1、CH4 进给运动的控制 内容提要：介绍数控系统的进给驱动装置。主要开开环环、半闭环半闭环、全闭环全闭环系统的各个组成部分及其进给运动控制的原理与特性。输输 入入 输输 出出 装装 置置 数控装置数控装置 伺服系统伺服系统 机床电器控制装置机床电器控制装置机机床床本本体体知识准备 伺服（Servo）系统又叫随动系统，是一种能够跟随指令信号的变化而动作指令信号的变化而动作的自动控制系统，它是以机床运动部件的位置和位置和速度速度作为控制量的。在数控机床中，CNC装置是发布命令的“大脑”，而伺服系统则是数控机床的“四肢”，是一种执行机构，它能够准确地执行来自CNC装置的运动指令。伺服系统由伺服驱动装置
2、、伺服电动机、位置检测装置等组成。将电能转换为机械能，拖动机械部件移动或转动。主要内容 1 概述 2 开环数控系统进给运动的控制 3 闭环及半闭环数控系统进给运动的 控制及特性分析 4 位置检测装置1 概述 开环 进给伺服驱动装置 半闭环 闭环 全闭环1开环伺服系统2半闭环伺服系统3闭环伺服系统 2 开环数控系统进给运动的控制 伺服控制驱动单元+步进电动机 开环伺服系统开环数控系统控制原理图电机电机机械执行部件机械执行部件A相、相、B相相C相、相、f、nCNC插补指令插补指令脉冲频率脉冲频率f脉冲个数脉冲个数n换算换算脉冲环形脉冲环形分配变换分配变换功率功率放大放大步进电动机 步进电机的外观图
3、步进电机的外观图步进电机的内部结构图步进电机的内部结构图一、反应式步进电机的结构一、反应式步进电机的结构二步进电动机的工作原理二步进电动机的工作原理给A相绕组通电时，转子位置如图，转子齿偏离定子齿一个角度。由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动；当转子转到与定子齿对齐位置时，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由此可见：是助使步进电机旋转的根本原因。二、步进电动机的工作原理 一拍一拍 从一次通电到另一次通电。从一次通电到另一次通电。步距角步距角 每一拍转子转过的角度。每一拍转子转过的角度。运行方式运行方式1通电方式的分析14 23
4、14 2314 2314 23U1U2V1V2W2W11）m 相单相单 m 拍运行（三相单三拍运行）拍运行（三相单三拍运行）通电顺序：通电顺序：U 相相V 相相W 相相U 相。相。U 相通电相通电 14 23U1U2V1V2W2W114 23 V 相通电相通电 U1U2V1V2W2W1 W 相通电相通电 14 2314 23一步一步两步两步三步三步 步距角：步距角：=30河南工业大学电气工程学院2）m 相双相双 m 拍运行（三相双三拍运行）拍运行（三相双三拍运行）通电顺序：通电顺序：UV 相相VW 相相WU 相。相。14 23U1U2V1V2W2W1 UV 相通电相通电 14 2314 23U
5、1U2V1V2W2W1 VW 相通电相通电 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 WU 相通电相通电 14 23 步距角：步距角：=3014 2314 233）m 相单双相单双 2m 拍运行拍运行(三相单双六拍运行）三相单双六拍运行）通电顺序：通电顺序：UUV VVW W WU U。14 23U1U2V1V2W2W1114 23U1U2V1V2W2W1214 23U1U2V1V2W2W1314 23U1U2V1V2W2W1414 23U1U2V1V2W2W1514 23U1U2V1V2W2W1614 23步距角：步距角：=15 步距角 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，其转子转过一
6、确定的角度为步距角。步进电动机的步距角公式：=360/ZmK m 步进电动机的相数步进电动机的相数 Z 步进电动机转子的齿数步进电动机转子的齿数 K 步进电动机通电方式步进电动机通电方式 单拍为单拍为1 双拍为双拍为2三、步进电动机的运行特性1步进电动机的静态特性 当步进电动机一相或几相通入恒定不变的直流电流时，转子将固定在某一位置上保持不动，这一状态称为静止状态。规定定子、转子齿轴线重合规定定子、转子齿轴线重合的位置为静态空载情况下的初的位置为静态空载情况下的初始稳定平衡位置，转子偏离初始稳定平衡位置，转子偏离初始稳定平衡位置的电角度称为始稳定平衡位置的电角度称为失调角。在静止状态下，电磁失
7、调角。在静止状态下，电磁转矩与失调角之间的函数关系转矩与失调角之间的函数关系称为步进电动机的矩角特性。称为步进电动机的矩角特性。eemesinTT 1步进电动机的静态特性e0e0T 2步进运行状态 当接入控制绕组的脉冲频率较低，电动机转子完成一步之后，下一个脉冲才到来，则电动机呈现出一转一停的状态，称此状态为步进运行状态。3连续运行状态 当脉冲频率f较高时，电动机转子未停止而下一个脉冲已经到来，此时步进电动机已经不是一步一步地转动，而是呈连续运转状态。图4-26 步进电动机的矩频特性4.步进电动机的主要性能指标1）步距角 步距角是步进电动机的主要性能指标之一。不同的应用场合，对步距角大小的要求
8、不同。2）静态步距角误差 即实际的步距角同理论的步距角之间的差值。常用理论步距角的百分数或绝对值来衡量。3）最大静转矩 指步进电动机在规定的通电相数下矩角特性上的转矩最大值。通常技术数据中所规定的最大静转矩是指一相绕组通上额定电流时的最大转矩值。4）启动频率和启动矩频特性 启动频率是能够使步进电动机由静止定位状态不失步地启动，并进入正常运行的控制脉冲最高频率，又称突跳频率。5）运行频率和运行矩频特性 运行频率是指步进电动机启动后，在控制脉冲频率连续上升时，能维持不失步运行的最高频率。通常给出的也是空载情况下的运行频率。6）额定电流和额定电压 额定电流是指电动机静止时每相绕组允许通过的最大电流。
9、额定电压是指驱动电源提供的直流电压。5.步进电动机的选择1步距角的选择 电动机的步距角取决于负载精度的要求。可将负载的最小分辨率换算到电动机轴上，看看每个当量电动机应走多少角度，电动机的步距角应等于或小于此角度。2静力矩的选择 静力矩选择的依据是电动机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种。一般情况下，静力矩应在摩擦负载的2-3倍内为好，静力矩一旦选定，电动机的机座及长度便能确定下来。3电流的选择 对于对于静力矩一样的电动机，因电流参数不同，所以其运行特性差别很大。可依据矩频特性曲线图来判断电动机的电流。二、开环系统控制原理 步进驱动器 步进电机的驱动电路变 频信号源脉 冲分配器功 率
10、放大器步进电动机指令指令 1、工作台位移量的控制 进给脉冲的数量N 定子绕组通电状态改变次数N 步进电动机转子角位移 机床工作台位移量L 步进驱动系统的脉冲当量为：=步进电步进电机的步机的步距角距角滚珠丝杠螺距滚珠丝杠螺距(mm)齿轮的齿轮的减速比减速比h360i 例1：设某数控系统的脉冲当量为0.005mm，步进电动机步距角为0.75，滚珠丝杠的螺距为4mm,试求减速箱的传动比。2、工作台速度的控制 进给脉冲频率f 定子绕组通电/断电状态的变化频率f 步进电动机的转速 工作台的进给速度v 步进驱动系统的进给速度 v=60 fmm/min脉冲/s 例2：设步进电动机转子有80个齿，采用三相六拍
11、驱动方式，与滚珠丝杠直连，工作台作直线运动。丝杠螺距为5mm，工作台的最大移动速度为6mm/s,求：（1）步进电动机的步距角（2）系统的脉冲当量（3）步进电动机的最高工作频率f 3、工作台运动方向的控制改变步进电机输入脉冲信号的循环顺序方向改变步进电机定子绕组中电流的通断循环顺序步进电机实现正转和反转工作台进给方向改变知识回顾 开环、半闭环以及全闭环的区别 CNCCNC步进步进驱动驱动步进步进电机电机 开环进给伺服系统的构成三、步进驱动系统与数控装置的连接数控装置Z轴步进驱动信号动力Z轴步进驱动信号动力X轴步进驱动信号动力主轴控制单元或变频器信号动力反馈主轴编码器主轴电机Z轴电机X轴电机电源变
12、压器四、步进电动机的控制 2.环形脉冲分配器环形脉冲分配器 环形脉冲分配器用来控制步进电动机的运行通电方式。三相三拍环形脉冲分配 环形脉冲分配器165432165342A相驱动B相驱动C相驱动 1）硬件脉冲分配器 硬件脉冲分配器由逻辑门电路和触发器构成。三相六拍脉冲分配器输出真值表 图 三相六拍脉冲分配器&C1 1DC1 1DC1 1DQAQBQCCPXX&1 上图所示为三相六拍环形脉冲分配器原理图，当X“1”时，每来一个脉冲(CP)则电动机正转一步，分配顺序为AABBBCCCAA；当X=“0”时，每来一个脉冲（CP）则电动机反转一步，分配顺序为AACCCBBBAA。输出状态真值表如表 所示。
13、图 CH250实现的脉冲分配电路 2）软件脉冲分配 为了提高脉冲分配器的灵活性，也可用软件来实现环形脉冲分配。下图所示为89C51单片机与步进电动机驱动电路的接口框图。图 单片机控制的三相步进电动机驱动电路框图 89C51功率驱动电路步进电动机CBA光耦P1.2光耦光耦P1.1P1.03 3、驱动放大电路、驱动放大电路 作用：将环形分配器发出的作用：将环形分配器发出的TTLTTL电平信电平信号放大至几安培到十几安培的电流，送至号放大至几安培到十几安培的电流，送至步进电动机的各绕组。步进电动机的各绕组。控制电路：单电压简单驱动、高低压控制电路：单电压简单驱动、高低压切换驱动、高压恒流斩波、调频调
14、压、细切换驱动、高压恒流斩波、调频调压、细分驱动等。分驱动等。前置放大前置放大单电压简单驱动单电压简单驱动3 3、驱动放大电路、驱动放大电路特点：特点：通过提高驱动电通过提高驱动电压加速电流的上升，压加速电流的上升，通过串联大功率电阻通过串联大功率电阻限制稳态电流。限制稳态电流。但驱动电路体积但驱动电路体积大，发热严重。大，发热严重。单稳单稳 延时延时前置放大前置放大前置放大前置放大高低压驱动原理高低压驱动原理3 3、驱动放大电路、驱动放大电路特点：特点：高压充高压充电，低电，低压维持。压维持。4 4、细分驱动、细分驱动 将一个步距角细分成若干点步的驱动方将一个步距角细分成若干点步的驱动方式称
15、细分驱动。式称细分驱动。特点：在不改动电动机结构参数的情况特点：在不改动电动机结构参数的情况下，使步距角减小。下，使步距角减小。要实现细分，需将绕组中的矩形电流波要实现细分，需将绕组中的矩形电流波改成阶梯电流波。改成阶梯电流波。细分电流波形细分电流波形 五、步进电动机驱动驱动装置应用实例 3 闭环数控系统进给运动的控制闭环数控系统进给运动的控制 一、闭环位置控制系统1、概念2、闭环位置控制的实现 半闭环数控系统 半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。位置控制调位置控制调节器节器速度控制速度控制调节与驱动
16、调节与驱动检测与反馈单检测与反馈单元元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈 全闭环数控系统 全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。位置控制调位置控制调节器节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈检测与反馈单元单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈3、执行元件直流伺服电机交流伺服电机二、位置控制回路的结构分析位置控
17、制调位置控制调节器节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈检测与反馈单元单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈工作台速度调节指令位置伺服电机位置反馈数模转换D/A位 置检 测计 数位置放大KvCNC装置G伺服驱动装置XiXfUnUfXo伺服放大倍数 KmKaKda时间常数 TE速度反馈功率放大oXG闭环进给位置控制系统结构框图 1 1、系统结构、系统结构 2.闭环进给位置控制系统的数学模型 KXos111Ts2PAPAPA22PA2ssXiEXf 闭环进给位置控制系
18、统的数学模型 3.数学模型的构成（1）跟随误差E。跟随误差E实际上就是指令位置Xi与实际位置Xf的差值。（2）开环增益K K为整个系统的开环增益，K=Kv Kda KmKa（1/s）（3）传递函数2222)(pppspssesF2222)(ppppsssF 式中，p、p为二阶系统阻尼比和自然振荡角频率，为死区延时时间常数。当忽略死区特性的影响时，可简化为一般情况下，为使进给系统稳定，把伺服驱动系统调整在临界阻尼（p1）附近，超调量较小，可近似看作一阶惯性环节，从而可将传递函数进一步简化为1)(TsKsF式中，K为开环增益，T为时间常数。（4）积分环节描述了伺服驱动输出的速度量经位置反馈计数转换
19、成为位置量的过程。（5）间隙非线性环节描述了典型的机械传动反转间隙对整个系统的影响。（6）最后一个环节描述了机械传动机构的动力学模型。知识回顾数控装置Z轴步进驱动信号动力Z轴步进驱动信号动力X轴步进驱动信号动力主轴控制单元或变频器信号动力反馈主轴编码器主轴电机Z轴电机X轴电机电源变压器知识回顾 闭环伺服系统的结构 闭环进给控制系统的数学模型KXos111Ts2PAPAPA22PA2ssXiEXf4 4 位置检测装置位置检测装置一、概述一、概述1、组成：、组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。号处理装置组成的。2、作用：、作用：实时测
20、量执行部件的位移和速度信号，并变实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。制。分辨率：所能测量的最小位移量。分辨率：所能测量的最小位移量。一、概述一、概述3、直接测量和间接测量 位置传感器有直线式和旋转式两大类。若位置传感器所测量的对象就是被测量本身，即用直线式传感器测直线位移，用旋转式传感器测角位移，则该测量方式为直接测量。若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值，再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移，则该测量方式为间接
21、测量。间接测量示例间接测量示例 工作台工作台丝杠丝杠编码器编码器步进电机步进电机一、概述一、概述直接测量示例直接测量示例 一、概述一、概述光栅光栅4 位置检测装置二、具体的检测装置二、具体的检测装置光栅脉冲编码器感应同步器4.2.1 光栅光栅直线光栅（即长光栅）玻璃透射光栅 金属反射光栅 圆光栅a透光透光 b不不透光透光光栅检测装置的结构光栅检测装置的结构直线透射光栅直线透射光栅直线反射式光栅直线反射式光栅透射式圆光栅透射式圆光栅固定固定光栅检测装置基本结构示意图光栅检测装置基本结构示意图 直线透射光栅直线透射光栅1 1、组成、组成什么是光栅？什么是光栅？由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器
22、件由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件abW光栅栅距光栅栅距或或光栅常数光栅常数2、工作原理、工作原理W条纹间距条纹间距W条纹间距条纹间距光电元件光电元件莫尔现象演示莫尔现象演示LWL3、莫尔条纹的特点L=W/sinL=W/sin条纹间距大大增加条纹间距大大增加 分辨力分辨力 =W=1/50=0.02mm=20 m 放大倍数放大倍数1/=1/(1.8 3.14/180 )31.83 莫尔条纹的宽度莫尔条纹的宽度 L=W/0.637 mm 例：例：一直线光栅，每毫米刻线数为一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示，主光栅与指示光栅的夹角光栅的夹角=1.8，分辨力、放大倍数、莫尔条纹的宽，
23、分辨力、放大倍数、莫尔条纹的宽度分别为多少？度分别为多少？AB4、光栅在数控机床中的应用光栅尺及数显表尺身尺身尺身安装孔尺身安装孔 反射式扫描头反射式扫描头 （与移动部件固定）（与移动部件固定）扫描头安装孔扫描头安装孔可移动电缆可移动电缆防尘保护罩的内部为长光栅防尘保护罩的内部为长光栅扫描头扫描头（与移动部件固定）（与移动部件固定）光栅尺光栅尺可移动电缆可移动电缆光栅在机床上的安装位置（光栅在机床上的安装位置（2 2个自由度）个自由度）光栅在机床上的安装位置（光栅在机床上的安装位置（3 3个自由度）个自由度）数显表数显表光栅在机床上光栅在机床上的安装位置的安装位置 （3 3个自由度）（续）个自
24、由度）（续）安装有直线光栅的数控机床加工实况安装有直线光栅的数控机床加工实况 防护罩内为直线光栅防护罩内为直线光栅光栅扫描头光栅扫描头被加工工件被加工工件切削刀具切削刀具角编码器角编码器安装在夹安装在夹具的端部具的端部4.2.2 脉冲编码器脉冲编码器机械转角机械转角 电脉冲电脉冲脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器。固定固定4.2.3 感应同步器 一种电磁式位置检测元件 分为：直线式 测长度位移 旋转式 测角位移 1直线式感应同步器结构 定尺定尺 移动部件的导轨上 感应同步器 长度应大于被检测件的长度 滑尺滑尺 运动部件上 短 基板（钢或铝合金板）定尺和滑尺 平面绕组 保护屏蔽层图 直线感应同步器 2感应同步器的工作原理 对滑尺上的绕组通以交流电，根据电磁原理，将在定尺绕组上感应出电压 定尺绕组上的感应电压是滑尺上正弦绕组和余弦绕组所产生的感应电压的矢量和矢量和 滑尺每移动一个节距，定尺上的感应电压按余弦规律变化一周3 感应同步器的安装总图本章小结 概述 开环 闭环 半闭环 开环伺服系统 步进电机 步距角 矩频特性 开环伺服系统的位移 速度 方向控制 闭环伺服系统 位置检测装置 光栅 感应同步器 步进电机的基本概念 结构 相 拍 步进电机的工作原理
