數(shù)控技術(shù)(第四章)

第四章數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)◆本章學習要求：

1、掌握位移、速度、位置等各種檢測裝置（傳感器）的工作原理和用途；

2、掌握驅(qū)動電動機（步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機）工作原理、結(jié)構(gòu)和特點；

3、掌握步進電機的驅(qū)動與控制及主要特性；

4、了解數(shù)控裝置的組成和類型，掌握數(shù)控裝置的工作內(nèi)容?！舯菊聦W習重點：

1、各種檢測傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理和應(yīng)用；

2、步進電機的驅(qū)動與控制；

3、數(shù)控裝置的工作內(nèi)容?！舯菊聦W習難點：驅(qū)動電機的驅(qū)動與控制。

第一節(jié)位移、速度和位置檢測裝置一、概述

1、什么是傳感器：

傳感器：是指將機電一體化系統(tǒng)中被檢測對象的各種物理變化量變?yōu)殡娦盘柕囊环N變換器。

2、傳感器的分類：⑴開關(guān)型：其控制方式：是“1”或“0”，即“開”或“關(guān)”。常用的有：接近開關(guān)、接觸開關(guān)等。

⑵摸擬型：其控制方式：輸出的量是與輸入物理量變化相對應(yīng)的連續(xù)變化電量。常用的有：電阻應(yīng)變片、熱電偶、電感器、磁尺、感應(yīng)同步器等。⑶數(shù)字式：其控制方式：輸入量與輸出的數(shù)字脈沖量成正比。常用的有：計數(shù)器、編碼器、光柵等。二、位移測量傳感器：

1、位移檢測傳感器的分類：⑴直線型：測量直線位移的傳感器。⑵回轉(zhuǎn)型：測量角度位移的傳感器。2、光柵式傳感器：⑴工作原理：（教材p154）莫爾條紋感應(yīng)電量原理。

光學玻璃上均勻地刻上平行的線條，一般每毫米刻50、100、200條線。注：條數(shù)越多，測量精度越高。柵距ω：線條之間的距離，稱為柵距。用ω表示。

莫爾條紋節(jié)距W：交叉點之間的距離。

當θ角很小時：

所以，節(jié)距W與柵距ω的關(guān)系為：：是柵距的放大倍數(shù)，其最大可達倍。

⑵特點：①精度高②量程大，分辯率高③具有較強的抗干擾能力④成本高3、脈沖編碼器（P151）：

⑴增量式編碼器（光電盤）：是一種光電式轉(zhuǎn)角測量元件，其圓盤周圍僅有一層分成相等的透明與不透明部分，只能測量轉(zhuǎn)角的相對值。

①A、B、C為光電元件；②A和B兩光電元件相位相差90°，A在前或B在前用來標識旋轉(zhuǎn)方向；③C產(chǎn)生的脈沖信號為基準脈沖，稱為零電脈沖。是旋轉(zhuǎn)一周在固定位置上產(chǎn)生一個脈沖，用于記憶旋轉(zhuǎn)軸位置的脈沖信號。

⑵絕對值式編碼器（編碼盤）：

是一種直接編碼式的光電轉(zhuǎn)角測量元件，其圓盤周圍有多層分成相等的透明與不透明部分，可直接把被測轉(zhuǎn)角或位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的代碼，可測量轉(zhuǎn)角的相對值和絕對值。4、旋轉(zhuǎn)變壓器（P158）：

是位移檢測元件，為模擬型傳感器。

⑴旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理：

是根據(jù)互感原理工作的。U1與U2的關(guān)系為：式中：K：為變壓比，即兩繞組的匝數(shù)比，W1/W2；U1：定子的激磁電壓，；

Vm：定子的最大瞬時電壓。

⑵相位工作方式（鑒相型）：

轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角與轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角之間有嚴格的對應(yīng)關(guān)系，檢測出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，即可測出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。為實現(xiàn)相位工作方式，在定子上施加兩相幅值、頻率相等的正交繞組：正弦繞組S：余弦繞組C：

在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢為：

由上式可知，只要測出轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的相位角θ，即可測得轉(zhuǎn)子的空間轉(zhuǎn)角位置。⑶幅值工作方式（鑒幅型）：

轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的幅值隨轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角而變化，測出幅值即可求得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。5、感應(yīng)同步器：感應(yīng)同步器工作原理：由感應(yīng)電動勢U1變化曲線可得：

所以相位角與滑尺移動距離x的關(guān)系為：

式中：2τ：為節(jié)距；

x：為移動距離

結(jié)論：只要測出感應(yīng)電動勢U1的相位角θ，即可測量出移動距離x。

三、速度傳感器：

1、測速發(fā)電機：是一種將機械轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕膫鞲衅?。在定子勵磁繞組上加上勵磁電壓U1，使勵磁繞組產(chǎn)生勵磁磁場，定子在勵磁磁場中以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，并產(chǎn)生感應(yīng)磁場，感應(yīng)磁場使工作繞組產(chǎn)生感應(yīng)電壓U2，感應(yīng)電壓U2與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比，即：

通過測量U2值的大小來換算出轉(zhuǎn)速n的大小。

2、脈沖編碼器：

通過測量脈沖編碼器的脈沖頻率來測轉(zhuǎn)速的大小。

四、位置傳感器：1、接觸式位置傳感器：工作原理：通過觸點的接通或斷開，來判斷移動物體是否到達所需位置。2、接近式位置傳感器：工作原理：通過感應(yīng)來判斷移動物體是否到達所需位置。第二節(jié)伺服驅(qū)動裝置

一、步進電機伺服驅(qū)動裝置（P167）

1、概述：

⑴定義：是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移的電磁裝置。⑵步進電機工作時的兩種狀態(tài)：①轉(zhuǎn)動狀態(tài)：輸入脈沖時，即可轉(zhuǎn)動。數(shù)量轉(zhuǎn)角大小脈沖頻率決定轉(zhuǎn)速通電順序旋向②定位狀態(tài)：在電源的激勵下，氣隙磁場能保持原有位置不變。即步進電機的工作過程是：定位靠電源，轉(zhuǎn)動靠脈沖。2、步進電機的工作原理：見下圖。定子上繞有線圈的三對磁極A、B、C。轉(zhuǎn)子是帶齒的鐵芯。3、步進電機的特點：①可調(diào)速、調(diào)速范圍大：改變頻率可改變轉(zhuǎn)速，頻率寬。②輸出的角度可控：由脈沖數(shù)控制。③靈敏度高：不易受各種干擾因素影響。④輸出精度高：轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)后其轉(zhuǎn)角誤差為“0”，沒有誤差積累。綜合步進電機的特點，步進電機適用于開環(huán)控制方式。

4、步進電機的主要特性：⑴步進電機通電方式及步距角：①

三相三拍通電方式：Ⅰ、三相單三拍通電方式：

ABCA逆時針轉(zhuǎn)動

ACBA順時針轉(zhuǎn)動相數(shù)：m=3

齒數(shù)：z=4轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)需要的脈沖數(shù)為：mz=3×4=12步距角α（一個脈沖轉(zhuǎn)過的角度）為：Ⅱ、三相雙三拍通電方式：

ABBCCAAB逆時針轉(zhuǎn)動

ACCBBAAC順時針轉(zhuǎn)動步距角α（一個脈沖轉(zhuǎn)過的角度）亦為：②

三相六拍通電方式：AABBBCCCAA逆時針AACCCBBBAA順時針相數(shù)：m=3齒數(shù)：z=4通電方式系數(shù)K：相鄰兩次通電的相數(shù)一樣時，K=1

相鄰兩次通電的相數(shù)不一樣時，K=2轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)需要的脈沖數(shù)為：mzK=3×4×2=24步距角α（一個脈沖轉(zhuǎn)過的角度）為：

⑵輸出扭矩（矩頻特性）：是指與步進電機的各種轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的輸出扭矩。其是步進電機的一個主要參數(shù)。⑶最高啟動脈沖頻率：是指轉(zhuǎn)子從靜止狀態(tài)，不失步轉(zhuǎn)動的最大控制頻率。其與電機軸上的負載慣量及負載扭矩大小有關(guān)。⑷連續(xù)運行的最高工作頻率：連續(xù)運行：轉(zhuǎn)子尚未停下來，下一個脈沖已到達，轉(zhuǎn)子以輸入的脈沖頻率轉(zhuǎn)動，為連續(xù)運行。連續(xù)運行的最高工作頻率：連續(xù)運行時步進電機所能接受的最高頻率。一般情況下，最高工作頻率遠大于最高啟動頻率，原因是：①啟動時有較大的慣性扭矩；②啟動時有加速度存在。5、步進電機的驅(qū)動與控制：⑴步進電機的驅(qū)動組成：變頻信號源脈沖分配器功率放大器步進電機⑵

環(huán)形脈沖分配器：

①

三相六拍通電方式真值表：

導電相ABC步數(shù)（逆時針）步數(shù)（順時針）A10016AB11025B01034BC01143C00152CA10161三相六拍通電方式真值表：

②

三相六拍環(huán)形分配器：

環(huán)形分配器電路圖。

圖中A、B、C分別與步進電機A、B、C相功率放大器相連接，通過信號放大后，驅(qū)動步進電機。

步數(shù)（順時針）AABBCC導電相KJKJKJ復位

1

0

0A1011100011AC2100100011C3100011011CB4100011100B5011011100BA6011100100A環(huán)形分配器工作時狀態(tài)表：

例題：圖示為由D型觸發(fā)器構(gòu)成的步進電機環(huán)形分配器的邏輯線路圖，試分析其工作原理，填寫下表。

注：D型觸發(fā)器的邏輯表達式為：

步數(shù)AABBCC導電相DDD復位

1

0

0A1110011AC2000011C3001111BC4001100B5111100AB6110000A7110011

AC③

環(huán)形分配器的正反向控制：Ⅰ、正反向控制原理：由正反向控制信號控制：見原理圖。

高電平（即狀態(tài)為“1”）時，為正方向（順時針轉(zhuǎn)動）；

低電平（即狀態(tài)為“0”）時，為反方向（逆時針轉(zhuǎn)動）。

Ⅱ、正反向控制環(huán)形分配器：

正反轉(zhuǎn)控制信號“1”正轉(zhuǎn)“0”反轉(zhuǎn)復位黑線ABCA…，脈沖分配為A、AC、C、CB、B、BA、A…紅線ACBA…，脈沖分配為A、AB、B、BC、C、CA、A…⑶功率放大器：單電壓功率放大電路圖。

電路的電壓+V一般選擇10～100V左右，（A、B、C）是步進電機A、B、C相繞組的控制脈沖信號，它控制三極管的截止和導通，電阻為限流電阻，二極管起續(xù)流作用。

二、直流（DC）伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)

1、直流（DC）伺服電機的工作原理

直流（DC）伺服電機的結(jié)構(gòu)和工作原理與一般普通直流電機相同，只是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量比普通直流電機小，即轉(zhuǎn)子做得細長。直流伺服電機接線原理圖。2、直流（DC）伺服電機的驅(qū)動控制

在接線原理圖中，勵磁電壓V1是一定值，通過改變控制電壓V2的大小和方向來控制電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向。

⑴直流電機的調(diào)速原理：

以他勵方式（定子的勵磁電流由獨立的直流電源供電）直流電機為例說明。由原理圖，轉(zhuǎn)子電樞在電磁轉(zhuǎn)矩作用下轉(zhuǎn)動時，電樞導線切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E，故有下關(guān)系式：

由上三式可得：

式中：

：為理想空載轉(zhuǎn)速；

E：為電樞感應(yīng)電動勢；：為電樞電壓；：為電樞電流；

R：為電樞電路總電阻；

φ：為勵磁主磁通；

T：為電磁轉(zhuǎn)矩；：為電勢常數(shù)；：為力矩常數(shù)。根據(jù)上式可得他勵直流電機有以下兩種調(diào)速方式：

①改變電樞電壓，為調(diào)壓調(diào)速：

由式：

可知，當保持和φ不變，則轉(zhuǎn)矩T為恒定值，所以調(diào)壓調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

②改變勵磁電流來改變磁通φ，為調(diào)磁調(diào)速：

在勵磁線圈回路中加可調(diào)電阻來改變勵磁電流。調(diào)磁調(diào)速電樞電壓不變，若保持電樞電流也不變，則調(diào)速前后功率不變，所以調(diào)磁調(diào)速屬于恒功率調(diào)速。

⑵脈寬調(diào)制（PWM）直流調(diào)速驅(qū)動控制系統(tǒng)

①調(diào)速原理：

由原理圖可知，其原理是通過改變電壓脈沖的寬度，來調(diào)整控制電壓V2的平均值，得到不同的控制電壓V2，達到調(diào)速的目的。

實際應(yīng)用的PWM系統(tǒng)（脈寬調(diào)制直流調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)），采用大功率三極管代替開關(guān)K。開關(guān)周期T由開關(guān)頻率確定：

（s）

式中：為開關(guān)頻率。閉合時間（即電壓方波寬度）由速度指令電壓確定。②PWM調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成：構(gòu)成圖如圖所示。Ⅰ、PWM主回路：見圖中方框部分。工作原理：交流電源U～經(jīng)過整流后，形成直流控制電壓峰值U—，由脈寬調(diào)制器產(chǎn)生的脈沖寬度，控制三極管導通時間，來控制直流電壓方波的寬度，來改變直流伺服電機電樞回路的平均電壓，使直流伺服電機實現(xiàn)無級調(diào)速。

Ⅱ、脈寬調(diào)制器：定義：對大功率三極管基極提供一個寬度可由速度給定信號（速度電壓）調(diào)節(jié)且脈寬與速度給定信號成比例的電壓—脈寬變換裝置，稱為脈寬調(diào)制器。作用：使直流電壓（速度給定信號給定）與三角波振蕩器產(chǎn)生的固定頻率的三角波疊加，產(chǎn)生寬度可變的矩形脈沖，驅(qū)動三極管基極，控制三極管導通時間，來控制直流伺服電機電樞的平均電壓。工作原理：如圖說明。三、交流（AC）伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)：1、交流調(diào)速的基本原理：由電機學基本原理可知，交流電動機的同步轉(zhuǎn)速為：

異步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為：

式中：---為定子供電頻率；

---為電動機定子繞組極對數(shù)；

---為轉(zhuǎn)差率。

分析討論：由上式可得，要改變電動機轉(zhuǎn)速可采取如下途徑：①改變繞組極對數(shù)p：電動機結(jié)構(gòu)確定后，繞組極對數(shù)p隨之確定，工作中只能實現(xiàn)有級調(diào)速；②改變轉(zhuǎn)差率s：電動機結(jié)構(gòu)確定后，轉(zhuǎn)差率s只能分級改變，工作中一般只能實現(xiàn)有級調(diào)速；③改變定子電源的頻率f：電動機的轉(zhuǎn)速n與定子電源的頻率f成正比，故可采用變頻的方法改變交流電機的輸出轉(zhuǎn)速。結(jié)論：交流電動機的調(diào)速采用變頻調(diào)速方式。

2、正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）變頻調(diào)速：⑴正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）變頻調(diào)速系統(tǒng)組成：工作原理：

a三相正弦波控制信號：是變頻變幅的三相對稱普通正弦波；

b三角波發(fā)生器：產(chǎn)生三角形載波；

c三相正弦波控制信號與三角形載波，經(jīng)SPWM主電路調(diào)制后，輸出與三相正弦波控制信號頻率相同的調(diào)制波來驅(qū)動電機；

d改變?nèi)嗾也刂菩盘柕念l率，即可改變電機定子的供電頻率，達到調(diào)速目的。⑵

SPWM主電路：說明：SPWM變頻調(diào)速屬“交—直—交”方式，即將50Hz的交流電，經(jīng)二極管整流成直流電，再由逆變器（將直流轉(zhuǎn)變成交流的裝置）輸出三相頻率可調(diào)整的等效于正弦波的脈寬調(diào)制波（SPWM波）來驅(qū)動電機。

⑶脈寬調(diào)制原理：

如圖所示，以控制U相為例說明。

圖中，為三角形載波，為控制電機U相的正弦波控制信號，兩者經(jīng)過運算器疊加，結(jié)果為：

a當>時，產(chǎn)生正脈沖，使VT1導通，封鎖VT4，產(chǎn)生正調(diào)制波；

b當<時，產(chǎn)生負脈沖，使VT4導通，封鎖VT1，產(chǎn)生正調(diào)制波；

c調(diào)制波等效的正弦波頻率與正弦波控制信號頻率相同。

四、閉環(huán)伺服系統(tǒng)位置控制：

1、閉環(huán)伺服系統(tǒng)的組成：其組成如圖所示。

2、位置控制原理：位置控制原理如圖所示。

由圖可得：式中：--來自插補的位置指令；

--來自位置檢測的實際位置反饋信號；

--位置偏差。3、脈沖比較法：⑴指令脈沖Pc=0，這時反饋脈沖Pf=0，Pe=0，則伺服電機的速度指令為零，工作臺（移動部件）保持靜止不動；⑵現(xiàn)假設(shè)有正向指令Pc=2，位置/速度比較計數(shù)器加2，在工作臺未動之前，反饋脈沖Pf=0，位置/速度比較計數(shù)器輸出Pe=Pc-Pf=2-0=2，經(jīng)轉(zhuǎn)換，速度指令為+2，伺服電機正轉(zhuǎn)，工作臺正向進給；⑶工作臺正向進給，即有反饋脈沖Pf產(chǎn)生，當Pf=1時，位置/速度比較計數(shù)器減1，即Pe=Pc-Pf=2-1=1，速度指令為+1，工作臺繼續(xù)正向進給；⑷當Pf=2時，Pe=Pc-Pf=2-2=0，則速度指令為0，伺服電機停轉(zhuǎn)，工作臺停止在位置指令要求的位置上。

第三節(jié)數(shù)控系統(tǒng)（數(shù)控裝置）

一、概述：數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控設(shè)備的核心。1、硬件數(shù)控系統(tǒng)（NC）：控制功能主要通過硬件結(jié)構(gòu)來完成。2、計算機數(shù)控系統(tǒng)（CNC）：控制功能主要通過計算機軟件來完成。⑴經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)：一般是指開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。特點：結(jié)構(gòu)簡單、造價低、維修調(diào)試方便、運行維護費用低。但其控制精度較低。⑵標準型數(shù)控系統(tǒng)：又稱全功能數(shù)控系統(tǒng)，一般是指閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。特點：控制功能齊全、控制精度高。但其調(diào)試維修比較復雜。

二、經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)：

1、經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)：組成如下圖所示：

⑴微機：主要包括CPU、EPROM、ROM、I/O接口等。⑵驅(qū)動：由步進驅(qū)動裝置與步進電機組成。⑶開關(guān)量控制電路：控制機床設(shè)備輸入/輸出開關(guān)、機床操作面板與微機的連接、M、T、S指令的執(zhí)行。⑷主軸控制：由主軸電機與主軸驅(qū)動裝置組成。⑸通信接口：完成數(shù)控系統(tǒng)與微機的通信。⑹軟件系統(tǒng)：由系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件組成。

2、外圍電路：⑴輸入/輸出通道：考慮電平匹配、緩沖/鎖存及信號隔離，防止信號丟失及干擾的引入。⑵步進電機的功率驅(qū)動：主要有功放電路、高低壓驅(qū)動等。⑶主軸驅(qū)動：有直流驅(qū)動和交流驅(qū)動。

3、軟件結(jié)構(gòu)：完成系統(tǒng)的監(jiān)控與控制功能。⑴輸入數(shù)據(jù)處理程序：

①輸入：用戶從操作面板上向系統(tǒng)輸入控制參數(shù)和加工程序，一般由鍵盤輸入。輸入控制軟件作用：主要是字符的讀取與存放。