第4章_數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

1、1第第4章章數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)4.14.1概概 述述一、伺服的基本概念一、伺服的基本概念1. 1. 伺服系統(tǒng)的含義和組成伺服系統(tǒng)的含義和組成 數(shù)控機(jī)床的數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)是以機(jī)械位置和角度作為伺服系統(tǒng)是以機(jī)械位置和角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)，也可稱(chēng)為位置隨動(dòng)系統(tǒng)，也可稱(chēng)為位置隨動(dòng)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)為伺服系統(tǒng)。簡(jiǎn)稱(chēng)為伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)接受伺服系統(tǒng)接受CNCCNC插補(bǔ)器生成的進(jìn)給脈沖或進(jìn)插補(bǔ)器生成的進(jìn)給脈沖或進(jìn)給位移量指令，經(jīng)變換和功率放大驅(qū)動(dòng)給位移量指令，經(jīng)變換和功率放大驅(qū)動(dòng)機(jī)械機(jī)械運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)。1)含義：含義：2)作用：作用：2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)是進(jìn)給伺服系統(tǒng)是

2、以機(jī)床以機(jī)床坐標(biāo)移動(dòng)部件移動(dòng)部件( (如工作臺(tái)如工作臺(tái)) )的位置和速度作為控制量的位置和速度作為控制量。通常由。通常由伺服驅(qū)動(dòng)裝置、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、伺服電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件伺服電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件組成。組成。 CNC CNC機(jī)床伺服系統(tǒng)機(jī)床伺服系統(tǒng)包括：包括：進(jìn)給伺服系統(tǒng)和主軸進(jìn)給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)兩部分。伺服系統(tǒng)兩部分。3)組成：組成： 如果把如果把CNC比作數(shù)控機(jī)床的比作數(shù)控機(jī)床的“大腦大腦”，是發(fā)布，是發(fā)布“命令命令”的指揮機(jī)構(gòu)，那么，伺服系統(tǒng)就是的指揮機(jī)構(gòu)，那么，伺服系統(tǒng)就是CNC機(jī)機(jī)床床的的“四肢四肢”，是執(zhí)行，是執(zhí)行“命令命令”的機(jī)構(gòu)，它是的機(jī)構(gòu)，它是一個(gè)一個(gè)不

3、折不扣的跟隨者不折不扣的跟隨者。31) 1) 精度高精度高 伺服系統(tǒng)的精度伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度精確程度。伺服系統(tǒng)的位移精度是指指令脈沖要伺服系統(tǒng)的位移精度是指指令脈沖要求機(jī)床工作臺(tái)進(jìn)給的位移量和該指令脈沖經(jīng)伺服求機(jī)床工作臺(tái)進(jìn)給的位移量和該指令脈沖經(jīng)伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為工作臺(tái)實(shí)際位移量之間的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為工作臺(tái)實(shí)際位移量之間的符合程度符合程度，兩者誤差愈小，位移精度愈高兩者誤差愈小，位移精度愈高。2.2.對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求2)2)穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好 穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在給定外界干擾作用下，能穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在給定外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)

4、過(guò)程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來(lái)在短暫的調(diào)節(jié)過(guò)程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來(lái)平衡狀態(tài)的能力。平衡狀態(tài)的能力。要求伺服系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干要求伺服系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，保證進(jìn)給速度均勻、平穩(wěn)。擾能力，保證進(jìn)給速度均勻、平穩(wěn)。穩(wěn)定性穩(wěn)定性直接直接影響影響CNCCNC加工精度加工精度。43)3)快速響應(yīng)快速響應(yīng) 快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)跟蹤精度。它反映了系統(tǒng)跟蹤精度。為保證輪廓切削形狀精度為保證輪廓切削形狀精度和低的表面粗糙度，要求伺服系統(tǒng)跟蹤指令信號(hào)的和低的表面粗糙度，要求伺服系統(tǒng)跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快，跟隨誤差小。對(duì)響應(yīng)要快，跟隨誤差

5、小。對(duì)指令的響應(yīng)時(shí)間一般要指令的響應(yīng)時(shí)間一般要求在求在200ms200ms以?xún)?nèi)，甚至小于幾十以?xún)?nèi)，甚至小于幾十msms。4)4)調(diào)速范圍調(diào)速范圍寬寬 調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。 在數(shù)控機(jī)床中，由于所用刀具、加工材料及零在數(shù)控機(jī)床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，件加工要求的不同，為保證在各種情況下都能得到為保證在各種情況下都能得到最佳切削條件，就要求伺服系統(tǒng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速最佳切削條件，就要求伺服系統(tǒng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。范圍。5CNC系統(tǒng)系統(tǒng)速度單元速度單元5)5)低速大扭矩低速大扭矩

6、 機(jī)床加工的特點(diǎn)是，在機(jī)床加工的特點(diǎn)是，在低速時(shí)進(jìn)行重切削低速時(shí)進(jìn)行重切削。因。因此，伺服系統(tǒng)在低速時(shí)要求有大的轉(zhuǎn)矩輸出。此，伺服系統(tǒng)在低速時(shí)要求有大的轉(zhuǎn)矩輸出。 3.3.電氣伺服系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)電氣伺服系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)位置位置PID速度速度PID電流電流PID伺服電機(jī)伺服電機(jī)速度反饋速度反饋位置反饋位置反饋給定給定電氣伺服系統(tǒng)的三環(huán)結(jié)構(gòu)電氣伺服系統(tǒng)的三環(huán)結(jié)構(gòu)電流環(huán)電流環(huán)速度環(huán)速度環(huán)位置環(huán)位置環(huán)6二、伺服系統(tǒng)的分類(lèi)二、伺服系統(tǒng)的分類(lèi) 1.按控制方式分為：按控制方式分為：1)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)；開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)；2)閉環(huán)伺服系統(tǒng)；閉環(huán)伺服系統(tǒng)；開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)7半半閉閉環(huán)環(huán)閉閉環(huán)環(huán)閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服

7、系統(tǒng)82.2.按功能分為：按功能分為： 1)1)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 2)2)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)； 進(jìn)給伺服系統(tǒng)進(jìn)給伺服系統(tǒng)包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)，包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)，用于數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制，并提供用于數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制，并提供切削過(guò)程所需轉(zhuǎn)矩切削過(guò)程所需轉(zhuǎn)矩。主軸伺服系統(tǒng)主軸伺服系統(tǒng)只是一個(gè)速度控制系統(tǒng)，控制只是一個(gè)速度控制系統(tǒng)，控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為機(jī)床主軸提供驅(qū)動(dòng)功率機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為機(jī)床主軸提供驅(qū)動(dòng)功率和所需的切削力，且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。和所需的切削力，且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。 現(xiàn)代現(xiàn)代CNCCNC主軸也具備位置控制環(huán)，以實(shí)現(xiàn)

8、主軸主軸也具備位置控制環(huán)，以實(shí)現(xiàn)主軸的定位和輪廓跟蹤功能。的定位和輪廓跟蹤功能。93.按驅(qū)動(dòng)電機(jī)分為：按驅(qū)動(dòng)電機(jī)分為：1)步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)；步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)；2)直流電機(jī)伺服系統(tǒng)；直流電機(jī)伺服系統(tǒng)；3)交流電機(jī)伺服系統(tǒng)；交流電機(jī)伺服系統(tǒng)；4)直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)伺服系統(tǒng)；直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)伺服系統(tǒng)；（如：直線電機(jī)）（如：直線電機(jī)）104.2檢測(cè)元件檢測(cè)元件一、對(duì)檢測(cè)裝置的要求與分類(lèi)一、對(duì)檢測(cè)裝置的要求與分類(lèi)1.位置檢測(cè)裝置的要求位置檢測(cè)裝置的要求在閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，在閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，位置檢測(cè)裝置的作位置檢測(cè)裝置的作用是檢測(cè)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的位置和速度，發(fā)送用是檢測(cè)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的位置和速度，發(fā)送反饋信號(hào)，構(gòu)成閉環(huán)控

9、制系統(tǒng)。反饋信號(hào)，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)系統(tǒng)的精度決定了精度決定了CNC的精度和分辨率。的精度和分辨率。1)能滿(mǎn)足精度和速度的要求；能滿(mǎn)足精度和速度的要求；2)高能可靠性和高抗干擾能力強(qiáng)；高能可靠性和高抗干擾能力強(qiáng)；3)使用、維護(hù)簡(jiǎn)單方便；使用、維護(hù)簡(jiǎn)單方便；4)成本低；成本低； 通常通常，檢測(cè)裝置的分辨率，檢測(cè)裝置的分辨率(即檢測(cè)的最小位移量即檢測(cè)的最小位移量)在在0.0110微米內(nèi)；微米內(nèi)；運(yùn)動(dòng)速度為運(yùn)動(dòng)速度為024m/min。112.位置檢測(cè)裝置的分類(lèi)位置檢測(cè)裝置的分類(lèi)由于工作條件和測(cè)量要求不同，由于工作條件和測(cè)量要求不同，數(shù)控機(jī)床常數(shù)控機(jī)床常用以下幾種測(cè)量方式：用以下幾種測(cè)量

10、方式：1)絕對(duì)值測(cè)量方式和增量測(cè)量方式絕對(duì)值測(cè)量方式和增量測(cè)量方式絕對(duì)值測(cè)量方式是任一被測(cè)量點(diǎn)位置都由一絕對(duì)值測(cè)量方式是任一被測(cè)量點(diǎn)位置都由一個(gè)固定的零點(diǎn)（即坐標(biāo)原點(diǎn)）算起，每一測(cè)量點(diǎn)，個(gè)固定的零點(diǎn)（即坐標(biāo)原點(diǎn)）算起，每一測(cè)量點(diǎn)，都有一個(gè)相應(yīng)的對(duì)原點(diǎn)的測(cè)量值。都有一個(gè)相應(yīng)的對(duì)原點(diǎn)的測(cè)量值。增量測(cè)量方式檢測(cè)的是相對(duì)位移量，有多個(gè)增量測(cè)量方式檢測(cè)的是相對(duì)位移量，有多個(gè)測(cè)量基準(zhǔn)，任何一個(gè)對(duì)中點(diǎn)都可作為測(cè)量起點(diǎn)，測(cè)量基準(zhǔn)，任何一個(gè)對(duì)中點(diǎn)都可作為測(cè)量起點(diǎn)，因而檢測(cè)裝置比較簡(jiǎn)單。因而檢測(cè)裝置比較簡(jiǎn)單。輪廓控制數(shù)控機(jī)床大都采用增量測(cè)量方式。輪廓控制數(shù)控機(jī)床大都采用增量測(cè)量方式。典型元件如感應(yīng)同步器、光柵、磁

11、尺等。典型元件如感應(yīng)同步器、光柵、磁尺等。122)數(shù)字式測(cè)量和模擬式測(cè)量數(shù)字式測(cè)量和模擬式測(cè)量數(shù)字式測(cè)量數(shù)字式測(cè)量是將被測(cè)量量化后以數(shù)字量表示，是將被測(cè)量量化后以數(shù)字量表示，可直接送到可直接送到CNC進(jìn)行比較、處理。進(jìn)行比較、處理。如光柵、編碼器等，如光柵、編碼器等，特點(diǎn)是：特點(diǎn)是：(1)被測(cè)量量化成脈沖個(gè)數(shù)，便于處理；被測(cè)量量化成脈沖個(gè)數(shù)，便于處理；(2)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，脈沖信號(hào)抗干擾強(qiáng)。結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，脈沖信號(hào)抗干擾強(qiáng)。 模擬式測(cè)量模擬式測(cè)量是將被測(cè)量用連續(xù)的變量（如相是將被測(cè)量用連續(xù)的變量（如相位變化、電壓幅值變化）來(lái)表示的。在數(shù)控機(jī)床位變化、電壓幅值變化）來(lái)表示的。在數(shù)控機(jī)床上模擬式測(cè)量主

12、要用于小量程的測(cè)量。上模擬式測(cè)量主要用于小量程的測(cè)量。如旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等，如旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等，特點(diǎn)是：特點(diǎn)是：(1)直接測(cè)量被測(cè)量，無(wú)須量化；直接測(cè)量被測(cè)量，無(wú)須量化；(2)在小量程內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。在小量程內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。133)直接測(cè)量和間接測(cè)量直接測(cè)量和間接測(cè)量直接測(cè)量直接測(cè)量是將檢測(cè)裝置直接安裝在直線運(yùn)動(dòng)部件是將檢測(cè)裝置直接安裝在直線運(yùn)動(dòng)部件上，測(cè)量直線位移量。上，測(cè)量直線位移量。常用光柵，感應(yīng)同步器等。常用光柵，感應(yīng)同步器等。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是直接反映運(yùn)動(dòng)部件的直線位移量；是直接反映運(yùn)動(dòng)部件的直線位移量；缺點(diǎn)缺點(diǎn)是檢測(cè)裝置要和行程等長(zhǎng)。是檢測(cè)裝置要和行程等長(zhǎng)。間接測(cè)

13、量間接測(cè)量是通過(guò)測(cè)量與運(yùn)動(dòng)部件直線運(yùn)動(dòng)相關(guān)是通過(guò)測(cè)量與運(yùn)動(dòng)部件直線運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)的回轉(zhuǎn)角度間接地測(cè)量直線位移。聯(lián)的回轉(zhuǎn)角度間接地測(cè)量直線位移。常用編碼器、常用編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等。旋轉(zhuǎn)變壓器等。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是使用可靠方便，無(wú)長(zhǎng)度限制；是使用可靠方便，無(wú)長(zhǎng)度限制；缺點(diǎn)缺點(diǎn)是測(cè)量信號(hào)加入機(jī)械傳動(dòng)鏈誤差，從而影是測(cè)量信號(hào)加入機(jī)械傳動(dòng)鏈誤差，從而影響測(cè)量精度。響測(cè)量精度。14二、脈沖編碼器二、脈沖編碼器脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，它將，它將機(jī)械幾何轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。可機(jī)械幾何轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。可用于位置和速度的檢測(cè)，是目前應(yīng)用最多的傳感用于位置

14、和速度的檢測(cè)，是目前應(yīng)用最多的傳感器，根據(jù)檢測(cè)原理，脈沖編碼器可分為器，根據(jù)檢測(cè)原理，脈沖編碼器可分為光電式光電式、電磁感應(yīng)式電磁感應(yīng)式和和接觸式接觸式三種。三種。脈沖編碼器是一種增量檢測(cè)元件，其型號(hào)根脈沖編碼器是一種增量檢測(cè)元件，其型號(hào)根據(jù)每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)，常見(jiàn)有二級(jí)三檔：據(jù)每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)，常見(jiàn)有二級(jí)三檔：3，6，125，102，3，4，6，83，6，125，102，3，4，6，8每轉(zhuǎn)移每轉(zhuǎn)移動(dòng)量動(dòng)量mm30000P/r25000P/r20000P/r3000P/r2500P/r2000P/r每轉(zhuǎn)脈每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)沖數(shù)1.脈沖編碼器分類(lèi)脈沖編碼器分類(lèi)152.光電脈沖編碼器結(jié)構(gòu)原理光電脈沖編碼器結(jié)

15、構(gòu)原理 光電編碼器光電編碼器是由是由圓光柵圓光柵、扇扇形指示光柵形指示光柵、光光電檢測(cè)裝置電檢測(cè)裝置組成。組成。圓光柵盤(pán)是圓光柵盤(pán)是在一定直徑圓盤(pán)在一定直徑圓盤(pán)的圓周上等分地的圓周上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔，形孔，圓盤(pán)與電圓盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同軸動(dòng)機(jī)同軸。16 圓光柵與電動(dòng)機(jī)同速圓光柵與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)時(shí)，光線透過(guò)兩個(gè)光旋轉(zhuǎn)時(shí)，光線透過(guò)兩個(gè)光柵形成明暗相間的條紋，柵形成明暗相間的條紋，經(jīng)光電元件接受轉(zhuǎn)換成交經(jīng)光電元件接受轉(zhuǎn)換成交變電信號(hào)，接近正弦波，變電信號(hào)，接近正弦波，經(jīng)量化整形成脈沖信號(hào)。經(jīng)量化整形成脈沖信號(hào)。計(jì)算每秒光電編碼器計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能

16、反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。為判為判別旋轉(zhuǎn)方向，編碼器提供別旋轉(zhuǎn)方向，編碼器提供相位相差相位相差90的兩路脈沖的兩路脈沖A，B信號(hào)和一個(gè)信號(hào)和一個(gè)“一轉(zhuǎn)脈沖一轉(zhuǎn)脈沖”定位用定位用C信號(hào)。信號(hào)。17光電編碼器輸出波形 光電編碼器光電編碼器優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。適合于長(zhǎng)距離傳輸。缺點(diǎn)缺點(diǎn)是無(wú)法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)是無(wú)法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息。位置信息。90 18三、絕對(duì)值編碼器三、絕對(duì)值編碼器 絕對(duì)值編碼器是一種直接編碼直接測(cè)量的傳絕對(duì)值編碼器是

17、一種直接編碼直接測(cè)量的傳感器，它直接輸出數(shù)字量。感器，它直接輸出數(shù)字量。 結(jié)構(gòu)與脈沖編碼器類(lèi)似，只是其圓形碼盤(pán)上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤(pán)上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的倍關(guān)系，碼盤(pán)上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，位數(shù)，在碼盤(pán)的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼在碼盤(pán)的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤(pán)處于不同位置時(shí)，各光道有一光敏元件；當(dāng)碼盤(pán)處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，直接形成二進(jìn)制數(shù)直接形成二進(jìn)制數(shù)。 絕對(duì)值編碼

18、器也分為絕對(duì)值編碼器也分為光電式光電式、電磁式電磁式和和接觸接觸式式三種。常用為光電式，其碼盤(pán)如圖。三種。常用為光電式，其碼盤(pán)如圖。19 20二進(jìn)制自然碼盤(pán)二進(jìn)制自然碼盤(pán)二進(jìn)制格雷循環(huán)碼盤(pán)二進(jìn)制格雷循環(huán)碼盤(pán)21 絕對(duì)值編碼器是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制絕對(duì)值編碼器是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制（格雷碼）方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。它（格雷碼）方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。它與增量式編碼與增量式編碼器的區(qū)別是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可器的區(qū)別是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼，根據(jù)碼盤(pán)上出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼，根據(jù)碼盤(pán)上讀出的編碼確定轉(zhuǎn)軸的絕對(duì)位置讀出的編碼確定轉(zhuǎn)

19、軸的絕對(duì)位置。其特點(diǎn)是：其特點(diǎn)是：1)可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值；可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值；2)沒(méi)有累積誤差；沒(méi)有累積誤差；3)電源切除后位置信息不會(huì)丟失。電源切除后位置信息不會(huì)丟失。絕對(duì)值編碼器分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來(lái)決定絕對(duì)值編碼器分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來(lái)決定的，即其精度取決于碼道數(shù)的，即其精度取決于碼道數(shù)N，碼道越多，分辨率，碼道越多，分辨率就越高。目前有就越高。目前有10位、位、14位、位、16位等絕對(duì)值編碼器位等絕對(duì)值編碼器產(chǎn)品。產(chǎn)品。22四、光柵四、光柵按光線按光線可可分反射、透射光柵；分反射、透射光柵；按原理按原理可分透射直線式、莫爾條紋式光柵；可分透射直線式、莫爾條紋式光

20、柵；按形狀按形狀還可分為圓光柵和長(zhǎng)光柵。還可分為圓光柵和長(zhǎng)光柵。 圓光柵用于角位移的檢測(cè)，長(zhǎng)光柵用于直線位圓光柵用于角位移的檢測(cè)，長(zhǎng)光柵用于直線位移的檢測(cè)。移的檢測(cè)。 光柵是一種非接觸式測(cè)量，它將機(jī)械位移或光柵是一種非接觸式測(cè)量，它將機(jī)械位移或模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字脈沖，測(cè)量精度高模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字脈沖，測(cè)量精度高(微米級(jí)微米級(jí))。光柵的測(cè)量原理是將光柵移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的光線光柵的測(cè)量原理是將光柵移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的光線明暗變化轉(zhuǎn)化成脈沖電信號(hào)變化而工作的。明暗變化轉(zhuǎn)化成脈沖電信號(hào)變化而工作的。23 光柵光柵由光柵尺和光柵讀數(shù)頭由光柵尺和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。光柵尺包兩部分組成。光柵尺包括標(biāo)尺光柵和指示光柵。光柵的

21、結(jié)構(gòu)如圖。括標(biāo)尺光柵和指示光柵。光柵的結(jié)構(gòu)如圖。 1.光柵檢測(cè)裝置組成光柵檢測(cè)裝置組成 標(biāo)尺光柵標(biāo)尺光柵固定在機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件上，固定在機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件上，指示光柵指示光柵在光柵讀在光柵讀數(shù)頭內(nèi)部，裝在機(jī)床固定件上數(shù)頭內(nèi)部，裝在機(jī)床固定件上，兩者間隙，兩者間隙0.050.051mm1mm。(1)光柵結(jié)構(gòu)光柵結(jié)構(gòu)光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭24對(duì)于長(zhǎng)光柵：線紋等距平行線，間距稱(chēng)柵距對(duì)于長(zhǎng)光柵：線紋等距平行線，間距稱(chēng)柵距p p。對(duì)于圓光柵：線紋是等柵距角的向心條紋。對(duì)于圓光柵：線紋是等柵距角的向心條紋。 柵距柵距p p和柵距角是決定光柵性質(zhì)的基本參數(shù)。和柵距角是決定光柵性質(zhì)的基本參數(shù)。 常見(jiàn)長(zhǎng)光柵的線紋密度為常見(jiàn)

22、長(zhǎng)光柵的線紋密度為2525250250條條/mm/mm。圓光。圓光柵，若直徑為柵，若直徑為110mm110mm，一周內(nèi)刻線達(dá)，一周內(nèi)刻線達(dá)60060010241024條，條，甚至更高。甚至更高。 同一個(gè)光柵元件，其標(biāo)尺光柵和指示光柵的線同一個(gè)光柵元件，其標(biāo)尺光柵和指示光柵的線紋密度必須相同。紋密度必須相同。(2)(2)光柵尺線紋光柵尺線紋 光柵是用真空鍍膜的方法在透明玻璃片或長(zhǎng)光柵是用真空鍍膜的方法在透明玻璃片或長(zhǎng)條形金屬鏡面上光刻均勻密集線紋形成的條形金屬鏡面上光刻均勻密集線紋形成的。 25光柵檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖光柵檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖(3)(3)光柵檢測(cè)裝置構(gòu)成光柵檢測(cè)裝置構(gòu)成262.透射直

23、線式透射直線式光柵檢測(cè)裝置光柵檢測(cè)裝置 這種光柵這種光柵只能透過(guò)單個(gè)透明間隔只能透過(guò)單個(gè)透明間隔，光強(qiáng)度弱，光強(qiáng)度弱，脈沖信號(hào)也不強(qiáng)，適用于線紋較粗的場(chǎng)合。脈沖信號(hào)也不強(qiáng)，適用于線紋較粗的場(chǎng)合。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：指示光柵與指示光柵與標(biāo)尺光柵線標(biāo)尺光柵線紋平行紋平行27指示光柵指示光柵3.莫爾條紋式莫爾條紋式光柵檢測(cè)裝置光柵檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：指示光柵與指示光柵與標(biāo)尺光柵線標(biāo)尺光柵線紋交叉紋交叉角角wp28WP/莫爾條紋莫爾條紋特點(diǎn)：特點(diǎn)：1)1)光強(qiáng)近似余弦分布；光強(qiáng)近似余弦分布；2)2)放大光柵柵距；放大光柵柵距；3)3)平均柵距誤差；平均柵距誤差；4)4)莫爾條紋的移動(dòng)與柵莫爾

24、條紋的移動(dòng)與柵距之間的移動(dòng)成比例。距之間的移動(dòng)成比例。（標(biāo)尺走過(guò)一個(gè)（標(biāo)尺走過(guò)一個(gè)p p，莫，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)爾條紋移動(dòng)一個(gè)w w）wp291 1）響應(yīng)速度快、量程寬、測(cè)量精度高；）響應(yīng)速度快、量程寬、測(cè)量精度高；測(cè)直線位移，精度可達(dá)測(cè)直線位移，精度可達(dá)0.50.53m(300mm3m(300mm范圍內(nèi)范圍內(nèi)) )，分辨率可達(dá)，分辨率可達(dá)0.1m0.1m；測(cè)角位移，精度可達(dá)；測(cè)角位移，精度可達(dá)0.150.15，分辨率可達(dá)，分辨率可達(dá)0.10.1，甚至更高。，甚至更高。2 2）可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，易于自動(dòng)化；）可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，易于自動(dòng)化；3 3）具有較強(qiáng)的抗干擾能力；）具有較強(qiáng)的抗干擾能力；4 4）

25、怕振動(dòng)、怕油污，高精度光柵的制作成本高。）怕振動(dòng)、怕油污，高精度光柵的制作成本高。4.光柵測(cè)量特點(diǎn)光柵測(cè)量特點(diǎn)304.3步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制 步進(jìn)電機(jī)在驅(qū)動(dòng)單元控制下步進(jìn)電機(jī)在驅(qū)動(dòng)單元控制下將進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換成將進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換成機(jī)械的角位移機(jī)械的角位移，并通過(guò)滾珠絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。，并通過(guò)滾珠絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。一、步進(jìn)電機(jī)工作原理一、步進(jìn)電機(jī)工作原理1.步進(jìn)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的工作原理步進(jìn)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的工作原理31 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將脈沖轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移，通過(guò)步將脈沖轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移，通過(guò)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)，精度高，慣性小。進(jìn)驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)，精度高，慣性小。f代表驅(qū)動(dòng)速度；代表驅(qū)動(dòng)速度；n代表位移量；

26、代表位移量；運(yùn)動(dòng)方向是電機(jī)各相通電順序來(lái)決定。運(yùn)動(dòng)方向是電機(jī)各相通電順序來(lái)決定。步進(jìn)步進(jìn)電機(jī)各相保持通電狀態(tài)就能使電機(jī)自鎖。電機(jī)各相保持通電狀態(tài)就能使電機(jī)自鎖。32 步進(jìn)電機(jī)也由步進(jìn)電機(jī)也由定定子和轉(zhuǎn)子子和轉(zhuǎn)子組成。分組成。分反反應(yīng)式、永磁式，混合應(yīng)式、永磁式，混合式式三種。三種。的的定子上定子上有六個(gè)磁極有六個(gè)磁極，每個(gè)磁，每個(gè)磁極上繞有勵(lì)磁繞組，極上繞有勵(lì)磁繞組，每相對(duì)的兩個(gè)磁極組每相對(duì)的兩個(gè)磁極組成一相，成一相，分成分成A、B、C三相。三相。接成接成Y型。型。轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，由轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，由帶齒的鐵心制成。帶齒的鐵心制成。2.步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進(jìn)電

27、機(jī)結(jié)構(gòu)60 33 步進(jìn)電機(jī)是按步進(jìn)電機(jī)是按電磁吸引的原理進(jìn)電磁吸引的原理進(jìn)行工作的。行工作的。當(dāng)定子當(dāng)定子繞組按順序輪流通繞組按順序輪流通電時(shí)，電時(shí)，A、B、C三三對(duì)磁極就依次產(chǎn)生對(duì)磁極就依次產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)，每次將離開(kāi)每次將離開(kāi)最近的某一對(duì)轉(zhuǎn)子最近的某一對(duì)轉(zhuǎn)子齒吸引，齒吸引，從而使轉(zhuǎn)從而使轉(zhuǎn)子一步步轉(zhuǎn)動(dòng)。子一步步轉(zhuǎn)動(dòng)。 3.步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)的工作原理 步進(jìn)電機(jī)對(duì)應(yīng)每個(gè)脈沖每次所轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱(chēng)步進(jìn)電機(jī)對(duì)應(yīng)每個(gè)脈沖每次所轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱(chēng)為為步距角步距角。341)三相單三拍運(yùn)行三相單三拍運(yùn)行 假設(shè)轉(zhuǎn)子有四齒，假設(shè)轉(zhuǎn)子有四齒，三相單三拍三相單三拍是指定子按：是指定子按：正轉(zhuǎn)：正轉(zhuǎn)：ABCA順序通電

28、；順序通電；或：或： 反轉(zhuǎn)：反轉(zhuǎn)：ACBA順序通電；順序通電；每切換一次，轉(zhuǎn)子就順每切換一次，轉(zhuǎn)子就順(逆逆)時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)30 (步距角步距角)。30353)三相六拍通電順序：三相六拍通電順序：正轉(zhuǎn)：正轉(zhuǎn)：AABBBCCCAA反轉(zhuǎn)：反轉(zhuǎn)：AACCCBBBAA步距角為步距角為15 ，特點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)精度高，且轉(zhuǎn)換過(guò)程，特點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)精度高，且轉(zhuǎn)換過(guò)程中始終保證有一相繞組通電，工作穩(wěn)定，因此這種中始終保證有一相繞組通電，工作穩(wěn)定，因此這種方式被大量采用。方式被大量采用。2)三相雙三拍通電順序：三相雙三拍通電順序：正轉(zhuǎn)：正轉(zhuǎn)：ABBCCAAB反轉(zhuǎn)：反轉(zhuǎn)：ACCBBAAC步距角仍為步距角仍為30 ，特點(diǎn)是，

29、特點(diǎn)是切換時(shí)總保持一相通電切換時(shí)總保持一相通電，所以工作比較穩(wěn)定。所以工作比較穩(wěn)定。36 步距角步距角和步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)、通電方式及電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)、通電方式及電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)的關(guān)系如下：轉(zhuǎn)子齒數(shù)的關(guān)系如下：式中式中步進(jìn)電機(jī)的步距角；步進(jìn)電機(jī)的步距角； m電機(jī)相數(shù)；電機(jī)相數(shù)；Z轉(zhuǎn)子齒數(shù)；轉(zhuǎn)子齒數(shù)； K系數(shù)，相鄰兩次通電相數(shù)相同，系數(shù)，相鄰兩次通電相數(shù)相同，K1；相鄰兩次通電相數(shù)不同，相鄰兩次通電相數(shù)不同，K2。同一相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)可有兩種步距角同一相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)可有兩種步距角，通常，通常為為1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。度等。KmZ360二、步進(jìn)電機(jī)的主要性能指

30、標(biāo)二、步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)1.步距角和步距誤差步距角和步距誤差37 步距誤差步距誤差是指步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子每一步是指步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子每一步實(shí)際轉(zhuǎn)過(guò)的角度與理論步距角之差值。通?？刂茖?shí)際轉(zhuǎn)過(guò)的角度與理論步距角之差值。通常控制在在10以?xún)?nèi)。以?xún)?nèi)。 連續(xù)走若干步時(shí)，步距誤差的累積值稱(chēng)為連續(xù)走若干步時(shí)，步距誤差的累積值稱(chēng)為步步距的累積誤差距的累積誤差。由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一轉(zhuǎn)后，將重復(fù)上一轉(zhuǎn)的穩(wěn)由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一轉(zhuǎn)后，將重復(fù)上一轉(zhuǎn)的穩(wěn)定位置，所以定位置，所以步距累積誤差將以一轉(zhuǎn)為周期重復(fù)出步距累積誤差將以一轉(zhuǎn)為周期重復(fù)出現(xiàn)現(xiàn)。382.靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性1)失調(diào)角失調(diào)角當(dāng)步進(jìn)電機(jī)某

31、當(dāng)步進(jìn)電機(jī)某相定子繞組通電并相定子繞組通電并帶上負(fù)載之后，轉(zhuǎn)帶上負(fù)載之后，轉(zhuǎn)子齒與定子齒之間子齒與定子齒之間會(huì)產(chǎn)生偏離。會(huì)產(chǎn)生偏離。A相偏離相偏離39失調(diào)角使步進(jìn)失調(diào)角使步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生一個(gè)靜態(tài)電機(jī)產(chǎn)生一個(gè)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩（電磁轉(zhuǎn)矩），轉(zhuǎn)矩（電磁轉(zhuǎn)矩），它與失調(diào)角它與失調(diào)角的大小的大小呈近似正弦關(guān)系，呈近似正弦關(guān)系，且等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。且等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。被稱(chēng)為被稱(chēng)為矩角特性矩角特性。 矩角特性矩角特性的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值稱(chēng)為最大靜轉(zhuǎn)矩。的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值稱(chēng)為最大靜轉(zhuǎn)矩。在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，當(dāng)外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩除去時(shí)，轉(zhuǎn)子在在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，當(dāng)外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩除去時(shí)，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點(diǎn)位置電磁轉(zhuǎn)矩作用下，仍能回到

32、穩(wěn)定平衡點(diǎn)位置(0 )2)矩角特性矩角特性40如圖所示為三相單三拍的矩角特性曲線，圖中如圖所示為三相單三拍的矩角特性曲線，圖中的的A相、相、B相曲線的交點(diǎn)相曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩是步進(jìn)電機(jī)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩是步進(jìn)電機(jī)的的最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq。如果外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于。如果外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于Tq，電機(jī)就不能啟動(dòng)。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是電機(jī)能帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)就不能啟動(dòng)。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是電機(jī)能帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)的極限轉(zhuǎn)矩。的極限轉(zhuǎn)矩。3.最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq412設(shè)：設(shè)：TL=TaA相通電，失調(diào)角相通電，失調(diào)角1，平衡；，平衡；B相通電時(shí)，相通電時(shí)，TbTa，旋轉(zhuǎn)，當(dāng)，旋轉(zhuǎn)，當(dāng)TbTL時(shí)，失調(diào)時(shí)，失調(diào)角為角為2，新的平

33、衡建立，新的平衡建立424.啟動(dòng)頻率啟動(dòng)頻率空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然起動(dòng)，并進(jìn)空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然起動(dòng)，并進(jìn)入不失步的正常運(yùn)行的最高頻率，稱(chēng)為啟動(dòng)頻率或入不失步的正常運(yùn)行的最高頻率，稱(chēng)為啟動(dòng)頻率或突跳頻率。突跳頻率。指令脈沖的頻率如大于啟動(dòng)頻率，電機(jī)指令脈沖的頻率如大于啟動(dòng)頻率，電機(jī)就不能正常工作。步進(jìn)電機(jī)在帶負(fù)載（尤其是慣性就不能正常工作。步進(jìn)電機(jī)在帶負(fù)載（尤其是慣性負(fù)載）下的啟動(dòng)頻率比空載要低，而且隨著負(fù)載加負(fù)載）下的啟動(dòng)頻率比空載要低，而且隨著負(fù)載加大（在允許范圍內(nèi)），啟動(dòng)頻率會(huì)進(jìn)一步降低。大（在允許范圍內(nèi)），啟動(dòng)頻率會(huì)進(jìn)一步降低。5.連續(xù)運(yùn)行頻率連續(xù)運(yùn)行頻率步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)

34、后，其運(yùn)行速度能根據(jù)指令脈沖步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)后，其運(yùn)行速度能根據(jù)指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱(chēng)為連續(xù)頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱(chēng)為連續(xù)運(yùn)行頻率。運(yùn)行頻率。其值遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率，它也隨著電機(jī)所其值遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率，它也隨著電機(jī)所帶負(fù)載的性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)動(dòng)電源也有很大關(guān)帶負(fù)載的性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)動(dòng)電源也有很大關(guān)系。系。43Tf6.矩頻特性與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矩頻特性與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矩頻特性是描述步進(jìn)電機(jī)矩頻特性是描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩與連輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系，該特，該特性上性上每一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱(chēng)每一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱(chēng)為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩為

35、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，若輸入脈沖頻率逐漸增加，則若輸入脈沖頻率逐漸增加，則電動(dòng)機(jī)所能帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩將逐電動(dòng)機(jī)所能帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩將逐漸下降。漸下降。在使用時(shí)，一定要考在使用時(shí)，一定要考慮動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運(yùn)行頻率的慮動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而下降的特點(diǎn)。上升而下降的特點(diǎn)。矩頻特性44步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路完成由弱電到強(qiáng)電的轉(zhuǎn)換和完成由弱電到強(qiáng)電的轉(zhuǎn)換和放大，功能是將邏輯電平信號(hào)變換成電機(jī)繞組所需放大，功能是將邏輯電平信號(hào)變換成電機(jī)繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號(hào)的具有一定功率的電流脈沖信號(hào)。它包含。它包含環(huán)形分配環(huán)形分配器和功率放大器。器和功率放大器。三

36、、步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路三、步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路環(huán)形分配器環(huán)形分配器是用于控制步進(jìn)電機(jī)的通電方式。是用于控制步進(jìn)電機(jī)的通電方式。其作用是將數(shù)控裝置送來(lái)的一系列指令脈沖按照一其作用是將數(shù)控裝置送來(lái)的一系列指令脈沖按照一定的順序和分配方式加到功率放大器上，控制各相定的順序和分配方式加到功率放大器上，控制各相繞組的通電、斷電。繞組的通電、斷電。環(huán)形分配器功能可由硬件或軟件產(chǎn)生，硬環(huán)分環(huán)形分配器功能可由硬件或軟件產(chǎn)生，硬環(huán)分配器是根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和控制方式設(shè)計(jì)的邏輯配器是根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和控制方式設(shè)計(jì)的邏輯時(shí)序電路。時(shí)序電路。1.環(huán)形分配器環(huán)形分配器451）三相六拍硬環(huán)分AAB：10011046 指

37、令脈沖加到三個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入端CP，旋轉(zhuǎn)方向由正、反控制端的狀態(tài)決定。三個(gè)觸發(fā)器的輸出端連到A、B、C三相功率放大器。 初始時(shí)通過(guò)R端清0脈沖，將三個(gè)觸發(fā)器置為100狀態(tài)， CP端送入一個(gè)脈沖，觸發(fā)翻轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時(shí)：正向控制為“1” ；通電次序：100110010011001101即：AABBBCCCA反轉(zhuǎn)時(shí)：反向控制為“1”；通電次序：100101001011010110即：ACACCBBBA47軟件環(huán)形分配器實(shí)現(xiàn)較軟件環(huán)形分配器實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單、方便。計(jì)算機(jī)控制為簡(jiǎn)單、方便。計(jì)算機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，使的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，使用軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配，用軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配，常用常用的是查表法的是查

38、表法。例如對(duì)于三相六拍環(huán)形例如對(duì)于三相六拍環(huán)形分配器，每當(dāng)接收到一個(gè)進(jìn)分配器，每當(dāng)接收到一個(gè)進(jìn)給脈沖指令，環(huán)形分配器軟給脈沖指令，環(huán)形分配器軟件根據(jù)翻轉(zhuǎn)真值表，按順序件根據(jù)翻轉(zhuǎn)真值表，按順序及方向控制微機(jī)輸出接口將及方向控制微機(jī)輸出接口將A、B、C的值輸出即可。的值輸出即可。2)軟件環(huán)形分配器軟件環(huán)形分配器序號(hào)A B C 方向 1 1 0 0 2 1 1 0 3 0 1 0 4 0 1 1 5 0 0 1 6 1 0 1 反轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn)48功率放大器的作用是將環(huán)形分配器發(fā)出的電功率放大器的作用是將環(huán)形分配器發(fā)出的電平信號(hào)放大至幾安培幾十安培的電流送至步進(jìn)平信號(hào)放大至幾安培幾十安培的電流送至步進(jìn)電機(jī)

39、各相繞組。電機(jī)各相繞組。1）單電壓驅(qū)動(dòng)）單電壓驅(qū)動(dòng)單電壓功放電路單電壓功放電路，L為步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組的為步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組的電感，電感，Ra為繞組電阻，為繞組電阻，Rc為外接電阻，并聯(lián)電為外接電阻，并聯(lián)電容容C用來(lái)加快負(fù)載瞬間電流的上升率，提高電機(jī)用來(lái)加快負(fù)載瞬間電流的上升率，提高電機(jī)快速響應(yīng)能力和啟動(dòng)性能?？焖夙憫?yīng)能力和啟動(dòng)性能。環(huán)形分配器輸出為高電平時(shí)，環(huán)形分配器輸出為高電平時(shí)，T飽和導(dǎo)通，飽和導(dǎo)通，繞組通電；當(dāng)環(huán)形分配器輸出為低電平時(shí)，繞組通電；當(dāng)環(huán)形分配器輸出為低電平時(shí)，T截截止，繞組斷電。止，繞組斷電。2.功率放大器功率放大器49單電壓驅(qū)動(dòng)電路原理圖單電壓驅(qū)動(dòng)電路原理圖單電壓驅(qū)動(dòng)電路的

40、優(yōu)點(diǎn)是線路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是單電壓驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是線路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是電流上升不夠快，高頻時(shí)帶負(fù)載能力低。電流上升不夠快，高頻時(shí)帶負(fù)載能力低。前置放大前置放大RaLUDRcC輸入輸入Rd502）高低壓驅(qū)動(dòng)）高低壓驅(qū)動(dòng)U180V單單穩(wěn)穩(wěn)延延時(shí)時(shí)前置放大前置放大前置放大前置放大U212VVD2V1VD1R2R1V2Lt1t2Cp51高低壓驅(qū)動(dòng)電路特點(diǎn)：高低壓驅(qū)動(dòng)電路特點(diǎn)：電路特點(diǎn)是高壓充電，低壓維持。電路特點(diǎn)是高壓充電，低壓維持。當(dāng)環(huán)形分當(dāng)環(huán)形分配器輸出高電平時(shí)，兩只功率放大管配器輸出高電平時(shí)，兩只功率放大管T1，T2同同時(shí)導(dǎo)通，時(shí)導(dǎo)通，電機(jī)繞組以電機(jī)繞組以80V高壓供電，繞組電流高壓供電，繞組電流快速上升

41、，前沿很陡，當(dāng)接近額定電流時(shí)，單穩(wěn)快速上升，前沿很陡，當(dāng)接近額定電流時(shí)，單穩(wěn)延時(shí)時(shí)間到，延時(shí)時(shí)間到，T1管截止，改由低壓管截止，改由低壓12V供電，供電，維持繞組額定電流維持繞組額定電流。若高低壓之比為若高低壓之比為U1/U2，則，則電流上升也提高電流上升也提高U1/U2倍，上升時(shí)間明顯減小。倍，上升時(shí)間明顯減小。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：額定電流由低壓維持，限流電阻小，額定電流由低壓維持，限流電阻小，功耗小。功耗小。能在較寬的頻率范圍內(nèi)有較大的平均電能在較寬的頻率范圍內(nèi)有較大的平均電流，能產(chǎn)生較大且較穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，有較高的流，能產(chǎn)生較大且較穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，有較高的啟動(dòng)頻率和最高連續(xù)工作頻率啟動(dòng)頻率和最高

42、連續(xù)工作頻率缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：高低壓電路波形連接處有凹形高低壓電路波形連接處有凹形52恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路原理圖恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路原理圖高壓前高壓前置放大置放大低壓前低壓前置放大置放大與門(mén)與門(mén)整形整形U1U1U2U2VD1VD1VD2VD2V1V1V2V2L LReReR R輸入輸入電流反饋電流反饋3）恒流斬波驅(qū)動(dòng)）恒流斬波驅(qū)動(dòng)53恒流斬波驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)恒流斬波驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)環(huán)形分配器輸出的正脈沖將環(huán)形分配器輸出的正脈沖將T1，T2導(dǎo)通，由導(dǎo)通，由于于U1電壓較高，繞組回路又沒(méi)串電阻，所以繞組電壓較高，繞組回路又沒(méi)串電阻，所以繞組電流迅速上升，當(dāng)繞組電流上升到額定值以上的電流迅速上升，當(dāng)繞組電流上升到額定值以上的某一

43、數(shù)值時(shí)，由于采樣電阻某一數(shù)值時(shí)，由于采樣電阻Re的的電流反饋電流反饋?zhàn)饔?，作用，?jīng)整形、放大后送自經(jīng)整形、放大后送自T1的基極，使的基極，使T1管截止。接管截止。接著繞組由著繞組由U2低壓供電，繞組中的電流立即下降，低壓供電，繞組中的電流立即下降，但剛降到額定值以下時(shí)，由于采樣電阻但剛降到額定值以下時(shí)，由于采樣電阻Re的反饋的反饋?zhàn)饔?，使整形電路無(wú)信號(hào)輸出，此時(shí)高壓前置放作用，使整形電路無(wú)信號(hào)輸出，此時(shí)高壓前置放大電路又使大電路又使T1導(dǎo)通，電流又上升。導(dǎo)通，電流又上升。如此反復(fù)進(jìn)行，如此反復(fù)進(jìn)行，形成一個(gè)在額定電流值上下形成一個(gè)在額定電流值上下波動(dòng)呈鋸齒狀的繞組電流波形，近似恒流波動(dòng)呈鋸齒狀

44、的繞組電流波形，近似恒流。54三種電路的電流波形三種電路的電流波形恒流斬波型恒流斬波型高低壓驅(qū)動(dòng)型高低壓驅(qū)動(dòng)型單電壓驅(qū)動(dòng)型單電壓驅(qū)動(dòng)型55步進(jìn)電機(jī)微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)微機(jī)控制利用微機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，有利用微機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，有串行串行和和并行并行兩兩種方式。種方式。1. 1.串行控制串行控制 該方式使單片機(jī)系統(tǒng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源之該方式使單片機(jī)系統(tǒng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源之間具有較少的連線。單片機(jī)通過(guò)間具有較少的連線。單片機(jī)通過(guò)I/OI/O接口將信號(hào)送接口將信號(hào)送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的環(huán)形分配器，所以在這種入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的環(huán)形分配器，所以在這種系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電源中系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電源中必須含

45、有環(huán)形分配器必須含有環(huán)形分配器。56步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的串行控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的串行控制57 CP CP脈沖用來(lái)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角脈沖用來(lái)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)度，每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角。一個(gè)步距角。 方向信號(hào)方向信號(hào)CWCW為電平輸入信號(hào)端，用來(lái)為電平輸入信號(hào)端，用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，CWCW為高電平時(shí)，為高電平時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在CPCP端輸入脈沖時(shí)順時(shí)針轉(zhuǎn)端輸入脈沖時(shí)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；動(dòng)；CWCW為低電平時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在為低電平時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在CPCP端端輸入脈沖時(shí)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。輸入脈沖時(shí)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。582. 2.并行

46、控制并行控制 用微機(jī)系統(tǒng)的數(shù)條端口線用微機(jī)系統(tǒng)的數(shù)條端口線直線直線去控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)去控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路的方法稱(chēng)為并行控制。在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)各相驅(qū)動(dòng)電路的方法稱(chēng)為并行控制。在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)，電源內(nèi)，不包括環(huán)形分配器，而其功能必須由微機(jī)不包括環(huán)形分配器，而其功能必須由微機(jī)系統(tǒng)完成系統(tǒng)完成。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器的功能又有兩種方法：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器的功能又有兩種方法： 1 1）純軟件方法）純軟件方法 即完全用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)相序的分配，即完全用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)相序的分配，直接輸出各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)，主要由寄存器移直接輸出各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)，主要由寄存器移位法和查表法。位法和查表法。 2 2

47、）軟、硬件相結(jié)合的方法）軟、硬件相結(jié)合的方法 專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的一種編程專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的一種編程器接口，計(jì)算機(jī)向接口輸出簡(jiǎn)單形式的代碼數(shù)據(jù)，器接口，計(jì)算機(jī)向接口輸出簡(jiǎn)單形式的代碼數(shù)據(jù)，而接口輸出的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)。而接口輸出的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)。59步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的并行控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的并行控制603. 3.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度控制 實(shí)際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出時(shí)鐘脈沖的頻實(shí)際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出時(shí)鐘脈沖的頻率或者換相的周期。系統(tǒng)可用兩種辦法來(lái)確率或者換相的周期。系統(tǒng)可用兩種辦法來(lái)確定時(shí)鐘脈沖的周期：定時(shí)鐘脈沖的周期： 1 1）軟件延時(shí)）軟件延時(shí) 通過(guò)調(diào)用延時(shí)子程序的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，

48、占通過(guò)調(diào)用延時(shí)子程序的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，占用用CPUCPU時(shí)間。時(shí)間。 2 2）定時(shí)器）定時(shí)器 通過(guò)設(shè)置定時(shí)時(shí)間常數(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)設(shè)置定時(shí)時(shí)間常數(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。614. 4.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速控制 在點(diǎn)位控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)極限起動(dòng)頻率是在點(diǎn)位控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)極限起動(dòng)頻率是比較低的，而要求的運(yùn)行速度往往較高，如比較低的，而要求的運(yùn)行速度往往較高，如果系統(tǒng)要以要求的速度直接起動(dòng)，可能發(fā)生果系統(tǒng)要以要求的速度直接起動(dòng)，可能發(fā)生丟步或根本不能運(yùn)行的情況。系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)丟步或根本不能運(yùn)行的情況。系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)之后，如果達(dá)到終點(diǎn)時(shí)停發(fā)脈沖串，令其立之后，如果達(dá)到終點(diǎn)時(shí)停發(fā)脈沖串，令其立即停止

49、，則因?yàn)橄到y(tǒng)的慣性原因，會(huì)發(fā)生沖即停止，則因?yàn)橄到y(tǒng)的慣性原因，會(huì)發(fā)生沖過(guò)終點(diǎn)的過(guò)終點(diǎn)的“超程超程”現(xiàn)象，使點(diǎn)位控制發(fā)生偏現(xiàn)象，使點(diǎn)位控制發(fā)生偏差。差。 因此在點(diǎn)位控制過(guò)程中，運(yùn)行速度都需要因此在點(diǎn)位控制過(guò)程中，運(yùn)行速度都需要有一個(gè)加速有一個(gè)加速恒速恒速減速減速低恒速低恒速停止的過(guò)程。停止的過(guò)程。62步進(jìn)電動(dòng)機(jī)點(diǎn)位控制的加減速過(guò)程步進(jìn)電動(dòng)機(jī)點(diǎn)位控制的加減速過(guò)程各種系統(tǒng)在工作過(guò)程中，都要求加減速過(guò)各種系統(tǒng)在工作過(guò)程中，都要求加減速過(guò)程時(shí)間盡量短，恒速時(shí)間盡量長(zhǎng)。特別是在程時(shí)間盡量短，恒速時(shí)間盡量長(zhǎng)。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點(diǎn)至終點(diǎn)運(yùn)行要求快速響應(yīng)的工作中，從起點(diǎn)至終點(diǎn)運(yùn)行的時(shí)間要求最短，

50、這就必須要求升速、減速的時(shí)間要求最短，這就必須要求升速、減速的過(guò)程最短，恒速時(shí)的速度最高。的過(guò)程最短，恒速時(shí)的速度最高。63 用微機(jī)讀步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行加減速控制，實(shí)際上，用微機(jī)讀步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行加減速控制，實(shí)際上，就是改變輸出時(shí)鐘脈沖的時(shí)間間隔。升速時(shí)，使就是改變輸出時(shí)鐘脈沖的時(shí)間間隔。升速時(shí)，使脈沖串逐漸加密；減速時(shí)，使脈沖串逐漸稀疏。脈沖串逐漸加密；減速時(shí)，使脈沖串逐漸稀疏。 系統(tǒng)在執(zhí)行升降速控制過(guò)程中，對(duì)加減速的系統(tǒng)在執(zhí)行升降速控制過(guò)程中，對(duì)加減速的控制還需準(zhǔn)備下列數(shù)據(jù)：控制還需準(zhǔn)備下列數(shù)據(jù)： 1 1）加減速的斜率；）加減速的斜率； 2 2）升速過(guò)程的總步數(shù)；）升速過(guò)程的總步數(shù)； 3 3）恒速運(yùn)行總步數(shù)；）恒速運(yùn)行總步數(shù)； 4 4）減速運(yùn)行的總步數(shù)。）減速運(yùn)行的總步數(shù)。64作業(yè)：作業(yè)：n1.步進(jìn)電機(jī)如何分類(lèi)？反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理是什么？n2.什么步距角？如何計(jì)算？n3.一臺(tái)三相六拍步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為60，脈沖頻率為600Hz，分別寫(xiě)出它的正向和反向通電順序,并