驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)ch42課件

數(shù)控技術(shù)7/28/20231第四章數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)4-1概述一、CNC主要功能及組成主要功能：

位置控制：刀具與工件的相對(duì)位置及軌跡控制（即程序編制中的G代碼功能）。

功能控制：主要是開關(guān)量控制信號(hào)處理（即程序編制中的M代碼功能）。

信號(hào)處理：系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)的分析處理（信號(hào)檢測(cè)和處理）系統(tǒng)組成：輸入輸出設(shè)備、CNC裝置、伺服驅(qū)動(dòng)及位置檢測(cè)裝置、輔助機(jī)能驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)控系統(tǒng)軟件。7/28/202324-1概述二、CNC系統(tǒng)的主要特點(diǎn)系統(tǒng)柔性好、通用性強(qiáng)

不同于NC(硬線數(shù)控)，CNC軟件結(jié)構(gòu)變更性強(qiáng)，功能易于拓展。易于實(shí)現(xiàn)多功能

CNC豐富的指令系統(tǒng)可進(jìn)行高次曲線插補(bǔ)、刀補(bǔ)、多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)控制和在線編程等。系統(tǒng)可靠性高

大部分功能由軟件實(shí)行，減少了硬件出錯(cuò)率。維修方便

采用模塊化結(jié)構(gòu)并配有自診斷軟件。通信功能強(qiáng)

通常配有RS232C或DNC接口，便于實(shí)現(xiàn)DNC、FMS、CIMS等系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)通訊；圖形編程功能

具有人機(jī)交互圖形自動(dòng)編程功能。7/28/202334-2位移、速度、位置傳感器一、檢測(cè)元件的作用與分類作用：檢測(cè)工作臺(tái)或絲杠的直線位移（角位移）和線速度（角速度）并形成反饋控制主要技術(shù)指標(biāo)：可靠性、抗干擾性、分辨率、響應(yīng)速度等分辨率：位移檢測(cè)系統(tǒng)能夠測(cè)量的最小位移量分辨率選擇：測(cè)量系統(tǒng)的分辨率應(yīng)比加工精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)的選擇：

大型機(jī)床：速度響應(yīng)要高

中小型和高精度機(jī)床：以滿足精度要求為主分類7/28/202344-2位移、速度、位置傳感器7/28/202354-2位移、速度、位置傳感器二、旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)：由定子和轉(zhuǎn)子組成的旋轉(zhuǎn)式小型交流電機(jī)，如圖7/28/20236工作原理：根據(jù)互感原理工作，平行時(shí)互感最大，副邊感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大；垂直時(shí)互感為零，副邊感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最小，如圖。4-2位移、速度、位置傳感器副邊繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組磁軸與定子繞組磁軸平行時(shí)，即＝90o時(shí)，互感電壓最大：7/28/202374-2位移、速度、位置傳感器旋轉(zhuǎn)變壓器的工作方式

鑒相方式鑒幅方式定子和轉(zhuǎn)子空間結(jié)構(gòu)1）鑒相方式正弦繞組和余弦繞組分別加上幅值相同、頻率相同、相位相差90o的正弦交流電壓：7/28/202382）鑒幅方式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)律變化的交變電壓：4-2位移、速度、位置傳感器7/28/20239三、感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)相當(dāng)于展開的多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器圖4-64-2位移、速度、位置傳感器7/28/2023102.感應(yīng)同步器工作原理相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)變壓器的原理如圖4-2位移、速度、位置傳感器1）鑒相方式正弦繞組和余弦繞組分別加上幅值相同、頻率相同、相位相差90o的交流電壓：分別在定尺繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓：7/28/2023114-2位移、速度、位置傳感器鑒相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖7/28/2023124-2位移、速度、位置傳感器2）鑒幅方式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)律變化的交變電壓：7/28/202313鑒幅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖4-2位移、速度、位置傳感器7/28/202314感應(yīng)同步器的特點(diǎn)安裝：定尺與滑尺之間的間隙應(yīng)控制在0.25±0.05mm范圍內(nèi)，間隙變化控制范圍0.01mm特點(diǎn)：精度高：測(cè)量范圍大環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)維護(hù)簡(jiǎn)單、壽命長4-2位移、速度、位置傳感器7/28/202315四、光柵測(cè)量裝置光柵的工作原理組成：長光柵（標(biāo)尺光柵）、短光柵（指示光柵）、狹縫、光學(xué)鏡和光電管圖4-104-2位移、速度、位置傳感器7/28/2023167/28/2023174-2位移、速度、位置傳感器光柵：刻有刻線的光學(xué)玻璃柵距：光柵上相鄰兩刻線間的距離工作原理：摩爾條文的工作原理圖4-10平均效應(yīng)：特點(diǎn)：放大效應(yīng)：7/28/202318光柵測(cè)量裝置分光讀數(shù)頭垂直入射讀數(shù)頭反射多數(shù)頭光柵檢測(cè)裝置電路

四倍頻細(xì)分

方向辨別4-2位移、速度、位置傳感器7/28/202319功能：角位移測(cè)量特點(diǎn)：非接觸式檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)力小、檢測(cè)速度快分類：增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器兩種增量式編碼器組成：光源、光電盤、光電接收元件工作原理：

信號(hào)處理：信號(hào)接收、放大、整形及反饋

方向辨別：DA、DB空間相差90o

基準(zhǔn)脈沖：由DC產(chǎn)生缺點(diǎn)：停電或停機(jī)后，無法找到原始位置4-2位移、速度、位置傳感器c五、脈沖編碼器7/28/202320增量式編碼器4-2位移、速度、位置傳感器7/28/202321絕對(duì)式編碼器4-2位移、速度、位置傳感器分類：機(jī)械式、光電式、磁電式組成及原理：編碼盤、信號(hào)產(chǎn)生元件、信號(hào)接收元件0101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100202122237/28/202322格雷碼的絕對(duì)編碼器的分度盤代碼盤用格雷碼編碼7/28/202323編碼器安裝方式編碼器在擴(kuò)展軸上編碼器在實(shí)體軸上絕對(duì)編碼器分解器臨近傳感器通用編碼器安裝在擴(kuò)展軸上7/28/202324六、速度傳感器（自學(xué)）測(cè)速發(fā)電機(jī)

特點(diǎn)：輸出電壓與轉(zhuǎn)速嚴(yán)格的成線性關(guān)系輸出電勢(shì)與轉(zhuǎn)速比的斜率大脈沖編碼器的使用編碼器+定時(shí)器七、位置傳感器（自學(xué)）

特點(diǎn)：不同于位移傳感器，該傳感器僅用于定位測(cè)量接觸式位置傳感器接近式位置傳感器4-2位移、速度、位置傳感器7/28/2023254-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置伺服系統(tǒng)的組成

驅(qū)動(dòng)電路：信號(hào)的轉(zhuǎn)換（D/A）和放大

伺服電機(jī)：信號(hào)和能量的轉(zhuǎn)化輸出（電—機(jī)）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：信號(hào)和能量傳遞作用:接收數(shù)控系統(tǒng)的指令，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成預(yù)定的進(jìn)給和快速運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：能夠?qū)崿F(xiàn)位置和運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確控制分類：開環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)一、概述7/28/202326開環(huán)伺服系統(tǒng)組成：步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理：4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置7/28/2023274-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置特點(diǎn)

1）無位移檢測(cè)裝置，控制精度低

2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于調(diào)整、成本低。主要技術(shù)指標(biāo)

1）定位精度可達(dá)±0.02mm2）脈沖當(dāng)量可達(dá)0.01mm3）最高進(jìn)給速度低于6m/min應(yīng)用:經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床及機(jī)床數(shù)控化改造7/28/202328關(guān)于步進(jìn)電機(jī)

步距角：步進(jìn)電機(jī)每接受一個(gè)指令脈沖，轉(zhuǎn)子相應(yīng)的轉(zhuǎn)角

脈沖當(dāng)量：步進(jìn)電機(jī)每接受一個(gè)指令脈沖，工作臺(tái)相應(yīng)的位移

轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向的決定因素：脈沖頻率、脈沖數(shù)和通電相序。

主要類型：反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置7/28/2023294-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置閉環(huán)伺服系統(tǒng)組成：伺服單元、伺服電機(jī)、位移檢測(cè)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等工作原理：圖4-317/28/202330特點(diǎn)：1）設(shè)有位移檢測(cè)裝置，控制精度高2）調(diào)試維護(hù)困難、成本較高主要技術(shù)指標(biāo)

1）定位精度可達(dá)±0.002mm2）檢測(cè)分辨率可達(dá)0.001mm3）最高進(jìn)給速度可達(dá)14m/min應(yīng)用：加工中心及中、高檔數(shù)控機(jī)床4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置7/28/202331關(guān)于閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)：采用線位移檢測(cè)元件對(duì)工作臺(tái)位移直接進(jìn)行測(cè)量反饋。特點(diǎn)：控制精度高、安裝調(diào)試?yán)щy半閉環(huán)：采用角位移檢測(cè)元件對(duì)電機(jī)軸或滾珠絲杠的角位移進(jìn)行測(cè)量反饋。特點(diǎn)：控制精度相對(duì)較低、安裝調(diào)試方便4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置7/28/202332伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選用1）精度要求：定位精度、重復(fù)定位精度、加工精度2）響應(yīng)速度：跟蹤指令信號(hào)的速度3）調(diào)速范圍：最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比Rn=nmax/nmin4）低速轉(zhuǎn)距特性:低速時(shí)轉(zhuǎn)距輸出能力關(guān)于定位精度和重復(fù)定位精度定位精度：移動(dòng)件到達(dá)指令位置的準(zhǔn)確度重復(fù)定位精度：移動(dòng)件在任意定位點(diǎn)的定位一致性4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置7/28/202333二、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)）一）步進(jìn)電機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)及特工作原理工作原理4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置7/28/2023344-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置通電方式

三相雙三拍：(正轉(zhuǎn))ABBCCAAB(反轉(zhuǎn))ACCBBAAC三相六拍：

(正轉(zhuǎn))AABBBCCCAA(反轉(zhuǎn))AACCCBBBAA三相單三拍：(正轉(zhuǎn))ABCA(反轉(zhuǎn))ACBA7/28/202335m相步進(jìn)電機(jī)通電方式

m相單m拍：例ABCDEA

m相雙m拍：例

ABBCCDDEEAAB

或ABCBCDCDEDEAEABABCm相2m拍：例AABBBCCCDDDEEEAA

或ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB三種通電方式的特點(diǎn)：?jiǎn)蝝拍：每次一相通電,切換瞬間失去自鎖力矩易失步,在平衡位置易振蕩雙m拍：每次同時(shí)有二相通電,切換瞬間仍有一相保持通電,運(yùn)行穩(wěn)定

2m拍：步距角小一半，切換瞬間仍有一相保持通電，運(yùn)行穩(wěn)定4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置7/28/202336步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)（橫向視圖）4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置7/28/2023372.步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)（縱向視圖）4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置7/28/202338步進(jìn)電機(jī)的主要特性1）步距角和靜態(tài)步距誤差步距角：

m:線圈相數(shù)

z:轉(zhuǎn)子齒數(shù)

q:2m拍q=2，其它q=1

步距誤差：實(shí)際步距角與理論步距角之差一般為10`2）輸出扭矩：必須大于負(fù)載轉(zhuǎn)距3）最高啟動(dòng)、停止脈沖頻率：步進(jìn)電機(jī)所能接受的最高啟、停脈沖頻率，此值必須大于負(fù)載實(shí)際啟、停所需的脈沖頻率。4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置7/28/2023394）連續(xù)運(yùn)行的最高工作頻率：步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行所能接受的最高工作頻率，此值必須大于步進(jìn)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行的最高工作頻率。5）步進(jìn)運(yùn)行和低頻振蕩

步進(jìn)運(yùn)行：當(dāng)脈沖間隔大于步進(jìn)電機(jī)的過渡過程時(shí)，電機(jī)呈步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)

低頻振蕩：當(dāng)脈沖頻率接近步進(jìn)電機(jī)的固有頻率時(shí)，將產(chǎn)生振蕩（必要時(shí)可設(shè)可調(diào)阻尼器）4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置7/28/202340二）開環(huán)控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用傳動(dòng)計(jì)算4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)比直線進(jìn)給7/28/2023414-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置式中：α為步進(jìn)電機(jī)的步距角

δ為系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量

i為傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比圓周進(jìn)給傳動(dòng)比7/28/202342步進(jìn)電機(jī)的選用輸出轉(zhuǎn)距：通常取ML/Mjmax=0.2～0.5步距角：步距角與系統(tǒng)應(yīng)匹配，即應(yīng)滿足脈沖頻率：應(yīng)與系統(tǒng)要求的啟動(dòng)、連續(xù)運(yùn)行頻率匹配轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：應(yīng)滿足以下匹配條件

式中：JM

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

JL

負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

脈沖頻率：所選步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率要滿足負(fù)載要求，即：所選步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行的最高脈沖頻率要高于負(fù)載連續(xù)運(yùn)行要求的脈沖頻率，所選步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行的最高脈沖頻率要高于負(fù)載啟動(dòng)運(yùn)行要求的脈沖頻率

4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置7/28/202343三）步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)環(huán)形分配器作用：對(duì)步進(jìn)電機(jī)線圈的通電相序進(jìn)行分配種類：硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器兩種軟件環(huán)分器：通電相序狀態(tài)預(yù)先存入計(jì)算機(jī)并采用軟件查

表方式進(jìn)行控制特點(diǎn)：節(jié)省了環(huán)分器硬件，但軟件運(yùn)行效率低，用于速度要求不高處4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置7/28/202344硬件環(huán)分器：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。4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置7/28/202345功率放大器（驅(qū)動(dòng)電源）作用：將數(shù)控系統(tǒng)輸出的弱電控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的強(qiáng)電信號(hào)。種類：?jiǎn)坞妷候?qū)動(dòng)電路高低壓驅(qū)動(dòng)電路恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置7/28/2023464-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置提速（限流）電阻Rc：改變時(shí)間常數(shù)，提高響應(yīng)速度續(xù)流二極管D：用于功率晶體管的過電壓保護(hù)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率低、能耗高，發(fā)熱大、工作穩(wěn)定性差。應(yīng)用：小功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單電壓驅(qū)動(dòng)電路7/28/202347特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、響應(yīng)速度快、高頻驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、功耗低。應(yīng)用：大（中）型功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置高低壓驅(qū)動(dòng)電路7/28/202348特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、響應(yīng)速度快、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、功耗低、噪聲大。應(yīng)用：大（中）型功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路7/28/202349四）提高步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)精度的措施存在的問題：無位移檢測(cè)元件，定位精度主要取決于傳動(dòng)精度改善措施間隙補(bǔ)償：在換向時(shí)通過附加脈沖進(jìn)行補(bǔ)償螺距誤差補(bǔ)償：采用機(jī)械樣板或附加脈沖進(jìn)行補(bǔ)償反饋補(bǔ)償：通過檢測(cè)器進(jìn)行系統(tǒng)誤差檢測(cè)，周期性地發(fā)出補(bǔ)償脈沖。4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置7/28/202350三、直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一）直流伺服電機(jī)小慣量直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

1）轉(zhuǎn)子為光滑無槽的鐵芯，線圈由粘合劑粘結(jié)。

2）長徑比大、慣量小。性能特點(diǎn)：

1）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，約為普通直流電機(jī)的1/10，快速響應(yīng)性好。

2）電樞反應(yīng)小，換向性好，電機(jī)時(shí)間常數(shù)?。ㄖ挥袔缀撩耄?/p>

3）由于轉(zhuǎn)子無槽，結(jié)構(gòu)均衡性好，低速平穩(wěn)性好。

4）最大扭矩為額定值的10倍，過載能力強(qiáng)。缺點(diǎn)：由于慣量小，必須配齒輪減速葙，才能拖動(dòng)負(fù)載。4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置7/28/202351寬調(diào)速（大慣量）直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：轉(zhuǎn)子慣量大，響應(yīng)特性由大功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)保證性能特點(diǎn)輸出轉(zhuǎn)矩大

不需齒輪減速箱即可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。過載能力強(qiáng)

轉(zhuǎn)子熱容量大，過載能力強(qiáng)（過載轉(zhuǎn)矩可達(dá)5～10倍）動(dòng)態(tài)響應(yīng)好電流過載能力強(qiáng)、瞬時(shí)加速轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。調(diào)速范圍寬且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)低速時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速調(diào)速范圍寬，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。易于調(diào)試由于慣量大，受負(fù)載影響小，可不加負(fù)載調(diào)試。4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置7/28/202352二）直流伺服電機(jī)的調(diào)速直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速

（電機(jī)電勢(shì)常數(shù)）

調(diào)壓恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速：調(diào)節(jié)Ua，保持φ和Ra不變

（Cm為轉(zhuǎn)矩常數(shù)）調(diào)磁恒功率調(diào)速：調(diào)節(jié)φ，保持Ua和Ra不變

（φ↑n↓T↑）調(diào)速方法的選擇：進(jìn)給系統(tǒng)一般選用調(diào)壓恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速

4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置7/28/202353直流伺服電機(jī)的可控硅調(diào)速三相半波反并聯(lián)可控硅調(diào)速4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置7/28/202354直流伺服電機(jī)脈寬調(diào)速（PWM）系統(tǒng)脈寬調(diào)制器：產(chǎn)生幅值恒定、寬度可變的矩形脈沖信號(hào)圖4-47晶體管脈寬信號(hào)放大器：信號(hào)放大和正反轉(zhuǎn)控制圖4-484-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置7/28/202355PWM(PulseWidthModulation)控制就是脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)7/28/2023566.1PWM控制的基本思想1）重要理論基礎(chǔ)——面積等效原理沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量窄脈沖的面積效果基本相同環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖d)單位脈沖函數(shù)f(t)d(t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf(t)f(t)f(t)7/28/202357Ouωt>SPWM波6.1PWM控制的基本思想Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波Ouωt>7/28/2023586.1PWM控制的基本思想若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。Ouωt>SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波Ouωt>7/28/2023596.1PWM控制的基本思想OwtUd-Ud對(duì)于正弦波的負(fù)半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個(gè)完整周期的等效PWM波為：OwtUd-Ud根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。7/28/2023607/28/202361PWM調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)1）開關(guān)頻率高2）波紋系數(shù)小3）頻率較寬4）可在高峰值電流下工作4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置7/28/202362三）直流伺服電機(jī)閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)7/28/2023634-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)7/28/202364四、交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無電刷、可靠性高、維護(hù)方便。種類：永磁式同步交流伺服電機(jī)和感應(yīng)式異步交流伺服電機(jī)永磁式同步交流伺服電機(jī)特點(diǎn)與直流伺服電機(jī)相比，同等功率下，電機(jī)外形尺寸減小1/2，重量減輕60%，轉(zhuǎn)子慣量減至1/5（減小4/5）感應(yīng)式交流伺服電機(jī)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、過載能力強(qiáng)，與永磁式交流伺服電機(jī)相比，效率低、體積大、轉(zhuǎn)子熱損耗大，轉(zhuǎn)子發(fā)熱直接影響系統(tǒng)性能。應(yīng)用：目前數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)多采用永磁式交流伺服電機(jī)。4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置7/28/2023654-4數(shù)控裝置一、數(shù)控裝置的組成7/28/202366二、CNC裝置的工作內(nèi)容1）輸入2）譯碼3）刀具補(bǔ)償4）進(jìn)給速度處理5）插補(bǔ)6）位置控制7）I/O處理8）顯示9）診斷4-4數(shù)控裝置7/28/202367三、CNC硬件設(shè)計(jì)一）CNC系統(tǒng)對(duì)微機(jī)的要求及選擇CNC系統(tǒng)對(duì)微機(jī)的要求較完善的中斷系統(tǒng)足夠的內(nèi)存一定數(shù)量的I/O通道高可靠性CNC系統(tǒng)的選擇標(biāo)準(zhǔn)總線工業(yè)控制機(jī)：模塊化結(jié)構(gòu)、可靠性高、用戶可自由配置，應(yīng)用廣泛。單片機(jī)專用系統(tǒng)：可靠性高，價(jià)格便宜，用于經(jīng)濟(jì)性數(shù)控機(jī)床中。4-4數(shù)控裝置7/28/202368二）MCS-51單片機(jī)控制系統(tǒng)4-4數(shù)控裝置MCS-51引腳7/28/202369功能

I/O口：P0、P1、P2、P3共4個(gè)8位口控制總線（CB）：、ALE、、RESET、P3第2功能地址總線（AB）：P2(高8位)+P0(低8位)=16位數(shù)據(jù)總線（DB）：由P0提供8位數(shù)據(jù)總線電源及時(shí)鐘：VCC、VSS、XTAL1、XTAL2雙重功能口：P0口即作8位數(shù)據(jù)線，又作低8位地址線

P3口即可作輸入輸出口，又可作控制總線4-4數(shù)控裝置7/28/202370MCS-51系統(tǒng)中的地址譯碼規(guī)則1）程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立編制2）外圍擴(kuò)展芯片與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址3）片外程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址范圍216=64K字節(jié)地址譯碼方法1)線選法概念：直接用地址線進(jìn)行外圍芯片片選。圖4-54地址譯碼表4-3優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：地址空間利用不夠充分，芯片之間地址不夠連續(xù)。4-4數(shù)控裝置7/28/2023714-4數(shù)控裝置線選法地址譯碼7/28/2023722）全地址譯碼概念：采用譯碼器譯碼，保證空間的充分利用和地址的連續(xù)性4-4數(shù)控裝置全地址譯碼優(yōu)點(diǎn)：地址連續(xù)，尋址空間大缺點(diǎn)：硬件電路要增加譯碼器說明：數(shù)控系統(tǒng)一般采用全地址譯碼7/28/202373三）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展關(guān)于RAM和ROM訪問：由于兩者獨(dú)立編址，地址空間完全重復(fù)，必須建立訪問機(jī)制。對(duì)RAM的訪問：使用、控制線和MOVX指令操作對(duì)ROM的訪問：使用控制線和MOVC指令操作操作時(shí)序圖圖4-56

存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路圖4-574-4數(shù)控裝置7/28/2023744-4數(shù)控裝置操作時(shí)序7/28/2023754-4數(shù)控裝置存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路7/28/202376四）顯示器與鍵盤接口電路設(shè)計(jì)LED顯示器的結(jié)構(gòu)與原理分類：

按通電方式分：共陰極和共陽極按顯示方式分：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示結(jié)構(gòu)：七段組合共陰極和共陽極顯示器結(jié)構(gòu)如下圖4-4數(shù)控裝置7/28/2023774-4數(shù)控裝置LED顯示器結(jié)構(gòu)7/28/2023784-4數(shù)控裝置動(dòng)態(tài)顯示電路7/28/202379鍵盤的工作原理種類：獨(dú)立式按鍵和行列式按鍵

獨(dú)立式按鍵：如圖

4-4數(shù)控裝置7/28/2023804-4數(shù)控裝置行列式按鍵：如圖

7/28/202381顯示器鍵盤組合電路由于LED顯示器和鍵盤都采用循環(huán)掃描工作方式，將二者進(jìn)行組合可節(jié)省I/O端口，在控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。

4-4數(shù)控裝置7/28/202382五）I/O接口電路設(shè)計(jì)數(shù)控CNC中常用I/O接口芯片：可編程并行接口：Intel8255、Intel8155可編程串行接口：Intel8251鍵盤顯示器專用接口芯片：8279可編程定時(shí)器：8253鎖存器：74LS373、74LS273A/D、/DA轉(zhuǎn)換器：0809、0832在圖4-57基礎(chǔ)上增加I/O接口芯片的系統(tǒng)擴(kuò)展電路如圖4-634-4數(shù)控裝置7/28/2023834-4數(shù)控裝置系統(tǒng)擴(kuò)展電路7/28/202384以上是I/O接口芯片應(yīng)用的一般情況，以下重點(diǎn)討論機(jī)床信號(hào)與微機(jī)接口信號(hào)（強(qiáng)電與弱電）的匹配與抗干擾問題。接點(diǎn)輸入電路接點(diǎn)：按鈕、繼電器、接近開關(guān)等接點(diǎn)輸入電路：用于將按鈕、繼電器、接近開關(guān)等的接點(diǎn)輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為CPU所需的TTL電平信號(hào)無源接點(diǎn)：設(shè)備側(cè)無信號(hào)源圖4-65（a）有源接點(diǎn)：設(shè)備側(cè)有信號(hào)源圖4-65（b）接點(diǎn)濾波器實(shí)例：圖4-65（c）4-4數(shù)控裝置7/28/2023854-4數(shù)控裝置無源接點(diǎn)有源接點(diǎn)7/28/2023864-4數(shù)控裝置接點(diǎn)濾波器實(shí)例7/28/202387接點(diǎn)抖動(dòng)的消除：濾波與整形

4-4數(shù)控裝置

按鍵類接點(diǎn)7/28/2023884-4數(shù)控裝置小信號(hào)接點(diǎn)7/28/202389強(qiáng)電（接觸器）接點(diǎn)4-4數(shù)控裝置7/28/202390接點(diǎn)輸出電路接點(diǎn)輸出電路：用于將CPU輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為控制繼電器、指示燈所需的節(jié)點(diǎn)輸出一般情況：功率晶體管驅(qū)動(dòng)圖4-69（a）高開關(guān)頻率：光耦和雙向可控硅組成的固態(tài)繼電器圖4-69（b）零交叉電路：零伏觸發(fā)。即當(dāng)交流電壓變到零伏附近時(shí)，電路接通，然后由觸發(fā)電路給出可控硅器件的觸發(fā)信號(hào)。4-4數(shù)控裝置7/28/2023914-4數(shù)控裝置六）數(shù)控系統(tǒng)CNC實(shí)例7/28/202392單片機(jī)系統(tǒng)：8031（A）：鍵盤、顯示、手動(dòng)按鈕等控制管理。8031（B）：插補(bǔ)、電機(jī)控制、輔助機(jī)能等的程序運(yùn)行控制管理。鍵盤顯示接口：并行接口8155，鍵盤顯示專用接口8279按鈕控制：并行接口8255輔助機(jī)能與電機(jī)控制：鎖存器273、光耦TLP521-4、驅(qū)動(dòng)器MC1413輸入控制：光耦TLP521