3数控机床伺服系统.ppt

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1、第第3章章 数控机床伺服系统数控机床伺服系统3.1 数控机床伺服系统的组成及分类数控机床伺服系统的组成及分类3.2 步进伺服系统步进伺服系统3.3 直流伺服系统直流伺服系统3.4 交流伺服系统交流伺服系统3.5 数控机床的检测装置数控机床的检测装置3.1 数控机床伺服系统的组成及分类数控机床伺服系统的组成及分类3.1.1 数控机床伺服系统的组成数控机床伺服系统的组成3.1.2 数控机床对伺服系统的要求数控机床对伺服系统的要求1.高精度高精度 2.可逆运行和频繁灵活启停可逆运行和频繁灵活启停 3.速度范围宽速度范围宽 4.具有高的速度稳定性和足够的传动刚性具有高的速度稳定性和足够的传动刚性5.快

2、速晌应并无超调快速晌应并无超调 6.低速大转矩低速大转矩 8.伺服系统对伺服电机的要求伺服系统对伺服电机的要求 7.系统可靠性高，维护使用方便，成本低系统可靠性高，维护使用方便，成本低3.1.3 数控机床伺服系统的分类数控机床伺服系统的分类1.按有无反馈分类按有无反馈分类 1）开环伺服系统（见图3-2）2）闭环伺服系统（见图3-3）3）半闭环伺服系统（见图3-4）2.按使用的伺服电机分类按使用的伺服电机分类 步进伺服是一种用脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。其角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。步进伺服结构简单，但精度差、能

3、耗高、速度低，且其功率越大移动速度越低。步进伺服易于失步，使其主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。1）步进伺服系统步进伺服系统的驱动装置为步进电机2）直流伺服系统 直流伺服系统控制简单，调速性能优异，在数控机床的进给驱动中曾占据着主导地位。直流伺服系统的驱动装置为直流伺服电机 缺点是：直流伺服电动机引入了机械换向装置，其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其它设备产生电磁干扰；同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度 3）交流伺服系统 交流伺服系统的驱动装置为交流伺服电机 特点是：宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技

4、术性能，使其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。现在，有些国家的厂家，已全部使用交流伺服系统。4）直线伺服系统 直线伺服系统的驱动装置为直线电机，该伺服系统是一种有发展前途的伺服系统3.按进给驱动和主轴驱动分类按进给驱动和主轴驱动分类1）进给伺服系统 进给伺服系统是指一般概念的伺服系统，是数控机床中要求最高的伺服控制，包括速度控制环和位置控制环。一般的主轴控制仅是一个速度控制系统。但具有C轴控制的主轴与进给伺服系统一样，为一般概念的位置伺服控制系统。2）主轴伺服系统 此外，为了控制在刀库的不同位置进行选择刀具，也需要为刀库配备位置控制系统，但其位置控制与进给坐标轴的位置控制相比，性能要低

5、得多，故称为简易位置伺服系统 1）脉冲、数字比较伺服系统（见图3-5）4.按反馈比较控制方式分类按反馈比较控制方式分类2）相位比较伺服系统（见图3-6）3）幅值比较伺服系统（见图3-7）在这三种系统中，相位比较伺服系统应用没有脉冲数字比较伺服系统广泛，幅值比较伺服系统应用较少。4）全数字伺服系统 其由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化，软件数字PID使用灵活，柔性好。随着更多新的控制技术发展和采用，全数字伺服系统的伺服性能得到了进一步的提高和完善，使得控制的精度和品质获得了极大的提高。3.2 步进伺服系统步进伺服系统3.2.1 步进电动机的种类结构及其工作原理步进电动机的种类结构及其工作

6、原理 用于数控机床驱动的步进电动机主要有两类:反应式步进电动机和混合式步进电动机，我们以一台三相反应式步进电动机为例来分析步进电机的工作原理，如图3-8所示 电动机定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。此时电动机转子转过的空间角度 称为步距角。上述通电方式称为三相单三拍。所谓“单”，是指每次通电时，只有一相绕组通电；所谓“三拍”，是指经过三次切换绕组的通电状态为一个循环，第四拍通电时就重复第一拍通电的情况。显然，在这种通电方式时，三相步进电动机的步距角应为30o。三相步进电动机除了单三拍通电方式外，还有三相单、双六拍的通电方式。这时通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A，或为A-AC-C

7、-CB-B-BA-A。这种通电方式下，三相步进电动机的步距角应15o。在实际使用中，通常将采用“双三拍”通电方式，很少采用单三拍通电方式。在数控机床中通常采用的是小步距角的步进电动机。图3-9所示的结构是最常见的一种小步距角的三相反应式步进电动机。它的定子上有6个极，上面装有绕组，并接成A、B、C三相，并且每段极弧上各设有5个齿。转子上均匀分布着40个齿，定子转子的齿宽和齿距都相同。故转子每个齿的齿距应为360。/40=9。；而每个定子磁极的极距为360。/6=60，所以每一个极距所占的齿距数不是整数。图3-10所示为步进电动机的展开图。当A极下的定、转子齿对齐时，B极和C极下的齿就分别和转子

8、齿错开三分之一的转子齿距。当控制绕组按A-B-C-A 顺序循环通电时，若断开A相绕组而接通B相绕组，转子按顺时针方向转过3，从而使定子B极下的齿和转子齿对齐。若按A-AB-B-BC-C-CA-A 顺序循环通电，每一脉冲仅转动1.5 3.2.2 步进电机的特性及选用步进电机的特性及选用1.静特性矩角特性和最大静转矩静特性矩角特性和最大静转矩 当步进电动机某相通以直流电流时，如果在电动机轴上加了一个负载，则步进电动机转子就要在转过一次小角度后，才会重新稳定下来，这时转子上受到的电磁转矩T和负载转矩相等，称T为静态转矩；而转过的这个角度，称为失调角。描述步进电动机静态时电磁转矩T与失调角之间关系的特

9、性曲线称为矩角特性曲线。当转子转过一个齿距，矩角特性就变化一个周期，相当于2角度，定、转子齿形均为矩形的矩角特性曲线近似于正弦曲线，如下图3-11所示。1）当定、转子齿（槽）的中心线重合时（图3-12左图），失调角=0，电磁转矩T=0；2）当定子槽中心线与转子齿的中心线重合时（图3-12中图），则失调角=，这时由于相邻两定子齿对这个转子齿的拉力相同，方向相反，所以同样有电磁转矩T=0；3）当定子槽中心线与转子齿的中心线错开1/4齿距时（图3-12右图），则=/2，此时转矩最大，称为最大静态转矩，其方向是使转子趋向=0的位置，其大小与通电状态及绕组内电流的值有关。2.最大启动转矩最大启动转矩我们

10、用图3-13单步运行矩角特性曲线来对此进行分析。曲线1和曲线2的交点转矩Tq是步进电机所能带动负载的极限值，成为最大启动转矩。3.步进电机的连续运转步进电机的连续运转 当绕组通电状态未切换时，定、转子齿对齐 当控制脉冲到来时，通电绕组切换，转子在电磁转矩的作用下产生加速度并向新通电相的定子齿运动。当转子运动到与定子齿对齐的位置时，达到矩角特性的新平衡点 由于转子积累了动能，不能马上停止，因而要冲过新平衡点，因而要冲过新平衡点，此时，电磁转矩为负值，转子很快被减速至零。然后转子在负载转矩作用下反向运动，又回到平衡点，同样由于惯性，转子还要冲过平衡点，最后稳定在平衡点。从绕组通电，继而转子开始运转

11、并最终稳定于新的平衡点的过程称为转子运动的过渡过程；期间所用时间称为过渡时间。如果输入脉冲间隔大于过渡过程的时间，振荡会衰减并稳定于新的平衡点。如果控制间隔小于单步运行的过渡过程时间，步进电动机就处于连续运行状态。实际上，步进电动机大都是在连续运行状态下工作的。4.矩频特性矩频特性 电动机在连续工作状态下所产生的转矩称为动态转矩。步进电动机的最大动态转矩和脉冲频率的关系称为矩频特性，如图3-14所示。5.工作频率工作频率 步进电动机的工作频率，通常分为启动频率、制动频率及连续工作频率。步进电动机的工作频率是指电动机按指令的要求进行不失步工作时的最大脉冲频率。对同样的负载转矩来说，正、反向的启动

12、频率和制动频率都是一样的，而连续工作频率要高得多。步进电动机的启动频率是指它在一定的负载转矩下能够不失步地起动的最高频率。绕组的时间常数越小，负载转矩和转动惯量越小，步矩角越小，则启动频率越高。失步包括丢步和超步。丢步是指转子前进的步数小于脉冲数；超步是指转子前进的步数多于脉冲数。6.步进电机的选用步进电机的选用（1）首先选定系统的脉冲当量。（2）选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。（3）然后根据已知的负载转矩，可以在启动矩频特性曲线中查出启动频率。步进电动机有两条重要的特性曲线，即反映启动频率与负载转矩之间关系的曲线和反映转矩与连续运行频率之间关系的曲线，这两条曲线是选用步进电动机的重

13、要依据。若已知步进电动机的连续运行频率f，就可以从工作矩频特性曲线中查出转矩Tdm，假若要求：在切削进给时的转矩为Te，最大切削进给速度为e，在快速进给时的转矩为Tk，最大快进速度为k。首先，依据下式，将进给速度值转变成电动机的工作频率：式中：进给速度(m/min)；脉冲当量(mm)；f步进电动机工作频率。将最大切削进给速度代入e，可求得在切削进给时的最大工作频率fe，若将最大快速进给速度k代入，就可求得在快速进给时的最大工作频率fk。3.2.3 步进电机的驱动电源步进电机的驱动电源步进电机驱动系统框图如图3-15所示。环形分配器、功率放大器以及其他控制线路的组合共同组成步进电机的驱动装置，即

14、驱动电源。1.环形分配器 环形分配器，又称为环形脉冲分配器或环分器，分为硬件环分器和软件环分器两种。(1)硬件环形分配器 常用的脉冲分配器集成模块有PM03、PM04、PM05、PM06(数字代表相数)、PMM8713/PMM8723/PMM8714、CH224、CH250等下面以CH250（图3-16）为例来作一下介绍。(2)软件环形配器 简称软环分。随着微机运行速度的提高，利用软件实现环形分配器成为现实。软件环形配器利用软件实现硬件脉冲分配器的功能。用软件进行环形分配，采用不同的计算机及接口器件有不同的形式。这里不再详细说明。2.功率驱动电路 功率驱动电路的控制方式很多，最早采用的是单电压

15、驱动电路，接着出现的是高低压切换驱动电路，后来又出现了恒流斩波电路、调频调压电路以及细分电路等。所采用功率半导体元件是大功率的GTR、功率场效应晶体管MOSFET或可关断晶闸管。（1）单电压驱动电源（图3-17）VD是续流二极管，其作用有二：一是使绕组中的电流在关断时能迅速消失 二是防止功率晶体管被高压击穿 电容C是用来提高绕组脉冲电流的前沿，提高了步进电机的高频响应性能。Rd是用来减小泄放回路的时间常数(=L/（Rs+Rd）其中L是电机绕组W的电感），提高电流泄放速度，从而改善电机的高频特性。（2）高低压驱动电源。它采用两套电源给电机绕组供电，一套是高压电源，另一套是低压电源，如图3-18。

16、在图中，由脉冲变压器T组成了高压控制电路。采用高低压供电的驱动电源，绕组电流的建立和消失都比较快，从而改善了步进电机的高频性能。高低压切换也可通过定时来控制。称作高压定时控制驱动电源。（3）恒流斩波驱动电路 高低压驱动电路的电流波形的波顶会出现凹形，如图3-18所示，会造成高频输出转矩的下降。为了使历磁绕组中的电流维持在额定值附近，现在工程上多采用斩波驱动电路，如图3-18所示，其波形图见3-203.3 直流伺服系统直流伺服系统3.3.1直流伺服电动机的分类直流伺服电动机的分类 直流伺服电动机根据磁场励磁的方式不同，可以分为他励式、永磁式、并励式、串励式、复励式五种；按结构来分，可以分为电枢式

17、、无槽电枢式、印刷电枢式、空心杯电枢式等；按转速的高低可分为两大类，高速直流伺服电动机和低速大扭矩宽调速电动机。1.高速直流伺服电动机高速直流伺服电动机 高速直流伺服电动机又可分为普通直流伺服电动机和高性能直流伺服电动机。高性能直流伺服电动机又有小惯量无槽电枢直流伺服电动机和空心杯电枢直流伺服电动机。2.低速大扭矩宽调速电动机低速大扭矩宽调速电动机又称为直流力矩电机。其在数控机床上得到广泛的应用。3.3.2 永磁直流伺服电机永磁直流伺服电机 目前，在数控机床进给驱动中采用的直流电动机主要是大惯量宽调速永磁式直流伺服电动机 1.永磁直流伺服电永磁直流伺服电动机基本结构（见图动机基本结构（见图3-

18、21）与特点）与特点3.永磁直流伺服电动机工作原理永磁直流伺服电动机工作原理直流电动机工作原理的示意图如图3-22所示 1）电动机转矩平衡方程式通常，电磁转矩T可以按下式计算：（3-2）电动机轴上的转矩平衡方程式为：（3-3）由式（3-3）知，当电磁转矩T大于总阻转矩T0+TL，表示电动机在加速；当电磁转矩小于T0+TL表示电动机在减速。但根据该转矩平衡方程式，只能确定电动机的电磁转矩的大小，还不能确定电动机的转速 2）电动机电压平衡方程式 当电枢在电磁转矩的作用下一旦转动后，电枢导体就要切割磁力线，产生感应电动势反电动E（3-4）如果电机的外加电压是U，则有如下电动机电压平衡方程式：（3-5

19、）将(3-2)、(3-4)、(3-5)联立解得：（3-6）此方程式称为电动机的机械特性方程式，它描述了电动机的转速与转矩之间的关系。令：则有：（3-7）n反映了电机机械特性的硬度，n越小，表明机械特性越硬。图3-23是机械特性曲线族。3.3.3 直流伺服电机的调速方法直流伺服电机的调速方法 由直流伺服电机的转速公式(3-6)可知，直流电机的基本调速方式有三种：（1）调节电枢电压。若保持电枢电流I不变电流，则磁场磁通保持不变，由式（3-2）可知，电机电磁转矩T保持不变，为恒定值，因此把调压调速也称为恒转矩调速。（2）调磁调速调速过程中，电枢电压U不变，若保持电枢电流I也不变，则输出功率维持不变，

20、故调磁调速又称为恒功率调速。图3-24是直流电机在调节电枢电压和调节磁通调速方式的机械特性曲线。3.3.4 直流伺服电机的调速控制系统直流伺服电机的调速控制系统 现代直流电机速度控制单元常多采用晶闸管（可控硅，SCR）调速系统和晶体管脉宽调制（PWM）调速系统。1.晶闸管调速系统晶闸管调速系统1）晶闸管调速系统主电路 晶闸管调速系统采用的是大功率晶闸管，它的作用有两个，一是用作整流，将电网交流电源变为直流；将调节回路的控制功率放大，得到较高电压与较大电流以驱动电机。二是在可逆控制电路中，电机制动时，把电机运转的惯性能转变为电能，并回馈给交流电网，实现逆变。晶闸管的整流电路有许多种，在数控机床中

21、最常用是三相桥式反并联可逆电路。如图3-25所示的就是三相桥式反并联可逆电路。三相全控桥式电路的电压波形如图3-26所示。由波形图可见，只要改变触发角的值，则就可以改变电机电压的输入值，进而调节直流电机电枢的电流值，达到调节直流电机速度的目的。2）具有转速负反馈的晶闸管单闭环调速系统 当系统受到负载的干扰时，比如加工过程中由于条件变化，电机负载TL增加，系统则会发生这样的变化，即：TL nUnUnUctaUdn，从而使系统转速接近干扰前的转速。3）晶闸管供电转速电流双闭环直流调速系统 转速电流双闭环调速系统如图3-28所示。为了实现转速和电流两种反馈分别起作用，系统中设置了两个调节器，分别对转

22、速和电流进行调节，两者之间实行串级联接。2.晶体管直流脉宽（晶体管直流脉宽（PWM）调速系统）调速系统1）晶体管调速系统主电路 开关功率放大器是脉宽调制速度单元的主回路，其结构形式有两种形式，一种是H型(也称桥式)，另一种是T型。每种电路又有单极性工作方式和双极性工作方式之分，而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关放大电路。a）H型单极性 b）H型双极性 双极性和单极性的电路原理图是一样的，所不同的是右边两个管子的驱动信号不同。2）晶体管直流脉宽（Pulse Width Modulation,PWM）调速系统（1）直流PWM 伺服驱动装置的工作原理 通过改变直流伺服电动机电枢

23、上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，这种装置又称为“开关驱动装置”。PWM控制的示意图如图3-30所示。图3-30 图3-31 假如加在电机两端为图3-31所示的电压波形，则电机所获得的平均电压即为：（3-8）有式（3-8）知：改变ton和toff即可改变转速，但这必须有相的装置才能实现。图3-32所示的即为一种PWM驱动装置系统原理框图。其中脉冲宽度调制电路按功能而言，它实际上是电压/脉宽转换电路（简称V/W 电路，Voltage-to-Pulse Width Converters），也就是PWM信号形成电路。产生PWM信号有多种方法，常采用图3-33所示的具

24、有正反馈的高增益运算放大器（或者电压比较器）。图3-33 图3-34 当三角形波电压U 与直流电压Uk送入放大器后，当三角波高于控制电压时，输出为空；反之，输出为占，改变控制电压Uk就可以改变占空比。其输出波形如图3-34。3.4 交流伺服系统交流伺服系统3.4.1 交流伺服电机交流伺服电机1.交流伺服电动机的分类和特点交流伺服电动机的分类和特点1）异步型交流伺服电动机（IM）异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机，它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式之分，通常多用鼠笼式三相感应电动机。2）同步型交流伺服电动机（BM）按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分磁滞式、永磁式和

25、反应式多种。数控机床中多用永磁式同步电动机。2.永磁式交流伺服电动机永磁式交流伺服电动机1）结构永磁式交流伺服电动机的结构如图3-35、3-36所示。图3-35 永磁式交流伺服电动机横剖面图3-36 永磁式交流伺服电动机纵剖面1定子；2永久磁铁；3轴向通风孔；4转轴1定子；2转子；3压板；4定子绕组；5编码器；6出线盒 转子由多块永久磁铁2和铁心1组成，如图3-37所示。此种结构气隙磁密较高，极数较多。(a)2p=8 (b)2p=4 图3-37永磁转子示意图1铁心；2永久磁铁；3非磁性套筒2）工作原理 其工作原理与电磁式同步电机相同，定子三相绕组产生的空间旋转磁场和转子磁场相互作用，带动转子一

26、起旋转，所不同的是，转子磁极不是由转子的三相绕组产生的，而是由永久磁铁产生，其工作过程如图3-38所示 永磁式交流同步伺服电机的转速一转矩曲线如图3-39所示。曲线分为连续工作区和断续工作区两部分。交流电机的机械特性一般要比直流电机硬，且断续工作区较永磁式交流同步电机工作区大，有利于提高电机的加、减速能力，尤其是在高速区。连续工作区；断续工作区 永磁式交流同步电机的缺点是启动难。3.交流主轴电机 交流主轴电机是基于感应电机的结构而专门设计的。通常为增加输出功率、缩小电机体积，采用定子铁心在空气中直接冷却的方法，没有机壳，且在定子铁心上做有通风孔。因此电机外型多呈多边形而不是常见的圆形。转子结构

27、与普通感应电机相同，只是在电机轴尾部安装检测用的码盘。为了满足数控机床切削加工的特殊要求，也出现了一些新型主轴电机，如液体冷却主轴电机和内装主轴电机等。交流主轴电机与普通感应式伺服电机的工作原理相同，其转速低于同步转速，转速差随着外负载的增大而增大。3.4.2 交流伺服电机的调速方法交流伺服电机的调速方法由电机学基本原理可知，交流电机的转速为（3-9）式中：f定子供电频率(Hz)；P电机定子绕组磁极对数；s转差率。由上式可见，要改变电机转速可采用以下几种方法。（1）改变磁极对数P。这是一种有级的调速方法。（2）改变转差率s。但这种调速方法损耗大，效率较低。（3）变频调速。这是交流电动机的一种理

28、想调速方法，电机从高速到低速其转差率都很小，因而变频调速的效率和功率因数都很高。3.4.3交流变频调速系统交流变频调速系统 变频器基本可以分为两大类：交交变频器与交直交变频器。如图3-40所示。（a）交交变频器；（b）交直交变频器图3-40两种类型的变频器几个基本概念 整流器：在变频器中，把用于将交流电能变换为直流电能的变换器称为整流器。不可控整流电路：输出整流电压完全决定于交流电源电压的称为不可控整流电路。可控整流电路：输出电压可以调整的称为可控整流电路。逆变器：用于将直流电能变换为交流电能的变换器则称为逆变器。斩波器：用于将直流电压变换为可调的或稳定的直流电压的变换器称为斩波器。2.交交直

29、直交变频器交变频器1）电压（源）型交直交变频器 交直交电压型变频器的主电路结构形式如图3-41所示。在电压型变频器中，由于采用电容滤波，故输出电压波形是规则的。（a）可控整流器调压、六拍逆变器变频；（b）二极管整流斩波器调压、六拍逆变器变频；（c）二极管整流、PWM逆变器调压变频图3-41 交直交电压型变频器主电路结构形式2）电流型交直交变频器 交直交电压型变频器的主电路结构形式如图3-42所示。在整流器与逆变器之间起抗干扰及无功能量缓冲作用的滤波器件是电感，因此，电流型变频器的输出电流波形比较规则。（a）可控整流器调压、六拍逆变器变频（b）二重化结构 图3-42 在交直交变频器中，当前的主要

30、形式是脉宽调制（PWM）变频器和正弦波脉宽调制（SPWM）变频器。2.脉宽调制（脉宽调制（PWM）变频器）变频器PWM变频器的示意图如图3-43所示。PWM型变频器的主要特点是：（1）主电路只有一个可控的功率环节，开关元件少，控制线路结构得以简化。（2）整流侧使用了不可控整流器，电网功率因数与逆变器输出电压无关而接近于1。（3）变频调压在同一环节实现，与中间储能元件无关，变频器的动态响应加快。（4）通过对PWM控制方式的控制，能有效地抑制或消除低次谐波，实现接近正弦形的输出交流电压波形。3.正弦波脉宽调制（正弦波脉宽调制（SPWM）变频器）变频器 SPWM变频器属于交一直一交静止变频装置，它先

31、将50Hz交流市电经整流变压器变到所需电压后，经二极管不可控整流和电容滤波，形成恒定直流电压，再送入常用6个大功率晶体管构成的逆变器主电路，输出三相频率和电压均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波(SPWM波)，即可拖动三相异步电机运转。SPWM逆变器用来产生正弦脉宽调制波即SPWM波形，如图3-44所示 把一个正弦半波分成N等分，然后把每一等分的正弦曲线与横坐标轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，这样可得到N个等高而不等宽的脉冲序列。它对应着一个正弦波的半周，对正弦波负半周采取同样的方法处理，即可得到相应的2N个脉冲，这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制波（SPWM）。SPWM波

32、形可采用模拟电路、以“调制”的方法来实现。SPWM调制是用脉冲宽度不等的一系列矩形波脉冲去逼近一个所需要的电压信号，它是利用三角波电压与正弦参考电压相比较，以确定各分段矩形脉冲的宽度。三角波调制原理如图3-45所示。图3-45 三角波调制法原理（a）（b）要获得三相SPWM脉宽调制波形，则需要三个互成120o的控制电压UA、UB和UC分别与同一三角波比较，获得三路互成120o的SPWM脉宽调制波UOA、UOB、UOC，如图3-46所示为三相SPWM波的调制原理。图3-46 三相SPWM控制框图 SPWM是一种比较完善的调制方法，根据逆变器开关元件的工作方式可分为单极性和双极性。如图3-47所示

33、的为三相电压型SPWM变频器的主回路。该回路由左侧的桥式整流电路和右侧的逆变器电路两部分组成，逆变器是其核心。桥式整流电路的作用是将三相工频交流电变成直流电；而逆变器的作用则是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。三相逆变电路由6只具有单向导电性的大功率开关管VT1VT6组成。每只功率开关上反并联一只续流二极管，即图中的VD1VD6，来自控制电路的SPWM波形作为基极控制电压，加在各功率晶体管的基极上。6只功率开关管每隔60o电角度导通一只，相邻两只的功率开关导通时间相差120o，一个周期共换向6次，对应6个不同的工作状态(又称为六拍)。逆变器工作在双极性方式时，即可得到如图

34、3-48所示的线电压波形。3.5 数控机床的检测装置数控机床的检测装置 3.5.1 检测装置的要求及分类检测装置的要求及分类 常用的检测装置有旋转变压器、感应同步器、编码器、光栅、磁栅等。对于采用半闭环控制的数控机床，其位置检测装置一般采用旋转变压器或编码器，安装在进给电机或丝杠上。对于采用闭环控制系统的数控机床，可采用感应同步器、光栅、磁栅等测量装置，安装在工作台和导轨上，直接测量工作台的直线位移。1.数控机床对检测装置的要求数控机床对检测装置的要求（1）受温度、湿度的影响小，工作可靠，抗干扰能力强；（2）在机床移动的范围内满足精度和速度要求；（3）使用维护方便，适合机床运行环境；（4）成本

35、低；（5）便于与计算机相连以实现高速的动态测量。2.位置检测装置分类位置检测装置分类 按检测信号的类型来分，有数字式和模拟式；按检测量的基准分，有增量式和绝对式；按被测量的几何量来分，有回转型(测角位 移)和直线型(测线位移)。常用位置检测元件及分类见表3-1 表3-1 常用位置检测元件数字式模拟式增量式绝对式增量式模拟式直线型计量光栅、激光干涉仪多通道透射光栅直线感应同步器、磁尺3速直线感应同步器、绝对值磁尺回转型增量式脉冲编码器、圆光栅绝对式脉冲编码器旋转变压器、圆感应同步器、圆磁尺多极旋转变压器、3速圆感应同步器1）增量式与绝对式 增量式检测方式单纯测量位移增量，移动一个测量单位就发出一

36、个测量信号。绝对式测量方式中，被测量的任一点的位置都以一个固定的零点作基准，每一被测点都有一个相应的测量值。2）直接测量与间接测量 对机床的直线位移采用直线型检测装置测量，称为直接检测。对机床的直线位移采用回转型检测元件测量，称为间接测量。3.5.2 旋转变压器旋转变压器 旋转变压器是一种数控机床上常见的角位移测量装置，旋转变压器广泛应用于半闭环控制的数控机床上。1.旋转变压器的结构及分类旋转变压器的结构及分类 旋转变压器分为有刷和无刷两种。机床上常用的是无刷旋转变压器。其结构示意图如图3-49所示 图3-49 无刷旋转变压器结构示意图1转子轴；2壳体；3分解器定子；4变压器定子；5变压器一次

37、线圈；6变压器转子线轴；7变压器二次线圈；8分解器转子 旋转变压器又分为单极对和多极对，单极对旋转变压器的定子和转子上各有一对磁极。多极对旋转变压器的定子和转子上各有多对磁极。数控机床上常用的是双极对旋转变压器，其定子和转子上各有两对相互垂直的磁极，检测精度较高。2.旋转变压器的工作原理旋转变压器的工作原理 旋转变压器与普通变压器的工作原理基本相似，所不同的是：普通变压器的一、二次绕组是相对固定的，而旋转变压器的一次、二次绕组随着转子的角位移而发生相对位置的变化；普通变压器的输出电压与输入电压之比是常数，而旋转变压器的输出电压与输入电压之比随着转子的角位移的变化而发生变化，如图3-50所示。（

38、1）单极对旋转变压器的输出电压图3-50 单极对旋转变压器原理（3-10）则二次侧产生的感应电动势为：（3-11）其中：U1一次侧励磁电压；e2二次侧励磁电压；Um励磁电压幅值；转子偏转角。由图3-50所示，设单极对旋转变压器一次绕组匝数为NI，二次绕组匝数为N2，其变压比k=NI/N2，当一次侧交变电压为：（2）双极对（4极）旋转变压器的工作原理 双极对旋转变压器的定子和转子上各有两对相互垂直的磁极，如图3-51所示。图3-51 1）当定子绕组通入相同的激磁电压时，即有：（3-12）由于两个绕组中的感应电压恰好是关于转子转角的正弦、余弦函数，所以双极对旋转变压器又称为正弦余弦旋转变压器。（2

39、）当定子绕组通入不同的激磁电压时，可得到两种不同的工作方式：鉴相工作方式和鉴幅工作方式。a.鉴相工作方式 给定子的两个绕组通以相同幅值、相同频率，但相位差/2的交流激磁电压U1、U2，即：（3-13）当转子正转时，这两个励磁电压在转子两个绕组中产生的感应电压为：而这两个感应电压在转子中是叠加在一起的，所以得到转子的感应电压应为：（3-14）（3-15）同理，当转子反转时，即可得到：可见，转子输出电压的相位角和转子的偏转角之间有严格的对应关系，只要检测出转子输出电压的相位角，就可以求得转子的偏转角，也就可得到被测轴的角位移。实际应用时，把定子余弦绕组的激磁电压的相位作为基准相位，与转子绕组的输出

40、电压的相位做比较，来确定转子偏转角的大小。b.鉴幅工作方式 在定子的正、余弦绕组上分别通以频率相同，相位相同，但幅值分别为U1m、U2m的励磁电压且U1m、U2m为给定电气角为的正余弦函数时，即：（3-16）当转子正转时，则有：（3-17）于是就可得到转子的叠加电压为：（3-18）当转子反转时，同理有：（3-19）其中：为感应电压的幅值。可见，转子感应电压的幅值随转子的偏转角而变化，测量出幅值即可求得偏转角。被测轴的角位移也就可求得了。实际应用时，不断地修改定子激磁电压的幅值(即不断地修改a角)，让它跟踪的变化，实时地让转子的感应电压e总为0，由式(3-18)、式(3-19)可知，此时=。通过

41、定子励磁电压的幅值计算出电气角a，从而得出的大小。3.旋转变压器的应用 将旋转变压器安装在数控机床的丝杠上，当角从0o变化到360o时，表示丝杠上的螺母走了一个导程，这样就间接地测量了丝杠的直线位移(导程)的大小。当测全长时，由于普通旋转变压器属于增量式测量装置，需要加一台绝对位置计数器，当转子转动一周，就累计一次所走的导程数，然后折算成位移总长度。3.5.3 感应同步器感应同步器 根据用途和结构特点可分成直线式和旋转式(圆盘式)两大类。直线式由定尺和滑尺组成，直接进行直线位移测量，用于全闭环伺服系统。旋转式由定子和转子组成，通过测量角位移进行间接测量，用于半闭环伺服系统。1.直线感应同步器原

42、理 图3-52所示为直线感应同步器结构示意图。定尺上为连续绕组，滑尺上为分段绕组，又称为正、余弦绕组。这两个绕组在空间上相互错开0.25节距P，一个节距对应2电角度，那么这个两绕组就相差90o电角度。感应同步器的工作原理为电磁感应原理，当滑尺绕组上加上励磁电压时，定尺绕组上将产生感应电压，滑尺与定尺位置不同，产生的感应电压不同。直线感应同步器就是利用这个感应电压的变化来进行位置检测的。根据励磁方式的不同，感应同步器的工作状态可分为鉴相式和鉴幅式两种。（1）鉴相工作方式 当滑尺的两个绕组中分别通以幅值、频率相同但相位相差90o的励磁电压时，即：若正弦绕组单独供电且开始时正弦绕组与定尺绕组重合，则

43、滑尺移动时，定尺的感应电压为：（3-20）（3-21）当余弦绕组单独供电时，在定尺上的感应电势：（3-22）当正、余弦绕组同时供电时，定尺上的输出电压V为上述两种情况的叠加，即有：（3-23）从上式可见，定尺感应总电压VO的相位角与滑尺相对定尺的位移值x有严格的对应关系，即 所以可通过鉴别定尺感应电压的相位即可测得滑尺与定尺间的相对位移。（2）鉴幅工作方式 若供给滑尺的两个绕组的激磁电压的频率和相位均相同，而幅值不同但具有如下关系：（3-24）式中：e励磁电压的电角度，用来确定励磁电压幅值。则当正、余弦绕组同时供电时，定尺上的输出电压为：在滑尺移动过程中，在一个节距的任一点上，使得e=，从而使

44、Vo=0的点成为节距点，如改变滑尺的位置，使得e，则在定尺上出现感应电压：（3-25）当很小时，就有：（3-26）（3-27）又因为：故有：（3-28）由此可见，通过测量Vo的幅值既可以测量位移量x的大小。3.5.4 光栅光栅 计量光栅一般作为高精度数控机床的位置检测装置，是闭环控制系统中用得 较多的测量装置，可以用作位移和转角的测量，测量精度可达几微米。1.光栅的种类与精度 计量光栅按形状可以分为长光栅(又称直线光栅)和圆光栅。长光栅用于检测 直线位移，圆光栅用于测量转角位移。按制作原理又可以分成玻璃透射光栅和金属反射光栅。1)长光栅。包括玻璃透射光栅和金属反射光栅。(1)玻璃透射光栅是在玻

45、璃的表面上用真空镀膜法镀一层金属膜，再涂上一 层均匀的感光材料，用照相腐蚀法制成透明与不透明间隔相等的线纹，也有用刻蜡、腐蚀、涂黑工艺制成的。(2)金属反射光栅是在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法或用钻石刀直接刻划制成的光栅线纹 2)圆光栅 在玻璃圆盘的外环端面上，做成黑白相间条纹，条纹呈辐射状，相互间夹角(称为栅距角)相等。根据不同的使用要求在圆周内的线纹数也不相同。圆光栅一般有3种形式：（1）六十进制，如圆周内的线纹数为：10800，21600，32 400，64800等；（2）十进制，如圆周内的线纹数为：1000，2500，5000等；（3）二进制，如圆周内的线纹数为：512，1024，

46、2048等。3)计量光栅的精度 计量光栅的精度主要取决于光栅尺本身的制造精度，也就是计量光栅任意两 点间的误差。由于激光技术的发展，光栅的制作精度得到很大提高，目前光栅精度可达到微米级，再通过细分电路可以达到0.1m、甚至更高的分辨率。2.光栅的结构与测量原理 现以透射式直线光栅为例，来说明其用于闭环控制的数控机床检测系统中的工作原理。光栅由标尺光栅(又称长光栅)和光栅读数头两部分组成，如图3-53所示。图3-53 透射直线光栅结构图1灯泡；2透镜；3指示光栅；4标尺光栅；5光敏元件；6读数头2）光栅的测量原理 如图3-54所示，对于栅距d相等的指示光栅和标尺光栅，当两光栅尺沿线纹方向保持一个

47、很小的夹角、刻划面相对平行且有一个很小的间隙(一般取 0.05mm，0.lmm)放置时，在光源的照射下，就会产生莫尔条纹。莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度以w表示。（3-29）3）光栅读数头 光栅读数头又称光电转换器，它由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成光栅读数头的结构形式很多，按光路分，常见的有分光读数头、垂直入射读数头、反射读数头等，下面以分光读数头（图3-55）为例来讲述读数头的工作原理。4）辨向方法 辨向方法如图3-56所示 安装两只光电元件，彼此相距1/4节距。由于莫尔条纹通过光电元 的时间不同，两信号将有90o或1/4周期的相位差。而信号的超前与

48、落后，取决于光栅的移动方向。这样，两信号经过放大整形和微分等辨向电路，即可判别它们的超前与落后，从而判别了机床的运动方向 3.5.5 编码器编码器 编码器又称为码盘，是一种旋转式测量元件，通常装在被测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换成绝对式的代码形式或增量脉冲形式。编码器在数控机床中有两种安装形式，一是同伺服电机同轴连接，称为内装式编码器；二是编码器连接在滚珠丝杆末端，称为外装式编码器。1.基本原理及分类 假设一小车在区间AE上有5个固定停车点（如图3-57所示），分别 以A、B、C、D、E表示。在每个停车点上设置1个二元开关(通一断)，例如位置开关。当小车停止在某一位置时，相应

49、的开关接通（为“1”），这样，可以用如表3-1所示的代码来表示小车的位置。表3-2 小车的位置代码小车位置ABCDE代码1000001000001000001000001 如同上面所讲的确定小车位置的方法，绝对值编码器也是通过读取编码盘上的图案。它由一组按一定规律组成的“0”和“1”二元代码来表示轴的位置，每一个代码对应于编码器的一个确定位置。2.编码器分类 编码器有多种分类方法。按照输出信号的形式不同，可分为绝对值式编码器和脉冲增量式编码器；根据内部结构和检测方式可分为接触式、光电式和电磁式三种；根据所使用的计数制不同可分为二进制编码、二进制循环码（格雷码）、余三码和二十进制码等编码器。下面

50、主要介绍绝对值编码器和增量式光电编码器。3.绝对值编码器 绝对值式编码器为每一个轴的位置提供一个独一无二的编码数字值。在定位控制应用中，坐标值可从绝对编码盘中直接读出，省去了复杂的和昂贵的输入装置。而且，绝对值式编码器不会有累积近程中的误计数，允许的最高旋转速度较高。此外当发生机器和电源故障后再接通电源之后，不需要回到位置参考点就可使用当前的位置值。其缺点是为提高精度和分辨率，必须增加码道数。绝对值编码器是通过读取编码盘上的图案来获取数值的。图3-58（a）所示的为四码道接触式二进制编码盘结构图及工作原理图，图中黑的部分为导电部分表示为“1”，白的部分为绝缘部分表示为“0”。图3-58 绝对值