数控机床的驱动与控制系统伺服系统与位置检测概要

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第三节 步进电机及其驱动装置
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。
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：
Us = (Um cos)sin wt Uc = (Um sin)sin wt
感应电势： Es = KUs sin(90 q ) = KUm sin sin wt cosq Ec = KUc sin(q ) = KUm cos cos wt sinq
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。
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第二节 数控机床伺服系统概述
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。
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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。
2.三相双三拍：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
3.三相六拍：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→A
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第二节 数控机床伺服系统概述
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
图4-1 数控机床闭环进给伺服系统结构
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数控指令
位
速
置
度
控
控
制
制
检测装置
驱动系统
伺服电动机 半闭环
机床工作台 闭环
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第二节 数控机床伺服系统概述
二、对伺服系统的基本要求
1. 精度高 即输出量能复现输入量的精确程度好。 2. 稳定性好 即抗干扰能力强。 3. 快速响应 即动态性能好，跟踪精度高。 4. 调速范围宽 5. 低速大扭矩
第一节 常用的位置检测装置
3. 应用 i）. 鉴相式
励磁电压：
感应电势：
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第一节 常用的位置检测装置
ii）. 鉴幅式
励磁电压：
Us = (Um sin)sin wt Uc = (Um cos)sin wt
感应电势： E = KUm sin sin wt cosq KUm cos sin wt sinq = KUm sin wt sin( q )
Us C2
S1
Uc S2
C1
θ -θ B2
感应电势： U = Es Ec
= KUm sin sin wt cosq KUm cos sin wt sinq
= KUm sin wt sin( q ) 当改变α ，使U=0，则θ=α
B1 Z
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第一节 常用的位置检测装置
二、感应同步器
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
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光栅读数头示意图
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
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第二节 数控机床伺服系统概述
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。
感应电势：
U = Es Ec
= KUm sin wt cosq KUm cos wt sinq = KUm sin(wt q )
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。
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Us C2
S1
Uc S2
C1
θ -θ B2
B1 Z
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第三节 步进电机及其驱动装置
工作过程：
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A相
B相
C相
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→A
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
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第三节 步进电机及其驱动装置
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）
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第一节 常用的位置检测装置
五、光栅
莫尔条纹
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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。
ii）. 放大作用
（Ｗ＝P/sinθ）
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；
第一节 常用的位置检测装置
分类：
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第一节 常用的位置检测装置
一、旋转变压器
1. 结构
Us Uc
θ
E
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
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第一节 常用的位置检测装置
2.基本工作原理
Us = Um sin w t UB = KUs sin q = KUm sin q sin w t
第三节 步进电机及其驱动装置
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。
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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。
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第二节 数控机床伺服系统概述
位置 指令
伺服驱动装置
位置控 制模块
速度控 制单元
速度环
位置环
速度反馈
伺服
电机
位置 检测
工作台 位置检测
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211024/2/11 第一节 常用的位置检测装置
2**. 鉴向电路
0° 施密特 触发器
A
上升沿 微分
D
门电路
电路
G（正转）
反向电路 C
上升沿 微分 E 门电路 F（反转） 电路
90° 施密特 B 触发器
光电 脉冲编码器鉴向线路 （上升沿微分，异或门）
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第一节 常用的位置检测装置
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第二节 数控机床伺服系统概述
２.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。
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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
b.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
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。
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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。
1. 结构
P
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
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定尺和滑尺绕组结构示意图
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间接测量直线位 移或角位移。
第一节 常用的位置检测装置
2. 工作原理 设US 是加在滑尺任一绕组上的激磁交变电压：
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第一节 常用的位置检测装置
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。
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“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）。
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第三节 步进电机及其驱动装置
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/KmZ
(6-1)
K—系数，三相三拍，K＝1；
当改变α ，使U=0，则θ=α, 而α为已知量，同旋转变压器有：
q = = 2 x = x P
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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
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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。
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按工作方式分为鉴相式和鉴幅式
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第4Байду номын сангаас/共50页
Us
S1
S2
θ B2
B1
Z
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第一节 常用的位置检测装置
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：
Us = Um sin wt , Uc = Um cos wt
感应电势： Es = KUs sin(90 q ) = KUm sin wt cosq Ec = KUc sin(q ) = KUm cos wt sinq
四、绝对值编码器
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。
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第一节 常用的位置检测装置
2.结构与工作原理
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Us = Um sin wt 定尺绕组上的感应电动势为：
Es = KUm sin wt cosq
K — 电磁耦合系数
q — 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：
q = 2 x = x 2
感应同步器的工作原理图
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