第7章數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)ppt課件

1、l伺服系統(tǒng)：以位置和速度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。l伺服系統(tǒng)接受數(shù)控裝置發(fā)來(lái)的進(jìn)給脈沖指令信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)變換和電壓、功率放大由執(zhí)行元件將其轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰坪椭本€位移，以驅(qū)動(dòng)數(shù)控設(shè)備各運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。l7.1.1 伺服系統(tǒng)的分類l1. 按照調(diào)節(jié)理論分類l1開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)l開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路組成，無(wú)位置檢測(cè)裝置。7.1 概 述l數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令脈沖經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)線路變換與放大，傳給步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)每接收一個(gè)指令脈沖，就旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，再通過(guò)齒輪副和絲杠螺母副帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)。l指令脈沖的頻率決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而決定了工作臺(tái)的移動(dòng)速度；指令脈沖的數(shù)量決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，進(jìn)而決定

2、了工作臺(tái)的位移大小。l開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)加工精度低。由于無(wú)位置檢測(cè)裝置，其精度取決于步進(jìn)電機(jī)的步距精度和工作頻率以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度。l結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，適用于對(duì)精度和速度要求不高的經(jīng)濟(jì)型、中小型數(shù)控系統(tǒng)。（2閉環(huán)伺服系統(tǒng)有位置檢測(cè)裝置，且裝在機(jī)床工作臺(tái)上，直接檢測(cè)工作臺(tái)的實(shí)際位移。利用CNC裝置的指令值與位置檢測(cè)裝置的檢測(cè)值的差值進(jìn)行位置控制。精度高，其運(yùn)動(dòng)精度取決于檢測(cè)裝置的精度，與傳動(dòng)鏈的誤差無(wú)關(guān)。適用于大型或比較精密的數(shù)控設(shè)備。（3半閉環(huán)伺服系統(tǒng)有位置檢測(cè)裝置，且裝在電機(jī)或絲杠的端頭，檢測(cè)角位移，間接獲得工作臺(tái)的位移。精度比閉環(huán)控制低，滾珠絲杠的精度影響位置檢測(cè)的精度。適用于中小型數(shù)控機(jī)

3、床。 （1電液伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件：電液脈沖馬達(dá)或電液伺服馬達(dá)。驅(qū)動(dòng)元件：液動(dòng)機(jī)或液壓缸。優(yōu)點(diǎn)：低速高輸出力矩，剛性好，時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)快，速度平穩(wěn)。缺陷：需要供油系統(tǒng)，體積大，產(chǎn)生噪聲和漏油等問(wèn)題。（2電氣伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件：伺服電機(jī)步進(jìn)電機(jī)、交流或直流伺服電機(jī)）。驅(qū)動(dòng)元件：電力電子器件?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床均采用電氣伺服系統(tǒng)。（1進(jìn)給伺服系統(tǒng)控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，提供切削所需的轉(zhuǎn)矩。包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。（2主軸伺服系統(tǒng)控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，提供所需的驅(qū)動(dòng)功率和切削力。一般的主軸控制只有一個(gè)速度控制系統(tǒng)，具有C軸控制的主軸伺服系統(tǒng)與進(jìn)給伺服系統(tǒng)相同，是一般概念的位置伺服控制系統(tǒng)。刀庫(kù)的

4、位置控制是簡(jiǎn)單的位置伺服控制。（1數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)將數(shù)控裝置發(fā)出的數(shù)字或脈沖指令信號(hào)與檢測(cè)裝置測(cè)量的以數(shù)字或脈沖形式表示的反饋信號(hào)直接進(jìn)行比較，產(chǎn)生位置差值，形成閉環(huán)和半閉環(huán)控制。（2相位比較伺服系統(tǒng)采用相位工作方式，指令信號(hào)與反饋信號(hào)均以相位形式表示并進(jìn)行比較。（3幅值比較伺服系統(tǒng)以位置檢測(cè)信號(hào)的幅值大小來(lái)反映機(jī)床位移量的大小，并與指令信號(hào)進(jìn)行比較。（4全數(shù)字控制伺服系統(tǒng)由位置、速度和電流組成的三環(huán)反饋控制全部數(shù)字化。l由控制器、功率驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)反饋裝置和伺服電機(jī)組成。l（1控制器：由位置調(diào)解單元、速度調(diào)解單元和電流調(diào)解單元組成。l控制器最多構(gòu)成三閉環(huán)控制：外環(huán)為位置環(huán)，中環(huán)為速度環(huán)，

5、內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。l（2功率驅(qū)動(dòng)裝置：由驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路和功率放大器等組成。l功能：一方面按控制量大小將電網(wǎng)中的電能作用到電機(jī)上，調(diào)節(jié)電機(jī)力矩的大?。涣硪环矫姘措姍C(jī)要求將恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需直流電或交流電。l（3位置檢測(cè)裝置：閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)有位置檢測(cè)裝置，其安裝位置不同；開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)無(wú)位置檢測(cè)裝置。l（4伺服電機(jī)：閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)采用交流或直流伺服電機(jī)；開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)。1. 數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求（1調(diào)速范圍大，低速轉(zhuǎn)矩大。調(diào)速范圍：機(jī)械裝置要求電機(jī)能提供的最高進(jìn)給速度相對(duì)于最低進(jìn)給速度之比。為保證所有加工條件下，均能得到最佳切削條件和加工質(zhì)量，就要求進(jìn)給速度

6、在較大的范圍內(nèi)變化。低速切削要求電機(jī)輸出較大的轉(zhuǎn)矩，避免出現(xiàn)低速爬行現(xiàn)象。（2精度高。精度：伺服系統(tǒng)的輸出量跟隨輸入量的精確程度。為保證數(shù)控加工精度要求，主要保證機(jī)床的定位精度和進(jìn)給跟蹤精度。（3快速響應(yīng)無(wú)超調(diào)?？焖夙憫?yīng)反映系統(tǒng)的跟蹤精度。（4穩(wěn)定性好，可靠性高。穩(wěn)定性：系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能經(jīng)過(guò)短暫的調(diào)節(jié)達(dá)到新的或恢復(fù)到原來(lái)平衡狀態(tài)。系統(tǒng)具有較好的抗干擾能力能保證進(jìn)給速度均勻、平穩(wěn)。（5足夠的傳動(dòng)剛性，較強(qiáng)的過(guò)載能力，電機(jī)的慣量與移動(dòng)部件的慣量相匹配，伺服電機(jī)能夠頻繁啟停和可逆運(yùn)行。2. 數(shù)控機(jī)床對(duì)主軸伺服系統(tǒng)的要求（1足夠的輸出功率。主軸轉(zhuǎn)速高，輸出轉(zhuǎn)矩小；主軸轉(zhuǎn)速低，輸出轉(zhuǎn)矩

7、大。要求主軸驅(qū)動(dòng)裝置具有恒功率性質(zhì)。（2調(diào)速范圍寬。數(shù)控機(jī)床的變速依照指令自動(dòng)執(zhí)行，要求能夠在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，較少中間傳遞環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化主軸箱。（3定位準(zhǔn)停功能。為使得數(shù)控車床具有螺紋切削等功能，要求主軸能與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)實(shí)行同步控制。在加工中為自動(dòng)換刀，要求主軸具有高精度的準(zhǔn)停功能。l步進(jìn)電機(jī)：一種將電脈沖信號(hào)變換成相應(yīng)的角位移或直線位移的機(jī)電執(zhí)行元件。l數(shù)控裝置輸出的進(jìn)給脈沖數(shù)量、頻率和方向經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)控制電路達(dá)到步進(jìn)電機(jī)后，可以轉(zhuǎn)換為工作臺(tái)的位移量、進(jìn)給速度和方向。7.2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制線路驅(qū)動(dòng)控制線路步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)工作臺(tái)工作臺(tái)指令脈沖指令脈沖絲杠絲杠開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)組成框圖開(kāi)

8、環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)組成框圖l步進(jìn)式伺服系統(tǒng)受驅(qū)動(dòng)控制線路的控制，將代表進(jìn)給脈沖的電信號(hào)通過(guò)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ù笮『头较虻臋C(jī)械角位移，通過(guò)齒輪和絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。l1. 工作臺(tái)位移量的控制l數(shù)控裝置發(fā)出N個(gè)進(jìn)給脈沖，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)變化N次，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角位移量 =N （為步距角）。該角位移經(jīng)絲杠螺母副之后轉(zhuǎn)化為工作臺(tái)的位移量L，即進(jìn)給脈沖數(shù)決定了工作臺(tái)的直線位移量。l2. 工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向的控制l當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給脈沖是正向時(shí)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)控制線路之后，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子繞組按一定順序依次通電、斷電。當(dāng)進(jìn)給脈沖是反向時(shí)，定子各相繞組則按相反的順序通電、斷電。l改變進(jìn)給脈沖的方

9、向，可改變定子繞組的通電順序，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而改變工作臺(tái)的進(jìn)給方向。l3. 工作臺(tái)進(jìn)給速度的控制l若數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給脈沖的頻率為f，經(jīng)驅(qū)動(dòng)控制線路后，轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組的通電、斷電的電平信號(hào)變化頻率，由于進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速=60f為脈沖當(dāng)量），所以定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率決定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。l該轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)絲杠副螺母副傳遞之后，轉(zhuǎn)化為工作臺(tái)的進(jìn)給速度，即進(jìn)給脈沖的頻率決定了工作臺(tái)的進(jìn)給速度。同時(shí)，在相同脈沖頻率f的條件下，脈沖當(dāng)量越小，則進(jìn)給速度越小，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的分辨率和精度越高。l綜上所述，進(jìn)給脈沖的數(shù)量、頻率和方向決定了機(jī)床工作臺(tái)的位移量、速度和方向。l脈沖混合電

10、路：將數(shù)控裝置送來(lái)的信號(hào)混合為使工作臺(tái)正向運(yùn)行的“正向進(jìn)給信號(hào)或使之反向運(yùn)行的“反向進(jìn)給信號(hào)。 l加減脈沖分配電路：將脈沖混合電路輸出的進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換成為同一方向的正向或反向的進(jìn)給脈沖。 脈沖混合電路脈沖混合電路加減脈沖分配電路加減脈沖分配電路加減速電路加減速電路環(huán)形分配器環(huán)形分配器功率放大器功率放大器正向進(jìn)給脈沖正向進(jìn)給脈沖反向進(jìn)給脈沖反向進(jìn)給脈沖進(jìn)給脈沖進(jìn)給脈沖步進(jìn)電步進(jìn)電機(jī)繞組機(jī)繞組加加減減步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制線路的組成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制線路的組成l當(dāng)機(jī)床在向著正或負(fù)向進(jìn)給脈沖的控制下正沿著正或負(fù)方向進(jìn)給時(shí)，由于各種補(bǔ)償脈沖的存在，使得可能還會(huì)出現(xiàn)極個(gè)別的負(fù)或正向脈沖。這種極個(gè)別的脈沖的出現(xiàn)意味

11、著步進(jìn)電機(jī)正在沿著一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，再向相反的方向旋轉(zhuǎn)極個(gè)別個(gè)步距角。為了達(dá)到這一目的，通常采用從正在進(jìn)給方向的進(jìn)給脈沖中抵消相同數(shù)量的反向補(bǔ)償脈沖 l加減速電路：由于進(jìn)給脈沖經(jīng)過(guò)加減脈沖分配電路后其頻率的變化有跳躍，為了使進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)的電信號(hào)的頻率變化平滑，就使用加減速電路進(jìn)行緩沖。 l環(huán)形分配器 ：把來(lái)自加減速電路的一串進(jìn)給脈沖按一定規(guī)律分成若干路電平信號(hào)去控制步進(jìn)電機(jī)的幾個(gè)定子繞組，使其正向運(yùn)轉(zhuǎn)或反向運(yùn)轉(zhuǎn)。 l功率放大器：功率放大。分類方式具體類型轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理 反應(yīng)式（磁阻式）；永磁式；永磁感應(yīng)式（混合式）。輸出力矩大小伺服式：輸出力矩在百分之幾至十分之幾（Nm），只能驅(qū)動(dòng)較小的負(fù)載，要求

12、與液壓扭矩放大器配用，才能驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)等較大的負(fù)載。 功率式：輸出力矩在5-50（Nm）以上，可以直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)等較大的負(fù)載。 相數(shù)三相；四相；五相；六相。各相繞組分布徑向分相式：電機(jī)各相按圓周依次排列。 軸向分向式：電機(jī)各相按軸依次排列。 運(yùn)動(dòng)方式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)式；直線運(yùn)動(dòng)式；平面運(yùn)動(dòng)式；滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)式。定子數(shù)單定子式；雙定子式；三定子式；多定子式。（1反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子分定子鐵芯和定子勵(lì)磁繞組。1定子繞組；2轉(zhuǎn)子鐵芯；3A相磁通；4定子鐵芯。定子鐵芯由電工硅鋼片疊壓而成，定子繞組是繞置在定子鐵芯6個(gè)均勻分布的齒上的線圈，在直徑方向上相對(duì)的兩個(gè)齒上的線圈串聯(lián)在一起，構(gòu)成

13、一相控制繞組。步進(jìn)電機(jī)可構(gòu)成A、B、C三相控制繞組，稱為三相步進(jìn)電機(jī)。若任一相繞組通電，就形成一組定子磁極。l定子的每個(gè)磁極正對(duì)轉(zhuǎn)子的圓弧面上均都均勻分布著5個(gè)小齒，呈梳狀排列，齒槽等寬，齒間夾角為9。l轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，只有均勻分布的40個(gè)小齒，其大小和間距與定子上的完全相同。l三相定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯(cuò)開(kāi)1/3齒距。l當(dāng)A相磁極上的小齒與轉(zhuǎn)子上的小齒對(duì)齊時(shí)，B相磁極上的齒剛好超前或滯后轉(zhuǎn)子齒1/3齒距角，即3；C相磁極齒超前或滯后轉(zhuǎn)子齒2/3齒距角。l步距角：步進(jìn)電機(jī)每走一步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度，其大小等于錯(cuò)齒的角度。l（2永磁式步進(jìn)電機(jī)l定子和轉(zhuǎn)子中的某一方永永久磁鋼，另一方由軟磁材料

14、制成，其上由勵(lì)磁繞組。l繞組通電，建立的磁場(chǎng)與永久磁鋼的恒定磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。l（3永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)l轉(zhuǎn)子由環(huán)行磁鋼及兩段鐵芯構(gòu)成。l步進(jìn)電機(jī)：基于電磁力的吸引和排斥產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。l定子繞組所加電源要求是脈沖電流形式，也稱為脈沖電機(jī)。l步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，即送給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)電流脈沖，其轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)確定的角度，即步距角；脈沖數(shù)增加，角位移也增加；無(wú)脈沖時(shí)，電機(jī)停止。l改變步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向改變。l步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度越快，即脈沖頻率越高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高；但脈沖頻率不能過(guò)高，否則產(chǎn)生失步或超步。（1步距角和靜態(tài)步距誤差步

15、進(jìn)電機(jī)步距角與定子繞組的相數(shù)m、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z、通電方式k有關(guān)，即有：360/(mzk)。其中：m相m拍時(shí)，k1；m相2m拍時(shí)，k2，依此類推。例如，三相三拍，z40時(shí)，360/(3401)3。靜態(tài)步距誤差：在空載情況下，理論的步距角與實(shí)際的步距角之差，以分表示，一般在10之內(nèi)。步距誤差主要由步進(jìn)電機(jī)步距制造誤差，定子和轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻以及各相電磁轉(zhuǎn)矩不均勻等因素造成。l靜態(tài)轉(zhuǎn)矩：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)某相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子處于不同狀態(tài)，此時(shí)在電機(jī)軸上加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就按一定方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，此時(shí)轉(zhuǎn)子所受的電磁轉(zhuǎn)矩M即為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。l矩角特性：靜態(tài)轉(zhuǎn)矩M與的關(guān)系。（3啟動(dòng)頻率啟動(dòng)頻率：空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)

16、突然啟動(dòng)，并進(jìn)入不丟步的正常運(yùn)行的最高頻率。步進(jìn)電機(jī)帶負(fù)載下的啟動(dòng)頻率要比空載啟動(dòng)頻率低，并隨負(fù)載增加而進(jìn)一步降低。（4連續(xù)運(yùn)行的最高工作頻率最高工作頻率：步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)后，保證連續(xù)不丟步運(yùn)行的最高工作頻率。決定了定子繞組通電狀態(tài)下最高變化的頻率，即決定了步進(jìn)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。（5加減速特性加減速特性：步進(jìn)電機(jī)由靜止刀工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過(guò)程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時(shí)間的關(guān)系。（6矩頻特性與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矩頻特性：描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩M與連續(xù)運(yùn)行頻率f之間的關(guān)系。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩：矩頻特性曲線上每個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而下降。l功能

17、：將具有一定頻率f、一定數(shù)量N和方向的進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換成控制步進(jìn)電機(jī)各相定子繞組通電斷電的電平信號(hào)變化頻率、變化次數(shù)和通斷電順序。 l驅(qū)動(dòng)控制器由環(huán)形脈沖分配器和功率放大器組成。l功能：將邏輯電平信號(hào)弱電變換為電機(jī)繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號(hào)強(qiáng)電）。即將數(shù)控裝置的插補(bǔ)脈沖，按步進(jìn)電機(jī)所要求的規(guī)律分配給步進(jìn)電機(jī)的各相輸入端，以控制勵(lì)磁繞組的通、斷電。l分類：硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器。l硬件環(huán)形分配器：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置本身帶有環(huán)形分配器。l軟件環(huán)形分配器：驅(qū)動(dòng)裝置本身無(wú)環(huán)形分配器，環(huán)形分配需要軟件完成。l輸入、輸出信號(hào)一般為TTL電平，輸出信號(hào)A、B、C為高電平時(shí)表示相應(yīng)繞組通電，低電平

18、時(shí)表示相應(yīng)繞組失電。lCLK為數(shù)控裝置發(fā)出的脈沖信號(hào)，每個(gè)脈沖信號(hào)的上升或下降沿到來(lái)時(shí)，輸出改變一次繞組的通電狀態(tài)。lDIR為數(shù)控裝置發(fā)出的方向信號(hào)，其電平高低對(duì)應(yīng)電機(jī)繞組通電順序的改變，即步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。lFULL/HALF控制電機(jī)的整步或半步。l軟件環(huán)形脈沖分配器的設(shè)計(jì)方法有查表法、比較法、移位寄存器法等。l如下圖，8031單片機(jī)的P1口的三個(gè)引腳經(jīng)過(guò)光電隔離、功率放大后分別與電機(jī)的A、B、C連接。l采用三相六拍方式時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)锳ABBBCCCAA。l電機(jī)反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)锳ACCCBBBAA。l功能：將環(huán)形分配器輸出的脈沖信號(hào)放大，以用足夠的功率來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。l（1單電壓

19、功率放大器（2高低電壓功率放大器（3斬波恒流功率放大器（4調(diào)頻調(diào)壓功率放大器1. 傳動(dòng)間隙補(bǔ)償提高機(jī)床傳動(dòng)元件的齒輪、絲杠制造裝配精度并采取消除傳動(dòng)間隙的措施，只能減少不能完全消除傳動(dòng)間隙。機(jī)械傳動(dòng)鏈在改變運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，最初若干個(gè)指令脈沖只能起到消除間隙的作用，造成步進(jìn)電機(jī)的空走，而工作臺(tái)無(wú)實(shí)際移動(dòng)，從而產(chǎn)生傳動(dòng)誤差。補(bǔ)償方法：先測(cè)出并存儲(chǔ)間隙大小，接收反向位移指令時(shí)，先不向步進(jìn)電機(jī)輸出反向位移脈沖，而將間隙值轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)N，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，越過(guò)傳動(dòng)間隙，然后按照指令脈沖動(dòng)作。2. 螺距誤差補(bǔ)償傳動(dòng)鏈中滾珠絲杠螺距的制造誤差直接影響機(jī)床工作臺(tái)的位移精度。補(bǔ)償方法：設(shè)置若干個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)，在每個(gè)

20、補(bǔ)償點(diǎn)測(cè)量并記錄工作臺(tái)位移誤差，確定補(bǔ)償值并作為控制參數(shù)輸送給數(shù)控裝置。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，工作臺(tái)每經(jīng)過(guò)一個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)，CNC系統(tǒng)就加入補(bǔ)償量，補(bǔ)償螺距誤差。3. 細(xì)分線路細(xì)分驅(qū)動(dòng)：將一個(gè)步距角細(xì)分為若干步的驅(qū)動(dòng)方法。7.3.1 直流伺服電機(jī)1. 直流伺服電機(jī)的類型按電樞的結(jié)構(gòu)和形狀分：平滑電樞型、空心電樞型和有槽電樞型等。按定子磁場(chǎng)產(chǎn)生方式分：永磁式和他勵(lì)式。按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小分：大慣量、中慣量和小慣量伺服電機(jī)。2. 直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)（1定子：產(chǎn)生定子磁極磁場(chǎng)。（2轉(zhuǎn)子：表面嵌有線圈，通直流電時(shí)，在定子磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生帶負(fù)載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。（3電刷與換向片：為使產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定的方向，保證轉(zhuǎn)子能沿

21、著固定方向均勻地連續(xù)旋轉(zhuǎn)，將電刷與外加直流電源連接，換向片與電樞線圈連接。3. 直流伺服電機(jī)的工作原理（1永磁式直流電機(jī)工作原理直流電壓加在A、B兩電刷之間，電流從A流入，從B流出，導(dǎo)體ab和cd受到逆時(shí)針?lè)较蜃饔昧?，轉(zhuǎn)子在逆時(shí)針?lè)较虻仉姶呸D(zhuǎn)矩作用下旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)過(guò)90，電樞線圈處于磁極的中性面，電刷與換向片斷開(kāi)，無(wú)電磁轉(zhuǎn)矩作用。l在慣性作用下，電樞繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，當(dāng)電刷與換向片再次接觸時(shí)，導(dǎo)體ab和cd交換了位置，ab和cd中的電流也發(fā)生改變，從而保證電樞受到地電磁轉(zhuǎn)矩方向不變，因此，電樞可以連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。（2他勵(lì)式直流電機(jī)工作原理定子上有磁勵(lì)繞住和補(bǔ)償繞組，轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)電刷供電。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定

22、子磁場(chǎng)始終正交，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。l直流電機(jī)地機(jī)械特性公式l公式中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，Ua為電樞外加電壓，Ce為反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，為電機(jī)磁通量，Ra為電樞電阻，Cm為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，M為電磁轉(zhuǎn)矩。l直流電機(jī)的三種調(diào)速方法。l改變電樞外加電壓Ua。該方法可以得到調(diào)速范圍較寬的恒轉(zhuǎn)矩特性，機(jī)械特性好，適用于主軸驅(qū)動(dòng)的低速段和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。l改變磁通量?？傻玫胶愎β侍匦?，適用于主軸驅(qū)動(dòng)的高速段，不適合于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。l改變電樞電路的電阻Ra。該方法得到的機(jī)械特性較軟，不能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，也不適合于數(shù)控機(jī)床。MCCRCUnmeaea2 1. 晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)三相全控橋式整流電路作為直流速度控制單元的主電路。兩組正負(fù)對(duì)接的

23、晶閘管，一組用于提供正向電壓，供電機(jī)正轉(zhuǎn)。一組提供反向電壓，供電機(jī)反轉(zhuǎn)。l速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均是由線性集成放大器和阻容元件構(gòu)成的PI調(diào)節(jié)器。l速度環(huán)起主導(dǎo)作用，電流環(huán)的作用是在啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)限制最大電樞電流。2. 晶體管脈寬調(diào)制PWM直流調(diào)速系統(tǒng)（1PWM系統(tǒng)的組成及工作原理脈寬調(diào)制：使功率放大器中的晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)頻率保持恒定，用調(diào)整開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的晶體管導(dǎo)通時(shí)間的辦法來(lái)改變輸出，從而使得電機(jī)電樞兩端獲得寬度隨時(shí)間變化的給定頻率的電壓脈沖。脈寬連續(xù)變化，使得電樞電壓平均值連續(xù)變化，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速連續(xù)變化。7.4.1 交流伺服電機(jī)1. 交流伺服電機(jī)的類型永磁式交流伺服電機(jī)和感應(yīng)式交

24、流伺服電機(jī)共同點(diǎn)：工作原理均由定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使得轉(zhuǎn)子跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一起運(yùn)轉(zhuǎn)。不同點(diǎn)：永磁式伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與外加交流電源的頻率存在著嚴(yán)格的同步關(guān)系，即電機(jī)的轉(zhuǎn)速等于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速；而感應(yīng)式伺服電機(jī)由于需要轉(zhuǎn)速差才能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，因此，電機(jī)的轉(zhuǎn)速低于磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速，負(fù)載越大，轉(zhuǎn)速差越大。2. 永磁交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理電機(jī)結(jié)構(gòu)：由定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件組成，其中1定子；2轉(zhuǎn)子；3壓板；4定子三相繞組；5脈沖編碼器；6接線盒。l工作原理：定子三相繞組接上電源后，產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速n0旋轉(zhuǎn)；l定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的永久磁鐵磁極相互吸引，并帶動(dòng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速n0一起旋轉(zhuǎn)；l

25、當(dāng)轉(zhuǎn)子軸上加有負(fù)載轉(zhuǎn)矩后，造成定子磁場(chǎng)軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線不重合，相差一個(gè)角，負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)， 角也發(fā)生變化。l只要不超過(guò)一定限度，轉(zhuǎn)子始終跟隨定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速n0旋轉(zhuǎn)。1. 交流伺服電機(jī)調(diào)速原理電機(jī)調(diào)速的三種方法：（1改變磁極對(duì)數(shù)P：有級(jí)調(diào)速方法，通過(guò)對(duì)定子繞組接線的切換而改變磁極對(duì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。（2改變轉(zhuǎn)差率s：只適合于異步型交流電機(jī)的調(diào)速。（3變頻調(diào)速：通過(guò)改變電機(jī)電源的頻率f而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。2. SPWM變頻調(diào)速（1SPWM調(diào)制原理（2SPWM變頻器的功率放大電路（3SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)速度給定器：給定信號(hào)，控制頻率、電壓及正反轉(zhuǎn)。平穩(wěn)啟動(dòng)回路：使啟動(dòng)加、減速時(shí)間可隨機(jī)械負(fù)載設(shè)

26、定，以達(dá)到軟啟動(dòng)的目的。函數(shù)發(fā)生器：在輸出低頻信號(hào)時(shí)保持電機(jī)氣隙磁通一定，補(bǔ)償定子電壓降的影響。l電壓頻率變壓器：將電壓轉(zhuǎn)換為頻率，經(jīng)分頻器、環(huán)形計(jì)數(shù)器產(chǎn)生方波，和經(jīng)三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波一起送入調(diào)制回路。l電壓調(diào)節(jié)器：產(chǎn)生頻率和幅度可調(diào)的控制正弦波，送入調(diào)制回路，送入調(diào)制回路，在調(diào)制回路中進(jìn)行SPWM變換，產(chǎn)生三相的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。在基極回路中輸出信號(hào)至功率晶體管基極，即對(duì)SPWM的主回路進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁交流伺服電機(jī)的變頻調(diào)速。l電流檢測(cè)器：過(guò)載保護(hù)。l與傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中的“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)滾珠絲杠不同，直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)，取消驅(qū)動(dòng)電機(jī)和工作臺(tái)之間的一切中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)。l7.

27、5.1 直線電機(jī)l分為交流和直流兩種，交流直線電機(jī)又分為感應(yīng)異步式和永磁同步式。l直線電機(jī)相當(dāng)于把旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿過(guò)軸線的平面剖開(kāi)，并將定子、轉(zhuǎn)子圓周展開(kāi)為平面和進(jìn)行一些演變形成。2. 直線電機(jī)的工作原理基本原理：利用電磁作用將電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。（1感應(yīng)異步式直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理（2永磁同步式直線電機(jī)工作原理3. 直線電機(jī)的特點(diǎn)調(diào)節(jié)速度方便。加速度大，響應(yīng)快。定位精度和跟蹤精度高。行程不受限制。l雙環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)。l位置環(huán)：接收來(lái)自光柵尺的位置反饋信號(hào)及插補(bǔ)信號(hào)的比較信號(hào)，來(lái)控制速度環(huán)的指令速度，從而調(diào)節(jié)執(zhí)行件的位置始終與指令位置保持一致。l速度環(huán)：根據(jù)位置環(huán)的指令速度快速而準(zhǔn)

28、確控制電機(jī)，使得其不受負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小和方向的影響，并快速跟蹤指令速度的變化。1. 路徑生成問(wèn)題三個(gè)方面：加加速度、插補(bǔ)和對(duì)加工程序段的預(yù)處理。2. 直線電機(jī)對(duì)負(fù)載剛性的影響三個(gè)因素：速度控制環(huán)比例增益、積分時(shí)間和在沒(méi)有前饋控制情況下的位置控制環(huán)比例增益。3. 影響定位時(shí)間的因素四個(gè)因素：最大加速度、速度、加加速度和位置控制進(jìn)給前饋實(shí)際增益。4. 影響加工路徑精度的因素三個(gè)因素：路徑生成最大加速度和位置控制進(jìn)給前饋實(shí)際增益。7.6.1 數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)將指令脈沖F與反饋脈沖Pf進(jìn)行比較，決定位置偏差e，再將位置偏差e放大后輸出給速度控制單元和電機(jī)執(zhí)行，以減少和消除位置偏差。半閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測(cè)元

29、件多采用光電編碼器；閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測(cè)元件多采用光柵。工作過(guò)程：當(dāng)指令脈沖為正而反饋脈沖為負(fù)時(shí)，計(jì)數(shù)器作加法運(yùn)算；當(dāng)指令脈沖為負(fù)而反饋脈沖為正時(shí)，計(jì)數(shù)器作減法運(yùn)算。計(jì)數(shù)器的計(jì)算結(jié)果：當(dāng)eFPf0時(shí)，工作臺(tái)正向移動(dòng)；當(dāng)eFPf0時(shí)，工作臺(tái)反向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)eFPf0時(shí)，工作臺(tái)靜止。l常用檢測(cè)元件是旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器。l脈沖調(diào)相器數(shù)字相位變化器）：將來(lái)自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相位變化信號(hào)。l以位姿檢測(cè)信號(hào)的幅值大小來(lái)反映機(jī)械位移量的數(shù)值，并以此信號(hào)作為反饋信號(hào)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后與指令信號(hào)進(jìn)行比較，從而獲得位置偏差構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。l常用檢測(cè)元件：旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器。l提供加工各類工件所需的切削功率，主要完成主軸調(diào)速和正反轉(zhuǎn)功能。l7.7.1 直流主軸伺服系統(tǒng)l由速度環(huán)和電流環(huán)組成雙環(huán)調(diào)速，控制直流主軸電機(jī)的電樞電壓來(lái)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。l交流主軸電機(jī)一般采用感應(yīng)式交流伺服電機(jī)。l感應(yīng)式交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、廉價(jià)、可靠，配合矢量交換控制的主