《机床电气控制与plc》课件第8章___伺服系统

1、第8章 伺服系统8.1概述8.2步进电动机进给驱动系统8.3直流伺服电机及其速度控制系统8.4交流伺服电机及其速度控制8.5数控机床位置检测8.1概述 伺服系统也叫随动系统，是数控机床的重要组成部分。它能够严格按照CNC装置的控制指令进行动作,并能获得精确的位置、速度或力矩输出的自动控制系统。它是一种“执行机构”,是CNC装置和机床本体的联结环节, 是数控机床的“四肢”。它及时而准确地执行CNC装置发来的运动指令,准确地控制机床各运动部件的速度和位置,达到加工出所需工件的外形和尺寸的最终目的。伺服驱动系统的性能,在很大程度上决定了数控机床的性能,研究与开发高性能的伺服系统是现代数控机床发展的关

2、键技术之一。8.1.1数控机床伺服系统的组成数控机床进给伺服系统, 一般是由位置控制环和速度控制环组成。内环是速度控制环,外环是位置控制环。伺服系统的结构框图如图8-1所示。图8-1 伺服系统结构框图 8.1.2数控机床伺服系统的分类数控机床伺服系统的分类方法通常是按控制方式、伺服电机的类型、反馈比较控制、进给驱动和主轴驱动等方式进行分类的。1.按控制方式分类按控制方式分可分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。开环控制无位置检测和反馈装置,半闭环、闭环控制有位置检测和反馈装置。(1)开环伺服系统。开环伺服系统就是不需要位置检测与反馈装置的伺服系统(如图8-2所示)。执行机构通常采用步

3、进电动机，系统位移正比于指令脉冲的个数,位移速度取决于指令脉冲的频率。每一个进给脉冲驱动步进电动机旋转一个步距角,再经过传动系统转换成工作台的一个当量位移。步进电动机开环伺服系统的功率不大,所以电动机的转速不能太高,一般正常工作转速不要超过1000r/min。图8-2 开环伺服系统结构示意图 (2)闭环伺服系统闭环伺服系统有位置检测装置和反馈装置，是误差控制随动系统。如图8-3所示。CNC输出的位置指令与位置检测装置反馈回来的机床坐标轴的实际位置相比较,形成位置误差, 经变换得到速度给定电压。在速度控制环,伺服驱动装置根据速度给定电压和速度检测装置反馈的实际转速对伺服电机进行控制, 由此构成闭

4、环位置控制。 图8-3 闭环伺服系统结构示意图 (3)半闭环伺服系统半闭环和闭环系统的控制结构是一样的, 区别是其位置检测反馈装置没有直接安装在进给坐标的最终运动部件上，如图8-4所示, 而是将运动的传动链有一部分在位置环以外，在环外的传动误差没能得到系统的补偿,使半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。其性能介于开环和闭环伺服系统之间。 图8-4 半闭环伺服系统结构示意图 2.按伺服电机的类型分类可分为步进电动机伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统。(1)步进伺服系统步进伺服系统就是典型的开环伺服系统,它由步进电机及其驱动系统组成。步进伺服系统优点是结构简单、使用维护方便、可靠性较高、制造成本低等

5、,所以广泛的应用于小型数控机床和速度、精度要求不太高的场合。(2)直流伺服系统直流伺服系统通常用的伺服电机为小惯量直流伺服电机和永磁直流伺服电机(也称为大惯量宽调速直流伺服电机)。小惯量直流伺服电机最大限度地减小了电枢的转动惯量,它的快速性较好,在早期的数控机床上应用最多。(3)交流伺服系统交流伺服电机分为交流同步型伺服电机和交流异步型伺服电机两种。由于交流伺服电机没有直流伺服电机的缺点, 而且有较大的输出功率、更高的电压和转速,交流异步型电动机一般用于主轴交流伺服系统,交流同步型伺服电机，一般用于进给伺服电机。目前,交流伺服电机的应用得到了迅速发展。3.按反馈比较控制方式分类在伺服系统中,因

6、采用的位置检测元件不同,位置指令信号与反馈信号比较方式通常可分为脉冲比较、相位比较和幅值比较。伺服系统按反馈比较控制方式可分为脉冲数字比较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统和全数字伺服系统。 4.按进给驱动和主轴驱动分类数控机床伺服系统按驱动对象,可分为进给伺服系统和主轴伺服系统。 (1)进给伺服系统进给伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量, 它包括速度控制环和位置控制环。数控机床的进给伺服系统主要由伺服驱动控制系统与机床进给机械传动机构两大部分组成。 (2)主轴伺服系统主轴伺服系统控制只是一个速度控制, 与进给伺服系统基本相同,主要实现主轴的旋转运动, 提供切削过程中的转矩

7、和功率, 也是采用交流调速或直流调速,能在转速范围内实现无级变速。当要求机床有螺纹加工、准停和恒线速度加工等功能时,就要对主轴提出相应的位置控制要求。8.1.3对进给伺服系统的基本要求数控机床进给伺服系统的的高性能在很大程度上，主要是取决于进给伺服系统的高性能。为此,数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电机、机械传动等方面都要求很高，可概括为以下几个方面: 1.高精度伺服系统的精度指标主要有位移精度、定位精度、重复定位精度、分辨率和脉冲当量。 2.稳定性进给系统的稳定性是指系统在给定新的输入指令信号或外界干扰作用下, 能在短暂的调节过程后,达到新的或者恢复到原来的稳定状态。 3.

8、快速响应快速响应是伺服系统动态性能的一项重要性能指标,反映了系统的跟踪精度,为确保轮廓切削加工精确度和表面的粗糙度，对进给伺服系统除要求有较高的定位精度外,还要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。 4. 调速范围宽调速范围是指电动机所提供的最高进给速度与最低进给速度之比。数控加工过程中,被加工零件材质以及零件加工要求的变化范围很广, 为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件, 要求进给驱动系统具有足够宽的调速范围和良好的无级调速特性。 （1）进给速度在124 000 mm/min时, 即l:24 000调速范围内, 要求运行均匀、平稳、无爬行,且速降小。（2）进给速度在1 mm/min以下时, 具

9、有一定的瞬时速度,且瞬时速度要低。（3）进给速度为零,即工作台停止运动时, 要求电动机有电磁转矩以维持定位精度, 即电动机处于伺服锁定状态，以确保定位精度不变。5.低速大转矩数控机床加工特点较多，其中在低速时进行重切削。要求进给伺服系统在低速时，输出的转矩要大,才能满足切削加工的要求。为了满足进给伺服系统要求,对伺服电动机也提出相应要求,具体是:（1) 电动机从最低到最高转速范围内都能平滑地运转, 转矩波动要小, 尤其在低转速时, 仍然保持平稳的速度而无爬行现象。（2) 电动机应具备较长时间工作下有较大的过载能力, 以满足低速大转矩的要求。（3) 为了满足快速响应要求, 电动机必须具备小的转动

10、惯量和较大的制动转矩, 尽可能小的机电时间常数和起动电压。（4) 电动机应具备能承受频繁的正、反转、制动。进给伺服电动机/i 系列/i系列直线电动机进给伺服放大器系列伺服放大器i 系列伺服放大器进给伺服电动机联轴器滚珠丝杠进给伺服电动机及传动机构8.1.4 对主轴伺服系统基本的要求数控机床主轴伺服系统与进给伺服系统不同的是主轴电动机的功率要求大,对转速要求更高,但对调速性能的要求却远不如进给系统那样高。数控机床对主传动的要求，在很宽的范围内转速能连续可调,恒功率的范围要宽, 具有四象限的驱动能力。为满足自动换刀以及某些加工工艺的需要,要求主轴必须具有高精度的准停控制等。 1.对主轴伺服系统拖动

11、特性的要求 （1）调速范围足够大主轴驱动要求调速范围足够大,因为主轴变速是按指令自动进行的,要在较宽的转速范围内进行无级调速。一般要求在(1:100)(1:1000)的恒转矩调速范围, 1:10的恒功率调速范围,能实现四象限驱动功能。但对中型以上的数控机床,要求调速范围超过1:100。 (2)主轴输出功率大 为了满足生产率的需要, 主轴输出功率必须要大， 要求主轴在整个速度范围内均能提供切削所需要的功率,即恒功率范围要宽。但由于主轴电动机及其驱动的限制,通常采用分段无级变速的方法, 使主轴电动机在低速段采用机械减速装置,可提高输出转矩。2.对主轴驱动的控制要求主轴变速分为有级变速、无级变速和分

12、段无级变速三种形式,有级变速主要用于经济型数控机床,大多数数控机床都采用无级变速或分段无级变速。(1)主轴定向准停控制为满足数控机床的自动换刀以及某些加工工艺的需要, 对主轴除调速要求外, 还要求主轴具有高精度的准停控制。当CNC发出Ml9指令后, 经CPU处理后作为主轴的定位信号,经过磁性传感器,可检测主轴的准确位置,从而控制主轴准确地停在规定的位置上。(2)主轴旋转与坐标轴进给的同步控制主轴的转速与坐标轴的进给量要保持一定的关系, 也就是说主轴每转一圈时,沿工件的轴坐标必须按节矩进给相应的脉冲量。一般是将光电脉冲编码器装在主轴上, 构成主轴的脉冲发生器, 当主轴旋转发出脉冲, 经CPU对节

13、矩计算后,去控制坐标轴位置伺服系统,从而使进给量与主轴转速保持同步。通常采用的主轴脉冲发生器,每转的脉冲数为1024。(3)加减速功能 现代数控机床,在主轴在正、反向转动时, 都具备了四象限驱动功能和自动加减速功能, 并且加减速时间尽可能短。(4)恒线速切削根据车床和磨床进行端面切削时, 为确保加工端面的粗糙度Ra小于某值，要求被加工的零件与刀尖的接触点的线速度为恒值。但随着刀具的径向进给,切削直径的逐渐减小,必须不断提高主轴转速才能维持线速度为常值。 V=2nd模拟量主轴放大器（变频器）主 轴 放 大 器串 行 主 轴 放 大 器主 轴 电 动 机普通型和变频专用电动机串行数字主轴电动机带传

14、动（经过一级降速）经过一级齿轮的带传动主 轴 传 动 机 构几级降速齿轮传动主 轴 传 动 机 构内装式电机主轴单元 （电主轴）8.2步进电动机进给驱动系统8.2.1步进电机结构和工作原理1.步进电机分类步进电机就是脉冲电动机、又叫电脉冲马达,它是将电脉冲信号转换成机械角位移的一种执行器件。步进电机按转矩产生的原理,按转矩产生的工作原理步进电机可分为 反应式: 数控机床上常用三至六相反应式步进电机, 这种步进电机的转子无绕组,由被励磁的定子绕组产生感应力矩实现步进运动。这种电动机结构简单、步距角小。 永磁式：转子铁心上装有多条永久磁铁，转子的转动与定位是由定、转子之间的电磁引力与磁铁磁力共同作

15、用的。相同体积的永磁式步进电动机转矩大，步距角也大。 混合式：综合了反应式和永磁式步进电机的优点，采用永久磁铁提高电动机的力矩，通过细密的极齿来减小步距角，(2)按励磁组数可分为两相、三相、四相、五相、六相甚至八相步进电机。2.步进电机结构目前，我国使用的步进电机通常为反应式步进电机, 如图8-5所示为三相反应式步进电动机的结构图。它是由转子、定子及定子绕组所组成。定子上有六个均布的磁极,直径方向相对的两个极上的线圈串联,构成电动机的一相控制绕组。图8-5 三相反应式步进电机结构示意图 8.2.2步进电机工作原理 1. 步进电机的工作原理 按步进电机绕组的通电方式，可分为三相单三拍（通电顺序为

16、：ABCA）、三相六拍（通电顺序为：AABBBCCCAA）和三相双三拍（通电顺序为：ABBCCAAB）。步进电机绕组的每一次通断电称为一拍,每拍中只有一相绕组接通电, 称为三相单三拍通电方式。如果每拍中都有两相绕组接通电 ,就称为三相双三拍通电方式。如果通电循环的各拍交替出现单、双相通电状态, 就称为三相六拍通电方式或三相单双相通电方式。 如图8-6所示，说明步进电机的工作原理。步进电机定子上有6个磁极,分成A、B、C三相，转子上有四个齿,转子上无绕组,由带齿的铁心做成。如果先将A相通电, B、C相不加电脉冲, A相磁极便产生磁场,在磁场力矩作用下, 转子1、3齿被磁极A产生的电磁转矩吸引过去

17、,当1、3齿与A对齐时, 转动停止；接着将电脉冲加到B相励磁绕组,A、C相不加电脉冲,B相磁极便产生磁场，磁极B又把距它最近的一对齿2、4吸引过来,使转子按逆时针方向旋转30。再接着将电脉冲加到C相励磁绕组, A、B相不加电脉冲,这时转子1、3两个齿与定子C相磁极靠得最近,转子再沿逆时针方向旋转300，使转子1、3两个齿与定子C相对齐。依此类推,定子按ABCA顺序通电,转子就一步步地按逆时针方向转动,每步转30。这种控制方式称为单三拍方式。 采用双三拍控制方式,即通电顺序按ABBCCAAB(逆时针方向)或按ACCBBAAC(顺时针方向)进行。由于双三拍控制每次有两相绕组通电,而且切换时总保持一

18、相绕组通电,所以工作较稳定。如果按AABBBCCCAA顺序通电,则形成三相六拍工作方式。按这种工作方式每切换一次,步进电机按逆时针方向转过的角度比三相三拍方式减小一半,为15。若按AACCCBBBAA顺序通电,则步进电机每步按顺时针方向转过 图8-6 三相反应式步进电动机工作原理图 步进电机的步距角可按下式计算=3600/kmz式中：K-通电方式系数,采用单相或双相通电方式时,K=1,采用单双相轮流通电方式时,K=2； -步距角，Z-步进电机转子齿数，m-步进电机的相数。若定子齿数为24, 则每一拍电机转过的角度（步距角）为=360/kmz=3600/1*3*24=50 （三相三拍）=360/

19、kmz=3600/1*6*24=2.50（三相六拍）2.步进电动机的特点步进电动机具有以下几个基本特点:(1) 步进电动机受数字脉冲信号控制, 控制步进电动机的通电顺序,将脉冲信号变为转角, 输出转角与输入的脉冲个数成严格的比例关系，没有累积误差，只要控制输入步进电动机的脉冲个数就能控制位移量。(2)步进电动机的转速与控制脉冲频率成正比, 通过控制脉冲频率可实现宽范围内调节步进电动机的转速。 （3)改变定子绕组的通电顺序,实现电动机正反转控制。（4)步进电动机具有自锁能力, 当没有控制脉冲输入时，只要维持绕组内电流不变，电动机就可以保持在该固定位置上。 （5)步进电动机的工作状态不随外界电源及

20、温度的变化而改变。 （6)步进电动机的步距角会有误差,转子转过一定步数后也会出现累积误差,但当转子转过一转以后,而累积误差为“零”,所以不会长期积累。 3.步进电动机的主要特性(1) 步距角的步距误差(2)静态矩角特性(3) 起动惯频特性(4) 连续运行频率(5) 矩频特性 8.2.3、步进电机驱动装置及其应用步进电机已在各方面得到了广泛的应用, 步进电机的驱动装置的电子电路已集成化、系列化、模块化, 提高了可靠性。图8-7 为步进电机驱动器的外形及接口图 图8-8 拨动开关示意图图89 步进电机动装置典型的接线图 8.3直流伺服电机及其速度控制系统 8.3.l概述直流电动机调速简单方便,尤其

21、是他励直流电机又具有较硬的机械特性,所以在20世纪70、80年代的数控机床上起主导作用, 但由于数控机床对伺服系统的要求高（如：精度高、调速范围宽、低速大转矩、稳定性好和响应速度快等），而且直流伺服系统的结构比较复杂 ,所以逐渐被交流伺服电动机取代。但近年来又开发了多种大功率直流伺服电动机,并且已在闭环和半闭环伺服系统中得到应用。1.直流伺服电动机特点如下:（1） 无自转现象: 在无控制信号时，伺服电动机转子静止不动；当控制信号到来之后，转子迅速转动；当控制信号消失时，伺服电动机的转子会立即停止转动。（2） 空载始动电压低: 始动电压越小表示电动机的灵敏度就越高。（3） 机械特性和调节特性的线

22、性度好， 具有下降的机械性,能在较宽的速度范围内平滑稳定地调速。转速从每分钟通常在2000-6000 r/min之间。（4) 快速响应性好，直流伺服电动机具有较大的起动转矩和小的转动惯量。可控性好，时间常数小于0.03。（5)转矩大，直流伺服电动机广泛应用在宽调速系统和精确位置控制系统上,输出功率从1瓦至数百瓦,甚至可达数千瓦。2、 结构和工作原理直流伺服电动机与他励直流电动机结构相似，是由固定的磁极、电枢和换向器(包括换向片和电刷)组成。 直流伺服电动机工作原理与普通直流电动机是完全相同的。当励磁绕组流过励磁电流时，产生的气隙磁通与电枢电流相互作用而产生电磁转矩，使伺服电动机运行。分析直流伺

23、服电动机控制系统可以从直流电动机的电路原理入手。8.3.2直流主轴电动机及其驱动控制数控机床主轴驱动和进给差别很大,对主轴伺服电动机要求有很宽的调速范围，能提供大的功率和转矩。为满足数控机床对主轴驱动的要求,主轴电动机必须具备满足以下功能:1.输出功率要大；2.电动机温升要低；3.加、减速时间要短；4.振动、噪声要小；5.在断续负载下电动机转速波动要小,过载能力要强；6.在整个调速范围内速度平稳,恒功率范围要宽；7.电动机可靠性要高、寿命长、维护方便；8.体积小、重量轻。8.3.3直流主轴驱动控制系统对于已经给定的直流电动机,要改变它的转速,通常采用三种办法:改变电动机电枢回路外加电压,即改变

24、电枢电压。可得到调速范围较宽的恒转矩特性,用于进给驱动及主轴驱动的低速段。改变气隙磁通量。可得到恒功率特性,用于主轴电动机的高速段。改变电枢电路的电阻值。但得到的机械特性较软,在数控机床上很少采用。1.调磁调速回路主轴电动机功率通常较大,且要求恒功率调速范围尽可能大些,所以一般采用他励电动机,励磁绕组与电枢绕组相互独立,由单独的可调直流电源供电。当励磁控制回路的电流给定、电枢电压反馈、励磁电流反馈三组信号经比较之后输入至PI调节器,调节器的输出经过电压/相位转换器,控制晶闸管触发脉冲的相位,调节励磁绕组的电流大小,实现电动机的恒功率弱磁调速。 2.调压调速回路 调压调速路回,类似于直流进给伺服

25、系统,也是由速度外环和电流内环构成的双闭环调速度控制系统, 具有良好的静态和动态指标, 可最大限度地利用电动机的过载能力,使过渡过程最短。通过控制直流主轴电动机的电枢电压实现变速。 3.主回路电路及其工作原理 数控机床加工零件时，要求主轴正、反转切削功率应尽可能大,停止和改变转向要迅速。 主轴直流电动机驱动装置是采用三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统, 主回路电路如图810所示。 由图810可知,主回路有12只晶闸管组成,它们分成V1、V2两组, 其中V1为正组晶闸管,V2为反组晶闸管，如图8-10(b)所示。每组按三相桥式连接形成变流桥,两组变流桥为反极性并联, 由一个交流电源供电,反极性

26、并联线路能实现电动机正反向的电动和回馈发电制动,为保证在任何时间内只允许一组桥路工作,另一组桥路阻断,采用逻辑控制电路(它包括方向控制、逻辑判断及输出切换等环节)。 三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统四象限运行示意图如图8-11所示。 当电动机正向运动时, V1管工作在整流状态,提供正向直流电流;电动机反向运动时,则V2管工作在整流状态,并提供反向直流电流;实现电动机在第一、三象限的起动、升降速度控制。 当电动机从正向运动状态要转到反向电动状态时，速度指令从正变负, V1管进入逆变状态, 这时电动机电枢回路中的电感储能维持电流方向没改变,电动机仍处于电动状态,但电枢电流已逐渐减小。当电枢电流

27、减小到零后, 必须使V1管和V2管都处于封锁状态, 这时电动机在惯性作用下能自由转动。经过安全延时后, V2管进入有源逆变状态, 电动机工作在回馈发电制动状态, 将机械能送回电网,转速迅速下降, 当转速到零后, V2管进入整流状态,电动机反向起动,从而完成了从正转到反转的转换过程,实现了从第一象限到第三象限的工作转换。 只要改变VT1和VT2的控制相反，就改变了电动机从反转到正转的转换过程。4.主电路控制要求为保证在任何时间内只允许一组桥路工作,另一组桥路阻断, 采用逻辑控制电路(它包括方向控制、逻辑判断及输出切换等环节)。利用逻辑电路可检测电枢电路的电流是否到达零值,并判断出旋转方向,提供V

28、1或V2的允许开通信号,使一组晶闸管在工作时,另一组晶闸管的触发脉冲被封锁,从而切断正、反两组晶闸管之间可能出现的电流通路。 8.4 交流伺服电机及其速度控制8.4.1交流伺服电动机的分类和特点 交流伺服电动机坚固耐用、经济可靠且动态响应性好、输出功率大、无电刷等特点，因而在数控机床上被广泛应用并正逐步被交流伺服电机所取代。 交流伺服电机可分为异步型交流伺服电动机和同步型交流伺服电机机。这些电机具有相同的三相绕组的定子结构。（1)异步型交流伺服电动机 异步型交流伺服电动机有三相和单相之分,也有鼠笼式和线绕式之分。一般多用鼠笼式三相异步型交流伺服电动机,其结构简单、 坚固、无刷、造价低、免维护，

29、对环境要求低，转子的重量轻,惯性小,响应速度快。与同容量的直流电动机相比,重量约轻1/2,价格仅为直流电动机的1/3。它的缺点是不能实现较大范围内地平滑调速,必须从电网吸收滞后的励磁电流,造成电网功率因数降低。（2) 同步型交流伺服电动机三相同步型交流伺服电动机较三相异步型电动机复杂, 同步型交流伺服电动机按不同的转子结构可分为电磁式及非电磁式两类，非电磁式又分磁滞式、永磁式和反应式等。 同步型交流伺服电机的转子磁极,要受到定子电路旋转磁场的吸引,与旋转磁场的转速始终保持同步。当电源电压和频率不改变时, 同步型交流伺服电机的转速是不会改变的。如果改由变频电源供电,就可方便地获得与频率成正比的可

30、变转速,从而得到非常硬的机械特性及较宽的调速范围, 如图8-12所示。图8-12 交流伺服电机机械特性 8.4.2. 永磁式交流伺服电机工作原理当定子的三相绕组接通三相交流电流时,将产生一个旋转磁场, 该旋转磁场以同步转速n旋转的旋转磁场, 转子的永久磁场磁极被定子的旋转磁极互相吸住, 带动转子一起同步旋转。如图813所示。当转子加上负载转矩之后,转子轴线将落后定子旋转磁场轴线一个Q角。当负载增大时,Q角随着增大，当负载减小时,Q角随着减小。一般只要不超过一定限度,转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速n旋转。但当负载超过一定限度之后,转子不但不再按同步转速旋转,甚至可能不转。这就是常说的

31、同步电动机的失步现象。 图8-13 交流伺服电动机工作原理图 永磁式同步型交流伺服电机结构如图8-14所示, 定子铁心1、转子2、定子绕组3、位置检测元件4和接线盒5等部件组成。永磁式同步型交流伺服电动机的主要优点有: 可靠性高,易维护保养; 转子转动惯量小,快速响应性好; 有宽的调速范围,可高速转动; 结构紧凑,在相同功率下有较小的质量和体积 散热性能好。图8-14 永磁式交流伺服电机结构1-定子铁心、2-转子、3-定子绕组、4-位置检测元件 5-接线盒8.4.3 变频控制器变频控制器按变换环节分有：交交变频器、交直交变频器，按电压的调制方式分有：PAM(脉幅调制)、PWM(脉宽调制)，按滤

32、波方式分有：电压型变频器、电流型变频器，按输入电源的相数分有：三进三出变频器、单进三出变频器，按控制方式分有：U/f控制变频器、转差频率控制变频器、矢量控制方式变频器。 1.交一直一交变频器交一直一交变频器是将交流转换为可调直流, 作为逆变器的直流供给电源。而逆变器是将可调直流电变为调频调压的交流电, 采用脉冲宽度调制(PWM)逆变器来完成, 逆变器有晶闸管逆变器和晶体管逆变器。目前，此种变频器已得到普及。数控机床上的交流伺服系统大多采用交一直一交SPWM(正弦波调制)变频控制器。交-直-交变频器原理示意图如图9-15所示。9-15 交-直-交变频器 2. SPWM变频控制器（1）SPWM波形

33、与等效的正弦波如把一个正弦波分成n等分, 设n=12,如图8-l6a所示。然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲波所替代,这样就得到n个等高不等宽的脉冲序列,并对应于一个正弦波的正半周,如图8-16b所示。对于负半周,也可这样处理。如果幅值改变,则各等高矩形脉冲的宽度也相应改变,这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制波(SPWM)。 （a） (b) 图8-16 等效的SPWM波形 （2）三相SPWM电路PWM是通过改变输出脉冲的宽度和占空比来调节输出电压的一种方式，在调节过程中，逆变器负责调频调压。目前普遍应用的是脉宽按正弦规律变化的正弦脉宽调制SPWM方式。S

34、PWM调制的控制信号为幅值和频率均可调的正弦波参考信号,载波信号为三角波。正弦波和三角波相交可得到一组矩形脉冲,其幅值不变,而脉冲宽度是按正弦规律变化的SPWM波形。对于三相SPWM,逆变器必须产生互差120的三相正弦波脉宽调制波。为了得到这三相调制波,三角波载频信号可以共用,但是必须有一个三相正弦波发生器产生可变频、可变幅且互差120的三相正弦波参考信号,并且将它们分别与三角波载波信号相比较后,产生三相脉宽调制波。图817所示。图8-17 三相正弦波与三角波相比后产生三相脉宽调制波 图8-18 三相SPWM变频器主电路结构简图 8.4.4变频器在机床上的应用 变频器即电压频率变换器，通常用于

35、主轴控制。是一种将固定频率的交流电变换成频率、电压连续可调的交流电，提供给电动机运转的电源装置。一般SPWM正弦控制频率变化范围为0400Hz。 日本三菱FR-A500系列变频器的系统组成及接口电路及原理框图如图8-19、8-20所示。在图8-19中,为了减小输入电流的高次谐波,主电路接入了交流电抗器, 接直流电抗器是用于功率因数校正,如果要想减小电动机的振动和噪声,还可在变频器和电动机之间接入降噪电抗器。交流伺服系统总体设备连线情况如图8-21所示。图8-19三菱FR-A500系列变频器的系统组成 (a) 三菱FR-A500系列变频器的系统接口电路 (b)三菱FR-A500系列变频器原理框图

36、图8-20图2-21 MINAS交流伺服系统总体设备连线情况 8.4.5、主轴分段无级调速及控制主轴无级调速主要有三种方式, 一是通过主轴输出的模拟电压接口,输出010V模拟电压至主轴驱动装置, 二是输出单极性010V模拟电压至主轴驱动装置,通过正转与反转开关量信号指定正反转。三是选择数控装置输出的二进制代码或开关量信号至主轴驱动装置,控制主轴的转速。 数控机床常采用l4挡齿轮变速与电动机无级调速相结合,即分段无级变速控制。如图8-22所示，通常数控系统均提供了2-4挡变速功能,而数控机床只需要2挡就可满足要求。 图8-22 有无齿轮减速主轴的T(n)、P(n)曲线 数控系统可设置参数M41-

37、M44四挡代码对应的最高主轴转速, 系统即可使用M41M44指令, 根据当前S指令值判断档位, 出相应的M41M44指令至PLC,控制齿轮自动变挡。然后数控装置输出相应的模拟电压, 如图823所示。下面以M41、M42为例： M41指令所对应的最高主轴转速是1000r/min, M42指令所对应的最高主轴转速是3500r/min, 而主轴电动机的最高转速是3500r/min。当S指令在01000r/min范围内变化时, M41指令所控制对应的齿轮啮合:当S指令在10013500 r/min范围内变化时,M42指令控制对应的齿轮啮合。由此可见，M42对应的齿轮传动比为1:1,M41对应的齿轮传动

38、比为1:3.5,此时主轴输出的最大转矩为主轴电动机最大输出转矩的3.5倍。当然不同机床主轴变速的方式有所不同,但可通过编程控制器来具体实现。图8-23 分段无级变速 8.4.6、主轴准停控制 1概述主轴准停功能又称主轴定向功能。为满足加工中心自动换刀以及某些加工工艺的需要, 当主轴停止时,要求主轴具有高精度的准停控制功能。如在自动换刀的镗铣加工中心上,切削的转矩是通过刀杆的端面键来传递的, 这就要求主轴具有准确定位于圆周上特定角度的径向位置上。由图8-24所示。当加工阶梯孔或精镗孔后退刀时,要防止刀具与小阶梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面,因此必须先让刀再退刀,在让刀时刀具必须具有准停功能,如图

39、8-25所示。图8-24 主轴准停换刀图 图8-25 主轴准停镗阶梯孔示意图 主轴准停可分为机械准停和电气准停,它们的控制过程是一样的,如图8-26所示。机械方式是采用机械挡块等来定位；电气方式采用主轴定位,只要系统发出Ml9指令,主轴就能准确地定位。8-26 主轴准停控制过程框图 2. 机械准停控制机械准停控制通常采用V形槽轮做定位盘准停结构,如图8-27所示。带有V形槽的定位盘与主轴端面应保持一定的关系,以便确定定位位置。当CNC执行准停控制指令Ml9时,首先使主轴减速至某一预先设定的低速转动,当接近开关信号有效后,立即使主轴电动机停转并断开主轴传动链, 这时主轴电动机与主轴传动件依惯性继

40、续在空转,同时准停油缸定位销伸出并压向定位盘。当定位盘V形槽与定位销正对时,由于油缸的压力,定位销插入V形槽中, 使LS2准停到位信号有效,准停动作完成。这里LS1为准停到位信号,LS2为准停到定位液压缸位信号。控制逻辑信号可由系统所配的PLC来完成。图8-27 机械准停原理示意图 2.电气准停控制大多数中高档数控系统均采用电气准停控制,电气准停通常有磁传感器准停、编码器型主轴准停、数控系统准停3种方式。(1)磁传感器准停 用磁传感器准停控制时, 当CNC系统执行Ml9指令时, 向主轴驱动发出主轴准停启动命令ORT。主轴驱动响应ORT命令会立即使主轴减速至预先设定的准停速度。当磁发体与磁传感器

41、对准时, 主轴减速至某一爬行速度，然后当磁传感器信号出现时,主轴驱动立即进入磁传感器作为反馈元件的闭环控制,目标位置即为准停位置。准停完成后,主轴驱动装置输出准停完成ORE信号给CNC装置,实现进行自动换刀(ATC)或其它动作。控制结构如图8-28所示。图8-28 磁传感器准停控制系统构成 (2)编码器型主轴准停编码器型主轴准停与磁传感器主轴准停不同的是,编码器主轴准停的角度可任意设定, 其控制步骤与传感器类似,所不同的是准停角度可由编码设定,更加灵活方便。而磁传感器准停的角度无法任意设定,要想调整准停位置,只有调整发磁体与磁传感器的相对位置。编码器主轴准停有两种形式:一是采用主轴电动机内置的

42、编码器信号，采用这种方式注意传动链对主轴准停精度的影响。二是在主轴上直接安装另一个编码器。不管哪种方式,它们都具有主轴位置闭环控制功能。数控系统本身具有编码器准停功能。编码器主轴准停控制系统构成如图829所示。图8-29 编码器主轴准停控制结构 (3)数控系统准停采用数控系统准停方式，这种方式是由数控系统自身完成的, 如图8-30所示。为实现这种准停控制,要求:数控系统必须具有主轴闭环控制功能。具有较高的主轴传动精度。主轴驱动具有伺服状态。数控系统控制主轴准停时,准停角度由数控系统内部设定,因此更加方便灵活。如用Ml9指令，可在Ml9指令后用S值制定准停角度。图8-30 数控系统控制主轴准停结

43、构 8.5数控机床位置检测 8.5.1概述 数控机床的位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环控制中, 其定位精度和加工精度在很大的程度上取决于检测装置的精度。它的主要作用是检测位移量, 是将系统发出的指令信号位置与实际反馈位置相比较,用其差值去控制进给电动机。 在数控伺服系统中,通常有两种反馈系统:一种是速度反馈系统,用来测量和控制运动部件的进给速度;另外一种是位置反馈系统,用来测量和控制运动部件的位移量。而实际反馈位置的采集,则是由一些位置检测装置来完成的。这些检测装置有脉冲编码器、光栅、感应同步器、旋转变压器等。电动机内装位置和速度传感器主轴位置与速度编码器主轴位置和速度检测装置1.

44、闭环半闭环控制位置测量装置对半闭环控制的数控机床,在闭环回路内是不包括机械传动部分,它的位置检测装置通常采用旋转变压器或高分辨率的脉冲编码器,并装在进给电动机或丝杠的端头,旋转变压器或脉冲编码器每旋转一定的角度,都必须严格地对应着工作台所移动的距离。测量出电动机或丝杠的角位移,间接地测量出工作台的直线位移。 对闭环控制系统的数控机床,采取直接测量工作台的直线位移,使用感应同步器、光栅、磁栅等测量装置。通过工作台直接带动感应同步器的滑动尺移动与装在机床床身上的定尺配合,测出工作台的实际位移值。 2检测装置的分类 伺服系统中采用的位置检测装置通常分为直线型和旋转型两大类。直线型位置检测装置是用来检

45、测运动部件的直线位移量；旋转型位置检测装置用来检测回转部件的转动位移量。除此之外,伺服系统中往往还包括速度检测单元,用以检测和调节电动机的转速，通常用的测速单元是测速发电机。常用的位置检测装置框图如图8-31所示。图8-31 位置检测装置框图 8.5.2脉冲编码器 脉冲编码器是一种旋转式的脉冲发生器, 它能把机械转角变成电脉冲,是数控机床上使用最多的角位移检测传感器。编码器除了可以测量角位移外,还可以通过测量光电脉冲的频率, 其工作示意图如图8-32所示。经过变换电路也可用于速度检测,同时作为速度检测装置； 如果经过机械装置,还可将直线位移转变成角位移,可用来测量直线位移。 脉冲编码器可分为光

46、电式、接触式和电磁感应式三种。 1、光电式脉冲编码器光电脉冲编码器又可分为增量式脉冲编码器和绝对式脉冲编码器。伺服电动机内装编码器独立型旋转编码器2.增量式脉冲编码器(1)结构 增量式脉冲编码器的结构原理图如图8-32所示. 它由光源、透明镜、窄缝圆盘、检测窄缝、光电变换器、A/D转换线路及数字显示装置组成。其中,光电盘采用玻璃研磨抛光制成,玻璃表面在真空中镀一层不透光的金属薄膜铬, 然后在上面制成圆周等距的透光与不透光相间的狭缝作透光用。狭缝的数量可为几百条或几千条。也可用精制的金属圆盘, 在圆盘上再开出一定数量的等分圆槽缝,或在半径的圆周上钻出一定数量的孔,使圆盘产生明暗相间变化的区域。

47、(2)工作原理 窄缝圆盘装在回转轴上,由图8-32可知,当窄缝电盘随工作轴一起转动时,每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化。经光敏元件构成一次电信号的强弱变化,经过整形电路、放大电路和微分电路处理后,得到脉冲输出信号。脉冲个数就等于转过的缝隙个数。如果将上述脉冲信号送入计数器中计数,则计数码将反映出圆盘转过的角度。（a） (b) 图8-32 增量式脉冲编码器的结构原理图 为了区别旋转方向,必须采用两套光电转换装置, 使它们的相对位置能保证两者产生的电信号在同一圆周上相差1/4节距。如图8-33a所示为增量式脉冲编码器辨向原理框图,图8-33b所示为其波形图。 假定正转时,光敏元件2比光敏元件

48、1先感光,将此两光电元件的输出经过放大电路整形后变成P1和P2两个方波系列,P2比P1超前90,将P1微分后得到D1脉冲系列,P1经过反相后再微分得到D2脉冲系列,将P2、D1送入与门Y1,P2、D2送入与门Y2。由图8-33b所示得可知, D1的正向脉冲可从Y1输出,并使可逆计数器的加法母线置于高电位,而与门Y2则无输出。 (a)增量式脉冲编码器辨向原理框图 (b)增量式脉冲编码器辨向原理波形图图8-33 增量式脉冲编码器辨向图 3.绝对式脉冲编码器 绝对式光电编码器是是一种直接编码式的测量元件,通过读取编码盘上的图案确定轴的位置没有积累误差。编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。 图834a

49、是绝对式光电编码器的结构图。图8-34b 是一个四位二进制编码盘,涂黑部分是导电的,其佘是绝缘的,码盘上有四条码道(通常把组成编码的各圈称为码道)。四个码道并排装有四个电刷,电刷经电阻接到电源正极。码盘最里面的一圈是电源负极。是照二进制数分布规律,把每条码道加工成透明和不透明相间的样式。码盘的一侧安装光源,另一侧安装一排径向排列的光电管,每个光电管对准一条码道。当码盘沿顺时针方向转动,就依次可得到0000、0001、0010、1111的二进制输出。当光源照射码盘时,如果是透明区,则光线被光电管接受,输出为高电平“1”；如果是不透明区,光电管接受不到光线,输出信号为低电平“0”。被测工作轴带动码

50、盘旋转时,光电管输出的信息就是代表了轴的对应位置。(a) 图834 四位二进制编码盘 3.混合式绝对值编码器混合式绝对值编码器是把增量制码与绝对制码同做在一码盘上。圆盘的最外圈是高密度的增量制条纹(2000、2500、3 000脉冲/转), 其中间分布在4圈圆环上有4个二进制位循环码,每1/4圆由4位二进制循环码分割成16个等分位置。在圆盘最里圈仍有发一转信号的窄缝条。由循环码读出的416个位置/转,代表了一圈的粗计角度检测,它和交流伺服电机4对磁极的结构相对应,可实现对交流伺服电机的磁场位置进行有效的控制。8.5.3 其它位置检测器位置传感器除了脉冲编码器外。常用的还有、旋转变压器、感应同步

51、器、有磁栅、接近开关、光栅传感器等多种检测器（即：传感器）。 1.旋转变压器 旋转变压器结构简单, 抗干扰能力强,工作可靠，动作灵敏,对环境没有特殊要求, 输出信号幅度大,维护也方便。所以广泛应用在数控机床上。 旋转变压器是一种电磁式传感器（或同步分解器）, 是利用电磁感应原理的一种角度位移测量元件,它将机械转角转换成与该转角呈某一函数关系的电信号。工作原理和普通变压器基本相似,区别在于普通变压器的一次、二次绕组是相对固定的,输出电压和输入电压之比是常数,旋转变压器的一次、二次绕组是随转子的角位移发生相对位置的改变,所以其输出电压的大小也要随之改变。旋转变压器在结构上保证定子和转子之间空气隙内磁通分布符合正弦规律, 当励磁电压加到定子绕组上时,通过电磁耦合,转子绕组产生感应电动势。旋转变压器工作原理如图8-35所示。 U1=UMSint U1=