驱动与控制系统ch42

数控技术1/4/20241第四章数控机床的驱动与控制系统4-1概述一、CNC主要功能及组成主要功能：

位置控制：刀具与工件的相对位置及轨迹控制（即程序编制中的G代码功能）。

功能控制：主要是开关量控制信号处理（即程序编制中的M代码功能）。

信号处理：系统运行状态信号的分析处理（信号检测和处理）系统组成：输入输出设备、CNC装置、伺服驱动及位置检测装置、辅助机能驱动电路、数控系统软件。1/4/202424-1概述二、CNC系统的主要特点系统柔性好、通用性强

不同于NC(硬线数控)，CNC软件结构变更性强，功能易于拓展。易于实现多功能

CNC丰富的指令系统可进行高次曲线插补、刀补、多坐标联动控制和在线编程等。系统可靠性高

大部分功能由软件实行，减少了硬件出错率。维修方便

采用模块化结构并配有自诊断软件。通信功能强

通常配有RS232C或DNC接口，便于实现DNC、FMS、CIMS等系统的联机通讯；图形编程功能

具有人机交互图形自动编程功能。1/4/202434-2位移、速度、位置传感器一、检测元件的作用与分类作用：检测工作台或丝杠的直线位移（角位移）和线速度（角速度）并形成反馈控制主要技术指标：可靠性、抗干扰性、分辨率、响应速度等分辨率：位移检测系统能够测量的最小位移量分辨率选择：测量系统的分辨率应比加工精度高一个数量级检测系统的选择：

大型机床：速度响应要高

中小型和高精度机床：以满足精度要求为主分类1/4/202444-2位移、速度、位置传感器1/4/202454-2位移、速度、位置传感器二、旋转变压器旋转变压器的结构和工作原理结构：由定子和转子组成的旋转式小型交流电机，如图1/4/20246工作原理：根据互感原理工作，平行时互感最大，副边感应电动势最大；垂直时互感为零，副边感应电动势最小，如图。4-2位移、速度、位置传感器副边绕组产生的感应电压为当转子绕组磁轴与定子绕组磁轴平行时，即＝90º时，互感电压最大：1/4/202474-2位移、速度、位置传感器旋转变压器的工作方式

鉴相方式鉴幅方式定子和转子空间结构1）鉴相方式正弦绕组和余弦绕组分别加上幅值相同、频率相同、相位相差90o的正弦交流电压：1/4/202482）鉴幅方式正弦绕组和余弦绕组分别加上频率相同、相位相等、幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压：4-2位移、速度、位置传感器1/4/20249三、感应同步器感应同步器结构相当于展开的多级旋转变压器图4-64-2位移、速度、位置传感器1/4/2024102.感应同步器工作原理相当于旋转变压器的原理如图4-2位移、速度、位置传感器1）鉴相方式正弦绕组和余弦绕组分别加上幅值相同、频率相同、相位相差90o的交流电压：分别在定尺绕组上产生感应电压：1/4/2024114-2位移、速度、位置传感器鉴相系统结构框图1/4/2024124-2位移、速度、位置传感器2）鉴幅方式正弦绕组和余弦绕组分别加上频率相同、相位相等、幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压：1/4/202413鉴幅系统结构框图4-2位移、速度、位置传感器1/4/202414感应同步器的特点安装：定尺与滑尺之间的间隙应控制在0.25±0.05mm范围内，间隙变化控制范围0.01mm特点：精度高：测量范围大环境适应性强维护简单、寿命长4-2位移、速度、位置传感器1/4/202415四、光栅测量装置光栅的工作原理组成：长光栅（标尺光栅）、短光栅（指示光栅）、狭缝、光学镜和光电管图4-104-2位移、速度、位置传感器1/4/2024161/4/2024174-2位移、速度、位置传感器光栅：刻有刻线的光学玻璃栅距：光栅上相邻两刻线间的距离工作原理：摩尔条文的工作原理图4-10平均效应：特点：放大效应：1/4/202418光栅测量装置分光读数头垂直入射读数头反射多数头光栅检测装置电路

四倍频细分

方向辨别4-2位移、速度、位置传感器1/4/202419功能：角位移测量特点：非接触式检测、驱动力小、检测速度快分类：增量式编码器和绝对式编码器两种增量式编码器组成：光源、光电盘、光电接收元件工作原理：

信号处理：信号接收、放大、整形及反馈

方向辨别：DA、DB空间相差90o

基准脉冲：由DC产生缺点：停电或停机后，无法找到原始位置4-2位移、速度、位置传感器c五、脉冲编码器1/4/202420增量式编码器4-2位移、速度、位置传感器1/4/202421绝对式编码器4-2位移、速度、位置传感器分类：机械式、光电式、磁电式组成及原理：编码盘、信号产生元件、信号接收元件0101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100202122231/4/202422格雷码的绝对编码器的分度盘代码盘用格雷码编码1/4/202423编码器安装方式编码器在扩展轴上编码器在实体轴上绝对编码器分解器临近传感器通用编码器安装在扩展轴上1/4/202424六、速度传感器（自学）测速发电机

特点：输出电压与转速严格的成线性关系输出电势与转速比的斜率大脉冲编码器的使用编码器+定时器七、位置传感器（自学）

特点：不同于位移传感器，该传感器仅用于定位测量接触式位置传感器接近式位置传感器4-2位移、速度、位置传感器1/4/2024254-3伺服驱动装置伺服系统的组成

驱动电路：信号的转换（D/A）和放大

伺服电机：信号和能量的转化输出（电—机）传动机构：信号和能量传递作用:接收数控系统的指令，驱动执行机构完成预定的进给和快速运动特点：能够实现位置和运动的准确控制分类：开环伺服系统和闭环伺服系统一、概述1/4/202426开环伺服系统组成：步进电机、驱动电路、传动机构工作原理：4-3伺服驱动装置1/4/2024274-3伺服驱动装置特点

1）无位移检测装置，控制精度低

2）结构简单、易于调整、成本低。主要技术指标

1）定位精度可达±0.02mm2）脉冲当量可达0.01mm3）最高进给速度低于6m/min应用:经济型数控机床及机床数控化改造1/4/202428关于步进电机

步距角：步进电机每接受一个指令脉冲，转子相应的转角

脉冲当量：步进电机每接受一个指令脉冲，工作台相应的位移

转速、转角和转向的决定因素：脉冲频率、脉冲数和通电相序。

主要类型：反应式步进电机、混合式步进电机4-3伺服驱动装置1/4/2024294-3伺服驱动装置闭环伺服系统组成：伺服单元、伺服电机、位移检测装置、传动机构等工作原理：图4-311/4/202430特点：1）设有位移检测装置，控制精度高2）调试维护困难、成本较高主要技术指标

1）定位精度可达±0.002mm2）检测分辨率可达0.001mm3）最高进给速度可达14m/min应用：加工中心及中、高档数控机床4-3伺服驱动装置1/4/202431关于闭环和半闭环系统闭环：采用线位移检测元件对工作台位移直接进行测量反馈。特点：控制精度高、安装调试困难半闭环：采用角位移检测元件对电机轴或滚珠丝杠的角位移进行测量反馈。特点：控制精度相对较低、安装调试方便4-3伺服驱动装置1/4/202432伺服驱动系统的选用1）精度要求：定位精度、重复定位精度、加工精度2）响应速度：跟踪指令信号的速度3）调速范围：最高转速与最低转速之比Rn=nmax/nmin4）低速转距特性:低速时转距输出能力关于定位精度和重复定位精度定位精度：移动件到达指令位置的准确度重复定位精度：移动件在任意定位点的定位一致性4-3伺服驱动装置1/4/202433二、步进电机驱动系统（开环控制系统）一）步进电机的工作原理、结构及特工作原理工作原理4-3伺服驱动装置1/4/2024344-3伺服驱动装置通电方式

三相双三拍：(正转)AB

BC

CA

AB(反转)AC

CB

BA

AC三相六拍：

(正转)A

AB

B

BC

C

CA

A(反转)A

AC

C

CB

B

BA

A三相单三拍：(正转)ABC

A(反转)A

CBA1/4/202435m相步进电机通电方式

m相单m拍：例ABC

D

E

A

m相双m拍：例

AB

BC

CD

DEEAAB

或ABC

BCD

CDE

DEAEABABCm相2m拍：例A

AB

B

BC

C

CDDDEEEAA

或AB

ABC

BC

BCD

CD

CDEDEDEA

EAEABAB三种通电方式的特点：单m拍：每次一相通电,切换瞬间失去自锁力矩易失步,在平衡位置易振荡双m拍：每次同时有二相通电,切换瞬间仍有一相保持通电,运行稳定

2m拍：步距角小一半，切换瞬间仍有一相保持通电，运行稳定4-3伺服驱动装置1/4/202436步进电机的结构（横向视图）4-3伺服驱动装置1/4/2024372.步进电机的结构（纵向视图）4-3伺服驱动装置1/4/202438步进电机的主要特性1）步距角和静态步距误差步距角：

m:线圈相数

z:转子齿数

q:2m拍q=2，其它q=1

步距误差：实际步距角与理论步距角之差一般为10`2）输出扭矩：必须大于负载转距3）最高启动、停止脉冲频率：步进电机所能接受的最高启、停脉冲频率，此值必须大于负载实际启、停所需的脉冲频率。4-3伺服驱动装置1/4/2024394）连续运行的最高工作频率：步进电机连续运行所能接受的最高工作频率，此值必须大于步进电机实际运行的最高工作频率。5）步进运行和低频振荡

步进运行：当脉冲间隔大于步进电机的过渡过程时，电机呈步进运行状态

低频振荡：当脉冲频率接近步进电机的固有频率时，将产生振荡（必要时可设可调阻尼器）4-3伺服驱动装置1/4/202440二）开环控制系统步进电机的计算和选用传动计算4-3伺服驱动装置传动比直线进给1/4/2024414-3伺服驱动装置式中：α为步进电机的步距角

δ为系统的脉冲当量

i为传动系统的传动比圆周进给传动比1/4/202442步进电机的选用输出转距：通常取ML/Mjmax=0.2～0.5步距角：步距角与系统应匹配，即应满足脉冲频率：应与系统要求的启动、连续运行频率匹配转动惯量：应满足以下匹配条件

式中：JM

步进电机的转动惯量

JL

负载转动惯量

脉冲频率：所选步进电机脉冲频率要满足负载要求，即：所选步进电机连续运行的最高脉冲频率要高于负载连续运行要求的脉冲频率，所选步进电机启动运行的最高脉冲频率要高于负载启动运行要求的脉冲频率

4-3伺服驱动装置1/4/202443三）步进电机的驱动环形分配器作用：对步进电机线圈的通电相序进行分配种类：硬件环形分配器和软件环形分配器两种软件环分器：通电相序状态预先存入计算机并采用软件查

表方式进行控制特点：节省了环分器硬件，但软件运行效率低，用于速度要求不高处4-3伺服驱动装置1/4/202444硬件环分器：通电相序状态由硬件逻辑功能完成特点：需要专用硬件资源，运行效率高。4-3伺服驱动装置1/4/202445功率放大器（驱动电源）作用：将数控系统输出的弱电控制信号转换成能够驱动步进电机的强电信号。种类：单电压驱动电路高低压驱动电路恒流斩波驱动电路4-3伺服驱动装置1/4/2024464-3伺服驱动装置提速（限流）电阻Rc：改变时间常数，提高响应速度续流二极管D：用于功率晶体管的过电压保护特点：结构简单、效率低、能耗高，发热大、工作稳定性差。应用：小功率步进电机驱动单电压驱动电路1/4/202447特点：结构复杂、响应速度快、高频驱动能力强、功耗低。应用：大（中）型功率步进电机的驱动4-3伺服驱动装置高低压驱动电路1/4/202448特点：结构复杂、响应速度快、驱动能力强、功耗低、噪声大。应用：大（中）型功率步进电机的驱动4-3伺服驱动装置恒流斩波驱动电路1/4/202449四）提高步进电机伺服系统精度的措施存在的问题：无位移检测元件，定位精度主要取决于传动精度改善措施间隙补偿：在换向时通过附加脉冲进行补偿螺距误差补偿：采用机械样板或附加脉冲进行补偿反馈补偿：通过检测器进行系统误差检测，周期性地发出补偿脉冲。4-3伺服驱动装置1/4/202450三、直流伺服电机驱动系统一）直流伺服电机小惯量直流伺服电机结构特点：

1）转子为光滑无槽的铁芯，线圈由粘合剂粘结。

2）长径比大、惯量小。性能特点：

1）转动惯量小，约为普通直流电机的1/10，快速响应性好。

2）电枢反应小，换向性好，电机时间常数小（只有几毫秒）。

3）由于转子无槽，结构均衡性好，低速平稳性好。

4）最大扭矩为额定值的10倍，过载能力强。缺点：由于惯量小，必须配齿轮减速葙，才能拖动负载。4-3伺服驱动装置1/4/202451宽调速（大惯量）直流伺服电机结构特点：转子惯量大，响应特性由大功率驱动系统保证性能特点输出转矩大

不需齿轮减速箱即可直接驱动负载。过载能力强

转子热容量大，过载能力强（过载转矩可达5～10倍）动态响应好电流过载能力强、瞬时加速转矩大，动态响应好。调速范围宽且运转平稳低速时输出转矩大，调速调速范围宽，运转平稳。易于调试由于惯量大，受负载影响小，可不加负载调试。4-3伺服驱动装置1/4/202452二）直流伺服电机的调速直流电机的转速

（电机电势常数）

调压恒转矩调速：调节Ua，保持φ和Ra不变

（Cm为转矩常数）调磁恒功率调速：调节φ，保持Ua和Ra不变

（φ↑n↓T↑）调速方法的选择：进给系统一般选用调压恒转矩调速

4-3伺服驱动装置1/4/202453直流伺服电机的可控硅调速三相半波反并联可控硅调速4-3伺服驱动装置1/4/202454直流伺服电机脉宽调速（PWM）系统脉宽调制器：产生幅值恒定、宽度可变的矩形脉冲信号图4-47晶体管脉宽信号放大器：信号放大和正反转控制图4-484-3伺服驱动装置1/4/202455PWM(PulseWidthModulation)控制就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)1/4/2024566.1PWM控制的基本思想1）重要理论基础——面积等效原理冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量窄脉冲的面积效果基本相同环节的输出响应波形基本相同形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数f(t)d(t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)1/4/202457Ouωt>SPWM波6.1PWM控制的基本思想Ouωt>如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Ouωt>1/4/2024586.1PWM控制的基本思想若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。Ouωt>SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Ouωt>1/4/2024596.1PWM控制的基本思想OwtUd-Ud对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：OwtUd-Ud根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。1/4/2024601/4/202461PWM调速系统的特点1）开关频率高2）波纹系数小3）频率较宽4）可在高峰值电流下工作4-3伺服驱动装置1/4/202462三）直流伺服电机闭环进给系统半闭环进给系统闭环进给系统4-3伺服驱动装置半闭环进给系统1/4/2024634-3伺服驱动装置半闭环进给系统1/4/202464四、交流伺服电机驱动系统特点：结构简单、无电刷、可靠性高、维护方便。种类：永磁式同步交流伺服电机和感应式异步交流伺服电机永磁式同步交流伺服电机特点与直流伺服电机相比，同等功率下，电机外形尺寸减小1/2，重量减轻60%，转子惯量减至1/5（减小4/5）感应式交流伺服电机特点结构简单、价格便宜、过载能力强，与永磁式交流伺服电机相比，效率低、体积大、转子热损耗大，转子发热直接影响系统性能。应用：目前数控机床进给系统多采用永磁式交流伺服电机。4-3伺服驱动装置1/4/2024654-4数控装置一、数控装置的组成1/4/202466二、CNC装置的工作内容1）输入2）译码3）刀具补偿4）进给速度处理5）插补6）位置控制7）I/O处理8）显示9）诊断4-4数控装置1/4/202467三、CNC硬件设计一）CNC系统对微机的要求及选择CNC系统对微机的要求较完善的中断系统足够的内存一定数量的I/O通道高可靠性CNC系统的选择标准总线工业控制机：模块化结构、可靠性高、用户可自由配置，应用广泛。单片机专用系统：可靠性高，价格便宜，用于经济性数控机床中。4-4数控装置1/4/202468二）MCS-51单片机控制系统4-4数控装置MCS-51引脚1/4/202469功能

I/O口：P0、P1、P2、P3共4个8位口控制总线（CB）：、ALE、、RESET、P3第2功能地址总线（AB）：P2(高8位)+P0(低8位)=16位数据总线（DB）：由P0提供8位数据总线电源及时钟：VCC、VSS、XTAL1、XTAL2双重功能口：P0口即作8位数据线，又作低8位地址线

P3口即可作输入输出口，又可作控制总线4-4数控装置1/4/202470MCS-51系统中的地址译码规则1）程序存储器和数据存储器独立编制2）外围扩展芯片与数据存储器统一编址3）片外程序存储器和数据存储器寻址范围216=64K字节地址译码方法1)线选法概念：直接用地址线进行外围芯片片选。图4-54地址译码表4-3优点：电路结构简单缺点：地址空间利用不够充分，芯片之间地址不够连续。4-4数控装置1/4/2024714-4数控装置线选法地址译码1/4/2024722）全地址译码概念：采用译码器译码，保证空间的充分利用和地址的连续性4-4数控装置全地址译码优点：地址连续，寻址空间大缺点：硬件电路要增加译码器说明：数控系统一般采用全地址译码1/4/202473三）数据存储器与程序存储器的扩展关于RAM和ROM访问：由于两者独立编址，地址空间完全重复，必须建立访问机制。对RAM的访问：使用、控制线和MOVX指令操作对ROM的访问：使用控制线和MOVC指令操作操作时序图图4-56

存储器扩展电路图4-574-4数控装置1/4/2024744-4数控装置操作时序1/4/2024754-4数控装置存储器扩展电路1/4/202476四）显示器与键盘接口电路设计LED显示器的结构与原理分类：

按通电方式分：共阴极和共阳极按显示方式分：静态显示和动态显示结构：七段组合共阴极和共阳极显示器结构如下图4-4数控装置1/4/2024774-4数控装置LED显示器结构1/4/2024784-4数控装置动态显示电路1/4/202479键盘的工作原理种类：独立式按键和行列式按键

独立式按键：如图

4-4数控装置1/4/2024804-4数控装置行列式按键：如图

1/4/202481显示器键盘组合电路由于LED显示器和键盘都采用循环扫描工作方式，将二者进行组合可节省I/O端口，在控制系统中应用广泛。

4-4数控装置1/4/202482五）I/O接口电路设计数控CNC中常用I/O接口芯片：可编程并行接口：Intel8255、Intel8155可编程串行接口：Intel8251键盘显示器专用接口芯片：8279可编程定时器：8253锁存器：74LS373、74LS273A/D、/DA转换器：0809、0832在图4-57基础上增加I/O接口芯片的系统扩展电路如图4-634-4数控装置1/4/2024834-4数控装置系统扩展电路1/4/202484以上是I/O接口芯片应用的一般情况，以下重点讨论机床信号与微机接口信号（强电与弱电）的匹配与抗干扰问题。接点输入电路接点：按钮、继电器、接近开关等接点输入电路：用于将按钮、继电器、接近开关等的接点输入信号转换为CPU所需的TTL电平信号无源接点：设备侧无信号源图4-65（a）有源接点：设备侧有信号源图4-65（b）接点滤波器实例：图4-65（c）4-4数控装置1/4/2024854-4数控装置无源接点有源接点1/4/2024864-4数控装置接点滤波器实例1/4/202487接点抖动的消除：滤波与整形

4-4数控装置

按键类接点1/4/2024884-4数控装置小信号接点1/4/202489强电（接触器）接点4-4数控装置1/4/202490接点输出电路接点输出电路：用于将CPU输出的TTL电平转换为控制继电器、指示灯所需的节点输出一般情况：功率晶体管驱动图4-69（a）高开关频率：光耦和双向可控硅组成的固态继电器图4-69（b）零交叉电路：零伏触发。即当交流电压变到零伏附近时，电路接通，然后由触发电路给出可控硅器件的触发信号。4-4数控装置1/4/2024914-4数控装置六）数控系统CNC实例1/4/202492单片机系统：8031（A）：键盘、显示、手动按钮等控制管理。8031（B）：插补、电机控制、辅助机能等的程序运行控制管理。键盘显示接口：并行接口8155，键盘显示专用接口8279按钮控制：并行接口8255辅助机能与电机控制：锁存器273、光耦TLP521-4、驱动器MC1413输入控制：光