第四章 数控机床的驱动与控制系统.ppt

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1、数控技术昆明学院自动控制与机械工程学院戴丽玲数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统一、一、一、一、CNCCNC主要功能及组成主要功能及组成主要功能及组成主要功能及组成主要功能：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（即程序编制中的编制中的GG代码功能）。代码功能）。功能控制：主要是开关量控制信号处理（即程序编制中功能控制：主要是开关量控制信号处理（即程序编制中的的MM代码功能）代码功能）。信号处理：系统运行状态信号的分析处理（信号检测和信号处理：系统运行状态信号的分析处理（信号检测和处理）。处理）。系统组成：系统组成

2、：输入输出设备、输入输出设备、CNCCNC装置、伺服驱动及位置检装置、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。测装置、辅助机能驱动电路、数控系统软件。4-1 概述1/17/20231/17/20232 2数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统4-1 概述二、二、CNCCNC系统的主要特点系统的主要特点1.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。2.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。3.系统可靠性高 大部分功能由软件实行，减少了硬件出错率。4.维修方便 采用模块

3、化结构并配有自诊断软件。5.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；6.图形编程功能 具有人机交互图形自动编程功能。1/17/20231/17/20233 3数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统4-2 位移、速度、位置传感器一、检测元件的作用与分类一、检测元件的作用与分类一、检测元件的作用与分类一、检测元件的作用与分类1.1.作用：作用：检测工作台或丝杠的直线位移（角位移）和线速度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（角速度）并形成反馈控制2.2.主要技术指标：主要技术指标：可靠性、抗干

4、扰性、分辨率、响应速度等可靠性、抗干扰性、分辨率、响应速度等3.3.分辨率：分辨率：位移检测系统能够测量的最小位移量位移检测系统能够测量的最小位移量3.3.分辨率选择：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测量系统的分辨率应比加工精度高一个数量级3.3.检测系统的选择：检测系统的选择：大型机床：大型机床：大型机床：大型机床：速度响应要高速度响应要高 中小型和高精度机床：中小型和高精度机床：中小型和高精度机床：中小型和高精度机床：以满足精度要求为主以满足精度要求为主分类分类1/17/20231/17/20234 4数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统4-2 位移

5、、速度、位置传感器1/17/20231/17/20235 5数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统4-2 位移、速度、位置传感器二、旋转变压器二、旋转变压器二、旋转变压器二、旋转变压器 旋转变压器的结构和工作原理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，如图结构：由定子和转子组成的旋转式小型交流电机，如图1/17/20231/17/20236 6数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统工作原理：工作原理：工作原理：工作原理：根据互感原理工作，平行时互感最大，副边感根据互感原理工作，平行时互感最大，副边感应电动势最大；垂直时互感为零，

6、副边感应电动势应电动势最大；垂直时互感为零，副边感应电动势最小，如图。最小，如图。4-2 位移、速度、位置传感器副边绕组产生副边绕组产生的感应电压为的感应电压为当当转子绕组磁轴与转子绕组磁轴与定子绕组磁轴平行定子绕组磁轴平行时，即时，即 9090 时，时，互感电压最大：互感电压最大：1/17/20231/17/20237 7数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统4-2 位移、速度、位置传感器旋转变压器的工作方式旋转变压器的工作方式 鉴相方式鉴相方式 鉴幅方式鉴幅方式定子和转子空间结构定子和转子空间结构定子和转子空间结构定子和转子空间结构1 1 1 1）鉴相方式）鉴相方式）鉴相

7、方式）鉴相方式 正弦绕组和余弦绕组分别加上正弦绕组和余弦绕组分别加上幅值相同、频率相同、相位相差幅值相同、频率相同、相位相差9090o o的正弦交流电压：的正弦交流电压：1/17/20231/17/20238 8数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统2 2 2 2）鉴幅方式）鉴幅方式）鉴幅方式）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、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：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1/17/20231/17/20239 9数控技术数数控控机机床床的的驱驱

8、动动与与控控制制系系统统三、感应同步器三、感应同步器三、感应同步器三、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，见图感应同步器结构：相当于展开的多级旋转变压器，见图4-64-6。4-2 位移、速度、位置传感器1/17/20231/17/20231010数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统2.2.感应同步器工作原理感应同步器工作原理 相当于旋转变压器的原理如图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 1 1 1）鉴相方式）鉴相方式）鉴相方式）鉴相方式正弦绕组和余弦绕组分别加上幅值相同、正弦绕组和余弦绕组分别加上幅值相同、频率相同、相位相差频率相同

9、、相位相差9090o o的交流电压：的交流电压：分别在定尺绕组上产生感应电压：分别在定尺绕组上产生感应电压：1/17/20231/17/20231111数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统4-2 位移、速度、位置传感器鉴相系统结构框图鉴相系统结构框图鉴相系统结构框图鉴相系统结构框图1/17/20231/17/20231212数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统4-2 位移、速度、位置传感器2 2 2 2）鉴幅方式）鉴幅方式）鉴幅方式）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、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

10、规律变化的交变电压：幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压：1/17/20231/17/20231313数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统鉴幅系统结构框图鉴幅系统结构框图鉴幅系统结构框图鉴幅系统结构框图4-2 位移、速度、位置传感器1/17/20231/17/20231414数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统3.3.3.3.感应同步器的特点感应同步器的特点感应同步器的特点感应同步器的特点安装：安装：定尺与滑尺之间的间隙应控制在定尺与滑尺之间的间隙应控制在0.250.05mm0.250.05mm范围内，间隙变化控制范围范围内，间隙变化控制范围0.01m

11、m0.01mm。特点：特点：精度高精度高测量范围大测量范围大环境适应性强环境适应性强维护简单、寿命长维护简单、寿命长4-2 位移、速度、位置传感器1/17/20231/17/20231515数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统 光栅是将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反馈给光栅是将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反馈给CNCCNC装置，实现闭环位置控制的检测装置，是等节距的透装置，实现闭环位置控制的检测装置，是等节距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件。光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件。光光光光 栅栅栅栅4-2 位移、速度、位置传感器1/17/20231

12、/17/20231616数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统光栅线位移传感器1/17/20231/17/20231717数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统注塑光学光栅1/17/20231/17/20231818数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统 精度高精度高精度高精度高,可达可达可达可达1m,1m,1m,1m,工作原理利用光的工作原理利用光的工作原理利用光的工作原理利用光的透射和衍射透射和衍射透射和衍射透射和衍射现象现象现象现象,可测直线或转角。非接触测量，抗干扰能力强，但对环可测直线或转角。非接触测量，抗干扰能力强，但对环可测直

13、线或转角。非接触测量，抗干扰能力强，但对环可测直线或转角。非接触测量，抗干扰能力强，但对环境要求高。境要求高。境要求高。境要求高。一、光栅的构造一、光栅的构造1.1.光栅尺的构造和种类光栅尺的构造和种类光栅尺的构造和种类光栅尺的构造和种类 标尺光栅标尺光栅标尺光栅标尺光栅 固定在机床活动部件上固定在机床活动部件上固定在机床活动部件上固定在机床活动部件上指示光栅指示光栅指示光栅指示光栅 安装在读数头内安装在读数头内安装在读数头内安装在读数头内光栅1/17/20231/17/20231919数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统 光栅光栅长光栅长光栅长光栅长光栅圆光栅圆光栅圆光栅

14、圆光栅1/17/20231/17/20232020数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统四、光栅测量装置四、光栅测量装置光栅的工作原理光栅的工作原理光栅的工作原理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、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，见图光学镜和光电管，见图4-104-10。4-2 位移、速度、位置传感器图图图图4.10 4.10 光栅结构图光栅结构图光栅结构图光栅结构图1/17/20231/17/20232121数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统4-2 位移、速度、位置传感器 光栅：刻有刻线

15、的光学玻璃光栅：刻有刻线的光学玻璃 栅距：光栅上相邻两刻线间的距离栅距：光栅上相邻两刻线间的距离 工作原理：莫尔条纹的工作原理工作原理：莫尔条纹的工作原理 图图4-114-111/17/20231/17/20232222数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统 莫尔条纹具有以下特征：莫尔条纹具有以下特征：（1 1）莫尔条纹的正（余）弦变化规律）莫尔条纹的正（余）弦变化规律（2 2）莫尔条纹平均误差的作用）莫尔条纹平均误差的作用 莫尔条纹由光栅的大量刻线共同形成，对线纹的刻划莫尔条纹由光栅的大量刻线共同形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除误差的影响。误差有平均

16、抵消作用，能在很大程度上消除误差的影响。（3 3）莫尔条纹的光学放大作用）莫尔条纹的光学放大作用 若若=0.01mm=0.01mm，=0.01rad=0.01rad，W=1mmW=1mm，莫尔条纹莫尔条纹就放大了就放大了100100倍。倍。（4 4）莫尔条纹的移动与光栅移动成比例：）莫尔条纹的移动与光栅移动成比例：在两光栅沿刻线的垂直方向作相对移动时，莫尔条纹在两光栅沿刻线的垂直方向作相对移动时，莫尔条纹在刻线方向移动。两光栅相对移动一个栅距在刻线方向移动。两光栅相对移动一个栅距WW，莫尔条纹莫尔条纹也同步移动一个间距。固定点上的光强则变化一周。而也同步移动一个间距。固定点上的光强则变化一周。

17、而且在光栅反向移动时，莫尔条纹移动方向也随之反向。且在光栅反向移动时，莫尔条纹移动方向也随之反向。4-2 位移、速度、位置传感器1/17/20231/17/20232323数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统 光栅测量装置光栅测量装置分光读数头分光读数头垂直入射读数头垂直入射读数头反射读数头反射读数头 光栅检测装置电路光栅检测装置电路 四倍频细分四倍频细分 方向辨别方向辨别4-2 位移、速度、位置传感器1/17/20231/17/20232424数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统光电脉冲编码器1/17/20231/17/20232525数控技术数数控控

18、机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统五、脉冲编码器五、脉冲编码器五、脉冲编码器五、脉冲编码器功能：功能：角位移测量角位移测量特点：特点：非接触式检测、驱动力小、检测速度快非接触式检测、驱动力小、检测速度快分类：分类：增量式编码器和绝对式编码器两种增量式编码器和绝对式编码器两种1.1.增量式编码器增量式编码器组成：组成：光源、光电盘、光电接收元件光源、光电盘、光电接收元件工作原理：工作原理：信号处理信号处理：信号接收、放大、整形及反馈：信号接收、放大、整形及反馈 方向辨别方向辨别：DDA A、DDBB空间相差空间相差9090o o 基准脉冲基准脉冲：由：由DDCC产生产生缺点：缺点：停电或停

19、机后，无法找到原始位置停电或停机后，无法找到原始位置 4-2 位移、速度、位置传感器1/17/20231/17/20232626数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统4-2 位移、速度、位置传感器增量式编码器增量式编码器增量式编码器增量式编码器1/17/20231/17/20232727数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统4-2 位移、速度、位置传感器2.2.绝对式编码器绝对式编码器绝对式编码器绝对式编码器 分类：分类：机械式、光电式、磁电式机械式、光电式、磁电式 组成及原理：组成及原理：编码盘、信号产生元件、信号接收元件编码盘、信号产生元件、信号接收元件

20、 202122231/17/20231/17/20232828数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统六、速度传感器（自学）六、速度传感器（自学）六、速度传感器（自学）六、速度传感器（自学）1.1.测速发电机测速发电机 特点特点特点特点：vv输出电压与转速严格的成线性关系输出电压与转速严格的成线性关系vv输出电势与转速比的斜率大输出电势与转速比的斜率大2.2.脉冲编码器的使用脉冲编码器的使用vv编码器编码器+定时器定时器七、位置传感器（自学）七、位置传感器（自学）七、位置传感器（自学）七、位置传感器（自学）特点：特点：特点：特点：vv不同于位移传感器，该传感器仅用于定位测量不同

21、于位移传感器，该传感器仅用于定位测量1.1.接触式位置传感器接触式位置传感器2.2.接近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1/17/20231/17/20232929数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统4-3 伺服驱动装置一、概述伺服系统的组成伺服系统的组成伺服系统的组成伺服系统的组成 伺服驱动电路伺服驱动电路：信号的转换（：信号的转换（D/AD/A）和放大和放大 伺服驱动电机：伺服驱动电机：信号和能量的转化输出（电信号和能量的转化输出（电机）机）机械传动机构机械传动机构：信号和能量传递：信号和能量传递作用：作用：作用：作用：接收数控系统的指令，驱动

22、执行机构完成预定的进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。给和快速运动。特点：特点：特点：特点：能够实现位置和运动的准确控制能够实现位置和运动的准确控制分类：分类：分类：分类：开环伺服系统和闭环伺服系统开环伺服系统和闭环伺服系统1/17/20231/17/20233030数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统1.1.开环伺服系统开环伺服系统组成：组成：步进电机、驱动电路、传动机构步进电机、驱动电路、传动机构工作原理：工作原理：4-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20233131数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统特点特点特点

23、特点 1 1）无位移检测装置，控制精度低）无位移检测装置，控制精度低 2 2）结构简单、易于调整、成本低。）结构简单、易于调整、成本低。主要技术指标主要技术指标主要技术指标主要技术指标 1 1）定位精度可达定位精度可达0.02mm0.02mm 2 2）脉冲当量可达脉冲当量可达0.01mm0.01mm 3 3）最高进给速度低于最高进给速度低于6m/min6m/min应用应用应用应用 经济型数控机床及机床数控化改造经济型数控机床及机床数控化改造4-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20233232数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统关于步进电机 步距角步距角步距角步距

24、角：步进电机每接受一个指令脉冲，转子相应的转角步进电机每接受一个指令脉冲，转子相应的转角 脉冲当量脉冲当量脉冲当量脉冲当量：步进电机每接受一个指令脉冲，工作台相应的步进电机每接受一个指令脉冲，工作台相应的位移位移 转速、转角和转向的决定因素转速、转角和转向的决定因素转速、转角和转向的决定因素转速、转角和转向的决定因素：脉冲频率、脉冲数和通电脉冲频率、脉冲数和通电相序。相序。主要类型主要类型主要类型主要类型：反应式步进电机、混合式步进电机反应式步进电机、混合式步进电机4-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20233333数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统2.2.闭

25、环伺服系统闭环伺服系统组成：伺服单元、伺服电机、位移检测装置、传动机构等工作原理：图4-314-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20233434数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统l l特点：特点：特点：特点：1 1）设有位移检测装置，控制精度高）设有位移检测装置，控制精度高2 2）调试维护困难、成本较高调试维护困难、成本较高l l主要技术指标主要技术指标主要技术指标主要技术指标:1 1）定位精度可达）定位精度可达 0.002mm0.002mm 2 2）检测分辨率可达检测分辨率可达 0.001mm0.001mm 3 3）最高进给速度可达最高进给速度可达 14m/

26、min14m/minl l应用：应用：应用：应用：加工中心及中、高档数控机床加工中心及中、高档数控机床4-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20233535数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统关于闭环和半闭环系统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采用线位移检测元件对工作台位移直接进行测量反馈。行测量反馈。特点：控制精度高、安装调试困难控制精度高、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、安装调试方便控制精度相对较低、安

27、装调试方便4-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20233636数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统伺服驱动系统的选用伺服驱动系统的选用伺服驱动系统的选用伺服驱动系统的选用1 1）精度要求精度要求：定位精度、重复定位精度、加工精度：定位精度、重复定位精度、加工精度2 2）响应速度响应速度：跟踪指令信号的速度：跟踪指令信号的速度3 3）调速范围调速范围：最高转速与最低转速之比：最高转速与最低转速之比R Rn n=n nmaxmax/n/nminmin4 4）低速转距特性低速转距特性:低速时转距输出能力低速时转距输出能力关于定位精度和重复定位精度关于定位精度和重复定位

28、精度关于定位精度和重复定位精度关于定位精度和重复定位精度1 1）定位精度定位精度：移动件到达指令位置的准确度：移动件到达指令位置的准确度2 2）重复定位精度重复定位精度：移动件在任意定位点的定位一致性：移动件在任意定位点的定位一致性4-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20233737数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统二、步进电机驱动系统（开环控制系统）二、步进电机驱动系统（开环控制系统）二、步进电机驱动系统（开环控制系统）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、结构及特性一）步进电机的工作原理、结构及特性1.1.步进电动机的工作原理步进电动

29、机的工作原理工工工工作作作作原原原原理理理理演演示示4-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20233838数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统通电方式通电方式 三相双三拍：三相双三拍：(正转)ABBCCAAB(反转)ACCBBAAC三相六拍：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：三相单三拍：(正转)ABCA(反转)ACBA4-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20233939数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统mm相步进电机通电方式相步进电机通电方式mm相单相单mm拍：拍

30、：例例 A AB BC C D D E EA Amm相双相双mm拍拍：例例 ABABBCBCCD CD DE DEEA EA AB AB 或或 ABCABCBCDBCDCDE CDE DEA DEAEAB EAB ABCABCmm相相2m2m拍：拍：例例 A A AB AB B B BC BC C C CD CD D D DE DEE E EA EA A A 或或 AB AB ABC ABC BC BC BCD BCD CD CD CDE CDE DE DE DEA DEA EA EA EAB EAB AB AB三种通电方式的特点：三种通电方式的特点：单单mm拍：每次一相通电拍：每次一相通电,

31、切换瞬间失去自锁力矩易失步切换瞬间失去自锁力矩易失步,在平衡位置易振荡在平衡位置易振荡双双mm拍：每次同时有二相通电拍：每次同时有二相通电,切换瞬间仍有一相保持通电切换瞬间仍有一相保持通电,运行稳定运行稳定2m2m拍：步距角小一半，切换瞬间仍有一相保持通电，运行稳定拍：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1/17/20231/17/20234040数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统步进电机的结构（横向视图）步进电机的结构（横向视图）工作原理演示4-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20234141数控技术数数控控机机床床的的驱驱动

32、动与与控控制制系系统统2.2.步进电机的结构（纵向视图）步进电机的结构（纵向视图）4-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20234242数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统步进电机的主要特性步进电机的主要特性1 1）步距角和静态步距误差）步距角和静态步距误差 步距角：步距角：m:m:线圈相数线圈相数 z:z:转子齿数转子齿数 q:2mq:2m拍拍 q=2 q=2，其它其它 q=1q=1 步距误差：实际步距角与理论步距角之差步距误差：实际步距角与理论步距角之差 一般为一般为10102 2）输出扭矩：必须大于负载转距）输出扭矩：必须大于负载转距3 3）最高启动、停止脉

33、冲频率：）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。大于负载实际启、停所需的脉冲频率。4-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20234343数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统4）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-

34、3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20234444数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统二）开环控制系统步进电机的计算和选用二）开环控制系统步进电机的计算和选用传动计算传动计算传动比直线进给直线进给直线进给直线进给4-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20234545数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统式中：为步进电机的步距角 为系统的脉冲当量 i 为传动系统的传动比圆周进给圆周进给圆周进给圆周进给传动比4-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20234646数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统步进电机的选用

35、输出转距：输出转距：通常取通常取 MML L/MMjmaxjmax=0.2=0.2 0.50.5步距角：步距角：步距角与系统应匹配，即应满足步距角与系统应匹配，即应满足脉冲频率：脉冲频率：应应与系统要求的启动、连续运行频率匹配与系统要求的启动、连续运行频率匹配转动惯量：转动惯量：应满足以下匹配条件应满足以下匹配条件 式中：式中：J JMM 步进电机的转动惯量步进电机的转动惯量 J JL L 负载转动惯量负载转动惯量 脉冲频率：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所选步进电机连续运行的最高脉冲

36、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。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1/17/20231/17/20234747数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统三）步进电机的驱动三）步进电机的驱动环形分配器环形分配器作用：作用：对步进电机线圈的通电相序进行分配对步进电机线圈的通电相序进行分配种类：种类：硬件环形分配器和软件环形分配器两种硬件环形分配器和软件环形分配器两种软件环分器：软件环分器：通电相序状态预先存入计算机并采用通电相序状态预先存入

37、计算机并采用软件查软件查 表方式表方式进行控制进行控制 特点：特点：节省了环分器硬件，但软件运行效率低，用于速度节省了环分器硬件，但软件运行效率低，用于速度要求不高处要求不高处4-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20234848数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统硬件环分器：通电相序状态由硬件逻辑功能完成硬件环分器：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。特点：需要专用硬件资源，运行效率高。4-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20234949数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统功率放大器（驱动电源）作用

38、作用作用作用：将数控系统输出的弱电控制信号转换成能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。够驱动步进电机的强电信号。种类：种类：种类：种类：单电压驱动电路单电压驱动电路 高低压驱动电路高低压驱动电路 恒流斩波驱动电路恒流斩波驱动电路4-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20235050数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统 提速（限流）电阻提速（限流）电阻RcRc：改变时间常数，提高改变时间常数，提高响应速度响应速度续流二极管续流二极管D D：用于功率用于功率晶体管的过电压保护晶体管的过电压保护特点：结构简单、效率低、特点：结构简单、效率低、能

39、耗高，发热大、工作能耗高，发热大、工作稳定性差。稳定性差。应用：小功率步进电机驱应用：小功率步进电机驱动动单电压驱动电路4-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20235151数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统特点特点特点特点：结构复杂、结构复杂、响应速度快、响应速度快、高频驱动能高频驱动能力强、功耗力强、功耗低。低。应用应用应用应用：大（中）型大（中）型功率步进电功率步进电机的驱动机的驱动高低压驱动电路4-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20235252数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统特点：特点：特点：特点：结构复杂、响应速度

40、快、驱动能力强、功耗低、结构复杂、响应速度快、驱动能力强、功耗低、噪声大。噪声大。应用：应用：应用：应用：大（中）型功率步进电机的驱动大（中）型功率步进电机的驱动恒流斩波驱动电路4-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20235353数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统四）提高步进电机伺服系统精度的措施四）提高步进电机伺服系统精度的措施存在的问题存在的问题 无位移检测元件，定位精度主要取决于传动精度无位移检测元件，定位精度主要取决于传动精度改善措施改善措施间隙补偿：在换向时通过附加脉冲进行补偿间隙补偿：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

41、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，反馈补偿：通过检测器进行系统误差检测，周期性周期性周期性周期性地发出地发出补偿脉冲。补偿脉冲。4-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20235454数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统三、直流伺服电机驱动系统三、直流伺服电机驱动系统一）直流伺服电机一）直流伺服电机小惯量直流伺服电机小惯量直流伺服电机结构特点结构特点：1 1）转子为光滑无槽的铁芯，线圈由粘合剂粘结。转子为光滑无槽的铁芯，线圈由粘合剂粘结。2 2）长径比大、惯量小。）长径比大、惯量小。性能特点：性能特点：1 1）

42、转动惯量小，约为普通直流电机的）转动惯量小，约为普通直流电机的1/101/10，快速响应性好。，快速响应性好。2 2）电枢反应小，换向性好，电机时间常数小）电枢反应小，换向性好，电机时间常数小 （只有几毫秒）。（只有几毫秒）。3 3）由于转子无槽，结构均衡性好，低速平稳性好。）由于转子无槽，结构均衡性好，低速平稳性好。4 4）最大扭矩为额定值的）最大扭矩为额定值的1010倍，过载能力强。倍，过载能力强。缺点：缺点：由于惯量小，必须配齿轮减速葙，才能拖动负载。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1/17/20231/17/20235555数控技术数数控控机机床床的的驱

43、驱动动与与控控制制系系统统宽调速（大惯量）直流伺服电机宽调速（大惯量）直流伺服电机结构特点：结构特点：转子惯量大，响应特性由大功率驱动系统保证转子惯量大，响应特性由大功率驱动系统保证性能特点性能特点：l l输出转矩大输出转矩大 不需齿轮减速箱即可直接驱动负载。不需齿轮减速箱即可直接驱动负载。过载能力强过载能力强 转子热容量大，过载能力强（过载转矩可达转子热容量大，过载能力强（过载转矩可达5 51010倍）倍）l l动态响应好动态响应好 电流过载能力强、瞬时加速转矩大，动电流过载能力强、瞬时加速转矩大，动态响应好。态响应好。l l调速范围宽且运转平稳调速范围宽且运转平稳 低速时输出转矩大，调速调

44、速低速时输出转矩大，调速调速范围宽，运转平稳范围宽，运转平稳 。l l易于调试易于调试 由于惯量大，受负载影响小，可不加负载由于惯量大，受负载影响小，可不加负载调试。调试。4-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20235656数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统二）直流伺服电机的调速二）直流伺服电机的调速直流电机的转速直流电机的转速 （电机电势常数（电机电势常数）调压恒转矩调速：调压恒转矩调速：调节调节UaUa，保持保持 和和RaRa不变不变 （C Cmm为转矩常数）为转矩常数）调磁恒功率调速：调磁恒功率调速：调节调节，保持保持UaUa和和RaRa不变不变 （nT

45、 nT）调速方法的选择：调速方法的选择：进给系统一般选用调压恒转矩调速进给系统一般选用调压恒转矩调速 4-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20235757数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统直流伺服电机的可控硅调速直流伺服电机的可控硅调速三相半波反并联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1/17/20231/17/20235858数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统直流伺服电机脉宽调速（直流伺服电机脉宽调速（PWMPWM）系统系统脉宽调制器：产生幅值恒定、宽度可变的矩形脉冲信号脉宽调制器：产生幅值恒定、宽度可变的矩形脉冲信号

46、 图图4-474-47晶体管脉宽信号放大器：信号放大和正反转控制晶体管脉宽信号放大器：信号放大和正反转控制 图图4-484-484-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20235959数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统PWMPWM调速系统的特点调速系统的特点1 1）开关频率高）开关频率高2 2）波纹系数小）波纹系数小3 3）频率较宽）频率较宽4 4）可在高峰值电流下工作）可在高峰值电流下工作4-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20236060数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统三）直流伺服电机闭环进给系统三）直流伺服电机闭环进给系统

47、半闭环进给系统半闭环进给系统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1/17/20231/17/20236161数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统4-3 伺服驱动装置半闭环进给系统1/17/20231/17/20236262数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统四、交流伺服电机驱动系统四、交流伺服电机驱动系统特点：特点：结构简单、无电刷、可靠性高、维护方便。结构简单、无电刷、可靠性高、维护方便。种类：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永磁式同步交流

48、伺服电机特点 与直流伺服电机相比，同等功率下，电机外形尺寸减小与直流伺服电机相比，同等功率下，电机外形尺寸减小1/21/2，重量减轻，重量减轻60%60%，转子惯量减至，转子惯量减至1/51/5（减小（减小4/54/5）感应式交流伺服电机特点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。影响系统性能。应用：应用：目前数控机床进给系统多采用永磁式交流伺服电机。目前数控机床进给系统多采用永磁式交流伺服电机。4

49、-3 伺服驱动装置1/17/20231/17/20236363数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统4-4 数控装置4.4.1 4.4.1 CNCCNCCNCCNC装置的硬件组成装置的硬件组成装置的硬件组成装置的硬件组成1/17/20231/17/20236464数控技术数数控控机机床床的的驱驱动动与与控控制制系系统统 CNCCNC数控装置与普通计算机一样，具有数控装置与普通计算机一样，具有CPUCPU、存存储器、总线、外设等，不过它的外设不是打印机、绘图储器、总线、外设等，不过它的外设不是打印机、绘图机等，而是其它输出接口及后续装置，其中最主要的是机等，而是其它输出接口及后

50、续装置，其中最主要的是输出伺服运动指令推动数控机床各坐标轴运动。输出伺服运动指令推动数控机床各坐标轴运动。1.1.中央处理器单元中央处理器单元(CPUCPU)CPU CPU是是CNCCNC装置的核心，具有执行计算和控制装置的核心，具有执行计算和控制功能的能力。一般由运算器、控制器和暂存寄存器组功能的能力。一般由运算器、控制器和暂存寄存器组成。成。CNCCNC中常用的中常用的CPUCPU有有8 8位、位、1616位、位、3232位和位和6464位，位，如：如：IntelIntel公司的公司的80868086、8018680186、8028680286、8038680386和和8048680486