1、第四章 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的控制,本章內(nèi)容,第一節(jié) 概述 第二節(jié) 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)及開環(huán)進(jìn)給控制 第三節(jié) 位置檢測(cè)裝置 第四節(jié) 直流、交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置,第一節(jié) 概述,一、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的概念 1、組成： 進(jìn)給伺服系統(tǒng)是以機(jī)床移動(dòng)部件（如工作臺(tái)）的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，通常由伺服驅(qū)動(dòng)裝置、伺服電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件組成。 2、作用： 接受數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)裝置作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機(jī)（直流、交流伺服電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)等）和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給或快速運(yùn)動(dòng)。,一、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的給概念 3、基本技術(shù)要求 1）精度高 伺服系統(tǒng)的精度是

2、指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。在速度控制中，要求高的調(diào)速精度，比較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力。即對(duì)靜、動(dòng)態(tài)精度要求都比較高。 2）穩(wěn)定性好 穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。 對(duì)伺服系統(tǒng)要求有較強(qiáng)的抗干擾能力，保證進(jìn)給速度均勻、平穩(wěn)。 穩(wěn)定性直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。,第一節(jié) 概述,第一節(jié) 概述,一、伺服系統(tǒng)的基本技術(shù)要求 3）快速響應(yīng) 快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。為了保證輪廓切削形狀精度和低的加工表面粗糙度，要求伺服系統(tǒng)跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快。 這一方面要求過渡過程時(shí)間要短，一般在200ms

3、以內(nèi)，甚至小于幾十毫秒； 另一方面要求超調(diào)要小。,一、伺服系統(tǒng)的基本技術(shù)要求 4）調(diào)速范圍寬 數(shù)控機(jī)床中，進(jìn)給伺服系統(tǒng)的調(diào)速范圍與伺服系統(tǒng)的分辨率有關(guān)。 一般的調(diào)速范圍要求在脈沖當(dāng)量為0.001mm時(shí)達(dá)到0-24m/min。 要求有較寬的無級(jí)調(diào)速范圍，在低速時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)無爬行。,第一節(jié) 概述,第一節(jié) 概述,二、分類 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：永磁直流伺服電動(dòng)機(jī) 交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：永磁交流伺服電動(dòng)機(jī),反應(yīng)式 混合式,第一節(jié) 概述,三、位置伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開環(huán)、閉環(huán)控制 開環(huán)控制系統(tǒng) 半閉環(huán)控制系統(tǒng),以步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，沒有位置和速度檢測(cè)元件及反饋，位置控制精度完全由進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度及

4、電氣控制精度決定，控制精度低。,以伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，有測(cè)速元件和位置檢測(cè)。通過測(cè)量滾珠絲杠的角位移間接測(cè)量出工作臺(tái)的直線位移。通過對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償，可獲得很高的位置控制精度，系統(tǒng)的穩(wěn)定性易得到保證。,三、位置伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開環(huán)、閉環(huán)控制 全閉環(huán)控制系統(tǒng),第一節(jié) 概述,位置檢測(cè)裝置安裝在工作臺(tái)上，直接反映工作臺(tái)的直線位移，位置控制精度比半閉環(huán)高，控制原理同半閉環(huán)。由于受導(dǎo)軌摩擦系數(shù)、傳動(dòng)的潤(rùn)滑狀況，傳動(dòng)間隙大小等因素的影響，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不如半閉環(huán)。,混合閉環(huán)控制系統(tǒng)：有開環(huán)補(bǔ)償型和半閉環(huán)補(bǔ)償型,第二節(jié) 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)及開環(huán)進(jìn)給控制,一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種把電脈沖轉(zhuǎn)換成角位移

5、的電動(dòng)機(jī)。用專用的驅(qū)動(dòng)電源向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)供給一系列的且有一定規(guī)律的電脈沖信號(hào)，每輸入一個(gè)電脈沖，步進(jìn)電機(jī)就前進(jìn)一步，其角位移與脈沖數(shù)成正比，電機(jī)轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，而且轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向與各相繞組的通電方式有關(guān)。 按通電順序不同，其運(yùn)行方式有三相 單三拍、三相雙 三拍和三相單雙六拍三種。,一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理,1、三相三拍控制,定子繞組按ABCA的順序輪流通電， 轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，按ACBA的順序通電，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針反向旋轉(zhuǎn)。每輸入一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1/3齒距，步距角為30 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于控制繞組與電源接通和斷開的脈沖變化頻率。,錄相,一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理,2、三相雙三拍控制,每次都

6、是兩相通電，即按 A，B B，C C，A A，B的順序通電，則稱雙三拍方式，步距角為30。,一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理,3、三相六拍控制,如果單三拍和雙三拍相間通電，即按 AA，BB B，CCC，AA順序通電， 稱為三相六拍方式。此時(shí)每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1/6齒距，步距角為15。,4、結(jié)構(gòu) 電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子鐵心通常由硅鋼片疊成。定子和轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒。定子上有A、B、C三對(duì)磁極，在相對(duì)應(yīng)的磁極上繞有A、B、C三向控制繞組。其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開。,一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理,展開圖,結(jié)構(gòu)圖,二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源,1、脈沖分配控制 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路完成由弱電到強(qiáng)電的轉(zhuǎn)換

7、和放大，也就是將邏輯電平信號(hào)變換成電機(jī)繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號(hào)。 驅(qū)動(dòng)控制電路由環(huán)形分配器和功率放大器組成。環(huán)形分配器是用于控制步進(jìn)電機(jī)的通電方式的，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按照一定的順序和分配方式加到功率放大器上，控制各相繞組的通電、斷電。 環(huán)形分配器功能可由硬件或軟件產(chǎn)生，硬件環(huán)形分配器是根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和控制方式設(shè)計(jì)的,演示,二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源,1、脈沖分配控制硬件（環(huán)形分配器）,三相硬件環(huán)形分配器的驅(qū)動(dòng)控制,二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源,1、脈沖分配控制硬件（環(huán)形分配器）,三相六拍環(huán)形分配器,當(dāng)DIR=“1”時(shí)，每來一個(gè)脈沖（CLK）則電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)一步； 當(dāng)

8、DIR=“0”時(shí)，每來一個(gè)脈沖（CLK）則電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)一步。,二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源,2、驅(qū)動(dòng)放大電路 作用：將環(huán)形分配器發(fā)出的TTL電平信號(hào)放大至幾安培到十幾安培的電流，送至步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各繞組。 控制電路：?jiǎn)坞妷汉?jiǎn)單驅(qū)動(dòng)、高低壓切換驅(qū)動(dòng)、高壓恒流斬波、調(diào)頻調(diào)壓、細(xì)分驅(qū)動(dòng)等。,單電壓簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng),2、驅(qū)動(dòng)放大電路,二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源,特點(diǎn)： 通過提高驅(qū)動(dòng)電壓加速電流的上升，通過串聯(lián)大功率電阻限制穩(wěn)態(tài)電流。 但驅(qū)動(dòng)電路體積大，發(fā)熱嚴(yán)重。,高低壓驅(qū)動(dòng)原理,2、驅(qū)動(dòng)放大電路,二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源,特點(diǎn)： 高壓充電，低壓維持。,3、細(xì)分驅(qū)動(dòng) 將一個(gè)步距角細(xì)分成若干點(diǎn)步的驅(qū)動(dòng)方式稱細(xì)分驅(qū)動(dòng)。 特點(diǎn)

9、：在不改動(dòng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，使步距角減小。 要實(shí)現(xiàn)細(xì)分，需將繞組中的矩形電流波改成階梯電流波。,二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源,細(xì)分電流波形,三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的進(jìn)給控制,1、軟件脈沖分配的控制 計(jì)算機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，使用軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配。常用查表法。,軟環(huán)分驅(qū)控制,三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的進(jìn)給控制,1、軟件脈沖分配的控制查表法 對(duì)于三相六拍環(huán)形分配器，每當(dāng)接收到一個(gè)進(jìn)給脈沖指令，環(huán)形分配器軟件根據(jù)下表所示真值表，按順序及方向控制輸出接口將A、B、C的值輸出即可。,三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的進(jìn)給控制,2、速度控制 進(jìn)給脈沖頻率f定子繞組通電/斷電狀態(tài)變化頻率f 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速 工作臺(tái)的進(jìn)給速度V。 V=60

10、f 硬件環(huán)分：控制CLK的頻率，控制電動(dòng)機(jī)的速度。 軟件環(huán)分：控制相鄰兩次軟件環(huán)分狀態(tài)之間的延時(shí)時(shí)間，可電動(dòng)機(jī)線圈通電狀態(tài)的變化頻率。,1、步距角s 每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，以s表示。 步距誤差是指步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子每一步實(shí)際轉(zhuǎn)過的角度與理論步距角之差值。,m電機(jī)相數(shù)； Z轉(zhuǎn)子齒數(shù)； K系數(shù)，相鄰兩次通電相數(shù)相同，K1； 相鄰兩次通電相數(shù)不同，K2。,四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性,四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性,2、矩角特性與最大靜轉(zhuǎn)矩,如果在電機(jī)軸上外加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mz，轉(zhuǎn)子會(huì)偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，角度稱為失調(diào)角。有失調(diào)角之后，步進(jìn)電機(jī)就產(chǎn)生一個(gè)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩

11、（也稱為電磁轉(zhuǎn)矩），這時(shí)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系叫矩角特性，近似為正弦曲線。該矩角特性上的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。,四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性,3、啟動(dòng)頻率 空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然起動(dòng)，并進(jìn)入不失步的正常運(yùn)行的最高頻率，稱為啟動(dòng)頻率或突跳頻率，加給步進(jìn)電機(jī)的指令脈沖頻率如大于啟動(dòng)頻率，就不能正常工作。步進(jìn)電機(jī)在帶負(fù)載（尤其是慣性負(fù)載）下的啟動(dòng)頻率比空載要低。而且，隨著負(fù)載加大（在允許范圍內(nèi)），啟動(dòng)頻率會(huì)進(jìn)一步降低。 4、 連續(xù)運(yùn)行頻率 步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)后，其運(yùn)行速度能根據(jù)指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運(yùn)行頻率。其值遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率，它也隨著電機(jī)所

12、帶負(fù)載的性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)動(dòng)電源也有很大關(guān)系。,四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性,5、矩頻特性與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩 矩頻特性是描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系，該特性上每一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，若輸入脈沖頻率逐漸增加，則電動(dòng)機(jī)所能帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩將逐漸下降。在使用時(shí)，一定要考慮動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而下降的特點(diǎn)。,矩頻特性,f/Hz,Mq,O,四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇,步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來了。 1、確定電機(jī)類型。 2、選擇脈沖當(dāng)量、步距角。 開環(huán)控制系統(tǒng)中，脈沖當(dāng)量是衡量機(jī)床

13、加工精度的一個(gè)基本參數(shù)，是機(jī)床的最小設(shè)定單位。 3、速比的確定。 s步距角() h絲杠導(dǎo)程(mm) 脈沖當(dāng)量(mm/脈沖),4、靜力矩的選擇 1）計(jì)算工作臺(tái)，絲桿以及齒輪折算至電機(jī)軸上的慣量Jt。 一級(jí)變速時(shí) 其中：Jt -折算至電機(jī)軸上的慣量(Kg.cm.s2) J1、J2 -齒輪慣量(Kg.cm.s2) Js -絲杠慣量(Kg.cm.s2) W-工作臺(tái)重量（N） h -絲桿螺距（cm）,四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇,4、靜力矩的選擇 2）計(jì)算電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩 電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩在各種工作情況下是不同的，如快速空載起動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩、快速進(jìn)給時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩、最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩等。 對(duì)于數(shù)控機(jī)床常用快速空載起

14、動(dòng)力矩作為選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的依據(jù)。 快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩： Mq=Ma+Mf+M0 要求:MMq/，同時(shí)應(yīng)保證最大切削負(fù)載力矩0.5倍Mjamx 最后用起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性曲線檢查步進(jìn)電機(jī)型號(hào)是否符合要求。,四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇,其中Ma=（Jm+Jt）.n/T1.02102 Ma -電機(jī)啟動(dòng)加速力矩（N.m） Jm、Jt-電機(jī)自身慣量與負(fù)載慣量(Kg.cm.s2) n-電機(jī)所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速（r/min） T-電機(jī)升速時(shí)間（s） 其中Mf=（W+G）h)/(2i)102 Mf-折算至電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩（N.m） -摩擦系數(shù) -傳遞效率 基中M0=(Fp0.h)（1-02）/(2i)102

15、M0-附加磨擦力矩（N.m） Fp0滾珠絲杠預(yù)加負(fù)荷，一般取進(jìn)給牽引力的1/3(N) 0-滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率,一般0.9,四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇,第三節(jié) 位置檢測(cè)裝置,一、概述 1、組成： 位置測(cè)量裝置是由檢測(cè)元件（傳感器）和信號(hào)處理裝置組成的。 2、作用： 實(shí)時(shí)測(cè)量執(zhí)行部件的位移和速度信號(hào)，并變換成位置控制單元所要求的信號(hào)形式，將運(yùn)動(dòng)部件現(xiàn)實(shí)位置反饋到位置控制單元，以實(shí)施閉環(huán)控制。 分辨率：所能測(cè)量的最小位移量。 3、數(shù)控系統(tǒng)中的檢測(cè)裝置分為位移、速度和電流三種類型。,一、概述,4、直接測(cè)量和間接測(cè)量 位置傳感器有直線式和旋轉(zhuǎn)式兩大類。若位置傳感器所測(cè)量的對(duì)象就是被測(cè)量本身，即用直線式

16、傳感器測(cè)直線位移，用旋轉(zhuǎn)式傳感器測(cè)角位移，則該測(cè)量方式為直接測(cè)量。 若旋轉(zhuǎn)式位置傳感器測(cè)量的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)只是中間值，再由它推算出與之關(guān)聯(lián)的移動(dòng)部件的直線位移，則該測(cè)量方式為間接測(cè)量。 5、要求 在機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)范圍內(nèi)，能滿足精度和速度的要求。 可靠，抗干擾性強(qiáng)、使用維護(hù)方便、成本低等。,間接測(cè)量示例,一、概述,直接測(cè)量示例,一、概述,光柵,二、光電編碼器,1、簡(jiǎn)介： 光電編碼器是一種回轉(zhuǎn)式數(shù)字測(cè)量元件，通常裝在被檢測(cè)軸上，隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，可將被測(cè)軸的角位移轉(zhuǎn)換為增量脈沖形式或絕對(duì)式的代碼形式。,轉(zhuǎn)軸,碼盤及狹縫,光敏元件,批示光柵及辨向用的A、B狹縫,光源,AB,C,零位標(biāo)志,二、光電編碼器,2

17、、工作原理,光電編碼器的指示光柵上有A組與B組兩組狹縫，彼此錯(cuò)開1/4節(jié)距，兩組狹縫相對(duì)應(yīng)的光敏元件所產(chǎn)生的信號(hào)A、 B彼此相差90相位，用于辯向。,二、光電編碼器工作原理,A、B兩相的作用 根據(jù)脈沖的數(shù)目可得出被測(cè)軸的角位移； 根據(jù)脈沖的頻率可得被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速； 根據(jù)A、B兩相的相位超前滯后關(guān)系可判斷被測(cè)軸旋轉(zhuǎn)方向。 后續(xù)電路可利用A、B兩相的90相位差進(jìn)行細(xì)分處理（四倍頻電路實(shí)現(xiàn)）。,二、光電編碼器,碼盤里圈，還有一根狹縫C，每轉(zhuǎn)能產(chǎn)生一個(gè)脈沖，該脈沖信號(hào)又稱“一轉(zhuǎn)信號(hào)”或零標(biāo)志脈沖，作為測(cè)量的起始基準(zhǔn)。 C相的作用 被測(cè)軸的周向定位基準(zhǔn)信號(hào)； 被測(cè)軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)記數(shù)信號(hào),C,利用編碼器測(cè)量伺

18、服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角，并通過伺服控制系統(tǒng)控制其各種運(yùn)行參數(shù)。,二、光電編碼器在伺服電機(jī)中的應(yīng)用,二、光電編碼器刀庫(kù)選刀控制中的應(yīng)用,角編碼器的輸出為當(dāng)前刀具號(hào),三、光柵,1、光柵的種類 數(shù)控機(jī)床上用計(jì)量光柵。計(jì)量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類，均由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。計(jì)量光柵按形狀又可分為長(zhǎng)光柵和圓光柵。,三、光柵,2、透射光柵的結(jié)構(gòu) 光柵傳感器是由光源、透鏡、主光柵、指示光柵和光電接收元件組成,主光柵，是測(cè)量的基準(zhǔn)，另一塊光柵為指示光柵，在使用長(zhǎng)光柵尺的數(shù)控機(jī)床中，標(biāo)尺光柵往往固定在床身上不動(dòng)，而指示光柵隨拖板一起移動(dòng)。標(biāo)尺光柵的尺寸常由測(cè)量范圍確定，指示光柵則為一小塊

19、，只要能滿足測(cè)量所需的莫爾條紋數(shù)量即可。,2、透射光柵的結(jié)構(gòu) 在直光柵中，若a為刻線寬度，b為縫隙寬度，則a+b稱為光柵的柵距(也稱光柵常數(shù))。通常ab，或a:b1.1:0.9。線紋密度一般為每毫米100、50、25和10線。,三、光柵,3、莫爾條紋的產(chǎn)生,三、光柵,3、莫爾條紋的產(chǎn)生,三、光柵,三、光柵,4、莫爾條紋的特性 放大性： W=/，夾角很小 W 光學(xué)放大 提高靈敏度 莫爾條紋移動(dòng)與柵距成比例： 光柵移動(dòng)一個(gè)柵距 莫爾條紋沿垂直方向移動(dòng)一個(gè)間距W 準(zhǔn)確性： 大量刻線 誤差平均效應(yīng) 克服個(gè)別/局部誤差 提高精度 在一個(gè)柵距內(nèi)，光電元件所檢測(cè)的光強(qiáng)變化為正弦（或余弦）變化。,三、光柵,5

20、、光柵尺的輸出信號(hào)與測(cè)量電路 光柵讀數(shù)頭組成：光源、聚光透鏡、指示光柵、光敏元件、信號(hào)處理電路（包括放大、整形和鑒向倍頻）。 光柵讀數(shù)頭作用：將莫爾條紋的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)。,三、光柵,5、光柵尺的輸出信號(hào)與測(cè)量電路信號(hào)轉(zhuǎn)變過程,三、光柵,5、光柵尺的輸出信號(hào)與測(cè)量電路信號(hào)轉(zhuǎn)變過程,三、光柵,5、光柵尺的輸出信號(hào)與測(cè)量電路辨向,W,5、光柵尺的輸出信號(hào)與測(cè)量電路辨向,三、光柵,5、光柵尺的輸出信號(hào)與測(cè)量電路脈沖細(xì)分 細(xì)分技術(shù)能在不增加光柵刻線數(shù)及價(jià)格的情況下提高光柵的分辨力。細(xì)分前，光柵的分辨力只有一個(gè)柵距的大小。采用4細(xì)分技術(shù)后，計(jì)數(shù)脈沖的頻率提高了4倍，相當(dāng)于原光柵的分辨力提高了3倍，

21、測(cè)量步距是原來的1/4，較大地提高了測(cè)量精度。,細(xì)分前,細(xì)分后,三、光柵,三、光柵-5、光柵尺的輸出信號(hào)與測(cè)量電路脈沖細(xì)分,光柵在數(shù)控車床上的安裝位置,三、光柵,三、光柵,光柵在數(shù)控鏜銑床上的安裝位置,四、直線感應(yīng)同步器,1、直線感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu),sin,cos,節(jié)距（0.5mm）,定尺,滑尺,2、感應(yīng)同步器的工作原理. 感應(yīng)同步器是利用勵(lì)磁繞組與感應(yīng)繞組間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，由于電磁耦合的變化，感應(yīng)繞組中的感應(yīng)電壓隨位移的變化而變化，借以進(jìn)行位移量的檢測(cè)。 感應(yīng)同步器滑尺上的繞組是勵(lì)磁繞組，定尺上的繞組是感應(yīng)繞組。 定尺固定在床身上，滑尺則安裝在機(jī)床的移動(dòng)部件上。通過對(duì)感應(yīng)電壓的測(cè)量，可以精確地

22、測(cè)量出位移量。,四、直線感應(yīng)同步器,四、直線感應(yīng)同步器,2、感應(yīng)同步器的工作原理.,在勵(lì)磁繞組上加上一定的交變勵(lì)磁電壓，定尺繞組中就產(chǎn)生相同頻率的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其幅值大小隨滑尺移動(dòng)呈余弦規(guī)律變化?；咭苿?dòng)一個(gè)節(jié)距，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化一個(gè)周期。,四、直線感應(yīng)同步器,3、感應(yīng)同步器的信號(hào)處理原理 鑒幅型：通過檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值測(cè)量位移。 鑒相型：通過檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位測(cè)量位移。,四、直線感應(yīng)同步器,1）鑒相方式： 滑尺正旋繞組上加激磁電壓Us后，與之相耦合的定尺繞組上的感應(yīng)電壓為： es=KUsCos=KUmSintCos 滑尺余旋繞組上加激磁電壓Uc后，與之相耦合的定尺繞組上的感應(yīng)電壓為： ec=

23、KUccos（+/2） =KUmSinCost 滑尺正、余旋繞組上同時(shí)加激磁電壓Us、 Uc時(shí)，感應(yīng)同步器的磁路可是為線性的，根據(jù)疊加原理，則與之相耦合的定尺 繞組上的總感應(yīng)電壓為： e =es+ ec=Kumsin（t ） K 電磁感應(yīng)系數(shù) 定尺繞組上的感應(yīng)電壓的相位角,1）鑒相方式： 滑尺與定尺相對(duì)位移量 x 的求?。?W: 2= x : x = W 2 結(jié)論：相對(duì)位移量 x 與 相位角 呈線性關(guān)系，只要能測(cè)出相位角 ，就可求得位移量 x 。,四、直線感應(yīng)同步器,2）鑒幅型 在鑒幅型系統(tǒng)中，激磁電壓是頻率、相位相同，幅值不同的交變電壓： Us= Um sin1sint Uc = Um co

24、s1sint 1= x2 （ x2是指令位移值） 則定尺繞組上總輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 e = Us+ Uc=KUscos1KUcsin1 =KUm sin（1）sint結(jié)論：只要能測(cè)出Us與Uc相位差1 ，就可求得滑尺與定尺 相對(duì)位移量 x 。,四、直線感應(yīng)同步器,幾點(diǎn)說明： 感應(yīng)同步器的測(cè)量周期為其繞組的節(jié)距2（2mm） 感應(yīng)同步器的測(cè)量精度取決于測(cè)量電路對(duì)輸出感應(yīng)電壓的細(xì)分精度。 現(xiàn)在商品化的感應(yīng)同步器的輸出大多是脈沖量，使其能方便 地采用現(xiàn)代的數(shù)字處理技術(shù) 用途： 長(zhǎng)感應(yīng)同步器目前被廣泛地應(yīng)用于大位移靜態(tài)與動(dòng)態(tài)測(cè)量中，例如用于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、程控?cái)?shù)控機(jī)床及高精度重型機(jī)床及加工中測(cè)量裝置等。圓

25、感應(yīng)同步器則被廣泛地用于機(jī)床和儀器的轉(zhuǎn)臺(tái)以及各種回轉(zhuǎn)伺服控制系統(tǒng)中。,四、直線感應(yīng)同步器,感應(yīng)同步器的優(yōu)點(diǎn)是： 具有較高的精度與分辨力。其測(cè)量精度首先取決于印制電路繞組的加工精度，溫度變化對(duì)其測(cè)量精度影響不大。感應(yīng)同步器是由許多節(jié)距同時(shí)參加工作，多節(jié)距的誤差平均效應(yīng)減小了局部誤差的影響。 抗干擾能力強(qiáng)。感應(yīng)同步器在一個(gè)節(jié)距內(nèi)是一個(gè)絕對(duì)測(cè)量裝置，在任何時(shí)間內(nèi)都可以給出僅與位置相對(duì)應(yīng)的單值電壓信號(hào)，因而瞬時(shí)作用的偶然干擾信號(hào)在其消失后不再有影響。平面繞組的阻抗很小，受外界干擾電場(chǎng)的影響很小。,四、直線感應(yīng)同步器,感應(yīng)同步器的優(yōu)點(diǎn)（續(xù)） 使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)單。定尺和滑尺，定子和轉(zhuǎn)子互不接觸，沒有摩擦

26、、磨損，所以使用壽命很長(zhǎng)。它不怕油污、灰塵和沖擊振動(dòng)的影響，不需要經(jīng)常清掃。但需裝設(shè)防護(hù)罩，防止鐵屑進(jìn)入其氣隙。 可以作長(zhǎng)距離位移測(cè)量。可以根據(jù)測(cè)量長(zhǎng)度的需要，將若干根定尺拼接。拼接后總長(zhǎng)度的精度可保持（或稍低于）單個(gè)定尺的精度。目前幾米到幾十米的大型機(jī)床工作臺(tái)位移的直線測(cè)量，大多采用感應(yīng)同步器來實(shí)現(xiàn)。工藝性好，成本較低，便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。,四、直線感應(yīng)同步器,第四節(jié) 直流、交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置,一、直流伺服驅(qū)動(dòng)裝置 1、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理,一、直流伺服驅(qū)動(dòng)裝置,2、直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性,Ua一定時(shí)，當(dāng) M時(shí)n ，但由于有轉(zhuǎn)速反饋回路， 轉(zhuǎn)速 n 的變化不大。,一、直流伺服驅(qū)動(dòng)裝置,3、調(diào)速方

27、法： 改變電樞回路電阻、改變電樞電壓、改變磁通 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)常用改變電樞電壓的方法，以得到寬調(diào)速范圍的恒轉(zhuǎn)矩特性。 控制方式： 1）在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，當(dāng)磁通不變時(shí)，改變電樞電壓的大小和方向可以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。 2）如果升高電樞電壓，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就升高；反之，降低電樞電壓，轉(zhuǎn)速就下降。 3）當(dāng)電樞電壓為零，電動(dòng)機(jī)立即停轉(zhuǎn)。 4）改變電樞電壓極性，可使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。,一、直流伺服驅(qū)動(dòng)裝置,4、永磁直流伺服電動(dòng)機(jī) 永磁直流電動(dòng)機(jī)定子大多為新型稀土永磁材料，按電樞慣量分：小慣量和大慣量電動(dòng)機(jī)兩大類。,瓦狀永磁材料（定子）,電樞 (轉(zhuǎn)子),永磁直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu),極靴,機(jī)殼,4、永磁直流伺服電

28、動(dòng)機(jī) 優(yōu)點(diǎn)： 1）可承受的峰值電流與過載能力高。 2）具有大的力矩與慣量比，快速性好。 3）低速時(shí)輸出的力矩大。 4）調(diào)速范圍大。 5）轉(zhuǎn)子熱容量大。,一、直流伺服驅(qū)動(dòng)裝置,一、直流伺服驅(qū)動(dòng)裝置,4、永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)特性曲線 轉(zhuǎn)矩速度特性曲線 負(fù)載周期曲線,一、直流伺服驅(qū)動(dòng)裝置,4、永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)電機(jī)主要參數(shù) 連續(xù)額定電流Ie 連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩Ts 允許最大電流Im 反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)Kv 轉(zhuǎn)矩常數(shù)Kt 最大理論加速度amax 電氣時(shí)間常數(shù)ta 靜摩擦轉(zhuǎn)矩,5、直流伺服驅(qū)動(dòng)裝置 直流伺服驅(qū)動(dòng)裝置有晶閘管（即可控硅SCR）調(diào)速系統(tǒng)和晶體管脈寬調(diào)制（PWM） 晶閘管（即可控硅SCR）調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速原理：

29、 通過對(duì)晶閘管觸發(fā)角的控制來控制電機(jī)電樞電壓，以達(dá)到調(diào)速的目的。 晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速原理： 通過脈寬調(diào)制器將直流電壓轉(zhuǎn)換成方波電壓，通過對(duì)方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，以達(dá)到調(diào)速的目的。,一、直流伺服驅(qū)動(dòng)裝置,一、直流伺服驅(qū)動(dòng)裝置,5、直流伺服驅(qū)動(dòng)裝置晶閘管（即可控硅SCR）調(diào)速系統(tǒng),包括 控制回路： 主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。,速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)（PI），作用：好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。 電流環(huán)：電流調(diào)節(jié)(P或PI)。作用：加快響應(yīng)、啟動(dòng)、低頻穩(wěn)定等。 觸發(fā)脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生移相脈沖，使可控硅觸發(fā)角前移或后移。,5、直流伺服驅(qū)動(dòng)裝置晶閘管（即可控硅SC

30、R）調(diào)速系統(tǒng),主回路:,4,6,2,7,9,11,1,3,5,8,12,10,A,B,C,M,、 二組反并接， 分別實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn) 和反轉(zhuǎn)。,Ud,Rdb,KM,KR,+,-,原理 ： 三相整流器，由二個(gè)半波整流電路組成。每部分內(nèi)又分成共陰極組（1、3、5）和共陽極組（2、4、6）。為構(gòu)成回路，這二組中必須各有一個(gè)可控硅同時(shí)導(dǎo)通。 1、3、5在正半周導(dǎo)通， 2、4、6在負(fù)半周導(dǎo)通。每組內(nèi)（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差120，每相內(nèi)二個(gè)觸發(fā)脈沖相差180。按管號(hào)排列，觸發(fā)脈沖的順序：1-2-3-4-5-6，相鄰之間相位差60。為保證合閘后兩個(gè)串聯(lián)可控硅能同時(shí)導(dǎo)通，或已截止的相再次導(dǎo)通， 采用雙脈沖控制。

31、既每個(gè)觸發(fā)脈沖在導(dǎo)通60后，在補(bǔ)發(fā)一個(gè)輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，寬度大于60，小于120,只要改變可控硅觸發(fā)角（即改變導(dǎo)通角），就能改變可控硅的整流輸出電壓，從而改變直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 觸發(fā)脈沖提前 來，增大整流輸出電壓；觸發(fā)脈沖延后來，減小整流輸出電壓。,主回路波形圖,5、直流伺服驅(qū)動(dòng)裝置晶閘管（即可控硅SCR）調(diào)速系統(tǒng),總結(jié) 速度控制的原理： 調(diào)速：當(dāng)給定的指令信號(hào)增大時(shí)，則有較大的偏差信號(hào)加到調(diào)節(jié)器的輸入端，產(chǎn)生前移的觸發(fā)脈沖，可控硅整流器輸出直流電壓提高，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升。此時(shí)測(cè)速反饋信號(hào)也增大，與大的速度給定相匹配達(dá)到新的平衡，電機(jī)以較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。 干擾：假如系統(tǒng)受到外界干擾，

32、如負(fù)載增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，速度反饋電壓降低，則速度調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)增大，其輸出信號(hào)也增大，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器使觸發(fā)脈沖前移，晶閘管整流器輸出電壓升高，使電機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到干擾前的數(shù)值。 電網(wǎng)波動(dòng)：電流調(diào)節(jié)器通過電流反饋信號(hào)還起快速的維持和調(diào)節(jié)電流作用，如電網(wǎng)電壓突然短時(shí)下降，整流輸出電壓也隨之降低，在電機(jī)轉(zhuǎn)速由于慣性還未變化之前，首先引起主回路電流的減小，立即使電 流調(diào)節(jié)器的輸出增加，觸發(fā)脈沖前移，使整流器輸出電壓恢復(fù)到原來值，從而抑制了主回路電流的變化。 啟動(dòng)、制動(dòng)、加減速：電流調(diào)節(jié)器還能保證電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)的大轉(zhuǎn)矩、加減速的良好動(dòng)態(tài)性能。,5、直流伺服驅(qū)動(dòng)裝置晶閘管（即可控硅SCR）調(diào)速系統(tǒng),5

33、、直流伺服驅(qū)動(dòng)裝置脈寬調(diào)制（PWMpulse width modulation）控制的位置伺服系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)組成：,一、直流伺服驅(qū)動(dòng)裝置,速度 調(diào)節(jié)器,電流反饋,脈寬 調(diào)制,基極驅(qū)動(dòng),功 放,振蕩器,電流 調(diào)節(jié)器,G,M,Usr,Usf,直流脈寬調(diào)制： 功率放大器中的大功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)下，開關(guān)頻率保持恒定，用調(diào)整開關(guān)周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通時(shí)間（即改變基極調(diào)制脈沖寬度）的方法來改變輸出。從而使電機(jī)獲得脈寬受調(diào)制脈沖控制的電壓脈沖，由于頻率高及電感的作用則為波動(dòng)很小的直流電壓（平均電壓）。 脈寬的變化使電機(jī)電樞的直流電壓隨著變化。,5、直流伺服驅(qū)動(dòng)裝置PWM控制的位置伺服系統(tǒng),脈沖寬度正比代表速度F

34、值的直流電壓,t,t,U ,U S r +U ,U S C,+U S r,o,o,o,-U S r,t,t,t,t,同向加法放大器電路圖 U Sr 速度指令轉(zhuǎn)化過 來的直流電壓 U - 三角波 USC- 脈寬調(diào)制器的輸出（ U S r +U ） 調(diào)制波形圖,USr為0時(shí),調(diào)制出正負(fù)脈寬一樣方波 平均電壓為0,US r為正時(shí),USr為負(fù)時(shí),調(diào)制出脈寬較寬的波形 平均電壓為正,調(diào)制出脈寬較窄的波形 平均電壓為負(fù),5、直流伺服驅(qū)動(dòng)裝置PWM控制的位置伺服系統(tǒng)脈寬調(diào)制器,U S r +U ,主回路：可逆H型雙極式PWM 開關(guān)功率放大器 電路圖: 由四個(gè)大功率晶體管 （GTR）T 1 、T 2 、T 3

35、 、T4 及四個(gè)續(xù)流二極管組成的橋 式電路。,H型： 又分為 雙極式、單極 式和受限單極 式三種。 Ub1、 Ub2、Ub3 Ub4 為調(diào)制器 輸出，經(jīng)脈沖 分配、基極驅(qū) 動(dòng)轉(zhuǎn)換過來的 脈沖電壓。分 別加到T1 、T2、 T3 、T4的基極。,Ub3,Ub4,Ub1,Ub2,US,A,B,D1,D2,D3,D4,M,T1,T2,T4,T3,Ud UAB,5、直流伺服驅(qū)動(dòng)裝置PWM控制的位置伺服系統(tǒng)功放,t1=T/2,T1 和T4 同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其基極驅(qū)動(dòng)電壓Ub1= Ub4。T2和T3同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，基極驅(qū)動(dòng)電壓Ub2= Ub3 = Ub1。以正脈沖較寬為例（既正轉(zhuǎn)時(shí)） 負(fù)載較重時(shí)： 電動(dòng)狀

36、態(tài)：當(dāng)0t t1時(shí)， Ub1、Ub4為正， T1 和T4 導(dǎo)通；Ub2、Ub3 為負(fù)， T2和T3截止。電機(jī)端電壓UAB=US，電樞電流id= id1，由US T1 T4 地。 續(xù)流維持電動(dòng)狀態(tài)：在t1 t T時(shí)， Ub1、Ub4為負(fù)， T1 和T4截止； Ub2、Ub3 變正，但T2和T3并不能立即導(dǎo)通，因?yàn)樵陔姌须姼袃?chǔ)能的 作用下，電樞電流id= id2，由D2 D3續(xù)流，在D2、 D3 上的壓降使T2 、T3的c-e極承受反壓不能導(dǎo)通。 UAB=-US。接著再變到電動(dòng)狀態(tài)、續(xù)流維持電動(dòng)狀態(tài)反復(fù)進(jìn)行，如上面左圖。 負(fù)載較輕時(shí)： 反接制動(dòng)狀態(tài)，電流反向： 狀態(tài)中，在負(fù)載較輕時(shí)，則id小，續(xù)流

37、電流很快衰減到零，即t =t2 時(shí)（見上面右圖），id=0。在t2 T 區(qū)段，2 、T3 在US 和反電動(dòng)勢(shì)E的共同作用下導(dǎo)通，電樞電流反向，id= id3 由US T3 T2 地。電機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)。 電樞電感儲(chǔ)能維持電流反向：在T t3區(qū)段時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖極性改變， T2 、T3截止，因電樞電感維持電流， id= id4，由D4 D1。,5、直流伺服驅(qū)動(dòng)裝置PWM控制的位置伺服系統(tǒng)：功放工作原理：,電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止： 由正、負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓脈沖寬窄而定。 當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，既t1 T/2，平均電壓為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)； 當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，既t1 T/2 ，平均電壓為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)； 如果正、負(fù)脈沖寬度相等，t1=T/2 ，平均電壓為零，電機(jī)停轉(zhuǎn)。 電機(jī)速度的改變： 電樞上的平均電壓UAB越大，轉(zhuǎn)速越高。它是由驅(qū)動(dòng)電壓脈沖寬度決定的。 雙極性： 由以上分析表明： 可逆H型雙極式PWM開關(guān)功率放大器，無論負(fù)載是重還是輕、電機(jī) 是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，加在電樞上的電壓極性在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，都在 US和