第6数控机床的驱动与控制系统-伺服系统与位置检测

1、2021-10-291第6章 数控机床的伺服系统l 伺服系统：以位置和速度作为控制对象的自动控制系统。l 伺服系统接受数控装置发来的进给脉冲指令信号，经过信号变换和电压、功率放大由执行元件将其转变为角位移和直线位移，以驱动数控设备各运动部件实现运动。1 开环、闭环和半闭环伺服系统1）开环伺服系统l 开环伺服系统由步进电机及其驱动电路组成，无位置检测装置。6.1 概 述2021-10-292l 数控系统发出指令脉冲经过驱动线路变换与放大，传给步进电机。步进电机每接收一个指令脉冲，就旋转一个角度，再通过齿轮副和丝杠螺母副带动机床工作台移动。l 指令脉冲的频率决定了步进电机的转速，进而决定了工作台的

2、移动速度；指令脉冲的数量决定了步进电机转动的角度，进而决定了工作台的位移大小。l 开环伺服系统加工精度低。由于无位置检测装置，其精度取决于步进电机的步距精度和工作频率以及传动机构的传动精度。l 结构简单，成本较低，适用于对精度和速度要求不高的经济型、中小型数控系统。2021-10-293（2）闭环伺服系统l 有位置检测装置，且装在机床工作台上，直接检测工作台的实际位移。l 利用CNC装置的指令值与位置检测装置的检测值的差值进行位置控制。l 精度高，其运动精度取决于检测装置的精度，与传动链的误差无关。l 适用于大型或比较精密的数控设备。（3）半闭环伺服系统l 有位置检测装置，且装在电机或丝杠的端

3、头，检测角位移，间接获得工作台的位移。l 精度比闭环控制低，滚珠丝杠的精度影响位置检测的精度。适用于中小型数控机床。 2021-10-2942 伺服系统的组成l 由控制器、功率驱动装置、检测反馈装置和伺服电机组成。（1）控制器：由位置调解单元、速度调解单元和电流调解单元组成。l 控制器最多构成三闭环控制：外环为位置环，中环为速度环，内环为电流环。（2）功率驱动装置：由驱动信号产生电路和功率放大器等组成。l 功能：一方面按控制量大小将电网中的电能作用到电机上，调节电机力矩的大小；另一方面按电机要求将恒压恒频的电网供电转换为电机所需直流电或交流电。（3）位置检测装置：闭环和半闭环伺服系统有位置检测

4、装置，其安装位置不同；开环伺服系统无位置检测装置。（4）伺服电机：闭环和半闭环伺服系统采用交流或直流伺服电机；开环伺服系统采用步进电机。2021-10-295伺服系统结构2021-10-2963 数控机床对伺服系统的要求1. 数控机床对进给伺服系统的要求（1）调速范围大，低速转矩大。l 调速范围：机械装置要求电机能提供的最高进给速度相对于最低进给速度之比。l 为保证所有加工条件下，均能得到最佳切削条件和加工质量，就要求进给速度在较大的范围内变化。l 低速切削要求电机输出较大的转矩，避免出现低速爬行现象。（2）精度高。l 精度：伺服系统的输出量跟随输入量的精确程度。l 为保证数控加工精度要求，主

5、要保证机床的定位精度和进给跟踪精度。2021-10-297（3）快速响应无超调。l 快速响应反映系统的跟踪精度。（4）稳定性好，可靠性高。l 稳定性：系统在给定输入或外界干扰作用下，能经过短暂的调节达到新的或恢复到原来平衡状态。l 系统具有较好的抗干扰能力能保证进给速度均匀、平稳。（5）足够的传动刚性，较强的过载能力，电机的惯量与移动部件的惯量相匹配，伺服电机能够频繁启停和可逆运行。2021-10-2982. 数控机床对主轴伺服系统的要求（1）足够的输出功率。l 主轴转速高，输出转矩小；主轴转速低，输出转矩大。要求主轴驱动装置具有恒功率性质。（2）调速范围宽。l 数控机床的变速依照指令自动执行

6、，要求能够在较宽的转速范围内进行无级调速，较少中间传递环节，简化主轴箱。（3）定位准停功能。l 为使得数控车床具有螺纹切削等功能，要求主轴能与进给驱动实行同步控制。l 在加工中为自动换刀，要求主轴具有高精度的准停功能。2021-10-299 步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系统中，步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序来决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。但由于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来

7、决定，速度也受到步进电机性能的限制。 6.2步进电动机伺服系统 6.2 步进电机伺服系统l 步进电机：一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。l 数控装置输出的进给脉冲数量、频率和方向经过驱动控制电路达到步进电机后，可以转换为工作台的位移量、进给速度和方向。驱动控制线路驱动控制线路步进电机步进电机工作台工作台指令脉冲指令脉冲丝杠丝杠开环步进式伺服系统组成框图开环步进式伺服系统组成框图2021-10-2911一、步进驱动的原理：一、步进驱动的原理：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步执行机

8、构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度进电机按设定的方向转动一个固定的角度 1组成：组成：步进驱动控制装置、步进电机、减速机构。步进驱动控制装置、步进电机、减速机构。实例如下图实例如下图2各部分的作用：各部分的作用： 数控装置：数控装置：根据控制要求发出指令脉冲，指令脉冲的个数代表移根据控制要求发出指令脉冲，指令脉冲的个数代表移 动距离；脉冲频率代表移动速度。动距离；脉冲频率代表移动速度。 每发出一个脉冲电机旋转一个特定的角度，即步距角每发出一个脉冲电机旋转一个特定的角度，即步距角 环形分配：环形分配：根据指令方向，依次产生步进电机的各相的通电步根据

9、指令方向，依次产生步进电机的各相的通电步 骤，分为硬件环分、软件环分两种。骤，分为硬件环分、软件环分两种。 放大电路：放大电路：放大环形分配的各相指令，产生步进电机的各相的驱放大环形分配的各相指令，产生步进电机的各相的驱 动电流动电流 特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变转动方向。 (4)角位移量或线位移量与电脉冲数成正比.以反应式为例说明步进电机的结构和原理通常按励磁方式分为三大类：步进电机的种类：步进电动机结构步进电动机结构步进电机通的是直流电脉冲.步进电机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成。定、转子铁心由软

10、磁材料或硅钢片叠成凸极结构，定、转子磁极上均有小齿，定、转子的齿数相等。其中定子有六个磁极,定子定子磁极上套有星形连接的三相控制绕组，每两个相对的磁极为一相，组成一相控制绕组,转子上没有绕组。转子上相邻两齿间的夹角称为齿距角rtZ360工作方式 步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。（1）三相绕组联接方式：Y 型（2）三相绕组中的通电顺序为：A 相 B 相 C 相通电顺序也可以为： A 相 C 相 B 相 （3）工作过程被磁化，吸引转子，由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动，使转、定子的齿对齐停止转动。A

11、相通电，A 方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐。CABBCA3412CABBCA3412B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30；1C342CABBAC相通电再转30这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过 30。此角称为步距角，用S表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。二、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。工作

12、过程：A相通电，转子1、3齿和A相对齐。CABBCA3412所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了15。（1）BB 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动。A、B相同时通电（2）AA 磁场继续对1、3齿有拉力。CABBCA3412总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15。CABBCA3412B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。三、三相双三拍三相绕组的通电顺序为： AB BC CA AB 共三拍。AB通电CABBCA3412CABBCA3412BC通电以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用

13、。工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30，即 S = 30。CA通电CABBCA3412步进电机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为N:一个周期的运行拍数,即通电状态循环一周需要改变的次数Zr：转子齿数NZrS360如：Zr=40 , N=3 时3340360S 步距角拍数：N=kmk=1 单拍制2 双拍制m:相数 转速每输入一个脉冲，电机转过NZrS360min)/(63603606060rfNZfNZfnsrr即转过整个圆周的1/(ZrN）, 也就是1/(ZrN）转因此每分钟转过的圆周数，即转速为步距角一定时，通电状态的切换频率越高，即脉冲频率越高时，步进电动机的转速越高。

14、脉冲频率一定时，步距角越大、即转子旋转一周所需的脉冲数越少时，步进电动机的转速越高。2021-10-2926二、步进电机的主要性能指标二、步进电机的主要性能指标 1. 步距角和步距误差 步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下： (6-1)式中 步进电机的步距角；m电机相数； Z转子齿数；K系数，相邻两次通电相数相同，K1； 相邻两次通电相数不同，K2。 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。 步距误差是指步进电机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。连续走若干步时，上述步距误差的累积值称为步距的

15、累积误差。由于步进电机转过一转后，将重复上一转的稳定位置，即步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。步距误差在一转后回复为零。 KmZ3602021-10-2927 2. 静态转矩与矩角特性 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），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。

16、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）。O O Mjmax M 静态稳定区 - -/2 /2 2021-10-2928 3. 最大启动转矩 图示为三相单三拍矩角特性曲线，图中的图示为三相单三拍矩角特性曲线，图中的A、B分别是相邻分别是相邻A相和相和B相的静态矩角特性曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电相的静态矩角特性曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电机的最大启动转矩机的最大启动转矩Tq。如果外加负载转矩大于。如果外加负载转矩大于Tq ，电机就不能启，电机就不能启动。动。BACT1TqTMB2021-10-2929 4. 启动频率 空载时，步进

17、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。5. 连续运行频率 步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。一般为启动频率的440倍。因此，步进电机常用升降速控制，起停时频率较低，正常时，频率升高。2021-10-2930 6. 矩频特性与动态转矩矩频特性

18、与动态转矩 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（见图的关系（见图6-8），该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。当步），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。在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而矩将逐渐下降。在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。下降的特点。 M f 图6-8 矩频特性2021-10-2931

19、三、脉冲分配三、脉冲分配 脉冲脉冲分配可由硬件或软件产生，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。软件环形分配由计算机软件完成。1，硬件脉冲分配器 硬件环形分配器是根据步进电机的相数和控制方式由门电路和集成逻辑电路设计的，数控机床上常用三相、四相、五相及六相步进电机 。目前，国产有YB013016 36相18管脚TTL集成脉冲分配器，CH250 3相CMOS16管脚集成脉冲分配器。硬件环形分配器l 输入、输出信号一般为TTL电平，输出信号A、B、C为高电平时表示相应绕组通电，低电平时表示相应绕组失电。l CLK为数控装置发出的脉冲信号，每个脉冲信号的上升或下降沿到来

20、时，输出改变一次绕组的通电状态。l DIR为数控装置发出的方向信号，其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变，即步进电机的正、反转。l FULL/HALF控制电机的整步或半步。三相六拍环形脉冲分配器原理图2021-10-29342.2.软件环形分配 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表6-1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

21、向进给脉冲，应是010，而使步进电机正向地旋转起来。VSVS软件环形脉冲分配器l 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法、比较法、移位寄存器法等。l 如图所示，8031单片机的P1口的三个引脚经过光电隔离、功率放大后分别与电机的A、B、C连接。l 采用三相六拍方式时，电机正转的通电顺序为AABBBCCCAA。l 电机反转的通电顺序为AACCCBBBAA。2021-10-2936 VSVS序 号 A B C 方 向 1 1 0 0 2 1 1 0 3 0 1 0 4 0 1 1 5 0 0 1 6 1 0 1 反 转 正 转 表6-1三相六拍环形分配器真值表2021-10-29371单电压型驱动电

22、源单电压型驱动电源 电容电容C: 在接通瞬间短接在接通瞬间短接R R 电流由电流由 ELCT1 故故C C称称 加速电容加速电容 电阻电阻R: 在电流达到在电流达到恒定后恒定后还起还起限流作用限流作用， 此时电流由此时电流由 ELRT1 输入脉冲为输入脉冲为“0 0”时，时，T1T1截止截止，il=0 输入脉冲为输入脉冲为“1 1”时，时，T1T1导通导通 2021-10-2938 输入输入脉冲消失脉冲消失后，后，T T1 1截止，截止， L L两端将产生一感应电压。两端将产生一感应电压。 V=L(di/dt)，由于由于T T1 1关断时间关断时间dtdt很很 短，短，故感应电压故感应电压U

23、U很大，将击穿晶体管，很大，将击穿晶体管，为此增加二极管为此增加二极管 D D 续流，续流电流续流，续流电流: : LRDL 2021-10-2939 而而T2T2在在高压控制电路高压控制电路下下导通导通 时间时间t t1 1较短较短 (100-600 (100-600 s) s) 绕组在绕组在高压高压 EHEH下电流下电流 迅速增大迅速增大至至额定值额定值， 此时此时低压低压 ELEL无效无效。3高低压双压型驱动电源高低压双压型驱动电源 输入脉冲信号为输入脉冲信号为“0 0”时，时， T1T1、T2T2均截止，均截止，I IL L=0=0 输入信号为输入信号为“1 1”时，时，T1 T1 导

24、通导通 t t1 1之后之后，T2T2截止截止，低压供压低压供压，维持维持绕组所需的绕组所需的额定电流额定电流IeIeEHEL2021-10-2940 输入脉冲输入脉冲信号消失信号消失( (为为“0 0”) )， T1T1、T2T2均截止均截止， L L上电流经上电流经放电回路放电回路： LRoD2EHELD1L 迅速下降迅速下降 EH供电，励磁电流供电，励磁电流前沿电流前沿电流 Ip=EH/(r+R0)(1-e-t/Ti ) 由此计算由此计算t1 t1=T/n EH/EH+ In (r+R0)In要求高压通电，要求高压通电， 电流达到的数值电流达到的数值2 2高低压双压型驱动电源高低压双压型

25、驱动电源EHEL2021-10-2941绕组上电流绕组上电流I Il l 随外加电压随外加电压(E(EH H、E EL L) )变化而变化变化而变化， 当外加电压变化时，电机特性变差，工作不稳定当外加电压变化时，电机特性变差，工作不稳定 绕组电流绕组电流波形下凹波形下凹， 使电机使电机输出转矩降低输出转矩降低 3) R R的存在使的存在使效率降低效率降低 EH ELEH EL存在的问题：存在的问题：2021-10-2942（3）斩波恒流功率放大器控制信号Uin为0电平时与门N2为0电平，VT截止，当为1时，VT导通，绕组L上有电流2021-10-29436.3 直流伺服电机调速系统1.直流伺服

26、电机的结构及特点l直流伺服电机的结构2021-10-2944直流伺服电机的特点过载倍数大，时间长； 具有大的转矩/惯量比，电机的加速大，响应快。低速转矩大，惯量大，可与丝杆直接相联。调速范围大：1 2000。带有高精度的速度和角位置检测元件；电机允许温度达150以上，由于温升高，影响机床精度因转子惯性大，电源容量以及机械传动件的刚度都需相应增大。电刷、维护不便 但其却存在一些固有的缺点，即：l电刷和换向器易磨损，维护麻烦l结构复杂，制造困难，成本高2021-10-2945l 1.、直流伺服电机的调速原理l 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l 改变电枢外加电压Ua :由

27、于绕组绝缘耐压的限制，调压只能在额定l 转速以下进行。属于恒转矩调速。l l 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l 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。l 2.直流速度控制单元调速控方式l 晶闸管（可控硅）调速系统l 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统 0M2TeaeaTKKRKUnnTCCRCUn0M2Teaea 2021-10-2946l 晶闸管调速系统l 1）系统的组成l 包括 控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。 l 主回路： 可控硅整流放大器等。l l 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P

28、I)。作用：加快响应、启动、低频稳定等。l 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。l 可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。速度速度调节器调节器电流电流调节器调节器触发脉冲触发脉冲发生器发生器可控硅可控硅整流器整流器电流反馈电流反馈速度反馈速度反馈电流检测电流检测编码器编码器电机电机UR+-UfIfIR+-E1ES2021-10-2947l 2）主回路工作原理l 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

29、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。l 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，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。 462791113581210ABCMUMUDKMKM+-2021-10-29483）控制回路分析l 触发脉冲产生的过程：l

30、改变触发角，即改变控制角U1U2R1R2R3C-+同步信号同步信号方波信号方波信号矩齿波矩齿波矩齿波与直矩齿波与直流电压叠加流电压叠加 信号信号尖脉冲尖脉冲直流电压直流电压同步信号同步信号过零信号过零信号由速度由速度F变换来的变换来的电流调节电流调节器输出的器输出的直流信号直流信号,123 电流调节器电流调节器:同上，加快电流的反应。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触发脉冲发生器：正弦波同步锯齿波触发 电路，与电路，与F直流信号叠加。直流信号叠加。 速度调节器：比例积分速度调节器：比例积分PI，高放大（相，高放大（相当当 C短路）短路）缓放大缓放大增放大增放大稳定（

31、相当稳定（相当C 开路）无静差。开路）无静差。1-同步电路同步电路 2-移向控制电路移向控制电路3-脉冲分配器脉冲分配器2021-10-2949 总结 速度控制的原理：l 调速：当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器的l 输入端，产生前移的触发脉冲，可控硅整流器输出直流电压提高，电l 机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定相匹配达到l 新的平衡，电机以较高的转速运行。l 干扰：假如系统受到外界干扰，如负载增加，电机转速下降，速度反l 馈电压降低，则速度调节器的输入偏差信号增大，其输出信号也增大，l 经电流调节器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使电机l 转速恢

32、复到干扰前的数值。l 电网波动：电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流l 作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电机l 转速由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使电l 流调节器的输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原来l 值，从而抑制了主回路电流的变化。l 启动、制动、加减速：电流调节器还能保证电机启动、制动时的大转l 矩、加减速的良好动态性能。2021-10-29502 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统1）系统的组成及特点速度调节速度调节器器电流调节电流调节器器脉宽调脉宽调节节振荡器振荡器脉宽调脉宽调节节MG电流反电流反馈馈Uusrus

33、 f整流整流功放功放2021-10-2951 主回路：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；l 脉宽调制器和基极驱动电路。l 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。l 直流脉宽调制：功率放大器中的大功率晶体管工作在开l 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）。l 脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。2021

34、-10-2952直流脉宽调调制的基本原理周期不变周期不变周期不变周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压平均直流电压脉冲宽度正比代表速度脉冲宽度正比代表速度F值的直流电压值的直流电压Ut2021-10-29532） 脉宽调制器ttU U +U S rU +U S rU S CU S CU S C+U S rooo-U S rtttt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R1+12VUSCR1R3R2

35、+-12VU S rU -US r为为0时时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0US r为正时为正时US r为负时为负时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2021-10-29543） 开关功率放大器主回路：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： 又分为又分为双极式、单

36、极双极式、单极式和受限单极式和受限单极式三种。式三种。Ub1、 Ub2、Ub3Ub4 为调制器为调制器输出，经脉冲输出，经脉冲分配、基极驱分配、基极驱动转换过来的动转换过来的脉冲电压。分脉冲电压。分别加到别加到T1 、T2、T3 、T4的基极。的基极。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS -USUdUABOtUb1Ub 4Ub2Ub3OOttt1Tidid1id2id1id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub 4Ub2、Ub 3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id22021-10-2955（4）PWM调速系统的特点l 频带

37、宽、频率高: 晶体管“结电容”小，开关频率远高于可控（50Hz)，可达2-10KHz。快速性好。l 电流脉动小:l 由于PWM调制频率高，电机负载成感性对电流脉动由平滑作用，波形系数接近于1。l 电源的功率因数高: l SCR系统由于导通角的影响，使交流电源的波形畸 变、高次谐波的干扰，降低了电源功率因数。 PWM 系统的直流电源为不受控的整流输出，功率因数高。l 动态硬度好:l 校正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高。 2021-10-29566.4 交流伺服电机调速系统2021-10-29576.4 交流伺服电机调速系统2021-10-2958l 1.交流伺服电机的调速方法l 由电机学

38、知，交流电机转速公式：l 式中：f 定子电源频率l p 磁激对数l S 转差率l ns 定子旋转磁场转速l n 转子转速 s1pf60n1 异步电机异步电机 变频变频 用于笼型电机用于笼型电机 调压（定子电压）调压（定子电压） 电磁砖差离合器电磁砖差离合器 调阻（转子电组）调阻（转子电组） 串级调速串级调速 交交直直交交 交交交交 交交直直交交 交交交交变转变转差率差率变频变频变频变频同步电机同步电机交流电动机交流电动机ssnnns由此可知调速方法：由此可知调速方法：（6.11）（6.12）2021-10-2959对于进给系统常使用交流同步电机，该电机没有转差率，电机转速对于进给系统常使用交流

39、同步电机，该电机没有转差率，电机转速公式变为：公式变为：pfn160从式中可以看出：只能用变频调速，并且是有效方法。从式中可以看出：只能用变频调速，并且是有效方法。变频调速的主要环节是为交流电机提供变频、变压电源的变频器，变频调速的主要环节是为交流电机提供变频、变压电源的变频器，变频器分为：变频器分为： 交交直直交变频器交变频器 分电压型和电流型。电压型先将电网的交流分电压型和电流型。电压型先将电网的交流 电经整流器变为直流，再经逆变器变为频率和电压都可变的交电经整流器变为直流，再经逆变器变为频率和电压都可变的交 流电压。电流型是切换一串方波，方波电流供电，用于大功率。流电压。电流型是切换一串

40、方波，方波电流供电，用于大功率。 交交交变频器交变频器 该变频器没有中间环节，直接将电网的交流电该变频器没有中间环节，直接将电网的交流电 变为频率和电压都可变的交流电。变为频率和电压都可变的交流电。 目前对于中小功率电机，用得最多的是电压型交目前对于中小功率电机，用得最多的是电压型交直直交变频器。交变频器。 2.正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWM）变压变频器）变压变频器基本概念基本概念 1964年德国人率先提出脉宽调制变频思想，把通讯系统中的年德国人率先提出脉宽调制变频思想，把通讯系统中的（6.13）2021-10-2960调制技术应用于交流变频器。调制方法很多，目前用得最多的是正弦调制技术

41、应用于交流变频器。调制方法很多，目前用得最多的是正弦脉宽调制。还有空间电压矢量脉宽调制。还有空间电压矢量PWM、最优、最优PWM、预测、预测PWM、随机、随机PWM、规则采样数字化、规则采样数字化PWM等等。等等。 SPWM交交直直交变压变频器的原理框图如下：交变压变频器的原理框图如下：M3UIURUR整流器整流器 固定电压不可控整流器，常采用六个二级管桥式整流器固定电压不可控整流器，常采用六个二级管桥式整流器 结构将交流变为直流，电压幅值不变。结构将交流变为直流，电压幅值不变。 为逆变器的供电。为逆变器的供电。UI 逆变器逆变器 由六个功率开关器件组成，常采用大功率晶体管。其控由六个功率开关

42、器件组成，常采用大功率晶体管。其控 制极（大功率晶体管制极（大功率晶体管GTR为基极为基极 ）输入由基准正弦波（由速度指）输入由基准正弦波（由速度指 令转化过来的）和三角波叠加出来的令转化过来的）和三角波叠加出来的SPWM调制波（等幅、不等调制波（等幅、不等 宽的矩形脉冲波）宽的矩形脉冲波） ，使这些大功率晶体管按一定规律导通、截止，使这些大功率晶体管按一定规律导通、截止， 输出一系列功率级等效于正弦交流电的可变频变压的等幅、不等输出一系列功率级等效于正弦交流电的可变频变压的等幅、不等 宽宽的矩形脉冲电压波，即功率级的矩形脉冲电压波，即功率级SPWM电压，使电机转动。电压，使电机转动。 功率开

43、关器件还可采用：可关断晶闸管功率开关器件还可采用：可关断晶闸管GTO、功率场效应晶、功率场效应晶 体管体管MOSFET、绝缘门极晶体管、绝缘门极晶体管IGBT等。等。2021-10-2961正弦脉宽调制原理正弦脉宽调制原理（以单相为例）（以单相为例） 正弦脉宽调制正弦脉宽调制 （SPWM）波形）波形: 与正弦波等效的一系列等幅不等与正弦波等效的一系列等幅不等 宽的矩形脉冲波，如右下图所示。宽的矩形脉冲波，如右下图所示。uttuOOa)b) 等效原理等效原理：把：把正弦分正弦分成成 n 等分，每一区间的面等分，每一区间的面积用与其相等的等幅不等积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替。宽的矩形面积

44、代替。 正弦的正负半周均如此正弦的正负半周均如此处理。处理。2021-10-2962 SPWM控制波的生成控制波的生成:正弦波正弦波三角波调制三角波调制、方波、方波三角波调制。三角波调制。方波发生器方波发生器（带正反馈比较（带正反馈比较 又有又有RC积分）积分）三角波发生器三角波发生器（积分器）（积分器）三角波与基准三角波与基准正弦波叠加正弦波叠加（比较器）（比较器）SPWM调制波调制波基准正弦波基准正弦波(由速度指令由速度指令转化过来的转化过来的)VD1调制波调制波载波载波uutu1:utu1u0OOOtttRFRR1R2R3R4R5R6R7VD2VD3VD4C 1C 2U0 (ua、ub、

45、 uc )tO-+tut:2021-10-2963uAB50HzSPWMD1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12T1T2T3T4T5T6uauaububucucu1u2u3utu1utudua1t1t1t1t1t1tuA0uB0uC0逆变器输出逆变器输出A相等效正弦相等效正弦脉宽电压波脉宽电压波逆变器输出逆变器输出B相等效正弦相等效正弦脉宽电压波脉宽电压波逆变器输出逆变器输出C相等效正弦相等效正弦脉宽电压波脉宽电压波逆变器输出线逆变器输出线电压等效正弦电压等效正弦脉宽电压波脉宽电压波u1:由由F转换来的转换来的ut改变调制波的频改变调制波的频率、幅值，就可率、幅值，就可改变最终输

46、出改变最终输出 ：变频变压的交流变频变压的交流电压电压主回路：主回路：左半部：整流器左半部：整流器右半部：逆变器右半部：逆变器2021-10-2964作用：作用： 检测位移和速度，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制。要求：要求：（1） 工作可靠，抗干扰能力强；（2） 满足精度和速度的要求；（3）易安装、维护，适应机床工作环境；（4） 成本低。第五节第五节 常用的位置检测装置常用的位置检测装置2021-10-2965第第5节节 常用的位置检测装置常用的位置检测装置分类：分类：2021-10-2966一、旋转变压器一、旋转变压器1. 1. 结构结构在结构上与二相线绕式异步电动机相似，由定子和转子

47、组成。间接测量角位移间接测量角位移 利用互感原理工作利用互感原理工作 2021-10-29672.2.基本工作原理基本工作原理tUUmssintKUKUUmsBsincossin2021-10-29683.3.应用应用i）.鉴相式鉴相式K为定子和转子线圈匝数之比，即变压比为定子和转子线圈匝数之比，即变压比.只需要测出转子感应电压的相位，就知道转轴的角度。只需要测出转子感应电压的相位，就知道转轴的角度。sin,cossmcmUUwtUUwtsincoscossinsin()scmmmUEEKUwtKUwtKUwtsin(90)sincossin()cossinssmccmEKUKUwtEKUKU

48、wt 励磁电压：励磁电压：感应电势：感应电势：感应电势：感应电势： 根据旋转变压器转子绕组中感应电势的根据旋转变压器转子绕组中感应电势的相位相位来确定被测位移大小的检测方式。来确定被测位移大小的检测方式。 2021-10-2969ii）.鉴幅式鉴幅式(cos )sin(sin )sinsmcmUUwtUUwtsin(90)sinsincossin()coscossinssmccmEKUKUwtEKUKUwt sinsincoscossinsinsinsin()scmmmUEEKUwtKUwtKUwt励磁电压：励磁电压：感应电势：感应电势：感应电势：感应电势： 通过对旋转变压器转子绕组中感应电通

49、过对旋转变压器转子绕组中感应电势势幅值幅值的检测来实现位移检测的的检测来实现位移检测的。当改变当改变 ，使，使U=0，则，则=2021-10-2970二、感应同步器二、感应同步器1. 1. 结构结构u由定尺和滑尺组成，定由定尺和滑尺组成，定尺不动，滑尺移动。尺不动，滑尺移动。u工作原理与旋转变压器工作原理与旋转变压器基本相同基本相同定尺和滑尺绕组结构示意图 利用互感原理工作将位移或转角转变为电信号的位置检测元件。利用互感原理工作将位移或转角转变为电信号的位置检测元件。间接测量直线位间接测量直线位移或角位移。移或角位移。P2021-10-29712. 2. 工作原理工作原理感应同步器的工作原理图

50、 是加在是加在滑尺滑尺任一绕组上的激磁交变电压：任一绕组上的激磁交变电压： 定尺绕组上的感应电动势为：定尺绕组上的感应电动势为： S设设UK 电磁耦合系数电磁耦合系数与位移与位移x x相对应的角度。相对应的角度。当滑尺相对定尺当滑尺相对定尺移动的距离为移动的距离为x时，则对应于感应电势呈时，则对应于感应电势呈余弦函数变化，余弦函数变化，角为：角为： sinsmUUwtsincossmEKUwt22xx2021-10-29723. 3. 应用应用i i）. . 鉴相式鉴相式励磁电压：励磁电压：感应电势：感应电势：2021-10-2973iiii）. . 鉴幅式鉴幅式励磁电压：励磁电压：感应电势：

51、感应电势：(sin)sin(cos)sinsmcmUUwtUUwtsinsincoscossinsinsinsin()mmmEKUwtKUwtKUwt当改变当改变 ，使，使U=0，则，则=, 而而为已知量，同旋转变压器有：为已知量，同旋转变压器有：2 xxP2021-10-2974三、增量式脉冲编码器三、增量式脉冲编码器 是一种旋转式脉冲发生器；增量式测量角位移或者速度1. 1. 结构及工作原理结构及工作原理光电脉冲编码器结构示意图 通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出脉冲的变化率，即单通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求出速度。位时间脉冲的

52、数目，就可以求出速度。 2021-10-2975（3 3）辨向）辨向编码器编码器90 ABAB 光敏元件所产光敏元件所产生的信号生的信号A、B彼此相差彼此相差90 相相位，用于辨向。位，用于辨向。 当码盘正转时，当码盘正转时，A信号超前信号超前B信信号号90 ；当码盘；当码盘反转时，反转时，B信号信号超前超前A信号信号90 。2021-10-2976（4 4）辨向信号）辨向信号编码器编码器ABABA 超前于超前于B 90，正向，正向A 滞后于滞后于B 90，反向，反向2021-10-29771.1.特点及分类特点及分类四、绝对值编码器四、绝对值编码器 直接把被测转角用数字代码表示出来，即直接把

53、被测转角用数字代码表示出来，即每一个角每一个角度位置均有其对应的测量代码度位置均有其对应的测量代码；它能表示绝对位置，；它能表示绝对位置，没有累积误差没有累积误差；电源切除后，位置信息不丢失。分光；电源切除后，位置信息不丢失。分光电式、接触式和电磁式三种。电式、接触式和电磁式三种。2021-10-29782.2.结构与工作原理结构与工作原理2021-10-2979 用二进制代码做的码盘，如果电刷安装不准，会使得个别电刷错位，而出现很大的数值误差。例如当电刷由位置0111向1000过渡时，可能会出现从8（1000）到15（1111）之间的读数误差，一般称这种误差为非单值性误差非单值性误差。为消除

54、这种误差，可采用葛莱码盘。 特点：任何两个相邻数码间只有一位是变化的，每次只切换一位数，把误差控制在最小范围内。 例如，二进制码1101对应的葛莱码为1011，其演算过程如下： 1101 （二进制码） 1101（不进位相加，舍去末位） 1011 （葛莱码）2021-10-2980四、四、 磁栅式传感器磁栅式传感器磁栅优点：磁栅优点：价格低于光栅、制作简单、复制方便；价格低于光栅、制作简单、复制方便；测量范围宽（从几十毫米到数十米）、不需接长；测量范围宽（从几十毫米到数十米）、不需接长；易安装和调整、抗干扰能力强。易安装和调整、抗干扰能力强。2021-10-2981一、磁栅的组成及类型一、磁栅的

55、组成及类型 1磁栅的组成磁栅的组成 磁栅传感器是由磁栅（磁尺）、磁头、检测电路磁栅传感器是由磁栅（磁尺）、磁头、检测电路组成。组成。 l磁尺；磁尺；2尺基；尺基；3磁性薄膜；磁性薄膜；4铁心；铁心；5磁头磁头2021-10-2982磁栅的外形及结构图磁栅的外形及结构图磁尺磁尺静态磁头静态磁头去信号处理电去信号处理电路路固定孔固定孔2021-10-29832磁栅的类型磁栅的类型长磁栅长磁栅圆磁栅圆磁栅（测量直线位移）（测量直线位移）（测量角位移）（测量角位移）尺形尺形带形带形同轴形同轴形2021-10-29841磁头磁头 2磁栅磁栅 3屏蔽罩屏蔽罩 4基座基座 5软垫软垫2021-10-2985

56、磁尺磁尺磁栅外观图磁栅外观图磁头磁头2021-10-2986磁头与磁头与磁尺相磁尺相对运动对运动时的输时的输出波形出波形二、磁栅传感器的工作原理二、磁栅传感器的工作原理 1基本工作原理基本工作原理磁栅传感器工作原理动画演示磁栅传感器工作原理动画演示2021-10-2987磁栅传感器由磁栅（简称磁尺）、 磁头和检测电路组成。 磁尺是用非导磁性材料做尺基， 在尺基的上面镀一层均匀的磁性薄膜， 然后录上一定波长的磁信号而制成的。 磁信号的波长（周期）又称节距， 用W表示。 磁信号的极性是首尾相接， 在N、 N重叠处为正的最强， 在S、S重叠处为负的最强。 磁尺的断面和磁化图形如图所示。 1基本工作原

57、理基本工作原理2021-10-2988图图5-4-1 5-4-1 磁栅传感器示意图磁栅传感器示意图2021-10-2989这里以静态磁头为例，简要说明磁栅传感器的工作原理。 静态磁头的结构如上图所示，它有两组绕组N1和N2。其中， N1为励磁绕组，N2为感应输出绕组。在励磁绕组中通入交变的励磁电流，一般频率为5 kHz或25 kHz， 幅值约为200 mA。 励磁电流使磁芯的可饱和部分（截面较小）在每周期内发生两次磁饱和。磁饱和时磁芯的磁阻很大，磁栅上的漏磁通不能通过铁芯，输出绕组不产生感应电动势。只有在励磁电流每周两次过零时，可饱和磁芯才能导磁，磁栅上的漏磁通使输出绕组产生感应电动势e。可见

58、感应电动势的频率为励磁电流频率的两倍，而e的包络线反映了磁头与磁尺的位置关系，其幅值与磁栅到磁芯漏磁通的大小成正比。 2021-10-2990式中：式中：Em感应电势的幅值感应电势的幅值 W磁栅信号的节距磁栅信号的节距 x机械位移量机械位移量 tWxEEmsin2cos 磁头输出的电势信号经检波，保留其基波成磁头输出的电势信号经检波，保留其基波成分，可用下式表示：分，可用下式表示：2021-10-29912信号处理方式信号处理方式 当两只磁头励磁线圈加上同一励磁电流时，当两只磁头励磁线圈加上同一励磁电流时，两磁头输出绕组的输出信号为：两磁头输出绕组的输出信号为：tWxEEmsin2cos1tW

59、xEEmsin2sin2Wx2xWx2式中：式中： 机械位移相角，机械位移相角， 2021-10-2992图图5-4-35-4-3双磁头结构双磁头结构 双磁头是为了识别磁栅的移动方向而设置的，双磁头是为了识别磁栅的移动方向而设置的，其结构如图其结构如图5-4-3所示。两磁头按所示。两磁头按(m14)配置配置（m为正整数），它们的输出电压分别是为正整数），它们的输出电压分别是2021-10-2993五、光栅五、光栅位置检测装置将机械位移或者模拟量转变为数字脉冲，反馈给数控装置，实现闭环控制1.1.结构和种类结构和种类光栅读数头示意图 2021-10-29942.2.原理原理莫尔条纹 光电转换光电

60、转换P 栅距栅距W 莫尔条纹宽度莫尔条纹宽度2021-10-2995iviv）. . 莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例 iiiiii）. . 均化误差作用均化误差作用iiii）. . 放大作用放大作用3.3.莫尔条纹性质莫尔条纹性质i i）. . 平行光照射光栅时，莫尔条纹由亮带到暗带，再由暗平行光照射光栅时，莫尔条纹由亮带到暗带，再由暗带到亮带透过的光强度分布近似于余弦函数。带到亮带透过的光强度分布近似于余弦函数。（P/sin） 2021-10-29966.6位置控制原理 一、脉冲比较进给伺服系统一、脉冲比较进给伺服系统 脉冲比较伺服系统的结构如图脉冲比较伺服