数控机床的驱动与控制系统伺服系统与位置检测.pptx

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1、2023/3/171（2）闭环伺服系统有位置检测装置，且装在机床工作台上，直接检测工作台的实际位移。利用CNC装置的指令值与位置检测装置的检测值的差值进行位置控制。精度高，其运动精度取决于检测装置的精度，与传动链的误差无关。适用于大型或比较精密的数控设备。（3）半闭环伺服系统有位置检测装置，且装在电机或丝杠的端头，检测角位移，间接获得工作台的位移。精度比闭环控制低，滚珠丝杠的精度影响位置检测的精度。适用于中小型数控机床。第1页/共101页2023/3/1722 伺服系统的组成由控制器、功率驱动装置、检测反馈装置和伺服电机组成。（1）控制器：由位置调解单元、速度调解单元和电流调解单元组成。控制器

2、最多构成三闭环控制：外环为位置环，中环为速度环，内环为电流环。（2）功率驱动装置：由驱动信号产生电路和功率放大器等组成。功能：一方面按控制量大小将电网中的电能作用到电机上，调节电机力矩的大小；另一方面按电机要求将恒压恒频的电网供电转换为电机所需直流电或交流电。（3）位置检测装置：闭环和半闭环伺服系统有位置检测装置，其安装位置不同；开环伺服系统无位置检测装置。（4）伺服电机：闭环和半闭环伺服系统采用交流或直流伺服电机；开环伺服系统采用步进电机。第2页/共101页2023/3/173伺服系统结构第3页/共101页2023/3/1743 数控机床对伺服系统的要求1.数控机床对进给伺服系统的要求（1）

3、调速范围大，低速转矩大。调速范围：机械装置要求电机能提供的最高进给速度相对于最低进给速度之比。为保证所有加工条件下，均能得到最佳切削条件和加工质量，就要求进给速度在较大的范围内变化。低速切削要求电机输出较大的转矩，避免出现低速爬行现象。（2）精度高。精度：伺服系统的输出量跟随输入量的精确程度。为保证数控加工精度要求，主要保证机床的定位精度和进给跟踪精度。第4页/共101页2023/3/175（3）快速响应无超调。快速响应反映系统的跟踪精度。（4）稳定性好，可靠性高。稳定性：系统在给定输入或外界干扰作用下，能经过短暂的调节达到新的或恢复到原来平衡状态。系统具有较好的抗干扰能力能保证进给速度均匀、

4、平稳。（5）足够的传动刚性，较强的过载能力，电机的惯量与移动部件的惯量相匹配，伺服电机能够频繁启停和可逆运行。第5页/共101页2023/3/1762.数控机床对主轴伺服系统的要求（1）足够的输出功率。主轴转速高，输出转矩小；主轴转速低，输出转矩大。要求主轴驱动装置具有恒功率性质。（2）调速范围宽。数控机床的变速依照指令自动执行，要求能够在较宽的转速范围内进行无级调速，较少中间传递环节，简化主轴箱。（3）定位准停功能。为使得数控车床具有螺纹切削等功能，要求主轴能与进给驱动实行同步控制。在加工中为自动换刀，要求主轴具有高精度的准停功能。第6页/共101页2023/3/177步进电机伺服系统是典型

5、的开环控制系统，在此系统中，步进电机受驱动线路控制，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，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序来决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。但由于该系统没有反馈检测环节，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。6.26.2步进电动机伺服系统 第7页/共101页6.2 步进电机伺服系统步进电机：一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。数控装置输出的进给脉冲数量、频率和方向经过驱动控制电路达到步进电机后，可以转换为工作

6、台的位移量、进给速度和方向。驱动控制线路步进电机工作台指令脉冲指令脉冲丝杠丝杠开环步进式伺服系统组成框图开环步进式伺服系统组成框图第8页/共101页2023/3/179一、步进驱动的原理：一、步进驱动的原理：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度进电机按设定的方向转动一个固定的角度 1组成：组成：步进驱动控制装置、步进电机、减速机构。步进驱动控制装置、步进电机、减速机构。实例如下图实例如下图2各部分的作用：各部分的作用：数

7、控装置：数控装置：根据控制要求发出指令脉冲，指令脉冲的个数代表移根据控制要求发出指令脉冲，指令脉冲的个数代表移 动距离；脉冲频率代表移动速度。动距离；脉冲频率代表移动速度。每发出一个脉冲电机旋转一个特定的角度，即步距角每发出一个脉冲电机旋转一个特定的角度，即步距角 环形分配：环形分配：根据指令方向，依次产生步进电机的各相的通电步根据指令方向，依次产生步进电机的各相的通电步 骤，分为硬件环分、软件环分两种。骤，分为硬件环分、软件环分两种。放大电路：放大电路：放大环形分配的各相指令，产生步进电机的各相的驱放大环形分配的各相指令，产生步进电机的各相的驱 动电流动电流 第9页/共101页步进电动机的特

8、点特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)改变脉冲顺序，改变转动方向。(4)角位移量或线位移量与电脉冲数成正比.第10页/共101页以反应式为例说明步进电机的结构和原理通常按励磁方式分为三大类：1 1）反应式反应式：转子无绕组，定转子开小齿、步距小。应用最广。：转子无绕组，定转子开小齿、步距小。应用最广。2 2）永磁式永磁式：转子的极数：转子的极数=每相定子极数，不开小齿，步距角较每相定子极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大。大，力矩较大。3 3）感应子式感应子式(混合式混合式)：开小齿，混合反应式与永磁式优点：转开小齿，混合反应式与永磁式优点：转矩大、

9、动态性能好、步距角小。矩大、动态性能好、步距角小。步进电机的种类：第11页/共101页步进电动机结构步进电动机结构注意：注意：步进电机通的是直流电脉冲.步进电机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成。定、转子铁心由软磁材料或硅钢片叠成凸极结构，定、转子磁极上均有小齿，定、转子的齿数相等。其中定子有六个磁极,定子定子磁极上套有星形连接的三相控制绕组，每两个相对的磁极为一相，组成一相控制绕组,转子上没有绕组。转子上相邻两齿间的夹角称为齿距角第12页/共101页工作方式步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。一、三相单三拍（1）三相绕组联接方式：Y型（2）三相绕

10、组中的通电顺序为：A 相B 相C 相通电顺序也可以为：A 相 C 相 B 相 第13页/共101页（3）工作过程被磁化，吸引转子，由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动，使转、定子的齿对齐停止转动。A 相通电，A 方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐。CABBCA3412第14页/共101页CABBCA3412B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30；1C342CABBAC相通电再转30第15页/共101页这种工作方式，因三相绕组

11、中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过30。此角称为步距角，用S表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。第16页/共101页二、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：AABBBCCCAA 共六拍。工作过程：A相通电，转子1、3齿和A相对齐。CABBCA3412第17页/共101页所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了15。（1）BB 磁场对2、4齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动。A、B相同时通电（2）AA 磁场继续对1、3齿有拉力。CABBCA3412第

12、18页/共101页总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15。CABBCA3412B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。第19页/共101页三、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：AB BC CA AB 共三拍。AB通电CABBCA3412CABBCA3412BC通电第20页/共101页以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30，即S=30。CA通电CABBCA3412第21页/共101页步进电机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角步距角。N:一个周期的运行拍数,即通电状态循

13、环一周需要改变的次数Zr：转子齿数如：Zr=40,N=3时步距角拍数：N=kmk=1 单拍制2 双拍制m:相数第22页/共101页转速每输入一个脉冲，电机转过即转过整个圆周的1/(ZrN）,也就是1/(ZrN）转因此每分钟转过的圆周数，即转速为步距角一定时，通电状态的切换频率越高，即脉冲频率越高时，步进电动机的转速越高。脉冲频率一定时，步距角越大、即转子旋转一周所需的脉冲数越少时，步进电动机的转速越高。第23页/共101页2023/3/1724二、步进电机的主要性能指标二、步进电机的主要性能指标1.步距角和步距误差步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下：(6-1)式中步进电机

14、的步距角；m电机相数；Z转子齿数；K系数，相邻两次通电相数相同，K1；相邻两次通电相数不同，K2。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。步距误差是指步进电机运行时，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。由于步进电机转过一转后，将重复上一转的稳定位置，即步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。步距误差在一转后回复为零。第24页/共101页2023/3/1725 2.静态转矩与矩角特性当步进电机上某相定子绕组通电之后，转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻最小，

15、转子处在平衡位置不动（0）。如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度，角度称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角的关系叫矩角特性，如图6-6所示，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（0）。O 第25页/共101页2023/3/1726 3.最大启动转矩 图示为三相单三拍矩角特性曲线，图中的A、B分别是相邻A相和B相的静态矩角特性曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电机的最大启

16、动转矩Tq。如果外加负载转矩大于Tq，电机就不能启动。BACT1TqTMB第26页/共101页2023/3/1727 4.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，加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。5.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。其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。一般为启动

17、频率的440倍。因此，步进电机常用升降速控制，起停时频率较低，正常时，频率升高。第27页/共101页2023/3/1728 6.矩频特性与动态转矩 矩频特性是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（见图6-8），该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。当步进电机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。M f 图6-8 矩频特性第28页/共101页2023/3/1729 三、脉冲分配 脉冲分配可由硬件或软件产生，硬件环形分配器是根据真值表或逻辑关系式采用逻辑门电路和触发器来实现。软

18、件环形分配由计算机软件完成。1，硬件脉冲分配器硬件环形分配器是根据步进电机的相数和控制方式由门电路和集成逻辑电路设计的，数控机床上常用三相、四相、五相及六相步进电机。目前，国产有YB01301636相18管脚TTL集成脉冲分配器，CH2503相CMOS16管脚集成脉冲分配器。第29页/共101页硬件环形分配器输入、输出信号一般为TTL电平，输出信号A、B、C为高电平时表示相应绕组通电，低电平时表示相应绕组失电。CLK为数控装置发出的脉冲信号，每个脉冲信号的上升或下降沿到来时，输出改变一次绕组的通电状态。DIR为数控装置发出的方向信号，其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变，即步进电机的正、反转。

19、FULL/HALF控制电机的整步或半步。第30页/共101页三相六拍环形脉冲分配器原理图第31页/共101页2023/3/17322.2.软件环形分配计算机控制的步进电机驱动系统中，使用软件实现脉冲分配，常用的是查表法。例如对于三相六拍环形分配器，每当接收到一个进给脉冲指令，环形分配器软件根据表6-1所示真值表，按顺序及方向控制输出接口将A、B、C的值输出即可。如果上一个进给脉冲到来时，控制输出接口输出的A、B、C的值是100，则对于下一个正向进给脉冲指令，控制输出接口输出的值是110，再下一个正向进给脉冲，应是010，而使步进电机正向地旋转起来。VSVS第32页/共101页软件环形脉冲分配器

20、软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法、比较法、移位寄存器法等。如图所示，8031单片机的P1口的三个引脚经过光电隔离、功率放大后分别与电机的A、B、C连接。采用三相六拍方式时，电机正转的通电顺序为AABBBCCCAA。电机反转的通电顺序为AACCCBBBAA。第33页/共101页2023/3/1734 VSVS表6-1三相六拍环形分配器真值表第34页/共101页2023/3/17351单电压型驱动电源电容电容C:在接通瞬间短接在接通瞬间短接R R 电流由电流由 ELCT1 故故C C称称 加速电容加速电容 电阻电阻R:在电流达到在电流达到恒定后恒定后还起还起限流作用限流作用，此时电流由此时电流

21、由 ELRT1 输入脉冲为输入脉冲为“0 0”时，时，T1T1截止截止，il=0 输入脉冲为输入脉冲为“1 1”时，时，T1T1导通导通第35页/共101页2023/3/1736 输入输入脉冲消失脉冲消失后，后，T T1 1截止，截止，L L两端将产生一感应电压。两端将产生一感应电压。V=L(di/dt)，由于由于T T1 1关断时间关断时间dtdt很很 短，短，故感应电压故感应电压U U很大，将击穿晶体管，很大，将击穿晶体管，为此增加二极管为此增加二极管 D D 续流，续流电流续流，续流电流:LRDL 第36页/共101页2023/3/1737 而而T2T2在在高压控制电路高压控制电路下下导

22、通导通 时间时间t t1 1较短较短 (100-600(100-600 s)s)绕组在绕组在高压高压 EHEH下电流下电流 迅速增大迅速增大至至额定值额定值，此时此时低压低压 ELEL无效无效。3高低压双压型驱动电源 输入脉冲信号为输入脉冲信号为“0 0”时，时，T1T1、T2T2均截止，均截止，I IL L=0=0 输入信号为输入信号为“1 1”时，时，T1 T1 导导通通 t t1 1之后之后，T2T2截止截止，低压供压低压供压，维持维持绕组所需的绕组所需的额定电流额定电流IeIeEHEL第37页/共101页2023/3/1738 输入脉冲输入脉冲信号消失信号消失(为为“0 0”)，T1T

23、1、T2T2均截止均截止，L L上电流经上电流经放电回路放电回路：LRoD2EHELD1L 迅速下降迅速下降 EH供电，励磁电流供电，励磁电流前沿电流前沿电流 Ip=EH/(r+R0)(1-e-t/Ti)由此计算由此计算t1 t1=T/n EH/EH+In(r+R0)In要求高压通电，要求高压通电，电流达到的数值电流达到的数值2 2高低压双压型驱动电源高低压双压型驱动电源EHEL第38页/共101页2023/3/17391)1)绕组上电流绕组上电流I Il l 随外加电压随外加电压(E(EH H、E EL L)变化而变化变化而变化，当外加电压变化时，电机特性变差，工作不稳定当外加电压变化时，电

24、机特性变差，工作不稳定 2)绕组电流绕组电流波形下凹波形下凹，使电机使电机输出转矩降低输出转矩降低 3)R R的存在使的存在使效率降低效率降低EH ELEH EL存在的问题：第39页/共101页2023/3/1740（3）斩波恒流功率放大器控制信号Uin为0电平时与门N2为0电平，VT截止，当为1时，VT导通，绕组L上有电流第40页/共101页2023/3/17416.3 直流伺服电机调速系统1.直流伺服电机的结构及特点直流伺服电机的结构第41页/共101页2023/3/1742直流伺服电机的特点过载倍数大，时间长；具有大的转矩/惯量比，电机的加速大，响应快。低速转矩大，惯量大，可与丝杆直接相

25、联。调速范围大：12000。带有高精度的速度和角位置检测元件；电机允许温度达150以上，由于温升高，影响机床精度因转子惯性大，电源容量以及机械传动件的刚度都需相应增大。电刷、维护不便 但其却存在一些固有的缺点，即：l电刷和换向器易磨损，维护麻烦l结构复杂，制造困难，成本高第42页/共101页2023/3/17431.、直流伺服电机的调速原理根据机械特性公式可知调速有二种方法:电枢电压Ua和气隙磁通改变电枢外加电压Ua:由于绕组绝缘耐压的限制，调压只能在额定转速以下进行。属于恒转矩调速。改变气隙磁通量：改激磁电流即可改，在Ua恒定情况下，磁场接近饱和，故只能弱磁调速，在额定转速以上进行。属于恒功

26、率调速。2.直流速度控制单元调速控方式晶闸管（可控硅）调速系统晶体管脉宽调制（PWM）调速系统第43页/共101页2023/3/1744晶闸管调速系统1）系统的组成包括控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。主回路：可控硅整流放大器等。速度环：速度调节（PI），作用：好的静态、动态特性。电流环：电流调节(P或PI)。作用：加快响应、启动、低频稳定等。触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。速度速度调节器调节器电流电流调节器调节器触发脉冲触发脉冲发生器发生器可控硅可控硅整流器整流器电流反馈电流反馈速度反馈速度反馈电流检测电流检测

27、编码器编码器电机电机UR+-UfIfIR+-E1ES第44页/共101页2023/3/17452）主回路工作原理组成：由大功率晶闸管构成的三相全控桥式（三相全波）反并接可逆电路，分成二大部分（和），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，分别实现正转和反转。原理：三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部分内又分成共阴极组（1、3、5）和共阳极组（2、4、6）。为构成回路，这二组中必须各有一个可控硅同时导通。1、3、5在正半周导通，2、4、6在负半周导通。每组内（即二相间）触发脉冲相位相差120，每相内二个触发脉冲相差180。按管号排列，触发脉冲的顺序：1-2-3-4-5-6，相邻之间相位差60。为

28、保证合闸后两个串联可控硅能同时导通，或已截止的相再次导通，双脉冲控制。既每个触发脉冲在导通60后，在补发一个辅助脉冲；也可以采用宽脉冲控制，宽度大于60，小于120。462791113581210ABCMUMUDKMKM+-第45页/共101页2023/3/17463）控制回路分析触发脉冲产生的过程：改变触发角，即改变控制角U1U2R1R2R3C-+同步信号同步信号方波信号方波信号矩齿波矩齿波矩齿波与直矩齿波与直流电压叠加流电压叠加 信号信号尖脉冲尖脉冲直流电压直流电压同步信号同步信号过零信号过零信号由速度由速度F变换来的变换来的电流调节电流调节器输出的器输出的直流信号直流信号,123 电流调

29、节器电流调节器:同上，加快电流的反应。同上，加快电流的反应。触发脉冲发生器：正弦波同步锯齿波触发触发脉冲发生器：正弦波同步锯齿波触发 电路，与电路，与F直流信号叠加。直流信号叠加。速度调节器：比例积分速度调节器：比例积分PI，高放大（相，高放大（相当当 C短路）短路）缓放大缓放大增放大增放大稳定（相当稳定（相当C 开路）无静差。开路）无静差。1-同步电路同步电路 2-移向控制电路移向控制电路3-脉冲分配器脉冲分配器第46页/共101页2023/3/1747总结速度控制的原理：调速：当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器的输入端，产生前移的触发脉冲，可控硅整流器输出直流电压提高，电

30、机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定相匹配达到新的平衡，电机以较高的转速运行。干扰：假如系统受到外界干扰，如负载增加，电机转速下降，速度反馈电压降低，则速度调节器的输入偏差信号增大，其输出信号也增大，经电流调节器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使电机转速恢复到干扰前的数值。电网波动：电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电机转速由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使电流调节器的输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原来值，从而抑制了主回路电流的变化。启动、制动、加减速：电流调节器

31、还能保证电机启动、制动时的大转矩、加减速的良好动态性能。第47页/共101页2023/3/17482 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统1）系统的组成及特点速度调节速度调节器器电流调节电流调节器器脉宽调脉宽调节节振荡器振荡器脉宽调脉宽调节节MG电流反电流反馈馈Uusrus f整流整流功放功放第48页/共101页2023/3/1749 主回路：功率晶体管开关放大器；功率整流器。控制回路：速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。区别：与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。直流脉宽调制：功率放大器中的大功率晶体管工

32、作在开关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度）的方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用则为波动很小的直流电压（平均电压）。脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。第49页/共101页2023/3/1750直流脉宽调调制的基本原理周期不变周期不变周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压脉冲宽度正比代表速度F值的直流电压Ut第50页/共101页2023/3/17512）脉宽调制器ttU U +U S rU +U S rU S CU S CU S C+U S rooo-U S rtttt同向加法放大器

33、电路图同向加法放大器电路图U S r 速度指令转化过速度指令转化过 来的直流电压来的直流电压U -三角波三角波USC-脉宽调制器的输脉宽调制器的输 出（出（U S r+U ）调制波形图调制波形图R1+12VUSCR1R3R2+-12VU S rU -US r为为0时时调制出正负脉宽一样方波调制出正负脉宽一样方波平均电压为平均电压为0US r为正时为正时US r为负时为负时调制出脉宽较宽的波形调制出脉宽较宽的波形平均电压为正平均电压为正调制出脉宽较窄的波形调制出脉宽较窄的波形平均电压为负平均电压为负第51页/共101页2023/3/17523）开关功率放大器主回路：可逆主回路：可逆H型双极式型双

34、极式PWM 开关功率放大器开关功率放大器电路图电路图:由四个大功率晶体管由四个大功率晶体管（GTR）T 1、T 2、T 3、T4 及四个续流二极管组成的桥及四个续流二极管组成的桥 式电路。式电路。H型：型：又分为又分为双极式、单极双极式、单极式和受限单极式和受限单极式三种。式三种。Ub1、Ub2、Ub3Ub4 为调制器为调制器输出，经脉冲输出，经脉冲分配、基极驱分配、基极驱动转换过来的动转换过来的脉冲电压。分脉冲电压。分别加到别加到T1、T2、T3、T4的基极。的基极。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS-USUdUABOtUb1Ub 4Ub2Ub3OOtt

35、t1Tidid1id2id1id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub 4Ub2、Ub 3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2第52页/共101页2023/3/1753（4）PWM调速系统的特点频带宽、频率高:晶体管“结电容”小，开关频率远高于可控（50Hz)，可达2-10KHz。快速性好。电流脉动小:由于PWM调制频率高，电机负载成感性对电流脉动由平滑作用，波形系数接近于1。电源的功率因数高:SCR系统由于导通角的影响，使交流电源的波形畸变、高次谐波的干扰，降低了电源功率因数。PWM系统的直流电源为不受控的整流输出，功率因数高。动态硬度好:校正瞬态负载扰动

36、能力强，频带宽，动态硬度高。第53页/共101页2023/3/17546.4 交流伺服电机调速系统第54页/共101页2023/3/17556.4 交流伺服电机调速系统第55页/共101页2023/3/17561.交流伺服电机的调速方法由电机学知，交流电机转速公式：式中：f 定子电源频率 p 磁激对数 S 转差率ns 定子旋转磁场转速n 转子转速异步电机异步电机 变频变频 用于笼型电机用于笼型电机 调压（定子电压）调压（定子电压）电磁砖差离合器电磁砖差离合器 调阻（转子电组）调阻（转子电组）串级调速串级调速 交交直直交交 交交交交 交交直直交交 交交交交变转变转差率差率变频变频变频变频同步电机

37、同步电机交流电动机交流电动机由此可知调速方法：由此可知调速方法：（6.11）（6.12）第56页/共101页2023/3/1757对于进给系统常使用交流同步电机，该电机没有转差率，电机转速公式变为：从式中可以看出：只能用变频调速，并且是有效方法。变频调速的主要环节是为交流电机提供变频、变压电源的变频器，变频器分为：交直交变频器 分电压型和电流型。电压型先将电网的交流 电经整流器变为直流，再经逆变器变为频率和电压都可变的交 流电压。电流型是切换一串方波，方波电流供电，用于大功率。交交变频器 该变频器没有中间环节，直接将电网的交流电 变为频率和电压都可变的交流电。目前对于中小功率电机，用得最多的是

38、电压型交直交变频器。2.正弦脉宽调制（SPWM）变压变频器基本概念 1964年德国人率先提出脉宽调制变频思想，把通讯系统中的（6.13）第57页/共101页2023/3/1758调制技术应用于交流变频器。调制方法很多，目前用得最多的是正弦脉宽调制。还有空间电压矢量PWM、最优PWM、预测PWM、随机PWM、规则采样数字化PWM等等。SPWM交直交变压变频器的原理框图如下：M3UIURUR整流器整流器 固定电压不可控整流器，常采用六个二级管桥式整流器固定电压不可控整流器，常采用六个二级管桥式整流器 结构将交流变为直流，电压幅值不变。结构将交流变为直流，电压幅值不变。为逆变器的供电。为逆变器的供电

39、。UI 逆变器逆变器 由六个功率开关器件组成，常采用大功率晶体管。其控由六个功率开关器件组成，常采用大功率晶体管。其控 制极（大功率晶体管制极（大功率晶体管GTR为基极为基极）输入由基准正弦波（由速度指）输入由基准正弦波（由速度指 令转化过来的）和三角波叠加出来的令转化过来的）和三角波叠加出来的SPWM调制波（等幅、不等调制波（等幅、不等 宽的矩形脉冲波）宽的矩形脉冲波），使这些大功率晶体管按一定规律导通、截止，使这些大功率晶体管按一定规律导通、截止，输出一系列功率级等效于正弦交流电的可变频变压的等幅、不等输出一系列功率级等效于正弦交流电的可变频变压的等幅、不等 宽的宽的矩形脉冲电压波，即功率

40、级矩形脉冲电压波，即功率级SPWM电压，使电机转动。电压，使电机转动。功率开关器件还可采用：可关断晶闸管功率开关器件还可采用：可关断晶闸管GTO、功率场效应晶、功率场效应晶 体管体管MOSFET、绝缘门极晶体管、绝缘门极晶体管IGBT等。等。第58页/共101页2023/3/1759正弦脉宽调制原理正弦脉宽调制原理（以单相为例）（以单相为例）正弦脉宽调制正弦脉宽调制（SPWM）波形）波形:与正弦波等效的一系列等幅不等与正弦波等效的一系列等幅不等 宽的矩形脉冲波，如右下图所示。宽的矩形脉冲波，如右下图所示。uttuOOa)b)等效原理等效原理：把：把正弦分正弦分成成 n 等分，每一区间的面等分，

41、每一区间的面积用与其相等的等幅不等积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替。宽的矩形面积代替。正弦的正负半周均如此正弦的正负半周均如此处理。处理。第59页/共101页2023/3/1760 SPWM控制波的生成控制波的生成:正弦波正弦波三角波调制三角波调制、方波、方波三角波调制。三角波调制。方波发生器方波发生器（带正反馈比较（带正反馈比较 又有又有RC积分）积分）三角波发生器三角波发生器（积分器）（积分器）三角波与基准三角波与基准正弦波叠加正弦波叠加（比较器）（比较器）SPWM调制波调制波基准正弦波基准正弦波(由速度指令由速度指令转化过来的转化过来的)VD1调制波调制波载波载波uutu1:utu

42、1u0OOOtttRFRR1R2R3R4R5R6R7VD2VD3VD4C 1C 2U0 (ua、ub、uc)tO-+tut:第60页/共101页2023/3/1761uAB50HzSPWMD1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12T1T2T3T4T5T6uauaububucucu1u2u3utu1utudua1t1t1t1t1t1tuA0uB0uC0逆变器输出逆变器输出A相等效正弦相等效正弦脉宽电压波脉宽电压波逆变器输出逆变器输出B相等效正弦相等效正弦脉宽电压波脉宽电压波逆变器输出逆变器输出C相等效正弦相等效正弦脉宽电压波脉宽电压波逆变器输出线逆变器输出线电压等效正弦电压等效正弦脉

43、宽电压波脉宽电压波u1:由由F转换来的转换来的ut改变调制波的频改变调制波的频率、幅值，就可率、幅值，就可改变最终输出改变最终输出 ：变频变压的交流变频变压的交流电压电压主回路：主回路：左半部：整流器左半部：整流器右半部：逆变器右半部：逆变器第61页/共101页2023/3/1762作用：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：要求：（1）工作可靠，抗干扰能力强；（2）满足精度和速度的要求；（3）易安装、维护，适应机床工作环境；（4）成本低。第五节第五节 常用的位置检测装置常用的位置检测装置第62页/共101页2023/3/1763第第5节节 常用的位置检测装置常用的

44、位置检测装置分类：分类：第63页/共101页2023/3/1764一、旋转变压器一、旋转变压器1.1.结构结构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。间接测量角位移间接测量角位移 利用互感原理工作利用互感原理工作 第64页/共101页2023/3/17652.2.基本工作原理基本工作原理tUUmswsin=tKUKUUmsBwsincossin=UsUsS1S1S2S2B1B1B2B2Z Z按工作方式分为鉴相式和鉴幅式按工作方式分为鉴相式和鉴幅式按工作方式分为鉴相式和鉴幅式按工作方式分为鉴相式和鉴幅式第65页/共101页2023/3/17663.3.应用应用i）.鉴相式K为定子和

45、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。励磁电压：感应电势：感应电势：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。第66页/共101页2023/3/1767ii）.鉴幅式励磁电压：感应电势：感应电势：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。当改变，使U=0，则=第67页/共101页2023/3/1768二、感应同步器二、感应同步器1.1.结构结构u由定尺和滑尺组成，定由定尺和滑尺组成，定尺不动，滑尺移动。尺不动，滑尺移动。u工作原理与旋转变压器工作原理与旋转变压器基本相同基本相同定尺和滑尺绕组结构示意图 利用互感

46、原理工作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。将位移或转角转变为电信号的位置检测元件。间接测量直线位间接测量直线位移或角位移。移或角位移。P第68页/共101页2023/3/17692.2.工作原理工作原理感应同步器的工作原理图 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：定尺绕组上的感应电动势为：S设UKq q 电磁耦合系数与位移x 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，角为：第69页/共101页2023/3/17703.3.应用应用i i）.鉴相式鉴相式励磁电压：感应电势：第70页/共101页2023/3/177

47、1iiii）.鉴幅式鉴幅式励磁电压：感应电势：当改变，使U=0，则=,而为已知量，同旋转变压器有：第71页/共101页2023/3/1772三、增量式脉冲编码器三、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1.1.结构及工作原理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。位时间脉冲的数目，就可以求出速度。第72页/共101页2023/3/1773（3 3）辨向）辨向编码器编码器90 ABAB 光光敏敏元元件件所所产产生生的的信

48、信号号A、B彼彼此此相相差差90 相相位位，用用于于辨辨向向。当当码码盘盘正正转转时时，A信信号号超超前前B信信号号90；当当码码盘盘反反转转时时，B信信号号超超前前A信号信号90。第73页/共101页2023/3/1774（4 4）辨向信号）辨向信号编码器编码器ABABA 超前于超前于B 90，正向，正向A 滞后于滞后于B 90，反向，反向第74页/共101页2023/3/17751.1.特点及分类特点及分类四、绝对值编码器四、绝对值编码器 直接把被测转角用数字代码表示出来，即直接把被测转角用数字代码表示出来，即每一个角每一个角度位置均有其对应的测量代码度位置均有其对应的测量代码；它能表示绝

49、对位置，；它能表示绝对位置，没有累积误差没有累积误差；电源切除后，位置信息不丢失。分光；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。电式、接触式和电磁式三种。第75页/共101页2023/3/17762.2.结构与工作原理结构与工作原理第76页/共101页2023/3/1777 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

50、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）第77页/共101页2023/3/1778四、磁栅式传感器磁栅优点：价格低于光栅、制作简单、复制方便；测量范围宽（从几十毫米到数十米）、不需接长；易安装和调整、抗干扰能力强。第78页/共101页2023/3/1779一、磁栅的组成及类型 1磁栅的组成 磁栅传感器是由磁栅（磁尺）、磁头、检测电路磁栅传感器是由磁栅（磁尺）、磁头、检测电路组成。组成。l磁尺；磁尺；2尺基；尺基；3磁性薄膜；磁性薄膜；4铁心；铁心；5磁头磁头第79页/