数控技术第六章伺服驱动系统幻灯片.ppt

《数控技术第六章伺服驱动系统幻灯片.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数控技术第六章伺服驱动系统幻灯片.ppt（175页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、数控技术第六章伺服驱动系统第1页，共175页，编辑于2022年，星期六立式铣床立式铣床5-1概述概述第2页，共175页，编辑于2022年，星期六主轴电机主轴电机伺服电机伺服电机刀库刀具定位电机刀库刀具定位电机机械手旋转定位电机机械手旋转定位电机带制动器伺服电机带制动器伺服电机加工中心加工中心第3页，共175页，编辑于2022年，星期六第4页，共175页，编辑于2022年，星期六伺服驱动系统伺服驱动系统（ServoSystem)CNC系统系统驱动电机驱动电机检测装置检测装置控制信号控制信号反馈信号反馈信号光栅尺光栅尺伺服驱动系统伺服驱动系统伺服驱动系统伺服驱动系统第5页，共175页，编辑于202

2、2年，星期六一、数控机床伺服系统的定义一、数控机床伺服系统的定义伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。自动控制系统。CNC装置是数控机床的装置是数控机床的“大脑大脑”，“指挥机构指挥机构”伺服系统是数控机床的伺服系统是数控机床的“四肢四肢”，“执行机构执行机构”。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检测装置：感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码器等。检测装置：感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码器等。驱动电机：步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机驱动电机：步进电动机、直流伺服电动机和交

3、流伺服电动机第6页，共175页，编辑于2022年，星期六数控加工与传统加工的比较本质区别本质区别本质区别本质区别由人操作，机床进给系统能保证切削过程继续进行，不能控制由人操作，机床进给系统能保证切削过程继续进行，不能控制由人操作，机床进给系统能保证切削过程继续进行，不能控制由人操作，机床进给系统能保证切削过程继续进行，不能控制执行件的位移和轨迹执行件的位移和轨迹执行件的位移和轨迹执行件的位移和轨迹.由由由由CNCCNC装置按照零件程序完成零件的加工。能精确地控制执行件装置按照零件程序完成零件的加工。能精确地控制执行件装置按照零件程序完成零件的加工。能精确地控制执行件装置按照零件程序完成零件的加

4、工。能精确地控制执行件的速度、方向、和位置，且可使几个执行件按一定的运动规律合的速度、方向、和位置，且可使几个执行件按一定的运动规律合的速度、方向、和位置，且可使几个执行件按一定的运动规律合的速度、方向、和位置，且可使几个执行件按一定的运动规律合成轨迹。成轨迹。成轨迹。成轨迹。第7页，共175页，编辑于2022年，星期六二、数控机床伺服系统的分类二、数控机床伺服系统的分类1、按伺服系统控制方式分、按伺服系统控制方式分开环系统开环系统步进电机，无位置反馈，投资低，精度低步进电机，无位置反馈，投资低，精度低闭环系统闭环系统直接测量实际位移进行反馈，精度高直接测量实际位移进行反馈，精度高半闭环系统半

5、闭环系统间接测量位移进行反馈，精度低于闭环间接测量位移进行反馈，精度低于闭环2、按控制对象和使用目的不同分、按控制对象和使用目的不同分进给伺服系统进给伺服系统控制各坐标轴的切削进给运动控制各坐标轴的切削进给运动主轴驱动伺服系统主轴驱动伺服系统控制主轴的旋转运动控制主轴的旋转运动辅助伺服系统辅助伺服系统控制刀库、料库等辅助系统的运动，多采用控制刀库、料库等辅助系统的运动，多采用建议的位置控制。建议的位置控制。第8页，共175页，编辑于2022年，星期六二、数控机床伺服系统的分类（续）二、数控机床伺服系统的分类（续）3、按反馈比较控制方式分、按反馈比较控制方式分脉冲比较伺服系统脉冲比较伺服系统相位

6、比较伺服系统相位比较伺服系统幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统全数字伺服系统。全数字伺服系统。4、按所用驱动元件的类型分、按所用驱动元件的类型分步进电动机驱动系统步进电动机驱动系统直流伺服驱动系统直流伺服驱动系统交流伺服驱动系统交流伺服驱动系统直线直线电动机驱动系统电动机驱动系统第9页，共175页，编辑于2022年，星期六三、数控机床对伺服系统的要求三、数控机床对伺服系统的要求高精度高精度高精度高精度要求定位准确（定位误差持别是重复定位误差要小），要求定位准确（定位误差持别是重复定位误差要小），要求定位准确（定位误差持别是重复定位误差要小），要求定位准确（定位误差持别是重复定位误差要小），跟随精

7、度高（跟随误差小）。一般定位精度要求达到跟随精度高（跟随误差小）。一般定位精度要求达到跟随精度高（跟随误差小）。一般定位精度要求达到跟随精度高（跟随误差小）。一般定位精度要求达到m m m mmm级，高级，高级，高级，高的达的达的达的达0.010.0050.010.005m m m mmm。灵敏度高，响应快灵敏度高，响应快灵敏度高，响应快灵敏度高，响应快提高生产率和保证加工质量，一般电机升降提高生产率和保证加工质量，一般电机升降提高生产率和保证加工质量，一般电机升降提高生产率和保证加工质量，一般电机升降速过渡过程，时间在速过渡过程，时间在速过渡过程，时间在速过渡过程，时间在0.2s0.2s以下

8、。另外，当负载突变时，要求速度的以下。另外，当负载突变时，要求速度的以下。另外，当负载突变时，要求速度的以下。另外，当负载突变时，要求速度的恢复时间短，且无振荡，这样才能得到光滑的加工表面。恢复时间短，且无振荡，这样才能得到光滑的加工表面。恢复时间短，且无振荡，这样才能得到光滑的加工表面。恢复时间短，且无振荡，这样才能得到光滑的加工表面。调速范围宽调速范围宽调速范围宽调速范围宽保证在任何情况下都能得到最佳切削条件和加工质量，保证在任何情况下都能得到最佳切削条件和加工质量，保证在任何情况下都能得到最佳切削条件和加工质量，保证在任何情况下都能得到最佳切削条件和加工质量，一般要求调速范围一般要求调速

9、范围一般要求调速范围一般要求调速范围：最低转速：最低转速：最低转速：最低转速/最高转速最高转速最高转速最高转速=1/10001/10000=1/10001/10000，且通常，且通常，且通常，且通常是无级调速。是无级调速。是无级调速。是无级调速。低速大转矩低速大转矩低速大转矩低速大转矩一般是在低速进行重切削，所以在低速时进给驱一般是在低速进行重切削，所以在低速时进给驱一般是在低速进行重切削，所以在低速时进给驱一般是在低速进行重切削，所以在低速时进给驱动要有大的转矩输出。动要有大的转矩输出。动要有大的转矩输出。动要有大的转矩输出。可靠性高可靠性高可靠性高可靠性高对环境的适应性强，性能稳定，使用寿

10、命长。对环境的适应性强，性能稳定，使用寿命长。对环境的适应性强，性能稳定，使用寿命长。对环境的适应性强，性能稳定，使用寿命长。第10页，共175页，编辑于2022年，星期六5-2检测装置检测装置性能指标性能指标系统精度：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，如是指在一定长度或转角内测量积累误差的最大值，如0.0020.02mm/m，10/360等。等。系系统分辨率：分辨率：是是测量元件所能正确量元件所能正确检测的最小位移量，如目前直的最小位移量，如目前直线位移的分辨率位移的分辨率为0.0010.01mm。角位移分辨率。角位移分辨率为2。检测装置是伺服系统的重要组成部分。检测装置

11、是伺服系统的重要组成部分。作用作用检测位置和速度，发送反馈信号，构成闭环或半检测位置和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环，闭环，对驱动装置进行控制。对驱动装置进行控制。要求要求工作可靠，抗干扰能力强工作可靠，抗干扰能力强满足精度、分辨率、测量范围满足精度、分辨率、测量范围使用维修方便、成本低使用维修方便、成本低第11页，共175页，编辑于2022年，星期六l检测装置的分类检测装置的分类按检测信号分：数字式、模拟式按检测信号分：数字式、模拟式按测量基准分：增量式、绝对式按测量基准分：增量式、绝对式按安装位置关系分：直接测量、间接测量按安装位置关系分：直接测量、间接测量常常常常见见见见检检检检测

12、测测测装装装装置置置置第12页，共175页，编辑于2022年，星期六一、旋转变压器一、旋转变压器旋转变压器是一种角度测量装置。旋转变压器是一种角度测量装置。旋转变压器是一种角度测量装置。旋转变压器是一种角度测量装置。1 1旋转变压器的结构旋转变压器的结构旋转变压器的结构旋转变压器的结构在结构上和两相绕线式异步电动机相似，在结构上和两相绕线式异步电动机相似，在结构上和两相绕线式异步电动机相似，在结构上和两相绕线式异步电动机相似，由定子和转于组成。由定子和转于组成。由定子和转于组成。由定子和转于组成。定子绕组为变压器的一次绕组定子绕组为变压器的一次绕组转子绕组为变压器的二次绕组。转子绕组为变压器的

13、二次绕组。根据转子绕组两种不同的引出方式旋转变压器分根据转子绕组两种不同的引出方式旋转变压器分根据转子绕组两种不同的引出方式旋转变压器分根据转子绕组两种不同的引出方式旋转变压器分l l 有刷式有刷式l l 无删式无删式第13页，共175页，编辑于2022年，星期六旋转变压器的内部结构图旋转变压器的内部结构图第14页，共175页，编辑于2022年，星期六根据互感原理工作的，根据互感原理工作的，根据互感原理工作的，根据互感原理工作的，定子绕组加上励磁电压，通定子绕组加上励磁电压，通定子绕组加上励磁电压，通定子绕组加上励磁电压，通过电磁耦合，转子绕组产生过电磁耦合，转子绕组产生过电磁耦合，转子绕组产

14、生过电磁耦合，转子绕组产生感应电功势。感应电功势。感应电功势。感应电功势。输出感应电功势大小与输出感应电功势大小与输出感应电功势大小与输出感应电功势大小与转子位置有关，就是通过测转子位置有关，就是通过测转子位置有关，就是通过测转子位置有关，就是通过测量被测轴的转速来间接测量量被测轴的转速来间接测量量被测轴的转速来间接测量量被测轴的转速来间接测量工作台的位移。工作台的位移。工作台的位移。工作台的位移。2旋转变压器旋转变压器的工作原理的工作原理第15页，共175页，编辑于2022年，星期六3旋转变压器的应用旋转变压器的应用特点特点特点特点结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便输出信号幅度大

15、，结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便输出信号幅度大，结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便输出信号幅度大，结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便输出信号幅度大，抗干扰能力强，工作可靠，广泛应用于数控机床上。抗干扰能力强，工作可靠，广泛应用于数控机床上。抗干扰能力强，工作可靠，广泛应用于数控机床上。抗干扰能力强，工作可靠，广泛应用于数控机床上。应用应用应用应用实际使用中采用的是正余弦旋转变压器，其定子和转子均由两组匝数实际使用中采用的是正余弦旋转变压器，其定子和转子均由两组匝数实际使用中采用的是正余弦旋转变压器，其定子和转子均由两组匝数实际使用中采用的是正余弦旋转变压

16、器，其定子和转子均由两组匝数相等、互相相等、互相相等、互相相等、互相垂直的绕组构成。垂直的绕组构成。垂直的绕组构成。垂直的绕组构成。第16页，共175页，编辑于2022年，星期六二、感应二、感应同步同步器器感应同步器是旋转变压感应同步器是旋转变压感应同步器是旋转变压感应同步器是旋转变压器演变而来，也是一种电磁器演变而来，也是一种电磁器演变而来，也是一种电磁器演变而来，也是一种电磁感应式的位移检测装置。感应式的位移检测装置。感应式的位移检测装置。感应式的位移检测装置。1.感应同步器的结构感应同步器的结构圆型感应同步器圆型感应同步器圆型感应同步器圆型感应同步器由定子和转子组成，用由定子和转子组成，

17、用于测量角位移于测量角位移直线型感应同步器直线型感应同步器直线型感应同步器直线型感应同步器由定子和转子组成，用由定子和转子组成，用于测量直线位移于测量直线位移 第17页，共175页，编辑于2022年，星期六2.直线感应同直线感应同步器的结构步器的结构利用两个平面形印利用两个平面形印刷绕组，其间保持均刷绕组，其间保持均匀气隙约为匀气隙约为(0.250.05)mm作相对平行移动，根作相对平行移动，根据交变磁场和互感原据交变磁场和互感原理而工作的。理而工作的。第18页，共175页，编辑于2022年，星期六W2片宽a2间隔b2定尺定尺定尺定尺为连续绕组，节距为连续绕组，节距W22(a2b2)，其中，其

18、中a2为导电片宽，为导电片宽，b2为片间间隙，定尺节为片间间隙，定尺节距即为检测周期距即为检测周期W，常取，常取W2mm。滑尺滑尺为分段绕组，分为正弦和余弦绕组两部分为分段绕组，分为正弦和余弦绕组两部分,两两绕组的的节距都距都为W12(a1b1)，其中，其中a1为导电片片宽，b1为片片间间隙，一般取隙，一般取W1W2或或W1W2/3。2121L1W1a1b1第19页，共175页，编辑于2022年，星期六滑尺上有正弦和余弦励磁绕组，在空间位置上相差滑尺上有正弦和余弦励磁绕组，在空间位置上相差1/4节距，定节距，定尺和滑尺绕组的节距相同。尺和滑尺绕组的节距相同。若滑尺若滑尺绕组加励磁加励磁电压，则

19、由于由于电磁感磁感应而在定尺而在定尺绕组上上产生感生感应电压，其大小取决于滑尺与定尺的相，其大小取决于滑尺与定尺的相对位置。位置。2/2E定尺定尺正弦绕组正弦绕组滑尺滑尺余弦绕组余弦绕组VsVci1i23.3.直线感应同步器的工作原理直线感应同步器的工作原理直线感应同步器的工作原理直线感应同步器的工作原理根据交变磁场和互感原理而工作的。根据交变磁场和互感原理而工作的。第20页，共175页，编辑于2022年，星期六W可以看出：滑尺在移动一个节距的过程中，感应电势变化了一个周期。若励磁电压uUmsint，那么在定尺绕组产生的感应电势e为ekUmcoscost第21页，共175页，编辑于2022年，

20、星期六若励磁电压uUmsint则定尺绕组产生的感应电势则定尺绕组产生的感应电势eekUmcoscost式中Um励磁电压幅值(V)；励磁电压角频率(rad/s)；k比例常数，其值与绕组间最大互感系数有关；滑尺相对定尺在空间的相位角。在一个节距W内，位移位移x与与的关系的关系应为 2 2x/Wx/W感应同步器就是利用感应电势的变化，来检测在一个节距W内的位移量，为绝对式测量。第22页，共175页，编辑于2022年，星期六滑尺上的正弦、余弦励磁滑尺上的正弦、余弦励磁绕组提供同频率、同幅值、相位绕组提供同频率、同幅值、相位差差90的交流的交流电压，即，即usUmsintucUmcostus和和uc单独

21、励磁，在定尺独励磁，在定尺绕组上感上感应电势分分别为eskUmcoscosteckUmcos(/2)sintkUmsinsint3.感应同步器输出信号的处理方式感应同步器输出信号的处理方式常用的有鉴相方式和鉴幅方式常用的有鉴相方式和鉴幅方式（1）鉴相方式）鉴相方式根据感应输出电压的相位来检测位移量根据感应输出电压的相位来检测位移量第23页，共175页，编辑于2022年，星期六根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势e为为eeseckUmcoscostkUmsinsintkUmcos(t)kUmcos(t2x/W)根据上式，通过鉴别定尺输出的感应电势的相位，即

22、可测量定尺和滑根据上式，通过鉴别定尺输出的感应电势的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位置。尺之间的相对位置。感应同步器的鉴相方式用在相位比较伺服系统中。感应同步器的鉴相方式用在相位比较伺服系统中。例：感应电势与励磁电压相位差例：感应电势与励磁电压相位差=1.8=1.8，节距，节距W=2mmW=2mm，由由=2x/W=0.01mm第24页，共175页，编辑于2022年，星期六滑尺的正弦、余弦绕组励磁电压为同频率、同相位，但不同幅值，即滑尺的正弦、余弦绕组励磁电压为同频率、同相位，但不同幅值，即usUmsindsintucUmcosdsint式中式中d励磁励磁电压的的给定相位角定相位角分分别励磁

23、励磁时，在定尺，在定尺绕组上上产生的生的输出感出感应电势分分别为eskUmsindcoscosteckUmcosdcos(/2)costkUmcosdsincost（2）鉴幅方式）鉴幅方式根据定尺输出的感应电势的振幅变化来检测位移量。根据定尺输出的感应电势的振幅变化来检测位移量。第25页，共175页，编辑于2022年，星期六根据叠加原理，定尺上输出总感应电势为根据叠加原理，定尺上输出总感应电势为eeseckUm(sindcoscosdsin)costkUmsin(d)costkUmsin(d2x/W)cost设初始状态设初始状态d，则e0。当滑尺相。当滑尺相对定尺有一位移，使定尺有一位移，使变

24、为，则感感应电势增量增量为 e ekUmxcost式中式中=2x/W由此可知，在由此可知，在x较小的情况下，较小的情况下，e与与x成正比，也就是鉴别成正比，也就是鉴别e幅值，即可测幅值，即可测x大小。当大小。当x较大时，通过改变较大时，通过改变d，使，使d,使使e0，根据，根据d可以确定可以确定，从而确定位移量，从而确定位移量x。第26页，共175页，编辑于2022年，星期六4.感应同步器的特点感应同步器的特点精度高精度高精度高精度高输出的电压是许多对极感应电压的平均值输出的电压是许多对极感应电压的平均值 适用性强适用性强适用性强适用性强电磁感应，不怕油污和灰尘，不易受干扰电磁感应，不怕油污和

25、灰尘，不易受干扰 可用于长距离测量可用于长距离测量可用于长距离测量可用于长距离测量可多根定尺接长可多根定尺接长使用寿命长，维护简单使用寿命长，维护简单使用寿命长，维护简单使用寿命长，维护简单工艺性好，成本低工艺性好，成本低工艺性好，成本低工艺性好，成本低应用广泛应用广泛应用广泛应用广泛第27页，共175页，编辑于2022年，星期六三、光栅三、光栅光栅属于光学元件，是一种高精度的位移传感器。1.光栅的种类透射光栅透射光栅反射光栅反射光栅物理物理光栅光栅计量计量光栅光栅圆光栅圆光栅直线光栅直线光栅主要介绍一下直线计量透射光栅。第28页，共175页，编辑于2022年，星期六光栅检测装置的结构光栅检测

26、装置的结构透射光栅透射光栅第29页，共175页，编辑于2022年，星期六010,00,11,01,1反射光栅反射光栅第30页，共175页，编辑于2022年，星期六光栅检测装置基本结构示意图光栅检测装置基本结构示意图 2.2.直线透射光栅直线透射光栅（1 1）组成）组成第31页，共175页，编辑于2022年，星期六（2 2）直线透射光栅的工作原理直线透射光栅的工作原理由于挡光效应和光的衍射，在与线纹几乎垂直方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为“莫尔条纹”。第32页，共175页，编辑于2022年，星期六莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点 放大作用放大作用 莫尔条纹纹距B 与光栅节距w和倾角之

27、间的关系：光栅横向移动一个节距w，莫尔条纹正好沿刻线上下移动一个节距B，用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可以测量光栅的位移。例：例：当 w=0.01mm，=0.01 red，则 B=1mm，将栅距放大100倍的莫尔条纹宽度。由于很小，因此 22sin/qw=BqwB第33页，共175页，编辑于2022年，星期六光栅尺横向莫尔条纹及其参数光栅尺横向莫尔条纹及其参数 22sin/qw=BB2B第34页，共175页，编辑于2022年，星期六均化误差作用均化误差作用莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，栅距之间的相邻误莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，栅距之间的相邻误差被均化。短光栅的工作长度愈

28、长差被均化。短光栅的工作长度愈长,这一均化误差的作用愈这一均化误差的作用愈显著。显著。根据莫尔条纹的移动根据莫尔条纹的移动与栅距移动的对应关系与栅距移动的对应关系莫尔条纹的特点（续）：莫尔条纹的特点（续）：逆时针方向逆时针方向选择选择()顺时针方向顺时针方向选择选择()左左下下上上右右上上下下光栅移动方向莫尔条纹移动方向角的旋转方向第35页，共175页，编辑于2022年，星期六（3）辨向辨向为了辨别运动方向，需配置两个彼此错开1/4纹距的光电元件，使输出电信号彼此在相位上差90，若以其中的一个作为参考信号，则另一个信号将超前或滞后参考信号90，由此来确定运动方向。（4）倍倍频倍频又称为细分，倍

29、频数就是指在莫尔条纹一个周期的范围内，等距离安装的感光元件的数目，从而在一个周期内产生若干个脉冲，达到细分的目的。提高倍频数可以提高光栅的最小读数值，提高分辨率，精密机床的测量常采用高倍频。例：例：栅距距w=0.01mm，十倍频后，最小读数值1mm.第36页，共175页，编辑于2022年，星期六四倍频电路四倍频电路第37页，共175页，编辑于2022年，星期六（5 5）特点）特点 优点：优点：1 1）精度高）精度高 测直线：精度测直线：精度 0.5-3m0.5-3mm，分辨率，分辨率 0.1m mm 2 2）易实现动态测量和自动化测量）易实现动态测量和自动化测量 3 3）较强的抗干扰能力）较强

30、的抗干扰能力 缺点：缺点：1 1）对环境要求高，怕振动，怕油污）对环境要求高，怕振动，怕油污 2 2）高精度光栅制作成本高）高精度光栅制作成本高 目前多用于精密定位的数控机床，数显机床中也应用较多。目前多用于精密定位的数控机床，数显机床中也应用较多。第38页，共175页，编辑于2022年，星期六四、编码器四、编码器一种旋转式的检测角位移的传感器。将角位移用数字(脉冲)形式表示，故又称脉冲编码器。广泛应用于NC机床的位置检测，也常用它作为速度检测元件。1、编码器分类、编码器分类按码盘信号的读取方式可分为：光电式、接触式和电磁式以光电式的精度和可靠性最好，NC机床常用光电式编码器按测量坐标系又可分

31、为：增量式和绝对式按每转发出的脉冲数分为：高分辨率20000-30000p/r普通分辨率2000-3000p/r第39页，共175页，编辑于2022年，星期六2.增量式光电脉冲编码器增量式光电脉冲编码器（1）组成）组成由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光敏元件(光电管)、整形放大电路和数字显示装置等组成。第40页，共175页，编辑于2022年，星期六光电编码器在旋转工作台上的安装光电编码器在旋转工作台上的安装第41页，共175页，编辑于2022年，星期六（2）工作原理工作原理光电盘按装在被测轴上，随主轴一起转动。光电盘转动时，光电元件光电盘按装在被测轴上，随主轴一起转动。光电盘转动时，光电元件把

32、通过光电盘和光栏板射过来的忽明忽暗的光信号把通过光电盘和光栏板射过来的忽明忽暗的光信号(近似于正弦信号近似于正弦信号)转转换为电信号，经整形、放大等电路的变换后变成脉冲信号，通过计算换为电信号，经整形、放大等电路的变换后变成脉冲信号，通过计算脉冲的数目，即可测出工作轴的转角，并通过数显装置进行显示。通脉冲的数目，即可测出工作轴的转角，并通过数显装置进行显示。通过测定计数脉冲的频率，即可测出工作轴的转速。过测定计数脉冲的频率，即可测出工作轴的转速。第42页，共175页，编辑于2022年，星期六（3）脉冲编码器的辨向）脉冲编码器的辨向光栏板上两条狭缝中的信号A和B(相位差90)，通过整形，成为两相

33、方波信号。根据先后顺序，即可判断光电盘的正反转。若A相超前于B相，对应电动机正转；若B相超前A相，对应电动机反转。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲，可以形成代表正向位移和反向位移的脉冲序列。A相相B相相90A相相B相相90A相相B相相90A相相B相相90第43页，共175页，编辑于2022年，星期六（4）提高光电脉冲编码器分辨率的方法）提高光电脉冲编码器分辨率的方法提高光电盘圆周的等分狭缝的密度，实际上是使光电盘的狭缝变成了圆光栅线纹。增加光电盘的发信码道，使盘上不仅只有一圈透光狭缝，而且有若干大小不等的同心圆环狭缝(称为码道)，光电盘回转一周发出的脉冲信号数增多，使分辨率提高。第44页，共

34、175页，编辑于2022年，星期六3.绝对式光电脉冲编码器绝对式光电脉冲编码器（1）结构）结构绝对式脉冲编码器结构与增量式相似，就是在码盘绝对式脉冲编码器结构与增量式相似，就是在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码，称为绝对码盘。绝的每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码，称为绝对码盘。绝对式脉冲编码器是通过读取编码盘上的代码对式脉冲编码器是通过读取编码盘上的代码(图案图案)来表示轴的位置。来表示轴的位置。第45页，共175页，编辑于2022年，星期六码盘的种类码盘的种类按码制不同分二进制码、格雷码（循环码）、十进制码、六按码制不同分二进制码、格雷码（循环码）、十进制码、六按码制不同分二进

35、制码、格雷码（循环码）、十进制码、六按码制不同分二进制码、格雷码（循环码）、十进制码、六十进制码等，最常用的是二进制循环码盘。十进制码等，最常用的是二进制循环码盘。十进制码等，最常用的是二进制循环码盘。十进制码等，最常用的是二进制循环码盘。纯二进制码有一个缺纯二进制码有一个缺点：相邻两个二进制数点：相邻两个二进制数可能有多位二进制码不可能有多位二进制码不同，当数码切换时有多同，当数码切换时有多个数位要进行切换，增个数位要进行切换，增大了误读的机率。大了误读的机率。而而格雷格雷格雷格雷码则不同，相邻码则不同，相邻两个二进制数码只有一个两个二进制数码只有一个数位不同，因此两数切换数位不同，因此两数

36、切换时只在一位进行，提高了时只在一位进行，提高了读数的可靠性。读数的可靠性。第46页，共175页，编辑于2022年，星期六（3）工作原理）工作原理光源经过柱面镜，变成一束平行光照射在码盘上，通过码盘经狭缝形成一束很窄的光束照射在光电元件上，光电元件的排列与码道一一对应，亮区输出为“1”，暗区输出为“0”，再经信息处理电路，进行放大、整形、锁存与译码，输出自然二进制代码，从而实现了角度的绝对值测量。第47页，共175页，编辑于2022年，星期六（4）应用）应用在实际应用过程中，用绝对脉冲编码器来检测轴的位置和速在实际应用过程中，用绝对脉冲编码器来检测轴的位置和速度时，当编码器旋转超过一周时，读出

37、准确数值的解决方法：度时，当编码器旋转超过一周时，读出准确数值的解决方法：在旋转轴上安装多个码盘，其中一些盘是专门用来计量所转在旋转轴上安装多个码盘，其中一些盘是专门用来计量所转过的圈数过的圈数N，而另一部分码盘是用来检测一圈以内的度数，而另一部分码盘是用来检测一圈以内的度数。之后将。之后将两个码盘所检测的进行两个码盘所检测的进行(N360)的叠加。的叠加。在在软件件设计时，设置一个置一个专门的的计数器，并数器，并规定定码盘上的一个上的一个专门的代的代码为“零零”代代码，当，当码盘转过“零零”代代码时，计数器的数器的值就被自就被自动加一，加一，这样也可以也可以实现即即测圈数又圈数又测度数的目的

38、。度数的目的。第48页，共175页，编辑于2022年，星期六开环伺服系统开环伺服系统开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件；开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件；开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件；开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件；没有位置反馈回路和速度反馈回路；没有位置反馈回路和速度反馈回路；没有位置反馈回路和速度反馈回路；没有位置反馈回路和速度反馈回路；设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小；设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小；设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小；设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小；用于中、低档数控机床及普通机床改造。用于中、

39、低档数控机床及普通机床改造。用于中、低档数控机床及普通机床改造。用于中、低档数控机床及普通机床改造。第49页，共175页，编辑于2022年，星期六闭环伺服系统闭环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；闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上；闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上；闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上；检测装置构成闭环位置控制。检测装置构成闭环位置控制。检测装置构成闭环位置控制。检测装置构成闭环位置控制。闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数

40、控机床上。闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。第50页，共175页，编辑于2022年，星期六半闭环伺服系统半闭环伺服系统位置检测元件安装在电动机轴上或丝杠上，用以精确控制电机位置检测元件安装在电动机轴上或丝杠上，用以精确控制电机位置检测元件安装在电动机轴上或丝杠上，用以精确控制电机位置检测元件安装在电动机轴上或丝杠上，用以精确控制电机的角度，为间接测量；的角度，为间接测量；的角度，为间接测量；的角度，为间接测量；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，其传动误差没有得坐标

41、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；到系统的补偿；到系统的补偿；到系统的补偿；半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。适用于精度要求适中的中小型数控机床。适用于精度要求适中的中小型数控机床。适用于精度要求适中的中小型数控机床。适用于精度要求适中的中小型数控机床。第51页，共175页，编辑于2022年，星期六数控技术第五章第五章伺服驱动系统伺服驱动系统 5-1 概述概述5-2 检测装置检测装置 5-3 5-3 步进电动机及其驱动系统步进电动机及其驱动系统步进电动机及其驱动

42、系统步进电动机及其驱动系统 5-4 直流伺服电动机及其速度控制直流伺服电动机及其速度控制 5-5 交流伺服电动机及其速度控制交流伺服电动机及其速度控制 5-6 主轴驱动主轴驱动 5-7 位置控制位置控制第52页，共175页，编辑于2022年，星期六伺服系统（伺服系统（ServoSystem)CNC系统系统驱动电机驱动电机检测装置检测装置控制信号控制信号反馈信号反馈信号光栅尺光栅尺伺服驱动系统伺服驱动系统伺服驱动系统伺服驱动系统第53页，共175页，编辑于2022年，星期六5-3步进电动机及其驱动系统步进电动机及其驱动系统步进电动机主要用于开环步进电动机主要用于开环位置控制系统。它由步进电动位置

43、控制系统。它由步进电动机驱动电源和步进电动机组成，机驱动电源和步进电动机组成，没有反馈环节。没有反馈环节。这种系统较简单，控制较容易，这种系统较简单，控制较容易，维修也较方便，而且为全数字化维修也较方便，而且为全数字化控制。控制。由于开环系统精度不高，且步进电动机的功率和速度不高，因此步由于开环系统精度不高，且步进电动机的功率和速度不高，因此步进电动机驱动系统仅用于小容量、加工速度低、脉冲当量和精度不太高进电动机驱动系统仅用于小容量、加工速度低、脉冲当量和精度不太高的场合，如经济型数控机床和电加工机床、计算机的打印机、绘图仪等的场合，如经济型数控机床和电加工机床、计算机的打印机、绘图仪等设备。

44、设备。第54页，共175页，编辑于2022年，星期六一、步进电动机一、步进电动机1.步进电动机的分类步进电动机的分类(1)按运动方式分：旋转式、直线运动式、平面运动式和滚按运动方式分：旋转式、直线运动式、平面运动式和滚切运动式。切运动式。(2)按工作原理分：反应式按工作原理分：反应式(磁阻式磁阻式)、电磁式、永磁式、永磁、电磁式、永磁式、永磁感应子式感应子式(混合式混合式)。(3)按结构分：单段式按结构分：单段式(径向式径向式)、多段式、多段式(轴向式轴向式)，印刷绕组式，印刷绕组式(4)按相数分：三相、四相、五相、六相和八相等。按相数分：三相、四相、五相、六相和八相等。(5)按使用频率分：高

45、频步进电动机和低频步进电动机。按使用频率分：高频步进电动机和低频步进电动机。第55页，共175页，编辑于2022年，星期六2.步进电动机的控制原理步进电动机的控制原理步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。的控制电动机。位移量的控制位移量的控制向步进电动机送一个控制脉冲，其转轴就转过一个向步进电动机送一个控制脉冲，其转轴就转过一个角度或移动一个直线位移，称为一步；脉冲数增加，角位移角度或移动一个直线位移，称为一步；脉冲数增加，角位移(或线位移或线位移)随之增加，即随之增加，即脉冲数决定位移量。脉冲数决定位移量。进

46、给速度的控制进给速度的控制脉冲频率高，则步进电动机的旋转速度就高，脉冲频率高，则步进电动机的旋转速度就高，反之则低，即反之则低，即脉冲频率决定进给速度。脉冲频率决定进给速度。运动方向的控制运动方向的控制改变分配脉冲的相序，实现步进电动机的正、改变分配脉冲的相序，实现步进电动机的正、反转，从而改变运动方向。反转，从而改变运动方向。与一般交流和直流电动机所不同的是，步进电动机定子绕组所与一般交流和直流电动机所不同的是，步进电动机定子绕组所加的电源形式为脉冲电压，而不是正弦电压或者恒定直流电压。加的电源形式为脉冲电压，而不是正弦电压或者恒定直流电压。第56页，共175页，编辑于2022年，星期六3.

47、反应式步进电动机反应式步进电动机极与极之间的夹角为极与极之间的夹角为60，每个定子磁极上均匀分布了五个齿，齿，每个定子磁极上均匀分布了五个齿，齿槽距相等，齿距角为槽距相等，齿距角为9。转子铁心转子铁心上无绕组，只有均匀分布的上无绕组，只有均匀分布的40个齿，个齿，齿槽距相等，齿距角为齿槽距相等，齿距角为360/409。绕组绕组定子铁心定子铁心转子铁心转子铁心（1）反应式步进电动机的结构）反应式步进电动机的结构单段式三相反单段式三相反应式步进电动机应式步进电动机的结构：的结构：定子铁心定子铁心上有六上有六个均匀分布的磁极，个均匀分布的磁极，沿直径相对两个极沿直径相对两个极上的线圈串联，构上的线圈

48、串联，构成一相成一相励磁绕组励磁绕组。第57页，共175页，编辑于2022年，星期六（2）反应式步进电动机的工作原理）反应式步进电动机的工作原理按电磁吸引的原理工作的。按电磁吸引的原理工作的。必须抓住两点：磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩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各相定子齿之间彼此错齿1/m齿距，齿距，m为相数为相数几个概念的含义：“拍”定子相绕组每改变一次通电状态，称为“一拍”。“单”指只有一相绕组通电。“双”指有两相绕组同时通电。第58页，共175页，编辑于2022年，星期六步进电机工作原理步进电机工作原理第59页，共175页，编辑于20

49、22年，星期六“单三拍单三拍单三拍单三拍”供电方式的步进电动机的工作原理：供电方式的步进电动机的工作原理：供电方式的步进电动机的工作原理：供电方式的步进电动机的工作原理：第一拍：第一拍：A相励磁绕组通电，相励磁绕组通电，B、C相励磁绕组断电。相励磁绕组断电。A相定子磁极的电磁力要相定子磁极的电磁力要使相邻转子齿与其对齐使相邻转子齿与其对齐(使磁阻最小使磁阻最小)，B相和相和C相定、转子错齿分别为相定、转子错齿分别为1/3齿距齿距(3)和和2/3齿距齿距(6)。第二拍：第二拍：B相绕组通电，相绕组通电，A、C相绕组断电。电磁反应力矩使转子顺时针方向转动相绕组断电。电磁反应力矩使转子顺时针方向转动

50、3，与，与B相的定子齿对齐，此时相的定子齿对齐，此时A、C相的定、转子齿互相错开。相的定、转子齿互相错开。第三拍：第三拍：C相绕组通电，相绕组通电，A、B相绕组断电。电磁反应力距又使转子顺时针方向转动相绕组断电。电磁反应力距又使转子顺时针方向转动了了3，与，与C相定子齿对齐，同时相定子齿对齐，同时A相、相、B相定、转子齿错开相定、转子齿错开重复通电顺序，重复通电顺序，ABCA第60页，共175页，编辑于2022年，星期六单三拍步进电动机的反转单三拍步进电动机的反转若定子绕组通电顺序为若定子绕组通电顺序为ACBA，则电动机转，则电动机转子就逆时针方向旋转起来，其步距角仍为子就逆时针方向旋转起来，