数控技术(第四章)

第四章数控机床的驱动与控制系统◆本章学习要求：

1、掌握位移、速度、位置等各种检测装置（传感器）的工作原理和用途；

2、掌握驱动电动机（步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机）工作原理、结构和特点；

3、掌握步进电机的驱动与控制及主要特性；

4、了解数控装置的组成和类型，掌握数控装置的工作内容。◆本章学习重点：

1、各种检测传感器的结构、工作原理和应用；

2、步进电机的驱动与控制；

3、数控装置的工作内容。◆本章学习难点：驱动电机的驱动与控制。

第一节位移、速度和位置检测装置一、概述

1、什么是传感器：

传感器：是指将机电一体化系统中被检测对象的各种物理变化量变为电信号的一种变换器。

2、传感器的分类：⑴开关型：其控制方式：是“1”或“0”，即“开”或“关”。常用的有：接近开关、接触开关等。

⑵摸拟型：其控制方式：输出的量是与输入物理量变化相对应的连续变化电量。常用的有：电阻应变片、热电偶、电感器、磁尺、感应同步器等。⑶数字式：其控制方式：输入量与输出的数字脉冲量成正比。常用的有：计数器、编码器、光栅等。二、位移测量传感器：

1、位移检测传感器的分类：⑴直线型：测量直线位移的传感器。⑵回转型：测量角度位移的传感器。2、光栅式传感器：⑴工作原理：（教材p154）莫尔条纹感应电量原理。

光学玻璃上均匀地刻上平行的线条，一般每毫米刻50、100、200条线。注：条数越多，测量精度越高。栅距ω：线条之间的距离，称为栅距。用ω表示。

莫尔条纹节距W：交叉点之间的距离。

当θ角很小时：

所以，节距W与栅距ω的关系为：：是栅距的放大倍数，其最大可达倍。

⑵特点：①精度高②量程大，分辩率高③具有较强的抗干扰能力④成本高3、脉冲编码器（P151）：

⑴增量式编码器（光电盘）：是一种光电式转角测量元件，其圆盘周围仅有一层分成相等的透明与不透明部分，只能测量转角的相对值。

①A、B、C为光电元件；②A和B两光电元件相位相差90°，A在前或B在前用来标识旋转方向；③C产生的脉冲信号为基准脉冲，称为零电脉冲。是旋转一周在固定位置上产生一个脉冲，用于记忆旋转轴位置的脉冲信号。

⑵绝对值式编码器（编码盘）：

是一种直接编码式的光电转角测量元件，其圆盘周围有多层分成相等的透明与不透明部分，可直接把被测转角或位移转换成相应的代码，可测量转角的相对值和绝对值。4、旋转变压器（P158）：

是位移检测元件，为模拟型传感器。

⑴旋转变压器工作原理：

是根据互感原理工作的。U1与U2的关系为：式中：K：为变压比，即两绕组的匝数比，W1/W2；U1：定子的激磁电压，；

Vm：定子的最大瞬时电压。

⑵相位工作方式（鉴相型）：

转子输出电压的相位角与转子的偏转角之间有严格的对应关系，检测出转子输出电压的相位角，即可测出转子的转角。为实现相位工作方式，在定子上施加两相幅值、频率相等的正交绕组：正弦绕组S：余弦绕组C：

在转子绕组中产生感应电动势为：

由上式可知，只要测出转子绕组输出电压的相位角θ，即可测得转子的空间转角位置。⑶幅值工作方式（鉴幅型）：

转子感应电压的幅值随转子的偏转角而变化，测出幅值即可求得转子的转角。5、感应同步器：感应同步器工作原理：由感应电动势U1变化曲线可得：

所以相位角与滑尺移动距离x的关系为：

式中：2τ：为节距；

x：为移动距离

结论：只要测出感应电动势U1的相位角θ，即可测量出移动距离x。

三、速度传感器：

1、测速发电机：是一种将机械转速转变为电信号的传感器。在定子励磁绕组上加上励磁电压U1，使励磁绕组产生励磁磁场，定子在励磁磁场中以转速n旋转，产生感应电流，并产生感应磁场，感应磁场使工作绕组产生感应电压U2，感应电压U2与转子转速成正比，即：

通过测量U2值的大小来换算出转速n的大小。

2、脉冲编码器：

通过测量脉冲编码器的脉冲频率来测转速的大小。

四、位置传感器：1、接触式位置传感器：工作原理：通过触点的接通或断开，来判断移动物体是否到达所需位置。2、接近式位置传感器：工作原理：通过感应来判断移动物体是否到达所需位置。第二节伺服驱动装置

一、步进电机伺服驱动装置（P167）

1、概述：

⑴定义：是一种将电脉冲信号转换成角位移的电磁装置。⑵步进电机工作时的两种状态：①转动状态：输入脉冲时，即可转动。数量转角大小脉冲频率决定转速通电顺序旋向②定位状态：在电源的激励下，气隙磁场能保持原有位置不变。即步进电机的工作过程是：定位靠电源，转动靠脉冲。2、步进电机的工作原理：见下图。定子上绕有线圈的三对磁极A、B、C。转子是带齿的铁芯。3、步进电机的特点：①可调速、调速范围大：改变频率可改变转速，频率宽。②输出的角度可控：由脉冲数控制。③灵敏度高：不易受各种干扰因素影响。④输出精度高：转动一转后其转角误差为“0”，没有误差积累。综合步进电机的特点，步进电机适用于开环控制方式。

4、步进电机的主要特性：⑴步进电机通电方式及步距角：①

三相三拍通电方式：Ⅰ、三相单三拍通电方式：

ABCA逆时针转动

ACBA顺时针转动相数：m=3

齿数：z=4转一转需要的脉冲数为：mz=3×4=12步距角α（一个脉冲转过的角度）为：Ⅱ、三相双三拍通电方式：

ABBCCAAB逆时针转动

ACCBBAAC顺时针转动步距角α（一个脉冲转过的角度）亦为：②

三相六拍通电方式：AABBBCCCAA逆时针AACCCBBBAA顺时针相数：m=3齿数：z=4通电方式系数K：相邻两次通电的相数一样时，K=1

相邻两次通电的相数不一样时，K=2转一转需要的脉冲数为：mzK=3×4×2=24步距角α（一个脉冲转过的角度）为：

⑵输出扭矩（矩频特性）：是指与步进电机的各种转速相对应的输出扭矩。其是步进电机的一个主要参数。⑶最高启动脉冲频率：是指转子从静止状态，不失步转动的最大控制频率。其与电机轴上的负载惯量及负载扭矩大小有关。⑷连续运行的最高工作频率：连续运行：转子尚未停下来，下一个脉冲已到达，转子以输入的脉冲频率转动，为连续运行。连续运行的最高工作频率：连续运行时步进电机所能接受的最高频率。一般情况下，最高工作频率远大于最高启动频率，原因是：①启动时有较大的惯性扭矩；②启动时有加速度存在。5、步进电机的驱动与控制：⑴步进电机的驱动组成：变频信号源脉冲分配器功率放大器步进电机⑵

环形脉冲分配器：

①

三相六拍通电方式真值表：

导电相ABC步数（逆时针）步数（顺时针）A10016AB11025B01034BC01143C00152CA10161三相六拍通电方式真值表：

②

三相六拍环形分配器：

环形分配器电路图。

图中A、B、C分别与步进电机A、B、C相功率放大器相连接，通过信号放大后，驱动步进电机。

步数（顺时针）AABBCC导电相KJKJKJ复位

1

0

0A1011100011AC2100100011C3100011011CB4100011100B5011011100BA6011100100A环形分配器工作时状态表：

例题：图示为由D型触发器构成的步进电机环形分配器的逻辑线路图，试分析其工作原理，填写下表。

注：D型触发器的逻辑表达式为：

步数AABBCC导电相DDD复位

1

0

0A1110011AC2000011C3001111BC4001100B5111100AB6110000A7110011

AC③

环形分配器的正反向控制：Ⅰ、正反向控制原理：由正反向控制信号控制：见原理图。

高电平（即状态为“1”）时，为正方向（顺时针转动）；

低电平（即状态为“0”）时，为反方向（逆时针转动）。

Ⅱ、正反向控制环形分配器：

正反转控制信号“1”正转“0”反转复位黑线ABCA…，脉冲分配为A、AC、C、CB、B、BA、A…红线ACBA…，脉冲分配为A、AB、B、BC、C、CA、A…⑶功率放大器：单电压功率放大电路图。

电路的电压+V一般选择10～100V左右，（A、B、C）是步进电机A、B、C相绕组的控制脉冲信号，它控制三极管的截止和导通，电阻为限流电阻，二极管起续流作用。

二、直流（DC）伺服电机驱动系统

1、直流（DC）伺服电机的工作原理

直流（DC）伺服电机的结构和工作原理与一般普通直流电机相同，只是转子的转动惯量比普通直流电机小，即转子做得细长。直流伺服电机接线原理图。2、直流（DC）伺服电机的驱动控制

在接线原理图中，励磁电压V1是一定值，通过改变控制电压V2的大小和方向来控制电机转矩和转向。

⑴直流电机的调速原理：

以他励方式（定子的励磁电流由独立的直流电源供电）直流电机为例说明。由原理图，转子电枢在电磁转矩作用下转动时，电枢导线切割磁力线，产生感应电动势E，故有下关系式：

由上三式可得：

式中：

：为理想空载转速；

E：为电枢感应电动势；：为电枢电压；：为电枢电流；

R：为电枢电路总电阻；

φ：为励磁主磁通；

T：为电磁转矩；：为电势常数；：为力矩常数。根据上式可得他励直流电机有以下两种调速方式：

①改变电枢电压，为调压调速：

由式：

可知，当保持和φ不变，则转矩T为恒定值，所以调压调速属于恒转矩调速。

②改变励磁电流来改变磁通φ，为调磁调速：

在励磁线圈回路中加可调电阻来改变励磁电流。调磁调速电枢电压不变，若保持电枢电流也不变，则调速前后功率不变，所以调磁调速属于恒功率调速。

⑵脉宽调制（PWM）直流调速驱动控制系统

①调速原理：

由原理图可知，其原理是通过改变电压脉冲的宽度，来调整控制电压V2的平均值，得到不同的控制电压V2，达到调速的目的。

实际应用的PWM系统（脉宽调制直流调速驱动系统），采用大功率三极管代替开关K。开关周期T由开关频率确定：

（s）

式中：为开关频率。闭合时间（即电压方波宽度）由速度指令电压确定。②PWM调速系统构成：构成图如图所示。Ⅰ、PWM主回路：见图中方框部分。工作原理：交流电源U～经过整流后，形成直流控制电压峰值U—，由脉宽调制器产生的脉冲宽度，控制三极管导通时间，来控制直流电压方波的宽度，来改变直流伺服电机电枢回路的平均电压，使直流伺服电机实现无级调速。

Ⅱ、脉宽调制器：定义：对大功率三极管基极提供一个宽度可由速度给定信号（速度电压）调节且脉宽与速度给定信号成比例的电压—脉宽变换装置，称为脉宽调制器。作用：使直流电压（速度给定信号给定）与三角波振荡器产生的固定频率的三角波叠加，产生宽度可变的矩形脉冲，驱动三极管基极，控制三极管导通时间，来控制直流伺服电机电枢的平均电压。工作原理：如图说明。三、交流（AC）伺服电机驱动系统：1、交流调速的基本原理：由电机学基本原理可知，交流电动机的同步转速为：

异步电动机的转子转速为：

式中：---为定子供电频率；

---为电动机定子绕组极对数；

---为转差率。

分析讨论：由上式可得，要改变电动机转速可采取如下途径：①改变绕组极对数p：电动机结构确定后，绕组极对数p随之确定，工作中只能实现有级调速；②改变转差率s：电动机结构确定后，转差率s只能分级改变，工作中一般只能实现有级调速；③改变定子电源的频率f：电动机的转速n与定子电源的频率f成正比，故可采用变频的方法改变交流电机的输出转速。结论：交流电动机的调速采用变频调速方式。

2、正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速：⑴正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速系统组成：工作原理：

a三相正弦波控制信号：是变频变幅的三相对称普通正弦波；

b三角波发生器：产生三角形载波；

c三相正弦波控制信号与三角形载波，经SPWM主电路调制后，输出与三相正弦波控制信号频率相同的调制波来驱动电机；

d改变三相正弦波控制信号的频率，即可改变电机定子的供电频率，达到调速目的。⑵

SPWM主电路：说明：SPWM变频调速属“交—直—交”方式，即将50Hz的交流电，经二极管整流成直流电，再由逆变器（将直流转变成交流的装置）输出三相频率可调整的等效于正弦波的脉宽调制波（SPWM波）来驱动电机。

⑶脉宽调制原理：

如图所示，以控制U相为例说明。

图中，为三角形载波，为控制电机U相的正弦波控制信号，两者经过运算器叠加，结果为：

a当>时，产生正脉冲，使VT1导通，封锁VT4，产生正调制波；

b当<时，产生负脉冲，使VT4导通，封锁VT1，产生正调制波；

c调制波等效的正弦波频率与正弦波控制信号频率相同。

四、闭环伺服系统位置控制：

1、闭环伺服系统的组成：其组成如图所示。

2、位置控制原理：位置控制原理如图所示。

由图可得：式中：--来自插补的位置指令；

--来自位置检测的实际位置反馈信号；

--位置偏差。3、脉冲比较法：⑴指令脉冲Pc=0，这时反馈脉冲Pf=0，Pe=0，则伺服电机的速度指令为零，工作台（移动部件）保持静止不动；⑵现假设有正向指令Pc=2，位置/速度比较计数器加2，在工作台未动之前，反馈脉冲Pf=0，位置/速度比较计数器输出Pe=Pc-Pf=2-0=2，经转换，速度指令为+2，伺服电机正转，工作台正向进给；⑶工作台正向进给，即有反馈脉冲Pf产生，当Pf=1时，位置/速度比较计数器减1，即Pe=Pc-Pf=2-1=1，速度指令为+1，工作台继续正向进给；⑷当Pf=2时，Pe=Pc-Pf=2-2=0，则速度指令为0，伺服电机停转，工作台停止在位置指令要求的位置上。

第三节数控系统（数控装置）

一、概述：数控系统是数控设备的核心。1、硬件数控系统（NC）：控制功能主要通过硬件结构来完成。2、计算机数控系统（CNC）：控制功能主要通过计算机软件来完成。⑴经济型数控系统：一般是指开环数控系统。特点：结构简单、造价低、维修调试方便、运行维护费用低。但其控制精度较低。⑵标准型数控系统：又称全功能数控系统，一般是指闭环数控系统。特点：控制功能齐全、控制精度高。但其调试维修比较复杂。

二、经济型数控系统：

1、经济型数控系统的一般结构：组成如下图所示：

⑴微机：主要包括CPU、EPROM、ROM、I/O接口等。⑵驱动：由步进驱动装置与步进电机组成。⑶开关量控制电路：控制机床设备输入/输出开关、机床操作面板与微机的连接、M、T、S指令的执行。⑷主轴控制：由主轴电机与主轴驱动装置组成。⑸通信接口：完成数控系统与微机的通信。⑹软件系统：由系统软件与应用软件组成。

2、外围电路：⑴输入/输出通道：考虑电平匹配、缓冲/锁存及信号隔离，防止信号丢失及干扰的引入。⑵步进电机的功率驱动：主要有功放电路、高低压驱动等。⑶主轴驱动：有直流驱动和交流驱动。

3、软件结构：完成系统的监控与控制功能。⑴输入数据处理程序：

①输入：用户从操作面板上向系统输入控制参数和加工程序，一般由键盘输入。输入控制软件作用：主要是字符的读取与存放。