数控技术第4章1

1、 湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院1第4章 进给伺服驱动系统 4.1 概述概述4.2 位置检测装置位置检测装置4.3 进给电机及驱动进给电机及驱动4.4 交流进给伺服系统的控制原理和方法交流进给伺服系统的控制原理和方法4.5 伺服系统性能分析伺服系统性能分析2 4.1 概述概述3 4.1 概述概述4 4.1 概述概述5 4.1 概述概述 6 t F tp 4.1 概述概述7 4.1 概述概述8 4.1 概述概述9 4.1 概述概述10 4.1 概述概述11 4.1 概述概述12 采用伺服电机驱动。位置采样是从伺服电机引出，不是采用伺服电机驱动。位置采样是从伺服电机引出，不是直接检测运动

2、部件的实际位置，采用旋转角度传感器。精直接检测运动部件的实际位置，采用旋转角度传感器。精度比闭环差，但结构简单，便于调整，稳定性好。广泛用度比闭环差，但结构简单，便于调整，稳定性好。广泛用于中小型数控设备。于中小型数控设备。 角位移测量装置 4.1 概述概述13 采用伺服电机驱动。位置检测装置装在工作台上，可直接采用伺服电机驱动。位置检测装置装在工作台上，可直接测量工作台实际位移。将所有传动部分都包含在控制环之内，测量工作台实际位移。将所有传动部分都包含在控制环之内，可消除机械系统引起的误差。精度高于半闭环，结构复杂，可消除机械系统引起的误差。精度高于半闭环，结构复杂，控制较难，成本高，调试和

3、维修困难。适用于大型或高档数控制较难，成本高，调试和维修困难。适用于大型或高档数控机床控机床 4.1 概述概述14光栅尺光栅尺光栅尺光栅尺 4.1 概述概述15 4.1 概述概述16 4.1 概述概述17 4.1 概述概述18 4.1 概述概述191. 开、闭环进给控制系统的组成；比较开、闭环进给系开、闭环进给控制系统的组成；比较开、闭环进给系统的特性。统的特性。2. 查阅资料，对步进进给系统、交流同步伺服系统、直查阅资料，对步进进给系统、交流同步伺服系统、直流伺服系统的的特点与性能进行比较。流伺服系统的的特点与性能进行比较。20第4章 进给伺服驱动系统 4.1 概述概述4.2 位置检测装置位

4、置检测装置4.3 进给电机及驱动进给电机及驱动4.4 交流进给伺服系统的控制原理和方法交流进给伺服系统的控制原理和方法4.5 伺服系统性能分析伺服系统性能分析214.2 位置检测装置位置检测装置位置检测装置：位置检测装置： 检测位移（线位移或角位移）和速度，反馈至数控检测位移（线位移或角位移）和速度，反馈至数控装置或伺服驱动器，构成伺服驱动系统闭环或半闭环控装置或伺服驱动器，构成伺服驱动系统闭环或半闭环控制，使工作台按指令路径精确地移动。制，使工作台按指令路径精确地移动。（1）组成：组成：检测元件（传感器）和信号处理装置。检测元件（传感器）和信号处理装置。（2）常用检测装置：常用检测装置：旋转

5、变压器、感应同步器、编码旋转变压器、感应同步器、编码器、光栅、磁栅等器、光栅、磁栅等22（3） 精度：精度：系统精度、分辨率系统精度、分辨率 系统精度系统精度：一定范围内测量累积误差最大值。：一定范围内测量累积误差最大值。 直线位测量精度：直线位测量精度：0.0020.02m； 回转角测量精度：回转角测量精度：5360系统分辨率系统分辨率：能正确检测的最小位移量。：能正确检测的最小位移量。 直线位移分辨率：直线位移分辨率：1m，高精度，高精度0.1m； 回转分辨率：可达回转分辨率：可达2(0.087)。 大型机床：速度为主；大型机床：速度为主； 中小型机床、高精度机床：精度为主。中小型机床、高

6、精度机床：精度为主。 数控机床加数控机床加工精度主要工精度主要由检测系统由检测系统精度决定。精度决定。4.2 位置检测装置位置检测装置23（4）安装位置安装位置半闭环控制的数控机床半闭环控制的数控机床旋转变压器、编码器等。安装在电机或丝杠上，测旋转变压器、编码器等。安装在电机或丝杠上，测量电机或丝杠的角位移间接测量工作台的直线位移。量电机或丝杠的角位移间接测量工作台的直线位移。闭环控制系统的数控机床闭环控制系统的数控机床感应同步器、光栅、磁栅等，安装在工作台和导轨感应同步器、光栅、磁栅等，安装在工作台和导轨上，直接测量工作台的直线位移。上，直接测量工作台的直线位移。4.2 位置检测装置位置检测

7、装置24（5）数控机床对检测装置的要求数控机床对检测装置的要求 受温度、湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力强受温度、湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力强在机床移动范围内满足精度和速度要求在机床移动范围内满足精度和速度要求使用维护方便，适合机床运行环境使用维护方便，适合机床运行环境成本低成本低易于实现高速的动态测量。易于实现高速的动态测量。4.2 位置检测装置位置检测装置254.2.1位置检测装置分类位置检测装置分类 数字式数字式 模拟式模拟式 增量式增量式 绝对式绝对式 增量式增量式 绝对式绝对式 回回转转型型 增量式脉冲增量式脉冲编码器编码器圆光栅圆光栅 绝对式脉冲绝对式脉冲编码器编码器 旋转变

8、压器旋转变压器圆感应同步器圆感应同步器圆磁尺圆磁尺 多极旋转变压器多极旋转变压器3速圆感应同步器速圆感应同步器 直直线线型型 计量光栅计量光栅激光干涉仪激光干涉仪 多通道透射多通道透射光栅光栅 直线感应同步器直线感应同步器光栅尺光栅尺 3速直线感应同步器速直线感应同步器绝对值式磁尺绝对值式磁尺 4.2 位置检测装置位置检测装置26（1）增量式与绝对式）增量式与绝对式 增量式检测方式增量式检测方式功能：功能：测量增量，移动测量增量，移动1个测量单位发出个测量单位发出1个测量信号。个测量信号。如：测量单位为如：测量单位为0.001mm，每移动，每移动0.001mm发出发出1个脉冲信个脉冲信号，对脉

9、冲计数得到位移量。号，对脉冲计数得到位移量。优点：优点：装置较简单，任何一个对中点均可作测量起点；装置较简单，任何一个对中点均可作测量起点；缺点：缺点：一旦计数有误，此后测量结果全错；发生故障（如一旦计数有误，此后测量结果全错；发生故障（如断电、断刀等）时不能找到事故前的位置，须将工作台移断电、断刀等）时不能找到事故前的位置，须将工作台移至起点重新计数。至起点重新计数。增量式检测装置：增量式检测装置：有脉冲编码器，旋转变压器，感应同步器，有脉冲编码器，旋转变压器，感应同步器，光栅，磁栅，激光干涉仪等光栅，磁栅，激光干涉仪等 4.2 位置检测装置位置检测装置27绝对式检测方式绝对式检测方式功能：

10、功能：被测量的任一点的位置都以一个固定的零点作被测量的任一点的位置都以一个固定的零点作基准，每一被测点都有一个相应的对零点的测量值。基准，每一被测点都有一个相应的对零点的测量值。优点：优点：避免了增量式检测方式的缺陷避免了增量式检测方式的缺陷缺点：缺点：结构较复杂。结构较复杂。绝对式检测装置：绝对式检测装置：有绝对式脉冲编码器、三速式绝对有绝对式脉冲编码器、三速式绝对编码器（或称多圈式绝对编码器）等编码器（或称多圈式绝对编码器）等 4.2 位置检测装置位置检测装置28（2）数字式与模拟式）数字式与模拟式数字式测量方式数字式测量方式 以数字形式表示被测量，测量信号一般为脉冲，以数字形式表示被测量

11、，测量信号一般为脉冲，可直接把它送到数控装置进行比较、处理。可直接把它送到数控装置进行比较、处理。特点：特点：u 便于显示、处理；便于显示、处理；u 测量精度取决于测量单位，与量程基本无关（存测量精度取决于测量单位，与量程基本无关（存在累加误差）在累加误差）u 检测装置简单，脉冲信号抗干扰能力强。检测装置简单，脉冲信号抗干扰能力强。4.2 位置检测装置位置检测装置29模拟式测量方式模拟式测量方式 用连续的变量表示被测量，如用相位变化、电压用连续的变量表示被测量，如用相位变化、电压变化表示。变化表示。特点：特点：u 直接对被测量进行检测；直接对被测量进行检测；u 在小量程内可以实现高精度测量；在

12、小量程内可以实现高精度测量；u 可用于直接检测和间接检测。可用于直接检测和间接检测。6.1 概述概述4.2 位置检测装置位置检测装置30（3）直接测量与间接测量）直接测量与间接测量6.1 概述概述直接测量直接测量 用直线式用直线式检测装置检测装置测直线位移，测直线位移，作为全闭环伺服系作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，构成闭环控制。统的位置反馈信号，构成闭环控制。对机床的直线位移采用直线型检测装置测量。对机床的直线位移采用直线型检测装置测量。优点：优点：测量精度取决于测量元件的精度，不受机床传动测量精度取决于测量元件的精度，不受机床传动精度的影响。精度的影响。缺点：缺点：检测装置要与行程等长，

13、对大型数控机床来说，检测装置要与行程等长，对大型数控机床来说，是一个很大的限制。是一个很大的限制。4.2 位置检测装置位置检测装置31 间接测量间接测量 检测装置检测装置测量只是中间值，再由它推算出与之关联的测量只是中间值，再由它推算出与之关联的位移量，位移量，作为半闭环伺服系统的位置反馈。作为半闭环伺服系统的位置反馈。对机床的直线位移采用回转型检测装置测量，称为间接测对机床的直线位移采用回转型检测装置测量，称为间接测量。量。优点：优点：使用可靠方便，无长度限制，使用可靠方便，无长度限制，缺点：缺点：检测信号中加入了直线运动转变为旋转运动的传动检测信号中加入了直线运动转变为旋转运动的传动链误差

14、，影响检测精度。为提高定位精度，常需要对机床链误差，影响检测精度。为提高定位精度，常需要对机床的传动误差进行补偿。的传动误差进行补偿。4.2 位置检测装置位置检测装置324.2.2 编码器编码器编码器：编码器：将测量的角位移以编码的形式输出的位置检测将测量的角位移以编码的形式输出的位置检测装置，属于间接测量的数字式检测装置。装置，属于间接测量的数字式检测装置。 输出信号的形式：输出信号的形式：绝对式、脉冲增量式绝对式、脉冲增量式内部结构和检测方式：内部结构和检测方式：接触式、光电式、电磁式。接触式、光电式、电磁式。4.2 位置检测装置位置检测装置33工作台丝杠编码器电机安装方式安装方式1）与伺

15、服电机同轴联）与伺服电机同轴联接，编码器在进给传接，编码器在进给传动链前端；安装方便；动链前端；安装方便；2）连在滚珠丝杠末端，）连在滚珠丝杠末端，包含的传动链误差比包含的传动链误差比前者多，位置控制精前者多，位置控制精度较高。度较高。4.2 位置检测装置位置检测装置34码盘及狭缝转轴光敏元件光栏板及辨向用的A组、B组狭缝光源零位标志C1. 增量式光电编码器增量式光电编码器 （1）结构结构4.2 位置检测装置位置检测装置35（2）原理原理 将机械转角变成电脉冲将机械转角变成电脉冲信号处理装置信号处理装置abz码盘基片码盘基片透镜透镜光源光源光敏元件光敏元件透光狭缝透光狭缝光光欄欄板板节距节距A

16、ABBZZm+/44.2 位置检测装置位置检测装置36AB90Z码盘转一圈 光敏元件把此光信号转光敏元件把此光信号转换成电信号，通过信号处理换成电信号，通过信号处理装置的整形、放大等处理后装置的整形、放大等处理后输出。输出。 输出的波形有六路：输出的波形有六路： AA 、ZZBB、4.2 位置检测装置位置检测装置37输出信号的作用及其处理输出信号的作用及其处理 A、B两相的作用：两相的作用：u根据脉冲数目可测角位移根据脉冲数目可测角位移u根据脉冲频率可得轴的转速根据脉冲频率可得轴的转速u根据根据A、B两相的相位超前滞后关系可判断被两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向测轴旋转方向4.2 位

17、置检测装置位置检测装置38ABCP90Ou后续电路可利用后续电路可利用A、B两两相的相的90相位差进行四倍相位差进行四倍频细分处理，提高分辨率。频细分处理，提高分辨率。4.2 位置检测装置位置检测装置39 （3）增量式码盘的规格及分辨率增量式码盘的规格及分辨率规格规格分辨率分辨率 增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数。市场上提供的规格从脉冲数。市场上提供的规格从 36线线 / 转转 到到10万线万线 /转转 都有。最大达都有。最大达1600万线（禁运）。万线（禁运）。选择原则选择原则n360u伺服系统要求的分辨率；伺服系统要求的分辨率；u考虑机械传

18、动系统的参数。整数原则。考虑机械传动系统的参数。整数原则。4.2 位置检测装置位置检测装置402 . 绝对式光电编码器绝对式光电编码器 u每一位置均由唯一对应的编码输出每一位置均由唯一对应的编码输出u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u数控机床无需执行回参考点操作就能直接提供当前数控机床无需执行回参考点操作就能直接提供当前的位置值，没有累积误差的位置值，没有累积误差特点：特点：4.2 位置检测装置位置检测装置41（1）结构和工作原理结构和工作原理码盘基片上有多圈码道，且码盘基片上有多圈码道，且每码道的刻线数相等每码道的刻线数相等对应每圈都有光电传感器对应每圈都有光电传感器输出

19、信号的路数与码盘圈数输出信号的路数与码盘圈数成正比成正比检测信号按某种规律编码输检测信号按某种规律编码输出，故可测得被测轴的周向绝出，故可测得被测轴的周向绝对位置对位置232221204.2 位置检测装置位置检测装置42（2）绝对编码盘的编码方式及其特点绝对编码盘的编码方式及其特点二进制编码：二进制编码：特点：特点：编码循序与位置循编码循序与位置循序相一致，但可能产生非序相一致，但可能产生非单值性误差。单值性误差。缺点：缺点：在在1100和和1011的交的交界处，可能会出现二义：界处，可能会出现二义：11110000导致较大的误差。导致较大的误差。232221204.2 位置检测装置位置检测装

20、置4323222120格雷码（循环码）格雷码（循环码）特点：特点：任何两个编码之任何两个编码之间只有一位是变化的，间只有一位是变化的，因而可把误差控制在最因而可把误差控制在最小单位上。但编码与位小单位上。但编码与位置循序无直接规律置循序无直接规律优点：优点：最大误差为一个最大误差为一个分辨率分辨率。4.2 位置检测装置位置检测装置44格雷码的编码方法格雷码的编码方法从二进制码转换而来的，转换规则为：从二进制码转换而来的，转换规则为： 将二进制码与其本身右移一位后并舍去末位的数码将二进制码与其本身右移一位后并舍去末位的数码作不进位加法，得出的结果即为格雷码作不进位加法，得出的结果即为格雷码(循环

21、码循环码)。例：例： 将二进制码将二进制码0101转换成对应的格雷码转换成对应的格雷码（雷格码）（右移一位并舍去末位（二进制码）011101001014.2 位置检测装置位置检测装置45 （3）绝对式编码器的规格及分辨率绝对式编码器的规格及分辨率规格规格分辨率分辨率绝对式码盘的规格与码盘码道数绝对式码盘的规格与码盘码道数 n 有关；有关；现在市场上提供从现在市场上提供从 4 道到道到27道都有。（道都有。（23道以上禁运）道以上禁运）选择原则选择原则 伺服系统要求的分辨率；伺服系统要求的分辨率； 考虑机械传动系统的参数。考虑机械传动系统的参数。n23604.2 位置检测装置位置检测装置463.

22、 编码器的信号传输方式编码器的信号传输方式（1）传输对象：传输对象：伺服电机、数控装置伺服电机、数控装置（2）传输方式：传输方式：并行或串行并行或串行并行传输：并行传输：每位数据需要一根数据电缆线。每位数据需要一根数据电缆线。 特点：特点：仅适用于短距离传输和特殊要求的场合。仅适用于短距离传输和特殊要求的场合。串行传输：串行传输：通过一根双绞线实现数据传送，分为单工、通过一根双绞线实现数据传送，分为单工、半双工和全双工，同步串行通信或异步串行通信。半双工和全双工，同步串行通信或异步串行通信。 特点：特点：用线少、成本低、传输距离远、数据安全可靠。用线少、成本低、传输距离远、数据安全可靠。应用于

23、远距离传输和高精密的场合。应用于远距离传输和高精密的场合。4.2 位置检测装置位置检测装置47 并行传输并行传输 增量式编码器的数据输增量式编码器的数据输出多以并行传输方式为主。出多以并行传输方式为主。输出信号通常有输出信号通常有A、/A、B、/B和和C、/C六路信号，有些六路信号，有些还输出还输出U、V、W三路信号，三路信号，用于电机矢量控制中电枢用于电机矢量控制中电枢初始角度的计算。初始角度的计算。 4.2 位置检测装置位置检测装置48 串行传输串行传输 绝对式编码器多以同步串行传输方式为主。串行传输的绝对式编码器多以同步串行传输方式为主。串行传输的方式很多，以德国海德汉公司的全双工同步串

24、行方式很多，以德国海德汉公司的全双工同步串行EnDat为例，为例，有有EnDat2.1和和EnDat2.2两个版本。两个版本。 EnDat2.2不仅能为增量式和绝对式编码器传输位置值，不仅能为增量式和绝对式编码器传输位置值，同时还能够传输附加信息值或更新存储在编码器中的信息，同时还能够传输附加信息值或更新存储在编码器中的信息，或保存新的信息，具有效率更高、速度更快（时钟频率或保存新的信息，具有效率更高、速度更快（时钟频率16 MHz）。）。 4.2 位置检测装置位置检测装置494 . 编码器的选择编码器的选择（1）电源。电源。常用的编码器电源有常用的编码器电源有5V、12V、24V几种类型。几

25、种类型。（2）机械允许转速。机械允许转速。取决于编码器测量系统处理时间、取决于编码器测量系统处理时间、分辨率和结构尺寸，处理时间越短，尺寸越小，机械允许分辨率和结构尺寸，处理时间越短，尺寸越小，机械允许转速越高。转速越高。（3）分辨率。分辨率。应根据测量精度要求选择编码器分辨率，应根据测量精度要求选择编码器分辨率，综合考虑性价比。综合考虑性价比。（4）输出信号类型。输出信号类型。类型决定后续接收电路。类型决定后续接收电路。（5）使用环境使用环境 。4.2 位置检测装置位置检测装置50根据测量对象分：根据测量对象分： 直线光栅（测量直线位移）和圆光栅（测量角位移）直线光栅（测量直线位移）和圆光栅

26、（测量角位移）根据用途和材质分：根据用途和材质分：玻璃透射光栅、金属反射光栅。玻璃透射光栅、金属反射光栅。根据刻度方法及信号输出形式分：根据刻度方法及信号输出形式分： 绝对式光栅和增量式光栅。绝对式光栅和增量式光栅。 光栅：光栅：是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测装置，用是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测装置，用于测量运动部件的直线位移和角位移。于测量运动部件的直线位移和角位移。4. 2. 3 光栅光栅1. 光栅的种类光栅的种类 4.2 位置检测装置位置检测装置51（1）直线光栅直线光栅玻璃透射光栅：玻璃透射光栅：在玻璃表面上用真空镀膜法镀一层金属膜，在玻璃表面上用真空镀膜法镀一层金属

27、膜，再涂上一层均匀的感光材料，用照相腐蚀法制成透明与不再涂上一层均匀的感光材料，用照相腐蚀法制成透明与不透明间隔相等的线纹。透明间隔相等的线纹。特点特点：u光源可采用垂直入射，光电元件直接接受光信号，因此光源可采用垂直入射，光电元件直接接受光信号，因此信号幅度大，读数头结构较简单；信号幅度大，读数头结构较简单；u一般为一般为100、125、250条条/mm，经过电路细分，可做到微，经过电路细分，可做到微米级的分辨率。米级的分辨率。 4.2 位置检测装置位置检测装置52金属反射光栅：金属反射光栅：在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法或在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法或用钻石刀刻划制成光栅线纹；常

28、用用钻石刀刻划制成光栅线纹；常用4、10、25、40、50条条/mm ，分辨率低。，分辨率低。特点特点：u标尺光栅的线膨胀系数易于与机床材料一致；标尺光栅的线膨胀系数易于与机床材料一致；u标尺光栅的安装和调整较方便；标尺光栅的安装和调整较方便；u安装面积较小；安装面积较小；u易于接长或制成整根的钢带长光栅；易于接长或制成整根的钢带长光栅；u不易碰碎。不易碰碎。4.2 位置检测装置位置检测装置53直线光栅的结构直线光栅的结构 由标尺光栅和光栅读数头（即指示光栅）两部分组由标尺光栅和光栅读数头（即指示光栅）两部分组成。光栅读数头中有光源、透镜、扫描光栅、光电池和成。光栅读数头中有光源、透镜、扫描光

29、栅、光电池和信号处理电路等。信号处理电路等。4.2 位置检测装置位置检测装置54（2）圆光栅）圆光栅在玻璃圆盘外环端面上，做成黑白相间、呈辐射状条纹，在玻璃圆盘外环端面上，做成黑白相间、呈辐射状条纹，相互间夹角（栅距角）相等。相互间夹角（栅距角）相等。根据不同使用要求，在圆周上的条根据不同使用要求，在圆周上的条纹数不同。一般有纹数不同。一般有3种形式。种形式。六十进制，如六十进制，如10800、21600、32400、64800等；等；十进制，如十进制，如1000、2500、5000等等二进制，如二进制，如512、1024、2048等等4.2 位置检测装置位置检测装置55（3）绝对式直线光栅尺

30、）绝对式直线光栅尺 利用光电转换原理将运动部件位置值以编码形式输出，利用光电转换原理将运动部件位置值以编码形式输出，每个位置均有唯一对应代码输出。每个位置均有唯一对应代码输出。 有两条刻线轨道有两条刻线轨道增量轨和绝对轨。绝对轨用于确定运动增量轨和绝对轨。绝对轨用于确定运动部件位置值信息，条纹一般采用复杂的排列算法，如伪随机部件位置值信息，条纹一般采用复杂的排列算法，如伪随机编码方式等，以提高数据容量和安全性。增量轨条纹为等距编码方式等，以提高数据容量和安全性。增量轨条纹为等距条纹，用于信号细分，提供更高分辨率的信号。精度可达条纹，用于信号细分，提供更高分辨率的信号。精度可达3 m/m，分辨率

31、可达，分辨率可达5 nm 4.2 位置检测装置位置检测装置56（4）增量式直线光栅尺）增量式直线光栅尺 利用光电转换原理将位移的增量值以脉冲形式输出，通过利用光电转换原理将位移的增量值以脉冲形式输出，通过对脉冲计数从而计算出位移值和位置值。对脉冲计数从而计算出位移值和位置值。 有两条刻线轨道有两条刻线轨道增量轨和参考点轨。增量轨条纹进行位增量轨和参考点轨。增量轨条纹进行位移量的计算。参考点轨用于回零操作。移量的计算。参考点轨用于回零操作。4.2 位置检测装置位置检测装置574.2 位置检测装置位置检测装置2. 光栅的工作原理光栅的工作原理（1）成像扫描成像扫描。透射光生成位置测量信号。指示光栅

32、和标。透射光生成位置测量信号。指示光栅和标尺光栅的光线投射到规则排列的光电池上。当指示光栅和尺光栅的光线投射到规则排列的光电池上。当指示光栅和标尺光栅相对运动时，光电池接收到的光强不断变化，产标尺光栅相对运动时，光电池接收到的光强不断变化，产生近似正弦变化的周期电信号。生近似正弦变化的周期电信号。 58（2）干涉扫描。干涉扫描。利用精密光栅的衍射和干涉形成位置测量信利用精密光栅的衍射和干涉形成位置测量信号。号。4.2 位置检测装置位置检测装置59dw4.2 位置检测装置位置检测装置60标尺光栅指示光栅dw/22cos2sin222dddwtg放大比放大比k为为 ：1dwk若若d=0.01mm，

33、0.01rad，则，则w1mm，k100 xdwxwxtg2cos222莫尔条纹特性：莫尔条纹特性：u光学放大作用光学放大作用4.2 位置检测装置位置检测装置613. 光栅测量系统光栅测量系统（1）4倍频细分及辩向倍频细分及辩向4.2 位置检测装置位置检测装置62 （2）电子细分）电子细分 根据细分原理可分为根据细分原理可分为幅值细分幅值细分和和鉴相细分鉴相细分。电子细分电。电子细分电路要求光栅输出信号为一组频率和幅值相同、相位相差路要求光栅输出信号为一组频率和幅值相同、相位相差90度度的正弦波信号。的正弦波信号。 tUUmsin1tUUmcos2 电阻链移相细分电阻链移相细分 电阻链移相细分

34、属于电阻链移相细分属于幅值细分。幅值细分。将两个相位不同的将两个相位不同的交变信号施加在电阻链两端，由于电压合成的移相作交变信号施加在电阻链两端，由于电压合成的移相作用，在电阻链的各电阻抽头上将得到幅值和相位各不用，在电阻链的各电阻抽头上将得到幅值和相位各不相同的一系列移相信号，再用鉴零器对它进行鉴幅、相同的一系列移相信号，再用鉴零器对它进行鉴幅、整形，便可在莫尔条纹一周期内得到若干个脉冲信号整形，便可在莫尔条纹一周期内得到若干个脉冲信号而达到细分的目的。而达到细分的目的。4.2 位置检测装置位置检测装置63应用叠加原理，接点处输出电压：应用叠加原理，接点处输出电压： 1sinuAt2cosu

35、At 211212sincosoR AtR AtuRRRR)sin(0tUm4.2 位置检测装置位置检测装置64 以上是在以上是在0至至90第第一象限的情况。第二至第四一象限的情况。第二至第四象限可采取同样方法。象限可采取同样方法。当增加多个电阻时，可以构当增加多个电阻时，可以构成如图所示串联电阻移相桥，成如图所示串联电阻移相桥，它共有它共有16个输出端，实现个输出端，实现16倍细分。各点输出电压信号倍细分。各点输出电压信号经比较器整形为方波，然后经比较器整形为方波，然后经逻辑电路处理即可实现细经逻辑电路处理即可实现细分。分。串联移相电阻链细分示意图 sinU cosU sinU cosU 4

36、.2 位置检测装置位置检测装置65鉴相式细分鉴相式细分 通过信号的相位差来模拟光栅系统的位移，然后对信号通过信号的相位差来模拟光栅系统的位移，然后对信号的相位差进行细分。的相位差进行细分。11( )sincoscossinsincoscossinsinf tU UtU UtUtUtUt4.2 位置检测装置位置检测装置664.2.4 旋转变压器旋转变压器 旋转变压器是旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函数关一种输出电压与角位移量成连续函数关系的感应式微电机检测装置，主要用于系的感应式微电机检测装置，主要用于半闭环半闭环控制的数控控制的数控机床。机床。优点：优点：结构简单、动作灵敏、工作可靠

37、、对环境条件要结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要求低（特别是高温、高粉尘地方）、输出信号幅度大、抗求低（特别是高温、高粉尘地方）、输出信号幅度大、抗干扰能力强。干扰能力强。缺点：缺点：信号处理比较复杂。信号处理比较复杂。分类：分类： 按有无电刷分：接触式和无接触式两种按有无电刷分：接触式和无接触式两种 按极对数分：单对极和多对极按极对数分：单对极和多对极4.2 位置检测装置位置检测装置671. 旋转变压器的结构旋转变压器的结构 与两相绕线式异步电机相似，与两相绕线式异步电机相似，由定子和转子组成，由定子和转子组成，是一种旋转式的小型交流电机。是一种旋转式的小型交流电机。 定子绕组通过固

38、定在壳体上的接线柱直接引出。定子绕组通过固定在壳体上的接线柱直接引出。转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组两种转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组两种不同的引出方式，旋转变压器分为有刷式和无刷式两不同的引出方式，旋转变压器分为有刷式和无刷式两种结构形式。种结构形式。 4.2 位置检测装置位置检测装置68（1）有刷式旋转变压器有刷式旋转变压器 转子绕组通过滑环和转子绕组通过滑环和电刷直接引出。电刷直接引出。特点：特点：结构简单，体积小结构简单，体积小缺点：缺点：电刷与滑环是机械电刷与滑环是机械滑动接触的，所以旋转变滑动接触的，所以旋转变压器的可靠性差，寿命也压器的可靠性差，寿命也较短

39、。较短。 4.2 位置检测装置位置检测装置69（2）无刷式旋转变压器无刷式旋转变压器 由本体和附加变压器组成。由本体和附加变压器组成。附加变压器原、副边铁心及线附加变压器原、副边铁心及线圈成环形，分别固定于转子轴圈成环形，分别固定于转子轴和壳体上，径向留有一定的间和壳体上，径向留有一定的间隙。隙。 本体的转子绕组与附加变本体的转子绕组与附加变压器原边线圈连在一起，在附压器原边线圈连在一起，在附加变压器原边线圈中的电信号，加变压器原边线圈中的电信号，即转子绕组中的电信号，通过即转子绕组中的电信号，通过电磁耦合，经附加变压器副边电磁耦合，经附加变压器副边线圈间接地送出。线圈间接地送出。4.2 位置

40、检测装置位置检测装置70 无刷式旋转变压器无刷式旋转变压器避免了电刷与滑环之间的不良接触造避免了电刷与滑环之间的不良接触造成的影响，提高了旋转变压器的可靠性及使用寿命，但其体成的影响，提高了旋转变压器的可靠性及使用寿命，但其体积、质量、成本均有所增加。积、质量、成本均有所增加。 4.2 位置检测装置位置检测装置712. 旋转变压器工作原理旋转变压器工作原理 旋转变压器旋转变压器利用绕组间的互感原理。当定子加上一定频利用绕组间的互感原理。当定子加上一定频率的激磁电压时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电势，率的激磁电压时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电势，其输出电压的大小取决于定子和转子两个绕组

41、轴线在空间的其输出电压的大小取决于定子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置。相对位置。 562221110U1=UmsintU1=UmsintU1=Umsint定子转子激磁输出U1U2tt=0 2=0U2=0 =90 2=k 1U2=nUmsint0 2=k 1sinU2=nUmsintsin2k 1sinU2 nUm sint sin4.2 位置检测装置位置检测装置72tUUmsin1sinsinsin12tnUnUUmUm激磁电压幅值激磁电压幅值n绕组匝数比绕组匝数比转子偏转角转子偏转角定子绕组励磁电压：定子绕组励磁电压：转子产生感应电势：转子产生感应电势：4.2 位置检测装置位置检测装置7

42、3（1）鉴相工作方式鉴相工作方式 定子的两个绕组通同幅值、频率，但相位差定子的两个绕组通同幅值、频率，但相位差/2的交流的交流激磁电压。激磁电压。 U1sUmsint U1cUm（sint+/2）Umcost 转子正转时：转子正转时： 转子感应电压转子感应电压U2 cossin112cskUkUU3. 旋转变压器的工作方式旋转变压器的工作方式4.2 位置检测装置位置检测装置74 U2kUmsintsinkUmcostcos =kUmcos（t-） Um激磁电压幅值；激磁电压幅值； k电磁耦合系数，电磁耦合系数，k1； 相位角，即：转子偏转角。相位角，即：转子偏转角。转子反转时：转子反转时： U

43、2kUmcos（t+） 相位角的测量：相位角的测量： 转子输出电压的相位角转子输出电压的相位角t+和和间有对应关系，检测出间有对应关系，检测出t+ ，可得，可得 （被测轴角位移）。实际应用时，把定子余弦被测轴角位移）。实际应用时，把定子余弦绕组激磁电压的相位绕组激磁电压的相位t作为基准相位，与作为基准相位，与t+比较，确定比较，确定大小。大小。 4.2 位置检测装置位置检测装置75（2）鉴幅工作方式鉴幅工作方式 定子的两个绕组分别通同频率、同相位、幅值分别按正定子的两个绕组分别通同频率、同相位、幅值分别按正弦、余弦变化的交流激磁电压，即弦、余弦变化的交流激磁电压，即 ： U1sUmsin si

44、nt U1c= Umcos sint 若电气角若电气角一定，交流激磁电压的幅值分别为一定，交流激磁电压的幅值分别为 UsmUmsin UcmUmcos转子正转时：转子正转时：转子感应电压转子感应电压U2为：为： U2kUmsinsintsink Umcossintcos kUmcos（）sint4.2 位置检测装置位置检测装置76转子反转时转子反转时，转子感应电压，转子感应电压U2为：为： U2kUmcos（） sint U2的幅值分别为的幅值分别为:kUmcos（）、）、kUmcos（）幅值幅值随转子随转子偏转角偏转角变化。测量出幅值可测出变化。测量出幅值可测出 。 若电气角若电气角已知，测

45、出已知，测出U2幅值幅值kVmsin（）便能求出）便能求出角。实际测量时，不断调整角。实际测量时，不断调整 ，使，使kVmsin（）=0。的的变化量代表了变化量代表了对应的位移量变化，测得机械位移。对应的位移量变化，测得机械位移。 4.2 位置检测装置位置检测装置774.2.5 位置检测装置的选择原则位置检测装置的选择原则（1）分辨率：微米、纳米）分辨率：微米、纳米（2）传动系统及参数：直线、圆周运动、分辨率为整数）传动系统及参数：直线、圆周运动、分辨率为整数（3）负载惯量：大、中、低）负载惯量：大、中、低（4）运动速度、精度）运动速度、精度（5）环境要求：密封、温度、震动等）环境要求：密封、

46、温度、震动等（6）成本）成本4.2 位置检测装置位置检测装置781. 编码器、光栅的工作原理，以及输出的信号方式。编码器、光栅的工作原理，以及输出的信号方式。2. 查阅资料，收集至少查阅资料，收集至少3个生产商的编码器与光栅产品，个生产商的编码器与光栅产品，读懂相关技术指标，并能确定其应用场合。读懂相关技术指标，并能确定其应用场合。79第4章 进给伺服驱动系统 4.1 概述概述4.2 位置检测装置位置检测装置4.3 进给电机及驱动进给电机及驱动4.4 交流进给伺服系统的控制原理和方法交流进给伺服系统的控制原理和方法4.5 伺服系统性能分析伺服系统性能分析804.3 进给电机及驱动进给电机及驱动

47、 CNC装置发出的位移指令信号，由伺服驱动装置作一装置发出的位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机和机械传动机构，驱动机床定的转换和放大后，经伺服电机和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动. 进给驱动系统的组成：进给驱动系统的组成： 驱动器和电机。驱动器和电机。 进给电机的类型：进给电机的类型： 步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机和直线电机。步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机和直线电机。814.3.1 步进电机及驱动步进电机及驱动 驱动器每向步进电机输入一个电脉冲信号，步进电机驱动器每向步进电机输入一个

48、电脉冲信号，步进电机转动一个角度，称为转动一个角度，称为步距角步距角，通过齿轮和丝杠带动工作台，通过齿轮和丝杠带动工作台移动。移动。 步进式进给伺服驱动系统属于步进式进给伺服驱动系统属于开环控制系统。开环控制系统。 步进电机转过的角度步进电机转过的角度与电脉冲信号个数成正比，转动与电脉冲信号个数成正比，转动速度与电脉冲信号的频率成正比。速度与电脉冲信号的频率成正比。优点：优点：电机具有自锁能力；电机具有自锁能力； 每转一周都有固定的步数，理论每转一周都有固定的步数，理论上说步距误差不会累积。上说步距误差不会累积。 缺点：缺点： 在大负载和速度较高的情况下容易失步，能耗较大。在大负载和速度较高的

49、情况下容易失步，能耗较大。 应用：应用：步进电机的速度不高，在脉冲当量为步进电机的速度不高，在脉冲当量为1m/脉冲时，脉冲时，最高移动速度为最高移动速度为2m/min，主要用于速度和精度要求不太高的，主要用于速度和精度要求不太高的经济型数控机床和旧机床改造。经济型数控机床和旧机床改造。4.3 进给电机及驱动进给电机及驱动 82ABCAB逆时针旋转30逆时针旋转30B相通电逆时针旋转30A相通电C相通电ABCABC1234C1234ABCABC12344.3 进给电机及驱动进给电机及驱动 831. 步进电机分类：步进电机分类：常见的分类方式有按相数、按产生力矩的常见的分类方式有按相数、按产生力矩

50、的原理、按输出力矩的大小和结构进行分类原理、按输出力矩的大小和结构进行分类u 按相数分：按相数分：有三相、四相、五相、六相等。相数越多，步有三相、四相、五相、六相等。相数越多，步距角越小，输出转矩越大，但结构也越复杂。通电方式采用距角越小，输出转矩越大，但结构也越复杂。通电方式采用m相相m拍、双拍、双m拍和拍和m相相2m拍等。拍等。u 按力矩产生的原理分：按力矩产生的原理分：有反应式、永磁反应式和混合式三有反应式、永磁反应式和混合式三类。类。u 按输出力输出力矩的大小分：按输出力输出力矩的大小分：快速步进电机（快速步进电机（0.07Nm4Nm）和功率步进电机（）和功率步进电机（5 Nm50 N

51、m）两类。）两类。u 按结构分类：按结构分类：有轴向分相式（即多段式）和径向分相式有轴向分相式（即多段式）和径向分相式（即单段式）。（即单段式）。4.3 进给电机及驱动进给电机及驱动 842. 步进电机工作原理步进电机工作原理 反应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有激磁绕反应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有激磁绕组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合工组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合工作。作。定子定子转子转子定子绕组定子绕组4.3 进给电机及驱动进给电机及驱动 85AB定子定子转子转子IAIBIC两个相对的磁极组成两个相对的磁极组成一相一相。注意：注意：

52、这里的这里的“相相”和三相交流电中的和三相交流电中的“相相”的概念不同。的概念不同。步进电机通的是电脉步进电机通的是电脉冲，主要是指线图的冲，主要是指线图的联接和组数的区别。联接和组数的区别。4.3 进给电机及驱动进给电机及驱动 86步进电机的工作方式步进电机的工作方式(通电顺序通电顺序)可分为：可分为： 三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。1）三相单三拍：）三相单三拍：三相绕组联接方式：三相绕组联接方式：Y 型型三相绕组中的通电顺序为三相绕组中的通电顺序为A 相相 B 相相 C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为： A 相相 C 相相 B 相相

53、 4.3 进给电机及驱动进给电机及驱动 87BACCBA3412A 相通电相通电B相通电相通电C相通电相通电BBACCA3412B ACCBA3412CA4.3 进给电机及驱动进给电机及驱动 887.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统三相单三拍的工作特点：三相单三拍的工作特点： 每来一个电脉冲，转子转过每来一个电脉冲，转子转过 30 ； 转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序；转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序； 每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失去自每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失去自锁转矩，容易产生失步；锁转矩，容易产生失步； 只有一相绕组产生力矩吸引转子，

54、在平衡位置易只有一相绕组产生力矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡产生振荡 。4.3 进给电机及驱动进给电机及驱动 89ABCABB相通电CA相通电ABCABC1234C相通电ABCABCABCABBC相通电CABCABCA相通电CABCABAB相通电C123412341234123412342）三相六拍工作方式）三相六拍工作方式 通电顺序为：通电顺序为： AABBBCCCAA（逆时针）（逆时针） AACCBCBCAA（顺时针）（顺时针）4.3 进给电机及驱动进给电机及驱动 90三相六拍工作特点：三相六拍工作特点：每步转过每步转过15，步距角是三相三拍工作方式的一半，步距角是三相三拍工作方式的一半

55、，电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比较平稳。电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比较平稳。 3）双三拍工作方式）双三拍工作方式定子绕组通电顺序：定子绕组通电顺序： ABBCCAAB（转子逆时针旋转）（转子逆时针旋转） ACBCCA（转子顺时针旋转）（转子顺时针旋转）有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍旋转有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍旋转30。双三拍工作特点双三拍工作特点：始终有一相定子绕组通电，工作比较平：始终有一相定子绕组通电，工作比较平稳。避免了单三拍通电方式的缺点。稳。避免了单三拍通电方式的缺点。4.3 进给电机及驱动进给电机及驱动 913. 步进电机实际

56、结构：步进电机实际结构： 转子齿数很多，转子齿数很多，齿数越多，齿数越多，步距角越小。定子磁极上的齿的步距角越小。定子磁极上的齿的齿距与转子的齿距相同，但各极齿距与转子的齿距相同，但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的的齿依次与转子的齿错开齿距的1m（m电机相数）。电机相数）。 每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距的每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距的1m（如三相三拍）或（如三相三拍）或12m（如三相六拍）达到新的平衡位置。（如三相六拍）达到新的平衡位置。4.3 进给电机及驱动进给电机及驱动 92 若转子若转子40个齿，通电为三相三拍方式。当转子齿与个齿，通电为三相三拍方式。当转子齿

57、与A相相定子齿对齐时，转子齿与定子齿对齐时，转子齿与B相定子齿相差（相定子齿相差（3），与），与C相定相定子齿相差（子齿相差（6）。）。AACBSNSNCB绕组定子铁心转子铁心A相磁通A相各相定子936顺时针方向转子齿展开B相C相4.3 进给电机及驱动进给电机及驱动 93每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。4. 步进电机的主要特性步进电机的主要特性 1）步距角）步距角mzk360 m定子相数；定子相数；z转子齿数；转子齿数；k通电系数，通电系数， m相相m拍，拍，k1；m相相2m拍，拍，k2。 一般很小一般很小，如：，如：31.5，1.50.

58、75，0.720.36等等4.3 进给电机及驱动进给电机及驱动 94静态：静态：步进电机处于通电状态，转子处在不动状态。步进电机处于通电状态，转子处在不动状态。静态转矩静态转矩Mj ：在电机轴上施加一个负载转矩在电机轴上施加一个负载转矩M，转子会，转子会在载荷方向上转过一个角度在载荷方向上转过一个角度（失调角）失调角），转子因而受到，转子因而受到一个电磁转矩一个电磁转矩Mj的作用与负载平衡。的作用与负载平衡。2）静态矩角特性）静态矩角特性矩角特性：矩角特性：步进电机单步进电机单相通电的静态转矩相通电的静态转矩Mj随随失调角失调角的变化曲线。的变化曲线。4.3 进给电机及驱动进给电机及驱动 95

59、4.3.2 交流伺服电机及驱动交流伺服电机及驱动 伺服驱动的发展历程：伺服驱动的发展历程： 步进电机步进电机直流伺服电机直流伺服电机交流伺服电机交流伺服电机旋转式电机旋转式电机直线电机直线电机 理由：理由：闭环提高精度。闭环提高精度。 直流伺服电机调速方便，直流伺服电机调速方便，90年代以前（交流在性能成本年代以前（交流在性能成本方面不占优）大量使用。但直流伺服电机的容量小、结构复方面不占优）大量使用。但直流伺服电机的容量小、结构复杂、有电刷、体积大和重量重，因此，其应用受到限制。随杂、有电刷、体积大和重量重，因此，其应用受到限制。随着交流伺服驱动性价比提高，交流伺服驱动电机已渐渐取代着交流伺

60、服驱动性价比提高，交流伺服驱动电机已渐渐取代了直流伺服电机。了直流伺服电机。4.3 进给电机及驱动进给电机及驱动 961. 交流伺服电机的种类、结构及工作原理交流伺服电机的种类、结构及工作原理（1） 交流伺服电机的种类及特点交流伺服电机的种类及特点 交流伺服电机有交流伺服电机有同步型同步型和和异步型异步型两大类。异步型交两大类。异步型交流电机指的是交流感应电机。同步型交流电机按转子结流电机指的是交流感应电机。同步型交流电机按转子结构不同可分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为构不同可分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。数控机床中多用磁滞式、永磁式和反应式多种。