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数控机床电气控制
课程习题分析与详解（三）
1．简述伺服系统的组成。
2．步进电动机的转速和转向是如何控制的？
3．步进电机驱动的环形脉冲分配器有何作用？它有哪些实现方式？
4．简述直流伺服电动机的工作原理及其换向装置的作用。
5．变频器分为哪两大类？各有什么特点?
6．.正弦波脉宽调制(SPWM)变频器有什么特点？简述其工作原理。
7．何谓主轴定向控制？简述其作用。
8．为什么数控机床主轴要进行分段无级变速控制？
9．位置检测装置在数控机床控制中的主要作用是什么?
10．何谓绝对式测量和增量式测量，间接测量和直接测量?

1．简述伺服系统的组成。
答：数控机床伺服系统一般由位置检测装置、位置控制、伺服驱动装置、伺服电动机及机床进给传动链组成。
2．步进电动机的转速和转向是如何控制的？
答：步进电动机受脉冲的控制，其转子的角位移量和转速严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比，改变通电顺序可改变步进电动机的旋转方向；改变通电频率可改变电动机的转速。
3．步进电机驱动的环形脉冲分配器有何作用？它有哪些实现方式？
答：环形脉冲分配器是用于控制步进电动机的通电方式的，其作用是将CNC装置送来的一系列指令脉冲按照一定的循环规律依次分配给电动机的各相绕组，控制各相绕组的通电和断电。环形脉冲分配可采用硬件和软件两种方法实现。
4．简述直流伺服电动机的工作原理及其换向装置的作用。
答：直流电动机工作原理是建立在电磁力和电磁感应基础上的，是由于带电导体在磁场中受到电磁力的作用。如图题4所示直流电动机模型，它包括三个部分：固定的磁极、电枢、换向片与电刷。当将直流电压加到A、B两电刷之间，电流从A刷流人，从B刷流出，载流导体ab在磁场中受的作用力F按左手定则指向逆时针方向。同理，载流导体cd受到的作用力也是逆时针方向的。因此，转子在电磁转矩的作用下逆时针方向旋转起来。当电枢恰好转过90°时，电枢线圈处于中性面(此时线圈不切割磁力线)，电磁转矩为零。但由于惯性的作用，电枢将继续转动，当电刷与换向片再次接触时，导体ab和cd交换了位置。因此，导体ab和cd中的电流方向改变了，这就保证了电枢可以连续转动。
从上面分析可知，要电磁转矩方向不变，导体从N极转到S极时，导体中的电流方向必须相应地改变，换向片与电刷即实现这一任务的机械式“换向装置”。

图题4　直流电动机模型

5．变频器分为哪两大类？各有什么特点?
答：变频器有交一交变频器、交一直一交变频器两大类，如图4.23所示。交一交变频器没有明显的中间滤波环节，电网提供的交流电被直接变成可调频率与电压的交流电，又称直接变频器。交一直一交变频器是先把电网提供的交流电转换为直流电，经中间滤波后，再进行逆变，而转变为变频变压的交流电，故称为间接变频器。直接变频器只需进行一次能量的变换，所以变换的效率高，工作可靠，但频率的变化范围有限，多用于低频大容量的调速。间接变频器需进行两次电能的变换，所以变换效率低，但频率变换范围大。目前一般采用间接变频器。

a)交一交变频器　b)交一直一交变频器
图题5　两种类型的变频器

6.正弦波脉宽调制(SPWM)变频器有什么特点？简述其工作原理。
答：正弦波脉宽调制(SPWM)变频器结构简单，电网功率因数接近于1，且不受逆变器负载大小的影响，系统动态响应快，输出波形好，使电机可在近似于正弦波的交变电压下运行，脉动转矩小，扩展了调速范围，提高了调速性能，因此，在数控机床的交流驱动中广泛使用。
基本工作原理是先将50Hz交流电经整流变压器变压得到所需电压，经二极管不可控整流和电容滤波，形成恒定直流电压，而后送入由大功率晶体管构成的逆变器主电路，输出三相电压和频率均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波(SPWM波)，即可拖动三相电机运转。

7.何谓主轴定向控制？简述其作用。
答：主轴定向控制又称主轴准停控制，即当主轴停止时能控制其停在固定位置。
其作用如下。
①刀具交换
在加工中心中，当主轴停转进行刀具交换时，主轴需停在一个固定不变的位置上，从而保证主轴端面上的键也在一个固定的位置，这样，换刀机械手在交换刀具时，能保证刀柄上的键槽对正主轴端面上的定位键。
②镗孔退刀
在精镗孔退刀时，为了避免刀尖划伤已加工表面，采用主轴准停控制，使刀尖停在一个固定位置(X轴或y轴上)，以便主轴偏移一定尺寸后，使刀尖离开工件表面进行退刀。

8．为什么数控机床主轴要进行分段无级变速控制？
数控机床主轴要采用分段无级变速控制，是为了既能在低档时主轴输出大扭矩，又能在高档时主轴转速可达到最高转速的要求。

9．位置检测装置在数控机床控制中的主要作用是什么?
答：位置检测装置是数控系统的重要组成部分，在闭环或半闭环控制的数控机床中，必须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时检测出来，与给定的控制值(指令信号)进行比较，从而控制驱动元件正确运转，使工作台(或刀具)按规定的轨迹和坐标移动。

10．何谓绝对式测量和增量式测量，间接测量和直接测量?
答：绝对式位置检测是：每个被测点的位置都从一个固定的零点算起；增量式位置检测是：只测位移增量，每检测到位置移动一个基本单位时，输出一个脉冲波或正弦波，通过脉冲计数便可得到位移量。
位置检测装置所测量的对象就是被测量本身，叫做直接测量。采用安装在电机或丝杠轴端的回转型检测元件间接测量机床直线位移的检测方法，叫做间接测量。