數(shù)控技術(shù)-第六章 伺服電機(jī)

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HenanPolytechnicUniversity

主講：秦歌答疑時(shí)間：周二晚J407機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院2013-05數(shù)控技術(shù)SchoolofMechanicalandPowerEngineering*第六章數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

本章內(nèi)容：

概述

開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)

位置檢測(cè)裝置閉環(huán)（交直流）伺服系統(tǒng)*伺服來(lái)自英文單詞Servo，““伺服（SERVO)”在中英文里一個(gè)音、意都相同的詞，顧名思義，它表示“伺候服侍”，指系統(tǒng)跟隨外部指令進(jìn)行人們所期望的運(yùn)動(dòng)。在數(shù)控機(jī)床中，伺服是指有關(guān)的傳動(dòng)或運(yùn)動(dòng)參數(shù)均嚴(yán)格按照數(shù)控裝置的控制指令實(shí)現(xiàn)，這些參數(shù)主要包括運(yùn)動(dòng)的速度、運(yùn)動(dòng)的方向和運(yùn)動(dòng)的起停位置等。伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從液壓、氣動(dòng)到電氣的過(guò)程，而電氣伺服系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、反饋裝置和控制器。在20世紀(jì)60年代，最早是直流電機(jī)作為主要執(zhí)行部件。在70年代以后，交流伺服電機(jī)的性?xún)r(jià)比不斷提高，逐漸取代直流電機(jī)成為伺服系統(tǒng)的主導(dǎo)執(zhí)行電機(jī)。控制器的功能是完成伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制，包括力矩、速度和位置等。通常說(shuō)的伺服驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)包括了控制器的基本功能和功率放大部分。第一節(jié)概述*

現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)最早被應(yīng)用到宇航和軍事領(lǐng)域，比如火炮、雷達(dá)控制。逐漸進(jìn)入到工業(yè)領(lǐng)域和民用領(lǐng)域。工業(yè)應(yīng)用主要包括高精度數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人和其他廣義的數(shù)控機(jī)械。伺服用量最大的行業(yè)依次是：機(jī)床、食品包裝、紡織、電子半導(dǎo)體、塑料、印刷和橡膠機(jī)械，合計(jì)超過(guò)75％。在數(shù)控機(jī)床中使用永磁無(wú)刷伺服電機(jī)代替步進(jìn)電機(jī)做進(jìn)給已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)，部分高端產(chǎn)品開(kāi)始采用永磁交流直線(xiàn)伺服系統(tǒng)。在主軸傳動(dòng)中采用高速永磁交流伺服取代異步變頻驅(qū)動(dòng)來(lái)提高效率和速度也成為熱點(diǎn)。90年代以來(lái)，歐、美、日各國(guó)爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)應(yīng)用新一代高速數(shù)控機(jī)床，高速電主軸單元轉(zhuǎn)數(shù)在30000rpm～100000rpm，工作臺(tái)的進(jìn)給速度在分辨率為1μm時(shí)達(dá)到100m/min，甚至200m/min以上,在分辨率為0.1μm時(shí)，在24m/min以上。當(dāng)今數(shù)控機(jī)床突出高速、高精、高動(dòng)態(tài)、高剛性的特點(diǎn)，對(duì)位置系統(tǒng)的要求包括:定位速度和輪廓切削進(jìn)給速度；定位精度和輪廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干擾下的穩(wěn)定性。這些要求的滿(mǎn)足主要取決于伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。*

國(guó)產(chǎn)伺服系統(tǒng)比如廣數(shù)的產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上的廣泛應(yīng)用，但是在中高檔數(shù)控機(jī)床上采用國(guó)產(chǎn)伺服系統(tǒng)仍然面臨困難，性能是一個(gè)重要方面，還有就是穩(wěn)定性和可靠性，或許品牌效應(yīng)也是難以短時(shí)間逾越的障礙。

近幾十年來(lái)，伺服技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展和越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。數(shù)控伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件(如工作臺(tái)、主軸和刀具等)的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，又稱(chēng)為隨動(dòng)系統(tǒng)。數(shù)控伺服系統(tǒng)的作用在于接受來(lái)自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定的信號(hào)變換及電壓、功率放大，驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，并保證動(dòng)作的快速性和準(zhǔn)確性。數(shù)控伺服系統(tǒng)作為數(shù)控裝置和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，數(shù)控機(jī)床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)很大程度上取決于伺服系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。因此，對(duì)高性能伺服系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)一直是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。第一節(jié)概述*

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與一般機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的區(qū)別進(jìn)給系統(tǒng)的作用在于保證切削過(guò)程能夠連續(xù)進(jìn)行，不能控制執(zhí)行件的位移和軌跡；伺服系統(tǒng)將指令信號(hào)加以轉(zhuǎn)換和放大，不僅能控制執(zhí)行件的速度、方向，而且能精確控制其位置、以及幾個(gè)執(zhí)行件按一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律合成的軌跡。第一節(jié)概述*

一、伺服系統(tǒng)的組成、作用和特點(diǎn):

組成伺服系統(tǒng)一般由驅(qū)動(dòng)控制單元、驅(qū)動(dòng)元件、機(jī)械傳動(dòng)部件、執(zhí)行元件和檢測(cè)反饋環(huán)節(jié)等組成。驅(qū)動(dòng)控制單元和驅(qū)動(dòng)元件組成伺服驅(qū)動(dòng)系；機(jī)械傳動(dòng)部件和執(zhí)行件組成機(jī)械傳動(dòng)系。第一節(jié)概述數(shù)控伺服系統(tǒng)的基本組成

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伺服系統(tǒng)的作用:

接受數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給位移和速度指令信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定的信號(hào)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換和電壓、功率放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)裝置和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)、刀架等執(zhí)行部件進(jìn)行工作進(jìn)給和快速進(jìn)給。主要通過(guò)步進(jìn)電機(jī)、交/直流伺服電動(dòng)機(jī)等進(jìn)給驅(qū)動(dòng)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

伺服系統(tǒng)可被看作是一個(gè)獨(dú)立部分，與數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床本體并列為數(shù)控?cái)?shù)控機(jī)床的三大組成部分。第一節(jié)概述*特點(diǎn)：

能根據(jù)指令信號(hào)自動(dòng)精確的控制執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)的位移、方向和速度，使數(shù)個(gè)執(zhí)行部件按一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)以合成一定的運(yùn)動(dòng)軌跡。性能：

最高移動(dòng)速度、跟蹤精度、定位精度等動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能,取決于各個(gè)組成環(huán)節(jié)的特性和各個(gè)環(huán)節(jié)性能參數(shù)的合理匹配。第一節(jié)概述*

數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的提高首先依賴(lài)于進(jìn)給和主軸驅(qū)動(dòng)特性的改善以及功能的擴(kuò)大，為此數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置控制、速度控制、伺服電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)等方面都有很高的要求。

第一節(jié)概述二、數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求1．可逆運(yùn)行

可逆運(yùn)行要求能靈活地正反向運(yùn)行。在加工過(guò)程中，機(jī)床工作臺(tái)處于隨動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)加工軌跡的要求，隨時(shí)實(shí)現(xiàn)正向或反向運(yùn)動(dòng)。要求在方向變化時(shí)，不應(yīng)有反向間隙和運(yùn)動(dòng)損失。從能量角度看，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)能量的可逆轉(zhuǎn)換，即在加工運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收能量改變?yōu)闄C(jī)械能；在制動(dòng)時(shí)應(yīng)把電動(dòng)機(jī)的機(jī)械慣性能量變?yōu)殡娔芑仞伣o電網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)。*2．高精度

數(shù)控機(jī)床是按預(yù)定的程序自動(dòng)進(jìn)行加工的，不同于普通機(jī)床用手動(dòng)操作來(lái)調(diào)整和補(bǔ)償各種因素對(duì)加工精度的影響，故要求數(shù)控機(jī)床的實(shí)際位移與指令位移之差要小?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的位移精度一般為0.01~0.001㎜，甚至可高達(dá)0.1μm，以保證加工質(zhì)量的一致性，保證復(fù)雜曲線(xiàn)、曲面零件的加工精度。第一節(jié)概述二、數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求*3．調(diào)速范圍寬調(diào)速范圍是指最高進(jìn)給速度和最低進(jìn)給速度之比。由于加工所用刀具、被加工零件材質(zhì)以及零件加工要求的變化范圍很廣，為了保證在所有加工情況下都能得到最佳的切削條件和加工質(zhì)量，要求進(jìn)給速度能在很大的范圍內(nèi)變化，即有很大的調(diào)速范圍。目前最先進(jìn)水平是在脈沖當(dāng)量或最小設(shè)定單位為1μm的情況下，進(jìn)給速度能在0～240m／min的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。在這一調(diào)速范圍內(nèi)，要求速度均勻、穩(wěn)定，低速時(shí)無(wú)爬行。還要求在零速時(shí)伺服電機(jī)處于電磁鎖住狀態(tài)，以保證定位精度不變。第一節(jié)概述二、數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求*4．快速響應(yīng)并無(wú)超調(diào)要求有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快。伺服系統(tǒng)處于頻繁地啟動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速等動(dòng)態(tài)過(guò)程中，為了提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量，則要求加、減速度足夠大，以縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，過(guò)渡過(guò)程前沿要陡，恢復(fù)時(shí)間要短，且無(wú)振蕩。這樣才能得到光滑的加工表面。第一節(jié)概述二、數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求*5．低速大轉(zhuǎn)矩機(jī)床加工，大多是低速時(shí)進(jìn)行切削，即在低速時(shí)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)要有大的轉(zhuǎn)矩輸出。第一節(jié)概述二、數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求*1．按控制方式和有無(wú)檢測(cè)反饋環(huán)節(jié)分類(lèi)（1）開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)

（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)

（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)指令驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)工作臺(tái)脈沖伺服電機(jī)速度檢測(cè)速度控制位置控制位置檢測(cè)伺服電機(jī)速度控制位置控制工作臺(tái)脈沖編碼器指令第一節(jié)概述三、伺服系統(tǒng)的分類(lèi)*（1）開(kāi)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：在數(shù)控機(jī)床上它由步進(jìn)電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)或電液脈沖馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令脈沖信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制和功率放大后，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)變速齒輪和滾珠絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行件(工作臺(tái)或刀架)移動(dòng)。第一節(jié)概述三、伺服系統(tǒng)的分類(lèi)*無(wú)位置反饋，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的位移精度主要取決于步進(jìn)電機(jī)的角位移和齒輪、絲杠等傳動(dòng)件的螺距精度，以及系統(tǒng)的摩擦阻尼特性.開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的位移精度一般較低，其定位精度可達(dá)±0.02mm，當(dāng)采用螺距誤差補(bǔ)償后，定位精度提高到±0.01mm；一般以功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件。這類(lèi)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在精度和速度要求不高、驅(qū)動(dòng)力矩不大的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。第一節(jié)概述三、伺服系統(tǒng)的分類(lèi)（1）開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)*（2）閉環(huán)系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)是一種包含功率放大和反饋，從而使得輸出變量的值精密地響應(yīng)輸入量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床上，由于反饋信號(hào)所取的位置不同，而分為全閉環(huán)系統(tǒng)和半閉環(huán)系統(tǒng)。第一節(jié)概述三、伺服系統(tǒng)的分類(lèi)*

全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖的虛線(xiàn)所示，直接對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測(cè)。第一節(jié)概述三、伺服系統(tǒng)的分類(lèi)*全閉環(huán)系統(tǒng)全閉環(huán)系統(tǒng)的反饋信號(hào)取自機(jī)床工作臺(tái)（或刀架）實(shí)際位置，所以系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的誤差、環(huán)內(nèi)各元件的誤差以及運(yùn)動(dòng)種造成的誤差都可以得到補(bǔ)償，從而大大提高了跟隨精度和定位精度。全閉環(huán)系統(tǒng)除電器方面誤差外，還有很多機(jī)械傳動(dòng)誤差，如絲杠螺母副、導(dǎo)軌副等都包括在反饋回路種，它們的剛性、傳動(dòng)間隙、摩擦阻尼特性都是變化的，有些還是非線(xiàn)性的，所以全閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)整都有較大的技術(shù)難度，價(jià)格也較昂貴。該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車(chē)床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機(jī)床等。第一節(jié)概述三、伺服系統(tǒng)的分類(lèi)*半閉環(huán)伺服系統(tǒng)

半閉環(huán)伺服系統(tǒng)同樣也是一種閉環(huán)系統(tǒng)。只不過(guò)在數(shù)控機(jī)床這種具體應(yīng)用場(chǎng)合下，它的反饋信號(hào)取自系統(tǒng)的中間部位（如驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的軸上），如圖所示。這樣系統(tǒng)由電機(jī)輸出軸至最末端件（工作臺(tái)或刀架）之間的誤差（如：聯(lián)軸器誤差、絲杠的彈性變形及螺距誤差、導(dǎo)軌副的摩擦阻尼等）沒(méi)有得到系統(tǒng)的補(bǔ)償。因此，在數(shù)控機(jī)床上，半閉環(huán)系統(tǒng)只反饋補(bǔ)償了進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的部分誤差，所以其精度比全閉環(huán)系統(tǒng)要低一些。第一節(jié)概述三、伺服系統(tǒng)的分類(lèi)*半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開(kāi)環(huán)好。但由于這種系統(tǒng)舍棄了傳動(dòng)系統(tǒng)的剛性和非線(xiàn)性的摩擦阻尼等。故系統(tǒng)調(diào)試較容易，穩(wěn)定性也較好。由于采用高分辨率的測(cè)量元件，可以獲得比較滿(mǎn)意的精度和速度，特別是制造伺服電機(jī)時(shí)，都將測(cè)速發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器（或脈沖編碼器）直接裝在伺服電機(jī)軸的尾部，減少機(jī)床制造時(shí)的安裝調(diào)試麻煩，結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，故這種被廣泛應(yīng)于中小型數(shù)控機(jī)床上。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。*2．按使用的執(zhí)行元件分類(lèi)（1）電液伺服系統(tǒng)——電液脈沖馬達(dá)和電液伺服馬達(dá)。優(yōu)點(diǎn)：在低速下可以得到很高的輸出力矩，剛性好，時(shí)間常數(shù)小、反應(yīng)快和速度平穩(wěn)。缺點(diǎn)：液壓系統(tǒng)需要供油系統(tǒng)，體積大。噪聲、漏油。（2）電氣伺服系統(tǒng)——伺服電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和交流電機(jī)）優(yōu)點(diǎn)：操作維護(hù)方便，可靠性高。

第一節(jié)概述三、伺服系統(tǒng)的分類(lèi)*2．按使用的執(zhí)行元件分類(lèi)（2）電氣伺服系統(tǒng)

1）直流伺服系統(tǒng)

進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用大慣量寬調(diào)速永磁直流伺服電機(jī)和中小慣量直流伺服電機(jī)；主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用他激直流伺服電機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速性能好。缺點(diǎn)：有電刷，速度不高。

2）交流伺服系統(tǒng)

交流感應(yīng)異步伺服電機(jī)（一般用于主軸伺服系統(tǒng)）和永磁同步伺服電機(jī)（一般用于進(jìn)給伺服系統(tǒng)）。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不需維護(hù)、適合于在惡劣環(huán)境下工作。動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、轉(zhuǎn)速高和容量大。第一節(jié)概述三、伺服系統(tǒng)的分類(lèi)*2、按執(zhí)行元件的類(lèi)別分類(lèi)分為直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。

20世紀(jì)70年代，數(shù)控機(jī)床大多采用直流伺服驅(qū)動(dòng)。具有良好的寬調(diào)速性能，輸出轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)；適應(yīng)數(shù)控機(jī)床對(duì)頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)，以及快速定位、切削的要求。但直流電動(dòng)機(jī)的電刷和機(jī)械換向器限制了它向大容量、高電壓、高速度方向的發(fā)展。

20世紀(jì)80年代，交流伺服系統(tǒng)。最大優(yōu)點(diǎn)是交流電動(dòng)機(jī)容易維修，制造簡(jiǎn)單，易于向大容量、高速度方向發(fā)展，適合于在較惡劣的環(huán)境中使用。同時(shí)，從減少伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)外形尺寸和提高可靠性角度來(lái)看，采用交流電動(dòng)機(jī)比直流電動(dòng)機(jī)將更合理。第一節(jié)概述三、伺服系統(tǒng)的分類(lèi)*3、按伺服系統(tǒng)的用途和功能分類(lèi)分為進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用于數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)或刀架坐標(biāo)的控制系統(tǒng)，來(lái)控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并提供切削過(guò)程所需的轉(zhuǎn)矩。

主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為機(jī)床主軸提供驅(qū)動(dòng)功率和所需的切削力。一般地，對(duì)于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，主要關(guān)心它的轉(zhuǎn)矩大小、調(diào)節(jié)范圍的大小和調(diào)節(jié)精度的高低，以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的快慢。對(duì)于主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，主要關(guān)心其是否具有足夠的功率、寬的恒功率調(diào)節(jié)范圍及速度調(diào)節(jié)范圍。第一節(jié)概述三、伺服系統(tǒng)的分類(lèi)*（1）數(shù)控脈沖比較伺服系統(tǒng)該系統(tǒng)是閉環(huán)伺服系統(tǒng)中的一種控制方式。它是將數(shù)控裝置發(fā)出的數(shù)字（或脈沖）指令信號(hào)與檢測(cè)裝置測(cè)得的以數(shù)字（或脈沖）形式表示的反饋信號(hào)直接進(jìn)行比較，獲得位置誤差，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，整機(jī)工作穩(wěn)定，在一般數(shù)控伺服系統(tǒng)中應(yīng)用十分普遍。

（2）鑒相式伺服系統(tǒng)位置檢測(cè)裝置采取相位工作方式，指令信號(hào)與反饋信號(hào)都變成某個(gè)載波的相位，然后通過(guò)兩者相位的比較，獲得實(shí)際位置與指令位置的偏差，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。適用于感應(yīng)式檢測(cè)元件（如旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器）的工作狀態(tài)，可得到滿(mǎn)意的精度。此外，由于載波頻率較高，響應(yīng)塊，抗干擾性強(qiáng)，更適于連續(xù)控制的伺服系統(tǒng)。4、按反饋比較控制方式分類(lèi)三、伺服系統(tǒng)的分類(lèi)*（3）鑒幅式伺服系統(tǒng)

鑒幅式伺服系統(tǒng)是以位置檢測(cè)信號(hào)的幅值大小來(lái)反映機(jī)械位移的數(shù)值，并以此信號(hào)作為位置反饋信號(hào)，一般還要將此幅值信號(hào)轉(zhuǎn)換成信號(hào)才與指令數(shù)字信號(hào)進(jìn)行比較，從而獲得位置偏差信號(hào)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

（4）全數(shù)字伺服系統(tǒng)

隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控伺服系統(tǒng)已開(kāi)始采用高速度、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)，使伺服控制技術(shù)從模擬方式、混合方式走向全數(shù)字方式。如由位置、速度和電流構(gòu)成的三環(huán)反饋全部數(shù)字化、軟件處理數(shù)字PID等，使用靈活，柔性好。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術(shù)和改進(jìn)伺服性能的措施，使控制精度和品質(zhì)大大提高。*

此外，還可按驅(qū)動(dòng)方式分類(lèi)，將伺服系統(tǒng)分為液壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和氣壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；按控制信號(hào)分類(lèi)，將伺服系統(tǒng)分為數(shù)字伺服系統(tǒng)、模擬伺服系統(tǒng)和數(shù)字模擬混合伺服系統(tǒng)等。第一節(jié)概述三、伺服系統(tǒng)的分類(lèi)*第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)*步進(jìn)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)控制器：PLC、定位控制模塊、單片機(jī)，產(chǎn)生脈沖，進(jìn)行方向信號(hào)的產(chǎn)生；步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器：收到脈沖，分配脈沖和功率放大，控制電機(jī)每一項(xiàng)的線(xiàn)圈是否通電；步進(jìn)電機(jī)：旋轉(zhuǎn)，拖動(dòng)工作臺(tái)。控制器步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)和工作臺(tái)第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)*應(yīng)用范圍：簡(jiǎn)易型數(shù)控機(jī)床、普通機(jī)床的數(shù)控改造。第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)*第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)*

步進(jìn)電機(jī)流行于70年代，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制容易、維修方面，且控制為全數(shù)字化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動(dòng)電路之外，其它部分均可由軟件實(shí)現(xiàn)，從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。因此，這類(lèi)系統(tǒng)目前仍有相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)。目前步進(jìn)電機(jī)僅用于小容量、低速、精度要不高的場(chǎng)合，如經(jīng)濟(jì)型數(shù)控；打印機(jī)、繪圖機(jī)等計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備。第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)**

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械角位移的電磁機(jī)械裝置。由于所用電源是脈沖電源，所以也稱(chēng)為脈沖馬達(dá)。步進(jìn)電機(jī)和一般電機(jī)不同，一般電機(jī)通電后連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，而步進(jìn)電機(jī)則隨輸入的脈沖按節(jié)拍一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，稱(chēng)為一步。每一步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度叫做步距角。

步進(jìn)電機(jī)第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)*

一、步進(jìn)電機(jī)的分類(lèi)按運(yùn)動(dòng)方式分：旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)式步進(jìn)電機(jī)；按工作原理分：

反應(yīng)式（磁阻式）、電磁式、永磁式；按結(jié)構(gòu)分：?jiǎn)味问剑◤较蚴剑?、多段式（軸向式）；按使用場(chǎng)合分：

功率步進(jìn)電機(jī)和控制步進(jìn)電機(jī)；按使用頻率分：高頻率和低頻步進(jìn)電機(jī)；不同的步進(jìn)電機(jī)，其工作原理、驅(qū)動(dòng)裝置也不完全一樣。第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)*按其輸出轉(zhuǎn)矩的大小來(lái)分，可以分為快速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)?？焖俨竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)工作頻率高而輸出轉(zhuǎn)矩較小，一般在N?cm級(jí)，可以作為控制小型精密機(jī)床的工作臺(tái)(例線(xiàn)切割機(jī)床)也可以和液壓轉(zhuǎn)矩放大器組成電液脈沖馬達(dá)去驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)，而功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩就比較大是N?m級(jí)的，可以直接去驅(qū)動(dòng)機(jī)床的移動(dòng)部件。

按其勵(lì)磁相數(shù)，可以分為三相、四相、五相、六相甚至八相。一般來(lái)說(shuō)隨著相數(shù)的增加，在相同頻率的情況下，每相導(dǎo)通電流的時(shí)間增加，各相平均電流增大，從而使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩特性會(huì)好些，步距角亦小。但是隨著相數(shù)的增加，電動(dòng)機(jī)的尺寸就增加，結(jié)構(gòu)亦復(fù)雜，目前多用3～6相的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

一、步進(jìn)電機(jī)的分類(lèi)*目前我國(guó)使用的步進(jìn)電機(jī)多為徑向反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)（徑向分布）第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)*

二、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)的原理：步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的電磁裝置，是一種特殊的電動(dòng)機(jī)。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有定位和運(yùn)轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖輸入時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)，每給它一個(gè)脈沖信號(hào)，它就轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，在時(shí)間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在沒(méi)有脈沖輸入時(shí)，在繞組電源的激勵(lì)下氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。*

步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)（橫向視圖）第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)*

步進(jìn)電機(jī)的工作原理：電磁鐵作用原理如圖所示，三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理圖。由轉(zhuǎn)子和定子組成。定子上有A、B、C三對(duì)磁極繞組，分別為A相、B相、C相。轉(zhuǎn)子是硅鋼片軟磁材料迭合成的帶齒廓形狀的鐵心。如果在定子上的三對(duì)繞組中通直流電流，就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。B相通電A相通電C相通電工作原理演示工作原理演示*三相三拍的原理介紹模擬步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作步驟:

三相是指步進(jìn)電機(jī)有三相定子繞組，三拍是指每三次轉(zhuǎn)換為一個(gè)循環(huán)。三相步進(jìn)電機(jī)，定子有六個(gè)磁極，分為三對(duì)，每個(gè)磁極上裝有控制繞組。一對(duì)磁極通電后，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生N/S極磁場(chǎng)；轉(zhuǎn)子為帶齒的鐵心（反應(yīng)式）或磁鋼（混合式）。當(dāng)定子三相依次通電時(shí)，三對(duì)磁極依次產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)，吸引轉(zhuǎn)子一步步轉(zhuǎn)動(dòng)。*

步進(jìn)電機(jī)的工作原理：A-B-C-A反轉(zhuǎn)*

步進(jìn)電機(jī)的工作原理：A-C-B-A正轉(zhuǎn)工作原理演示*BACBCABACBCABACBCA12341234逆時(shí)針回轉(zhuǎn)300逆時(shí)針回轉(zhuǎn)300當(dāng)A、B、C三對(duì)磁極的繞組依次輪流通電，則A、B、C三對(duì)磁極依次產(chǎn)生磁場(chǎng)吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。√當(dāng)A相通電時(shí)，B相和C相不通電，電機(jī)鐵心的AA軸方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力的作用下，轉(zhuǎn)子1、3齒與A相磁極對(duì)齊，2、4兩齒與B、C兩磁極相對(duì)錯(cuò)開(kāi)300*√當(dāng)B相通電時(shí)，C相和A相斷電，電機(jī)鐵心的BB軸方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力的作用下，轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)300，2、4齒與B相磁極對(duì)齊。1、3兩齒與C、A兩磁極相對(duì)錯(cuò)開(kāi)300?！坍?dāng)C相通電時(shí)，A相和B相斷電，電機(jī)鐵心的CC軸方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力的作用下，轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)300，1、3齒與C相磁極對(duì)齊。2、4兩齒與A、B兩磁極相對(duì)錯(cuò)開(kāi)300。

若按ABC。。。通電相序連續(xù)通電，則步進(jìn)電機(jī)就連續(xù)地沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，每換接一次相序，步進(jìn)電機(jī)沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)300，即步距角為300。

若按A

C

B。。。進(jìn)行，則轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。*電機(jī)正轉(zhuǎn)：A-C-B-A電機(jī)反轉(zhuǎn)：A-B-C-A結(jié)論：（1）電機(jī)運(yùn)行方向和通電的相序有關(guān)，改變通電的相序，電機(jī)的運(yùn)行方向也就改變。改變電機(jī)正反轉(zhuǎn)的話(huà)，就是改變通電方向。（2）電機(jī)轉(zhuǎn)速和相序切換頻率有關(guān)，切換的越快，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的越快。（3）電機(jī)每拍轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，稱(chēng)為步距角，θ。步距角和電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)。

步進(jìn)電機(jī)的工作原理：第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)*步進(jìn)電機(jī)的步距角大小不僅與通電方式有關(guān)，還與轉(zhuǎn)子的齒數(shù)有關(guān)。計(jì)算公式為：mzk360=

式中：m——定子勵(lì)磁繞組相數(shù);三相時(shí)，m=3；Z——轉(zhuǎn)子齒數(shù);K——通電方式，單為1，雙為2.第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)三相三拍：m=3,z=4,k=1,則θ=30°。*上述通電方式稱(chēng)為三相單三拍通電方式。所謂“單”是指每次只有一相繞組通電的意思?！獭耙慌摹薄獜囊幌嗤姄Q接到另一相通電稱(chēng)為一拍。√“三拍”——每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，這樣“三拍”是指通電換接三次后完成一個(gè)通電周期。第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)*

三相三拍的通電次序?yàn)椋篈-B-C-A;AB-BC-CA-AB

三相六拍的通電次序?yàn)椋篈-AB-B-BC-C-CA-A

可見(jiàn)三相三拍與三相六拍相比較，六拍的步距角小，精度高。

設(shè)A相首先通電，轉(zhuǎn)子齒與定子A、A′對(duì)齊（圖a）。然后在A(yíng)相繼續(xù)通電的情況下接通B相。這時(shí)定子B、B′極對(duì)轉(zhuǎn)子齒2、4產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，但是A、A′極繼續(xù)拉住齒1、3，因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩個(gè)磁拉力平衡為止。這時(shí)轉(zhuǎn)子的位置如圖3b所示，即轉(zhuǎn)子從圖(a)位置順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)了15°。接著A相斷電，B相繼續(xù)通電。這時(shí)轉(zhuǎn)子齒2、4和定子B、B′極對(duì)齊（圖c），轉(zhuǎn)子從圖(b)的位置又轉(zhuǎn)過(guò)了15°

三相六拍通電方式——即按AABBBCCCA相序通電。（見(jiàn)下圖）*B相通電BC相通電C相通電AB相通電A相通電CA相通電工作原理：

當(dāng)A相通電，1、3齒與A相磁極對(duì)齊。當(dāng)A、B兩相同時(shí)通電，因A極吸引1、3齒，B極吸引2、4齒，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)150。隨著A相斷電，只有B相通電。13A吸1、3兩齒A吸1、3兩齒B吸2、4兩齒B吸2、4兩齒B吸2、4兩齒C吸1、324C吸1、3A吸2、4C吸1、3工作原理演示*轉(zhuǎn)子又逆時(shí)針轉(zhuǎn)150，2、4齒與B相磁極對(duì)齊，如果繼續(xù)按BCCCAA。。。相序通電，步進(jìn)電機(jī)就沿著逆時(shí)針?lè)较?，?50的步距角一步一步移動(dòng)。這種通電方式采用單、雙相輪流通電，在通電換接時(shí)，總有一相通電，所以工作較平穩(wěn)。實(shí)際使用的步進(jìn)電機(jī)，一般都要求有較小的步距角，因?yàn)椴骄嘟窃叫∷_(dá)到的位置精度越高。*通電方式

三相雙三拍：(正轉(zhuǎn))AB

BC

CA

AB(反轉(zhuǎn))AC

CB

BA

AC

三相六拍：

(正轉(zhuǎn))A

AB

B

BC

C

CA

A(反轉(zhuǎn))A

AC

C

CB

B

BA

A三相單三拍：(正轉(zhuǎn))ABC

A(反轉(zhuǎn))A

CBA第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)*ABC

A*AB

BC

CA

AB工作原理演示*A

AB

B

BC

C

CA

A*m相步進(jìn)電機(jī)通電方式

m相單m拍：例ABC

D

E

A

m相雙m拍：例AB

BC

CD

DEEAAB

或ABC

BCD

CDE

DEAEABABCm相2m拍：例A

AB

B

BC

C

CDDDEEEAA

或AB

ABC

BC

BCD

CD

CDEDEDEA

EAEABAB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；第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)*步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算：360

o=n

60f=6

fo式中：n——轉(zhuǎn)速（r/min);f——脈沖頻率，即每秒輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)；

——用度數(shù)表示的步距角。式中，當(dāng)轉(zhuǎn)子的步距角一定時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入的脈沖頻率成正比。第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)*關(guān)于步進(jìn)電機(jī)概念步距角：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。最大靜轉(zhuǎn)矩：步進(jìn)電機(jī)最大的承載能力。啟動(dòng)頻率：步進(jìn)電機(jī)由靜止突然啟動(dòng)，進(jìn)入不失步的正常運(yùn)行的最高頻率。超過(guò)了啟動(dòng)頻率，轉(zhuǎn)子跟不上定子的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生失步。連續(xù)運(yùn)行頻率：當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)后，能逐漸不失步連續(xù)升速的最高頻率。第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)*4.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：αm:線(xiàn)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.步進(jìn)電機(jī)的主要特性4）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，此值必須小于步進(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(guò)渡過(guò)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）第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)*5.步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)1）由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會(huì)將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運(yùn)動(dòng)的重復(fù)性；2）優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；3）由于沒(méi)有電刷，可靠性較高，因此電機(jī)的壽命僅僅取決于軸承的壽命；4）電機(jī)的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開(kāi)環(huán)控制，這使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以比較簡(jiǎn)單而且控制成本；5）僅僅將負(fù)載直接連接到電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)。6）由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)*6.步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)1）如果控制不當(dāng)容易產(chǎn)生共振；2）難以運(yùn)轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速；3）難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩；4）在體積重量方面沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，能源利用率低；5）超過(guò)負(fù)載時(shí)會(huì)破壞同步，高速工作時(shí)會(huì)發(fā)出振動(dòng)和噪聲。第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)*三、提高步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)傳動(dòng)精度的措施

影響步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)傳動(dòng)精度的因素：步進(jìn)電機(jī)的步距角精度；機(jī)械傳動(dòng)部件的精度；絲桿等機(jī)械傳動(dòng)部件、支承的傳動(dòng)間隙；傳動(dòng)件和支承件的變形。提高步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)傳動(dòng)精度的措施適當(dāng)提高系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)的精度；采取各種精度補(bǔ)償措施。第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)*

傳動(dòng)間隙補(bǔ)償在整個(gè)行程范圍內(nèi)測(cè)量傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)間隙，取其平均值存放在數(shù)控系統(tǒng)中的間隙補(bǔ)償單元，當(dāng)進(jìn)給系統(tǒng)反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)將補(bǔ)償值加到進(jìn)給指令中，從而達(dá)到補(bǔ)償目的。螺矩誤差補(bǔ)償雖然滾珠絲桿精度較高，但是總不可做的絕對(duì)精確，它的螺距總是存在著一定的誤差的，利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算處理能力，可以補(bǔ)償滾珠絲杠的螺矩累積誤差，以提高進(jìn)給位移精度。方法：首先測(cè)量出進(jìn)給絲框螺距誤差曲線(xiàn)(規(guī)律)，然后可采用下列兩種方法實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償：硬件補(bǔ)償、軟件補(bǔ)償。三、提高步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)傳動(dòng)精度的措施*第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置*

檢測(cè)裝置是閉環(huán)伺服系統(tǒng)的重要組成部分。它的作用是檢測(cè)工作臺(tái)或絲杠的直線(xiàn)位移（角位移）和線(xiàn)速度（角速度）并形成反饋控制。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(mǎn)足精度要求為主第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置*進(jìn)給伺服系統(tǒng)對(duì)位置測(cè)量裝置的要求高可靠性和高抗干擾性：受溫度、濕度的影響小，工作可靠，精度保持性好，抗干擾能力強(qiáng)；能滿(mǎn)足精度和速度的要求：位置檢測(cè)裝置分辨率應(yīng)高于數(shù)控機(jī)床的分辨率（一個(gè)數(shù)量級(jí)）；位置檢測(cè)裝置最高允許的檢測(cè)速度應(yīng)數(shù)控機(jī)床的最高運(yùn)行速度。使用維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境；成本低。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置*常用位置檢測(cè)裝置分類(lèi)表第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置*第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置

常用位置檢測(cè)裝置分類(lèi):*

一、旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種精密角度、位置、速度檢測(cè)裝置，適用于所有使用旋轉(zhuǎn)編碼器的場(chǎng)合，特別是高溫、嚴(yán)寒、潮濕、高速、高震動(dòng)等旋轉(zhuǎn)編碼器無(wú)法正常工作的場(chǎng)合。由于旋轉(zhuǎn)變壓器以上特點(diǎn)，可完全替代光電編碼器，被廣泛應(yīng)用在伺服控制系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、機(jī)械工具、汽車(chē)、電力、冶金、紡織、印刷、航空航天、船舶、兵器、電子、冶金、礦山、油田、水利、化工、輕工、建筑等領(lǐng)域的角度、位置檢測(cè)系統(tǒng)中。也可用于坐標(biāo)變換、三角運(yùn)算和角度數(shù)據(jù)傳輸、作為兩相移相器用在角度--數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置中。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置——旋轉(zhuǎn)變壓器*

一、旋轉(zhuǎn)變壓器

1.旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器(又稱(chēng)同步分解器)是利用電磁感應(yīng)原理的一種模擬式測(cè)角器件,是一種旋轉(zhuǎn)式的小型交流電機(jī).在結(jié)構(gòu)上和二相繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機(jī)相似,由定子和轉(zhuǎn)子組成。分為有刷和無(wú)刷兩種。旋轉(zhuǎn)變壓器的特點(diǎn)是堅(jiān)固、耐熱、耐沖擊、抗干擾、成本低，是數(shù)控系統(tǒng)較為常用的位置傳感器。在有刷結(jié)構(gòu)中，定子和轉(zhuǎn)子上均為兩相交流分布繞組。二相繞組軸線(xiàn)相互垂直，轉(zhuǎn)子繞組的端點(diǎn)通過(guò)電刷和滑環(huán)引出。無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器沒(méi)有電刷和滑環(huán)，由分解器和變壓器兩部分組成。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置——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)，如圖所示。圖示的是一種無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)，左邊為分解器，右邊為變壓器。分解器結(jié)構(gòu)與有刷旋轉(zhuǎn)變壓器基本相同。*旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理有刷旋轉(zhuǎn)變壓器：轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)滑環(huán)和電刷直接引出，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，但因電刷與滑環(huán)是機(jī)械滑動(dòng)接觸的，所以旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性差，壽命也較短。

有刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)*旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器是根據(jù)互感原理工作的。它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造保證了定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣間隙內(nèi)的磁通分布呈正（余）弦規(guī)律。當(dāng)定子繞組上加一定頻率的交變激磁電壓時(shí)，通過(guò)互感在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其輸出電壓的大小取決于定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)繞組軸線(xiàn)在空間的相對(duì)位置θ角。兩者平行時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大；兩者垂直時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零。當(dāng)兩者呈一定角度時(shí)，其互感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨著轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)的角度呈正（余）弦規(guī)律變化。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置——旋轉(zhuǎn)變壓器*E2=KV1cosα=KVmsinωtcosαα=90°

E

2=0α=0°E

2=KVmSinωt式中:E2—轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢(shì)；

V1—定子繞組勵(lì)磁電壓

V1=Vmsinωt；

Vm—電壓信號(hào)幅值；α—定、轉(zhuǎn)子繞組軸線(xiàn)間夾角；K—變壓比（即繞組匝數(shù)比）1.旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理V1=Vmsinωt

V1

V1

E

2=0（α=90°）

E

2=KVmSINωtcosα

E

2=

KVmsinωt（α=0°）

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。*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：*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：Uc=Vmcosθsinωθ第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置——旋轉(zhuǎn)變壓器*

旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用1.鑒相式2.鑒幅式

需要將被測(cè)角位移限制在±π以?xún)?nèi)，才能唯一確定θ的大小，屬于動(dòng)態(tài)跟隨檢測(cè)和增量式檢測(cè)。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置——旋轉(zhuǎn)變壓器*.感應(yīng)同步器

感應(yīng)同步器是一種電磁式位置檢測(cè)元件，按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一般分為直線(xiàn)式和旋轉(zhuǎn)式兩種。直線(xiàn)式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成；旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成。前者用于直線(xiàn)位移測(cè)量，后者用于角位移測(cè)量。它們的工作原理都與旋轉(zhuǎn)變壓器相似。感應(yīng)同步器具有檢測(cè)精度比較高、抗干擾性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、維護(hù)方便、成本低、工藝性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床及各類(lèi)機(jī)床數(shù)顯改造。

第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置——感應(yīng)同步器*.感應(yīng)同步器1.感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)及分類(lèi)原理：利用兩個(gè)平面印刷電路繞組的互感隨兩者的位置變化而變化，類(lèi)似于變壓器的原邊和副邊。

定尺sincos節(jié)距2τ（2mm）節(jié)距（0.5mm）絕緣粘膠銅箔鋁箔耐切削液涂層基板(鋼、銅)滑尺當(dāng)在滑尺繞阻施加激勵(lì)交變電壓時(shí)，在定尺繞阻可感應(yīng)出與兩尺位置有關(guān)系的交變電壓。根據(jù)激勵(lì)電壓的不同，可分為鑒相式和鑒幅式兩種。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置——感應(yīng)同步器*感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)

相當(dāng)于展開(kāi)的多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置——感應(yīng)同步器*2.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：*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：Uc=Vmcosθsinωt第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置——感應(yīng)同步器*