数控机床进给运动控制

运
动 的
环形分配器功能可由硬件或软件产生，硬件环形分 配器是根据步进电机的相数和控制方式设计的
控
制
数 控
二、步进电动机的驱动电源
机 1、脉冲分配控制——硬件（环形分配器）
床
电源
A相驱动
第
四 章
CNC 装置
CLK DIR
环形
B相驱动
M
进
FULL/HALF 分配器
C相驱动
给
运
动
的
三相硬件环形分配器的驱动控制
的
控 ☆混合闭环控制系统：有开环补偿型和半闭环补偿型
制
数
第二节 步进驱动及开环进给控制
控
机 一、步进电动机的工作原理
床
步进电动机是一种把电脉冲转换成角位移的电动机。 用专用的驱动电源向步进电动机供给一系列的且有一定
规律的电脉冲信号，每输入一个电脉冲，步进电机就前
第 进一步，其角位移与脉冲数成正比，电机转速与脉冲频
的 转矩与失调角θ的关系叫矩角特性，，近似
控
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。
制
数 控
四、步进电动机的主要特性
机 3、启动频率
床
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
控 给速度均匀、平稳。 稳定性直接影响数控加工的精度
制 和表面粗糙度。
数
第一节 概述
控
机 一、伺服系统的基本技术要求
床
3）快速响应
快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了
第 系统的跟踪精度。为了保证轮廓切削形状精度和低的加 四 工表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。 章 这一方面要求过渡过程时间要短，一般在200ms以内，甚 进 至小于几十毫秒； 另一方面要求超调要小。 给 运 动 的 控 制
数 控
一、步进电动机的工作原理
机 4、结构
床 电机的定子和转子铁心通常由硅钢片
叠成。定子和转子均匀分布着很多小
第 四
齿。定子上有A、B、C三对磁极，
在相对应的磁极上绕有A、B、C三向 控制绕组。其几何轴线依次分别与转
章 子齿轴线错开。
进
给
运
动
的
控
制
展开图
结构图
数 控
二、步进电动机的驱动电源
机 床
电动机的负载转矩在各种工作情况下是不同的，如
第 快速空载起动时所需转矩、快速进给时所需的转矩、最
四 大切削负载时所需力矩等。
章 进 给 运 动
对于数控机床常用快速空载起动力矩作为选择步进 电动机的依据。
快速空载起动时所需力矩：
Mq=Ma+Mf+M0 要求:M≥Mq/λ，同时应保证最大切削负载力矩 ≤0.5倍Mjamx
第 作。步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率
四 章
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。
进 4、 连续运行频率
给
步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连
运 续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其
动 值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小 的 而异，与驱动电源也有很大关系。
床
作用：将环形分配器发出的TTL电平信号放大至几
安培到十几安培的电流，送至步进电动机的各绕组。
第
控制电路：单电压简单驱动、高低压切换驱动、
四 高压恒流斩波、调频调压、细分驱动等。
章
进
给
运
动
的
控
制
数 控
二、步进电动机的驱动电源
机 2、驱动放大电路
床
第
四
章
进
前置放大
给
特点：
通过提高驱动电 压加速电流的上升， 通过串联大功率电阻 限制稳态电流。
给 可电动机线圈通电状态的变化频率。
运
动
的
控
制
数 控
四、步进电动机的主要特性
机 1、步距角θs
床
每输入一个脉冲信号步进电动机所转过的角度称为
步距角，以θs表示。
第 四
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。
章 进
s＝ 360
mKZ
给
m—电机相数；
运
动
Z—转子齿数；
控
制
数 控
二、步进电动机的驱动电源
机 1、脉冲分配控制——硬件（环形分配器）
床
当DIR=“1”时，
每来一个脉
第 冲（CLK）则
四 电动机正转
章 一步；
进
当DIR=“0”时，
给 每来一个脉
运 冲（CLK）则
动 电动机反转
的 一步。
控
制
三相六拍环形分配器
数 控
二、步进电动机的驱动电源
机 2、驱动放大电路
B C1 1 0
的
C 100
控
C A1 0 1
制
数 控
三、步进电动机的进给控制
机 2、速度控制 床 进给脉冲频率f→定子绕组通电/断电状态变化频率f →
步进电机转速ω →工作台的进给速度V。
第
V=60δf
四
章 硬件环分：控制CLK的频率，控制电动机的速度。
进 软件环分：控制相邻两次软件环分状态之间的延时时间，
的
K—系数，相邻两次通电相数相同，K＝1；
控
制
相邻两次通电相数不同，K＝2。
数 控
四、步进电动机的主要特性
机 2、矩角特性与最大静转矩
床
第
四
章
进 如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz，转子 给 会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角
运 度θ，角度θ称为失调角。有失调角之后，
动
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
运
但驱动电路体积
动
大，发热严重。
的
单电压简单驱动
控
制
数 控
二、步进电动机的驱动电源
机 2、驱动放大电路
床
前置放大
第
单稳
四
延时
章
进
给
运
前置放大
动
的
控
高低压驱动原理
制
特点：
高压充电， 低压维持。
数 控
二、步进电动机的驱动电源
机 3、细分驱动
床
将一个步距角细分成若干点步的驱动方式称细分驱
动。
第
特点：在不改动电动机结构参数的情况下，使步距
一级变速时 Jt＝J1
g 2
i12
进
给 其中：Jt ---折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2)
运 动
J1、J2 ---齿轮惯量(Kg.cm.s2) Js ----丝杠惯量(Kg.cm.s2)
的 控
W---工作台重量（N） h ---丝杆螺距（cm）
制
数 控
四、步进电动机的选择
机 4、静力矩的选择 床 2）计算电机负载转矩
第
四 章 进
伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程 度。在速度控制中，要求高的调速精度，比较强的抗负 载扰动能力。即对静、动态精度要求都比较高。
给
2）稳定性好
运
稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能
动 在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡
的 状态。 对伺服系统要求有较强的抗干扰能力，保证进
四 角减小。
章 进
要实现细分，需将绕组中的矩形电流波改成阶梯电 流波。
给
运
动
的
控
细分电流波形
制
数 控
三、步进电动机的进给控制
机 1、软件脉冲分配的控制
床
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。常用查表法。
第
四
章
电源
A相驱动
进
给
运
CNC A
动
装置 B
C
的
B相驱动 M
C相驱动
控
制
软环分驱控制
量及反馈
的
角位移θ
控
测量及反馈
制
以步进电机作为驱动 元件，没有位置和速 度检测元件及反馈， 位置控制精度完全由 进给传动机构的精度 及电气控制精度决定， 控制精度低。
n θ
以伺服电机作为驱动元件，有测速元件和 位置检测。通过测量滚珠丝杠的角位移间 接测量出工作台的直线位移。通过对传动 系统的误差补偿，可获得很高的位置控制 精度，系统的稳定性易得到保证。
数
第一节 概述
控
机 三、位置伺服驱动系统的开环、闭环控制
床 ☆全闭环控制系统
x
伺服 伺服
第
CNC 驱动 电机
n
四 章
转速n测
量及反馈
进
直线位移x测量及反馈
给
位置检测装置安装在工作台上，直接反映工作台的直线
运
位移，位置控制精度比半闭环高，控制原理同半闭环。
动
由于受导轨摩擦系数、传动的润滑状况，传动间隙大小 等因素的影响，系统的稳定性不如半闭环。
数
第一节 概述
控
机 一、伺服系统的基本技术要求
床
4）调速范围宽
数控机床中，进给伺服系统的调速范围与伺服系统的
第 分辨率有关。 一般的调速范围要求在脉冲当量为0.001mm
四 时达到0-24m/min。
章 进
要求有较宽的无级调速范围，在低速时运行平稳无爬 行。
给
运
动
的
控
制
数
第一节 概述
控
机 床
二、分类
数 控 机 床
第 四 章 进 给 运 动 的 控 制
数 本章内容 控 机 床
第一节 概述
第
第二节 步进驱动及开环进给控制
四
章 进
第三节 位置检测装置
给
运
第四节 直流、交流伺服驱动装置
动
的
控
制
数
第一节 概述
控
机 一、进给伺服系统的概念 床
1、组成：
第 四 章
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。
定子绕组按 A→B→C→A→… …的顺序轮流通 电，
转子顺时针转动， 按 A→C→B→A→… …的顺序通电， 则电动机转子逆 时针反向旋转。 每输入一个脉冲， 转子转过1/3齿距， 步距角为30°
步进电动机的转 速决定于控制绕 组与电源接通和 断开的脉冲变化
数 控
一、步进电动机的工作原理
机 2、三相双三拍控制
的
最后用起动矩频特性和运行矩频特性曲线检查步进
控 电机型号是否符合要求。
制
数 控
四、步进电动机的选择
机 其中Ma=（Jm+Jt）.n/T×1.02×10ˉ2
四 率成正比，而且转速和转向与各相绕组的通电方式有关。
章
按通电顺序不同，其运行方式有三相 单三拍、三相
进 双 三拍和三相单双六拍三种。齿轮箱
给
运 动 的
指令 环形分 CNC 脉冲 配器
步进电动 机功率放 大器
n
控
电源 步进电动机
制
数 控
一、步进电动机的工作原理
机 1、三相三拍控制 录相
床
第 四 章 进 给 运 动 的 控 制
床
第 四 章 进 给 运 动 的 控 制
每次都是两 相通电，即 按 A，B→ B，C→ C，A→ A，B→…… 的顺序通电， 则称双三拍 方式，步距 角为30°。
数 控
一、步进电动机的工作原理
机 3、三相六拍控制
床
第 四 章 进 给 运 动 的 控 制
如果单三拍和双 三拍相间通电， 即按 A→A，B→B→ B，C→C→C， A→A→……顺序 通电， 称为三相六拍方 式。此时每输入 一个脉冲信号， 转子转过1/6齿 距，步距角为 15°。
章 而下降的特点。
进
给
运
Mq
动
的
控 制
O
f/Hz
矩频特性
数 控
四、步进电动机的选择
机
步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流
床
三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确 定下来了。
第 1、确定电机类型。
四 2、选择脉冲当量、步距角。
章
进
开环控制系统中，脉冲当量是衡量机床加工精度的一个
反应式
☆步进电机驱动系统 混合式
第
四
☆直流伺服驱动系统：永磁直流伺服电动机
章
进
给
☆交流伺服驱动系统：永磁交流伺服电动机
运
பைடு நூலகம்
动
的
控
制
数
第一节 概述
控
机 三、位置伺服驱动系统的开环、闭环控制
床 ☆开环控制系统
第 CNC 四
步进 驱动
步进 电机
章 ☆半闭环控制系统
进 给 CNC
伺服 驱动
伺服 电机
运 动
转速n测
给 基本参数，是机床的最小设定单位。
运 3、速比的确定。
i＝ sh
动
θs—步距角(°)
360
的
h——丝杠导程(mm)
控
δ—脉冲当量(mm/脉冲)
制
数 控
四、步进电动机的选择
机 4、静力矩的选择
床 1）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量
第 四 章
Jt。
J 2 Js W ( h )2
数 控
三、步进电动机的进给控制
机 1、软件脉冲分配的控制——查表法
床
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下表所示真值表，按顺序及方向
第 控制输出接口将A、B、C的值输出即可。
四 章 进 给
步序 正转 反转
导电相
A AB
工作状态
CB A 001 011
运
B 010
动
进 2、作用：
给
接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服
运 驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交
动 流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动机构，驱动机
的 床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。
控
制
数
第一节 概述
控
机 一、进给伺服系统的给概念
床 3、基本技术要求
1）精度高
1、脉冲分配控制 演示
步进电机驱动电路完成由弱电到强电的转换和放大，
也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定
第 功率的电流脉冲信号。
四 章
驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成。环 形分配器是用于控制步进电机的通电方式的，其作用是
进 将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分
给 配方式加到功率放大器上，控制各相绕组的通电、断电。
控
制
数 控
四、步进电动机的主要特性
机 5、矩频特性与动态转矩
床 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，该特性上每一个频率对应的转
第
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。
四 在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升