第五-伺服驱动系统-课件

第五章伺服驱动系统第一节伺服系统概述第二节伺服系统中常用的检测装置第三节步进电机极其驱动系统第四节直流电机与速度控制第五节交流电机与速度控制第六节主轴控制第七节位置控制第五章伺服驱动系统第一节伺服系统概述1第一节伺服系统概述

伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。一、数控机床伺服系统的分类二、数控机床对伺服系统的要求第一节伺服系统概述 伺服系统是指以机械位置或角度作为控2一、数控机床伺服系统的分类按伺服系统调节理论，可分为开环、闭环和半闭环系统。按驱动部件的动作原理：电液控制系统电气控制系统步进电动机驱动系统直流伺服系统交流伺服系统按反馈比较控制方式，有脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统和全数字伺服系统。按控制对象和使用目的，主要分为进给、主轴、辅助驱动一、数控机床伺服系统的分类按伺服系统调节理论，可分为开环、闭3 ⑴进给驱动控制机床各坐标轴的切削进给运动，是一种精密的位置跟踪与定位系统，它包括速度控制和位置控制。 ⑵主轴驱动控制机床主轴的旋转运动和切削过程中的转矩和功率，一般以速度控制为主。 ⑶辅助驱动控制刀库、料库等辅助系统，多采用简单的位置控制。 ⑴进给驱动控制机床各坐标轴的切削进给运动，是一种精4闭环进给伺服系统闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上，检测装置测出实际位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给CNC装置，与指令进行比较，求得差值，依此构成闭环位置控制。闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。位置控制模块速度控制单元伺服电机

工作台

位置检测测量反馈伺服驱动装置速度环速度检测位置环闭环进给伺服系统闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工5半闭环进给伺服系统半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在电动机轴上，用以精确控制电机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动部件，将角度转换成工作台的位移，为间接测量(图6-3)。即坐标运动的传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差没有得到系统的补偿，因而半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。目前在精度要求适中的中小型数控机床上，使用半闭环系统较多。位置比较速度控制

工作台伺服电机位置反馈速度反馈指令+图6-3半闭环伺服系统简图－半闭环进给伺服系统位置比较速度控制工作台位置反馈速度反馈6开环进给伺服系统开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，它没有位置反馈回路和速度反馈回路，因此设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小，被用于中、低档数控机床及普通机床改造。如图6-2为开环伺服系统简图，步进电机转过的角度与指令脉冲个数成正比，其速度由进给脉冲的频率决定。工作台驱动器图6-2开环伺服系统简图指令脉冲步进电机齿轮箱开环进给伺服系统工作台驱动器图6-2开环伺服系统简图指令脉冲7二、数控机床对伺服系统的要求数控机床对伺服系统的要求可归纳为以下几方面： 1.高精度要求伺服系统的定位误差特别是重复定位误差小，跟随误差小。 2.快速响应，无超调加工过程中，要求加减速度足够大，以便缩短伺服系统过渡过程时间。 3.电机调速范围宽加工工件的种类、加工用刀具的不同，为保证在任何条件下都能得到最佳切削状态，要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围。 4.低速大扭矩根据机床加工的特点，大都是在低速进行重切削，即在低速时，进给驱动系统能够提供足够大的扭矩。 5.可靠性高对环境的适应性强，性能稳定，使用寿命长平均故障间隔时间长。二、数控机床对伺服系统的要求数控机床对伺服8第二节伺服系统中常用的检测装置

检测装置是数控机床伺服系统的重要组成部分。它的作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构成半闭环、闭环系统。第二节伺服系统中常用的检测装置 检测装置是数控机床伺服9检测装置的性能检测装置的性能指标主要反应在其动态特性和静态特性上。静态特性包括精度、分辨率、灵敏度、测量范围和量程、迟滞、零漂与温漂。 检测装置的精度指标主要包括系统精度和系统分辨率。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系统分辨率是测量元件所能正确检测的最小位移量动态特性主要指检测装置的输出量对随时间变化的输入量的响应特性。检测装置的性能检测装置的性能指标主要反应在其动态特性和静态特10常用位置检测元件及分类常用位置检测元件及分类11一、旋转变压器模拟型，增量式一、旋转变压器模拟型，增量式12二、感应同步器非接触式模拟式测量。 两个其间保持均匀气隙的平面形印刷绕组，相对平行移动时，根据交变磁场和互感原理而工作的。直线型感应同步器：测量直线位移,由定尺和滑尺组成；圆形感应同步器:测量角位移,由转子和定子组成。（一）感应同步器的结构（二）感应同步器的工作原理（三）感应同步器输出信号的处理方式（四）感应同步器的特点二、感应同步器非接触式模拟式测量。13（一）感应同步器的结构 定尺为连续绕组 滑尺为分段绕组，分为正弦绕组和余弦绕组两部分 节距一定，滑尺的正弦绕组与定尺绕组错开1/4节距。（一）感应同步器的结构 定尺为连续绕组14第五-伺服驱动系统-课件15（二）感应同步器的工作原理

感应同步器根据电磁感应原理而工作。感应电势的变化，来检测在一个节距w内的位移量。

（二）感应同步器的工作原理 16（三）感应同步器输出信号的处理方式⒈鉴相方式 根据感应输出电压的相位来检测位移。⒉鉴幅方式 根据定尺输出的感应电势的幅值变化来检测位移（三）感应同步器输出信号的处理方式⒈鉴相方式17（四）感应同步器的特点精度高其输出的电压是许多对极感应电压的平均值，在误差均化的作用下，使所得到的测量精度比元件本身的制造精度高得多。可用于长距离位移测量直线型感应同步器可方便地利用多根定尺接长来满足较大测量范围的要求。对环境的适应性强它是利用电磁感应原理产生信号，所以不怕油污和灰尘污染，测量信号与位置一一对应，不易受干扰。使用寿命长，维护简单。工艺性好，成本低。（四）感应同步器的特点精度高其输出的电压是许多对极感应电18三、光栅光栅是利用光的透射、反射和干涉现象制成的一种光电检测装置。物理光栅通常用于光谱分析和光波波长的测定。计量光栅通常用于数字检测系统，用来检测高精度直线位移和角度位移三、光栅光栅是利用光的透射、反射和干涉现象制成的一种光电检测19计量光栅的种类及结构种类：1.直线光栅⑴玻璃透射光栅⑵金属反射光栅2.圆光栅 测量角位移。圆光栅是在玻璃圆盘的外环端面上，做成黑白间隔条纹，条纹呈辐射状、相互间的夹角相等。结构：标尺光栅+读数头 计量光栅的种类及结构种类：20图5-19光栅测量系统

光栅测量系统如图所示，由光源、聚光镜、光栅尺、光电元件和驱动线路组成。读数头光源采用普通的灯泡，发出辐射光线，经过聚光镜后变为平行光束，照射光栅尺。光电元件（常使用硅光电池）接受透过光栅尺光强信号，并将其转换成相应的电压信号。由于此信号比较微弱，在长距离传递时，很容易被各种干扰信号淹没，造成传递失真，驱动线路的作用就是将电压信号进行电压和功率放大。

除标尺光栅与工作台一起移动外，光源、聚光镜、指示光栅、光电元件和驱动线路均装在一个壳体内，作成一个单独部件固定在机床上，这个部件称为光栅读数头，又叫光电转换器，其作用把光栅莫尔条纹的光信号变成电信号。图5-19光栅测量系统光栅测量系统如图所示，由光源21（二）直线透射光栅的工作原理标尺光栅和指示光栅具有间距很小的光栅刻线，二者间有一小夹角，使得其透射或反射光产生莫尔条纹，莫尔条纹间距W（mm）与栅距P(mm)及其间夹角θ之间的关系为：

当标尺光栅与指示光栅相对移动时，照射到光敏元件上的莫尔条纹也移动，光敏元件输出反映两尺相对移动量的正弦电信号，对其进行整形、细分、辨向等处理即可得到表示位移量的电脉冲。（二）直线透射光栅的工作原理标尺光栅和指示光栅具有2223工作原理

当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一小角度放置时，两光栅尺上线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠，形成黑色条纹，其它部分为明亮条纹，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列。严格地说，是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。23工作原理当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹23莫尔条纹具有如下特点：1.放大作用用W（mm）表示莫尔条纹的宽度，P(mm)表示栅距，θ为光栅线纹之间的夹角，则有莫尔条纹宽度W与θ角成反比，θ越小，放大倍数越大。2.均化误差作用莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，例如，200条/mm的光栅，10mm宽的光栅就由2000条线纹组成，这样栅距之间的固有相邻误差就被平均化了，消除了栅距之间不均匀造成的误差。θ标尺光栅W指示光栅（斜）P莫尔条纹具有如下特点：莫尔条纹宽度W与θ角成反比，θ越小，放243.莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例当光栅尺移动一个栅距P时，莫尔条纹也刚好移动了一个条纹宽度W。只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，就可知道光栅移动了多少个栅距，工作台移动的距离可以计算出来。若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反。θ标尺光栅W指示光栅（斜）P标尺方向指示尺转角θ方向莫尔条纹方向标尺方向指示尺转角θ方向莫尔条纹方向3.莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例θ标尺光栅W指示光栅（25（三）光栅位移－数字转换系统当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个条纹宽度，理论上光栅亮度变化是一个三角波形，但由于漏光和不能达到最大亮度，被削顶削底后而近似一个正弦波。硅光电池将近似正弦波的光强信号变为同频率的电压信号，经光栅位移—数字变换电路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了一个栅距那么大的位移，通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。光栅位移电压O图5-21光栅的输出波形图光栅位移O光栅的实际亮度变化亮度（三）光栅位移－数字转换系统光栅位移电压O图5-21光栅的26

采用一个光电元件即只开一个窗口观察，只能计数，却无法判断移动方向。因为无论莫尔条纹上移或下移，从一固定位置看其明暗变化是相同的。为了确定运动方向，至少要放置两个光电元件，两者相距1/4莫尔条纹宽度。当光栅移动时，莫尔条纹通过两个光电元件的时间不同，所以两个光电元件所获得的电信号虽然波形相同，但相位相差90o。根据两光电元件输出信号的超前和滞后，可以确定标尺光栅移动方向。增加线纹密度，能提高光栅检测装置的精度，但制造较困难，成本高。在实际应用中，既要提高测量精度，同时又能达到自动辨向的目的，通常采用倍频或细分的方法来提高光栅的分辨精度，如果在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元件，每隔1/4光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动了1/4栅距那么大位移，分辨精度可提高四倍，这就是四倍频方案。采用一个光电元件即只开一个窗口观察，只能计数，却无法27P1、P3信号是相位差180o的两个信号，差动得正弦信号。同理，P2、P4信号送另一个差动放大器，得余弦信号。正余弦经整形变成方波A和B，为使每隔1/4节距都有脉冲，把A、B各自反向一次得C、D信号，A、B、C、D信号再经微分变成窄脉冲A′、B′、C′、D′，即在正走或反走时每个方波的上升沿产生窄脉冲，由与门电路把0o、90o、180o、270o四个位置上产生的窄脉冲组合起来，根据不同的移动方向形成正向或反向脉冲。图中的P1、P2、P3、P4是四块硅光电池，产生的信号相位彼此相差90o。Y6微分微分微分整形P1P2P4P3

差动放大器

差动放大器整形反相反相Y1Y2Y3Y4Y5Y7Y8微分

BA

D

Ca)原理电路图正向运动时，用与门Y1～Y4及或门H1，得到A’B+AD’+C’D+B’C的四个输出脉冲；反向运动时，用与门Y5～Y8及或门H2，得到BC’+CD’+A’D+AB’的四个输出脉冲P1、P3信号是相位差180o的两个信号，差动得正弦信号。同28其波形图sincosABCDA′B′C′D′正向相加A’B+AD’+C’D+B’C反向相加BC’+CD’+A’D+AB’图5-22四倍频辨向电路波形其波形图sincosABCDA′B′C′D′正向相加A’29返回课件首页返回本章首页

若光栅栅距0.01mm，则工作台每移动0.0025mm，就会送出一个脉冲，即分辨率为0.0025mm。由此可见，光栅检测系统的分辨力不仅取决于光栅尺的栅距，还取决于鉴向倍频的倍数。除四倍频以外，还有十倍频、二十倍频等。返回课件首页返回本章首页若光栅栅距0.01mm，则工30（四）光栅的特点⑴精度高⑵可用于大量程测量⑶可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化⑷具有较强的抗干扰能力⑸怕震动和油污⑹高精度光栅制造成本高（四）光栅的特点⑴精度高31四、磁尺四、磁尺32五、编码器 旋转式的检测角位移的传感器，并将角位移用数字(脉冲)形式表示，故又称脉冲编码器。也常用它作为速度检测元件。

按码盘信号的读取方式可分为光电式、接触式和电磁式。

按测量的坐标系可分为增量式和绝对式。五、编码器 旋转式的检测角位移的传感器，并将角位移用数字(33

脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。脉冲编码器可分为增量式与绝对式两类。

从产生元件上分，脉冲编码器有光电式、接触式、电磁感应式三种，从精度和可靠性来看，光电式较好，数控机床上主要使用的是光电式脉冲编码器。型号用脉冲数/转（p/r）分，常用的2000，2500，3000p/r,现在有10万p/r以上的产品。它可以用于角度检测，也可用于速度检测。通常它与电机做成一体，或安装在非轴伸端。脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转34a)b)（一）绝对式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。绝对式编码器有光电式、接触式和电磁式三种，以接触式四位绝对编码器为例来说明其工作原理。

如图所示为二进制码盘。它在一个不导电基体上作成许多金属区使其导电，其中有剖面线部分为导电区，用“1”表示；其它部分为绝缘区，用“0”表示。每一径向，由若干同心圆组成的图案代表了某一绝对计数值，a)35

通常，我们把组成编码的各圈称为码道，码盘最里圈是公用的，它和各码道所有导电部分连在一起，经电刷和电阻接电源负极。在接触式码盘的每个码道上都装有电刷，电刷经电阻接到电源正极（图5-11b）。当检测对象带动码盘一起转动时，电刷和码盘的相对位置发生变化，与电刷串联的电阻将会出现有电流通过或没有电流通过两种情况。若回路中的电阻上有电流通过，为“1”；反之，电刷接触的是绝缘区，电阻上无电流通过，为“0”。如果码盘顺时针转动，就可依次得到按规定编码的数字信号输出，图示为4位二进制码盘，根据电刷位置得到由“1”和“0”组成的二进制码，输出为0000、0001、0010……1111。通常，我们把组成编码的各圈称为码道，码盘最里圈36

由图5-11可以看出，码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。其分辨角θ＝360o/24=22.5o，若是n位二进制码盘，就有n圈码道，分辨角θ＝360o/2n，码盘位数越大，所能分辨的角度越小，测量精度越高。若要提高分辨力，就必须增多码道，即二进制位数增多。目前接触式码盘一般可以做到9位二进制，光电式码盘可以做到18位二进制。由图5-11可以看出，码道的圈数就是二进制37图5-12四位二进制码盘非单值性误差

用二进制代码做的码盘，如果电刷安装不准，会使得个别电刷错位，而出现很大的数值误差。如图5-12，当电刷由位置0111向1000过渡时，可能会出现从8（1000）到15（1111）之间的读数误差，一般称这种误差为非单值性误差。为消除这种误差，可采用葛莱码盘。图5-12四位二进制码盘非单值性误差用二进38

图5-13为葛莱码盘，其各码道的数码不同时改变，任何两个相邻数码间只有一位是变化的，每次只切换一位数，把误差控制在最小范围内。二进制码转换成葛莱码的法则是：将二进制码右移一位并舍去末位的数码，再与二进制数码作不进位加法，结果即为葛莱码。

图5-13葛莱码盘

例如，二进制码1101对应的葛莱码为1011，其演算过程如下：1101（二进制码）1101（不进位相加，舍去末位）1011（葛莱码）图5-13为葛莱码盘，其各码道的数码不同时改变，任何39（二）增量式脉冲编码器

分辨力：光电式脉冲编码器通常与电机做在一起，或者安装在电机非轴伸端，电动机可直接与滚珠丝杠相连，或通过减速比为i的减速齿轮，然后与滚珠丝杠相连，那么每个脉冲对应机床工作台移动的距离可用下式计算：式中δ—脉冲当量（mm/脉冲）；S—滚珠丝杠的导程（mm）；i—减速齿轮的减速比；M—脉冲编码器每转的脉冲数（p/r）i1个脉冲（θ）-----------------------------------------δmmM个脉冲(360º，1转)—M/i个脉冲（1/i转）----S×1/imm推导：（二）增量式脉冲编码器式中i1个脉冲（θ）----40结构及工作原理：结构及工作原理：41

圆光栅是用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬，然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上等分，其数量从几百条到几千条不等。指示光栅也用玻璃材料研磨抛光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。圆光栅与工作轴连在一起，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，光电元件把通过圆光栅和指示光栅射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大、和微分处理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求出速度。

光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、圆光栅、指示光栅、光电元件和信号处理电路等组成（如图）。圆光栅是用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀42电流AB节距ωtA1B1900脉冲编码器输出波形

为了判断旋转方向，指示光栅的两个窄缝彼此错开1/4节距，使两个光电元件输出信号相位差900。如图5-15所示，A、B信号为具有900相位差的正弦波，经放大和整形变为方波A1、B1。设A相比B相超前时为正方向旋转，则B相超前A相就是负方向旋转，利用A相与B相的相位关系可以判别旋转方向。此外，在光电盘的里圈不透光圆环上还刻有一条透光条纹，用以产生每转一个的零位脉冲信号，它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲。辨向技术电流AB节距ωtA1B1900脉冲编码器输出波形43

在数控机床上，光电脉冲编码器作为位置检测装置，用在数字比较伺服系统中，将位置检测信号反馈给CNC装置。

图示为辨向环节框图和波形图。脉冲编码器输出的交变信号A,Ā,BB，经过差分驱动和差分接收进入CNC装置，再经过整形放大电路变成二个方波系列A1,B1。将A1和它的反向信号Ā1微分（上升沿微分）后得到和脉冲系列，作为加、减计数脉冲。差分整形放大Y1微分差分整形放大Y2微分辨向环节框图加计数减计数

B1路方波信号被用作加、减计数脉冲的控制信号，正走时（A超前B），由Y2门输出加计数脉冲，此时Y1门输出为低电平（图5-16）；反走时（B超前A），由Y1门输出减计数脉冲，此时Y2门输出为低电平。这种读数方式每次反映的都是相对于上一次读数的增量，而不能反映转轴在空间的绝对位置，所以是增量读数法。在数控机床上，光电脉冲编码器作为位置检测装置44图5-16辨向环节波形图图5-16辨向环节波形图45

光电脉冲编码器用于数字脉冲比较伺服系统的工作原理如下：光电脉冲编码器与伺服电机的转轴连接，随着电机的转动产生脉冲序列，其脉冲的频率将随着转速的快慢而升降。若工作台静止，指令脉冲和反馈脉冲都为零，两路脉冲送入数字脉冲比较器中进行比较，结果输出也为零。因伺服电机的速度给定为零，工作台依然不动。随着指令脉冲的输出，指令脉冲不为零，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲仍为零，比较器输出指令信号与反馈信号的差值，经放大后，驱动电机带动工作台移动。电机运转后，光电脉冲编码器将输出反馈脉冲送入比较器，与指令脉冲进行比较，如果偏差不为零，工作台继续移动，不断反馈，直到偏差为零，即反馈脉冲数等于指令脉冲数时，工作台停在指令规定的位置上。放大环节

指令信号

比较器

伺服电机

反馈信号

工作台

数字比较伺服系统应用光电脉冲编码器用于数字脉冲比较伺服系统的工作原理如下46第三节步进电机及其驱动系统

一、步进电机的工作原理和性能指标（一）步进电机的分类（二）步进电机的结构和工作原理（三）步进电机的主要性能指标二、步进电机的驱动和控制技术第三节步进电机及其驱动系统 一、步进电机的工作原理和性47一、步进电机的工作原理和性能指标 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移的控制电动机。 步进电动机定子绕组所加的电源是脉冲电压、电流。 步进电动机的运动状态是步进形式的，角位移由脉冲数控制，转速由脉冲频率控制，旋转方向由分配脉冲的相序控制。 特点：一、步进电机的工作原理和性能指标 步进电动机是一种将电脉冲48（一）分类⑴按运动方式：有旋转式、直线运动式、平面运动式。⑵按工作原理： 反应式(磁阻式-VR,variablereluctance) 永磁式(PM,permanentmagnet)

电磁式(混合式-HB,hybrid)。⑶按使用场合：有功率步进电机和控制步进电机。⑷按电机结构：有单段式、多段式、印刷绕组式。⑸按工作相数：有三相、四相、五相、六相和八相。⑹按使用频率：有高频步进电机和低频步进电机。（一）分类⑴按运动方式：有旋转式、直线运动式、平面运动式。49（二）步进电动机的工作原理

1.反应式步进电机的结构和工作原理(1)反应式步进电动机的结构定子铁心：六个均匀分布的磁极，沿直径相对两个极上的线圈串联，构成一相励磁绕组。极与极之间的夹角为60°，每个定子磁极上均匀分布齿，齿槽距相等，齿距角相等。转子铁心上无绕组，只有均匀分布的齿，齿槽距相等，齿距角等于定子铁心齿距角三相定子磁极上的齿依次错开1／3齿距（二）步进电动机的工作原理

1.反应式步进电机的结构和工作原50(2)反应式步进电动机的工作原理磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩各相定子齿之间彼此错齿1／m齿距，ｍ为相数单3拍，双3拍，3相6拍通电方式改变通电相-〉平衡点变化，连续改变通电状态-〉转子转动(2)反应式步进电动机的工作原理51反应式步进电机的特点①控制十分方便。指令脉冲数决定步进电动机的转动步数，即角位移的大小(位置)；指令脉冲的频率决定它的旋转速度；改变定子绕组的通电顺序，就可以控制其转向。②气隙小。从电动机性能上看，在励磁电流相伺时，气隙越小，磁通密度越高，电磁转矩越大。在定、转子齿对齐的状态下，气隙越小，定位精度越高。一般气隙约在30-50μm范围内。③步距角小。因为定、转子是采用软磁材料制成的，靠磁阻变化产生转矩。在机械加工允许的情况下，转子齿数可以做得很多，所以步距角可以很小。④励磁电流较大。要求驱动电源功率较大，而效率较低。⑤电机的内部阻尼较小。当相数较少时，单步运行振荡时间较长。⑥带惯性负载能力差，尤其是在高速时容易失步。⑦断电后无定位转矩。反应式步进电机的特点①控制十分方便。指令脉冲数决定步进电动机522．永磁式步进电动机(PM) 转子或定子的某一方具有永久磁钢，另一方由软磁材料制成。特点是：(1)步距角大。一个圆周上能形成的磁极数受到极弧尺寸的限制，不能太多，所以它的步距角不能太小。 (2)控制功率小，效率高。 (3)内阻尼较大，单步振荡时间短。 (4)断电后具有一定的定位转矩。2．永磁式步进电动机(PM) 转子或定子的某一方具有永久磁53第五-伺服驱动系统-课件543．永磁感应子式步进电动机(混合式) 特点是： (1)控制功率小，效率高。(2)步距角小。 (3)运行频率高 (4)外径较小 (5)断电后具有一定的定位转矩。 (6)永磁易去磁，会有振荡和失步区。3．永磁感应子式步进电动机(混合式) 特点是：55式中：θ—步进电机的步距角；m—电机相数；

Z—转子齿数；K—系数，相邻两次通电相数相同，K＝1；相邻两次通电相数不同，K＝2。步距误差：指步进电机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。连续走若干步时，步距误差的累积值称为步距的累积误差。步进电机转过一转后，将重复上一转的稳定位置，即步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。1.

步距角和步距误差

步距角：步进电动机每步的转角，反应式步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下：（三）步进电机的主要性能指标同一相数的步进电机可有两种步距角，通常为1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。式中：θ—步进电机的步距角；1.

步距角和步距误差（三）步56⒉最大静转矩与矩角特性

当步进电机上某相定子绕组通电之后，若不改变通电状态，转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（θ＝0）。如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度θ，角度θ称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角θ的关系叫矩角特性，如图所示，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（θ＝0）。最大静转矩⒉最大静转矩与矩角特性当步进电机上某相定子绕组通电之57

**保持转矩（HOLDING

TORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。DETENT

TORQUE

是指永磁式步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。**保持转矩（HOLDING

TORQUE）是指步进58最大启动转矩如图所示矩角特性,若负载转矩为Ma，当A相通电时，对应的失调角为θa

，当励磁电流由A相切换到B相时，对应失调角的静转矩为Mb。从图中看出Mb<Ma,电机不能带动负载做步进运动，因而启动转矩是电机能带动负载转动的极限转矩。分析相邻A相和B相通电时的静态矩角特性曲线可知，它们的交点所对应的转矩是步进电机的最大启动转矩Mq。如果外加负载转矩大于Mq，电机就不能启动。

bABCMbMqMaMθθa最大启动转矩

bABCMbMqMaM593.（空载）启动频率fq 在空载时步进电动机由静止突然起动，进入不丢步正常运行的最高频率，称为起动频率或突跳频率。加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作，可能发生丢步或堵转。 步进电动机起动时，既要克服负载力矩，又要克服运转部分的惯性矩，电动机的负担比连续运转时重，因此起动频率要比连续运行频率低得多。

步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。3.（空载）启动频率fq 604．（空载）运行频率fMAX 步进电动机在空载起动后，能不丢步连续运行的最高脉冲重复频率称做空载运行频率4．（空载）运行频率fMAX615.起动矩频特性 当步进电动机带着一定的负载转矩起动时，电动机轴上的加速转矩为电磁转矩与负载转矩之差。负载转矩越大，加速转矩就越小，电动机就不易转起来。因此，其起动频率随着负载的增加而下降。步进电动机起动频率与负载力矩间的关系称做起动矩频特性。5.起动矩频特性 当步进电动机带着一定的负载转矩起动时，626．运行矩频特性

定义：步进电动机连续稳定运行时，输出转矩与连续运行频率之间的关系称为运行矩频特性描述。该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。特性：当步进电机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。

缘由：随着连续运行频率的上升，频率越高，电动机绕组的感抗越大，绕组中的电流波形变坏，幅值变小，从而使输出转矩下降，承载能力下降。6．运行矩频特性 定义：步进电动机连续稳定运行时，输出转矩与63矩频特性

失步转矩启动转矩自启动转区保持转矩带载转区Tf矩频特性失步转矩启动转矩自启动转区保持转矩带载转区64二、步进电机的驱动和控制技术对驱动电源的基本要求如下：(1)电源的相数、通电方式、电压、电流应与步进电动机的基本参数相适应；(2)能满足步进电动机起动频率和运行频率的要求； (3)工作可靠，抗干扰能力强； (4)成本低，效率高，安装和维护方便。 驱动电源㈠环型分配器㈡功率驱动器二、步进电机的驱动和控制技术对驱动电源的基本要求如下：65二、步进电机的驱动和控制技术步进电机驱动电路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号。驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成。环形分配器：环形分配器用于控制步进电机的通电方式，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上，控制各相绕组的通电、断电。环形分配器功能可由硬件或软件产生，硬件环形分配器是根据步进电机的相数和控制方式设计的，数控机床上常用三相、四相、五相及六相步进电机。现介绍三相六拍步进电机环形分配器的工作原理。二、步进电机的驱动和控制技术66若“1”表示通电，“0”表示断电，对于三相六拍步进电机正向旋转，正向控制端状态置“1”，反向控制端状态置“0”。初始时，在预置端加上预置脉冲，将三个触发器置为100状态，当在CP端送入一个脉冲时，环形分配器就由100状态变为110状态，随着指令脉冲的不断到来，各相通电状态不断变化，按照100→110→010→011→001→101即A→AB→B→BC→C→CA次序通电。步进电机反转时，由反向控制信号“1”状态控制（正向控制为“0”），通电次序为A→CA→C→CB→B→BA→A。JA

KA

JB

KB

JC

KC

SA相B相C相RRCP指令脉冲置零正反

硬件环形分配器是根据真值表或逻辑关系式采用逻辑门电路和触发器来实现的。如图所示，该线路由与非门和J-K触发器组成。指令脉冲加到三个触发器的时钟输入端CP，旋转方向由正、反控制端的状态决定。QA,QB,QC为三个触发器的Q端输出，连到A、B、C三相功率放大器。若“1”表示通电，“0”表示断电，对于三相六拍步进电机正向旋67

软件环形分配器实现较为简单、方便。计算机控制的步进电机驱动系统中，使用软件实现脉冲分配，常用的是查表法。例如对于三相六拍环形分配器，每当接收到一个进给脉冲指令，环形分配器软件根据真值表，按顺序及方向控制A、B、C的值输出到接口即可。如果上一个进给脉冲到来时，控制输出的A、B、C的值是100，则对于下一个正向进给脉冲指令，控制输出接口输出的值是110，再下一个正向进给脉冲，应是010，而使步进电机正向地旋转起来。序号

A

B

C

方向

1

1

0

0

2

1

1

0

3

0

1

0

4

0

1

1

5

0

0

1

6

1

0

1

反转

正转

三相六拍环形分配器真值表软件环形分配器实现较为简单、方便。计算机控制的步进68环形分配器输出为高电平时，T饱和导通，绕组电流按指数曲线上升，电路时间常数τ=L/(Ra+Rc)，它表示功放电路在导通时允许步进电机绕组电流上升的速率。串联电阻Rc可以使电流上升时间减小，改善带负载能力。但电阻消耗了一部分功率，降低了效率。当环形分配器输出为低电平时，T截止，绕组断电，因步进电机的绕组是电感性负载，当T管从饱和到突然截止的瞬间，将产生一较大反电势，此反电势与电源电压叠加在一起加在T管的集电极上，可能会使T管击穿。

功率放大器的作用是将环形分配器发出的电平信号放大至几安培到几十安培的电流送至步进电机各绕组，每一相绕组分别有一个功率放大电路。以下介绍三种典型的驱动电路：单电压简单驱动、高低压驱动和恒流斩波驱动电路。单电压功放电路，L为步进电机励磁绕组的电感，Ra为绕组电阻，Rc为外接电阻，电阻Rc并联一电容C，可以提高负载瞬间电流的上升率，从而提高电动机快速响应能力和启动性能。前置放大输入TRcRdVDRaUC单电压驱动电路原理图L环形分配器输出为高电平时，T饱和导通，绕组电流按指数69

因此，续流二极管D和电阻Rd接在T管集电极和电源之间，组成放电回路，使T管截止瞬间电机产生的反电势通过二极管D续流作用而衰减掉，从而保护晶体管不受损坏。图6-11为电流波形，可见电流波形前沿不陡，绕组电流缓慢增加，而使电机带负载能力下降。单电压驱动电路的优点是线路简单，缺点是电流上升不够快，高频时带负载能力低。前置放大输入VRcRdVDRaUC单电压驱动电路原理图it单电压驱动电流波形因此，续流二极管D和电阻Rd接在T管集电极和电源70高低压电路，这种电路特点是高压充电，低压维持。当环形分配器输出高电平时，两只功率放大管T1，T2同时导通，电机绕组以＋80V高压供电，绕组电流快速上升，前沿很陡，当接近额定电流时，单稳延时时间到，T1管截止，改由低压＋12V供电，维持绕组额定电流。若高低压之比为U1/U2，则电流上升也提高U1/U2倍，上升时间明显减小。当低压断开时，电感中储能通过构成的放电回路放电，因此也加快了放电过程。这种供电线路由于加快了绕组电流的上升和下降过程，有利于提高步进电机的启动频率和最高连续工作频率。由于额定电流是由低压维持的，只需较小的限流电阻，功耗小。该电路能在较宽的频率范围内有较大的平均电流，能产生较大且较稳定的电磁转矩，缺点是高低压电路波形连接处有凹形．单稳延时前置放大前置放大U1＋80V＋12VU2

VD2VD1R1R2

Lt1t2T1T2高低压驱动电路原理图高低压驱动电流波形高低压电路，这种电路特点是高压充电，低压维持。当环形分配器输71

恒流斩波驱动电路：环形分配器输出的正脉冲将T1，T2导通，由于U1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上的某一数值时，由于采样电阻Re的反馈作用，经整形、放大后送自T1的基极，使T1管截止。接着绕组由U2低压供电，绕组中的电流立即下降，但刚降到额定值以下时，由于采样电阻Re的反馈作用，使整形电路无信号输出，此时高压前置放大电路又使T1导通，电流又上升。如此反复进行，形成一个在额定电流值上下波动呈锯齿状的绕组电流波形（见图），近似恒流。高压前置放大低压前置放大控制门整形U1U1VD1U2VD2T1RT2RaLRe恒流斩波驱动电路原理图输入恒流斩波驱动电流波形恒流斩波驱动电路：环形分配器输出的正脉冲将72

开环控制步进式伺服系统的工作原理1.工作台位移量的控制数控装置发出N个脉冲，经驱动线路放大后，使步进电机定子绕组通电状态变化N次，如果一个脉冲使步进电机转过的角度为α，则步进电机转过的角位移量Φ＝Nα，再经减速齿轮、丝杠、螺母之后转变为工作台的位移量L，即进给脉冲数决定了工作台的直线位移量L。2.工作台进给速度的控制数控装置发出的进给脉冲频率为f，经驱动控制线路，表现为控制步进电机定子绕组的通电、断电状态的电平信号变化频率，定子绕组通电状态变化频率决定步进电机的转速，该转速经过减速齿轮及丝杠、螺母之后，体现为工作台的进给速度V，即进给脉冲的频率决定了工作台的进给速度。3.工作台运动方向的控制改变步进电机输入脉冲信号的循环顺序方向，就可改变定子绕组中电流的通断循环顺序，从而使步进电机实现正转和反转，相应的工作台进给方向就被改变。

开环控制步进式伺服系统的工作原理73第四节直流伺服电机与速度控制 一、直流伺服电机结构电动机本体：机壳、定子磁极和转子三部分检测部件：高精度的测速发电机，旋转变压器以及脉冲编码器等，它们同轴安装在电动机的尾部。第四节直流伺服电机与速度控制 一、直流伺服电机结构74二、常用直流电机⒈小惯量直流伺服电机⒉宽调速直流伺服电机三、直流伺服电机的速度控制：改变转子回路外接电压1.晶闸管调速控制方式2.晶体管脉宽调速控制方式二、常用直流电机75第五节交流伺服电机与速度控制 分为同步型和异步型两大类。同步型交流伺服电动机又有永磁式和励磁式两种。数控机床进给伺服系统中多采用永磁同步交流伺服电动机一、交流伺服电机的结构由三部分组成：

定子、转子和检测元件。定子具有齿槽，内有三相绕组转子由多块永久磁铁和冲片组成。第五节交流伺服电机与速度控制 分为同步型和异步型两大76二、永磁同步交流伺服电动机工作原理 定子三相绕组接上交流电源后，就会产生一个旋转磁场，以同步转速n旋转。定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极互相吸引，井带着转子一起旋转。使转子也以同步转速旋转。

二、永磁同步交流伺服电动机工作原理 定子三相绕组接上交流电77三、永磁同步交流伺服电动机的变频调速SPWM调速三、永磁同步交流伺服电动机的变频调速SPWM调速78第六节主轴驱动

主轴的工作运动通常为旋转运动。主轴驱动系统应该具有宽的调速范围，而且能在尽可能宽的调速范围内保持恒功率输出。随着人们对高生产率及高刀具利用率的追求，对机床主轴的速度和功率的要求在不断地提高。 数控加工要求主轴既能正转，又能反转，而且在两个转向中都能快速制动，即要求主轴驱动系统具有四个象限的驱动能力。直流主轴电动机及其速度控制交流主轴电动机及其速度控制第六节主轴驱动 主轴的工作运动通常为旋转运动。主轴驱动79第七节位置控制一、脉冲比较伺服系统二、相位比较伺服系统三、幅值比较伺服系统第七节位置控制一、脉冲比较伺服系统80习题1．数控机床对伺服系统提出了哪些基本要求？试按这些基本要求，对开环、半闭环、闭环伺服系统进行综合比较，说明它们的应用特点。2．试简述感应同步器的结构。3．透射光栅中的莫尔条纹有何作用？4．简述反应式步进电动机的工作原理。5．反应式步进电动机有哪些主要技术参数？习题1．数控机床对伺服系统提出了哪些基本要求？试按这81第五章伺服驱动系统第一节伺服系统概述第二节伺服系统中常用的检测装置第三节步进电机极其驱动系统第四节直流电机与速度控制第五节交流电机与速度控制第六节主轴控制第七节位置控制第五章伺服驱动系统第一节伺服系统概述82第一节伺服系统概述

伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。一、数控机床伺服系统的分类二、数控机床对伺服系统的要求第一节伺服系统概述 伺服系统是指以机械位置或角度作为控83一、数控机床伺服系统的分类按伺服系统调节理论，可分为开环、闭环和半闭环系统。按驱动部件的动作原理：电液控制系统电气控制系统步进电动机驱动系统直流伺服系统交流伺服系统按反馈比较控制方式，有脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统和全数字伺服系统。按控制对象和使用目的，主要分为进给、主轴、辅助驱动一、数控机床伺服系统的分类按伺服系统调节理论，可分为开环、闭84 ⑴进给驱动控制机床各坐标轴的切削进给运动，是一种精密的位置跟踪与定位系统，它包括速度控制和位置控制。 ⑵主轴驱动控制机床主轴的旋转运动和切削过程中的转矩和功率，一般以速度控制为主。 ⑶辅助驱动控制刀库、料库等辅助系统，多采用简单的位置控制。 ⑴进给驱动控制机床各坐标轴的切削进给运动，是一种精85闭环进给伺服系统闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上，检测装置测出实际位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给CNC装置，与指令进行比较，求得差值，依此构成闭环位置控制。闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。位置控制模块速度控制单元伺服电机

工作台

位置检测测量反馈伺服驱动装置速度环速度检测位置环闭环进给伺服系统闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工86半闭环进给伺服系统半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在电动机轴上，用以精确控制电机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动部件，将角度转换成工作台的位移，为间接测量(图6-3)。即坐标运动的传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差没有得到系统的补偿，因而半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。目前在精度要求适中的中小型数控机床上，使用半闭环系统较多。位置比较速度控制

工作台伺服电机位置反馈速度反馈指令+图6-3半闭环伺服系统简图－半闭环进给伺服系统位置比较速度控制工作台位置反馈速度反馈87开环进给伺服系统开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，它没有位置反馈回路和速度反馈回路，因此设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小，被用于中、低档数控机床及普通机床改造。如图6-2为开环伺服系统简图，步进电机转过的角度与指令脉冲个数成正比，其速度由进给脉冲的频率决定。工作台驱动器图6-2开环伺服系统简图指令脉冲步进电机齿轮箱开环进给伺服系统工作台驱动器图6-2开环伺服系统简图指令脉冲88二、数控机床对伺服系统的要求数控机床对伺服系统的要求可归纳为以下几方面： 1.高精度要求伺服系统的定位误差特别是重复定位误差小，跟随误差小。 2.快速响应，无超调加工过程中，要求加减速度足够大，以便缩短伺服系统过渡过程时间。 3.电机调速范围宽加工工件的种类、加工用刀具的不同，为保证在任何条件下都能得到最佳切削状态，要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围。 4.低速大扭矩根据机床加工的特点，大都是在低速进行重切削，即在低速时，进给驱动系统能够提供足够大的扭矩。 5.可靠性高对环境的适应性强，性能稳定，使用寿命长平均故障间隔时间长。二、数控机床对伺服系统的要求数控机床对伺服89第二节伺服系统中常用的检测装置

检测装置是数控机床伺服系统的重要组成部分。它的作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构成半闭环、闭环系统。第二节伺服系统中常用的检测装置 检测装置是数控机床伺服90检测装置的性能检测装置的性能指标主要反应在其动态特性和静态特性上。静态特性包括精度、分辨率、灵敏度、测量范围和量程、迟滞、零漂与温漂。 检测装置的精度指标主要包括系统精度和系统分辨率。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系统分辨率是测量元件所能正确检测的最小位移量动态特性主要指检测装置的输出量对随时间变化的输入量的响应特性。检测装置的性能检测装置的性能指标主要反应在其动态特性和静态特91常用位置检测元件及分类常用位置检测元件及分类92一、旋转变压器模拟型，增量式一、旋转变压器模拟型，增量式93二、感应同步器非接触式模拟式测量。 两个其间保持均匀气隙的平面形印刷绕组，相对平行移动时，根据交变磁场和互感原理而工作的。直线型感应同步器：测量直线位移,由定尺和滑尺组成；圆形感应同步器:测量角位移,由转子和定子组成。（一）感应同步器的结构（二）感应同步器的工作原理（三）感应同步器输出信号的处理方式（四）感应同步器的特点二、感应同步器非接触式模拟式测量。94（一）感应同步器的结构 定尺为连续绕组 滑尺为分段绕组，分为正弦绕组和余弦绕组两部分 节距一定，滑尺的正弦绕组与定尺绕组错开1/4节距。（一）感应同步器的结构 定尺为连续绕组95第五-伺服驱动系统-课件96（二）感应同步器的工作原理

感应同步器根据电磁感应原理而工作。感应电势的变化，来检测在一个节距w内的位移量。

（二）感应同步器的工作原理 97（三）感应同步器输出信号的处理方式⒈鉴相方式 根据感应输出电压的相位来检测位移。⒉鉴幅方式 根据定尺输出的感应电势的幅值变化来检测位移（三）感应同步器输出信号的处理方式⒈鉴相方式98（四）感应同步器的特点精度高其输出的电压是许多对极感应电压的平均值，在误差均化的作用下，使所得到的测量精度比元件本身的制造精度高得多。可用于长距离位移测量直线型感应同步器可方便地利用多根定尺接长来满足较大测量范围的要求。对环境的适应性强它是利用电磁感应原理产生信号，所以不怕油污和灰尘污染，测量信号与位置一一对应，不易受干扰。使用寿命长，维护简单。工艺性好，成本低。（四）感应同步器的特点精度高其输出的电压是许多对极感应电99三、光栅光栅是利用光的透射、反射和干涉现象制成的一种光电检测装置。物理光栅通常用于光谱分析和光波波长的测定。计量光栅通常用于数字检测系统，用来检测高精度直线位移和角度位移三、光栅光栅是利用光的透射、反射和干涉现象制成的一种光电检测100计量光栅的种类及结构种类：1.直线光栅⑴玻璃透射光栅⑵金属反射光栅2.圆光栅 测量角位移。圆光栅是在玻璃圆盘的外环端面上，做成黑白间隔条纹，条纹呈辐射状、相互间的夹角相等。结构：标尺光栅+读数头 计量光栅的种类及结构种类：101图5-19光栅测量系统

光栅测量系统如图所示，由光源、聚光镜、光栅尺、光电元件和驱动线路组成。读数头光源采用普通的灯泡，发出辐射光线，经过聚光镜后变为平行光束，照射光栅尺。光电元件（常使用硅光电池）接受透过光栅尺光强信号，并将其转换成相应的电压信号。由于此信号比较微弱，在长距离传递时，很容易被各种干扰信号淹没，造成传递失真，驱动线路的作用就是将电压信号进行电压和功率放大。

除标尺光栅与工作台一起移动外，光源、聚光镜、指示光栅、光电元件和驱动线路均装在一个壳体内，作成一个单独部件固定在机床上，这个部件称为光栅读数头，又叫光电转换器，其作用把光栅莫尔条纹的光信号变成电信号。图5-19光栅测量系统光栅测量系统如图所示，由光源102（二）直线透射光栅的工作原理标尺光栅和指示光栅具有间距很小的光栅刻线，二者间有一小夹角，使得其透射或反射光产生莫尔条纹，莫尔条纹间距W（mm）与栅距P(mm)及其间夹角θ之间的关系为：

当标尺光栅与指示光栅相对移动时，照射到光敏元件上的莫尔条纹也移动，光敏元件输出反映两尺相对移动量的正弦电信号，对其进行整形、细分、辨向等处理即可得到表示位移量的电脉冲。（二）直线透射光栅的工作原理标尺光栅和指示光栅具有103104工作原理

当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一小角度放置时，两光栅尺上线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠，形成黑色条纹，其它部分为明亮条纹，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列。严格地说，是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。23工作原理当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹104莫尔条纹具有如下特点：1.放大作用用W（mm）表示莫尔条纹的宽度，P(mm)表示栅距，θ为光栅线纹之间的夹角，则有莫尔条纹宽度W与θ角成反比，θ越小，放大倍数越大。2.均化误差作用莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，例如，200条/mm的光栅，10mm宽的光栅就由2000条线纹组成，这样栅距之间的固有相邻误差就被平均化了，消除了栅距之间不均匀造成的误差。θ标尺光栅W指示光栅（斜）P莫尔条纹具有如下特点：莫尔条纹宽度W与θ角成反比，θ越小，放1053.莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例当光栅尺移动一个栅距P时，莫尔条纹也刚好移动了一个条纹宽度W。只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，就可知道光栅移动了多少个栅距，工作台移动的距离可以计算出来。若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反。θ标尺光栅W指示光栅（斜）P标尺方向指示尺转角θ方向莫尔条纹方向标尺方向指示尺转角θ方向莫尔条纹方向3.莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例θ标尺光栅W指示光栅（106（三）光栅位移－数字转换系统当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个条纹宽度，理论上光栅亮度变化是一个三角波形，但由于漏光和不能达到最大亮度，被削顶削底后而近似一个正弦波。硅光电池将近似正弦波的光强信号变为同频率的电压信号，经光栅位移—数字变换电路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了一个栅距那么大的位移，通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。光栅位移电压O图5-21光栅的输出波形图光栅位移O光栅的实际亮度变化亮度（三）光栅位移－数字转换系统光栅位移电压O图5-21光栅的107

采用一个光电元件即只开一个窗口观察，只能计数，却无法判断移动方向。因为无论莫尔条纹上移或下移，从一固定位置看其明暗变化是相同的。为了确定运动方向，至少要放置两个光电元件，两者相距1/4莫尔条纹宽度。当光栅移动时，莫尔条纹通过两个光电元件的时间不同，所以两个光电元件所获得的电信号虽然波形相同，但相位相差90o。根据两光电元件输出信号的超前和滞后，可以确定标尺光栅移动方向。增加线纹密度，能提高光栅检测装置的精度，但制造较困难，成本高。在实际应用中，既要提高测量精度，同时又能达到自动辨向的目的，通常采用倍频或细分的方法来提高光栅的分辨精度，如果在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元件，每隔1/4光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动了1/4栅距那么大位移，分辨精度可提高四倍，这就是四倍频方案。采用一个光电元件即只开一个窗口观察，只能计数，却无法108P1、P3信号是相位差180o的两个信号，差动得正弦信号。同理，P2、P4信号送另一个差动放大器，得余弦信号。正余弦经整形变成方波A和B，为使每隔1/4节距都有脉冲，把A、B各自反向一次得C、D信号，A、B、C、D信号再经微分变成窄脉冲A′、B′、C′、D′，即在正走或反走时每个方波的上升沿产生窄脉冲，由与门电路把0o、90o、180o、270o四个位置上产生的窄脉冲组合起来，根据不同的移动方向形成正向或反向脉冲。图中的P1、P2、P3、P4是四块硅光电池，产生的信号相位彼此相差90o。Y6微分微分微分整形P1P2P4P3

差动放大器

差动放大器整形反相反相Y1Y2Y3Y4Y5Y7Y8微分

BA

D

Ca)原理电路图正向运动时，用与门Y1～Y4及或门H1，得到A’B+AD’+C’D+B’C的四个输出脉冲；反向运动时，用与门Y5～Y8及或门H2，得到BC’+CD’+A’D+AB’的四个输出脉冲P1、P3信号是相位差180o的两个信号，差动得正弦信号。同109其波形图sincosABCDA′B′C′D′正向相加A’B+AD’+C’D+B’C反向相加BC’+CD’+A’D+AB’图5-22四倍频辨向电路波形其波形图sincosABCDA′B′C′D′正向相加A’110返回课件首页返回本章首页

若光栅栅距0.01mm，则工作台每移动0.0025mm，就会送出一个脉冲，即分辨率为0.0025mm。由此可见，光栅检测系统的分辨力不仅取决于光栅尺的栅距，还取决于鉴向倍频的倍数。除四倍频以外，还有十倍频、二十倍频等。返回课件首页返回本章首页若光栅栅距0.01mm，则工111（四）光栅的特点⑴精度高⑵可用于大量程测量⑶可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化⑷具有较强的抗干扰能力⑸怕震动和油污⑹高精度光栅制造成本高（四）光栅的特点⑴精度高112四、磁尺四、磁尺113五、编码器 旋转式的检测角位移的传感器，并将角位移用数字(脉冲)形式表示，故又称脉冲编码器。也常用它作为速度检测元件。

按码盘信号的读取方式可分为光电式、接触式和电磁式。

按测量的坐标系可分为增量式和绝对式。五、编码器 旋转式的检测角位移的传感器，并将角位移用数字(114

脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。脉冲编码器可分为增量式与绝对式两类。

从产生元件上分，脉冲编码器有光电式、接触式、电磁感应式三种，从精度和可靠性来看，光电式较好，数控机床上主要使用的是光电式脉冲编码器。型号用脉冲数/转（p/r）分，常用的2000，2500，3000p/r,现在有10万p/r以上的产品。它可以用于角度检测，也可用于速度检测。通常它与电机做成一体，或安装在非轴伸端。脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转115a)b)（一）绝对式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。绝对式编码器有光电式、接触式和电磁式三种，以接触式四位绝对编码器为例来说明其工作原理。

如图所示为二进制码盘。它在一个不导电基体上作成许多金属区使其导电，其中有剖面线部分为导电区，用“1”表示；其它部分为绝缘区，用“0”表示。每一径向，由若干同心圆组成的图案代表了某一绝对计数值，a)116

通常，我们把组成编码的各圈称为码道，码盘最里圈是公用的，它和各码道所有导电部分连在一起，经电刷和电阻接电源负极。在接触式码盘的每个码道上都装有电刷，电刷经电阻接到电源正极（图5-11b）。当检测对象带动码盘一起转动时，电刷和码盘的相对位置发生变化，与电刷串联的电阻将会出现有电流通过或没有电流通过两种情况。若回路中的电阻上有电流通过，为“1”；反之，电刷接触的是绝缘区，电阻上无电流通过，为“0”。如果码盘顺时针转动，就可依次得到按规定编码的数字信号输出，图示为4位二进制码盘，根据电刷位置得到由“1”和“0”组成的二进制码，输出为0000、0001、0010……1111。通常，我们把组成编码的各圈称为码道，码盘最里圈117

由图5-11可以看出，码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。其分辨角θ＝360o/24=22.5o，若是n位二进制码盘，就有n圈码道，分辨角θ＝360o/2n，码盘位数越大，所能分辨的角度越小，测量精度越高。若要提高分辨力，就必须增多码道，即二进制位数增多。目前接触式码盘一般可以做到9位二进制，光电式码盘可以做到18位二进制。由图5-11可以看出，码道的圈数就是二进制118图5-12四位二进制码盘非单值性误差

用二进制代码做的码盘，如果电刷安装不准，会使得个别电刷错位，而出现很大的数值误差。如图5-12，当电刷由位置0111向1000过渡时，可能会出现从8（1000）到15（1111）之间的读数误差，一般称这种误差为非单值性误差。为消除这种误差，可采用葛莱码盘。图5-12四位二进制码盘非单值性误差用二进119

图5-13为葛莱码盘，其各码道的数码不同时改变，任何两个相邻数码间只有一位是变化的，每次只切换一位数，把误差控制在最小范围内。二进制码转换成葛莱码的法则是：将二进制码右移一位并舍去末位的数码，再与二进制数码作不进位加法，结果即为葛莱码。

图5-13葛莱码盘

例如，二进制码1101对应的葛莱码为1011，其演算过程如下：1101（二进制码）1101（不进位相加，舍去末位）1011（葛莱码）图5-13为葛莱码盘，其各码道的数码不同时改变，任何120（二）增量式脉冲编码器

分辨力：光电式脉冲编码器通常与电机做在一起，或者安装在电机非轴伸端，电动机可直接与滚珠丝杠相连，或通过减速比为i的减速齿轮，然后与滚珠丝杠相连，那么每个脉冲对应机床工作台移动的距离可用下式计算：式中δ—脉冲当量（mm/脉冲）；S—滚珠丝杠的导程（mm）；i—减速齿轮的减速比；M—脉冲编码器每转的脉冲数（p/r）i1个脉冲（θ）-----------------------------------------δmmM个脉冲(360º，1转)—M/i个脉冲（1/i转）----S×1/imm推导：（二）增量式脉冲编码器式中i1个脉冲（θ）----121结构及工作原理：结构及工作原理：122

圆光栅是用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬，然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上等分，其数量从几百条到几千条不等。指示光栅也用玻璃材料研磨抛光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。圆光栅与工作轴连在一起，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，光电元件把通过圆光栅和指示光栅射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大、和微分处理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求出速度。

光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、圆光栅、指示光栅、光电元件和信号处理电路等组成（如图）。圆光栅是用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀123电流AB节距ωtA1B1900脉冲编码器输出波形

为了判断旋转方向，指示光栅的两个窄缝彼此错开1/4节距，使两个光电元件输出信号相位差900。如图5-15所示，A、B信号为具有900相位差的正弦波，经放大和整形变为方波A1、B1。设A相比B相超前时为正方向旋转，则B相超前A相就是负方向旋转，利用A相与B相的相位关系可以判别旋转方向。此外，在光电盘的里圈不透光圆环上还刻有一条透光条纹，用以产生每转一个的零位脉冲信号，它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲。辨