第5章數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制終

1、伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 主軸驅(qū)動主軸驅(qū)動 常用的檢測裝置常用的檢測裝置 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 概述概述 位置控制位置控制 5.1 概述概述 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 伺服系統(tǒng)的組成 圖5-1 半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 組成：一般由控制調(diào)節(jié)器、功率驅(qū)動裝置、檢測反饋裝組成：一般由控制調(diào)節(jié)器、功率驅(qū)動裝置、檢測反饋裝 置和伺服電機四部分組成。置和伺服電機四部分組成。 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 伺服系統(tǒng)的組成 5.1 概述概述 5.1 概述概述 第第5章章 數(shù)

2、控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 主軸伺服系統(tǒng) 進給伺服系統(tǒng) 按用途和功能 全數(shù)字伺服系統(tǒng) 幅值比較伺服系統(tǒng) 相位比較伺服系統(tǒng) 脈沖數(shù)字比較伺服系統(tǒng) 按反饋比較控制方式 半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 閉環(huán)伺服系統(tǒng) 開環(huán)伺服系統(tǒng) 按調(diào)節(jié)理論 伺服系統(tǒng)的分類 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 (1)電動機從最低轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)應(yīng)都能平滑地 運轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)矩波動要小，尤其在最低轉(zhuǎn)速時，仍要有平 穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象； (2

3、)電動機應(yīng)具有大的、較長時間的過載能力，以滿足 低速大轉(zhuǎn)矩的要求； (3)電動機應(yīng)可控性好、轉(zhuǎn)動慣量小、響應(yīng)速度快； (4)電動機應(yīng)能承受頻繁的啟動、制動和反轉(zhuǎn)。 對伺服驅(qū)動元件即伺服電動機的要求：對伺服驅(qū)動元件即伺服電動機的要求： 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 1.步進電動機步進電動機 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 三相反應(yīng)式步進電機結(jié)構(gòu) (1)步進電動機的結(jié)構(gòu)步進電動機的結(jié)構(gòu) 有永磁式(pm,permanent magnet),磁阻式即

4、反應(yīng)式 (vr,variable reluctance) 和混合式(hb,hybrid)等。 電機的定子和轉(zhuǎn)子鐵心通常由 硅鋼片疊成。定子和轉(zhuǎn)子均勻 分布著很多小齒。定子上有a、 b、c三對磁極，在相對應(yīng)的磁 極上繞有a、b、c三向控制繞 組。其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn) 子齒軸線錯開。 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 步進電機是按電磁吸引的原 理進行工作的。當定子繞組 按順序輪流通電時，a、b、 c三對磁極就依次產(chǎn)生磁場， 并每次對轉(zhuǎn)子的某一對齒產(chǎn) 生電磁引力，將其吸引過來， 而使轉(zhuǎn)子一步步轉(zhuǎn)動。每當 轉(zhuǎn)子某一對齒的中心線

5、與定 子磁極中心線對齊時，磁阻 最小，轉(zhuǎn)矩為零。 (2)步進電動機的工作原理步進電動機的工作原理 步進電動機工作原理 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 v 三相單三拍：三相單三拍： abca (轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動） acba （轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動） v 三相雙三拍：三相雙三拍： abbccaab (轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動） accbbaac (轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動） 按通電順序不同，其運行方式有三相單三拍、三相雙三拍和 三相單雙六拍三種。 特點：(1)每輸入一個脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1/3齒距，步距角為30。 (2)步進電動機的轉(zhuǎn)速決定于控制繞組與電

6、源接通和斷開的脈沖 變化頻率。 (3)由于每次只有一相繞組通電，在切換瞬間將失去自鎖轉(zhuǎn)矩， 容易失步，另外，只有一相繞組通電，易在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩， 穩(wěn)定性不佳，故實際應(yīng)用中不采用單三拍工作方式。 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 v 三相六拍：三相六拍： aabbbcccaa (轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動） aacccbbbaa (轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動） 特點： (1)每輸入一個脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1/6齒距，步距角為15。 (2)這種控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半，因 而精度更高，且轉(zhuǎn)換過程中始終保證有一個繞組通電，工作穩(wěn) 定，

7、因此這種方式被大量采用。 特點： (1)有兩對磁極同時對轉(zhuǎn)子的兩對齒進行吸引，因此其步 距角仍為30。 (2)由于每次有二相繞組通電，而且切換時總保持一相繞 組通電，所以工作比較穩(wěn)定，避免了單三拍通電方式的弱點。 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 (2)步進電動機的主要特性步進電動機的主要特性 0 360 mzk a= m定子相數(shù)；z轉(zhuǎn)子齒數(shù)；k拍數(shù)與相數(shù)的比例系數(shù) 1).步距角與歩距誤差 步距角指步進電機定子繞組通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 過的角度。 常見的步距角0.60/1.20 , 0.750/1.50 , 0.9

8、0/1.80 ,10/20, 1.50/30 等。 步距角越小,控制越精確。 步距誤差直接影響執(zhí)行部件的定位精度。 m相m拍，k=1, m相2m拍， k=2 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 圖5-5 步進電動機靜態(tài)矩角特性曲線 2).矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩mjmax和起動轉(zhuǎn)矩mq 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 4).連續(xù)運行的最高工作頻率 最高工作頻率指步進電機連續(xù)運行時，不丟步運行的極限頻率。 5). 加減速特性 加減速特性是描述步進電機由

9、靜止到工作頻率和由工作頻率 到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時間的關(guān)系。 6). 矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)距 矩頻特性是描述步進電機連續(xù)穩(wěn)定運行時輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運行頻 率之間的關(guān)系。 3).啟動頻率 啟動頻率指空載時，步進電機由靜止狀態(tài)突然啟動，并進 入不丟步的正常運行的最高頻率。 步進電動機的矩頻特性 步進電動機加減速特性曲線 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 2.直流伺服電動機直流伺服電動機 (1)直流伺服電機的分類與特點直流伺服電機的分類與特點 a.小慣量直流伺服電機小慣量直流伺服電機 結(jié)構(gòu)一般為永磁式，

10、長徑比大，轉(zhuǎn)動慣量小，響 應(yīng)速度快，但過載能力低；由于轉(zhuǎn)動慣量小，必須配 齒輪減速箱，才能拖動負載。用于進給驅(qū)動。 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 b.大慣量寬調(diào)速直流伺服電機大慣量寬調(diào)速直流伺服電機 結(jié)構(gòu)為永磁式，慣量大，輸出 轉(zhuǎn)矩大，可以直接與絲杠相連， 過載能力強，動態(tài)響應(yīng)好，穩(wěn) 定性好，調(diào)速范圍寬且運轉(zhuǎn)平 穩(wěn)。用于進給驅(qū)動。 l-轉(zhuǎn)子 2-定子(永磁體) 3-電刷 4-測速發(fā)電動機 大慣量寬調(diào)速永磁直流伺服電動機結(jié)構(gòu)圖 l-換向極；2-主磁極； 3-定子；4-轉(zhuǎn)子；5-線圈 直流主軸電機結(jié)構(gòu)示意圖 第第5章章

11、數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 c.直流主軸電動機直流主軸電動機 由于輸出功率較大，結(jié)構(gòu)上不 做成永磁式，而與普通勵磁直 流電動機相同，為他勵式。為 了改善換向性能，在電動機結(jié) 構(gòu)上都有換向極；為縮小體積， 改善冷卻效果，采用了軸向強 迫通風冷卻或“熱管”冷卻。 電動機外殼結(jié)構(gòu)為密封式，以 適應(yīng)惡劣的機械加工車間環(huán)境。 用于主軸驅(qū)動。 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 (2)直流伺服電機的工作原理直流伺服電機的工作原理 (a)工作原理 (b)等效電路 他勵直

12、流電機工作原理圖 直流電機的基本調(diào)速方式有直流電機的基本調(diào)速方式有 三種：三種： 即調(diào)節(jié)電阻ra、調(diào)節(jié)電樞電 壓ua和調(diào)節(jié)磁通的值。 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 他勵直流電機的轉(zhuǎn)速公式為他勵直流電機的轉(zhuǎn)速公式為 (3)直流伺服電機的機械特性直流伺服電機的機械特性 直流電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱機械特性，機械特性是電機的 靜態(tài)特性，是穩(wěn)定運行時帶動負載的性能，此時，電磁轉(zhuǎn)矩與 外負載相等。當電機帶動負載時，電機轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速產(chǎn)生轉(zhuǎn) 速差n，它反映了電機機械特性的硬度，n越小，表明機械特 性越硬。 第第5章章 數(shù)控機床的

13、驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 (a)改變電樞電壓時的機械特性 (b)改變磁通時的機械特性 由圖 (a)可見，當調(diào)節(jié)電樞電壓時，直流電機的機械特性為一組 平行線，即機械特性曲線的斜率不變，而只改變電機的理想轉(zhuǎn) 速，保持了原有較硬的機械特性，所以數(shù)控機床伺服進給動系 統(tǒng)的調(diào)速采用調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速方式。由圖 (b)可見，調(diào)磁調(diào)速 不但改變了電機的理想轉(zhuǎn)速，而且使直流電機機械特性變軟， 所以調(diào)磁調(diào)速主要用于機床主軸電機調(diào)速。 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 2.交流伺服電

14、動機交流伺服電動機 (1)永磁式交流同步電機的結(jié)構(gòu)及特點永磁式交流同步電機的結(jié)構(gòu)及特點 種類：同步型交流伺服電動機（種類：同步型交流伺服電動機（sm）和異步型交流伺服電動機（）和異步型交流伺服電動機（im） 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 (2)永磁式交流同步電機的工作原理永磁式交流同步電機的工作原理 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 (3

15、)交流主軸伺服電動機的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)交流主軸伺服電動機的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 1-交流主軸電機交流主軸電機 2-普通交流異步感應(yīng)電機普通交流異步感應(yīng)電機 3-通風孔通風孔 (3)交流主軸伺服電動機的工作原理交流主軸伺服電動機的工作原理 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 3.直線電動機直線電動機 直線電動機的實質(zhì)是把旋轉(zhuǎn)電動機沿徑向剖開，然后拉直演變而 成，利用電磁作用原理，將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動動能的一種推 力裝置，是一種較為

16、理想的驅(qū)動裝置。 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 在機床進給系統(tǒng)中，采用直線電動機直接驅(qū)動與旋轉(zhuǎn)電動機的最 大區(qū)別是取消了從電動機到工作臺之間的機械傳動環(huán)節(jié)，把機床進 給傳動鏈的長度縮短為零。正由于這種傳動方式，帶來了旋轉(zhuǎn)電動 機驅(qū)動方式無法達到的性能指標和優(yōu)點。 磁懸浮列車 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.3 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 1.對進給伺服系統(tǒng)的要求：對進給伺服系統(tǒng)的要求：

17、(1)精度要求高：包括定位精度、重復定位精度及輪廓加工精度。 (2)穩(wěn)定性好:有較強的抗干擾能力，保證進給速度均勻、平穩(wěn)。 (3)響應(yīng)速度快且無超調(diào)：快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指 標，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。 (4)調(diào)速范圍寬：要求有較寬的無級調(diào)速范圍，既能滿足高速加工 要求，又能滿足低速進給要求,且在低速時運行平穩(wěn)無爬行。 (5)低速大轉(zhuǎn)矩：要求伺服系統(tǒng)在低速時要有大的轉(zhuǎn)矩輸出，防止 出現(xiàn)低速爬行現(xiàn)象。 定位精度：移動件到達指令位置的準確度 重復定位精度：移動件在任意定位點的定位一致性 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.3 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 2. 步進電

18、動機驅(qū)動電路步進電動機驅(qū)動電路 (1) 步進電機的環(huán)形分配器步進電機的環(huán)形分配器 步進電機驅(qū)動線路完成由弱電到強電的轉(zhuǎn)換和放 大，也就是將邏輯電平信號變換成電機繞組所需的具 有一定功率的電流脈沖信號。驅(qū)動控制電路由環(huán)形分 配器和功率放大器組成。 環(huán)形分配器是用于控制步進電機的通電方式的，其 作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按照一定的 順序和分配方式加到功率放大器上，控制各相繞組的 通電、斷電。環(huán)形分配器功能可由硬件或軟件產(chǎn)生， 硬件環(huán)形分配器是根據(jù)步進電機的相數(shù)和控制方式設(shè) 計的。硬件環(huán)形分配器是根據(jù)真值表或邏輯關(guān)系式采 用邏輯門電路和觸發(fā)器來實現(xiàn)。 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)

19、控機床的驅(qū)動與位置控制 5.3 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 硬件環(huán)形分配器硬件環(huán)形分配器 硬件環(huán)形分配器是根據(jù)真值表或邏輯關(guān)系式采用邏輯門電路 和觸發(fā)器來實現(xiàn)?？刂芻lk的頻率，可控制步進電機的速度。 cnc 裝置 電源 環(huán)形 分配器 a相驅(qū)動 b相驅(qū)動 c相驅(qū)動full/half dir clk m 三相硬件環(huán)形分配器的驅(qū)動控制 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.3 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 【工程實例】國產(chǎn)【工程實例】國產(chǎn)cmos型集成脈沖分配器型集成脈沖分配器ch250 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.3 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 軟件環(huán)形分配器軟

20、件環(huán)形分配器 控制相鄰兩次軟件環(huán)分狀態(tài)之間的延時，可控制步進電機線控制相鄰兩次軟件環(huán)分狀態(tài)之間的延時，可控制步進電機線 圈通電狀態(tài)的變化頻率，從而控制步進電機的速度。圈通電狀態(tài)的變化頻率，從而控制步進電機的速度。 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.3 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 作用：將環(huán)形分配器 發(fā)出的ttl電平信號 放大至幾安培到十幾 安培的電流，送至步 進電動機的各繞組。 控制電路：單電壓簡 單驅(qū)動、高低壓切換 驅(qū)動、高壓恒流斬波、 調(diào)頻調(diào)壓、細分驅(qū)動 等。 (2) 步進電機的功率放大器步進電機的功率放大器 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控

21、制 5.3 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 單電壓功率放大電路單電壓功率放大電路 i t 單電壓驅(qū)動電流波形單電壓驅(qū)動電路原理圖 單電壓驅(qū)動電路的優(yōu)點是線路簡單，缺點是電流上升不夠快，高單電壓驅(qū)動電路的優(yōu)點是線路簡單，缺點是電流上升不夠快，高 頻時帶負載能力低。頻時帶負載能力低。 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.3 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 高低雙電壓驅(qū)動高低雙電壓驅(qū)動 電路原理圖電流波形 特點：特點： 高壓充電，保證電流以較快的速度上升，低壓供電，維持繞高壓充電，保證電流以較快的速度上升，低壓供電，維持繞 組中的電流為額定值；缺點是高低壓電路波形連接處有凹形組中的電流為額定值；缺

22、點是高低壓電路波形連接處有凹形 。 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.3 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 恒流斬波驅(qū)動恒流斬波驅(qū)動 電路原理圖電流波形 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.3 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 【工程實例】集成斬波恒流功放芯片【工程實例】集成斬波恒流功放芯片sla7026m應(yīng)用實例應(yīng)用實例 調(diào)頻調(diào)壓型功放電路調(diào)頻調(diào)壓型功放電路 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.3 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 細分驅(qū)動電路細分驅(qū)動電路 四相步進電動機正弦細分相電流時序圖 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置

23、控制 5.3 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 【工程實例】步進電動機正弦細分驅(qū)動實例【工程實例】步進電動機正弦細分驅(qū)動實例 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.3 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 2.直流電動機的速度控制單元直流電動機的速度控制單元 (1)可控硅直流調(diào)速系統(tǒng)可控硅直流調(diào)速系統(tǒng) 速度 調(diào)節(jié)器 電流 調(diào)節(jié)器 觸發(fā)脈沖 發(fā)生器 可控硅 整流器 電流反饋 速度反饋 電流檢測 編碼器電機 ur + - uf if ir + - er us 通過對晶閘管觸發(fā)角的控制來控制電機電樞電壓，以達 到調(diào)速的目的。 晶閘管直流雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)框圖 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位

24、置控制 5.3 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 ，使 電使電機轉(zhuǎn)整流、放大、驅(qū)(主回路：可控硅整流 后移使可控硅觸發(fā)可控硅觸,發(fā)生器：產(chǎn)生移相脈沖觸發(fā) 系統(tǒng)作用 調(diào)節(jié)：電pi)或(p電流環(huán) 好的靜 態(tài)作用 速度 調(diào)度(pi)速度 環(huán) 控制回路 動放大器即 脈沖 快速性、穩(wěn)定性改善：；流 、動態(tài)特性：；： 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.3 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 主回路主回路由大功率晶閘管構(gòu)成的三相全控橋式反并接可逆 電路，分成二大部分（ 和 ），每部分內(nèi)按三相橋式連接，二 組反并接，分別實現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。1、3、5在正半周導通， 2、4、 6在負半周導通。每組內(nèi)（即二相間）觸發(fā)脈

25、沖相位相差120，每 相內(nèi)二個觸發(fā)脈沖相差180。按管號排列，觸發(fā)脈沖的順序：1-2- 3-4-5-6，相鄰之間相位差60。為保證合閘后兩個串聯(lián)可控硅能同 時導通，或已截止的相再次導通， 采用雙脈沖控制。既每個觸發(fā) 脈沖在導通60后，在補發(fā)一個輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制， 寬度大于60，小于120 只要改變可控硅觸發(fā)角（即改變導通角），就能改變可控硅的整流 輸出電壓，從而改變直流伺服電機的轉(zhuǎn)速。 觸發(fā)脈沖提前來，增大整流輸出電壓；觸發(fā)脈沖延后來，減小整流 輸出電壓。 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.3 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 e) u acbcab a) b)

26、c) d) 135 t u b 246 b ca t t t t 1 1 3 3 5 5 1 1 3 3 6 2 2 4 4 6 6 2 2 4 13 5 246 120 120 180 60 1 3 24 60 60 5 6 主回路波形圖 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.3 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 (2)晶體管脈寬調(diào)制（晶體管脈寬調(diào)制（pwm）調(diào)速系統(tǒng)）調(diào)速系統(tǒng) 通過脈寬調(diào)制器將直流電壓轉(zhuǎn)換成方波電壓，通過對方波脈沖寬 度的控制，改變電樞的平均電壓，以達到調(diào)速的目的。 pwm調(diào)速系統(tǒng)組成原理框圖 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.3

27、 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 脈寬調(diào)制器：脈寬調(diào)制器： 控制回路：控制回路： 速度調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器；固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器；脈 寬調(diào)制器和基極驅(qū)動電路。 區(qū)別：與晶閘管調(diào)速系統(tǒng)比較，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器原理一 樣。不同的是脈寬調(diào)制器和功率放大器。 作用：將電壓量轉(zhuǎn)換成可由控制信號調(diào)節(jié)的矩形脈沖，為功率晶 體管的基極提供一個寬度可由速度指令信號調(diào)節(jié)的脈寬電壓。 組成：調(diào)制信號發(fā)生器（三角波和鋸齒波兩種）和比較放大器。 原理：以三角波發(fā)生器為例介紹 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.3 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 t u u s r +u u s c +u s r ooo -

28、u s r t t t t u sr 速度指令轉(zhuǎn)化過 來的直流電壓 u - 三角波 usc- 脈寬調(diào)制器的輸出 （ u s r +u ） 調(diào)制波形圖 r1 +12v usc r1 r3r2 + - 12v u s r u - 調(diào)制出正負脈寬一樣方波 平均電壓為0 調(diào)制出脈寬較寬的波形 平均電壓為正 調(diào)制出脈寬較窄的波形 平均電壓為負 u s r +u usr為0時usr為正時 usr為負時 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.3 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 主回路：可逆h型雙極式pwm開關(guān)功率放大器 電路圖: 由四個大功率晶體管（gtr）t 1 、t 2 、t 3 、t4

29、及四個續(xù)流二極管組成的橋式電路。 ub1、ub2、ub3、ub4為調(diào) 制器輸出，經(jīng)脈沖分配、基極驅(qū)動轉(zhuǎn)換過來的脈沖電壓，分別 加到t1 、t2、t3 、t4的基極。以正脈沖較寬為例（既正轉(zhuǎn)時） ub3 ub4 ub1 ub2 us ab d1 d2 d3 d4 m t1 t2t4 t3 ud uab ub2 ub3 o t t ub1 ub 4 o t1t us -us o t t id id1 id2 id1id2 o 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.3 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止： 由正、負驅(qū)動電壓脈沖寬窄而定。 當正脈沖較寬時，既t1 t/2

30、，平均電壓為正，電機正轉(zhuǎn)； 當正脈沖較窄時，既t1 t/2 ，平均電壓為負，電機反轉(zhuǎn)； 如果正、負脈沖寬度相等，t1=t/2 ，平均電壓為零，電機停轉(zhuǎn)。 電機速度的改變： 電樞上的平均電壓uab越大，轉(zhuǎn)速越高。它是由驅(qū)動電壓脈沖寬 度決定的。 雙極性： 可逆h型雙極式pwm開關(guān)功率放大器，無論負載是重還是輕、電機是正 轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，加在電樞上的電壓極性在一個開關(guān)周期內(nèi)，都在us 和us之間變換一次，故稱為雙極性。 pwm調(diào)速系統(tǒng)的主要特點： 頻帶寬、頻率高； 電流脈動??； 電源的功率因數(shù)高； 動態(tài)硬度好。 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.3 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 3

31、.交流電動機的速度控制單元交流電動機的速度控制單元 (1)交流伺服電機的變頻調(diào)速交流伺服電機的變頻調(diào)速 (a) 交交變頻 (b) 交直交變頻 變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)：為交流電機提供變頻電源的變頻器。 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 w調(diào)制原理（以單相為例） 正弦脈寬調(diào)制 （spwm）波 形: 與正弦波等效的一系 列等幅不等寬的矩形脈沖 波，如圖所示。 等效原理：把正弦分成 n 等分，每一區(qū)間的面積用 與其相等的等幅不等寬的 矩形面積代替。 正弦的正負半周均如此處理。 u t t u o o a) b) 5.3 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 正弦脈寬調(diào)制（正弦脈寬調(diào)制（spwm）變

32、頻器）變頻器 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.3 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 spwm控制波的生成: 方波發(fā)生器 三角波發(fā) 生器 三角波與基準 正弦波疊加 （比較器） spwm調(diào)制波 基準正弦波 (由速度指令 轉(zhuǎn)化過來的) vd1 uut u1:調(diào)制波 u 0 oo o t t rf r r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 vd2 vd3 vd4 c 1 c 2 u0 (ua、ub、 uc ) t o - - - + + + t ut:載波 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.3 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 雙極性spwm主回路 uab 50h

33、zspwm d1 d2d3 d4 d5d6 d7d8d9 d10 d11d12 t1 t2t3 t4 t5t6 ua ua ub ub uc uc u1u2u3ut u1 ut ud ua 1t 1t 1t 1t 1t 1t ua0 ub0 uc0 逆變器輸出a相等 效正弦脈寬電壓 波 b相等效正弦脈 寬電壓波 逆變器輸出電壓 等效正弦脈寬電 壓波 u1:由f轉(zhuǎn)換來的ut 改變調(diào)制波的頻率、幅值， 就可改變最終輸出：變頻 變壓的交流電壓 c相等效正弦脈 寬電壓波 主回路： 左半部：整流器 右半部：逆變器 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.3 進給驅(qū)動進給驅(qū)動 (

34、2)永磁同步交流伺服電機矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)永磁同步交流伺服電機矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng) 矢量變換控制的基本思想實質(zhì)上就是通過數(shù)學變換把三相交流電動機的 定子電流分解為兩個分量，一個用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢的勵磁分量 id , 另 個用來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩分量 iq 。 永磁交流伺服電動機速度、電流雙環(huán)永磁交流伺服電動機速度、電流雙環(huán)spwmspwm控制系統(tǒng)原理圖控制系統(tǒng)原理圖 恒功率范圍要寬 寬調(diào)速范圍 具有四象限驅(qū)動能力 具有位置控制能力 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.4 主軸驅(qū)動主軸驅(qū)動 1.對主軸驅(qū)動系統(tǒng)的要求對主軸驅(qū)動系統(tǒng)的要求 2.直流主軸控制單元直流主軸

35、控制單元 直流主軸伺服系統(tǒng)一般沒有位置控制，它只是一個速度控制系統(tǒng)，直 流主軸速度單元是由速度環(huán)和電流環(huán)構(gòu)成的雙環(huán)速度控制系統(tǒng)，用控制 主軸電機的電樞電壓來進行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，如下圖所示。主軸直流電機調(diào) 速還包括恒功率調(diào)速，它由框圖中上半部分的激磁控制回路完成，這部 分恒功率調(diào)速是由控制勵磁電路的勵磁電流的大小來實現(xiàn)的。早期的數(shù) 控機床多采用直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)。 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.4 主軸驅(qū)動主軸驅(qū)動 直流主軸速度控制單元框圖直流主軸速度控制單元框圖 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.4主軸驅(qū)動主軸驅(qū)動 3.交流主軸控制

36、單元交流主軸控制單元 為了實現(xiàn)對交流主軸電動機的高精度和高性能的控制，目前大多 數(shù)數(shù)控機床的交流主軸控制采用矢量控制變頻調(diào)速的方法，正弦控 制波可以由矢量變換控制原理來獲得。 (1)三相a、b、c系統(tǒng)變換到兩相、系統(tǒng) 這種變換是將三相交流電機變?yōu)榈刃У亩嘟涣麟姍C。 (2)矢量旋轉(zhuǎn)變換 將三相電機轉(zhuǎn)化為二相電機后，還需將二相交流電機 變換為等效的直流電機。其實質(zhì)就是矢量向標量的轉(zhuǎn) 換，是靜止的直角坐標系向旋轉(zhuǎn)的直角坐標系的轉(zhuǎn)換。 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.4主軸驅(qū)動主軸驅(qū)動 交流主軸電動機矢量控制交流主軸電動機矢量控制spwm變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖變頻調(diào)速系

37、統(tǒng)原理圖 (4)交流主軸電機的矢量控制 （3） 直角坐標與極坐標的變換 矢量控制中，還要用到直角坐標系與極坐標系的變換。 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.4 主軸驅(qū)動主軸驅(qū)動 主軸變頻器基本接口圖主軸變頻器基本接口圖 【工程實例】主軸變頻器接口簡介【工程實例】主軸變頻器接口簡介 如圖所示采用三相交流380v 電源供電，速度指令由3、4 腳輸入，指令電壓范圍是直 流0-10v；主軸電動機的啟動 停止以及旋轉(zhuǎn)方向由外部 開關(guān)s1、s2控制，當s1閉合 時電動機正轉(zhuǎn)，當s2閉合時 電動機反轉(zhuǎn)，若s1、s2同時 都斷開或閉合則電動機停止。 也可以定義為s1控制電動機

38、的啟動和停止，s2控制電動 機的旋轉(zhuǎn)方向。變頻器根據(jù) 輸入的速度指令和運行狀態(tài) 指令輸出相應(yīng)頻率和幅值的 交流電源，控制電動機旋轉(zhuǎn)。 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.5 數(shù)控機床常用的檢測裝置數(shù)控機床常用的檢測裝置 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.5 數(shù)控機床常用的檢測裝置數(shù)控機床常用的檢測裝置 1.位置檢測裝置的要求和分類位置檢測裝置的要求和分類 數(shù)控機床對檢測裝置的主要要求有： (1)工作可靠，抗干擾性能強； (2)使用維護方便，適應(yīng)機床的工作環(huán)境； (3)滿足數(shù)控機床精度和速度的要求； (4)易于實現(xiàn)高速的動態(tài)測量和處理

39、，易于實現(xiàn)自動化； (5)成本低，壽命長。 常用位置檢測裝置分類 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.5 數(shù)控機床常用的檢測裝置數(shù)控機床常用的檢測裝置 (1)旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角位移測量裝置，由定子和轉(zhuǎn)子組成。 旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理與普通變壓器基本相似，其中定子繞組作為 變壓器的一次側(cè)，接受勵磁電壓。轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的二次側(cè)， 通過電磁耦合得到感應(yīng)電壓，只是其輸出電壓大小與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。 假設(shè)加到定子繞組的勵磁電壓為：tuu m sin 1 = cossincos 12 tkukuu m =轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電

40、壓為： 式中 k 變壓比（即繞組匝數(shù)比）； um 勵磁信號的幅值； 勵磁信號角頻率； 旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)角。 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.5 數(shù)控機床常用的檢測裝置數(shù)控機床常用的檢測裝置 實際使用時通常采用多極形式，如正余弦旋轉(zhuǎn)變 壓器，其定子和轉(zhuǎn)子均由兩個匝數(shù)相等，軸線相 互垂直的繞組構(gòu)成，如圖所示。一個轉(zhuǎn)子繞組接 高阻抗作為補償，另一個轉(zhuǎn)子繞組作為輸出。 旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用 其有兩種典型工作方式，鑒相式和鑒幅式。鑒相式是根 據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來檢測位移量；鑒幅式是根據(jù)感 應(yīng)輸出電壓的幅值來檢測位移量。 a.鑒相工作方式 給定子兩繞組分別通以幅

41、值相同、頻率 相同、相位差900的交流勵磁電壓，即: = = tuu tuu mc ms cos sin 1 1 這兩個勵磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中都 產(chǎn)生了感應(yīng)電壓，電壓的代數(shù)和： )cos( coscossinsin 2 = = tku tkutkuu m mm 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.5 數(shù)控機床常用的檢測裝置數(shù)控機床常用的檢測裝置 b.鑒幅工作方式 給定子的兩個繞組分別通以頻率相同、相位相同、幅值分別按正弦 和余弦變化的交流激磁電壓，即 = = tutuu tutuu mcmc msms a a coscoscos sinsinsin 1 1 式中 激

42、磁繞組中的電氣角 則轉(zhuǎn)子上的疊加電壓為 tkutkutkuu mmm aaasin)cos(coscoscossinsinsin 2 = (2)感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器是利用勵磁繞組與感應(yīng)繞組間發(fā)生相對位移時，由于電磁耦合 的變化，感應(yīng)繞組中的感應(yīng)電壓隨位移的變化而變化，借以進行位移量的 檢測。感應(yīng)同步器按其結(jié)構(gòu)特點一般分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種： 結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.5 數(shù)控機床常用的檢測裝置數(shù)控機床常用的檢測裝置 直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成,用于直線位移測量,如圖(a)所示。 旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子

43、組成,用于角位移測量,如圖(b)所示。 感應(yīng)同步器滑尺上的兩分段繞組（正弦繞組和余弦繞組）是勵磁繞組，定尺上的 連續(xù)繞組是感應(yīng)繞組。定尺固定在床身上，滑尺則安裝在機床的移動部件上。當 正弦繞組與定尺繞組相位相同時，余弦繞組與定尺繞組錯開1/4節(jié)距?；吆投ǔ?相對平行安裝，其間保持一定間隙（0.050.2mm）。通過對感應(yīng)電壓的測量，可以 精確地測量出位移量。 標準感應(yīng)同步器定尺長250mm，滑尺長100mm，節(jié)距為2mm。 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 感應(yīng)電動勢 移動距離 在勵磁繞組上加上一定的交變勵磁 電壓，定尺繞組中就產(chǎn)生相同頻率 的感應(yīng)電動勢，其幅值大

44、小隨滑尺 移動呈余弦規(guī)律變化?；咭苿右?個節(jié)距，感應(yīng)電動勢變化一個周期。 當滑尺移動的距離為x時，則對應(yīng)于感應(yīng)電勢以余弦函數(shù)將變化角： p t p t xx =2 2 (3)脈沖編碼器脈沖編碼器 光電編碼器是一種回轉(zhuǎn)式數(shù)字測量元件，通常裝在被檢測軸上，隨被測軸 一起轉(zhuǎn)動，可將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換為增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。 從產(chǎn)生元件上分，脈沖編碼器有光電式、接觸式、電磁感應(yīng)式三種，從精 度和可靠性來看，光電式較好，數(shù)控機床上主要使用的是光電式脈沖編碼 器。型號用 脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)（p/r）分，常用的2000，2500，3000p/r, 現(xiàn)在有10 萬p/r以上的產(chǎn)品。 5.5 數(shù)控機床常用的

45、檢測裝置數(shù)控機床常用的檢測裝置 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.5 數(shù)控機床常用的檢測裝置數(shù)控機床常用的檢測裝置 增量式光電編碼器增量式光電編碼器 它由光源、聚光鏡、圓光柵、指示光柵、光敏元件和信號處理電路 等組成（如圖）。為了判斷旋轉(zhuǎn)方向，圓盤的兩個窄縫距離彼此錯 開1/4節(jié)距，使兩個光電元件輸出信號相位差900。 信號處理裝置 abz 圓光柵透鏡 光源 光敏元件 透光狹縫指示光柵 節(jié)距 aabbzz m+/4 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 5.5 數(shù)控機床常用的檢測裝置數(shù)控機床常用的檢測裝置 絕對式光電編碼器絕對式光電編碼器

46、 【工程實例】電機轉(zhuǎn)角位置檢測電路 如圖表示按二進制編碼構(gòu)成絕對式編碼器的工作原 理。其中白的部分表示透光，黑的部分表示不透光。 當光源通過透光部分并為光電接收器接收時表示“1” 信息，反之表示“0”信息。最里層的表示最高位， 最外層的表示最低位。 第第5章章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 (5)光柵光柵 數(shù)控機床上用計量光柵。 計量光柵可分為透射式 光柵和反射式光柵兩大 類，均由光源、光柵副 (標尺光柵和指示光柵)、 光敏元件三大部分組成。 計量光柵按形狀又可分 為長光柵和圓光柵。 5.5 數(shù)控機床常用的檢測裝置數(shù)控機床常用的檢測裝置 直線光柵通常包括一長和一短兩塊配套使用，其中長的稱為標尺光柵或主 光柵，一般固定在機床移動部件上，要求與行程等長。短的為指