绕组通电。 “双”指有两相绕组同时通电。 A A B B C C 定子 转子 绕组 第一拍：第一拍：A相励磁绕组通电，相励磁绕组通电，B、C相励磁绕组断电。相励磁绕组断电。A相定子磁极的电磁相定子磁极的电磁 力要使相邻转子齿与其对齐力要使相邻转子齿与其对齐(使磁阻最小使磁阻最小)，B相和相和C相定、转子错齿分别为相定、转子错齿分别为 1/3齿距齿距(3)和和2/3齿距齿距(6)。 第二拍：第二拍：B相绕组通电，相绕组通电，A、C相绕组断电。

11、电磁反应力矩使转子顺时针方相绕组断电。电磁反应力矩使转子顺时针方 向转动向转动3，与，与B相的定子齿对齐，此时相的定子齿对齐，此时A、C相的定、转子齿互相错开。相的定、转子齿互相错开。 第三拍：第三拍：C相绕组通电，相绕组通电，A、B相绕组断电。电磁反应力距又使转子顺时针相绕组断电。电磁反应力距又使转子顺时针 方向转动了方向转动了3，与，与C相定子齿对齐，同时相定子齿对齐，同时A相、相、B相定、转子齿错开相定、转子齿错开 重复通电顺序，重复通电顺序，A B C A 单三拍步进电动机的反转单三拍步进电动机的反转 若定子绕组通电顺序为若定子绕组通电顺序为A C B A ，则电动，则电动 机转子就逆

12、时针方向旋转起来，其步距角仍为机转子就逆时针方向旋转起来，其步距角仍为3。 单三拍步进电动机的步距角单三拍步进电动机的步距角 重复单三拍的通电顺序，重复单三拍的通电顺序，A B C A ，步进电，步进电 机就顺时针方向旋转起来，对应每个指令脉冲，转子转动一机就顺时针方向旋转起来，对应每个指令脉冲，转子转动一 固定角度固定角度3(步距角步距角) 。 单三拍通电控制方式的缺点单三拍通电控制方式的缺点 由于每拍只有一相绕组通电，在切换瞬间可能失去自锁由于每拍只有一相绕组通电，在切换瞬间可能失去自锁 力矩，容易失步。而且，只有一相绕组通电吸引转子，易在力矩，容易失步。而且，只有一相绕组通电吸引转子，易

13、在 平衡位置附近产生振荡。因此，单三拍通电控制方式，工作平衡位置附近产生振荡。因此，单三拍通电控制方式，工作 稳定性差，一般较少采用。稳定性差，一般较少采用。 若定子绕组的通电顺序为若定子绕组的通电顺序为 AB BC CA AB ， 则步进电动机的转子就逆则步进电动机的转子就逆 时针方向转动。时针方向转动。 双三拍工作方式双三拍工作方式 采用双三拍通电控制方式，能克服单三拍工作的缺点。采用双三拍通电控制方式，能克服单三拍工作的缺点。 若定子绕组的通电顺序为若定子绕组的通电顺序为 AB BC CA AB ，则步进电动机的转子就顺时针方向转动，从一个磁场，则步进电动机的转子就顺时针方向转动，从一个

14、磁场 最强处走到了另一个磁场最强处，故其步距角仍为最强处走到了另一个磁场最强处，故其步距角仍为3。 若通电顺序为：若通电顺序为：A AC C BC B AB A 则步进电动机的转子就逆时针方向运动，步距角仍为则步进电动机的转子就逆时针方向运动，步距角仍为 1.5。 三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半；三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半； 在切换时，保持一相绕组通电，工作稳定，比双三拍增大了在切换时，保持一相绕组通电，工作稳定，比双三拍增大了 稳定区。所以三相步进电动机常采用这种控制方式。稳定区。所以三相步进电动机常采用这种控制方式。 三相六拍工作方式三相六拍工作方式 通

15、电顺序：通电顺序：A AB B BC C CA A 每切换一次，步进电动机就顺时针方向转动每切换一次，步进电动机就顺时针方向转动1.5，步距，步距 角减小一半。原因是：当由角减小一半。原因是：当由A相切换到相切换到AB相通电时，相通电时，A相定相定 子磁极力图不让转子转动，而保持与其定子齿对齐，而子磁极力图不让转子转动，而保持与其定子齿对齐，而B相相 定子磁极的电磁反应力矩也力图使其顺时针转动定子磁极的电磁反应力矩也力图使其顺时针转动3，与，与B相相 定子齿对齐，此时，转子齿与定子齿对齐，此时，转子齿与A相、相、B相定子齿均未对齐，相定子齿均未对齐， 此位置是此位置是A相、相、B相定子合成磁场

16、的最强方向，即转子顺时相定子合成磁场的最强方向，即转子顺时 针方向转动针方向转动1.5。 步进电动机步进电动机 步进电动机步进电动机 步进电动机步进电动机 二、反应式步进电动机主要性能指标及选择二、反应式步进电动机主要性能指标及选择 1.步距角步距角 步进电动机每步的转角称为步距角，计算公式： 式中 m步进电动机相数 Z转子齿数 K控制方式系数， K=拍数p/相数m 厂家对于每种步进电动机给出两种步距角，彼此相差一 倍。大步距角系指控制供电拍数与相数相等时的步距角；小 步距角系指供电拍数是相数两倍时的步距角。 360 Z m K () 步距角的选择：步距角的选择： 根据总体方案要求，综合考虑，

17、通过下式进行： 式中 脉冲当量 S丝杠螺距(mm) 步距角 i 电动机与丝杠间的齿轮传动减速比 如果步进电动机的步距角和丝杠螺距S(基本导程)不能 满足脉冲当量的要求时，应在步进电动机与丝杠之间加入齿 轮传动，用减速比来满足的要求。 (mm/脉冲) i S 360 2. 最大静转距最大静转距 Tjmax (Nm) 静态：静态：当步进电动机不改变通电状态时，转子处在不动状态。 静态转距：静态转距：如果在电动机轴上外加一个负载转距，使转子 转过一个角度e，这时转子受的电磁转距T。 矩角特性：矩角特性：描述静态时电磁转距T与e之间的关系曲线。 在静态稳定区内，当外加转距去除时，转子在电磁转距作用下，

18、仍在静态稳定区内，当外加转距去除时，转子在电磁转距作用下，仍 能回到稳定平衡点位置能回到稳定平衡点位置(e0)。 /20- -/2 静稳定区 不稳定平衡点 稳定平衡 点 不稳定平衡点 T e Tjmax 最大静转距最大静转距 Tjmax 的选择的选择 负载转矩负载转矩 F 切削力（切削力（N） w工作台及工件重量工作台及工件重量 （kg） m摩擦系数摩擦系数 h效率效率 i 减速比减速比 TF 应满足应满足 TF =（0.20.4） Tjmax 3 ()10 2 F Fw s T i m h 起动频率起动频率fq 的选择的选择 先计算电机轴上的等效负载转动惯量：先计算电机轴上的等效负载转动惯量

19、： 式中式中 J1、J2齿轮的转动惯量齿轮的转动惯量(Nms2)；J3丝杠的转动惯量丝杠的转动惯量 d d 脉冲当量脉冲当量(mm脉冲脉冲)。 然后进行负载启动频率然后进行负载启动频率fqF 的估算；的估算； 式中式中 fq空载启动频率空载启动频率(Hz)，T由矩频特性决定的力矩由矩频特性决定的力矩(Nm) J电机转子转动惯量电机转子转动惯量(Nms2)。 依照机床要求的启动频率依照机床要求的启动频率fqF ，可选择，可选择fq 3. 空载起动频率空载起动频率fq （步（步/s） 空载时步进电动机由静止突然起动，进入不丢步的正常运行的最高频率。空载时步进电动机由静止突然起动，进入不丢步的正常运

20、行的最高频率。 是衡量步进电动机快速性能的重要技术数据。是衡量步进电动机快速性能的重要技术数据。 起动频率要比连续运行频率低得多，这是因为步进电动机起动时，既要起动频率要比连续运行频率低得多，这是因为步进电动机起动时，既要 克服负载力矩，又要克服运转部分的惯性矩，电动机的负担比连续运转时重克服负载力矩，又要克服运转部分的惯性矩，电动机的负担比连续运转时重 。步进电动机带负载的起动频率比空载的起动频率要低。步进电动机带负载的起动频率比空载的起动频率要低。 4. 起动矩频特性起动矩频特性 描述步进电动机起动频率与负载力矩的关系曲线。描述步进电动机起动频率与负载力矩的关系曲线。 当步进电动机带着一定

21、的负载转距起动时，作用在电当步进电动机带着一定的负载转距起动时，作用在电 动机轴上的加速转矩为电磁转矩与负载转矩之差。负载转动机轴上的加速转矩为电磁转矩与负载转矩之差。负载转 矩越大，加速转矩就越小，电动机就不易转起来。因此，矩越大，加速转矩就越小，电动机就不易转起来。因此， 其起动频率随着负载的增加而下降。其起动频率随着负载的增加而下降。 T f 5. 空载运行频率空载运行频率fmax （步（步/s） 步进电动机在空载起动后，能不丢步连续运行的最高脉步进电动机在空载起动后，能不丢步连续运行的最高脉 冲重复频率称做空载运行频率冲重复频率称做空载运行频率fmax。它也是步进电动机的重要。它也是步

22、进电动机的重要 性能指标，对于提高生产率和系统的快速性具有重要意义。性能指标，对于提高生产率和系统的快速性具有重要意义。 fmax 应能满足机床工作台最高运行速度。应能满足机床工作台最高运行速度。 6. 运行矩频特性运行矩频特性 运行矩频特性运行矩频特性Tf(F)是描述步是描述步 进进 电动机连续稳定运行时，输出转电动机连续稳定运行时，输出转 矩矩T与连续运行频率之间的关系。它与连续运行频率之间的关系。它 是衡量步进电动机运转时承载能力是衡量步进电动机运转时承载能力 的动态性能指标。的动态性能指标。 T f 三、步进电动机驱动电源三、步进电动机驱动电源 1. 作用作用 发出一定功率的电脉冲信号

23、，使定子励发出一定功率的电脉冲信号，使定子励 磁绕组顺序通电。磁绕组顺序通电。 2. 基本要求基本要求 （1）电源的基本参数与电动机相适应；）电源的基本参数与电动机相适应； （2）满足步进电动机起动频率和运行频率）满足步进电动机起动频率和运行频率 的要求；的要求； （3）抗干扰能力强，工作可靠；）抗干扰能力强，工作可靠； （4）成本低，效率高，安装维修方便。）成本低，效率高，安装维修方便。 3. 组成组成 由环形分配器和功率放大器组成。 （1） 环形分配器环形分配器 主要功能是将CNC装置的插补脉冲， 按步进电动机所要求的规律分配给步进电动机驱动电源的各 相输入端，以控制励磁绕组的导通或关断。

24、同时由于电动机 有正反转要求，所以环形分配器的输出是周期性的，又是可 逆的。 硬件环形分配器硬件环形分配器 根据步进电机的相数和控制方式设计的 真值表或逻辑关系式，采用逻辑门电路和触发器来实现。一 般由与非门和JK触发器组成。常用的是专用集成芯片或通 用可编程逻辑器件组成的环形分配器。 软件环形分配器软件环形分配器 按步进电动机的要求编制不同的软环分 程序，存入EPROM中。 例：专用集成芯片例：专用集成芯片CH250 两坐标步进电机伺服进给系统两坐标步进电机伺服进给系统 x向和向和Z向步进电机的三相定子绕组分别为向步进电机的三相定子绕组分别为A、B、C 相和相和abc相，分别经各自的放大器、

25、光电耦合器与计算机相，分别经各自的放大器、光电耦合器与计算机 的的PIO(并行输入输出接口并行输入输出接口)的的PA0一一PA5相连。相连。 （2）功率驱动器（）功率驱动器（功率放大电路） 将环形分配器输出的脉冲信号放大，以将环形分配器输出的脉冲信号放大，以 用足够的功率来驱动步进电动机。用足够的功率来驱动步进电动机。 最早的功率驱动器采用单电压驱动电路，最早的功率驱动器采用单电压驱动电路， 后来出现了双电压后来出现了双电压(高电压高电压)驱动电路、斩波驱动电路、斩波 电路、调频调压和细分电路等。电路、调频调压和细分电路等。 高低压驱动电路高低压驱动电路 其特点是供给步进电机绕组有两种电压：一

26、种是高电 压U1，由电机参数和晶体管特性决定，一般在80v至更 高范围，另一种是低电压U2，即步进电机绕组额定电 压，一般为几伏，不超过20v。 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，则自动切换到低压U2。 该电路的优点是在较宽的 频率范围有较大的平均电流 ，能产生较大且稳定的平均 转矩，其缺点是电流波顶有 凹陷，电路较复杂。 斩波驱动电路斩波驱动电路 可以克服高低压驱动电路的波顶的凹陷造成高频输出转矩的可以克服高低压驱动电路的波顶的凹陷造成高频输出转矩的 下降，使励磁绕组中的电流维持在额定值附近。下降，使励磁绕组中的电流维持在额定值附近。

27、工作原理：工作原理：环形分配器输出的正脉冲将环形分配器输出的正脉冲将VT1、VT2导通，由于导通，由于U1电压较电压较 高，绕组回路又没串电阻，所以绕组电流迅速上升，当绕组电流上升到高，绕组回路又没串电阻，所以绕组电流迅速上升，当绕组电流上升到 额定值以上的某一数值时，由于采样电阻额定值以上的某一数值时，由于采样电阻Re的反馈作用，经整形、放大的反馈作用，经整形、放大 后送至后送至VT1的基极，使的基极，使VT1管截止。接着绕组由管截止。接着绕组由U2低压供电，绕组中的低压供电，绕组中的 电流立即下降，但刚降到额定电流立即下降，但刚降到额定 值以下时，由于采样电阻值以下时，由于采样电阻Re 的

28、反馈作用，使整形电路无信的反馈作用，使整形电路无信 号输出，此时高压前置放大电号输出，此时高压前置放大电 路又使路又使VT1导通，电流又上升导通，电流又上升 。如此反复进行，形成一个在。如此反复进行，形成一个在 额定电流值上下波动呈锯齿状额定电流值上下波动呈锯齿状 的绕组电流波形，近似恒流。的绕组电流波形，近似恒流。 6-2 数控机床的检测装置数控机床的检测装置 l性能指标性能指标 系统精度：是指在一定长度或转角内测量积累误差的最大值，如系统精度：是指在一定长度或转角内测量积累误差的最大值，如 0.0020.02mm/m，10/360等。等。 系统分辨率：是测量元件所能正确检测的最小位移量，如

29、目前直系统分辨率：是测量元件所能正确检测的最小位移量，如目前直 线位移的分辨率为线位移的分辨率为0.0010.01mm。角位移分辨率为。角位移分辨率为2。 检测装置是伺服系统的重要组成部分。检测装置是伺服系统的重要组成部分。 l作用作用 检测位置和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环检测位置和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环， 对驱动装置进行控制。对驱动装置进行控制。 l要求要求 工作可靠，抗干扰能力强工作可靠，抗干扰能力强 满足精度、分辨率、测量范围满足精度、分辨率、测量范围 使用维修方便、成本低使用维修方便、成本低 按检测信号分：数字式、模拟式按检测信号分：数字式、模拟式 按测量基准分

30、：增量式、绝对式按测量基准分：增量式、绝对式 按安装位置关系分：直接测量、间接测量按安装位置关系分：直接测量、间接测量 旋转变压器旋转变压器 感应同步器感应同步器 光栅光栅 编码器编码器 一、编码器一、编码器 一种旋转式的检测角位移的传感器。 将角位移用数字(脉冲)形式表示，故 又称脉冲编码器。广泛应用于NC机床的 位 位置检测，也常用它作为速度检测元件。 1、编码器分类、编码器分类 按码盘信号的读取方式可分为：光电式、接触式和电磁式 以光电式的精度和可靠性最好，NC机床常用光电式编码器 按测量坐标系又可分为：增量式和绝对式 按每转发出的脉冲数分为：高分辨率 20000-30000p/r 普通

31、分辨率 2000-3000p/r 2. 增量式光电脉冲编码器增量式光电脉冲编码器 （1）组成）组成 由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光敏元件 (光电管)、整形放大电路和数字显示装置等组成。 （2） 工作原理工作原理 光电盘按装在被测轴上，随主轴一起转动。光电盘转动光电盘按装在被测轴上，随主轴一起转动。光电盘转动 时，光电元件把通过光电盘和光栏板射过来的忽明忽暗的光时，光电元件把通过光电盘和光栏板射过来的忽明忽暗的光 信号信号(近似于正弦信号近似于正弦信号)转换为电信号，经整形、放大等电路转换为电信号，经整形、放大等电路 的变换后变成脉冲信号，通过计算脉冲的数目，即可测出工的变换后变成脉冲信号，

32、通过计算脉冲的数目，即可测出工 作轴的转角，并通过数显装置进行显示。通过测定计数脉冲作轴的转角，并通过数显装置进行显示。通过测定计数脉冲 的频率，即可测出工作轴的转速。的频率，即可测出工作轴的转速。 （3）脉冲编码器的辨向）脉冲编码器的辨向 光栏板上两条狭缝中的信号A和B(相位差90)，通过整 形，成为两相方波信号。根据先后顺序，即可判断光电盘的 正反转。若A相超前于B相，对应电动机正转；若B相超前A 相，对应电动机反转。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉 冲，可以形成代表正向位移和反向位移的脉冲序列。 A相相 B相相 90 A相相 B相相 90 A相相 B相相 90 A相相 B相相 90 （4

33、）提高光电脉冲编码器分辨率的方法）提高光电脉冲编码器分辨率的方法 提高光电盘圆周的等分狭缝的密度，实际上是使光电盘的 狭缝变成了圆光栅线纹。 增加光电盘的发信码道，使盘上不仅只有一圈透光狭缝， 而且有若干大小不等的同心圆环狭缝(称为码道)，光电盘 回转一周发出的脉冲信号数增多，使分辨率提高。 3. 绝对式光电脉冲编码器绝对式光电脉冲编码器 （1）结构）结构 绝对式脉冲编码器结构与增量式相似，就是绝对式脉冲编码器结构与增量式相似，就是 在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码，称为在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码，称为 绝对码盘。绝对式脉冲编码器是通过读取编码盘上的代码绝对码盘。

34、绝对式脉冲编码器是通过读取编码盘上的代码( 图案图案)来表示轴的位置。来表示轴的位置。 纯二进制码有一个纯二进制码有一个 缺点：相邻两个二进制缺点：相邻两个二进制 数可能有多位二进制码数可能有多位二进制码 不同，当数码切换时有不同，当数码切换时有 多个数位要进行切换，多个数位要进行切换， 增大了误读的机率。增大了误读的机率。 而而码则不同，相码则不同，相 邻两个二进制数码只有邻两个二进制数码只有 一个数位不同，因此两一个数位不同，因此两 数切换时只在一位进行，数切换时只在一位进行， 提高了读数的可靠性。提高了读数的可靠性。 （3）应用）应用 在实际应用过程中，用绝对脉冲编码器来检测轴的位置在实

35、际应用过程中，用绝对脉冲编码器来检测轴的位置 和速度时，当编码器旋转超过一周时，读出准确数值的解和速度时，当编码器旋转超过一周时，读出准确数值的解 决方法：决方法： 在旋转轴上安装多个码盘，其中一些盘是专门用来计量在旋转轴上安装多个码盘，其中一些盘是专门用来计量 所转过的圈数所转过的圈数N，而另一部分码盘是用来检测一圈以内的度，而另一部分码盘是用来检测一圈以内的度 数数。之后将两个码盘所检测的进行。之后将两个码盘所检测的进行(N360)的叠加。的叠加。 在软件设计时，设置一个专门的计数器，并规定码盘上在软件设计时，设置一个专门的计数器，并规定码盘上 的一个专门的代码为的一个专门的代码为“零零”

36、代码，当码盘转过代码，当码盘转过“零零”代码时，代码时， 计数器的值就被自动加一，这样也可以实现即测圈数又测计数器的值就被自动加一，这样也可以实现即测圈数又测 度数的目的。度数的目的。 有刷式：体积小，机械接触可靠性差，寿命短 三、感应三、感应器器 感应同步器的结构感应同步器的结构 由定子和转子组成，用于测量角位移由定子和转子组成，用于测量角位移 1-钢质基尺；2-耐切削液涂层；3-铜箔；4-粘接剂；5-铝箔（接地防静电） 直线感应同步器的结构直线感应同步器的结构 利用两个平面利用两个平面 形印刷绕组，其间形印刷绕组，其间 保持均匀气隙约为保持均匀气隙约为 (0.250.05)mm 作相对平行

37、移作相对平行移 动，根据交变磁场动，根据交变磁场 和互感原理而工作和互感原理而工作 的。的。 W 可以看出：滑尺在移动一个节距的 过程中，感应电势变化了一个周期。 若励磁电压uUmsint，那么在定 尺绕组产生的感应电势e为 ekUmcoscos t 在一个节距W内，位移位移x与与的关系的关系应为 鉴相方式、鉴幅方式鉴相方式、鉴幅方式 四、光栅四、光栅 光栅属于光学元件，是一种高精度的位移传感器。 1. 光栅的种类 透射光栅透射光栅 反射光栅反射光栅 物理物理光栅光栅 计量计量光栅光栅 圆光栅圆光栅 直线光栅直线光栅 主要介绍一下直线计量透射光栅。 光栅检测装置的结构光栅检测装置的结构 透射光

38、栅透射光栅 0 1 0,0 0,1 1,0 1,1 反射光栅反射光栅 光栅检测装置基本结构示意图光栅检测装置基本结构示意图 2. 2. 直线透射光栅直线透射光栅 （1 1）组成）组成 （2 2） 直线透射光栅的工作原理直线透射光栅的工作原理 由于挡光效应和光的衍射，在与线纹几乎垂直方向上， 会出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为“莫尔条 纹” 。 莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点 莫尔条纹纹距B 与光栅节距w和倾角之间的关系： 光栅横向移动一个节距w ，莫尔条纹正好沿刻线上下 移动一个节距B，用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可 以测量光栅的位移。 例：例：当 w = 0.01mm， = 0.0

39、1 red， 则 B = 1mm，将栅距放大100倍的莫尔条纹宽度。 由于很小，因此 2 2sin/ w B w B 放大作用放大作用 光栅尺横向莫尔条纹及其参数光栅尺横向莫尔条纹及其参数 2 2sin/ w B B 2B 均化误差作用均化误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，栅莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，栅 距之间的相邻误差被均化。短光栅的工作长度愈长距之间的相邻误差被均化。短光栅的工作长度愈长, 这一均化误差的作用愈显著。这一均化误差的作用愈显著。 根据莫尔条纹的移动根据莫尔条纹的移动与栅距移动的对应关系与栅距移动的对应关系 莫尔条纹的特点（续）：莫尔条纹的特点（续）：

40、 光栅移 动方向 莫尔条纹 移动方向 角的旋 转方向 （3） 辨向辨向 为了辨别运动方向，需配置两个彼此错开1/4纹距的光电 元件，使输出电信号彼此在相位上差90，若以其中的一个 作为参考信号，则另一个信号将超前或滞后参考信号90， 由此来确定运动方向。 （4） 倍频倍频 倍频又称为细分，倍频数就是指在莫尔条纹一个周期的 范围内，等距离安装的感光元件的数目，从而在一个周期内 产生若干个脉冲，达到细分的目的。 提高倍频数可以提高光栅的最小读数值，提高分辨率， 精密机床的测量常采用高倍频。 例：栅距例：栅距 w = 0.01mm， 十倍频后，最小读数值1mm. 四倍频电路四倍频电路 （5 5）特点

41、）特点 优点：优点： 1 1）精度高）精度高 测直线：精度测直线：精度 0.53m0.53mm，分辨率，分辨率 0.1m mm 2 2）易实现动态测量和自动化测量）易实现动态测量和自动化测量 3 3）较强的抗干扰能力）较强的抗干扰能力 缺点：缺点： 1 1）对环境要求高，怕振动，怕油污）对环境要求高，怕振动，怕油污 2 2）高精度光栅制作成本高）高精度光栅制作成本高 目前多用于精密定位的数控机床。目前多用于精密定位的数控机床。 伺服系统（伺服系统（Servo System) CNC系统系统驱动电机驱动电机 检测装置检测装置 控制信号控制信号 反馈信号反馈信号 光栅尺光栅尺 一、直流伺服电动机一

42、、直流伺服电动机 伺服电动机是指能够精密地控伺服电动机是指能够精密地控 制其位置的一种电动机。直流伺服制其位置的一种电动机。直流伺服 电动机是伺服电动机的一种。电动机是伺服电动机的一种。 1. 直流伺服电动机分类及结构特点直流伺服电动机分类及结构特点 永磁直流伺服电动机永磁直流伺服电动机 无槽转子直流伺服电动机无槽转子直流伺服电动机 空心杯转子直流伺服电动机空心杯转子直流伺服电动机 印刷绕组直流伺服电动机印刷绕组直流伺服电动机 后三种直流伺服电动机为小惯量直流伺服电动机。后三种直流伺服电动机为小惯量直流伺服电动机。 直流伺服电动机的组成直流伺服电动机的组成 电动机本体电动机本体 主要由机壳、定

43、子磁极和转子组成。主要由机壳、定子磁极和转子组成。 检测部件检测部件 有高精度的测速发电机、旋转变压器以及有高精度的测速发电机、旋转变压器以及 脉冲编码器等。脉冲编码器等。 特点特点 l 小惯量直流伺服电动机小惯量直流伺服电动机 惯量小，响应速度快，惯量小，响应速度快， 但过载能力低。但过载能力低。 l 永磁直流伺服电动机转矩大，惯量大，稳定性永磁直流伺服电动机转矩大，惯量大，稳定性 好，调速范围宽。好，调速范围宽。 但有电刷，限制速度的提高（但有电刷，限制速度的提高（10001500r/min）。）。 2. 直流伺服电动机的工作原理与调速方法直流伺服电动机的工作原理与调速方法 （1）工作原理

44、）工作原理 与一般直流电动机的工作原理相同，是建立在电磁力与一般直流电动机的工作原理相同，是建立在电磁力 和电磁感应基础上的。和电磁感应基础上的。 如图（如图（a）所示，直流电流从电刷）所示，直流电流从电刷 A 流入，经过线圈流入，经过线圈abcd，从电刷，从电刷 B 流流 出，载流导体出，载流导体ab和和cd受到电磁力的作用，使得转子逆时针转动。受到电磁力的作用，使得转子逆时针转动。 当转子转到如图（当转子转到如图（b）所示的位置，电刷）所示的位置，电刷 A 和换向片和换向片2接触，电刷接触，电刷 B 和和 换向片换向片1接触，直流电流从电刷接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向

45、是流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电，从电 刷刷 B 流出。此时载流导体流出。此时载流导体ab和和cd受到电磁力的作用，它们产生的转矩仍然受到电磁力的作用，它们产生的转矩仍然 使得转子逆时针转动。使得转子逆时针转动。 外加的电源是直流的，但外加的电源是直流的，但 由于电刷和换向片的作用，在由于电刷和换向片的作用，在 线圈中流过的电流是交流的，线圈中流过的电流是交流的， 其产生的转矩的方向却是不变其产生的转矩的方向却是不变 的。的。 （2）直流伺服电机的速度控制原理）直流伺服电机的速度控制原理 M Ea U uf 他励直流电动机他励直流电动机 转子回路的电势平衡方程：转子回路的电势平衡方程

46、： EaURa Ia 式中式中 Ra转子回路电阻转子回路电阻() I Ia转子回路电流转子回路电流(A) 感应电动势感应电动势Ea可由下式求得可由下式求得 EaCen 式中式中 Ce电机械常数电机械常数 励磁磁通励磁磁通(Wb) n电动机转速电动机转速(r/min) 由上两式由上两式可得可得 电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩Te(Nm)为为: TeCTIa 式中式中 CT转矩系数，是电动机的结构常数。转矩系数，是电动机的结构常数。 所以可得电动机转速所以可得电动机转速 式中式中 n0理想空载转速理想空载转速 nn转速降落转速降落 根据上式可知，他励直流电动机有三种调速方法，即根据上式可知，他励

47、直流电动机有三种调速方法，即 改变外加电压、改变励磁磁通及改变转子回路电阻调速。改变外加电压、改变励磁磁通及改变转子回路电阻调速。 a e a e I C R C U n nnT CC R C U n e Te a e 0 2 根据上式：励磁磁通不可变，只有二种调速方法，而改根据上式：励磁磁通不可变，只有二种调速方法，而改 变转子回路电阻一般不能满足要求，通常采用改变转子回路变转子回路电阻一般不能满足要求，通常采用改变转子回路 外加电压的调速方法。外加电压的调速方法。 这种调速方法是从额定电压往下降低转子电压，即从额这种调速方法是从额定电压往下降低转子电压，即从额 定转速向下调速。该种调速方法

48、属恒转矩调速，机械特性是定转速向下调速。该种调速方法属恒转矩调速，机械特性是 一组斜率不变的平行直线，特性比较硬，且调速范围宽。另一组斜率不变的平行直线，特性比较硬，且调速范围宽。另 外，这种调速方法是用减小输入功率来减小输出功率的，所外，这种调速方法是用减小输入功率来减小输出功率的，所 以具有比较好的经济性。以具有比较好的经济性。 永磁直流伺服电动机的调速方法永磁直流伺服电动机的调速方法 nnT CC R C U n e Te a e 0 2 二、直流伺服电动机的速度控制二、直流伺服电动机的速度控制 常采用两种速度调节系统： 晶闸管调速系统 晶体管脉宽调制调速系统。 2. PWM脉宽调制原理

49、与系统脉宽调制原理与系统 晶体管脉宽调制调速系统晶体管脉宽调制调速系统(PWM)的调速性能优于晶闸管的调速性能优于晶闸管 调速系统的调速性能；而且，功率晶体管的功率、耐压等都调速系统的调速性能；而且，功率晶体管的功率、耐压等都 已有很大提高，现代数控机床的直流进给伺服系统中多采用已有很大提高，现代数控机床的直流进给伺服系统中多采用 晶体管脉宽调制调速系统。晶体管脉宽调制调速系统。 原理：原理： 利用脉宽调制器，将直流电压转换成某一频率的矩利用脉宽调制器，将直流电压转换成某一频率的矩 形波电压，加到直流电动机的转子回路两端，通过对矩形波形波电压，加到直流电动机的转子回路两端，通过对矩形波 脉冲宽

50、度的控制，改变转子回路两端的平均电压，从而达到脉冲宽度的控制，改变转子回路两端的平均电压，从而达到 调节电动机转速的目的。调节电动机转速的目的。 调速系统的组成：调速系统的组成：由控制电路、主回路及功率整流电路三由控制电路、主回路及功率整流电路三 部分组成。其中控制电路由速度调节器、电流调节器和脉宽部分组成。其中控制电路由速度调节器、电流调节器和脉宽 调制器（包括固定频率振荡器、调制信号发生器、脉宽调制调制器（包括固定频率振荡器、调制信号发生器、脉宽调制 及基极驱动电路）组成。系统的核心部分是主回路和脉宽调及基极驱动电路）组成。系统的核心部分是主回路和脉宽调 制器。制器。 PWM 直流调速直流

51、调速系统的原理框图系统的原理框图 速度调节器速度调节器 电流调节器电流调节器脉宽调节脉宽调节 振荡器振荡器 脉宽调节脉宽调节 MG 电流反馈电流反馈 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

52、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。 同向加法放大器电路图同向加法放大器电路图 U S r 速度指令转化过速度指令转化过 来的直流电压来的直流电压 U - - 三角波三角波 USC- - 脉宽调制器的输脉宽调制器的输 出（出（ U S r +U ） 调制波形图调制波形图 t U U +U S rU +U S r U S CU S C U S C +U S r ooo -U S r t t t t 调制出正负脉宽一样方波调制出正负脉宽一样方波 平均电压为平均电压为0 调制出脉宽较宽的波形调制出脉宽较宽的波形 平均电压为正平均电压为正

53、调制出脉宽较窄的波形调制出脉宽较窄的波形 平均电压为负平均电压为负 R1 +12V USC R1 R3R2 + -12V U S r U - 主回路：可逆主回路：可逆H型双极式型双极式PWM 开关功率放大器开关功率放大器 电路图电路图: 由四个大功率晶体管由四个大功率晶体管 （GTR）T 1 、T 2 、T 3 、T4 及四个续流二极管组成的桥及四个续流二极管组成的桥 式电路。式电路。 H型：型： 又分为双极又分为双极 式、单极式和受限式、单极式和受限 单极式三种。单极式三种。 Ub1、 Ub2、Ub3Ub4 为调制器输出，为调制器输出， 经脉冲分配、基极经脉冲分配、基极 驱动转换过来的脉驱动

54、转换过来的脉 冲电压。分别加到冲电压。分别加到 T1 、T2、T3 、T4的的 基极。基极。 Ub3 Ub4 Ub1 Ub2 US AB D1 D2 D3 D4 M T1 T2T4 T3 US -US Ud UA BO t Ub1 Ub 4 Ub2 Ub3 O O t t t1T id id1 id2 id1id2 O O O O O t1t3Tt2t3t1 Ub1、Ub 4 Ub2、Ub 3 Ud UAB id t t t t id1id1 id4 id2 id3id4 id2 工作原理：工作原理： T1 和和T4 同时导通和关断，其基极驱动电压同时导通和关断，其基极驱动电压Ub1= Ub4

55、。T2和和T3同时导通和关断，同时导通和关断， 基极驱动电压基极驱动电压Ub2= Ub3 = Ub1。以正脉冲较宽为例，既正转时。以正脉冲较宽为例，既正转时。 负载较重时：负载较重时： 电动状态：电动状态：当当0t t1时，时， Ub1、Ub4为正，为正， T1 和和T4 导通；导通；Ub2、Ub3 为负，为负， T2和和 T3截止。电机端电压截止。电机端电压UAB=US，电枢电流电枢电流id= id1，由，由US T1 T4 地。地。 续流维持电动状态：续流维持电动状态：在在t1 t T时，时， Ub1、Ub4为负，为负， T1 和和T4截止；截止； Ub2、Ub3 变变 正，但正，但T2和

56、和T3并不能立即导通，因为在并不能立即导通，因为在电枢电感储能的作用下电枢电感储能的作用下，电枢电流电枢电流id= id2，由，由 D2 D3续流，在续流，在D2、 D3 上的压降使上的压降使T2 、 T3的的c-e极承受反压不能导通。极承受反压不能导通。 UAB=-US。 接着再变到接着再变到电动状态、续流电动状态、续流 维持电动状态维持电动状态反复进行，如上面左图。反复进行，如上面左图。 负载较轻时：负载较轻时： 反接制动状态，电流反向：反接制动状态，电流反向： 状态中，在负载较轻时，则状态中，在负载较轻时，则id小，小，续流电流很快衰减到续流电流很快衰减到 零，即零，即t =t2 时时（

57、见（见上面右图上面右图），），id=0。在在t2 T 区段区段， T2 、T3 在在US 和反电动势和反电动势E的的 共同作用下共同作用下导通导通，电枢电流反向，电枢电流反向，id= id3 由由US T3 T2 地。电机处于地。电机处于反接制动反接制动 状态。状态。 电枢电感储能维持电流反向：电枢电感储能维持电流反向：在在T t3区段时，驱动脉冲极性改变，区段时，驱动脉冲极性改变， T2 、T3截止，因截止，因电枢电感维持电流，电枢电感维持电流， id= id4，由，由D4 D1。 电机正转、反转、停止：电机正转、反转、停止： 由正、负由正、负驱动电压脉冲宽窄而定。驱动电压脉冲宽窄而定。 当

58、当正正脉冲较宽时，既脉冲较宽时，既t1 T/2，平均电压为正，电机正转；平均电压为正，电机正转； 当当正正脉冲较窄时，既脉冲较窄时，既t1 T/2 ，平均电压为负，电机反转；平均电压为负，电机反转； 如果正、负如果正、负脉冲宽度相等，脉冲宽度相等，t1=T/2 ，平均电压为零，电机停转。平均电压为零，电机停转。 电机速度的改变：电机速度的改变： 电枢上的电枢上的平均平均电压电压UAB越大，转速越高。它是由越大，转速越高。它是由驱动电压脉冲宽度驱动电压脉冲宽度 决定的。决定的。 双极性双极性： 由以上分析表明：由以上分析表明： 可逆可逆H型双极式型双极式PWM开关功率放大器，无论负载是重还是轻、

59、电机开关功率放大器，无论负载是重还是轻、电机 是正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都在是正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都在 US和和 US之间变换一次，故称为双极性。之间变换一次，故称为双极性。 伺服驱动系统伺服驱动系统 CNC系统驱动电机 检测装置 控制信号控制信号 反馈信号反馈信号 光栅尺光栅尺 伺服驱动系统伺服驱动系统 交流伺服电动机及其速度控制交流伺服电动机及其速度控制 直流伺服电动机具有优良的调速性能，但直流伺直流伺服电动机具有优良的调速性能，但直流伺 服电动机的电刷和换向器容易磨损，需要经常维护；由服电动机的电刷和换向器容易磨损，需要经常维护

60、；由 于换向器换向时会产生火花而使最高转速受到限制，也于换向器换向时会产生火花而使最高转速受到限制，也 使应用环境受到限制；直流伺服电动机结构复杂、制造使应用环境受到限制；直流伺服电动机结构复杂、制造 困难，成本高。困难，成本高。 自自20世纪世纪80年代中期以来，以交流伺服电动机作为年代中期以来，以交流伺服电动机作为 驱动元件的交流伺服系统得到迅速发展，有逐渐代替直驱动元件的交流伺服系统得到迅速发展，有逐渐代替直 流伺服电机的趋势。流伺服电机的趋势。 一、交流伺服电动机一、交流伺服电动机 交流伺服电动机分类交流伺服电动机分类 异步型异步型 同步型同步型 同步型交流伺服电动机又分为永磁式和励磁