数控技术及装备全册配套最完整ppt课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,数控技术及装备全册配套最完整精品课件1,数控技术及装备全册配套最完整精品课件1,数控技术及装备,数控技术及装备,、机械制造中数控技术与装备的内涵？意义？,2、对产生运动的电机的控制；,3、实现对空间位置和角度的测量；,4、如何控制？因而产生对计算机的硬件与软件需求；,5、控制哪几个运动？直线运动和旋转运动！,6、控制的精度的何如？需要对系统进行建模并分析！,7、数控装备的机械结构？,概述,、机械制造中数控技术与装备的内涵？意义？概述,第一章 电机控制中的测量元件,1、光电编码器,2、旋转变压器,3、霍尔元件,4、激光测量系统,5、陀螺仪测角,6、测速发电机,旋转编码器,角度编码器,第一章 电机控制中的测量元件 1、光电编码器 旋转编码器 角,第一部分 光电编码器,1、旋转编码器,光电脉冲编码器的结构,两个光栏板，彼此之间错开,m,+,/4,个节距，当码盘基片随转轴转动时，产生,a,b,两相相位差为,90,的交变信号,。,第一部分 光电编码器1、旋转编码器光电脉冲编码器的结构 两个,旋转编码器工作原理,光电码盘随被测轴一起转动，在光源的照射下，透过光电码盘和光拦板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电信号,a,、,b,、,z,，,通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出如图所示的,6,项,A,、,B,、,C,和取反信号。,输出信号的作用及其处理,A、B,两相的作用,细分处理、角位移、转速、转向,Z,相的作用,周向定位基准、圈数,、 、 的作用,利用,A,、,差分输入消除远距离传输的共模干扰,第一部分 光电编码器,常用的脉冲编码器每转输出的脉冲数有：2000,p/r，2500 p/r，3000 p/r,，,高分辨率的脉冲编码器,20000,p/r，25000 p/r，30000 p/r。,旋转编码器工作原理第一部分 光电编码器常用的脉冲编码器每转输,第一部分 光电编码器,讨论：,1,、如何提高,旋转编码器的,精度？,2、如何提高,旋转编码器的,可靠性,第一部分 光电编码器讨论：,第一部分 光电编码器,光栅检测装置基本结构示意图,1,光源，,2,透镜，,3,指示光栅，,4,光电元件，,5,驱动电路，,6,标尺光栅,2、角度编码器,第一部分 光电编码器光栅检测装置基本结构示意图 2、角度编码,第一部分 光电编码器,光栅尺,透射光栅,优点,：1）光源垂直入射，信号幅值比较大，信噪比好，光电转换器（光栅读数头）的结构简单；2）光栅每毫米的线纹数多，减轻了电子线路的负担,。,缺点,：玻璃易破裂，热胀系数与机床金属部件不一致，影响测量精度。,透射光栅尺的长度一般都在12,m，,常见的线纹密度为每毫米4、10、25、50、100、200、250线。,反射光栅,优点,：光栅和机床金属部件的线膨胀系数一致，可用钢带做成长达数米的长光栅。安装面积小，调整方便，适应于大位移测量场所。,缺点,：为了使反射后的莫尔条纹反差较大，每毫米内线纹不宜过多，常用线纹数为,4,、,10,、,25,、,40,、,50,。,透射光栅,反射光栅,第一部分 光电编码器 光栅尺 透射光栅,第一部分 光电编码器,光栅检测装置的结构,第一部分 光电编码器光栅检测装置的结构,光栅读数头,与标尺光栅配合起光电转换作用，将位移量转换成脉冲信号输出。,有垂直入射读数头、分光读数头、镜像读数头和反射读数头等。,圆光栅,测量角位移,圆光栅刻有辐射形的线纹，相互间的夹角相等。圆周内线纹的数制一般有二进制、十进制和六十进制等三种形式。直径为,270mm，360,进制的圆光栅，一周内有刻线10,800条。,第一部分 光电编码器,光栅读数头 与标尺光栅配合起光电转换作用，将位移量转换成,光栅原理,（,莫尔条纹）,放大作用；,使栅距的节距误差平均化；,根据莫尔条纹的移动方向可以辨别光栅的移动方向,第一部分 光电编码器,莫尔条纹节距,W,与光栅节距,和倾角,之间,的关系,：,由于,很小，因此,莫尔条纹的特点：,光栅横向移动一个节距,，莫尔条纹正好沿刻线上下移动一个节距,W,，,用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可以测量光栅的位移。,光栅原理（莫尔条纹） 放大作用； 第一部分 光电编码器莫尔条,光栅尺横向莫尔条纹及其参数,第一部分 光电编码器,光栅尺横向莫尔条纹及其参数 第一部分 光电编码器,细莫尔条纹干涉原理,第一部分 光电编码器,是由光线通过线纹衍射后产生的干涉结果,，平面的光波照射到扫描,板上，通过衍射分成,1,，,0,，,-1,光波，它们在相位栅标尺上被衍射，光强的大部分反射在,1,，和,-1,衍射级次中。这些光波在扫描掩膜光栅上再次相遇，重新衍射和干涉，此时，主要生成,2,个序列波，它们以不同的角度离开扫描掩膜。光电元件将这些光强转变成电信号。,细莫尔条纹干涉原理第一部分 光电编码器是由光线通过线纹衍射后,第一部分 光电编码器,讨论：角度编码器与旋转编码器的异同点？,第一部分 光电编码器讨论：角度编码器与旋转编码器的异同点？,第二部分转变压器,旋转变压器结构示意图,1,转子轴， 2,外壳，3,分解器定子， 4,分解器定子绕组， 5,变压器一次线圈， 6,变压器转子，7,分解器转子绕组， 8,分解器转子，,9,变压器二次线圈，,10,定子线轴,第二部分转变压器 旋转变压器结构示意图,旋转变压器原理,防止气隙磁通畸变加上相互垂直的绕组,第二部分转变压器,旋转变压器原理防止气隙磁通畸变加上相互垂直的绕组第二部分,旋转变压器工作原理,分解器绕组的结构保证了定子与转子之间的气隙磁通呈正、余弦规律分布。因此，当转子旋转时，转子绕组内产生感应电势随转子偏转角,机,呈正弦规律变化。,即： 或,其中，,U,s,，,U,c,为定子正弦、余弦绕组上的激磁电压，,k,为变压比。,旋转变压器的应用,鉴相方式,在旋转变压器定子的两相正交绕组上分别加上幅值相等、频率相同的正弦、余弦激磁电压 ，,转子旋转后，两个激磁电压 在转子绕组中产生的感应电压线性叠加得总感应电压为：,因此，只要检测出转子输出电压的相位角，就知道了转子的转角。,第二部分转变压器,旋转变压器工作原理 第二部分转变压器,鉴幅方式,给定子的两个绕组分别通上频率、相位相同但幅值不同的激磁电压 ，,则在转子绕组上得到感应电压为,不断修改激磁调幅电压幅值的电气角,电,，使之跟踪,机,的变化，并测量感应电压幅值即可求得机械角位移,机,。,第二部分转变压器,鉴幅方式 第二部分转变压器,多级旋转变压器,上述在一转的360内电气变化与机械角变化完全对应。,增加定子或者转子的极对数，在一圈之内使电气角周期性变化若干次数，达到提高精度的目的。,多级旋转变压器,讨论：,1、如何提高精度？,2、与脉冲编码器相比可靠性如何？,第二部分转变压器,讨论： 第二部分转变压器,第三部分霍尔元件测量电机磁场,V,h,=B,I,c,R,h,/d,B:,磁通密度，,I,c,:,控制电流，,R,h,:,霍尔常数，,d:,半导体厚度,B,S,N,W1,W2,B,Ic,Vh,在电流,I,c,恒定、半导体材料和几何尺寸确定的情况下、电势的大小与磁通,B,成线性关系,。,1、测量原理,假定在某一半导体中电流,I,c,以箭头所示方向流动，若磁通,B,与导体面垂直通过，则在半导体的一侧产生电动势：,第三部分霍尔元件测量电机磁场,2、测量方法,电机在旋转过程中的不同位置，霍尔元件的输出电压呈正弦变化，说明电机磁场的变化规律。,通过标定，就可测量电机的磁场。,第三部分霍尔元件测量电机磁场,霍尔元件测量的电机磁场,Vh2,Vh1,Ic,Vh,Vh,Vh1,B,Vh2,2、测量方法 第三部分霍尔元件测量电机磁场霍尔元件测量的电,3、霍尔元件的特性参数,a),灵敏度,在,1000,高斯的磁通下通,0,.,1,毫安电流所输出的毫伏电压值。,高的灵敏度是霍尔元件的首要条件，但霍尔元件越薄输入阻抗就越大，电流流动受阻。因此，需要末级放大。,b),输入阻抗,电源电流,Ic,的阻抗,c),输出阻抗,输出感应电势端的阻抗,d),不平衡电压,无磁通时的输出电压值，由不对称造成的飘移。,e),工作温度,可以使用的温度范围。,第三部分霍尔元件测量电机磁场,3、霍尔元件的特性参数第三部分霍尔元件测量电机磁场,4、霍尔元件的制作,一般地，霍尔元件厚度都在几微米以下。霍尔元件越薄，输出电压就越大，即霍尔元件越灵敏，但输入阻抗就越大,。,a),蒸附法,在真空中将半导体铟化娣蒸附到陶瓷类基板报上并行成薄膜，并在上埋电极。,b),研磨法,在单晶体板上利用光刻法，制成,霍尔元件，然后装在磁性基板上并进行研磨。,c),离子注入法,镓化砷为原材料，用鉻作参杂物制成半绝缘的单晶体，采用离子注入法在其表面形成多层活性层而制成元件。厚度小于,0,.,4,微米。,霍尔元件最大的缺点是随温度变化。,第三部分霍尔元件测量电机磁场,5、霍尔元件的集成电路,将测量用的霍尔元件与开关功能的晶体管或者放大电路一起制成一个封装的集成电路使用。,4、霍尔元件的制作第三部分霍尔元件测量电机磁场5、霍尔元件,第四部分激光测量系统,受激吸收与受激发射,1,激光的产生,第四部分激光测量系统 受激吸收与受激发射 1激光的产生,2激光的特点,高,单,色性,激光的谱线宽度很窄,比普通光源提高了几万倍,，,是最好的单色,光,源。,高平行度,激光是向特定方向发射的,它的发散角很小,已达到几分,甚至可小到,1,秒,。,高亮度,激光的光能高度集中,亮度特别高,，,一台红宝石激光束的亮度比太阳表面亮度亮,200,亿倍,。,高相干性,相干性是相干光波在叠加区产生稳定的干涉条纹所表现的性质,，,可用时间相干性和空间,相干,性来描述,。,时,间,相干性是指光源在不同时刻发出的光束的相干性,，,激光的相干长度可达几十公里,比普通光源提高了几十万,倍,。空间相干性是指同一时间内由光源不同部位发出的光波的相干性,激光在任何传播方向上都具有良好的空间相干性,。,第四部分激光测量系统,2激光的特点 高单色性 激光的谱线宽度很窄,比普通光,3.激光干涉仪原理,（1）迈克尔逊干涉仪结构,迈克尔干涉仪,由四个光学元件（两块平板玻璃,P,1,P,2,和两块平面反射镜,M,1,M,2,）,和一个精密的移动机构组成。,第四部分激光测量系统,3.激光干涉仪原理迈克尔干涉仪 第四部分激光测量系统,（2）迈克尔逊干涉仪的测量原理,由光源,S,来的光，被半反射膜分成二束走向不同的光。根据平面镜成像的性质，光线,S,2,在,M M,2,之间的光路可以用它在,M,中的虚像,M,2,来代替。这样，,M,2,位于参考镜,M,1,的附近。,M,1,和,M,2,构成一,“,虚平板,”,，中间为空气介质，虚平板的厚度为,h,在观擦系统中看到的干涉图样就是由虚平板所产生的干涉现象。,两相干光束之间的光程差为2,h,，,当2,h=K，,即,h=1/2,时，观察屏,P,上的光的强度最大，呈亮条纹。当,h=（2K+1）/4,时，观察屏,P,上的光强度为零，出现暗条纹。,在迈克尔逊干涉仪中，,M,2,是固定的，而,M,1,则是由精密丝杠带动可以平移。改变,M,1,和,M,2,之间的距离,h，,也即改变,S,1,和,S,2,的光程差。当,光程差发生变化,时，观察屏上的干涉条纹将明暗交替变化。,M,1,每平移,/2,距离，干涉条纹则移动一个条纹间隔，明亮变化一次。因此，只要对条纹计数，便可以测得,M,1,的距离。,第四部分激光测量系统,（2）迈克尔逊干涉仪的测量原理 由光源S来的光，被半反射膜分,（3）迈克尔逊干涉仪的改进,图示迈克尔逊干涉仪使用的光源是白光，而激光干涉仪采用激光作光源。这样，干涉一般不需要补偿板,P,2,，,另外，采用光电元件计数，光电元件将光强的变化转换为电压的变化。设动镜,M,1,的起始位置出现暗条纹，,M,1,位移,X,后，光强既非最强，亦非最弱，则表明,X,既不是,/2,的整数倍，也不是,/4,的整数倍。经光电元件转换出的电压,U,X,可写为,U,X,=U,M,sin2X/(/2),此式描述一正弦波， 将此正弦波整形为方波，送入计数器即可读出条纹的明亮变化次数,k。,第四部分激光测量系统,（3）迈克尔逊干涉仪的改进 图示迈克尔逊干涉仪使用的光源是白,3. 双频激光干涉仪,双频激光干涉仪是同一激光器发出的光分成频率不同的两束光（即拍频信号）产生干涉,双频激光干涉仪的工作原理,第四部分激光测量系统,3. 双频激光干涉仪 双频激光干涉仪是同一激光器发出的光分成,第五部分陀螺仪测角,三自由度陀螺仪,可绕,Z,轴,X,轴,轴转动,第五部分陀螺仪测角 三自由度陀螺仪,进动性和定轴性,进动：三自由度陀螺仪以角速度,绕自转轴转动，在受到某一轴方向的外力矩作用下，将同时绕着与这一轴垂直的方向以角速度,转动称为进动。,进动角速度,：,=M/H,M,为进动轴方向的外力矩；,H,为陀螺仪自旋角动量矩,H=C。C,为陀螺仪自旋转动惯量。,第五部分陀螺仪测角,进动性和定轴性 第五部分陀螺仪测角,章动：三自由度陀螺仪以角速度,绕自转轴转动，在受到外力矩作用下，自转轴将发生偏斜运动称为章动。,此时，其进动角速度,= -/(H)sint,=/(H)(1-cost),=H/A A,为陀螺仪绕,X,轴（赤道的）的转动惯量,当角速度,足够大时，角动量矩,H,很大，进动角速度,、,可以忽略比不计，这就是三自由度陀螺仪的定轴性。,定轴性的特点使得装有三自由度陀螺仪的惯性平台有了一个参考轴。无论惯性平台本身如何摆动摇晃，这个参考轴是不变的，我们可以利用位移传感器测量惯性平台与定轴的角度，得出平台本身的各种倾角，来控制平台的姿态。,第五部分陀螺仪测角,章动：三自由度陀螺仪以角速度绕自转轴转动，在受到外力矩作用,讨论,1,、,从测量原理和结构来看，影响,陀螺仪,精度的有哪些因素？,2、,陀螺仪主要,应用在哪些场合？,第五部分陀螺仪测角,讨论第五部分陀螺仪测角,第六部分 测速发电机,1、直流测速发电机,工作原理,空载感应电势：,有负载时输出电压：,直流测速发电机工作原理,n,测速发电机转速，,Ce,与电机极对数和电枢绕组有关的系数，,0,电枢磁通，,R,a,电枢回路总电阻，,R,z,测速发电机负载电阻。,第六部分 测速发电机1、直流测速发电机直流测速发电机工作原理,直流测速发电机的输出特性,第六部分 测速发电机,尽管对于不同负载电阻，测速发电机的输出特性不同。,在理想状态下，直流发电机的输出电压与转速称线性关系。,直流测速发电机的输出特性第六部分 测速发电机尽管对于不同负载,2、交流异步测速发电机,工作原理：,在,N1,绕组上施加稳定的交流电压，测量另一与之垂直绕组上的感应电压,U2,第六部分 测速发电机,交流异步测速发电机的工作原理,输出电压,C,1,为比例常数,绕组产生磁场-转子导体在磁场中运动运动产生电流,转子电流产生磁场-磁场产生感应电流,2、交流异步测速发电机第六部分 测速发电机交流异步测速发电机,主要误差,线性误差,相位误差,剩余电压,第六部分 测速发电机,转子杯电流对定子的作用,异步测速发电机相量图,主要误差第六部分 测速发电机转子杯电流对定子的作用异步测速发,第六部分 测速发电机,讨论：,1、直流测速发电机的误差原因？,2、测速发电机的使用范围。,3、与旋转变压器的区别？,第六部分 测速发电机讨论：,第二章 电机的控制,1、直流电机的控制,2、无刷直流电机的控制,3、交流伺服电机的控制,4、矢量变换原理,5、直线电机和平面电机,第二章 电机的控制 1、直流电机的控制,二、原理,1、几个基本概念,磁感应强度：,B,表述磁场的大小和方向的量：,（单位实验绕组所受的最大力矩）,磁通量：,通过一给定曲面的总磁力线数。,第一部分直流电机的控制,F,力,磁场,电流,B,I,运动,力,磁场,电动势,右手定则,反电动势,E=vBL,磁场强度：,H,H,=,B,/,：,介质的磁导率（与介质相关的常数）,自感电动势：,由于导体本身电流的变化引起磁通量的变化而产生的感应电动势：,= -,L,d,I,/d,t,互感电动势：,由于其他导体电流的变化引起通过本绕组磁通量的变化而产生的感应电动势：,12,= -,M,d,I,2,/d,t,，,21,= -,M,d,I,1,/d,t,左手定则,磁场对载流导线的作用力：,d,f,=,I,d,L B,对于恒定磁场和绕组：,F,=,BIL,右旋钻定则,I_- B-F,二、原理第一部分直流电机的控制F力磁场电流BI运动力磁场电,第一部分直流电机的控制,一、直流电机用于控制电机的优点：,1、转矩可以十分简单地计算，系统设计十分简单；,2、响应高，适应大的角加速度,；,3、瞬时力矩大：永久磁铁的励磁在转子大电流通过时也不产生畸变。,第一部分直流电机的控制一、直流电机用于控制电机的优点：,直流电机的原理简图,S,N,d,T,rs,q,s,B,c,F,r,B,I,I,F,F,直流电机的原理简图SNdTrsqsBcFrBIIFF,2、运动原理,第一部分直流电机的控制,N,弧极区,S,弧极区,+,+,+,+,+,+,+,+,+,.,.,.,.,.,.,.,.,.,中性区,有刷直流电机,直流电机的绕组的磁力线和电流示意图,控制时，需要靠整流子将电枢绕组的导线电流的流动变成上述分布的。,按照上述电磁理论可得：,速度,v=R,电机转矩：,T=ZRBLI=K,T,I,a,反电动势：,E=vBLZ/,2,=K,e,2、运动原理 第一部分直流电机的控制+.,第一部分直流电机的控制,3、等效电路图,R,a,I,a,E=K,e,V,电压方程：,V=R,a,I,a,+K,e,转矩：,T=K,T,Ia,=K,T,/R,a,(,V-K,e,),E=vBLZ /,2,第一部分直流电机的控制3、等效电路图 RaIaE=KeV,第一部分直流电机的控制,整流子（换向片）,绝缘体,绕组,电刷,短路绕组应处于无磁通区（中性区），免受感应电动式。,4,、控制与结构图,第一部分直流电机的控制整流子（换向片）绝缘体绕组电刷短路绕,5、直流电机的动特性,考虑转子的惯性影响：,J,d,/d,t,考虑电感的影响：,L,d,I,a,/d,t,电机扭矩：,T,=,T,o,+,J,d,/dt,(1),电枢电压：,V,=,I,a,R,a,+,K,e,+,L,d,I,a,/d,t,(2),电机扭矩：,T,=,K,t,I,a,(3),(2) (3),即可分析电机动特性,6、直流电机特点：,控制电磁的旋转方向，使两个磁场的力最大并能够产生旋转。要解决的问题：力矩的,脉动、死点、发热、损耗、可靠性,等问题。,从电机的结构、材料等所有的方式。,第一部分直流电机的控制,5、直流电机的动特性第一部分直流电机的控制,第一部分直流电机的控制,三、直流伺服电机的控制,1、直流电机的作为,伺服电机,的关键就是使加在电枢上的电压发生变化。即由,V=R,a,I,a,+K,e,公式得：,=(V-,R,a,I,a,)/K,e,，,改变电压从而改变速度,。,直流伺服电机控制结构图,TG,PG,DC,伺服放大器,偏差计算,D/A,变换,位置检测,位置指令,速度指令,电流指令,速度检测,电流检测,DC,电源,速度指令电压,第一部分直流电机的控制三、直流伺服电机的控制 直流伺服电机,第一部分直流电机的控制,2、伺服放大器,两种放大方式：,电压控制,电流控制,电流信号发生器,PWM,电流指令,电流反馈,Tr1,Tr2,Tr3,Tr4,电刷,整流子,绝缘体,绕组,电刷,由伺服放大器供电,第一部分直流电机的控制2、伺服放大器电流信号发生器PWM电,（1）,电压控制：,晶体管线性放大工作区，小功率500瓦以下；,晶体管开关方式：大功率晶体管，,PWM,电枢平均电压：,V = E,(,t,p,-,t,n,) / (,t,p,+,t,n,),（2）,电流控制：,电流控制与电压控制仅增加了差动放大器，将指令,值和反馈值之差放大，再变成电压控制。,第一部分直流电机的控制,t,p,t,n,电流波形,-,E,E,电压指令,-,E,E,电压指令,三角波,三角波,+,-,（1）电压控制：晶体管线性放大工作区，小功率500瓦以下；第,第二部分 无刷直流电机的控制,一、无刷直流电机原理,利用元件检测转子的位置（磁场的位置），控制定子绕组的通电次序。以使定子电磁场与转子磁场相互作用产生旋转扭矩。 位置的检测用霍尔元件和光电元件。,Tr1,Tr1,Tr3,Tr4,Tr5,Tr6,U,V,W,W,V,U,T6,T1,T2,T5,T2,T3,光,旋转方向指令,1,6,W,V,电流的磁场方向,电流的磁场方向,旋转磁场方向,S,N,通电顺序：100110-100101-101001-011001-011010-010110,第二部分 无刷直流电机的控制一、无刷直流电机原理Tr1Tr,第二部分 无刷直流电机的控制,2,、利用霍尔元件测量的控制原理,a,S,N,b,S,N,c,S,N,霍尔元件,霍尔元件,霍尔元件,W1,W2,Vh1,Vh2,Vh,B,Ic,Vh,Vh1,Vh2,B,Tr2,W2,W1,Tr1,B,S,N,W1,W2,第二部分 无刷直流电机的控制2、利用霍尔元件测量的控制原理,S,HG1,HG2,HG2,HG1,Tr1,stator,Tr2,Tr3,Tr4,W1,W2,W4,W3,N,S,Vh1,Vh2,Vh3,Vh4,通电:,HG2(N)-Vh3-Tr2-W2,HG1(S)-Vh2-Tr3-W3,HG2(S)-Vh4-Tr4-W4,HG1(N)-Vh1-Tr1-W1,二相（4相）式霍尔电机,第二部分 无刷直流电机的控制,HG1HG2HG2HG1Tr1statorTr2Tr3Tr4,第三部分 交流伺服电机控制原理,一、交流电机的调速原理,调速的关键是转矩控制,电动机调速的任务是控制转速，转速通过转矩来改变，从转矩到转速是一个积分环节机械惯量，即：,式中,GD,电动机和负载机械的飞轮力矩；,n,转速；,T,d,、,T,L,电动机的电磁转矩和负载转矩。,L,d,T,T,dt,dn,GD,-,=,375,2,第三部分 交流伺服电机控制原理一、交流电机的调速原理LdT,从式可看出，除转矩外，再没有其他控制量可影响转速。快速准确地控制转矩，使转矩实际值,T,d,对其给定值,Td*,响应如图所示。,转矩-转速关系是一个小惯量环节,，传递函数为:,m,转矩环等效时间常数。,(,s),T,s,T,d,m,d,*,+,=,s,1,1,T,d,T,O,t,*,d,T,T,O,图,4,1,转,矩,响,应,波,型,a,),小,惯,性,b,),大,惯,性,a,),b,*,d,T,d,T,如果,T,d,对,T,d,*,的响应如图4-1,b),所示，它是一个振荡环节，且阻尼较小，无论怎样设计速度调节器都很难获得满意结果。从上述讨论可以看出，,调速的关键是转矩控制,。,从式可看出，除转矩外，再没有其他控制量可影响转速。快速准确地,数控技术及装备全册配套最完整ppt课件,二、 统一的电动机转矩公式,电动机，无论是直流还是交流，都由定子和转子两部分组成。它们分别产生定子磁通势矢量和转子磁能磁通势矢量（图4-3） ，将其合成，得合成磁通势矢量，由它产生,磁链矢量,（,通过,Ns,个线圈的磁力线总数）,，好像空间有两块磁铁，一块是固定的，另一块是可转动的。,当这两块磁铁的磁通势矢量方向一致时，不产生转矩，转子不动；若方向不一致，它们将互相吸引，产生转矩，使转子转动。,通,势,矢,量,图,c,F,s,F,r,F,cs,q,rc,q,rs,q,图,4,3,电,动,机,磁,二、 统一的电动机转矩公式 通势矢量图cFsFrFcsq,数控技术及装备全册配套最完整ppt课件,定子磁通势矢量,：,由定子绕组通三相交流电产生的旋转磁场的磁通势，是由三个绕组的磁势的基波磁势合成的。旋转速度为,：,n,1,=60,f,/,p,，,n,1,为同步速度。,由于单相绕组的磁势是矩型分布，除基波外，还有其他频率的谐波成分（由富里埃级数展开），,谐波磁势,一般对电机运行带来不利，采用短距和分布绕组就是达到消除谐波磁势这一目的。,转子磁能磁通势矢量,：,电机负载运行时，电机转子以低于,n,1,的同步速度,n,运行，这样气隙磁势的速度与转子相差一个速度,n,=,n,1,-n,=,s,n1,，,转子将以,s,n1,速度切割气隙磁场，在转子的导条中产生电流，这个电流也产生旋转的磁场。,定子磁通势矢量：由定子绕组通三相交流电产生的旋转磁场的磁通势,数控技术及装备全册配套最完整ppt课件,转子的磁场频率为：,f,2,=,np,/60,旋转速度为：,n,2,=,n,+,n,=,n,1,，,这表明转子的旋转频率落后于磁场旋转频率，有一个滑差,s,。,以保证转子能够切割定子磁场的磁力线。但转子磁通势矢量与定子磁通势矢量旋转速度相同。,由电磁场理论知道，作用在绕组上的转矩等于：,式中 磁场能量（由于存在气隙，磁场能量几乎全部储存在气隙中）；,从 到 的夹角。,转子的磁场频率为：f2=np/60, 式中,式中,B,磁感应强度,H,磁场强度。,在气隙里，,B,比例于,H,，,而,H,比例于合成磁通势 ，所以,式中,合成磁通势矢量 的数值；,比例系数。,磁场能量的增量,合成磁通势：,磁场能量的增量合成磁通势：,将其代入式 得电动机转矩公式为,式中,Km,比例系数,由于 和,电动机转矩公式还可以改写为,这是统一的电动机转矩公式，适合于各种电动机,从这些公式可以看出，电动机的转矩等于三个磁通势矢量,F,s,、,F,r,和,F,c,中任两矢量的模和它们间夹角的正弦值之积，,即矢量平行四边形的面积,。它只与这些矢量的大小与相对位置有关，而与它们的绝对位置、是否转动无关，我们可以从便于实现出发，按任一公式控制电动机转矩。,F,c,F,r,F,r,F,r,rs,cs,这是统一的电动机转矩公式，适合于各种电动机 从这,讨论：,1、交流电机的运动原理。,2、直流电机与交流电机的磁场有什么异同？,第三部分 交流伺服电机控制原理,讨论：第三部分 交流伺服电机控制原理,一、交流电动机矢量控制基本概念,交流电动机的磁通势矢量,F,s,、F,r,和,F,c,都在空间以同步速度旋转，彼此相对静止，欲控制转矩，必须控制任两磁通势矢量的大小和相对位置。,通常的变频调速系统的控制量是交流电动机的定子电压幅值和频率（电压控制型）或定子电流幅值和频率（电流控制型），它们都是标量，故称为标量控制系统。在标量控制系统中，只能按电动机稳态运行规律进行控制，不能控制任意两个磁通势矢量的大小和相对位置，转矩控制性能差。,欲改善转矩控制性能，必须对定子电压或电流实施矢量控制，既控制大小，又控制方向。,一、交流电动机矢量控制基本概念交流电动机的磁通势矢量Fs、F,交流电动机的所有矢量（磁通势、磁链、电压、电流等）都在空间以同步速度旋转，它们在定子坐标系（静止系）上的各分量，即在定子绕组上的物理量，都是交流量，控制和计算不方便。,如果采用坐标变换，使人从静止坐标系进入同步旋转坐标系，站在旋转坐标系上看，电动机各矢量都变成了静止矢量，它们在坐标系上各分量都是直流量，可以很方便地从统一转矩公式出发，找到转矩和被控矢量各分量的关系，实时地算出转矩控制所需的被控矢量（电压或电流等矢量）各分量间的关系，实时地算出转矩控制所需的被控矢量的直流分量的值（直流给定量）。,交流电动机的所有矢量（磁通势、磁链、电压、电流等）都在空间以,由于这些被控矢量的直流分量在物理上不存在，我们还必须再经过坐标变换，从旋转坐标系回到到静止系，把上述直流给定量变换成物理上存在的交流给定量，在定子坐标系对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。整个矢量控制过程或用下图所于框图表示：,由于这些被控矢量的直流分量在物理上不存在，我们还必须再经过坐,矢量控制的关键是静止坐标系和旋转坐标系之间的坐标变换，,实现该变换的关键是,找到两坐标系之间的夹角,。 （,夹角实现,坐标关系）,矢量控制系统分为两类,：,1. 按转子位置定向的矢量控制系统,该系统的基准旋转坐标系的水平轴位于电动机转子,圆的,轴线上，,随转子一起旋转,，这时静止和旋转坐标系之间的夹角就是转子位置角。,永磁同步电动机和无换向器电动机,的矢量控制系统属于这一类,。,2. 按磁通定向的矢量控制系统,该系统的基准旋转坐标系的水平轴位于电动机磁通和磁链轴线上，,与磁场一起旋转,，这时静止和旋转坐标系之间的夹角不能直接测取，需通过计算获得，系统较复杂，但易维持磁链恒定，使电动机运行经济合理。通常的,同步电动机和异步电动机,矢量控制系统属于这一类,。,矢量控制的关键是静止坐标系和旋转坐标系之间的坐标变换，实现该,旋转磁场是电机运动的根本。产生旋转磁场不一定非要三相，除单相以外，两相及多相对称绕组通以相应的平衡电流都能够产生旋转磁场。,如果使两通以直流电的绕组同时以同步转速旋转，则产生的合成磁势,F,c,也以同速旋转。,无论是多相、三相、两相异步或者同步电机（直流电机是同步电机的特例），通以适当的电流，电机内将只有定子和转子两个合成的磁势存在，可以进一步认为，定子绕组产生旋转磁势,F,s,，,转子绕组产生旋转磁势,F,r,，,这样，就可以把所有的电机等效成两相绕组的电机。,矢量控制的目的是为了改善转矩控制特性,而最终实施是要落实到对定子电流(交流)的控制上.,第四部分矢量变换原理,旋转磁场是电机运动的根本。产生旋转磁场不一定非要三相，除单相,二、交流电动机的坐标系及符号规定,1.定子坐标系,（,R-S-T,和 坐标系）,这两个坐标系在空间固定不动，是静止坐标系,二、交流电动机的坐标系及符号规定这两个坐标系在空间固定不动，,2.,转子坐标系,（,d-q,坐标系）,转子坐标系固定在转子上,，其,d,轴位于转子外圆的,轴,线上，,q,轴超前,d,轴90，,该坐标系随转子一起在空间以转子速度旋转,。,同步电动机,，,d,轴是转子磁极（合成）的轴线，,异步电动机，,可定义转子上任一轴线为,d,轴（不固定）,3.磁链坐标系,（ 坐标系）,磁链坐标系的 轴固定在磁链矢量上， 轴超前 轴90,，该坐标系和磁链矢量一起在空间以同步速度旋转。,2.转子坐标系（d-q坐标系）3.磁链坐标系 （,第四部分矢量变换原理,4、,d、q,变换的目的,d-q,变换的实质,：为了分析上的方便和直观性，往往将交流电机的控制变换成直流电机的绕组形式下加以讨论，在这一形式下讨论的控制结果，再变换回交流电机的绕组。,d、q,轴的选择：,为了将交流变直流,，需要将,d、q,坐标选择在旋转的磁场上，,因此直观来看,，,d、q,轴坐标是与旋转磁场一起运动的，,当然，也可以认为,d、q,轴坐标不动，而定子绕组是旋转的。,第四部分矢量变换原理4、d、q变换的目的,第四部分矢量变换原理,三、交流电动机的空间矢量概念,空间矢量：,三个分量：,第四部分矢量变换原理三、交流电动机的空间矢量概念 空间矢量,三相交流电动机定子有三个绕组,R,、,S,、,T,，,分别流过定子电流， 、 、 产生三个分磁通势 、 、 。,定子磁通势 是这三个分磁通势的矢量和。,第四部分矢量变换原理,如果三相电流中无零序分量（这条件通常都能满足），即,三相交流电动机定子有三个绕组R、S、T，分别流过定子电流，,数控机床伺服,驱动及控制技术,伺服电机在数控机床上的应用,主轴电机,带制动器伺服电机,伺服电机,刀库刀具定位电机,机械手旋转定位电机,数控机床伺服驱动及控制技术伺服电机在数控机床上的应用主轴电,数控机床伺服,驱动及控制技术,控制方式,数控机床电机驱动主要指对机床的工作台和主轴的控制。其控制方式有三种，如下表,数控机床伺服驱动及控制技术控制方式,数控机床伺服,驱动及控制技术,开环控制,NC,指令,步进电机,工作台,步进电机驱动器,数控机床伺服驱动及控制技术开环控制NC指令步进电机工作台,数控机床伺服,驱动及控制技术,半闭环控制,NC,指令,位置控制,速度控制,电机,工作台,传感器,数控机床伺服驱动及控制技术半闭环控制NC指令位置控制速度,数控机床伺服,驱动及控制技术,全闭环控制,NC,指令,位置控制,速度控制,电机,工作台,测速发电机,数控机床伺服驱动及控制技术全闭环控制NC指令位置控制速度,数控机床伺服,驱动及控制技术,混合式控制,NC,指令,位置控制,速度控制,电机,工作台,比较器,测速机,旋变,数控机床伺服驱动及控制技术混合式控制NC指令位置控制速度,N,S,N,S,数控机床伺服,驱动及控制技术,伺服电机的控制原理（,1,）,直流电机的原理,直流电机工作原理：根据弗来名左手定则，在磁场中通电导线产生运动。,线卷通电流，炭刷在几何中心线，产生的转子磁场与定子磁场相垂直。为了保持线卷的转向不变。其中的电流交变。,NS NS数控机床伺服驱动及控制技术伺服电机的控制原,数控机床伺服,驱动及控制技术,伺服电机的控制原理（,2,）,交流电机的原理如下：,（,1,）未通电流 （,2,）,S,线卷通电流,（,3,）,T,线卷通电流,根据上面的分析，交流伺服电机和同步电机的构造相似。根据弗来名左手定则，在磁场中通电导线产生运动,。,它的控制是通过放大器把直流变成可变频的交流，它和一般异步机，同步机不同，这种变频器的输出频率是受安装在同步机转子轴上的位置传感器所控制。每当电机转过一对磁极，逆变器的交流电输出相应交变一个周期，这是一种“ 自控式变频器 ”，它保证变频器的输出频率和电机的转速始终保持同步，而不失步。,T2,S1,R2,S2,T1,R1,N,S,T2,S1,R2,S2,T1,R1,N,S,T2,S1,R2,S2,T1,R1,N,S,数控机床伺服驱动及控制技术伺服电机的控制原理（2）交流电机,数控机床伺服,驱动及控制技术,伺服电机的控制原理（,3,）,直流电机与交流电机的区别,数控机床伺服驱动及控制技术伺服电机的控制原理（3）直流电机,数控机床伺服,驱动及控制技术,伺服电机的控制原理（,4,）,实际的,FANUC,伺 服电机结构图,纵剖面图 横剖面图,1，定子 2，磁铁 3，通风孔 4，轴 1，定子 2，磁铁 3，压板 4，绕组,实际的,FANUC,伺服电机是,8,极的，其转速为,N,（,min,-1,），,5,，,编码器 6，出线,N,(2f/8)x60=15f,例如，当,f=80Hz, N=15x80=1200,（,min,-1,）,;,数控机床伺服驱动及控制技术伺服电机的控制原理（4） 实际的,数控机床伺服,驱动及控制技术,伺服电机的控制原理（,5,）,交流伺服速度控制原理,A,为放大器,F/V,为频率电压变换器,VCMD,乘计算,转子位置计算,A,乘计算,A,A,A,三角波,F/V,PWM,驱,动,IGBT,M,PC,Torque,SIN ,SIN,（,240 ,）,R,S,T,数控机床伺服驱动及控制技术伺服电机的控制原理（5） 交流伺,数控机床伺服,驱动及控制技术,伺服电机的控制原理（,7,）,关于编码器：,FANUC,的交流伺服电机要求根据转子的位置旋转，由于编码器装在转子上，也就是利用转子的位置控制定子的电流。使定子电流产生的磁势领前于转子磁势90 。,其内装,编码器分两部分：绝对值部分和增量部分。以下是绝对值部分，利用格雷码编码。提高了抗干扰的能力。,数控机床伺服驱动及控制技术伺服电机的控制原理（7）关于编码,数控机床伺服,驱动及控制技术,伺服电机的控制原理（,8,）,只采用格雷码的编码器精度不高，每,360,电角度 很难保证电机的电流为平滑正弦波形。为此增加细分部分。,利用增量式脉冲编码器，比如每,360,电角度内有,2000P,脉冲，那么每格雷码为2000,P/16,215P,，,细分原理 三相正弦电流的产生,数控机床伺服驱动及控制技术伺服电机的控制原理（8）只采用格,数控机床伺服,驱动及控制技术,伺服电机的控制原理（,9,）,PWM,控制：如右图。利用,三角波的载波得到近似的正弦波,输出。其载波的频率为,1,3kHz,。,三相,伺服电机就是利用这种方波供电。因此,电压波形不是正弦，而电流却是正弦。,数控机床伺服驱动及控制技术伺服电机的控制原理（9）,数控机床伺服,驱动及控制技术,主轴电机的控制原理（,1,）,主轴矢量控制原理：,感应电动机的定子旋加,1,的三相交流电压，产生,1,旋转 电机的等效电路如下：,的磁场。假设定子为相互正交以角速度,1,旋转的两绕组,1,1,和,2,2,组成。,1,1,流过励磁电流分量,I0,产生,旋转磁通,2,，,转子绕组 3,3,感应电流，因而,2,2,绕组,也感应电流,I2,；,电机的转矩,T,为：,T 2 I2 I0 I2,数控机床伺服驱动及控制技术主轴电机的控制原理（1）主轴矢量,数控机床伺服,驱动及控制技术,主轴电机的控制原理（,2,）,主轴矢量控制原理：,根据矢量控制的原理，,I0,与,I2,之间要求正交,那么从上面的电路图可以看出：,1MI0,(r2/s)I2,，,所以,s 1,(r2/M)(I2/I0)=(r2/L2)(I2/I0),这就是矢量控制的条件。,数控机床伺服驱动及控制技术主轴电机的控制原理（2）主轴矢量,数控机床伺服,驱动及控制技术,伺服电机的控制原理（,2,）,数控机床伺服驱动及控制技术伺服电机的控制原理（2）,数控机床伺服,驱动及控制技术,主轴电机的控制原理（,3,）,左图为目前数控系统中使用的控制图,共用一个电源和一个再生控制,数控机床伺服驱动及控制技术主轴电机的控制原理（3）,数控机床伺服,驱动及控制技术,伺服放大器的发展（,1,）,相位控制,70,年代早期：,以低频响应和大的转子惯量,保证鲁棒性和稳定性,PWM,控制,70,年代末期：,采用,PWM,， 提高了响应性，,中低惯量的直流电机仍得到应用。,数控机床伺服驱动及控制技术伺服放大器的发展（1）相位控制,数控机床伺服,驱动及控制技术,伺服放大器的发展（,2,）,伺服进给采用同步机,主轴压頻及滑差控制,80,年代早期：,由于同步电机的高响应,及急仃时的动态制动而采用。,异步电机变频时具有宽的恒,功率调速范围而得到应用。,数控机床伺服驱动及控制技术伺服放大器的发展（2）伺服进给采,数控机床伺服,驱动及控制技术,伺服放大器的发展（,3,）,矢量控制及采用,DSP,80,年代后期：由于矢量算法的解决；,DSP,在控制电机中的应用；,以及,IGBT,具有更好的特性,产生了数字伺服。,数控机床伺服驱动及控制技术伺服放大器的发展（3）矢量控制及,数控机床伺服,驱动及控制技术,伺服放大器的发展（,4,）,数字控制,90,年代：,数字伺服控制技术的改进，,以实现高速，高精加工。,前馈控制,矢量控制,数控机床伺服驱动及控制技术伺服放大器的发展（4）数字控制,数控机床伺服,驱动及控制技术,伺服放大器的发展（,5,）,采用数字伺服技术,伺服控制越来越多采用数字伺服系统。伺服技术是,NC,系统的重要组成部分。广义上说，采用计算机控制，控制算法采用软件的伺服装置称为“数字伺服”，有时也称为“软件伺服”。它有以下优点：（,1,）无温漂，稳定性好。（,2,）基于数值计算，精度高。（,3,）通过参数对系统设定，调整减少。（,4,）容易构成各种形式的,P,、,I,、,D,控制。（,5,）容易做成,ASIC,电路,。,数控机床伺服驱动及控制技术伺服放大器的发展（5）采用数字伺,数控机床伺服,驱动及控制技术,HRV,控制原理（,1,）,数控机床伺服驱动及控制技术HRV控制原理（1）,五、,永磁同步电机按转子位置定向的矢量控制原理,在电机轴上安装转子,磁极位置检测器,，能检测出转子的磁极位置，从而,控制定子侧绕组的电流频率和相位,，使定子电流和转子磁链总是保持确定的关系，从而产生恒定的转矩。,永磁同步电机的转子磁通势为 （常数），在转子轴上装有一个位置发送器,AP。,测取转子位置角,经正弦信号发生器得三个正弦位置信号,第四部分矢量变换原理,五、永磁同步电机按转子位置定向的矢量控制原理 第四部分矢量,数控技术及装备全册配套最完整ppt课件,用这三个正弦位置信号去控制定子三个绕组的电流，使得,定子磁通势空间矢量：,代入统一转矩式，得,这一公式与恒磁直流电动机的转矩式一样，不同之处仅在于直流电动机的转矩比例于直流电枢电流，而,永磁同步电动机的转矩比例于定子交流电流幅值,。,因此，,比例常数,用这三个正弦位置信号去控制定子三个绕组的电流，使得定子磁通势,数控技术及装备全册配套最完整ppt课件,基准旋转坐标系位于电动机转子轴上，属按转子位置定向的矢量控制系统。,该系统的缺点是,：,随负载增加，电动机功率因数降低，定子电压升高。,定子电压矢量 垂直于合成磁通势矢量 （忽略定子绕组电阻和漏抗压降影响）定子电流矢量 垂直转子磁通势矢量 ，功率因数角 （ 和 间夹角）等于 和 之间夹角，随负载增加， 加大， 的幅值和 角加大，使得电动机电压升高，功率因数下降。,这种控制方法只适用于小容量。,措施：,电动机转子设计成凸极形式，横轴气隙大，使磁链矢量 向 偏斜，和 减小。,基准旋转坐标系位于电动机转子轴上，属按转子位置定向的矢量控制,六、普通同步电动机按磁通定向的矢量控制原理,永磁同步电动机,的按转子位置定向的矢量控制系统简单，调速性能好。,从原理上说，也可以用于普通同步电动机,，但它的功率指标差，随负载增加，电动机功率因数变差，定子电压升高。,为克服上述缺点。,普通同步电动机,的矢量控制,以磁链和磁化电流矢量为基准，采用按磁通定向的控制方法。,控制思路:,随负载增加，适当加大励磁电流矢量 （代表转子磁能势矢量 ）的值和它与定子电流矢量 （代表定子磁通势矢量 ）之间的夹角，使得 和磁化电流矢量 （代表,合成磁通势矢量 和磁链矢量 ）之间的夹角不变,电动机功率因数不随负载变化,。,在负载变化时，维持磁化电流值 和磁链 值恒定,定子电压恒定条件。,六、普通同步电动机按磁通定向的矢量控制原理,同步电机结构,N,S,N,S,同步电机结构NSNS,所有空间矢量都在空间以同步角速度 旋转，,它们位于空间任何位置。,习惯上把磁链轴（ 轴）置于水平位置，站在,轴上看， 定子轴 以 反向旋转。,是功率因数角。,d,轴,求2/3坐标变换的角度,求扭矩与电流,i,s,的关系,所有空间矢量都在空间以同步角速度 旋转，它们位于空间任,在 坐标系上分解定子电流矢量 和励磁电流矢量 得：,由统一转矩公式，代入电流矢量和磁通势矢量之间的关系得同步电动机转矩公式,：,由于 和 按平行四边形法则合成，所以,如果能在负载变化时施加控制，使 和 恒定,，则,称 为定子电流转矩分量,在 坐标系上分解定子电流矢量 和励磁电流矢量,同步电动机,的转矩公式和,直流电动机,的转矩公式很相似，差别仅在于,直流电动机,公式中的转矩电流是物理上存在的电枢电流，而,同步电动机的转矩电流是不直接存在的定子电流矢量在旋转坐标系轴 上的直流分量,。,与 的控制：,定子电流的磁化分量,励磁电流的磁化分量,的期望值：,转子上施加的励磁电流给定值,：,的期望值，对应于 磁链的期望值。,（,4,29,）,1,同步电动机的转矩公式和直流电动机的转矩公式很相似，差别仅在于,从速度调节器和式（,4,29,）,计算被控矢量的直流控制分量 和 ，,再经第二个坐标变换（从坐标系 到,R,、,S,、,T,坐标系的坐标变换,2/3,变换）就能得到物理上存在的