第6章：數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)

1、數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進(jìn)電機(jī)開環(huán)步進(jìn)電機(jī)第三節(jié)第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的數(shù)控機(jī)床的 檢測裝置檢測裝置第四節(jié)第四節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)第五節(jié)第五節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)分析閉環(huán)伺服系統(tǒng)分析 伺服驅(qū)動系統(tǒng)是指以位置和速伺服驅(qū)動系統(tǒng)是指以位置和速度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。 伺服系統(tǒng)的性能，在很大程度上伺服系統(tǒng)的性能，在很大程度上決定了現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的性能。決定了現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的性能。 數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)是一種數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)是一種位置位置控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)，分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉，分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)三種。環(huán)三種。1、精

2、度高、精度高 脈沖當(dāng)量越小，機(jī)床的精度越高。脈沖當(dāng)量越小，機(jī)床的精度越高。 快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的標(biāo)志之一。達(dá)到最大穩(wěn)態(tài)速度的標(biāo)志之一。達(dá)到最大穩(wěn)態(tài)速度的時間要求在的時間要求在200ms以內(nèi)。以內(nèi)。 調(diào)速范圍：電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍：電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速Nmax和最低轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速Nmin之比。要求應(yīng)之比。要求應(yīng)大于：大于：1:10000 當(dāng)負(fù)載變化時，輸出速度應(yīng)基本不變。當(dāng)負(fù)載變化時，輸出速度應(yīng)基本不變。5、系統(tǒng)可靠性要好、系統(tǒng)可靠性要好 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)是由：數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)是由：伺伺服電路、伺服驅(qū)動裝置、機(jī)械傳動服電路、伺服驅(qū)動裝置、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)及執(zhí)

3、行部件組成。機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件組成。進(jìn)給進(jìn)給指令指令比較控制環(huán)節(jié)比較控制環(huán)節(jié)驅(qū)動控制單元驅(qū)動控制單元執(zhí)行元件執(zhí)行元件機(jī)機(jī)床床反饋檢測單元反饋檢測單元1、按其用途和功能分為、按其用途和功能分為進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)主軸驅(qū)動系統(tǒng)主軸驅(qū)動系統(tǒng) 主要用于數(shù)控機(jī)床工作臺主要用于數(shù)控機(jī)床工作臺或刀架坐標(biāo)的控制系統(tǒng)，控制機(jī)或刀架坐標(biāo)的控制系統(tǒng)，控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動，并床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動，并提供切削過程的轉(zhuǎn)矩。提供切削過程的轉(zhuǎn)矩。 主要用于控制機(jī)床主軸的旋主要用于控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，為機(jī)床主軸提供驅(qū)動率轉(zhuǎn)運(yùn)動，為機(jī)床主軸提供驅(qū)動率和所需的切削力。和所需的切削力。開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系

4、統(tǒng)半閉環(huán)系統(tǒng)半閉環(huán)系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)工作臺工作臺CNC指令脈沖指令脈沖開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1）結(jié)構(gòu)較簡單，調(diào)試、維修、使用方便、）結(jié)構(gòu)較簡單，調(diào)試、維修、使用方便、成本低成本低2）無位置反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)穩(wěn)定；）無位置反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)穩(wěn)定；3）速度及精度較低。）速度及精度較低。 +指令指令速度速度檢測檢測-速度控速度控制單元制單元位置位置調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器伺服電機(jī)伺服電機(jī)工作臺工作臺半閉環(huán)控制半閉環(huán)控制位置測量位置測量1）精度比開環(huán)系統(tǒng)要高）精度比開環(huán)系統(tǒng)要高2）系統(tǒng)調(diào)試比較容易，穩(wěn)定性較好）系統(tǒng)調(diào)試比較容易，穩(wěn)定性較好3）廣泛應(yīng)用于中小型數(shù)控機(jī)床上）廣泛應(yīng)用于中小型數(shù)控機(jī)床上1）加工精

5、度高）加工精度高2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性差）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性差3）調(diào)試和維護(hù)有較大的技術(shù)難度）調(diào)試和維護(hù)有較大的技術(shù)難度4）成本高）成本高5）一般只在大型精密數(shù)控機(jī)床上采用一般只在大型精密數(shù)控機(jī)床上采用電液伺服系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)電氣伺服系統(tǒng)電氣伺服系統(tǒng)直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)。 直流大慣量伺服電機(jī)有良好的寬直流大慣量伺服電機(jī)有良好的寬調(diào)速性能。調(diào)速性能。 輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，強(qiáng)， 由于電機(jī)慣性與機(jī)床傳動部件由于電機(jī)慣性與機(jī)床傳動部件的慣量相當(dāng)，構(gòu)成閉環(huán)后易于調(diào)整。的慣量相當(dāng)，構(gòu)成閉環(huán)后易于調(diào)整。 直流中小慣量伺服電機(jī)適于數(shù)控直流中小慣

6、量伺服電機(jī)適于數(shù)控機(jī)床對于頻繁啟動、制動，快速定機(jī)床對于頻繁啟動、制動，快速定位、切削的要求。位、切削的要求。 交流電機(jī)的一個最大優(yōu)點(diǎn)交流電機(jī)的一個最大優(yōu)點(diǎn)是交流容易維修，制造簡單，是交流容易維修，制造簡單，易于向大容量、高速度方向發(fā)易于向大容量、高速度方向發(fā)展。展。1、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī) 開環(huán)進(jìn)給驅(qū)動裝置，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上用；開環(huán)進(jìn)給驅(qū)動裝置，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上用；2、改進(jìn)型直流電機(jī)、改進(jìn)型直流電機(jī) 在靜態(tài)和動態(tài)特性較普通直流電機(jī)所改在靜態(tài)和動態(tài)特性較普通直流電機(jī)所改變，早期使用；變，早期使用； 減小電樞的轉(zhuǎn)動慣量，獲得好的快速性，減小電樞的轉(zhuǎn)動慣量，獲得好的快速性，早期使用。早期使用。

7、能在較大過載轉(zhuǎn)矩下長期工作；可能在較大過載轉(zhuǎn)矩下長期工作；可在低速下在低速下(1r/mm甚至甚至0.1r/mm)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。70年代年代80年代中期廣泛應(yīng)用，目前還年代中期廣泛應(yīng)用，目前還在使用；在使用； 實(shí)質(zhì)是交流調(diào)速電機(jī)的一種。性能實(shí)質(zhì)是交流調(diào)速電機(jī)的一種。性能達(dá)到直流電機(jī)的水平，又取消換向器及達(dá)到直流電機(jī)的水平，又取消換向器及電刷部件，電機(jī)壽命提高一個數(shù)量級；電刷部件，電機(jī)壽命提高一個數(shù)量級； 自自80年代中期開始，以異步電年代中期開始，以異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)為基礎(chǔ)的交流機(jī)和永磁同步電機(jī)為基礎(chǔ)的交流進(jìn)給驅(qū)動得到迅速的發(fā)展，是進(jìn)進(jìn)給驅(qū)動得到迅速的發(fā)展，是進(jìn)給驅(qū)動的一個發(fā)展方向。給

8、驅(qū)動的一個發(fā)展方向。一、步進(jìn)電機(jī)一、步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的電磁式電機(jī)；機(jī)械角位移的電磁式電機(jī)；（1）分類）分類 1）徑向分相式：電機(jī)各相按圓周依次排列）徑向分相式：電機(jī)各相按圓周依次排列2）軸向分相式：電機(jī)各相按軸向依次排列）軸向分相式：電機(jī)各相按軸向依次排列按各組繞按各組繞組分布組分布1）單定子式）單定子式 2）雙定子式）雙定子式 3）三定子式）三定子式 4）多定子式）多定子式按定子數(shù)按定子數(shù)1）伺服式：力矩小，只能驅(qū)動較小的負(fù)載）伺服式：力矩小，只能驅(qū)動較小的負(fù)載2）功率式：輸出力矩大，可直接驅(qū)動工作態(tài)等較大的）功率式：輸出力矩大，可

9、直接驅(qū)動工作態(tài)等較大的負(fù)載。負(fù)載。按輸出力按輸出力矩大小矩大小1）反應(yīng)式：轉(zhuǎn)子無繞組，由被激磁的定子繞組產(chǎn)生反）反應(yīng)式：轉(zhuǎn)子無繞組，由被激磁的定子繞組產(chǎn)生反應(yīng)力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行。應(yīng)力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行。2）激磁式：定、轉(zhuǎn)子均有激磁繞組，由電磁力矩實(shí)現(xiàn)）激磁式：定、轉(zhuǎn)子均有激磁繞組，由電磁力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行步進(jìn)運(yùn)行按力矩產(chǎn)按力矩產(chǎn)生的原理生的原理具體類型具體類型分類方式分類方式徑向分相的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖徑向分相的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)1）電機(jī)的）電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速取決于繞組通電的取決于繞組通電的頻率頻率；2）電機(jī)的）電機(jī)的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向取決于繞組通電的取決于繞組通電的

10、順序順序；3）電機(jī)的）電機(jī)的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角取決于繞組通電的取決于繞組通電的次數(shù)次數(shù)。4）電動機(jī)定子繞組每改變一次通電方式）電動機(jī)定子繞組每改變一次通電方式稱為稱為一拍一拍5）每輸入一個脈沖信號，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度）每輸入一個脈沖信號，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度步距角步距角單單每次通電時，只有一相繞組通電；每次通電時，只有一相繞組通電；雙雙每次通電時，有兩相繞組通電；每次通電時，有兩相繞組通電；三拍三拍經(jīng)過三次切換繞組的通電狀態(tài)為一個循環(huán)；經(jīng)過三次切換繞組的通電狀態(tài)為一個循環(huán)；AABCCB1234AABCCB1234300AABCCB1234300300三相雙三拍：三相雙三拍： ABBCCAABAABCCB12341

11、234AABCCBAABCCB1234300AABCCB12341234AABCCBAABCCB1234AABCCB1234AABCCB1234AABCCB1234150v單單m拍：拍：每次一相通電每次一相通電,切換瞬間失去切換瞬間失去自鎖力矩易失步自鎖力矩易失步,在平衡位置易振蕩在平衡位置易振蕩v雙雙m拍：拍：每次同時有二相通電每次同時有二相通電,切換瞬切換瞬間仍有一相保持通電間仍有一相保持通電,運(yùn)行穩(wěn)定運(yùn)行穩(wěn)定v 2m拍：拍：步距角小一半，步距角小一半，切換瞬間切換瞬間仍有一相保持通電，運(yùn)行穩(wěn)定仍有一相保持通電，運(yùn)行穩(wěn)定 mzk360 通電拍數(shù)相同時通電拍數(shù)相同時k=1；不同時不同時k=2

12、。 q 磁極數(shù)越多，轉(zhuǎn)子齒數(shù)越多，步距角就越小。磁極數(shù)越多，轉(zhuǎn)子齒數(shù)越多，步距角就越小。q 步進(jìn)電機(jī)的步距角越小，位置精度越高。步進(jìn)電機(jī)的步距角越小，位置精度越高。 mzk360單三拍運(yùn)行方式：單三拍運(yùn)行方式：3403360 三相六拍運(yùn)行方式：三相六拍運(yùn)行方式：5 . 12403360 min)/(61(r/min) 60 (r/s) rfmzkfmzkfn a 步距角步距角f 控制脈沖的頻率控制脈沖的頻率例如：例如：110BF003代表該步進(jìn)電機(jī)為反應(yīng)式，外代表該步進(jìn)電機(jī)為反應(yīng)式，外徑徑110mm，三相控制繞組三相控制繞組 定子繞組相數(shù)定子繞組相數(shù)BF：反應(yīng)式反應(yīng)式BGY：混合式混合式電動機(jī)

13、外徑（單位：電動機(jī)外徑（單位：mm）1）步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角位移和角速度與輸入脈）步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角位移和角速度與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比，改變相的通沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比，改變相的通電順序可以改變步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向；電順序可以改變步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向；2）步進(jìn)電機(jī)有自整角能力，不需機(jī)械制動；）步進(jìn)電機(jī)有自整角能力，不需機(jī)械制動；3）步距無累積誤差；）步距無累積誤差；4）步進(jìn)電機(jī)的效率低，脈沖當(dāng)量不能太小，）步進(jìn)電機(jī)的效率低，脈沖當(dāng)量不能太小，調(diào)速范圍不大。調(diào)速范圍不大。 1、步距誤差、步距誤差 步距誤差直接影響執(zhí)行部件的定位精步距誤差直接影響執(zhí)行部件的定位精度。度。 單相通電時，步距誤差由定

14、子和單相通電時，步距誤差由定子和轉(zhuǎn)子的分齒精度和各相定子錯位角度轉(zhuǎn)子的分齒精度和各相定子錯位角度的精度確定；的精度確定； 多相通電時，步距誤差還和各相多相通電時，步距誤差還和各相電流的大小、磁路性能等因素有關(guān)。電流的大小、磁路性能等因素有關(guān)。失調(diào)角失調(diào)角 eM eMjmaxMjmax-最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩,表明了電機(jī)能承受表明了電機(jī)能承受的最大靜態(tài)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。的最大靜態(tài)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。各相繞組單相通電的矩角特性不能相差各相繞組單相通電的矩角特性不能相差太大。太大。M eMjmax當(dāng)步進(jìn)電機(jī)勵磁繞組相數(shù)大于當(dāng)步進(jìn)電機(jī)勵磁繞組相數(shù)大于3時，多相通電多數(shù)時，多相通電多數(shù)能提高輸出轉(zhuǎn)矩。能提高輸出轉(zhuǎn)矩。所

15、以功率較大的步進(jìn)電機(jī)多數(shù)采用多于三相的勵磁所以功率較大的步進(jìn)電機(jī)多數(shù)采用多于三相的勵磁繞組，且多相通電。繞組，且多相通電。步進(jìn)電機(jī)多相通電時的轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電機(jī)多相通電時的轉(zhuǎn)矩11.73221.732111.6181.618111.4141116543電機(jī)相數(shù)電機(jī)相數(shù)54321432132121同時通電同時通電相數(shù)相數(shù)maxjM合成轉(zhuǎn)矩合成轉(zhuǎn)矩 當(dāng)電機(jī)所帶負(fù)載當(dāng)電機(jī)所帶負(fù)載MLMq時，電時，電機(jī)可不失步的啟動。機(jī)可不失步的啟動。A B CMq e最高啟動頻率最高啟動頻率fg： 步進(jìn)電機(jī)由靜止突然啟動，并不步進(jìn)電機(jī)由靜止突然啟動，并不失步地進(jìn)入穩(wěn)速運(yùn)行，所允許的啟動失步地進(jìn)入穩(wěn)速運(yùn)行，所允許的啟動頻率

16、的最高值。最高啟動頻率頻率的最高值。最高啟動頻率fg與步與步進(jìn)電機(jī)的慣性負(fù)載進(jìn)電機(jī)的慣性負(fù)載J有關(guān)。有關(guān)。 步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時所能接受的步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時所能接受的最高頻率。最高頻率。Md(N.m)f(Hz) 在步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，若輸入脈沖的頻率逐在步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，若輸入脈沖的頻率逐漸增加，則電機(jī)所能帶動的負(fù)載轉(zhuǎn)矩將逐漸下降。漸增加，則電機(jī)所能帶動的負(fù)載轉(zhuǎn)矩將逐漸下降。1、傳動計(jì)算目的、傳動計(jì)算目的 計(jì)算齒輪傳動比計(jì)算齒輪傳動比i，確定齒數(shù)確定齒數(shù)(Z1、Z2)，以以 滿足脈沖當(dāng)量滿足脈沖當(dāng)量的要求。的要求。 提高步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載能力。提高步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載能力。 已知：進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量已知

17、：進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量mm；步進(jìn)電機(jī)的步距步進(jìn)電機(jī)的步距角角；滾珠絲杠的導(dǎo)程滾珠絲杠的導(dǎo)程t mm；求：求： 齒輪傳動比齒輪傳動比 i。 tZZiti 36021360 已知：脈沖當(dāng)量為已知：脈沖當(dāng)量為，蝸桿為蝸桿為Zk頭，蝸輪為頭，蝸輪為ZW點(diǎn)，點(diǎn)，則：則： wk21oZZZZ作用：作用： 將具有一定頻率、一定數(shù)量和將具有一定頻率、一定數(shù)量和方向的進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換成控制步進(jìn)電方向的進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換成控制步進(jìn)電機(jī)各相定子繞組通斷電的電平信號。機(jī)各相定子繞組通斷電的電平信號。q脈沖混合電路脈沖混合電路q加減速電路加減速電路q環(huán)形分配器環(huán)形分配器q功率放大器功率放大器脈沖脈沖混合混合電路電路加減加減脈沖脈沖

18、分配分配電路電路正向進(jìn)正向進(jìn)給脈沖給脈沖反向進(jìn)反向進(jìn)給脈沖給脈沖加加減減速速電電路路加加減減環(huán)環(huán)行行分分配配器器功功率率放放大大電電路路步進(jìn)電機(jī)繞組步進(jìn)電機(jī)繞組驅(qū)動控制線路框圖驅(qū)動控制線路框圖進(jìn)給脈沖進(jìn)給脈沖功能：功能： 將一些信號混合為使工作臺正向進(jìn)將一些信號混合為使工作臺正向進(jìn)給的給的“正向進(jìn)給正向進(jìn)給”信號或使工作臺負(fù)向信號或使工作臺負(fù)向進(jìn)給的進(jìn)給的“負(fù)向進(jìn)給負(fù)向進(jìn)給”信號。信號。脈沖脈沖混合混合電路電路加減加減脈沖脈沖分配分配電路電路正向進(jìn)正向進(jìn)給脈沖給脈沖反向進(jìn)反向進(jìn)給脈沖給脈沖加加減減速速電電路路加加減減環(huán)環(huán)行行分分配配器器功功率率放放大大電電路路步進(jìn)電機(jī)繞組步進(jìn)電機(jī)繞組驅(qū)動控制線

19、路框圖驅(qū)動控制線路框圖進(jìn)給脈沖進(jìn)給脈沖功能：功能： 從正向進(jìn)給方向的進(jìn)給脈沖指令中從正向進(jìn)給方向的進(jìn)給脈沖指令中抵消相同數(shù)量的反方向補(bǔ)償脈沖。抵消相同數(shù)量的反方向補(bǔ)償脈沖。脈沖脈沖混合混合電路電路加減加減脈沖脈沖分配分配電路電路正向進(jìn)正向進(jìn)給脈沖給脈沖反向進(jìn)反向進(jìn)給脈沖給脈沖加加減減速速電電路路加加減減環(huán)環(huán)行行分分配配器器功功率率放放大大電電路路步進(jìn)電機(jī)繞組步進(jìn)電機(jī)繞組驅(qū)動控制線路框圖驅(qū)動控制線路框圖進(jìn)給脈沖進(jìn)給脈沖 使進(jìn)入電機(jī)定子繞組的電平信號的使進(jìn)入電機(jī)定子繞組的電平信號的頻率變化平滑。頻率變化平滑。脈沖脈沖混合混合電路電路加減加減脈沖脈沖分配分配電路電路正向進(jìn)正向進(jìn)給脈沖給脈沖反向進(jìn)反向

20、進(jìn)給脈沖給脈沖加加減減速速電電路路加加減減環(huán)環(huán)行行分分配配器器功功率率放放大大電電路路步進(jìn)電機(jī)繞組步進(jìn)電機(jī)繞組驅(qū)動控制線路框圖驅(qū)動控制線路框圖進(jìn)給脈沖進(jìn)給脈沖同步器同步器可逆計(jì)數(shù)器可逆計(jì)數(shù)器數(shù)模轉(zhuǎn)換電路數(shù)模轉(zhuǎn)換電路RC 變頻振蕩器變頻振蕩器同步器同步器可逆計(jì)數(shù)器可逆計(jì)數(shù)器數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換振蕩器振蕩器fafb包括三部分：包括三部分：1）升速過程（）升速過程（ fa=fb )2）均勻過程（均勻過程（fa=fb 后）后）3）降速過程）降速過程 作用：作用： 對步進(jìn)電機(jī)線圈的通電相序進(jìn)行分配對步進(jìn)電機(jī)線圈的通電相序進(jìn)行分配脈沖脈沖混合混合電路電路加減加減脈沖脈沖分配分配電路電路正向進(jìn)正向進(jìn)給脈沖給脈沖

21、反向進(jìn)反向進(jìn)給脈沖給脈沖加加減減速速電電路路加加減減環(huán)環(huán)行行分分配配器器功功率率放放大大電電路路步進(jìn)電機(jī)繞組步進(jìn)電機(jī)繞組驅(qū)動控制線路框圖驅(qū)動控制線路框圖進(jìn)給脈沖進(jìn)給脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)方式運(yùn)轉(zhuǎn)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號拍號ABCABCABCDABCDABCDEABCDE110010011001100110001100020101100110111001100111003001010001101100011001100410001110010111100010111050011100001111000001106101101100

22、11171001001000118110110011911001000110110011111000硬件環(huán)形分配器硬件環(huán)形分配器軟件環(huán)形分配器軟件環(huán)形分配器 通電相序狀態(tài)預(yù)先存入計(jì)算機(jī)并采用軟通電相序狀態(tài)預(yù)先存入計(jì)算機(jī)并采用軟件件查表方式進(jìn)行控制查表方式進(jìn)行控制節(jié)省了環(huán)分器硬件節(jié)省了環(huán)分器硬件但軟件運(yùn)行效率低但軟件運(yùn)行效率低用于速度要求不高處用于速度要求不高處通電相序狀態(tài)由硬件邏輯功能完成。通電相序狀態(tài)由硬件邏輯功能完成。特點(diǎn)：需要專用硬件資源，運(yùn)行效率高。特點(diǎn)：需要專用硬件資源，運(yùn)行效率高。作用作用： 將數(shù)控系統(tǒng)輸出的弱電控制信號轉(zhuǎn)換成將數(shù)控系統(tǒng)輸出的弱電控制信號轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的強(qiáng)電

23、信號。能夠驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的強(qiáng)電信號。脈沖脈沖混合混合電路電路加減加減脈沖脈沖分配分配電路電路正向進(jìn)正向進(jìn)給脈沖給脈沖反向進(jìn)反向進(jìn)給脈沖給脈沖加加減減速速電電路路加加減減環(huán)環(huán)行行分分配配器器功功率率放放大大電電路路步進(jìn)電機(jī)繞組步進(jìn)電機(jī)繞組驅(qū)動控制線路框圖驅(qū)動控制線路框圖進(jìn)給脈沖進(jìn)給脈沖v單電壓驅(qū)動電路單電壓驅(qū)動電路v高低壓驅(qū)動電路高低壓驅(qū)動電路v恒流斬波驅(qū)動電路恒流斬波驅(qū)動電路v調(diào)頻調(diào)壓型驅(qū)動電路調(diào)頻調(diào)壓型驅(qū)動電路提速（限流）電阻提速（限流）電阻Rc：改改變時間常數(shù)，提高響應(yīng)速變時間常數(shù)，提高響應(yīng)速度度l續(xù)流二極管續(xù)流二極管D：用于功率晶用于功率晶體管的過電壓保護(hù)體管的過電壓保護(hù)l特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、

24、效率低、特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、效率低、能耗高，發(fā)熱大、工作穩(wěn)能耗高，發(fā)熱大、工作穩(wěn)定性差。定性差。l應(yīng)用：小功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)應(yīng)用：小功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動動特點(diǎn)特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、響應(yīng)速度快、響應(yīng)速度快、高頻驅(qū)動能力高頻驅(qū)動能力強(qiáng)、功耗低。強(qiáng)、功耗低。應(yīng)用應(yīng)用： 大（中）型大（中）型功率步進(jìn)電機(jī)功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動的驅(qū)動 斬波恒流功率放大電路較好的解決了這個問斬波恒流功率放大電路較好的解決了這個問題，步進(jìn)電機(jī)的輸出加大，運(yùn)行頻率得到提高。題，步進(jìn)電機(jī)的輸出加大，運(yùn)行頻率得到提高。 雙電源功放電路的實(shí)際電流波形雙電源功放電路的實(shí)際電流波形q特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、響應(yīng)速度快、驅(qū)動能力強(qiáng)、特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、響應(yīng)速度

25、快、驅(qū)動能力強(qiáng)、功耗低、噪聲大。功耗低、噪聲大。q應(yīng)用：大（中）型功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動應(yīng)用：大（中）型功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動 當(dāng)電源一定時，步進(jìn)電機(jī)繞組電流當(dāng)電源一定時，步進(jìn)電機(jī)繞組電流的上沖值是隨工作頻率的升高而降低的，的上沖值是隨工作頻率的升高而降低的，使輸出轉(zhuǎn)矩隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而下降。使輸出轉(zhuǎn)矩隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而下降。 如果能設(shè)法使繞組的供電電壓隨著如果能設(shè)法使繞組的供電電壓隨著運(yùn)行頻率的升高而一起升高，以維持繞運(yùn)行頻率的升高而一起升高，以維持繞組在不同頻率的導(dǎo)電周期內(nèi)電流平均值組在不同頻率的導(dǎo)電周期內(nèi)電流平均值基本相同，這樣可達(dá)到在高頻運(yùn)行時，基本相同，這樣可達(dá)到在高頻運(yùn)行時，動態(tài)轉(zhuǎn)矩不明顯

26、下降的目的。動態(tài)轉(zhuǎn)矩不明顯下降的目的。 這種隨運(yùn)行頻率的升高，電源電流這種隨運(yùn)行頻率的升高，電源電流自動升高的控制方式，稱為調(diào)頻調(diào)壓方自動升高的控制方式，稱為調(diào)頻調(diào)壓方式。式。 “高低壓雙電源型高低壓雙電源型”脈沖功率放大脈沖功率放大器是一種最基本的驅(qū)動放大器，其電路器是一種最基本的驅(qū)動放大器，其電路比較簡單，成本低。但是它不能解決由比較簡單，成本低。但是它不能解決由反電動勢所引起的繞組電流頂部凹陷的反電動勢所引起的繞組電流頂部凹陷的問題，從而導(dǎo)致電動機(jī)轉(zhuǎn)矩下降。問題，從而導(dǎo)致電動機(jī)轉(zhuǎn)矩下降。 采用采用“恒流斬波型恒流斬波型”脈沖功率放大器是為脈沖功率放大器是為了解決電動機(jī)繞組電流頂部凹陷的問

27、題，在電了解決電動機(jī)繞組電流頂部凹陷的問題，在電動機(jī)的運(yùn)行頻率較低時，其應(yīng)用效果是很好的，動機(jī)的運(yùn)行頻率較低時，其應(yīng)用效果是很好的，但在電機(jī)以較高頻率運(yùn)行時，它的應(yīng)用效果將但在電機(jī)以較高頻率運(yùn)行時，它的應(yīng)用效果將變差；另外，由于引入了斬波頻率，有時還會變差；另外，由于引入了斬波頻率，有時還會導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行時的噪聲有所增高。導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行時的噪聲有所增高。 “調(diào)頻調(diào)壓型調(diào)頻調(diào)壓型”通過通過“低頻低壓，高頻高低頻低壓，高頻高壓壓”的辦法來同時兼顧電機(jī)在低、高運(yùn)動頻率的辦法來同時兼顧電機(jī)在低、高運(yùn)動頻率時對電機(jī)繞組的要求，可有效提高了電機(jī)在以時對電機(jī)繞組的要求，可有效提高了電機(jī)在以較高頻率運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩。但

28、采用這種方法時，要較高頻率運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩。但采用這種方法時，要求給繞組供電的電源有較高的電壓，否則就會求給繞組供電的電源有較高的電壓，否則就會發(fā)生高頻時電壓調(diào)不上去的現(xiàn)象。發(fā)生高頻時電壓調(diào)不上去的現(xiàn)象。存在的問題：存在的問題： 無位移檢測元件，定位精度無位移檢測元件，定位精度主要取決于傳動精度。主要取決于傳動精度。采取的措施：采取的措施：間隙補(bǔ)償間隙補(bǔ)償螺距誤差補(bǔ)償螺距誤差補(bǔ)償細(xì)分電路細(xì)分電路反饋補(bǔ)償反饋補(bǔ)償 當(dāng)收到反向位移指令后，由間隙當(dāng)收到反向位移指令后，由間隙補(bǔ)償軟件或補(bǔ)償電路產(chǎn)生一定數(shù)量的補(bǔ)償軟件或補(bǔ)償電路產(chǎn)生一定數(shù)量的補(bǔ)償脈沖，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動越過傳動補(bǔ)償脈沖，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動越過傳動間隙，

29、然后再按指令脈沖使執(zhí)行部件間隙，然后再按指令脈沖使執(zhí)行部件作準(zhǔn)確的位移。作準(zhǔn)確的位移。 通過檢測器進(jìn)行系統(tǒng)誤差檢測，通過檢測器進(jìn)行系統(tǒng)誤差檢測，周期性周期性地發(fā)出補(bǔ)償脈沖。地發(fā)出補(bǔ)償脈沖。 把步進(jìn)電機(jī)得一步再分得細(xì)一些。把步進(jìn)電機(jī)得一步再分得細(xì)一些。換句話說，采用十細(xì)分線路后，在進(jìn)給換句話說，采用十細(xì)分線路后，在進(jìn)給速度速度不變的情況下，可使脈沖當(dāng)量縮小不變的情況下，可使脈沖當(dāng)量縮小到原來的到原來的1/10.1、檢測裝置的作用、檢測裝置的作用 檢測位移和速度，發(fā)送反饋信檢測位移和速度，發(fā)送反饋信號，構(gòu)成閉環(huán)控制。號，構(gòu)成閉環(huán)控制。 閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床的加工精度閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床的加工精度主要取

30、決于檢測系統(tǒng)的精度。主要取決于檢測系統(tǒng)的精度。1）高的可靠性和高抗干擾性；）高的可靠性和高抗干擾性；2）使用維護(hù)方便，適合機(jī)床運(yùn)行環(huán)境；）使用維護(hù)方便，適合機(jī)床運(yùn)行環(huán)境；3）滿足精度與速度要求和機(jī)床工作行程的要）滿足精度與速度要求和機(jī)床工作行程的要求；求；4）成本低；）成本低；5）便于與數(shù)控系統(tǒng)相聯(lián)。）便于與數(shù)控系統(tǒng)相聯(lián)。 對于大型機(jī)床以滿足速度要求為主；對于大型機(jī)床以滿足速度要求為主； 對中、小型機(jī)床和高精度機(jī)床以滿足對中、小型機(jī)床和高精度機(jī)床以滿足精度要求為主。精度要求為主。（1）按檢測信號的類型分）按檢測信號的類型分 連連續(xù)續(xù)變變量量來來表表示示模模擬擬式式：被被測測量量的的量量用用數(shù)數(shù)

31、字字式式的的裝裝置置大大多多數(shù)數(shù)的的數(shù)數(shù)控控系系統(tǒng)統(tǒng)采采用用數(shù)數(shù)字字的的形形式式來來表表示示數(shù)數(shù)字字式式：被被測測量量的的量量以以 回回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)型型檢檢測測元元件件測測量量線線位位移移采采用用間間接接測測量量：對對機(jī)機(jī)床床的的直直直直線線型型檢檢測測元元件件測測量量線線位位移移采采用用直直接接測測量量：對對機(jī)機(jī)床床的的直直光柵n絕對式測量絕對式測量n增量式測量增量式測量絕對式絕對式增量式增量式絕對式絕對式增量式增量式絕對值式磁尺絕對值式磁尺直線感應(yīng)同步器直線感應(yīng)同步器磁尺磁尺容柵容柵編碼尺編碼尺長光柵長光柵直線干直線干涉儀涉儀直直線線型型多極旋轉(zhuǎn)變壓器多極旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器圓感應(yīng)同步器

32、圓感應(yīng)同步器圓磁柵圓磁柵編碼盤編碼盤圓光柵圓光柵回回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)型型模擬式模擬式數(shù)字式數(shù)字式常用位置檢測元件常用位置檢測元件1、旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu) 根據(jù)互感原理工作，平行時互感最大，轉(zhuǎn)根據(jù)互感原理工作，平行時互感最大，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢最大；垂直時互感為零，轉(zhuǎn)子感子感應(yīng)電動勢最大；垂直時互感為零，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢最小，如圖。應(yīng)電動勢最小，如圖。轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢為轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢為 VB= KVs sin =KVm sinsintnK：電磁耦合系數(shù)電磁耦合系數(shù) nVm：Vs的幅值的幅值n ：轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角v鑒相方式鑒相方式v鑒幅方式鑒幅方式 正弦繞組和余弦繞組分別加上幅值相同、頻正弦繞組

33、和余弦繞組分別加上幅值相同、頻率相同、相位相差率相同、相位相差90o的正弦交流電壓：的正弦交流電壓：sinsmUVtcosmUcVt2sincosscUKUKUsinsincoscosmmcKVtKV Ut2cos()mUKVt 通過比較感應(yīng)電勢通過比較感應(yīng)電勢U2與定子勵磁電與定子勵磁電壓壓Us的相位，便可求出的相位，便可求出 2cos()mUKVt -被測位移被測位移 正弦繞組和余弦繞組分別加上頻率相同、正弦繞組和余弦繞組分別加上頻率相同、相位相等、幅值分別按正弦、余弦規(guī)律變化的相位相等、幅值分別按正弦、余弦規(guī)律變化的交變電壓：交變電壓：sinsinsmUVtcossin cmUVt2si

34、ncos smcmUKUKU sinsin sincoscoscos mmmmKVtKVt2 cos() sin mmUKVtm：機(jī)械相位角 感應(yīng)電勢感應(yīng)電勢U2是幅值為是幅值為KVmsin( - m)的交變電壓信號，因此只要逐漸改變的交變電壓信號，因此只要逐漸改變 的值，使的值，使U2等于等于0，則可確定，則可確定 m的大小。的大小。2 cos() sin mmUKVtn感應(yīng)同步器是一種電磁式位置檢測元件，感應(yīng)同步器是一種電磁式位置檢測元件，按其結(jié)構(gòu)分為直線式和旋轉(zhuǎn)式。按其結(jié)構(gòu)分為直線式和旋轉(zhuǎn)式。n直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成（直線位移測量）旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步

35、器由（直線位移測量）旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由定子和轉(zhuǎn)子組成。（角位移測量）定子和轉(zhuǎn)子組成。（角位移測量）q兩相繞組在空間相差兩相繞組在空間相差1/2個節(jié)距個節(jié)距q定尺和滑尺的節(jié)距相同，定尺和滑尺的節(jié)距相同，q標(biāo)準(zhǔn)型的感應(yīng)同步器的節(jié)距為：標(biāo)準(zhǔn)型的感應(yīng)同步器的節(jié)距為：2 =2mm 余弦繞組余弦繞組正弦繞組正弦繞組滑尺滑尺定尺定尺nA點(diǎn)表示滑尺繞組與定尺點(diǎn)表示滑尺繞組與定尺繞組重合，定尺繞組中繞組重合，定尺繞組中的感應(yīng)電勢最大。的感應(yīng)電勢最大。nB點(diǎn)表示兩繞組錯開點(diǎn)表示兩繞組錯開1/4節(jié)距，感應(yīng)電勢減為零。節(jié)距，感應(yīng)電勢減為零。nC點(diǎn)表示兩繞組錯開點(diǎn)表示兩繞組錯開1/2節(jié)距，感應(yīng)電勢負(fù)的最節(jié)距，感應(yīng)電勢負(fù)

36、的最大。大。nD點(diǎn)表示兩繞組錯開點(diǎn)表示兩繞組錯開3/4節(jié)距，感應(yīng)電勢再次變節(jié)距，感應(yīng)電勢再次變?yōu)榱?。為零。定尺繞組上的感應(yīng)電勢為：定尺繞組上的感應(yīng)電勢為： VB=KVScos = KVmcos sin t 式中：式中： K-電磁耦合系數(shù)電磁耦合系數(shù) Vm-V的幅值的幅值 -反映定尺和滑尺的相對移動的距離反映定尺和滑尺的相對移動的距離xxx 22 只要測量出余弦繞組勵磁電壓只要測量出余弦繞組勵磁電壓UC和和定子繞組感應(yīng)電勢定子繞組感應(yīng)電勢U0之間的相位差，再之間的相位差，再將它除以系數(shù)將它除以系數(shù) ，就可以得到滑尺相對于，就可以得到滑尺相對于定尺的位移定尺的位移xxx )/(01. 08 . 1

37、0mm -位移位移-相位轉(zhuǎn)換系數(shù)。相位轉(zhuǎn)換系數(shù)。v鑒相方式鑒相方式v鑒幅方式鑒幅方式 = 時，定尺和滑尺在起點(diǎn)處于平衡狀態(tài)；時，定尺和滑尺在起點(diǎn)處于平衡狀態(tài)；隨著滑尺的移動，隨著滑尺的移動， ，U0 0，利用，利用U0控制計(jì)數(shù)控制計(jì)數(shù)器的正弦、余弦發(fā)生器，使器的正弦、余弦發(fā)生器，使 跟蹤跟蹤 角的改變；角的改變；當(dāng)滑尺移動到終點(diǎn)時，且當(dāng)滑尺移動到終點(diǎn)時，且 角趕上角趕上 角時，系統(tǒng)恢角時，系統(tǒng)恢復(fù)平衡，復(fù)平衡， 角的改變量就是角的改變量就是 角的大小角的大小相敏放大相敏放大控制線路控制線路正弦余弦正弦余弦發(fā)生器發(fā)生器數(shù)顯表數(shù)顯表機(jī)械位機(jī)械位移角移角 作為位置指令，讓作為位置指令，讓 角跟蹤角跟

38、蹤 角角當(dāng)當(dāng) 角跟蹤不上角跟蹤不上 角時，角時，U00，控制電機(jī)運(yùn)動，控制電機(jī)運(yùn)動，使運(yùn)動部件運(yùn)動，使運(yùn)動部件運(yùn)動， 角繼續(xù)跟蹤角繼續(xù)跟蹤 角，直到角，直到 角角等于預(yù)先給定的指令角等于預(yù)先給定的指令角 時，伺服系統(tǒng)停止運(yùn)時，伺服系統(tǒng)停止運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)定位。動，實(shí)現(xiàn)定位。相敏放大相敏放大伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)控制對象控制對象 l精度高：精度高：l測量范圍大測量范圍大l環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)l維護(hù)簡單、壽命長維護(hù)簡單、壽命長光柵：刻有刻線的光學(xué)玻璃或金屬光柵：刻有刻線的光學(xué)玻璃或金屬柵距柵距W：光柵上相鄰兩刻線間的距離光柵上相鄰兩刻線間的距離W若若1毫米內(nèi)刻毫米內(nèi)刻100條線紋，則柵距為條線紋，則柵距為

39、0.01mm（1）按反射的原理分）按反射的原理分l 透視光柵透視光柵l 反射光柵反射光柵 在玻璃的表面制成透明與不透在玻璃的表面制成透明與不透明間隔相等的線紋。明間隔相等的線紋。玻璃透射光柵系統(tǒng)玻璃透射光柵系統(tǒng)光源可垂直入射，信號幅度大，讀數(shù)頭光源可垂直入射，信號幅度大，讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 較簡單；較簡單；每毫米上的線紋數(shù)多。每毫米上的線紋數(shù)多。玻璃易碎，熱脹系數(shù)與金屬部件不一致。玻璃易碎，熱脹系數(shù)與金屬部件不一致。 在金屬的鏡面上制成全反射與在金屬的鏡面上制成全反射與漫反射間隔相等的線紋。漫反射間隔相等的線紋。反射光柵系統(tǒng)反射光柵系統(tǒng) 長光柵的熱脹系數(shù)容易做成與機(jī)體材料長光柵的熱脹系數(shù)容易做成與

40、機(jī)體材料一致；一致； 長光柵的安裝和調(diào)整比較方便；長光柵的安裝和調(diào)整比較方便； 安裝面積較??；安裝面積較??； 易于接長；易于接長； 不易碰碎；不易碰碎； 形成的莫爾條紋反差較大，每毫米內(nèi)線形成的莫爾條紋反差較大，每毫米內(nèi)線紋不宜過多。紋不宜過多。 圓圓光光柵柵：測測量量角角位位移移長長光光柵柵：測測量量直直線線位位移移（1）光柵位置檢測裝置光柵位置檢測裝置 光柵系統(tǒng)的精度主要取決于光柵的制造精度，光柵系統(tǒng)的精度主要取決于光柵的制造精度，即光柵任意兩點(diǎn)間的誤差即光柵任意兩點(diǎn)間的誤差累積誤差。累積誤差。 硅硅光光電電池池等等元元件件指指示示光光柵柵標(biāo)標(biāo)尺尺光光柵柵（長長光光柵柵）聚聚光光鏡鏡光光源

41、源1）摩爾條紋的形成原理摩爾條紋的形成原理透射光柵摩爾條紋的生成主要是由于透射光柵摩爾條紋的生成主要是由于擋光效應(yīng)擋光效應(yīng)反射光柵摩爾條紋的生成主要是由于反射光柵摩爾條紋的生成主要是由于擋光效應(yīng)擋光效應(yīng) 放大作用放大作用mm sincWWc莫爾條紋寬度；莫爾條紋寬度； 柵距；柵距； 光柵線紋間的交角。光柵線紋間的交角。 其放大倍數(shù)相當(dāng)于其放大倍數(shù)相當(dāng)于1000倍，從而減倍，從而減化了放大電路?；朔糯箅娐?。mmB10001. 001. 0 摩摩爾爾條條紋紋的的寬寬度度為為：夾角為夾角為0.8夾角為夾角為1.6夾角為夾角為2.5起平均誤差的作用起平均誤差的作用 莫爾條紋是由許多根線紋組成的。如：

42、光莫爾條紋是由許多根線紋組成的。如：光柵為柵為100線線/mm一條一條10mm長的莫爾條紋由：長的莫爾條紋由：100線線/mm10mm=1000條光柵線紋組成，光條光柵線紋組成，光柵上線紋的間距誤差就平均化。柵上線紋的間距誤差就平均化。 當(dāng)光柵向左、右移動一個柵距當(dāng)光柵向左、右移動一個柵距，莫爾條紋也相應(yīng)地向上、下移莫爾條紋也相應(yīng)地向上、下移動一個動一個WC。 若長光柵不動，指示光柵逆時鐘方若長光柵不動，指示光柵逆時鐘方向轉(zhuǎn)一個小角度（向轉(zhuǎn)一個小角度（+），），然后向左移動，然后向左移動，則莫爾條紋向上移動；反之，當(dāng)指示光則莫爾條紋向上移動；反之，當(dāng)指示光柵向右移動，條紋向下移動。如果將指柵向

43、右移動，條紋向下移動。如果將指示光柵按順時針方向轉(zhuǎn)過一個小角度示光柵按順時針方向轉(zhuǎn)過一個小角度(-)，則情況與上述相反則情況與上述相反 。光電接收元件光電接收元件E光的強(qiáng)度光的強(qiáng)度x位移位移 采用一個光電元件所得到的光柵信號只采用一個光電元件所得到的光柵信號只能計(jì)數(shù)，但不能辨識運(yùn)動方向，為了確定能計(jì)數(shù)，但不能辨識運(yùn)動方向，為了確定運(yùn)動方向，至少要有兩個光電元件。如圖運(yùn)動方向，至少要有兩個光電元件。如圖所示。所示。光電元件光電元件S1光電元件光電元件S2 通過判斷通過判斷S1和和S2的超前或滯后來確的超前或滯后來確定移動的方向。定移動的方向。ExS1S2S2 為了提高光柵檢測裝置的精為了提高光柵

44、檢測裝置的精度，可以提高刻線精度和增加刻線度，可以提高刻線精度和增加刻線密度。但刻線密度達(dá)密度。但刻線密度達(dá)200線線/mm以以上的細(xì)光柵刻線制造較困難，成本上的細(xì)光柵刻線制造較困難，成本也高。因此，通常采用倍頻的方法也高。因此，通常采用倍頻的方法來提高光柵的分辨精度來提高光柵的分辨精度. 設(shè)光柵刻線的密度為：設(shè)光柵刻線的密度為：50線線/mm，采用采用4個光電元件和個光電元件和4個隙縫，每隔個隙縫，每隔1/4光柵節(jié)距光柵節(jié)距產(chǎn)生一個脈沖。雖然光柵柵距為產(chǎn)生一個脈沖。雖然光柵柵距為0.02mm，但但4倍頻后，每一脈沖都相當(dāng)于倍頻后，每一脈沖都相當(dāng)于5m，即分即分辨精度提高辨精度提高4倍。此外，

45、還采用倍。此外，還采用8、10、20倍倍頻及其它倍頻線路。頻及其它倍頻線路。 xEq功能功能：角位移測量角位移測量q特點(diǎn)特點(diǎn)：非接觸式檢測、驅(qū)動力小、檢測速非接觸式檢測、驅(qū)動力小、檢測速度快度快q分類分類：增量式編碼器和絕對式編碼器兩種增量式編碼器和絕對式編碼器兩種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光欄欄板板節(jié)距節(jié)距Z Z B B A Am+/4光源光源光電盤光電盤光電接收元件光電接收元件信號處理信號處理：信號接收、放大、整形及反饋信號接收、放大、整形及反饋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光欄欄板板節(jié)距節(jié)距Z Z B

46、 B A Am+/4abz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光欄欄板板節(jié)距節(jié)距Z Z B B A Am+/4若若A相超前于相超前于B相相 電機(jī)作正向旋轉(zhuǎn)；電機(jī)作正向旋轉(zhuǎn)；若若B相超前于相超前于A相相 電機(jī)作反向旋轉(zhuǎn)電機(jī)作反向旋轉(zhuǎn) ；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光欄欄板板節(jié)距節(jié)距Z Z B B A Am+/4停電或停機(jī)后，無法找到原始位置停電或停機(jī)后，無法找到原始位置 絕對式編碼器可以直接把絕對式編碼器可以直接把被測轉(zhuǎn)角過位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的被測轉(zhuǎn)角過位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的代碼，指示的是絕對位置而無代碼，指示的是絕對位置而無絕對誤

47、差。絕對誤差。接觸式接觸式光電式光電式電磁式等電磁式等通過讀取編碼盤上的圖案來表示軸的位置。通過讀取編碼盤上的圖案來表示軸的位置。 20212223n二進(jìn)制編碼二進(jìn)制編碼n 二進(jìn)制循環(huán)碼二進(jìn)制循環(huán)碼n二二十進(jìn)制碼等；十進(jìn)制碼等；二進(jìn)制編碼方式的缺點(diǎn)：二進(jìn)制編碼方式的缺點(diǎn)： 圖案轉(zhuǎn)移點(diǎn)不明確，容易產(chǎn)生讀數(shù)錯誤。圖案轉(zhuǎn)移點(diǎn)不明確，容易產(chǎn)生讀數(shù)錯誤。 圖案的切換每次只有一位數(shù)，能把誤圖案的切換每次只有一位數(shù)，能把誤讀控制在一個數(shù)的單位內(nèi)，提高可靠性。讀控制在一個數(shù)的單位內(nèi)，提高可靠性。1）可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對值；）可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對值； 2）沒有累積誤差；）沒有累積誤差；3）電源切除后

48、，位置信息不會丟失；）電源切除后，位置信息不會丟失；4）允許的最高轉(zhuǎn)速比增量式編碼器高。）允許的最高轉(zhuǎn)速比增量式編碼器高。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 工作可靠、抗干擾性強(qiáng)，伺服精工作可靠、抗干擾性強(qiáng)，伺服精度高。度高。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試、使用與維護(hù)也結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試、使用與維護(hù)也相對更困難。相對更困難。 執(zhí)行元件是伺服系統(tǒng)的重要組執(zhí)行元件是伺服系統(tǒng)的重要組成部分，它的作用是把驅(qū)動線路的成部分，它的作用是把驅(qū)動線路的電信號轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動，整個伺服電信號轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動，整個伺服系統(tǒng)的調(diào)速性能、動態(tài)特性，運(yùn)行系統(tǒng)的調(diào)速性能、動態(tài)特性，運(yùn)行精度均與執(zhí)行元件有關(guān)。精度均與執(zhí)行元件有關(guān)。q調(diào)速范圍寬且具有良好

49、的穩(wěn)定性，尤其調(diào)速范圍寬且具有良好的穩(wěn)定性，尤其是低速運(yùn)行的穩(wěn)定性和均勻性。是低速運(yùn)行的穩(wěn)定性和均勻性。q負(fù)載特性硬，即使在低速時也有足夠的負(fù)載特性硬，即使在低速時也有足夠的負(fù)載能力。負(fù)載能力。q盡可能的減少電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，以提高盡可能的減少電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，以提高系統(tǒng)的快速動態(tài)響應(yīng)。系統(tǒng)的快速動態(tài)響應(yīng)。q能夠頻繁啟、停及換向。能夠頻繁啟、停及換向。v小慣量直流伺服電機(jī)小慣量直流伺服電機(jī)v大慣量直流伺服電機(jī)大慣量直流伺服電機(jī)1）轉(zhuǎn)動慣量小，約為一般直流電機(jī)的）轉(zhuǎn)動慣量小，約為一般直流電機(jī)的1/10。2）具有良好的換向性能。）具有良好的換向性能。3）由于轉(zhuǎn)子無槽，保證了低速運(yùn)行的）由于轉(zhuǎn)子無槽，保

50、證了低速運(yùn)行的穩(wěn)定性和均勻性。在轉(zhuǎn)速低達(dá)穩(wěn)定性和均勻性。在轉(zhuǎn)速低達(dá)10r/min時無爬行現(xiàn)象。時無爬行現(xiàn)象。4）過載能力強(qiáng)，最大電磁轉(zhuǎn)矩可達(dá)）過載能力強(qiáng)，最大電磁轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定值的額定值的10倍。倍。5）熱時間常數(shù)較小，容許過載的持）熱時間常數(shù)較小，容許過載的持續(xù)時間不能太長。續(xù)時間不能太長。6）由于慣量小，必須配齒輪減速葙，）由于慣量小，必須配齒輪減速葙，才能拖動負(fù)載。才能拖動負(fù)載。 它是在維持一般直流電機(jī)較大轉(zhuǎn)它是在維持一般直流電機(jī)較大轉(zhuǎn)動慣量的前提下，盡可能提高轉(zhuǎn)矩的方動慣量的前提下，盡可能提高轉(zhuǎn)矩的方法來改善其動態(tài)特性。具有快速響應(yīng)性法來改善其動態(tài)特性。具有快速響應(yīng)性能，即較好的輸出轉(zhuǎn)矩

51、能，即較好的輸出轉(zhuǎn)矩/慣量的比值。慣量的比值。輸出轉(zhuǎn)矩大輸出轉(zhuǎn)矩大 不需齒輪減速箱即可直接驅(qū)不需齒輪減速箱即可直接驅(qū)動負(fù)載。動負(fù)載。過載能力強(qiáng)過載能力強(qiáng) 轉(zhuǎn)子熱容量大，過載能力轉(zhuǎn)子熱容量大，過載能力強(qiáng)（過載轉(zhuǎn)矩可達(dá)強(qiáng)（過載轉(zhuǎn)矩可達(dá)510倍）倍）動態(tài)響應(yīng)好動態(tài)響應(yīng)好 電流過載能力強(qiáng)、瞬時加速電流過載能力強(qiáng)、瞬時加速轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)響應(yīng)好。轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)響應(yīng)好。調(diào)速范圍寬且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)調(diào)速范圍寬且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn) 低速時輸出轉(zhuǎn)低速時輸出轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速調(diào)速范圍寬，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)矩大，調(diào)速調(diào)速范圍寬，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn) 。易于調(diào)試易于調(diào)試 由于慣量大，受負(fù)載影響小，由于慣量大，受負(fù)載影響小，可不加負(fù)載調(diào)試可不加負(fù)載調(diào)試。n直流伺服電機(jī)的

52、調(diào)整方法主要是直流伺服電機(jī)的調(diào)整方法主要是調(diào)整電調(diào)整電機(jī)電樞電壓。機(jī)電樞電壓。n一般直流速度控制單元較多采用一般直流速度控制單元較多采用晶閘管調(diào)晶閘管調(diào)速系統(tǒng)和晶體管脈寬調(diào)制速系統(tǒng)和晶體管脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)。（1）PWM工作原理工作原理 圖圖a中的開關(guān)中的開關(guān)S周期的閉合、斷開，開和斷的周期是周期的閉合、斷開，開和斷的周期是T。在一個周期內(nèi)，閉合時間為在一個周期內(nèi)，閉合時間為,若外加電源的電壓若外加電源的電壓U是是常數(shù)，則電源加到電機(jī)電樞上的電壓波形將是一個方常數(shù)，則電源加到電機(jī)電樞上的電壓波形將是一個方波，它的平均值波，它的平均值Ua 為為: Ua =r U。 = /T ,稱

53、為導(dǎo)通率稱為導(dǎo)通率。 當(dāng)當(dāng)T不變時，只要連續(xù)地改變不變時，只要連續(xù)地改變 (0T),就可使電樞電壓的平均值由就可使電樞電壓的平均值由0連續(xù)變化到連續(xù)變化到U，從而連續(xù)地改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。從而連續(xù)地改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。UUTUa 頻帶寬：頻帶寬：截止頻率高于晶閘管，系統(tǒng)有較截止頻率高于晶閘管，系統(tǒng)有較高的工作頻率，其開關(guān)工作頻率多為高的工作頻率，其開關(guān)工作頻率多為2kHz或或5KHz。電機(jī)脈動?。弘姍C(jī)脈動小：輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，對低速加輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，對低速加工有利。工有利。電源的功率因數(shù)高。電源的功率因數(shù)高。動態(tài)硬度好，系統(tǒng)具有良好的線性。動態(tài)硬度好，系統(tǒng)具有良好的線性。結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單無電刷無電刷可靠性高

54、可靠性高維護(hù)方便。維護(hù)方便。永磁式同步交流伺服電機(jī)永磁式同步交流伺服電機(jī)感應(yīng)式異步交流伺服電機(jī)感應(yīng)式異步交流伺服電機(jī) 數(shù)控系統(tǒng)要求轉(zhuǎn)子的速度的數(shù)控系統(tǒng)要求轉(zhuǎn)子的速度的快慢能夠反映控制信號的相位，快慢能夠反映控制信號的相位，無控制信號時就立即停轉(zhuǎn)。無控制信號時就立即停轉(zhuǎn)。1、2-旋轉(zhuǎn)磁場（有控制信號時）旋轉(zhuǎn)磁場（有控制信號時） 3-脈動磁場（無控制信號）脈動磁場（無控制信號）Mn1230AMLBMZ )1(120Spfn 交交流流電電機(jī)機(jī)的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速：f-電源頻率電源頻率p-電機(jī)極對數(shù)電機(jī)極對數(shù)S-滑差率滑差率n調(diào)電機(jī)極對數(shù)（調(diào)電機(jī)極對數(shù)（p）法法n調(diào)轉(zhuǎn)差率（調(diào)轉(zhuǎn)差率（S）法法n調(diào)頻率（調(diào)頻率（

55、f）法法 交流伺服電機(jī)的速度調(diào)節(jié)交流伺服電機(jī)的速度調(diào)節(jié)通常由通常由調(diào)頻調(diào)速調(diào)頻調(diào)速的方法實(shí)現(xiàn)。的方法實(shí)現(xiàn)。氣隙磁通感應(yīng)系數(shù)定子角速輸入電源頻率kfkfE44. 4若若k、U不變時：不變時：f kfEU44. 4 M cos2ICMm 交流伺服電機(jī)變頻調(diào)速的關(guān)鍵問題交流伺服電機(jī)變頻調(diào)速的關(guān)鍵問題是獲得是獲得調(diào)速調(diào)壓調(diào)速調(diào)壓的交流電源。的交流電源。 實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓通常采用交流實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓通常采用交流直流直流交流的變換電路實(shí)現(xiàn)，其主要組成部分交流的變換電路實(shí)現(xiàn)，其主要組成部分是電流逆變器。是電流逆變器。數(shù)控機(jī)床對位置伺服系統(tǒng)有如下要求：數(shù)控機(jī)床對位置伺服系統(tǒng)有如下要求：q定位速度和輪廓切削進(jìn)給速度。定

56、位速度和輪廓切削進(jìn)給速度。q定位精度和輪廓切削精度。定位精度和輪廓切削精度。q進(jìn)加工的表面粗糙度。進(jìn)加工的表面粗糙度。q在外界干擾下的穩(wěn)定性。在外界干擾下的穩(wěn)定性。 數(shù)控機(jī)床的位置伺服系統(tǒng)是一個數(shù)控機(jī)床的位置伺服系統(tǒng)是一個典型的二階系統(tǒng)。典型的二階系統(tǒng)。KKTssG 21)(速度穩(wěn)態(tài)誤差速度穩(wěn)態(tài)誤差 e () = 1/K , K為開環(huán)放大倍數(shù)。為開環(huán)放大倍數(shù)。KKTssG 21)()2(1KT vK20的系統(tǒng)稱為高增益或硬伺的系統(tǒng)稱為高增益或硬伺服系統(tǒng)，應(yīng)用于輪廓加工系統(tǒng)。服系統(tǒng)，應(yīng)用于輪廓加工系統(tǒng)。K系統(tǒng)的系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性下降下降 系統(tǒng)的系統(tǒng)的快速性快速性增大增大 系統(tǒng)的系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)

57、誤差減少減少采用非線性實(shí)現(xiàn)的動態(tài)響應(yīng)采用非線性實(shí)現(xiàn)的動態(tài)響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值穩(wěn)態(tài)值 =0.5tx0(t) =0.9 位置精度在很大程度上決定了位置精度在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的加工精度。數(shù)控機(jī)床的加工精度。正確選擇開環(huán)放大倍數(shù)的大小正確選擇開環(huán)放大倍數(shù)的大小提高位置檢測元件的精度提高位置檢測元件的精度q位移檢測系統(tǒng)能夠測量的最小位位移檢測系統(tǒng)能夠測量的最小位移量移量q分辨率的大小取決于檢測元件本分辨率的大小取決于檢測元件本身和測量線路的結(jié)構(gòu)。身和測量線路的結(jié)構(gòu)。比加工精度高一個數(shù)量級比加工精度高一個數(shù)量級 伺服系統(tǒng)為了同時滿足快速伺服系統(tǒng)為了同時滿足快速移動和單步點(diǎn)動，要求進(jìn)給驅(qū)動系移動和單步點(diǎn)動，要

58、求進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。統(tǒng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。 伺服系統(tǒng)在低速情況下實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)在低速情況下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)進(jìn)給，則要求速度必須大于平穩(wěn)進(jìn)給，則要求速度必須大于“死區(qū)死區(qū)”范圍。范圍。 是指由于靜摩擦力的存在使是指由于靜摩擦力的存在使系統(tǒng)在很小輸入下，電機(jī)克服不系統(tǒng)在很小輸入下，電機(jī)克服不了摩擦力而不能轉(zhuǎn)動。了摩擦力而不能轉(zhuǎn)動。a-死區(qū)范圍死區(qū)范圍v1v0aav min開開環(huán)環(huán)放放大大倍倍數(shù)數(shù)脈脈沖沖當(dāng)當(dāng)量量（由由于于： KmmKamin)/ Kv min則則：則最低速度為：則最低速度為：)/(3 . 03001. 0minsmmKv 最高速度的選擇主要考慮到最高速度的選擇主要考慮到機(jī)床

59、的機(jī)械允許界限和實(shí)際加工機(jī)床的機(jī)械允許界限和實(shí)際加工要求。要求。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，必須在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，必須考慮軟件處理的時間是否足夠?？紤]軟件處理的時間是否足夠。式中：式中： fmax-最高速度的脈沖頻率（最高速度的脈沖頻率（kHz） vmax-最高進(jìn)給速度最高進(jìn)給速度(mm/min) -脈沖當(dāng)量（脈沖當(dāng)量（mm) maxmaxvf 得：得：DKDvvf minmaxmax最高速度的取值是受到最高速度的取值是受到1/fmax的約束。的約束。 在脈沖當(dāng)量在脈沖當(dāng)量 =1um的條件下，的條件下，進(jìn)給速度應(yīng)從進(jìn)給速度應(yīng)從0240m/min范圍內(nèi)連范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。續(xù)可調(diào)。跟隨誤差跟隨誤差輸入指令曲線與位置輸入指令曲線與位置跟蹤響應(yīng)曲線之間存在的誤差。跟蹤響應(yīng)曲線之間存在的誤差。evKv允允許許的的跟跟隨隨誤誤差差最最高高進(jìn)進(jìn)給給速速度度max qKV 愈大，系統(tǒng)的跟隨誤差??；愈大，系統(tǒng)的跟隨誤差??；q但過大的但過大的Kv會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 輪廓跟隨誤差是指實(shí)際軌跡與要求輪廓跟隨誤差是指實(shí)際軌跡與要求軌跡之間的最短距離，用軌跡之間的最短距離，用e來表示。來表示。xypP/ 要求軌跡要求軌跡實(shí)際軌跡實(shí)際軌跡eyex若兩軸的輸入指令為：若兩軸的輸入指令為：xypP/ 要求軌跡要求軌跡實(shí)際軌跡實(shí)際