数控机床的驱动与位置控制终.ppt

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1、伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件 进给驱动进给驱动主轴驱动主轴驱动 常用的检测装置常用的检测装置第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 概述概述 位置控制位置控制5.1 概述概述 第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 伺服系统的组成图5-1 半闭环进给伺服系统结构组成：一般由控制调节器、功率驱动装置、检测反馈装置组成：一般由控制调节器、功率驱动装置、检测反馈装置和伺服电机四部分组成。和伺服电机四部分组成。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 伺服系统的组成5.1 概述概述 5.1 概述概述 第第5章章 数控机床的驱动与位

2、置控制数控机床的驱动与位置控制 伺服系统的分类第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件(1)电动机从最低转速到最高转速范围内应都能平滑地运转；转矩波动要小，尤其在最低转速时，仍要有平稳的速度而无爬行现象；(2)电动机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求；(3)电动机应可控性好、转动惯量小、响应速度快；(4)电动机应能承受频繁的启动、制动和反转。对伺服驱动元件即伺服电动机的要求：对伺服驱动元件即伺服电动机的要

3、求：第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件1.步进电动机步进电动机5.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 三相反应式步进电机结构(1)步进电动机的结构步进电动机的结构有 永 磁 式(PM,permanent magnet),磁阻式即反应式(VR,variable reluctance)和混合式(HB,hybrid)等。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

4、轴线依次分别与转子齿轴线错开。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件步进电机是按电磁吸引的原理进行工作的。当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极就依次产生磁场，并每次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。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零。(2)步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理步进电动机工作原理第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件v 三相单三拍：三相单三拍：ABCA (转子逆时针转动）

5、ACBA （转子顺时针转动）v 三相双三拍：三相双三拍：ABBCCAAB (转子逆时针转动）ACCBBAAC (转子顺时针转动）按通电顺序不同，其运行方式有三相单三拍、三相双三拍和三相单双六拍三种。特点：(1)每输入一个脉冲，转子转过1/3齿距，步距角为30。(2)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频率。(3)由于每次只有一相绕组通电，在切换瞬间将失去自锁转矩，容易失步，另外，只有一相绕组通电，易在平衡位置附近产生振荡，稳定性不佳，故实际应用中不采用单三拍工作方式。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件v

6、 三相六拍：三相六拍：AABBBCCCAA (转子逆时针转动）AACCCBBBAA (转子逆时针转动）特点：(1)每输入一个脉冲，转子转过1/6齿距，步距角为15。(2)这种控制方式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。特点：(1)有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，因此其步距角仍为30。(2)由于每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作比较稳定，避免了单三拍通电方式的弱点。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件(2)步进电动机的

7、主要特性步进电动机的主要特性0360mzka=m定子相数；z转子齿数；k拍数与相数的比例系数1).步距角与歩距误差 步距角指步进电机定子绕组通电状态每改变一次，转子转过的角度。常见的步距角0.60/1.20,0.750/1.50,0.90/1.80,10/20,1.50/30 等。步距角越小,控制越精确。步距误差直接影响执行部件的定位精度。m相m拍，k=1,m相2m拍，k=2第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件图5-5 步进电动机静态矩角特性曲线2).矩角特性、最大静态转矩Mjmax和起动转矩Mq 第第5章章 数控机床的驱动

8、与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件 4).连续运行的最高工作频率 最高工作频率指步进电机连续运行时，不丢步运行的极限频率。5).加减速特性 加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。6).矩频特性与动态转距 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。3).启动频率 启动频率指空载时，步进电机由静止状态突然启动，并进入不丢步的正常运行的最高频率。步进电动机的矩频特性 步进电动机加减速特性曲线第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制

9、5.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件2.直流伺服电动机直流伺服电动机(1)直流伺服电机的分类与特点直流伺服电机的分类与特点a.小惯量直流伺服电机小惯量直流伺服电机 结构一般为永磁式，长径比大，转动惯量小，响应速度快，但过载能力低；由于转动惯量小，必须配齿轮减速箱，才能拖动负载。用于进给驱动。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件b.大惯量宽调速直流伺服电机大惯量宽调速直流伺服电机结构为永磁式，惯量大，输出转矩大，可以直接与丝杠相连，过载能力强，动态响应好，稳定性好，调速范围宽且运转平稳。用于进给驱动。l-转子 2-定子

10、(永磁体)3-电刷 4-测速发电动机 大惯量宽调速永磁直流伺服电动机结构图 l-换向极；2-主磁极；3-定子；4-转子；5-线圈 直流主轴电机结构示意图 第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件c.直流主轴电动机直流主轴电动机由于输出功率较大，结构上不做成永磁式，而与普通励磁直流电动机相同，为他励式。为了改善换向性能，在电动机结构上都有换向极；为缩小体积，改善冷却效果，采用了轴向强迫通风冷却或“热管”冷却。电动机外壳结构为密封式，以适应恶劣的机械加工车间环境。用于主轴驱动。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置

11、控制 5.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件(2)直流伺服电机的工作原直流伺服电机的工作原理理 (a)工作原理 (b)等效电路 他励直流电机工作原理图直流电机的基本调速方式有直流电机的基本调速方式有三种：三种：即调节电阻Ra、调节电枢电压Ua和调节磁通的值。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件他励直流电机的转速公式为他励直流电机的转速公式为(3)直流伺服电机的机械特直流伺服电机的机械特性性直流电机的转速与转矩的关系称机械特性，机械特性是电机的静态特性，是稳定运行时带动负载的性能，此时，电磁转矩与外负载相等。当电机带动负

12、载时，电机转速与理想转速产生转速差n，它反映了电机机械特性的硬度，n越小，表明机械特性越硬。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件 (a)改变电枢电压时的机械特性 (b)改变磁通时的机械特性由图(a)可见，当调节电枢电压时，直流电机的机械特性为一组平行线，即机械特性曲线的斜率不变，而只改变电机的理想转速，保持了原有较硬的机械特性，所以数控机床伺服进给动系统的调速采用调节电枢电压调速方式。由图(b)可见，调磁调速不但改变了电机的理想转速，而且使直流电机机械特性变软，所以调磁调速主要用于机床主轴电机调速。第第5章章 数控机床的驱动

13、与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件2.交流伺服电动机交流伺服电动机(1)永磁式交流同步电机的结构及特永磁式交流同步电机的结构及特点点种类：同步型交流伺服电动机（种类：同步型交流伺服电动机（SM）和异步型交流伺服电动机（）和异步型交流伺服电动机（IM）第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件(2)永磁式交流同步电机的工作原永磁式交流同步电机的工作原理理第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件第第5章章 数控机床的驱动与位

14、置控制数控机床的驱动与位置控制 5.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件 交流主轴电动机一般采用交流交流主轴电动机一般采用交流交流主轴电动机一般采用交流交流主轴电动机一般采用交流感应感应感应感应电动机，从结构上电动机，从结构上电动机，从结构上电动机，从结构上分有分有分有分有带换向器和不带换向器带换向器和不带换向器带换向器和不带换向器带换向器和不带换向器两种，通常采用不带换向器的两种，通常采用不带换向器的两种，通常采用不带换向器的两种，通常采用不带换向器的三相感应电动机（笼型电动机或异步电动机）。三相感应电动机（笼型电动机或异步电动机）。三相感应电动机（笼型电动机或异步电动机）。三相感应电动

15、机（笼型电动机或异步电动机）。交流主轴电动机一般采用定子铁心在空气中直接冷却交流主轴电动机一般采用定子铁心在空气中直接冷却交流主轴电动机一般采用定子铁心在空气中直接冷却交流主轴电动机一般采用定子铁心在空气中直接冷却的方法，的方法，的方法，的方法，没有机壳没有机壳没有机壳没有机壳，而且在定子铁心上作有轴向孔以利通，而且在定子铁心上作有轴向孔以利通，而且在定子铁心上作有轴向孔以利通，而且在定子铁心上作有轴向孔以利通风等。尾部同轴安装有测速发电机或脉冲编码器等风等。尾部同轴安装有测速发电机或脉冲编码器等风等。尾部同轴安装有测速发电机或脉冲编码器等风等。尾部同轴安装有测速发电机或脉冲编码器等检测元检测

16、元检测元检测元件件件件。(3)交流主轴伺服电动机的结构的结构交流主轴伺服电动机的结构的结构第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件 1-交流主轴电机交流主轴电机 2-普通交流异步感应电机普通交流异步感应电机 3-通风孔通风孔(3)交流主轴伺服电动机的工作原理交流主轴伺服电动机的工作原理第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件3.直线电动机直线电动机 直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的一种推力

17、装置，是一种较为理想的驱动装置。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件 在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的最大区别是取消了从电动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和优点。磁悬浮列车第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.3 进给驱动进给驱动 1.对进给伺服系统的要求：对进给伺服系统的要求：

18、(1)精度要求高：包括定位精度、重复定位精度及轮廓加工精度。(2)稳定性好:有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。(3)响应速度快且无超调：快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。(4)调速范围宽：要求有较宽的无级调速范围，既能满足高速加工要求，又能满足低速进给要求,且在低速时运行平稳无爬行。(5)低速大转矩：要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出，防止出现低速爬行现象。定位精度：移动件到达指令位置的准确度重复定位精度：移动件在任意定位点的定位一致性 第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.3 进给驱动进给驱动 2.步进电动机驱动电路步进电动

19、机驱动电路(1)步进电机的环形分配器步进电机的环形分配器 步进电机驱动线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功率的电流脉冲信号。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，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上，控制各相绕组的通电、断电。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。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。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.3 进给驱动进给驱

20、动 硬件环形分配器硬件环形分配器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。控制CLK的频率，可控制步进电机的速度。CNC装置电源环形分配器A相驱动B相驱动C相驱动FULL/HALFDIRCLKM三相硬件环形分配器的驱动控制第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.3 进给驱动进给驱动【工程实例】国产【工程实例】国产CMOS型集成脉冲分配器型集成脉冲分配器CH250第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.3 进给驱动进给驱动 软件环形分配器软件环形分配器控制相邻两次软件环分状态之间的延时，可控制步进电机线控制相邻两次软件

21、环分状态之间的延时，可控制步进电机线圈通电状态的变化频率，从而控制步进电机的速度。圈通电状态的变化频率，从而控制步进电机的速度。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.3 进给驱动进给驱动 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。控制电路：单电压简单驱动、高低压切换驱动、高压恒流斩波、调频调压、细分驱动等。(2)步进电机的功率放大器步进电机的功率放大器第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.3 进给驱动进给驱动 单电压功率放大电路单电压功率放大电路 it单电压驱动电流波形单电压驱动电路原理图

22、单电压驱动电路的优点是线路简单，缺点是电流上升不够快，高单电压驱动电路的优点是线路简单，缺点是电流上升不够快，高频时带负载能力低。频时带负载能力低。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.3 进给驱动进给驱动 高低双电压驱动高低双电压驱动 电路原理图电流波形特点：特点：高压充电，保证电流以较快的速度上升，低压供电，维持绕高压充电，保证电流以较快的速度上升，低压供电，维持绕组中的电流为额定值；缺点是高低压电路波形连接处有凹形组中的电流为额定值；缺点是高低压电路波形连接处有凹形。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.3 进给驱动进给驱动 恒流斩

23、波驱动恒流斩波驱动电路原理图电流波形第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.3 进给驱动进给驱动【工程实例】集成斩波恒流功放芯片【工程实例】集成斩波恒流功放芯片SLA7026M应用实例应用实例调频调压型功放电路调频调压型功放电路第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.3 进给驱动进给驱动 细分驱动电路细分驱动电路将一个步距角细分成若干点步的驱动方式称细分驱动。将一个步距角细分成若干点步的驱动方式称细分驱动。特点：在不改动电动机结构参数的情况下，使步距角减小。特点：在不改动电动机结构参数的情况下，使步距角减小。要实现细分，需将绕组中的要实现细分

24、，需将绕组中的矩形电流波改成阶梯电流波。矩形电流波改成阶梯电流波。由于绕组电流均匀由小增到由于绕组电流均匀由小增到最大，或由最大均匀减到最最大，或由最大均匀减到最小，避免了电流冲击，基本小，避免了电流冲击，基本消除步进电动机低速振动，消除步进电动机低速振动，使步进电动机低速运转平稳，使步进电动机低速运转平稳，无噪声。无噪声。四相步进电动机正弦细分相电流时序图第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.3 进给驱动进给驱动【工程实例】步进电动机正弦细分驱动实例【工程实例】步进电动机正弦细分驱动实例第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.3 进给驱动

25、进给驱动 2.直流电动机的速度控制单元直流电动机的速度控制单元(1)可控硅直流调速系统可控硅直流调速系统速度调节器电流调节器触发脉冲发生器可控硅整流器电流反馈速度反馈电流检测编码器电机UR+-UfIfIR+-ErUS通过对晶闸管触发角的控制来控制电机电枢电压，以达到调速的目的。晶闸管直流双环调速系统框图第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.3 进给驱动进给驱动 第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.3 进给驱动进给驱动 主回路主回路由大功率晶闸管构成的三相全控桥式反并接可逆电路，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

26、实现正转和反转。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，采用双脉冲控制。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只要改变可控硅触发角（即改变导通角），就能改变可控硅的整流输出电压，从而改变直流伺服电机的转速。触发脉冲提前来，增大整流输出电压；触发脉冲延后来，减小整流输出电压。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控

27、制 5.3 进给驱动进给驱动 e)uacbcaba)b)c)d)135 tub246bcatttt1 1 3 3 5 5 1 1 3 3 6 2 2 4 4 6 6 2 2 4 135246120120180601324606056主回路波形图第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.3 进给驱动进给驱动(2)晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWM）调速系统）调速系统通过脉宽调制器将直流电压转换成方波电压，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，以达到调速的目的。PWM调速系统组成原理框图第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.3 进给驱

28、动进给驱动 脉宽调制器：脉宽调制器：控制回路：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。作用：将电压量转换成可由控制信号调节的矩形脉冲，为功率晶体管的基极提供一个宽度可由速度指令信号调节的脉宽电压。组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放大器。原理：以三角波发生器为例介绍第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.3 进给驱动进给驱动 tU U S r+U U S C+U S rooo-U S rttttU Sr 速度指令转

29、化过 来的直流电压U-三角波USC-脉宽调制器的输出（U S r+U ）调制波形图R1+12VUSCR1R3R2+-12VU S rU-调制出正负脉宽一样方波平均电压为0调制出脉宽较宽的波形平均电压为正调制出脉宽较窄的波形平均电压为负U S r+U USr为0时USr为正时USr为负时第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.3 进给驱动进给驱动 主回路：可逆H型双极式PWM开关功率放大器电路图: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式电路。Ub1、Ub2、Ub3、Ub4为调制器输出，经脉冲分配、基极驱动转换过来的脉冲电压，分

30、别加到T1、T2、T3、T4的基极。以正脉冲较宽为例（既正转时）Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3UdUABUb2Ub3OttUb1Ub 4Ot1TUS-USOttidid1id2id1id2O第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.3 进给驱动进给驱动 电机正转、反转、停止：由正、负驱动电压脉冲宽窄而定。当正脉冲较宽时，既t1 T/2，平均电压为正，电机正转；当正脉冲较窄时，既t1 T/2，平均电压为负，电机反转；如果正、负脉冲宽度相等，t1=T/2，平均电压为零，电机停转。电机速度的改变：电枢上的平均电压UAB越大，转速越高。它是由

31、驱动电压脉冲宽度决定的。双极性：可逆H型双极式PWM开关功率放大器，无论负载是重还是轻、电机是正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都在US和US之间变换一次，故称为双极性。PWM调速系统的主要特点：频带宽、频率高；电流脉动小；电源的功率因数高；动态硬度好。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.3 进给驱动进给驱动 3.交流电动机的速度控制单元交流电动机的速度控制单元(1)交流伺服电机的变频调速交流伺服电机的变频调速(a)交交变频 (b)交直交变频变频调速的主要环节：为交流电机提供变频电源的变频器。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位

32、置控制 w调制原理（以单相为例）正弦脉宽调制（SPWM）波形:与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波，如图所示。等效原理：把正弦分成 n 等分，每一区间的面积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替。正弦的正负半周均如此处理。uttuOOa)b)5.3 进给驱动进给驱动 正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWM）变频器）变频器第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.3 进给驱动进给驱动 SPWM控制波的生成:方波发生器三角波发生器三角波与基准正弦波叠加（比较器）SPWM调制波基准正弦波(由速度指令转化过来的)VD1uutu1:调制波u0OOOttRFRR1R2R3R4R5

33、R6R7VD2VD3VD4C 1C 2U0 (ua、ub、uc)tO-+tut:载波第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.3 进给驱动进给驱动 双极性SPWM主回路uAB50HzSPWMD1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12T1T2T3T4T5T6uauaububucucu1u2u3utu1utudua1t1t1t1t1t1tuA0uB0uC0逆变器输出A相等效正弦脉宽电压波B相等效正弦脉宽电压波逆变器输出电压等效正弦脉宽电压波u1:由F转换来的ut改变调制波的频率、幅值，就可改变最终输出：变频变压的交流电压C相等效正弦脉宽电压波主回路：左半部：整流

34、器右半部：逆变器第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.3 进给驱动进给驱动(2)永磁同步交流伺服电机矢量控制变频调速系统永磁同步交流伺服电机矢量控制变频调速系统矢量变换控制的基本思想实质上就是通过数学变换把三相交流电动机的定子电流分解为两个分量，一个用来产生旋转磁动势的励磁分量 id,另个用来产生电磁转矩的转矩分量 iq。永磁交流伺服电动机速度、电流双环永磁交流伺服电动机速度、电流双环SPWMSPWM控制系统原理图控制系统原理图恒功率范围要宽宽调速范围 具有四象限驱动能力 具有位置控制能力 第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.4 主轴驱

35、动主轴驱动 1.对主轴驱动系统的要求对主轴驱动系统的要求2.直流主轴控制单元直流主轴控制单元 直流主轴伺服系统一般没有位置控制，它只是一个速度控制系统，直流主轴速度单元是由速度环和电流环构成的双环速度控制系统，用控制主轴电机的电枢电压来进行恒转矩调速，如下图所示。主轴直流电机调速还包括恒功率调速，它由框图中上半部分的激磁控制回路完成，这部分恒功率调速是由控制励磁电路的励磁电流的大小来实现的。早期的数控机床多采用直流主轴驱动系统。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.4 主轴驱动主轴驱动 直流主轴速度控制单元框图直流主轴速度控制单元框图 第第5章章 数控机床的驱动与位

36、置控制数控机床的驱动与位置控制 5.4主轴驱动主轴驱动 3.交流主轴控制单元交流主轴控制单元 为了实现对交流主轴电动机的高精度和高性能的控制，目前大多数数控机床的交流主轴控制采用矢量控制变频调速的方法，正弦控制波可以由矢量变换控制原理来获得。(1)三相A、B、C系统变换到两相、系统这种变换是将三相交流电机变为等效的二相交流电机。(2)矢量旋转变换 将三相电机转化为二相电机后，还需将二相交流电机变换为等效的直流电机。其实质就是矢量向标量的转换，是静止的直角坐标系向旋转的直角坐标系的转换。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.4主轴驱动主轴驱动 交流主轴电动机矢量控制交

37、流主轴电动机矢量控制SPWM变频调速系统原理图变频调速系统原理图(4)交流主轴电机的矢量控制（3）直角坐标与极坐标的变换 矢量控制中，还要用到直角坐标系与极坐标系的变换。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.4 主轴驱动主轴驱动 主轴变频器基本接口图主轴变频器基本接口图 【工程实例】主轴变频器接口简介【工程实例】主轴变频器接口简介如图所示采用三相交流380V电源供电，速度指令由3、4脚输入，指令电压范围是直流0-10V；主轴电动机的启动停止以及旋转方向由外部开关S1、S2控制，当S1闭合时电动机正转，当S2闭合时电动机反转，若S1、S2同时都断开或闭合则电动机停止。

38、也可以定义为S1控制电动机的启动和停止，S2控制电动机的旋转方向。变频器根据输入的速度指令和运行状态指令输出相应频率和幅值的交流电源，控制电动机旋转。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.5 数控机床常用的检测装置数控机床常用的检测装置 先来认识一下位置检测元件！先来认识一下位置检测元件！先来认识一下位置检测元件！先来认识一下位置检测元件！第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.5 数控机床常用的检测装置数控机床常用的检测装置 1.位置检测装置的要求和分类位置检测装置的要求和分类数控机床对检测装置的主要要求有：(1)工作可靠，抗干扰性能强；

39、(2)使用维护方便，适应机床的工作环境；(3)满足数控机床精度和速度的要求；(4)易于实现高速的动态测量和处理，易于实现自动化；(5)成本低，寿命长。常用位置检测装置分类第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.5 数控机床常用的检测装置数控机床常用的检测装置 (1)旋转变压器旋转变压器 结构与工作原理结构与工作原理 旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压。转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压，只是其输出电压大小与转子位置有关。假设加到定子绕组的励磁电压为：

40、转子绕组中产生的感应电压为：式中 K 变压比（即绕组匝数比）；Um 励磁信号的幅值；励磁信号角频率；旋转变压器转角。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.5 数控机床常用的检测装置数控机床常用的检测装置 实际使用时通常采用多极形式，如正余弦旋转变压器，其定子和转子均由两个匝数相等，轴线相互垂直的绕组构成，如图所示。一个转子绕组接高阻抗作为补偿，另一个转子绕组作为输出。旋转变压器的应用旋转变压器的应用 其有两种典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量；鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。a.鉴相工作方式给定子两绕组分别通以幅值相

41、同、频率相同、相位差900的交流励磁电压，即:这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感应电压，电压的代数和：第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.5 数控机床常用的检测装置数控机床常用的检测装置 b.鉴幅工作方式给定子的两个绕组分别通以频率相同、相位相同、幅值分别按正弦和余弦变化的交流激磁电压，即式中 激磁绕组中的电气角则转子上的叠加电压为(2)感应同步器感应同步器感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，借以进行位移量的检测。感应同步器按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种：结构与工作原理结构与工作

42、原理 第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.5 数控机床常用的检测装置数控机床常用的检测装置 直线式感应同步器由定尺和滑尺组成,用于直线位移测量,如图(a)所示。旋转式感应同步器由转子和定子组成,用于角位移测量,如图(b)所示。感应同步器滑尺上的两分段绕组（正弦绕组和余弦绕组）是励磁绕组，定尺上的连续绕组是感应绕组。定尺固定在床身上，滑尺则安装在机床的移动部件上。当正弦绕组与定尺绕组相位相同时，余弦绕组与定尺绕组错开1/4节距。滑尺和定尺相对平行安装，其间保持一定间隙（0.050.2mm）。通过对感应电压的测量，可以精确地测量出位移量。标准感应同步器定尺长250mm

43、，滑尺长100mm，节距为2mm。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 感应电动势移动距离在励磁绕组上加上一定的交变励磁电压，定尺绕组中就产生相同频率的感应电动势，其幅值大小随滑尺移动呈余弦规律变化。滑尺移动一个节距，感应电动势变化一个周期。当滑尺移动的距离为x时，则对应于感应电势以余弦函数将变化角：ptptqxx=22(3)脉冲编码器脉冲编码器光电编码器是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。从产生元件上分，脉冲编码器有光电式、接触式、电磁感应式三种，从精度和可靠性来看，光电式较好，数控机

44、床上主要使用的是光电式脉冲编码器。型号用 脉冲数/转（p/r）分，常用的2000，2500，3000p/r,现在有10万p/r以上的产品。5.5 数控机床常用的检测装置数控机床常用的检测装置 第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.5 数控机床常用的检测装置数控机床常用的检测装置 增量式光电编码器增量式光电编码器 它由光源、聚光镜、圆光栅、指示光栅、光敏元件和信号处理电路等组成（如图）。为了判断旋转方向，圆盘的两个窄缝距离彼此错开1/4节距，使两个光电元件输出信号相位差900。信号处理装置abz圆光栅透镜光源光敏元件透光狭缝指示光栅节距m+/4第第5章章 数控机床的驱

45、动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.5 数控机床常用的检测装置数控机床常用的检测装置 绝对式光电编码器绝对式光电编码器 【工程实例】电机转角位置检测电路如图表示按二进制编码构成绝对式编码器的工作原理。其中白的部分表示透光，黑的部分表示不透光。当光源通过透光部分并为光电接收器接收时表示“1”信息，反之表示“0”信息。最里层的表示最高位，最外层的表示最低位。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制(5)光栅光栅数控机床上用计量光栅。计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副(标尺光栅和指示光栅)、光敏元件三大部分组成。计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅

46、。5.5 数控机床常用的检测装置数控机床常用的检测装置 直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用，其中长的称为标尺光栅或主光栅，一般固定在机床移动部件上，要求与行程等长。短的为指示光栅或短光栅，其与光源、透镜、光敏元件及信号处理电路装在扫描头中，安装在机床固定部件上。两光栅尺是刻有均匀密集线纹的透明玻璃片，线纹密度为25、50、100、250条/mm等。线纹之间距离相等，该间距称为栅距，测量时它们相互平行放置，并保持0.050.1mm的间隙。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.5 数控机床常用的检测装置数控机床常用的检测装置 工作原理工作原理均匀刻线主光栅指示光栅夹

47、角明暗相间条纹莫尔条纹移动光栅相对移动一个光栅相对移动一个W W，莫尔条纹移动一个，莫尔条纹移动一个B B，当光栅移动方向变化时，莫尔条纹移，当光栅移动方向变化时，莫尔条纹移动方向也变化。用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可以测量光栅的位移。动方向也变化。用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可以测量光栅的位移。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.5 数控机床常用的检测装置数控机床常用的检测装置 光栅测量系统光栅测量系统光栅测量系统及信号如图所示，由光源、透镜、标尺光栅、指示光光栅测量系统及信号如图所示，由光源、透镜、标尺光栅、指示光栅、光敏元件和信号处理电路组成。信

48、号处理电路包括差动放大器、栅、光敏元件和信号处理电路组成。信号处理电路包括差动放大器、整形器和鉴向倍频电路。整形器和鉴向倍频电路。当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个条纹宽度，光敏元件将近似正弦波的光强信号变为同频率的电压信号，经光栅位移数字变换电路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了一个栅距那么大的位移，通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.5 数控机床常用的检测装置数控机床常用的检测装置 abcd差动放大差动放大整形整形方向辨别门电路可逆计数正脉冲反脉冲abcd差动放大差动放大(sin)(cos)整形整

49、形反向反向微分微分微分微分ABCDACBDY1Y2Y3Y4Y8Y5Y6Y7H1H2正向脉冲反向脉冲sincosABCDABCD相加ABCD相加正走反走光栅位移数字转换电路光栅位移数字转换电路(5)磁栅磁栅第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.5 数控机床常用的检测装置数控机床常用的检测装置 1-磁性膜 2-基体 3-磁尺 4-磁头 5-铁芯 6-励磁绕组 7-拾磁绕组磁栅检测装置是将具有一定节距的磁化信号用记录磁头记录在磁性标尺的磁膜上，用来作测量基准。在检测过程中，用拾磁磁头读取磁性标尺上的磁化信号转换成电信号，然后通过检测电路把磁头相对于磁尺的位置送给伺服控制系

50、统或数字显示装置。磁栅检测装置由磁性标尺、拾磁磁头和检测电路三部分组成。第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.5 数控机床常用的检测装置数控机床常用的检测装置 在实际应用中，需要采用双磁头识别磁栅的位移方向，通常两磁头彼此相距(m1/4)配置（m是正整数），从两个磁头的输出绕组上得到的是两路相位差90的电压信号，磁栅的辨向原理与脉冲编码器、光栅是一样的。在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，一个为励磁绕组，另一个为拾磁绕组，将高频励磁电流通入励磁绕组时，当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电压为：第第5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制 5.6 位置