數(shù)控技術(shù)及裝備課件

數(shù)控技術(shù)及裝備

第一章電機控制中的測量元件

1、光電編碼器

2、旋轉(zhuǎn)變壓器3、霍爾元件4、鐳射測量系統(tǒng)5、陀螺儀測角

6、測速發(fā)電機旋轉(zhuǎn)編碼器

角度編碼器

第一部分光電編碼器1、旋轉(zhuǎn)編碼器光電脈衝編碼器的結(jié)構(gòu)

兩個光欄板，彼此之間錯開m+τ/4個節(jié)距，當(dāng)碼盤基片隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生a,b兩相相位差為90°的交變信號。旋轉(zhuǎn)編碼器工作原理

光電碼盤隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，在光源的照射下，透過光電碼盤和光攔板形成忽明忽暗的光信號，光敏元件把此光信號轉(zhuǎn)換成電信號a、b、z，通過信號處理裝置的整形、放大等處理後輸出如圖所示的6項A、B、C

和取反信號。

輸出信號的作用及其處理A、B

兩相的作用

細分處理、角位移、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向

Z相的作用

周向定位基準(zhǔn)、圈數(shù)、、的作用

利用A、

差分輸入消除遠距離傳輸?shù)墓材８蓴_第一部分光電編碼器常用的脈衝編碼器每轉(zhuǎn)輸出的脈衝數(shù)有：2000p/r，2500p/r，3000p/r，高解析度的脈衝編碼器

20000p/r，25000p/r，30000p/r。

第一部分光電編碼器討論：1、如何提高旋轉(zhuǎn)編碼器的精度？2、如何提高旋轉(zhuǎn)編碼器的可靠性第一部分光電編碼器光柵檢測裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖

1—光源，2—透鏡，3—指示光柵，4—光電元件，5—驅(qū)動電路，6—尺規(guī)光柵2、角度編碼器

第一部分光電編碼器光柵尺

透射光柵優(yōu)點：1）光源垂直入射，信號幅值比較大，信噪比好，光電轉(zhuǎn)換器（光柵讀數(shù)頭）的結(jié)構(gòu)簡單；2）光柵每毫米的線紋數(shù)多，減輕了電子線路的負擔(dān)。缺點：玻璃易破裂，熱脹係數(shù)與機床金屬部件不一致，影響測量精度。透射光柵尺的長度一般都在1～2m，常見的線紋密度為每毫米4、10、25、50、100、200、250線。

反射光柵優(yōu)點：光柵和機床金屬部件的線膨脹係數(shù)一致，可用鋼帶做成長達數(shù)米的長光柵。安裝面積小，調(diào)整方便，適應(yīng)於大位移測量場所。缺點：為了使反射後的莫爾條紋反差較大，每毫米內(nèi)線紋不宜過多，常用線紋數(shù)為4、10、25、40、50。透射光柵反射光柵第一部分光電編碼器光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu)光柵讀數(shù)頭與尺規(guī)光柵配合起光電轉(zhuǎn)換作用，將位移量轉(zhuǎn)換成脈衝信號輸出。有垂直入射讀數(shù)頭、分光讀數(shù)頭、鏡像讀數(shù)頭和反射讀數(shù)頭等。

圓光柵

測量角位移圓光柵刻有輻射形的線紋，相互間的夾角相等。圓周內(nèi)線紋的數(shù)制一般有二進位、十進位和六十進位等三種形式。直徑為Ф270mm，360進制的圓光柵，一周內(nèi)有刻線10,800條。第一部分光電編碼器光柵原理（莫爾條紋）

放大作用；

使柵距的節(jié)距誤差平均化；

根據(jù)莫爾條紋的移動方向可以辨別光柵的移動方向

第一部分光電編碼器莫爾條紋節(jié)距W

與光柵節(jié)距ω和傾角θ之間的關(guān)係：由於θ很小，因此

莫爾條紋的特點：

光柵橫向移動一個節(jié)距ω，莫爾條紋正好沿刻線上下移動一個節(jié)距W，用光電元件檢測莫爾條紋信號的變化就可以測量光柵的位移。

光柵尺橫向莫爾條紋及其參數(shù)

第一部分光電編碼器細莫爾條紋干涉原理第一部分光電編碼器是由光線通過線紋衍射後產(chǎn)生的干涉結(jié)果

，平面的光波照射到掃描

板上，通過衍射分成1，0，-1光波，它們在相位柵尺規(guī)上被衍射，光強的大部分反射在1，和-1衍射級次中。這些光波在掃描掩膜光柵上再次相遇，重新衍射和干涉，此時，主要生成2個序列波，它們以不同的角度離開掃描掩膜。光電元件將這些光強轉(zhuǎn)變成電信號。第一部分光電編碼器討論：角度編碼器與旋轉(zhuǎn)編碼器的異同點？第二部分轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖1—轉(zhuǎn)子軸，2—外殼，3—分解器定子，4—分解器定子繞組，5—變壓器一次線圈，6—變壓器轉(zhuǎn)子，7—分解器轉(zhuǎn)子繞組，8—分解器轉(zhuǎn)子，9—變壓器二次線圈，10—定子線軸旋轉(zhuǎn)變壓器原理

防止氣隙磁通畸變加上相互垂直的繞組第二部分轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理分解器繞組的結(jié)構(gòu)保證了定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙磁通呈正、余弦規(guī)律分佈。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電勢隨轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角θ機呈正弦規(guī)律變化。即：或其中，Us，Uc

為定子正弦、余弦繞組上的激磁電壓，k為變壓比。

旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用鑒相方式

在旋轉(zhuǎn)變壓器定子的兩相正交繞組上分別加上幅值相等、頻率相同的正弦、余弦激磁電壓，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)後，兩個激磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓線性疊加得總感應(yīng)電壓為：因此，只要檢測出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就知道了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。第二部分轉(zhuǎn)變壓器

鑒幅方式

給定子的兩個繞組分別通上頻率、相位相同但幅值不同的激磁電壓，

則在轉(zhuǎn)子繞組上得到感應(yīng)電壓為

不斷修改激磁調(diào)幅電壓幅值的電氣角θ電，使之跟蹤θ機的變化，並測量感應(yīng)電壓幅值即可求得機械角位移θ機

。第二部分轉(zhuǎn)變壓器

多級旋轉(zhuǎn)變壓器上述在一轉(zhuǎn)的360內(nèi)電氣變化與機械角變化完全對應(yīng)。增加定子或者轉(zhuǎn)子的極對數(shù)，在一圈之內(nèi)使電氣角週期性變化若干次數(shù)，達到提高精度的目的。

討論：

1、如何提高精度？2、與脈衝編碼器相比可靠性如何？

第二部分轉(zhuǎn)變壓器

第三部分霍爾元件測量電機磁場Vh=B

IcRh/dB:磁通密度，Ic:控制電流，Rh:霍爾常數(shù)，d:半導(dǎo)體厚度BSNW1W2BIcVh在電流Ic恒定、半導(dǎo)體材料和幾何尺寸確定的情況下、電勢的大小與磁通B成線性關(guān)係。1、測量原理假定在某一半導(dǎo)體中電流Ic以箭頭所示方向流動，若磁通B與導(dǎo)體面垂直通過，則在半導(dǎo)體的一側(cè)產(chǎn)生電動勢：

2、測量方法

電機在旋轉(zhuǎn)過程中的不同位置，霍爾元件的輸出電壓呈正弦變化，說明電機磁場的變化規(guī)律。通過標(biāo)定，就可測量電機的磁場。

第三部分霍爾元件測量電機磁場霍爾元件測量的電機磁場Vh2Vh1IcVhVhVh1BVh23、霍爾元件的特性參數(shù)a)

靈敏度

在1000高斯的磁通下通0.1毫安培電流所輸出的毫伏電壓值。高的靈敏度是霍爾元件的首要條件，但霍爾元件越薄輸入阻抗就越大，電流流動受阻。因此，需要末級放大。b)

輸入阻抗電源電流Ic的阻抗c)

輸出阻抗輸出感應(yīng)電勢端的阻抗d)不平衡電壓無磁通時的輸出電壓值，由不對稱造成的飄移。e)

工作溫度可以使用的溫度範(fàn)圍。第三部分霍爾元件測量電機磁場4、霍爾元件的製作一般地，霍爾元件厚度都在幾微米以下。霍爾元件越薄，輸出電壓就越大，即霍爾元件越靈敏，但輸入阻抗就越大。a)蒸附法在真空中將半導(dǎo)體銦化娣蒸附到陶瓷類基壁報上並行成薄膜，並在上埋電極。b)

研磨法

在單晶體板上利用光刻法，製成霍爾元件，然後裝在磁性基板上並進行研磨。c)離子注入法鎵化砷為原材料，用鉻作參雜物製成半絕緣的單晶體，採用離子注入法在其表面形成多層活性層而製成元件。厚度小於0.4微米。霍爾元件最大的缺點是隨溫度變化。

第三部分霍爾元件測量電機磁場5、霍爾元件的積體電路將測量用的霍爾元件與開關(guān)功能的電晶體或者放大電路一起製成一個封裝的積體電路使用。第四部分鐳射測量系統(tǒng)

受激吸收與受激發(fā)射

1．鐳射的產(chǎn)生

2．鐳射的特點

高單色性鐳射的譜線寬度很窄,比普通光源提高了幾萬倍，是最好的單色光源。

高平行度鐳射是向特定方向發(fā)射的,它的發(fā)散角很小,已達到幾分,甚至可小到1秒。

高亮度鐳射的光能高度集中,亮度特別高，一臺紅寶石雷射光束的亮度比太陽表面亮度亮200億倍。高相干性相干性是相干光波在疊加區(qū)產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉條紋所表現(xiàn)的性質(zhì)，可用時間相干性和空間相干性來描述。時間相干性是指光源在不同時刻發(fā)出的光束的相干性，鐳射的相干長度可達幾十公里,比普通光源提高了幾十萬倍?？臻g相干性是指同一時間內(nèi)由光源不同部位發(fā)出的光波的相干性,鐳射在任何傳播方向上都具有良好的空間相干性。

第四部分鐳射測量系統(tǒng)

3.鐳射干涉儀原理（1）邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)

邁克爾干涉儀

由四個光學(xué)元件（兩塊平板玻璃P1P2和兩塊平面反射鏡M1M2）和一個精密的移動機構(gòu)組成。

第四部分鐳射測量系統(tǒng)

（2）邁克爾遜干涉儀的測量原理

由光源S來的光，被半反射膜分成二束走向不同的光。根據(jù)平面鏡成像的性質(zhì)，光線S2在MM2之間的光路可以用它在M中的虛像M2‘

來代替。這樣，M2’位於參考鏡M1的附近。M1和M2‘構(gòu)成一“虛平板”，中間為空氣介質(zhì)，虛平板的厚度為h,在觀擦系統(tǒng)中看到的干涉圖樣就是由虛平板所產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象。兩相干光束之間的光程差為2h，當(dāng)2h=Kλ，即h=1/2λ時，觀察屏P上的光的強度最大，呈亮條紋。當(dāng)h=（2K+1）λ/4時，觀察屏P上的光強度為零，出現(xiàn)暗條紋。在邁克爾遜干涉儀中，M2是固定的，而M1則是由精密絲杠帶動可以平移。改變M1和M2‘之間的距離h，也即改變S1和S2的光程差。當(dāng)光程差發(fā)生變化時，觀察屏上的干涉條紋將明暗交替變化。M1每平移λ/2距離，干涉條紋則移動一個條紋間隔，明亮變化一次。因此，只要對條紋計數(shù)，便可以測得M1的距離。

第四部分鐳射測量系統(tǒng)

（3）邁克爾遜干涉儀的改進

圖示邁克爾遜干涉儀使用的光源是白光，而鐳射干涉儀採用鐳射作光源。這樣，干涉一般不需要補償板P2，另外，採用光電元件計數(shù)，，光電元件將光強的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化。設(shè)動鏡M1的起始位置出現(xiàn)暗條紋，M1位移X後，光強既非最強，亦非最弱，則表明X既不是λ/2的整數(shù)倍，也不是λ/4的整數(shù)倍。經(jīng)光電元件轉(zhuǎn)換出的電壓UX可寫為UX=UMsin[2πX/(λ/2)]此式描述一正弦波，將此正弦波整形為方波，送入計數(shù)器即可讀出條紋的明亮變化次數(shù)k。

第四部分鐳射測量系統(tǒng)

3.雙頻鐳射干涉儀

雙頻鐳射干涉儀是同一雷射器發(fā)出的光分成頻率不同的兩束光（即拍頻信號）產(chǎn)生干涉

雙頻鐳射干涉儀的工作原理

第四部分鐳射測量系統(tǒng)

第五部分陀螺儀測角

三自由度陀螺儀可繞Z軸,X軸η軸轉(zhuǎn)動

進動性和定軸性

進動：三自由度陀螺儀以角速度ω繞自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，在受到某一軸方向的外力矩作用下，將同時繞著與這一軸垂直的方向以角速度Ω轉(zhuǎn)動—稱為進動。進動角速度：Ω=M/H

M為進動軸方向的外力矩；H為陀螺儀自旋角動量矩H=Cω。C為陀螺儀自旋轉(zhuǎn)動慣量。第五部分陀螺儀測角

章動：三自由度陀螺儀以角速度ω繞自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，在受到外力矩作用下，自轉(zhuǎn)軸將發(fā)生偏斜運動—稱為章動。此時，其進動角速度α=-Μ/(λH)sinλt

β=Μ/(λH)(1-cosλt)

λ=H/AA為陀螺儀繞X軸（赤道的）的轉(zhuǎn)動慣量當(dāng)角速度ω足夠大時，角動量矩H很大，進動角速度Ω、α、β可以忽略比不計，這就是三自由度陀螺儀的定軸性。定軸性的特點使得裝有三自由度陀螺儀的慣性平臺有了一個參考軸。無論慣性平臺本身如何擺動搖晃，這個參考軸是不變的，我們可以利用位移感測器測量慣性平臺與定軸的角度，得出平臺本身的各種傾角，來控制平臺的姿態(tài)。

第五部分陀螺儀測角

討論1、從測量原理和結(jié)構(gòu)來看，影響陀螺儀精度的有哪些因素？2、

陀螺儀主要應(yīng)用在哪些場合？第五部分陀螺儀測角

第六部分測速發(fā)電機1、直流測速發(fā)電機工作原理空載感應(yīng)電勢：有負載時輸出電壓：直流測速發(fā)電機工作原理n—測速發(fā)電機轉(zhuǎn)速，Ce—與電機極對數(shù)和電樞繞組有關(guān)的係數(shù)，

0—電樞磁通，Ra—電樞回路總電阻，Rz—測速發(fā)電機負載電阻。直流測速發(fā)電機的輸出特性第六部分測速發(fā)電機儘管對於不同負載電阻，測速發(fā)電機的輸出特性不同。在理想狀態(tài)下，直流發(fā)電機的輸出電壓與轉(zhuǎn)速稱線性關(guān)係。2、交流非同步測速發(fā)電機工作原理：在N1繞組上施加穩(wěn)定的交流電壓，測量另一與之垂直繞組上的感應(yīng)電壓U2第六部分測速發(fā)電機交流非同步測速發(fā)電機的工作原理輸出電壓C1為比例常數(shù)繞組產(chǎn)生磁場->轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場中運動運動產(chǎn)生電流

轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生磁場->磁場產(chǎn)生感應(yīng)電流主要誤差線性誤差相位誤差剩餘電壓第六部分測速發(fā)電機轉(zhuǎn)子杯電流對定子的作用非同步測速發(fā)電機相量圖二、原理1、幾個基本概念磁感應(yīng)強度：B表述磁場的大小和方向的量：（單位實驗繞組所受的最大力矩）

磁通量：Φ通過一給定曲面的總磁力線數(shù)。第一部分直流電機的控制F力磁場電流BI運動力磁場電動勢右手定則反電動勢E=vBL磁場強度：HH=B/μμ：介質(zhì)的磁導(dǎo)率（與介質(zhì)相關(guān)的常數(shù)）

自感電動勢：由於導(dǎo)體本身電流的變化引起磁通量的變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢：ε=-LdI/dt互感電動勢：由於其他導(dǎo)體電流的變化引起通過本繞組磁通量的變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢：ε12=-MdI2/dt，ε21=-MdI1/dt

左手定則磁場對載流導(dǎo)線的作用力：df=IdLB對於恒定磁場和繞組：F=BIL右旋鑽定則I_->B->F第一部分直流電機的控制一、直流電機用於控制電機的優(yōu)點：1、轉(zhuǎn)矩可以十分簡單地計算，系統(tǒng)設(shè)計十分簡單；

2、回應(yīng)高，適應(yīng)大的角加速度；3、暫態(tài)力矩大：永久磁鐵的勵磁在轉(zhuǎn)子大電流通過時也不產(chǎn)生畸變。

直流電機的原理簡圖SNdTrsqsBcFrBIIFF2、運動原理

第一部分直流電機的控制N弧極區(qū)S弧極區(qū)+++++++++.........中性區(qū)有刷直流電機直流電機的繞組的磁力線和電流示意圖

控制時，需要靠整流子將電樞繞組的導(dǎo)線電流的流動變成上述分佈的。按照上述電磁理論可得：速度v=Rω電機轉(zhuǎn)矩：

T=ZRBLI=KTIa反電動勢：

E=vBLZ/2=Keω

第一部分直流電機的控制3、等效電路圖

RaIaE=KeωV電壓方程：V=RaIa+Keω轉(zhuǎn)矩：T=KTIa=KT/Ra(V-Keω)E=vBLZ/2第一部分直流電機的控制整流子（換向片）絕緣體繞組電刷短路繞組應(yīng)處於無磁通區(qū)（中性區(qū)），免受感應(yīng)電動式。4、控制與結(jié)構(gòu)圖

5、直流電機的動特性考慮轉(zhuǎn)子的慣性影響：Jdω/dt考慮電感的影響：LdIa/dt電機扭矩：T=To+Jdω/dt(1)電樞電壓：V=IaRa+Keω+LdIa/dt(2)電機扭矩：T=KtIa(3)(2)(3)即可分析電機動特性

6、直流電機特點：控制電磁的旋轉(zhuǎn)方向，使兩個磁場的力最大並能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。要解決的問題：力矩的脈動、死點、發(fā)熱、損耗、可靠性等問題。從電機的結(jié)構(gòu)、材料等所有的方式。

第一部分直流電機的控制第一部分直流電機的控制三、直流伺服電機的控制

1、直流電機的作為伺服電機的關(guān)鍵就是使加在電樞上的電壓發(fā)生變化。即由V=RaIa+Keω公式得：ω=(V-RaIa)/Ke，改變電壓從而改變速度ω。

直流伺服電機控制結(jié)構(gòu)圖

TGPGDC伺服放大器偏差計算D/A變換位置檢測位置指令速度指令電流指令速度檢測電流檢測DC電源速度指令電壓第一部分直流電機的控制2、伺服放大器兩種放大方式：電壓控制電流控制電流信號發(fā)生器PWM電流指令電流回饋Tr1Tr2Tr3Tr4電刷整流子絕緣體繞組電刷由伺服放大器供電（1）電壓控制：電晶體線性放大工作區(qū)，小功率500瓦以下；電晶體開關(guān)方式：大功率電晶體，PWM電樞平均電壓：V=E(tp-tn)/(tp+tn)（2）電流控制：電流控制與電壓控制僅增加了差動放大器，將指令值和回饋值之差放大，再變成電壓控制。第一部分直流電機的控制tptn電流波形-EE電壓指令-EE電壓指令三角波三角波+-第二部分無刷直流電機的控制一、無刷直流電機原理利用元件檢測轉(zhuǎn)子的位置（磁場的位置），控制定子繞組的通電次序。以使定子電磁場與轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩。位置的檢測用霍爾元件和光電元件。Tr1Tr1Tr3Tr4Tr5Tr6UVWWVUT6T1T2T5T2T3光旋轉(zhuǎn)方向指令16WV電流的磁場方向電流的磁場方向旋轉(zhuǎn)磁場方向SN通電順序：100110->100101->101001->011001->011010->010110第二部分無刷直流電機的控制2、利用霍爾元件測量的控制原理

aSNbSNcSN霍爾元件霍爾元件霍爾元件W1W2Vh1Vh2VhBIcVhVh1Vh2BTr2W2W1Tr1BSNW1W2從式可看出，除轉(zhuǎn)矩外，再沒有其他控制量可影響轉(zhuǎn)速?？焖贉?zhǔn)確地控制轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)矩實際值Td對其給定值Td*回應(yīng)如圖所示。轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速關(guān)係是一個小慣量環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為:

m——轉(zhuǎn)矩環(huán)等效時間常數(shù)。(s)TsTdmd*+=s11TdTOt*dTTO圖4－1

轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波型a)

小慣性

b)大慣性a)b*dTdT

如果Td對Td*的回應(yīng)如圖4-1b)所示，它是一個振盪環(huán)節(jié)，且阻尼較小，無論怎樣設(shè)計速度調(diào)節(jié)器都很難獲得滿意結(jié)果。從上述討論可以看出，調(diào)速的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)矩控制。二、統(tǒng)一的電動機轉(zhuǎn)矩公式電動機，無論是直流還是交流，都由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。它們分別產(chǎn)生定子磁通勢向量和轉(zhuǎn)子磁能磁通勢向量（圖4-3），將其合成，得合成磁通勢向量，由它產(chǎn)生磁鏈向量（通過Ns個線圈的磁力線總數(shù)）

，好像空間有兩塊磁鐵，一塊是固定的，另一塊是可轉(zhuǎn)動的。當(dāng)這兩塊磁鐵的磁通勢向量方向一致時，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子不動；若方向不一致，它們將互相吸引，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

通勢矢量圖cFsFrFcsqrcqrsq圖4－3

電動機磁定子磁通勢向量：由定子繞組通三相交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的磁通勢，是由三個繞組的磁勢的基波磁勢合成的。旋轉(zhuǎn)速度為：n1=60f/p，n1為同步速度。由於單相繞組的磁勢是矩型分佈，除基波外，還有其他頻率的諧波成分（由富裏埃級數(shù)展開），諧波磁勢一般對電機運行帶來不利，採用短距和分佈繞組就是達到消除諧波磁勢這一目的。轉(zhuǎn)子磁能磁通勢向量：電機負載運行時，電機轉(zhuǎn)子以低於n1的同步速度n運行，這樣氣隙磁勢的速度與轉(zhuǎn)子相差一個速度Δn=n1-n=sn1，轉(zhuǎn)子將以sn1速度切割氣隙磁場，在轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條中產(chǎn)生電流，這個電流也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。轉(zhuǎn)子的磁場頻率為：f2=Δnp/60,旋轉(zhuǎn)速度為：n2=n+Δn=n1，這表明轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率落後於磁場旋轉(zhuǎn)頻率，有一個滑差s。以保證轉(zhuǎn)子能夠切割定子磁場的磁力線。但轉(zhuǎn)子磁通勢向量與定子磁通勢向量旋轉(zhuǎn)速度相同。由電磁場理論知道，作用在繞組上的轉(zhuǎn)矩等於：式中——磁場能量（由於存在氣隙，磁場能量幾乎全部儲存在氣隙中）；——從到的夾角。式中B——磁感應(yīng)強度

H——磁場強度。在氣隙裏，B比例於H，而H比例於合成磁通勢，所以式中——合成磁通勢向量的數(shù)值；——比例係數(shù)。磁場能量的增量合成磁通勢：

將其代入式得電動機轉(zhuǎn)矩公式為

式中Km——比例係數(shù)由於和電動機轉(zhuǎn)矩公式還可以改寫為

這是統(tǒng)一的電動機轉(zhuǎn)矩公式，適合於各種電動機

從這些公式可以看出，電動機的轉(zhuǎn)矩等於三個磁通勢向量Fs

、Fr和Fc中任兩向量的模和它們間夾角的正弦值之積，即向量平行四邊形的面積。它只與這些向量的大小與相對位置有關(guān)，而與它們的絕對位置、是否轉(zhuǎn)動無關(guān)，我們可以從便於實現(xiàn)出發(fā)，按任一公式控制電動機轉(zhuǎn)矩。

FcFrFrFrθrsθcs討論：1、交流電機的運動原理。2、直流電機與交流電機的磁場有什麼異同？第三部分交流伺服電機控制原理一、交流電動機向量控制基本概念交流電動機的磁通勢向量Fs、Fr和Fc都在空間以同步速度旋轉(zhuǎn)，彼此相對靜止，欲控制轉(zhuǎn)矩，必須控制任兩磁通勢向量的大小和相對位置。通常的變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制量是交流電動機的定子電壓幅值和頻率（電壓控制型）或定子電流幅值和頻率（電流控制型），它們都是標(biāo)量，故稱為標(biāo)量控制系統(tǒng)。在標(biāo)量控制系統(tǒng)中，只能按電動機穩(wěn)態(tài)運行規(guī)律進行控制，不能控制任意兩個磁通勢向量的大小和相對位置，轉(zhuǎn)矩控制性能差。欲改善轉(zhuǎn)矩控制性能，必須對定子電壓或電流實施向量控制，既控制大小，又控制方向。交流電動機的所有向量（磁通勢、磁鏈、電壓、電流等）都在空間以同步速度旋轉(zhuǎn)，它們在定子坐標(biāo)系（靜止系）上的各分量，即在定子繞組上的物理量，都是交流量，控制和計算不方便。如果採用座標(biāo)變換，使人從靜止坐標(biāo)系進入同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，站在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上看，電動機各向量都變成了靜止向量，它們在坐標(biāo)系上各分量都是直流量，可以很方便地從統(tǒng)一轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)，找到轉(zhuǎn)矩和被控向量各分量的關(guān)係，即時地算出轉(zhuǎn)矩控制所需的被控向量（電壓或電流等向量）各分量間的關(guān)係，即時地算出轉(zhuǎn)矩控制所需的被控向量的直流分量的值（直流給定量）。由於這些被控向量的直流分量在物理上不存在，我們還必須再經(jīng)過座標(biāo)變換，從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系回到到靜止系，把上述直流給定量變換成物理上存在的交流給定量，在定子坐標(biāo)系對交流量進行控制，使其實際值等於給定值。整個向量控制過程或用下圖所於框圖表示：向量控制的關(guān)鍵是靜止坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的座標(biāo)變換，實現(xiàn)該變換的關(guān)鍵是找到兩坐標(biāo)系之間的夾角。（夾角實現(xiàn)座標(biāo)關(guān)係）向量控制系統(tǒng)分為兩類：1.按轉(zhuǎn)子位置定向的向量控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)的基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的水準(zhǔn)軸位於電動機轉(zhuǎn)子圓的軸線上，隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，這時靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的夾角就是轉(zhuǎn)子位置角。永磁同步電動機和無換向器電動機的向量控制系統(tǒng)屬於這一類。2.按磁通定向的向量控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)的基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的水準(zhǔn)軸位於電動機磁通和磁鏈軸線上，與磁場一起旋轉(zhuǎn)，這時靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的夾角不能直接測取，需通過計算獲得，系統(tǒng)較複雜，但易維持磁鏈恒定，使電動機運行經(jīng)濟合理。通常的同步電動機和非同步電動機向量控制系統(tǒng)屬於這一類。旋轉(zhuǎn)磁場是電機運動的根本。產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場不一定非要三相，除單相以外，兩相及多相對稱繞組通以相應(yīng)的平衡電流都能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。如果使兩通以直流電的繞組同時以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，則產(chǎn)生的合成磁勢Fc也以同速旋轉(zhuǎn)。無論是多相、三相、兩相非同步或者同步電機（直流電機是同步電機的特例），通以適當(dāng)?shù)碾娏鳎姍C內(nèi)將只有定子和轉(zhuǎn)子兩個合成的磁勢存在，可以進一步認為，定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢Fs，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢Fr，這樣，就可以把所有的電機等效成兩相繞組的電機。向量控制的目的是為了改善轉(zhuǎn)矩控制特性,而最終實施是要落實到對定子電流(交流)的控制上.第四部分向量變換原理二、交流電動機的坐標(biāo)系及符號規(guī)定1.定子坐標(biāo)系（R-S-T和坐標(biāo)系）

這兩個坐標(biāo)系在空間固定不動，是靜止坐標(biāo)系

2.轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系（d-q坐標(biāo)系）轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系固定在轉(zhuǎn)子上，其d軸位於轉(zhuǎn)子外圓的軸線上，q軸超前d軸90°，該坐標(biāo)系隨轉(zhuǎn)子一起在空間以轉(zhuǎn)子速度旋轉(zhuǎn)。同步電動機，d軸是轉(zhuǎn)子磁極（合成）的軸線，非同步電動機，可定義轉(zhuǎn)子上任一軸線為d軸（不固定）

3.磁鏈坐標(biāo)系

（坐標(biāo)系）磁鏈坐標(biāo)系的軸固定在磁鏈向量上，軸超前軸90°，該坐標(biāo)系和磁鏈向量一起在空間以同步速度旋轉(zhuǎn)。第四部分向量變換原理4、d、q變換的目的d-q變換的實質(zhì)：為了分析上的方便和直觀性，往往將交流電機的控制變換成直流電機的繞組形式下加以討論，在這一形式下討論的控制結(jié)果，再變換回交流電機的繞組。d、q軸的選擇：為了將交流變直流，需要將d、q座標(biāo)選擇在旋轉(zhuǎn)的磁場上，因此直觀來看，d、q軸座標(biāo)是與旋轉(zhuǎn)磁場一起運動的，當(dāng)然，也可以認為d、q軸座標(biāo)不動，而定子繞組是旋轉(zhuǎn)的。第四部分向量變換原理三、交流電動機的空間向量概念

空間向量：

三個分量：數(shù)控機床伺服驅(qū)動及控制技術(shù)

控制方式數(shù)控機床電機驅(qū)動主要指對機床的工作臺和主軸的控制。其控制方式有三種，如下表數(shù)控機床伺服驅(qū)動及控制技術(shù)

開環(huán)控制

NC指令步進電機工作臺步進電機驅(qū)動器數(shù)控機床伺服驅(qū)動及控制技術(shù)

半閉環(huán)控制

NC指令位置控制速度控制電機工作臺感測器數(shù)控機床伺服驅(qū)動及控制技術(shù)

全閉環(huán)控制

NC指令位置控制速度控制電機工作臺測速發(fā)電機數(shù)控機床伺服驅(qū)動及控制技術(shù)

混合式控制

NC指令位置控制速度控制電機工作臺比較器測速機旋變NSNS數(shù)控機床伺服驅(qū)動及控制技術(shù)

伺服電機的控制原理（1）直流電機的原理直流電機工作原理：根據(jù)弗來名左手定則，在磁場中通電導(dǎo)線產(chǎn)生運動。線卷通電流，炭刷在幾何中心線，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場與定子磁場相垂直。為了保持線卷的轉(zhuǎn)向不變。其中的電流交變。數(shù)控機床伺服驅(qū)動及控制技術(shù)

伺服電機的控制原理（2）交流電機的原理如下：

（1）未通電流（2）S線卷通電流（3）T線卷通電流

根據(jù)上面的分析，交流伺服電機和同步電機的構(gòu)造相似。根據(jù)弗來名左手定則，在磁場中通電導(dǎo)線產(chǎn)生運動。它的控制是通過放大器把直流變成可變頻的交流，它和一般非同步機，同步機不同，這種變頻器的輸出頻率是受安裝在同步機轉(zhuǎn)子軸上的位置感測器所控制。每當(dāng)電機轉(zhuǎn)過一對磁極，逆變器的交流電輸出相應(yīng)交變一個週期，這是一種“自控式變頻器”，它保證變頻器的輸出頻率和電機的轉(zhuǎn)速始終保持同步，而不失步。T2S1R2S2‘T1R1NST2S1R2S2‘T1R1NST2S1R2S2‘T1R1NS數(shù)控機床伺服驅(qū)動及控制技術(shù)

伺服電機的控制原理（3）直流電機與交流電機的區(qū)別數(shù)控機床伺服驅(qū)動及控制技術(shù)

伺服電機的控制原理（4）

實際的FANUC伺服電機結(jié)構(gòu)圖

縱剖面圖橫剖面圖1，定子2，磁鐵3，通風(fēng)孔4，軸1，定子2，磁鐵3，壓板4，繞組實際的FANUC伺服電機是8極的，其轉(zhuǎn)速為N（min-1），5，編碼器6，出線N＝(2f/8)x60=15f,例如，當(dāng)f=80Hz,N=15x80=1200（min-1）;數(shù)控機床伺服驅(qū)動及控制技術(shù)

伺服電機的控制原理（5）

交流伺服速度控制原理

A為放大器F/V為頻率電壓變換器VCMD乘計算轉(zhuǎn)子位置計算A乘計算AAA三角波F/VPWM驅(qū)動IGBTMPCTorque

SINθSIN（θ－240°）θRST數(shù)控機床伺服驅(qū)動及控制技術(shù)

伺服電機的控制原理（7）關(guān)於編碼器：FANUC的交流伺服電機要求根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置旋轉(zhuǎn)，由於編碼器裝在轉(zhuǎn)子上，也就是利用轉(zhuǎn)子的位置控制定子的電流。使定子電流產(chǎn)生的磁勢領(lǐng)前於轉(zhuǎn)子磁勢90°。其內(nèi)裝編碼器分兩部分：絕對值部分和增量部分。以下是絕對值部分，利用格雷碼編碼。提高了抗干擾的能力。數(shù)控機床伺服驅(qū)動及控制技術(shù)

伺服電機的控制原理（8）只採用格雷碼的編碼器精度不高，每360°電角度很難保證電機的電流為平滑正弦波形。為此增加細分部分。利用增量式脈衝編碼器，比如每360°電角度內(nèi)有2000P脈衝，那麼每格雷碼為2000P/16＝215P，

細分原理三相正弦電流的產(chǎn)生數(shù)控機床伺服驅(qū)動及控制技術(shù)

伺服電機的控制原理（9）PWM控制：如右圖。利用三角波的載波得到近似的正弦波輸出。其載波的頻率為1－3kHz。三相伺服電機就是利用這種方波供電。因此電壓波形不是正弦，而電流卻是正弦。數(shù)控機床伺服驅(qū)動及控制技術(shù)

主軸電機的控制原理（1）主軸向量控制原理：感應(yīng)電動機的定子旋加1的三相交流電壓，產(chǎn)生1旋轉(zhuǎn)電機的等效電路如下：的磁場。假設(shè)定子為相互正交以角速度1旋轉(zhuǎn)的兩繞組1－1‘和2－2組成。1－1流過勵磁電流分量I0產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁通2，轉(zhuǎn)子繞組3－3感應(yīng)電流，因而2－2繞組也感應(yīng)電流I2；電機的轉(zhuǎn)矩T為：

T2I2I0I2數(shù)控機床伺服驅(qū)動及控制技術(shù)

主軸電機的控制原理（2）主軸向量控制原理：

根據(jù)向量控制的原理，I0與I2之間要求正交那麼從上面的電路圖可以看出：

1×M’×I0＝(r2’/s)×I2，所以

s×1＝(r2’/M’)×(I2/I0)=(r2/L2)×(I2/I0)

這就是向量控制的條件。數(shù)控機床伺服驅(qū)動及控制技術(shù)

伺服電機的控制原理（2）數(shù)控機床伺服驅(qū)動及控制技術(shù)

主軸電機的控制原理（3）左圖為目前數(shù)控系統(tǒng)中使用的控制圖共用一個電源和一個再生控制數(shù)控機床伺服驅(qū)動及控制技術(shù)

伺服放大器的發(fā)展（1）相位控制70年代早期：以低頻回應(yīng)和大的轉(zhuǎn)子慣量保證魯棒性和穩(wěn)定性PWM控制70年代末期：採用PWM，提高了回應(yīng)性，中低慣量的直流電機仍得到應(yīng)用。數(shù)控機床伺服驅(qū)動及控制技術(shù)

伺服放大器的發(fā)展（2）伺服進給採用同步機主軸壓頻及滑差控制80年代早期：由於同步電機的高回應(yīng)及急仃時的動態(tài)制動而採用。非同步電機變頻時具有寬的恒功率調(diào)速範(fàn)圍而得到應(yīng)用。數(shù)控機床伺服驅(qū)動及控制技術(shù)

伺服放大器的發(fā)展（3）向量控制及採用DSP80年代後期：由於向量演算法的解決；DSP在控制電機中的應(yīng)用；以及IGBT具有更好的特性產(chǎn)生了數(shù)字伺服。數(shù)控機床伺服驅(qū)動及控制技術(shù)

伺服放大器的發(fā)展（4）數(shù)字控制90年代：數(shù)字伺服控制技術(shù)的改進，以實現(xiàn)高速，高精加工。前饋控制向量控制數(shù)控機床伺服驅(qū)動及控制技術(shù)

伺服放大器的發(fā)展（5）採用數(shù)字伺服技術(shù)伺服控制越來越多採用數(shù)字伺服系統(tǒng)。伺服技術(shù)是NC系統(tǒng)的重要組成部分。廣義上說，採用電腦控制，控制演算法採用軟體的伺服裝置稱為“數(shù)字伺服”，有時也稱為“軟體伺服”。它有以下優(yōu)點：（1）無溫漂，穩(wěn)定性好。（2）基於數(shù)值計算，精度高。（3）通過參數(shù)對系統(tǒng)設(shè)定，調(diào)整減少。（4）容易構(gòu)成各種形式的P、I、D控制。（5）容易做成ASIC電路。用這三個正弦位置信號去控制定子三個繞組的電流，使得定子磁通勢空間向量：代入統(tǒng)一轉(zhuǎn)矩式，得

這一公式與恒磁直流電動機的轉(zhuǎn)矩式一樣，不同之處僅在於直流電動機的轉(zhuǎn)矩比例於直流電樞電流，而永磁同步電動機的轉(zhuǎn)矩比例於定子交流電流幅值。因此，比例常數(shù)

基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系位於電動機轉(zhuǎn)子軸上，屬按轉(zhuǎn)子位置定向的向量控制系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的缺點是：隨負載增加，電動機功率因數(shù)降低，定子電壓升高。定子電壓向量垂直於合成磁通勢向量（忽略定子繞組電阻和漏抗壓降影響）定子電流向量垂直轉(zhuǎn)子磁通勢向量，功率因數(shù)角（和間夾角）等於和之間夾角，隨負載增加，加大，的幅值和角加大，使得電動機電壓升高，功率因數(shù)下降。這種控制方法只適用於小容量。措施：電動機轉(zhuǎn)子設(shè)計成凸極形式，橫軸氣隙大，使磁鏈向量向偏斜，和減小。六、普通同步電動機按磁通定向的向量控制原理

永磁同步電動機的按轉(zhuǎn)子位置定向的向量控制系統(tǒng)簡單，調(diào)速性能好。從原理上說，也可以用於普通同步電動機，但它的功率指標(biāo)差，隨負載增加，電動機功率因數(shù)變差，定子電壓升高。為克服上述缺點。普通同步電動機的向量控制以磁鏈和磁化電流向量為基準(zhǔn)，採用按磁通定向的控制方法?？刂扑悸?

隨負載增加，適當(dāng)加大勵磁電流向量（代表轉(zhuǎn)子磁能勢向量）的值和它與定子電流向量（代表定子磁通勢向量）之間的夾角，使得和磁化電流向量（代表合成磁通勢向量和磁鏈向量）之間的夾角不變——電動機功率因數(shù)不隨負載變化。在負載變化時，維持磁化電流值和磁鏈值恒定——定子電壓恒定條件。

同步電機結(jié)構(gòu)NSNS所有空間向量都在空間以同步角速度旋轉(zhuǎn)，它們位於空間任何位置。習(xí)慣上把磁鏈軸（軸）置於水準(zhǔn)位置，站在軸上看，定子軸以反向旋轉(zhuǎn)。

是功率因數(shù)角。d軸求2/3座標(biāo)變換的角度求扭矩與電流is的關(guān)係在坐標(biāo)系上分解定子電流向量和勵磁電流向量得：

由統(tǒng)一轉(zhuǎn)矩公式，代入電流向量和磁通勢向量之間的關(guān)係得同步電動機轉(zhuǎn)矩公式：由於和按平行四邊形法則合成，所以

如果能在負載變化時施加控制，使和恒定，則

稱為定子電流轉(zhuǎn)矩分量

同步電動機的轉(zhuǎn)矩公式和直流電動機的轉(zhuǎn)矩公式很相似，差別僅在於直流電動機公式中的轉(zhuǎn)矩電流是物理上存在的電樞電流，而同步電動機的轉(zhuǎn)矩電流是不直接存在的定子電流向量在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系軸上的直流分量。

與的控制：—定子電流的磁化分量

—勵磁電流的磁化分量

的期望值：

轉(zhuǎn)子上施加的勵磁電流給定值：的期望值，對應(yīng)於磁鏈的期望值。（4－29）1從速度調(diào)節(jié)器和式（4－29）計算被控向量的直流控制分量和，再經(jīng)第二個座標(biāo)變換（從坐標(biāo)系到R、S、T坐標(biāo)系的座標(biāo)變換——2/3變換）就能得到物理上存在的定子三個電流的給定量、、，使定子三個電流的實際值等於它們的給定值，便完成了全部向量控制任務(wù)。上述向量控制過程的關(guān)鍵是找到座標(biāo)變換所需的軸和R軸之間的夾角——磁鏈位置角。有兩種計算角的方法：

電流模型

電壓模型

電流模型：利用定子電流磁化和轉(zhuǎn)矩分量的給定量、，和磁化電流的期望值，以及用裝於電動機軸上的位置發(fā)送器測得的轉(zhuǎn)子位置角，計算期望的磁鏈位置角，用代替進行座標(biāo)變換。計算角的方法之一電壓模型：利用測到的定子三相電壓實際值，直接計算電動機磁鏈向量的模和位置角,故稱直接法。3/2變換

計算角的方法之二七、非同步電動機按磁通定向的向量控制原理

交流電動機的合成磁通勢和磁鏈

氣隙合成磁通勢和氣隙磁鏈；同步電機選擇的磁鏈座標(biāo)！定、轉(zhuǎn)子通過氣隙相互交鏈的那部分磁鏈定子合成磁通勢和定子磁鏈；氣隙磁鏈與定子漏磁鏈的和

轉(zhuǎn)子合成磁通勢和轉(zhuǎn)子磁鏈。氣隙磁鏈與轉(zhuǎn)子漏磁鏈的和

—定、轉(zhuǎn)子繞組互感；—定子繞組漏感；—轉(zhuǎn)子繞組漏感；—定子繞組全電感；—轉(zhuǎn)子繞組全電感。

在非同步電動機按磁通定向的向量控制系統(tǒng)中，以轉(zhuǎn)子磁鏈為基準(zhǔn)，因此磁鏈位置軸位於軸。圖中所有向量都以同步角速度旋轉(zhuǎn)。

定子磁鏈在定子繞組中感應(yīng)出的定子全電動勢

轉(zhuǎn)子磁鏈在轉(zhuǎn)子繞組裏感應(yīng)出的轉(zhuǎn)子全電動勢

以為基準(zhǔn)，可以使磁鏈值僅受控制，與（代表轉(zhuǎn)矩大小）無關(guān)，實現(xiàn)解耦。

rcqlLjrYsYaYsmLissLisirmLirrLirirreraessesaedtdiLsssdtdiLrrsSj（定子軸－靜止軸）

（轉(zhuǎn)子位置軸）drwswo異步電動機矢量圖（磁鏈位置軸）1