第四章 數(shù)控機床的驅動與控制系統(tǒng)

第四章數(shù)控機床的驅動與控制系統(tǒng)第一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)24.1數(shù)控機床的檢測裝置4.2數(shù)控機床的伺服驅動裝置第二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)3

位置檢測裝置是數(shù)控機床的重要組成部分。在閉環(huán)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測位移和速度，并發(fā)出反饋信號，構成閉環(huán)或半閉環(huán)控制。

4.1數(shù)控機床的位置檢測裝置第三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)4

數(shù)控機床對位置檢測裝置的要求：（1）

工作可靠，抗干擾能力強；（2）

滿足精度和速度的要求；（3）安裝，維護方便，適合機床工作環(huán)境；（4）

成本低。4.1數(shù)控機床的位置檢測裝置第四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)5位置檢測裝置分類：（一）

直接測量和間接測量1.

直接測量

直接測量是將直線型檢測裝置安裝在移動部件上，用來直接測量工作臺的直線位移，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號，而構成位置閉環(huán)控制。優(yōu)點：準確性高、可靠性好；缺點：測量裝置要和工作臺行程等長；在大型數(shù)控機床上受到一定限制。第五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)62.

間接測量

它是將旋轉型檢測裝置安裝在驅動電機軸或滾珠絲杠上，通過檢測轉動件的角位移來間接測量機床工作臺的直線位移，作為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用。優(yōu)點：測量方便、無長度限制。缺點：測量信號中增加了由回轉運動轉變?yōu)橹本€運動的傳動鏈誤差，從而影響了測量精度。第六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)7（二）數(shù)字式測量和模擬式測量1.

數(shù)字式測量它是將被測的量以數(shù)字形式來表示，測量信號一般為脈沖，可以直接把它送到數(shù)控裝置進行比較、處理。信號抗干擾能力強、處理簡單。2.

模擬量測量它是將被測的量用連續(xù)變量來表示，如電壓變化、相位變化等。它對信號處理的方法相對來說比較復雜。第七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)8（三）

增量式測量和絕對式測量增量式測量

在輪廓控制數(shù)控機床上多采用這種測量方式，增量式測量只測相對位移量，其優(yōu)點是測量裝置較簡單，對任何一個中間點都可以作為測量的起點，而位移是由測量信號計數(shù)累加所得，但一旦計數(shù)有誤，以后測量所得結果完全錯誤。絕對式測量絕對式測量裝置對于被測量的任意一點位置均由固定的零點標起，每一個被測點都有一個相應的測量值。測量裝置的結構較增量式復雜，如編碼盤中，對應于碼盤的每一個角度位置便有一組二進制位數(shù)。顯然，分辨精度要求愈高，量程愈大，則所要求的二進制位數(shù)也愈多，結構就愈復雜。第八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)9一、位移傳感器

常見的位移傳感器：旋轉變壓器，感應同步器，光柵測量裝置，脈沖編碼器等。第九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)10

1.旋轉變壓器一、結構與工作原理旋轉變壓器是一種角位移測量裝置，由定子和轉子組成。

234第十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)11

1.旋轉變壓器

旋轉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，接受勵磁電壓。轉子繞組作為變壓器的二次側，通過電磁耦合得到感應電壓，只是其輸出電壓大小與轉子位置有關。旋轉變壓器通過測量電動機或被測軸的轉角來間接測量工作臺的位移。旋轉變壓器分為單極和多極形式，先分析一下單極工作情況。第十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)12定子和轉子各有一對磁極，設加到定子繞組勵磁電壓為，當轉子繞組的磁軸自垂直位置轉過一定角度時，轉子繞組中產(chǎn)生的感應電壓為當轉子轉過900，兩磁軸平行，此時轉子繞組中感應電壓最大，即。V1V1V1定子轉子V2V2V2θ1θ=900θ=θ1θ=00第十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)13二、應用旋轉變壓器典型工作方式，鑒相式和鑒幅式。鑒相式是根據(jù)感應輸出電壓的相位來檢測位移量；鑒幅式是根據(jù)感應輸出電壓的幅值來檢測位移量。

定子轉子VCVSV2θ第十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)14二、應用1.鑒相工作方式給定子兩繞組分別通以幅值相同、頻率相同、相位差900的交流勵磁電壓，即

定子轉子VCVSV2θ第十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)15

這兩個勵磁電壓在轉子繞組中都產(chǎn)生了感應電壓，如上圖所示，根據(jù)線性疊加原理，轉子中的感應電壓應為這兩個電壓的代數(shù)和：定子轉子VCVSV2θ第十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)16

2.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，即則轉子上的疊加電壓為第十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)171）結構與工作原理感應同步器和旋轉變壓器均為電磁式檢測裝置，屬模擬式測量，二者工作原理相同，其輸出電壓隨被測直線位移或角位移而改變。感應同步器按其結構特點一般分為直線式和旋轉式兩種：直線式感應同步器由定尺和滑尺組成，用于直線位移測量。旋轉式感應同步器由轉子和定子組成，用于角位移測量。以直線式感應同步器為例，介紹其結構和工作原理。

2.感應同步器第十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)18

結構：

定尺滑尺余弦繞組正弦繞組V2VsVc2τ/42τ第十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)19

定尺滑A尺

Bt241位

Ct221置

Dt243E

t2EAV2MN正弦繞組余弦繞組θBDCOP

工作原理：

第十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)20應用：工作方式：鑒相式和鑒幅式。特點：1）精度高；2）測量長度不受限制；3）對環(huán)境的適應性強；4）維護簡單，壽命長。第二十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)213.光柵

根據(jù)光線在光柵中是透射還是反射分為透射光柵和反射光柵，透射光柵分辨率較反射光柵高，其檢測精度可達1μm以上。從形狀上看，又可分為圓光柵和直線光柵。圓光柵用于測量轉角位移，直線光柵用于檢測直線位移。兩者工作原理基本相似，本節(jié)著重介紹一種應用比較廣泛的透射式直線光柵。光柵尺的結構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長光柵，一般固定在機床移動部件上，要求與行程等長。短的為指示光柵或短光柵，裝在機床固定部件上。兩光柵尺是刻有均勻密集線紋的透明玻璃片，線紋密度為25、50、100、250條/mm等。線紋之間距離相等，該間距稱為柵距，測量時它們相互平行放置，并保持0.05~0.1mm的間隙。

第二十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)2222原理：

如果將指示光柵在其自身的平面內(nèi)轉過一個很小的角度，這樣兩塊光柵的刻線相交，當平行光線垂直照射標尺光柵時，則在相交區(qū)域出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗大條紋，稱為摩爾條紋。當兩光柵尺沿與刻線垂直的方向相對移動時，莫爾條紋沿刻線方向移動，當光柵尺移動一個柵距，莫爾條紋正好移動一個節(jié)距。這樣只要通過光電元件檢測出莫爾條紋移動的數(shù)目和方向，就可以知道光柵移過了多少個柵距和移動的方向。第二十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)2323工作原理：

第二十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)24

特點：1.放大作用用W（mm）表示莫爾條紋的寬度，P(mm)表示柵距，θ(rad)為光柵線紋之間的夾角，如圖所示則有

莫爾條紋寬度W與角成反比，越小，放大倍數(shù)越大。WPWθθP第二十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)25

2.均化誤差作用

莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同組成，例如，200條/mm的光柵，10mm寬的光柵就由2000條線紋組成，這樣柵距之間的固有相鄰誤差就被平均化了，消除了柵距之間不均勻造成的誤差。3.莫爾條紋的移動與柵距的移動成比例

當光柵尺移動一個柵距P時，莫爾條紋也剛好移動了一個條紋寬度W。只要通過光電元件測出莫爾條紋的數(shù)目，就可知道光柵移動了多少個柵距，工作臺移動的距離可以計算出來。若光柵移動方向相反，則莫爾條紋移動方向也相反。第二十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)26光柵測量系統(tǒng)：第二十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)2727

編碼器是一種旋轉式測量元件，通常裝在被檢測軸上（或同步帶聯(lián)接）；隨被測軸一起轉動，可將被測軸的角位移轉換為增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。根據(jù)內(nèi)部結構和檢測方式，編碼器可分為接觸式、光電式和電磁式3種。其中，光電編碼器在數(shù)控機床上應用較多，由霍爾效應構成的電磁編碼器則可用作速度檢測元件。4.編碼器第二十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)2828光電式編碼器

光電式編碼器是一種光電式轉角檢測裝置。編碼器用透明及不透明區(qū)域按一定編碼構成，根據(jù)其編碼方式不同，可分為增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器。增量式光電編碼器可通過光電轉換將被測軸的角位移增量轉換成相應的脈沖數(shù)字量，然后由微機數(shù)控系統(tǒng)或計數(shù)器計數(shù)得到角位移量和直線位移量。第二十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)29291-旋轉軸2-軸承3-透光窄縫4-光柵編碼器5-光源6-聚光鏡7-光瀾板8-光敏元件增量式光電編碼器第二十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)3030光電編碼器需解決的兩個問題：1、正反向辨別2、掉電位置記憶

為了測量出轉向，光瀾板的兩個窄縫距離比編碼器兩個窄縫之間的距離小1/4節(jié)距，使兩個光敏元件的輸出信號相差π/2相位。如果將其輸出的脈沖信號經(jīng)頻率—電壓變換后，得到與轉軸轉速成正比的電壓信號，它就是速度反饋信號。第三十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)3131

在數(shù)控車床主軸末端通常就使用增量式光柵編碼器，來檢測主軸的位置，以保證切削螺紋時不會亂扣。

第三十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)3232

它與接觸式編碼器結構相似，它與增量式編碼器相比特點是：由于某種原因停機后再開機，還能找到正確位置，但因其結構的限制，分辨率不能做得很高。絕對式光柵編碼器與增量式編碼器的共同特點是：沒有接觸磨損，編碼器壽命長，允許轉速高，精度較高。絕對式編碼器第三十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)3333絕對式編碼器第三十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)3434絕對式編碼器第三十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)3535分類：線速度型角速度型常用的速度傳感器：

測速發(fā)電機脈沖編碼器二、速度傳感器第三十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)3636特點：輸出電壓與轉速嚴格成線性關系；輸出電勢與轉速比的斜率大。結構與工作原理：1.交流測速發(fā)電機第三十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)3737結構與工作原理：2.直流測速發(fā)電機第三十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)3838

位置檢測元件與位移檢測元件不同，它所測量的不是一段距離的變化量，而是通過檢測，確定是否已到達某一位置。因此，它不需要產(chǎn)生連續(xù)變化的模擬量，只需要產(chǎn)生能反映某種狀態(tài)的開關量即可。這種檢測元件常用于數(shù)控機床更換刀具、工件或工作臺到位或行程限制等輔助機能的信號檢測。三、位置檢測元件第三十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)3939

位置檢測元件分為接觸式和接近式兩種。接觸式位置檢測元件必須與被測物接觸才能產(chǎn)生信號，如微動開關、行程開關等，而接近式無需直接接觸，檢測元件與被測物之間通過光電、電磁或超聲波等獲得信號，如電磁式接近開關。接觸式可靠性高、壽命有限，用于限位接近式無磨損、壽命長。三、位置檢測元件第三十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)4040數(shù)控機床常用的幾種位置檢測元件第四十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)41414.2伺服驅動裝置（一）概述伺服系統(tǒng)是以機械位置或角度作為控制量的自動控制系統(tǒng)。伺服驅動電路伺服驅動裝置(電機)機械傳動機構執(zhí)行部件CNC伺服驅動系統(tǒng)第四十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)42424.2伺服驅動裝置（一）概述在數(shù)控機床中，CNC控制器經(jīng)過插補運算生成的進給脈沖或進給位移量指令輸入到伺服系統(tǒng)，由伺服驅動電路經(jīng)變換和傳遞放大后，經(jīng)伺服驅動裝置和機械傳動部件，驅動機床的工作臺，主軸頭架等執(zhí)行部件實現(xiàn)工作進給和快速運動，轉化為機床機械部件高精度運動。

第四十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)43434.2伺服驅動裝置（一）概述

伺服系統(tǒng)既是數(shù)控機床控制器與刀具、主軸間的信息傳遞環(huán)節(jié)．又是能量放大與傳遞的環(huán)節(jié)，它的性能在很大程度上決定了數(shù)控機床的性能。因此．伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機床的關鍵技術之一。第四十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)4444（二）伺服系統(tǒng)的基本技術要求1、精度高伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復現(xiàn)輸入量的精確程度。作為數(shù)控加工，對定位精度和輪廓加工精度要求都比較高，定位精度一般為0.01-0.001mm，甚至0.1um。2、穩(wěn)定性好穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達到新的或者恢復到原來的平衡狀態(tài)。對伺服系統(tǒng)要求有較強的抗干擾能力，保證進給速度均勻、平穩(wěn)。穩(wěn)定性直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。第四十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)4545（二）伺服系統(tǒng)的基本技術要求3、能夠快速響應快速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質的重要指標，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。為了保證輪廓切削形狀精度和低的加工表面粗糙度，要求伺服系統(tǒng)跟蹤指令信號的響應要快。4、調(diào)速范圍寬不僅能滿足低速切削進給要求，如5mm/min，還要求滿足高速進給要求，如20000mm/min。第四十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)4646（三）伺服驅動系統(tǒng)的發(fā)展概況

在50年代，數(shù)控機床主要采用液壓驅動，稱為液壓伺服系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的優(yōu)點是剛性好，時間常數(shù)小。60年代初，在日本首次推出了步進電機開環(huán)伺服驅動系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的優(yōu)點是結構簡單，價格低廉，使用維修方便，所以在數(shù)控設備中被廣泛采用.隨著生產(chǎn)的發(fā)展，對伺服驅動系統(tǒng)的精度、速度等性能指標要求更高，輸出功率要求更大，而步進電機開環(huán)伺服驅動系統(tǒng)不能滿足要求。70年代，直流電機伺服系統(tǒng)采用閉環(huán)或半閉環(huán)控制，精度提高一個數(shù)量級，調(diào)速范圍可達1：10000，運行速度提高到15-24m/min。第四十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)4747（三）伺服驅動系統(tǒng)的發(fā)展概況

直流電機伺服系統(tǒng)的缺點是結構復雜，價格昂貴。在80年代以后，微機和微電子技術的迅速發(fā)展，為交流電機伺服系統(tǒng)的調(diào)速控制提供了條件，伺服系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是交流伺服驅動系統(tǒng)逐漸取代了直流伺服驅動系統(tǒng)。據(jù)國外資料統(tǒng)計：1975年，直流伺服驅動系統(tǒng)占80%，交流伺服驅動系統(tǒng)占20%；1985年，交流伺服驅動系統(tǒng)占80%，直流伺服驅動系統(tǒng)占20%。第四十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)4848（四）數(shù)控機床對伺服電動機的要求

為了滿足數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)的要求，對電氣伺服驅動系統(tǒng)的執(zhí)行元件——伺服電動機也必須有較高的要求；①電動機從最低進給速度到最高進給速度范圍內(nèi)都能平滑地運轉；轉速波動要小，尤其在最低速度轉速時，如0.1r／min或更低轉速時，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。②電動機應具有大的、較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。例如，電動機能在數(shù)分鐘內(nèi)過載4－6倍而不損壞。

第四十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)4949（四）數(shù)控機床對伺服電動機的要求

③為了滿足快速響應的要求，即隨著控制信號的變化，電動機應能在較短時間內(nèi)完成必須的動作?？斓姆磻俣戎苯佑绊懙较到y(tǒng)的品質。因此，要求電動機必須具有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩，盡可能小的電動機時間常數(shù)和起動電壓。④電動機應能承受頻繁的起動、制動和反轉。

第四十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)50主軸電機帶制動器伺服電機伺服電機刀庫刀具定位電機機械手旋轉定位電機第五十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)5151（五）常用伺服電動機常用的伺服執(zhí)行元件主要有:

直流伺服電動機 交流伺服電動機 步進電動機 直接驅動電動機第五十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)5252

1、步進電動機

步進電機是一種將電脈沖信號轉換成機械角位移的電磁裝置。由于所用電源是脈沖電源，所以也稱為脈沖馬達。

步進電機是一種特殊的電機，一般電機通電后連續(xù)旋轉，而步進電機則跟隨輸入脈沖按節(jié)拍一步一步地轉動。對步進電機施加一個電脈沖信號時，步進電機就旋轉一個固定的角度，稱為一步。每一步所轉過的角度叫做步距角。步進電機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴格地成正比例，在時間上與輸入脈沖同步。因此，只需控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率、及電機繞組通電相序，便可獲得所需的轉角、轉速及轉動方向。第五十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)5353

2、步進電動機的結構與工作原理通過被勵磁的定子的電磁力吸引轉子偏轉輸出轉矩。即電磁作用原理。例如：三相反應式步進電動機第五十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)5454實際的三相反應式步進電動機第五十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)5555ABCCPABCABCABC三相單三拍優(yōu)點：控制簡單缺點：在換相時，失去自鎖轉矩，容易失步；轉子易在平衡位置振動。第五十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)5656ABCCPABBCCAABBCCAABBCCA三相雙三拍（環(huán)分）第五十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)57結論步進電動機轉過的角度（或走的步數(shù)）與控制脈沖的個數(shù)成正比；步進電動機轉速與控制脈沖的頻率成正比；步進電動機轉向由勵磁繞組的通電順序決定。三相六拍：A-AB-B-BC-C-CA

A-AC-C-CB-B-BA

第五十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)58583.步進電機的主要特性1）步距角和靜態(tài)步距誤差m—定子相數(shù)；Z—轉子齒數(shù)；Q—拍數(shù)與相數(shù)之比在一周內(nèi)各步誤差的最大值，被定為步距誤差。它的大小是由制造精度、齒槽的分布和氣隙等因素決定的。靜態(tài)步距誤差一般在10’以內(nèi)。第五十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)592）矩角特性與最大靜轉矩靜轉矩：是指步進電動機輸出的轉矩與外加轉矩M相同時所輸出的轉矩；失調(diào)角：轉子上作用外轉矩時，轉子齒軸線偏離初始平衡位置的電角度θe；第五十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)602）矩角特性與最大靜轉矩矩角特性：步進電動機的靜轉矩隨失調(diào)角的變化規(guī)律。最大靜轉矩：矩角特性上的靜態(tài)轉矩最大值。它表示步進電動機承受負載的能力。第六十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)613）空載啟動頻率（步/秒）空載運行頻率：步進電動機在空載啟動后，連續(xù)提高脈沖頻率至電動機不失步運行的最高頻率。4）空載運行頻率（步/秒）啟動頻率：步進電動機正常啟動（不丟步）所能承受的最高控制頻率。是衡量電機快速性能的重要技術數(shù)據(jù)。啟動頻率比運行頻率小的多。在使用步進電動機時一般需要升降速控制。第六十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)625）啟動矩頻特性啟動矩頻特性：啟動頻率隨負載轉矩增大而減小的關系。6）運行矩頻特性運行矩頻特性：步進電動機在連續(xù)運行時，電機輸出轉矩與控制信號頻率的關系。第六十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)637）輸出轉距指與步進電動機的各種轉速相對應的輸出扭矩。如施加超過輸出扭矩的負載扭矩時，步進電動機就會失步或停轉，因此，步進電動機的負載扭矩必須小于輸出轉矩。第六十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)6464失步：由于某種原因，雖然給步進電動機施加了控制脈沖，但步進電動機沒有走步。越步：由于某種原因，沒有給步進電動機施加控制脈沖，但步進電動機有走步。何謂步進電動機的失步與越步？機電結合分析引起失步與越步的原因，指出使用和選用步進電動機時如何避免這種現(xiàn)象的發(fā)生？？第六十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)658）步進運行和低頻振蕩

當控制脈沖的時間間隔大于步進電動機的過渡過程時間時，電機呈步進運行狀態(tài)。步進電動機在運行中存在著振蕩，它有一個固有頻率，當控制脈沖頻率等于固有頻率時，就會產(chǎn)生振蕩。第六十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)66664.步進電機開環(huán)進給的傳動計算及電機選用1）傳動計算脈沖當量：數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出一個指令脈沖，工作臺所移動的距離。它決定了數(shù)控機床的加工精度和最高工作頻率。第六十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)67672）步進電機的選用

首先，根據(jù)負載轉矩確定步進電動機的最大靜態(tài)轉矩,Tjmax/TL=2~5；其次，根據(jù)脈沖當量計算步距角；第三，確定啟停最高頻率；

最后，確定最高工作頻率。第六十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)68685.步進電機的驅動

步進電機不能直接接到交流電源上工作，而必須使用專用設備——步進電機驅動器。步進電機的運行性能是電動機和驅動器兩者的綜合效果。在數(shù)控機床中使用的驅動器有一軸一板型，也有一相一板型，前者維護方便，但穩(wěn)定性差；后者集成度高，可靠性高，因此，得到了廣泛的應用。接口電路CPU環(huán)形分配器功率放大器光電隔離

驅動器步進電動機第六十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)69695.步進電機的驅動步進電動機驅動器由環(huán)形分配器、功率放大器及其他控制電路組成，數(shù)控裝置發(fā)出脈沖信號通過環(huán)形分配器形成按一定順序的脈沖，例如A-B-C-A-…這些脈沖經(jīng)功率放大后加到步進電動機的各相繞組上。接口電路CPU環(huán)形分配器功率放大器光電隔離

驅動器步進電動機第六十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)70701）環(huán)形分配器環(huán)形分配器：控制脈沖通過脈沖分配器控制步進電動機勵磁繞組按一定順序接通、斷電，使電機繞組的通電按輸入脈沖的控制而循環(huán)變化。ABCCPABCABCABC三相單三拍第七十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)7171硬件環(huán)形分配器第七十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)7272軟件環(huán)形分配器（軟環(huán)分）

特點：硬件簡單；占用CPU時間多，只用于速度要求不高，系統(tǒng)比較簡單的系統(tǒng)。第七十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)73功率放大器（驅動電源）作用：將數(shù)控系統(tǒng)輸出的弱電控制信號轉換成能夠驅動步進電機的強電信號。種類：單電壓驅動電路高低壓驅動電路恒流斬波驅動電路第七十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)74742）步進電動機的驅動1、單電壓驅動電路簡單、工作頻率不高第七十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)75752、雙電壓驅動啟動轉矩大、工作頻率高第七十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)76763、恒流斬波啟動轉矩大、工作頻率高，電源效率高。第七十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)7777脈沖控制模式選擇控制信號輸入接電動機各相接電源接屏蔽地整、半步選擇選擇方向選擇自動試機運行3）步進電動機驅動器實例第七十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)78784）步進電動機驅動控制系統(tǒng)第七十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)79796.步進電動機可分為三類：

反應式步進電動機永磁式步進電動機永磁感應子式步進電動機

第七十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)8080反應式步進電動機又叫做可變磁阻式步進電動機。特點：

①步距角小，因為反應式步進電動機定轉子是采用軟磁材料做成的，允許的最小步距情況下，轉子的齒數(shù)可以做得很多;②勵磁電流較大，要求驅動電源功率較大;③電動機的內(nèi)部阻尼較小，當相數(shù)較少時，單相運行振蕩時間較長;④斷電后無定位轉矩。

第八十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)8181永磁式步進電動機永磁式步進電動機是轉子或定子的某一方具有永久磁鋼的步進電動機，另一方是由軟磁材料制成。繞組輪流通電，建立的磁場與永久磁鋼的恒定磁場相互作用產(chǎn)生轉矩。特點：①步距角大，這是因為在一個圓周上能形成的磁極數(shù)受到極弧尺寸的限制;②控制功率小，效率高;③內(nèi)阻尼較大．單步振蕩時間短;④斷電后具有一定的定位轉矩。例如濟南機床一廠生產(chǎn)的J1BNC320B數(shù)控機床上使用的110YG001就是永磁式步進電動機。第八十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)8282永磁感應式步進電動機它是反應式和永磁式步進電動機的結合。所以常稱此類電動機為混合式步進電動機。它可以做成像反應式步進電動機一樣的小步距，也具有永磁式步進電動機控制功率小的優(yōu)點。它常常也作為低速同步電動機運行。永磁感應子式步進電動機代表了步進電動機的最新發(fā)展。國外主流品種，國內(nèi)也已大面積取代反應式步進電機成為市場熱點。例如濟南機床一廠生產(chǎn)的CK6132、CK6125數(shù)控機床上使用的BYG404就是混合式步進電動機。第八十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)8383直流伺服電動機采用直流伺服驅動器將交流電轉變?yōu)榭煽刂频闹绷麟婒寗又绷魉欧妱訖C。速度控制單元接受轉速指令信號，改變相應的直流伺服電動機電樞電壓，達到調(diào)速的目的。直流伺服驅動器較多的采用晶閘管調(diào)速系統(tǒng)和晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)壓調(diào)速調(diào)電阻調(diào)速調(diào)勵磁調(diào)速第八十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)8484

調(diào)壓調(diào)速的實現(xiàn)方法發(fā)電機調(diào)壓（G-M）可控硅調(diào)壓（SCR）脈寬調(diào)制調(diào)壓（PWM）第八十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)8585

位置伺服工作原理

第八十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)8686

(1)永磁式直流伺服電動機永磁式直流伺服電動機系指以永磁材料獲得勵磁磁場的一類直流電動機。永磁式直流電動機具有體積小、轉矩大、轉矩和電流成正比、伺服性能好、反應迅速、功率體積比大、功率質量比大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。永磁式直流電動機能在較大過載轉距下長時間工作。它的轉子慣量較大，可以直接與絲杠相連而不需中間傳動裝置。永磁式直流電動機的缺點是需要電刷，限制了電動機轉速的提高，永磁直流電動機的結構同一般直流電動機相似，但電摳鐵心長度對直徑的比大些．氣隙較小，在相同功率的情況下，轉子慣量較小。第八十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2023/6/23第四章數(shù)控機床的檢測與驅動系統(tǒng)8787

(2)小慣量直流電動機

小慣量直流伺服電動機具有較小的轉動慣量，很適合于要求有快速響應的伺服系統(tǒng)，但其過載能力低，電樞慣量與機械傳動系統(tǒng)匹配較差。第八十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2