数控机床的进给伺服系统概述

1、第六章第六章 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统v 第一节第一节 概述概述 v 第二节第二节 开环步进电机开环步进电机v 第三节第三节 数控机床的数控机床的 检测装置检测装置v 第四节第四节 闭环伺服系统闭环伺服系统v 第五节第五节 闭环伺服系统分析闭环伺服系统分析第一节第一节 概述概述 伺服驱动系统是指以位置和速度作为控制对象的伺服驱动系统是指以位置和速度作为控制对象的自动控制系统。自动控制系统。 伺服系统的性能，在很大程度上决定了现代数控伺服系统的性能，在很大程度上决定了现代数控机床的性能。机床的性能。 如：数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位如：数控机床的最高移动速度、跟踪精

2、度、定位精度等重要指标均取决于伺服系统的动态与静态精度等重要指标均取决于伺服系统的动态与静态性能。性能。 数控进给伺服系统是一种数控进给伺服系统是一种位置控制系统位置控制系统，分为开，分为开环、半闭环和闭环三种。环、半闭环和闭环三种。一、数控机床对伺服系统的要求一、数控机床对伺服系统的要求1、精度高、精度高 脉冲当量越小，机床的精度越高。脉冲当量越小，机床的精度越高。0.01-0.001mm;2、快速响应特性好、快速响应特性好 快速响应是伺服系统动态品质的标志之一。达到最快速响应是伺服系统动态品质的标志之一。达到最大稳态速度的时间要求在大稳态速度的时间要求在200ms以内。以内。 3、调速范围

3、大、调速范围大 调速范围：电机的最高转速调速范围：电机的最高转速Nmax和最低转速和最低转速Nmin之比。之比。要求应大于：要求应大于：1:10000 4、负载特性要硬、负载特性要硬 当负载变化时，输出速度应基本不变。当负载变化时，输出速度应基本不变。5、系统可靠性要好、系统可靠性要好 二、数控机床伺服驱动系统的基本组成二、数控机床伺服驱动系统的基本组成 数控机床的进给伺服系统是由：伺服电数控机床的进给伺服系统是由：伺服电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。行部件组成。进给进给指令指令比较控制环节比较控制环节驱动控制单元驱动控制单元执行元件执行元件机

4、机床床反馈检测单元反馈检测单元三、数控机床伺服驱动系统的分类三、数控机床伺服驱动系统的分类 按其用途和功能分为：按其用途和功能分为： 进给驱动系统和主轴驱动系统进给驱动系统和主轴驱动系统 按其控制原理和有无反馈环节分：按其控制原理和有无反馈环节分： 开环系统、闭环系统和半闭环系统开环系统、闭环系统和半闭环系统 按驱动执行元件的动作原理分为：按驱动执行元件的动作原理分为： 电液伺服系统和电气伺服系统电液伺服系统和电气伺服系统。其中电气。其中电气伺服系统又可分为伺服系统又可分为直流伺服驱动系统和交流直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统。伺服驱动系统。1、 开环控制和闭环控制进给系统特点开环控制和闭环

5、控制进给系统特点（1）开环控制系统）开环控制系统 结构较简单，调试、维修、使用方便、成本低结构较简单，调试、维修、使用方便、成本低 无位置反馈环节，系统稳定；无位置反馈环节，系统稳定； 速度及精度较低。速度及精度较低。步进电机步进电机工作台工作台CNC指令脉冲指令脉冲开环控制系统结构图开环控制系统结构图（2）半闭环与闭环进给系统）半闭环与闭环进给系统特点：特点：结构比较复杂，安装调试比较麻烦；结构比较复杂，安装调试比较麻烦；加工精度高，速度快。加工精度高，速度快。 +指令指令位置位置检测检测测量与反馈-速度控制单元位置调节器伺服电机工作台半闭环控制半闭环控制（3）闭环进给系统）闭环进给系统2、

6、进给驱动与主轴驱动、进给驱动与主轴驱动 进给驱动用于数控机床工作台或刀架坐标的进给驱动用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程的转矩。动，并提供切削过程的转矩。 主轴驱动控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴驱动控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动率和所需的切削力。主轴提供驱动率和所需的切削力。3 、直流伺服驱动与交流伺服驱动、直流伺服驱动与交流伺服驱动 直流大惯量伺服电机有良好的宽调速性能。直流大惯量伺服电机有良好的宽调速性能。 输出转矩大，过载能力强，输出转矩大，过载能力强， 由于电机惯性与机床传动部件的

7、惯量相当，由于电机惯性与机床传动部件的惯量相当，构成闭环后易于调整。构成闭环后易于调整。 直流中小惯量伺服电机适于数控机床对于频直流中小惯量伺服电机适于数控机床对于频繁启动、制动，快速定位、切削的要求。繁启动、制动，快速定位、切削的要求。 交流电机的一个最大优点是交流容易维修，交流电机的一个最大优点是交流容易维修，制造简单，易于向大容量、高速度方向发展。制造简单，易于向大容量、高速度方向发展。 缺点缺点:电刷和换向电刷和换向四、数控系统常用伺服电机四、数控系统常用伺服电机 1、步进电机、步进电机 开环进给驱动装置，在经济型数控机床上用；开环进给驱动装置，在经济型数控机床上用；2、改进型直流电机

8、、改进型直流电机 在静态和动态特性较普通直流电机所改变，早期在静态和动态特性较普通直流电机所改变，早期使用；使用；3、小惯量直流电机、小惯量直流电机 减小电枢的转动惯量，获得好的快速性，早期使减小电枢的转动惯量，获得好的快速性，早期使用；用；4、永磁直流伺服电机、永磁直流伺服电机 能在较大过载转矩下长期工作；可在低速下能在较大过载转矩下长期工作；可在低速下(1r/mm甚至甚至0.1r/mm)平稳运转。平稳运转。70年代年代80年代年代中期广泛应用，目前还在使用；中期广泛应用，目前还在使用；5、无刷直流电机：、无刷直流电机： 实质是交流调速电机的一种。性能达到直流电机的实质是交流调速电机的一种。

9、性能达到直流电机的水平，又取消换向器及电刷部件，电机寿命提高一水平，又取消换向器及电刷部件，电机寿命提高一个数量级；个数量级；6、交流调速电机、交流调速电机： 自自80年代中期开始，以异步电机和永磁同步电机为年代中期开始，以异步电机和永磁同步电机为基础的交流进给驱动得到迅速的发展，是进给驱动基础的交流进给驱动得到迅速的发展，是进给驱动的一个发展方向。的一个发展方向。第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 一、步进电机一、步进电机 步进电机是将电脉冲信号转换成角位移；步进电机是将电脉冲信号转换成角位移； 角位移量与电脉冲数成正比；角位移量与电脉冲数成正比； 转速与电脉冲频率成正比。转

10、速与电脉冲频率成正比。1、步进电机的种类和结构、步进电机的种类和结构（1）分类）分类 分类方式分类方式具体类型具体类型按力矩产按力矩产生的原理生的原理1）反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生）反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行。反应力矩实现步进运行。2）激磁式：定、转子均有激磁绕组，由电磁力矩实）激磁式：定、转子均有激磁绕组，由电磁力矩实现步进运行现步进运行按输出力按输出力矩大小矩大小1）伺服式：力矩小，只能驱动较小的负载）伺服式：力矩小，只能驱动较小的负载2）功率式：输出力矩大，可直接驱动工作态等较大）功率式：输出力矩大，可直接驱动工作态等较大的负载。的负载

11、。按定子数按定子数1）单定子式）单定子式 2）双定子式）双定子式 3）三定子式）三定子式 4）多定子式）多定子式按各组绕按各组绕组分布组分布1）径向分相式：电机各相按圆周依次排列）径向分相式：电机各相按圆周依次排列2）轴向分向式：电机各相按轴向依次排列）轴向分向式：电机各相按轴向依次排列 激磁绕组激磁绕组转子转子定子定子2、反应式步进电机工作原理、反应式步进电机工作原理1）电机的电机的转速转速取决于绕组与取决于绕组与电源接通或断开的变化电源接通或断开的变化频率频率；2）电机的转动）电机的转动方向方向取决于绕组取决于绕组通电的顺序通电的顺序；3）电机转过的）电机转过的角度角度取决于取决于通电的次

12、数通电的次数。4）电动机定子绕组每改变一次通电方式）电动机定子绕组每改变一次通电方式称为一拍称为一拍5）每输入一个脉冲信号，转子转过的角度）每输入一个脉冲信号，转子转过的角度步距角步距角 上述通电方式称为：三相单三拍。（三相三拍）上述通电方式称为：三相单三拍。（三相三拍） 单单每次通电时，只有一相绕组通电；每次通电时，只有一相绕组通电； 双双每次通电时，有两相绕组通电；每次通电时，有两相绕组通电； 三拍三拍经过三次切换绕组的通电状态为一个循环；经过三次切换绕组的通电状态为一个循环； 除此之外的通电方式还有：除此之外的通电方式还有： 三相双三拍：三相双三拍： ABBCCAAB 三相单双六拍：三相

13、单双六拍： AABBBCCCAA 设步进电机的定子绕组有设步进电机的定子绕组有m相；转子齿数为相；转子齿数为Z齿；通齿；通电方式系数为电方式系数为k 则每输入一个脉冲电信号，转子的步距角则每输入一个脉冲电信号，转子的步距角有：有： mzk360通电拍数相同时通电拍数相同时k=1；不同时不同时k=2。 步进电机的步距角越小，位置精度越高步进电机的步距角越小，位置精度越高。 由上式知道：磁极数越多，转子齿数越多，步距角就由上式知道：磁极数越多，转子齿数越多，步距角就越小。越小。m:相数相数, z:齿数齿数; k: m相相m拍时拍时k取取1,m相相2m拍时拍时 k取取2; 最常见的一种小步距角三相反

14、应式步进电机如图所示。最常见的一种小步距角三相反应式步进电机如图所示。设定子有设定子有A、B、C三相绕组，转子上均匀分布三相绕组，转子上均匀分布40个齿，个齿，定子上每个极有定子上每个极有5个齿，与转子上的齿宽和齿距相同个齿，与转子上的齿宽和齿距相同采用单三拍运行方式：采用单三拍运行方式：3403360 三相六拍运行方式：三相六拍运行方式：5 . 12403360 若输入一个脉冲，转子转过若输入一个脉冲，转子转过 转转mzk1故电动机的转速故电动机的转速n为：为：如果每秒输入如果每秒输入f个脉冲，电动机的转子个脉冲，电动机的转子 每秒每秒 钟转钟转mzkf(r/min) mzkf (r/s)

15、mzkfn60 f 定子和转子都分为定子和转子都分为5段，呈轴向分布；有段，呈轴向分布；有16个个齿均匀分布在圆周上，齿均匀分布在圆周上， 齿距齿距=360/16=22.5；各相定子彼此径向错开；各相定子彼此径向错开1/5个齿的齿距；个齿的齿距；如按如按5相相5拍通电，则步距角为：拍通电，则步距角为： 如按如按5相相10拍通电，即拍通电，即ABABCBCBCDCDCDE.，步距角为：步距角为： 5 . 455 .22 25. 255 . 4例如：例如：110BF003代表该步进电机为反应式，外径代表该步进电机为反应式，外径110mm，三相控制绕组三相控制绕组反应式步进电机的型号表示：反应式步进

16、电机的型号表示： 定子绕组相数定子绕组相数BF：反应式反应式BGY：混合式混合式电动机外径（单位：电动机外径（单位：mm）3、步进电机工作特点：、步进电机工作特点：1）步进电机受脉冲电流的控制，转子的角位移和角）步进电机受脉冲电流的控制，转子的角位移和角速度与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比，改变速度与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比，改变相的通电顺序可以改变步进电机的旋转方向；相的通电顺序可以改变步进电机的旋转方向；2）步进电机有自整角能力，不需机械制动；）步进电机有自整角能力，不需机械制动；3）步距无累积误差；）步距无累积误差；4）步进电机的效率低，脉冲当量不能太小，调速范）步进电机的效率低，

17、脉冲当量不能太小，调速范围不大。围不大。 四、步进电机的主要特性四、步进电机的主要特性1、步距误差、步距误差 步距误差直接影响执行部件的定位精度。步距误差直接影响执行部件的定位精度。 单相通电时，步距误差由定子和转子的分齿单相通电时，步距误差由定子和转子的分齿精度和各相定子错位角度的精度确定；精度和各相定子错位角度的精度确定； 多相通电时，步距误差还和各相电流的大小、多相通电时，步距误差还和各相电流的大小、磁路性能等因素有关。磁路性能等因素有关。2、单相通电的矩角特性、单相通电的矩角特性单相通电时的电磁转矩与失调角之间的关系称为单相单相通电时的电磁转矩与失调角之间的关系称为单相通电时的矩角特性

18、。其大至上是一条正弦曲线。通电时的矩角特性。其大至上是一条正弦曲线。Mjmax-最大静态转矩最大静态转矩,表明了电机能承受的最大静态表明了电机能承受的最大静态负载转矩。负载转矩。各相绕组单相通电的矩角特性不能相差太大。各相绕组单相通电的矩角特性不能相差太大。失调角失调角 eM eMjmax多相通电时的矩角特性，可根据单相通电的矩角特性以多相通电时的矩角特性，可根据单相通电的矩角特性以向量和的方式算出。向量和的方式算出。 当步进电机励磁绕组相数大于当步进电机励磁绕组相数大于3时，多相通电多数时，多相通电多数能提高输出转矩。能提高输出转矩。 所以功率较大的步进电机多数采用多于三相的励磁所以功率较大

19、的步进电机多数采用多于三相的励磁绕组，且多相通电。绕组，且多相通电。步进电机多相通电时的转矩步进电机多相通电时的转矩11.73221.732111.6181.618111.4141116543电机相数电机相数54321432132121同时通电同时通电相数相数maxjM合成转矩合成转矩3、启动转矩、启动转矩Mq当电机所带负载当电机所带负载MLMq时，电机可不失步的启动。时，电机可不失步的启动。A B CMq e2、最高启动频率和最高工作频率、最高启动频率和最高工作频率最高启动频率最高启动频率fg： 步进电机由静止突然启动，并不失步地进步进电机由静止突然启动，并不失步地进入稳速运行，所允许的启动

20、频率的最高值。入稳速运行，所允许的启动频率的最高值。最高启动频率最高启动频率fg与步进电机的惯性负载与步进电机的惯性负载J有有关。关。最高工作频率：最高工作频率： 步进电机连续运行时所能接受的最高频率。步进电机连续运行时所能接受的最高频率。3、输出的转矩、输出的转矩频率特性频率特性Md(N.m)f(Hz)在步进电机正常运转时，若输入脉冲的频率逐渐增加，在步进电机正常运转时，若输入脉冲的频率逐渐增加，则电机所能带动的负载转矩将逐渐下降。则电机所能带动的负载转矩将逐渐下降。五、步进电机开环进给伺服系统五、步进电机开环进给伺服系统1、传动计算目的：、传动计算目的： 计算齿轮传动比计算齿轮传动比i，确

21、定齿数确定齿数(Z1、Z2)，以以 满足脉冲当量满足脉冲当量的要求。的要求。 提高步进电机的负载能力。提高步进电机的负载能力。（1） 直线进给系统直线进给系统已知：进给系统的脉冲当量已知：进给系统的脉冲当量mm；步进电机的步进电机的步距角步距角；滚珠丝杠的导程滚珠丝杠的导程t mm；求：求： 齿轮传动比齿轮传动比 i。 t 3602Z1Ziti3601）为了求得所需的脉冲当量；）为了求得所需的脉冲当量；2）满足结构要求和增大转矩的作用。）满足结构要求和增大转矩的作用。步进电机的进给系统使用齿轮传动的作用：步进电机的进给系统使用齿轮传动的作用：（2）圆周进给系统圆周进给系统 已知：脉冲当量为已知

22、：脉冲当量为，蜗杆为蜗杆为Zk头，蜗轮为头，蜗轮为ZW点，点，则：则： wk21oZZZZ2、步进电机的驱动电路、步进电机的驱动电路 脉冲信号功率放大脉冲信号功率放大软件实现软件实现环行分配器环行分配器硬件实现硬件实现脉冲分配脉冲分配3、步进电机的驱动控制线路步进电机的驱动控制线路 功能：功能：将具有一定频率、一定数量和方向的进给将具有一定频率、一定数量和方向的进给脉冲转换成控制步进电机各相定子绕组通断电的电脉冲转换成控制步进电机各相定子绕组通断电的电平信号。平信号。 一个较完善的步进电机的驱动控制线路包括脉冲混一个较完善的步进电机的驱动控制线路包括脉冲混合电路、加减速电路、环形分配器和功率放

23、大器合电路、加减速电路、环形分配器和功率放大器（1）脉冲混合电路）脉冲混合电路 功能：将一些信号混合为使工作台正向进给的功能：将一些信号混合为使工作台正向进给的“正向正向进给进给”信号或使工作台负向进给的信号或使工作台负向进给的“负向进给负向进给”信号。信号。（2）加减脉冲分配电路）加减脉冲分配电路 功能：从正向进给方向的进给脉冲指令中抵消相同数功能：从正向进给方向的进给脉冲指令中抵消相同数量的反方向补偿脉冲。量的反方向补偿脉冲。（3）加减速电路）加减速电路 由同步器、可逆计数器、数模转换电路由同步器、可逆计数器、数模转换电路和和RC 变频振荡器组成。变频振荡器组成。包括三部分：包括三部分：1

24、）升速过程（）升速过程（ fa=fb )2）均匀过程（均匀过程（fa=fb 后）后）3）降速过程）降速过程 在整个过程中，进给脉冲在整个过程中，进给脉冲Pa时可逆计数器作加法计时可逆计数器作加法计数，数，RC变频振荡器的输变频振荡器的输出脉冲出脉冲Pb , 使其作减法计使其作减法计数。由于数。由于RC变频振荡器变频振荡器的输出脉冲的输出脉冲Pb 是进入步是进入步进电机的工作脉冲，因此，进电机的工作脉冲，因此，经过加法减速电路保证不经过加法减速电路保证不会产生丢步。会产生丢步。（4）环形分配器）环形分配器 设计环形分配器时，先确定步进电机的工作状态。设计环形分配器时，先确定步进电机的工作状态。

25、常用的步进电机的工作方式：常用的步进电机的工作方式：运转方式运转方式三相三拍三相三拍三相六拍三相六拍四相四拍四相四拍四相八拍四相八拍五相五拍五相五拍五相十拍五相十拍拍号拍号ABCABCABCDABCDABCDEABCDE11001001100110011000110002010110011011100110011100300101000110110001100110041000111001011110001011105001110000111100000110610110110011171001001000118110110011911001000110110011111000（5）功率放大器

26、）功率放大器 由环形分配器输出的脉冲功率很小由环形分配器输出的脉冲功率很小(只有几十只有几十毫安毫安)，不能直接驱动步进电机的绕组，需进，不能直接驱动步进电机的绕组，需进行功率放大，使脉冲电流达行功率放大，使脉冲电流达110A才行。才行。1）单电压供电功放器）单电压供电功放器缺点：缺点： 由于由于R0的存在，无功功率耗增大。适用于的存在，无功功率耗增大。适用于小功率步进电机。小功率步进电机。3、提高步进伺服系统精度的措施、提高步进伺服系统精度的措施（1）传动间隙补偿）传动间隙补偿当收到反向位移指令后，由间隙补偿软件或补偿电路当收到反向位移指令后，由间隙补偿软件或补偿电路产生一定数量的补偿脉冲，

27、使步进电机转动越过传动产生一定数量的补偿脉冲，使步进电机转动越过传动间隙，然后再按指令脉冲使执行部件作准确的位移。间隙，然后再按指令脉冲使执行部件作准确的位移。（2）螺距误差补偿）螺距误差补偿具体做法：具体做法：1）安置两个补偿杆分别负责正误差和负误差的补偿。）安置两个补偿杆分别负责正误差和负误差的补偿。2）在两个补偿杆上，根据丝杠全程的误差分析及上述误）在两个补偿杆上，根据丝杠全程的误差分析及上述误差补偿原理，设置补偿开关或挡块；差补偿原理，设置补偿开关或挡块；3）当机床工作台移动时，安装在机床上的微动开关每于）当机床工作台移动时，安装在机床上的微动开关每于挡块接触一次，就发出一个误差补偿信

28、号，对螺距误挡块接触一次，就发出一个误差补偿信号，对螺距误差进行补偿，以消除螺距的累计误差。差进行补偿，以消除螺距的累计误差。（3）细分线路）细分线路n把步进电机的一步再分得细一些。换句话说，把步进电机的一步再分得细一些。换句话说，采用十细分线路后，在进给采用十细分线路后，在进给速度速度不变的情况下，不变的情况下，可使脉冲当量缩小到原来的可使脉冲当量缩小到原来的1/10.第三节第三节 数控机床的检测装置数控机床的检测装置1、检测装置的作用、检测装置的作用 检测装置是数控机床闭环伺服系统的重要组成部分检测装置是数控机床闭环伺服系统的重要组成部分 其作用是：其作用是：检测位移和速度，发送反馈信号，

29、构成检测位移和速度，发送反馈信号，构成闭环控制。闭环控制。 闭环控制的数控机床的加工精度主要取决于闭环控制的数控机床的加工精度主要取决于检测系检测系统的精度。统的精度。2、数控机床对位置检测装置的要求、数控机床对位置检测装置的要求1)、高的可靠性和高抗干扰性；、高的可靠性和高抗干扰性；2)、使用维护方便，适合机床运行环境；、使用维护方便，适合机床运行环境；3)、满足精度与速度要求和机床工作行程的要求；、满足精度与速度要求和机床工作行程的要求；4)、成本低；、成本低；5)、便于与数控系统相联。、便于与数控系统相联。 不同类型数控机床对检测装置的精度和适应的速度不同类型数控机床对检测装置的精度和适

30、应的速度要求是不同的：要求是不同的： 对于大型机床以满足速度要求为主；对于大型机床以满足速度要求为主； 对中、小型机床和高精度机床以满足精度要求为主。对中、小型机床和高精度机床以满足精度要求为主。3、检测装置的分类、检测装置的分类（1）按检测信号的类型分）按检测信号的类型分 连续变量来表示连续变量来表示模拟式：被测量的量用模拟式：被测量的量用数字式的装置数字式的装置大多数的数控系统采用大多数的数控系统采用数字的形式来表示数字的形式来表示数字式：被测量的量以数字式：被测量的量以（2）按测量方式分类）按测量方式分类（3）按测量获得的值来分类）按测量获得的值来分类 绝对式测量和绝对式测量和 增量式测

31、量：增量式测量： 元元件件测测量量线线位位移移采采用用回回转转型型检检测测间间接接测测量量：对对机机床床的的直直元元件件测测量量线线位位移移采采用用直直线线型型检检测测直直接接测测量量：对对机机床床的的直直绝对式绝对式增量式增量式绝对式绝对式增量式增量式绝对值式磁尺绝对值式磁尺直线感应同步器直线感应同步器磁尺磁尺容栅容栅编码尺编码尺长光栅长光栅直线干直线干涉仪涉仪直直线线型型多极旋转变压器多极旋转变压器旋转变压器旋转变压器圆感应同步器圆感应同步器圆磁栅圆磁栅编码盘编码盘圆光栅圆光栅回回转转型型模拟式模拟式数字式数字式常用位置检测元件常用位置检测元件一、旋转变压器一、旋转变压器1、旋转变压器结构

32、、旋转变压器结构 分为定子和转子分为定子和转子 根据转子绕组两种不同的引出方式分为有刷式和无根据转子绕组两种不同的引出方式分为有刷式和无刷式两种结构。刷式两种结构。2、旋转变压器的工作原理、旋转变压器的工作原理设加在定子绕组设加在定子绕组S1S2的激磁电压为的激磁电压为 Vs= Vmsint转子绕组感应电动势为转子绕组感应电动势为VB= KVs sin =KVm sinsintK：电磁耦合系数电磁耦合系数 Vm：Vs的幅值的幅值：转子的转角转子的转角二、感应同步器二、感应同步器n感应同步器是一种电磁式位置检测元件，按其结构感应同步器是一种电磁式位置检测元件，按其结构分为直线式和旋转式。分为直线

33、式和旋转式。n直线式感应同步器由定尺和滑尺组成（直线位移测直线式感应同步器由定尺和滑尺组成（直线位移测量）旋转式感应同步器由定子和转子组成。（角位量）旋转式感应同步器由定子和转子组成。（角位移测量）移测量）1、结构特点结构特点定尺定尺滑尺滑尺：连续绕组：连续绕组正弦绕组正弦绕组余弦绕组余弦绕组定尺和滑尺的节距相同，定尺和滑尺的节距相同，标准型的感应同步器的节距为：标准型的感应同步器的节距为：2 =2mm两相绕组在空间相差两相绕组在空间相差1/2个节距个节距2、工作原理、工作原理nA点表示滑尺绕组与定尺点表示滑尺绕组与定尺绕组重合，定尺绕组中绕组重合，定尺绕组中的感应电势最大。的感应电势最大。n

34、B点表示两绕组错开点表示两绕组错开1/4节距，感应电势减为零。节距，感应电势减为零。nC点表示两绕组错开点表示两绕组错开1/2节距，感应电势负的最节距，感应电势负的最大。大。nD点表示两绕组错开点表示两绕组错开3/4节距，感应电势再次变节距，感应电势再次变为零。为零。滑尺在移动一个节距的过程中，感应同步滑尺在移动一个节距的过程中，感应同步器定尺绕组的感应电势近似于余弦函数变器定尺绕组的感应电势近似于余弦函数变化了一个周期。化了一个周期。 设设VS是加在滑尺任一绕组上的激磁交变电是加在滑尺任一绕组上的激磁交变电压压 ： VS=Vmsin t 定尺绕组上的感应电势为：定尺绕组上的感应电势为： VB

35、=KVScos = KVmcos sin t 式中：式中： K-电磁耦合系数电磁耦合系数 Vm-V的幅值的幅值 -反映定尺和滑尺的相对移动的距离反映定尺和滑尺的相对移动的距离xxx 22三、光栅三、光栅1、光栅的种类及结构、光栅的种类及结构（1）光栅种类）光栅种类 按反射的原理分：按反射的原理分： 1）透视光栅）透视光栅 在玻璃的表面制成透明与不透明间隔相等的线纹。在玻璃的表面制成透明与不透明间隔相等的线纹。 其特点为：其特点为： 光源可垂直入射，信号幅度大，读数头结构光源可垂直入射，信号幅度大，读数头结构 较简较简单；单； 每毫米上的线纹数多。每毫米上的线纹数多。 玻璃易碎，热胀系数与金属部

36、件不一致。玻璃易碎，热胀系数与金属部件不一致。2）反射光栅）反射光栅 在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的线纹。在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的线纹。 其特点为：其特点为： 长光栅的热胀系数容易做成与机休材料一致；长光栅的热胀系数容易做成与机休材料一致； 长光栅的安装和调整比较方便；长光栅的安装和调整比较方便； 安装面积较小；安装面积较小； 易于接长；易于接长； 不易碰碎；不易碰碎； 形成的莫尔条纹反差较大，每毫米内线纹不宜过多。形成的莫尔条纹反差较大，每毫米内线纹不宜过多。按形状分：按形状分：（2）光栅位置检测装置的结构）光栅位置检测装置的结构 圆圆光光栅栅：测测量量角角位位

37、移移长长光光栅栅：测测量量直直线线位位移移 硅硅光光电电池池等等元元件件指指示示光光栅栅标标尺尺光光栅栅（长长光光栅栅）聚聚光光镜镜光光源源2、光栅的工作原理、光栅的工作原理（1）摩尔条纹）摩尔条纹白色代表不透光，黑色代表透光白色代表不透光，黑色代表透光两条刻线之间的间隔称为栅距。两条刻线之间的间隔称为栅距。若若1毫米内刻毫米内刻100条线纹，则栅距为条线纹，则栅距为0.01mmWW为摩尔条纹的宽度。为摩尔条纹的宽度。可见：摩尔条纹可将原来的很小的栅距放大。可见：摩尔条纹可将原来的很小的栅距放大。莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点（1）放大作用）放大作用mm sinWc Wc莫尔条纹宽度；莫尔条纹宽

38、度； 栅距；栅距； 光栅线纹间的交角。光栅线纹间的交角。由于由于很小，很小，Wc可以比可以比大很多倍。大很多倍。例如：例如：=0.01mm，=0.001rad时，时， 莫尔条纹的宽度莫尔条纹的宽度Wc=10mm，其放大倍数相当于其放大倍数相当于1000倍，从而减化了放大电路。倍，从而减化了放大电路。 （2）平均效应）平均效应 起平均误差的作用起平均误差的作用 莫尔条纹是由许多根线纹组成的。如：光莫尔条纹是由许多根线纹组成的。如：光栅为栅为100线线/mm一条一条10mm长的莫尔条纹由：长的莫尔条纹由：100线线/mm10mm=1000条光栅线纹组成，条光栅线纹组成，光栅上线纹的间距误差就平均化

39、。光栅上线纹的间距误差就平均化。（3）莫尔条纹的移动规律与栅距之间的移动成）莫尔条纹的移动规律与栅距之间的移动成 比例比例 当光栅向左、右移动一个栅距当光栅向左、右移动一个栅距，莫尔条莫尔条纹也相应地向上、下移动一个纹也相应地向上、下移动一个WC。 莫尔条纹的移动有如下规律：莫尔条纹的移动有如下规律： 若长光栅不动，指示光栅逆时钟方向转若长光栅不动，指示光栅逆时钟方向转一个小角度（一个小角度（+），），然后向左移动，则然后向左移动，则莫尔条纹向上移动；反之，当指示光栅莫尔条纹向上移动；反之，当指示光栅向右移动，条纹向下移动。如果将指示向右移动，条纹向下移动。如果将指示光栅按顺时针方向转过一个小

40、角度光栅按顺时针方向转过一个小角度(-)，则情况与上述相反则情况与上述相反 。当光栅移动一个栅距时，摩尔条纹的亮度当光栅移动一个栅距时，摩尔条纹的亮度也变化了一个周期。也变化了一个周期。E光的强度光的强度x位移位移光电接收元件光电接收元件（）光栅的辨向（）光栅的辨向 采用一个光电元件所得到的光栅信号只能计数，采用一个光电元件所得到的光栅信号只能计数，但不能辨识运动方向，为了确定运动方向，至少但不能辨识运动方向，为了确定运动方向，至少要有两个光电元件。如图所示。要有两个光电元件。如图所示。光电元件光电元件S1光电元件光电元件S2两个光电元件位置间隔两个光电元件位置间隔1/4个摩尔条纹间距。个摩尔

41、条纹间距。产生的光电强度相差产生的光电强度相差900ExS1S2S2通过判断通过判断S1和和S2的超前或滞的超前或滞后来确定移后来确定移动的方向。动的方向。（3）光栅位移）光栅位移数字变换电路数字变换电路n为了提高光栅检测装置的精度，可以提高刻线精度为了提高光栅检测装置的精度，可以提高刻线精度和增加刻线密度。但刻线密度达和增加刻线密度。但刻线密度达200线线/mm以上的以上的细光栅刻线制造较困难，成本也高。因此，通常采细光栅刻线制造较困难，成本也高。因此，通常采用倍频的方法来提高光栅的分辨精度，见图用倍频的方法来提高光栅的分辨精度，见图6-26采采用四倍频方案用四倍频方案 。光电元件由四块光电

42、池组成，产生。光电元件由四块光电池组成，产生的信号，相位相差的信号，相位相差90度。该电路还将模拟位移转化度。该电路还将模拟位移转化为数字量。为数字量。 设光栅刻线的密度为：设光栅刻线的密度为：50线线/mm，采用采用4个光电元个光电元件和件和4个隙缝，每隔个隙缝，每隔1/4光栅节距产生一个脉冲。虽光栅节距产生一个脉冲。虽然光栅栅距为然光栅栅距为0.02mm，但但4倍频后，每一脉冲都相倍频后，每一脉冲都相当于当于5m，即分辨精度提高即分辨精度提高4倍。此外，还采用倍。此外，还采用8、10、20倍频及其它倍频线路。倍频及其它倍频线路。 xE四、脉冲编码器四、脉冲编码器 脉冲编码器是一种旋转式脉冲

43、发生器。它将脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器。它将转角电脉冲，是一种常用的角位移传感器。转角电脉冲，是一种常用的角位移传感器。 绝绝对对值值式式编编码码器器增增量量式式编编码码器器为为：按按编编码码的的方方式式分分，可可分分1、增量式编码器、增量式编码器增量式脉冲编码器实际上就是圆光栅。在圆增量式脉冲编码器实际上就是圆光栅。在圆盘的周围上分成等距的透光和不透光部分相盘的周围上分成等距的透光和不透光部分相间的辐射状线纹，该圆盘与工作轴一起旋转。间的辐射状线纹，该圆盘与工作轴一起旋转。 辨向指示光栅上有两段线纹组辨向指示光栅上有两段线纹组A和和B，每一组的线纹每一组的线纹间节距与圆光栅相同，而间节

44、距与圆光栅相同，而A组和组和B组的线纹彼此错开组的线纹彼此错开1/4节距。指示光栅固定在底座上，与圆光栅的线纹节距。指示光栅固定在底座上，与圆光栅的线纹平行的放置，两者保持一定距离。平行的放置，两者保持一定距离。 光线透过圆光栅光线透过圆光栅和指示光栅的线和指示光栅的线纹，在光电元件纹，在光电元件上形成明暗交替上形成明暗交替变化的条纹，产变化的条纹，产生近似于正弦波生近似于正弦波的电流信号的电流信号A和和B，两者的相位相差两者的相位相差90度。度。若若A相超前于相超前于B相相 电机作电机作正向旋转；正向旋转；若若B相超前于相超前于A相相 电机作电机作反向旋转反向旋转 ；C相是一转脉冲，产生机床

45、相是一转脉冲，产生机床的基准点，又称零点脉冲。的基准点，又称零点脉冲。 在应用时，从脉冲编码器输出的在应用时，从脉冲编码器输出的A和，和，B和四个方波引入和四个方波引入位置控制回路，经辨向和乘以倍率后，变成代表位移量位置控制回路，经辨向和乘以倍率后，变成代表位移量的测量脉冲；经频率一电压变换变成正比于频率的电压，的测量脉冲；经频率一电压变换变成正比于频率的电压，作为速度反馈信号，速度控制单元进行速度调节。作为速度反馈信号，速度控制单元进行速度调节。2、绝对值式编码器、绝对值式编码器n增量式脉冲编码有个缺点：在加工过程增量式脉冲编码有个缺点：在加工过程中，若遇因故障而停止加工时，一旦故中，若遇因

46、故障而停止加工时，一旦故障排除后，就不能找到事故前执行部件障排除后，就不能找到事故前执行部件的正确位置。采用绝对值编码器就可以的正确位置。采用绝对值编码器就可以解决这个问题。解决这个问题。n绝对式编码器可以直接把被测转角过位绝对式编码器可以直接把被测转角过位移转换成相应的代码，指示的是绝对位移转换成相应的代码，指示的是绝对位置而无绝对误差。置而无绝对误差。注：白色部分透光注：白色部分透光表示表示0；黑色部分透光黑色部分透光表示表示1；圆盘内端圆盘内端(靠轴端靠轴端)是二进制高位，外端是二进是二进制高位，外端是二进制的低位。制的低位。 （1）分类）分类 接触式、光电式和电磁式等接触式、光电式和电

47、磁式等（2）工作原理）工作原理 通过读取编码盘上的图案来表示轴的位置。通过读取编码盘上的图案来表示轴的位置。 采用的编码有：二进制编码、二进制循环码、二采用的编码有：二进制编码、二进制循环码、二十进制码等；十进制码等；（3）二进制与二进制循环码的比较）二进制与二进制循环码的比较二进制编码方式的缺点：图案转移点不明确，容易二进制编码方式的缺点：图案转移点不明确，容易产生读数错误。产生读数错误。二进制循环编码：图案的切换每次只有一位数，能二进制循环编码：图案的切换每次只有一位数，能把误读控制在一个数的单位内，提高可靠性。把误读控制在一个数的单位内，提高可靠性。4、绝对值式编码的特点、绝对值式编码的

48、特点1）可以直接读出角度坐标的绝对值；）可以直接读出角度坐标的绝对值； 2）没有累积误差；）没有累积误差；3）电源切除后，位置信息不会丢失；）电源切除后，位置信息不会丢失；4）允许的最高转速比增量式编码器高。）允许的最高转速比增量式编码器高。 第四节第四节 闭环伺服系统闭环伺服系统优点：优点： 工作可靠、抗干扰性强，伺服精度高。工作可靠、抗干扰性强，伺服精度高。缺点：缺点： 结构复杂，调试、使用与维护也相对更困难。结构复杂，调试、使用与维护也相对更困难。一、闭环伺服系统的执行元件一、闭环伺服系统的执行元件 执行元件是它的重要组成部分，它的作用是把驱动线执行元件是它的重要组成部分，它的作用是把驱

49、动线路的电信号转化为机械运动，整个伺服系统的调速性路的电信号转化为机械运动，整个伺服系统的调速性能、动态特性，运行精度均与执行元件有关。能、动态特性，运行精度均与执行元件有关。伺服系统对执行元件有如下的要求：伺服系统对执行元件有如下的要求： 调速范围宽且具有良好的稳定性，尤其调速范围宽且具有良好的稳定性，尤其是低速运行的稳定性和均匀性。是低速运行的稳定性和均匀性。 负载特性硬，即使在低速时也有足够的负载特性硬，即使在低速时也有足够的负载能力。负载能力。 尽可能的减少电机的转动惯量，以提高尽可能的减少电机的转动惯量，以提高系统的快速动态响应。系统的快速动态响应。 能够频繁启、停及换向。能够频繁启

50、、停及换向。1、直流伺服电机、直流伺服电机（1）小惯量直流伺服电机）小惯量直流伺服电机特点：特点：1）转动惯量小，约为一般直流电机的）转动惯量小，约为一般直流电机的1/10。2）具有良好的换向性能。）具有良好的换向性能。3）由于转子无槽，保证了低速运行的稳定性和均匀）由于转子无槽，保证了低速运行的稳定性和均匀性。在转速低达性。在转速低达10r/min时无爬行现象。时无爬行现象。4）过载能力强，最大电磁转矩可达额定值的）过载能力强，最大电磁转矩可达额定值的10倍。倍。5）热时间常数较小，容许过载的持续时间不能太长。）热时间常数较小，容许过载的持续时间不能太长。（2）宽调速直流伺服电机）宽调速直流

51、伺服电机n它是在维持一般直流电机较大转动惯量的前提下，它是在维持一般直流电机较大转动惯量的前提下，尽可能提高转矩的方法来改善其动态特性。具有尽可能提高转矩的方法来改善其动态特性。具有快速响应性能，即较好的输出转矩快速响应性能，即较好的输出转矩/惯量的比值。惯量的比值。n特点：特点：1）高转矩高转矩 2）调速范围宽调速范围宽 3）动态响应好）动态响应好 4）过载能力强过载能力强 5）易于调试易于调试（3）直流伺服电机的速度调节）直流伺服电机的速度调节n直流伺服电机的调整方法主要是调整电机电枢电压。直流伺服电机的调整方法主要是调整电机电枢电压。n一般直流速度控制单元较多采用晶闸管调速系统和一般直流

52、速度控制单元较多采用晶闸管调速系统和晶体管脉宽调制晶体管脉宽调制(PWM)调速系统。调速系统。nPWM调速原理是利用脉宽调制器对大功率晶体管开调速原理是利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成关放大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的方波电压，加到直流电机某一频率的方波电压，加到直流电机 电枢两端，通电枢两端，通过对方波脉冲宽度的控制改变电枢两端的平均电压，过对方波脉冲宽度的控制改变电枢两端的平均电压，从而达到调节电机转速的目的。从而达到调节电机转速的目的。（1）PWM工作原理工作原理 图图a中的开关中的开关S周期的闭合、断开，开和断的周期是周期的

53、闭合、断开，开和断的周期是T。在一个周期内，闭合时间为在一个周期内，闭合时间为,若外加电源的电压若外加电源的电压U是是常数，则电源加到电机电枢上的电压波形将是一个方常数，则电源加到电机电枢上的电压波形将是一个方波，它的平均值波，它的平均值Ua 为为: Ua =r U。 = /T ,称为导通率称为导通率。 当当T不变时，只要连续地改变不变时，只要连续地改变 (0T),就可就可使电枢电压的平均值由使电枢电压的平均值由0连续变化到连续变化到U，从而连续地改变电机的转速。从而连续地改变电机的转速。UUTUa PWM调速系统的特点：调速系统的特点： 频带宽：截止频率高于晶闸管，系统有较高频带宽：截止频率

54、高于晶闸管，系统有较高的工作频率，其开关工作频率多为的工作频率，其开关工作频率多为2kHz或或5KHz。 电机脉动小：输出转矩平稳，对低速加工有电机脉动小：输出转矩平稳，对低速加工有利。利。 电源的功率因数高。电源的功率因数高。 动态硬度好，系统具有良好的线性。动态硬度好，系统具有良好的线性。2、交流伺服电机、交流伺服电机特点：特点： 转子惯量较直流电机小，动态响应好，能在较宽的转子惯量较直流电机小，动态响应好，能在较宽的范围内产生理想的转矩，结构简单，运行可靠。范围内产生理想的转矩，结构简单，运行可靠。 交流伺服电机的速度调节通常由调频调速的方法实交流伺服电机的速度调节通常由调频调速的方法实

55、现。现。)1(120spfn 交流伺服电机变频调速的关键问题是获得调速调压交流伺服电机变频调速的关键问题是获得调速调压的交流电源。实现调频调压通常采用交流的交流电源。实现调频调压通常采用交流直直流流交交流的变换电路实现，其主要组成部分是电流逆变流的变换电路实现，其主要组成部分是电流逆变器。器。二、鉴相式伺服系统二、鉴相式伺服系统n鉴相式伺服系统是采用相位比较方法实现位置闭环鉴相式伺服系统是采用相位比较方法实现位置闭环及半闭环控制的伺服系统。及半闭环控制的伺服系统。1、鉴相式伺服系统的基本组成和工作原理、鉴相式伺服系统的基本组成和工作原理 主要基准信号发生器、鉴相器、检测元件及信号处主要基准信号

56、发生器、鉴相器、检测元件及信号处理线路、脉冲调相器和执行元件等组成。理线路、脉冲调相器和执行元件等组成。基准信号发生器输出一列具有一定频率的脉冲信号，基准信号发生器输出一列具有一定频率的脉冲信号，其作用是为伺服系统提供一个相位比较的基准。其作用是为伺服系统提供一个相位比较的基准。脉冲调相器是将脉冲信号转换为相位变化信号，脉冲调相器是将脉冲信号转换为相位变化信号，该相位变化信号可用正弦波或方波表示。该相位变化信号可用正弦波或方波表示。检测元件及信号处理线路的作用是检测工作台的位移，检测元件及信号处理线路的作用是检测工作台的位移，并表达为基准信号之间的相位差。此相位差的大小代表并表达为基准信号之间

57、的相位差。此相位差的大小代表了工作台的实际位移量。了工作台的实际位移量。鉴相器的输入信号有两路：鉴相器的输入信号有两路：1.来自脉冲调相器的指令来自脉冲调相器的指令进给信号。进给信号。2.来自检测元件及信号线路的反馈信号。这来自检测元件及信号线路的反馈信号。这两路信号用它们与基准信号之间的相位差表示，且同两路信号用它们与基准信号之间的相位差表示，且同频率、同周期。鉴相器的作用是鉴别出两个信号之间频率、同周期。鉴相器的作用是鉴别出两个信号之间的相位差，并以与此相位差信号成正比的电压信号输的相位差，并以与此相位差信号成正比的电压信号输出。鉴相器的输出信号比较弱，需要进行电压和功率出。鉴相器的输出信

58、号比较弱，需要进行电压和功率放大，再去驱动执行元件。放大，再去驱动执行元件。2、鉴相式伺服系统的类别、鉴相式伺服系统的类别（1）以旋转变压器为测量元件的半闭环伺服）以旋转变压器为测量元件的半闭环伺服系系,是以旋转变压器为测量元件，它的执行是以旋转变压器为测量元件，它的执行元件是宽调速直流电机。元件是宽调速直流电机。（2）以直线式感应同步器为测量元件的闭环）以直线式感应同步器为测量元件的闭环伺服系统，与（伺服系统，与（1）的唯一区别是测量元件）的唯一区别是测量元件直接安装在机床的工作台。直接安装在机床的工作台。（3）以光栅为测量元件的数字相位比较伺服）以光栅为测量元件的数字相位比较伺服系统。它的

59、测量元件是光栅，执行元件是宽系统。它的测量元件是光栅，执行元件是宽调速直流伺服电机。调速直流伺服电机。3、鉴相式伺服系统的主要控制线路、鉴相式伺服系统的主要控制线路（1）脉冲调相器脉冲调相器（2）鉴相器）鉴相器n鉴相器的主要功能是鉴别两个输入信号的鉴相器的主要功能是鉴别两个输入信号的相位差及其超前滞后关系。相位差及其超前滞后关系。n常用的鉴相器有两种：常用的鉴相器有两种：二极管鉴相器：它可以鉴别正弦信号之间的二极管鉴相器：它可以鉴别正弦信号之间的相位差；相位差；门电路型鉴相器：它对方波信号之间的相位门电路型鉴相器：它对方波信号之间的相位差进行鉴别差进行鉴别三、鉴幅式伺服系统三、鉴幅式伺服系统

60、鉴幅式伺服系统是以位移检测信号的幅值大小来反映鉴幅式伺服系统是以位移检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指令信机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较构成的闭环控制系统。号进行比较构成的闭环控制系统。1、鉴幅式伺服系统的工作原理、鉴幅式伺服系统的工作原理它与鉴相式伺服系统的主要区别它与鉴相式伺服系统的主要区别n它的测量元件是以鉴幅式工作状态进行，可用于鉴幅它的测量元件是以鉴幅式工作状态进行，可用于鉴幅式伺服系统的测量元件有旋转变压器和感应同步器；式伺服系统的测量元件有旋转变压器和感应同步器；n比较器所比较的是数字脉冲量而不是相位信号。比较器所比较的是数字脉冲