数控机床驱动系统分析及步进电机驱动系统设计.pdf

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1、天津大学硕士学位论文数控机床驱动系统分析及步进电机驱动系统设计姓名：王超申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：刘鲁源20040601中_ 交摘要中文摘要 本文分析了数控技术的发展，并以北京机电研究院生产的 V MC-1 0 0 0 C立式加工中心(配F A N U C O i)为例，具体分析了该加工中心主轴的与伺服系统的驱动与控制。为数控机床电气故障的诊断和维修提供了依据。通过数控机床的驱动控制系统分析，结合生产实际，采用二相棍合式步进电机的细分技术实现了对机床第四轴的扩展。建立了基于电流矢量恒幅均匀旋转的细分控制策略。从软件工程的角度分析了第四轴驱动控制方案及设计思想，采用索引

2、法查表，提高了查表速度。以单片机 A T 8 9 C 5 1为核心具体实现了步进电机的细分控制。本方案消除了电机的低频振荡，提高了电机的输出转矩、分辨率和步距的均匀度，解决了步进电机高精度细分的技术难题，达到微步距角为2“的水平。现有的机械加工大多采用单机加工方式，设备利用率低。为此本文通过工业现场总线C A N b u s 实现异构机床的集成，由硬件完成通信协议的转换和接口匹配，通信协议的转换程序完全可由软件实现。通过软插件技术实现异构数控系统通信。基于B/S 模式建立远程加工 We b，用户能在任一台P C机上通过 We b 浏览器显示和提交加工程序。为了充分利用现有机床特建立实验室局域网

3、，可通过共享或登录远程加工加工We b 实现数控加工的建模、生成数控程序、传递加工程序和机床自动关键词:数 控 系 统 矢 量 变 换步 进电 机细 分 技 术局 域网A b s tra c tA b s t r a c t T h e t h e s i s m a k e s a n d e t a i l e d a n a l y s i s o f t h e d e v e l o p m e n t o f t h e N C(n u me r i c a lc o n t r o l l e d)s y s t e m.T a k i n g V MC-I 0 0 0 C v

4、e r t i c a l m a c h i n i n g c e n t e r(F A N U C O i)p r o d u c e d b y B e ij in g me c h a n i c a l a n d e l e c t r i c a l a c a d e m e as a n e x a m p l e,t h e w r i t e ra n a ly z e s t h e d r i v e a n d c o n t r o l o f it s m a in s h a ft,f e e d i n g s y s t e m,w h i c h p

5、 r o v i d e s t h et h e o r e t ic a l b asi s f o r t h e d i a g n o s e a n d m a i n t e n a n c e o f t h e e l e c t r i c b r e a k d o w n t h a t N Cm a c h i n e s y s t e ms m a y e n c o u n t e r.T h r o u g h t h e d r i v e a n d c o n tr o l a n a l y s i s o f t h e N C m a c h i

6、n e,t h e w r i t e r s u g g e s t st h a t w e s h o u l d u t il i z e t h e s u b d iv i s i o n t e c h n o l o g y o f t w o-p h as e m ix e d s t e p p e r m o t o r t or e a l i z e t h e e n l a r g e m e n t o f t h e f o u r th a x i s o f t h e m a c h i n e.T h e c o n t r o l s tr a t

7、e g y b a s e d o nc u r re n t v e c t o r i s e s t a b li s h e d,w h i c h i s c o n s t a n t r a n g e a n d i t s r o t a t i o n i s e v e n.W u s e t h e i n d e xm e t h o d w h e n c h e c k i n g t h e t a b l e,s o t h i s m e t h o d r e d u c e s t h e l e n g t h o f t h e t a b l e,

8、a n d i n c r e a s e s t h es p e e d o f t h e c h e c k i n g.F r o m t h e p o i n t o f t h e s o ft w a re e n g i n e e r i n g,t h e t h e s i s a n a l y z e s t h e c o n t r o ls c h e m e a n d t h e d e s i g n m e t h o d o f t h e f o r t h a x e s d r i v e r a n d s h o w s t h e d

9、e t a i l e d i m p l e m e n t a t i o nb a s e d o n t h e s i n g l e-c h ip m i c r o-c o n tr o l l e r A T 8 9 C 5 1,T h i s P r o j e c t r e m o v e s t h e l o wfr e q u e n c y o s c i l l a t i o n c o m p l e t e ly a n d i m p r o v e s t h e o u t p u t T o r q u e,d i ff e r e n t i a

10、 t i n gp r e c i s i o n a n d t h e e q u a l i t y o f e a c h s t e p o f m o t o r.I n t h i s w a y,i t g i v e s t h e s o l u t i o n t ot h e h i g h p r e c i s i o n s u b d i v i s i o n o f m o t o r,d u e t o w h i c h w e c o u l d r e n d e r t h e m i c r o-s t e pa n g l e a r r i

11、v e a t t h e 2 l e v e l A t p re s e n t,t h e e q u i p m e n t u s i n g e ff i c i e n c y i s r a t h e r l o w b e c a u s e m o s t o fm a c h in in g i s d o n e o n o n e s i n g l e m a c h i n e.T h i s t h e s i s t r i e s t o b r i n g o u t t h e w a y t oi n t e g r a t e d i ff e r

12、 e n t m a c h i n e s w i t h in d u s t r i a l s p o t C A N b u s.T h e h a r d w a r e c o u l dc o m p l e t e t h e c o n v e r s i o n a n d i n t e r f a c e m a t c h o f c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l a n d t h es o f tw a r e r e a l i z e d t h e c o n v e r s i o n p r o g r

13、 a m.T h e s o f t p l u g t e c h n o lo g y c a n r e a l i z e t h ec o m m u n i c a t i o n o f m a c h i n e s w i t h d i ff e r e n t s t r u c t u r e s.W it h t h e a p p l i c a t i o n o f W e b,w h i c h i s b as e d o n B/S m o d e l,u s e r s c a n b r o w s e a n d s u b m i t m a c

14、h i n i n g p r o g r a m st h r o u g h WE B.T o m a k e f u l l u s e o f t h e m a c h i n e s a v a i l a b l e t o u s,w e s e t u p t h e l a b L A N.We c a nr e a l i z e t h e m o d e l b u i l d i n g,s o f t w a r e p r o g r a m m i n g,a t d i s t a n t a n d tr a n s m i tt in g t h e n

15、 e wp r o g r a m s t o t h e m a c h i n e s t o r u n a u t o m a t i c a l l y t h r o u g h t h e m e a s u r e s o f d a t a s h a r e d o rt h e We bK e y w o r d s:N C s y s t e m v e c t o r.t r a n s f o r m s t e p p e r m o t o r s u b d iv i s i o n t e c h n o l o g yLAN独创性声明 本人声明所呈交的硕士

16、学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已 经 发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果，也 不 包 含 为 获 得 m;k*或 其 他 教 育 机 构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学 位 论 文 作 者 签 名:I 赵签 字 日 期:、，年。月 对 日学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解 云建达钾堂有 关 保 留、使 用 学 位 论 文 的 规 定。特授 权 云建人堂可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部

17、分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学 位 论 文 作 者 签“:l 褪导师签 名 恤签 字日 期:声，年了 月 理 日签 字 日 期:牙 乙 动年了 月 护日第一章绪论第一章绪论1.1制造业的现状与发展 制造业是一个国家国民经济的支柱产业。在工业化国家，约有 1/4的人口 从事各种形式的制造活动，即使是非制造部门，也约有半数人的工作性质与制造业密切相关。据估计，工业化国家约 7 0%一8 0%的物质财富来自 制造业，很多国家都把

18、制造业的发展放在经济发展的首位 1。随着科学技术和社会生产的不断发展，机械制造技术有了深刻的变化。在现代制造技术体系中，数控技术和数控装置是工业现代化的重要基础。这一基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。数控技术同时又是柔性制造系统(F MS)、计算机制造系统(C I MS)的技术基础之一。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展 自己的数控技术及其产业。我国数控技术与装置的发展在上个世纪亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。但数控系统、主轴驱动单元、进给驱动单元等大多需由国外厂商提供。国外对向我国出口多轴联动数控系统、高精度驱动方面有着诸多

19、限制2 1。因此基于现有数控系统对机床伺服轴的扩展显得尤为重要。我国制造业目 前还面临一个急需解决的问题是如何把现有的异构机床连在一起实现 D N C控制。我国数控加工设备大多处于单机运行方式，采用手工或微机辅助分段输入、分段加工的方法，设备利用率普遍较低。在多品种小批量的条件下，机床的切削时间只有2 5%。若是将各种数控加工设备联网，构成D N C系统2 1，机床的切削时间就可达到 6 5%，而且易于实现集成化控制和管理。因而近几年国内外对 D N C系统的研究非常活跃 3 1 制造全球化、制造敏捷化、制造网络化、制造虚拟化和制造绿色化是现代制造业发展的趋势4 1。而制造全球化、制造敏捷化和

20、制造虚拟化均离不开制造网络化的支撑环境，因此可以说制造网络化是现代制造业发展的主要趋势之一。制造全球化给我国带来了挑战和机遇:一方面我国正面临着严峻的挑战。在经济全球化与制造全球化的今天，发达国家利用网络化制造技术，快速开发新产品，迅速占领全球市场。我国的一些企业，由于过去的封闭性，一些产品尚有市场空间，在市场全球化后，封闭被打破，第一章绪论第一章绪论1.1制造业的现状与发展 制造业是一个国家国民经济的支柱产业。在工业化国家，约有 1/4的人口 从事各种形式的制造活动，即使是非制造部门，也约有半数人的工作性质与制造业密切相关。据估计，工业化国家约 7 0%一8 0%的物质财富来自 制造业，很多

21、国家都把制造业的发展放在经济发展的首位 1。随着科学技术和社会生产的不断发展，机械制造技术有了深刻的变化。在现代制造技术体系中，数控技术和数控装置是工业现代化的重要基础。这一基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。数控技术同时又是柔性制造系统(F MS)、计算机制造系统(C I MS)的技术基础之一。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展 自己的数控技术及其产业。我国数控技术与装置的发展在上个世纪亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。但数控系统、主轴驱动单元、进给驱动单元等大多需由国外厂商提供。国外对向我国出口多轴联动数控系统、高精度驱动方面

22、有着诸多限制2 1。因此基于现有数控系统对机床伺服轴的扩展显得尤为重要。我国制造业目 前还面临一个急需解决的问题是如何把现有的异构机床连在一起实现 D N C控制。我国数控加工设备大多处于单机运行方式，采用手工或微机辅助分段输入、分段加工的方法，设备利用率普遍较低。在多品种小批量的条件下，机床的切削时间只有2 5%。若是将各种数控加工设备联网，构成D N C系统2 1，机床的切削时间就可达到 6 5%，而且易于实现集成化控制和管理。因而近几年国内外对 D N C系统的研究非常活跃 3 1 制造全球化、制造敏捷化、制造网络化、制造虚拟化和制造绿色化是现代制造业发展的趋势4 1。而制造全球化、制造

23、敏捷化和制造虚拟化均离不开制造网络化的支撑环境，因此可以说制造网络化是现代制造业发展的主要趋势之一。制造全球化给我国带来了挑战和机遇:一方面我国正面临着严峻的挑战。在经济全球化与制造全球化的今天，发达国家利用网络化制造技术，快速开发新产品，迅速占领全球市场。我国的一些企业，由于过去的封闭性，一些产品尚有市场空间，在市场全球化后，封闭被打破，第一章绪论其市场空间有可能迅速缩小。在制造网络化的今天，技术发展的速度加快，产品更新换代越来越快。现在落后一年可能相当于以前落后许多年，因此我国制造业与发达国家相比，实际差距有可能拉大;另一方面我国也面临很好的机遇，由于 I n t e rne t 等技术出

24、现的时间不长，我国与发达国家在网络化制造技术方面的差距还不大。如果能大力发展网络化制造技术，积极适应经济全球化和制造全球化的需要，就可能抓住机遇振兴我国制造业。1.2课题研究的主要内容 本文以 v mc-I o o o c立式加工中心为例，详细分析了数控机床主轴的驱动与控制、伺服系统的驱动与控制。在此基础上，从现有数控机床的改造、数控机床集成 D N C控制、数控机床的远程加工三方面着手，主要研究以下几个问题:(1)由于现有机床只能进行三轴联动，而加工复杂曲面时需要四轴联动才能实现，现采用回转工作台，并采用步进电机细分技术实现机床的第四轴控制。常用的步进电机细分方案有:恒压斩波控制，恒流斩波控

25、制。本文在方案的基础上建立电流矢量恒幅均匀控制模型实现对步进电机的细分控制，提高了加工精度。由微机生成 P WM 的方法共有三种:表格法，位移法，演算法。本文采用方案，在查表中使用索引法，提高查表的速度。(2)当前建立异构机床集成 D N C系统通讯的途径有:利用局域网方式实现 s ,利用串行通讯方式，如 R S 2 3 2 C,2 0 m A 电流环，R S 4 2 2和R S 4 4 9 等，这种通讯方式的缺点是无法实现远程加工的控制和远距离传输;利用工 业 现 场总 线实 现，如C A N b u s 6 .B i t b u s a 本文通过C A N b u s 构筑起 D N C集

26、成系统框架，完成机床侧与C A N b u s,D N C主机与C A N b u s 间通讯的硬件设计，并借助软插件技术实现各异构机床的集成。D N C主机完成加工信息传递、加工程序传输等功能。(3)建立实验室局域网，学生可通过共享或登录远程加工 W e b完成数控加工的建模、生成数控程序、传递加工程序和机床自动加工等工作。(4)最后 基于B/S 模式 7 1 建 立远程 加工W e b 8 ，客户可 通过W e b 浏览 器显示和提交加工程序。第一章绪论其市场空间有可能迅速缩小。在制造网络化的今天，技术发展的速度加快，产品更新换代越来越快。现在落后一年可能相当于以前落后许多年，因此我国制造

27、业与发达国家相比，实际差距有可能拉大;另一方面我国也面临很好的机遇，由于 I n t e rne t 等技术出现的时间不长，我国与发达国家在网络化制造技术方面的差距还不大。如果能大力发展网络化制造技术，积极适应经济全球化和制造全球化的需要，就可能抓住机遇振兴我国制造业。1.2课题研究的主要内容 本文以 v mc-I o o o c立式加工中心为例，详细分析了数控机床主轴的驱动与控制、伺服系统的驱动与控制。在此基础上，从现有数控机床的改造、数控机床集成 D N C控制、数控机床的远程加工三方面着手，主要研究以下几个问题:(1)由于现有机床只能进行三轴联动，而加工复杂曲面时需要四轴联动才能实现，现

28、采用回转工作台，并采用步进电机细分技术实现机床的第四轴控制。常用的步进电机细分方案有:恒压斩波控制，恒流斩波控制。本文在方案的基础上建立电流矢量恒幅均匀控制模型实现对步进电机的细分控制，提高了加工精度。由微机生成 P WM 的方法共有三种:表格法，位移法，演算法。本文采用方案，在查表中使用索引法，提高查表的速度。(2)当前建立异构机床集成 D N C系统通讯的途径有:利用局域网方式实现 s ,利用串行通讯方式，如 R S 2 3 2 C,2 0 m A 电流环，R S 4 2 2和R S 4 4 9 等，这种通讯方式的缺点是无法实现远程加工的控制和远距离传输;利用工 业 现 场总 线实 现，如

29、C A N b u s 6 .B i t b u s a 本文通过C A N b u s 构筑起 D N C集成系统框架，完成机床侧与C A N b u s,D N C主机与C A N b u s 间通讯的硬件设计，并借助软插件技术实现各异构机床的集成。D N C主机完成加工信息传递、加工程序传输等功能。(3)建立实验室局域网，学生可通过共享或登录远程加工 W e b完成数控加工的建模、生成数控程序、传递加工程序和机床自动加工等工作。(4)最后 基于B/S 模式 7 1 建 立远程 加工W e b 8 ，客户可 通过W e b 浏览 器显示和提交加工程序。第二章数控机床的驱动控制系统第二章数控

30、机床的驱动控制系统2.1主轴的驱动与控制 数控机床主轴驱动系统是机床最核心的关键部件之一，其输出性能对数控机床的整体水平是至关重要的。主轴电机不仅要求有较高的速度精度、动态刚度，还要求有连续输出高转矩能力和非常宽的恒功率运行范围。随着功率器件、控制理论、计算机技术的进一步发展和完善，矢量控制交流电机主轴驱动系统的性能达到甚至超过了直流主轴驱动系统。感应电机交流主轴驱动系统是当前商用主轴驱动的主流o V MC-l 0 0 0 C立式加工中心主轴安装在直线滚动导轨立柱上，通过主轴箱中的精密轴和同步齿形带带动主轴旋转，机床主轴可实现5 0-6 0 0 0 r/m i n 的正、反向旋转 0 7 机床

31、配有a P 2 2,2 2 K W交流主轴电机，它虽然与普通电动机在结构上都属于笼型感应电机，但为了使主轴电机有较高的过载能力其结构上还有很多特点，如:在电动机定子上增加通风孔，直接用硅钢片叠片做成多边形外壳，转子多用斜槽铸铜或铸银。交流主轴的尾部，同轴安装有检测用的脉冲编码器。a P系列主轴电动机是由F A N U C公司生产的专用电动机，其转速的调节与普通电动机的变频调速相同都是通过改变交流电动机的供电频率来完成。2.1.1交流主轴电动机调速的基本原理(1)交流调速的基本途径 1 0 由电机学基本原理知，交流电动机的同步转速 n。为:n o=6 0 f-,-P(2 一 1)。.*、翎、，、

32、;_ 6 0 关，。、，。、开 z 电 W J T J L Tq 了叫 阴-1 J u 刀:n=妙一o)=n o 妙一o/P改变电动机转速的方法有(2-2)由上式可见，率S，改变频率f i o:改变磁极对数P，改变转差在数控机床中，交流电动机常采用变频调速的方式。(2)变频调速的控制方式异步电动机的定子电势平衡方程转矩关系式T=C O I Z c o s p2E I=4.4 4 fN I K,0(2-3)第二章数控机床的驱动控制系统第二章数控机床的驱动控制系统2.1主轴的驱动与控制 数控机床主轴驱动系统是机床最核心的关键部件之一，其输出性能对数控机床的整体水平是至关重要的。主轴电机不仅要求有较

33、高的速度精度、动态刚度，还要求有连续输出高转矩能力和非常宽的恒功率运行范围。随着功率器件、控制理论、计算机技术的进一步发展和完善，矢量控制交流电机主轴驱动系统的性能达到甚至超过了直流主轴驱动系统。感应电机交流主轴驱动系统是当前商用主轴驱动的主流o V MC-l 0 0 0 C立式加工中心主轴安装在直线滚动导轨立柱上，通过主轴箱中的精密轴和同步齿形带带动主轴旋转，机床主轴可实现5 0-6 0 0 0 r/m i n 的正、反向旋转 0 7 机床配有a P 2 2,2 2 K W交流主轴电机，它虽然与普通电动机在结构上都属于笼型感应电机，但为了使主轴电机有较高的过载能力其结构上还有很多特点，如:在

34、电动机定子上增加通风孔，直接用硅钢片叠片做成多边形外壳，转子多用斜槽铸铜或铸银。交流主轴的尾部，同轴安装有检测用的脉冲编码器。a P系列主轴电动机是由F A N U C公司生产的专用电动机，其转速的调节与普通电动机的变频调速相同都是通过改变交流电动机的供电频率来完成。2.1.1交流主轴电动机调速的基本原理(1)交流调速的基本途径 1 0 由电机学基本原理知，交流电动机的同步转速 n。为:n o=6 0 f-,-P(2 一 1)。.*、翎、，、;_ 6 0 关，。、，。、开 z 电 W J T J L Tq 了叫 阴-1 J u 刀:n=妙一o)=n o 妙一o/P改变电动机转速的方法有(2-2

35、)由上式可见，率S，改变频率f i o:改变磁极对数P，改变转差在数控机床中，交流电动机常采用变频调速的方式。(2)变频调速的控制方式异步电动机的定子电势平衡方程转矩关系式T=C O I Z c o s p2E I=4.4 4 fN I K,0(2-3)第二章数控机床的驱动控制系统 从上可知，要保持调速时电动机的输出转矩不变，在调节频率f时，应相应地改变定子电势值，以维持 65 不变，即 E,If,=c o n s t (2-4)但定子电势 E,难以控制，也不便测量。频率较高时，可忽略定子阻抗压降，近似认为 U,=E,，则恒电势频率比控制方式变为恒压频比控制方式，即 U,犷,=c o n s

36、t (2-5)2.1.2正弦波脉宽调制(S P W M)S P WM变频器属于间接变频装置，先将 5 0 H Z交流市电变换成恒定直流，再送入逆变电路，输出三相频率和电压均可调的等效于正弦波的脉宽调制波(S P WM)，可拖动三相电动机转动。其主电路如图2-1 所示。图2-1 M W 变 频 器生 角路 a)组成b)简 化图 上述电路产生的 S P WM 不受负载大小的影响，系统动态响应快，输出波形好，使电动机可在近似正弦波的交变电压下运行，脉动转矩小，调速范围大，提高了调速性能，因此近年来在数控机床中交流驱动得到了广泛的应用。2.1.2.1 S P W M 调制波的产生 S P WM调制的控

37、制信号为幅值和频率均可调的正弦波，载波信号为三角波，输出的调制波是等幅而不等宽的脉冲序列，S P WM调制有单极性和双极性两种形式。(1)双极性脉宽调制 双极性脉宽调制的特征是控制信号与载波信号均为双极性信号。双极性 S P WM 方法中所使用的正弦波信号为三相对称正弦波，其载波信号为双极性三角波(。)。以 U 相为例，其调制规律为:不分正负半周，只要u a u 就导通V T,，封锁 V T 4;只要u a u 就导通V T,，封锁 V T 4;只要u a 底为(co t z-m t 1)的矩形与 A 等效，则 H(c)t 2-c o t,)“叽(c o s c o t l-c o s(q t

38、 Z)由于 c o t 2-m t 1=2 a_.U_ SS，PA 4 H 一 享 X(c o s co t I-c o s cu t，)-再以N个宽度为t ，高度为 U d，周期为 T的等宽脉冲的面积与面积H x(0)t 2-0)t 1)等效，亦即与该段正弦波面积相等效所以t w 与H有线性关系，并且t w T 1 2 时，H=O;H=-U e。于是可得到。由于采用双极性调制法，t w=T时，H=姚;t w.=0时，T T(.H、月 十一=一 1 1 十 2 2 l U d)将H代入此式得到脉宽 t w 的计算式(coscu t,一 reses.ee.LT一2 -脚=晋 11+K(co sm

39、 t,一 2)(2-6)式 中K 一 竺，M=2 nM 称之为调制系数:U mU d U d 为逆变器输入的直流电压值;U m为正弦波幅值，按所要求的U-f曲线随频率r 的变化而变化。.确定正弦波频率的范围。输出频率r 与区段数s、每个区段的脉冲数N及脉冲周期Tt u s)之间有如下关系第二章 数控机床的驱动控制系统介S N T 丢 10-6(2-7)输出频率的变化范围是这样确定，对于 I G B T逆变器，开关频率若取为8 K H Z，则脉冲周期 T=1 2 5 po S 取最大为2 4 0,N最大为2 5 5，可求得.f,n=0.1 3 H y o S 最小为6,N最小为1，此时的最高输出

40、频率为f m a x=1.3 3 K H 2 要求输出频率为 1-4 0 0 H Z，最高开关频率取为 1 O K H Z，这时仅改变一个参数是难以实现的为此，需将 N,S,T三个参数结合起来考虑。在不同的频率段，选择一个固定的S和 N，通过改变 T 来改变输出频率f o。在频率变化范围内，各频率段选择的 S,N值如表 2-1 所示，频率分段及相应的S 值如图2-5 所示。0 1 0 0 图 2 一 52 0 0 3 0 0 4 0 0频率分段及相应的表 2-1 各频率段的S,N值f/H zSN刀HZSN1-22 4 02 22 8-4 26 042-3.52 4 01 24 2 7 0483

41、3.5-62 4 077 0-1 1 13 036-1 12 4 041 1 1 一1 6 71 251 1-1 71 2 051 6 7-2 7 81 231 7-286 062 7 8-4 0 01 222.1.2.2驱动电路 E X B 8 4 1 是 I G B T最高开关频率可达专用驱动模块，可驱动3 0 0 A,1 2 0 0 V的I G B T器件4 0-5 0 K H z o I G B T 的集成驱动模块还有 E X B 8 4 0E X B 8 5 0,I R 2 1 1 0,MP D1 2 0 5及 E X B 8 5 1 等。2.1.3交流主轴电动机速度信号的获得 脉冲

42、编码器是一种旋转式脉冲发生器。它把机械角变成电脉冲，是一种常用的角位移的传感器。脉冲编码器分为光电式、接触式和电磁感应式三种。就其精度与可靠性来说光电编码器最好，也是数控机床中广泛采用的一种半闭环的位置检测装置。用霍尔元件做成的电磁感应式脉冲发生器常常用来检测速度。光电编码器型号与种类很多，数控机床中常用的是1 0 2 4 脉冲/每转与6 5 5 3 6 脉冲/每转。近年来出现的高精度光电编码器，最第二章 数控机床的驱动控制系统介S N T 丢 10-6(2-7)输出频率的变化范围是这样确定，对于 I G B T逆变器，开关频率若取为8 K H Z，则脉冲周期 T=1 2 5 po S 取最大

43、为2 4 0,N最大为2 5 5，可求得.f,n=0.1 3 H y o S 最小为6,N最小为1，此时的最高输出频率为f m a x=1.3 3 K H 2 要求输出频率为 1-4 0 0 H Z，最高开关频率取为 1 O K H Z，这时仅改变一个参数是难以实现的为此，需将 N,S,T三个参数结合起来考虑。在不同的频率段，选择一个固定的S和 N，通过改变 T 来改变输出频率f o。在频率变化范围内，各频率段选择的 S,N值如表 2-1 所示，频率分段及相应的S 值如图2-5 所示。0 1 0 0 图 2 一 52 0 0 3 0 0 4 0 0频率分段及相应的表 2-1 各频率段的S,N值

44、f/H zSN刀HZSN1-22 4 02 22 8-4 26 042-3.52 4 01 24 2 7 04833.5-62 4 077 0-1 1 13 036-1 12 4 041 1 1 一1 6 71 251 1-1 71 2 051 6 7-2 7 81 231 7-286 062 7 8-4 0 01 222.1.2.2驱动电路 E X B 8 4 1 是 I G B T最高开关频率可达专用驱动模块，可驱动3 0 0 A,1 2 0 0 V的I G B T器件4 0-5 0 K H z o I G B T 的集成驱动模块还有 E X B 8 4 0E X B 8 5 0,I R

45、2 1 1 0,MP D1 2 0 5及 E X B 8 5 1 等。2.1.3交流主轴电动机速度信号的获得 脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器。它把机械角变成电脉冲，是一种常用的角位移的传感器。脉冲编码器分为光电式、接触式和电磁感应式三种。就其精度与可靠性来说光电编码器最好，也是数控机床中广泛采用的一种半闭环的位置检测装置。用霍尔元件做成的电磁感应式脉冲发生器常常用来检测速度。光电编码器型号与种类很多，数控机床中常用的是1 0 2 4 脉冲/每转与6 5 5 3 6 脉冲/每转。近年来出现的高精度光电编码器，最第二章数控机床的驱动控制系统高每转可达到 6 5 5 3 6 个脉冲。当然这种光电编

46、码器的价格要比常用的贵得多，它主要用在高速进给中 1 4 1 光电编码器与电机做在一起，或者安装在非轴伸端，而电动机常常是直接与滚珠丝杠相联，或者通过减速比为 i 的减速器相连，那么每个脉冲对应机床工作台移动的距离可用下列公式计算出来，s/i(2-8)1 0 2 4式中:一丝杠升距，一个头丝杠，升距即为螺距;i 一传动比 光电编码器又分为增量式与绝对式的。所谓增量式的就是每转过一个角度就有数个脉冲发出，但查不出现在轴处于什么位置，只能记录出从现在起，得到了多少个脉冲，换算出转过多大的角度。绝对式光电编码器，不仅可以查到转过去了多大一个角度，还可以告诉你，轴目前所转的空间位置。也就是说增量式的一

47、停电，一切信息全没有了，绝对式的停电后，再通电，还可以知道轴处于什么位置。增量式光电脉冲编码器是一个光电盘，在一个圆盘的圆周上刻成间隔相等的透明与不透明部分，这个圆盘与工作轴一起旋转。还有一个固定不转的圆盘和这个旋转的圆盘平行的放置，其上有辨向狭缝或狭缝群，当光线透过旋转的圆盘，射到狭缝后的光电元件时，光通量出现了明暗的变化，这种连续地变化引起光电元件产生一个近似正弦的信号，把这个信号经放大，整形电路的处理，再经变换，就获得脉冲信号，通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数 目。就可以求出速度。在圆盘的里圈不透光圆环上还刻有一条透光条纹，这是用来产生一转脉冲的信

48、号，即每转过一转就出一个脉冲，这一信号称之为Z 脉冲。为了辨别转向，在狭缝群中做出两个相邻的狭缝为错开(1/4)P节距。这两个狭缝通过光电元件相对应，得到两组不同的光电脉冲，这两个脉冲分别称之为A与B相脉冲，这两组脉冲是同一圈透光与不透光的光栅产生的。狭缝群是固定 在机座上不动的 11 习。光电编码器可输出6 组脉冲:A,入，B,百，Z与更，它的供电电压是5 V土 5%,-0，伺服电 动机仍正转，工作台继续正向进给。(4)当P r+=2 时，P e=P,+-P f-=2-2=0，则速度指令为零，伺服电 动机停转，工作台停止在位置指令所要求的位置。当指令脉冲为反向P c _ 时，控制过程与正向时

49、相同，只是P Q 0，伺服电 动机仍正转，工作台继续正向进给。(4)当P r+=2 时，P e=P,+-P f-=2-2=0，则速度指令为零，伺服电 动机停转，工作台停止在位置指令所要求的位置。当指令脉冲为反向P c _ 时，控制过程与正向时相同，只是P Q 经正弦信号发生器得三个正弦位置信号分别为a=s i n g,b=s i n(8-1 2 0),c=s i n(0+1 2 0)。用这三个正弦波去控制三个绕组的电流，使得i U=l s i n O,i v=l s i n(B-1 2 0),i w=l s i n(8+1 2 0)永磁电第二章数控机床的驱动控制系统和反馈脉冲的当量相符。设光电

50、编码器的每转脉冲数为 N，指令脉冲当量为 6，滚珠丝杠螺距为 t，则 C MR=(N b)/(t DMR)在 MB 8 7 3 9中，经 P WM 调制后形成正、(2-1 0)负速度指令 F C MD和 C C MD,通过D/A生成速度控制电压 V C MD，相当于前述的 饥r，作为伺服驱动装置的速度控制信号，控制伺服电动机的转速及转向。2.2.4交流进给电动机及驱动系统 数控机床进给多采用三相永磁同步电动机。三相同步电动机的定子装有三相对称绕组，转子为永久磁极，当定子绕组中能入三相电源后，就会在电动机的定、转子间产生一个旋转磁场，这个旋转磁场的转速度环称为同步转速，由于转子是一个永久磁极，因