数控机床第6章数控机床驱动系统与检测技术

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1、第6章数控机床驱动系统与检测技术机床伺服系统是指以机械位置或角度作为被控参数的自动控制系统，有时也称为随动系统或伺服机构。在数控机床中，伺服系统接受来自插补器的进给脉冲，经变换放大后转化为机床工作台的位移。伺服系统若按有无检测装置可分为两大类；开环伺服系统和闭环伺服系统。下页6.1开环步进驱动系统在步进式伺服系统中，步进电机作为执行元件，受驱动控制线路的控制，将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、大小和速度的机械角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。由于该系统没有反馈检测环节，它的精度较差，速度也受到步进电机性能的限制，

2、但它的结构简单，容易调整，故在速度和精度要求不太高的场合，具有一定的使用价值。步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或线位移的一种机电式数模转换器，它是根据同步电机原理制成的。下面以三相反应式步进电机为例，说明步进电机的基本工作原理电机定子有6极，每个极装有控制绕组，每两个相对的极组成一相。转子是四个分布均匀的齿上面有绕组。通电时转子按30°转过，使转子和定子反复循环对齐，使电机按一定的角度转动。(1)步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即为步进电机的步距角；(2)改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋

3、转方向将随之改变；(3)步进电机定子绕组通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；(4)步进电机的步距角与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式K有关，可用下式表示：式中，三相三拍时K=1；三相六拍时K=2。如前图所示的步进电机，若转子齿数z＝40，以三相三拍通电时，步距角为若以三相六拍通电方式工作时，步距角为步进电机的类型及结构步进电机的结构形式很多，其分类方式也很多。常见的分类方式是按产生力矩的原理、输出力矩的大小以及定子和转子的数量等方面来分类目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机，如图所示。这是一台典型的单定子径向分相的

4、三相反应式步进电机的结构原理图单定子径向分相式三相步进电机结构原理图步进电机的主要特性步距角步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为0.5o~3o度。通常，步进角越小，加工精度越高。空载启动频率步进电机在空载的条件下由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。因此，空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率．

5、当步进电机加负载后，其启动频率随负载转动惯量增加而减小。(3)连续运行的最高工作频率fmax步进电机连续运行时保证不丢步的极限频率fmax称为最高工作频率(4)最大静转矩Tmax当步进电机不改变通电状态，转子不动时，在轴上加一负载转矩，定子与转子就有一个角位移θ，称为失调角。使转子刚刚离开平衡位置的极限转矩值称为最大静转矩。静转矩越大，电动机所能承载的外加转矩也越大。步进式伺服系统的工作原理步进系统原理框图1．工作台位移量的控制进给脉冲数N→定子绕组通电状态变化次数N→步进电机转子的转角→工作台位移量L2．工作台进给速度的控制进给脉

6、冲的频率f→定子绕组通电状态的变化频率f→步进电机转子的转速→工作台进给速度v3．工作台运动方向的控制步进电机定子绕组的通电顺序→步进电机正转或反转→工作台的进给方向图6-1反应式步进电机工作原理电机定子有6极，每个极装有控制绕组，每两个相对的极组成一相。转子是四个分布均匀的齿上面有绕组。通电时转子按30°转过，使转子和定子反复循环对齐，使电机按一定的角度转动。返回上页下页图6-2三相六拍工作示意图三相电机按U-UV-V-VW-W-WU-U或者U-UW-W-WV-V-VU-U的通电顺序这种方式工作时，定子三相绕组须经过六次切换才能完

7、成一个一个循环，故称为“六拍”而且在通电时，有时是单个绕组接通，有时是两个绕组同时接通，因此称为“三相六拍”。返回上页下页图6-5转子磁钢产生的磁通回路返回上页下页图6-6混合式步进电动机剖面图图中，每相绕组绕在8个定子磁极中的第4个极上，按照U-V-U-V-U时序通电，步进电动机就能沿逆时针方向连续旋转，反之，电动机沿顺时针方向旋转。返回上页下页6.1开环步进驱动系统三、步进电动机的开环控制步进电动机是采用脉冲控制方式工作的，只有按一定的规律对各相绕组轮流通电，步进电机才能够实现转动，因此需要脉冲分配、脉冲产生和插补运算等功能。1

8、.步进电动机的控制系统步进电机控制系统负责提供脉冲数量，提供脉冲频率，提供各相励磁线圈通电顺序的变化。步进电机控制系统通过接口电路与驱动模块相连。接口电路必须具有以下功能。（1）电压隔离功能（2）信息传递功能（3）产生工作所需的控制信