数控技术17-18第六章-进给伺服系统课件.ppt

1、一、一、检测装置的检测装置的作用、要求和分类：作用、要求和分类：1、作用：、作用：检测位移检测位移和速度，和速度，并发出反馈信号与数并发出反馈信号与数控装置发出的指令信号进行比较，若有偏差，控装置发出的指令信号进行比较，若有偏差，经过放大后控制执行部件，使其向消除偏差经过放大后控制执行部件，使其向消除偏差的方向运动，直至偏差为零为止的方向运动，直至偏差为零为止。第三节第三节 数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置 1 1）准确性好，满足精度要求；准确性好，满足精度要求；分辨率分辨率0.0001-0.010.0001-0.01mmmm 直线测量精度：直线测量精度：0.001-0.010.0

2、01-0.01mm/mmm/m 角位移精度：角位移精度：10/36010/360度度 2 2）满足速度、精度和机床工作行程的要求；）满足速度、精度和机床工作行程的要求；3 3）可靠性好，抗干扰性强，适应机床工作环境）可靠性好，抗干扰性强，适应机床工作环境 4 4）使用、维护和安装方便，成本低。）使用、维护和安装方便，成本低。2、要求：、要求：构成闭环控制检测系统的精度决定了数控系统的精度和构成闭环控制检测系统的精度决定了数控系统的精度和分辨率。不同类型数控机床对检测装置的精度和适应的速度分辨率。不同类型数控机床对检测装置的精度和适应的速度要求是不同的。对大型数控机床主要以满足速度要求为主，要求

3、是不同的。对大型数控机床主要以满足速度要求为主，对中小型机床和高精度机床以满足精度要求为主。选择测量对中小型机床和高精度机床以满足精度要求为主。选择测量系统的分辨率要比加工精度高出一个数量级。系统的分辨率要比加工精度高出一个数量级。3 3、分类、分类：类型类型数数 字字 式式模模 拟拟 式式增量式增量式绝对式绝对式增量式增量式绝对式绝对式回转型回转型圆光栅圆光栅编码器编码器旋转变压器、圆旋转变压器、圆形磁栅、圆感应形磁栅、圆感应同步器同步器多极旋转变多极旋转变压器压器直线型直线型长光栅、激长光栅、激光干涉仪光干涉仪编码尺编码尺直线感应同步器直线感应同步器磁栅磁栅容栅容栅绝对值式磁绝对值式磁尺尺

4、 增量、回转、模拟式位置测量装置增量、回转、模拟式位置测量装置 二、旋转变压器二、旋转变压器：1 1、结构：、结构：与两相线绕式异步电动机相似与两相线绕式异步电动机相似 定子：定子：绕组为变压器的原边绕组为变压器的原边 转子：转子：转子绕组为变压器的副边转子绕组为变压器的副边 有刷旋转变压器有刷旋转变压器 、无刷旋转变压器无刷旋转变压器 1-转子绕组转子绕组2-定子绕组定子绕组 3-转子转子 4-整流子整流子 5-电刷电刷 6-接线柱接线柱1 1）有刷旋转变压器）有刷旋转变压器1-1-壳体壳体 2-2-旋转变压器本体定子旋转变压器本体定子 3-3-附加变压器定子附加变压器定子 4-4-附加变压

5、器原边线圈附加变压器原边线圈 5-5-附加变压器转子线轴附加变压器转子线轴 6-6-附加变压器次边线圈附加变压器次边线圈 7-7-旋转变压器本体转子旋转变压器本体转子 8-8-转子轴转子轴2 2）无刷旋转变压器）无刷旋转变压器 1 1）普通变压器：）普通变压器：2 2、工作原理、工作原理：（根据互感原理工作）：（根据互感原理工作）垂直磁通垂直磁通=0 =0 成一角度成一角度 平行时磁通最大平行时磁通最大2 2）旋转变压器）旋转变压器 ：定子绕组加上励磁电压，通过电磁耦合，转子绕组产定子绕组加上励磁电压，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电压。生感应电压。其输出电压的其输出电压的幅值幅值和和相位角相

6、位角是严格按照转子偏是严格按照转子偏转角的正（余）弦规律变化的，因此数控机床可以转角的正（余）弦规律变化的，因此数控机床可以利用这一原理检测伺服电动机或丝杠的角位移。利用这一原理检测伺服电动机或丝杠的角位移。3 3、应用、应用：旋转变压器作为位置检测装置，有两种工作方式：旋转变压器作为位置检测装置，有两种工作方式：鉴相式工作方式鉴相式工作方式、鉴幅式工作方式鉴幅式工作方式 旋转变压器定子的两相正向绕组（正弦绕组旋转变压器定子的两相正向绕组（正弦绕组S S和和余弦绕组余弦绕组C C）分别加上分别加上幅值相同，频率相同，而相幅值相同，频率相同，而相位相差位相差9090的正弦交流电压。的正弦交流电压

7、。1 1）鉴相式：）鉴相式：tUUtUUmcmscossin)sin()sincoscos(sinsincos2tKUttKUKUKUEmmcs式中:定子正弦绕组轴线与转子工作绕组轴线之间的夹角；励磁角频率。在旋转变压器定子的两相正向绕组（正弦在旋转变压器定子的两相正向绕组（正弦绕组绕组S S和余弦绕组和余弦绕组C C）分别加上分别加上频率相同，相位相频率相同，相位相同，而幅值分别按正弦、余弦变化同，而幅值分别按正弦、余弦变化的交流电压。的交流电压。2 2）鉴幅式：）鉴幅式：tKUtKUKUKUEmmcssin)sin()sinsincos(sinsinsincos2机电机电机电机机式中 机定

8、子正弦绕组轴线与转子工作绕组轴线之间的夹角；电电气角；励磁角频率。若机=电，则E2=0。1 1、结构及工作原理：、结构及工作原理：三、感应同步器三、感应同步器 ：(感应同步器是一种电磁感感应同步器是一种电磁感应式的高精度位移检测装置应式的高精度位移检测装置)分类：分类：直线式直线式：测量长度：测量长度 旋转式旋转式：测量角度：测量角度1 1）结构：）结构：是由旋转变压器演变而来的，相当于一是由旋转变压器演变而来的，相当于一个展开的变压器，是利用两个保持均匀气隙个展开的变压器，是利用两个保持均匀气隙的平面形印制电路绕组的互感器。的平面形印制电路绕组的互感器。定尺定尺：表面印制有连续平面绕组，绕组

9、节距为：表面印制有连续平面绕组，绕组节距为P P。滑尺滑尺：表面印制有两段分段绕组，正弦绕组和余弦绕组。：表面印制有两段分段绕组，正弦绕组和余弦绕组。它们相对于定尺绕组在空间错开它们相对于定尺绕组在空间错开1/41/4节距（节距（P P/4/4）定尺与滑尺之间有均匀的气隙定尺与滑尺之间有均匀的气隙0.15-0.350.15-0.35mmmm直线式感应同步器结构直线式感应同步器结构 sin绕组cos 绕组Uc滑尺U01/4PUsP定尺 滑尺绕组通以一定滑尺绕组通以一定频率的交流电压，由于频率的交流电压，由于电磁感应，在定尺的绕电磁感应，在定尺的绕组中产生了感应电压。组中产生了感应电压。a a点：

10、最大点：最大 b b点：为零点：为零 c c点：值同点：值同a a点点 但相极性相反但相极性相反 d d点：为零点：为零 2 2）直线式感应同步器工作原理）直线式感应同步器工作原理 节距 c点滑尺的位置 d点 e点感应电压a感应电压b a点 b点定 尺移动距离ecd （1 1）精度高）精度高 直接对机床工作台的位移进行测量直接对机床工作台的位移进行测量 定尺的节距误差有平均补偿作用定尺的节距误差有平均补偿作用 3 3）特点：）特点：（2 2）工作可靠，抗干扰能力强）工作可靠，抗干扰能力强 （3 3）维护简单，寿命长）维护简单，寿命长 （4 4）测量距离长）测量距离长 （5 5）成本低，易于生产

11、）成本低，易于生产 （6 6）输出信号微弱，需要一个前置放大器）输出信号微弱，需要一个前置放大器 按照供给滑尺两个正交绕组励磁信号的不同其按照供给滑尺两个正交绕组励磁信号的不同其工作方式分为工作方式分为:鉴相式鉴相式和和鉴幅式两种工作方式鉴幅式两种工作方式.2 2、工作方式、工作方式 滑尺的滑尺的sinsin绕组和绕组和coscos绕组分别通以绕组分别通以幅值相幅值相等等、频率相同频率相同、相位相差相位相差9090的交流电压：的交流电压：1 1）鉴相式）鉴相式叠加后：叠加后：wtUUwtUUmcmscossinPxwtnUwtnUwtnUEEUmmmcs/2)sin(sincoscossin0

12、sin绕组cos 绕组Uc滑尺U01/4PUsP定尺 给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以频频率相同、相位相同，幅值不同率相同、相位相同，幅值不同的交流电压：的交流电压：叠加后：叠加后：2 2）鉴幅式）鉴幅式wtUUwtUUmcmssincossinsin电电wtnUwtnUwtnUEEUmmmcssin)sin()2/cos(sincoscossinsin0机电机电机电sin绕组cos 绕组Uc滑尺U01/4PUsP定尺 是一种旋转式脉冲发生器，把机械转角转化是一种旋转式脉冲发生器，把机械转角转化为脉冲。为脉冲。是一种增量检测装置，它的型号是由每转发是一种增量

13、检测装置，它的型号是由每转发出的脉冲数来区分。出的脉冲数来区分。三、脉冲编码器三、脉冲编码器 ：1 1、分类：、分类：根据结构，脉冲编码器分为根据结构，脉冲编码器分为:光电式、接触式、电磁感应式光电式、接触式、电磁感应式 2 2、特点、特点：结构简单，价格低，精度易于保证，体积结构简单，价格低，精度易于保证，体积小，无接触磨损。小，无接触磨损。3 3、结构、结构 ：光电盘光电盘 分度狭缝分度狭缝 有玻璃材料制有玻璃材料制成，表面涂有一层成，表面涂有一层不透明的金属，圆不透明的金属，圆周上刻有等间距的周上刻有等间距的条纹，分为透明和条纹，分为透明和不透明部分，有几不透明部分，有几百到几千不等。百

14、到几千不等。光电盘光电盘 ：一个固定的一个固定的扇形薄片，上面扇形薄片，上面制有相差制有相差1/41/4节节距的两个狭缝，距的两个狭缝，称为辨向狭缝。称为辨向狭缝。分度狭缝分度狭缝 ：当圆光栅旋转时，光线透过两个光栅的线当圆光栅旋转时，光线透过两个光栅的线纹部分，形成纹部分，形成明暗条纹明暗条纹。光电元件接受这些明。光电元件接受这些明暗相间的光信号，转换为交替变化的暗相间的光信号，转换为交替变化的电信号电信号，该信号为两组近似于正弦波的电流信号该信号为两组近似于正弦波的电流信号A A和和B B，A A和和B B信号的相位相差信号的相位相差9090。4 4、工作原理、工作原理 ：9 0 AB9

15、0 节距PiABt 电信号经整形放大电路变成电信号经整形放大电路变成脉冲信号脉冲信号，通，通过计量脉冲信号的数目，可以侧得转轴的过计量脉冲信号的数目，可以侧得转轴的转角转角，通过测量脉冲频率，即可测得转轴的转速。通过测量脉冲频率，即可测得转轴的转速。直线位移也可以通过转角的测量间接侧得。直线位移也可以通过转角的测量间接侧得。9 0 AB9 0 节距PiABt9 0 AB9 0 节距PiABt绝对式编码器是一种直接编码和直接测量的检测绝对式编码器是一种直接编码和直接测量的检测装置，它能指示绝对位置，没有累积误差。既使电源装置，它能指示绝对位置，没有累积误差。既使电源切断后位置信息也不丢失。切断后

16、位置信息也不丢失。四、绝对编码器四、绝对编码器 1）分类：）分类：按计数制分：按计数制分：二进制、二进制循环码二进制、二进制循环码（葛莱码）（葛莱码）、二、二十十进制码进制码 按结构原理分：按结构原理分：接触式、光电式、电磁式接触式、光电式、电磁式2 2、二进制编码盘结构、二进制编码盘结构 编码盘与被检测轴连在编码盘与被检测轴连在一起，当轴转动时，电刷和一起，当轴转动时，电刷和码盘的位置发生相对变化。码盘的位置发生相对变化。若电刷接触的是导电区，若电刷接触的是导电区，则经电刷、码盘、电阻、电则经电刷、码盘、电阻、电源形成回路，输出高电平源形成回路，输出高电平“1”，反之为，反之为“0”，由此，

17、由此变得到由变得到由0、1表示位置的四表示位置的四位二进制码，将其送入计算位二进制码，将其送入计算机。机。3、工作原理：、工作原理：但在实际应用中，对码盘的制作和电刷要但在实际应用中，对码盘的制作和电刷要求非常高。若在求非常高。若在0、1中间或电刷接触不良都会中间或电刷接触不良都会产生误输出数字的情况，为消除这一现象，采产生误输出数字的情况，为消除这一现象，采用葛莱码，使任何相邻数码间只有一位数变化。用葛莱码，使任何相邻数码间只有一位数变化。葛莱码盘葛莱码盘二进制编码盘二进制编码盘 葛莱码盘葛莱码盘 增量式编码增量式编码：每转输出脉冲多，精度高，但：每转输出脉冲多，精度高，但产生累计误差产生累

18、计误差 绝对式编码绝对式编码：没有累计误差，但精度低：没有累计误差，但精度低 4 4、混合式绝对编码、混合式绝对编码 将将最外圆用高密度增量条纹最外圆用高密度增量条纹，中间用绝对式中间用绝对式的葛莱码的葛莱码，提高精度。，提高精度。使一转内角度由葛莱码的不同数值表示使一转内角度由葛莱码的不同数值表示 每每1/4圆葛莱码的细分由最外圆上的增量制圆葛莱码的细分由最外圆上的增量制码完成。码完成。克服了增量式编码产生累计误差和绝对式编克服了增量式编码产生累计误差和绝对式编码精度受分辨率限制的缺点。码精度受分辨率限制的缺点。使用光的反射、透射和干涉现象制成的一使用光的反射、透射和干涉现象制成的一种光电检

19、测装置，有物理光栅和计量光栅。种光电检测装置，有物理光栅和计量光栅。五、光栅五、光栅 ：1、分类：、分类：按外形分：按外形分：长光栅长光栅测直线位移、圆光栅测直线位移、圆光栅测角位移测角位移 按成光原理分：按成光原理分：透射光栅：光学玻璃，透射光栅：光学玻璃，0.005mm0.005mm，精度高精度高 反射光栅：栅距大，反射光栅：栅距大，0.04-0.020.04-0.02mmmm 1）结构：）结构：标尺光栅：固定在机床的活动部件上标尺光栅：固定在机床的活动部件上 指示光栅：装在机床固定部件上指示光栅：装在机床固定部件上 标尺光栅和指示光栅的平行度及二者之间的间隙标尺光栅和指示光栅的平行度及二

20、者之间的间隙（0.050.1mm）要严格保证要严格保证 光栅读数头又叫光电转换器，它把光栅莫尔条纹变成光栅读数头又叫光电转换器，它把光栅莫尔条纹变成电信号。电信号。2、透射光栅的结构和工作原理、透射光栅的结构和工作原理 123546驱动线路1光源光源2透镜透镜3标尺光栅标尺光栅4指示光栅指示光栅5光电元件光电元件6驱动线路驱动线路标尺光栅WPX指示光栅Z p w 当指示光栅上的线纹当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹呈一小和标尺光栅上的线纹呈一小角度角度放置时，造成两光栅放置时，造成两光栅尺上的线纹交叉。在光源的尺上的线纹交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区照射下，交叉点附近的小区域内黑线重

21、叠形成明暗相间域内黑线重叠形成明暗相间的条纹，这种条纹称为的条纹，这种条纹称为“莫莫尔条纹尔条纹”。“莫尔条纹莫尔条纹”与与光栅的线纹几乎成垂直方向光栅的线纹几乎成垂直方向排列。排列。2 2）工作原理）工作原理 ：标尺光栅WPX指示光栅Z（1 1）当用平行光束照射光栅时，莫尔条纹当用平行光束照射光栅时，莫尔条纹由亮带到暗带，再由暗带到亮带，其透过由亮带到暗带，再由暗带到亮带，其透过光的强度近似于正（余）弦函数光的强度近似于正（余）弦函数。（2 2）起放大作用起放大作用：用：用W W表示莫尔条纹的宽表示莫尔条纹的宽度，度，P P表示栅距，表示栅距，表示光栅线纹之间的表示光栅线纹之间的夹角，则夹角

22、，则 由于由于很小，则很小，则 3 3）莫尔条纹的特点）莫尔条纹的特点 ：标尺光栅WPX指示光栅ZPW sinPW（4 4）莫尔条纹的移动速度与指示光栅、标尺光栅之间的莫尔条纹的移动速度与指示光栅、标尺光栅之间的移动速度成正比。移动速度成正比。当指示光栅相对于标尺光栅移动一个当指示光栅相对于标尺光栅移动一个栅距时，莫尔条纹也移动一个莫尔条纹宽度栅距时，莫尔条纹也移动一个莫尔条纹宽度W W，若光栅移若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动的方向也相反。动方向相反，则莫尔条纹移动的方向也相反。标尺光栅WPX指示光栅Z（3 3）起平均误差作用起平均误差作用：莫尔条纹是：莫尔条纹是由若干光栅线纹干涉形成的，

23、这样由若干光栅线纹干涉形成的，这样栅距之间的相邻误差被平均均化了，栅距之间的相邻误差被平均均化了，消除了栅距不均匀造成的误差。消除了栅距不均匀造成的误差。标尺光栅右移标尺光栅右移-莫尔条纹上移，缝隙莫尔条纹上移，缝隙S S2 2输出波形超前输出波形超前1/41/4周期；周期；标尺光栅左移标尺光栅左移-莫尔条纹下移，缝隙莫尔条纹下移，缝隙S S1 1输出信号超前输出信号超前1/41/4周期周期据两狭缝输出信号的超前和滞后可以确定标尺光栅的移动方向。据两狭缝输出信号的超前和滞后可以确定标尺光栅的移动方向。3 3、直线光栅检测辨向原理、直线光栅检测辨向原理 标尺光栅WPX指示光栅Z标尺光栅狭缝S透镜

24、光电管指示光栅W/4WS1S24 4、提高光栅检测分辨精度的细分电路、提高光栅检测分辨精度的细分电路 P2整形硅光电池P4P3差 动放大器cosDDBY7反相微分Y8微分cosBY6Y5整形P1差 动放大器sin微分CC微分反相sinAY3Y4Y2AY1BB反相脉冲CD相加DCAB+ADH2BC相加ADC反向时上升沿微分正向时上升沿微分AD正向脉冲BC+CDH1CADBAABcossin反向正向一、伺服电机：一、伺服电机：是转速及方向都受控制电压信号控制的一类是转速及方向都受控制电压信号控制的一类电动机。常在自动控制系统用作执行元件。电动机。常在自动控制系统用作执行元件。伺服电机伺服电机分类：

25、分类：直流伺服电机直流伺服电机 交流伺服电机交流伺服电机 第四节第四节 直流电机伺服系统直流电机伺服系统 1、特点：、特点：1 1）优点：）优点：具有良好的机械特性和调节特性。机电时具有良好的机械特性和调节特性。机电时间常数小，起动电压低。间常数小，起动电压低。2 2）缺点：）缺点：由于有电刷和换向器，造成的摩擦转矩比由于有电刷和换向器，造成的摩擦转矩比较大，有火花干扰、维护不便。较大，有火花干扰、维护不便。二、直流伺服电机结构、工作原理二、直流伺服电机结构、工作原理1 1）定子：）定子：有励磁绕组和补偿绕组，定有励磁绕组和补偿绕组，定子励磁电流产生定子电势子励磁电流产生定子电势EsEs，补偿

26、绕组产生补偿电势补偿绕组产生补偿电势EcEc。2 2）转子：）转子：绕组通过电刷供电，转子绕组通过电刷供电，转子电枢电流电枢电流 产生转子磁势为产生转子磁势为ErEr。EcEc与与ErEr方向相反，作用是抵方向相反，作用是抵消电枢磁场对定子磁场的扭斜，消电枢磁场对定子磁场的扭斜，使电动机有良好的调速特性。使电动机有良好的调速特性。2、结构和工作原理、结构和工作原理励磁绕组补偿绕组(c)(f)rFcFaUai电枢绕组(a)ffUiFs励磁绕组补偿绕组(c)(f)rFcFaUai电枢绕组(a)ffUiFs1 1、转子转速、转子转速 ：n n转速，单位为转速，单位为rpmrpm；U U电枢电压，单位

27、为电枢电压，单位为V V；I I电枢电流，单位为电枢电流，单位为A A；R R电枢回路总电阻电枢回路总电阻，单位为单位为；励磁磁通，单位为励磁磁通，单位为WbWb（韦伯）；韦伯）；K Ke e由电机结构决定的电动势常数。由电机结构决定的电动势常数。三、调速原理和常用的调速方法三、调速原理和常用的调速方法 eKIRUn1 1）调节电枢供电电压）调节电枢供电电压U U：电动机加以恒定励磁，用电动机加以恒定励磁，用 改变电枢两端电压改变电枢两端电压U U的方式来实现调速控制，也称的方式来实现调速控制，也称为电枢控制；为电枢控制；2 2）减弱励磁磁通）减弱励磁磁通：电枢加以恒定电压，用改变电枢加以恒定

28、电压，用改变励磁磁通的方法来实现调速控制，也称为磁场控制；励磁磁通的方法来实现调速控制，也称为磁场控制；3 3）改变电枢回路电阻）改变电枢回路电阻R R：来实现调速控制；来实现调速控制；2 2、常用的调速方法、常用的调速方法 eKIRUn 电枢电压调速电枢电压调速：机械特性为一组平行线，其斜率不变机械特性为一组平行线，其斜率不变,只改变理想转速只改变理想转速适用于进给伺服系统调速适用于进给伺服系统调速 磁通调速：磁通调速：不但改变了电机的理想转速，还使直流电机不但改变了电机的理想转速，还使直流电机机械特性变软机械特性变软适用于主轴伺服系统调速适用于主轴伺服系统调速 直流伺服电机的调速主要以电枢

29、电压调速为主直流伺服电机的调速主要以电枢电压调速为主eKIRUnUnn1 1旋转变流机组旋转变流机组用交流电机（同步或异步电机）和直用交流电机（同步或异步电机）和直流发电机组成机组，调节发电机的励磁电流以获得可调节流发电机组成机组，调节发电机的励磁电流以获得可调节的直流电压；的直流电压；2 2静止可控整流器静止可控整流器使用晶闸管可控整流器以获得可调使用晶闸管可控整流器以获得可调的直流电压；的直流电压；具有良好的动态性能，但由于晶闸管只有单向导电性，具有良好的动态性能，但由于晶闸管只有单向导电性，所以不易实现可逆运行，且容易产生所以不易实现可逆运行，且容易产生“电力公害电力公害”。3 3直流斩

30、波器和脉宽调制变换器直流斩波器和脉宽调制变换器用恒定直流电源或可用恒定直流电源或可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压；可变的平均电压；该法是利用晶闸管来控制直流电压，形成直流斩波器或该法是利用晶闸管来控制直流电压，形成直流斩波器或称直流调压器。称直流调压器。3 3、直流电压调速方法、直流电压调速方法 (1)(1)晶闸管调速系统（即可控硅晶闸管调速系统（即可控硅SCR-Silicon SCR-Silicon Controlled RectifierControlled Rectifier）(2)(2)晶体管脉宽调制调

31、速系统（即晶体管脉宽调制调速系统（即Pulse Pulse Width ModulationWidth Modulation简称简称PWMPWM）。）。两种方法两种方法都是改变电机的电枢电压都是改变电机的电枢电压 晶体管脉宽调速晶体管脉宽调速PWMPWM系统应用最为广泛系统应用最为广泛 4 4、速度控制模块速度控制模块采用的调速方法采用的调速方法 电枢电压用方波平均电压来代替。电枢电压用方波平均电压来代替。在实际应用过程中，直流调压器可利用大功在实际应用过程中，直流调压器可利用大功率晶体管的开关作用，将直流电源电压转换成率晶体管的开关作用，将直流电源电压转换成频率约频率约2 2KHzKHz的方

32、波电压，送给直流电动机的电的方波电压，送给直流电动机的电枢绕组。枢绕组。通过对开关关闭时间长短的控制通过对开关关闭时间长短的控制，来控制加，来控制加到电枢绕组两端的平均电压，从而达到调速的到电枢绕组两端的平均电压，从而达到调速的目的。目的。1 1）调节原理）调节原理 脉冲宽度调节型（脉冲宽度调节型（PWMPWM）：是在脉冲周期不变是在脉冲周期不变时，在大功率开关晶体管的基极上，加上脉宽可时，在大功率开关晶体管的基极上，加上脉宽可调的方波电压，改变主晶闸管的导通时间，从而调的方波电压，改变主晶闸管的导通时间，从而改变脉冲的宽度；改变脉冲的宽度；脉冲频率调节型脉冲频率调节型(PFMPFM):):是

33、在导通时间不变的情是在导通时间不变的情况下，只改变开关频率或开关周期，也就是只改况下，只改变开关频率或开关周期，也就是只改变晶闸管的关断时间；变晶闸管的关断时间；2 2）脉宽调制器脉宽调制器种类种类 1 1PWMPWM系统的主回路系统的主回路 H H型型、T T型型 1 1）H H型型电路控制结构电路控制结构三、晶体管脉宽调制器式速度控制单元三、晶体管脉宽调制器式速度控制单元 VTVDVDVDVDVTVTuuuuAB1324b2b2b1b31243sUVT2 2）H H型型电路控制工作原理电路控制工作原理VTVDVDVDVDVTVTuuuuAB1324b2b2b1b31243sUVT VT V

34、T1 1和和VTVT4 4为为一组，一组，VTVT2 2和和VTVT3 3为一组，为一组，同一组的两个晶体管同时导通或同时同一组的两个晶体管同时导通或同时关断。两组交替导通和关断。关断。两组交替导通和关断。将一组控制方波加到一组大功率将一组控制方波加到一组大功率晶体管的基极，同时将反向后该组的晶体管的基极，同时将反向后该组的方波加到另一组的基极上就可实现上方波加到另一组的基极上就可实现上述目的。述目的。若加在若加在U Ub1b1和和U Ub4b4上的方波正半周比上的方波正半周比负半周宽，因此加到电机电枢两端的负半周宽，因此加到电机电枢两端的平均电压为正，电机正转。反之，则平均电压为正，电机正转

35、。反之，则电机反转。若方波电压的正负宽度相电机反转。若方波电压的正负宽度相等，加在电枢的平均电压等于零，电等，加在电枢的平均电压等于零，电机不转机不转。2 2、脉宽调制器脉宽调制器 1 1）任务：任务：将连续控制信号变成方波脉冲信号，作为功率转将连续控制信号变成方波脉冲信号，作为功率转换电路的基极输入信号，改变直流伺服电动机电枢换电路的基极输入信号，改变直流伺服电动机电枢两端的平均电压，从而控制直流电动机的转速和转两端的平均电压，从而控制直流电动机的转速和转矩。矩。脉宽调制器是一个电压脉宽调制器是一个电压-脉冲变换装置，由控制脉冲变换装置，由控制系统控制器输出的控制电压系统控制器输出的控制电压

36、U UC C进行控制，为进行控制，为PWMPWM装置装置提供所需的脉冲信号，其脉冲宽度与提供所需的脉冲信号，其脉冲宽度与U UC C成正比。成正比。2 2）原理原理 （1 1）三角波脉宽调节器三角波脉宽调节器 ：C13211561098141213RR1R2VD1VD2R4R3RC2R5R9R10R8C3R6R7LM324IC1-ALM324IC1-BIC1-CLM324IC1-DLM324F方波发生器三角波发生器(产生三角载波)输出PWM波电流反馈值电流设定值VD3VD4UsCUUtPI调节器脉宽调制三角波三角波发生器发生器比较器比较器三角波发生器三角波发生器 由两个运算放大器构成由两个运算

37、放大器构成：IC1-AIC1-A是多谐振荡器是多谐振荡器：产生频率恒定且正产生频率恒定且正负对称的方波信号负对称的方波信号；IC1-B IC1-B是积分器，把输入的方波变成三角是积分器，把输入的方波变成三角波信号波信号U Ut t输出。输出。C13211561098141213RR1R2VD1VD2R4R3RC2R5R9R10R8C3R6R7LM324IC1-ALM324IC1-BIC1-CLM324IC1-DLM324F方波发生器三角波发生器(产生三角载波)输出PWM波电流反馈值电流设定值VD3VD4UsCUUtPI调节器脉宽调制比较器比较器 比较器比较器IC1-CIC1-C的作用是把输入的

38、三角波信号的作用是把输入的三角波信号U Ut t和控制信号和控制信号U UC C相相加输出脉宽调制方波。加输出脉宽调制方波。（1 1）当外部控制信号）当外部控制信号U UC C=0=0时，比较器输出为正负对称的方波，时，比较器输出为正负对称的方波，直流分量为零。直流分量为零。（2 2）当）当U UC C 00时，时，U UC C+U Ut t对接地端是一个不对称三角波，平对接地端是一个不对称三角波，平均值高于接地端，因此输出方波的正半周较宽，负半周较窄。均值高于接地端，因此输出方波的正半周较宽，负半周较窄。U UC C越大，正半周的宽度越宽，直流分量也越大，所以电动机正越大，正半周的宽度越宽，

39、直流分量也越大，所以电动机正向旋转越快。向旋转越快。C13211561098141213RR1R2VD1VD2R4R3RC2R5R9R10R8C3R6R7LM324IC1-ALM324IC1-BIC1-CLM324IC1-DLM324F方波发生器三角波发生器(产生三角载波)输出PWM波电流反馈值电流设定值VD3VD4UsCUUtPI调节器脉宽调制（3）当控制信号）当控制信号UC 0F0，e=F-Pe=F-Pf f00，则调速系统驱动工作台正向进给。只有当则调速系统驱动工作台正向进给。只有当F F和和P Pf f的脉冲个数的脉冲个数相等时，偏差相等时，偏差e=F-Pe=F-Pf f=0=0，工作

40、台才重新稳定在指令所规工作台才重新稳定在指令所规定的平衡位置上。定的平衡位置上。（3 3）当指令脉冲）当指令脉冲F F为负向脉冲指令时，为负向脉冲指令时，F0F0F0指令脉指令脉冲的控制过程相似，此时冲的控制过程相似，此时e0e0，工作台向反方向进给。最后，工作台向反方向进给。最后，工作台准确地停在指令所规定的反向的某个稳定位置上。工作台准确地停在指令所规定的反向的某个稳定位置上。（4 4）比较环节输出的位置偏差信号）比较环节输出的位置偏差信号e e为一个数字量，经为一个数字量，经D/AD/A转换后才能变为模拟给定电压，使模拟调速系统工作。转换后才能变为模拟给定电压，使模拟调速系统工作。闭环数

41、字比较伺服系统工作原理：闭环数字比较伺服系统工作原理：常用的位置检测元件是旋转变压器和感应同步常用的位置检测元件是旋转变压器和感应同步器，并工作于相位工作状态。器，并工作于相位工作状态。结构：结构：相位比较伺服系统相位比较伺服系统 基准信号发生器 滤 波放大器工作台感应同步器伺 服电 机伺 服放大器鉴相器脉 冲调相器脉冲指令F励磁信号PP位置检测信号BA滤 波 放 大 也称为数字相位变换器，其作用是也称为数字相位变换器，其作用是将来自数控将来自数控装置的进给脉冲信号转换为相位变化信号装置的进给脉冲信号转换为相位变化信号。该相位变化信号可用正弦信号或方波信号表示。该相位变化信号可用正弦信号或方波

42、信号表示。若没有进给脉冲输出，则脉冲调相器的输出与基准若没有进给脉冲输出，则脉冲调相器的输出与基准信号发生器发出的基准信号同相位，无相位差。信号发生器发出的基准信号同相位，无相位差。若输出一个正向或反向进给脉冲，则脉冲调相若输出一个正向或反向进给脉冲，则脉冲调相器就输出超前或滞后基准信号一个相应的相位角器就输出超前或滞后基准信号一个相应的相位角。脉冲调相器脉冲调相器 鉴相器有两个输入信号，这两个输入信号同频，鉴相器有两个输入信号，这两个输入信号同频，其相位均以与基准信号的相位差表示。其相位均以与基准信号的相位差表示。鉴相器的作用是鉴别这两个输入信号的相位差，鉴相器的作用是鉴别这两个输入信号的相

43、位差，其输出为正比于这个相位差的电压信号。其输出为正比于这个相位差的电压信号。鉴鉴 相相 器器 相位比较伺服系统中，检测元件工作于相位工作相位比较伺服系统中，检测元件工作于相位工作状态。检测信号经滤波放大后的状态。检测信号经滤波放大后的P PB B作为位置反馈信作为位置反馈信号。进给脉冲（指令脉冲）号。进给脉冲（指令脉冲）F F经脉冲调相后，变成经脉冲调相后，变成频率为频率为F F0 0的正弦信号的正弦信号P PA A。P PA A、P PB B为鉴相器的输入，鉴相器的输出信号为鉴相器的输入，鉴相器的输出信号=P=PA A-P-PB B 就反映了指令位置与实际位置的偏差。就反映了指令位置与实际

44、位置的偏差。经伺服放大器和伺服电机构成的调速系统，驱经伺服放大器和伺服电机构成的调速系统，驱动工作台，实现位置跟踪。动工作台，实现位置跟踪。2 2）工作原理）工作原理 以检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，以检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并依此作为反馈信号。并依此作为反馈信号。检测元件工作于幅值状态，常用的检测元件有检测元件工作于幅值状态，常用的检测元件有旋转变压器和感应同步器。旋转变压器和感应同步器。幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 一、分类：一、分类：交流永磁式伺服电动机交流永磁式伺服电动机 相当于交流同步电动机，其具有硬的机械特性相当于交流同步电动机，其具有硬的机械特性及较

45、宽的调速范围及较宽的调速范围进给系统；进给系统；交流感应式伺服电动机交流感应式伺服电动机 相当于交流感应异步电动机，它与同容量的直相当于交流感应异步电动机，它与同容量的直流电机相比，重量可轻流电机相比，重量可轻1/21/2，价格仅为直流电机的，价格仅为直流电机的1/31/3主轴伺服系统。主轴伺服系统。第五节第五节 交流电机伺服系统交流电机伺服系统 1 1、原理：、原理：由定子绕组产生旋转磁场使转子运转由定子绕组产生旋转磁场使转子运转 交流永磁式伺服电动机交流永磁式伺服电动机:其转速和外加电源频率存在严格的关系，所以其转速和外加电源频率存在严格的关系，所以电源频率不变时，它的转速是不变的；电源频

46、率不变时，它的转速是不变的；交流感应式伺服电动机：交流感应式伺服电动机：由于需要转速差才能在转子上产生感应磁场，由于需要转速差才能在转子上产生感应磁场，所以电动机的转速比其同步转速小，外加负载越所以电动机的转速比其同步转速小，外加负载越大，转速差越大。旋转磁场的同步速度由交流电大，转速差越大。旋转磁场的同步速度由交流电的频率来决定；的频率来决定；二、调速原理和方法二、调速原理和方法 主要是用主要是用改变供电频率改变供电频率从而达到调速目的从而达到调速目的 标量控制法：标量控制法：开环控制，用于简单的调速系统开环控制，用于简单的调速系统 矢量控制法：矢量控制法：闭环量控制，用于要求较高的系统闭环

47、量控制，用于要求较高的系统 矢量控制也称为场定向控制，它是将交流电机模矢量控制也称为场定向控制，它是将交流电机模拟成直流电动机，用对直流电动机的控制方法来控拟成直流电动机，用对直流电动机的控制方法来控制交流电动机。制交流电动机。其方法是其方法是以交流电动机转子磁场定向以交流电动机转子磁场定向，把定子电，把定子电流分解成流分解成与转子磁场方向相平行的磁化电流分量与转子磁场方向相平行的磁化电流分量和和相垂直的转矩电流分量相垂直的转矩电流分量，分别对应直流电动机中的，分别对应直流电动机中的励磁电流和电枢电流。在转子旋转坐标系中，分别励磁电流和电枢电流。在转子旋转坐标系中，分别对其电流分量进行控制，以

48、达到对实际的交流电动对其电流分量进行控制，以达到对实际的交流电动机控制的目的。机控制的目的。2 2、方法、方法 1 1）按转子位置定向的矢量控制：）按转子位置定向的矢量控制：基准旋转坐标系水平轴位于电动机的转子轴基准旋转坐标系水平轴位于电动机的转子轴线上，静止与旋转坐标系之间的夹角就是转子位线上，静止与旋转坐标系之间的夹角就是转子位置角。这个位置角度值可直接从装于电动机轴上置角。这个位置角度值可直接从装于电动机轴上的位置检测元件的位置检测元件绝对编码盘来获得（永磁同步绝对编码盘来获得（永磁同步电动机）。电动机）。2 2）按磁通定向的矢量控制：）按磁通定向的矢量控制：基准旋转坐标系水平轴位于电动

49、机的磁通磁链基准旋转坐标系水平轴位于电动机的磁通磁链轴线上，这时静止和旋转坐标系之间的夹角不能轴线上，这时静止和旋转坐标系之间的夹角不能直接测量，需要计算获得（异步电动机）。直接测量，需要计算获得（异步电动机）。矢量控制分类矢量控制分类(按基准旋转坐标系取法）：按基准旋转坐标系取法）：工业用电频率工业用电频率-5050H HZ Z或或6060H HZ Z 采用变频的方法改变电动机的供电频率采用变频的方法改变电动机的供电频率 常用的方法有两种：常用的方法有两种：直接的交流直接的交流-交流变频交流变频 间接的交流间接的交流-直流直流-交流变频交流变频二、交流伺服电动机调速主电路二、交流伺服电动机调

50、速主电路 用可控硅整流器直接将工频交流电直接变成频用可控硅整流器直接将工频交流电直接变成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输出负脉冲，这个脉动交流电的基波就是所需的变出负脉冲，这个脉动交流电的基波就是所需的变频电压。频电压。这种方法获得的交流电波动较大。这种方法获得的交流电波动较大。直接的交流直接的交流-交流变频交流变频正组负载反组+-+50Hz50HzU0交流输入滤波C逆变整流VDM交流电机(a)(b)1 1）交流）交流-直流：直流：将交流电整流成直流电将交流电整流成直流电 2 2）直流）直流-交流：交流：将直流电压变成为调频、调压的矩形脉冲