数控系统及伺服驱动系统ppt课件

1、 5-1 概述概述 5-2 检测装置检测装置 5-3 步进电动机及其驱动系统步进电动机及其驱动系统 5-4 伺服电机及其速度控制伺服电机及其速度控制 5-5 主轴驱动主轴驱动 5-6 位置控制位置控制主轴电机主轴电机伺服电机伺服电机刀库刀具定位电机刀库刀具定位电机机械手旋转定位电机机械手旋转定位电机带制动器伺服电机带制动器伺服电机加工中心加工中心 5-1 系统结构系统结构CNC系统伺服控制器主轴控制器IO控制用户接口XYZ伺服马达主轴主电路继电器按钮报警器限位开关鼠标键盘等伺服驱动系统伺服驱动系统Servo System)CNC系统系统驱动电机驱动电机检测装置检测装置控制信号控制信号反馈信号反

2、馈信号光栅尺光栅尺一、数控机床伺服系统的定义一、数控机床伺服系统的定义 伺服系统是一种以机械位置或角度伺服系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。作为控制对象的自动控制系统。 CNC装置是数控机床的装置是数控机床的“大脑大脑” ， “指挥机构指挥机构” 伺服系统是数控机床的伺服系统是数控机床的“四肢四肢” ， “执行机构执行机构”。 伺服系统的组成伺服系统的组成 检测装置：感应同步器、旋转变压器检测装置：感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码器等。、光栅、脉冲编码器等。 电机及其控制器：电机及其控制器：可靠性高可靠性高对环境的适应性强，性能稳定，使用寿对环境的适应性强，性能稳定，

3、使用寿命长。命长。二、数控机床伺服系统的分类二、数控机床伺服系统的分类按伺服系统控制方式分按伺服系统控制方式分开环系统开环系统 步进电机，无位置反馈，投资低步进电机，无位置反馈，投资低，精度低，精度低闭环系统闭环系统 直接测量实际位移进行反馈，精直接测量实际位移进行反馈，精度高度高半闭环系统半闭环系统 间接测量位移进行反馈，精度间接测量位移进行反馈，精度低于闭环低于闭环 5-2 检测装置检测装置l性能指标性能指标l 系统精度：是指在一定长度或转角内测量积系统精度：是指在一定长度或转角内测量积累误差的最大值，如累误差的最大值，如0.0020.02mm/m，10/360等。等。l 系统分辨率：是测

4、量元件所能正确检测的最系统分辨率：是测量元件所能正确检测的最小位移量，如目前直线位移的分辨率为小位移量，如目前直线位移的分辨率为0.0010.01mm。角位移分辨率为。角位移分辨率为2。 检测装置是伺服系统的重要组成部分。检测装置是伺服系统的重要组成部分。作用作用 检测位置和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭检测位置和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环，环， 对驱动装置进行控制。对驱动装置进行控制。要求要求 工作可靠，抗干扰能力强工作可靠，抗干扰能力强 满足精度、分辨率、测量范围满足精度、分辨率、测量范围 使用维修方便、成本低使用维修方便、成本低按检测信号分：数字式、模拟式按检测信号分：数字

5、式、模拟式按测量基准分：增量式、绝对式按测量基准分：增量式、绝对式按安装位置关系分：直接测量、间接测量按安装位置关系分：直接测量、间接测量按信号类型分：光、磁、电按信号类型分：光、磁、电透射光栅透射光栅反射光栅反射光栅封闭式光栅封闭式光栅开放式光栅开放式光栅增量式光栅增量式光栅绝对式光栅绝对式光栅光栅检测装置基本结构示意图光栅检测装置基本结构示意图 2. 2. 直线透射光栅直线透射光栅（1 1组成组成光栅检测装置的结构光栅检测装置的结构透射光栅透射光栅010,00,11,01,1反射光栅反射光栅（2 2） 直线透射光栅的工作原理直线透射光栅的工作原理 由于挡光效应和光的衍射，在与线纹几乎由于挡

6、光效应和光的衍射，在与线纹几乎垂直方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗大条垂直方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为纹，称为“莫尔条纹莫尔条纹” ” 。莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点 放大作用放大作用 莫尔条纹纹距B 与光栅节距w和倾角之间的关系： 光栅横向移动一个节距w ，莫尔条纹正好沿刻线上下移动一个节距B，用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可以测量光栅的位移。例：当 w = 0.01mm， = 0.01 red， 那么 B = 1mm，将栅距放大100倍的莫尔条纹宽度。由于很小，因此 22sin/qw=BqwB光栅尺横向莫尔条纹及其参数光栅尺横向莫尔条纹及其参数 22sin/qw

7、=BB2B 均化误差作用均化误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，栅莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，栅距之间的相邻误差被均化。短光栅的工作长度愈长距之间的相邻误差被均化。短光栅的工作长度愈长,这一均化误差的作用愈显著。这一均化误差的作用愈显著。莫尔条纹的特点续）：莫尔条纹的特点续）： 二、编码器二、编码器 一种旋转式的检测角位移的传感器。一种旋转式的检测角位移的传感器。 将角位移用数字将角位移用数字(脉冲脉冲)形式表示，故形式表示，故 又称脉冲编码器。广泛应用于又称脉冲编码器。广泛应用于NC机床的机床的位置检测，也常用它作为速度检测元件。位置检测，也常用它作为速度检测元件。 1

8、、编码器分类、编码器分类 按码盘信号的读取方式可分为：光电式、接触按码盘信号的读取方式可分为：光电式、接触式和电磁式式和电磁式 以光电式的精度和可靠性最好，以光电式的精度和可靠性最好，NC机床常机床常用光电式编码器用光电式编码器 按测量坐标系又可分为：增量式和绝对式按测量坐标系又可分为：增量式和绝对式按每转发出的脉冲数分为：高分辨率按每转发出的脉冲数分为：高分辨率 20000-30000p/r 普通分辨率普通分辨率 2000-3000p/r光电编码器在旋转工作台上的安装光电编码器在旋转工作台上的安装（2） 工作原理工作原理 光电盘按装在被测轴上，随主轴一起转动。光电光电盘按装在被测轴上，随主轴

9、一起转动。光电盘转动时，光电元件把通过光电盘和光栏板射过来盘转动时，光电元件把通过光电盘和光栏板射过来的忽明忽暗的光信号的忽明忽暗的光信号(近似于正弦信号近似于正弦信号)转换为电信号转换为电信号，经整形、放大等电路的变换后变成脉冲信号，通，经整形、放大等电路的变换后变成脉冲信号，通过计算脉冲的数目，即可测出工作轴的转角，并通过计算脉冲的数目，即可测出工作轴的转角，并通过数显装置进行显示。通过测定计数脉冲的频率，过数显装置进行显示。通过测定计数脉冲的频率，即可测出工作轴的转速。即可测出工作轴的转速。（3脉冲编码器的辨向脉冲编码器的辨向 光栏板上两条狭缝中的信号光栏板上两条狭缝中的信号A和和B(相

10、位差相位差90)，通过整形，成为两相方波信号。根据先后顺序，通过整形，成为两相方波信号。根据先后顺序，即可判断光电盘的正反转。若即可判断光电盘的正反转。若A相超前于相超前于B相，对相，对应电动机正转；若应电动机正转；若B相超前相超前A相，对应电动机反转相，对应电动机反转。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲，可以形。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲，可以形成代表正向位移和反向位移的脉冲序列。成代表正向位移和反向位移的脉冲序列。A相相B相相90A相相B相相90A相相B相相90A相相B相相90（4提高光电脉冲编码器分辨率的方法提高光电脉冲编码器分辨率的方法 提高光电盘圆周的等分狭缝的密度，实际上是

11、使光提高光电盘圆周的等分狭缝的密度，实际上是使光电盘的电盘的 狭缝变成了圆光栅线纹。狭缝变成了圆光栅线纹。 增加光电盘的发信码道，使盘上不仅只有一圈透光增加光电盘的发信码道，使盘上不仅只有一圈透光狭缝，狭缝， 而且有若干大小不等的同心圆环狭缝而且有若干大小不等的同心圆环狭缝(称为码道称为码道)，光电盘，光电盘 回转一周发出的脉冲信号数增多，使分辨率提高回转一周发出的脉冲信号数增多，使分辨率提高。3. 绝对式光电脉冲编码器绝对式光电脉冲编码器 （1构造 绝对式脉冲编码器结构与增量式相似，就是在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码，称为绝对码盘。绝对式脉冲编码器是通过读取编码盘上的代码(图案

12、)来表示轴的位置。 纯二进制码有一个缺点：相邻两个二进制数可能有多位二进制码不同，当数码切换时有多个数位要进行切换，增大了误读的机率。 而格雷码则不同，相邻两个二进制数码只有一个数位不同，因此两数切换时只在一位进行，提高了读数的可靠性。 （3工作原理工作原理 光源经过柱面镜，变成一束平行光照射在码盘光源经过柱面镜，变成一束平行光照射在码盘上，通过码盘经狭缝形成一束很窄的光束照射在光上，通过码盘经狭缝形成一束很窄的光束照射在光电元件上，光电元件的排列与码道一一对应，亮区电元件上，光电元件的排列与码道一一对应，亮区输出为输出为“1”，暗区输出为，暗区输出为“0”，再经信息处理电路，再经信息处理电路

13、，进行放大、整形、锁存与译码，输出自然二进制，进行放大、整形、锁存与译码，输出自然二进制代码，从而实现了角度的绝对值测量。代码，从而实现了角度的绝对值测量。（4运用运用 在实际应用过程中，用绝对脉冲编码器来检测在实际应用过程中，用绝对脉冲编码器来检测轴的位置和速度时，当编码器旋转超过一周时，读轴的位置和速度时，当编码器旋转超过一周时，读出准确数值的解决方法：出准确数值的解决方法： 在旋转轴上安装多个码盘，其中一些盘是专门用在旋转轴上安装多个码盘，其中一些盘是专门用来计量所转过的圈数来计量所转过的圈数N，而另一部分码盘是用来检，而另一部分码盘是用来检测一圈以内的度数测一圈以内的度数。之后将两个码

14、盘所检测的进。之后将两个码盘所检测的进行行(N360)的叠加。的叠加。 在软件设计时，设置一个专门的计数器，并规定在软件设计时，设置一个专门的计数器，并规定码盘上的一个专门的代码为码盘上的一个专门的代码为“零代码，当码盘转零代码，当码盘转过过“零代码时，计数器的值就被自动加一，这样零代码时，计数器的值就被自动加一，这样也可以实现即测圈数又测度数的目的。也可以实现即测圈数又测度数的目的。 5-1 概述概述 5-2 检测装置检测装置 5-3 步进电动机及其驱动系统步进电动机及其驱动系统 5-4 伺服电机及其速度控制伺服电机及其速度控制 5-5 主轴驱动主轴驱动 5-6 位置控制位置控制伺服系统伺服

15、系统Servo System)CNC系统系统驱动电机驱动电机检测装置检测装置控制信号控制信号反馈信号反馈信号光栅尺光栅尺 5-3 步进电动机及其驱动系统 步进电动机主要用于开环位置控制系统。它由步进电动机驱动电源和步进电动机组成，没有反馈环节。 这种系统较简单，控制较容易，维修也较方便，而且为全数字化控制。 由于开环系统精度不高，且步进电动机的功率和速度不高，因此步进电动机驱动系统仅用于小容量、加工速度低、脉冲当量和精度不太高的场合，如经济型数控机床和电加工机床、计算机的打印机、绘图仪等设备。2. 步进电动机的控制原理步进电动机的控制原理 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相步进电动机是一种将

16、电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。应的角位移或线位移的控制电动机。 位移量的控制位移量的控制 向步进电动机送一个控制脉向步进电动机送一个控制脉冲，其转轴就转过一个角度或移动一个直线位冲，其转轴就转过一个角度或移动一个直线位移，称为一步；脉冲数增加，角位移移，称为一步；脉冲数增加，角位移(或线位移或线位移)随之增加，即脉冲数决定位移量。随之增加，即脉冲数决定位移量。 进给速度的控制进给速度的控制 脉冲频率高，则步进电动机脉冲频率高，则步进电动机的旋转速度就高，反之则低，即脉冲频率决定的旋转速度就高，反之则低，即脉冲频率决定进给速度。进给速度。 运动方向的控制运动方向的控制 改变分

17、配脉冲的相序，实现改变分配脉冲的相序，实现步进电动机的正、反转，从而改变运动方向。步进电动机的正、反转，从而改变运动方向。 与一般交流和直流电动机所不同的是，步进电动机定子绕组所加的电源形式为脉冲电压，而不是正弦电压或者恒定直流电压。（2步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理 按电磁吸引的原理工作的。必须抓住两点：按电磁吸引的原理工作的。必须抓住两点： 磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩矩 各相定子齿之间彼此错齿各相定子齿之间彼此错齿1/m齿距，齿距，m为相数为相数 几个概念的含义：几个概念的含义： “拍拍”定子相绕组每改变一次定子相绕组每

18、改变一次 通电状态，称为通电状态，称为“一拍一拍”。 “单单”指只有一相绕组通电。指只有一相绕组通电。 “双双”指有两相绕组同时通电。指有两相绕组同时通电。 A A B B C C 定子 转子 绕组 单三拍步进电动机的反转单三拍步进电动机的反转 若定子绕组通电顺序为若定子绕组通电顺序为A C B A ，则电动机转子就逆时针方向旋转起来，其步距角，则电动机转子就逆时针方向旋转起来，其步距角仍为仍为3。 单三拍步进电动机的步距角单三拍步进电动机的步距角 重复单三拍的通电顺序，重复单三拍的通电顺序，A B C A ，步进电机就顺时针方向旋转起来，对应每个，步进电机就顺时针方向旋转起来，对应每个指令脉

19、冲，转子转动一固定角度指令脉冲，转子转动一固定角度3(步距角步距角) 。单三拍通电控制方式的缺点单三拍通电控制方式的缺点 由于每拍只有一相绕组通电，在切换瞬间可能由于每拍只有一相绕组通电，在切换瞬间可能失去自锁力矩，容易失步。而且，只有一相绕组通失去自锁力矩，容易失步。而且，只有一相绕组通电吸引转子，易在平衡位置附近产生振荡。因此，电吸引转子，易在平衡位置附近产生振荡。因此，单三拍通电控制方式，工作稳定性差，一般较少采单三拍通电控制方式，工作稳定性差，一般较少采用。用。若定子绕组的通电顺序为若定子绕组的通电顺序为AB BC CA AB ，则步进电动机的转子就逆则步进电动机的转子就逆时针方向转动

20、。时针方向转动。 双三拍工作方式双三拍工作方式 采用双三拍通电控制方式，能克服单三拍工采用双三拍通电控制方式，能克服单三拍工作的缺点。作的缺点。 若定子绕组的通电顺序为若定子绕组的通电顺序为 AB BC CA AB ，则步进电动机的转子就顺时针方向，则步进电动机的转子就顺时针方向转动，从一个磁场最强处走到了另一个磁场最强转动，从一个磁场最强处走到了另一个磁场最强处，故其步距角仍为处，故其步距角仍为3。 若通电顺序为：A AC C BC B AB A 则步进电动机的转子就逆时针方向运动，步距角仍为1.5。 三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半；在切换时，保持一相绕组通电，工作稳定，比双

21、三拍增大了稳定区。所以三相步进电动机常采用这种控制方式。 三相六拍工作方式三相六拍工作方式 通电顺序：通电顺序：A AB B BC C CA A 每切换一次，步进电动机就顺时针方向转动1.5，步距角减小一半。原因是：当由A相切换到AB相通电时，A相定子磁极力图不让转子转动，而保持与其定子齿对齐，而B相定子磁极的电磁反应力矩也力图使其顺时针转动3，与B相定子齿对齐，此时，转子齿与A相、B相定子齿均未对齐，此位置是A相、B相定子合成磁场的最强方向，即转子顺时针方向转动1.5。（4成本低，效率高，安装维修成本低，效率高，安装维修方便。方便。3. 组成组成 由环形分配器和功率放大器组成。由环形分配器和

22、功率放大器组成。（1） 环形分配器环形分配器 主要功能是将主要功能是将CNC装置的插补装置的插补脉冲，按脉冲，按 步进电动机所要求的规律分配给步进电动步进电动机所要求的规律分配给步进电动机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的导通机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的导通或关断。同时由于电动机有正反转要求，所以环形或关断。同时由于电动机有正反转要求，所以环形分配器的输出是周期性的，又是可逆的。分配器的输出是周期性的，又是可逆的。 硬件环形分配器硬件环形分配器 根据步进电机的相数和控制方式根据步进电机的相数和控制方式设计的真值表或逻辑关系式，采用逻辑门电路和触设计的真值表或逻辑关系式，采用逻辑

23、门电路和触发器来实现。一般由与非门和发器来实现。一般由与非门和JK触发器组成。常触发器组成。常用的是专用集成芯片或通用可编程逻辑器件组成的用的是专用集成芯片或通用可编程逻辑器件组成的环形分配器。环形分配器。 软件环形分配器软件环形分配器 按步进电动机的要求编制不同的按步进电动机的要求编制不同的软环分程序，存入软环分程序，存入EPROM中。常用的是查表法中。常用的是查表法 高低压驱动电路高低压驱动电路 其特点是供给步进电机绕其特点是供给步进电机绕组有两种电压：一种是高电压组有两种电压：一种是高电压U1，由电机参数，由电机参数和晶体管特性决定，一般在和晶体管特性决定，一般在80v至更高范围，至更高

24、范围，另一种是低电压另一种是低电压U2，即步进电机绕组额定电压，即步进电机绕组额定电压，一般为几伏，不超过，一般为几伏，不超过20v。 高压U1 ，以提高绕组中电流上升率，当电流达到规定值时、VT1关断、VT2仍然导通，则自动切换到低压U2。 该电路的优点是在较宽的频率范围有较大的平均电流，能产生较大且稳定的平均转矩，其缺点是电流波顶有凹陷，电路较复杂。 斩波驱动电路斩波驱动电路 可以克服高低压驱动电路的波顶的可以克服高低压驱动电路的波顶的凹陷造成高频输出转矩的下降，使励磁绕组中的电凹陷造成高频输出转矩的下降，使励磁绕组中的电流维持在额定值附近。流维持在额定值附近。 工作原理：环形分配器输出的

25、正脉冲将工作原理：环形分配器输出的正脉冲将VT1、VT2导通，由于导通，由于U1电压较高，绕组回路又没串电阻，所电压较高，绕组回路又没串电阻，所以绕组电流迅速上升，当绕组电流上升到额定值以以绕组电流迅速上升，当绕组电流上升到额定值以上的某一数值时，由于采样电阻上的某一数值时，由于采样电阻Re的反馈作用，经的反馈作用，经整形、放大后送至整形、放大后送至VT1的基极，使的基极，使VT1管截止。接管截止。接着绕组由着绕组由U2低压供电，绕组中的电流立即下降，但低压供电，绕组中的电流立即下降，但刚降到额定刚降到额定 值以下时，由于采样电阻值以下时，由于采样电阻Re的反馈作用，使整形电路无信的反馈作用，

26、使整形电路无信号输出，此时高压前置放大电号输出，此时高压前置放大电路又使路又使VT1导通，电流又上升导通，电流又上升。如此反复进行，形成一个在。如此反复进行，形成一个在额定电流值上下波动呈锯齿状额定电流值上下波动呈锯齿状的绕组电流波形，近似恒流。的绕组电流波形，近似恒流。 5-1 概述概述 5-2 检测装置检测装置 5-3 步进电动机及其驱动系统步进电动机及其驱动系统 5-4 伺服电机及其速度控制伺服电机及其速度控制 5-5 主轴驱动主轴驱动 5-6 位置控制位置控制 5-4 伺服电机及其速度控制伺服电机及其速度控制一、直流伺服电动机一、直流伺服电动机 伺服电动机是指能伺服电动机是指能够精密地

27、控制其位置的够精密地控制其位置的一种电动机。直流伺服一种电动机。直流伺服电动机是伺服电动机的电动机是伺服电动机的一种。一种。1. 直流伺服电动机分类及结构特点直流伺服电动机分类及结构特点 永磁直流伺服电动机永磁直流伺服电动机无槽转子直流伺服电动机无槽转子直流伺服电动机空心杯转子直流伺服电动机空心杯转子直流伺服电动机印刷绕组直流伺服电动机印刷绕组直流伺服电动机后三种直流伺服电动机为小惯量直流伺服电动机。后三种直流伺服电动机为小惯量直流伺服电动机。脉冲编码器等。特点特点 小惯量直流伺服电动机小惯量直流伺服电动机 惯量小，响应速度快，惯量小，响应速度快， 但过载能力低。但过载能力低。 永磁直流伺服电

28、动机转矩大，惯量大，稳定性永磁直流伺服电动机转矩大，惯量大，稳定性 好，调速范围宽。好，调速范围宽。 但有电刷，限制速度的提高但有电刷，限制速度的提高10001500r/min）。 5-4 交流伺服电机及其速度控制交流伺服电机及其速度控制 直流伺服电动机具有优良的调速性能，但直流伺直流伺服电动机具有优良的调速性能，但直流伺服电动机的电刷和换向器容易磨损，需要经常维护；由服电动机的电刷和换向器容易磨损，需要经常维护；由于换向器换向时会产生火花而使最高转速受到限制，也于换向器换向时会产生火花而使最高转速受到限制，也使应用环境受到限制；直流伺服电动机结构复杂、制造使应用环境受到限制；直流伺服电动机结

29、构复杂、制造困难，成本高。困难，成本高。 自自20世纪世纪80年代中期以来，以交流伺服电动机作为年代中期以来，以交流伺服电动机作为驱动元件的交流伺服系统得到迅速发展，有逐渐代替直驱动元件的交流伺服系统得到迅速发展，有逐渐代替直流伺服电机的趋势。流伺服电机的趋势。 5-4 交流伺服电动机及其速度控制交流伺服电动机及其速度控制一、交流伺服电动机一、交流伺服电动机二、直线电机二、直线电机(1)直线电机的结构直线电机的结构可以认为直线电机是将旋可以认为直线电机是将旋转电转电机沿其轴向剖开，然后将其机沿其轴向剖开，然后将其定子定子和转子展开，变成如图所示和转子展开，变成如图所示的由的由定子和动子组成的直

30、线电机。定子和动子组成的直线电机。(2)直线电机工作原理直线电机工作原理 在旋转电机中，当三相绕组中通入三相对称正在旋转电机中，当三相绕组中通入三相对称正弦电流后，会在气隙中产生按正弦分布的旋转磁场。弦电流后，会在气隙中产生按正弦分布的旋转磁场。 与此类似，在直线电机中通入三相电流后，也与此类似，在直线电机中通入三相电流后，也会在气隙中产生磁场，如果不考虑端部效应，磁场会在气隙中产生磁场，如果不考虑端部效应，磁场在直线方向也呈正弦分布，只是这个磁场是平移而在直线方向也呈正弦分布，只是这个磁场是平移而不是旋转的，因此称为行波磁场。行波磁场与次级不是旋转的，因此称为行波磁场。行波磁场与次级相互作用便产生电磁推力，驱动动子沿定子作往复相互作用便产生电磁推力，驱动动子沿定子作往复直线运动。这就是直线电机运行的基本原理。直线运动。这就是直线电机运行的基本原理。 2. 直线电机的分类及特点直线电机的分类及特点 (1) 直线电机的分类直线电机的分类 按工