數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2目錄第一節(jié)

概述第三節(jié)

數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置第四節(jié)

直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)復(fù)習(xí)題第二節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)第五節(jié)

交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)3第一節(jié)

概

述一、數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的概念及組成數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)是指以數(shù)控機(jī)床移動(dòng)部件的位置和速度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它接受來(lái)自數(shù)控裝置的進(jìn)給指令信號(hào)，經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放大后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、伺服機(jī)構(gòu)或伺服單元。該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，綜合性強(qiáng)。4伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。伺服系統(tǒng)位于數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床主體之間，伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置(計(jì)算機(jī))和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)。

伺服系統(tǒng)的作用示意圖見(jiàn)下圖。伺服系統(tǒng)機(jī)床CNC系統(tǒng)指令動(dòng)作脈沖頻率脈沖數(shù)量速度位置伺服系統(tǒng)的作用示意圖5

伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖6伺服系統(tǒng)的主要功能就是從數(shù)控系統(tǒng)接收微小的電控信號(hào)（5V左右，mA級(jí)），放大成強(qiáng)電的驅(qū)動(dòng)信號(hào)（幾十、上百伏、安培級(jí)），用以驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件——伺服電動(dòng)機(jī)，將電控信號(hào)的變化，轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)輸出軸的角位移或角速度的變化，從而帶動(dòng)機(jī)床主體部件（如工作臺(tái)、主軸或刀具進(jìn)給等）運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床主體運(yùn)動(dòng)的速度控制和位置控制，達(dá)到加工出所需工件的外形和尺寸的最終目標(biāo)。7伺服系統(tǒng)的組成組成：伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制轉(zhuǎn)換電路電子電力驅(qū)動(dòng)放大模塊位置調(diào)節(jié)單元速度調(diào)節(jié)單元電流調(diào)節(jié)單元檢測(cè)裝置一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結(jié)構(gòu)：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。8

位置調(diào)解速度調(diào)解電流調(diào)解轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)電流反饋速度反饋位置反饋MG

位置、速度和電流環(huán)均由：調(diào)節(jié)控制模塊、檢測(cè)和反饋部分組成。電力電子驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路和功率放大器組成。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)：位置控制包括位置、速度和電流控制；速度控制包括速度和電流控制。

伺服系統(tǒng)的組成9⑴精度高⑵穩(wěn)定性好⑶快速響應(yīng)好⑷調(diào)速范圍寬⑸低速大轉(zhuǎn)矩調(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。0～24m/min。為適應(yīng)不同的加工條件，例如加工零件的材料、尺寸、部位以及刀具的種類和冷卻方式等不同，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度需要在很寬的范圍內(nèi)無(wú)級(jí)變化。這就要求伺服電機(jī)要有很寬的調(diào)速范圍和優(yōu)異的調(diào)速特性。一般數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的調(diào)速范圍都在0～30m/min，高的可達(dá)240m/min。

伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。包括定位精度和輪廓加工精度。為了保證數(shù)控機(jī)床的加工精度，除了要求數(shù)控系統(tǒng)精度和機(jī)床機(jī)械精度有足夠高以外，還要求具有足夠高的伺服系統(tǒng)定位精度和進(jìn)給跟蹤精度，并且還起著主要作用。一般要求定位精度為0.01～0.001mm；而高檔設(shè)備的定位精度還應(yīng)在0.1μm以內(nèi)。

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)的跟蹤精度。為了保證輪廓切削形狀精度和加工表面粗糙度，要求伺服系統(tǒng)除了要有較高的定位精度外，還要有良好的快速響應(yīng)特性，也就是要求伺服電動(dòng)機(jī)起、停的升降速過(guò)程要短，要有較高的加速度。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?升至1500r/min的時(shí)間控制在0.2s以內(nèi)。

由于機(jī)床在低速切削時(shí)，切深和進(jìn)給都比較大，也就是說(shuō)吃刀抗力較大，這就要求主軸電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩也應(yīng)該較大?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的伺服電動(dòng)機(jī)通常都是與絲杠直接相連，中間沒(méi)有減速齒輪，這就要求進(jìn)給電動(dòng)機(jī)能輸出較大的轉(zhuǎn)矩。進(jìn)給坐標(biāo)的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個(gè)速度范圍內(nèi)都要保持這個(gè)轉(zhuǎn)矩；主軸坐標(biāo)的伺服控制在低速時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩。在高速時(shí)為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過(guò)程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)。直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。要求伺服系統(tǒng)有較高的可靠性、穩(wěn)定性，并且受電源、環(huán)境、負(fù)載等的影響要小。還要具有足夠的傳動(dòng)剛性和速度穩(wěn)定性。也就是說(shuō)伺服系統(tǒng)在負(fù)載或切削條件發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)使進(jìn)給速度保持恒定。剛性良好的系統(tǒng)，負(fù)載力矩的變化對(duì)進(jìn)給速度的影響很小。

二、伺服系統(tǒng)應(yīng)具有的基本性能10對(duì)伺服電機(jī)的要求：（1）調(diào)運(yùn)范圍寬且有良好的穩(wěn)定性，低速時(shí)的速度平穩(wěn),無(wú)爬行現(xiàn)象。（2）電機(jī)應(yīng)具有大的、較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。（3）反應(yīng)速度快，電機(jī)必須具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、較大的轉(zhuǎn)矩、盡可能小的機(jī)電時(shí)間常數(shù)和很大的加速度(400rad/s2以上)。（4）能承受頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)和正反轉(zhuǎn)。三、位置控制系統(tǒng)和速度控制系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)位置控制系統(tǒng)是保證位置精度的重要環(huán)節(jié)。速度控制系統(tǒng)由速度控制單元、伺服電動(dòng)機(jī)、速度檢測(cè)裝置等構(gòu)成。速度控制系統(tǒng)的核心是速度控制單元，用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。一般的位置控制包括位置環(huán)和速度環(huán)，具有位置控制環(huán)節(jié)的系統(tǒng)才是真正的伺服系統(tǒng)。兩者的共同之處是通過(guò)系統(tǒng)的執(zhí)行元件直接或通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置間接帶動(dòng)被控制對(duì)象，完成給定控制規(guī)律要求的動(dòng)作。不同之處可以用位移與速度之間的關(guān)系來(lái)理解。11（一）位置控制系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)1.系統(tǒng)靜態(tài)誤差。2.速度誤差和正弦跟蹤誤差。3.速度品質(zhì)因數(shù)和加速度品質(zhì)因數(shù)。4.最大跟蹤角速度、最低平滑角速度、最大角加速度。5.振幅指標(biāo)和頻帶寬度。6.系統(tǒng)對(duì)階躍信號(hào)輸入的響應(yīng)特性。7.等速跟蹤狀態(tài)下，負(fù)載擾動(dòng)所造成的瞬時(shí)誤差和過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。8.對(duì)系統(tǒng)工作制、平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）、可靠性、使用壽命的要求。12（二）速度控制系統(tǒng)的主要技術(shù)要求1.被控對(duì)象的最高運(yùn)行速度2.最低平滑速度。3.速度調(diào)節(jié)的連續(xù)性和平滑性要求。4.靜差率或轉(zhuǎn)速降。5.對(duì)階躍信號(hào)輸入下系統(tǒng)的響應(yīng)特性。6.負(fù)載擾動(dòng)下的系統(tǒng)響應(yīng)特性。7.對(duì)系統(tǒng)工作制、平均無(wú)故障工作時(shí)間、可靠性以及使用壽命等要求。1314四、伺服系統(tǒng)的分類1．按調(diào)節(jié)理論分類（1）開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)

（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)工作臺(tái)脈沖指令伺服電機(jī)速度檢測(cè)速度控制位置控制位置檢測(cè)伺服電機(jī)速度控制位置控制工作臺(tái)脈沖編碼器指令15開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件A相、B相C相、…f、nCNC插補(bǔ)指令脈沖頻率f脈沖個(gè)數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大無(wú)位置反饋（測(cè)量），信號(hào)流是單向的（數(shù)控裝置→進(jìn)給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。但精度相對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)講不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和精度。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)通常使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，插補(bǔ)脈沖經(jīng)功率放大后直接控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，由輸出脈沖的頻率來(lái)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度，由輸出脈沖的數(shù)量來(lái)控制工作臺(tái)的位置。其定位精度一般為0.01～0.005mm。這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在精度和速度要求不高、驅(qū)動(dòng)力矩不大的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。16

半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)是從驅(qū)動(dòng)裝置(常用伺服電機(jī))或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測(cè)，不是直接檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置，而是由位置檢測(cè)元件間接測(cè)量工作臺(tái)的位置。由位置反饋信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)伺服電動(dòng)機(jī)的速度。半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開(kāi)環(huán)好。但可對(duì)這類誤差進(jìn)行補(bǔ)償，因而仍可獲得滿意的精度。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室17

全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋閉環(huán)系統(tǒng)通常使用直流伺服電動(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)。全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖的虛線所示，直接對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測(cè)。在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，由速度檢測(cè)元件來(lái)測(cè)量電動(dòng)機(jī)的速度，由位置檢測(cè)元件來(lái)測(cè)量工作臺(tái)的位置，由速度和位置反饋信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)伺服電動(dòng)機(jī)的速度和工作臺(tái)的位置。因此從理論上講，可以消除整個(gè)驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動(dòng)量。具有很高的位置控制精度。其定位精度一般為0.001～0.003mm。由于位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機(jī)床等。182．按使用的驅(qū)動(dòng)元件分類

（1）電液伺服系統(tǒng)（2）電氣伺服系統(tǒng)3．按被控對(duì)象分類

（1）進(jìn)給伺服系統(tǒng)

（2）主軸伺服系統(tǒng)4．按反饋比較控制方式分類

（1）脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)（2）相位比較伺服系統(tǒng)（3）幅值比較伺服系統(tǒng)

（4）全數(shù)字伺服系統(tǒng)第二節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的電磁機(jī)械裝置。由于所用的電源是脈沖電源，所以又稱為脈沖馬達(dá)。步進(jìn)電機(jī)用于與控制脈沖組成的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)是一種特殊的電動(dòng)機(jī)，一般電動(dòng)機(jī)通電后連續(xù)旋轉(zhuǎn)，但步進(jìn)電動(dòng)機(jī)卻是跟隨輸入脈沖按節(jié)拍一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，是由電動(dòng)機(jī)繞組的脈沖電流控制的，也就是說(shuō)由指令脈沖決定的。1920指令脈沖數(shù)決定它的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，即角位移的大小，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)施加一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，稱為一步，每一步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角；指令脈沖頻率決定它的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。只要改變指令脈沖頻率，就可以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度在很寬的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。改變繞組的通電順序，就可以改變它的旋轉(zhuǎn)方向。在無(wú)脈沖輸入時(shí)，在繞組電源激勵(lì)下，氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置而處于定位狀態(tài)。21一、步進(jìn)電機(jī)的分類、結(jié)構(gòu)和工作原理1.步進(jìn)電機(jī)的分類按力矩產(chǎn)生的原理分：磁阻式（反應(yīng)式）、感應(yīng)子式和永磁式。按輸出力矩大小分：功率式和伺服式。按結(jié)構(gòu)分：徑向式（單段式）、軸向式（多段）和印刷繞組式。按相數(shù)分：三相、四相、五相、六相等。2.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)目前，我國(guó)使用的步進(jìn)電機(jī)多為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。下圖是一典型的單定子、徑向分相、反應(yīng)式伺服步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。它與普通電機(jī)一樣，也是由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，其中定子又分為定子鐵心和定子繞組。在定子的每個(gè)磁極上面向轉(zhuǎn)子的部分，均勻分布著5個(gè)小齒，齒槽等寬，齒間夾角為9度。轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，只有均勻分布的40個(gè)齒，其大小和間距與定子上的完全相同。并與之相差1/3齒距。22233．步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)的工作原理實(shí)際上是電磁鐵的作用原理。現(xiàn)以三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例說(shuō)明。若按A-B-C-A通電相序連續(xù)通電，則步進(jìn)電機(jī)就連續(xù)地沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，每換接一次通電相序，步進(jìn)電機(jī)沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)30°，即步距角為30°。反之則為順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。圖6-4反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理當(dāng)A相通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)鐵芯AA方向產(chǎn)一磁通，在磁拉力作用下，轉(zhuǎn)子1、3齒與A相磁極對(duì)齊。2、4兩齒與B、C兩磁極相對(duì)錯(cuò)開(kāi)30°當(dāng)B相通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)鐵芯BB方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力作用下，轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)30°，轉(zhuǎn)子2、4齒與B相磁極對(duì)齊。1、3兩齒與A、C兩磁極相對(duì)錯(cuò)開(kāi)30°。當(dāng)C相通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)鐵芯CC方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力作用下，轉(zhuǎn)子沒(méi)逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子1、3齒與C相磁極對(duì)齊。2、4兩齒與A、B兩磁極相對(duì)錯(cuò)開(kāi)30°。24

三相單三拍：(正轉(zhuǎn))ABC(反轉(zhuǎn))ACBAA25三相雙三拍：(正轉(zhuǎn))AB

ABCABC(反轉(zhuǎn))ACCBBAAC26請(qǐng)看原理動(dòng)畫。ABBBCCCAA(反轉(zhuǎn))AACCCBBBAA三相六拍：(正轉(zhuǎn))A27m相步進(jìn)電機(jī)通電方式

m相單m拍：例ABCDEAm相雙m拍：例ABBCCDDEEAAB或ABCBCDCDEDEAEABABCm相2m拍：例AABBBCCCDDDEEEAA或ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB28三種通電方式的特點(diǎn)：?jiǎn)蝝拍：每次一相通電,切換瞬間失去自鎖力矩易失步,在平衡位置易振蕩。雙m拍：每次同時(shí)有二相通電,切換瞬間仍有一相保持通電,運(yùn)行穩(wěn)定。2m拍：步距角小一半，切換瞬間仍有一相保持通電，運(yùn)行穩(wěn)定。白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室29二、步進(jìn)電機(jī)的主要特性步進(jìn)電機(jī)輸出的角位移量θ與輸入的指令脈沖數(shù)Ｋ成正比，在時(shí)間上與輸入的脈沖同步；而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速ｎ與指令脈沖頻率ｆ成正比。在步進(jìn)電機(jī)負(fù)載能力允許的情況下，這種線性關(guān)系不會(huì)因?yàn)樨?fù)載的變化等因素而變化，所以可以在較寬的范圍內(nèi)，通過(guò)對(duì)指令脈沖頻率和數(shù)量的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)速度和位置的控制。θｎ

00ｆ步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制特性曲線30（1）步距角和靜態(tài)步距誤差步進(jìn)電機(jī)的步距角是反映步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度。它取決于電機(jī)結(jié)構(gòu)和控制方式。步距角α可由下式計(jì)算：

α=360°/mzk式中：m是定子勵(lì)磁繞組數(shù)；Z是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)；k是控制方式確定的拍數(shù)與相數(shù)的比例系數(shù)。按通電方式的不同分別為：2m拍k=2，其它k=1。若步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電的脈沖頻率為f，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為在一轉(zhuǎn)內(nèi)各步距誤差的最大值，被定為步距誤差。它的大小是由制造精度等因素決定的。（2）矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩矩角特性是步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)重要特性，它是指步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的變化規(guī)律?？蛰d時(shí)，若步進(jìn)電機(jī)某相繞組通電，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理，電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)使得轉(zhuǎn)子齒槽與該相定子齒槽相對(duì)齊，這時(shí)，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有轉(zhuǎn)矩輸出。如果在電機(jī)軸上加一逆時(shí)針?lè)较虻呢?fù)載轉(zhuǎn)矩M，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子就要逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度θ才能重新穩(wěn)定下來(lái)，這時(shí)轉(zhuǎn)子上受到的電磁轉(zhuǎn)矩Mj和負(fù)載轉(zhuǎn)矩M相等。我們稱Mj為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，θ為失調(diào)角。不斷改變M值，就得到Mj與θ的函數(shù)曲線，如圖所示。我們稱Mj=f（θ）曲線為轉(zhuǎn)矩-失調(diào)角特性曲線，或稱為矩角特性。31圖中A，B，C三相的矩角特性曲線在相位上互差1/3周期。曲線上峰值所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩叫做最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，用Mjmax表示，它表示步進(jìn)電機(jī)承受負(fù)載的能力。其值愈大，自鎖轉(zhuǎn)矩愈大，靜態(tài)誤差愈小。換句話說(shuō)，最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mjmax愈大，電機(jī)帶負(fù)載的能力愈強(qiáng)，運(yùn)行的快速性和穩(wěn)定性愈好。32MjmaxMjMqABCOθ曲線A和B的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的力矩Mq是電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)負(fù)載力矩Mf小于Mq時(shí)，電機(jī)才能正常起動(dòng)運(yùn)行，否則，將造成失步，電機(jī)也不能正常啟動(dòng)。（3）起動(dòng)頻率fq空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止突然起動(dòng)，并進(jìn)入不丟步的正常運(yùn)行所允許的最高頻率，稱為起動(dòng)頻率或突跳頻率。若起動(dòng)時(shí)頻率大于突跳頻率，步進(jìn)電機(jī)就不能正常起動(dòng)。空載起動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率。（4）連續(xù)運(yùn)行的最高工作頻率fmxa步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，它所能接受的，即保證不丟步運(yùn)行的極限頻率fmxa，稱為最高工作頻率。它是決定定子繞組通電狀態(tài)最高變化頻率的參數(shù)，它決定了步進(jìn)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。33（5）矩頻特性與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矩頻特性Md=F（f）所描述的是步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系。如圖所示。該特性曲線上每一頻率f所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩Md。可見(jiàn)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的基本趨勢(shì)是隨連續(xù)運(yùn)行頻率的增大而降低。（6）加減速特性步進(jìn)電機(jī)的加減速特性是描述步進(jìn)電機(jī)由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過(guò)程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時(shí)間的關(guān)系。34Md/N*mf/×103HZ35步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制框圖四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方法步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源是專用的，是由環(huán)形分配器和功率放大器組成的。三、三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)⑴不受各種干擾因素的影響⑵誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累⑶控制簡(jiǎn)單CNC自動(dòng)升降速環(huán)形分配器功率放大器電動(dòng)機(jī)繞組-向+向Ω如電壓、電流、溫度等，只要沒(méi)有引起反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生失步，就都不會(huì)影響步距角。

雖然反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)存在著步距誤差，但每轉(zhuǎn)一周的積累誤差為零，所以步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。

步進(jìn)電機(jī)既是驅(qū)動(dòng)元件，又是將脈沖變?yōu)榻俏灰频淖儞Q元件，所以省去了位置檢測(cè)元件及其相應(yīng)的線路。

環(huán)形分配器

環(huán)形分配器的功能是把來(lái)自CNC的脈沖信號(hào)按一定的規(guī)律分配給各相功率放大器，來(lái)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的勵(lì)磁繞組，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按規(guī)定的方式進(jìn)行工作。脈沖分配有兩種方式：一種是由專門的硬件脈沖分配器來(lái)完成的硬件脈沖分配：硬件脈沖分配器是由門電路及邏輯電路構(gòu)成的，它提供符合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制指令所需要的順序脈沖。3637特點(diǎn)：需要專用硬件資源，運(yùn)行效率高。另一種是由計(jì)算機(jī)的軟件來(lái)完成的軟件脈沖分配：軟件脈沖分配是用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖分配的。它是預(yù)先將邏輯序列按地址的順序存入到ROM當(dāng)中。在工作時(shí)，就根據(jù)計(jì)算的指令步數(shù)求出每一步相應(yīng)的地址，從ROM中取出該節(jié)拍的控制信息，由I/O接口送入功率放大器。根據(jù)指令的步數(shù)循環(huán)執(zhí)行這一序列表，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就按設(shè)定的節(jié)拍連續(xù)運(yùn)行。3839特點(diǎn)：節(jié)省了環(huán)分器硬件，但軟件運(yùn)行效率低，用于速度要求不高處五、步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)的功率驅(qū)動(dòng)在實(shí)際的控制過(guò)程當(dāng)中，環(huán)形分配器的輸出信號(hào)很小，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的繞組電流又很大。所以需要進(jìn)行功率放大。過(guò)去采用單電壓驅(qū)動(dòng)電路，后來(lái)采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，現(xiàn)在則比較多的采用了恒流斬波、調(diào)頻調(diào)壓和細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路等形式的驅(qū)動(dòng)電路。40提速（限流）電阻Rc：改變時(shí)間常數(shù)，提高響應(yīng)速度續(xù)流二極管D：用于功率晶體管的過(guò)電壓保護(hù)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率低、能耗高，發(fā)熱大、工作穩(wěn)定性差。應(yīng)用：小功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)411.單電壓功率放大電路422.雙電壓驅(qū)動(dòng)電路

這種驅(qū)動(dòng)電路供給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的電壓有兩種：一種是低電壓U2，一般為12V或24V；另一種是高電壓U1，電壓為80V以上。見(jiàn)圖。在相序輸入信號(hào)IN、IL到來(lái)時(shí)，VT1、VT2同時(shí)導(dǎo)通，給繞組加上高壓U1，以提高繞組中電流上升率，當(dāng)電流達(dá)到規(guī)定值時(shí)，VT1關(guān)斷、VT2仍然導(dǎo)通（tN的脈寬小于tL），則自動(dòng)切換到低壓U2該電路的優(yōu)點(diǎn)是在較寬的頻率范圍內(nèi)有較大的平均電流，能產(chǎn)生較大且穩(wěn)定的平均轉(zhuǎn)距，其缺點(diǎn)是電流波形有谷點(diǎn)，波形如圖。43②斬波驅(qū)動(dòng)電路

由于雙電壓驅(qū)動(dòng)電路存在著電流在高低壓連接處出現(xiàn)谷點(diǎn)，造成高頻輸出轉(zhuǎn)矩在谷點(diǎn)下降。為了使勵(lì)磁繞組中的電流維持在額定值附近，提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和效率，所以需要采用斬波驅(qū)動(dòng)電路。原理見(jiàn)圖。輸入信號(hào)若為正脈沖，則VT1、VT2同時(shí)導(dǎo)通，由于U1電壓較高，繞組回路中又沒(méi)串電阻，所以繞組中電流迅速上升，當(dāng)電流達(dá)到規(guī)定值時(shí)，由于采樣電阻Re的反饋?zhàn)饔?，?jīng)整形、放大后送至VT1基極，使VT1截止。接著繞組由U2供電，繞組中電流迅速下降，但剛降到額定值以下時(shí)，由于采樣電阻Re的反饋?zhàn)饔?，使整形電路無(wú)信號(hào)輸出，此時(shí)高壓前置放大電路又使VT1導(dǎo)通，電流又上升。如此反復(fù)進(jìn)行，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，其電流波形如圖。44

六、步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)把額定電流分成n個(gè)極分別進(jìn)行通電，轉(zhuǎn)子就會(huì)以n個(gè)通電極別所決定的步數(shù)來(lái)完成原有一個(gè)步距角所轉(zhuǎn)過(guò)的角度，使原來(lái)的每個(gè)脈沖走過(guò)一個(gè)步距角，變成了每個(gè)脈沖走1/n個(gè)步距角，即把原來(lái)一個(gè)步距角細(xì)分成n份，從而提高了步進(jìn)電機(jī)的精度。三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)線性細(xì)分后，原來(lái)一相的一個(gè)大脈沖由現(xiàn)在的n個(gè)階梯脈沖所代替。通過(guò)細(xì)分驅(qū)動(dòng)可得到更小的脈沖當(dāng)量，因而提高了定位精度。基本上消除了步進(jìn)電機(jī)的低速振動(dòng)問(wèn)題，使步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，沒(méi)有噪聲。請(qǐng)看原理動(dòng)畫2。第三節(jié)

數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置組成：位置測(cè)量裝置是由檢測(cè)元件（傳感器）和信號(hào)處理裝置組成的。作用：閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)為反饋控制的隨動(dòng)系統(tǒng)，它的輸出量是機(jī)械位移、速度或加速度，利用這些量的反饋實(shí)現(xiàn)精確的位移、速度控制目的。數(shù)控系統(tǒng)的檢測(cè)裝置（即傳感器）起著測(cè)量和反饋兩個(gè)作用，它發(fā)出的信號(hào)傳送給數(shù)控裝置或?qū)Ｓ每刂破鳎瑯?gòu)成閉環(huán)控制。從一定意義上看，數(shù)控機(jī)床的加工精度和定位精度主要取決于檢測(cè)裝置的精度。傳感器能分辨出的最小測(cè)量值稱為分辨率。分辨率不僅取決于傳感器本身，也取決于測(cè)量線路。白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室45數(shù)控機(jī)床上使用的檢測(cè)裝置應(yīng)滿足以下要求：準(zhǔn)確性好，滿足精度要求，工作可靠，能長(zhǎng)期保持精度。滿足速度、精度和機(jī)床工作行程的要求?？煽啃院茫垢蓴_性強(qiáng)，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境的要求。使用、維護(hù)和安裝方便，成本低。對(duì)大型機(jī)床以滿足速度為主，對(duì)中、小型機(jī)床和高精度機(jī)床以滿足精度為主。46檢測(cè)裝置的分類數(shù)控系統(tǒng)中的檢測(cè)裝置分為位移、速度和電流三種類型。根據(jù)安裝的位置及耦合方式—直接測(cè)量和間接測(cè)量。按測(cè)量方法—增量型和絕對(duì)型。按檢測(cè)信號(hào)的類型—模擬式和數(shù)字式。根據(jù)運(yùn)動(dòng)型式—回轉(zhuǎn)型和直線型。按信號(hào)轉(zhuǎn)換的原理—光電效應(yīng)、光柵效應(yīng)、電磁感應(yīng)原理、壓電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)和磁阻效應(yīng)等。474849分

類

增

量

式

絕

對(duì)

式

位移傳感器

回轉(zhuǎn)型——脈沖編碼器、自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同步器、光柵角度傳感器、圓光柵、圓磁柵

多極旋轉(zhuǎn)變壓器、絕對(duì)脈沖編碼器

絕對(duì)值式光柵、三速圓感應(yīng)同步器、磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變壓器

直線型——直線應(yīng)同步器、光柵尺、磁柵尺、激光干涉儀

霍耳位置傳感器

三速感應(yīng)同步器、絕對(duì)值磁尺、光電編碼尺、磁性編碼器

速度傳感器

交、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、數(shù)字脈編碼式速度傳感器、霍耳速度傳感器

速度—角度傳感器（Tachsyn）、數(shù)字電磁、磁敏式速度傳感器

電流傳感器

霍耳電流傳感器

一、旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種控制用的微電動(dòng)機(jī)，它將機(jī)械轉(zhuǎn)角變換成與該轉(zhuǎn)角呈某一函數(shù)關(guān)系的電信號(hào)。在結(jié)構(gòu)上與二相線繞式異步電動(dòng)機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子繞組為變壓器的一次側(cè)，轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的二次側(cè)。勵(lì)磁電壓接到定子繞組上，其頻率通常為400Hz、500Hz、1000Hz和5000Hz。旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作靈敏，對(duì)環(huán)境無(wú)特殊要求，維護(hù)方便，輸出信號(hào)幅度大，抗干擾性強(qiáng)，但測(cè)量精度較低，一般用于精度要求不高或大型機(jī)床的粗測(cè)及中測(cè)系統(tǒng)。白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室501.旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)有電刷集電環(huán)結(jié)構(gòu)和無(wú)刷結(jié)構(gòu)。每一類又分為單對(duì)極元件、多對(duì)極元件（或稱多極元件）。5118762旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意

1-轉(zhuǎn)軸2-軸承3-機(jī)殼4-轉(zhuǎn)子鐵心5-定子鐵心6-端蓋7-電刷8-集電環(huán)

定子轉(zhuǎn)子S1R1S2S3S4R2R3R42.旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理和普通變壓器的基本相似，區(qū)別在于普通變壓器的一次、二次繞組是相對(duì)固定的，所以輸出電壓和輸入電壓之比是常數(shù)；而旋轉(zhuǎn)變壓器的一次、二次繞組之間是隨著轉(zhuǎn)子的角位移發(fā)生相對(duì)位置變化的，因而其輸出電壓的大小也隨之而變化。也就是說(shuō)當(dāng)定子繞組加上交流電壓時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的大小取決于定子與轉(zhuǎn)子兩個(gè)繞組磁軸線在空間的相對(duì)位置。轉(zhuǎn)子繞組電壓的頻率與定子繞組的相同，但幅值隨轉(zhuǎn)子與定子的相對(duì)角位移的正弦函數(shù)而變化。所以只要測(cè)出轉(zhuǎn)子的輸出電壓的幅值，就可求出轉(zhuǎn)子相對(duì)定子的角位移白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室52。5354當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組磁軸與定子繞組磁軸垂直時(shí)，θ=0，不產(chǎn)生感應(yīng)電壓；當(dāng)兩磁軸平行時(shí)，θ=90°，感應(yīng)電壓最大；當(dāng)兩磁軸為任意角度時(shí)，感應(yīng)電壓為：式中：K——變壓比(轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組的匝數(shù)比)，

U1——?jiǎng)?lì)磁電壓，

Um——?jiǎng)?lì)磁電壓的幅值，

ω——?jiǎng)?lì)磁電壓的角頻率。3.旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用旋轉(zhuǎn)變壓器的工作方式（1）鑒相工作方式55該方式是通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的相位確定被測(cè)角位移θ，即給定子的兩個(gè)繞組分別通以同幅、同頻但相位差為90°的勵(lì)磁電壓，這兩個(gè)勵(lì)磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓是疊加在一起的。因而轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電壓為兩個(gè)電壓的代數(shù)和，轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角和轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角之間有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，只要檢測(cè)出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就可以知道轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。56Vs=Vmsinωt

Vc=VmcosωtE2=KV

mcosα-KV

csinα=KV

m

(sinωtcosα-cosωtsinα)=KV

m

sin(ωt-α)VsVcE2定子兩相繞組勵(lì)磁

（2）鑒幅工作方式57該方式是通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的幅值確定被測(cè)角位移θ，即給定子的兩個(gè)繞組分別通以同相、同頻但幅值不同的交流勵(lì)磁電壓，轉(zhuǎn)子輸出電壓的幅值隨轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角θ而變化，測(cè)量出幅值即可求得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角值。58Vs=Vmsinα電sinωt

Vc=Vmcosα電sinωt

E2=KV

mcosα機(jī)-KV

csinα機(jī)

=KV

m

sinωt(sinα電cosα機(jī)-cos電sinα機(jī)

=KV

m

sin(α電-α機(jī))sinωtVsVcE2定子兩相繞組勵(lì)磁

感應(yīng)電勢(shì)（E2）是以ω為角頻率、以Vmsin(α電

-α機(jī))為幅值的交變電壓信號(hào)。若電氣角α電已知，只要測(cè)出E2

幅值(利用E2=0)，便可間接的求出機(jī)械角α機(jī)，從而得出被測(cè)角位移。

二、感應(yīng)同步器1.感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)感應(yīng)同步器是利用電磁耦合原理，將位移或轉(zhuǎn)角變?yōu)殡娦盘?hào)，借以進(jìn)行位置檢測(cè)的反饋控制，在數(shù)控機(jī)床上使用極為普遍。按其用途可分為兩大類：直線感應(yīng)同步器和圓感應(yīng)同步器。前者用于直線位移的測(cè)量，后者用于轉(zhuǎn)角的測(cè)量。在結(jié)構(gòu)上，兩者都包括固定和運(yùn)動(dòng)兩大部分，對(duì)旋轉(zhuǎn)式分別稱為定子和轉(zhuǎn)子；對(duì)直線式分別稱為定尺和滑尺。白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室59感應(yīng)同步器是一種電磁感應(yīng)式多極位置傳感元件，由旋轉(zhuǎn)變壓器演變而來(lái)。它的極對(duì)數(shù)可以做得很多，一般取360對(duì)極、720對(duì)極，最多的達(dá)2000對(duì)極。由于多極結(jié)構(gòu)，在電與磁兩方面對(duì)誤差都起補(bǔ)償作用，所以具有很高的精度。感應(yīng)同步器的勵(lì)磁頻率一般取2～10kHz。（1）圓感應(yīng)同步器它由定子和轉(zhuǎn)子組成。轉(zhuǎn)子繞組為連續(xù)繞組；定子上有兩相正交繞組（sin繞組和cos繞組做成分段式，兩相繞組交差分布，相差90°電相角。屬于同一相的各相繞組用導(dǎo)線串聯(lián)起來(lái)白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室60），。白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室61（2）直線式感應(yīng)同步器考慮到接長(zhǎng)和安裝，通常定尺繞組做成連續(xù)式單相繞組

滑尺上配置斷續(xù)繞組，并且分為正弦勵(lì)磁繞組和余弦勵(lì)磁繞組，這兩個(gè)繞組在空間上錯(cuò)開(kāi)90°電相角。

62感應(yīng)同步器的使用特點(diǎn)⑴精度高⑵可拼接成各種需要的長(zhǎng)度⑶對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)⑷使用壽命長(zhǎng)⑸注意安裝間隙根據(jù)測(cè)量長(zhǎng)度的要求，采用多塊定尺接長(zhǎng)，相鄰定尺間隔也可以調(diào)整，使拼接后總長(zhǎng)度的精度保持（或略低于）單塊定尺的精度。尺與尺之間的繞組連接方式有兩種：當(dāng)定尺少于10塊時(shí)，將各繞組串聯(lián)連接，當(dāng)多于10塊時(shí)，先將各繞組分成兩組串聯(lián)，然后將此兩組再并聯(lián)，以不使定尺繞組阻抗過(guò)高為原則。

直線式感應(yīng)同步器金屬基尺與安裝部件的材料的膨脹系數(shù)相近，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，兩者的變化規(guī)律相同，而不影響測(cè)量精度。感應(yīng)同步器為非接觸式電磁耦合器件，可選耐溫性能好的非導(dǎo)磁性材料作保護(hù)層，加強(qiáng)了其抗溫防濕的能力，同時(shí)在繞組的每個(gè)周期內(nèi)，任何時(shí)候都可以給出與絕對(duì)位置相對(duì)應(yīng)的單值電壓信號(hào)，不受環(huán)境干擾的影響。

由于感應(yīng)同步器是直接對(duì)機(jī)床位移進(jìn)行測(cè)量，中間不經(jīng)過(guò)任何機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置，測(cè)量精度只受本身精度限制。定尺和滑尺上的平面繞組，采用專門的工藝方法制作精確。再加上它的極對(duì)數(shù)多，定尺上的感應(yīng)電壓信號(hào)是多周期的平均效應(yīng)，從而減少了制造繞組局部誤差的影響，所以測(cè)量精度高。目前直線感應(yīng)同步器的精度可達(dá)±0.001mm,重復(fù)精度0.0002mm,靈敏度0.00005m。直徑為302mm的感應(yīng)同步器的精度可達(dá)0.5″,重復(fù)精度0.1″，靈敏度0.05″。

由于感應(yīng)同步器定尺與滑尺之間不直接接觸，因而沒(méi)有磨損，所以壽命長(zhǎng)。但是感應(yīng)同步器大多裝在切屑或切削液容易入侵的部位，所以必須用鋼帶或折罩覆蓋，以免切屑劃傷滑尺與定尺的繞組。

感應(yīng)同步器安裝時(shí)要注意定尺與滑尺之間的間隙，一般在（0.02～0.25）mm±0.05mm以內(nèi)，滑尺在移動(dòng)過(guò)程中，由于晃動(dòng)所引起的間隙變化也必須控制在0.01mm之內(nèi)。如果間隙過(guò)大，必將影響測(cè)量信號(hào)的靈敏度。

2.感應(yīng)同步器的工作原理63當(dāng)滑尺上勵(lì)磁繞組和定尺上的繞組位置重合時(shí)，耦合磁通最大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也最大。當(dāng)繼續(xù)平行移動(dòng)滑尺時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)逐漸減小，當(dāng)移動(dòng)到1/4節(jié)距位置處，在感應(yīng)繞組內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零。繼續(xù)移動(dòng)到半個(gè)節(jié)距處，可得到與初始位置極性相反的最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在3/4節(jié)距處，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)又變?yōu)榱?。移?dòng)到下一個(gè)節(jié)距時(shí)，又回到與初始位置完全相同的耦合狀態(tài)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大。這樣，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨滑尺相對(duì)于定尺的移動(dòng)而呈周期性變化。64(1)鑒相型系統(tǒng)當(dāng)在正弦繞組加勵(lì)磁電壓Us=Umsinωt，它在定尺繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：式中K——耦合系數(shù)，

θ——與位移X對(duì)應(yīng)的角度，定、滑尺相對(duì)移動(dòng)一個(gè)節(jié)距P=2τ，θ從0變到2π，即65同理，在余弦繞組加勵(lì)磁電壓Uc=Umcosωt，它在定尺繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：應(yīng)用迭加原理，定尺上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：下張片子中上面這張圖是鑒相檢測(cè)系統(tǒng)方框圖；下面這張圖是脈沖——相位變換器方框圖。6667（2）鑒幅式系統(tǒng)

鑒幅式伺服系統(tǒng)原理框圖比較器數(shù)模轉(zhuǎn)換放大環(huán)節(jié)速度單元工作臺(tái)測(cè)量及信號(hào)處理電路伺服電機(jī)進(jìn)給指令進(jìn)入比較器的信號(hào)有兩路，一路來(lái)自進(jìn)給脈沖，它代表了數(shù)控裝置要求機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)的位移量。另一路來(lái)自測(cè)量及信號(hào)處理電路，以數(shù)字脈沖形式出現(xiàn)，體現(xiàn)了工作臺(tái)實(shí)際移動(dòng)的距離。鑒幅式系統(tǒng)工作之前，數(shù)控裝置和測(cè)量元件的信號(hào)處理電路都沒(méi)有脈沖輸出，比較器的輸出為零，工作臺(tái)不移動(dòng)。出現(xiàn)進(jìn)給脈沖信號(hào)后，比較器的輸出不為零，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將比較器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)放大后，由伺服電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。同時(shí)，工作在鑒幅狀態(tài)的感應(yīng)同步器的定尺感應(yīng)出電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理線路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字脈沖信號(hào)，該數(shù)字脈沖信號(hào)作為反饋信號(hào)進(jìn)入比較器與進(jìn)給脈沖進(jìn)行比較。若兩者相等，比較器輸出為零，工作臺(tái)不動(dòng)；若兩者不相等，說(shuō)明工作臺(tái)實(shí)際移動(dòng)的距離還不等于指令信號(hào)要求移動(dòng)的距離，伺服電機(jī)繼續(xù)帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，直到比較器輸出為零時(shí)停止。三、脈沖編碼器1.脈沖編碼器的分類和結(jié)構(gòu)脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，能把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，可作為位置檢測(cè)和速度檢測(cè)裝置。脈沖編碼器分為：光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式。從精度和可靠性方面來(lái)看，光電式脈沖編碼器優(yōu)于其他兩種。脈沖編碼器是一種增量檢測(cè)裝置，它的型號(hào)是由每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)來(lái)區(qū)分。數(shù)控機(jī)床上常用的有：2000P/r、2500P/r和3000P/r等。白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室68這種檢測(cè)方式的特點(diǎn)是：檢測(cè)方式是非接觸式的，無(wú)摩擦和磨損，驅(qū)動(dòng)力矩?。挥捎诠怆娮儞Q性能的提高，可得到較快的響應(yīng)速度。其缺點(diǎn)是抗污染能力差，容易損壞。白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室691234567光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)1-光源；2-圓光柵；3-指示光柵；4-光電池組；5-機(jī)械部件；6-護(hù)罩；7-印刷電路板2.光電脈沖編碼器的工作原理白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室70信號(hào)處理裝置abz碼盤基片透鏡光源光敏元件透光狹縫光欄板節(jié)距τm+τ/4兩個(gè)光電元件錯(cuò)開(kāi)90°相位角安裝。當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)一個(gè)節(jié)距時(shí)，在光源照射下，就在光電元件上得到一個(gè)光電波形輸出A相比B相導(dǎo)前90°。若A相導(dǎo)前B相時(shí)為正方向旋轉(zhuǎn)，則B相導(dǎo)前A相時(shí)就是負(fù)方向旋轉(zhuǎn)。利用A相與B相的相應(yīng)關(guān)系可以判別編碼器的旋轉(zhuǎn)方向A、B信號(hào)為具有90°相位差的正弦波，這組信號(hào)經(jīng)放大器放大與整形，得下圖所示的輸出方波3.光電脈沖編碼器的應(yīng)用光電脈沖編碼器在數(shù)控機(jī)床上，用在數(shù)字比較伺服系統(tǒng)中，作為位置檢測(cè)裝置。光電脈沖編碼器將位置檢測(cè)信號(hào)反饋給CNC裝置有幾種方式：一是適應(yīng)帶加減計(jì)數(shù)要求的可逆計(jì)數(shù)器，形成加計(jì)數(shù)脈沖和減計(jì)數(shù)脈沖。二是適應(yīng)有計(jì)數(shù)控制端和方向控制端的計(jì)數(shù)器，形成正走、反走計(jì)數(shù)脈沖和方向控制電平。7172應(yīng)用一：適應(yīng)帶加減計(jì)數(shù)要求的可逆計(jì)數(shù)器，形成加計(jì)數(shù)脈沖和減計(jì)數(shù)脈沖。A相信號(hào)a+B相信號(hào)整形整形dbcef-可逆計(jì)數(shù)&&單穩(wěn)反向abcdefabcdef光電脈沖編碼器的輸出脈沖信號(hào)A、A、B、B經(jīng)過(guò)差分驅(qū)動(dòng)傳輸進(jìn)入CNC裝置，仍為A相信號(hào)和B相信號(hào)。將A、B信號(hào)整形后，變成規(guī)整的方波（電路中a、b點(diǎn)）。當(dāng)光電脈沖編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)，A相信號(hào)超前B相信號(hào)，經(jīng)過(guò)單穩(wěn)電路變成d點(diǎn)的窄脈沖，與B相比反向后c點(diǎn)的信號(hào)e相，由e點(diǎn)輸出正向計(jì)數(shù)脈沖。f點(diǎn)由于在窄脈沖出現(xiàn)時(shí)，b點(diǎn)的信號(hào)為低電平，所以f點(diǎn)也保持低電平。這時(shí)可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行加計(jì)數(shù)。當(dāng)光電脈沖編碼器反轉(zhuǎn)時(shí)，B相信號(hào)超前A相信號(hào)，在d點(diǎn)窄脈沖出現(xiàn)時(shí)，因?yàn)閏點(diǎn)是低電平，所以e點(diǎn)保持低電平。f點(diǎn)輸出窄脈沖，作為反向減計(jì)數(shù)脈沖。這時(shí)可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行減計(jì)數(shù)。這樣就實(shí)現(xiàn)了不同旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，數(shù)字脈沖由不同通道輸出，分別進(jìn)入可逆計(jì)數(shù)器做進(jìn)一步的誤差處理工作。73應(yīng)用二：適應(yīng)有計(jì)數(shù)控制端和方向控制端的計(jì)數(shù)器，形成正走、反走計(jì)數(shù)脈沖和方向控制電平。ABA1B1CD13高電平“1”低電平“0”高電平“1”高電平“1”ABA1B1CD13A相脈沖B相脈沖整形整形單穩(wěn)單穩(wěn)B1D

S

R12Q3脈沖方向計(jì)數(shù)有方向端的可逆計(jì)數(shù)器A1CQ正走時(shí)，A脈沖超前B脈沖，B方波和A1窄脈沖進(jìn)入C“與非門”，A方波和B1窄脈沖進(jìn)入D“與非門”，則C門和D門分別輸出高電平和負(fù)脈沖。光電脈沖編碼器的輸出脈沖信號(hào)A、A、B、B經(jīng)過(guò)差分驅(qū)動(dòng)傳輸進(jìn)入CNC裝置，為A相信號(hào)和B相信號(hào)，該兩相信號(hào)為本電路的輸入脈沖。經(jīng)整形和單穩(wěn)后變成A1、B1窄脈沖。這兩個(gè)信號(hào)使由1、2“與非門”組成的“R-S”觸發(fā)器置“0”，（此時(shí)，Q端輸出“0”，代表正方向），使3“與非門”輸出正走計(jì)數(shù)脈沖。反走時(shí)，B脈沖超前A脈沖，B方波和A1窄脈沖；A方波和B1窄脈沖同樣進(jìn)入C、D“與非門”，但由于其信號(hào)相位不同，使C門和D門分別輸出負(fù)脈沖和高電平。從而將“R-S”觸發(fā)器置“1”，（此時(shí)，Q端輸出“1”，代表負(fù)方向），使3“與非門”輸出反走計(jì)數(shù)脈沖。不論正走、反走，與非門3都是計(jì)數(shù)脈沖輸出門、“R-S”觸發(fā)器的Q端輸出方向控制信號(hào)。四、絕對(duì)式編碼器1.絕對(duì)式編碼器的種類絕對(duì)式編碼器是一種直接編碼、絕對(duì)測(cè)量的檢測(cè)裝置。與增量脈沖編碼器不同，它是通過(guò)讀取絕對(duì)編碼盤、編碼尺（通稱為碼盤）的代碼（圖案）信號(hào)指示絕對(duì)位置。電源切除后，位置信息不丟失，也沒(méi)有積累差。從編碼器使用的計(jì)數(shù)制來(lái)分類，有二進(jìn)制編碼、二進(jìn)制循環(huán)碼（葛萊碼）、余三碼和二一十進(jìn)制碼等編碼器。從結(jié)構(gòu)原理來(lái)分類，有接觸式、光電式和電磁式等絕對(duì)值式編碼器。74752.結(jié)構(gòu)及工作原理絕對(duì)式編碼器通過(guò)讀取編碼盤上的圖案來(lái)表示數(shù)值。其結(jié)構(gòu)及工作原理是：圖中空白的部分透光，用“0”表示，涂黑的部分不透光，用“1”表示。二進(jìn)制編碼器的主要缺點(diǎn)是圖案轉(zhuǎn)移點(diǎn)不明確，將在使用中產(chǎn)生較多的誤差葛萊編碼盤是改進(jìn)后的，它的特點(diǎn)是每相鄰十進(jìn)制數(shù)之間只有一位二進(jìn)制碼不同。因此，圖案的切換只用一位數(shù)進(jìn)行。所以能把誤讀控制在一個(gè)數(shù)單位之內(nèi)，提高了可靠性絕對(duì)值式編碼器一般都做成二進(jìn)制編碼，碼盤的圖案由若干同心圓環(huán)（碼道）組成。碼道的數(shù)量與二進(jìn)制的倍數(shù)相同?？拷鼒A心的碼道代表高倍數(shù)碼，越往外倍數(shù)越低，最外圈是最低位。五、光柵光柵用于光譜分析和光波波長(zhǎng)的測(cè)定，是測(cè)量數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)位移的光電檢測(cè)元件。光柵分為物理光柵和計(jì)量光柵。物理光柵——刻線細(xì)密，用于光譜分析和光波波長(zhǎng)的測(cè)定。計(jì)量光柵——比較而言刻線較粗，但柵距也較小，在0.004～0.25mm之間，測(cè)量的位置精度非常高，分辨率也很高，達(dá)0.1μm，主要用在數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)。761.光柵的種類光柵傳感器為動(dòng)態(tài)測(cè)量元件，按運(yùn)動(dòng)方式分為長(zhǎng)光柵和圓光柵：長(zhǎng)光柵用來(lái)測(cè)量直線位移；圓光柵用來(lái)測(cè)量角度位移。根據(jù)光線在光柵中的運(yùn)動(dòng)路徑分為透射光柵和反射光柵。一般光柵傳感器都是做成增量式的，也可以做成絕對(duì)值式的。目前光柵傳感器應(yīng)用在高精度數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)中，其精度僅次于激光式測(cè)量。在加工中心等高精度數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用較廣。

白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室77白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室78光柵測(cè)量系統(tǒng)光柵是由光源、聚光鏡、主光柵、指示光柵和光敏元件等構(gòu)成。主光柵和指示光柵分別安裝在機(jī)床的移動(dòng)部件及固定部件上，兩者相對(duì)移動(dòng)，相互平行，它們之間保持0.05mm或0.1mm的間隙。主光柵和指示光柵的刻線錯(cuò)開(kāi)一定的角度，以得到莫爾條紋。

主光柵和指示光柵通稱為光柵尺，它們是在真空鍍膜的玻璃片或長(zhǎng)條形金屬鏡面上光刻出均勻密集的線紋。光柵的線紋相互平行，線紋之間的距離稱為柵距。對(duì)于圓光柵，這些線紋是圓心角相等的向心條紋。兩條向心紋線之間的夾角稱為柵距角。柵距和柵距角是光柵的重要參數(shù)。對(duì)于長(zhǎng)光柵，金屬反射光柵的線紋密度為25～50/mm；玻璃透射光柵為100～250/mm對(duì)于圓光柵，一周內(nèi)刻有10800條線紋（圓光柵直徑為φ270mm，360進(jìn)制）。白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室79。白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室80光柵的結(jié)構(gòu)

1-防護(hù)墊2-光柵讀數(shù)頭

3-標(biāo)尺光柵

4-防護(hù)罩

標(biāo)尺光柵312431245光柵讀數(shù)頭1-光源

2-準(zhǔn)直鏡

3-指示光柵

4-光敏元件5-驅(qū)動(dòng)線路

什么叫莫爾條紋？柵距相同的主光柵和指示光柵，刻線面相對(duì)的重疊在一起，中間留有適當(dāng)小的間隙，并且兩者刻線錯(cuò)開(kāi)一定的角度θ，兩塊光柵的刻線就會(huì)相交。這樣由于光的干涉效應(yīng)，就會(huì)產(chǎn)生和柵線接近于垂直的明暗相間的條紋，這些條紋就是莫爾條紋。嚴(yán)格地說(shuō)，莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。

白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室81圖6-25莫爾條紋莫爾條紋中相鄰兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋的間距

82莫爾條文寬度B的理論公式VSθ

d

WW

Θ莫爾條紋莫爾條紋的特征（特點(diǎn)）：（1）莫爾條紋的變化規(guī)律兩片兩光柵相對(duì)移過(guò)一個(gè)柵距，莫爾條紋移過(guò)一個(gè)條紋間距。由于光的衍射與干涉作用，莫爾條紋的變化規(guī)律近似正（余）弦函數(shù)，變化周期數(shù)與兩光柵相對(duì)移過(guò)的柵距數(shù)同步。8384（2）放大作用

用W（mm）表示莫爾條紋的寬度，P(mm)表示柵距，θ(rad)為光柵線紋之間的夾角，在兩光柵柵線夾角較小的情況下，如圖6-25所示則有莫爾條紋寬度W與角θ成反比，θ越小，放大倍數(shù)越大。就不需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，便能將光柵的柵距放大，從而大大減化了電子放大線路。（3）均化柵距誤差作用莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同組成，例如，200條/mm的光柵，10mm寬的光柵就由2000條線紋組成，這樣?xùn)啪嘀g的固有相鄰誤差就被平均化了，消除了柵距之間不均勻造成的誤差。85（4）辨向作用當(dāng)光柵尺移動(dòng)一個(gè)柵距P時(shí)，莫爾條紋也相應(yīng)地向上或向下準(zhǔn)確地移動(dòng)一個(gè)間距

W。只要通過(guò)光電元件測(cè)出莫爾條紋的數(shù)目，就可知道光柵移動(dòng)了多少個(gè)柵距，工作臺(tái)移動(dòng)的距離可以計(jì)算出來(lái)。若光柵移動(dòng)方向相反，則莫爾條紋移動(dòng)方向也相反（見(jiàn)圖6-25）。若標(biāo)尺光柵不動(dòng)，將指示光柵轉(zhuǎn)一很小的角度，兩者移動(dòng)方向及光柵夾角關(guān)系如下表所示。因莫爾條紋移動(dòng)方向與光柵移動(dòng)方向垂直，可用檢測(cè)垂直方向?qū)挻蟮哪獱枟l紋代替光柵水平方向移動(dòng)的微小距離。86莫爾條紋移動(dòng)方向與光柵移動(dòng)方向及光柵夾角的關(guān)系表87指示光柵轉(zhuǎn)角方向標(biāo)尺光柵移動(dòng)方向

莫爾條紋移動(dòng)方向逆時(shí)針?lè)较蛴摇隆蟆稀槙r(shí)針?lè)较蛴摇稀蟆隆?qǐng)看動(dòng)畫3.提高光柵檢測(cè)分辨精度的細(xì)分電路利用莫爾條紋的特點(diǎn)，光敏元件可以把光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)，根據(jù)電壓信號(hào)的變化，我們就可測(cè)量出光柵的相對(duì)位移情況，如位移大小、位移方向和移動(dòng)速度等。在光柵測(cè)量系統(tǒng)中，為了提高分辨率和測(cè)量精度，不可能僅靠增大柵線的密度來(lái)實(shí)現(xiàn)。工程上采用莫爾條紋的細(xì)分技術(shù)。細(xì)分技術(shù)有光學(xué)細(xì)分、機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分等方法。伺服系統(tǒng)中應(yīng)用最多的是電子細(xì)分法。最基礎(chǔ)的是4倍頻光柵位移-數(shù)字變換電路。這種電路的組成就是后面這張圖。8889abcd差動(dòng)放大差動(dòng)放大整形整形方向辨別門電路可逆計(jì)數(shù)正脈沖反脈沖abcd差動(dòng)放大差動(dòng)放大(sin)(cos)整形整形反向反向微分微分微分微分ABCDA’C’B’D’Y1Y2Y3Y4Y8Y5Y6Y7H1H2正向脈沖反向脈沖然后經(jīng)過(guò)位移-數(shù)字變換電路形成正走、反走時(shí)的正向、反向脈沖光柵移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的莫爾條紋由光電元件接受a、c信號(hào)是相位差為180°的兩個(gè)信號(hào)，送入差動(dòng)放大器放大，得到sin信號(hào)。將信號(hào)幅度放大到足夠大。

同理b、d信號(hào)送入到另一個(gè)差動(dòng)放大器，得到cos信號(hào)。

然后將這4個(gè)方波信號(hào)再經(jīng)過(guò)微分變成4個(gè)窄脈沖，由與門電路把0°、90°、180°和270°四個(gè)位置上產(chǎn)生的窄脈沖組合起來(lái)，根據(jù)不同的移動(dòng)方向形成正向脈沖或反向脈沖。最后再計(jì)算出脈沖個(gè)數(shù)，來(lái)測(cè)量光柵的實(shí)際位移。sin、cos信號(hào)經(jīng)過(guò)整形器的整形變成兩個(gè)方波，這兩個(gè)方波信號(hào)再經(jīng)過(guò)反向又得到兩個(gè)方波信號(hào)。

由4塊光電池發(fā)出的信號(hào)分別為a、b、c和d，相位彼此相關(guān)90°

六、磁柵磁柵（磁尺）是一種高精度的位置檢測(cè)裝置，可用于長(zhǎng)度和角度的測(cè)量，具有精度高，加工工藝比較簡(jiǎn)單，安裝調(diào)試方便及使用條件要求較低等一系列優(yōu)點(diǎn)。在油污和粉塵較多的工作條件下使用具有較好的穩(wěn)定性。磁柵按其結(jié)構(gòu)可分為直線磁柵和圓磁柵，分別用于直線位移和角度位移的測(cè)量。高精度的磁柵可用于各種測(cè)量機(jī)、精密機(jī)床和數(shù)控機(jī)床。

90白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室9191磁柵由磁尺、磁頭和檢測(cè)電路等三部分組成。它是利用錄磁原理工作的。

磁柵位置檢測(cè)裝置方框圖先用錄磁磁頭將按一定周期變化的方波、正弦波或電脈沖信號(hào)錄制在磁尺上，作為測(cè)量基準(zhǔn)

檢測(cè)時(shí)，用拾磁磁頭將磁尺上的磁信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再送到檢測(cè)電路中去

把磁頭相對(duì)于磁尺的位移量用數(shù)字顯示出來(lái)，并傳輸給數(shù)控系統(tǒng)

磁尺是在非導(dǎo)磁材料如銅、不銹鋼、玻璃或其他合金材料的基體上，采用涂敷、化學(xué)沉積或電鍍等方法附一層10～20μm厚的硬磁性材料（如Ni-Co-P或Fe-Co合金），并在它的表面上錄制相等節(jié)距周期變化的磁信號(hào)。磁信號(hào)的節(jié)距一般為0.05mm、0.1mm、0.2mm和1.0mm等幾種。

磁頭是進(jìn)行磁-電轉(zhuǎn)換的器件，它把反映空間位置的磁信號(hào)檢測(cè)出來(lái)，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸送給檢測(cè)電路。

檢測(cè)電路是把磁頭送來(lái)的電信號(hào)以變換后進(jìn)行計(jì)數(shù)或再以細(xì)分后進(jìn)行計(jì)數(shù)的數(shù)字測(cè)量電路。磁尺檢測(cè)是模擬測(cè)量，必須和檢測(cè)電路配合才能檢測(cè)。檢測(cè)線路包括勵(lì)磁電路，讀取信號(hào)的濾波、放大、整形、倍頻、細(xì)分、數(shù)字化和計(jì)數(shù)等線路

9292磁尺上采用的是磁通響應(yīng)型磁頭

在磁頭上有兩個(gè)繞組，一組為繞在磁路截面尺寸較小的橫臂上的勵(lì)磁繞組，另一組為繞在磁路截面尺寸較大的豎桿上的輸出繞組根據(jù)數(shù)控機(jī)床的要求，為了在低速運(yùn)動(dòng)和靜止時(shí)也能進(jìn)行位置檢測(cè)，磁尺上采用的磁頭與普通錄音機(jī)上的磁頭不同。普通錄音機(jī)上采用的是速度響應(yīng)型磁頭在勵(lì)磁繞組中通入交變的勵(lì)磁信號(hào)，使鐵心部分在每個(gè)周期內(nèi)兩次被勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通所飽和，這時(shí)鐵心的磁阻很大，磁柵上的漏磁通就不能由鐵心流過(guò)輸出繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。只有在勵(lì)磁電流每個(gè)周期兩次過(guò)零時(shí)，可飽和磁心不被飽和，磁柵上的漏磁通才能流過(guò)輸出繞組的鐵心，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

93第四節(jié)直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)伺服電動(dòng)機(jī)：為數(shù)控伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是速度和軌跡控制的執(zhí)行元件。數(shù)控機(jī)床中常用的伺服電機(jī)：

直流伺服電機(jī)（調(diào)速性能良好）交流伺服電機(jī)（主要使用的電機(jī)）步進(jìn)電機(jī)（適于輕載、負(fù)荷變動(dòng)不大）直線電機(jī)（高速、高精度）94一、直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理直流伺服電動(dòng)機(jī)是用直流電信號(hào)控制的執(zhí)行元件，是將輸入的電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度進(jìn)行輸出。它具有線性調(diào)速范圍寬、信號(hào)響應(yīng)迅速、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大、無(wú)控制電壓時(shí)立即停轉(zhuǎn)等特點(diǎn)，作為驅(qū)動(dòng)元件被廣泛的應(yīng)用于閉環(huán)控制系統(tǒng)中。95常用的直流電動(dòng)機(jī)有：永磁式直流電機(jī)（有槽電樞、無(wú)槽電樞、杯型電樞、印刷繞組電樞）勵(lì)磁式直流電機(jī)混合式直流電機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)直流力矩電機(jī)直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)使用永磁式直流電機(jī)類型中的有槽電樞永磁直流電機(jī)（普通型）。直流主軸伺服系統(tǒng)使用勵(lì)磁式直流電機(jī)類型中的他激直流電機(jī)。961．直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)是由定子、轉(zhuǎn)子、電刷和換向片等組成。伺服電動(dòng)機(jī)外形圖直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖請(qǐng)看動(dòng)畫972．永磁直流伺服電機(jī)的工作原理和特性它的工作原理與一般直流電動(dòng)機(jī)基本相同，但磁場(chǎng)的建立是由永久磁鐵實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)電流通過(guò)電樞繞組時(shí)，電流與磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，使電樞旋轉(zhuǎn)。直流伺服電動(dòng)機(jī)的接線圖98(1)永磁直流伺服電機(jī)的性能特點(diǎn)1)低轉(zhuǎn)速大慣量2)轉(zhuǎn)矩大3)起動(dòng)力矩大4)調(diào)速范圍大，低速運(yùn)行平穩(wěn)，力矩波動(dòng)小

(2)永磁直流伺服電機(jī)性能用特性曲線和數(shù)據(jù)表描述永磁直流伺服電機(jī)特性原則上與一般直流電機(jī)相同，但有很大的改進(jìn)和變化，已不能簡(jiǎn)單的用電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)來(lái)描述，需用數(shù)據(jù)表和特性曲線來(lái)描述，使用時(shí)要查閱這些表和特性曲線。99二、直流伺服電機(jī)的調(diào)速原理和常用的調(diào)速方法1.直流伺服電機(jī)的調(diào)速原理根據(jù)機(jī)械特性公式可知調(diào)速有二種方法：電樞電壓Ua和氣隙磁通Φ。

⑴改變電樞外加電壓Ua:該調(diào)速方法是維持電機(jī)的激磁磁場(chǎng)恒定，改變加在電機(jī)電樞繞組的電壓，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于繞組絕緣耐壓的限制，調(diào)壓只能在額定轉(zhuǎn)速以下進(jìn)行。屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。100⑵改變氣隙磁通量Φ：在保持電樞電壓恒定的情況下，改變激磁繞組的電流，即可改變磁場(chǎng)Φ，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。因?yàn)殡姍C(jī)在額定運(yùn)行（Ua恒定）情況下，磁場(chǎng)接近飽和，故只能弱磁調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以上進(jìn)行。屬于恒功率調(diào)速。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速：調(diào)電樞電壓時(shí)，磁場(chǎng)磁通Φ為額定值，又運(yùn)行時(shí)，允許電樞電流等于額定值，則輸出轉(zhuǎn)矩TM≈KTΦIa為額定值。恒功率調(diào)速：調(diào)磁控制時(shí)，為達(dá)到最大出力，可使電樞電流提高，允許達(dá)到額定值，但不能超過(guò)此值。當(dāng)減弱磁場(chǎng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩TM下降，轉(zhuǎn)速升高，維持功率不變。1012.直流速度控制單元調(diào)速控制方式直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速是指迅速改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或維持電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不變。在數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)裝置中，直流電動(dòng)機(jī)速度控制多采用晶閘管，又稱為可控硅（SCR）調(diào)速系統(tǒng)和晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)。這兩種調(diào)速系統(tǒng)都可作為永磁直流伺服電機(jī)調(diào)速的控制電路，調(diào)速方法是改變電機(jī)電樞電壓。直流速度控制單元接收轉(zhuǎn)速指令信號(hào)（多為電壓值），通過(guò)速度控制電路變?yōu)殡姍C(jī)的電樞電壓，達(dá)到速度調(diào)節(jié)的目的。102（1）晶閘管調(diào)速系統(tǒng)SCR是一種大功率半導(dǎo)體器件，由陽(yáng)極A、陰極K和控制極G（又稱門極）組成。當(dāng)陽(yáng)極與陰極間施加正電壓且控制極出現(xiàn)觸發(fā)脈沖時(shí)，可控硅導(dǎo)通。觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻稱為觸發(fā)角α?？刂朴|發(fā)角α即可控制可控硅的導(dǎo)通時(shí)間，從而達(dá)到控制電壓的目的。在改變轉(zhuǎn)速時(shí)，要求在速度指令發(fā)出后，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能以最快的加減速度達(dá)到新的指令速度值；在速度指令值不變時(shí)，要求電動(dòng)機(jī)速度保持恒定不變。直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性比較軟，在外加電壓不變時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的變化而變化。對(duì)電機(jī)的調(diào)速就是在負(fù)載變化時(shí)或電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源電壓波動(dòng)時(shí)保持電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定不變。103

組成包括控制回路：速度環(huán)、電流環(huán)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器等。

主回路：可控硅整流放大器等。速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)。作用：好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。電流環(huán)：電流調(diào)節(jié)。作用：加快響應(yīng)，啟動(dòng)、低頻穩(wěn)定等。觸發(fā)脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生移相脈沖，使可控硅觸發(fā)角前移或后移?？煽毓枵鞣糯笃鳎赫?、放大、驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。1）SCR系統(tǒng)的組成圖4-14SCR調(diào)速系統(tǒng)組成框圖速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器觸發(fā)脈沖發(fā)生器可控硅整流器電流反饋速度反饋電流檢測(cè)編碼器電機(jī)UR+-UfIfIR+-E1ES1042）主回路工作原理由大功率晶閘

管構(gòu)成的三相全控橋式（三相全波）反并聯(lián)可逆電路，分成二大部分（Ⅰ和Ⅱ

），每部分內(nèi)按三相橋式連接，二組反并聯(lián)，分別實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。每組晶閘管都有兩種工作狀態(tài)：整流和逆變。一組處于整流工作時(shí)，另一組處于待逆變狀態(tài)。在電機(jī)降速時(shí)，逆變組工作。462791113581210ABCMⅠⅡUMUDKMKM+-三相整流器，由二個(gè)半波整流電路組成。每部分內(nèi)又分成共陰極組（1、3、5）和共陽(yáng)極組（2、4、6）。為構(gòu)成回路，這二組中必須各有一個(gè)可控硅同時(shí)導(dǎo)通才能構(gòu)成通電回路，為此必須同時(shí)控制。1、3、5在正半周導(dǎo)通，2、4、6在負(fù)半周導(dǎo)通。每組內(nèi)（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差120o，每相內(nèi)二個(gè)觸發(fā)脈沖相差180o。按管號(hào)排列，觸發(fā)脈沖的順序：1-2-3-4-5-6，相鄰之間相位差60o。為保證合閘后兩個(gè)串聯(lián)可控硅能同時(shí)導(dǎo)通，或已截止的相再次導(dǎo)通，采用雙脈沖控制。既每個(gè)觸發(fā)脈沖在導(dǎo)通60o后，在補(bǔ)發(fā)一個(gè)輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，寬度大于60o，小于120o。105只要改變可控硅觸發(fā)角（即改變導(dǎo)通角），就能改變可控硅的整流輸出電壓，從而改變直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。觸發(fā)脈沖提前來(lái)，增大整流輸出電壓；觸發(fā)脈沖延后來(lái)，減小整流輸出電壓。

e)uacbcaba)b)c)d)135

①②③④⑤⑥ωtub246bcaωtωtωtωt11335511336224466224135246120°120°180°60°132460°60°56α主回路波形圖1063）控制回路分析具體的說(shuō)就是只通過(guò)改變晶閘管觸發(fā)角，即改變控制角（可控硅導(dǎo)通時(shí)間），電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速的范圍是很小的，特性軟。沒(méi)反饋是開(kāi)環(huán)。為了滿足數(shù)控機(jī)床的調(diào)速范圍需求，可采用帶有速度反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。為了增加調(diào)速特性的硬度，需要再加一個(gè)電流反饋環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器觸發(fā)脈沖發(fā)生器可控硅整流器電流反饋速度反饋電流檢測(cè)編碼器電機(jī)UR+-UfIfIR+-E1ES①速度指令電壓UR和速度反饋電壓Uf分別經(jīng)過(guò)阻容濾波后，在比較放大器中進(jìn)行比較放大，得到速度誤差信號(hào)Es。Es為速度調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)。②速度調(diào)節(jié)器經(jīng)常采用比例-積分調(diào)節(jié)器（即PI調(diào)節(jié)器），其目的是為了獲得滿意的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的調(diào)速特性。③電流調(diào)節(jié)器可以由比例（P）或比例-積分調(diào)節(jié)器（PI）組成，其中IR為電流給定值，If為電流反饋值，E1比較后的誤差。經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)器輸出后還要變成電壓。其目的是為了減小系統(tǒng)在大電流下的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，加快電流環(huán)的響應(yīng)速度，縮短起動(dòng)過(guò)程，同時(shí)減小低速輕載時(shí)由于電流斷續(xù)對(duì)系統(tǒng)平穩(wěn)性的影響。④觸發(fā)脈沖發(fā)生器可使電路產(chǎn)生可控硅的移相觸發(fā)脈沖。該脈沖接至主回路（整流電路）可控硅的控制柵極，觸發(fā)可控硅整流。107①速度調(diào)節(jié)器（比例-積分PI）：當(dāng)在輸入端突加一個(gè)電壓時(shí)，由于電容C兩端電壓不能突變，故在開(kāi)始瞬間，電容C兩端相當(dāng)于短路。電路變成了比例放大器，此時(shí)放大倍數(shù)為KP=R3/R1。所以立即起調(diào)節(jié)作用。由于負(fù)反饋很強(qiáng)，使放大器否放大倍數(shù)下降，從而又使調(diào)節(jié)過(guò)程變得緩慢而穩(wěn)定。此后，隨電容被充電，反饋電壓減小，使放大倍數(shù)開(kāi)始增大。因此U2也逐漸增加。最后，電容C被充電到最高電壓K0U1達(dá)到穩(wěn)定，這時(shí)電容C相當(dāng)開(kāi)路，放大器不再有負(fù)反饋，極大的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，使系統(tǒng)基本無(wú)靜差，以保證有足夠高的控制精度。也就是高放大（相當(dāng)C短路）—緩放大—增放大—穩(wěn)定（相當(dāng)C開(kāi)路）無(wú)靜差。②電流調(diào)節(jié)器:同上，加快電流的反應(yīng)。U1U2R1R2R3C-+108③觸發(fā)脈沖發(fā)生器：正弦波同步鋸齒波觸發(fā)電路，與直流電壓信號(hào)（由速度F轉(zhuǎn)換來(lái)的）疊加、微分、整形變?yōu)檎}沖。同步信號(hào)過(guò)零信號(hào)123圖6.26移相觸發(fā)電路原理圖1-同步電路；2-移向控制電路；3-脈沖分配器；4-由速度F變換來(lái)的電流調(diào)節(jié)器輸出的直流信號(hào)。4同步信號(hào)方波信號(hào)矩齒波矩齒波與直流電壓疊加信號(hào)尖脈沖直流電壓窄脈沖：移相觸發(fā)脈沖觸發(fā)脈沖前移圖6.27移相觸發(fā)電路波形圖109SCR調(diào)速系統(tǒng)的工作原理是：

①調(diào)速：當(dāng)給定的指令信號(hào)增大時(shí)，則有較大的偏差信號(hào)加到調(diào)節(jié)器的輸入端，產(chǎn)生前移的觸發(fā)脈沖，可控硅整流器輸出直流電壓提高，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升。此時(shí)測(cè)速反饋信號(hào)也增大，與大的速度給定相匹配達(dá)到新的平衡，電機(jī)以較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

②干擾：假如系統(tǒng)受到外界干擾，如負(fù)載增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，速度反饋電壓降低，則速度調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)增大，其輸出信號(hào)也增大，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器使觸發(fā)脈沖前移，晶閘管整流器輸出電壓升高，使電機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到干擾前的數(shù)值。白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室110③電網(wǎng)波動(dòng)：電流調(diào)節(jié)器通過(guò)電流反饋信號(hào)還起快速的維持和調(diào)節(jié)電流作用，如電網(wǎng)電壓突然短時(shí)下降，整流輸出電壓也隨之降低，在電機(jī)轉(zhuǎn)速由于慣性還未變化之前，首先引起主回路電流的減小，立即使電流調(diào)節(jié)器的輸出增加，觸發(fā)脈沖前移，使整流器輸出電壓恢復(fù)到原來(lái)值，從而抑制了主回路電流的變化。④啟動(dòng)、制動(dòng)、加減速：電流調(diào)節(jié)器還能保證電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)的大轉(zhuǎn)矩、加減速的良好動(dòng)態(tài)性能。這種雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：在低速輕載時(shí)，電樞電流出現(xiàn)斷續(xù)，機(jī)械特性變軟，總放大倍數(shù)下降，同時(shí)也使動(dòng)態(tài)品質(zhì)惡化。白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室111（2）晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)1）系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)PWM是利用脈寬調(diào)制器對(duì)大功率晶體管開(kāi)關(guān)放大器的開(kāi)關(guān)時(shí)間進(jìn)行控制，將直流電壓轉(zhuǎn)換成某一頻率的矩形波電壓，加到直流電動(dòng)機(jī)的電樞兩端，通過(guò)對(duì)矩形波脈沖寬度的控制，改變電樞兩端的平均電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。PWM的主要缺點(diǎn)是不能承受高的過(guò)載電流，功率還不能做得很大。目前在中小功率的伺服驅(qū)動(dòng)裝置中，大多采用PWM，而在大功率的場(chǎng)合中采用SCR。直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主要是采用了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，下圖就是PWM的結(jié)構(gòu)框圖。112速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器脈寬調(diào)節(jié)振蕩器脈寬調(diào)節(jié)MG電流反饋①主回路：大功率晶體管開(kāi)關(guān)放大器；功率整流器。②控制回路：

速度調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器；固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器；脈寬調(diào)制器和基極驅(qū)動(dòng)電路。區(qū)別：與晶閘管調(diào)速系統(tǒng)比較，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器原理一樣。不同的是脈寬調(diào)制器和功率放大器。直流脈寬調(diào)制：功率放大器中的大功率晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)頻率保持恒定，用調(diào)整開(kāi)關(guān)周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通時(shí)間（即改變基極調(diào)制脈沖寬度）的方法來(lái)改變輸出。從而使電機(jī)獲得脈寬受調(diào)制脈沖控制的電壓脈沖，由于頻率高及電感的作用則為波動(dòng)很小的直流電壓（平均電壓）。整流功放113直流脈寬調(diào)調(diào)制的基本原理所謂脈寬調(diào)制，就是使功率放大器中的大功率晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)頻率與加在晶體管上的輸入電壓保持恒定，控制信號(hào)的大小來(lái)改變每一周期內(nèi)“接通”或“斷開(kāi)”的時(shí)間長(zhǎng)短，也就是改變“接通”脈寬，使晶體管輸出到電動(dòng)機(jī)電樞上電壓的“占空比”改變，從而改變電動(dòng)機(jī)電樞的平均電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

脈寬的變化使電機(jī)電樞的直流電壓隨著變化。114U脈寬脈寬脈寬脈寬ωt平均直流電壓周期不變周期不變PWM調(diào)速系統(tǒng)的電路原理P