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1、CNC第第七七章章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 主要内容主要内容7.1 概述概述 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 7.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统 7.5 直线电机及其在数控机床中的应用简介直线电机及其在数控机床中的应用简介 7.6 位置控制位置控制CNC7.1 概述概述伺服驱动系统的定义伺服驱动系统的定义:伺伺服服驱驱动动系系统统接接收收数数控控单单元元的的位位移移/速速度度控控制制指指令令,驱驱动动工工作作台台/主主轴轴按按照照控控制制指指令令的的要要求进行
2、运动。求进行运动。伺伺服服驱驱动动系系统统直直接接影影响响移移动动速速度度、跟跟踪踪精精度度、定定位位精精度度等等一一系系列列重重要要指指标标，是是数数控控机机床床的的关键技术。关键技术。CNC7.1 概述概述伺服驱动系统的作用伺服驱动系统的作用:接受接受CNC装置发出的位移指令信号，由伺装置发出的位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、步进电机等）和机机（直流、交流伺服电机、步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。现工作进给或快速运动
3、。CNC数控机床的伺服驱动数控机床的伺服驱动7.1 概述概述CNC数控机床的伺服驱动数控机床的伺服驱动7.1 概述概述UmrichterSIMODRIVE611digitalmitCNCSINUMERIK840DE/R-ModulNCULeistungsteilBedientafelfrontmitPCU20/50/70Drehstrom-ServomotorenPeripherieSIMATICS7-300Drehstrom-HauptspindelmotorCNC7.1 概述概述一、数控机床对进给伺服系统的要求有：一、数控机床对进给伺服系统的要求有：1高精度高精度（输出量能复现输入量的精确
4、程度）输出量能复现输入量的精确程度）2 2稳定性好稳定性好（抗干扰能力）抗干扰能力）3 3响应速度快响应速度快（系统跟踪精度）系统跟踪精度）4 4电机调速范围宽电机调速范围宽（最高转速和最低转速比）最高转速和最低转速比）5 5低速大转矩低速大转矩6 6可靠性高可靠性高( (对环境的适应性对环境的适应性) )CNC7.1 概述概述二、伺服系统的基本组成二、伺服系统的基本组成比较控制环节比较控制环节比较控制环节比较控制环节驱动控制单元驱动控制单元驱动控制单元驱动控制单元执行元件执行元件执行元件执行元件反馈检测单元反馈检测单元反馈检测单元反馈检测单元机机机机床床床床进进进进给给给给 指指指指令令令令
5、CNC7.1 概述概述三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类按控制原理和有无检测反馈装置：开环和闭环伺按控制原理和有无检测反馈装置：开环和闭环伺服系统；服系统；按其用途和功能：按其用途和功能：进给驱动系统进给驱动系统和主轴驱动系统；和主轴驱动系统；按其驱动执行元件的动作原理：电液伺服驱动系按其驱动执行元件的动作原理：电液伺服驱动系统、电气伺服驱动系统（直流伺服驱动系统、交流统、电气伺服驱动系统（直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统及直线电机伺服系统）伺服驱动系统及直线电机伺服系统）CNC7.1 概述概述CNC7.1 概述概述闭环进给伺服系统结构闭环进给伺服系统结构位置控制位置控制模块模块速度控制速
6、度控制单元单元伺服伺服电机电机 工作台工作台 位置检测位置检测测量反馈测量反馈速度检测速度检测指令指令速度环速度环位置环位置环CNC7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC7.2.1步进电机工作原理步进电机工作原理按电磁吸引原理工作（以反应式步进电机为例）按电磁吸引原理工作（以反应式步进电机为例）反反应应式式步步进进电电机机的的定定子子上上有有磁磁极极，每每个个磁磁极极上上有有激激磁磁绕绕组组，转转子子无无绕绕组组，有有周周向向均均布布的的齿齿，依依靠靠磁极对齿的吸合工作。磁极对齿的吸合工作。7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统定子定子
7、转子转子定子绕组定子绕组CNC7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统AB定子定子转子转子IAIBIC两个相对的磁两个相对的磁极组成极组成一相一相。注意：注意：这里的这里的“相相”和三相和三相交流电中的交流电中的“相相”的概念不的概念不同。步进电机同。步进电机通的是电脉冲，通的是电脉冲，主要是指线图主要是指线图的联接和组数的联接和组数的区别。的区别。CNC7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统步进电机的工作方式步进电机的工作方式(通电顺序通电顺序)可分为：可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。1
8、 1）三相单三拍：）三相单三拍：（1 1）三相绕组联接方式：）三相绕组联接方式：Y 型型（2 2）三相绕组中的通电顺序为：）三相绕组中的通电顺序为：A 相相 B 相相 C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为： A 相相 C 相相 B 相相 CNC7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统1 1）三相单三拍工作方式：）三相单三拍工作方式：CNC7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统BACCBA3412A 相通电使相通电使转子转子1、3齿和齿和AA 对齐对齐B ACCBA3412BBACCAB相通电，相通电，转子转子2、4齿和齿和B相轴相轴线对齐
9、线对齐CC相通电，相通电，转子转子1、3齿和齿和C相轴相轴线对齐线对齐3412ABC1324ABC1324ACNC7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统三相单三拍的特点：三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过）每来一个电脉冲，转子转过 30 。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。（3）每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失）每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失去自锁转矩，容易产生失步，只有一相绕组产生力去自锁转矩，容易产生失步，只有一相绕组产生力矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡矩吸引转子，在平衡位置易产生
10、振荡。CNC7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统2)三相六拍工作方式三相六拍工作方式通电顺序为：通电顺序为：AABBBCCCAA 六拍。六拍。CNC通电顺序通电顺序AABBBCCCAA（逆时针）（逆时针）AACCBCBCAA（顺时针）（顺时针）每步转过每步转过15，步距角是三相三拍工作方式的一半，步距角是三相三拍工作方式的一半，特点特点：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比较平稳。较平稳。7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC3) )双三拍工作方式双三拍工作方式定子绕组通电顺序为定子绕组通
11、电顺序为ABBCCAAB（转子逆时针旋转）（转子逆时针旋转）ACBCCA（转子顺时针旋转）（转子顺时针旋转）有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍旋转旋转30。特点特点：始终有一相定子绕组通电，工作比较平稳。：始终有一相定子绕组通电，工作比较平稳。避免了单三拍通电方式的缺点避免了单三拍通电方式的缺点7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC 实际上步进电机实际上步进电机转子齿数很多转子齿数很多，齿数越多，步，齿数越多，步距角越小距角越小7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 为改善运行性能，
12、为改善运行性能，定子磁极上的齿定子磁极上的齿的齿距与转子的的齿距与转子的齿距相同，但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的齿距相同，但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的1m（m电机相数）。电机相数）。每次定子绕组通电状态改变时，每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距的转子只转过齿距的1m（如三相三拍）或（如三相三拍）或12m（如（如三相六拍）达到新的平衡位置。三相六拍）达到新的平衡位置。CNC7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统齿距的齿距的1m（m电机相数）电机相数）3600/ZCNC转子转子40个齿，若通电为三相三拍，当转子齿与个齿，若通电为三相三拍，当转子齿与A相定
13、子齿对齐时，转子齿与相定子齿对齐时，转子齿与B相定子齿相差（相定子齿相差（3），），与与C相定子齿相差（相定子齿相差（6）。）。7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。7.2.2 步进电机的主要特性步进电机的主要特性1 1步距角步距角 m定子相数；定子相数；z转子齿数；转子齿数；k通电系数，通电系数， m相相m拍拍，k k1；m相相2 2m拍，拍，k2。一一 般般 很很 小小 ， 如如 ： 3 1.5， 1.5 0.75， 0.720.36等等7.2 7.2 步进电机及其驱动控
14、制系统步进电机及其驱动控制系统CNC静态：静态：步进电机处于通电状态，转子处在不动状态。步进电机处于通电状态，转子处在不动状态。静静态态转转矩矩Mj ：在在电电机机轴轴上上施施加加一一个个负负载载转转矩矩M，转转子子会会在在载载荷荷方方向向上上转转过过一一个个角角度度（失失调调角角），转转子子因因而受到一个电磁转矩而受到一个电磁转矩Mj的作用与负载平衡。的作用与负载平衡。2矩角特性、最大静态转矩矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩和启动转矩Mq 7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统矩矩角角特特性性：步步进进电电机机单单相相通通电电的的静静态态转转矩矩Mj随随失
15、失调调角角的的变变化化曲线。曲线。CNC启启动动频频率率或或突突跳跳频频率率fq：空空载载时时，步步进进电电机机由由静静止止突突然然启启动动并并进进入入不不丢丢步步的的正正常常运运行行状状态态所所允允许许的的最最高高频频率。率。高于启动频率，将不能正常起动。高于启动频率，将不能正常起动。启启动动时时的的惯惯频频特特性性：是是指指电电机机带带动动纯纯惯惯性性负负载载时时启启动动频率和负载转动惯量之间的关系。频率和负载转动惯量之间的关系。3启动频率启动频率fq和启动时的惯频特性和启动时的惯频特性 7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的
16、启动频步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。率比空载要低。CNC连连续续运运行行频频率率：步步进进电电机机启启动动后后，其其运运行行速速度度能能跟跟踪踪指指令令脉脉冲冲频频率率连连续续上上升升而而不不丢丢步步的的最最高高工工作作频频率率。其其值远大于启动频率。值远大于启动频率。运运行行矩矩频频特特性性：是是描描述述步步进进电电机机在在连连续续运运行行时时，输输出出转矩与连续运行频率之间的关系。转矩与连续运行频率之间的关系。4运行矩频特性运行矩频特性7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC 步进电机的步进电机的加减速特性加减速特性描述步进电机由静
17、止到工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。绕组通电状态的变化频率与时间的关系。 当要求步进电机启动到大于启动频率的工作频率当要求步进电机启动到大于启动频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；从最高工作频率或高于时，变化速度必须逐渐上升；从最高工作频率或高于启动频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。启动频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速、减速时间不能过小，否则会逐渐上升和下降的加速、减速时间不能过小，否则会失步或超步失步或超步。5加、减速特性加、减
18、速特性 7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC1 1根据相数分类根据相数分类有有三、四、五、六相三、四、五、六相等，相数越多，步距角越小，等，相数越多，步距角越小， 通电方式采用通电方式采用m m相相m m拍、双拍、双m m拍和拍和m m相相2m2m拍，拍，m m相相m m拍和拍和m m相相2m2m拍通电方式中，可采用一拍通电方式中，可采用一/ /二相、二三二相、二三相转换通电，相转换通电，如五相步进电机，五相十拍的二三相转换方式：如五相步进电机，五相十拍的二三相转换方式：ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB ABABCBCBCDCDCDEDEDE
19、AEAEAB 7.2.3 步进电机的分类步进电机的分类 7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC 根根据据定定子子与与转转子子间间磁磁场场建建立立方方式式，可可分分：反反应应式、永磁反应式（混合式）两类。式、永磁反应式（混合式）两类。反应式步进电机反应式步进电机：定子有多相磁极，其上有励磁绕：定子有多相磁极，其上有励磁绕组，转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定组，转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行子绕组产生反应力矩实现步进运行永磁反应式步进电机永磁反应式步进电机：定子结构与反应式相似，转：定子结构与反应式相似，转子用永磁材料
20、制成或有励磁绕组、由电磁力矩实现子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁力矩实现步进运行。步进运行。2根据产生力矩的原理分类根据产生力矩的原理分类7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC可将步进电机分两类：伺服步进电机可将步进电机分两类：伺服步进电机 功率步进电机功率步进电机伺服步进电机伺服步进电机（快速步进电机），输出力矩在几（快速步进电机），输出力矩在几十数百十数百Nm，只能带动小负载，加上液压扭矩，只能带动小负载，加上液压扭矩放大器可驱动工作台。放大器可驱动工作台。功率步进电机功率步进电机输出力矩在输出力矩在550Nm以上，能直接以上，能直接驱动工作台。驱动工作
21、台。 3根据输出力矩的大小分类根据输出力矩的大小分类7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统4根据结构分类根据结构分类步进电机可制成步进电机可制成轴向分相式（多段式）轴向分相式（多段式）径向分相式（单段式）径向分相式（单段式）CNC步进电机的驱动控制由步进电机的驱动控制由环形分配器和功率放大器环形分配器和功率放大器组成。组成。环环形形分分配配器器的的主主要要功功能能：将将数数控控装装置置送送来来的的一一串串指指令令脉脉冲冲，按按步步进进电电机机所所要要求求的的通通电电顺顺序序分分配配给给步步进进电电机
22、机驱驱动动电电源源的的各各相相输输入入端端，以以控控制制励励磁磁绕绕组组的的通通断断，实现步进电机的运行及换向。实现步进电机的运行及换向。7.2.4 步进电机的环形分配器步进电机的环形分配器 7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC1硬件环形分配器硬件环形分配器可由可由D触发器或触发器或JK触发器构成，亦可用专用集成芯片触发器构成，亦可用专用集成芯片或通用可编程逻辑器件。或通用可编程逻辑器件。CNC装置电源环形分配器A相驱动B相驱动C相驱动FULL/HALFDIRCLKM7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统硬件环形分配驱动与数控装置的连
23、接硬件环形分配驱动与数控装置的连接CNCCH250是国产三相反应式步进电机环形分配器专用是国产三相反应式步进电机环形分配器专用集成电路芯片，通过控制端的不同接法可组成三相集成电路芯片，通过控制端的不同接法可组成三相双三拍和三相六拍的工作方式双三拍和三相六拍的工作方式7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统三相六拍接线图三相六拍接线图:CNC2软件环形分配器软件环形分配器 由由数数控控装装置置中中的的软软件件完完成成环环形形分分配配，直直接接驱动步进电机各绕组的通、断电。驱动步进电机各绕组的通、断电。 用用软软件件环环形形分分配配器器只只需需编编制制不不同同的的环环形形分
24、分配配程程序序，可可使使线线路路简简化化，成成本本下下降降，可可灵灵活活地地改变步进电机的控制方案。改变步进电机的控制方案。CNC装置电源A相驱动B相驱动C相驱动CBAM7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC 软件环形分配器的设计方法软件环形分配器的设计方法: :查表法、比较法、查表法、比较法、移位寄存器法等，常用移位寄存器法等，常用查表法查表法。7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC 以三相反应式步进电机的环形分配器为例，说以三相反应式步进电机的环形分配器为例，说明查表法工作原理。明查表法工作原理。7.2 7.2 步进电机及其驱
25、动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统16进制进制CNC7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统：MOV DPTR，#2A00H MOV R0，#00LOOP：MOV A，R0 MOVC A，A+DPTR MOV P1，A LCALL 1000 INC R0 CJNE R0，#06H，LOOP AJMP 2100DB 01H，03H，02H，06H，04H，05H1000：MOV R3，#FFDT1： MOV R4，#FFDT2： DJNZ R4，DT2 DJNZ R3，DT1 RETCNC步进电机的速度
26、控制步进电机的速度控制进给脉冲频率进给脉冲频率f f 定子绕组通电定子绕组通电/ /断电状态变化断电状态变化频率频率f f 步进电机转速步进电机转速 工作台的进给速度工作台的进给速度V V。 V=60fV=60f7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC作用：作用： 是是将将环环形形分分配配器器或或微微处处理理机机送送来来的的弱弱电电信信号号变变为为强强电电信信号号，以以得得到到步步进进电电机机控控制制绕绕组组所所需需要要的的脉脉冲冲电电流及所需要的脉冲波形流及所需要的脉冲波形。7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统7.2.5 功率放大电路
27、功率放大电路CNC7.2.5 功率放大电路功率放大电路种类：种类：就其采用的功率放大器件分，有中功率晶体管、大功就其采用的功率放大器件分，有中功率晶体管、大功率晶体管、大功率达林顿晶体管、可控硅率晶体管、大功率达林顿晶体管、可控硅等；等；就其工作原理分，有单电压驱动、高低电压驱动、就其工作原理分，有单电压驱动、高低电压驱动、恒恒流斩波、调频调压、细分电路流斩波、调频调压、细分电路等。等。 步进电机有几相，就需要几组功率放大电路。步进电机有几相，就需要几组功率放大电路。7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC1高低电压切换驱动电路高低电压切换驱动电路特点：特点：高压
28、充电高压充电，保证电流以较快的速度上升，保证电流以较快的速度上升， 低压供电低压供电，维持绕组中的电流为额定值。，维持绕组中的电流为额定值。7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC2恒流斩波电路恒流斩波电路7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统3调频调压驱动电路调频调压驱动电路CNC4细分驱动电路细分驱动电路7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC根根据据磁磁场场产产生生方方式式分分：他他励励式式、永永磁磁式式、并并励励式式、串励式和复励式
29、五种。串励式和复励式五种。结结构构上上：有有一一般般电电枢枢式式、无无槽槽电电枢枢式式、印印刷刷电电枢枢式式、绕线盘式和空心杯电枢式等。绕线盘式和空心杯电枢式等。为避免电刷换向器的接触，有无刷直流伺服电机。为避免电刷换向器的接触，有无刷直流伺服电机。根据根据控制方式控制方式分：磁场控制方式、电枢控制方式。分：磁场控制方式、电枢控制方式。7.3.1 直流伺服电机的结构与分类直流伺服电机的结构与分类7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC在数控机床中，进给系统常用的直流伺服电机有：在数控机床中，进给系统常用的直流伺服电机有：1小惯性直流伺服电机小惯性直流伺服电机因转动
30、惯量小而得名。这类电机一般为永磁式。因转动惯量小而得名。这类电机一般为永磁式。小惯量直流电机最大限度地减小电枢的转动惯量，小惯量直流电机最大限度地减小电枢的转动惯量，所以能获得最快的响应速度。在早期的数控机床上所以能获得最快的响应速度。在早期的数控机床上应用得比较多。应用得比较多。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC2大惯量宽调速直流伺服电机大惯量宽调速直流伺服电机（直流力矩电机）直流力矩电机）转转子子直直径径较较大大，线线圈圈绕绕组组匝匝数数增增加加，力力矩矩大大，转转动动惯惯量量大大，能能在在较较大大过过载载转转矩矩时时长长时时间间工工作作，因因此此可可直
31、直接接与丝杠相连，不需中间传动装置。与丝杠相连，不需中间传动装置。没没有有励励磁磁回回路路的的损损耗耗，外外型型尺尺寸寸比比类类似似的的其其他他直直流流伺伺服电机小。服电机小。特特点点：能能在在较较低低转转速速下下实实现现平平稳稳运运行行，最最低低可可达达1rmin，甚至，甚至0.1rmin。数控机床上应用广泛。数控机床上应用广泛。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC3无刷直流伺服电机（无刷直流伺服电机（无整流子电机）无整流子电机）没没有有换换向向器器，由由同同步步电电机机和和逆逆变变器器组组成成，逆逆变变器器由装在转子上的转子位置传感器控制。由装在转子上的转
32、子位置传感器控制。实质是一种交流调速电机，调速性能可达到直流实质是一种交流调速电机，调速性能可达到直流伺服发电机的水平，又取消了换向装置和电刷部伺服发电机的水平，又取消了换向装置和电刷部件，提高了电机使用寿命。件，提高了电机使用寿命。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC7.3.2直流伺服电机的调速原理与方法直流伺服电机的调速原理与方法组成：磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片组成：磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片他励式直流伺服电机工作原理：他励式直流伺服电机工作原理：直直流流电电源源接接在在两两电电刷刷间间，电电流流通通入入电电枢枢线线圈圈，切切割
33、割磁磁力线，产生电磁转矩。力线，产生电磁转矩。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNCCE电动势常数电动势常数CT转矩常数转矩常数n电机转速电机转速n n0 0电机理想空载转速电机理想空载转速他励式直流伺服电机的转速公式他励式直流伺服电机的转速公式Ra电机电枢回路总电阻电机电枢回路总电阻TmTm电机电磁转矩电机电磁转矩Ua电机电枢端电压电机电枢端电压 励磁磁通励磁磁通Ea电枢绕组感应电动势电枢绕组感应电动势7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制负载转矩负载转矩Tm= 0,0,则有则有 CNC直流电机转速与转矩的关系称直流电机转速与转矩的关
34、系称机械特性机械特性机机械械特特性性是是电电机机的的静静态态特特性性，是是稳稳定定运运行行时时带带动动负负载载的的性性能能，此此时时，电电磁磁转转矩矩与与外外负负载相等。载相等。电电机机转转速速与与理理想想转转速速的的差差n，反反映映了了电电机机机机械械特特性性硬硬度度，n越小，机械特性越硬。越小，机械特性越硬。n0TTnD D n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: :调节电阻调节电阻Ra、调节电、调节电枢电压枢电压Ua和调节磁通和调节磁通的值。的值。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC电枢电阻调速电枢电阻调速不经济，调速范围有限，很少
35、采用。不经济，调速范围有限，很少采用。调节电枢电压调节电枢电压（调压调速）（调压调速）时，直流电机机械特性时，直流电机机械特性为一组平行线，只改变电机的理想转速为一组平行线，只改变电机的理想转速n n0 0 ，保持了，保持了原有较硬的机械特性，所以原有较硬的机械特性，所以调压调速调压调速主要用于主要用于伺服伺服进给驱动系统电机的调速进给驱动系统电机的调速如如果果nn值值较较大大，不不可可能能实实现现宽宽范范围围的的调调速速。永永磁磁式式直直流流伺伺服服电电机机的的nn值值较较小小，因因此此，进进给给系系统统常常采采用永磁式直流电机用永磁式直流电机。 7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流
36、伺服电机及其速度控制CNC调调节节磁磁通通（调调磁磁调调速速）不不但但改改变变了了电电机机的的理理想想转转速速，而而且且使使直直流流电电机机机机械械特特性性变变软软，所所以以调调磁调速磁调速主要用于主要用于机床主轴电机机床主轴电机调速。调速。 7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC7.3.3 直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式直流电机速度控制单元常采用的调速方法：直流电机速度控制单元常采用的调速方法： 晶闸管（可控硅）调速系统晶闸管（可控硅）调速系统 晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWMPWM）调速系统。）调速系统。
37、7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC1 1晶闸管调速系统晶闸管调速系统7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制速度控制电压速度控制电压电枢电压电枢电压CNCU*n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+-UnInI*n+-US直流双环直流双环调速系统调速系统7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC主回路主回路：二组反并接，：二组反并接， 分别实现正转和反转分别实现正转和反转原理原理：三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部：三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部分
38、内又分成共阴极组（分内又分成共阴极组（1111、1313、1515）和共阳极组（）和共阳极组（1212、1414、1616）。为构成回路，共阴极组和共阳极组中必须）。为构成回路，共阴极组和共阳极组中必须各有一个可控硅同时导通。只要改变可控硅触发角各有一个可控硅同时导通。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，（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。从而改变直流伺服电机的转速。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC2PWM调速控制系统调速控制系统控控制制电电路路简简单单，不不需需附附加加关关断断电电路
39、路，开开关关特特性性好好。 广广泛泛应应用用中中、小功率直流伺服系统小功率直流伺服系统周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压Ut周期不变7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC直流电机电压的平均值直流电机电压的平均值: : T脉冲周期，脉冲周期， Ton导通时间导通时间7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC脉宽调制（脉宽调制（PWMPWM）系统组成：）系统组成：速度调节器电流反馈脉宽调制基极驱动功放振荡器 电流调节器M速度指令 三相交流电整流速度反馈UsrU USCSCUUU Ub b7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电
40、机及其速度控制CNC脉宽调制器脉宽调制器作用：将电压量转换成可由控制信号调节的矩形脉作用：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。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）和组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放大器。比较放大器。原理：以三角波发生器为例介绍原理：以三角波发生器为例介绍 7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNCR1+12VUSCR1R3R2+-12VU S rU -U USrSr 速度指令转化过速度指令转化过
41、 来的直流电压来的直流电压U U- - 三角波三角波U USCSC- - 脉宽调制器的输出（脉宽调制器的输出（U US S r r+ +U U）调制波形图调制波形图ttU S r +U +U S roo-U S rttUS r为正时USr为负时U S r +U ttUSr为0时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7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC开关功率放大器开关功率放大器是脉宽调制速度单元的主回路是脉宽调制速度单元的主回路结构：有两种形式：结构：有两种形式：H型（桥式）、型（桥式）、T型。每种电
42、路型。每种电路又有单极性工作方式和双极性工作方式，各种不同又有单极性工作方式和双极性工作方式，各种不同的工作方式又可组成可逆开关放大电路和不可逆开的工作方式又可组成可逆开关放大电路和不可逆开关放大电路关放大电路 。可逆可逆H H型双极式型双极式PWMPWM开关功率放大器为例开关功率放大器为例7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC可逆可逆H H型双极式型双极式PWMPWM开关功率放大器开关功率放大器USABD1D2D3D4MT1T2T4T3UdUABUb2Ub3OttUb1Ub 4Ot1TUS -USOttidid1id2id1id2O7.3 7.3 直流伺服电机
43、及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNCUSABD1D2D3D4MT1T2T4T3UdUABUb2Ub3OttUb1Ub 4Ot1TUS -USOttidid1id2id1id2O电机正转、反转、停止：电机正转、反转、停止：由正、负由正、负驱动电压脉冲宽窄定。驱动电压脉冲宽窄定。当当正正脉冲较宽时，即脉冲较宽时，即t t11T/2T/2，平均电压为正，电机正转；，平均电压为正，电机正转；当当正正脉冲较窄时，脉冲较窄时，t t11T/2 T/2 ，平均电压为负，电机反转；，平均电压为负，电机反转；正负正负脉冲宽度相等，脉冲宽度相等，t t1=1=T/2 T/2 ，平均电压为零，电机停转。，平均
44、电压为零，电机停转。电机速度的改变：电机速度的改变：电电枢枢平平均均电电压压U UABAB越越大大转转速速越越高高。U UABAB由由驱驱动动电电压压脉脉冲冲宽宽度度决决定。定。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC 电刷和换向有磨损，有时会产生火花；电刷和换向有磨损，有时会产生火花； 换向器由多种材料制成，制作工艺复杂；换向器由多种材料制成，制作工艺复杂； 电机最高速度受限制；电机最高速度受限制； 结构复杂，成本较高，结构复杂，成本较高， 所以在使用上受到一定的限制。所以在使用上受到一定的限制。7.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统直
45、流电机缺点：直流电机缺点：CNC7.4.1 交流伺服电机的分类与特点交流伺服电机的分类与特点数控机床上应用的交流电机一般都为三相。数控机床上应用的交流电机一般都为三相。分：异步型和同步型交流伺服电机。分：异步型和同步型交流伺服电机。从从建建立立所所需需气气隙隙磁磁场场的的磁磁势势源源来来说说，同同步步型型交交流流电电机分：电磁式及非电磁式两大类。机分：电磁式及非电磁式两大类。非电磁式有磁滞式、永磁式和反应式多种。非电磁式有磁滞式、永磁式和反应式多种。7.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统CNC永磁式同步电机永磁式同步电机：优点：结构简单、运行可靠效率高；优点：结构简单
46、、运行可靠效率高；缺点：启动特性欠佳。缺点：启动特性欠佳。与直流电机比：外形尺寸、重量、转子惯量大幅减小与直流电机比：外形尺寸、重量、转子惯量大幅减小与异步交流伺服电机相比：效率高、体积小。与异步交流伺服电机相比：效率高、体积小。7.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统CNC异步型交流伺服电机与同容量的直流电机相比：异步型交流伺服电机与同容量的直流电机相比：优点：重量轻，价格便宜；优点：重量轻，价格便宜；缺点：转速受负载的变化影响较大，不能经济地实现缺点：转速受负载的变化影响较大，不能经济地实现范围较广的平滑调速，范围较广的平滑调速，故故异步型交流伺服电机用在主轴驱动系
47、统中异步型交流伺服电机用在主轴驱动系统中。7.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统CNCVSVS脉冲编码器转子定子接线盒定子三相绕组1永磁式交流同步电机永磁式交流同步电机结构：电机由定子、转子和检测元件组成结构：电机由定子、转子和检测元件组成7.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统CNC永磁式交流同步电机工作原理和性能永磁式交流同步电机工作原理和性能nrns60f1p ns同步转速，同步转速， 转子磁极的轴线与转子磁极的轴线与定子磁极的轴线夹角，定子磁极的轴线夹角，nr转子旋转转速，转子旋转转速，f1交流电源频率（定子交流电源频率（定子供电频率）
48、，供电频率），p定子和转子的极对数定子和转子的极对数 nSNns nr S7.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统CNC2交流主轴电机交流主轴电机( (异步型交流伺服电机异步型交流伺服电机)定子三相绕组通三相交流电，产生旋转磁场，磁场切定子三相绕组通三相交流电，产生旋转磁场，磁场切割转子中的导体，导体感应电流与定子磁场相作用产割转子中的导体，导体感应电流与定子磁场相作用产生电磁转矩，推动转子转动，转速生电磁转矩，推动转子转动，转速nr为为 ns同步转速，同步转速，f1交流电源频率（定子供电频率）交流电源频率（定子供电频率）s转差率，转差率，s=( nsnr)/ ns，p
49、极对数极对数7.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统CNC7.4.3 交流伺服电机的变频调速交流伺服电机的变频调速nrns60f1p 由由上上两两式式可可见见，只只要要改改变变交交流流伺伺服服电电机机的的供供电电频频率率f1 ，即即可可改改变变电电机机转转速速，所所以以交交流伺服电机调速应用最多的是流伺服电机调速应用最多的是变频调速变频调速。变频调速的主要环节是：为交流电机提供变频调速的主要环节是：为交流电机提供变频电源的变频器。变频电源的变频器。变频器分：变频器分：交交交交 变频变频交交直直交交 变频变频7.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统
50、CNC交交交变频交变频：利用可控硅整流器直接将工频交流电（频率利用可控硅整流器直接将工频交流电（频率50Hz）变）变成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输出负脉冲，脉动交流电的基波是所需的变频电压。出负脉冲，脉动交流电的基波是所需的变频电压。该方法所得的交流电波动比较大，且最大频率即为变该方法所得的交流电波动比较大，且最大频率即为变频器输入的工频电压频率。频器输入的工频电压频率。7.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统CNC交交直直交变频：交变频：先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成矩形先将交流电整流成直流电，
51、然后将直流电压变成矩形脉冲波电压，矩形脉冲波的基波是所需的变频电压。脉冲波电压，矩形脉冲波的基波是所需的变频电压。该调频方式所得交流电的波动小，调频范围比较宽，该调频方式所得交流电的波动小，调频范围比较宽，调节线性度好。调节线性度好。7.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统CNC数控机床常采用交数控机床常采用交直直交变频调速。交变频调速。在交在交直直交变频中：交变频中：根根据据中中间间直直流流电电压压是是否否可可调调分分：中中间间直直流流电电压压可可调调PWM逆变器、中间直流电压固定的逆变器、中间直流电压固定的PWM逆变器；逆变器；根根据据中中间间直直流流电电路路储储能
52、能元元件件是是大大电电容容还还是是大大电电感感分分：电压型逆变器、电流型逆变器电压型逆变器、电流型逆变器SPWMSPWM（正正弦弦波波PWMPWM）变变频频器器是是目目前前应应用用最最广广、最最基基本本的的一一种种交交直直交交型型电电压压型型变变频频器器，在在交交流流调调速速系系统中获得广泛应用统中获得广泛应用。 7.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统CNCSPWMSPWM变压变频器变压变频器调制原理（以单相为例）调制原理（以单相为例）正正弦弦脉脉宽宽调调制制（SPWMSPWM）波波形形: :与与正正弦弦波波等等效效的的一一系系列列等幅不等宽的矩形脉冲波。等幅不等宽的
53、矩形脉冲波。等等效效原原理理：把把正正弦弦波波分分成成n n等等分分，每每一一区区间间面面积积用用与与其其相相等等的的等等幅幅不不等等宽宽的的矩矩形面积代替。形面积代替。正正弦弦波波的的正正负负半半周周均均如如此此处理处理。uttuOOa)b)7.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统CNCSPWMSPWM控制波的生成控制波的生成: :正弦波正弦波三角波调制三角波调制Q Q：电压比较器：电压比较器U UR R：由指令脉冲转换来的：由指令脉冲转换来的U U ：三角波发生器：三角波发生器电路原理示意图电路原理示意图7.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系
54、统CNC指令指令脉冲脉冲转换转换来的来的信号信号三相三相SPWM控制电路框图控制电路框图 7.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统CNC整流器整流器将三相工频交流电变成直流电将三相工频交流电变成直流电逆变器逆变器将整流电路输出的直流电压逆变成三相交流电，将整流电路输出的直流电压逆变成三相交流电，驱动电机运行驱动电机运行 主回路主回路7.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统CNCuAuBu tuC50HzD1D2D3D4D5D6D6D8D9D10D11T1T2T3T4T5T6uB1uB2uB3uB4uB5uB6uAuPu0Au u uA A: :由
55、指令脉冲转换来的由指令脉冲转换来的指令脉冲转指令脉冲转换来的信号换来的信号 7.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统CNC7.4.4 交流伺服电机的矢量控制交流伺服电机的矢量控制矢矢量量控控制制( (磁磁场场定定向向控控制制) )是是德德国国F FBlascheBlasche于于19711971年提出的。年提出的。交交流流伺伺服服电电机机可可以以利利用用SPWMSPWM进进行行矢矢量量变变频频调调速速控控制制，使使得得交交流流调调速速获获得得如如同同直直流流调调速速同同样样优优良良的的理理想想性性能。能。经经过过3030多多年年的的工工业业实实践践的的考考验验、改改进进
56、和和提提高高，目目前前广泛应用工业生产实践中。广泛应用工业生产实践中。 7.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统CNC1 1矢量控制的基本原理矢量控制的基本原理 交流电机矢量控制的基本思想：交流电机矢量控制的基本思想：利利用用“等等效效”概概念念，将将三三相相交交流流电电机机输输入入的的电电流流（矢矢量量）变变换换为为等等效效的的直直流流电电机机中中彼彼此此独独立立的的励励磁磁电电流流和和电电枢枢电电流流（标标量量），建建立立起起交交流流电电机机的的等等效效数数学学模模型型，然然后后通通过过对对这这两两个个量量的的反反馈馈控控制制，实实现现对对电电机机的的转转矩矩控控制
57、制；再再通通过过相相反反的的变变换换，将将被被控控制制的的等等效效直直流流电电机机还还原原为为三三相相交交流流电电机机，那那么么三三相相交交流流电电机机的的调调速速性性能能就就完完全全体体现现了了直直流流电电机机的的调调速速性性能。能。等效变换的准则：等效变换的准则：变换前后必须产生同样的旋转磁场。变换前后必须产生同样的旋转磁场。 7.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统CNC2 2矢量控制的等效过程矢量控制的等效过程（1 1）三相）三相/ /二相变换二相变换 将将三三相相交交流流电电机机变变换换为为等等效效的的二二相相交交流流电电机机以以及及与与其相反的变换。其相反的
58、变换。采采用用的的方方法法：把把异异步步电电动动机机的的A A、B B、C C三三相相坐坐标标系系的的交流量变换为交流量变换为-两相固定坐标系的交流量两相固定坐标系的交流量 （2 2）矢量旋转变换）矢量旋转变换将二相交流电机变换为等效的直流电机。将二相交流电机变换为等效的直流电机。 7.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统CNC7.5.1 直线电机的特点直线电机的特点机机床床进进给给系系统统采采用用直直线线电电机机直直接接驱驱动动，与与原原旋旋转转电电机机传动方式的最大传动方式的最大区别区别是：是：取取消消了了从从电电机机到到工工作作台台（拖拖板板）之之间间的的机机械械
59、中中间间传传动动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零，环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零，故这种传动方式称为故这种传动方式称为“直接驱动直接驱动”，也称，也称“零传动零传动”。直直接接驱驱动动避避免免了了丝丝杠杠传传动动中中的的反反向向间间隙隙、惯惯性性、摩摩擦擦力和刚性不足等缺点。力和刚性不足等缺点。 7.5直线电机及其在数控机床中的应用简介直线电机及其在数控机床中的应用简介 CNC7.5直线电机及其在数控机床中的应用简介直线电机及其在数控机床中的应用简介 CNC7.5.2 直线电机的基本结构和分类直线电机的基本结构和分类感应式旋转电机演变为直线电机的过程感应式旋转电机演变为直线电机的
60、过程 7.5直线电机及其在数控机床中的应用简介直线电机及其在数控机床中的应用简介 CNC由永磁旋转电机演变为直线电机的过程由永磁旋转电机演变为直线电机的过程 7.5直线电机及其在数控机床中的应用简介直线电机及其在数控机床中的应用简介 CNC旋旋转转电电机机演演变变为为圆圆筒筒型型直直线线电机的过程电机的过程 7.5直线电机及其在数控机床中的应用简介直线电机及其在数控机床中的应用简介 CNC弧型直线电机弧型直线电机 圆盘型直线电机圆盘型直线电机 7.5直线电机及其在数控机床中的应用简介直线电机及其在数控机床中的应用简介 CNC直线电机的基本工作原理直线电机的基本工作原理 直线电机不仅在结构上相当
61、于是从旋转电机演变而直线电机不仅在结构上相当于是从旋转电机演变而来的，而且其工作原理也与旋转电机相似。来的，而且其工作原理也与旋转电机相似。 7.5直线电机及其在数控机床中的应用简介直线电机及其在数控机床中的应用简介 CNC数控机床进给伺服系统是位置随动系统，需要对位数控机床进给伺服系统是位置随动系统，需要对位置和速度进行精确控制，通过对位置环、速度环、置和速度进行精确控制，通过对位置环、速度环、电流环的控制来实现。电流环的控制来实现。7.6 位置控制位置控制 CNC根据对位置环、速度环和电流环的控制是软件还是根据对位置环、速度环和电流环的控制是软件还是硬件来实现，可将伺服系统分为：硬件来实现
62、，可将伺服系统分为：混合式伺服系统混合式伺服系统和和全数字式伺服系统全数字式伺服系统。混合式伺服系统混合式伺服系统通过软件实现位置环控制，通过硬通过软件实现位置环控制，通过硬件实现速度环和电流环的控制，是一种软硬结合、件实现速度环和电流环的控制，是一种软硬结合、数字信号和模拟信号结合的混合系统。数字信号和模拟信号结合的混合系统。对于对于混合式伺服系统混合式伺服系统，根据位置比较方式的不同，根据位置比较方式的不同，分为：分为：数字脉冲比较伺服系统数字脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统。7.6 位置控制位置控制 全数字伺服系统全数字伺服系统用计算机
63、软件实现数控系统中位置用计算机软件实现数控系统中位置环、速度环和电流环的控制，即系统中的控制信息环、速度环和电流环的控制，即系统中的控制信息全用数字量处理。全用数字量处理。CNC7.6.1 相位比较伺服系统相位比较伺服系统特特点点：将将指指令令脉脉冲冲信信号号和和位位置置检检测测反反馈馈信信号号都都转转换换为为相相应应的的同同频频率率的的某某一一载载波波的的不不同同相相位位的的脉脉冲冲信信号号，在在位位置置控控制制单单元元进进行行相相位位比比较较，相相位位差差反反映映了了指指令令位位置置与实际位置的偏差。与实际位置的偏差。相位比较伺服系统的相位比较伺服系统的位置检测元件位置检测元件采用采用旋转
64、变压器旋转变压器、感应同步器感应同步器或或磁栅磁栅，这些装置工作在相位工作状态。，这些装置工作在相位工作状态。7.6 位置控制位置控制 CNC采用感应同步器作为位置检测元件的相位比较伺采用感应同步器作为位置检测元件的相位比较伺服系统原理框图服系统原理框图 7.6 位置控制位置控制 CNC脉冲调相器脉冲调相器作用：作用：通过对基准脉冲通过对基准脉冲f f0 0进行分频，产生基准脉冲信号进行分频，产生基准脉冲信号P P00，由，由P P00形成感应同步器正、余弦励磁绕组的形成感应同步器正、余弦励磁绕组的励磁信号励磁信号P Ps s、P Pc c，P Ps s、P Pc c的频率与的频率与P P00
65、频率相同，频率相同，感应电压感应电压U Ud d的相位的相位f f随工作台的移动而相对于基随工作台的移动而相对于基准相位准相位0 0有超前或滞后；有超前或滞后；通过对指令脉冲通过对指令脉冲F Fc c的加、减，再通过分频产生相的加、减，再通过分频产生相位超前或滞后于位超前或滞后于P P00的指令相位脉冲的指令相位脉冲P Pcc。7.6 位置控制位置控制 CNC7.6 位置控制位置控制 CNC数字移相的工作原理数字移相的工作原理: :设分频器由设分频器由4个二进制计个二进制计数触发器数触发器T0T3组成，分频数组成，分频数m2416，即，即每输入每输入16个脉冲产生一个溢出脉冲信号。个脉冲产生一
66、个溢出脉冲信号。7.6 位置控制位置控制 CNC7.6 位置控制位置控制 CNC分频数分频数m16，则每个指令脉冲产生了，则每个指令脉冲产生了3601622.5的相移；的相移；m2000，则每个指令脉冲产生了则每个指令脉冲产生了36020000.18的相移；的相移；7.6 位置控制位置控制 例如例如:0.001mm，感应同步器节距，感应同步器节距22mm，则单位脉冲所对应的相移角？则单位脉冲所对应的相移角？此时分频数此时分频数m3600.182000，分频器输入的，分频器输入的基准脉冲频率将是励磁频率的基准脉冲频率将是励磁频率的m倍。若本例感应同步倍。若本例感应同步器励磁频率取器励磁频率取10
67、kHz，分频系数，分频系数2000，则基准频率，则基准频率f0200010kHz20MHz。36020.00l36020.18CNC基准分频通道输出两路频率和幅值相同、相位差基准分频通道输出两路频率和幅值相同、相位差90的电压信号，以供给感应同步器滑尺的正、余的电压信号，以供给感应同步器滑尺的正、余弦绕组励磁。弦绕组励磁。实现：最后一级触发器的输入脉冲相差实现：最后一级触发器的输入脉冲相差180，经，经2分频后，输出的脉冲信号分频后，输出的脉冲信号Ps、Pc相位互差相位互差90。 7.6 位置控制位置控制 CNC鉴相器鉴相器（相位比较器）（相位比较器）作用作用：鉴别指令信号与反馈信号的相位，判
68、别两者之间的鉴别指令信号与反馈信号的相位，判别两者之间的相位差及其相位超前、滞后的关系，并把它变成相相位差及其相位超前、滞后的关系，并把它变成相应的误差电压信号作为速度单元的输入信号。应的误差电压信号作为速度单元的输入信号。鉴相器的鉴相器的结构形式结构形式很多，根据信号波形的不同，常很多，根据信号波形的不同，常用的鉴相器有两种类型：用的鉴相器有两种类型：二极管型鉴相器（变压器型），可以鉴别正弦波信二极管型鉴相器（变压器型），可以鉴别正弦波信号之间的相位差；号之间的相位差；门电路型鉴相器（触发器型鉴相器），可以鉴别方门电路型鉴相器（触发器型鉴相器），可以鉴别方波信号之间的相位差。波信号之间的相位
69、差。7.6 位置控制位置控制 CNC鉴相器输出信号通常为脉宽调制波，需滤波、整流，鉴相器输出信号通常为脉宽调制波，需滤波、整流，变换为电压信号，以作为速度控制信号变换为电压信号，以作为速度控制信号U Un n* *。同时，鉴相器判别出脉冲移相和位置检测所得的脉冲同时，鉴相器判别出脉冲移相和位置检测所得的脉冲信号的超前、滞后的关系，使得速度控制信号在输入信号的超前、滞后的关系，使得速度控制信号在输入正向指令脉冲时为正，反向指令时为负。正向指令脉冲时为正，反向指令时为负。 7.6 位置控制位置控制 CNC7.6.2 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统以位置检测信号的以位置检测信号的幅值大小幅值大小来
70、反映机械位移的数值，来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较，构成并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较，构成半闭环控制系统，简称幅值伺服系统。半闭环控制系统，简称幅值伺服系统。与相位伺服系统相比，最显著的与相位伺服系统相比，最显著的区别：区别：位置检测元件工作在幅值工作方式，感应同步器、旋位置检测元件工作在幅值工作方式，感应同步器、旋转变压器和磁栅转变压器和磁栅比较器比较的是数字脉冲量，不是相位信号，所以不比较器比较的是数字脉冲量，不是相位信号，所以不需要基准信号。需要基准信号。 7.6 位置控制位置控制 CNC检测元件采用旋转变压器时，在幅值比较过程中，工检测元件采
71、用旋转变压器时，在幅值比较过程中，工作台不断移动，通过变换，反馈脉冲不断产生，经脉作台不断移动，通过变换，反馈脉冲不断产生，经脉冲比较得到偏差脉冲，直至指令脉冲等于反馈脉冲、冲比较得到偏差脉冲，直至指令脉冲等于反馈脉冲、偏差脉冲为零，工作台停止在指令要求的位置上。偏差脉冲为零，工作台停止在指令要求的位置上。7.6 位置控制位置控制 采用旋转变压器作为位置检测元件的幅值比较伺服采用旋转变压器作为位置检测元件的幅值比较伺服系统原理框图系统原理框图 CNC鉴幅器鉴幅器组成：低通滤波器、放大器和检波器。功能：组成：低通滤波器、放大器和检波器。功能：对位置检测装置输出的代表工作台实际位移的电压对位置检测
72、装置输出的代表工作台实际位移的电压信号进行滤波、放大、检波、整流，变成正、负与信号进行滤波、放大、检波、整流，变成正、负与工作台移动方向相对应、幅值与工作台位移成正比工作台移动方向相对应、幅值与工作台位移成正比的直流电压信号。的直流电压信号。 电压频率变换器电压频率变换器作用：根据输入的电压值，产生作用：根据输入的电压值，产生相应的脉冲。输出一方面作为工作台的实际位移送相应的脉冲。输出一方面作为工作台的实际位移送入比较器，另一方面作为励磁信号送入励磁电路。入比较器，另一方面作为励磁信号送入励磁电路。励励磁磁电电路路：根根据据电电压压频频率率变变换换器器输输出出脉脉冲冲的的多多少少和和方方向向，
73、生生成成检检测测装装置置所所需需的的励励磁磁电电压压信信号号Us和和Uc，电电气气角角的的大大小小由由脉脉冲冲的的多多少少和和方方向向决决定定，Us和和Uc的的频频率率及及周周期期根根据据要要求求可可用用基基准准信信号号的的频频率率和和计计数器的位数调整、控制。数器的位数调整、控制。7.6 位置控制位置控制 CNC7.6 位置控制位置控制 在幅值比较过程中，工作台不断移动，通过变换反馈脉在幅值比较过程中，工作台不断移动，通过变换反馈脉冲不断产生，经脉冲比较得到偏差脉冲，直至指令脉冲冲不断产生，经脉冲比较得到偏差脉冲，直至指令脉冲等于反馈脉冲、偏差脉冲为零，工作台停止在指令要求等于反馈脉冲、偏差
74、脉冲为零，工作台停止在指令要求的位置上。的位置上。采用采用感应同步器感应同步器作为位置检测元件的幅值比较伺服作为位置检测元件的幅值比较伺服系统原理框图系统原理框图 CNC7.6.3 数字脉冲比较伺服系统数字脉冲比较伺服系统 结构较简单，常用光电编码器、光栅作位置检测装置，结构较简单，常用光电编码器、光栅作位置检测装置，以半闭环的控制结构形式较为普遍。以半闭环的控制结构形式较为普遍。 特点：指令脉冲信号与位置检测装置的反馈脉冲信号特点：指令脉冲信号与位置检测装置的反馈脉冲信号在比较器中以在比较器中以脉冲数字脉冲数字的形式进行比较。的形式进行比较。 7.6 位置控制位置控制 采用采用光电编码器光电
75、编码器作为位置检测装置的数字脉冲比较伺作为位置检测装置的数字脉冲比较伺服系统的半闭环控制原理框图服系统的半闭环控制原理框图 CNC7.6.4 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统用计算机软件实现数控系统中位置环、速度环和电流用计算机软件实现数控系统中位置环、速度环和电流环的控制。环的控制。CNCCNC系统直接将插补运算得到的位置指令以数字信号系统直接将插补运算得到的位置指令以数字信号的形式传送给伺服驱动单元，伺服驱动单元本身具有的形式传送给伺服驱动单元，伺服驱动单元本身具有位置反馈和位置控制功能，速度环和电流环都具有数位置反馈和位置控制功能，速度环和电流环都具有数字化测量元件，速度控制和电流控
76、制由专用字化测量元件，速度控制和电流控制由专用CPUCPU独立独立完成，对伺服电机的速度调节也是由微处理器完成。完成，对伺服电机的速度调节也是由微处理器完成。CNCCNC与伺服驱动之间通过通讯联系，采用专用接口芯与伺服驱动之间通过通讯联系，采用专用接口芯片。片。 7.6 位置控制位置控制 CNC可采用以下新技术，通过计算机软件实现最优控制，可采用以下新技术，通过计算机软件实现最优控制，达到同时满足高速度和高精度的要求。达到同时满足高速度和高精度的要求。1 1前馈控制前馈控制2 2预测控制预测控制 3 3学习控制或重复控制学习控制或重复控制普普通通数数控控机机床床的的伺伺服服系系统统根根据据传传统统的的反反馈馈控控制制原原理理设设计计，很很难难达达到到无无跟跟踪踪误误差差控控制制，即即很很难难同同时时达达到到高速度和高精度。高速度和高精度。全全数数字字控控制制伺伺服服系系统统采采用用总总线线通通讯讯方方式式，便便于于机机床床的的安安装装、维维护护，提提高高了了系系统统可可靠靠性性；同同时时，具具有有丰丰富富的的自自诊诊断断、自自测测量量和和显显示示功功能能。在在数数控控机机床床的的伺伺服系统中得到了越来越多的应用。服系统中得到了越来越多的应用。7.6 位置控制位置控制
