数控机床的驱动与控制系统

第四章数控机床的驱动与控制系统学

时

章节教学内容重点、难点

2 §4-1 位移、速度、位置传感器理解其应用情况

1 §4-

2 进给伺服驱动系统

4 §4-3.1

典型进给伺服系统(位置控制)

——步进式伺服系统

掌握系统的组成及工作

原理

1 §4-3.

2 闭环、半闭环进给伺服系统

第一节位移、速度、位置传感器

数控机床若按伺服系统有无检测装置进行分类，可分为开环系统和闭环(或半环)系统。也就是说检测装置是闭环(半闭环)系统的重要部件之一，它的作用是测量工作实际位移并反馈送至数控装置，使工作台按规定的路径精确移动。因此对于闭环系统来说，检测装置决定了它的定位精度和加工精度。数控机床对检测装置的主要要求为：

(1)工作可靠，抗干扰性强；

(2)使用维护方便，适应机床的工作环境；

(3)满足精度和速度的要求；

(4)成本低。

通常，数控装置要求位置检测的分辨率为0.001～0.0lmm；测量精度为±0.002～±0.02mm／m，能满足数控机床以1～l0m／min的最大速度移动．

位置检测装置的分类列表于4－1中。本章仅就其中常用的检测装置(旋转变压器感应同步器光栅、磁栅、编码盘)的结构和原理予以讲述。

旋转变压器

位置检测装置分类

是一种常用的转角检测元件，由于它结构简单，工作可靠，且其精度能满足一般的检测要求，因此被广泛应用在数控机床上。

?工作原理

当转子绕组的磁轴与定子绕组的磁轴自垂直位置转动一角度θ时，绕组中产生的感应电势应为

E1＝nV1sinθ ＝nV m sinωt sinθ

式中n——变压比；

V1——定子的输入电压；

V m——定子最大瞬时电压。

当转子转到两磁轴平行时(即θ＝90o)，转子绕组中感应电势最大，即

E1＝nV m sinωt

?旋转变压器的应用

V3＝nV m sinωt sinθ1 + nV m cosωt cosθ1

＝nV m cos(ωt –θ1)

?感应同步器

感应同步器是一种电磁式位置检测元件，按其结构特点一般可分为直线式和旋转式两种。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成；旋转式感应同步器由转子和定子组成。前者用于直线位移的测量，后者用于角度位移的测量。

它们的工作原理都与旋转变压器相似。感应同步器具有检测精度高、抗干扰性强、寿命长、维护方便、成本低、工艺性好等优点，广泛应用于高精度的数控机床。本节主要以直线式感应同步器为例，对其结构特点和工作原理进行讲述。

1. 感应同步器的结构及分类

? 结构

? 分类

2. 感应同步器的工作原理.

感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，借以进行位移量的检测。感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组，定尺上的绕组是感应绕组。

? 光栅

在高精度的数控机床上，目前大量使用光栅作为检测元件。光栅与旋转变压器、感应同步器不同，它是一种将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测量装置。常见的光栅从形状上可分为圆光栅和直线光栅两大类。圆光栅用于测量转角位移；直线光栅用于检测直线位移。光栅的检测精度较高，一般可达几微米。本节主要以直线光栅为例讲述其构成和工作原理。 ? 光栅检测装置的构成

光栅检测装置是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件。它主要由光源、长光栅、短光栅和光电元件等组成 ? 工作原理

常见光栅的工作原理都是基于物理上的莫尔条纹形成原理。莫尔条纹的形成原因对粗光栅来说，主要是挡光积分效应；

对细光栅来说，

则是光线通过线纹衍射后，发生干涉的结果

? 脉冲编码器

脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。根据内部结构和检测方式码盘可分为接触式、光电式和电磁式3种。其中，光电码盘在数控机床上应用较多，而由霍尔效应构成的电磁码盘则可用作速度检测元件。另外，它还可分为绝对式和增量式两种。 1. 增量脉冲编码器

? 结构及工作原理

2. 绝对式编码器

信号处理装置

a

b z 码盘基片 透镜

光源

光敏元件

透光狭缝 光欄板 节距τ

A

A B B Z Z m+τ/4

图4-6 光栅的构成

? 结构和工作原理

? 码盘基片上有多圈码道，且每码道的刻线数相等； ? 对应每圈都有光电传感器；

? 输出信号的路数与码盘圈数成正比； ? 检测信号按某种规律编码输出，故可测得被测轴的周

向绝对位置。

? 绝对编码盘的编码方式及特点

? 二进制编码：

? 特点：编码循序与位置循序相一致，但可能

产生非单值性误差。 ? 误差分析：

3. 光电编码器的特点

? 非接触测量，无接触磨损，码盘寿命长，精度保证性好； ? 允许测量转速高，精度较高；。 ? 光电转换，抗干扰能力强；

? 体积小，便于安装，适合于机床运行环境； ? 结构复杂，价格高，光源寿命短；

? 码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差。

第二节 进给伺服驱动系统

一. 概述

1. 进给伺服驱动系统由进给伺服系统中的 驱动电机及其控制和驱动装

置。

2. 驱动电机是进给系统的动力部件，它提供执行部分运动所需的动力，

在数控机床上常用的电机有：

? 步进电机

3 2 1 0

?直流伺服电机

?交流伺服电机

?直线电机。

3.速度单元是上述驱动电机及其控制和驱动装置，通常驱动电机与速度

控制单元是相互配套供应的，其性能参数都是进行了相互匹配，这样

才能获得高性能的系统指标。

4.速度控制单元主要作用：接受来自位置控制单元的速度指令信号，对

其进行适当的调节运算(目的是稳速)，将其变换成电机转速的控制量

(频率，电压等)，再经功率放大部件将其变换成电机的驱动电量，使

驱动电机按要求运行。简言之：调节、变换、功放。

5.进给驱动系统的特点（与主运动（主轴）系统比较）：

?功率相对较小；

?控制精度要求高；

?控制性能要求高，尤其是动态性能。

二.步进电机及其驱动装置

步进电机流行于70年代，该系统结构简单、控制容易、维修方面，且控

制为全数字化。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它部

分均可由软件实现，从而进一步简化结构。因此，这类系统目前仍有相

当的市场。目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高的场合，如

经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设备。

三.直流伺服电机及驱动

直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，电磁力的大小正比

于电机中的气隙磁场，直流电机的励磁绕组所建立的磁场是电机的主磁

场，按对励磁绕组的励磁方式不同，直流电机可分为：

他激式、并激式、串激式、复激式、永磁式。

20世纪80~90年代中期，永磁式直流伺服电机在NC机床中广泛采用。

直流伺服电机的特点

?过载倍数大，时间长；

?具有大的转矩/惯量比，电机的加速大，响应快。

?低速转矩大，惯量大，可与丝杆直接相联，省去了齿轮等传动机构。

可提高了机床的加工精度。

?调速范围大，与高性能的速度控制单元组成速度控制系统时，调速范围超过1∶2000。

?带有高精度的检测元件(包括速度和转子位置检测元件)；

?电机允许温度可达150°～180℃，由于转子温度高，它可通过轴传到机械上去，这会影响机床的精度

?由于转子惯性较大，因此电源装置的容量以及机械传动件等的刚度都需相应增加。

?电刷、维护不便

四.交流伺服电机及驱动

由于直流伺服电机具有优良的调速性能，80年代初至90年代中，在要求调速性能较高的场合，直流伺服电机调速系统的应用一直占据主

导地位。但其却存在一些固有的缺点，即：

?电刷和换向器易磨损，维护麻烦

?结构复杂，制造困难，成本高

而交流伺服电机则没有上述缺点。特别是在同样体积下，交流伺服电机的输出功率比直流电机提高10%～70%，且可达到的转速比直流电机高。因此，人们一直在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速的方案。

1.

分类

2. 交流伺服电机的速度控制单元

? 交流伺服电机转速 n 调速的理论基础

结论：交流伺服电机变频调速的关键是要获得可调频调压的交流电源 ? 调频调压电源的分类

磁滞式 永磁式 反应式

电机的极对数

转速的滑差率

电源频率

:::)1(60p s f s p

f

n -=

θ

φφωφωcos 44.444.42I C M k f E U k f E m ==≈=??

???-???--交变频器（直接式）交电流型交变频器（间接式）直交变频器电压型可控硅整流器

逆变器

整流器

逆变器

电压型变频器方案示意图

? 电压型变频器工作原理

U V W

A B C

结论：

变频器实现变频调压的关键是逆变器控制

端获得要求的控制波形（如SPWM 波）。

? 控制波形的实现方式（电机调速的控制方式）：

? 相位控制； ? 矢量变换控制； ? PWM 控制； ? 磁场控制；

第三节 典型进给伺服系统(位置控制)

一 . 开环进给伺服系统(Open-Loop System)

? 不带位置测量反馈装置的系统； ? 驱动电机只能用步进电机；

? 主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造

一. 开环进给伺服系统

1. 步进电机开环系统设计

步进电机开环系统设计要解决的主要问题：

①动力计算 、②传动计算、 ③驱动电路设计或选择

目的：传动计算选择合适的参数以满足脉冲当量 和进给速度F 的要

求。

图中：f —脉冲频率（HZ ） α— 步距角 （度）

单相编码器 输出信号

输出

输入

脉冲接口

RS232 串型接口

模拟接口

Z1、Z2 — 传动齿轮齿数 t — 螺距(mm )

传动比选择：

为了凑脉冲当量δmm ，也为了增大传递的扭矩，在步进电机与丝杆之间，要增加一对齿轮传动副，那么，传动比i=Z1/Z2与α、 δ 、t 之间有如下关系：

例： δ = 0.01 t = 6 mm α= 0.75°

? 进给速度F ：

一般步进电机： 若 δ=0.01 mm 则： 若 δ=0.001mm 则：

因此，当 一定时， 与δ成正比，故我们在谈到步进

电机开环系统的最高速度时，都应指明是在多大的脉冲当量δ下的否则是没有意义的。

2.

提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施 ?

概述

? 影响步进电机开环系统传动精度的因素：

? 步进电机的步距角精度； ? 机械传动部件的精度；

? 丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙； ? 传动件和支承件的变形。

? 提高步进电机开环系统传动精度的措施

? 适当提高系统组成环节的精度； ? 采取各种精度补偿措施。 ? 传动间隙补偿

?

在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值存放在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系统反向运动时，数控系统自动将补偿值加到进给指令中，从而达到补偿目的。 ?

螺矩误差补偿

δαt

Z Z i 360

21==

t

i :360:=δα25

20

25

20

8.001.0675.03603602121==??

?==??===

Z Z t Z Z i αm in

60mm f F δ=Z

H f 16000~8000max ≤m in 9600~4800max mm F ≤m in 960~480max mm F ≤m ax f m ax F

?滚珠丝杆在数控机床应用广泛，虽然滚珠丝杆精度较高，但是总不可做的绝对精确，总是将其精度控制在一定的范围内的，也就是它的螺距总是存

在着一定的误差的，利用计算机的运算处理能力，可以补偿滚珠丝杠的螺矩

累积误差，以提高进给位移精度。

?方法：首先测量出进给丝框螺距误差曲线(规律)，然后可采用下列两种方法实现误差补偿：硬件补偿、软件补偿。

二.闭环、半闭环进给伺服系统

?闭环进给伺服系统的实现方案分类和特征

?按系统的控制信号类型分：模拟型系统、数字型系统

?模拟型系统：

特征：这类系统全部采用模拟元件构成；其输入（控制）信号、

输出的位置、速度信号也是模拟量；速度和位置检测元

也是模拟式的。

特点：

?抗干扰能力强，一般不会因峰值误差导致致命的误动

作。

?可用常规仪器仪表（示波器，万用表等）直接读取信

息，易于随时把握系统工作的基本情况。

?对弱信号信噪分离困难，控制精度的提高受到限制。

?在零点附近容易受到温度漂移的影响，使位置控制产

生漂移误差。

?位置、速度调节器的结构和参数调整困难，适应负载

变化的能力较差。

模拟系统这种本质缺陷，使它很难满足高精度位置伺服控制的要求，目前已逐渐被数字伺服系统所取代。

?数字型系统：

特征：这类系统是指至少其位置环控制与调节采用数字

控制技术，即位置指令和反馈信号都不再是模拟信号改用数

字信号（逻辑电平脉冲信号）的系统。

特点：

?可以通过增加数字信息的安长，来满足要求的控制精

度。

?对逻辑电以下的漂移、噪声不予晌应，零点定位精度

可以得到充分保证。

?容易对其结构和参数进行修改（根据控制要求），且

易于与计算机进行数据交换。

?噪声峰值大于逻辑电平时，对数据的最高位和最低位

的干扰出错程序是相同的，这种错误可能导致系统致

命的危害。

?传送数据的数字电路要求具有很宽的频带。以保证脉

冲上、下降沿有足够的陡峭度。

抑制干扰、防止数据出错，是数字伺服系统设计成功的关键。