數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用教學課件5-9章

1第5章計算機數(shù)字控制裝置5.1

硬件結(jié)構(gòu)5.35.4軟件結(jié)構(gòu)概述

5.2可編程控制器2本章概要提要本章主要介紹CNC裝置的結(jié)構(gòu)、特點及功能、單片機數(shù)控裝置以及數(shù)控機床用可編程控制器。重點：CNC裝置的結(jié)構(gòu)和功能、典型數(shù)控機床用PLC的指令系統(tǒng)。難點：典型CNC裝置的結(jié)構(gòu)、典型數(shù)控機床用PLC的基本指令和功能指令系統(tǒng)。3本章概要掌握程度掌握CNC裝置的結(jié)構(gòu)掌握數(shù)控機床用可編程控制器內(nèi)裝型PLC和獨立型PLC的特點及功能了解典型數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用了解CNC裝置的特點4★本節(jié)提示數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的大腦和核心，而數(shù)控系統(tǒng)的核心是完成數(shù)字信息運算、處理和控制的計算機，即計算機控制裝置。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控裝置以微型計算機數(shù)控裝置（MicrosoftNumericalControl，簡稱MNC）為主體，統(tǒng)稱為CNC數(shù)控裝置。數(shù)控裝置（習慣稱為數(shù)控系統(tǒng)）對機床進行控制，并完成零件自動加工的專用電子計算機。5.1概述5

CNC裝置由硬件和軟件兩部分組成，軟件在硬件的支持下運行，離開了軟件，硬件也無法工作。1CNC裝置的結(jié)構(gòu)圖5.1CNC裝置的硬件組成62CNC裝置的特點（1）較高的柔性（2）良好的通用性（3）可實現(xiàn)復(fù)雜功能（4）較高的可靠性（5）維修使用方便（6）易于實現(xiàn)機電一體化

73CNC裝置的功能（1）控制功能（2）準備功能（G功能）（3）插補功能（4）進給功能（5）主軸功能（6）輔助功能（M功能）（7）刀具管理功能（8）補償功能（9）人機對話功能（10）自診斷功能（11）通訊功能（12）人機交互圖形編程功能

81單片機數(shù)控裝置

圖5.2單片機的典型結(jié)構(gòu)5.2硬件結(jié)構(gòu)9

單片機

開關(guān)量控制EPROMRAMI/O顯示器鍵盤通用外部設(shè)備I/OI/O擴展A/D光電隔離光電隔離光電隔離D/A數(shù)字量檢測模擬量檢測開關(guān)量檢測伺服驅(qū)動控制數(shù)據(jù)存儲器程序存儲器基本系統(tǒng)I/O子系統(tǒng)外部設(shè)備圖5.3典型的單片機應(yīng)用系統(tǒng)10圖5.4用80C31單片機組成的簡易數(shù)控裝置的硬件系統(tǒng)圖112單片機數(shù)控裝置

CPU紙帶接口RS232接口CRT/MDI接口手搖輪接口ROM接口RAM接口PLC接口位控單元位控單元位控單元主軸單元D/AD/AD/AD/A速度單元速度單元速度單元速度單元MMMMMST功能圖5.5單微處理機數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖12單CPU數(shù)控裝置組成的數(shù)控系統(tǒng)主要由微型計算機、外圍I/O設(shè)備和機床I/O控制部分組成。（1）微型計算機（2）I/O接口（3）機床I/O控制部分133多CPU數(shù)控裝置

（1）多CPU結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)1）共享總線結(jié)構(gòu)管理模塊主存儲器模塊操作面板顯示模塊會話式編程模塊插補模塊PLC功能模塊位置控制模塊主軸控制模塊圖5.6共享總線的多CPU結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖142)共享存儲器結(jié)構(gòu)

軸控制（CPU4）

I/O（CPU1）顯示（CPU2）插補（CPU3）共享存儲器圖5.7共享存儲器的多CPU結(jié)構(gòu)框圖15（2）多CPU結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)基本功能模塊1）管理模塊2）插補模塊3）位置控制模塊4）PLC模塊5）命令與數(shù)據(jù)輸入/輸出模塊6）存儲器模塊

16（3）多CPU結(jié)構(gòu)的特點1）能實現(xiàn)真正意義上的并行處理，處理速度快。2）容錯能力強，可靠性高。3）有良好的適應(yīng)性和擴展性。4）硬件易于組織規(guī)模生產(chǎn)。

174全功能型CNC系統(tǒng)硬件特點（1）具有多個微處理器（2）采用閉環(huán)、半閉環(huán)控制（3）功能強（4）用可編程控制器控制強電

18

CNC數(shù)控裝置的軟件是為完成CNC系統(tǒng)的各項功能而專門設(shè)計和編制的，是數(shù)控加工的一種專用軟件，又稱系統(tǒng)軟件，管理作業(yè)類似于計算機操作系統(tǒng)的功能。不同的CNC裝置，其功能和控制方案也不同，因而各系統(tǒng)軟件在結(jié)構(gòu)上和規(guī)模上差別較大，各廠家的軟件互不兼容。

軟件結(jié)構(gòu)取決于CNC裝置中軟件和硬件的分工，也取決于軟件本身的工作性質(zhì)。硬件為軟件運行提供了支持環(huán)境。軟件和硬件在邏輯上是等價的，由硬件能完成的工作原則上也可以由軟件完成。硬件處理速度快，但造價高，軟件設(shè)計靈活，適應(yīng)性強，但處理速度慢。因此，在CNC裝置中，軟硬件的分工是由性價比決定的。5.3軟件結(jié)構(gòu)191CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)特點（1）CNC系統(tǒng)的多任務(wù)性

CNC系統(tǒng)的任務(wù)管理輸入I/O處理顯示診斷控制譯碼刀具補償速度處理插補位置控制圖5.8CNC系統(tǒng)任務(wù)分解圖20（2）CNC系統(tǒng)的并行處理

輸入顯示控制診斷I/O譯碼刀具補償速度處理插補位置控制圖5.9CNC裝置各任務(wù)之間的并行處理關(guān)系211）資源分時共享的處理方法

初始化顯示診斷I/O處理插補準備輸入插補位控鍵盤中斷優(yōu)先級圖5.10CPU分時共享的并行處理222）時間重疊流水并行處理方法

圖5.11時間重疊流水并行處理23（3）實時中斷處理

常見的中斷類型有以下幾種：1）外部中斷。2）內(nèi)部定時中斷。

3）硬件故障中斷。4）程序性中斷。242CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)模式（1）多重中斷型軟件結(jié)構(gòu)圖5.12多重中斷型軟件結(jié)構(gòu)圖25表5-1FANUC-BESK7CMCNC系統(tǒng)的各級中斷功能26表5-2FANUC-BESK7CMCNC系統(tǒng)1級中斷的13種功能27圖5.13前后臺型軟件結(jié)構(gòu)28（2）前后臺型軟件結(jié)構(gòu)圖5.14前后臺型軟件結(jié)構(gòu)293典型CNC系統(tǒng)簡介（1）FANUCCNC系統(tǒng)簡介（2）SIEMENS系統(tǒng)簡介（3）國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)簡介30

全球生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的廠家有很多，并且都有自己的品牌產(chǎn)品，但無論是哪個品牌相互間都有共同點，表現(xiàn)在以下方面：1）具有計算機的基本特征，實現(xiàn)位置控制是數(shù)控系統(tǒng)的根本任務(wù)。2）有系統(tǒng)操作面板（MDI/CRT）和機床操作面板。在系統(tǒng)操作面板上，除了字母、數(shù)字、符號和編輯鍵，用于程序的輸入、編輯和數(shù)據(jù)設(shè)定外；還有軟功能鍵，用于系統(tǒng)功能“菜單”的選擇。在機床操作面板上，除了機床的一般操作功能開關(guān)外，還有工作方式選擇開關(guān)，用于機床運行狀態(tài)的選擇，如手動數(shù)據(jù)輸入、自動方式、回參考點等方式。3）具備串行通信接口，用于和微機進行通信，有些系統(tǒng)還具備以太網(wǎng)功能接口。314）數(shù)控系統(tǒng)的位置控制既有模擬速度指令輸出，又有實際位置反饋輸入。

5）有I/O模塊單元，通過系統(tǒng)內(nèi)部的PLC程序，用于機床上的輸入/輸出

開關(guān)量的控制。

6)開放式數(shù)控系統(tǒng)建立在通用微機平臺上，既可借助微機軟、硬件技術(shù)

發(fā)展的優(yōu)勢，又滿足了數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)的要求。開放式數(shù)控系統(tǒng)是

當前數(shù)控系統(tǒng)重要的發(fā)展方向。32

可編程控制器簡稱PC（英文全稱：ProgrammableController），它經(jīng)歷了可編程序矩陣控制器PMC、可編程序順序控制器PSC、可編程序邏輯控制器PLC（英文全稱：ProgrammableLogicController）和可編程序控制器PC幾個不同時期。為與個人計算機（PC）相區(qū)別，現(xiàn)在仍然沿用可編程邏輯控制器這個老名字PLC。因此，在數(shù)控技術(shù)方面，PC、PMC和PLC可以理解為同一個概念。5.4可編程控制器331數(shù)控機床用可編程控制器的分類（1）內(nèi)裝型PLC34圖5.15具有內(nèi)裝型PLC的CNC機床系統(tǒng)框圖35（2）獨立型PLC36圖5.16具有獨立型PLC的CNC機床系統(tǒng)框圖372數(shù)控機床用可編程控制器的功能3典型數(shù)控機床用PLC的指令系統(tǒng)

PLC的指令分為基本指令和功能指令兩種。基本指令主要包括讀/寫指令、位邏輯運算指令等，它們都是簡單的、基本的操作。功能指令都是較復(fù)雜的、組合的操作。當設(shè)計順序程序時，使用最多的是基本指令，F(xiàn)ANUC-PMC-L基本指令共12條。功能指令便于機床特殊運行控制的編程，功能指令有35條。38（1）基本指令基本指令格式如下：

基本指令地址號位數(shù)基本指令共12條，指令及處理內(nèi)容見下頁表5-3所示。39表5-3基本指令和處理內(nèi)容40（2）功能指令表5-4功能指令和處理內(nèi)容42本章小結(jié)主要內(nèi)容：本章介紹了CNC裝置的結(jié)構(gòu)、特點及功能、單片機數(shù)控裝置、單CPU數(shù)控裝置、多CPU數(shù)控裝置、CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)特點、數(shù)控機床用可編程控制器的分類、功能及典型數(shù)控機床用PLC的指令系統(tǒng)。要求：了解CNC裝置的特點，掌握CNC裝置的結(jié)構(gòu)、掌握三種數(shù)控裝置的結(jié)構(gòu)及特點、掌握CNC系統(tǒng)的多任務(wù)性、并行處理和實時中斷處理、掌握數(shù)控機床用可編程控制器內(nèi)裝型PLC和獨立型PLC的特點及功能。43習題與思考題5-1數(shù)控裝置有何特點？5-2簡述CNC裝置的功能有哪些？5-3多微處理機結(jié)構(gòu)有哪些功能模塊？5-4試述CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)中多任務(wù)并行處理的主要方法？5-5簡述內(nèi)裝型PLC與獨立型PLC的特點？5-6了解CNC系統(tǒng)控制功能如何由PLC實現(xiàn)的。44（第5章結(jié)束）第5章計算機數(shù)字控制裝置45第6章數(shù)控機床檢測裝置6.1旋轉(zhuǎn)變壓器6.36.4感應(yīng)同步器6.5磁柵6.6編碼器概述6.2光柵46本章概要提要本章主要介紹數(shù)控機床位置檢測裝置的組成、作用、分類及幾種常用位置檢測元件的結(jié)構(gòu)和工作原理。重點：位置檢測元件的結(jié)構(gòu)和工作原理難點：位置檢測元件的工作原理。47本章概要掌握程度掌握位置檢測裝置的組成及作用掌握各種檢測元件的結(jié)構(gòu)和工作原理了解數(shù)控機床對位置檢測裝置的要求了解位置檢測裝置的分類了解各種位置檢測元件的特點及應(yīng)用48★本節(jié)提示數(shù)控機床的檢測裝置由檢測元件（傳感器）和信號處理裝置(測量線路)組成。一般安裝在機床工作臺上或絲杠軸、電機軸端。檢測裝置的作用是實時測量機床執(zhí)行部件的位移和速度信號，并變換成位置控制單元所要求的信號形式，從而將執(zhí)行部件的現(xiàn)實位置反饋到位置控制單元，構(gòu)成伺服系統(tǒng)的半閉環(huán)或閉環(huán)控制。

6.1概述49數(shù)控機床上使用的檢測裝置應(yīng)滿足以下要求：

1.高可靠性和高抗干擾性。2.能滿足精度和速度的要求。3.使用維護方便，適應(yīng)機床工作環(huán)境。4.成本低。6.1.1數(shù)控機床對位置測量裝置的要求6.1概述506.1概述6.1.2位置檢測裝置的分類1.按輸出信號的形式分數(shù)字式:

將被測量以數(shù)字形式表示，測量信號一般為電脈沖。這樣的檢測裝置有脈沖編碼器、光柵等。模擬式:

將被測量以連續(xù)變化的物理量來表示，如電壓的相位變化、幅值變化等。數(shù)控機床中模擬式檢測主要用于小量程測量，這樣的檢測裝置有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器和磁尺等。516.1概述2.按測量基點的類型分

增量式：只測量位移增量，并用數(shù)字脈沖的個數(shù)表示單位位移的數(shù)量。每移動一個測量單位就發(fā)出一個測量信號。其優(yōu)點是檢測裝置比較簡單，任何一個對中點都可以做為測量起點。但在此系統(tǒng)中，移動的距離是靠對檢測信號累積后讀出的，一旦累積有誤，測量結(jié)果就會出現(xiàn)錯誤。另外發(fā)生故障后不能再找到原來的正確位置，必須在故障排除后，將運動部件移至起點重新計數(shù)才能找到故障前的正確位置。脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵、磁柵等。絕對式：測量的是被測部件在某一絕對坐標系中的絕對坐標位置值，并且以二進制或十進制數(shù)碼信號表示出來，一般要經(jīng)過轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)字信號才能送去進行比較和顯示。這樣的檢測裝置有絕對式脈沖編碼盤、三速式絕對編碼盤等。526.1概述3.按檢測裝置的運動形式分直線型:

檢測裝置安裝在工作臺或刀架上，隨工作臺或刀架一起移動，用來測量其直線位移。這類的檢測裝置有直線光柵、感應(yīng)同步尺、磁柵等，可以構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。直線型檢測裝置的測量精度主要取決于測量元件的精度，不受機床傳動精度的影響?；剞D(zhuǎn)型:

檢測裝置安裝在絲杠軸或電動機軸端，測量角位移。當檢測裝置隨軸旋轉(zhuǎn)一周時，機床的直線運動部件就移動一個絲杠導(dǎo)程的位移，因此測得的角位移經(jīng)過傳動比變換后才能得到執(zhí)行部件的直線位移量。這類檢測裝置有旋轉(zhuǎn)變壓器、脈沖編碼器等，可以構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)?；剞D(zhuǎn)型檢測裝置的測量精度主要取決于測量元件和機床傳動鏈兩者的精度。536.2旋轉(zhuǎn)變壓器★本節(jié)提示

旋轉(zhuǎn)變壓器是利用變壓器原理實現(xiàn)角位移測量的檢測元件，它可以將角度信號轉(zhuǎn)換成與其成某種函數(shù)關(guān)系的電壓信號，具有輸出信號幅值大、抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏、性能可靠等特點，同時，對環(huán)境條件要求不高，廣泛用于半閉環(huán)進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)中。546.2旋轉(zhuǎn)變壓器6.2.1旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)1-轉(zhuǎn)子軸；2-分解器定子；3-分解器轉(zhuǎn)子；4-分解器轉(zhuǎn)子線圈；5-分解器定子線圈；6-變壓器定子；7-變壓器轉(zhuǎn)子；8-變壓器一次線圈；9-變壓器二次線圈圖6.2無刷旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖556.2.2旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器是利用電磁感應(yīng)原理工作的。旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)保證了其定子和轉(zhuǎn)子之間空氣間隙內(nèi)磁通分布符合正弦規(guī)律，因此，當激磁電壓加到定子繞組時，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組便產(chǎn)生感應(yīng)電勢。6.2旋轉(zhuǎn)變壓器56設(shè)加在定子繞組的激磁電壓為：

通過電磁偶合，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為：

式中，K--變壓比（即繞組匝數(shù)比）；Vm--激磁電壓的幅值；θ--定、轉(zhuǎn)子繞組軸線間的夾角。6.2旋轉(zhuǎn)變壓器57圖6-3兩極旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

6.2旋轉(zhuǎn)變壓器586.2.3旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用圖6.4四極旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理

四極旋轉(zhuǎn)變壓器定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組均由兩個匝數(shù)相等互相垂直的繞組組成，其中，定子上的兩相繞組，一相為正弦繞組，一相為余弦繞組。轉(zhuǎn)子的兩相繞組，一相為工作繞組，一相為電樞補償繞組。定子繞組通入不同的激磁電壓，旋轉(zhuǎn)變壓器可以有兩種不同的工作方式：鑒相式和鑒幅式。6.2旋轉(zhuǎn)變壓器591.鑒相式鑒相式工作方式是一種根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電勢的相位來確定被測位移大小的檢測方式。在該工作方式下，旋轉(zhuǎn)變壓器定子的兩相繞組，分別通以幅值相同、頻率相同，但相位差π/2的正弦交變電壓，即當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，通過電磁感應(yīng)，轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，根據(jù)線性疊加原理，在轉(zhuǎn)子工作繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為這兩相磁通所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢之和，即

6.2旋轉(zhuǎn)變壓器602.鑒幅式鑒幅式工作方式是一種根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電勢的幅值來確定被測位移大小的檢測方式。在該工作方式下，旋轉(zhuǎn)變壓器定子的兩相繞組，分別通以頻率相同、相位相同，但幅值分別按正弦和余弦變化的交變電壓，即

在轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電勢為

式中，θ--轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角；--電氣角，激磁交變電壓信號的相位角。6.2旋轉(zhuǎn)變壓器616.3感應(yīng)同步器★

本節(jié)提示

感應(yīng)同步器與旋轉(zhuǎn)變壓器一樣，是一種電磁感應(yīng)式的檢測裝置，根據(jù)電磁耦合原理將位移信號轉(zhuǎn)換成電信號。它有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種用來測量直線位移，稱直線式感應(yīng)同步器；另一種用來測量角位移，稱旋轉(zhuǎn)式（或圓盤式）感應(yīng)同步器，由定子和轉(zhuǎn)子組成，形狀呈圓片形。感應(yīng)同步器對環(huán)境要求低，工作可靠，抗干擾能力強，成本低，使用壽命長大量程接長方便，可以測量較大位移。

626.3.1直線式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成。定尺和滑尺的材料、結(jié)構(gòu)和制造工藝相同?；迨怯膳c機床熱膨脹系數(shù)相近的鋼板或非鐵磁的材料做成，基板上用絕緣粘接劑貼有銅箔，并用制造印刷線路板相同的腐蝕方法制成印刷繞組。在定尺的繞組表面涂上一層耐切削液的清漆涂層，以保護尺面。在滑尺的繞組表面上用絕緣的粘接劑粘貼一層鋁箔作為屏蔽層，以防止機床切削液腐蝕和靜電感應(yīng)的影響。使用時定尺安裝在機床固定部件上，滑尺安裝在移動部件上，兩尺平行安置，之間保持約為（0.25±0.05）mm的間隙。6.3感應(yīng)同步器631-基板；2-絕緣層；3-繞組；4-屏蔽層圖6.7直線式感應(yīng)同步器6.3感應(yīng)同步器64

標準直線式感應(yīng)同步器定尺長度為250mm，滑尺長度為100mm，圖6.8所示為兩種型號的定尺，圖6.9所示為兩種型號的滑尺。如果測量長度超過170mm時，可將若干根定尺接長使用。圖6.8感應(yīng)同步器定尺圖6.9感應(yīng)同步器滑尺

6.3感應(yīng)同步器65定尺和滑尺上繞組的節(jié)距相等，均為2τ,定尺上繞組是連續(xù)的,滑尺上則分布著兩個激磁繞組,分別稱為正弦繞組和余弦繞組,這兩個激磁繞組在長度方向上相差1/4節(jié)距。即如果把定尺繞組和滑尺繞組A對準，那么滑尺繞組B正好和定尺繞組相差1/4節(jié)距。圖6.10直線式感應(yīng)同步器繞組原理圖

6.3感應(yīng)同步器666.3.2直線式感應(yīng)同步器的工作原理圖6.11感應(yīng)同步器的工作原理

設(shè)滑尺移動移動距離為，感應(yīng)電勢將以余弦函數(shù)變化相位角，則有：

即可得：

6.3感應(yīng)同步器67令Vs是加在滑尺任一繞組上的激磁電壓

則在定尺繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為：

式中，K--

電磁耦合系數(shù)；

Vm--激磁電壓的幅值；θ--滑尺相對于定尺在空間的相位角。6.3感應(yīng)同步器68

當滑尺上某一繞組通以給定頻率的激磁交變電壓時，由于電磁感應(yīng)，在定尺繞組上產(chǎn)生同頻率的感應(yīng)電勢，該感應(yīng)電勢是感應(yīng)同步器的輸出信號，它能反映滑尺和定尺之間的相對位移。當滑尺繞組上施加不同的激磁交變電壓時，感應(yīng)同步器的工作方式同樣也有鑒相式工作方式和鑒幅式工作方式兩種。6.3感應(yīng)同步器696.4光柵★

本節(jié)提示光柵是一種光電檢測裝置，測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，是構(gòu)成進給伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制常用的位置檢測裝置之一。光柵的測量精度很高，可小于1。光柵對環(huán)境有一定的要求，灰塵、油污等會影響工作可靠性，且電路較復(fù)雜，成本較高。

70光柵種類很多，根據(jù)制造方法和光學原理不同，光柵分為透射光柵和反射光柵，透射光柵是在玻璃的表面制成透明與不透明等間距的光柵線紋，反射光柵是在金屬的鏡面上制成全反射或漫反射等間距的光柵線紋。根據(jù)形狀不同,光柵分為直線光柵和圓光柵，直線光柵用于測量直線位移，圓光柵用于測量角位移。在數(shù)控機床上使用較多的是透射光柵。圖6.12意大利GIVI直線光柵

圖6.13RESR圓光柵

6.4光柵716.4.1直線光柵的結(jié)構(gòu)直線透射光柵由標尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。1-光源；2-透鏡；3-指示光柵；4-光敏元件；5-驅(qū)動線路圖6.14直線光柵的結(jié)構(gòu)示意圖

6.4光柵72圖6.15光柵尺6.4光柵73圖6.16海德漢光柵尺

6.4光柵746.4.2光柵的測量原理光柵是根據(jù)莫爾條紋的形成原理進行測量工作的。光柵實際上是一根刻線很密很精確的“尺”。如果用它測量位移，只要數(shù)出測試對象上某個確定點相對于光柵移過的線紋數(shù)即可。但是，由于光柵線紋過密，直接對線紋計數(shù)很困難，因而利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進行計數(shù)。6.4光柵75圖6.17莫爾條紋的形成6.4光柵76莫爾條紋具有以下特征：1.放大作用

在兩光柵線紋夾角很小的情況下，莫爾條紋寬度W和光柵柵距、柵線角θ（rad）之間有下列關(guān)系，即

由于θ很小，，則

若=0.01mm，θ=0.01rad，則上式可得W=1mm，即把光柵柵距轉(zhuǎn)換成放大100倍的莫爾條紋寬度。由此可見，莫爾條紋具有放大作用。6.4光柵772.莫爾條紋的變化規(guī)律當標尺光柵移動一個柵距時，莫爾條紋也相應(yīng)地移過一個條紋間距。由于光的衍射和干涉作用，其光強的變化規(guī)律近似正弦函數(shù)，若光柵向相反方向移動時，莫爾條紋也向相反方向移動。莫爾條紋的移動方向與光柵的移動方向垂直，這樣，測量光柵水平移動的微小距離就用檢測垂直方向的寬大的莫爾條紋的變化代替。6.4光柵783.均化誤差作用

莫爾條紋是由若干光柵線紋共用形成，例如每毫米100條線紋的光柵，10mm寬的一條莫爾條紋就由1000條線紋組成，這樣?xùn)啪嘀g的相鄰誤差就被平均化了，消除了由于柵距不均勻、斷裂等造成的誤差。6.4光柵796.4.3光柵測量裝置的信號處理光柵測量裝置的信號處理電路包括差動放大器、整形器、鑒相倍頻和門電路。由4個光電元件獲得的4路光電信號分別送到2只差動放大器輸入端，從差動放大器輸出的兩路信號其相位差為π/2，為得到判向和計數(shù)脈沖，需對這兩路信號進行整形，首先把它們整形為占空比為1：1的方波。然后，通過對方波的相位進行判別比較，就可以得到光柵尺的移動方向。通過對方波脈沖進行計數(shù)，可以得到光柵尺的位移和速度。6.4光柵80圖6.18光柵測量系統(tǒng)信號處理電路框圖

6.4光柵81高分辨率的光柵尺一般造價較貴，且制造困難。為了提高系統(tǒng)分辨率，需要對莫爾條紋進行細分，目前光柵檢測裝置多采用電子細分方法。

（a）在一個莫爾條紋寬度上并列安放4個光電元件

（b）波形圖

6.4光柵82光柵尺光柵尺6.4光柵836.5磁柵★

本節(jié)提示磁柵是用電磁方法計算磁波數(shù)目的一種位置檢測裝置，按其結(jié)構(gòu)可分為直線式和角位移式，分別用于長度和角度的檢測。磁柵加工工藝簡單，需要時還可以將原來的磁化信號抹去，重新錄制。目前可以做到系統(tǒng)精度±0.01mm，分辨率5um。磁柵對使用環(huán)境的條件要求較低，在油污、灰塵較多的工作環(huán)境使用時，仍具有較高的穩(wěn)定性。

846.5.1磁柵尺的結(jié)構(gòu)磁柵尺用于測量直線位移，由磁性標尺、磁頭和檢測電路組成。

圖6.22磁柵檢測裝置的構(gòu)成

6.5磁柵851.磁柵標尺是在非導(dǎo)磁材料上涂一層1～2μm的磁性材料，形成一層均勻的磁性薄膜，然后采用錄磁的方法在磁性薄膜上錄制的具有一定波長的磁信號。信號可為正弦波或方波，波長一般為0.05mm,0.1mm,0.2mm,1mm等。6.5磁柵862.磁頭是進行磁—電轉(zhuǎn)換的變換器，它把反映空間位置的磁信號轉(zhuǎn)換為電信號輸送到檢測電路中去。磁頭有兩種，動態(tài)磁頭和靜態(tài)磁頭。動態(tài)磁頭又稱速度響應(yīng)式磁頭，只有在磁頭與磁尺間有相對運動時才能讀取磁化信號，并有電壓信號輸出，輸出信號的大小取決于運動速度，靜止時沒有信號輸出。靜態(tài)磁頭又稱磁通響應(yīng)式磁頭，在低速甚至靜止時也能進行位置檢測，所以數(shù)控機床上采用靜態(tài)磁頭。靜態(tài)磁頭分為單磁頭、雙磁頭和多磁頭。6.5磁柵87靜態(tài)磁頭由鐵心上兩個產(chǎn)生磁通方向相反的勵磁繞組和兩個串聯(lián)的拾磁繞組組成。1-磁性膜；2-基體；3-磁尺；4-磁頭；5-鐵心；6-勵磁繞組；7-拾磁繞組圖6.23磁柵結(jié)構(gòu)原理6.5磁柵88將高頻勵磁電流通人勵磁繞組時，在磁頭上產(chǎn)生磁通Φ1。當磁頭靠近磁尺時，磁尺上的磁信號產(chǎn)生的磁通Φ0進入磁頭鐵心，并被高頻勵磁電流產(chǎn)生的磁通Φ1所調(diào)制。于是在拾磁線圈中感應(yīng)電壓為式中：U0--感應(yīng)電壓幅值；λ--磁尺磁化信號的節(jié)距；x--選定某一N極作為位移零點時，磁頭相對于磁尺的位移；ω--輸出線圈感應(yīng)電壓的頻率，它比勵磁電流的頻率高一倍。

6.5磁柵89使用單磁頭輸出信號小,而且對磁柵標尺上磁化信號的節(jié)距和波形精度要求高,為此,實際使用時將幾十個磁頭以一定方式聯(lián)接起來,組成多磁頭串聯(lián)方式,如圖6.24所示。圖6.24多間隙磁頭工作原理

6.5磁柵90采用雙磁頭是為了辨別磁頭在磁尺上的移動方向，通常兩磁頭間距為(m±1/4)λ(m為任意正整數(shù))配置，如圖6.25所示。從兩磁頭的輸出繞組上得到的是兩路相位差900的電壓信號，根據(jù)兩個磁頭輸出信號的超前或滯后，可確定其移動方向。磁柵尺的辨向原理與光柵尺是一樣的。

圖6.25辨向磁頭的配置6.5磁柵916.5.2磁柵尺的工作原理

磁尺檢測是模擬測量，檢出信號是一模擬信號，必須經(jīng)檢測電路處理變換，才能獲得表示位移量的脈沖信號。根據(jù)檢測方法不同，檢測電路分為鑒幅型和鑒相型兩種。數(shù)控機床上常采用的是鑒相式測量。如圖6.26所示。6.5磁柵92圖6.26磁柵檢測裝置的工作原理

6.5磁柵93對圖6.26所示的兩組磁頭A和B的勵磁繞組分別通以同頻率、同幅值、相位相差900的激磁電流，取磁尺上的某N點為起點，若A磁頭離開起點的距離為x，則A和B磁頭上拾磁繞組輸出的輸出電壓為：在求和電路中相加，則得磁頭總輸出電壓為：

6.5磁柵94磁柵檢測裝置原理的方框圖如圖6.26所示,由脈沖發(fā)生器發(fā)出400kHz脈沖序列,經(jīng)80分頻,得到5kHz的勵磁信號,再經(jīng)帶通濾波器變成正弦波后分成兩路:一路經(jīng)功率放大器送到第一組的磁頭的勵磁線圈;另一路經(jīng)45°移相,后由功率放大器送到第二組的勵磁線圈,從兩組磁頭讀出信號(U1,U2),由求和電路去求和,即可得到相位隨位移X而變化的合成信號,將該信號進行放大、濾波、整形后變成10kHz的方波,再與一相激磁電流(基準相位)鑒相以細分內(nèi)插的原理,即可得到分辨率為5μm(磁尺上的磁化信號節(jié)距200μm)的位移測量脈沖,該脈沖可送至顯示計數(shù)器或位置檢測控制回路。6.5磁柵956.6編碼器★

本節(jié)提示脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，它能把機械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成電脈沖，是一種常用的角位移測量裝置。脈沖編碼器分為光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種，光電式的精度和可靠性都優(yōu)于其它兩種，因而廣泛使用于數(shù)控機床上。

96光電脈沖編碼器按工作原理又可分為增量式光電脈沖編碼器和絕對式光電脈沖編碼器兩種。增量式光電脈沖編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式光電脈沖編碼器的每一個位置對應(yīng)一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。這兩種在數(shù)控機床中均有應(yīng)用，常用的是增量式光電脈沖編碼器，絕對式光電脈沖編碼器應(yīng)用于特殊要求的場合。6.6編碼器976.6.1增量式脈沖編碼器增量式脈沖編碼器能把旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)角速度準確測量出來的位置檢測裝置。1-旋轉(zhuǎn)軸；2-滾動軸承；3-透光狹縫；4-光電碼盤；5-光源；6-聚光鏡；7-光欄板；8-光敏元件圖6.28增量式脈沖編碼器原理圖6.6編碼器98在光源的照射下，光線透過光電碼盤和光欄板上的狹縫，形成明暗相間近似于正弦信號的光信號。光敏元件接收這些光信號，并把轉(zhuǎn)換成近似正弦波的電信號，通過信號處理電路整形、放大、分頻變換成電脈沖信號。通過計數(shù)器計量脈沖的數(shù)目，即可測定旋轉(zhuǎn)運動的角位移。通過計數(shù)器計量脈沖的頻率，即可測定旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)速。測量結(jié)果可以通過數(shù)字顯示裝置進行顯示或直接輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。6.6編碼器99圖6.29增量式光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)

6.6編碼器100實際應(yīng)用的增量式光電脈沖編碼器的光欄板有兩組狹縫A、和B、，A組與B組的狹縫在同一圓周上彼此錯開1/4節(jié)距，這樣，當A組狹縫全部遮住光電碼盤狹縫時，B組狹縫剛好遮住光電碼盤上狹縫的一半，兩組狹縫相對應(yīng)的光敏元件所產(chǎn)生的信號相位相差90o，如圖5-20所示。根據(jù)信號A和信號B的發(fā)生順序，即可判斷光電編碼器軸的正反轉(zhuǎn)。若A相超前于B相，則對應(yīng)正轉(zhuǎn)；若B相超前于A相，則對應(yīng)反轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)正是利用這一相位關(guān)系來判斷方向的。另外還有一個狹縫稱為零位狹縫，光電碼盤轉(zhuǎn)一周時，由此狹縫發(fā)出一個脈沖。這個脈沖用來產(chǎn)生機床的基準點，該脈沖以差動形式C和輸出。光電碼盤轉(zhuǎn)過一個狹縫的角度，A信號就產(chǎn)生一個脈沖，如果光電碼盤上有1000條刻線，則編碼器旋轉(zhuǎn)一周，A信號就有1000個脈沖，其測量角度的分辨率為0.36o。6.6編碼器101圖6.30光電脈沖編碼器的輸出波形

6.6編碼器1026.6.2絕對式脈沖編碼器絕對式光電脈沖編碼器可將被測轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的代碼來指示絕對位置而沒有累計誤差，是一種直接編碼式的測量裝置。6.6編碼器103（a）二進制碼盤（b）葛萊碼盤圖6.31絕對值式碼盤6.6編碼器104絕對編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，一般做成二進制編碼，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心圓環(huán)組成，稱為碼道。碼道的數(shù)量與二進制的位數(shù)相同，靠近圓心的碼道代表高位數(shù)碼，最外圈是最低位。每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號，形成二進制數(shù)。絕對式編碼器的特點是不要計數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼。碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有N位二進制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道，碼道的分辨率為3600/2n。它的特點是可以直接讀出角度坐標的絕對值；沒有累積誤差；電源切除后位置信息不會丟失。6.6編碼器105本章小結(jié)主要內(nèi)容：本章介紹了數(shù)控機床位置檢測裝置的組成、作用及分類；旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵、磁柵、編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理。

要求：掌握數(shù)控機床位置檢測裝置的組成及原理；各種檢測元件的結(jié)構(gòu)和工作原理。了解數(shù)控機床對位置檢測裝置的要求及各種位置檢測裝置的特點及應(yīng)用。106習題與思考題1．簡述位置檢測裝置在數(shù)控機床中的作用。2．數(shù)控機床對位置檢測裝置有哪些要求？3．位置檢測裝置可以分為哪幾類？4.分析旋轉(zhuǎn)變壓器與感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)特點及工作原理。5.鑒相式工作方式和鑒幅式工作方式勵磁電壓有何不同？6.莫爾條紋有哪些特性？為什么實際測量時利用莫爾條紋進行測量？7．已知一光柵尺的柵距為0.02mm，標尺光柵與指示光柵間的夾角為0.057，求莫爾條紋的寬度。9．磁柵有哪些部件組成？被測位移量與感應(yīng)電壓的有什么關(guān)系？10．增量式脈沖編碼器和絕對式脈沖編碼器各有什么優(yōu)缺點？11．舉例說明那些檢測裝置可以用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，那些可以用于半閉環(huán)控制系統(tǒng)。

107數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用108第7章數(shù)控機床伺服系統(tǒng)7.1

步進電機及其驅(qū)動控制7.37.4直流伺服電機及其速度控制

7.5直線電動機傳動7.6位置控制概述

7.2交流伺服電機及其速度控制109本章概要提要本章主要介紹伺服系統(tǒng)的概念及分類、步進電機、交流伺服電機、直線電機的結(jié)構(gòu)、工作原理及分類；位置控制的概念及工作原理。重點：步進電機、交流伺服電機、直線電機的結(jié)構(gòu)、工作原理及分類。難點：伺服系統(tǒng)的概念、分類，位置控制的概念及工作原理。110本章概要掌握程度掌握數(shù)控機床和數(shù)控技術(shù)的基本概念掌握步進電機、交流伺服電機、直線電機的結(jié)構(gòu)、工作原理及分類了解位置控制的概念及工作原理111★本節(jié)提示伺服系統(tǒng)是根據(jù)輸入信號的變化而進行相應(yīng)的動作，以獲得精確的位置、速度或力的自動控制系統(tǒng)。數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置與機床本體間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，接收來自數(shù)控裝置輸出的進給脈沖指令，經(jīng)過一定的信號變換及功率放大后，驅(qū)動機床執(zhí)行元件，實現(xiàn)機床移動部件相應(yīng)移動的控制系統(tǒng)。

7.1概述112伺服系統(tǒng)SV(servodrive)是根據(jù)輸入信號的變化而進行相應(yīng)的動作，以獲得精確的位置、速度或力的自動控制系統(tǒng)，又稱位置隨動系統(tǒng)。7.1概述7.1.1伺服系統(tǒng)的概念一般伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖7.1所示。圖7.1伺服系統(tǒng)的組成圖113由比較元件、調(diào)節(jié)元件、執(zhí)行元件、受控對象和測量、反饋元件組成。輸入的指令信號與反饋信號通過比較元件將進行比較，得到控制系統(tǒng)動作的偏差信號；偏差信號經(jīng)調(diào)節(jié)元件變換、放大后，控制執(zhí)行元件按要求產(chǎn)生動作；執(zhí)行元件將輸入的能量轉(zhuǎn)換成機械能，驅(qū)動被控對象工作；測量反饋元件用于實時檢測被控對象的輸出量并將其反饋到比較元件。

7.1概述114

“伺服(servo)”表示“伺侯服務(wù)”的意思。是按照數(shù)控系統(tǒng)的指令，使機床各坐標軸按數(shù)控指令運動，加工出合格零件。是把數(shù)控信息轉(zhuǎn)化為機床進給運動的執(zhí)行機構(gòu)。數(shù)控機床集中了傳統(tǒng)的各種機床的優(yōu)點，數(shù)控機床技術(shù)水平的提高首先依賴于進給和主軸驅(qū)動特性的改進以及功能的擴大，為此數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的位置控制、速度控制、伺服電機、機械傳動等方而都提出很高的要求。。7.1.2數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)的要求7.1概述115數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)的要求總體上可概括為以下幾方面；

1．可逆運行2.調(diào)速范圍寬：1：240003．具有的速度穩(wěn)定性4.快速響應(yīng)并無超調(diào)5.高精度：0．01um～0.005um6．低速大轉(zhuǎn)矩

7.1概述1167.1.3伺服系統(tǒng)的分類

1.按伺服系統(tǒng)控制方式可分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)三類。7.1概述（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)圖7.2為開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖1177.1概述7.1.3伺服系統(tǒng)的分類

（2）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)

圖7.3半閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖1187.1概述7.1.3伺服系統(tǒng)的分類（3）全閉環(huán)伺服系統(tǒng)☆現(xiàn)代化管理:

生產(chǎn)自動化圖7.4全閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

1197.1概述7.1.3伺服系統(tǒng)的分類1.按用途和功能分為進給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)兩類

2.按伺服電機類型分直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)、直線電動機伺服三類3.按驅(qū)動裝置類型分為電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)和電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)兩類。4.按反饋比較控制方式分相位伺服系統(tǒng)和幅值伺服系統(tǒng)類1207.1.4伺服系統(tǒng)的發(fā)展7.1概述1959年，日本富士通FANUC公司開發(fā)研制了電液脈沖馬達

20世紀50年代，伺服機構(gòu)開始用于數(shù)控機床；

日本安川電機廠于1963年研制成功一種無槽小直徑轉(zhuǎn)子新型直流電動機1969年，大慣量直流伺服電機問世。

通用電氣公司1983年研制成功采用籠型異步交流伺服電機的交流伺服系統(tǒng)

日本安川公司1963年研制成功一種采用無槽小直徑轉(zhuǎn)子的新型直流電動機121步進電動機是一種將電脈信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)角位移或直線位移的轉(zhuǎn)換裝置，因為其輸入的進給脈沖是不連續(xù)變化的數(shù)字量，而輸出的角位移或直線位移是連續(xù)變化的模擬量，所以步進電機也稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置。7.2步進電機及其驅(qū)動控制步進電機由定子、轉(zhuǎn)子和繞組組成7.2.1步進電機組成及其工作原理1.步進電機的組成、工作原理及工作方式122三相反應(yīng)式步進電機結(jié)構(gòu)如圖7.5所示圖7.5三相反應(yīng)式步進電機結(jié)構(gòu)圖7.2步進電機及其驅(qū)動控制123（2）步進電機的工作原理

圖7.6是最常用的反應(yīng)式步進電機工作原理圖7.2步進電機及其驅(qū)動控制124(3).步進電機的工作方式從—相通電換接到另一相通電稱為一拍，每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個步距角，如上述的步進電機，三相勵磁繞組依次單獨通電運行、換接三次完成一個通電循環(huán)，稱為三相單三拍通電方式，步距角是30。單是指每次只有一相繞組通電，“三拍”是指經(jīng)過三次換接為一個循環(huán)，即A、B、C三拍。由于每次只有一相繞組通電，在切換瞬間將失去自鎖轉(zhuǎn)矩，容易失步，另外，只有—相繞組通電，易在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，穩(wěn)定性較差，故實際應(yīng)用中很少采用單拍工作方式。而采用三相雙三拍通電方式，即通電順序按AB→BC→CA→AB→…(逆時針方向)或AC→CB→BA→AC→…(順時針為向)的順序通電，換接三次完成一個通電循環(huán)。

7.2步進電機及其驅(qū)動控制1257.2步進電機及其驅(qū)動控制

2.步進電機的特點（1）步進電機受脈沖控制，步進電機定子繞組通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一個步距角，轉(zhuǎn)子角位移和轉(zhuǎn)速嚴格與輸入脈沖的數(shù)量和頻率成正比，通電狀態(tài)變化頻率越高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高。。（2）改變步進電機定子繞組通電順序，可以改變轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向。（3）步進電機有一定步矩精度，沒有累積誤差。（4）當停止輸入脈沖時，只要控制繞組的電流不變，步進電機可保持在固定的位置，不需要機械制動裝置。（5）步進電機的受脈沖頻率的限制，調(diào)速范圍小。1267.2步進電機及其驅(qū)動控制7.2.2步進電機的特性及選擇1.步進電動機的主要性能指標（1）步距角

步距角是指步進電動機每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。它反映步進電動機的分辨能力，步距角與步進電動機的相數(shù)、通電方式及電動機轉(zhuǎn)子齒數(shù)的關(guān)系如下:

（7-1）a一步進電動機的步距角

m一電動機相數(shù)；

z--轉(zhuǎn)子齒數(shù)，

k一—系數(shù)，相鄰兩次通電相數(shù)相同時k=1；相鄰兩次通電相數(shù)不同．k＝2。1277.2步進電機及其驅(qū)動控制7.2.2步進電機的特性及選擇（2）靜態(tài)矩角特性當步進電動機保持通電狀態(tài)不變時稱為靜態(tài)，如果此時在電動機軸上外加一個負載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子會偏離平衡位置向負載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過一個角度，稱為失調(diào)角。此時步進電動機所受的電磁轉(zhuǎn)矩稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，這時靜態(tài)轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角之間的關(guān)系叫矩角特性，如圖7.8所圖7.8單相通電時的矩角特性示,該矩角特性上的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩，在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，當外加負載轉(zhuǎn)矩除去時，轉(zhuǎn)于在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點位置。128（3）空載啟動頻率步進電動機在空載情況下，不失步啟動所能允許的最高頻率稱為空載啟動頻率，又稱為啟動頻率或突跳頻率。步進電動機在啟動時，既要克服負載力矩，又要克服慣性力矩，加給步進電動機的指令脈沖頻率如大于啟動頻率，就不能正常工作，所以啟動頻率不能太高。步進電動機在帶負載(慣性負載)情況下的啟動頻率比空載要低。而且，隨著負載加大(在允許范圍內(nèi))．啟動頻率會進一步降低。（4）連續(xù)運行頻率步進電動機啟動后，其運行速度能根據(jù)指令脈沖頻率連續(xù)上升麗不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運行頻率，其值遠大于啟動頻率．它也隨著電動機所帶負載的性質(zhì)、大小而異，與驅(qū)動電源也有很大的關(guān)系。7.2步進電機及其驅(qū)動控制7.2.2步進電機的特性及選擇129（5）運行矩頻特性矩頻特性是描述步進電機連續(xù)穩(wěn)定運行時，輸出轉(zhuǎn)矩與運行頻率之間的關(guān)系。圖7.9所示曲線稱為步進電機的矩頻特性曲線，由圖可知，當步進電機正常運行時，電機所能帶動的負載轉(zhuǎn)矩會隨輸入脈沖頻率的增加而逐漸下降。

7.2步進電機及其驅(qū)動控制7.2.2步進電機的特性及選擇圖7.9步進電機矩頻特性曲線130（6）加減速特性步進電機的加減速特性是描述步進電機由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時間的關(guān)系，如圖7.10所示。當要求步進電機由啟動到大于突跳頻率的工作頻率時，變化速度必須逐漸上升；反之，變化速度必須逐漸下降。上升和下降的時間不能過小，否則易產(chǎn)生失步現(xiàn)象。.7.2步進電機及其驅(qū)動控制7.2.2步進電機的特性及選擇圖7.10加減速特性131

2.步進電機的選擇

（1）考慮系統(tǒng)精度和速度的要求。脈沖當量越小，系統(tǒng)的精度越高，但運行速度越低，選擇時應(yīng)兼顧精度和速度的要求來確定脈沖當量，再根據(jù)脈沖當量來選擇步進電機的步距角和傳動機構(gòu)的傳動比

（2）考慮啟動矩頻特性曲線和工作矩頻特性曲線。啟動矩頻特性曲線指反映啟動頻率與負載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系；工作矩頻特性曲線反映轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運行頻率之間的關(guān)系。已知負載轉(zhuǎn)矩時，可以在啟動矩頻特性曲線查啟動頻率，在實際中，只要啟動頻率小于或等于該值，電機就能直接帶負載啟動。7.2步進電機及其驅(qū)動控制7.2.2步進電機的特性及選擇132

7.2.3步進電機的控制線路步進電機的控制線路框圖如圖7.10所示。圖7.10步進電機的控制線路框圖7.2步進電機及其驅(qū)動控制1331.脈沖混合電路脈沖混合電路用來將來自于數(shù)控系統(tǒng)的插補信號、各種類型的誤差補償信號、手動進給信號及手動回原點信號等信號混合為使工作臺正向進給的“正向進給”信號或使工作臺反向進給的“反向進給”信號。2.加減脈沖分配電路主要是將從正在進給方向的進給脈沖指令中抵消相同數(shù)量的反向補償脈沖，這也正是加減脈沖分配電路的功能。7.2步進電機及其驅(qū)動控制1343.加減速電路又稱自動升降速電路。將躍變頻率進行緩沖，使之變成符合步進電動機加減速特性的脈沖頻率，然后再送人步進電動機的定子繞組。4.環(huán)形分配器環(huán)形分配器是把來自于加減速電路的一系列進給脈沖指令轉(zhuǎn)換成控制步進電動機定子繞組通、斷電的電平信號，電平信號狀態(tài)的改變次數(shù)及順序與進給脈沖的數(shù)量及方向相對應(yīng)。7.2步進電機及其驅(qū)動控制135環(huán)形分配器有硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器兩種形式。硬件環(huán)形分配器是由觸發(fā)器和門電路構(gòu)成的硬件邏輯線路?，F(xiàn)在市場上已經(jīng)有集成度高、抗干擾性強的PMOS和CMOS環(huán)形分配器芯片供選用，也可以用計算機軟件實現(xiàn)脈沖序列分配的軟件環(huán)形分配器。5.功率放大器功率放大器又稱功率驅(qū)動器或功率放大電路。從環(huán)形分配器來的進給控制信號的電流只有幾毫安，而步進電動機的定子繞組需要幾安培電流，因此，需要功率放大器將來自環(huán)形分配器的脈沖電流放大到足以驅(qū)動步進電動機旋轉(zhuǎn)。7.2步進電機及其驅(qū)動控制1367.3直流伺服電機及其速度控制

7.3.1直流伺服電機及工作特性1.直流伺服電動機的工作原理圖7.11(a)為直流電動機的簡化結(jié)構(gòu)，7.11(b)為電路原理如圖。圖7.11137

2直流伺服電機的類型（1）按電柜的結(jié)構(gòu)與形狀可分為平滑電樞型、空心電樞型和有槽電樞型等；按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的大小可分為大慣量、中慣量和小慣量直流伺服電動機；按定子磁場產(chǎn)生的方式可分為永磁式和他勵式；

(2)寬調(diào)速直流伺服電動機又稱大慣量直流伺服電動機，是通過提高輸出力矩來提高力矩／慣量比的，其結(jié)構(gòu)如圖7.12所示；7.3直流伺服電機及其速度控制

138圖7.12寬調(diào)速直流伺服電動機結(jié)構(gòu)簡圖1—轉(zhuǎn)子2—定子3—電刷4—測速電機5—換向器7.3直流伺服電機及其速度控制

139大慣量直流飼服電動機的機械特性如圖7.13所示圖7.13大慣量直流飼服電動機的機械特性7.3直流伺服電機及其速度控制

1403直流伺服電機的工作特性(1)直流伺服電動機的靜態(tài)特性。直流伺服電動機的靜態(tài)特性是指電動機在穩(wěn)態(tài)情況下工作時，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、電磁力矩和電樞控制電壓三者之間的關(guān)系。采用電樞電壓控制時的電樞等效電路如圖7.14所示：圖7.14直流伺服電動機的電樞等效電路如圖7.3直流伺服電機及其速度控制

141直流伺服電動機的機械特性曲線和調(diào)節(jié)特性曲線，如圖7.15所示。（a）機械特性曲線（b）調(diào)節(jié)特性曲線圖7.15直流伺服電動機的特性曲線7.3直流伺服電機及其速度控制

142(2)直流伺服電動機的動態(tài)特性。直流伺服電動機的動態(tài)特性是指當給電動機電樞加上階躍電壓時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨時間的變化規(guī)律，其本質(zhì)是由對輸入信號響應(yīng)的過渡過程的描述。直流伺服電動機產(chǎn)生過渡過程的原因在于電動機中存在有機械慣性和電磁慣性兩種慣性。機械慣性是由直流伺服電動機和負載的轉(zhuǎn)動慣量引起的，是造成機械過渡過程的原因；電磁慣量是由電樞回路中的電感引起的，是造成電磁過渡過程的原因。一般而言，電磁過渡過程比機械過渡過程要短得多。在直流伺服電動機動態(tài)特性分析中，可忽略電磁過渡過程，而把直流伺服電動機簡化為一機械慣性環(huán)節(jié)。7.3直流伺服電機及其速度控制

1437.3.2直流伺服電機的速度控制方法調(diào)節(jié)直流電動機的轉(zhuǎn)速有三種方法：①改變電樞電壓即當電樞電阻、磁通量都不變時，通過附加的調(diào)壓設(shè)備調(diào)節(jié)電樞電壓。一般都將電樞的額定電壓向下調(diào)低，是進給驅(qū)動的直流伺服電動機常采用這種方法進行調(diào)速。②改變磁通量調(diào)節(jié)激滋回路的電阻，見圖7-11(b)，使激磁回路電流減小，磁通量也減小，使電動機的轉(zhuǎn)速由額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)高。這種方法調(diào)速的快速性變差，但速度調(diào)節(jié)容易控制，常用于數(shù)控機床主傳動的直流伺服電動機調(diào)速。③在電樞回路中串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻這種方法電阻上的損耗大，且轉(zhuǎn)速只能調(diào)低，故不經(jīng)濟。7.3直流伺服電機及其速度控制

1442.晶閘管調(diào)速系統(tǒng)的基本原理圖7．16為晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)由內(nèi)環(huán)—電流環(huán)、外環(huán)—速度環(huán)和晶閘管整流放大器等組成。圖7.16晶閘管直流調(diào)速速度單元結(jié)構(gòu)圖7.3直流伺服電機及其速度控制

145晶閘管(SCR)速度單元分為控制回路和主回路兩部分?？刂苹芈樊a(chǎn)生觸發(fā)脈沖，該脈沖的相位即觸發(fā)角，作為整流器進行整流的控制信號。主回路為功率級的整流器，將電網(wǎng)交流電變?yōu)橹绷麟?；相當于將控制回路信號的功率放大。得到較高電壓與放大電流以驅(qū)動電動機。這樣就將程序段中的F值一步步變成了伺服電機的電壓，完成調(diào)速任務(wù)。7.3直流伺服電機及其速度控制

1463.晶體管脈寬調(diào)速系統(tǒng)的基本原理(1).晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)與晶閘管相比，晶體管控制簡單，開關(guān)特性好?？朔司чl管調(diào)速系統(tǒng)的波形脈動，特別是輕載低速調(diào)速特性差的問題。

1)晶體管脈寬調(diào)制(PwM)系統(tǒng)的組成及特點圖7．17為脈寬調(diào)制系統(tǒng)組成原理圖，該系統(tǒng)由控制回路和主回路構(gòu)成?？刂撇糠职ㄋ俣日{(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器、脈沖寬度調(diào)制器和基極驅(qū)動電路等；主回路包括晶體管開關(guān)式放大器和功率整流器等。7.3直流伺服電機及其速度控制

147圖7.17脈寬調(diào)制系統(tǒng)組成原理圖7.3直流伺服電機及其速度控制

1487.4交流伺服電機及其速度控制

7.4.1交流伺服電機的分類及特點交流伺服電動機通常分為交流同步伺服電動機和交流異步伺服電動機兩大類。交流同步伺服電動機的轉(zhuǎn)速是由供電頻率所決定的．即在電源電壓和頻率不變時．它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變的。交流異步伺服電動機也稱交流感應(yīng)伺服電動機，它的結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，價格便宜。它的缺點是其轉(zhuǎn)速受負載的變化影響較大，所以一般不用于進給運動系統(tǒng)1497.4.2交流伺服電機的結(jié)構(gòu)及工作原理1.交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)數(shù)控機床用于進給驅(qū)動的交流伺服電動機大多采用三相交流永磁同步電動機。永磁交流同步伺服電動機的結(jié)構(gòu)如圖7.19和7.20所示，由定子、轉(zhuǎn)子和檢測元件三部分組成。電樞在定子上，定子具有齒槽，內(nèi)有三相交流繞組，形狀與普通交流感應(yīng)電動機的定子相同。電動機外形呈多邊形，且無外殼。轉(zhuǎn)子由多塊永磁鐵和沖片組成，磁場波形為正弦波。7.4交流伺服電機及其速度控制

150圖7.19三相交流永磁同步7.20永磁交流同步伺服電動機的橫剖面圖電動機的結(jié)構(gòu)圖

1-定子2-永久磁鐵；1-定子;2-轉(zhuǎn)子;3-轉(zhuǎn)子永久

3-軸向通氣孔；4-轉(zhuǎn)軸

磁鐵;4-定子繞組;5-檢測元件;6-接線盒

7.4交流伺服電機及其速度控制

1512永磁交流同步伺服電動機工作原理如圖7.21所示，永磁式交流同步電動機由定子、轉(zhuǎn)子和檢測元件三部分組成，其工作過程是當定子三相繞組通上交流電后，就產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，這個旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。根據(jù)磁極的同性相斥、異性相吸的原理，定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子永久磁場磁極相互吸引，并帶動轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，圖7.21交流永磁同步電動機的工作原理

7.4交流伺服電機及其速度控制

152(2)交流永磁同步電動機的性能如圖7.22所示為永磁式交流同步伺服電動機的轉(zhuǎn)矩一速度特性曲線。曲線分為連續(xù)工作區(qū)和斷續(xù)工作區(qū)兩部分。在連續(xù)工作區(qū)，速度和轉(zhuǎn)矩的任何組合，都可連續(xù)工作。但連續(xù)工作區(qū)的劃分受到一定條件的限制，劃定條件有兩個:一是供給電動機的電流是理想的正弦波;二是電動機工作在某一特定溫度下。在斷續(xù)工作區(qū)，電動機可間斷運行,斷續(xù)工作區(qū)比較大時，有利于提高電動機的加、減速能力。永磁式交流同步電動機的缺點是啟動難。這是由于轉(zhuǎn)子本身的慣量、定子與轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)速差過大，使轉(zhuǎn)子在啟動時所受的電磁轉(zhuǎn)矩的平均值為零所致，因此電動機難以啟動。解決的辦法是在設(shè)計時設(shè)法減小電動機的轉(zhuǎn)動慣量，或在速度控制單元中采取先低速后高速的控制方法7.4交流伺服電機及其速度控制

153圖7.22交流永磁同步電動機的機械特性曲線和異步電動機相比，同步電動機轉(zhuǎn)子有磁極，在很低的頻率下也能運行，因此，在相同的條件下，同步電動機的調(diào)速范圍比異步電動機要寬。同時，同步電動機比異步電動機對轉(zhuǎn)矩擾動具有更強的承受力．能作出更快的響應(yīng)。7.4交流伺服電機及其速度控制

1543.交流主軸電動機交流主軸電動機是基于感應(yīng)電動機的結(jié)構(gòu)而專門設(shè)計的。通常為增加輸出功率、縮小電動機體積，采用定子鐵芯在空氣中直接冷卻的方法，沒有機殼，且在定子鐵芯上做有通風孔。因此電動機外形多呈多邊形而不是常見的圓形。在電動機軸尾部安裝檢測用的碼盤。交流主軸電動機與普通感應(yīng)式伺服電動機的工作原理相同。在電動機定子的三相繞組通以三相交流電時，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，這個磁場切割轉(zhuǎn)子中的導(dǎo)體，導(dǎo)體感應(yīng)電流與定子磁場相作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，7.4交流伺服電機及其速度控制

1557.4.3交流伺服電動機的主要特性參數(shù)①額定功率電動機長時間連續(xù)運行所能輸出的最大功率為額定功率，約為額定轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)速的乘積。⑦額定轉(zhuǎn)矩電動機在額定轉(zhuǎn)速以下長時間工作所能輸出的轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩；③額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速由額定功率和額定轉(zhuǎn)矩決定。④瞬時最大轉(zhuǎn)矩電動機所能輸出的瞬時最大轉(zhuǎn)矩為瞬時最大轉(zhuǎn)矩。⑤最高轉(zhuǎn)速電動機的最高工作轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速。⑥轉(zhuǎn)于慣量電動機轉(zhuǎn)子上總的轉(zhuǎn)動慣量為轉(zhuǎn)子慣量。7.4交流伺服電機及其速度控制

1567.4.4交流伺服電動機的調(diào)速方法數(shù)控機床上常采用交直交變頻調(diào)速。在交直交變頻中，根據(jù)中間直流電路上的儲能元件是大電容還是大電感，可分為電壓型逆變器和電流型逆變器。SPWM變頻器是目前應(yīng)用最廣、最基本的一種交直交型電壓型變頻器，也稱為正弦波PWM變頻器，具有輸入功率因數(shù)高和輸出波形好等優(yōu)點，不僅適用于永磁式交流同步電動機，也適用于交流感應(yīng)異步電動機，在交流調(diào)速系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。7.4交流伺服電機及其速度控制

1577.5直線電動機傳動

7．5．1概述直線電動機是指可以直接產(chǎn)生直線運動的電動機，可作為進給驅(qū)動系統(tǒng)，如圖7.23所示。在世界上出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)電動機不久之后就出現(xiàn)了其雛形，但由于受制造技術(shù)水平和應(yīng)用能力的限制，一直未能在制造業(yè)領(lǐng)域作為驅(qū)動電動機而使用。近年來隨著大功率電子器件、新型交流變頻調(diào)速技術(shù)、微型計算機數(shù)控技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，直線電動機在高速數(shù)控機床中得到了一定的應(yīng)用。158圖7.231-導(dǎo)軌;2-次線;3-初線;4-險測系統(tǒng)7.5直線電動機傳動

159世界上第一臺使用直線電動機驅(qū)動工作臺的高速加工中心是德國Ex-Ccll-O公司于1993年生產(chǎn)的，采用了德國Indramennt公司開發(fā)成功的感應(yīng)式直線電動機。同時，美國Ingersoll公司和Ford汽車公司合作，在HVM800型臥式加工中心采用了美Anorad公司生產(chǎn)的永磁式直線電動機。日本的FAVUC公司于1994年購買了Anorad公司的專利權(quán)，開始在亞洲市場銷售直線電動機。在1996年9月芝加哥國際制造技術(shù)博覽會((IMTs’96)上，直線電動機如雨后春筍般展現(xiàn)在人們面前，這預(yù)示著直線電動機開辟的機床新時代已經(jīng)到來。7.5直線電動機傳動

1607．5．2.直線電動機工作原理直線電動機的工作原理可以視為旋轉(zhuǎn)電動機沿圓周方向拉開展平的產(chǎn)物，如圖7.24所示。對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電動機的定子部分，稱為直線電動機的初級;對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電動機的轉(zhuǎn)子部分，稱為直線電動機的次級。當多相交變電流通入多相對稱繞組時，就會在直線電動機初級和次級之間的氣隙中產(chǎn)生一個行波磁場，從而使初級和次級之間相對移動。當然，二者之間也存在一個垂直力，可以是吸引力，也可以是推斥力。直線電動機可以分為直流直線電動機、步進直線電動機和交流直線電動機3大類。在機床上主要使用交流直線電動機。7.5直線電動機傳動

161(a)旋轉(zhuǎn)電動機;(b)直線電動機圖7.247.5直線電動機傳動

1627．5．3.直線電動機結(jié)構(gòu)形式在結(jié)構(gòu)上，可以有如圖7.25所示的短次級和短初級兩種形式。為了減少發(fā)熱量和降低成本，高速機床用直線電動機一般采用如圖7.25(b)所示的短初級結(jié)構(gòu)。(a)短次級;(b)短初級圖7.257.5直線電動機傳動

1637．5．4.直線電動機的特點使用直線電動機的驅(qū)動系統(tǒng)，有以下特點:①電動機、電磁力直接作用于運動體(工作臺)上，而不用機械連接，沒有機械滯后或齒節(jié)周期誤差，精度完全取決于檢測精度。②直線電動機上裝配全數(shù)字伺服系統(tǒng)，可以達到極好的伺服性能。在任何速度下都能實現(xiàn)非常平穩(wěn)的進給運動。③直線電動機系統(tǒng)在動力傳動中沒有低效率的中介傳動部件而能達到高效率，可獲得很好的動態(tài)剛度(動態(tài)剛度即為在脈沖負荷作用下，伺服系統(tǒng)保持其位置的能力)。④直線電動機驅(qū)動系統(tǒng)無機械零件相互接觸，因此無機械磨損，不需要定期維護，可使用多段拼接技術(shù)來滿足超長行程機床的要求。7.5直線電動機傳動

1647．6．1位置控制的基本原理位置控制環(huán)是伺服系統(tǒng)的外環(huán)，它接收數(shù)控裝置插補器每個插補采樣周期發(fā)出的指令，同時，還接收每個位置采樣周期測量反饋裝置測出的實際位置值，然后與位置給定值進行比較(給定值減去反饋值)得出位置誤差，該誤差作為速度環(huán)的給定。實際上，根據(jù)伺服系統(tǒng)各環(huán)節(jié)增益(放大倍數(shù))、倍率及其它要求，對位置環(huán)的給定、反饋和誤差信號還要進行處理。早期的位量控制，其速度環(huán)和電流環(huán)均采用模擬控制。

現(xiàn)代全數(shù)字伺服系統(tǒng)中，不進行D／A轉(zhuǎn)換：位量環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的給定信號、反饋信號、誤差信號以及增益和其它控制參數(shù)，均由系統(tǒng)中的微處理器進行數(shù)字處理：可以使控制參數(shù)達到最優(yōu)化，因而控制精度高．穩(wěn)定性好。同時，對實現(xiàn)前饋控制、自適應(yīng)控制、智能控制等現(xiàn)代先進控制方法都是十分有利的。

7.6位置控制

165圖7.27為模擬位置控制系統(tǒng)原理圖，圖中速度外的電流環(huán)沒畫。7.6位置控制

圖7.27模擬位置控制系統(tǒng)原理圖1661．數(shù)字脈沖比較位置控制系統(tǒng)的組成數(shù)字脈沖比較是構(gòu)成閉環(huán)和半閉環(huán)位置控制的一種常用方法。在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，經(jīng)常采用由光電脈沖編碼器等組成的位置檢測裝置；在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，多采用光柵及其電路作為位置檢測裝置、通過檢測裝置進行位置檢測和反饋，實現(xiàn)脈沖比較；圖7.28為數(shù)字脈沖比較位置控制的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的位置環(huán)包括光電脈沖編碼器、脈沖處理電路和比較器環(huán)節(jié)等。

7．6．2數(shù)字脈沖比較位置控制伺服系統(tǒng)

7.6位置控制

167圖7.28數(shù)字脈沖比較位置控制的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)7.6位置控制

1682．位置環(huán)的工作原理位置環(huán)的工作按負反饋、誤差原理工作，有誤差就運動，沒有誤差就停止。具體如下：1)靜止狀態(tài)時，指令脈沖F＝0，工作臺不動，則反饋脈沖Pr為零，經(jīng)比較器比較，得誤差(也稱偏差)e＝F—Pf=0。即速度環(huán)給定為零，伺服電機不轉(zhuǎn)，工作臺仍處于靜止狀態(tài)。2)指令為正向脈沖時，F(xiàn)＞0，工作臺在沒有移動之前，反饋脈沖Pf仍為零，經(jīng)比較器比較，得誤差e＝F—Pf＞0，則速度控制系統(tǒng)驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動，使工作臺向正向進給，隨著電動機的運轉(zhuǎn)，檢測出的反饋脈沖信號通過采樣進入比較器，按負反饋原理，誤差減小。如沒有滯后，一個插補周期給定和反饋脈沖應(yīng)該相等，但誤差一定存在、有誤差就運動：當誤差為零時，工作臺達到指令所規(guī)定的位置。7.6位置控制

169如按插補周期不斷地給指令，工作臺就不斷地運動；誤差為一個穩(wěn)定值時，工作臺為恒速運動；加速時。指令值由零不斷增加，誤差也不斷加大，使工作臺加速運動。減速時出誤差逐漸減小，使工作臺減速運動。3)指令為負向脈沖時，F(xiàn)＜0，其控制過程與指令為正脈沖時類似。只是此時e＝F—Pf＜0，使工作臺向反向進給。4)比較器輸出的位置偏差信號是一個數(shù)字量，對于模擬控制的速度環(huán)要進行D／A變換才能變?yōu)槟M給定電壓、使速度控制環(huán)工作。

7.6位置控制

1707．6．3全數(shù)字控制伺服系統(tǒng)圖7.29為全數(shù)字控制伺服系統(tǒng)的原理圖：圖中，電流環(huán)、位量環(huán)均設(shè)有數(shù)字化測量傳感器；速度環(huán)的測量也是數(shù)字化測量，它是通過位置測量傳感器得出測量結(jié)果的。從圖中還可以看到，速度控制和電流控制是由專用CPU(在圖中“進給控制”框)完成。位置反饋、比較等處理工作通過高速通信總線由位控CPU完成。其位置偏差再由通信總線傳給速度環(huán)；此外，各種參數(shù)控制及調(diào)節(jié)也由微處理器實現(xiàn)*特別是正弦脈寬調(diào)制變頻器的矢量變換控制更是內(nèi)微處理器完成。7.6位置控制

171圖7.29全數(shù)字控制伺服系統(tǒng)的原理圖7.6位置控制

172復(fù)習思考題7-1簡述伺服系統(tǒng)的概念及組成，對伺服系統(tǒng)的基本要求是什么？7-2伺服系統(tǒng)有哪些分類方法？7-3說明直流進給、主軸伺服電機的工作原理及特性曲線。7-4說明交流進給、主軸伺服電機的工作原理及特性曲線。7-5說明直流進給運動的晶閘管速度控制原理；7-6說明步進電機的工作原理；7-7說明直流進給運動的“脈寬調(diào)制”速度控制原理；7-8說明交流進給運動的速度控制原理及速度控制方法；7-9簡述直線電動機的工作原理；7-10說明位置控制的基本原理；7.6位置控制

173（第7章結(jié)束）第7章數(shù)控加工技術(shù)概述174第8章數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)8.1數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)8.38.4數(shù)控機床的進給傳動系統(tǒng)概