第四章-数控机床的驱动与控制系统-伺服系统与位置检测概要课件

第一节 常用的位置检测装置第二节 数控机床的伺服系统概述第三节 步进电机及其驱动装置第四节 交流伺服系统9/30/20231第四章 数控机床的位置检测与伺服控制作用：检测位移和速度，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制。要求：工作可靠，抗干扰能力强；满足精度和速度的要求；易安装、维护，适应机床工作环境；成本低。9/30/20232第一节常用的位置检测装置第一节常用的位置检测装置分类：9/30/20233一、旋转变压器1.

结构第一节常用的位置检测装置利用互感原理工作在结构上与二相线绕式异步电动机相似，由定子和转子组成。间接测量角位移9/30/202342.基本工作原理第一节常用的位置检测装置Usmsin

U

ωtωtKUUmBsinsin

θsinθ

KUsUsS1S2B1B2Zθ按工作方式分为鉴相式和鉴幅式9/30/20235第一节常用的位置检测装置K为定子和转子线圈匝数之比，即变压比.只需要测出转子感应电压的相位，就知道转轴的角度。3.应用i）.鉴相式根据旋转变压器转子绕组中感应电势的相位来确定被测位移大小的检测方式。励磁电压：感应电势：感应电势：9/30/20236第一节常用的位置检测装置ii）.鉴幅式通过对旋转变压器转子绕组中感应电势幅值的检测来实现位移检测的。励磁电压：感应电势：感应电势：当改变α

，使U=0，则θ=α9/30/202371.

结构由定尺和滑尺组成，定尺不动，滑尺移动。工作原理与旋转变压器基本相同第一节常用的位置检测装置二、感应同步器利用互感原理工作将位移或转角转变为电信号的位置检测元件。定尺和滑尺绕组结构示意图间接测量直线位移或角位移。P9/30/20238第一节常用的位置检测装置感应同步器的工作原理图2.

工作原理设US

是加在滑尺任一绕组上的激磁交变电压：定尺绕组上的感应电动势为：K

—电磁耦合系数θ—与位移x相对应的角度。当滑尺相对定尺移动的距离为x时，则对应于感应电势呈余弦函数变化，θ角为：9/30/20239第一节常用的位置检测装置9/30/2023103.

应用i）.

鉴相式励磁电压：感应电势：第一节常用的位置检测装置ii）.

鉴幅式励磁电压：感应电势：当改变α

，使U=0，则θ=α,而α为已知量，同旋转变压器有：9/30/202311第一节常用的位置检测装置三、增量式脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器；增量式测量角位移或者速度1.

结构及工作原理光电脉冲编码器结构示意图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。9/30/2023122**.

鉴向电路9/30/202313第一节常用的位置检测装置光电脉冲编码器鉴向线路（上升沿微分，异或门）1.特点及分类直接把被测转角用数字代码表示出来，即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。分光电式、接触式和电磁式三种。9/30/202314四、绝对值编码器第一节常用的位置检测装置第一节常用的位置检测装置2.结构与工作原理9/30/202315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。例如当电刷由位置

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。特点：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。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）9/30/202316第一节常用的位置检测装置第一节常用的位置检测装置光栅读数头示意图五、光栅位置检测装置．将机械位移或者模拟量转变为数字脉冲，反馈给数控装置，实现闭环控制．1.结构和种类包括：标尺光栅固定在机床活动部件上指示光栅安装在读数头内9/30/202317莫尔条纹第一节常用的位置检测装置2.原理光电转换P—栅距W—莫尔条纹宽度9/30/202318ii）.放大作用第一节常用的位置检测装置3.莫尔条纹性质i）.平行光照射光栅时，莫尔条纹由亮带到暗带，再由暗带到亮带透过的光强度分布近似于余弦函数。（Ｗ＝P/sinθ）光栅线纹iii）.均化误差作用莫尔条纹是由若干条线纹共同干涉形成的，对个别光栅线纹之间的误差具有平均效应，能消除栅距不均匀所造成的影响；iv）.莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹也相应移动一个莫尔条纹宽度W；若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反。9/30/202319第二节数控机床伺服系统概述9/30/202320一、伺服系统的组成1．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。在数控机床中，伺服系统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统。伺服系统接受来自CNC装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有的带动刀架，通过几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。第二节数控机床伺服系统概述9/30/202321２.数控伺服系统分类：按其功能可分为主轴伺服系统和进给伺服系统。1）主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动。2

）

进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。３.闭环进给伺服系统结构如图4-1所示的双闭环系统。速度控制单元：用来控制电机转速，是速度控制系统的核心。速度检测装置：测速发电机、脉冲编码器等。速度环控制在进给驱动装置内完成，位置环由数控装置来完成。特点：外部看：以位置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控制系统。从内部的实际工作来看，它是先把位置控制指令转换成相应的速度信号后，通过调速系统驱动伺服电机，实现实际位移的。9/30/202322第二节数控机床伺服系统概述位置控制模块速度控制单元伺服电机工作台位置检测位置检测位置指令9/30/202323伺服驱动装置速度环速度反馈位置环图4-1数控机床闭环进给伺服系统结构第二节数控机床伺服系统概述9/30/202324二、对伺服系统的基本要求9/30/202325快速响应

即动态性能好，跟踪精度高。调速范围宽低速大扭矩第二节数控机床伺服系统概述精度高稳定性好即输出量能复现输入量的精确程度好。即抗干扰能力强。三、数控伺服系统的分类1

）.按控制原理和有无位置反馈装置分：开环和闭环伺服系统；2）.按用途和功能分：进给驱动系统和主轴驱动系统；3）.按驱动执行元件的动作原理分：电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统。电气伺服驱动系统又分为步进电动机伺服系统、直流伺服系统及交流伺服系统。9/30/202326第二节数控机床伺服系统概述a.步进电动机伺服系统:由步进电动机驱动器驱动，步进电动机驱动器主要由环形分配器、功率放大器及其他控制电路组成，数控装置发出脉冲信号通过环形分配器形成按一定顺序的脉冲，经功率放大后加到步进电动机的各相绕组上，数控装置每输出一个脉冲步进电动机转动一个步距角。9/30/202327b.直流伺服系统：采用直流伺服驱动器将交流电转变为可控制的直流电驱动直流伺服电动机。速度控制单元接受转速指令信号，改变相应的直流伺服电动机电枢电压，达到调速的目的。直流伺服驱动器较多的采用晶闸管调速系统和晶体管脉宽调制调速系统。c.交流伺服系统：采用改变交流伺服电动机的供电频率的方法来达到电动机调速的目的一、步进电机工作原理典型的开环控制系统，它机将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和

丝杠等机械传动部件带动工作台移动。特点：无反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制。9/30/202328第三节步进电机及其驱动装置永磁式步进电动机(PM)结构：分为定子和转子两部分工作原理：按电磁感应的原理进行工作的。当定子绕组按顺序轮流通电时，三对磁极就依次产生磁场，每次仅对转子的某一对齿产生电磁引力，将其吸引过来，而使转子一步步转动。图4-4三相反应式步进电机结构第三节步进电机及其驱动装置9/30/202329工作过程：1.

三相单三拍：转子每次转动30o。缺点：1）容易失步；2）易在平衡位置发生振荡第三节步进电机及其驱动装置图4-5步进电机工作原理三相单三拍得电时序图A→B→C→A

或A→C→B→A9/30/202330三相双三拍：每次有二相绕组通电，转子转动300，且切换时总保持一相绕组通电，工作比较稳定。AB→BC→CA→AB 或AC→CB→BA→AC三相六拍：转子每次转动150，比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且转换过程中始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被大量采用。A→AB→B→BC→C→CA→A或A→AC→C→CB→B→BA→A9/30/202331第三节步进电机及其驱动装置“单”——每次只有一相绕组通电；

“双”——每次有两相绕组通电；“拍”——一个通电循环内通电次数（即从一种通电状态转到另一种通电状态）。二、步进电机的主要性能指标1.

步距角和步距误差步距角：

α=3600/KmZ9/30/202332(6-1)K—系数，三相三拍，K＝1；三相六拍，K＝2。ｍ－定子相数；Ｚ－转子齿数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。步距误差：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，上述步距误差的累积值称为步距的累积误

差。第三节步进电机及其驱动装置2.

静态矩角特性静态转矩：矩角特性：图4-6静态矩角特性第三节步进电机及其驱动装置9/30/202333启动频率空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率。连续运行频率步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。9/30/202334第三节步进电机及其驱动装置f图6-8矩频特性9/30/2023355.

矩频特性与动态转矩用于描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系。动态转矩随连续运行频率的上升而下降M第三节步进电机及其驱动装置三 步进电机驱动电路驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成。第三节步进电机及其驱动装置9/30/202336(1)环形分配器图4-9三相六拍环形分配器9/30/202337(2)高低电压驱动电路第三节步进电机及其驱动装置U1

=

＋80V单稳延时前置放大前置放大U2

=＋12V9/30/202338VD2VD1R1R2LV2V1t1t2

(3)斩波驱动驱动高压前置放大低压前置放大控制门整形U19/30/202339U2细分驱动如果要求步进电动机有更小的步距角，更高的分辨率(即脉冲当量)，或者为减小电动机振动、噪声等原因，可以在每次输入脉冲切换时，只改变相应绕组中额定的一部分，则电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，转子的每步运行也只有步距角的一部分，绕组电流分成数个台阶，则转子就以同样的次数转过一个步距角，这种将一个步距角细分成若干步的驱动力法，称为细分驱动。自动升降速原理直线加减速或者指数加减速。9/30/202340四、开环控制步进式伺服系统的工作原理9/30/202341工作台位移量的控制控制输入脉冲总数工作台进给速度的控制控制输入脉冲频率工作台运动方向的控制控制输入脉冲信号的循环顺序方向。第四节交流伺服电机9/30/202342一、数控机床用交流电机在交流伺服系统中，按电机种类可分为同步型和异步型（感应电机）两种。数控机床进给伺服系统中多采用永磁式同步电机，同步电机的转速是由供电频率所决定的，即在电源电压和频率固定不变时，它的转速是稳定不变的。由变频电源供电给同步电机时，能方便地获得与频率成正比的可变速度，可以得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。交流主轴电机多采用交流异步电机，很少采用永磁同步电机，主要因为永磁同步电机的容量做得不够大，且电机成本较高。另外主轴驱动系统不象进给系统那样要求很高的性能，调速范围也不要太大。因此，采用异步电机完全可以满足数控机床主轴的要求，笼型异步电机多用在主轴驱动系统中。1－定子；2－转子；3－定子三相绕组；4－编码器；5－出线盒9/30/202343二、交流伺服电机速度控制据电机学知，交流异步电机的转速表达式为：（r/min）式中f1—定子电源频率（Hz）；p—磁极对数；s—转差率。异步电机的调速方法，可以有变转差率、变极对数及变频三种。①靠改变转差率对异步电机进行调速时，低速转差率大，转差损耗功率也大，效率低。②变极调速只能产生二种或三种转速，不可能做成无级调速，应用范围较窄。③变频调速是从高速到低速都可以保持有限的转差率，故它具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。9/30/202344第四节交流伺服电机变频调速的主要环节是为交流电机提供变频电源的变频器。变频器的功用是，将频率固定的交流电，变换成频率连续可调的交流电。变频器可分为交-直-交变频器和交-交变频器两大类。交-直-交变频器是先将频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率可变的交流电。交

-

交

变频器不经过中间环节，把频率固定的交流电直接变换成频率连续可调的交流电。因只需一次电能转

换，效率高，工作可靠，但是频率的变化范围有限。交-直-交变频器，虽需两次电能的变换，但频率变化范围不受限制。9/30/202345第四节交流伺服电机第四节交流伺服电机9/30/202346PWM变频调速组成：二极管整流器，用于交-直变换；脉宽调制逆变器，用于直-交变换、同时完成调频和调压任务。续流二极管D

1

~D

6

，为负载的滞后电流提供一条反馈到电源的通路，逆变管T1~T6组成逆变桥，A、B、C为逆变桥的输出端。Cd用于滤平全波整流后的电压波纹；并在负载变化时，使直流电压保持平稳。交流电机变频调速系统中的关键部件之一就是逆