數(shù)控技術第六章數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)ppt課件

1、機械電子工程系機械電子工程系機械設計制造及其自動化教研室機械設計制造及其自動化教研室李德儉李德儉 副教授副教授第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述v一、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的概念及組成一、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的概念及組成v數(shù)控機床伺服系統(tǒng)是指以數(shù)控機床挪動部件數(shù)控機床伺服系統(tǒng)是指以數(shù)控機床挪動部件的位置和速度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。的位置和速度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控安裝的進給指令信號，經(jīng)變它接受來自數(shù)控安裝的進給指令信號，經(jīng)變換、調(diào)理和放大后驅(qū)動執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線換、調(diào)理和放大后驅(qū)動執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運動。數(shù)控機床伺服系統(tǒng)又稱為位置或旋轉(zhuǎn)運動。數(shù)控機床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動系統(tǒng)、驅(qū)動

2、系統(tǒng)、伺服機構或伺服單元。隨動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、伺服機構或伺服單元。v該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，構造復該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，構造復雜，綜合性強。雜，綜合性強。v伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分。伺服系統(tǒng)位于數(shù)控機床數(shù)控系統(tǒng)與機床主體之間，伺服系統(tǒng)是數(shù)控安裝(計算機)和機床的聯(lián)絡環(huán)節(jié)。 伺服系統(tǒng)的作用表示圖見以下圖。伺服系統(tǒng)機床CNC系統(tǒng)指令動作脈沖頻率脈沖數(shù)量速度位置伺服系統(tǒng)的作用表示圖 伺服系統(tǒng)構造圖v伺服系統(tǒng)的主要功能就是從數(shù)控系統(tǒng)接納微小的電控信號5V左右，mA級，放大成強電的驅(qū)動信號幾十、上百伏、安培級，用以驅(qū)動伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件伺服電動機，將電控信號的變化，轉(zhuǎn)換成電動機

3、輸出軸的角位移或角速度的變化，從而帶動機床主體部件如任務臺、主軸或刀具進給等運動，實現(xiàn)對機床主體運動的速度控制和位置控制，到達加工出所需工件的外形和尺寸的最終目的。v伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)的組成v組成：伺服電機組成：伺服電機v 驅(qū)動信號控制轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動信號控制轉(zhuǎn)換電路v 電子電力驅(qū)動放大模塊電子電力驅(qū)動放大模塊v 位置調(diào)理單元位置調(diào)理單元v 速度調(diào)理單元速度調(diào)理單元v 電流調(diào)理單元電流調(diào)理單元v 檢測安裝檢測安裝v普通閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)構造：位置環(huán)、速度環(huán)、普通閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)構造：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。電流環(huán)。 位置調(diào)解位置調(diào)解速度調(diào)解速度調(diào)解電流調(diào)解電流調(diào)解轉(zhuǎn)換驅(qū)動轉(zhuǎn)換驅(qū)動任務臺任務臺電流反響

4、電流反響速度反響速度反響位置反響位置反響MGw 位置、速度和電流環(huán)均由：調(diào)理控制模塊、檢測位置、速度和電流環(huán)均由：調(diào)理控制模塊、檢測和反響部分組成。電力電子驅(qū)動安裝由驅(qū)動信號產(chǎn)和反響部分組成。電力電子驅(qū)動安裝由驅(qū)動信號產(chǎn)生電路和功率放大器組成。生電路和功率放大器組成。w嚴厲來說：位置控制包括位置、速度和電流控制；嚴厲來說：位置控制包括位置、速度和電流控制；速度控制包括速度和電流控制。速度控制包括速度和電流控制。v 伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)的組成v 精度高v 穩(wěn)定性好 v 快速呼應好 v調(diào)速范圍寬 v低速大轉(zhuǎn)矩 調(diào)速范圍是指消費機械要求電機能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。024m / min。為順

5、應不同的加工條件，例如加工零件的資料、尺寸、部位以及刀具的種類和冷卻方式等不同，數(shù)控機床的進給速度需求在很寬的范圍內(nèi)無級變化。這就要求伺服電機要有很寬的調(diào)速范圍和優(yōu)良的調(diào)速特性。普通數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的調(diào)速范圍都在030m/min，高的可達240 m/min。 伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復現(xiàn)輸入量的準確程度。包括定位精度和輪廓加工精度。為了保證數(shù)控機床的加工精度，除了要求數(shù)控系統(tǒng)精度和機床機械精度有足夠高以外，還要求具有足夠高的伺服系統(tǒng)定位精度和進給跟蹤精度，并且還起著主要作用。普通要求定位精度為0.010.001mm；而高檔設備的定位精度還應在0.1m以內(nèi)。 快速呼應是伺服系統(tǒng)動態(tài)質(zhì)量的重

6、要目的，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。為了保證輪廓切削外形精度和加工外表粗糙度，要求伺服系統(tǒng)除了要有較高的定位精度外，還要有良好的快速呼應特性，也就是要求伺服電動機起、停的升降速過程要短，要有較高的加速度。電動機轉(zhuǎn)速從0升至1500r/min的時間控制在0.2s以內(nèi)。 v由于機床在低速切削時，切深和進給都比較大，也就是說吃刀抗力較大，這就要求主軸電動機輸出的轉(zhuǎn)矩也應該較大。現(xiàn)代數(shù)控機床的伺服電動機通常都是與絲杠直接相連，中間沒有減速齒輪，這就要求進給電動機能輸出較大的轉(zhuǎn)矩。v進給坐標的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個速度范圍內(nèi)都要堅持這個轉(zhuǎn)矩；主軸坐標的伺服控制在低速時為恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩。在

7、高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。v穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)理過程后，到達新的或者恢復到原來的平衡形狀。直接影響數(shù)控加工的精度和外表粗糙度。v要求伺服系統(tǒng)有較高的可靠性、穩(wěn)定性，并且受電源、環(huán)境、負載等的影響要小。還要具有足夠的傳動剛性和速度穩(wěn)定性。也就是說伺服系統(tǒng)在負載或切削條件發(fā)生變化時，應使進給速度堅持恒定。剛性良好的系統(tǒng)，負載力矩的變化對進給速度的影響很小。 v二、伺服系統(tǒng)應具有的根本性能二、伺服系統(tǒng)應具有的根本性能v對伺服電機的要求：對伺服電機的要求：v1調(diào)運范圍寬且有良好的穩(wěn)定性，調(diào)運范圍寬且有良好的穩(wěn)定性，低速時的速度平穩(wěn)低速時的速度平穩(wěn),無爬

8、行景象。無爬行景象。v2電機應具有大的、較長時間的電機應具有大的、較長時間的過載才干，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。過載才干，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。v3反響速度快，電機必需具有較反響速度快，電機必需具有較小的轉(zhuǎn)動慣量、較大的轉(zhuǎn)矩、盡能夠小的轉(zhuǎn)動慣量、較大的轉(zhuǎn)矩、盡能夠小的機電時間常數(shù)和很大的加速度小的機電時間常數(shù)和很大的加速度(400rad/s2以上以上)。v4能接受頻繁的起動、制動和正能接受頻繁的起動、制動和正反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)。v三、位置控制系統(tǒng)和速度控制系統(tǒng)的主要技三、位置控制系統(tǒng)和速度控制系統(tǒng)的主要技術目的術目的v位置控制系統(tǒng)是保證位置精度的重要環(huán)節(jié)。位置控制系統(tǒng)是保證位置精度的重要環(huán)節(jié)。v速度控

9、制系統(tǒng)由速度控制單元、伺服電動機、速度控制系統(tǒng)由速度控制單元、伺服電動機、速度檢測安裝等構成。速度控制系統(tǒng)的中心速度檢測安裝等構成。速度控制系統(tǒng)的中心是速度控制單元，用來控制電動機轉(zhuǎn)速。是速度控制單元，用來控制電動機轉(zhuǎn)速。v普通的位置控制包括位置環(huán)和速度環(huán)，具有普通的位置控制包括位置環(huán)和速度環(huán)，具有位置控制環(huán)節(jié)的系統(tǒng)才是真正的伺服系統(tǒng)。位置控制環(huán)節(jié)的系統(tǒng)才是真正的伺服系統(tǒng)。v兩者的共同之處是經(jīng)過系統(tǒng)的執(zhí)行元件直接兩者的共同之處是經(jīng)過系統(tǒng)的執(zhí)行元件直接或經(jīng)過機械傳動安裝間接帶動被控制對象，或經(jīng)過機械傳動安裝間接帶動被控制對象，完成給定控制規(guī)律要求的動作。不同之處可完成給定控制規(guī)律要求的動作。不同

10、之處可以用位移與速度之間的關系來了解。以用位移與速度之間的關系來了解。一位置控制系統(tǒng)的主要技術目的一位置控制系統(tǒng)的主要技術目的1.系統(tǒng)靜態(tài)誤差。系統(tǒng)靜態(tài)誤差。2.速度誤差和正弦跟蹤誤差。速度誤差和正弦跟蹤誤差。3.速度質(zhì)量因數(shù)和加速度質(zhì)量因數(shù)。速度質(zhì)量因數(shù)和加速度質(zhì)量因數(shù)。4.最大跟蹤角速度、最低平滑角速度、最最大跟蹤角速度、最低平滑角速度、最大角加速度。大角加速度。5.振幅目的和頻帶寬度。振幅目的和頻帶寬度。6.系統(tǒng)對階躍信號輸入的呼應特性。系統(tǒng)對階躍信號輸入的呼應特性。7.等速跟蹤形狀下，負載擾動所呵斥的瞬等速跟蹤形狀下，負載擾動所呵斥的瞬時誤差和過渡過程時間。時誤差和過渡過程時間。8.對

11、系統(tǒng)任務制、平均無缺點時間對系統(tǒng)任務制、平均無缺點時間MTBF、可靠性、運用壽命的要求。、可靠性、運用壽命的要求。二速度控制系統(tǒng)的主要技術要求二速度控制系統(tǒng)的主要技術要求1.被控對象的最高運轉(zhuǎn)速度被控對象的最高運轉(zhuǎn)速度2.最低平滑速度。最低平滑速度。3.速度調(diào)理的延續(xù)性和平滑性要求。速度調(diào)理的延續(xù)性和平滑性要求。4.靜差率或轉(zhuǎn)速降。靜差率或轉(zhuǎn)速降。5.對階躍信號輸入下系統(tǒng)的呼應特性。對階躍信號輸入下系統(tǒng)的呼應特性。6.負載擾動下的系統(tǒng)呼應特性。負載擾動下的系統(tǒng)呼應特性。7.對系統(tǒng)任務制、平均無缺點任務時間、對系統(tǒng)任務制、平均無缺點任務時間、可靠性以及運用壽命等要求?？煽啃砸约斑\用壽命等要求。v

12、四、伺服系統(tǒng)的分類四、伺服系統(tǒng)的分類v1 1按調(diào)理實際分類按調(diào)理實際分類v1 1開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng) v v2 2閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng) v3 3半閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 驅(qū)動電路驅(qū)動電路步進電機步進電機任務臺任務臺脈沖脈沖指令指令伺服電機伺服電機速度檢測速度檢測速度控制速度控制位置控制位置控制位置檢測位置檢測伺服電機伺服電機速度控制速度控制位置控制位置控制任務臺任務臺脈沖編碼器脈沖編碼器指令指令開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)電機電機機械執(zhí)行部件機械執(zhí)行部件A相、相、B相相C相、相、f、nCNC插補指令插補指令脈沖頻率脈沖頻率f脈沖個數(shù)脈沖個數(shù)n換算換算脈沖脈沖環(huán)形環(huán)形分配分配變換變換功功

13、率率放放大大無位置反響丈量，信號流是單向的數(shù)控安裝進給系統(tǒng)，故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。但精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動系統(tǒng)和機械傳動機構的性能和精度。開環(huán)系統(tǒng)通常運用步進電動機。在開環(huán)系統(tǒng)中，插補脈沖經(jīng)功率放大后直接控制步進電動機，由輸出脈沖的頻率來控制步進電動機的速度，由輸出脈沖的數(shù)量來控制任務臺的位置。其定位精度普通為0.010.005mm。這類系統(tǒng)具有構造簡單、任務穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價錢低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大的場所得到廣泛運用。普通用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)位置控制位置控制調(diào)理器調(diào)理器速度控制速度控制調(diào)理與驅(qū)動調(diào)理與驅(qū)動檢測與反檢測與反

14、響單元響單元位置控制單元位置控制單元速度控制單元速度控制單元+-電機電機機械執(zhí)行部件機械執(zhí)行部件CNC插補插補指令指令實踐實踐位置位置反響反響實踐實踐速度速度反響反響v半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點是從驅(qū)動安裝(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進展檢測，不是直接檢測運動部件的實踐位置， 而是由位置檢測元件間接丈量任務臺的位置。由位置反響信號來調(diào)理伺服電動機的速度。v半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。v由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對這類誤差進展補償，因此仍

15、可獲得稱心的精度。v半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)構造簡單、調(diào)試方便、精度也較高，因此在現(xiàn)代CNC機床中得到了廣泛運用。 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)位置控制位置控制調(diào)理器調(diào)理器速度控制速度控制調(diào)理與驅(qū)動調(diào)理與驅(qū)動檢測與檢測與反響單元反響單元位置控制單元位置控制單元速度控制單元速度控制單元+-電機電機機械執(zhí)行部件機械執(zhí)行部件CNC插補插補指令指令實踐實踐位置位置反響反響實踐實踐速度速度反響反響v閉環(huán)系統(tǒng)通常運用直流伺服電動機或交流伺服電動機。v全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實踐位置進展檢測。在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，由速度檢測元件來丈量電動機的速度，由位置檢測元件來丈量任務臺的位置，由速度和位置反響信號

16、來調(diào)理伺服電動機的速度和任務臺的位置。因此從實際上講，可以消除整個驅(qū)動和傳動環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。其定位精度普通為0.0010.003mm。v由于位置環(huán)內(nèi)的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易呵斥系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設計、安裝和調(diào)試都相當困難。v該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機床等。v2 2按運用的驅(qū)動元件分類按運用的驅(qū)動元件分類 v1 1電液伺服系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)v2 2電氣伺服系統(tǒng)電氣伺服系統(tǒng)v3 3按被控對象分類按被控對象分類 v 1 1進給伺服系統(tǒng)進給伺服系統(tǒng)v 2 2主軸伺服系統(tǒng)主軸伺服系

17、統(tǒng)v4 4按反響比較控制方式分類按反響比較控制方式分類v 1 1脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)v 2 2相位比較伺服系統(tǒng)相位比較伺服系統(tǒng)v 3 3幅值比較伺服系統(tǒng)幅值比較伺服系統(tǒng)v 4 4全數(shù)字伺服系統(tǒng)全數(shù)字伺服系統(tǒng)第二節(jié)第二節(jié) 步進電動機伺服系統(tǒng)步進電動機伺服系統(tǒng)v步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的電磁機械安裝。由于所用的電源是脈沖電源，所以又稱為脈沖馬達。步進電機用于與控制脈沖組成的開環(huán)系統(tǒng)中。v步進電機是一種特殊的電動機，普通電動機通電后延續(xù)旋轉(zhuǎn)，但步進電動機卻是跟隨輸入脈沖按節(jié)拍一步一步地轉(zhuǎn)動。v步進電動機的轉(zhuǎn)動，是由電動機繞組的脈沖電流控制的，也就是說由指令

18、脈沖決議的。v指令脈沖數(shù)決議它的轉(zhuǎn)動步數(shù)，即角位移的大小，對步進電動機施加一個電脈沖信號時，步進電動機就旋轉(zhuǎn)一個固定的角度，稱為一步，每一步所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角；指令脈沖頻率決議它的轉(zhuǎn)動速度。只需改動指令脈沖頻率，就可以使步進電動機的旋轉(zhuǎn)速度在很寬的范圍內(nèi)延續(xù)調(diào)理。改動繞組的通電順序，就可以改動它的旋轉(zhuǎn)方向。在無脈沖輸入時，在繞組電源鼓勵下，氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子堅持原有位置而處于定位形狀。v一、步進電機的分類、構造和任務原理一、步進電機的分類、構造和任務原理v1.步進電機的分類步進電機的分類v按力矩產(chǎn)生的原理分：按力矩產(chǎn)生的原理分：v磁阻式反響式、感應子式和永磁式。磁阻式反響式、感應子式和永磁式

19、。v按輸出力矩大小分：按輸出力矩大小分：v功率式和伺服式。功率式和伺服式。v按構造分：按構造分：v徑向式單段式、軸向式徑向式單段式、軸向式 多段和印刷繞組式。多段和印刷繞組式。v按相數(shù)分：按相數(shù)分：v三相、四相、五相、六相等。三相、四相、五相、六相等。2.步進電動機的構造步進電動機的構造目前，我國運用的步進電機多為反響式步進電機。目前，我國運用的步進電機多為反響式步進電機。以下圖是一典型的單定子、徑向分相、反響式伺以下圖是一典型的單定子、徑向分相、反響式伺服步進電機的構造原理圖。它與普通電機一樣，服步進電機的構造原理圖。它與普通電機一樣，也是由定子和轉(zhuǎn)子構成，其中定子又分為定子鐵也是由定子和轉(zhuǎn)

20、子構成，其中定子又分為定子鐵心和定子繞組。心和定子繞組。在定子的每個磁極上面向在定子的每個磁極上面向 轉(zhuǎn)子的部分，均勻分布著轉(zhuǎn)子的部分，均勻分布著 5 個小齒，齒槽等寬，齒個小齒，齒槽等寬，齒 間夾角為間夾角為9度。度。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，只需均轉(zhuǎn)子上沒有繞組，只需均 勻分布的勻分布的40個齒，其大小個齒，其大小 和間距與定子上的完全一樣。并與之相差和間距與定子上的完全一樣。并與之相差1/3齒齒距。距。 A A B B C C 定子 轉(zhuǎn)子 繞組 3步進電動機任務原理步進電動機任務原理步進電機的任務原理實踐上是電磁鐵的作用原理。步進電機的任務原理實踐上是電磁鐵的作用原理?，F(xiàn)以三相反響式步進電動機為例

21、闡明?，F(xiàn)以三相反響式步進電動機為例闡明。假設按A-B-C-A通電相序延續(xù)通電，那么步進電機就延續(xù)地沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，每換接一次通電相序，步進電機沿逆時針方向轉(zhuǎn)過30，即步距角為30。反之那么為順時針方向旋轉(zhuǎn)。圖6-4 反響式步進電機任務原理AABBCCAABBCCAABBCC1112223333444逆時針轉(zhuǎn) 300逆時針轉(zhuǎn) 300逆時針轉(zhuǎn) 300當A相通電時，電動機鐵芯AA方向產(chǎn)一磁通，在磁拉力作用下，轉(zhuǎn)子1、3齒與A相磁極對齊。2、4兩齒與B、C兩磁極相對錯開30當B相通電時，電動機鐵芯BB方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力作用下，轉(zhuǎn)子沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)30，轉(zhuǎn)子2、4齒與B相磁極對齊。1、3兩齒與A、

22、C兩磁極相對錯開30。當C相通電時，電動機鐵芯CC方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力作用下，轉(zhuǎn)子沒逆時針方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子1、3齒與C相磁極對齊。2、4兩齒與A、B兩磁極相對錯開30。 三相單三拍：三相單三拍：(正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)) AAABCCB1234AABCCB1234AABCCB1234 B C(反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)) ACBAA三相雙三拍：三相雙三拍：(正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)) AB AABCCB12341234AABCCBAABCCB1234ABCABC(反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)) ACCBBAACAABCCB12341234AABCCBAABCCB1234AABCCB1234AABCCB1234AABCCB1234請看原理動畫。 AB B BC

23、C CA A(反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)) A AC C CB B BA A三相六拍：三相六拍：(正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)) Avm相步進電機通電方式相步進電機通電方式v m相單相單m拍：拍：v例例 ABC D EAv m相雙相雙m拍：拍： v例例 ABBCCD DEEA AB v或或 ABCBCDCDE DEAEAB ABCvm相相2m拍：拍：v例例 A AB B BC C CD D DEE EA Av或或 AB ABC BC BCD CD CDE DE DEAEA EAB ABv三種通電方式的特點：三種通電方式的特點：v單單m拍：拍：v每次一相通電每次一相通電,切換瞬間失去自鎖力矩易失切換瞬間失去自鎖力矩易失步步,在平衡位

24、置易振蕩。在平衡位置易振蕩。v雙雙m拍：拍：v每次同時有二相通電每次同時有二相通電,切換瞬間仍有一相堅切換瞬間仍有一相堅持通電持通電,運轉(zhuǎn)穩(wěn)定。運轉(zhuǎn)穩(wěn)定。v2m拍：拍：v步距角小一半，切換瞬間仍有一相堅持通步距角小一半，切換瞬間仍有一相堅持通電，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定。電，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定。v二、步進電機的主要特性二、步進電機的主要特性v步進電機輸出的角位移量步進電機輸出的角位移量與輸入的指令脈沖與輸入的指令脈沖數(shù)成正比，在時間上與輸入的脈沖同步；而數(shù)成正比，在時間上與輸入的脈沖同步；而步進電機的轉(zhuǎn)速與指令脈沖頻率成正比。步進電機的轉(zhuǎn)速與指令脈沖頻率成正比。v在步進電機負載才干允許的在步進電機負載才干允許的 情況下

25、，這種線性關系不會情況下，這種線性關系不會 由于負載的變化等要素而變由于負載的變化等要素而變 化，所以可以在較寬的范圍化，所以可以在較寬的范圍 內(nèi)，經(jīng)過對指令脈沖頻率和內(nèi)，經(jīng)過對指令脈沖頻率和 數(shù)量的控制，實現(xiàn)對機床運數(shù)量的控制，實現(xiàn)對機床運 動速度和位置的控制。動速度和位置的控制。 00步進電動機的控制特性曲線1步距角和靜態(tài)步距誤差步距角和靜態(tài)步距誤差步進電機的步距角是反映步進電機定子繞步進電機的步距角是反映步進電機定子繞組的通電形狀每改動一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角組的通電形狀每改動一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。它取決于電機構造和控制方式。步距度。它取決于電機構造和控制方式。步距角角可由下式計算：可由下式計

26、算： =360/mzk 式中：式中：m是定子勵磁繞組數(shù)；是定子勵磁繞組數(shù)；Z是轉(zhuǎn)子的是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)；齒數(shù)；k是控制方式確定的拍數(shù)與相數(shù)的是控制方式確定的拍數(shù)與相數(shù)的比例系數(shù)。按通電方式的不同分別為：比例系數(shù)。按通電方式的不同分別為：2m拍拍 k =2 ，其它，其它 k =1。假設步進電動機通電的脈沖頻率為假設步進電動機通電的脈沖頻率為f，那，那么步進電動機的轉(zhuǎn)速為么步進電動機的轉(zhuǎn)速為在一轉(zhuǎn)內(nèi)各步距誤差的最大值，被定為步在一轉(zhuǎn)內(nèi)各步距誤差的最大值，被定為步距誤差。它的大小是由制造精度等要素決距誤差。它的大小是由制造精度等要素決議的。議的。2矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和起動轉(zhuǎn)矩矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和起

27、動轉(zhuǎn)矩矩角特性是步進電機的一個重要特性，它是指步矩角特性是步進電機的一個重要特性，它是指步進電機產(chǎn)生的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的變化規(guī)律。進電機產(chǎn)生的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的變化規(guī)律。空載時，假設步進電機某相繞組通電，根據(jù)步進空載時，假設步進電機某相繞組通電，根據(jù)步進電機的任務原理，電磁轉(zhuǎn)矩會使得轉(zhuǎn)子齒槽與該電機的任務原理，電磁轉(zhuǎn)矩會使得轉(zhuǎn)子齒槽與該相定子齒槽相對齊，這時，轉(zhuǎn)子上沒有轉(zhuǎn)矩輸出。相定子齒槽相對齊，這時，轉(zhuǎn)子上沒有轉(zhuǎn)矩輸出。假設在電機軸上加一逆時針方向的負載轉(zhuǎn)矩假設在電機軸上加一逆時針方向的負載轉(zhuǎn)矩M，那么步進電機轉(zhuǎn)子就要逆時針方向轉(zhuǎn)過一個角度那么步進電機轉(zhuǎn)子就要逆時針方向轉(zhuǎn)過一個角度才干重新穩(wěn)

28、定下來，這時轉(zhuǎn)子上遭到的電磁轉(zhuǎn)才干重新穩(wěn)定下來，這時轉(zhuǎn)子上遭到的電磁轉(zhuǎn)矩矩Mj和負載轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩M相等。我們稱相等。我們稱Mj為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，為失調(diào)角。不斷改動為失調(diào)角。不斷改動M值，就得到值，就得到Mj與與的函數(shù)的函數(shù)曲線，如下圖。我們稱曲線，如下圖。我們稱Mj=f曲線為轉(zhuǎn)矩曲線為轉(zhuǎn)矩-失失調(diào)角特性曲線，或稱為矩角特性。調(diào)角特性曲線，或稱為矩角特性。v圖中A，B，C三相的矩角特性曲線在相位上互差1/3周期。曲線上峰值所對應的轉(zhuǎn)矩叫做最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，用Mjmax表示，它表示步進電機接受負載的才干。其值愈大，自鎖轉(zhuǎn)矩愈大，靜態(tài)誤差愈小。換句話說，最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mjmax愈大，電機帶負載的才

29、干愈強，運轉(zhuǎn)的快速性和穩(wěn)定性愈好。MjmaxMjMqABCO曲線A和B的交點所對應的力矩Mq是電機運轉(zhuǎn)形狀的最大起動轉(zhuǎn)矩。當負載力矩Mf小于Mq時，電機才干正常起動運轉(zhuǎn)，否那么，將呵斥失步，電機也不能正常啟動。3起動頻率起動頻率fq空載時，步進電機由靜止忽然起動，并進入不空載時，步進電機由靜止忽然起動，并進入不丟步的正常運轉(zhuǎn)所允許的最高頻率，稱為起動丟步的正常運轉(zhuǎn)所允許的最高頻率，稱為起動頻率或突跳頻率。假設起動時頻率大于突跳頻頻率或突跳頻率。假設起動時頻率大于突跳頻率，步進電機就不能正常起動?？蛰d起動時，率，步進電機就不能正常起動?？蛰d起動時，步進電機定子繞組通電形狀變化的頻率不能高步進電機

30、定子繞組通電形狀變化的頻率不能高于該突跳頻率。于該突跳頻率。4延續(xù)運轉(zhuǎn)的最高任務頻率延續(xù)運轉(zhuǎn)的最高任務頻率fmxa步進電機延續(xù)運轉(zhuǎn)時，它所能接受的，即保證步進電機延續(xù)運轉(zhuǎn)時，它所能接受的，即保證不丟步運轉(zhuǎn)的極限頻率不丟步運轉(zhuǎn)的極限頻率fmxa，稱為最高任務頻，稱為最高任務頻率。它是決議定子繞組通電形狀最高變化頻率率。它是決議定子繞組通電形狀最高變化頻率的參數(shù)，它決議了步進電機的最高轉(zhuǎn)速。的參數(shù)，它決議了步進電機的最高轉(zhuǎn)速。5矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩矩頻特性矩頻特性Md=Ff所描畫的所描畫的 是步進電機延續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時輸是步進電機延續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時輸 出轉(zhuǎn)矩與延續(xù)運轉(zhuǎn)頻率之間的出轉(zhuǎn)矩與延續(xù)

31、運轉(zhuǎn)頻率之間的 關系。如下圖。該特性曲線關系。如下圖。該特性曲線 上每一頻率上每一頻率 f 所對應的轉(zhuǎn)矩為所對應的轉(zhuǎn)矩為 動態(tài)轉(zhuǎn)矩動態(tài)轉(zhuǎn)矩Md?？梢妱討B(tài)轉(zhuǎn)矩的。可見動態(tài)轉(zhuǎn)矩的 根本趨勢是隨延續(xù)運轉(zhuǎn)頻率的增大而降低。根本趨勢是隨延續(xù)運轉(zhuǎn)頻率的增大而降低。6加減速特性加減速特性步進電機的加減速特性是描畫步進電機由靜止到步進電機的加減速特性是描畫步進電機由靜止到任務頻率和由任務頻率到靜止的加減速過程中，任務頻率和由任務頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電形狀的變化頻率與時間的關系。定子繞組通電形狀的變化頻率與時間的關系。Md/N*mf / 103HZ步進電動機控制框圖四、步進電動機的控制方法四、步

32、進電動機的控制方法步進電動機的驅(qū)動電源是公用的，是由環(huán)步進電動機的驅(qū)動電源是公用的，是由環(huán)形分配器和功率放大器組成的。形分配器和功率放大器組成的。v三、三相反響式步進電動機的特點三、三相反響式步進電動機的特點v 不受各種干擾要素的影響不受各種干擾要素的影響v 誤差不會長期積累誤差不會長期積累v 控制簡單控制簡單CNC自動升降速環(huán)形分配器功率放大器電動機繞組-向+向如電壓、電流、溫度等，只需沒有引起反響式步進電機產(chǎn)生失步，就都不會影響步距角。 雖然反響式步進電機存在著步距誤差，但每轉(zhuǎn)一周的積累誤差為零，所以步距誤差不會長期積累。 步進電機既是驅(qū)動元件，又是將脈沖變?yōu)榻俏灰频淖儞Q元件，所以省去了位

33、置檢測元件及其相應的線路。 v環(huán)形分配器環(huán)形分配器 v 環(huán)形分配器的功能是把來自環(huán)形分配器的功能是把來自CNC的脈沖信的脈沖信號按一定的規(guī)律分配給各相功率放大器，號按一定的規(guī)律分配給各相功率放大器，來驅(qū)動相應的勵磁繞組，進而實現(xiàn)步進電來驅(qū)動相應的勵磁繞組，進而實現(xiàn)步進電動機按規(guī)定的方式進展任務。動機按規(guī)定的方式進展任務。v脈沖分配有兩種方式：脈沖分配有兩種方式：v一種是由專門的硬件脈沖分配器來完成的一種是由專門的硬件脈沖分配器來完成的硬件脈沖分配：硬件脈沖分配：v硬件脈沖分配器是由門電路及邏輯電路構硬件脈沖分配器是由門電路及邏輯電路構成的，它提供符合步進電動機控制指令所成的，它提供符合步進電動

34、機控制指令所需求的順序脈沖。需求的順序脈沖。v特點：需求公用硬件資源，運轉(zhuǎn)效率高。特點：需求公用硬件資源，運轉(zhuǎn)效率高。v另一種是由計算機的軟件來完成的軟件脈沖分配：v軟件脈沖分配是用軟件來實現(xiàn)脈沖分配的。它是預先將邏輯序列按地址的順序存入到ROM當中。在任務時，就根據(jù)計算的指令步數(shù)求出每一步相應的地址，從ROM中取出該節(jié)拍的控制信息，由I/O接口送入功率放大器。根據(jù)指令的步數(shù)循環(huán)執(zhí)行這一序列表，步進電動機就按設定的節(jié)拍延續(xù)運轉(zhuǎn)。v特點：節(jié)省了環(huán)分器硬件，但軟件運轉(zhuǎn)效率低，用特點：節(jié)省了環(huán)分器硬件，但軟件運轉(zhuǎn)效率低，用于速度要求不高處于速度要求不高處v五、步進電機伺服系統(tǒng)的功率驅(qū)動五、步進電機伺

35、服系統(tǒng)的功率驅(qū)動v在實踐的控制過程當中，環(huán)形分配在實踐的控制過程當中，環(huán)形分配器的輸出信號很小，而步進電動機器的輸出信號很小，而步進電動機的繞組電流又很大。所以需求進展的繞組電流又很大。所以需求進展功率放大。過去采用單電壓驅(qū)動電功率放大。過去采用單電壓驅(qū)動電路，后來采用高低壓驅(qū)動電路，如路，后來采用高低壓驅(qū)動電路，如今那么比較多的采用了恒流斬波、今那么比較多的采用了恒流斬波、調(diào)頻調(diào)壓和細分驅(qū)動電路等方式的調(diào)頻調(diào)壓和細分驅(qū)動電路等方式的驅(qū)動電路。驅(qū)動電路。v提速限流電阻Rc：改動時間常數(shù)，提高呼應速度v續(xù)流二極管D：用于功率晶體管的過電壓維護v特點：構造簡單、效率低、能耗高，發(fā)熱大、任務穩(wěn)定性差

36、。v運用：小功率步進電機驅(qū)動LCLRR1.1.單電壓功率放大電路單電壓功率放大電路2. 雙電壓驅(qū)動雙電壓驅(qū)動電路電路 這種驅(qū)動電路這種驅(qū)動電路供應步進電動供應步進電動機繞組的電壓機繞組的電壓有兩種：一種有兩種：一種是低電壓是低電壓U2，普通為普通為12V或或24V；另一種；另一種是高電壓是高電壓U1，電壓為電壓為80V以以上。見圖。上。見圖。在相序輸入信號IN、IL到來時，VT1、VT2同時導通，給繞組加上高壓U1，以提高繞組中電流上升率，當電流到達規(guī)定值時， VT1關斷、 VT2依然導通tN的脈寬小于tL，那么自動切換到低壓U2該電路的優(yōu)點是在較寬的頻率范圍內(nèi)有較大的平均電流，能產(chǎn)生較大且穩(wěn)

37、定的平均轉(zhuǎn)距，其缺陷是電流波形有谷點，波形如圖。 斬波驅(qū)動電路斬波驅(qū)動電路 由于雙電壓驅(qū)動電路存在著電流在高低壓銜接處由于雙電壓驅(qū)動電路存在著電流在高低壓銜接處出現(xiàn)谷點，呵斥高頻輸出轉(zhuǎn)矩在谷點下降。為了出現(xiàn)谷點，呵斥高頻輸出轉(zhuǎn)矩在谷點下降。為了使勵磁繞組中的電流維持在額定值附近，提高步使勵磁繞組中的電流維持在額定值附近，提高步進電動機的轉(zhuǎn)矩和效率，所以需求采用斬波驅(qū)動進電動機的轉(zhuǎn)矩和效率，所以需求采用斬波驅(qū)動電路。原理見圖。電路。原理見圖。輸入信號假設為正脈沖，那么VT1、VT2同時導通，由于U1電壓較高，繞組回路中又沒串電阻，所以繞組中電流迅速上升，當電流到達規(guī)定值時，由于采樣電阻Re的反響

38、作用，經(jīng)整形、放大后送至VT1基極，使VT1截止。接著繞組由U2供電，繞組中電流迅速下降，但剛降到額定值以下時，由于采樣電阻Re的反響作用，使整形電路無信號輸出，此時高壓前置放大電路又使VT1導通，電流又上升。如此反復進展，構成一個在額定電流值上下動搖呈鋸齒狀的繞組電流波形，近似恒流，其電流波形如圖。 v六、步進電機的細分驅(qū)動技術六、步進電機的細分驅(qū)動技術 v把額定電流分成把額定電流分成n個極分別進展通電，轉(zhuǎn)子個極分別進展通電，轉(zhuǎn)子就會以就會以n個通電極別所決議的步數(shù)來完成原個通電極別所決議的步數(shù)來完成原有一個步距角所轉(zhuǎn)過的角度，使原來的每有一個步距角所轉(zhuǎn)過的角度，使原來的每個脈沖走過一個步距

39、角，變成了每個脈沖個脈沖走過一個步距角，變成了每個脈沖走走1/n個步距角，即把原來一個步距角細分個步距角，即把原來一個步距角細分成成n份，從而提高了步進電機的精度。份，從而提高了步進電機的精度。v三相步進電動機線性細分后，原來一相的三相步進電動機線性細分后，原來一相的一個大脈沖由如今的一個大脈沖由如今的n個階梯脈沖所替代。個階梯脈沖所替代。 v經(jīng)過細分驅(qū)動可得到更小的脈沖當量，因經(jīng)過細分驅(qū)動可得到更小的脈沖當量，因此提高了定位精度。根本上消除了步進電此提高了定位精度。根本上消除了步進電機的低速振動問題，使步進電機低速運轉(zhuǎn)機的低速振動問題，使步進電機低速運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，沒有噪聲。平穩(wěn)，沒有噪聲。v請看

40、原理動畫請看原理動畫2。 第三節(jié)第三節(jié) 數(shù)控機床的位置檢測安裝數(shù)控機床的位置檢測安裝v組成：位置丈量安裝是由檢測元件傳感器和信組成：位置丈量安裝是由檢測元件傳感器和信號處置安裝組成的。號處置安裝組成的。v作用：閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)為反響控制的隨動系統(tǒng)，它的作用：閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)為反響控制的隨動系統(tǒng)，它的輸出量是機械位移、速度或加速度，利用這些量的輸出量是機械位移、速度或加速度，利用這些量的反響實現(xiàn)準確的位移、速度控制目的。數(shù)控系統(tǒng)的反響實現(xiàn)準確的位移、速度控制目的。數(shù)控系統(tǒng)的檢測安裝即傳感器起著丈量和反響兩個作用，檢測安裝即傳感器起著丈量和反響兩個作用，它發(fā)出的信號傳送給數(shù)控安裝或公用控制器，構成它發(fā)出的

41、信號傳送給數(shù)控安裝或公用控制器，構成閉環(huán)控制。從一定意義上看，數(shù)控機床的加工精度閉環(huán)控制。從一定意義上看，數(shù)控機床的加工精度和定位精度主要取決于檢測安裝的精度。傳感器能和定位精度主要取決于檢測安裝的精度。傳感器能分辨出的最小丈量值稱為分辨率。分辨率不僅取決分辨出的最小丈量值稱為分辨率。分辨率不僅取決于傳感器本身，也取決于丈量線路。于傳感器本身，也取決于丈量線路。v數(shù)控機床上運用的檢測安裝應滿足以下要數(shù)控機床上運用的檢測安裝應滿足以下要求：求：v準確性好，滿足精度要求，任務可靠，能準確性好，滿足精度要求，任務可靠，能長期堅持精度。長期堅持精度。v滿足速度、精度和機床任務行程的要求。滿足速度、精度

42、和機床任務行程的要求。v可靠性好，抗干擾性強，順應機床任務環(huán)可靠性好，抗干擾性強，順應機床任務環(huán)境的要求。境的要求。v運用、維護和安裝方便，本錢低。運用、維護和安裝方便，本錢低。v對大型機床以滿足速度為主，對中、小型對大型機床以滿足速度為主，對中、小型機床和高精度機床以滿足精度為主。機床和高精度機床以滿足精度為主。v檢測安裝的分類v數(shù)控系統(tǒng)中的檢測安裝分為位移、速度和電流三種類型。v根據(jù)安裝的位置及耦合方式直接丈量和間接丈量。v按丈量方法增量型和絕對型。v按檢測信號的類型模擬式和數(shù)字式。v根據(jù)運動型式 回轉(zhuǎn)型和直線型。v按信號轉(zhuǎn)換的原理光電效應、光柵效應、電磁感應原理、壓電效應、壓阻效應和磁阻

43、效應等。分 類 增 量 式 絕 對 式 位移傳感器 回轉(zhuǎn)型脈沖編碼器、自整角機 、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應同步器 、光柵角度傳感器 、圓光柵、圓磁柵 多極旋轉(zhuǎn)變壓器 、絕對脈沖編碼器 絕對值式光柵 、 三速圓感應同步器 、磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變壓器 直線型直線應同步器 、光柵尺、磁柵尺 、激光干涉儀 霍耳位置傳感器 三速感應同步器 、絕對值磁尺、光電編碼尺 、磁性編碼器 速度傳感器 交、直流測速發(fā)電機 、 數(shù)字脈編碼式速度傳感器 、霍耳速度傳感器 速度角度傳感器（Tachsyn）、數(shù)字電磁、磁敏式速度傳感器 電流傳感器 霍耳電流傳感器 v一、旋轉(zhuǎn)變壓器一、旋轉(zhuǎn)變壓器v旋轉(zhuǎn)變壓器是一種控制用的微電動機旋轉(zhuǎn)變

44、壓器是一種控制用的微電動機，它將機械轉(zhuǎn)角變換成與該轉(zhuǎn)角呈某，它將機械轉(zhuǎn)角變換成與該轉(zhuǎn)角呈某一函數(shù)關系的電信號。一函數(shù)關系的電信號。v在構造上與二相線繞式異步電動機類在構造上與二相線繞式異步電動機類似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子繞組為似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子繞組為變壓器的一次側，轉(zhuǎn)子繞組為變壓器變壓器的一次側，轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的二次側。勵磁電壓接到定子繞組上的二次側。勵磁電壓接到定子繞組上，其頻率通常為，其頻率通常為400Hz、500Hz、1000Hz和和5000Hz。v旋轉(zhuǎn)變壓器的構造簡單、動作靈敏，旋轉(zhuǎn)變壓器的構造簡單、動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護方便，輸出對環(huán)境無特殊要求，維護方便，輸出

45、信號幅度大，抗干擾性強，但丈量精信號幅度大，抗干擾性強，但丈量精度較低，普通用于精度要求不高或大度較低，普通用于精度要求不高或大型機床的粗測及中測系統(tǒng)。型機床的粗測及中測系統(tǒng)。1.旋轉(zhuǎn)變壓器的構造有電刷集電環(huán)構造和無刷構造。每一類又分為單對極元件、多對極元件或稱多極元件。18762旋轉(zhuǎn)變壓器構造表示旋轉(zhuǎn)變壓器構造表示1-轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 2-軸承軸承 3-機殼機殼 4-轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心 5-定子定子鐵心鐵心 6-端蓋端蓋 7-電刷電刷 8-集電環(huán)集電環(huán) 定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子S1S1R1S2S2S3S3S4S4R2R3R42.旋轉(zhuǎn)變壓器的任務原理旋轉(zhuǎn)變壓器的任務原理和普通變壓器的根本類似，區(qū)別在于普通變壓器

46、的一次、二次繞組是相對固定的，所以輸出電壓和輸入電壓之比是常數(shù)；而旋轉(zhuǎn)變壓器的一次、二次繞組之間是隨著轉(zhuǎn)子的角位移發(fā)生相對位置變化的，因此其輸出電壓的大小也隨之而變化。也就是說當定子繞組加上交流電壓時，轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的大小取決于定子與轉(zhuǎn)子兩個繞組磁軸線在空間的相對位置。轉(zhuǎn)子繞組電壓的頻率與定子繞組的一樣，但幅值隨轉(zhuǎn)子與定子的相對角位移的正弦函數(shù)而變化。所以只需測出轉(zhuǎn)子的輸出電壓的幅值，就可求出轉(zhuǎn)子相對定子的角位移。v當轉(zhuǎn)子繞組磁軸與定子繞組磁軸垂直時，=0，不產(chǎn)生感應電壓；當兩磁軸平行時，=90，感應電壓最大；當兩磁軸為恣意角度時，感應電壓為：v式中： K變壓比(轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組v 的匝數(shù)

47、比)，v U1勵磁電壓，v Um勵磁電壓的幅值， v 勵磁電壓的角頻率。3.旋轉(zhuǎn)變壓器的運用旋轉(zhuǎn)變壓器的任務方式1鑒相任務方式v該方式是經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓v的相位確定被測角位移，即給定子的兩個繞組分別通以同幅、同頻但相位差為90的勵磁電壓，這兩個勵磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應電壓是疊加在一同的。因此轉(zhuǎn)子中的感應電壓為兩個電壓的代數(shù)和，轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角和轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角之間有嚴厲的對應關系，只需檢測出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就可以知道轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。 Vs=Vmsint Vs=Vmsint Vc=Vmcost Vc=Vmcost E2=KV m cos- KV csin E2=KV m c

48、os- KV csin =KV m (sintcos- costsin) =KV m (sintcos- costsin) =KV m sin(t-) =KV m sin(t-)VsVcE2定子兩相繞組勵磁定子兩相繞組勵磁 v2鑒幅任務方式鑒幅任務方式w該方式是經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的幅值確定被測角位移，即給定子的兩個繞組分別通以同相、同頻但幅值不同的交流勵磁電壓，轉(zhuǎn)子輸出電壓的幅值隨轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角而變化，丈量出幅值即可求得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角值。 Vs=Vmsin電sint Vc=Vmcos電sint E2=KV m cos機- KV csin機 =KV m sint(sin電cos機- cos電

49、sin機 =KV m sin(電-機) sintVsVcE2定子兩相繞組勵磁定子兩相繞組勵磁 感應電勢感應電勢E2E2是以是以為角頻率、以為角頻率、以Vm sin(Vm sin(電電 - -機機 ) )為幅值的交變電壓為幅值的交變電壓信號。假設電氣角信號。假設電氣角電知，只需測出電知，只需測出E2 E2 幅值幅值( (利用利用E2 =0)E2 =0)，便可間接的求出機械，便可間接的求出機械角角機機 ，從而得出被測角位移。，從而得出被測角位移。 v二、感應同步器二、感應同步器v1.感應同步器的構造和特點感應同步器的構造和特點v感應同步器是利用電磁耦合原理，將位移或感應同步器是利用電磁耦合原理，將

50、位移或轉(zhuǎn)角變?yōu)殡娦盘?，借以進展位置檢測的反響轉(zhuǎn)角變?yōu)殡娦盘?，借以進展位置檢測的反響控制，在數(shù)控機床上運用極為普遍。控制，在數(shù)控機床上運用極為普遍。v按其用途可分為兩大類：直線感應同步器和按其用途可分為兩大類：直線感應同步器和圓感應同步器。圓感應同步器。v前者用于直線位移的丈量，后者用于轉(zhuǎn)角的前者用于直線位移的丈量，后者用于轉(zhuǎn)角的丈量。在構造上，兩者都包括固定和運動兩丈量。在構造上，兩者都包括固定和運動兩大部分，對旋轉(zhuǎn)式分別稱為定子和轉(zhuǎn)子；對大部分，對旋轉(zhuǎn)式分別稱為定子和轉(zhuǎn)子；對直線式分別稱為定尺和滑尺。直線式分別稱為定尺和滑尺。v感應同步器是一種電磁感應式多極位置傳感元件，由旋轉(zhuǎn)變壓器演化而來

51、。它的極對數(shù)可以做得很多，普通取360對極、720對極，最多的達2000對極。由于多極構造，在電與磁兩方面對誤差都起補償作用，所以具有很高的精度。感應同步器的勵磁頻率普通取210kHz。v1圓感應同步器v它由定子和轉(zhuǎn)子組成。轉(zhuǎn)子繞組為延續(xù)繞組；定子上有兩相正交繞組 sin繞組和 cos 繞組做成分段式，兩相繞組交差分布，相差90電相角。屬于同一相的各相繞組用導線串聯(lián)起來，。v2直線式感應同步器直線式感應同步器思索到接長和安裝，通思索到接長和安裝，通常定尺繞組做成延續(xù)式常定尺繞組做成延續(xù)式單相繞組單相繞組 滑尺上配置斷續(xù)繞組，并且分滑尺上配置斷續(xù)繞組，并且分為正弦勵磁繞組和余弦勵磁繞為正弦勵磁繞

52、組和余弦勵磁繞組，這兩個繞組在空間上錯開組，這兩個繞組在空間上錯開9090電相角。電相角。 v感應同步器的運感應同步器的運用特點用特點v 精度高精度高v 可拼接成各可拼接成各種需求的長度種需求的長度 v 對環(huán)境的順對環(huán)境的順應性強應性強 v 運用壽命長運用壽命長 v 留意安裝間留意安裝間隙隙根據(jù)丈量長度的要求，根據(jù)丈量長度的要求，采用多塊定尺接長，相采用多塊定尺接長，相鄰定尺間隔也可以調(diào)整，鄰定尺間隔也可以調(diào)整，使拼接后總長度的精度使拼接后總長度的精度堅持或略低于單塊堅持或略低于單塊定尺的精度。尺與尺之定尺的精度。尺與尺之間的繞組銜接方式有兩間的繞組銜接方式有兩種：當定尺少于種：當定尺少于10

53、10塊時，塊時，將各繞組串聯(lián)銜接，當將各繞組串聯(lián)銜接，當多于多于1010塊時，先將各繞塊時，先將各繞組分成兩組串聯(lián)，然后組分成兩組串聯(lián)，然后將此兩組再并聯(lián)，以不將此兩組再并聯(lián)，以不使定尺繞組阻抗過高為使定尺繞組阻抗過高為原那么。原那么。 直線式感應同步器金屬基直線式感應同步器金屬基尺與安裝部件的資料的膨尺與安裝部件的資料的膨脹系數(shù)相近，當環(huán)境溫度脹系數(shù)相近，當環(huán)境溫度變化時，兩者的變化規(guī)律變化時，兩者的變化規(guī)律一樣，而不影響丈量精度。一樣，而不影響丈量精度。感應同步器為非接觸式電感應同步器為非接觸式電磁耦合器件，可選耐溫性磁耦合器件，可選耐溫性能好的非導磁性資料作維能好的非導磁性資料作維護層，

54、加強了其抗溫防濕護層，加強了其抗溫防濕的才干，同時在繞組的每的才干，同時在繞組的每個周期內(nèi)，任何時候都可個周期內(nèi)，任何時候都可以給出與絕對位置相對應以給出與絕對位置相對應的單值電壓信號，不受環(huán)的單值電壓信號，不受環(huán)境干擾的影響。境干擾的影響。 由于感應同步器是直接對機床由于感應同步器是直接對機床位移進展丈量，中間不經(jīng)過任位移進展丈量，中間不經(jīng)過任何機械轉(zhuǎn)換安裝，丈量精度只何機械轉(zhuǎn)換安裝，丈量精度只受本身精度限制。定尺和滑尺受本身精度限制。定尺和滑尺上的平面繞組，采用專門的工上的平面繞組，采用專門的工藝方法制造準確。再加上它的藝方法制造準確。再加上它的極對數(shù)多，定尺上的感應電壓極對數(shù)多，定尺上的

55、感應電壓信號是多周期的平均效應，從信號是多周期的平均效應，從而減少了制造繞組部分誤差的而減少了制造繞組部分誤差的影響，所以丈量精度高。目前影響，所以丈量精度高。目前直線感應同步器的精度可達直線感應同步器的精度可達0.001mm,0.001mm,反復精度反復精度0.0002mm,0.0002mm,靈敏度靈敏度0.00005m0.00005m。直徑為。直徑為302mm302mm的感應同步器的精度可達的感應同步器的精度可達0.5,0.5,反復精度反復精度0.10.1，靈敏度，靈敏度0.050.05。 由于感應同步器定尺與由于感應同步器定尺與滑尺之間不直接接觸，滑尺之間不直接接觸，因此沒有磨損，所以壽

56、因此沒有磨損，所以壽命長。但是感應同步器命長。但是感應同步器大多裝在切屑或切削液大多裝在切屑或切削液容易入侵的部位，所以容易入侵的部位，所以必需用鋼帶或折罩覆蓋，必需用鋼帶或折罩覆蓋，以免切屑劃傷滑尺與定以免切屑劃傷滑尺與定尺的繞組。尺的繞組。 感應同步器安裝時要留意感應同步器安裝時要留意定尺與滑尺之間的間隙，定尺與滑尺之間的間隙，普通在普通在0.020.020.250.25mmmm0.05mm0.05mm以內(nèi)，滑尺在以內(nèi)，滑尺在挪動過程中，由于晃動所挪動過程中，由于晃動所引起的間隙變化也必需控引起的間隙變化也必需控制在制在0.01mm0.01mm之內(nèi)。假設間之內(nèi)。假設間隙過大，必將影響丈量信

57、隙過大，必將影響丈量信號的靈敏度。號的靈敏度。 2.2.感應同步器的任務原理感應同步器的任務原理當滑尺上勵磁當滑尺上勵磁繞組和定尺上繞組和定尺上的繞組位置重的繞組位置重合時，耦合磁合時，耦合磁通最大，感應通最大，感應電動勢也最大。電動勢也最大。當繼續(xù)平行挪動當繼續(xù)平行挪動滑尺時，感應電滑尺時，感應電動勢逐漸減小，動勢逐漸減小，當挪動到當挪動到1/4節(jié)節(jié)距位置處，在感距位置處，在感應繞組內(nèi)的感應應繞組內(nèi)的感應電動勢為零。電動勢為零。繼續(xù)挪動到繼續(xù)挪動到半個節(jié)距處，半個節(jié)距處，可得到與初可得到與初始位置極性始位置極性相反的最大相反的最大感應電動勢。感應電動勢。在在3/4節(jié)距節(jié)距處，感應處，感應電動

58、勢又電動勢又 變?yōu)榱恪Ｗ優(yōu)榱?。挪動到下一個節(jié)挪動到下一個節(jié)距時，又回到與距時，又回到與初始位置完全一初始位置完全一樣的耦合形狀，樣的耦合形狀，感應電動勢最大。感應電動勢最大。這樣，感應電動這樣，感應電動勢隨滑尺相對于勢隨滑尺相對于定尺的挪動而呈定尺的挪動而呈周期性變化。周期性變化。n(1) (1) 鑒相型系統(tǒng)鑒相型系統(tǒng)n當在正弦繞組加勵磁電壓當在正弦繞組加勵磁電壓Us=UmsintUs=Umsint，它在定尺繞組中產(chǎn)生的感應電動勢為：它在定尺繞組中產(chǎn)生的感應電動勢為：n式中式中 K K耦合系數(shù)，耦合系數(shù)，n 與位移與位移X X對應的角度，對應的角度，定、滑尺相對挪動一個節(jié)距定、滑尺相對挪動一個

59、節(jié)距P=2P=2，從從0 0變到變到22，即，即v同理，在余弦繞組加勵磁電壓Uc=Umcost，它在定尺繞組中產(chǎn)生的感應電動勢為：v運用迭加原理，定尺上的感應電動勢為：v下張片子中上面這張圖是鑒相檢測系統(tǒng)方框圖；下面這張圖是脈沖相位變換器方框圖。v2鑒幅式系統(tǒng)鑒幅式系統(tǒng)v v v v 鑒幅式伺服系統(tǒng)原理框圖鑒幅式伺服系統(tǒng)原理框圖比較器數(shù)模轉(zhuǎn)換放大環(huán)節(jié)速度單元任務臺丈量及信號處置電路伺服電機進給指令進入比較器的信號有兩路，一路來自進給脈沖，它代表了數(shù)控安裝要求機床任務臺挪動的位移量。另一路來自丈量及信號處置電路，以數(shù)字脈沖方式出現(xiàn)，表達了任務臺實踐挪動的間隔。鑒幅式系統(tǒng)任務之前，數(shù)控安裝和丈量元

60、件的信號處置電路都沒有脈沖輸出，比較器的輸出為零，任務臺不挪動。出現(xiàn)進給脈沖信號后，比較器的輸出不為零，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將比較器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)放大后，由伺服電機帶開任務臺挪動。同時，任務在鑒幅形狀的感應同步器的定尺感應出電壓信號，經(jīng)信號處置線路轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字脈沖信號，該數(shù)字脈沖信號作為反響信號進入比較器與進給脈沖進展比較。假設兩者相等，比較器輸出為零，任務臺不動；假設兩者不相等，闡明任務臺實踐挪動的間隔還不等于指令信號要求挪動的間隔，伺服電機繼續(xù)帶開任務臺挪動，直到比較器輸出為零時停頓。v三、脈沖編碼器三、脈沖編碼器v1.脈沖編碼器的分類和構造脈沖編碼器的分類和構造v脈沖編碼器是一種旋