第四章进给运动的控制.doc

天津中德职业技术学院
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CNC技术
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课程类型
专业基础课
课程名称（章、节）
第四章：进给运动的控制
第一节 概述
第二节 步进驱动及开环控制
教学目的

要 求
掌握进给驱动的要求、目的、分类
了解步进驱动的应用
了解步进驱动的原理，各部分的作用
了解步进驱动的主要技术指标
教学重点
步进驱动的原理，各部分的作用
教学难点
步进驱动的原理，各部分的作用
主要教具
设 备
材 料
教材、教学课件、多媒体设备
课后记

第四章 进给运动的控制
信号放大器
速度放大器
速度反馈放大器
位置放大器
第一节．概述
一、进给伺服系统的概念及要求：
1概念：进给伺服系统是一种高精度的位置跟踪与定位系统。伺服（servo）系统的作用就是严格执行控制系统发出的速度指令、位置指令。
伺服驱动系统的框图

从图中按照驱动装置可划分
1）步进驱动：由步进电机及驱动系统构成，不含有速度环及位置环
电机分为：反应式（转子为铁芯）
2）直流驱动：采用交直变换原理，根据速度指令输出相当的直流电压，加到直流电机的电枢上，来改变电机的转速。电机为恒磁式（励磁为永磁铁）。缺点是存在机械换向，需维护。
3）交流伺服驱动：根据：n=60f/p
n为电机转速、f为交流电源的频率、p为极对数。
根据速度指令，通过调节输出的f即可改变电机的转速。电机为交流同步电机，转子为永磁铁
按控制方式分为：开环控制的伺服系统（步进电机驱动）、闭环及半闭环控制系统（检测元件的检测点的区别）。
2 要求：
1）精度高：精度指定位精度（停止时实际位移与位置指令误差）、轮廓跟随精度（插补运动中位置误差的稳定）
2） 快速响应、无超调：加减速时间快、但不能有超调和振荡
3） 调速范围宽。

第二节 步进驱动及开环进给控制
一、应用范围：简易型数控机床、普通机床的数控改造。（做出幻灯片）
二、 步进驱动的原理
1组成：步进驱动控制装置、步进电机、减速机构。实例如下图
2各部分的作用：数控装置：根据控制要求发出指令脉冲，指令脉冲的个数代表移动距离；脉冲频率代表移动速度。
每发出一个脉冲电机旋转一个特定的角度，即步距角
环形分配：根据指令方向，依次产生步进电机的各相的通电步骤，分为硬件环分、软件环分两种。
放大电路：放大环形分配的各相指令，产生步进电机的各相的驱动电流。
3三相三拍的原理介绍。做出课件模拟步进电机的动作步骤
三相是指步进电机有三相定子绕组，三拍是指每三次转换为一个循环
三相步进电机，定子有六个磁极，分为三对，每个磁极上装有控制绕组。一对磁极通电后，对应产生N/S极磁场；转子为带齿的铁心（反应式）或磁钢（混合式）。
当定子三相依次通电时，三对磁极依次产生气隙磁场，吸引转子一步步转动。
4三相六拍：三相三拍的通电次序为：A-B-C-A;AB-BC-CA-AB
三相六拍的通电次序为：A-AB-B-BC-C-CA-A
可见三相三拍与三相六拍相比较 六拍的步距角小，精度高。
5 三相硬件环分得的驱动控制
如图：

CLK 为指令脉冲 DIR 为旋转方向， FULL/HALF 为整步/半步的控制。
6驱动电路
单电源：

Vsr信号为高电平---GD（光电隔离二极管不导通，三极管截止）----VT基极有驱动电流----L上通电。
Vsr信号为低电平---GD（光电隔离二极管导通，三极管导通）----VT基极没有驱动电流----L上断电。
7 高低压驱动电路：

高压充电低压维持，简介其原理
三、 步进电机的主要技术指标
1 步距角：电机每步的转角称为步距角， 步距角越小精度越高。
2 最大静转矩：步进电机最大的承载能力。
3 启动频率：步进电机由静止突然启动，进入不失步的正常运行的最高频率。超过了启动频率，转子跟不上定子的磁场旋转，会产生失步。
4 连续运行频率 当电机启动后，能逐渐不失步连续升速的最高频率。

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课程名称（章、节）
第四章 第三节：位置检测装置
第四节：交、直流驱动装置
教学目的

要 求
一.了解位置检测装置的分类
二. 了解编码器原理、光栅尺的原理
三. 了解直流驱动原理
四．了解交流驱动原理
教学重点
编码器原理、光栅尺的原理
交、直流驱动原理
教学难点
编码器原理、光栅尺的原理
交、直流驱动原理
主要教具
设 备
材 料
教材、教学课件、多媒体设备
课后记

第三节 位置检测装置
一、位置检测元件的分类及要求
1位置检测元件的技术指标：分辨率为位置检测装置所能测量的最小移动量，分辨率不仅取决于检测元件还取决于测量电路。
2位置检测的分类：直接测量：全闭环不受传动精度的影响有直线光栅尺和感应同步器
间接测量：半闭环，检测角度，受传动精度的影响有光电编码器，旋转变压器
3速度检测元件：测速电机，光电编码器。
要求：1) 工作可靠、抗干扰性强。
2）满足精度、速度和测量范围的要求。
3）使用维护方便，适合机床的工作环境。
4）易于实现高速的动态测量和处理、易于实现自动化。
5）成本低
二、光电编码器
1 构成：光源、指示光栅、圆光栅、光电元件。

2 信号： A/B/C
A\B相差90度用于计数及方向判别；C用于回参考点
通过倍频电路来提高分辨率

三、光栅尺
1 种类： 分类方法1：物理光栅尺；计量光栅尺
分类方法2：透射光栅尺；反射光栅尺
分类方法3：增量式光栅尺；绝对是光栅尺
2结构：光源、指示光栅、标尺光栅、光电元件。

3 原理 1）、指示光栅与标尺光栅刻度等宽。
2）、平行装配，且无摩擦
3）、两尺条纹之间有一定夹角
4）、当指示光栅与标尺光栅相对运动时，会产生与光栅线垂直的横向的条纹，该条纹为莫尔条纹，当移动一个栅距时，摩尔条纹也移动一个纹距
4 输出信号与测量电路
1） 产生原理：

2 鉴相与倍频P162

第四节、交直流伺服驱动装置
一、直流驱动装置
1 应用：应用在早期的数控机床中。
2 电机的结构：定子：永磁体
转子：电枢
检测元件：测速发电机或编码器
3 控制原理：直流电机的机械特性公式：n=Ua/Ceφ-RaM/CeCmφ2
改变Ua调速，恒转矩，低速段
改变φ（弱磁），恒功率，高速段
改变Ra，一般不用。
4 控制装置：由于使用永磁电机，励磁是不用调节的，装置进用来调节电枢电压。
调压装置的类型：a可控硅调压电路，改变可控柜元件的导通角，从而获得平均电压的调节
主电路原理图：（讲解各元件的作用）：
图中：M为直流电机，KR为过载保护检测，Rab为能耗制动电阻，通过对十二个晶闸管触发角的控制，达到对电机旋转方向旋转速度的控制。

控制框图的讲解：

图中：Ur为数控系统发出的模拟量指令值，Uf为测速反馈值，两者构成速度环的指令及反馈。Ir为电流环的指令值，If为电流环的反馈值。
b 晶体管脉宽调制调速系统PWM。功率元件工作在开关状态，开关频率恒定，调节一个周期内晶体管的导通时间来改变直流电机电枢两端的平均电压
主电路的原理图

讲解原理：VD1-VD4位续流二极管，用于保护功率晶体管，VT1-VT4为大功率三极管，其工作在开关状态，成对使用：即Ub1=Ub4,Ub2=Ub3.

控制电路框图：原理框图中，振荡器用于产生频率固定的脉冲，三角波产生器产生的三角波用于进行脉宽调制。
二者的区别：可控硅是直接对交流电进行控制
PWM是先将交流整流成稳定的直流电压，再对直流电压进行开关控制
PWM由于频率高，所以电流脉动小。
二、交流伺服驱动装置
交流伺服电机取代直流伺服电机是由于直流电机存在机械换向，需进行维护。
1交流伺服电机的结构：交流伺服电机也可称为同步电机或里翻外的直流电机
1．电机轴 2.前端盖 3.三相绕组线圈 4.压板 5.定子 6.磁钢 7.后压板
8.动力线接头 9.后端盖 10.反馈插头 11.脉冲编码器 12.电机后盖
其结构：转子（永磁铁）
定子为绕组
检测元件：编码器
2 原理：给定子通过三相交流电流，由定子产生旋转磁场
转子磁场和定子的磁场相吸引，在旋转磁场的带动下产生旋转。
通过转子位置的检测，系统保证旋转过程同步
3、介绍几种交流伺服电机的控制原理
1）无刷直流电机的控制：当转子旋转时，需要周期性的开通或关断六个晶体管，才使电枢的磁场与励磁保持同步，保证磁转矩。转子位置传感器与电机轴同步安装，负责控制晶体管的通断。

2）SPWM控制原理：该控制系统同样包括速度环及电流环，速度指令和速度反馈经比较后输出转矩指令Tm，而Tm与电流幅值成比例，电流指令与交流电流指令发生器的旋转位置的正弦波相乘，输出交流的电流指令，再控制脉宽调制电路，从而控制逆变的状态。