4.4　交流伺服电动机

20世纪后期，随着技术的发展，交流电动机应用于伺服控制越来越普遍。与直流伺服电动机比较，交流伺服电动机不需要电刷和换向器，因而维护方便和对无要求；在同样体积下，交流电动机输出可比直流电动机提高10%～70%，此外，交流电动机的容量可比直流电动机的容量大，达到更高的电压和转速。此外，交流电动机还具有转动惯量、体积和重量较小、结构简单、价格便宜等优点；尤其是交流电动机调速技术的快速发展，使它得到了更广泛的应用。交流电动机的缺点是转矩特性和调节特性的度不及直流伺服电动机好；其也比直流伺服电动机低。因此，除某些操作特别频繁或交流伺服电动机在发热和起、制动特性不能满足要求时，选择直流伺服电动机外，一般尽量考虑选择交流伺服电动机。数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。

用于伺服控制的交流电动机主要有同步型交流电动机和异步型交流电动机。采用同步型交流电动机的伺服系统，多用于机床进给传动控制、工业机带入关节传动和其他需要和位置控制的场合。异步型交流电动机的伺服系统，多用于机床主轴转速和其他调速系统。

三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120°，三相交流电源的相与相之间的电压在相位上也是相差120°，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场。旋转磁场的转速为：

式中：f₁——定子供电频率；P——定子线圈的磁极对数；n₁——定子转速磁场的同步转速。

定子绕组产生旋转磁场后，转子导条（鼠笼条）将切割旋转磁场的线而产生感应，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生力，电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向旋转。一般情况下，电动机的实际转速n低于旋转磁场的转速n₁。如果n=n₁，则转子导条与旋转磁场就没有相对运动，就不会切割磁力线，也就不会产生电磁转矩，所以转子的转速n₁必然小于n。为此，我们称三相电动机为异步电动机。

旋转磁场的旋转方向与绕组中电流的相序有关。假设三相绕组A、B、C中的电流相序按顺时针流动，则磁场按顺时针方向旋转，若把三根电源线中的任意两根对调，则磁场按逆时针方向旋转。利用这一特性我们可很方便地改变三相电动机的旋转方向。

综上所述，异步电动机的转速方程为：

式中：n——电动机转速；s——转差率。

根据式4-4我们知道，交流电动机的转速与磁极数和供电电源的频率有关。我们把改变异步电动机的供电频率f₁实现实现调速的方法称为变频调速；而改变磁极对数P进行调速的方法叫变极调速。变频调速一般是无级调速，变极调速是有级调速。当然，改变转差率S也可以实现无级调速，但该办法会降低交流电动机的特性，一般不使用。

同步电动机的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的，所以称为同步电动机。同步电动机的定子绕组与异步电动机相同，它的转子做成显极式，安装在磁极铁芯上面的磁场线圈是相互串联的，接成具有交替相反的极性，并有两根引线连接到装在轴上的两只滑环上面。磁场线圈是由一只小型直流发或蓄电池来激励，在大多数同步电动机中，直流发电机是装在电动机轴上的，用以供应转子磁极线圈的励磁电流。

由于这种同步电动机不能自动启动，所以在转子上还装有鼠笼式绕组而作为电动机启动之用。鼠笼绕组放在转子的周围，结构与异步电动机相似，如图4-20所示。

当在定子绕组通上三相交流电源时，电动机内就产生一个旋转磁场，鼠笼绕组切割磁力线而产生，从而使电动机旋转起来。电动机旋转之后，其速度慢慢增高到稍低于旋转磁场转速，此时转子磁场线圈经由直流电来激励，使转子上面形成一定磁极，这些磁极就企图跟踪定子上的旋转磁极，这样就增加电动机转子的速率直至与旋转磁场同步旋转为止。

同步电动机运行时的转速与电源的供电频率有严格不变的关系，它恒等于旋转磁场的转速，即电动机与旋转磁场两者的转速保持同步，并由此而得名。同步交流电动机的转速用下式表达：

图4-20　笼形电动机

式中：f₁——定子供电频率；P——定子线圈的磁极对数；n——转子转速。

3．交流伺服电机的性能

对异步电动机进行变频调速控制时，希望电动机的每极磁通保持额定值不变。若磁通太弱，则铁心利用不够充分，在同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降。若磁通太强，又会使铁心饱和，使励磁电流过大，严重时会因绕组过热而损坏电动机。异步电动机的磁通是定子和转子磁动势合成产生的。下面说明怎样才能使磁通保持恒定。

由电机理论知道，三相异步电动机定子每相的有效值

式中：Φ_m——每极气隙磁通；N₁——定子相绕组有效匝数。

由式（4-6）可见，Φ_m的值是由E₁和f₁共同决定的，对E₁和f₁进行适当的控制，就可以使气隙磁通Φ_m保持额定值不变。下面分两种情况说明：

（1）基频以下的恒磁通变频调速

这是考虑从基频（电动机额定频率f）向下调速的情况。为了保持电动机的负载能力，应保持气隙磁通Φ_m不变。这就要求降低供电频率的同时降低感应电动机，保持E_1/f₁＝常数，即保持电动势与频率之比为常数进行控制。这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。

由于，E₁难于直接检测及直接控制，当E₁和f₁的值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，如忽略不计，则可近似地保持定子相电压U₁和频率f₁的比值为常数，即认为U₁=E₁，保持U₁/ f₁＝常数即可。这就是恒压频比控制方式，是近似的恒磁通控制。

当频率较低时，U₁和E₁都变小，定子漏阻抗压降（主要是定子压降）不能忽略。在这种情况下，可以适当提高定子电压以补偿定子电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。如图4-21所示，其中曲线a为U₁/ E₁等于常数时的电压——频率关系。曲线b为有电压补偿时近似的（E₁/ f₁＝常数）电压——频率关系。

（2）基频以上的弱磁通变频调速

这是基频开始向上调速的情况。频率由额定值f向上增大，但电压U受额定电压U_1n的限制不能再升高，只能保持U₁=U_1n不变。必然会使磁通随着f₁的上升而减小，这属于近似恒功率调速方式，上述两种情况综合起来。异步电动机变频调速的基本控制方式如图4-22所示。

图4-21　恒压频比控制特性

图4-22　异步电动机变频调速控制特性

由上述分析可知，变频调速时，一般需要同时改变电压和频率，以保持磁通基本恒定。因此，变频调速器又称为VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）装置。

与直流伺服电动机相比，永磁同步伺服电动机有更好的工作性能：

（1）交流伺服电动机的机械特性比直流伺服电动机的机械特性要优，其直线更为接近水平线。另外，断续工作区范围更大，尤其是高速区，这有利于提高电动机的加、减速能力。

（2）高可靠性。用电子逆变器取代了直流电动机换向器和电刷，工作寿命由决定。因无换向器及电刷，也省去了此项目的保养和维护。

（3）主要损耗在定子绕组与铁心上，故散热容易，便于安装热保护；而直流电动机损耗主要在转子上，散热困难。

（4）转子惯量小，其结构允许高速工作。

（5）体积小，质量小。

对于进给运动经常采用交流同步电动机。这种电机转速公式：

从式（4-7）中可以看出：只能用变频调速，并且是有效方法。

交流伺服电机变频调速的问题是要获得调频调压的交流电源。根据生产的要求、变频器的特点和电动机的种类，会出现多种多样的变频调速控制方案。这里只讨论交-直-交（Ac-Dc-Ac）变频器。如图4-23所示即为交-直-交变频电路。

图4-23　交—直—交变频电路

在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。下面来分析一下如何用一系列等幅而不等宽的脉冲来代替一个正弦电波。

把如图4-24（a）所示的正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于π／N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（冲量）相等，就得到如图4-24（b）所示的脉冲序列，这就是SPWM波形。

如图4-25所示是脉宽调制变频器的主电路。图中续流二极管D₁～D₆，为负载的滞后电流提供一条反馈到电源的通路，逆变管（全控式功率开关器件）T₁～T₆组成逆变桥，SPWM为逆变桥的输出端。

图4-25　SPWM变频器的主电路原理图

交流电机变频调速系统中的关键部件之一就是逆变器，由于调速的要求，逆变器必须具有频率连续可调以及输出电压连续可调，并与频率保持一定比例关系等功能。

如图4-26所示为逆变管的工作情况，图中阴影部分为各逆变管的导通时间，其余为关断状态。逆变桥输出的线电压波形如图4-27所示，由图可见，各相之间的相位互差120°，它们的幅值都与直流电压Ud相等。

图4-26　各逆变管的通断安排

图4-27　三相逆变桥的输出电压

只要按照一定的规律来控制逆变管的导通与截止，就可以把直流电逆变成三相交流电。改变逆变管导通和关断时间，即可得到不同的输出频率。

利用脉冲宽度调制逆变器可实现变频和变压。如图4-28所示，因电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，改变输出电压脉冲的占空比，就能同时实现变频和变压。

图4-28　脉宽调制的输出电压

在双极性SPWM控制方式中，同一相上下两个臂的驱动信号都是互补的。但实际上为了防止上下两个臂直通而造成短路，在给一个臂施加关断信号后，再延迟Δt时间，才给另一个臂施加导通信号。延迟时间的长短主要由功率开关器件的关断时间决定。这个延迟时间将会给输出的PWM波形带来影响，使其偏离正弦波。

SPWM逆变电路主要具有以下特点：

① 主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构；

② 采用了不可控整流器。使电网功率因数提高；

③ 逆变器同时调频调压，相应不受中间环节影响；

④ 可获得更接近于正弦波的输出电压波形。

　　（二）、下面是同学们必须掌握的知识点，在复习中一定要真正理解，并能灵活运用。图号为教材中的图号

　　一、数控机床进行加工时，对机床的运动进行控制，归纳起来可分为哪几种类别的控制？

　　答：数控机床进行加工时，数控系统必须按照工件加工的要求对机床的运动进行控制，归纳起来可分为三种类别的控制：

　　1、主轴控制主轴运动和普通机床一样，主轴运动主要完成工件的切削任务。

　　2、进给控制即用电气自控驱动替代了人工机械驱动，数控机床的进给运动是由进给伺服系统完的。

　　3、辅助控制数控系统对加工程序处理后输出的控制信号除了对进给运行轨迹进行连续控制外，还要对机床的各种开关状态进行控制，这部分功能一般由可编程序逻辑控制器（PLC）实现。

　　图1.3数控机床的基本组成

　　（注：此处图1.3指教材的图，请同学们结合教材进行阅读，以下类同）

　　二、数控机床控制系统由哪几部分组成？

　　答：数控机床控制系统的基本组成包括输入/输出装置、数控装置、伺服驱动装置、机床电气逻辑控制装置、位置检测装置，如图1.3所示。

　　三、数控机床有哪几种分类方式？并说明是如何分类的。

　　答： 1、按被控制对象运动轨迹进行分类

　　1）位控制的数控机床

　　点位控制数控机床的数控装置只要求能够精确地控制从一个坐标点到另一个坐标点的定位精度，而不管是按什么轨迹运动，在移动过程中不进行任何加工。

　　2）直线控制的数控机床

　　直线控制数控机床一般要在两点间移动的同时进行加工，所以不仅要求有准确的定位功能，还要求从一点到另一点之间按直线规律运动，而且对运动的速度也要进行控制。

　　图1.5点位控制的切削加工图1.6直线控制切削加工

　　3）轮廓控制的数控机床

　　轮廓控制又称连续控制，大多数数控机床具有轮廓控制功能。其特点是能同时控制两个以上的轴，具有插补功能。它不仅控制起点和终点位置，而且要控制加工过程中每一点的位置和速度，加工出任意形状的曲线或曲面组成的复杂零件。

　　图1.7轮廓控制切削加工

　　2、按控制方式分类

　　1）开环控制数控机床

　　这类数控机床没有检测反馈装置，数控装置发出的指令信号流程是单向的，其精度主要决定于驱动元件和伺服电机的性能，开环数控机床所用的电动机主要是步进电动机。

　　闭环控制系统是指在机床的运动部件上安装位置测量装置。伺服系统采用交伺服电动机、直流伺服电动机。

　　3）半闭环控制系统

　　半闭环控制系统是在开环系统的丝杠上或进给电动机的轴上装有角位移检测装置。位置检测元件不直接安装在进给坐标的最终运动部件上，而是中间经过机械传动部件的位置转换（称为间接测量）。

　　第2章　数控机床强电控制电路

　　一、低压断路器的作用是什么？

　　答：低压断路器又称自动空气开关，它不但能用于正常工作时不频繁接通和断开的电路，而且当电路发生过载、短路或失压等故障时，能自动切断电路，有效地保护串接在它后面的电气设备。因此，低压断路器在机床上使用得越来越广泛。

　　二、接触器的作用是什么？

　　答：接触器是一种用来频繁地接通或分断带有负载（如电动机）的主电路自动控制电器。接触器按其主触头通过电流的种类不同，分为交流、直流两种，机床上应用最多的是交流接触器。

　　三、继电器的作用是什么？电流继电器与电压继电器在结构上的主要区别是什么？

　　答：继电器是一种根据某种输入信号的变化，而接通或断开控制电路，实现控制目的的电器。继电器的输入信号可以是电流、电压等电学量，也可以是温度、速度、时间、压力等非电量，而输出通常是触头的动作（断开或闭合）。

　　电流继电器与电压继电器在结构上的区别主要是线圈不同。电流继电器的线圈匝数少、导线粗，与负载串联以反映电路电流的变化。电压继电器的线圈匝数多、导线细，与负载并联以反映其两端的电压。

　　中间继电器实际上也是一种电压继电器，只是它具有数量较多、容量较大的触点，起到中间放大的作用。

　　四、接近开关作用是什么？

　　答：接近开关又称无触点行程开关。当运动着的物体在一定范围内与之接近时，接近开关就会发生物体接近而“动作”的信号，以不直接接触方式控制运动物体的位置。

　　接近开关多为三线制。三线制接近开关有二根电源线（通常为24V）和一根输出线。输出有常开、常闭两种状态。

　　五、热继电器作用是什么？

　　答：热继电器是利用电流的热效应原理来切断电路的保护电器，主要用于电动机或其他负载的过载保护。当负载电流超过整定电流值并经过一定时间后，发热元件所产生的热量使双金属片受热弯曲，带动动触点与静触点分断，切断电动机的控制回路，使接触器线圈断电释放，从而断开主电路，实现对电动机的过载保护。由此可见，热继电器由于热惯性，当电路短路时不能立即动作使电路立即断开，因此不能作短路保护。

　　六、电气控制线路电路图一般有哪几类？

　　答：电气控制系统图有三类：电气原理图、电器元件布置图和电气安装接线图

　　电气原理图是表达所有电器元件的导电部件和接线端子之间的相互关系。根椐便于阅读和分析线路及简单清晰的原则，采用标准电气元件图形符号绘制。

　　2．电器元件布置图

　　电气元件布置图主要用来表明各种电气元件在机械设备上和电气控制柜中的实际安装位置，为机械电气控制设备的制造、安装、维修提供必要的资料。

　　3．电器安装接线图

　　电气安装接线图是用规定的图形符号，根据原理图，按各电器元件相对位置绘制的实际接线图，它清楚地表明了各电器元件的相对位置和它们之间的电路连接的详细信息。

　　七、三相异步电动机在何种情况下采用直接起动？

　　答：为了减小起动电流，电动机在起动时应采用适当的措施。三相笼型电动机有直接起动（全电压起动）和间接起动（降压起动）两种方式。直接起动是一种简单、可靠、经济的起动方式，适合小容量电动机。对于较大容量（大于10KW）的电动机，因起动电流大（可达额定电流的4～7倍），一般采用减压起动方式来降低起动电流。

　　第4章数控机床的伺服驱动

　　一、闭环伺服系统的由哪两个环组成？

　　答：闭环伺服系统的一般结构通常由位置环和速度环组成。速度环速度控制单元是一个独立的单元部件，它由伺服电动机、伺服驱动装置、测速装置及速度反馈组成；位置环由数控系统中的位置控制、位置检测装置及位置反馈组成。

　　二、试阐述步进电动机的基本结构和工作原理

　　答：步进电动机是一种将电脉冲信号转换为机械角位移的机电执行元件。

　　图4.2a)为三相反应式步进电动机的结构图。它是由转子、定子及定子绕组所组成。定子上有六个均布的磁极，直径方向相对的两个极上的线圈串联，构成电动机的一相控制绕组。下面我们分析步进电动机的工作原理：

　　图4.2b)所示为反应式步进电动机工作原理示意图。其定子、转子是用硅钢片等软磁材料制成的，定子上有A、B、C三对磁极，分别绕有A、B、C三相绕组。三对磁极在空间上相互错开120°。转子上有4个齿，无绕组，它在定子磁场中被磁化而呈现极性。当定子A相绕组通电时，形成以A-A′为轴线的磁场，转子受磁场拉力作用而产生转矩，使转子的1、3齿和定子的A—A’极对齐，如图4.2b)所示；当A相断电、B相绕组通电时，以B-B′为轴线的磁场使转子的2、4齿和定子的B-B′极对齐，转子将在空间逆时针转过30°角；当B相断电，C相绕组通电时，以C-C′为轴线的磁场使转子的1、3齿和定子的C-C′极对齐，转子将在空间又逆时针转过30°角。如此按A→B→C→A的顺序通电，转子就会不断地按逆时针方向转动；如按A→C→B→A的顺序通电，转子就会不断地按顺时针方向转动。

　　从一相通电换到另一相通电，叫一拍；每一拍转子转动一步，每步转过角度叫步距角，用α表示。

　　图4．2反应式步进电动机工作原理

　　三、步进电动机的驱动装置由哪两部分组成？

　　答：步进电机的运行性能，不仅与步进电机本身和负载有关，而且与配套的驱动装置有着十分密切的关系。步进电动机驱动装置由脉冲分配器、功率放大电路两大部分组成，如图4.5所示。其中，步进电动机功率放大驱动电路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流信号。

　　图4.5步进电动机控制驱动电路

　　四、进给伺服装置和主轴伺服装置分别采用什么伺服电动机？数控机床常用的位移执行机构有哪些种类？并比较直流与交流伺服电动机的优劣。

　　答：主轴伺服装置一般采用交流异步伺服电动机，进给伺服装置一般采用永磁同步伺服电动机。

　　常用的位移执行机构有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。

　　由于直流伺服电动机存在着一些固有的缺点，（比如，有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格贵），使其应用环境受到限制。交流伺服电动机没有这些缺点，且转子惯量较直流电动机小，使得动态响应好，因此，交流伺服系统得到了迅速发展，已经形成潮流。从20世纪80年代后期开始，大量使用交流伺服系统，目前，已基本取代了直流电动机。

　　五、试阐述交流伺服电动机的工作原理。并分析如图4.20所示的θ夹角与负载转矩的关系。

　　答：如图4.20所示，交流伺服电动机的转子是一个具有两个极的永磁体(也可以是多极的)。按照电动机学原理，当同步型电动机的定子三相绕组接通三相交流电源时，就会产生旋转磁场(Ns，Ss)以同步转速ns逆时针方向旋转。根据两异性磁极相吸的原理，定子磁极Ns(或Ss)紧紧吸住转子，以同步转速ns在空间旋转，即转子和定子磁场同步旋转。

　　当转子加上负载转矩后，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线一个θ夹角。转子的负载转矩增大时，定子磁极轴线与转子磁极轴线间的夹角θ增大；当负载转矩减小时θ角减小。

　　图4.20永磁式同步型电动机的工作原理

　　六、交流同步电动机是如何进行变频调速的？

　　答：由电动机学基本原理可知，交流电动机的同步转速为

　　式中f1——定子供电频率，单位Hz；

　　P——电动机定子绕组磁极对数；

　　从上面的公式可以看出：平滑改变定子供电频率f1而使转速平滑变化，这就是变频调速方法。这是交流电动机的一种理想调速方法。目前，数控机床主要采用变频调速等先进交流调速技术。

　　七、正弦波脉宽调制(SPWM)变频器采用的重要理论基础是什么？并以此阐述正弦波脉宽调制(SPWM) 逆变器的基本原理。

　　答：在采样控制理论中有一个重要结论，冲量(窄脉冲的面积)相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。电动机就是一个惯性的环节，该结论是SPWM控制的重要理论基础。

　　SPWM逆变器输出的是正弦脉宽调制波,如图4.24b)所示。其工作原理是若把一个正弦半波分成N等分，然后把每一等分的正弦曲线与横坐标轴所包围的面积，都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，这样可得到N个等高而不等宽的脉冲序列。根据上述冲量相等效果相同的原理，该矩形脉冲序列与正弦半波是等效的。如果对正弦波的负半周也做同样处理，即可得到相应的2N个脉冲，这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制波，如图4.24所示。通过对等效的正弦脉宽调制波的脉冲调制，就相当于调整了输出的正弦波频率。

　　第5章　数控机床的位置检测装置

　　一、数控机床对检测装置的基本要求是什么？

　　1、稳定可靠、抗干扰能力强。数控机床的工作环境存在油污、潮湿、灰尘、冲击振动等，检测装置要能够在这样的恶劣环境下工作稳定，并且受环境温度影响小，能够抵抗较强的电磁干扰。

　　2、满足精度和速度的要求。为保证数控机床的精度和效率，检测装置必须具有足够的精度和检测速度，位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率一个数量级。

　　3、安装维护方便、成本低廉。受机床结构和应用环境的限制，要求位置检测装置体积小巧，便于安装调试。尽量选用价格低廉，性能价格比高的检测装置。

　　数控机床加工精度，在很大程度上取决于数控机床位置检测装置的精度，因此，位置检测装置是数控机床的关键部件之一，它对于提高数控机床的加工精度有决定性的作用。

　　二、常用位置检测装置是如何进行分类的？

　　答：根据位置检测装置安装形式和测量方式, 数控机床测量方式可按以下几种方式分类：

　　1、绝对式和增量式按检测量的测量基准，可分为绝对式和增量式测量

　　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，通过脉冲计数便可得到位移量。

　　2、直接测量和间接测量按被测量和所用检测元件的位置关系，可分为直接测量和间接测量。

　　若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。

　　三、位置检测装置常用的性能指标有哪些？

　　答：位置检测装置安装在伺服驱动系统中，由于所测量的各种物理量是不断变化的，因此传感器的测量输出必须能准确、快速地跟随并反映这些被测量的变化。位置检测装置的主要性能指标包括如下几项内容。

　　1、精度符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度称作精度，数控机床用传感器要满足高精度和高速实时测量的要求。数控机床加工精度，在很大程度上取决于数控机床位置检测装置的精度。

　　2、分辨率位置检测装置能检测的最小位置变化量称作分辨率。分辨率应适应机床精度和伺服系统的要求。分辨率的高低，对系统的性能和运行平稳性具有很大的影响。一般按机床加工精度的1／3～1／10选取检测装置的分辨率。

　　3、灵敏度输出信号的变化量相对于输入信号变化量的比值为灵敏度。实时测量装置不但要灵敏度高，而且输出、输入关系中各点的灵敏度应该是一致的。

　　四、试阐述旋转编码器的工作原理。

　　答：旋转编码器是一种旋转式的角位移检测装置，在数控机床中得到了广泛的使用。旋转编码器通常安装在被测轴上，随被测轴一起转动，直接将被测角位移转换成数字(脉冲)信号，所以也称为旋转脉冲编码器，这种测量方式没有累积误差。旋转编码器也可用来检测转速。

　　图5.2增量式光电编码器外形结构图

　　当光电盘随被测工作轴一起转动时，每转过一个缝隙，光电管就会感受到一次光线的明暗变化，使光电管的电阻值改变，这样就把光线的明暗变化转变成电信号的强弱变化，而这个电信号的强弱变化近似于正弦波的信号，经过整形和放大等处理，变换成脉冲信号。通过计数器计量脉冲的数目，即可测定旋转运动的角位移；通过计量脉冲的频率，即可测定旋转运动的转速，测量结果可以通过数字显示装置进行显示或直接输入到数控系统中。

　　增量式光电编码器外形结构见图5.2。实际应用的光电编码器的光栏板上有两组条纹A、A和B、B，A组与B组的条纹彼此错开1／4节距，两组条纹相对应的光敏元件所产生的信号彼此相差90°相位，用于辨向。

　　此外，在光电码盘的里圈里还有一条透光条纹C(零标志刻线)，用以每转产生一个脉冲，该脉冲信号又称零标志脉冲，作为测量基准。

　　第6章　数控机床的可编程控制器（PLC）

　　一、最初，可编程控制器是用来替代哪类传统控制电器的？目前它一般用来实现数控机床的哪类控制功能？

　　答：传统的继电接触器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用甚广。但是，这些控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是传统的继电器—接触器控制采用的是固定接线方式，一旦生产过程有所变动，就得重新设计线路和连线安装，不利于产品的更新换代，目前大都用可编程控制器取代。

　　可编程控制器用来实现控制数控机床的主轴起／停、换刀、冷却液开／停等辅助控制功能。

　　二、PLC的硬件主要由哪几部分组成？

　　答：PLC内部硬件结构框图如图6.1所示。硬件主要由中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出接口、编程器、电源等几部分组成。

　　三、可编程序控制器的主要特点有哪些？

　　答：1、可靠性高、抗干扰能力强

　　工业生产一般对控制设备的可靠性有很高的要求：要能够在恶劣的环境中可靠地工作，控制设备应具有很强的抗干扰能力。

　　2、控制系统构成简单、通用性强

　　PLC是一种存储程序控制器，其输入和输出设备与继电接触器控制系统类似，但它们可直接连接在PLC的I/O端。

　　3、编程简单、使用、维护方便

　　编程简单是PLC优于微机的另一特点。PLC的设计宗旨之一是方便使用，目前大多数的PLC均可采用与实际电路接线图非常接近的梯形图编程，这种编程语言形象直观，易于掌握，只要具有一定电工和工艺知识的人就可在短时间内学会。

　　4、.组合方便、功能强、应用范围广

　　现代的PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、步进等功能，而且还能完成A/D（模拟量/数字量）、D/A（数字量/模拟量）转换，数字运算和数据处理以及通信联网、生产过程控制等。

　　5、体积小、重量轻、功耗低

　　PLC采用了半导体集成电路，外形尺寸很小，重量轻，同时功耗也很低，空载功耗约l.2W。

　　四、简述PLC的梯形图程序中的“软继电器”的意义？

　　答：1、梯形图中仍然采用了“继电器”这一名称，但它们不是真正的物理继电器，而是PLC内部的编程元件，称为“软继电器”。每一个编程元件与PLC元件映像器的一个存储单元对应，当相应存储单元为“l”时，表示继电器线圈“通电”，则其动合触点闭合，动断触点断开，反之亦然。

　　2、继电器控制电路中继电器触点作为客观存在的物理触点，其数量是有限的。而梯形图中触点的状态实际是指PLC内部相应存储单元的状态，而存储单元的状态是可以无限次读取的，所以梯形图中“软继电器”的触点在编程时可无限次使用，但一般情况下，某个编号的继电器线圈只能使用一次。

　　五、PLC中最常用的编程语言有哪二种？

　　答：1、梯形图编程

　　梯形图是各种PLC通用的一种图形编程语言，在形式上类似于继电器控制电路，它直观、易懂，是目前应用最多的一种编程语言。

　　语句表又叫做指令表，在形式上类似于计算机汇编语言，它是用指令的助记符来编程的，通常一条指令由步序号、助记符和元件号三部分组成。

　　二进制逻辑操作基本实例及说明：

　　1、下图中，左边为梯形图编程表达方式，右边为语句表编程表达方式。

　　图6.10 装载位操作指令的应用示例

　　如图6.10所示的逻辑操作指令功能是：当输入点I0.0与输入点I 0.1的状态都为“1”（即接通状态）时，输出Q 0.0为“l”，上面的输入点I0.0与输入点I 0.1的逻辑关系为“与”；而输入点I0.0或输入点I0.1只要某一个为“l”状态，即可使Q 0.2输出“l”，这时输入点I0.0与输入点I 0.1的逻辑关系为“或”。

　　2、例6-1：分析图6.13左图所示的梯形图，写出对应的指令表。

　　图6.13复杂逻辑关系及程序表达方法

　　分析：图6.13所示的程序中第一段为“或”装载关系，第二段为“与”装载关系。也就是说：第一段的OLD指令把两个串联环节“并联”起来，而第二段的ALD指令把两个并联环节“串联”起来。

　　3、置位／复位指令S／R（Set／Reset）

　　图6.14所示为S／R指令应用，实例中，当I0.O、I0.1都为低电平时，QO.O保持原来的状态；当I0.O、I0.1有一个高电平时，高电平的信号影响Q0.O的状态；当I0.0、I0.1都为高电平时，写在后面的指令优先影响Q0.0的状态。

　　图6.14 S／R为指令应用。

近年来，发展了低惯量的无槽电枢电动机、空心杯形电枢电动机、印制绕组电枢电动机和无刷直流伺服电动机，来提高快速响应能力，适应自动控制系统的发展需要，如电视摄象机、录音机、X—Y 函数记录。

直流伺服电动机（英文名称：direct current servomotor），是用直流电信号控制的伺服电动机。

直流伺服电机的输出转速与输入电压成正比，并能实现正反向速度控制。具有起动转矩大，调速范围宽，机械特性和调节特性的线性度好，控制方便等优点，但换向电刷的磨损和易产生火花会影响其使用寿命。

直流伺服电动机结构与原理

电磁式直流伺服电动机的工作原理和他励式直流电动机同， 因此电磁式直流伺服电动机有两种控制转速方式：电枢控制和磁场控制。对永磁式直流伺服电动机来说，当然只有电枢控制 调速一种方式。 由于磁场控制调速方式的性能不如电枢控制调速方式， 故直流伺服电动机一 般都采用电枢控制调速。直流伺服电动机转轴的转向随控制电压的极性改变而改变。 直流伺服电动机的机械特性与他励直流电动机相似，即 n=n0-αT。当励磁不变时，对不同电压 Ua 有一组下降的平行直线。

直流伺服电动机适用于功率稍大（1—600W）的自动控制系统中。与交流伺服电动机相比， 它的调速线性好，体积小，质量轻，启动转矩大，输出功率大。但它的结构复杂，特别是低速稳定性差，有火花会引起无线电干扰。

直流伺服电机分为有刷和无刷电机。

有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。

无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。 控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。

按励磁方式不同，可分为电磁式和永磁式两种。

电磁式直流伺服电动机的磁场由励磁绕组产生。

永磁式直流伺服电动机的磁场由永久磁铁产生， 无需励磁绕组和励磁电流，可减小体积和损耗。

永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较

⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。

⑵定子绕组散热比较方便。

⑶惯量小，易于提高系统的快速性。

⑷适应于高速大力矩工作状态。

⑸同功率下有较小的体积和重量。