項目驅動單元9-14課件

1、項目驅動單元9光電式旋轉編碼器 9.1學習與實訓目標1通過學習了解數(shù)控機床對檢測裝置的主要要求。2掌握位置檢測的概念及位置檢測裝置的分類。3掌握光電式編碼器的結構、工作原理。4掌握光柵的結構、工作原理及莫爾條紋的特點。5通過實訓使學生熟悉光電式旋轉編碼器的工作原理，掌握編碼器在數(shù)控機床中的應用，培養(yǎng)學生綜合運用知識的能力和動手能力。9.3任務驅動的相關知識 伺服系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)用步進電機作為執(zhí)行元件，不用檢測裝置及反饋。閉環(huán)控制系統(tǒng)必須有檢測環(huán)節(jié)以取得反饋信號，并根據(jù)反饋信號來控制伺服電機帶動工作臺移動，消除實際位置（或速度）與指令位置（或速度）之間的誤差。 實

2、際反饋位置的檢測則是通過位置檢測裝置來實現(xiàn)的,數(shù)控機床的加工精度主要由檢測裝置的精度決定。位置傳感器測量電路伺服電機數(shù)顯計算機數(shù)據(jù)裝置工作臺圖9-1 閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)框圖 在閉環(huán)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，數(shù)控檢測裝置的主要作用是檢測運動部件的位移和速度，并發(fā)送反饋檢測信號至數(shù)控裝置，構成伺服系統(tǒng)的閉環(huán)或半閉環(huán)控制，使工作臺按指令的路徑精確地移動。對于采用半閉環(huán)控制的數(shù)控機床，其位置檢測裝置一般采用旋轉變壓器或編碼器，安裝在進給電機或絲杠上；采用閉環(huán)控制的數(shù)控機床，可采用感應同步器、光柵、磁柵等測量裝置，安裝在工作臺的導軌上，直接測量工作臺的直線位移。任務學習1 位置檢測裝置的概述 數(shù)控機床對檢測裝置的要

3、求主要有以下幾點： （1）高可靠性和抗干擾能力 （2）滿足精度和速度要求 （3）便于安裝和維護 （4）成本低、壽命長 1檢測裝置的分類 根據(jù)被測物理量分為位移、速度、和電流三種類型；按檢測量的基準分為增量式和絕對式兩種；根據(jù)運動形式分為旋轉型和直線型檢測裝置。 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)中采用的位置檢測裝置一般分為直線型和旋轉型兩大類，伺服系統(tǒng)中往往還包括檢測速度元件，用以檢測和調節(jié)電動機的轉速。 表9-2 數(shù)控機床檢測裝置的分類 分類增量式絕對式位移檢測裝置旋轉型脈沖編碼器、自整角機、旋轉編碼器、感應同步器、光柵角度傳感器、光柵、磁柵多極旋轉變壓器、絕對脈沖編碼器、絕對值式光柵、三速圓感應同步器、磁阻

4、式多極旋轉變壓器直線型直線感應同步器、光柵尺、磁柵尺、激光干涉儀、霍爾傳感器三速感應同步器、絕對值磁尺、光電編碼尺、磁性編碼器速度檢測裝置交、直流測速發(fā)電機、數(shù)字脈沖編碼式速度傳感器、霍爾速度傳感器速度-角度傳感器、數(shù)字電磁式傳感器、磁敏式速度傳感器電流檢測裝置霍爾電流傳感器2數(shù)控檢測裝置的性能指標 （1）精度（2）分辨率 （3）靈敏度 （4）遲滯 （5）測量范圍 （6）零漂與溫漂 傳感器的性能指標包括靜態(tài)特性和動態(tài)特性 3位置檢測裝置的測量方式 （1）直接測量和間接測量傳感器的性能指標包括靜態(tài)特性和動態(tài)特性 （2）增量式測量和絕對式測量 （3）數(shù)字式測量和模擬式測量（4）接觸式測量和非接觸式

5、測量 編碼器又稱編碼盤或碼盤，是一種旋轉式測量元件，通常安裝在被測軸上，隨被測軸一起轉動，可將被測軸的機械角位移轉換成增量脈沖形式或絕對式的代碼形式，常在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中作為角位移數(shù)字式檢測元件。 編碼器根據(jù)內部結構和檢測方式可分為接觸式、光電式和電磁式三種形式，編碼器是一種增量檢測裝置，它的型號是由每轉發(fā)出的脈沖數(shù)來區(qū)分。 任務學習2 光電編碼器 1.增量式光電編碼器圖9-2 光電編碼器的結構和實物圖 當圓光柵旋轉時，光線透過兩個光柵的線紋部分，形成明暗相間的三路莫爾條紋。同時光電元件接收這些光信號。并轉化為交替變化的電信號A、B（近似于正弦波）和Z。再經(jīng)放大和整形變成方波。其中A、B信號稱

6、為主計數(shù)脈沖，它們在相位上相差90, Z信號稱為零位脈沖，“一轉一個”，該信號與、信號嚴格同步。 增量式光電編碼器的測量精度取決于它所能分辨的最小角度，而這與光電碼盤圓周內所分狹縫的條數(shù)有關。 =360/狹縫數(shù)圖9-3 增量式光電編碼器測量系統(tǒng) 增量式光電編碼器每轉過一個分辨角就發(fā)出一個脈沖信號，因此根據(jù)脈沖數(shù)目可得出工作軸的回轉角度，由傳動比換算出直線位移距離；根據(jù)脈沖頻率可得到工作軸的轉速；根據(jù)光欄板上兩個狹縫中信號的相位先后，可判斷光電碼盤的正反轉。 圖9-4 光電脈沖編碼器的輸出波形 絕對式光電編碼器的光盤上有透光和不透光的編碼圖案，編碼方式可以有二進制編碼、二進制循環(huán)編碼、二至十進制

7、編碼等。絕對式光電編碼器通過讀取編碼盤上的編碼圖案來確定位置。 絕對式光電編碼器大多采用格雷碼編盤。格雷碼的特點是每一相鄰數(shù)碼之間僅改變一位二進制。 2.絕對式光電編碼器 圖9-5 絕對式光電編碼器原理圖 光電脈沖編碼器應用在數(shù)控機床數(shù)字比較伺服系統(tǒng)中，作為位置檢測裝置。光電脈沖編碼器將位置檢測信號反饋給CNC裝置有幾種方式：一是適應帶加減計數(shù)要求的可逆計數(shù)器，形成加計數(shù)脈沖和減計數(shù)脈沖。二是適應有計數(shù)控制端和方向控制端的計數(shù)器，形成正走、反走計數(shù)脈沖和方向控制電平。3.光電脈沖編碼器的應用 3.光電脈沖編碼器的應用 （b）波形圖圖9-6 脈沖編碼器組成計數(shù)器方式一 3.光電脈沖編碼器的應用

8、低電平“0” 高電平“1” （b）波形圖圖9-7 脈沖編碼器組成計數(shù)器方式二 光柵是一種最常見的測量裝置，是在玻璃或金屬基體上均勻刻劃很多節(jié)距的線紋而制成的。光柵分為物理光柵和計量光柵，物理光柵刻線細密，用于光譜分析和光波波長的測定。計量光柵，比較而言刻線較粗，但柵距也較小，它利用光的透射、衍射原理，通過光敏元件測量莫爾條紋移動的數(shù)量來測量機床工作臺的位移量。 光柵傳感器為動態(tài)檢測元件，按運動方式分為長光柵和圓光柵，長光柵用來測量直線位移；圓光柵用來測量角度位移。 任務學習3 光柵 1.光柵的結構 圖9-8 光柵的結構圖9-9光柵尺示意圖圖9-10 光柵讀數(shù)頭 光柵讀數(shù)頭又叫光電轉換器，它把光

9、柵莫爾條紋變?yōu)殡娦盘枴?2.光柵的工作原理 莫爾條紋 圖9-11 莫爾條紋 莫爾條紋的特征：（1）放大作用（2）均化誤差作用（3）莫爾條紋的移動與柵距的移動成比例3.光柵位移數(shù)字變換電路 圖9-12 光柵信號4倍頻電路3.光柵位移數(shù)字變換電路 圖9-13 四倍頻電路波形圖項目驅動單元10開關型霍爾傳感器 10.1學習與實訓目標1通過學習掌握開關型霍爾傳感器的工作原理。2通過學習使學生了解霍爾傳感器在數(shù)控機床上的應用。3使學生掌握直線式感應同步器的工作原理。4使學生掌握感應同步器的兩種工作方式。5通過實訓使學生熟悉霍爾接近開關傳感器的工作原理，了解數(shù)控機床4工位電動刀架的自動換刀原理和霍爾接近開

10、關傳感器的接線，培養(yǎng)學生綜合運用知識的能力和動手能力。10. 3任務驅動的相關知識任務學習1 霍爾傳感器 1霍爾元件的結構及工作原理圖10-1 霍爾元件2霍爾元件的主要特性 （1）輸入電阻Ri和輸出電阻Ro （2）額定控制電流IM（3）靈敏度KH（4）最大磁感應強度BM（5）不等位電勢（6）霍爾電勢的溫度系數(shù)3霍爾傳感器（1）線性型霍爾傳感器 圖10-2 線性型霍爾傳感器 圖10-3 線性型霍爾傳感器輸出特性 3霍爾傳感器（2）開關型霍爾傳感器 圖10-2 開關型霍爾傳感器 圖10-3 開關型霍爾傳感器輸出特性 4霍爾傳感器在數(shù)控機床上的應用應用實例一 數(shù)控車床電動刀架上的應用 刀架的工作過程

11、如下：數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀信號刀架電動機正轉上刀架上升并轉位刀架到位發(fā)出信號刀架電動機反轉初定位精定位夾緊刀架電動機停轉換刀完成應答。 圖10-6 LD4系列電動刀架結構示意圖4霍爾傳感器在數(shù)控機床上的應用應用實例二 數(shù)控銑床或加工中心主軸準停裝置圖10-7 電氣式主軸準停裝置任務學習2 感應同步器 1感應同步器的結構和類型 感應同步器是一種電磁感應式多極位置傳感元件，是由旋轉變壓器演變而來，即相當于一個展開的旋轉變壓器。 感應同步器是一種電磁感應式的高精度的位移檢測裝置，按其運動方式分為旋轉式（圓形感應同步器）和直線式兩種。 （1）旋轉式感應同步器圖10-8 圓感應同步器圖10-9 圓形感應同步

12、器繞組圖（2）直線式感應同步器 圖10-10 直線式感應同步器圖10-11 定尺與滑尺繞組(b)滑尺繞組 2感應同步器的工作原理 （1）感應同步器的工作原理圖10-12 直線式感應同步器的定尺與滑尺圖10-13 定尺上的感應電壓與滑尺位置的關系2感應同步器的工作原理 （2）感應同步器的檢測電路 根據(jù)勵磁繞組中勵磁供電方式的不同，感應同步器有兩種工作方式：鑒相式和鑒幅式。相位（鑒相式）工作方式幅值（鑒幅式）工作方式3感應同步器的典型應用（1）感應同步器的特點精度高測量長度不受限制圖10-14 多塊定尺繞組連接圖工作可靠、抗干擾性強維護簡單、使用壽命長工藝性好，成本低，便于復制和成批生產(chǎn)。（2）鑒

13、相測量系統(tǒng)的應用圖10-15 傳感器鑒相方式測量系統(tǒng)（3）鑒幅測量系統(tǒng)的應用圖10-16 鑒幅方式測量系統(tǒng)項目驅動單元11步進電動機的驅動控制 11.1學習與實訓目標1通過學習掌握伺服系統(tǒng)的作用和數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)的要求。2掌握步進電動機的結構和工作原理及有關術語。通電方式及步距角。3掌握步進電動機的驅動控制，通過訓練掌握世紀星數(shù)控系統(tǒng)HNC-21M與步進驅動模塊WD5LD01的連接，驅動器與步進電機、電源及PLC的連接。11. 3任務驅動的相關知識任務學習1 伺服系統(tǒng)概述 1伺服系統(tǒng)的作用 進給伺服系統(tǒng)是聯(lián)系CNC裝置和機床各坐標軸的中間環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成部分。 主軸伺服系統(tǒng)應實現(xiàn)機

14、床主軸的轉速調節(jié)及正反轉功能。 伺服系統(tǒng)是指以機械位置或速度為控制對象的自動控制系統(tǒng)。在數(shù)控機床中，如果控制對象是各坐標軸的位置和速度，就叫做進給伺服系統(tǒng)；如果控制對象是主軸的位置和速度，就叫做主軸伺服系統(tǒng)。 2數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)的要求 （1）高精度（2）可逆運行（3）響應快速（4）調速范圍寬（5）低速大轉矩（6）較強的過載能力（7）具有足夠的剛性和速度的穩(wěn)定性3伺服系統(tǒng)的組成 從硬件角度看，伺服系統(tǒng)由伺服電動機、電力電子驅動模塊、驅動信號轉換電路、電流調節(jié)器、速度調節(jié)器、位置調節(jié)器、電流檢測元件、速度檢測元件、位置檢測元件等組成。 從控制系統(tǒng)的角度看，伺服系統(tǒng)是一個由位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)組

15、成的三環(huán)自動控制系統(tǒng) 位置調節(jié)工作臺速度調節(jié)電流調節(jié)轉換驅動電流反饋速度反饋位置反饋MG圖11-1 典型三環(huán)反饋伺服系統(tǒng)框圖CNC 位置和速度檢測元件可以是光柵、感應同步器、光電脈沖編碼器、旋轉變壓器等，電流檢測元件可以是霍爾傳感器。 4伺服系統(tǒng)的分類 按執(zhí)行元件的類別分：分為步進電動機伺服系統(tǒng)、直流電動機伺服系統(tǒng)和交流電動機伺服系統(tǒng)。 按有無檢測元件和反饋環(huán)節(jié)分：分為開環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)和全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 任務學習2 步進電機及其驅動系統(tǒng) 數(shù)控機床的電氣驅動包括主軸驅動和進給驅動。 實現(xiàn)主軸驅動的電動機主要有兩種：直流主軸電動機（即它勵式直流電動機）和交流主軸電動機（即三相交流異步電

16、動機）；實現(xiàn)進給驅動的電動機主要有三種；步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機。1步進電動機的結構和工作原理 （1）步進電動機的分類及基本結構按力矩產(chǎn)生的原理分為反應式和勵磁式反應式 勵磁式 混合式（即永磁感應子式） 按輸出力矩大小可分為伺服式和功率式 伺服式 功率式 按勵磁相數(shù)可分為三相、四相、五相、六相等 按各相繞組分布型式分為徑向式和軸向式徑向式（單段式） 軸向式（多段式） （2）反應式步進電動機的工作原理步進電動機的有關術語：相數(shù) 圖11-2 反應式步進電動機結構與步進過程原理拍數(shù) 步距角 通電相對齊相錯齒相轉子轉向A相（初始狀態(tài)）A和0、2B、C和1、3B相B和1、3A、C和0、

17、2逆轉1/2齒C相C和0、2A、B和1、3逆轉1齒表11-1 步進電動機步進循環(huán)過程a.步進電動機的通電方式 步進電動機有單相輪流通電，雙相輪流通電，單雙相輪流通電幾種通電方式。 三相單三拍 ：對A、B、C三相輪流通電一次稱為一個通電周期，步進電動機轉動一個齒距。 步進脈沖A相B相C相圖11-3 三相步進電動機單三拍工作電壓波形圖步進脈沖BC步進電動機的通電方式及步距角a.步進電動機的通電方式雙相雙三拍 ： 這種通電方式由于兩相同時通電，其通電順序為ABBCCAAB，控制電流切換三次，磁場旋轉一周 圖11-4 三相步進電動機雙三拍工作電壓波形圖步進脈沖A相B相C相a.步進電動機的通電方式三相六

18、拍 ：把單三拍和雙三拍的工作方式結合起來，就形成六拍工作方式，這時通電次序為：AABBBCCCAA。 步進脈沖A相B相C相圖11-5 三相步進電動機六拍工作電壓波形圖b.步距角 的計算 式中 K步進電動機的工作拍數(shù)； N轉子齒數(shù)?；?式中 m相數(shù) z步進電動機轉子齒數(shù)。 c步距角系數(shù)（3）步進電動機的特點 步進電動機受脈沖控制，其轉子的角位移量和轉速嚴格地與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比，改變通電順序可改變步進電動機的旋轉方向；改變通電頻率可改變電動機的轉速。 維持控制繞組的電流不變，電動機便停在某一位置不動 有一定的步距精度，沒有累積誤差。 步進電動機的缺點是效率低，拖動負載的能力不大，脈沖

19、當量（步距角）不能太大，調速范圍不大，最高輸入脈沖頻率一般不超過18kHZ。2步進電動機的主要特性 （1）步距角和步距誤差（2）靜態(tài)矩角特性和最大靜轉矩T最大靜轉矩靜穩(wěn)定區(qū)穩(wěn)定平衡點O圖11-8 步進電動機矩角特性（3）最大起動轉矩T最大起動轉矩O圖11-9 步進電動機最大起動轉矩（4）最大起動頻率（5）連續(xù)運行頻率（6）矩頻特性與動態(tài)轉矩（7）加減速特性5f/(HZ)O15481214102016f/kHZT/(Nm)工作fTaTd指令f加速減速(b) 加減速特性0.632f0.632f(a) 矩頻特性圖11-10 步進電動機工作特性3步進電動機的驅動控制 步進電動機驅動器由環(huán)形脈沖分配器和

20、功能放大器組成，加到環(huán)形脈沖分配器的插補脈沖經(jīng)過加減速處理，使脈沖頻率平滑上升和下降，以適應步進電動機的驅動特性。 圖11-11 HNC-21M與步進驅動模塊WD5LD01的連接步進驅動模塊WD51LD01XS30HNC-21MCNCXS10AC80AC80A+A-B-C-D-E-E+D+C+B+ERR+ERR-CW-CW+CCW+CCW-步進電動機1471581361CP+GNDCP-DIR-DIR+GND動力電源驅動變壓器AC 1P380/80電動機電源伺服報警指令接口項目驅動單元12直流伺服電動機及其速度控制 12.1學習與實訓目標1通過學習掌握直流伺服電動機工作原理和特性。2通過學習掌

21、握直流電動機的速度控制，PWM的脈寬調制。3掌握NNC-R1A數(shù)控機床綜合實驗臺14個模塊與CK0628S車床連接。12. 3任務驅動的相關知識任務學習1直流主軸電動機的工作原理和特性 主軸電動機 主軸電動機應具備的性能:（1）電動機功率要大，且在大的調速范圍內速度要穩(wěn)定，恒功率調速范圍寬。（2）在斷續(xù)負載下電動機轉速波動要小。（3）加速、減速時間短。（4）溫升底，噪聲和振動小，可靠性高，壽命長。（5）電動機過載能力強。直流主軸電動機與直流伺服電動機的主要區(qū)別 任務學習2直流伺服電動機的工作原理與特性 1伺服電動機伺服電動機的性能 從低速到最高速，伺服電動機都能平滑運轉，轉矩波動要小，尤其在低

22、速或更低速時，仍有平衡的速度而無爬行現(xiàn)象。伺服電動機應具有較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。為了滿足快速響應的要求，伺服電動機應有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩，并具有盡可能小的時間常數(shù)和起動電壓。伺服電動機應具有承受頻繁起動、制動和正、反轉能力。（1）直流伺服電動機圖12-1 直流伺服電動機的結構小慣量直流伺服電動機寬調速直流伺服電動機能承受的峰值電流和過載能力高具有大的力矩慣量比，快速性好 低速時輸出力矩大 調速范圍大 轉子熱容量大 發(fā)熱極限速度極限連續(xù)工作區(qū)斷續(xù)工作區(qū)去磁極限瞬時換向極限無火花換向極限n圖12-2 大慣量直流伺服電動機的機械特性TTmaxTrnmaxO速加區(qū)別任務

23、學習3直流電動機的速度控制 1晶閘管直流調速控制 驅動裝置用來調節(jié)直流電動機的速度，一般它應該具有兩部分功能控制和驅動 。（1）直流電動機的調速原理圖12-3 他勵直流電動機的原理圖（1）改變電樞電壓U；（2）改變勵磁電流If以改變勵磁磁通；（3）改變電樞回路電阻Rd。 他勵直流電動機的調速方式：N12圖12-4 直流電動機調速機械特性.nOOn02n01n0Nn01n02n0NUNU1U2TNTTNTUNU1U2nNn1n2n1n2nNN12n0nN(a) 調壓調速(b) 調磁調速（2）調速指標一個調速系統(tǒng)的好壞，可用靜態(tài)調速指標和動態(tài)調速指標來衡量。 靜態(tài)調速指標要求電力拖動自動控制系統(tǒng)在

24、最高和最低轉速的范圍內平滑地調節(jié)轉速，并且要求在不同的轉速下運行時，速度穩(wěn)定。 調速范圍 靜差率2晶閘管直流電動機調速系統(tǒng) （1）晶閘管直流電動機開環(huán)控制系統(tǒng)輸出量控制器輸入量控制量被控對象（電動機）圖12-5 開環(huán)控制系統(tǒng)（2）晶閘管直流電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)圖12-6 閉環(huán)控制系統(tǒng)的構成輸出量控制量偏差量控制器被控對象測量元件反饋信號+ 所謂反饋（Feedback）即是將檢測到的輸出量送回到系統(tǒng)的輸入端，并與輸入信號相比較的過程。若反饋信號與輸入信號相減，稱之為負反饋（Negative feedback）；反之，若信號相加，稱之為正反饋（Positive feedback, or regene

25、rative feedback）。 （3）晶閘管直流電動機調速系統(tǒng)基本原理 M+放大器觸發(fā)器TGUkUdUfKSUPUBRUIaLKP+圖12-7 晶閘管直流調速系統(tǒng)原理框圖控制電路=UI=MUPUfUiUctUdASRACRTG圖12-8 轉速、電流雙閉環(huán)控制電路框圖（4）直流主軸電動機的調壓調磁控制 直流主軸電動機在恒轉矩控制時為調壓調速，在恒功率控制時為調磁調速，這就要求控制電路具有調壓調磁的控制功能 圖12-9 直流主軸電動機控制系統(tǒng)框圖電流設定電流調節(jié)電流調節(jié)電壓反饋速度調節(jié)速度指令驅動放大MTG（4）直流主軸電動機的調壓調磁控制 TSAVCMDGNDPRDY1PRDY2ENBL1E

26、NBL2VRDY1VRDY2OVL1OVL2CNC系統(tǒng)伺服變壓器伺服單元FANUC SCRDM圖12-10 FANUC主軸晶閘管驅動裝置連接圖A1A1A2UVW 380VTSB200U200V200W18A0T18BTOH1TOH2RST驅動裝置具有多種自動保護線路，報警保護措施有： （1）一般過載保護 （2）過流保護 （3）失控保護 2晶體管直流脈寬調制驅動裝置 與晶閘管直流調速相比的優(yōu)點： 主電路所需的孤立元件少 控制線路簡單 用工作于開關狀態(tài)的晶體管放大器作為功率輸出級，電路中的晶體管僅工作在兩種狀態(tài)，即飽和導通和截止狀態(tài)。 晶體管的開關頻率可以選得很高，僅靠電樞的濾波作用就可以獲得脈動

27、很小的直流電流 由于開關頻率高，若與快速響應的電動機相配合，則系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此系統(tǒng)的快速響應好，動態(tài)抗負載干擾的能力強。 （1）PWM系統(tǒng)功率轉換電路+VT1VT2VT3VT4VD1VD2VD4VD3ABCMub1ub2ub3ub4US+圖12-12 電動機電樞電壓波形圖tt1TUSUSUUaV0圖12-11 H型PWM系統(tǒng)功率轉換電路控制方式電動機轉向0tt1t1tT負載電壓系數(shù)范圍=UAB/US開關狀況UAB開關狀況UAB雙極式正轉V1、V4導通V2、V3截止USV1、V4截止VD2、VD3續(xù)流US01反轉VD1、VD4續(xù)流V2、V3截止USV1、V4截止V2、V3導通US10

28、單極式正轉V1、V4導通V2、V3截止USV2導通VD2續(xù)流V1、V3截止V2不通001反轉V3導通VD1續(xù)流V2、V4截止V1不通0V2、V3導通V1、V4截止US10表12-1 雙極式和單極式可逆PWM變換器的比較表 （2）PWM系統(tǒng)的脈寬調制圖12-13 轉速電流雙閉環(huán)PWM控制電路MPGUPUfuCut速度負反饋電流負反饋截流保護電源速度調節(jié)器電流調節(jié)器調制波發(fā)生器脈寬調制器功率放大器邏輯延時電路 電路中，速度調節(jié)器ASR和電流調節(jié)器ACR的作用與晶閘管控制電路中的ASR和ACR相同。截流保護的目的是防止電動機過載時流過功率晶體管或電樞電流過大。 脈寬調制器脈寬調制方波發(fā)生器三角波發(fā)生

29、器（產(chǎn)生三角載波）輸出PWM波電流反饋值電流設定值PI調節(jié)器IC1:CLM324IC1:BLM324IC1:ALM324IC1:DLM324R1R2R3RFRR4R5R6R7R8R9R10R11R12VD1VD2VD3VD4USUCUtUtU1UtUUoOOOOttttU1C1C2C3ia脈寬調制器 比較器IC1-C的作用是把輸入的三角波信號Ut和控制信號Uc相加輸出脈寬調制方波 圖12-15 PWM脈寬調制波形圖ttttttOOOOOOtttOOOUCUCUCUsUsUsUcUtUcUtUcUttttOOOUtUtUtTTT+Ut/2Ut/2(a)(b)(c)邏輯延時電路+VT1VT2VT3

30、VT4VD1VD2VD4VD3ABCMub1ub2ub3ub4US+圖12-12 電動機電樞電壓波形圖tt1TUSUSUUaV0圖12-11 H型PWM系統(tǒng)功率轉換電路 邏輯延時電路就是保證在向一個管子發(fā)出關斷脈沖后，延時一段時間，再向另一個管子發(fā)出開通脈沖。 （2）FANUC PWM直流進給驅動 圖12-16 FANUC PWM直流進給驅動框圖 項目驅動單元13數(shù)控銑床系統(tǒng)的接線 13.1學習與實訓目標1掌握交流伺服電動機的分類和特點。了解三相交流永磁同步電動機的結構。2掌握交流伺服系統(tǒng)的性能參數(shù)，交流伺服電動機的調速原理。3了解NNC-R2 數(shù)控銑床綜合實驗臺的組成和電纜連接；掌握西門子8

31、02S baseline系統(tǒng)的構成，連接銑床綜合實驗臺與XK160P 7個模塊。13. 3任務驅動的相關知識任務學習1交流伺服電動機的概述 異步型交流伺服電動機 1交流伺服電動機的分類和特點 同步型交流伺服電動機 數(shù)控機床用于進給驅動的交流伺服電動機大多采用三相交流永磁同步電動機。 2交流伺服電動機的結構 圖13-1 西門子1FT5三相交流永磁同步電動機的結構簡圖 圖13-2 交流伺服電動機機械特性曲線連續(xù)工作區(qū)斷續(xù)工作區(qū)TnO交流伺服電動機的主要特性參數(shù) （1）額定功率 （2）額定轉矩 （3）額定轉速 （4）瞬時最大轉矩 （5）最高轉速 （6）電動機轉子慣量 隨著直線電動機技術的發(fā)展，直線電

32、動機有應用在進給驅動中的趨勢。 4驅動電源位置檢測信號123圖13-3 直線電動機結構組成交流主軸電動機采用三相交流異步電動機。 3交流主軸電動機 圖13-4 西門子1PH5交流主軸電動機 主軸驅動目前主要有兩種形式：一是主軸電動機帶齒輪換檔變速，以增大傳動比，放大主軸功率，滿足切削加工的需要；二是主軸電動機通過同步齒形帶驅動主軸，該類主軸電動機又稱寬域電動機或強切削電動機，具有恒功率寬、調速比大等特點。 任務學習2交流伺服系統(tǒng)的性能參數(shù) 1穩(wěn)態(tài)性能：穩(wěn)態(tài)性能就是指在到達新的穩(wěn)態(tài)后，實際狀態(tài)與期望狀態(tài)之間的偏差程度 影響穩(wěn)定精度的因素:一是位置測量的誤差;二是系統(tǒng)誤差 （1）典型輸入信號位置階

33、躍輸入 位置斜坡輸入 擾動輸入 圖13-5 典型輸入信號 （a）階躍輸入 （b）斜坡輸入 R(t) R(t) A 0 0 t t（2）穩(wěn)態(tài)誤差 由自動控制理論可知,一階無差系統(tǒng)（也稱型系統(tǒng)）對于位置階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差為零，而對斜坡給定輸入或擾動輸入的穩(wěn)態(tài)誤差不等于零；而二階無差系統(tǒng)（也稱型系統(tǒng)）則對上述三種輸入的穩(wěn)態(tài)誤差都等于零。 圖13-6 斜坡輸入的響應曲線1位置命令輸入曲線R(t) 2實際運動位置曲線C(t)(a)型系統(tǒng) (b)型系統(tǒng) t t te te ti ta te / 2 命令位置 實際位置R(t)R(t)C(t)C(t)CeCeCiCi/ 112Ei2動態(tài)性能動態(tài)就是控制系

34、統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)向新的穩(wěn)態(tài)轉變的過度過程。 （1）對給定輸入的跟隨性能指標上升時間tr 調節(jié)時間ts 調節(jié)量MP 振蕩次數(shù)N 圖13-7 動態(tài)跟隨過程曲線（2）對擾動輸入的抗干擾性能指標 圖13-8 突加負載后轉速的擾動響應曲線最大動態(tài)速度nm 恢復時間tP 抗干擾性能是指：當系統(tǒng)的給定輸入不變時，在受到階躍擾動后，克服擾動的影響而自行恢復的能力。 3伺服系統(tǒng)參數(shù) 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)由位置環(huán)和速度環(huán)組成 ，位置環(huán)的參數(shù)調整可通過系統(tǒng)上的CRT/MDI 操作進行參數(shù)設置，由系統(tǒng)軟件進行控制；速度環(huán)的參數(shù)調整可通過驅動裝置上的調節(jié)電位器或參數(shù)設定來調整。 （1）增益調整 一般將KV20的伺服系統(tǒng)稱為低增

35、益或軟伺服系統(tǒng)。而把KV20的伺服系統(tǒng)稱為高增益或硬伺服系統(tǒng)。用于輪廓加工的連續(xù)控制應選用高增益系統(tǒng)，而低增益系統(tǒng)多用于點位控制。 （2）調速范圍表131 SINUMERIK810系統(tǒng)伺服參數(shù) 機床數(shù)據(jù)號含 義允許值標準值單位MD252*KV增益01000016660.01/sMD260*復合增益06400027001000m/minMD276*加速度020005010000m/minMD280*最大進給速度044000100001000m/minMD332*輪廓監(jiān)控公差帶0320001000圖13-9 SINUMERIK 810伺服監(jiān)控CRT顯示JOGAXIS SERVICE DATA 1C

36、H1Following errorAbsolute actual valueSet valueSet speed (VELO)Return valueSegment ValueContour deviationStatus absolute submodulOFL20002000002020081922024200名稱單位說明跟隨誤差Following error位控分辨力指令位置值與實際位置之間的差值絕對實際值Absolute actual value位控分辨力軸的實際位置指令值Set value位控分辨力根據(jù)編程所指定的目標位置指令速度Set speedVELO1 VELO=1.22mV由

37、位置偏差轉換成的速度指令模擬電壓實際增量Return value位控分辨力在每個采樣周期中，從測量系統(tǒng)來經(jīng)倍頻后的脈沖數(shù)指令增量Segment Value位控分辨力在每個插補周期中輸出到位置控制器的脈沖數(shù)輪廓偏差Contour deviation位控分辨力由于跟隨誤差的變化而引起的輪廓偏差OFL脈沖輸入頻率超過計數(shù)器頻率，則置“1”表13-2 SINUMERIK810伺服監(jiān)控說明 4全數(shù)字式伺服系統(tǒng) （1）全數(shù)字式伺服系統(tǒng)的構成 混合式伺服系統(tǒng)是位置環(huán)用軟件控制，速度環(huán)和電流環(huán)用硬件控制。 在全數(shù)字式伺服系統(tǒng)中，CNC系統(tǒng)直接將插補運算得到的位置指令以數(shù)字信號的形式傳送給伺服驅動裝置，伺服驅動

38、裝置本身具有位置反饋和位置控制功能，獨立完成位置控制。 圖13-10 全數(shù)字式伺服系統(tǒng)CNCSMPG伺服驅動裝置 CNC與伺服驅動之間通過通信聯(lián)系，傳遞如下信息：（1）位置指令和實際位置；（2）速度指令和實際速度；（3）扭矩指令和實際扭矩；（4）伺服系統(tǒng)及伺服電動機參數(shù)；（5）伺服狀態(tài)和報警；（6）控制方式命令。 圖13-11 MELDAS 50 CNC 全數(shù)字式伺服系統(tǒng)MDSSVJ2驅動單元第1軸至第2軸驅動單元的CN1A端口CN1ACN1BCN2PEUVWRSTSM3Encoder（編碼器）MELDAS 50 CNCSERVO（2）全數(shù)字式伺服系統(tǒng)的特點 （1）系統(tǒng)的位置、速度和電流的校正

39、環(huán)節(jié)PID控制由軟件實現(xiàn)。（2）具有較高的動、靜態(tài)特性。 （3）引入前饋控制，實際上構成了具有反饋和前饋的復合控制的系統(tǒng)結構。 （4）由于全數(shù)字式伺服系統(tǒng)采用總線通信方式，可極大地減少聯(lián)接電纜，便于機床安裝和維護，提高了系統(tǒng)可靠性。 數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)和模擬式交流伺服的對比 數(shù)字式交流伺服可作速度、力矩和位置控制，可接受模擬電壓指令信號和脈沖指令，并自帶位置環(huán)，具有豐富的自診斷、報警功能。根據(jù)不同類型的數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)，各種控制參數(shù)有以下方法以數(shù)字方式設定：通過驅動裝置上的顯器和設置按鍵進行設定；通過驅動裝置上的通信接口和上位機通信進行設定；通過可分離式編碼器和驅動裝置上的接口進行設定。 由

40、數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)發(fā)展而來的軟件交流伺服系統(tǒng)是將各種控制方式（如速度、力矩和位置等）和不同規(guī)格、不同功率伺服電動機的數(shù)據(jù)分別賦以軟件代碼全部存入機內，使用時由用戶設定軟件代碼，相關的一系列數(shù)據(jù)即自動進入工作，改變工作方式或更換電動機規(guī)格只需重設代碼。任務學習3交流伺服電動機的調速原理 1交流調速的基本概念 改變電動機的轉速的方式：（1）改變磁極對數(shù)p；（2）改變轉差率s；（3）改變頻率f1。在數(shù)控制機床中，交流電動機的調速采用變頻調速的方式。2變頻調速的控制方式（1）基頻以下調速 （2）基頻以上調速 恒功率調速U1U1U1N0f1mmNm=(f1N/f1 )mN恒轉矩調速圖13-12 交流電機

41、變頻調速特性曲線f弱磁通運行恒磁通運行項目驅動單元14變頻器的使用實訓 14.1學習與實訓目標1通過學習使學生掌握變頻技術以及變頻器的功用。2掌握SPWM變頻器的優(yōu)點，了解三相SPWM脈寬調制，矢量變換的SPWM變頻器。通用變頻器的結構組成及標準接線。3通過實訓學會變頻器的基本操作。14. 3任務驅動的相關知識任務學習1變頻調速的基本控制方法 變頻技術：簡單地說就是把直流電逆變成不同頻率的交流電，或是把交流電變成直流電再逆變成不同頻率的交流電，或是把直流電變成交流電再把交流電變成直流電?？傊娔懿话l(fā)生變化，而只有頻率的變化。1交流變頻調速技術 數(shù)控機床上應用最多的是變頻調速。變頻調速的主要環(huán)

42、節(jié)是能為交流電動機提供變頻電源的變頻器。 變頻器的功用是，將頻率固定（電網(wǎng)頻率為50HZ）的交流電，變換成頻率連續(xù)可調（0400HZ）的交流電。 圖14-1 兩種類型的變頻器交流交流交流交流直流（a）交交變頻器（b）交直交變頻器變頻器整流器濾波器逆變器MM33變頻器可分為交直交變頻器和交交變頻器兩大類 交交變頻器交直交變頻器換能方式一次換能，效率較高二次換能，效率略低換流方式電網(wǎng)電壓換流強迫換流或負載換流裝置元件數(shù)量較多較少元件利用率較低較高調頻范圍輸出最高頻率為電網(wǎng)頻率頻率調節(jié)范圍寬電網(wǎng)功率因數(shù)較低如用可控整流橋調壓，則低頻低壓時功率因數(shù)低，如用斬波器或PWM方式調壓，則功率因數(shù)高適用場合低

43、速大功率拖動可用于各種拖動裝置，穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源和不停電電源表14-2 交交變頻器與交直交變頻器的主要特點比較 數(shù)控機床上一般采用交直交型的正弦波脈寬調制（SPWM）變頻器和矢量變換控制的（SPWM）調速系統(tǒng)。 2SPWM脈寬調制（1）一相SPWM調制波的產(chǎn)生方波發(fā)生器三角波發(fā)生器（產(chǎn)生三角載波）IC1:BLM324IC1:ALM324R1R2R3RFRR4R5VD1VD2UtUtUOOttC1C21+-23567圖14-2 雙極性SPWM波調制原理圖（一相）IC1:CLM324R6+-9R7VD3VD4810U1tUtOU1OU0US/2US/2tU0（1）一相SPWM調制波的產(chǎn)生圖14-3 單

44、極性SPWM波調制波形圖（一相）等效正弦波Ut（調制波）U1（調制波）ttOOUdU1Ut圖14-5 雙極性SPWM通用型功率放大回路SPWMVD11VD8VD9VD12VD10VD7VD3VD2VD1VD6VD5VD4VT1VT3VT5VT2VT6VT4C1u0au0bu0cu0au0bu0cABC（2）三相SPWM波的調制 在三相SPWM調制中，三角調制波是共用的，而每一相有一個輸入正弦信號和一個SPWM調制器。輸入的ua、ub、uc信號是相位相差120的正弦交流信號，其幅值和頻率都是可調的。 SPWMaSPWMbSPWMcuaubucu0au0bu0c三角波發(fā)生器圖14-4 三相SPWM

45、控制電路原理框圖控制信號ut驅動T1T6三相正弦基準信號a、b、c（預期頻率f1）（3）SPWM變頻器的功率放大 圖14-5 雙極性SPWM通用型功率放大回路SPWMVD11VD8VD9VD12VD10VD7VD3VD2VD1VD6VD5VD4VT1VT3VT5VT2VT6VT4C1u0au0bu0cu0au0bu0cABC3通用變頻器 （1）通用變頻器的結構 “通用”包含兩方面的含義（一）可以和通用的異步電動機配套應用；（二）具有多種可供選擇的功能，可適應各種不同性質的負載。 根據(jù)功率的大小，有書本型結構和裝柜型結構圖14-6 通用變頻器的外形和結構（2）變頻器的原理框圖和接線 圖14-7

46、變頻器原理框圖接線時應注意： （1）輸入電源必須接到R、S、T上，輸出電源必須接到端子U、V、W上。 （2）為了防止觸電、火災等災害和降低噪聲，必須連接接地端子。（3）端子和導線的連接應牢靠，要使用接觸性好的壓接端子。 （4）配完線后，要再次檢查接線是否正確，有無漏接現(xiàn)象，端子和導線間是否短路或接地。（5）通電后，需要改接線時，即使已經(jīng)關斷電源，也應等充電指示燈熄滅后，用萬用表確認直流電壓降到安全電壓（DC25V）后再操作。 圖14-8 通用變頻器的組成框圖 SPWM變頻器結構簡單，電網(wǎng)功率因數(shù)接近1，且不受逆變器負載大小的影響，系統(tǒng)動態(tài)響應快，輸出波形好，使電動機可在近似正弦波的交變電壓下運

47、行，脈動轉矩小，擴展了調速范圍，提高了調速性能，由此在數(shù)控機床的交流驅動中被廣泛應用。圖14-9 三菱FR-A500系列變頻器的配置圖14-10 FR-A500變頻器標準接線 4交流伺服電動機驅動系統(tǒng) （1）交流伺服電動機驅動裝置 KT220系列交流伺服驅動系統(tǒng)為雙軸驅動，即在一個驅動模塊內含有兩個驅動器，可以同時驅動兩個伺服電動機。 表14-3 交流伺服電動機驅動模塊的規(guī)格 相位差為90的A、B、及Z、驅動模塊規(guī)格15153015303050305050軸號適配電動機型號19193019303040304040電流規(guī)格（A）15152515252550205050控制方式矢量控制IPM正弦波

48、PWM速度控制范圍1：10000轉矩限制0220額定力矩轉矩監(jiān)測連接DC 1mA表頭轉速監(jiān)測連接DC 1mA表頭反饋信號增量式編碼器2045P/R(標準)位置輸出信號報警功能過流，短路，過速，過熱，過壓，欠壓表14-4 交流伺服電動機的規(guī)格類別交流伺服電動機型號193040額定輸出（kW）0.390.531.11.63.04.4額定轉矩（Nm）1.82.65.37.614.321.0零速轉矩（Nm）2.13.36.810.021.030.0最大轉矩（Nm）5.919.645.0轉動慣量（kgcm/s）0.00420.0210.135額定轉速（r/min）2000最高轉速（r/min）2000內

49、裝件增量式光電編碼器冷卻風扇（風冷）溫度傳感器選擇件機械式制度器圖14-11 交流伺服電動機驅動器的外形圖 面板由四部分組成，即左側的接線端子排、軸信號連接器、軸信號連接器以及工作狀態(tài)顯示部分。 表14-5 接線端子排的意義 端子記號名稱意義TB1輸入側r，s控制電源端子1交流電源220V（-15+10）50HZR、S、T主回路電源端子3交流電源220V（-15+10）50HZP、B再生放電電阻端子接外部放電電阻E接地端子接大地TB2輸出側UI、VI、WI、EI電動機接線端子接至電動機的三相進線及接地UII、VII、WII、EII電動機接線端子接至電動機的三相進線及接地表14-6 信號連接器各腳號的意義（、軸相同）腳號記號名稱意義CN2-1-5V