第6章：数控机床的进给伺服系统

1、数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统第一节第一节 概述概述第二节第二节 开环步进电机开环步进电机第三节第三节 数控机床的数控机床的 检测装置检测装置第四节第四节 闭环伺服系统闭环伺服系统第五节第五节 闭环伺服系统分析闭环伺服系统分析 伺服驱动系统是指以位置和速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。度作为控制对象的自动控制系统。 伺服系统的性能，在很大程度上伺服系统的性能，在很大程度上决定了现代数控机床的性能。决定了现代数控机床的性能。 数控进给伺服系统是一种数控进给伺服系统是一种位置位置控制系统控制系统，分为开环、半闭环和闭，分为开环、半闭环和闭环三种。环三种。1、精

2、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。 快速响应是伺服系统动态品质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标志之一。达到最大稳态速度的时间要求在的时间要求在200ms以内。以内。 3、调速范围大、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。要求应之比。要求应大于：大于：1:10000 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 数控机床的进给伺服系统是由：数控机床的进给伺服系统是由：伺伺服电路、伺服驱动装置、机械传动服电路、伺

3、服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。机构及执行部件组成。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机床床反馈检测单元反馈检测单元1、按其用途和功能分为、按其用途和功能分为进给驱动系统进给驱动系统主轴驱动系统主轴驱动系统 主要用于数控机床工作台主要用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程的转矩。提供切削过程的转矩。 主要用于控制机床主轴的旋主要用于控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动率转运动，为机床主轴提供驱动率和所需的切削力。和所需的切削力。2

4、、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开环系统闭环系统闭环系统半闭环系统半闭环系统（1）开环控制系统）开环控制系统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1）结构较简单，调试、维修、使用方便、）结构较简单，调试、维修、使用方便、成本低成本低2）无位置反馈环节，系统稳定；）无位置反馈环节，系统稳定；3）速度及精度较低。）速度及精度较低。 +指令指令速度速度检测检测-速度控速度控制单元制单元位置位置调节器调节器伺服电机伺服电机工作台工作台半闭环控制半闭环控制位置测量位置测量1）精度比开环系统要高）精度比开环系统要高2）系统

5、调试比较容易，稳定性较好）系统调试比较容易，稳定性较好3）广泛应用于中小型数控机床上）广泛应用于中小型数控机床上1）加工精度高）加工精度高2）结构复杂，稳定性差）结构复杂，稳定性差3）调试和维护有较大的技术难度）调试和维护有较大的技术难度4）成本高）成本高5）一般只在大型精密数控机床上采用一般只在大型精密数控机床上采用电液伺服系统电液伺服系统电气伺服系统电气伺服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。 直流大惯量伺服电机有良好的宽直流大惯量伺服电机有良好的宽调速性能。调速性能。 输出转矩大，过载能力输出转矩大，过载能力强，强， 由于电机惯性与机床传动部件由于电机

6、惯性与机床传动部件的惯量相当，构成闭环后易于调整。的惯量相当，构成闭环后易于调整。 直流中小惯量伺服电机适于数控直流中小惯量伺服电机适于数控机床对于频繁启动、制动，快速定机床对于频繁启动、制动，快速定位、切削的要求。位、切削的要求。 交流电机的一个最大优点交流电机的一个最大优点是交流容易维修，制造简单，是交流容易维修，制造简单，易于向大容量、高速度方向发易于向大容量、高速度方向发展。展。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、改进型直流电机 在静态和动态特性较普通直流电机所改在静态和动态特性较普通直流电机所改变

7、，早期使用；变，早期使用； 减小电枢的转动惯量，获得好的快速性，减小电枢的转动惯量，获得好的快速性，早期使用。早期使用。 能在较大过载转矩下长期工作；可能在较大过载转矩下长期工作；可在低速下在低速下(1r/mm甚至甚至0.1r/mm)平稳运转。平稳运转。70年代年代80年代中期广泛应用，目前还年代中期广泛应用，目前还在使用；在使用； 实质是交流调速电机的一种。性能实质是交流调速电机的一种。性能达到直流电机的水平，又取消换向器及达到直流电机的水平，又取消换向器及电刷部件，电机寿命提高一个数量级；电刷部件，电机寿命提高一个数量级； 自自80年代中期开始，以异步电年代中期开始，以异步电机和永磁同步电

8、机为基础的交流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，是进进给驱动得到迅速的发展，是进给驱动的一个发展方向。给驱动的一个发展方向。一、步进电机一、步进电机 步进电机是将电脉冲信号转换成步进电机是将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁式电机；机械角位移的电磁式电机；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 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）轴向分相式：电机各相按轴向依次排列）轴向分相式：电机各相按轴向依次排列按各组绕按各组绕组分布组分布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

9、定子式按定子数按定子数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的）功率式：输出力矩大，可直接驱动工作态等较大的负载。负载。按输出力按输出力矩大小矩大小1）反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反）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。应力矩实现步进运行。2）激磁式：定、转子均有激磁绕组，由电磁力矩实现）激磁式：定、转子均有激磁绕组，由电磁力矩实现步进运行步进运行按力矩产按力矩产生的原理生的原理具体类型具体类型分类方式分类方式径向分相的反应式步进电机结构原理图径向分相的反应式步进电机结构

10、原理图轴向分相的反应式步进电机结构原理图轴向分相的反应式步进电机结构原理图三相反应式步进电机三相反应式步进电机1）电机的）电机的转速转速取决于绕组通电的取决于绕组通电的频率频率；2）电机的）电机的转向转向取决于绕组通电的取决于绕组通电的顺序顺序；3）电机的）电机的转角转角取决于绕组通电的取决于绕组通电的次数次数。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称为一拍一拍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

11、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；三相单三拍：三相单三拍：AABCCB1234AABCCB1234300AABCCB1234300300三相双三拍：三相双三拍： ABBCCAABAABCCB12341234AABCCBAABCCB1234300AABCCB12341234AABCCBAABCCB1234AABCCB1234AABCCB1234AABCCB1234150三种通电方式的特点：三种通电方式的特点：v单单m拍：拍：每次一相通电每次一相通电,切换瞬间失去切换瞬间失去自锁力矩易失步自锁力矩易失步,在平衡位置易振荡在平衡位置易振荡v

12、双双m拍：拍：每次同时有二相通电每次同时有二相通电,切换瞬切换瞬间仍有一相保持通电间仍有一相保持通电,运行稳定运行稳定v 2m拍：拍：步距角小一半，步距角小一半，切换瞬间切换瞬间仍有一相保持通电，运行稳定仍有一相保持通电，运行稳定 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。 由上式知道：由上式知道：q 磁极数越多，转子齿数越多，步距角就越小。磁极数越多，转子齿数越多，步距角就越小。q 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。 mzk360 设定子有设定子有A、B、C三相绕组，转子上均匀分三相绕组，转子上均匀分布布40个齿，定子上每个极

13、有个齿，定子上每个极有5个齿，与转子上的个齿，与转子上的齿宽和齿距相同齿宽和齿距相同单三拍运行方式：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 步进电机的转速：步进电机的转速：min)/(61(r/min) 60 (r/s) rfmzkfmzkfn a 步距角步距角f 控制脉冲的频率控制脉冲的频率例如：例如：110BF003代表该步进电机为反应式，外代表该步进电机为反应式，外径径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

14、：电动机外径（单位：mm）1）步进电机转子的角位移和角速度与输入脉）步进电机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，改变相的通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；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，）步进电机的效率低，脉冲当量不能太小，调速范围不大。调速范围不大。 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步距误差直接影响执行部件的定位精度。度。 单相通电时，步距误差由定子和单相通

15、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转子的分齿精度和各相定子错位角度的精度确定；的精度确定； 多相通电时，步距误差还和各相多相通电时，步距误差还和各相电流的大小、磁路性能等因素有关。电流的大小、磁路性能等因素有关。失调角失调角 eM eMjmaxMjmax-最大静态转矩最大静态转矩,表明了电机能承受表明了电机能承受的最大静态负载转矩。的最大静态负载转矩。各相绕组单相通电的矩角特性不能相差各相绕组单相通电的矩角特性不能相差太大。太大。M eMjmax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

16、的步进电机多数采用多于三相的励磁所以功率较大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 当电机所带负载当电机所带负载MLMq时，电时，电机可不失步的启动。机可不失步的启动。A B CMq e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，所允许的启动失步地进入稳速运行，所允许的启动频率的最高值。

17、最高启动频率频率的最高值。最高启动频率fg与步与步进电机的惯性负载进电机的惯性负载J有关。有关。 步进电机连续运行时所能接受的步进电机连续运行时所能接受的最高频率。最高频率。Md(N.m)f(Hz) 在步进电机正常运转时，若输入脉冲的频率逐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。渐增加，则电机所能带动的负载转矩将逐渐下降。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。 已知：进给系统的脉冲当量已知：进给系统

18、的脉冲当量mm；步进电机的步距步进电机的步距角角；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。 tZZiti 36021360 已知：脉冲当量为已知：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： wk21oZZZZ作用：作用： 将具有一定频率、一定数量和将具有一定频率、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平信号。机各相定子绕组通断电的电平信号。组成：组成：q脉冲混合电路脉冲混合电路q加减速电路加减速电路q环形分配器环形分配器q功率放大器功率放大器脉冲脉冲混合混合电路电路加减加减脉冲脉

19、冲分配分配电路电路正向进正向进给脉冲给脉冲反向进反向进给脉冲给脉冲加加减减速速电电路路加加减减环环行行分分配配器器功功率率放放大大电电路路步进电机绕组步进电机绕组驱动控制线路框图驱动控制线路框图进给脉冲进给脉冲功能：功能： 将一些信号混合为使工作台正向进将一些信号混合为使工作台正向进给的给的“正向进给正向进给”信号或使工作台负向信号或使工作台负向进给的进给的“负向进给负向进给”信号。信号。脉冲脉冲混合混合电路电路加减加减脉冲脉冲分配分配电路电路正向进正向进给脉冲给脉冲反向进反向进给脉冲给脉冲加加减减速速电电路路加加减减环环行行分分配配器器功功率率放放大大电电路路步进电机绕组步进电机绕组驱动控制

20、线路框图驱动控制线路框图进给脉冲进给脉冲（2）加减脉冲分配电路）加减脉冲分配电路功能：功能： 从正向进给方向的进给脉冲指令中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。抵消相同数量的反方向补偿脉冲。脉冲脉冲混合混合电路电路加减加减脉冲脉冲分配分配电路电路正向进正向进给脉冲给脉冲反向进反向进给脉冲给脉冲加加减减速速电电路路加加减减环环行行分分配配器器功功率率放放大大电电路路步进电机绕组步进电机绕组驱动控制线路框图驱动控制线路框图进给脉冲进给脉冲 使进入电机定子绕组的电平信号的使进入电机定子绕组的电平信号的频率变化平滑。频率变化平滑。脉冲脉冲混合混合电路电路加减加减脉冲脉冲分配分配

21、电路电路正向进正向进给脉冲给脉冲反向进反向进给脉冲给脉冲加加减减速速电电路路加加减减环环行行分分配配器器功功率率放放大大电电路路步进电机绕组步进电机绕组驱动控制线路框图驱动控制线路框图进给脉冲进给脉冲同步器同步器可逆计数器可逆计数器数模转换电路数模转换电路RC 变频振荡器变频振荡器同步器同步器可逆计数器可逆计数器数模转换数模转换振荡器振荡器fafb包括三部分：包括三部分：1）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 作用：作用： 对步进电机线圈的通电相序进行分配对步进电机线圈的通电相序进行分配脉冲脉冲混合混合电路电路加减加减脉冲脉

22、冲分配分配电路电路正向进正向进给脉冲给脉冲反向进反向进给脉冲给脉冲加加减减速速电电路路加加减减环环行行分分配配器器功功率率放放大大电电路路步进电机绕组步进电机绕组驱动控制线路框图驱动控制线路框图进给脉冲进给脉冲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ABCABCABCDABCDABCDEABCDE110010011001100110001100020101100110111001100111003001010001101100011001100410001110010111100010111050011100001

23、11100000110610110110011171001001000118110110011911001000110110011111000硬件环形分配器硬件环形分配器软件环形分配器软件环形分配器 通电相序状态预先存入计算机并采用软通电相序状态预先存入计算机并采用软件件查表方式进行控制查表方式进行控制节省了环分器硬件节省了环分器硬件但软件运行效率低但软件运行效率低用于速度要求不高处用于速度要求不高处通电相序状态由硬件逻辑功能完成。通电相序状态由硬件逻辑功能完成。特点：需要专用硬件资源，运行效率高。特点：需要专用硬件资源，运行效率高。作用作用： 将数控系统输出的弱电控制信号转换成将数控系统输出

24、的弱电控制信号转换成能够驱动步进电机的强电信号。能够驱动步进电机的强电信号。脉冲脉冲混合混合电路电路加减加减脉冲脉冲分配分配电路电路正向进正向进给脉冲给脉冲反向进反向进给脉冲给脉冲加加减减速速电电路路加加减减环环行行分分配配器器功功率率放放大大电电路路步进电机绕组步进电机绕组驱动控制线路框图驱动控制线路框图进给脉冲进给脉冲v单电压驱动电路单电压驱动电路v高低压驱动电路高低压驱动电路v恒流斩波驱动电路恒流斩波驱动电路v调频调压型驱动电路调频调压型驱动电路提速（限流）电阻提速（限流）电阻Rc：改改变时间常数，提高响应速变时间常数，提高响应速度度l续流二极管续流二极管D：用于功率晶用于功率晶体管的过

25、电压保护体管的过电压保护l特点：结构简单、效率低、特点：结构简单、效率低、能耗高，发热大、工作稳能耗高，发热大、工作稳定性差。定性差。l应用：小功率步进电机驱应用：小功率步进电机驱动动特点特点： 结构复杂、结构复杂、响应速度快、响应速度快、高频驱动能力高频驱动能力强、功耗低。强、功耗低。应用应用： 大（中）型大（中）型功率步进电机功率步进电机的驱动的驱动 斩波恒流功率放大电路较好的解决了这个问斩波恒流功率放大电路较好的解决了这个问题，步进电机的输出加大，运行频率得到提高。题，步进电机的输出加大，运行频率得到提高。 双电源功放电路的实际电流波形双电源功放电路的实际电流波形q特点：结构复杂、响应速

26、度快、驱动能力强、特点：结构复杂、响应速度快、驱动能力强、功耗低、噪声大。功耗低、噪声大。q应用：大（中）型功率步进电机的驱动应用：大（中）型功率步进电机的驱动 当电源一定时，步进电机绕组电流当电源一定时，步进电机绕组电流的上冲值是随工作频率的升高而降低的，的上冲值是随工作频率的升高而降低的，使输出转矩随电机转速的提高而下降。使输出转矩随电机转速的提高而下降。 如果能设法使绕组的供电电压随着如果能设法使绕组的供电电压随着运行频率的升高而一起升高，以维持绕运行频率的升高而一起升高，以维持绕组在不同频率的导电周期内电流平均值组在不同频率的导电周期内电流平均值基本相同，这样可达到在高频运行时，基本相

27、同，这样可达到在高频运行时，动态转矩不明显下降的目的。动态转矩不明显下降的目的。 这种随运行频率的升高，电源电流这种随运行频率的升高，电源电流自动升高的控制方式，称为调频调压方自动升高的控制方式，称为调频调压方式。式。 “高低压双电源型高低压双电源型”脉冲功率放大脉冲功率放大器是一种最基本的驱动放大器，其电路器是一种最基本的驱动放大器，其电路比较简单，成本低。但是它不能解决由比较简单，成本低。但是它不能解决由反电动势所引起的绕组电流顶部凹陷的反电动势所引起的绕组电流顶部凹陷的问题，从而导致电动机转矩下降。问题，从而导致电动机转矩下降。 采用采用“恒流斩波型恒流斩波型”脉冲功率放大器是为脉冲功率

28、放大器是为了解决电动机绕组电流顶部凹陷的问题，在电了解决电动机绕组电流顶部凹陷的问题，在电动机的运行频率较低时，其应用效果是很好的，动机的运行频率较低时，其应用效果是很好的，但在电机以较高频率运行时，它的应用效果将但在电机以较高频率运行时，它的应用效果将变差；另外，由于引入了斩波频率，有时还会变差；另外，由于引入了斩波频率，有时还会导致电机运行时的噪声有所增高。导致电机运行时的噪声有所增高。 “调频调压型调频调压型”通过通过“低频低压，高频高低频低压，高频高压压”的办法来同时兼顾电机在低、高运动频率的办法来同时兼顾电机在低、高运动频率时对电机绕组的要求，可有效提高了电机在以时对电机绕组的要求，

29、可有效提高了电机在以较高频率运行的转矩。但采用这种方法时，要较高频率运行的转矩。但采用这种方法时，要求给绕组供电的电源有较高的电压，否则就会求给绕组供电的电源有较高的电压，否则就会发生高频时电压调不上去的现象。发生高频时电压调不上去的现象。存在的问题：存在的问题： 无位移检测元件，定位精度无位移检测元件，定位精度主要取决于传动精度。主要取决于传动精度。采取的措施：采取的措施：间隙补偿间隙补偿螺距误差补偿螺距误差补偿细分电路细分电路反馈补偿反馈补偿 当收到反向位移指令后，由间隙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软件或补偿电路产生一定数量的补偿脉冲，使步进电机转动越过

30、传动补偿脉冲，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间隙，然后再按指令脉冲使执行部件作准确的位移。作准确的位移。 通过检测器进行系统误差检测，通过检测器进行系统误差检测，周期性周期性地发出补偿脉冲。地发出补偿脉冲。 把步进电机得一步再分得细一些。把步进电机得一步再分得细一些。换句话说，采用十细分线路后，在进给换句话说，采用十细分线路后，在进给速度速度不变的情况下，可使脉冲当量缩小不变的情况下，可使脉冲当量缩小到原来的到原来的1/10.1、检测装置的作用、检测装置的作用 检测位移和速度，发送反馈信检测位移和速度，发送反馈信号，构成闭环控制。号，构成闭环控制。 闭环控制的数控机床的

31、加工精度闭环控制的数控机床的加工精度主要取决于检测系统的精度。主要取决于检测系统的精度。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）满足精度与速度要求和机床工作行程的要求；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。 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对中、小型机床和高精度机床以满足精度要求为主。精度要求为主。（1）按检测信号的类型分）按检测信号的类型分 连连续续变变量量来来表表示示

32、模模拟拟式式：被被测测量量的的量量用用数数字字式式的的装装置置大大多多数数的的数数控控系系统统采采用用数数字字的的形形式式来来表表示示数数字字式式：被被测测量量的的量量以以 回回转转型型检检测测元元件件测测量量线线位位移移采采用用间间接接测测量量：对对机机床床的的直直直直线线型型检检测测元元件件测测量量线线位位移移采采用用直直接接测测量量：对对机机床床的的直直光栅n绝对式测量绝对式测量n增量式测量增量式测量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

33、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1、旋转变压器结构、旋转变压器结构 根据互感原理工作，平行时互感最大，转根据互感原理工作，平行时互感最大，转子感应电动势最大；垂直时互感为零，转子感子感应电动势最大；垂直时互感为零，转子感应电动势最小，如图。应电动势最小，如图。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 sinsintnK：电磁耦合系数电磁耦合系数 nVm：V

34、s的幅值的幅值n ：转子的转角转子的转角3 3、旋转变压器的工作方式、旋转变压器的工作方式v鉴相方式鉴相方式v鉴幅方式鉴幅方式1）鉴相方式）鉴相方式 正弦绕组和余弦绕组分别加上幅值相同、频正弦绕组和余弦绕组分别加上幅值相同、频率相同、相位相差率相同、相位相差90o的正弦交流电压：的正弦交流电压：sinsmUVtcosmUcVt2sincosscUKUKUsinsincoscosmmcKVtKV Ut2cos()mUKVt 通过比较感应电势通过比较感应电势U2与定子励磁电与定子励磁电压压Us的相位，便可求出的相位，便可求出 2cos()mUKVt -被测位移被测位移2）鉴幅方式）鉴幅方式 正弦绕

35、组和余弦绕组分别加上频率相同、正弦绕组和余弦绕组分别加上频率相同、相位相等、幅值分别按正弦、余弦规律变化的相位相等、幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压：交变电压：sinsinsmUVtcossin cmUVt2sincos smcmUKUKU sinsin sincoscoscos mmmmKVtKVt2 cos() sin mmUKVtm：机械相位角 感应电势感应电势U2是幅值为是幅值为KVmsin( - m)的交变电压信号，因此只要逐渐改变的交变电压信号，因此只要逐渐改变 的值，使的值，使U2等于等于0，则可确定，则可确定 m的大小。的大小。2 cos() sin mmUKVtn感应同

36、步器是一种电磁式位置检测元件，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。按其结构分为直线式和旋转式。n直线式感应同步器由定尺和滑尺组成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（直线位移测量）旋转式感应同步器由定子和转子组成。（角位移测量）定子和转子组成。（角位移测量）直线式直线式 旋转式旋转式感应同步器结构图感应同步器结构图q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q定尺和滑尺的节距相同，定尺和滑尺的节距相同，q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 余弦绕组余弦绕组正弦绕组正弦绕组滑尺滑尺定尺定尺nA

37、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。nB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。 设设VS是加在滑尺任一绕组上的激磁交变电压是加在滑尺任一绕组上的激磁交变电压 ： 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=KVScos = KVmcos sin t 式中：式中：

38、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 只要测量出余弦绕组励磁电压只要测量出余弦绕组励磁电压UC和和定子绕组感应电势定子绕组感应电势U0之间的相位差，再之间的相位差，再将它除以系数将它除以系数 ，就可以得到滑尺相对于，就可以得到滑尺相对于定尺的位移定尺的位移xxx )/(01. 08 . 10mm -位移位移-相位转换系数。相位转换系数。v鉴相方式鉴相方式v鉴幅方式鉴幅方式鉴相系统结构框图鉴相系统结构框图鉴幅系统结构框图鉴幅系统结构框图 = 时，定尺和滑尺在起点处于平衡状态；时，定尺和滑尺在起点处于平衡状态

39、；随着滑尺的移动，随着滑尺的移动， ，U0 0，利用，利用U0控制计数控制计数器的正弦、余弦发生器，使器的正弦、余弦发生器，使 跟踪跟踪 角的改变；角的改变；当滑尺移动到终点时，且当滑尺移动到终点时，且 角赶上角赶上 角时，系统恢角时，系统恢复平衡，复平衡， 角的改变量就是角的改变量就是 角的大小角的大小相敏放大相敏放大控制线路控制线路正弦余弦正弦余弦发生器发生器数显表数显表机械位机械位移角移角 作为位置指令，让作为位置指令，让 角跟踪角跟踪 角角当当 角跟踪不上角跟踪不上 角时，角时，U00，控制电机运动，控制电机运动，使运动部件运动，使运动部件运动， 角继续跟踪角继续跟踪 角，直到角，直到

40、 角角等于预先给定的指令角等于预先给定的指令角 时，伺服系统停止运时，伺服系统停止运动，实现定位。动，实现定位。相敏放大相敏放大伺服系统伺服系统控制对象控制对象 l精度高：精度高：l测量范围大测量范围大l环境适应性强环境适应性强l维护简单、寿命长维护简单、寿命长光栅：刻有刻线的光学玻璃或金属光栅：刻有刻线的光学玻璃或金属栅距栅距W：光栅上相邻两刻线间的距离光栅上相邻两刻线间的距离W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0.01mm（1）按反射的原理分）按反射的原理分l 透视光栅透视光栅l 反射光栅反射光栅 在玻璃的表面制成透明与不透在玻璃的表面制成透明与不透明间隔相等的线

41、纹。明间隔相等的线纹。玻璃透射光栅系统玻璃透射光栅系统光源可垂直入射，信号幅度大，读数头光源可垂直入射，信号幅度大，读数头结构结构 较简单；较简单；每毫米上的线纹数多。每毫米上的线纹数多。玻璃易碎，热胀系数与金属部件不一致。玻璃易碎，热胀系数与金属部件不一致。 在金属的镜面上制成全反射与在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的线纹。漫反射间隔相等的线纹。反射光栅系统反射光栅系统 长光栅的热胀系数容易做成与机体材料长光栅的热胀系数容易做成与机体材料一致；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

42、成的莫尔条纹反差较大，每毫米内线形成的莫尔条纹反差较大，每毫米内线纹不宜过多。纹不宜过多。 圆圆光光栅栅：测测量量角角位位移移长长光光栅栅：测测量量直直线线位位移移（1）光栅位置检测装置光栅位置检测装置 光栅系统的精度主要取决于光栅的制造精度，光栅系统的精度主要取决于光栅的制造精度，即光栅任意两点间的误差即光栅任意两点间的误差累积误差。累积误差。 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1）摩尔条纹的形成原理摩尔条纹的形成原理透射光栅摩尔条纹的生成主要是由于透射光栅摩尔条纹的生成主要是由于挡光效应挡光效应反射光栅摩尔条纹的生成主要是由于反

43、射光栅摩尔条纹的生成主要是由于挡光效应挡光效应 放大作用放大作用mm sincWWc莫尔条纹宽度；莫尔条纹宽度； 栅距；栅距； 光栅线纹间的交角。光栅线纹间的交角。 其放大倍数相当于其放大倍数相当于1000倍，从而减倍，从而减化了放大电路。化了放大电路。mmB10001. 001. 0 摩摩尔尔条条纹纹的的宽宽度度为为：夹角为夹角为0.8夹角为夹角为1.6夹角为夹角为2.5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

44、成，光条光栅线纹组成，光栅上线纹的间距误差就平均化。栅上线纹的间距误差就平均化。 当光栅向左、右移动一个栅距当光栅向左、右移动一个栅距，莫尔条纹也相应地向上、下移莫尔条纹也相应地向上、下移动一个动一个WC。 若长光栅不动，指示光栅逆时钟方若长光栅不动，指示光栅逆时钟方向转一个小角度（向转一个小角度（+），），然后向左移动，然后向左移动，则莫尔条纹向上移动；反之，当指示光则莫尔条纹向上移动；反之，当指示光栅向右移动，条纹向下移动。如果将指栅向右移动，条纹向下移动。如果将指示光栅按顺时针方向转过一个小角度示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 。光电接收元件光电接

45、收元件E光的强度光的强度x位移位移 采用一个光电元件所得到的光栅信号只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，为了确定能计数，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。如图运动方向，至少要有两个光电元件。如图所示。所示。光电元件光电元件S1光电元件光电元件S2 通过判断通过判断S1和和S2的超前或滞后来确的超前或滞后来确定移动的方向。定移动的方向。ExS1S2S2 为了提高光栅检测装置的精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度，可以提高刻线精度和增加刻线密度。但刻线密度达密度。但刻线密度达200线线/mm以以上的细光栅刻线制造较困难，成

46、本上的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也高。因此，通常采用倍频的方法来提高光栅的分辨精度来提高光栅的分辨精度. 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个光电元件和个光电元件和4个隙缝，每隔个隙缝，每隔1/4光栅节距光栅节距产生一个脉冲。虽然光栅栅距为产生一个脉冲。虽然光栅栅距为0.02mm，但但4倍频后，每一脉冲都相当于倍频后，每一脉冲都相当于5m，即分即分辨精度提高辨精度提高4倍。此外，还采用倍。此外，还采用8、10、20倍倍频及其它倍频线路。频及其它倍频线路。 xEq功能功能：角位移测量角位移测量q特点特点：非接触式检测、驱动力小、检测速

47、非接触式检测、驱动力小、检测速度快度快q分类分类：增量式编码器和绝对式编码器两种增量式编码器和绝对式编码器两种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Z Z B B A Am+/4光源光源光电盘光电盘光电接收元件光电接收元件2 2）工作原理）工作原理信号处理信号处理：信号接收、放大、整形及反馈信号接收、放大、整形及反馈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Z Z B B A Am+/4方向辨别方向辨别：DA、DB空间相差空间相差90oabz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

48、缝透光狭缝光光欄欄板板节距节距Z Z B B A Am+/4若若A相超前于相超前于B相相 电机作正向旋转；电机作正向旋转；若若B相超前于相超前于A相相 电机作反向旋转电机作反向旋转 ；基准脉冲：基准脉冲：由由Dz产生产生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Z Z B B A Am+/4停电或停机后，无法找到原始位置停电或停机后，无法找到原始位置 绝对式编码器可以直接把绝对式编码器可以直接把被测转角过位移转换成相应的被测转角过位移转换成相应的代码，指示的是绝对位置而无代码，指示的是绝对位置而无绝对误差。绝对误差。接触式接触式光电式光电式电磁式

49、等电磁式等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。 20212223n二进制编码二进制编码n 二进制循环码二进制循环码n二二十进制码等；十进制码等；二进制编码方式的缺点：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。图案转移点不明确，容易产生读数错误。 图案的切换每次只有一位数，能把误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。读控制在一个数的单位内，提高可靠性。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

50、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。 优点：优点： 工作可靠、抗干扰性强，伺服精工作可靠、抗干扰性强，伺服精度高。度高。缺点：缺点： 结构复杂，调试、使用与维护也结构复杂，调试、使用与维护也相对更困难。相对更困难。 执行元件是伺服系统的重要组执行元件是伺服系统的重要组成部分，它的作用是把驱动线路的成部分，它的作用是把驱动线路的电信号转化为机械运动，整个伺服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，运行系统的调速性能、动态特性，运行精度均与执行元件有关。精度均与执行元件有关。q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，

51、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。q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。q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。q能够频繁启、停及换向。能够频繁启、停及换向。v小惯量直流伺服电机小惯量直流伺服电机v大惯量直流伺服电机大惯量直流伺服电机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）由于转子无槽，保证了低速运行的稳定性和均匀性。在转速低达稳定

52、性和均匀性。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）过载能力强，最大电磁转矩可达额定值的额定值的10倍。倍。5）热时间常数较小，容许过载的持）热时间常数较小，容许过载的持续时间不能太长。续时间不能太长。6）由于惯量小，必须配齿轮减速葙，）由于惯量小，必须配齿轮减速葙，才能拖动负载。才能拖动负载。 它是在维持一般直流电机较大转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。具有快速响应性法来改善其动态特性。具有快速响应性能，即较好的输出转矩能，即较好的输出转矩/惯量的比值。惯量的比值

53、。1)输出转矩大输出转矩大 不需齿轮减速箱即可直接驱不需齿轮减速箱即可直接驱动负载。动负载。2)过载能力强过载能力强 转子热容量大，过载能力转子热容量大，过载能力强（过载转矩可达强（过载转矩可达510倍）倍）3)动态响应好动态响应好 电流过载能力强、瞬时加速电流过载能力强、瞬时加速转矩大，动态响应好。转矩大，动态响应好。4)调速范围宽且运转平稳调速范围宽且运转平稳 低速时输出转低速时输出转矩大，调速调速范围宽，运转平稳矩大，调速调速范围宽，运转平稳 。5)易于调试易于调试 由于惯量大，受负载影响小，由于惯量大，受负载影响小，可不加负载调试可不加负载调试。n直流伺服电机的调整方法主要是直流伺服电

54、机的调整方法主要是调整电调整电机电枢电压。机电枢电压。n一般直流速度控制单元较多采用一般直流速度控制单元较多采用晶闸管调晶闸管调速系统和晶体管脉宽调制速系统和晶体管脉宽调制(PWM)调速系统调速系统。（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

55、当T不变时，只要连续地改变不变时，只要连续地改变 (0T),就可使电枢电压的平均值由就可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系统的主回路电气原理系统的主回路电气原理PWM系统的主回路电气原理系统的主回路电气原理频带宽：频带宽：截止频率高于晶闸管，系统有较截止频率高于晶闸管，系统有较高的工作频率，其开关工作频率多为高的工作频率，其开关工作频率多为2kHz或或5KHz。电机脉动小：电机脉动小：输出转矩平稳，对低速加输出转矩平稳，对低速加工有利。工有利。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。

56、动态硬度好，系统具有良好的线性。结构简单结构简单无电刷无电刷可靠性高可靠性高维护方便。维护方便。永磁式同步交流伺服电机永磁式同步交流伺服电机感应式异步交流伺服电机感应式异步交流伺服电机 数控系统要求转子的速度的数控系统要求转子的速度的快慢能够反映控制信号的相位，快慢能够反映控制信号的相位，无控制信号时就立即停转。无控制信号时就立即停转。1、2-旋转磁场（有控制信号时）旋转磁场（有控制信号时） 3-脉动磁场（无控制信号）脉动磁场（无控制信号）Mn1230AMLBMZ )1(120Spfn 交流电机的转速：交流电机的转速：f-电源频率电源频率p-电机极对数电机极对数S-滑差率滑差率n调电机极对数（

57、调电机极对数（p）法法n调转差率（调转差率（S）法法n调频率（调频率（f）法法 交流伺服电机的速度调节交流伺服电机的速度调节通常由通常由调频调速调频调速的方法实现。的方法实现。定子绕组的反电动势为：定子绕组的反电动势为：气隙磁通感应系数定子角速输入电源频率kfkfE44. 4若若k、U不变时：不变时：f kfEU44. 4 M cos2ICMm 交流伺服电机变频调速的关键问题交流伺服电机变频调速的关键问题是获得是获得调速调压调速调压的交流电源。的交流电源。 实现调频调压通常采用交流实现调频调压通常采用交流直流直流交流的变换电路实现，其主要组成部分交流的变换电路实现，其主要组成部分是电流逆变器。

58、是电流逆变器。数控机床对位置伺服系统有如下要求：数控机床对位置伺服系统有如下要求：q定位速度和轮廓切削进给速度。定位速度和轮廓切削进给速度。q定位精度和轮廓切削精度。定位精度和轮廓切削精度。q进加工的表面粗糙度。进加工的表面粗糙度。q在外界干扰下的稳定性。在外界干扰下的稳定性。 数控机床的位置伺服系统是一个数控机床的位置伺服系统是一个典型的二阶系统。典型的二阶系统。KKTssG 21)(阻尼系数阻尼系数:速度稳态误差速度稳态误差 e () = 1/K , K为开环放大倍数。为开环放大倍数。KKTssG 21)()2(1KT 一般情况下，增益取为一般情况下，增益取为2030（1/s）。）。vK2

59、0的系统称为高增益或硬伺的系统称为高增益或硬伺服系统，应用于轮廓加工系统。服系统，应用于轮廓加工系统。K系统的系统的稳定性稳定性下降下降 系统的系统的快速性快速性增大增大 系统的系统的稳态误差稳态误差减少减少采用非线性实现的动态响应采用非线性实现的动态响应稳态值稳态值 =0.5tx0(t) =0.9 位置精度在很大程度上决定了位置精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度。数控机床的加工精度。正确选择开环放大倍数的大小正确选择开环放大倍数的大小提高位置检测元件的精度提高位置检测元件的精度q位移检测系统能够测量的最小位位移检测系统能够测量的最小位移量移量q分辨率的大小取决于检测元件本分辨率的大小取

60、决于检测元件本身和测量线路的结构。身和测量线路的结构。选择测量系统的分辨率或脉冲当量的要求：选择测量系统的分辨率或脉冲当量的要求：比加工精度高一个数量级比加工精度高一个数量级 伺服系统为了同时满足快速伺服系统为了同时满足快速移动和单步点动，要求进给驱动系移动和单步点动，要求进给驱动系统具有足够宽的调速范围。统具有足够宽的调速范围。 伺服系统在低速情况下实现伺服系统在低速情况下实现平稳进给，则要求速度必须大于平稳进给，则要求速度必须大于“死区死区”范围。范围。 是指由于静摩擦力的存在使是指由于静摩擦力的存在使系统在很小输入下，电机克服不系统在很小输入下，电机克服不了摩擦力而不能转动。了摩擦力而不