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1、数数 控控 技技 术术主讲教师：仇晓黎主讲教师：仇晓黎东南大学远程教育东南大学远程教育第第 三十四三十四 讲讲1三、伺服控制系统分类三、伺服控制系统分类1 1、按控制方式分类、按控制方式分类位位置置控控制制系系统统可可分分为为开开环环、半闭环和闭环三种。半闭环和闭环三种。开开环环控控制制不不需需要要位位置置检检测测及及反反馈馈，半半闭闭环环、闭闭环环控制需要位置检测及反馈。控制需要位置检测及反馈。21 1）开环系统）开环系统3如如图图为为开开环环伺伺服服系系统统，它它由由步步进进电电机机及及其其驱驱动动线线路路等组成。等组成。其其功功能能是是每每输输入入一一个个指指令令脉脉冲冲，步步进进电电机
2、机就就旋旋转转一一定定角角度度，步步进进电电机机的的旋旋转转速速度度取取决决于于指指令令脉脉冲冲的的频频率率、转转角角的的大大小小有有指指令令脉脉冲冲数数所所决决定定。由由于于系系统统中中没没有有位位置置检检测测器器及及反反馈馈线线路路，因因此此，开开环环系系统统的的精精度度较较差差，但但由由于于结结构构简简单单，易易于于调调整整，在在精精度度不不太太高的场合中较广泛的应用。高的场合中较广泛的应用。4如如图图是是典典型型的的闭闭环环伺伺服服系系统统，它它由由伺伺服服电电机机、检检测测器器、比比较较线线路路、伺服放大线路等部分组成。伺服放大线路等部分组成。2 2）闭环系统）闭环系统5它它根根据据
3、来来自自检检测测器器的的反反馈馈信信号号与与指指令令信信号号比比较较的的结结果果来来进行速度和位置的控制。进行速度和位置的控制。对对大大部部份份数数控控机机床床来来说说，其其检检测测反反馈馈是是从从伺伺服服电电机机轴或滚珠丝杠上取得的。轴或滚珠丝杠上取得的。对对高高精精度度或或大大型型机机床床，才才直直接接从从安安装装在在工工作作台台等等移移动部件上的检测器中取得反馈信号。动部件上的检测器中取得反馈信号。为区别两者起见，把前者称之为半闭环系统。为区别两者起见，把前者称之为半闭环系统。6直直接接测测量量工工作作台台等等移移动动部部件件的的位位移移从从而而建建立立反反馈馈控控制制当当然然最最好，好
4、，但但这这种种测测量量装装置置的的价价格格较较高高，安安装装及及调调整整都都比比较较复复杂且不易保养；杂且不易保养；相比之下半闭环系统中的测量转角就比较容易，相比之下半闭环系统中的测量转角就比较容易，但但其其补补偿偿精精度度比比闭闭环环系系统统差差，但但系系统统简简单单而而且且调调整整方便，现在已广泛地应用在数控机床上。方便，现在已广泛地应用在数控机床上。72 2、按按所所驱驱动动的的伺伺服服电电动动机机分类分类（1 1）步进电动机伺服控制）步进电动机伺服控制（2 2）直流伺服系统）直流伺服系统采采用用直直流流伺伺服服驱驱动动器器将将交交流流电电转转变变为为可可控控制制的的直直流电驱动直流伺服
5、电动机。流电驱动直流伺服电动机。直直流流伺伺服服驱驱动动器器所所采采用用晶晶闸闸管管(SCR)SCR)调调速速系系统统和和晶晶体管脉宽调制体管脉宽调制(PWM)PWM)调速系统。调速系统。（3 3）交流伺服系统）交流伺服系统采采用用改改变变交交流流伺伺服服电电动动机机的的供供电电频频率率的的方方法法来来达达到电动机调速的目的到电动机调速的目的83 3、按进给驱动和主轴驱动分类、按进给驱动和主轴驱动分类（1 1）进给伺服系统）进给伺服系统是是指指一一般般意意义义的的伺伺服服系系统统，包包括括速度控制和位置控制。速度控制和位置控制。进进给给伺伺服服系系统统要要完完成成坐坐标标轴轴的的定定位位和和轮
6、轮廓廓跟跟踪踪功功能，是数控机床中要求最高的伺服系统。能，是数控机床中要求最高的伺服系统。（2 2）主轴伺服系统）主轴伺服系统一一般般只只是是一一个个速速度度控控制制系系统统，主主要要实实现现追追大大洲洲无无级调速和满足功率与扭矩的输出。级调速和满足功率与扭矩的输出。对其精度和快速响应要求也没有进给伺服系统高。对其精度和快速响应要求也没有进给伺服系统高。9作业：作业：P314P314思考题思考题1 1、3 3、4 4、5 5 10第六章第六章 数控机床的数控机床的伺服系统伺服系统第一节第一节 概述概述第二节第二节 进给驱动进给驱动第三节第三节 主轴驱动主轴驱动第四节第四节 检测元件检测元件第五
7、节第五节 位置控制系统位置控制系统11第六章第二节进给第六章第二节进给驱动驱动一、直流伺服电动机速度控制单元一、直流伺服电动机速度控制单元二、交流伺服电动机速度控制单元二、交流伺服电动机速度控制单元12一一、直直流流伺伺服服电电动动机机速速度度控制单元控制单元1 1、直直流流电电动动机机的的调调速速方方法法与与性性能能（1 1）永磁直流伺服电动机的工作原理与性能）永磁直流伺服电动机的工作原理与性能13（2 2）直直流流电电动动机机的的调调速速方方法法与与性能性能。142 2、晶闸管直流调速系统、晶闸管直流调速系统（1 1）系统的组成）系统的组成（2 2）主回路工作原理）主回路工作原理15（3
8、3）晶闸管速度控制单元）晶闸管速度控制单元。163 3、PWMPWM直流调速直流调速（1 1）晶体管脉宽调制原理）晶体管脉宽调制原理17（2 2）PWMPWM直流调速的特性及原理直流调速的特性及原理。18（3 3）常用的）常用的PWMPWM直流调速系统直流调速系统。19二二、交交流流伺伺服服电电动动机机速速度度控制单元控制单元1 1、交交流流伺伺服服电电动动机机的的结结构构与与性能性能（1 1）交流伺服电动机的结构特点）交流伺服电动机的结构特点20（2 2）永磁式同步交流伺服电动）永磁式同步交流伺服电动机的工作原理和性能机的工作原理和性能。212 2、永永磁磁同同步步交交流流伺伺服服电电动动机
9、调速系统机调速系统（1 1）PWMPWM变频器变频器22（2 2）PWMPWM变频调速原理变频调速原理。233 3、全数字交流伺服系统、全数字交流伺服系统（1 1）全全数数字字交交流流伺伺服服系系统统机机器最新发现器最新发现。24（2 2）全数字式）全数字式SPWMSPWM变频器变频器。25。4 4、永永磁磁交交流流伺伺服服电电动动机机中中的的传感器传感器26作业：作业：P314P314思考题思考题1 1、3 3、4 4、5 5 27第六章第六章 数控机床的数控机床的伺服系统伺服系统第一节第一节 概述概述第二节第二节 进给驱动进给驱动第三节第三节 主轴驱动主轴驱动第四节第四节 检测元件检测元件
10、第五节第五节 位置控制系统位置控制系统28第六章第三节主轴第六章第三节主轴驱动驱动一、对主轴驱动的要求一、对主轴驱动的要求二、直流主轴驱动系统二、直流主轴驱动系统三、交流主轴控制系统三、交流主轴控制系统29一、对主轴驱动的要求一、对主轴驱动的要求 机机床床主主传传动动主主要要是是旋旋转转运运动动，无无需需丝丝杠杠或或其其他他直直线线运运动装置。动装置。1 1、对功率的要求、对功率的要求要要求求主主转转动动电电动动机机应应有有2.2-2502.2-250KWKW的的功功率率范范围围，既要能输出大的功率，又要求主轴结构简单。既要能输出大的功率，又要求主轴结构简单。2 2、宽调速范围、宽调速范围数数
11、控控机机床床要要求求主主驱驱动动系系统统在在1:100-10001:100-1000范范围围内内进进行恒转矩和行恒转矩和1:101:10的恒功率调速，的恒功率调速，303 3、定位功能、定位功能要要求求主主轴轴能能与与进进给给驱驱动动实实行行同同步控制；步控制；在在加加工工中中心心上上为为了了自自动动换换刀刀还还要要求求主主轴轴能能进进行行高高精精度度的的准准停停控制；控制；为为了了保保证证端端面面加加工工的的表表面面质质量量，要要求求主主轴轴具具有恒线速度表面切削功能；有恒线速度表面切削功能；有的数控机床要求具有较大分度控制功能。有的数控机床要求具有较大分度控制功能。现现在在国国际际上上新新
12、生生产产的的数数控控机机床床绝绝大大多多数数采采用用交流主轴驱动系统。交流主轴驱动系统。31二、直流主轴驱动系统二、直流主轴驱动系统1 1、电动机结构与性能、电动机结构与性能。322 2、直流速度控制单元、直流速度控制单元。33三、交流主轴控制单元三、交流主轴控制单元1 1、交流主轴电动机结构与性能、交流主轴电动机结构与性能。342 2、交流电动机的调速、交流电动机的调速。353 3、感应式异步电动机的矢量控制、感应式异步电动机的矢量控制。36作业：作业：P314P314思考题思考题1 1、3 3、4 4、5 5 37第六章第六章 数控机床的数控机床的伺服系统伺服系统第一节第一节 概述概述第二
13、节第二节 进给驱动进给驱动第三节第三节 主轴驱动主轴驱动第四节第四节 检测元件检测元件第五节第五节 位置控制系统位置控制系统38第六章第四节检测第六章第四节检测元件元件一、一、概述概述二、二、光电盘与编码盘光电盘与编码盘三、三、光栅测量装置光栅测量装置四、四、感应同步器测量装置感应同步器测量装置五、五、磁尺测量装置磁尺测量装置39一、概述一、概述伺伺服服驱驱动动元元件件中中，步步进进电电机机、电电液液脉脉冲冲马马达达能能够够按按数数控控装装置置发发出出的的指指令令脉脉冲冲进进行行工工作作，在在一一般般情情况况下下不不会会失失步步，不不需需要要位位置置检检测，它们常用于开环系统。测，它们常用于开
14、环系统。在在闭闭环环系系统统中中，常常用用各各种种直直流流电电机机以以至至于于交交流流电电机机作为驱动元件，这就必须要有检测装置。作为驱动元件，这就必须要有检测装置。把把位位移移测测量量信信号号作作为为反反馈馈信信号号，并并将将信信号号转转换换成成数数字字，送送回回计计算算机机，和和指指令令脉脉冲冲进进行行比比较较并并控控制制驱驱动动元元件件正正确确运运转转，所所以以测测量量装装置置是是保保证证数数控控机机床床精精度度的关键。的关键。40数控机床对位置测量装置的要求是：数控机床对位置测量装置的要求是：（1 1）工作可靠；）工作可靠；（2 2）使用维护方便；）使用维护方便；（3 3）满足速度和精
15、度要求，）满足速度和精度要求，（4 4）成本低。）成本低。41由由于于工工作作条条件件和和测测量量要要求求的的不不同同，在在数数控控机机床床上上有有不不同同的的测测量方式。量方式。1 1增量式测量和绝对式测量增量式测量和绝对式测量增增量量式式测测量量的的特特点点是是：只只测测位位移移增增量量，如如果果测测量量单单位位为为0.010.01毫毫米米，则则每每移移动动0.010.01毫毫米米就就发发出出一一个个测测量量信号。信号。其其优优点点是是测测量量装装置置比比较较简简单单，任任何何一一个个对对中中点点都都可可作为测量起点，作为测量起点，在轮廓控制数控机床上大都采用这种测量方式，在轮廓控制数控机
16、床上大都采用这种测量方式，典型的检测元件如感应同步器、光栅等。典型的检测元件如感应同步器、光栅等。42但但在在增增量量式式测测量量系系统统中中，移移距距是是靠靠对对测测量量信信号号计计数数读读出出的的，一一旦旦计计数数有有误误，此此后后的的测量结果全错了。测量结果全错了。再再有有在在发发生生某某种种故故障障时时（断断电电、断断刀刀等等），事事故故排排除后，不能再找到事故前的正确位置，除后，不能再找到事故前的正确位置，这这是是由由于于这这种种测测量量没没有有一一个个特特定定的的标标志志，这这时时必必须须将将工工作作台台移移至至起起始始点点重重新新计计数数才才能能找找到到事事故故前前的的正正确位置
17、，这就是增量测量方式的缺点。确位置，这就是增量测量方式的缺点。绝绝对对值值测测量量方方式式从从原原则则上上讲讲可可以以避避免免上上述述缺缺点点，它它的的被被测测量量的的任任一一点点的的位位置置都都由由一一个个固固定定的的零零点点算算起，每一被测点都有一个相应的测量值，起，每一被测点都有一个相应的测量值，43典典型型的的如如数数码码盘盘，对对应应码码盘盘的的每每一一个个角角位位有有一一组组二二进进位位数数。显显然然分分辨辨率率要要求求愈愈高高，所所须须二二进位数也愈多，结构也愈复杂。进位数也愈多，结构也愈复杂。2 2数字式测量和模拟式测量数字式测量和模拟式测量数数字字式式测测量量是是将将被被测测
18、量量用用测测量量单单位位量量化化后后以以数数字字形形式式表示。表示。以以直直线线测测量量为为例例，只只要要测测量量单单位位足足够够小小（例例0.010.01毫毫米米或更小），就可以将被测距离比较准确的数量化。或更小），就可以将被测距离比较准确的数量化。44测测量量信信号号一一般般是是电电脉脉冲冲，可可以以把把它它直直接接送送数数控控装装置置进进行行比比较较处理等。处理等。其典型的测量装置如光栅位移测量装置。其典型的测量装置如光栅位移测量装置。数字式测量的特点是：数字式测量的特点是：1 1）被测量量化后转换成脉冲个数，便于显示和处理；）被测量量化后转换成脉冲个数，便于显示和处理；2 2）测测量量
19、精精度度取取决决于于测测量量单单位位，和和量量程程基基本本无无关关（当当然也有累积误差问题）；然也有累积误差问题）；3 3）测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力较强。）测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力较强。45模模拟拟式式测测量量是是将将被被测测量量用用连连续续的的变变量量来来表表示示，如如用用相相位位变化，电压变化来表示。变化，电压变化来表示。在大量程内作精确的模拟测量在技术上有较高要求，在大量程内作精确的模拟测量在技术上有较高要求，在在数数控控机机床床上上模模拟拟式式测测量量主主要要用用于于小小量量程程的的测测量量，例如感应同步器的一个线距内信号相位变化等。例如感应同步器的一个线距内信
20、号相位变化等。模拟式测量的特点是模拟式测量的特点是:1 1）直接测量被测量，无须量化；）直接测量被测量，无须量化；2 2）在小量程内可以实现高精度测量。）在小量程内可以实现高精度测量。463 3直接测量和间接测量直接测量和间接测量直直接接测测量量装装置置上上常常用用光光栅栅，感感应应同同步步器器等等直直接接来来测测量量工工作作台台的的直直线位移，线位移，其优点是直接反应工作台的直线位移量，其优点是直接反应工作台的直线位移量，缺缺点点是是测测量量装装置置要要和和行行程程等等长长，这这对对大大型型数数控控机机床床来来说是一个很大的限制。说是一个很大的限制。间间接接测测量量是是通通过过和和工工作作台台直直线线运运动动相相关关联联的的回回转转运运动动间接的测量工作台的直线位移，间接的测量工作台的直线位移，回转测量装置有旋转变压器等。回转测量装置有旋转变压器等。间接测量使用可靠方便，无长度限制，间接测量使用可靠方便，无长度限制，其其缺缺点点是是测测量量信信号号加加入入了了直直线线转转变变为为回回转转运运动动的的传传动动链误差，从而影响测量精度。链误差，从而影响测量精度。47