數(shù)控技術(shù)第4章1

1、 湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院1第4章 進(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng) 4.1 概述概述4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動4.4 交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法4.5 伺服系統(tǒng)性能分析伺服系統(tǒng)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 采用伺服電機(jī)驅(qū)動。位置采樣是從伺服電機(jī)引出，不是采用伺服電機(jī)驅(qū)動。位置采樣是從伺服電機(jī)引出，不是直接檢測運動

2、部件的實際位置，采用旋轉(zhuǎn)角度傳感器。精直接檢測運動部件的實際位置，采用旋轉(zhuǎn)角度傳感器。精度比閉環(huán)差，但結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)整，穩(wěn)定性好。廣泛用度比閉環(huán)差，但結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)整，穩(wěn)定性好。廣泛用于中小型數(shù)控設(shè)備。于中小型數(shù)控設(shè)備。 角位移測量裝置 4.1 概述概述13 采用伺服電機(jī)驅(qū)動。位置檢測裝置裝在工作臺上，可直接采用伺服電機(jī)驅(qū)動。位置檢測裝置裝在工作臺上，可直接測量工作臺實際位移。將所有傳動部分都包含在控制環(huán)之內(nèi)，測量工作臺實際位移。將所有傳動部分都包含在控制環(huán)之內(nèi)，可消除機(jī)械系統(tǒng)引起的誤差。精度高于半閉環(huán)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可消除機(jī)械系統(tǒng)引起的誤差。精度高于半閉環(huán)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制較難，成本高，調(diào)試和

3、維修困難。適用于大型或高檔數(shù)控制較難，成本高，調(diào)試和維修困難。適用于大型或高檔數(shù)控機(jī)床控機(jī)床 4.1 概述概述14光柵尺光柵尺光柵尺光柵尺 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. 開、閉環(huán)進(jìn)給控制系統(tǒng)的組成；比較開、閉環(huán)進(jìn)給系開、閉環(huán)進(jìn)給控制系統(tǒng)的組成；比較開、閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的特性。統(tǒng)的特性。2. 查閱資料，對步進(jìn)進(jìn)給系統(tǒng)、交流同步伺服系統(tǒng)、直查閱資料，對步進(jìn)進(jìn)給系統(tǒng)、交流同步伺服系統(tǒng)、直流伺服系統(tǒng)的的特點與性能進(jìn)行比較。流伺服系統(tǒng)的的特點與性能進(jìn)行比較。20第4章 進(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng) 4.1 概述概述4.2 位置檢測裝置位

4、置檢測裝置4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動4.4 交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法4.5 伺服系統(tǒng)性能分析伺服系統(tǒng)性能分析214.2 位置檢測裝置位置檢測裝置位置檢測裝置：位置檢測裝置： 檢測位移（線位移或角位移）和速度，反饋至數(shù)控檢測位移（線位移或角位移）和速度，反饋至數(shù)控裝置或伺服驅(qū)動器，構(gòu)成伺服驅(qū)動系統(tǒng)閉環(huán)或半閉環(huán)控裝置或伺服驅(qū)動器，構(gòu)成伺服驅(qū)動系統(tǒng)閉環(huán)或半閉環(huán)控制，使工作臺按指令路徑精確地移動。制，使工作臺按指令路徑精確地移動。（1）組成：組成：檢測元件（傳感器）和信號處理裝置。檢測元件（傳感器）和信號處理裝置。（2）常用檢測裝置：常用檢測裝置：旋轉(zhuǎn)

5、變壓器、感應(yīng)同步器、編碼旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、編碼器、光柵、磁柵等器、光柵、磁柵等22（3） 精度：精度：系統(tǒng)精度、分辨率系統(tǒng)精度、分辨率 系統(tǒng)精度系統(tǒng)精度：一定范圍內(nèi)測量累積誤差最大值。：一定范圍內(nèi)測量累積誤差最大值。 直線位測量精度：直線位測量精度：0.0020.02m； 回轉(zhuǎn)角測量精度：回轉(zhuǎn)角測量精度：5360系統(tǒng)分辨率系統(tǒng)分辨率：能正確檢測的最小位移量。：能正確檢測的最小位移量。 直線位移分辨率：直線位移分辨率：1m，高精度，高精度0.1m； 回轉(zhuǎn)分辨率：可達(dá)回轉(zhuǎn)分辨率：可達(dá)2(0.087)。 大型機(jī)床：速度為主；大型機(jī)床：速度為主； 中小型機(jī)床、高精度機(jī)床：精度為主。中小型機(jī)床、高

6、精度機(jī)床：精度為主。 數(shù)控機(jī)床加數(shù)控機(jī)床加工精度主要工精度主要由檢測系統(tǒng)由檢測系統(tǒng)精度決定。精度決定。4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置23（4）安裝位置安裝位置半閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床半閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)變壓器、編碼器等。安裝在電機(jī)或絲杠上，測旋轉(zhuǎn)變壓器、編碼器等。安裝在電機(jī)或絲杠上，測量電機(jī)或絲杠的角位移間接測量工作臺的直線位移。量電機(jī)或絲杠的角位移間接測量工作臺的直線位移。閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床感應(yīng)同步器、光柵、磁柵等，安裝在工作臺和導(dǎo)軌感應(yīng)同步器、光柵、磁柵等，安裝在工作臺和導(dǎo)軌上，直接測量工作臺的直線位移。上，直接測量工作臺的直線位移。4.2 位置檢測裝置位置檢測

7、裝置24（5）數(shù)控機(jī)床對檢測裝置的要求數(shù)控機(jī)床對檢測裝置的要求 受溫度、濕度影響小，工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)受溫度、濕度影響小，工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)在機(jī)床移動范圍內(nèi)滿足精度和速度要求在機(jī)床移動范圍內(nèi)滿足精度和速度要求使用維護(hù)方便，適合機(jī)床運行環(huán)境使用維護(hù)方便，適合機(jī)床運行環(huán)境成本低成本低易于實現(xiàn)高速的動態(tài)測量。易于實現(xiàn)高速的動態(tài)測量。4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置254.2.1位置檢測裝置分類位置檢測裝置分類 數(shù)字式數(shù)字式 模擬式模擬式 增量式增量式 絕對式絕對式 增量式增量式 絕對式絕對式 回回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)型型 增量式脈沖增量式脈沖編碼器編碼器圓光柵圓光柵 絕對式脈沖絕對式脈沖編碼器編碼器 旋轉(zhuǎn)變

8、壓器旋轉(zhuǎn)變壓器圓感應(yīng)同步器圓感應(yīng)同步器圓磁尺圓磁尺 多極旋轉(zhuǎn)變壓器多極旋轉(zhuǎn)變壓器3速圓感應(yīng)同步器速圓感應(yīng)同步器 直直線線型型 計量光柵計量光柵激光干涉儀激光干涉儀 多通道透射多通道透射光柵光柵 直線感應(yīng)同步器直線感應(yīng)同步器光柵尺光柵尺 3速直線感應(yīng)同步器速直線感應(yīng)同步器絕對值式磁尺絕對值式磁尺 4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置26（1）增量式與絕對式）增量式與絕對式 增量式檢測方式增量式檢測方式功能：功能：測量增量，移動測量增量，移動1個測量單位發(fā)出個測量單位發(fā)出1個測量信號。個測量信號。如：測量單位為如：測量單位為0.001mm，每移動，每移動0.001mm發(fā)出發(fā)出1個脈沖信個脈沖信號，對脈

9、沖計數(shù)得到位移量。號，對脈沖計數(shù)得到位移量。優(yōu)點：優(yōu)點：裝置較簡單，任何一個對中點均可作測量起點；裝置較簡單，任何一個對中點均可作測量起點；缺點：缺點：一旦計數(shù)有誤，此后測量結(jié)果全錯；發(fā)生故障（如一旦計數(shù)有誤，此后測量結(jié)果全錯；發(fā)生故障（如斷電、斷刀等）時不能找到事故前的位置，須將工作臺移斷電、斷刀等）時不能找到事故前的位置，須將工作臺移至起點重新計數(shù)。至起點重新計數(shù)。增量式檢測裝置：增量式檢測裝置：有脈沖編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器，感應(yīng)同步器，有脈沖編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器，感應(yīng)同步器，光柵，磁柵，激光干涉儀等光柵，磁柵，激光干涉儀等 4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置27絕對式檢測方式絕對式檢測方式功能：

10、功能：被測量的任一點的位置都以一個固定的零點作被測量的任一點的位置都以一個固定的零點作基準(zhǔn)，每一被測點都有一個相應(yīng)的對零點的測量值?；鶞?zhǔn)，每一被測點都有一個相應(yīng)的對零點的測量值。優(yōu)點：優(yōu)點：避免了增量式檢測方式的缺陷避免了增量式檢測方式的缺陷缺點：缺點：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。絕對式檢測裝置：絕對式檢測裝置：有絕對式脈沖編碼器、三速式絕對有絕對式脈沖編碼器、三速式絕對編碼器（或稱多圈式絕對編碼器）等編碼器（或稱多圈式絕對編碼器）等 4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置28（2）數(shù)字式與模擬式）數(shù)字式與模擬式數(shù)字式測量方式數(shù)字式測量方式 以數(shù)字形式表示被測量，測量信號一般為脈沖，以數(shù)字形式表示被測量

11、，測量信號一般為脈沖，可直接把它送到數(shù)控裝置進(jìn)行比較、處理?？芍苯影阉偷綌?shù)控裝置進(jìn)行比較、處理。特點：特點：u 便于顯示、處理；便于顯示、處理；u 測量精度取決于測量單位，與量程基本無關(guān)（存測量精度取決于測量單位，與量程基本無關(guān)（存在累加誤差）在累加誤差）u 檢測裝置簡單，脈沖信號抗干擾能力強(qiáng)。檢測裝置簡單，脈沖信號抗干擾能力強(qiáng)。4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置29模擬式測量方式模擬式測量方式 用連續(xù)的變量表示被測量，如用相位變化、電壓用連續(xù)的變量表示被測量，如用相位變化、電壓變化表示。變化表示。特點：特點：u 直接對被測量進(jìn)行檢測；直接對被測量進(jìn)行檢測；u 在小量程內(nèi)可以實現(xiàn)高精度測量；在

12、小量程內(nèi)可以實現(xiàn)高精度測量；u 可用于直接檢測和間接檢測?？捎糜谥苯訖z測和間接檢測。6.1 概述概述4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置30（3）直接測量與間接測量）直接測量與間接測量6.1 概述概述直接測量直接測量 用直線式用直線式檢測裝置檢測裝置測直線位移，測直線位移，作為全閉環(huán)伺服系作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號，構(gòu)成閉環(huán)控制。統(tǒng)的位置反饋信號，構(gòu)成閉環(huán)控制。對機(jī)床的直線位移采用直線型檢測裝置測量。對機(jī)床的直線位移采用直線型檢測裝置測量。優(yōu)點：優(yōu)點：測量精度取決于測量元件的精度，不受機(jī)床傳動測量精度取決于測量元件的精度，不受機(jī)床傳動精度的影響。精度的影響。缺點：缺點：檢測裝置要與行程等長，

13、對大型數(shù)控機(jī)床來說，檢測裝置要與行程等長，對大型數(shù)控機(jī)床來說，是一個很大的限制。是一個很大的限制。4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置31 間接測量間接測量 檢測裝置檢測裝置測量只是中間值，再由它推算出與之關(guān)聯(lián)的測量只是中間值，再由它推算出與之關(guān)聯(lián)的位移量，位移量，作為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋。作為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋。對機(jī)床的直線位移采用回轉(zhuǎn)型檢測裝置測量，稱為間接測對機(jī)床的直線位移采用回轉(zhuǎn)型檢測裝置測量，稱為間接測量。量。優(yōu)點：優(yōu)點：使用可靠方便，無長度限制，使用可靠方便，無長度限制，缺點：缺點：檢測信號中加入了直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動的傳動檢測信號中加入了直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動的傳動鏈誤差

14、，影響檢測精度。為提高定位精度，常需要對機(jī)床鏈誤差，影響檢測精度。為提高定位精度，常需要對機(jī)床的傳動誤差進(jìn)行補(bǔ)償。的傳動誤差進(jìn)行補(bǔ)償。4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置324.2.2 編碼器編碼器編碼器：編碼器：將測量的角位移以編碼的形式輸出的位置檢測將測量的角位移以編碼的形式輸出的位置檢測裝置，屬于間接測量的數(shù)字式檢測裝置。裝置，屬于間接測量的數(shù)字式檢測裝置。 輸出信號的形式：輸出信號的形式：絕對式、脈沖增量式絕對式、脈沖增量式內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式：內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式：接觸式、光電式、電磁式。接觸式、光電式、電磁式。4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置33工作臺絲杠編碼器電機(jī)安裝方式安裝方式1）與伺

15、服電機(jī)同軸聯(lián)）與伺服電機(jī)同軸聯(lián)接，編碼器在進(jìn)給傳接，編碼器在進(jìn)給傳動鏈前端；安裝方便；動鏈前端；安裝方便；2）連在滾珠絲杠末端，）連在滾珠絲杠末端，包含的傳動鏈誤差比包含的傳動鏈誤差比前者多，位置控制精前者多，位置控制精度較高。度較高。4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置34碼盤及狹縫轉(zhuǎn)軸光敏元件光欄板及辨向用的A組、B組狹縫光源零位標(biāo)志C1. 增量式光電編碼器增量式光電編碼器 （1）結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置35（2）原理原理 將機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖將機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖信號處理裝置信號處理裝置abz碼盤基片碼盤基片透鏡透鏡光源光源光敏元件光敏元件透光狹縫透光狹縫光欄板光欄板節(jié)距節(jié)距A

16、ABBZZm+/44.2 位置檢測裝置位置檢測裝置36AB90Z碼盤轉(zhuǎn)一圈 光敏元件把此光信號轉(zhuǎn)光敏元件把此光信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過信號處理換成電信號，通過信號處理裝置的整形、放大等處理后裝置的整形、放大等處理后輸出。輸出。 輸出的波形有六路：輸出的波形有六路： AA 、ZZBB、4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置37輸出信號的作用及其處理輸出信號的作用及其處理 A、B兩相的作用：兩相的作用：u根據(jù)脈沖數(shù)目可測角位移根據(jù)脈沖數(shù)目可測角位移u根據(jù)脈沖頻率可得軸的轉(zhuǎn)速根據(jù)脈沖頻率可得軸的轉(zhuǎn)速u根據(jù)根據(jù)A、B兩相的相位超前滯后關(guān)系可判斷被兩相的相位超前滯后關(guān)系可判斷被測軸旋轉(zhuǎn)方向測軸旋轉(zhuǎn)方向4.2 位

17、置檢測裝置位置檢測裝置38ABCP90Ou后續(xù)電路可利用后續(xù)電路可利用A、B兩兩相的相的90相位差進(jìn)行四倍相位差進(jìn)行四倍頻細(xì)分處理，提高分辨率。頻細(xì)分處理，提高分辨率。4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置39 （3）增量式碼盤的規(guī)格及分辨率增量式碼盤的規(guī)格及分辨率規(guī)格規(guī)格分辨率分辨率 增量式碼盤的規(guī)格是指碼盤每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的增量式碼盤的規(guī)格是指碼盤每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)。市場上提供的規(guī)格從脈沖數(shù)。市場上提供的規(guī)格從 36線線 / 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 到到10萬線萬線 /轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 都有。最大達(dá)都有。最大達(dá)1600萬線（禁運）。萬線（禁運）。選擇原則選擇原則n360u伺服系統(tǒng)要求的分辨率；伺服系統(tǒng)要求的分辨率；u考慮機(jī)械傳

18、動系統(tǒng)的參數(shù)。整數(shù)原則?？紤]機(jī)械傳動系統(tǒng)的參數(shù)。整數(shù)原則。4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置402 . 絕對式光電編碼器絕對式光電編碼器 u每一位置均由唯一對應(yīng)的編碼輸出每一位置均由唯一對應(yīng)的編碼輸出u電源切除后位置信息不會丟失電源切除后位置信息不會丟失u數(shù)控機(jī)床無需執(zhí)行回參考點操作就能直接提供當(dāng)前數(shù)控機(jī)床無需執(zhí)行回參考點操作就能直接提供當(dāng)前的位置值，沒有累積誤差的位置值，沒有累積誤差特點：特點：4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置41（1）結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理碼盤基片上有多圈碼道，且碼盤基片上有多圈碼道，且每碼道的刻線數(shù)相等每碼道的刻線數(shù)相等對應(yīng)每圈都有光電傳感器對應(yīng)每圈都有光電傳感器輸出

19、信號的路數(shù)與碼盤圈數(shù)輸出信號的路數(shù)與碼盤圈數(shù)成正比成正比檢測信號按某種規(guī)律編碼輸檢測信號按某種規(guī)律編碼輸出，故可測得被測軸的周向絕出，故可測得被測軸的周向絕對位置對位置232221204.2 位置檢測裝置位置檢測裝置42（2）絕對編碼盤的編碼方式及其特點絕對編碼盤的編碼方式及其特點二進(jìn)制編碼：二進(jìn)制編碼：特點：特點：編碼循序與位置循編碼循序與位置循序相一致，但可能產(chǎn)生非序相一致，但可能產(chǎn)生非單值性誤差。單值性誤差。缺點：缺點：在在1100和和1011的交的交界處，可能會出現(xiàn)二義：界處，可能會出現(xiàn)二義：11110000導(dǎo)致較大的誤差。導(dǎo)致較大的誤差。232221204.2 位置檢測裝置位置檢測裝

20、置4323222120格雷碼（循環(huán)碼）格雷碼（循環(huán)碼）特點：特點：任何兩個編碼之任何兩個編碼之間只有一位是變化的，間只有一位是變化的，因而可把誤差控制在最因而可把誤差控制在最小單位上。但編碼與位小單位上。但編碼與位置循序無直接規(guī)律置循序無直接規(guī)律優(yōu)點：優(yōu)點：最大誤差為一個最大誤差為一個分辨率分辨率。4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置44格雷碼的編碼方法格雷碼的編碼方法從二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換而來的，轉(zhuǎn)換規(guī)則為：從二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換而來的，轉(zhuǎn)換規(guī)則為： 將二進(jìn)制碼與其本身右移一位后并舍去末位的數(shù)碼將二進(jìn)制碼與其本身右移一位后并舍去末位的數(shù)碼作不進(jìn)位加法，得出的結(jié)果即為格雷碼作不進(jìn)位加法，得出的結(jié)果即為格雷碼(循環(huán)

21、碼循環(huán)碼)。例：例： 將二進(jìn)制碼將二進(jìn)制碼0101轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的格雷碼轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的格雷碼（雷格碼）（右移一位并舍去末位（二進(jìn)制碼）011101001014.2 位置檢測裝置位置檢測裝置45 （3）絕對式編碼器的規(guī)格及分辨率絕對式編碼器的規(guī)格及分辨率規(guī)格規(guī)格分辨率分辨率絕對式碼盤的規(guī)格與碼盤碼道數(shù)絕對式碼盤的規(guī)格與碼盤碼道數(shù) n 有關(guān)；有關(guān)；現(xiàn)在市場上提供從現(xiàn)在市場上提供從 4 道到道到27道都有。（道都有。（23道以上禁運）道以上禁運）選擇原則選擇原則 伺服系統(tǒng)要求的分辨率；伺服系統(tǒng)要求的分辨率； 考慮機(jī)械傳動系統(tǒng)的參數(shù)?？紤]機(jī)械傳動系統(tǒng)的參數(shù)。n23604.2 位置檢測裝置位置檢測裝置463.

22、 編碼器的信號傳輸方式編碼器的信號傳輸方式（1）傳輸對象：傳輸對象：伺服電機(jī)、數(shù)控裝置伺服電機(jī)、數(shù)控裝置（2）傳輸方式：傳輸方式：并行或串行并行或串行并行傳輸：并行傳輸：每位數(shù)據(jù)需要一根數(shù)據(jù)電纜線。每位數(shù)據(jù)需要一根數(shù)據(jù)電纜線。 特點：特點：僅適用于短距離傳輸和特殊要求的場合。僅適用于短距離傳輸和特殊要求的場合。串行傳輸：串行傳輸：通過一根雙絞線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，分為單工、通過一根雙絞線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，分為單工、半雙工和全雙工，同步串行通信或異步串行通信。半雙工和全雙工，同步串行通信或異步串行通信。 特點：特點：用線少、成本低、傳輸距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)安全可靠。用線少、成本低、傳輸距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)安全可靠。應(yīng)用于

23、遠(yuǎn)距離傳輸和高精密的場合。應(yīng)用于遠(yuǎn)距離傳輸和高精密的場合。4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置47 并行傳輸并行傳輸 增量式編碼器的數(shù)據(jù)輸增量式編碼器的數(shù)據(jù)輸出多以并行傳輸方式為主。出多以并行傳輸方式為主。輸出信號通常有輸出信號通常有A、/A、B、/B和和C、/C六路信號，有些六路信號，有些還輸出還輸出U、V、W三路信號，三路信號，用于電機(jī)矢量控制中電樞用于電機(jī)矢量控制中電樞初始角度的計算。初始角度的計算。 4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置48 串行傳輸串行傳輸 絕對式編碼器多以同步串行傳輸方式為主。串行傳輸?shù)慕^對式編碼器多以同步串行傳輸方式為主。串行傳輸?shù)姆绞胶芏?，以德國海德漢公司的全雙工同步串

24、行方式很多，以德國海德漢公司的全雙工同步串行EnDat為例，為例，有有EnDat2.1和和EnDat2.2兩個版本。兩個版本。 EnDat2.2不僅能為增量式和絕對式編碼器傳輸位置值，不僅能為增量式和絕對式編碼器傳輸位置值，同時還能夠傳輸附加信息值或更新存儲在編碼器中的信息，同時還能夠傳輸附加信息值或更新存儲在編碼器中的信息，或保存新的信息，具有效率更高、速度更快（時鐘頻率或保存新的信息，具有效率更高、速度更快（時鐘頻率16 MHz）。）。 4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置494 . 編碼器的選擇編碼器的選擇（1）電源。電源。常用的編碼器電源有常用的編碼器電源有5V、12V、24V幾種類型。幾

25、種類型。（2）機(jī)械允許轉(zhuǎn)速。機(jī)械允許轉(zhuǎn)速。取決于編碼器測量系統(tǒng)處理時間、取決于編碼器測量系統(tǒng)處理時間、分辨率和結(jié)構(gòu)尺寸，處理時間越短，尺寸越小，機(jī)械允許分辨率和結(jié)構(gòu)尺寸，處理時間越短，尺寸越小，機(jī)械允許轉(zhuǎn)速越高。轉(zhuǎn)速越高。（3）分辨率。分辨率。應(yīng)根據(jù)測量精度要求選擇編碼器分辨率，應(yīng)根據(jù)測量精度要求選擇編碼器分辨率，綜合考慮性價比。綜合考慮性價比。（4）輸出信號類型。輸出信號類型。類型決定后續(xù)接收電路。類型決定后續(xù)接收電路。（5）使用環(huán)境使用環(huán)境 。4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置50根據(jù)測量對象分：根據(jù)測量對象分： 直線光柵（測量直線位移）和圓光柵（測量角位移）直線光柵（測量直線位移）和圓光柵

26、（測量角位移）根據(jù)用途和材質(zhì)分：根據(jù)用途和材質(zhì)分：玻璃透射光柵、金屬反射光柵。玻璃透射光柵、金屬反射光柵。根據(jù)刻度方法及信號輸出形式分：根據(jù)刻度方法及信號輸出形式分： 絕對式光柵和增量式光柵。絕對式光柵和增量式光柵。 光柵：光柵：是利用光的透射、衍射現(xiàn)象制成的光電檢測裝置，用是利用光的透射、衍射現(xiàn)象制成的光電檢測裝置，用于測量運動部件的直線位移和角位移。于測量運動部件的直線位移和角位移。4. 2. 3 光柵光柵1. 光柵的種類光柵的種類 4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置51（1）直線光柵直線光柵玻璃透射光柵：玻璃透射光柵：在玻璃表面上用真空鍍膜法鍍一層金屬膜，在玻璃表面上用真空鍍膜法鍍一層金屬

27、膜，再涂上一層均勻的感光材料，用照相腐蝕法制成透明與不再涂上一層均勻的感光材料，用照相腐蝕法制成透明與不透明間隔相等的線紋。透明間隔相等的線紋。特點特點：u光源可采用垂直入射，光電元件直接接受光信號，因此光源可采用垂直入射，光電元件直接接受光信號，因此信號幅度大，讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)較簡單；信號幅度大，讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)較簡單；u一般為一般為100、125、250條條/mm，經(jīng)過電路細(xì)分，可做到微，經(jīng)過電路細(xì)分，可做到微米級的分辨率。米級的分辨率。 4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置52金屬反射光柵：金屬反射光柵：在鋼尺或不銹鋼的鏡面上用照相腐蝕法或在鋼尺或不銹鋼的鏡面上用照相腐蝕法或用鉆石刀刻劃制成光柵線紋；常

28、用用鉆石刀刻劃制成光柵線紋；常用4、10、25、40、50條條/mm ，分辨率低。，分辨率低。特點特點：u標(biāo)尺光柵的線膨脹系數(shù)易于與機(jī)床材料一致；標(biāo)尺光柵的線膨脹系數(shù)易于與機(jī)床材料一致；u標(biāo)尺光柵的安裝和調(diào)整較方便；標(biāo)尺光柵的安裝和調(diào)整較方便；u安裝面積較??；安裝面積較??；u易于接長或制成整根的鋼帶長光柵；易于接長或制成整根的鋼帶長光柵；u不易碰碎。不易碰碎。4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置53直線光柵的結(jié)構(gòu)直線光柵的結(jié)構(gòu) 由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭（即指示光柵）兩部分組由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭（即指示光柵）兩部分組成。光柵讀數(shù)頭中有光源、透鏡、掃描光柵、光電池和成。光柵讀數(shù)頭中有光源、透鏡、掃描光

29、柵、光電池和信號處理電路等。信號處理電路等。4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置54（2）圓光柵）圓光柵在玻璃圓盤外環(huán)端面上，做成黑白相間、呈輻射狀條紋，在玻璃圓盤外環(huán)端面上，做成黑白相間、呈輻射狀條紋，相互間夾角（柵距角）相等。相互間夾角（柵距角）相等。根據(jù)不同使用要求，在圓周上的條根據(jù)不同使用要求，在圓周上的條紋數(shù)不同。一般有紋數(shù)不同。一般有3種形式。種形式。六十進(jìn)制，如六十進(jìn)制，如10800、21600、32400、64800等；等；十進(jìn)制，如十進(jìn)制，如1000、2500、5000等等二進(jìn)制，如二進(jìn)制，如512、1024、2048等等4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置55（3）絕對式直線光柵尺

30、）絕對式直線光柵尺 利用光電轉(zhuǎn)換原理將運動部件位置值以編碼形式輸出，利用光電轉(zhuǎn)換原理將運動部件位置值以編碼形式輸出，每個位置均有唯一對應(yīng)代碼輸出。每個位置均有唯一對應(yīng)代碼輸出。 有兩條刻線軌道有兩條刻線軌道增量軌和絕對軌。絕對軌用于確定運動增量軌和絕對軌。絕對軌用于確定運動部件位置值信息，條紋一般采用復(fù)雜的排列算法，如偽隨機(jī)部件位置值信息，條紋一般采用復(fù)雜的排列算法，如偽隨機(jī)編碼方式等，以提高數(shù)據(jù)容量和安全性。增量軌條紋為等距編碼方式等，以提高數(shù)據(jù)容量和安全性。增量軌條紋為等距條紋，用于信號細(xì)分，提供更高分辨率的信號。精度可達(dá)條紋，用于信號細(xì)分，提供更高分辨率的信號。精度可達(dá)3 m/m，分辨率

31、可達(dá)，分辨率可達(dá)5 nm 4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置56（4）增量式直線光柵尺）增量式直線光柵尺 利用光電轉(zhuǎn)換原理將位移的增量值以脈沖形式輸出，通過利用光電轉(zhuǎn)換原理將位移的增量值以脈沖形式輸出，通過對脈沖計數(shù)從而計算出位移值和位置值。對脈沖計數(shù)從而計算出位移值和位置值。 有兩條刻線軌道有兩條刻線軌道增量軌和參考點軌。增量軌條紋進(jìn)行位增量軌和參考點軌。增量軌條紋進(jìn)行位移量的計算。參考點軌用于回零操作。移量的計算。參考點軌用于回零操作。4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置574.2 位置檢測裝置位置檢測裝置2. 光柵的工作原理光柵的工作原理（1）成像掃描成像掃描。透射光生成位置測量信號。指示光柵

32、和標(biāo)。透射光生成位置測量信號。指示光柵和標(biāo)尺光柵的光線投射到規(guī)則排列的光電池上。當(dāng)指示光柵和尺光柵的光線投射到規(guī)則排列的光電池上。當(dāng)指示光柵和標(biāo)尺光柵相對運動時，光電池接收到的光強(qiáng)不斷變化，產(chǎn)標(biāo)尺光柵相對運動時，光電池接收到的光強(qiáng)不斷變化，產(chǎn)生近似正弦變化的周期電信號。生近似正弦變化的周期電信號。 58（2）干涉掃描。干涉掃描。利用精密光柵的衍射和干涉形成位置測量信利用精密光柵的衍射和干涉形成位置測量信號。號。4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置59dw4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置60標(biāo)尺光柵指示光柵dw/22cos2sin222dddwtg放大比放大比k為為 ：1dwk若若d=0.01mm，

33、0.01rad，則，則w1mm，k100 xdwxwxtg2cos222莫爾條紋特性：莫爾條紋特性：u光學(xué)放大作用光學(xué)放大作用4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置613. 光柵測量系統(tǒng)光柵測量系統(tǒng)（1）4倍頻細(xì)分及辯向倍頻細(xì)分及辯向4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置62 （2）電子細(xì)分）電子細(xì)分 根據(jù)細(xì)分原理可分為根據(jù)細(xì)分原理可分為幅值細(xì)分幅值細(xì)分和和鑒相細(xì)分鑒相細(xì)分。電子細(xì)分電。電子細(xì)分電路要求光柵輸出信號為一組頻率和幅值相同、相位相差路要求光柵輸出信號為一組頻率和幅值相同、相位相差90度度的正弦波信號。的正弦波信號。 tUUmsin1tUUmcos2 電阻鏈移相細(xì)分電阻鏈移相細(xì)分 電阻鏈移相細(xì)分

34、屬于電阻鏈移相細(xì)分屬于幅值細(xì)分。幅值細(xì)分。將兩個相位不同的將兩個相位不同的交變信號施加在電阻鏈兩端，由于電壓合成的移相作交變信號施加在電阻鏈兩端，由于電壓合成的移相作用，在電阻鏈的各電阻抽頭上將得到幅值和相位各不用，在電阻鏈的各電阻抽頭上將得到幅值和相位各不相同的一系列移相信號，再用鑒零器對它進(jìn)行鑒幅、相同的一系列移相信號，再用鑒零器對它進(jìn)行鑒幅、整形，便可在莫爾條紋一周期內(nèi)得到若干個脈沖信號整形，便可在莫爾條紋一周期內(nèi)得到若干個脈沖信號而達(dá)到細(xì)分的目的。而達(dá)到細(xì)分的目的。4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置63應(yīng)用疊加原理，接點處輸出電壓：應(yīng)用疊加原理，接點處輸出電壓： 1sinuAt2cosu

35、At 211212sincosoR AtR AtuRRRR)sin(0tUm4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置64 以上是在以上是在0至至90第第一象限的情況。第二至第四一象限的情況。第二至第四象限可采取同樣方法。象限可采取同樣方法。當(dāng)增加多個電阻時，可以構(gòu)當(dāng)增加多個電阻時，可以構(gòu)成如圖所示串聯(lián)電阻移相橋，成如圖所示串聯(lián)電阻移相橋，它共有它共有16個輸出端，實現(xiàn)個輸出端，實現(xiàn)16倍細(xì)分。各點輸出電壓信號倍細(xì)分。各點輸出電壓信號經(jīng)比較器整形為方波，然后經(jīng)比較器整形為方波，然后經(jīng)邏輯電路處理即可實現(xiàn)細(xì)經(jīng)邏輯電路處理即可實現(xiàn)細(xì)分。分。串聯(lián)移相電阻鏈細(xì)分示意圖 sinU cosU sinU cosU 4

36、.2 位置檢測裝置位置檢測裝置65鑒相式細(xì)分鑒相式細(xì)分 通過信號的相位差來模擬光柵系統(tǒng)的位移，然后對信號通過信號的相位差來模擬光柵系統(tǒng)的位移，然后對信號的相位差進(jìn)行細(xì)分。的相位差進(jìn)行細(xì)分。11( )sincoscossinsincoscossinsinf tU UtU UtUtUtUt4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置664.2.4 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器是旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓與角位移量成連續(xù)函數(shù)關(guān)一種輸出電壓與角位移量成連續(xù)函數(shù)關(guān)系的感應(yīng)式微電機(jī)檢測裝置，主要用于系的感應(yīng)式微電機(jī)檢測裝置，主要用于半閉環(huán)半閉環(huán)控制的數(shù)控控制的數(shù)控機(jī)床。機(jī)床。優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏、工作可靠

37、、對環(huán)境條件要結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏、工作可靠、對環(huán)境條件要求低（特別是高溫、高粉塵地方）、輸出信號幅度大、抗求低（特別是高溫、高粉塵地方）、輸出信號幅度大、抗干擾能力強(qiáng)。干擾能力強(qiáng)。缺點：缺點：信號處理比較復(fù)雜。信號處理比較復(fù)雜。分類：分類： 按有無電刷分：接觸式和無接觸式兩種按有無電刷分：接觸式和無接觸式兩種 按極對數(shù)分：單對極和多對極按極對數(shù)分：單對極和多對極4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置671. 旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu) 與兩相繞線式異步電機(jī)相似，與兩相繞線式異步電機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成，由定子和轉(zhuǎn)子組成，是一種旋轉(zhuǎn)式的小型交流電機(jī)。是一種旋轉(zhuǎn)式的小型交流電機(jī)。 定子繞組通過固

38、定在殼體上的接線柱直接引出。定子繞組通過固定在殼體上的接線柱直接引出。轉(zhuǎn)子繞組有兩種不同的引出方式。根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組兩種轉(zhuǎn)子繞組有兩種不同的引出方式。根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組兩種不同的引出方式，旋轉(zhuǎn)變壓器分為有刷式和無刷式兩不同的引出方式，旋轉(zhuǎn)變壓器分為有刷式和無刷式兩種結(jié)構(gòu)形式。種結(jié)構(gòu)形式。 4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置68（1）有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器 轉(zhuǎn)子繞組通過滑環(huán)和轉(zhuǎn)子繞組通過滑環(huán)和電刷直接引出。電刷直接引出。特點：特點：結(jié)構(gòu)簡單，體積小結(jié)構(gòu)簡單，體積小缺點：缺點：電刷與滑環(huán)是機(jī)械電刷與滑環(huán)是機(jī)械滑動接觸的，所以旋轉(zhuǎn)變滑動接觸的，所以旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性差，壽命也壓器的可靠性差，壽命也較短

39、。較短。 4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置69（2）無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器 由本體和附加變壓器組成。由本體和附加變壓器組成。附加變壓器原、副邊鐵心及線附加變壓器原、副邊鐵心及線圈成環(huán)形，分別固定于轉(zhuǎn)子軸圈成環(huán)形，分別固定于轉(zhuǎn)子軸和殼體上，徑向留有一定的間和殼體上，徑向留有一定的間隙。隙。 本體的轉(zhuǎn)子繞組與附加變本體的轉(zhuǎn)子繞組與附加變壓器原邊線圈連在一起，在附壓器原邊線圈連在一起，在附加變壓器原邊線圈中的電信號，加變壓器原邊線圈中的電信號，即轉(zhuǎn)子繞組中的電信號，通過即轉(zhuǎn)子繞組中的電信號，通過電磁耦合，經(jīng)附加變壓器副邊電磁耦合，經(jīng)附加變壓器副邊線圈間接地送出。線圈間接地送出。4.2 位置

40、檢測裝置位置檢測裝置70 無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器避免了電刷與滑環(huán)之間的不良接觸造避免了電刷與滑環(huán)之間的不良接觸造成的影響，提高了旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性及使用壽命，但其體成的影響，提高了旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性及使用壽命，但其體積、質(zhì)量、成本均有所增加。積、質(zhì)量、成本均有所增加。 4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置712. 旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器利用繞組間的互感原理。當(dāng)定子加上一定頻利用繞組間的互感原理。當(dāng)定子加上一定頻率的激磁電壓時，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢，率的激磁電壓時，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其輸出電壓的大小取決于定子和轉(zhuǎn)子兩個繞組

41、軸線在空間的其輸出電壓的大小取決于定子和轉(zhuǎn)子兩個繞組軸線在空間的相對位置。相對位置。 562221110U1=UmsintU1=UmsintU1=Umsint定子轉(zhuǎn)子激磁輸出U1U2tt=0 2=0U2=0 =90 2=k 1U2=nUmsint0 2=k 1sinU2=nUmsintsin2k 1sinU2 nUm sint sin4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置72tUUmsin1sinsinsin12tnUnUUmUm激磁電壓幅值激磁電壓幅值n繞組匝數(shù)比繞組匝數(shù)比轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角定子繞組勵磁電壓：定子繞組勵磁電壓：轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)電勢：轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)電勢：4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置7

42、3（1）鑒相工作方式鑒相工作方式 定子的兩個繞組通同幅值、頻率，但相位差定子的兩個繞組通同幅值、頻率，但相位差/2的交流的交流激磁電壓。激磁電壓。 U1sUmsint U1cUm（sint+/2）Umcost 轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時：轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時： 轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓U2 cossin112cskUkUU3. 旋轉(zhuǎn)變壓器的工作方式旋轉(zhuǎn)變壓器的工作方式4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置74 U2kUmsintsinkUmcostcos =kUmcos（t-） Um激磁電壓幅值；激磁電壓幅值； k電磁耦合系數(shù)，電磁耦合系數(shù)，k1； 相位角，即：轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角。相位角，即：轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時：轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時： U

43、2kUmcos（t+） 相位角的測量：相位角的測量： 轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角t+和和間有對應(yīng)關(guān)系，檢測出間有對應(yīng)關(guān)系，檢測出t+ ，可得，可得 （被測軸角位移）。實際應(yīng)用時，把定子余弦被測軸角位移）。實際應(yīng)用時，把定子余弦繞組激磁電壓的相位繞組激磁電壓的相位t作為基準(zhǔn)相位，與作為基準(zhǔn)相位，與t+比較，確定比較，確定大小。大小。 4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置75（2）鑒幅工作方式鑒幅工作方式 定子的兩個繞組分別通同頻率、同相位、幅值分別按正定子的兩個繞組分別通同頻率、同相位、幅值分別按正弦、余弦變化的交流激磁電壓，即弦、余弦變化的交流激磁電壓，即 ： U1sUmsin si

44、nt U1c= Umcos sint 若電氣角若電氣角一定，交流激磁電壓的幅值分別為一定，交流激磁電壓的幅值分別為 UsmUmsin UcmUmcos轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時：轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時：轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓U2為：為： U2kUmsinsintsink Umcossintcos kUmcos（）sint4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置76轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓U2為：為： U2kUmcos（） sint U2的幅值分別為的幅值分別為:kUmcos（）、）、kUmcos（）幅值幅值隨轉(zhuǎn)子隨轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)角變化。測量出幅值可測出變化。測量出幅值可測出 。 若電氣角若電氣角已知，測

45、出已知，測出U2幅值幅值kVmsin（）便能求出）便能求出角。實際測量時，不斷調(diào)整角。實際測量時，不斷調(diào)整 ，使，使kVmsin（）=0。的的變化量代表了變化量代表了對應(yīng)的位移量變化，測得機(jī)械位移。對應(yīng)的位移量變化，測得機(jī)械位移。 4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置774.2.5 位置檢測裝置的選擇原則位置檢測裝置的選擇原則（1）分辨率：微米、納米）分辨率：微米、納米（2）傳動系統(tǒng)及參數(shù)：直線、圓周運動、分辨率為整數(shù)）傳動系統(tǒng)及參數(shù)：直線、圓周運動、分辨率為整數(shù)（3）負(fù)載慣量：大、中、低）負(fù)載慣量：大、中、低（4）運動速度、精度）運動速度、精度（5）環(huán)境要求：密封、溫度、震動等）環(huán)境要求：密封、

46、溫度、震動等（6）成本）成本4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置781. 編碼器、光柵的工作原理，以及輸出的信號方式。編碼器、光柵的工作原理，以及輸出的信號方式。2. 查閱資料，收集至少查閱資料，收集至少3個生產(chǎn)商的編碼器與光柵產(chǎn)品，個生產(chǎn)商的編碼器與光柵產(chǎn)品，讀懂相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，并能確定其應(yīng)用場合。讀懂相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，并能確定其應(yīng)用場合。79第4章 進(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng) 4.1 概述概述4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動4.4 交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法4.5 伺服系統(tǒng)性能分析伺服系統(tǒng)性能分析804.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動

47、 CNC裝置發(fā)出的位移指令信號，由伺服驅(qū)動裝置作一裝置發(fā)出的位移指令信號，由伺服驅(qū)動裝置作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機(jī)和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，驅(qū)動機(jī)床定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機(jī)和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，驅(qū)動機(jī)床的工作臺等執(zhí)行部件實現(xiàn)工作進(jìn)給或快速運動的工作臺等執(zhí)行部件實現(xiàn)工作進(jìn)給或快速運動. 進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的組成：進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的組成： 驅(qū)動器和電機(jī)。驅(qū)動器和電機(jī)。 進(jìn)給電機(jī)的類型：進(jìn)給電機(jī)的類型： 步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和直線電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和直線電機(jī)。814.3.1 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動 驅(qū)動器每向步進(jìn)電機(jī)輸入一個電脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器每向步進(jìn)電機(jī)輸入一個

48、電脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一個角度，稱為轉(zhuǎn)動一個角度，稱為步距角步距角，通過齒輪和絲杠帶動工作臺，通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。移動。 步進(jìn)式進(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng)屬于步進(jìn)式進(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng)屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)。 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度與電脈沖信號個數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動與電脈沖信號個數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動速度與電脈沖信號的頻率成正比。速度與電脈沖信號的頻率成正比。優(yōu)點：優(yōu)點：電機(jī)具有自鎖能力；電機(jī)具有自鎖能力； 每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，理論每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，理論上說步距誤差不會累積。上說步距誤差不會累積。 缺點：缺點： 在大負(fù)載和速度較高的情況下容易失步，能耗較大。在大負(fù)載和速度較高的

49、情況下容易失步，能耗較大。 應(yīng)用：應(yīng)用：步進(jìn)電機(jī)的速度不高，在脈沖當(dāng)量為步進(jìn)電機(jī)的速度不高，在脈沖當(dāng)量為1m/脈沖時，脈沖時，最高移動速度為最高移動速度為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經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和舊機(jī)床改造。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和舊機(jī)床改造。4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動 82ABCAB逆時針旋轉(zhuǎn)30逆時針旋轉(zhuǎn)30B相通電逆時針旋轉(zhuǎn)30A相通電C相通電ABCABC1234C1234ABCABC12344.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動 831. 步進(jìn)電機(jī)分類：步進(jìn)電機(jī)分類：常見的分類方式有按相數(shù)、按產(chǎn)生力矩的常見的分類方式有按相數(shù)、按產(chǎn)生力矩

50、的原理、按輸出力矩的大小和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類原理、按輸出力矩的大小和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類u 按相數(shù)分：按相數(shù)分：有三相、四相、五相、六相等。相數(shù)越多，步有三相、四相、五相、六相等。相數(shù)越多，步距角越小，輸出轉(zhuǎn)矩越大，但結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。通電方式采用距角越小，輸出轉(zhuǎn)矩越大，但結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。通電方式采用m相相m拍、雙拍、雙m拍和拍和m相相2m拍等。拍等。u 按力矩產(chǎn)生的原理分：按力矩產(chǎn)生的原理分：有反應(yīng)式、永磁反應(yīng)式和混合式三有反應(yīng)式、永磁反應(yīng)式和混合式三類。類。u 按輸出力輸出力矩的大小分：按輸出力輸出力矩的大小分：快速步進(jìn)電機(jī)（快速步進(jìn)電機(jī)（0.07Nm4Nm）和功率步進(jìn)電機(jī)（）和功率步進(jìn)電機(jī)（5 Nm50 N

51、m）兩類。）兩類。u 按結(jié)構(gòu)分類：按結(jié)構(gòu)分類：有軸向分相式（即多段式）和徑向分相式有軸向分相式（即多段式）和徑向分相式（即單段式）。（即單段式）。4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動 842. 步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)工作原理 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的定子上有磁極，每個磁極上有激磁繞反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的定子上有磁極，每個磁極上有激磁繞組，轉(zhuǎn)子無繞組，有周向均布的齒，依靠磁極對齒的吸合工組，轉(zhuǎn)子無繞組，有周向均布的齒，依靠磁極對齒的吸合工作。作。定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子定子繞組定子繞組4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動 85AB定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子IAIBIC兩個相對的磁極組成兩個相對的磁極組成一相一相。注意：注意：

52、這里的這里的“相相”和三相交流電中的和三相交流電中的“相相”的概念不同。的概念不同。步進(jìn)電機(jī)通的是電脈步進(jìn)電機(jī)通的是電脈沖，主要是指線圖的沖，主要是指線圖的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動 86步進(jìn)電機(jī)的工作方式步進(jìn)電機(jī)的工作方式(通電順序通電順序)可分為：可分為： 三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。1）三相單三拍：）三相單三拍：三相繞組聯(lián)接方式：三相繞組聯(lián)接方式：Y 型型三相繞組中的通電順序為三相繞組中的通電順序為A 相相 B 相相 C 相相通電順序也可以為：通電順序也可以為： A 相相 C 相相 B 相相

53、 4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動 87BACCBA3412A 相通電相通電B相通電相通電C相通電相通電BBACCA3412B ACCBA3412CA4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動 887.2 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動控制系統(tǒng)三相單三拍的工作特點：三相單三拍的工作特點： 每來一個電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過每來一個電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 30 ； 轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序；轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序； 每次定子繞組只有一相通電，在切換瞬間失去自每次定子繞組只有一相通電，在切換瞬間失去自鎖轉(zhuǎn)矩，容易產(chǎn)生失步；鎖轉(zhuǎn)矩，容易產(chǎn)生失步； 只有一相繞組產(chǎn)生力矩吸引轉(zhuǎn)子，

54、在平衡位置易只有一相繞組產(chǎn)生力矩吸引轉(zhuǎn)子，在平衡位置易產(chǎn)生振蕩產(chǎn)生振蕩 。4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動 89ABCABB相通電CA相通電ABCABC1234C相通電ABCABCABCABBC相通電CABCABCA相通電CABCABAB相通電C123412341234123412342）三相六拍工作方式）三相六拍工作方式 通電順序為：通電順序為： AABBBCCCAA（逆時針）（逆時針） AACCBCBCAA（順時針）（順時針）4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動 90三相六拍工作特點：三相六拍工作特點：每步轉(zhuǎn)過每步轉(zhuǎn)過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、，電機(jī)運轉(zhuǎn)中始終有一相定子繞組通電，運轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)。電機(jī)運轉(zhuǎn)中始終有一相定子繞組通電，運轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)。 3）雙三拍工作方式）雙三拍工作方式定子繞組通電順序：定子繞組通電順序： ABBCCAAB（轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)）（轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)） ACBCCA（轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)）（轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)）有兩對磁極同時對轉(zhuǎn)子的兩對齒進(jìn)行吸引，每步仍旋轉(zhuǎn)有兩對磁極同時對轉(zhuǎn)子的兩對齒進(jìn)行吸引，每步仍旋轉(zhuǎn)30。雙三拍工作特點雙三拍工作特點：始終有一相定子繞組通電，工作比較平：始終有一相定子繞組通電，工作比較平穩(wěn)。避免了單三拍通電方式的缺點。穩(wěn)。避免了單三拍通電方式的缺點。4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動 913. 步進(jìn)電機(jī)實際

56、結(jié)構(gòu)：步進(jìn)電機(jī)實際結(jié)構(gòu)： 轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多，轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多，齒數(shù)越多，齒數(shù)越多，步距角越小。定子磁極上的齒的步距角越小。定子磁極上的齒的齒距與轉(zhuǎn)子的齒距相同，但各極齒距與轉(zhuǎn)子的齒距相同，但各極的齒依次與轉(zhuǎn)子的齒錯開齒距的的齒依次與轉(zhuǎn)子的齒錯開齒距的1m（m電機(jī)相數(shù)）。電機(jī)相數(shù)）。 每次定子繞組通電狀態(tài)改變時，轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn)過齒距的每次定子繞組通電狀態(tài)改變時，轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn)過齒距的1m（如三相三拍）或（如三相三拍）或12m（如三相六拍）達(dá)到新的平衡位置。（如三相六拍）達(dá)到新的平衡位置。4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動 92 若轉(zhuǎn)子若轉(zhuǎn)子40個齒，通電為三相三拍方式。當(dāng)轉(zhuǎn)子齒與個齒，通電為三相三拍方式。當(dāng)轉(zhuǎn)子齒

57、與A相相定子齒對齊時，轉(zhuǎn)子齒與定子齒對齊時，轉(zhuǎn)子齒與B相定子齒相差（相定子齒相差（3），與），與C相定相定子齒相差（子齒相差（6）。）。AACBSNSNCB繞組定子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心A相磁通A相各相定子936順時針方向轉(zhuǎn)子齒展開B相C相4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動 93每給一個脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角度的理論值。每給一個脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角度的理論值。4. 步進(jìn)電機(jī)的主要特性步進(jìn)電機(jī)的主要特性 1）步距角）步距角mzk360 m定子相數(shù)；定子相數(shù)；z轉(zhuǎn)子齒數(shù)；轉(zhuǎn)子齒數(shù)；k通電系數(shù)，通電系數(shù)， 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 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動 94靜態(tài)：靜態(tài)：步進(jìn)電機(jī)處于通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子處在不動狀態(tài)。步進(jìn)電機(jī)處于通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子處在不動狀態(tài)。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mj ：在電機(jī)軸上施加一個負(fù)載轉(zhuǎn)矩在電機(jī)軸上施加一個負(fù)載轉(zhuǎn)矩M，轉(zhuǎn)子會，轉(zhuǎn)子會在載荷方向上轉(zhuǎn)過一個角度在載荷方向上轉(zhuǎn)過一個角度（失調(diào)角）失調(diào)角），轉(zhuǎn)子因而受到，轉(zhuǎn)子因而受到一個電磁轉(zhuǎn)矩一個電磁轉(zhuǎn)矩Mj的作用與負(fù)載平衡。的作用與負(fù)載平衡。2）靜態(tài)矩角特性）靜態(tài)矩角特性矩角特性：矩角特性：步進(jìn)電機(jī)單步進(jìn)電機(jī)單相通電的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩相通電的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mj隨隨失調(diào)角失調(diào)角的變化曲線。的變化曲線。4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動 95

59、4.3.2 交流伺服電機(jī)及驅(qū)動交流伺服電機(jī)及驅(qū)動 伺服驅(qū)動的發(fā)展歷程：伺服驅(qū)動的發(fā)展歷程： 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)式電機(jī)旋轉(zhuǎn)式電機(jī)直線電機(jī)直線電機(jī) 理由：理由：閉環(huán)提高精度。閉環(huán)提高精度。 直流伺服電機(jī)調(diào)速方便，直流伺服電機(jī)調(diào)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優(yōu)）大量使用。但直流伺服電機(jī)的容量小、結(jié)構(gòu)復(fù)方面不占優(yōu)）大量使用。但直流伺服電機(jī)的容量小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、有電刷、體積大和重量重，因此，其應(yīng)用受到限制。隨雜、有電刷、體積大和重量重，因此，其應(yīng)用受到限制。隨著交流伺服驅(qū)動性價比提高，交流伺服驅(qū)動電機(jī)已漸漸取代著交流伺

60、服驅(qū)動性價比提高，交流伺服驅(qū)動電機(jī)已漸漸取代了直流伺服電機(jī)。了直流伺服電機(jī)。4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動 961. 交流伺服電機(jī)的種類、結(jié)構(gòu)及工作原理交流伺服電機(jī)的種類、結(jié)構(gòu)及工作原理（1） 交流伺服電機(jī)的種類及特點交流伺服電機(jī)的種類及特點 交流伺服電機(jī)有交流伺服電機(jī)有同步型同步型和和異步型異步型兩大類。異步型交兩大類。異步型交流電機(jī)指的是交流感應(yīng)電機(jī)。同步型交流電機(jī)按轉(zhuǎn)子結(jié)流電機(jī)指的是交流感應(yīng)電機(jī)。同步型交流電機(jī)按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同可分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為構(gòu)不同可分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。數(shù)控機(jī)床中多用磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。