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1、2023/3/171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。第一节第一节 常用的位置检测装置常用的位置检测装置第1页/共50页2023/3/172第一节第一节 常用的位置检测装置常用的位置检测装置分类：分类：第2页/共50页2023/3/173一、旋转变压器一、旋转变压器1.1.结构结构第一节第一节 常用的位置检测装置常用的位置检测装置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
2、第3页/共50页2023/3/1742.2.基本工作原理基本工作原理第一节第一节 常用的位置检测装置常用的位置检测装置tUUmswsin=tKUKUUmsBwqqsinsinsin=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4页/共50页2023/3/1753.3.应用应用i）.鉴相式第一节第一节 常用的位置检测装置常用的位置检测装置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。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
3、势的相位来确定被测位移大小的检测方式。第5页/共50页2023/3/176第一节第一节 常用的位置检测装置常用的位置检测装置ii）.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6页/共50页2023/3/177二、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第一节第一节 常用的位置检测装置常用的位置检测装置定尺和滑尺绕组结构示意图利用互感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
4、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7页/共50页2023/3/1782.2.工作原理工作原理第一节第一节 常用的位置检测装置常用的位置检测装置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：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8页/共50页2023/3/1793.3.应用应用i i）.鉴相式鉴相式第一节第一节 常用的位置检测装置常用的位置检测装置励磁电压：感应电势：第9页/共50页2023/3/
5、1710iiii）.鉴幅式鉴幅式第一节第一节 常用的位置检测装置常用的位置检测装置励磁电压：感应电势：当改变，使U=0，则=,而为已知量，同旋转变压器有：第10页/共50页2023/3/1711三、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第一节第一节 常用的位置检测装置常用的位置检测装置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11页/共50页20
6、23/3/17122 2*.鉴向电路鉴向电路第一节第一节 常用的位置检测装置常用的位置检测装置光电脉冲编码器鉴向线路（上升沿微分，异或门）第12页/共50页2023/3/17131.1.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。第一节第一节 常用的位置检测装置常用
7、的位置检测装置第13页/共50页2023/3/1714第一节第一节 常用的位置检测装置常用的位置检测装置2.2.结构与工作原理结构与工作原理第14页/共50页2023/3/1715 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
8、制码）1101（不进位相加，舍去末位）1011（葛莱码）第一节第一节 常用的位置检测装置常用的位置检测装置第15页/共50页2023/3/1716第一节第一节 常用的位置检测装置常用的位置检测装置五、光栅五、光栅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1.1.结构和种类结构和种类光栅读数头示意图包括：包括：包括：包括：标尺光栅标尺光栅标尺光栅标尺光栅 固定在机床活动部件上固定在机床活动部件上固定在机床活动部件上固定在机床活动部件上指示光栅指示光栅指示光栅指示光栅 安装在读数头内安装在读数头内安装在读数头内安装在读数头内第16页/共50页2023/3/1717
9、2.2.原理原理莫尔条纹第一节第一节 常用的位置检测装置常用的位置检测装置光电转换P栅距W莫尔条纹宽度第17页/共50页2023/3/1718iviv）.莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例 iiiiii）.均化误差作用均化误差作用iiii）.放大作用放大作用第一节第一节 常用的位置检测装置常用的位置检测装置3.3.莫尔条纹性质莫尔条纹性质i i）.平行光照射光栅时，莫尔条纹由亮带到暗带，再由暗带平行光照射光栅时，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。到亮带透过的光强度分布近似于余弦函数。（P/sin）莫尔条纹是由若干条线纹共同干涉形成
10、的，对个别光栅线纹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；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；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；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；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当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹也相应移动一
11、个莫尔条纹宽度WW；若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反。若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反。若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反。若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反。第18页/共50页2023/3/1719第二节第二节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述一、一、伺服系统的组成伺服系统的组成1 1概述概述伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自自动控制系统。动控制系统。在数控机床中，伺服系统在数控机床中，伺服系统主要指各坐标轴进给驱动主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统的位置控制系统。伺服系统接受来自。伺服
12、系统接受来自CNCCNC装置的进给脉装置的进给脉冲，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。机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。第19页/共50页2023/3/1720第二节第二节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述.数数控控伺伺服服系系统统分分类类：按按其其功功能能可可分分为为主主轴轴伺伺服服系系统统和和进
13、进给给伺服系统伺服系统。1 1）主轴伺服系统主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动。用于控制机床主轴的转动。2 2）进进给给伺伺服服系系统统是是以以机机床床移移动动部部件件（如如工工作作台台）的的位位置置和和速速度度作作为为控控制制量量的的自自动动控控制制系系统统，通通常常由由伺伺服服驱驱动动装置装置、伺服电机伺服电机、机械传动机构机械传动机构及及执行部件执行部件组成。组成。第20页/共50页2023/3/1721.闭环进给伺服系统结构闭环进给伺服系统结构如图4-1所示的双闭环系统。速速度度控控制制单单元元：用来控制电机转速，是速度控制系统的核心。速度检测装置：速度检测装置：测速发电机、脉冲编码器
14、等。速速度度环环控控制制在在进进给给驱驱动动装装置置内内完完成成，位位置置环环由由数数控控装装置置来完成来完成。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。第第二二节节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述第21页/共50页2023/3/1722位置控制模块速度控制单元伺服电机 工作台 位置检测位置检测位置指令伺服驱动装置速度环速度反馈位置环图4-1 数控机床闭环进给伺服系统结构 第第二二节节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述第22页/共50页2023/3
15、/1723第23页/共50页2023/3/1724二、对伺服系统的基本要求二、对伺服系统的基本要求4.4.调速范围宽调速范围宽 5.5.低速大扭矩低速大扭矩 第第二二节节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述1.1.精度高精度高 即即输出量能复现输入量的精确程度好。输出量能复现输入量的精确程度好。2.2.稳定性好稳定性好 即抗干扰能力强即抗干扰能力强。3.3.快速响应快速响应 即动态性能好，跟踪精度高。即动态性能好，跟踪精度高。第24页/共50页2023/3/1725三、数控伺服系统的分类三、数控伺服系统的分类1）.按控控制制原原理理和和有有无无位位置置反反馈馈装装置置分：开环和闭环伺 服
16、系统；2）.按用途和功能用途和功能分：进给驱动系统和主轴驱动系统；3）.按驱驱动动执执行行元元件件的的动动作作原原理理分：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。第第二二节节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述第25页/共50页2023/3/1726a.a.步进电动机伺服系统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
17、脉冲，经功率放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。电动机转动一个步距角。b.b.直流伺直流伺服系统：服系统：采用直流伺服驱动器将交流电转变为可控制的直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
18、管调速系统和晶体管脉宽调制调速系统。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.c.交流伺交流伺服系统：服系统：采用改变交流伺服电动机的供电频率的方法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来达到电动机调速的目的 第26页/共50页2023/3/1727一、步进电机工作原理一、步进电机工作原理 典典型型的的开开环环控控制制系系统统，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。特特点点：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。第三节第三节 步进电机及其驱动装置步进
19、电机及其驱动装置第27页/共50页2023/3/1728永磁式步进电动机永磁式步进电动机(PM)(PM)结构：结构：分为定子定子和转子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第三节第三节 步进电机及其驱动装置步进电机及其驱动装置第28页/共50页2023/3/1729工作过程：1.三三相相单单三三拍拍：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第三节第三节 步进电机及其驱动装置步进电机及其驱动装置图4-5 步进电
20、机工作原理三相单三拍得电时序图ABCA或ACBA第29页/共50页2023/3/17302.三三相相双双三三拍拍：每每次次有有二二相相绕绕组组通通电电，转转子子转转动动30300 0，且且切换时切换时总保持一相绕组通电总保持一相绕组通电，工作比较稳定。，工作比较稳定。ABABBCBCCACAAB AB 或或ACCBBAAC3.三三相相六六拍拍：转转子子每每次次转转动动15150 0，比比三三相相三三拍拍控控制制方方式式步步距距角角小小一一半半，因因而而精精度度更更高高，且且转转换换过过程程中中始始终终保保证证有有一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被大量采用。一个绕组通电，工作稳定，因此这种方
21、式被大量采用。AABBBCCCAA或AACCCBBBAA第三节第三节 步进电机及其驱动装置步进电机及其驱动装置“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）。第30页/共50页2023/3/1731二二、步步进进电电机机的的主主要要性性能能指指标标1.1.步距角和步距误差步距角和步距误差 步距角步距角：=3600/KmZ (6-1)K系数，三相三拍，K1；三相六拍，K2。定子相数；转子齿数 同同一一相相数数的的步步进进电电机机可可有有两两种种步步距距角角，通常为1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5
22、度等。步步距距误误差差：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。第三节第三节 步进电机及其驱动装置步进电机及其驱动装置第31页/共50页2023/3/17322.2.静态矩角特性静态矩角特性静态转矩：静态转矩：矩角特性矩角特性：图4-6 静态矩角特性第三节第三节 步进电机及其驱动装置步进电机及其驱动装置第32页/共50页2023/3/17333.3.启动频率启动频率空空载载时时，步步进进电电机机由由静静止止状状态态突突然然起起动动，并并进进入入不不失失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率步的正常运行的最高频率，称为启动频率或
23、突跳频率。4.4.连续运行频率连续运行频率 步步进进电电机机起起动动后后，其其运运行行速速度度能能根根据据指指令令脉脉冲冲频频率率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。第三节第三节 步进电机及其驱动装置步进电机及其驱动装置第33页/共50页2023/3/17345.5.矩频特性与动态转矩矩频特性与动态转矩fM图6-8 矩频特性用用于于描描述述步步进进电电机机连连续续稳稳定定运运行行时时输输出出转转矩矩与与连连续续运运行行频频率率之之间间的的关关系系。动动态态转转矩矩随随连连续续运运行行频频率率的的上上升升而而下下降降第三节第三节 步
24、进电机及其驱动装置步进电机及其驱动装置第34页/共50页2023/3/1735三三步进电机驱动电路步进电机驱动电路驱动控制电路驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成组成。第三节第三节 步进电机及其驱动装置步进电机及其驱动装置第35页/共50页2023/3/1736(1)环形分配器图4-9 三相六拍环形分配器第36页/共50页2023/3/1737(2)高低电压驱动电路第三节第三节 步进电机及其驱动装置步进电机及其驱动装置U1=80V单稳延时前置放大前置放大U2=12VVD2VD1 R1R2LV2V1 t1t2第37页/共50页2023/3/1738(3)斩波驱动驱动高压前置放大低压前置放大控
25、制门整形U1U2第38页/共50页2023/3/1739如果要求步进电动机有更小的步距角，更高的分辨率(即脉冲当量)，或者为减小电动机振动、噪声等原因，可以在每次输入脉冲切换时，只改变相应绕组中额定的一部分，则电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，转子的每步运行也只有步距角的一部分，绕组电流分成数个台阶，则转子就以同样的次数转过一个步距角，这种将一个步距角细分成若干步的驱动力法，称为细分驱动。(4)细分驱动(5)自动升降速原理直线加减速或者指数加减速。第39页/共50页2023/3/1740四、四、开环控制步进式伺服系统的工作原理开环控制步进式伺服系统的工作原理1.工作台位移量的控制控制输入
26、脉冲总数2.工作台进给速度的控制控制输入脉冲频率3.工作台运动方向的控制控制输入脉冲信号的循环顺序输入脉冲信号的循环顺序方向。第40页/共50页2023/3/1741一、数控机床用交流电机一、数控机床用交流电机第四节第四节 交流伺服电机交流伺服电机在交流伺服系统中，按电机种类可分为同同步步型型和和异异步步型型（感应电机）两种。数控机床进进给给伺伺服服系系统统中多采用永永磁磁式式同同步步电电机机，同步电机的转速是由供电频率所决定的，即在电源电压和频率固定不变时，它的转速是稳定不变的。由变频电源供电给同步电机时，能方便地获得与频率成正比的可变速度，可以得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。交交流流主
27、主轴轴电电机机多采用交交流流异异步步电电机机，很少采用永磁同步电机，主要因为永磁同步电机的容量做得不够大，且电机成本较高。另外主轴驱动系统不象进给系统那样要求很高的性能，调速范围也不要太大。因此，采用异步电机完全可以满足数控机床主轴的要求，笼型异步电机多用在主轴驱动系统中。第41页/共50页2023/3/17421 1定子；定子；2 2转子；转子；3 3定子三相绕组；定子三相绕组；4 4编码器；编码器；5 5出线盒出线盒第42页/共50页2023/3/1743二二、交流伺服电机速度控制、交流伺服电机速度控制据电机学知，交流异步电机的转速表达式为：（r/min）式中f1定子电源频率（Hz）；p磁
28、极对数；s转差率。异步电机的调速方法，可以有变变转转差差率率、变变极极对对数数及变变频频三种。靠改变转差率对异步电机进行调速时，低速转差率大，转差损耗功率也大，效率低。变极调速只能产生二种或三种转速，不可能做成无级调速，应用范围较窄。变频调速是从高速到低速都可以保持有限的转差率，故它具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。第四节第四节 交流伺服电机交流伺服电机第43页/共50页2023/3/1744 变频调速的主要环节是为交流电机提供变频电源的变频器。变变频频器器的的功功用用是是，将将频频率率固固定定的的交交流流电电，变变换换成成频频率率连连续续可可调调的的交交流流电电。变频器可分为交-直-交变
29、频器和交-交变频器两大类。交-直-交变频器是先将频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率可变的交流电。交-交变频器不经过中间环节，把频率固定的交流电直接变换成频率连续可调的交流电。因只需一次电能转换，效率高，工作可靠，但是频率的变化范围有限。交-直-交变频器，虽需两次电能的变换，但频率变化范围不受限制。第四节第四节 交流伺服电机交流伺服电机第44页/共50页2023/3/1745组成：二极管整流器，用于交-直变换；脉宽调制逆变器，用于直-交变换、同时完成调频和调压任务。续流二极管D1D6，为负载的滞后电流提供一条反馈到电源的通路，逆变管T1T6组成逆变桥，A、B、C为逆变桥的输出端。
30、Cd用于滤平全波整流后的电压波纹；并在负载变化时，使直流电压保持平稳。交流电机变频调速系统中的关键部件之一就是逆变器，由于调速的要求，逆变器必须具有频率连续可调、以及输出电压连续可调，并与频率保持一定比例关系等功能。第四节第四节 交流伺服电机交流伺服电机PWMPWM变频调速变频调速第45页/共50页2023/3/1746图6-29 PWM变频器的主电路原理图第四节第四节 交流伺服电机交流伺服电机整流器：交-直变换；逆变器：直交变换；D1D6：续流二极管；T1T6：逆变管电容的功能是：滤平全波整流后的电压波纹；当负载变化时，使直流电压保持平稳。第46页/共50页2023/3/1747图6-30
31、各逆变管的通断安排图 图6-31 三相逆变桥的输出电压图第四节第四节 交流伺服电机交流伺服电机工作原理：控制逆变管的导通与截止，可以把直流电逆变成三相交流电。改变逆变管导通和关断时间，即可得到不同的输出频率。第47页/共50页2023/3/1748 图6-30所示为逆变管的工作情况，图中阴影部分为各逆变管的导通时间，其余为关断状态。逆变桥输出的线电压波形如图所示，由图6-31可见，各相之间的相位互差1200，它们的幅值都与直流电压Ud相等。第四节第四节 交流伺服电机交流伺服电机第48页/共50页2023/3/1749作业.什么是点位控制？什么是轮廓控制?点位控制与轮廓控制在性能要求上有何不同?.画出半闭环进给伺服系统的结构框图。.速度控制单元在整个进给伺服系统中处于什么地位?为什么说进给伺服控制是以对速度的控制为前提的?.简述脉冲比较式进给伺服系统的基本工作原理?.简述数据采样式进给伺服系统的基本工作原理。.列出7种数控机床上常用位置检测元器件，并对其中两种的用途加以简要介绍。.数控机床伺服系统对位置检测元器件的主要要求是什么?.简述莫尔条纹测量位移的工作原理。交流伺服电动机（三相交流永磁式电动机）有哪些变频控制方式？第49页/共50页2023/3/1750感谢您的观看！第50页/共50页