数控机床第6章数控机床驱动系统与检测技术原理

第6章数控机床驱动系统与检测技术机床伺服系统是指以机械位置或角度作为被控参数的自动控制系统，有时也称为随动系统或伺服机构。在数控机床中，伺服系统接受来自插补器的进给脉冲，经变换放大后转化为机床工作台的位移。伺服系统若按有无检测装置可分为两大类；开环伺服系统和闭环伺服系统。下页6.1开环步进驱动系统在步进式伺服系统中，步进电机作为执行元件，受驱动控制线路的控制，将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、大小和速度的机械角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。由于该系统没有反馈检测环节，它的精度较差，速度也受到步进电机性能的限制，但它的结构简单，容易调整，故在速度和精度要求不太高的场合，具有一定的使用价值。

步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或线位移的一种机电式数模转换器，它是根据同步电机原理制成的。下面以三相反应式步进电机为例，说明步进电机的基本工作原理电机定子有6极，每个极装有控制绕组，每两个相对的极组成一相。转子是四个分布均匀的齿上面有绕组。通电时转子按30°转过，使转子和定子反复循环对齐，使电机按一定的角度转动。(1)步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即为步进电机的步距角；(2)改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向将随之改变；(3)步进电机定子绕组通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；(4)步进电机的步距角与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式K有关，可用下式表示：

式中，三相三拍时K=1；三相六拍时K=2。如前图所示的步进电机，若转子齿数z＝40，以三相三拍通电时，步距角为

若以三相六拍通电方式工作时，步距角为步进电机的类型及结构

步进电机的结构形式很多，其分类方式也很多。常见的分类方式是按产生力矩的原理、输出力矩的大小以及定子和转子的数量等方面来分类目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机，如图所示。这是一台典型的单定子径向分相的三相反应式步进电机的结构原理图单定子径向分相式三相步进电机结构原理图

步进电机的主要特性步距角步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为0.5o~3o度。通常，步进角越小，加工精度越高。空载启动频率步进电机在空载的条件下由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。因此，空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率．当步进电机加负载后，其启动频率随负载转动惯量增加而减小。

(3)连续运行的最高工作频率fmax步进电机连续运行时保证不丢步的极限频率fmax称为最高工作频率(4)最大静转矩Tmax当步进电机不改变通电状态，转子不动时，在轴上加一负载转矩，定子与转子就有一个角位移θ，称为失调角。使转子刚刚离开平衡位置的极限转矩值称为最大静转矩。静转矩越大，电动机所能承载的外加转矩也越大。步进式伺服系统的工作原理步进系统原理框图1．工作台位移量的控制进给脉冲数N→定子绕组通电状态变化次数N→步进电机转子的转角→工作台位移量L2．工作台进给速度的控制进给脉冲的频率f→定子绕组通电状态的变化频率f→步进电机转子的转速→工作台进给速度v3．工作台运动方向的控制步进电机定子绕组的通电顺序→步进电机正转或反转→工作台的进给方向图6-1反应式步进电机工作原理电机定子有6极，每个极装有控制绕组，每两个相对的极组成一相。转子是四个分布均匀的齿上面有绕组。通电时转子按30°转过，使转子和定子反复循环对齐，使电机按一定的角度转动。返回上页下页图6-2三相六拍工作示意图三相电机按U-UV-V-VW-W-WU-U或者U-UW-W-WV-V-VU-U的通电顺序这种方式工作时，定子三相绕组须经过六次切换才能完成一个一个循环，故称为“六拍”而且在通电时，有时是单个绕组接通，有时是两个绕组同时接通，因此称为“三相六拍”。返回上页下页图6-5转子磁钢产生的磁通回路返回上页下页图6-6混合式步进电动机剖面图图中，每相绕组绕在8个定子磁极中的第4个极上，按照U-V-U-V-U时序通电，步进电动机就能沿逆时针方向连续旋转，反之，电动机沿顺时针方向旋转。返回上页下页6.1开环步进驱动系统三、步进电动机的开环控制步进电动机是采用脉冲控制方式工作的，只有按一定的规律对各相绕组轮流通电，步进电机才能够实现转动，因此需要脉冲分配、脉冲产生和插补运算等功能。1.步进电动机的控制系统步进电机控制系统负责提供脉冲数量，提供脉冲频率，提供各相励磁线圈通电顺序的变化。步进电机控制系统通过接口电路与驱动模块相连。接口电路必须具有以下功能。（1）电压隔离功能（2）信息传递功能（3）产生工作所需的控制信息（4）产生工作所需的不同频率返回上页下页6.1开环步进驱动系统2.步进电动机的驱动电源设计步进电机驱动电源的主要作用是对控制系统发出的控制脉冲进行功率放大，以使步进电机获得足够大的功率驱动负载运行。步进电动机的驱动电源多种多样，按供电方式来分，有单压供电和双压供电。（1）单电压驱动电源基本形式如图6-12（2）双电压驱动电源双电压驱动电源采用两套电源给电动机绕组供电，高电压的作用是使步进电机绕组电流迅速提高，使绕组电流建立时的上升沿变陡，低电压的作用是维持绕组电流。图6-13为高压定时控制驱动电源返回上页下页（3）调频调压驱动电源调频调压驱动电源的基本原理：当步进电机在低频运行时，供电电压降低，当运行高频段时，供电电压升高。即供电电压随着步进电机转速增加而升高。这样，既解决了低频振荡问题，也保证了高频运行时的输出转矩。(4)细分驱动电源细分驱动电源的基本原理：在不改动电动机结构参数的情况下，使步距角细分成若干个步的电源驱动方式。这种驱动方式既能使步距角减小，而且能使步进电动机运行平稳，提高想、匀速性，并能减弱或者消除震荡图6-12晶体管单电压驱动电源其中Ucp是步进电机控制脉冲信号的通断。W是步进电机的一相绕组。VD是绪流二极管C为电容，用来提高绕组脉冲电流的前沿。返回上页下页图6-13高压定时控制驱动电源Ug—高压电源电压Ud—低压电源电压Vg—高压控制晶体管Vd—低压控制晶体管VD1—绪流二极管VD2—阻断二极管采用高低压供电的驱动电源，绕组电流的建立和消失比较快，从而改善了步进电机的高频性能。返回上页下页6.2半闭环、闭环伺服驱动系统一、直流（DC）伺服电动机及其特性1.直流伺服电机的特性及选用直流伺服电机通过电刷和换向器产生的整流作用，使磁场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生转矩。直流伺服电机特点：较高的响应速度、精度和频率，控制特性优良。20世纪60年代—研制出小惯量直流伺服电机20世纪70年代—研制成功大惯量直流伺服电机，特点是：励磁便于调整，易于安排补偿绕组和换向极，成本低。其结构如图6-152.直流伺服电动机与驱动目前常用的有晶体管脉宽调制驱动和晶阀管直流调速驱动晶阀管直流调速驱动通过调节触发装置控制晶阀管的触发延迟角来改变整流电压。脉宽调制直流调速驱动原理图如6-16返回上页下页图6-15直流伺服电机返回上页下页6.2半闭环、闭环伺服驱动系统二、交流(AC)伺服电机及其特性其基本原理是检测SM型（如图6-18）和IM型的气隙磁场的大小和方向，用电力电子交换器代替整流子和电刷，并通过与气隙磁场方向相同的磁化电流和与气隙磁场方向垂直的有效电流来控制其主磁通量和转矩。交流电机矢量控制的原理交流伺服系统的工作原理：插补器发出的脉冲经位置控制回路发出速度指令，比较器中与检测器来的信号相与之后，经放大器送出转矩指令M，至矢量处理电路。另一方面，检测器的输出信号也被送到矢量处理电路中的转交回转电路，将电动机的回转位置θr变化，经放大冰与电动机回路的电流检测信号比较之后，经脉宽调制电路放大后，控制三相桥式晶体管电路，使交流伺服电机按规定的转速旋转，并输出所需转矩值。返回上页下页6-18同步（SM)型伺服电动机控制框图返回上页下页6.3主轴驱动系统与变频器一、数控机床对主轴驱动的要求数控机床的主轴驱动和进给驱动有很大的差别。早期的数控机床上多采用直流主轴驱动系统，随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，交流驱动系统开始使用。目前，交流主轴驱动已经达到直流驱动系统的水平。二、交流主轴驱动1.交流主轴驱动特点：交流伺服电机有隆型异步电机和永磁式同步异步电机，通常采用异步电动机进行矢量控制，其结构有三相绕组定子和有笼条的转子组成。2.交流主轴电机的性能;在基本速度以下为恒转矩区域，基本速度以上为恒功率区域。3.新型主轴电机结构（1）输出转换型交流主轴电动机（2）液体冷却主轴电动机（图6-24）（3）内装式主轴电动机（图6-25）（4）交流主轴电动机控制单元（图6-26，图6-27）返回上页下页图6-24液体冷却主轴电动机返回上页下页图6-25内装式主轴电动机返回上页下页交流主轴电动机控制单元返回上页下页6.3主轴驱动系统与变频器三、变频器（一）变频器的分类与特点变频器的基本分类交-交变频器与交-直-交变频器的结构对比（图6-28）交-直-交电压型变频器的主电路结构形式。（图2-29）交-直-交电流型变频器的主电路结构形式。（6-30）数控机床中常用的变频器（二）脉宽调制型变频器（PWM）（图3-31）特点：主电路只有一个可控的功率环节，结构简化整流侧使用了不可控整流器，电网功率因数与逆变器电压无关。调频调压在同一环节中实现，变频器的动态响应加快。通过对PWM控制方式的控制，能有效抑制和消除低次谐波，实现接近正弦形的输出交流电压波形。

返回上页下页图6-28两种类型的变频器返回上页下页图2-29交-直-交电压型变频器的主电路结构形式返回上页下页图2-30交-直-交电压型变频器的结构形式返回上页下页图3-31PWM交-直-交变频器示意图返回上页下页6.3主轴驱动系统与变频器（三）正弦波脉宽调制（SPWM）变频器SPWM变频器属于交-直-交静止变频装置，它现将50Hz交流电经整流变压器变到所需的电压后，经二极管不控整流和电容滤波，形成恒定直流电压，再送入6个大功率晶体管构成的逆变器主电路，输出三相频率和电压均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波，即可拖动三相异步电动机运转。SPWM变频器工作原理1.SPWM波形和等效正弦波（图6-32）2.产生SPWM波形的原理（图6-33）3.SPWM变频器的主电路（图6-34）4.用单片微机实现的SPWM控制（6-35）返回上页下页图6-32SPWM波形和等效正弦波返回上页下页图6-33三相SPWM控制电路原理框图返回上页下页图6-34SPWM变频器主电路原理与电动机线电压波形返回上页下页图6-35单片微机控制的SPWM原理图V/ƒ变换器-电压频率转换器，将CNC的速度给定直流电压变成相应的频率脉冲信号。计数分频器及地址译码-一个计数值为0-359的计数器。基准正弦波的形成-基准正弦波有三路EPROM与D/A变换器组成。返回上页下页6.4数控机床的检测技术数控机床对位置检测元件的主要要求1）工作可靠，抗干扰能力强2）满足精度和速度的要求3）零点灵敏度高4）使用维修方便，适应机床的工作环境5）成本低一、光栅高精度的位置检测元件，精度可达几个微米。1.光栅的分类2.光栅的构造与组成（图6-37）3.光栅的基本工作原理4.光栅的辩向和细分返回上页下页图3-37光栅位置检测装置组成光栅由光源、长光栅、短光栅、光电元件、透镜及驱动电路组成。长光栅固定在机床固定部件上，长度相当于工作台移动的全行程，又称为标尺光栅。短光栅安装在机床的运动部件上。返回上页下页莫尔条纹和光栅读数头读数头光源一般由白炽灯发出辐射光线，经过透镜后变成为平行光束，照射光栅尺。光电元件是一种将光强信号转变成电信号的光电转换元件。返回上页下页6.4数控机床的检测技术3.光栅的基本工作原理如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度。,这样两块光栅的刻度相交,则在相交处出现黑色条纹,称为莫尔条纹。由于两块光栅的刻线密度相等,即栅距ω相等,而产生的莫尔条纹的方向和光栅刻线的方向大致垂直,其几何关系如图6-38所示。当θ很小时,条纹的节距W为这表明莫尔条纹的节距是光栅距的1/θ

倍,当标尺光栅移动时,莫尔条纹就沿垂直于光栅移动的方向移动.当光栅移动一个栅距ω时,莫尔条纹就相应地移动一个节距w,也就是说两者一一对应.所以,只要读出移过莫尔条纹的数目,就可以知道光栅移过了多少个栅距,而栅距在制造光栅时是已知的,光栅的移动距离就可以通过电气系统自动地测量出来.返回上页下页6.4数控机床的检测技术4.光栅的辩向和细分为了提高光栅的分辨率，必须增加其刻线的密度，常采用电子和机械细分的方法，提高光栅的分辨率，提高测量精度。电子细分又称为倍频细分，常用的是四倍频。图6-39是一个利用光栅读数头实现四倍频的方法。返回上页下页6.4数控机床的检测技术二、旋转变压器旋转变压器是一种常用的转角检测元件，它结构简单，工作可靠，对环境条件要求低，信号输出幅值大，抗干扰性强，因此，被广泛的用在数控机床上。1.旋转变压器的结构旋转变压器分为定子和转子两大部分，定子绕组通过固定在壳体上的接线板直接引出。转子绕组有两种不同的引出方式，根据引出方式的不同可将旋转变压器分为有刷式和无刷式两种。图6-42为无刷式旋转变压器。返回上页下页图6-42无刷式旋转变压器结构示意图它由旋转变压器本体和附加变压器组成。附加变压器的一、二测铁心圈均做成环形，分别固定在定子和转子上，在径向留有一定的间隙，旋转变压器本体的转子绕组和附加变压器的二次侧线圈连在一起，旋转变压器转子在定子中回转，转子上的电信号通过电磁耦合，经附加变压器的一次侧线圈间接的输出。返回上页下页6.4数控机床的检测技术2.旋转变压器的工作原理旋转变压器定子绕组通励磁电压时，产生感应电动势。设钉子绕组的励磁电压为um—励磁电压的幅值ω—励磁电压的角频率另外励磁电压产生一个脉动磁场，依时间按正弦规律变化，在空间上方向是固定的。Θ---定子和转子之间的夹角n—电压比返回上页下页6.4数控机床的