第十章数控机床的闭环控制系统课件

第十章数控机床的闭环驱动系统前面所述的开环系统，三大缺点：

1。精度不够高

步进电机步距有限，无法无限细，步距小，速度慢，另外对机床传动机构精度要也高。

2。功率小

3。无法知道有无失步

第十章数控机床的闭环驱动系统前面所述的开环系统，三大缺点：1目前，一般要求较高的数控机床大多采用交、直流伺服电机驱动的闭环和半闭环伺服系统

目前，一般要求较高的数控机床大多采用交、直流伺服电机驱动的闭2一。全闭环伺服系统

位置检测安装在工作台上

工作原理：闭环系统的定位误差只取于位置检测单元的误差，与机床传动部分没有关系。

一。全闭环伺服系统位置检测安装在工作台上工作原理：闭环3二。半闭环控制系统

位置检测直接接在伺服电机转轴上，另外还有速度检测器工作原理：

一般速度用测速发电机检测，位置用轴角编码盘检测。

二。半闭环控制系统位置检测直接接在伺服电机转轴上，另外还有4半闭环的特点：由于机床的传动部分放在半闭环系统以外，因而这部分传动误差无法克服，但比起开环，精度仍要高许多。另外，比全闭环稳定（全闭环易振荡）半闭环的特点：由于机床的传动部分放在半闭环系统5三。描述全闭环、半闭环的性能指标

1。分辨率：

开环：步进电机的步进当量位移闭环：检测系统的最小检测量

2。精度：也即系统的误差，精度一般不高于检测系统的精度

3。跟随误差

开环不存在，闭环是指命令值与反馈值之差

4。运行速度

三。描述全闭环、半闭环的性能指标1。分辨率：开环：步进电6开环、半闭环、全闭环控制系统的差异是：A.输出驱动电路是否包含反馈回路，及反馈回路的形式不同。B.是指机床工作台是否包含位置检测装置及检测装置的形式是否相同。C.控制系统机箱是敞开式还是封闭式以及是否需要屏蔽等的差异。开环、半闭环、全闭环控制系统的差异是：A.输出驱动电路是否包7四。闭环系统的控制特点

位置检测采用定时采样，所以控制输出也采用定时控制，在每个采样周期，计算机比较指令值与反馈值偏差，然后控制伺服电机运转，所以通常用时间分割法插补运算实现多坐标联动。四。闭环系统的控制特点位置检测采用定时采样，所以控制输出也8五.数控闭环系统的偏差

指令增量值，反馈增量值之差为偏差De=Dr-Df

若把前一时刻遗留的偏差Dei-1计算在内

Dei=Dri—Dfi+Dei-1

闭环系统即将此偏差值经过放大（增益系数KD）变成伺服电机的转速的数字指令VD，再经过D/A转换后得到模拟电压VP此VP驱动伺服电机转动.要使系统达到一稳定的运转状态，偏差De也将维持一稳定值，叫跟随偏差

五.数控闭环系统的偏差指令增量值，反馈增量值之差为偏差9§10—2闭环系统的位置检测

一。要求：

精度：1μ以下（可达0.5u）速度：10m/min~20m/min§10—2闭环系统的位置检测一。要求：精度：1μ以下（可10二。分类二。分类11三。绝对型光电编码器

绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有其对应的测量代码，它能表示绝对位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。0101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100

结构和工作原理

码盘基片上有多圈码道，且每码道的刻线数相等；对应每圈都有光电传感器；输出信号的路数与码盘圈数成正比；检测信号按某种规律编码输出，故可测得被测轴的周向绝对位置。三。绝对型光电编码器绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直12四位二进制编码盘四位二进制编码盘13四。增量型光电编码器

信号处理装置abz光电盘透镜光源光电元件圆盘透光狭缝光欄板节距τm+τ/4四。增量型光电编码器信号处理装置abz光电盘透镜光源光电元14第十章数控机床的闭环控制系统课件15节距PAB90°

90°

节距PAB90°90°16第十章数控机床的闭环控制系统课件17实际的光电编码盘实际的光电编码盘18光电型位置传感器还有光栅尺尺子移动方向

莫尔条纹

条纹移动方向

根据定尺、动尺上的条纹间距，以及测出莫尔条纹的移动条数即可算出光栅尺位移。

有反光型（玻璃、铝做成）有透光型如做成盘状，则可测出旋转角度，即圆光栅

光电型位置传感器还有光栅尺尺子移动方向莫尔条纹条纹移动方19第十章数控机床的闭环控制系统课件20第十章数控机床的闭环控制系统课件21干涉条纹的特点

当d=0.01mm，(l00线/毫米)θ=0.01弧度，纹距W=1mm，即利用挡光效应，可把光栅线距转换成放大100倍的摩尔条纹的宽度。表明莫尔条纹的节距是栅距的1／θ倍。(1)干涉条纹方向与标尺光栅的刻线几乎垂直。(2)放大作用:用W（mm）表示莫尔条纹的宽度，d(mm)表示栅距，θ(rad)为光栅线纹之间的夹角。d光栅节距摩尔条纹节距θW光栅倾角干涉条纹的特点当d=0.01mm，(l00线/毫米)θ22光栅尺的基本工作原理基于莫尔条纹，莫尔条纹可以：A.增强通过光栅的光线强度B.提高光栅刻度的分辨率C.仅作为放大光栅条纹D.放大光栅条纹，且起到平均光栅条纹间距作用光栅尺的基本工作原理基于莫尔条纹，莫尔条纹可以：A.增强通过23第十章数控机床的闭环控制系统课件24三。旋转变压器

旋转变压器是一种交流感应电机，外形小巧，结构简单牢固，输出信号强，抗干扰能力强。其工作原理与变压器类似，但次级线圈及铁心可旋转。三。旋转变压器旋转变压器是一种交流感应电机，外形小巧，结构25旋转变压器工作原理：两线圈的互感：线圈D加入交流电：线圈α感应电动势：K为变压器常数，即θ=0时的变比旋转变压器工作原理：两线圈的互感：线圈D加入交流电：线圈α26在次级上再加一线圈β：在次级上再加一线圈β：27实际的旋转变压器：实际的旋转变压器：28D、G线圈在α、β线圈上感应电压：

D对α、βG对α、βD、G线圈在α、β线圈上感应电压：D对α、βG对α、β29若在D、G两线圈加入：同理：若在D、G两线圈加入：同理：30旋转变压器工作时：A.转子上加正弦交流电，定子信号反映转角状态。B.定子上加正弦交流电，转子信号反映转角状态。旋转变压器工作时：A.转子上加正弦交流电，定子信号反映转角状31四。感应同步器直线型----测直线旋转型----测转角相当于展开的多级旋转变压器四。感应同步器直线型----测直线32感应同步器有两种工作方式：1。感应同步器在相位工作方式当A绕组与定尺间相对量为θ时B绕组与定尺间相对量为θ-90

感应同步器有两种工作方式：1。感应同步器在相位工作方式当A绕33第十章数控机床的闭环控制系统课件342。感应同步其工作在幅值工作方式Vo的相位不变，但其幅度变化：只要测出幅度变化，即可测出θ及位移x2。感应同步其工作在幅值工作方式Vo的相位不变，但其幅度变化35

控制电机

从工作原理上看，控制电机和普通电机没有本质上的差异，但普通电机功率大，侧重于电机的启动、运行和制动等方面的性能指标，而控制电机输出功率较小，侧重于电机控制精度和响应速度。

第三节交直流伺服电机及其驱动系统控制电机

从工作原理上看，控制电36控制电机按其功能和用途可分为信号检测和传递类控制电机及动作执行类控制电机两大类。执行电机包括伺服电机、步进电机和直线电机；信号检测和传递电机包括测速发电机、旋转变压器和自整角机等。在自动控制系统中，伺服电动机是一个执行元件，它的作用是把信号（控制电压或相位）变换成机械位移，也就是把接收到的电信号变为电机的一定转速或角位移。伺服电动机有直流和交流之分。第十章数控机床的闭环控制系统课件37伺服电动机

伺服电动机的作用是将输入的电压信号（即控制电压）转换成轴上的角位移或角速度输出。

在自动控制系统中常作为执行元件，所以伺服电动机又称为执行电动机。

伺服电动机伺服电动机的作用是将输入的电压38伺服电动机最大特点：

有控制电压时转子立即旋转，无控制电压时转子立即停转。转轴转向和转速是由控制电压的方向和大小决定的。

伺服电动机最大特点：39基本结构交流伺服电动机主要由定子和转子构成，如图所示。定子铁心通常用硅钢片叠压而成。定子铁心表面的槽内嵌有两相绕组，其中一相绕组是励磁绕组，另一相绕组是控制绕组。

1—外定子铁心；2—杯形转子；3—内定子铁心；4—转轴；5—轴承；6—定子绕组

杯形转子伺服电动机结构图特点：转子电阻大转动惯量小基本结构交流伺服电动机主要由定子和转子构成40空心杯交流伺服电机空心杯交流伺服电机41励磁绕组和控制绕组：

两相绕组在空间位置上互差90°电角度。工作时励磁绕组与交流励磁电源相连，控制绕组加控制信号电压

交流伺服电动机原理图一、交流伺服电动机励磁绕组和控制绕组：交流伺服电动机原理图42

转子的形式有两种:笼式转子空心杯转子转子:转子的形式有两种:转子:43

工作原理

交流伺服电动机的工作原理和电容分相式单相异步电动机相似。在没有控制电压时，气隙中只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子上没有启动转矩而静止不动。当有控制电压且控制绕组电流和励磁绕组电流不同相时，则在气隙中产生一个旋转磁场并产生电磁转矩，使转子沿旋转磁场的方向旋转。

工作原理

交流伺服电动机的工作原理和44转矩特性曲线

临界转差率S0＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点

转矩特性曲线临界转差率S0＞1，这样不仅使转矩特性（机械特45直流伺服电动机

1．基本结构传统的直流伺服电动机动实质是容量较小的普通直流电动机。有他励式和永磁式两种，其结构与普通直流电动机的结构基本相同。

直流伺服电动机1．基本结构462．基本工作原理

传统直流伺服电动机的基本工作原理与普通直流电动机完全相同。依靠电枢电流与气隙磁通的作用产生电磁转矩，使伺服电动机转动。通常采用电枢控制方式，即在保持励磁电压不变的条件下，通过改变电枢电压来调节转速。电枢电压越小，则转速越低；电枢电压为零时，电动机停转。由于电枢电压为零时电枢电流也为零，电动机不产生电磁转矩，不会出现“自转”。2．基本工作原理传统直流伺服电动机的47转矩特性转矩特性48直流伺服电机的驱动电路直流伺服电机的驱动电路49PWM原理示意图PWM原理示意图50第4节脉冲-相位调制式伺服系统若在D、G两线圈加入：一。旋转变压器相位工作方式：第4节脉冲-相位调制式伺服系统若在D、G两线圈加入：一。旋转51相位工作状态方框图相位工作状态方框图52脉冲-相位调制式伺服系统脉冲-相位调制式伺服系统53数字式脉冲-相位调制式伺服系统：SM数字式脉冲-相位调制式伺服系统：SM54问题1：

数字式脉冲-相位调制式伺服系统中，信号发生器ROM保存的内容为：问题2：

数字式脉冲-相位调制式伺服系统中，D/A转换器用于：A.提供旋转变压器所需的sin/cos信号B.伺服电机的控制信号A。计数器的计数值B。正弦波的幅度值问题1：

数字式脉冲-相位调制式伺服系统中，信号发生器ROM55第5节鉴幅型伺服控制系统一。旋转变压器工作在幅值工作方式第5节鉴幅型伺服控制系统一。旋转变压器工作在幅值工作方式56幅值工作方式方框图幅值工作方式方框图57第十章数控机床的闭环驱动系统前面所述的开环系统，三大缺点：

1。精度不够高

步进电机步距有限，无法无限细，步距小，速度慢，另外对机床传动机构精度要也高。

2。功率小

3。无法知道有无失步

第十章数控机床的闭环驱动系统前面所述的开环系统，三大缺点：58目前，一般要求较高的数控机床大多采用交、直流伺服电机驱动的闭环和半闭环伺服系统

目前，一般要求较高的数控机床大多采用交、直流伺服电机驱动的闭59一。全闭环伺服系统

位置检测安装在工作台上

工作原理：闭环系统的定位误差只取于位置检测单元的误差，与机床传动部分没有关系。

一。全闭环伺服系统位置检测安装在工作台上工作原理：闭环60二。半闭环控制系统

位置检测直接接在伺服电机转轴上，另外还有速度检测器工作原理：

一般速度用测速发电机检测，位置用轴角编码盘检测。

二。半闭环控制系统位置检测直接接在伺服电机转轴上，另外还有61半闭环的特点：由于机床的传动部分放在半闭环系统以外，因而这部分传动误差无法克服，但比起开环，精度仍要高许多。另外，比全闭环稳定（全闭环易振荡）半闭环的特点：由于机床的传动部分放在半闭环系统62三。描述全闭环、半闭环的性能指标

1。分辨率：

开环：步进电机的步进当量位移闭环：检测系统的最小检测量

2。精度：也即系统的误差，精度一般不高于检测系统的精度

3。跟随误差

开环不存在，闭环是指命令值与反馈值之差

4。运行速度

三。描述全闭环、半闭环的性能指标1。分辨率：开环：步进电63开环、半闭环、全闭环控制系统的差异是：A.输出驱动电路是否包含反馈回路，及反馈回路的形式不同。B.是指机床工作台是否包含位置检测装置及检测装置的形式是否相同。C.控制系统机箱是敞开式还是封闭式以及是否需要屏蔽等的差异。开环、半闭环、全闭环控制系统的差异是：A.输出驱动电路是否包64四。闭环系统的控制特点

位置检测采用定时采样，所以控制输出也采用定时控制，在每个采样周期，计算机比较指令值与反馈值偏差，然后控制伺服电机运转，所以通常用时间分割法插补运算实现多坐标联动。四。闭环系统的控制特点位置检测采用定时采样，所以控制输出也65五.数控闭环系统的偏差

指令增量值，反馈增量值之差为偏差De=Dr-Df

若把前一时刻遗留的偏差Dei-1计算在内

Dei=Dri—Dfi+Dei-1

闭环系统即将此偏差值经过放大（增益系数KD）变成伺服电机的转速的数字指令VD，再经过D/A转换后得到模拟电压VP此VP驱动伺服电机转动.要使系统达到一稳定的运转状态，偏差De也将维持一稳定值，叫跟随偏差

五.数控闭环系统的偏差指令增量值，反馈增量值之差为偏差66§10—2闭环系统的位置检测

一。要求：

精度：1μ以下（可达0.5u）速度：10m/min~20m/min§10—2闭环系统的位置检测一。要求：精度：1μ以下（可67二。分类二。分类68三。绝对型光电编码器

绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有其对应的测量代码，它能表示绝对位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。0101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100

结构和工作原理

码盘基片上有多圈码道，且每码道的刻线数相等；对应每圈都有光电传感器；输出信号的路数与码盘圈数成正比；检测信号按某种规律编码输出，故可测得被测轴的周向绝对位置。三。绝对型光电编码器绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直69四位二进制编码盘四位二进制编码盘70四。增量型光电编码器

信号处理装置abz光电盘透镜光源光电元件圆盘透光狭缝光欄板节距τm+τ/4四。增量型光电编码器信号处理装置abz光电盘透镜光源光电元71第十章数控机床的闭环控制系统课件72节距PAB90°

90°

节距PAB90°90°73第十章数控机床的闭环控制系统课件74实际的光电编码盘实际的光电编码盘75光电型位置传感器还有光栅尺尺子移动方向

莫尔条纹

条纹移动方向

根据定尺、动尺上的条纹间距，以及测出莫尔条纹的移动条数即可算出光栅尺位移。

有反光型（玻璃、铝做成）有透光型如做成盘状，则可测出旋转角度，即圆光栅

光电型位置传感器还有光栅尺尺子移动方向莫尔条纹条纹移动方76第十章数控机床的闭环控制系统课件77第十章数控机床的闭环控制系统课件78干涉条纹的特点

当d=0.01mm，(l00线/毫米)θ=0.01弧度，纹距W=1mm，即利用挡光效应，可把光栅线距转换成放大100倍的摩尔条纹的宽度。表明莫尔条纹的节距是栅距的1／θ倍。(1)干涉条纹方向与标尺光栅的刻线几乎垂直。(2)放大作用:用W（mm）表示莫尔条纹的宽度，d(mm)表示栅距，θ(rad)为光栅线纹之间的夹角。d光栅节距摩尔条纹节距θW光栅倾角干涉条纹的特点当d=0.01mm，(l00线/毫米)θ79光栅尺的基本工作原理基于莫尔条纹，莫尔条纹可以：A.增强通过光栅的光线强度B.提高光栅刻度的分辨率C.仅作为放大光栅条纹D.放大光栅条纹，且起到平均光栅条纹间距作用光栅尺的基本工作原理基于莫尔条纹，莫尔条纹可以：A.增强通过80第十章数控机床的闭环控制系统课件81三。旋转变压器

旋转变压器是一种交流感应电机，外形小巧，结构简单牢固，输出信号强，抗干扰能力强。其工作原理与变压器类似，但次级线圈及铁心可旋转。三。旋转变压器旋转变压器是一种交流感应电机，外形小巧，结构82旋转变压器工作原理：两线圈的互感：线圈D加入交流电：线圈α感应电动势：K为变压器常数，即θ=0时的变比旋转变压器工作原理：两线圈的互感：线圈D加入交流电：线圈α83在次级上再加一线圈β：在次级上再加一线圈β：84实际的旋转变压器：实际的旋转变压器：85D、G线圈在α、β线圈上感应电压：

D对α、βG对α、βD、G线圈在α、β线圈上感应电压：D对α、βG对α、β86若在D、G两线圈加入：同理：若在D、G两线圈加入：同理：87旋转变压器工作时：A.转子上加正弦交流电，定子信号反映转角状态。B.定子上加正弦交流电，转子信号反映转角状态。旋转变压器工作时：A.转子上加正弦交流电，定子信号反映转角状88四。感应同步器直线型----测直线旋转型----测转角相当于展开的多级旋转变压器四。感应同步器直线型----测直线89感应同步器有两种工作方式：1。感应同步器在相位工作方式当A绕组与定尺间相对量为θ时B绕组与定尺间相对量为θ-90

感应同步器有两种工作方式：1。感应同步器在相位工作方式当A绕90第十章数控机床的闭环控制系统课件912。感应同步其工作在幅值工作方式Vo的相位不变，但其幅度变化：只要测出幅度变化，即可测出θ及位移x2。感应同步其工作在幅值工作方式Vo的相位不变，但其幅度变化92

控制电机

从工作原理上看，控制电机和普通电机没有本质上的差异，但普通电机功率大，侧重于电机的启动、运行和制动等方面的性能指标，而控制电机输出功率较小，侧重于电机控制精度和响应速度。

第三节交直流伺服电机及其驱动系统控制电机

从工作原理上看，控制电93控制电机按其功能和用途可分为信号检测和传递类控制电机及动作执行类控制电机两大类。执行电机包括伺服电机、步进电机和直线电机；信号检测和传递电机包括测速发电机、旋转变压器和自整角机等。在自动控制系统中，伺服电动机是一个执行元件，它的作用是把信号（控制电压或相位）变换成机械位移，也就是把接收到的电信号变为电机的一定转速或角位移。伺服电动机有直流和交流之分。第十章数控机床的闭环控制系统课件94伺服电动机

伺服电动机的作用是将输入的电压信号（即控制电压）转换成轴上的角位移或角速度输出。

在自动控制系统中常作为执行元件，所以伺服电动机又称为执行电动机。

伺服电动机伺服电动机的作用是将输入的电压95伺服电动机最大特点：

有控制电压时转子立即旋转，无控制电压时转子立即停转。转轴转向和转速是由控制电压的方向和大小决定的。

伺服电动机最大特点：96基本结构交流伺服电动机主要由定子和转子构成，如图所示。定子铁心通常用硅钢片叠压而成。定子铁心表面的槽内嵌有两相绕组，其中一相绕组是励磁绕组，另一相绕组是控制绕组。

1—外定子铁心；2—杯形转子；3—内定子铁心；4—转轴；5—轴承；6—定子绕组

杯形转子伺服电动机结构图特点：转子电阻大转动惯量小基本结构交流伺服电动机主要由定子和转子构成97空心杯交流伺服电机空心杯交流伺服电机98励磁绕组和控制绕组：

两相绕组在空间位置上互差90°电角度。工作时励磁绕组与交流励磁电源相连，控制绕组加控制信号电压

交流伺服电动机原理图一、交流伺服电动机励磁绕组和控制绕组：交流伺服电动机原理图99

转子的形式有两种:笼式转子空心杯转子转子:转子的形式有两种:转子:100

工作原理

交流伺服电动机的工作原理和电容分相式单相异步电动机相似。在没有控制电压时，气隙中只有励磁