第六章數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)6-1試對(duì)開環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)進(jìn)行綜合比較，說(shuō)明它們的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合。答：開環(huán)控制：只有輸出信號(hào)，沒(méi)有反饋信號(hào)來(lái)校正誤差。適用于對(duì)精度不高、負(fù)載變化和干擾影響小的應(yīng)用。閉環(huán)控制：通過(guò)實(shí)時(shí)比較反饋信號(hào)和指令信號(hào)來(lái)校正輸出，具有高精度、穩(wěn)定性好、能抵御負(fù)載變化和干擾的特點(diǎn)。適用于對(duì)精度要求高、穩(wěn)定性和抗干擾能力要求強(qiáng)的應(yīng)用。半閉環(huán)控制：結(jié)合了開環(huán)和閉環(huán)控制的特點(diǎn)，引入反饋信號(hào)但不直接用于調(diào)整輸出。適用于對(duì)精度要求較高、負(fù)載變化和干擾影響較小的應(yīng)用。6-2伺服系統(tǒng)由哪些部分組成，數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的要求有哪些？答：數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)一般由4部分組成：驅(qū)動(dòng)控制器、伺服電動(dòng)機(jī)（M）、數(shù)控機(jī)床機(jī)械裝置和反饋檢測(cè)裝置。數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的要求為調(diào)速范圍要寬，低速能輸出大轉(zhuǎn)矩；快速響應(yīng)且無(wú)超調(diào)；穩(wěn)定性要好，可靠性要高。6-3簡(jiǎn)述反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理，并說(shuō)明開環(huán)步進(jìn)伺服系統(tǒng)如何進(jìn)行移動(dòng)部件的位移量、速度和方向控制的。答：反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理為：基于定子產(chǎn)生的電磁力吸引轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)而進(jìn)行轉(zhuǎn)矩輸出。開環(huán)步進(jìn)伺服系統(tǒng)進(jìn)行移動(dòng)部件的位移量、速度和方向控制，通常包含以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：

1、位置控制：首先，確定所需的目標(biāo)位置和相對(duì)位移量。通過(guò)控制信號(hào)，將脈沖序列發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器會(huì)將脈沖轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。每個(gè)脈沖都會(huì)使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，從而實(shí)現(xiàn)位置的微小變化。2、速度控制：為了控制部件的移動(dòng)速度，可以通過(guò)調(diào)整脈沖序列的頻率來(lái)改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。增加脈沖頻率可以增加轉(zhuǎn)動(dòng)速度，減小脈沖頻率則會(huì)降低轉(zhuǎn)動(dòng)速度。3、方向控制：在開環(huán)步進(jìn)伺服系統(tǒng)中，改變正反轉(zhuǎn)方向可以通過(guò)改變脈沖序列的順序來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)脈沖序列的不同排列方式，可以使步進(jìn)電機(jī)以不同的方向旋轉(zhuǎn)。6-4什么是步距角，反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角與哪些因素有關(guān)，步距角與脈沖當(dāng)量之間的關(guān)系是什么？答：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每走一步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角，其大小等于錯(cuò)齒的角度。錯(cuò)齒角度的大小取決于轉(zhuǎn)子上的齒數(shù)和磁極數(shù)；轉(zhuǎn)子齒數(shù)和磁極數(shù)越多，步距角越小，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置精度越高，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。步距角與脈沖當(dāng)量之間的關(guān)系是，脈沖當(dāng)量是控制器輸出的每個(gè)脈沖所對(duì)應(yīng)的角度，通常以度或弧度表示。可以通過(guò)調(diào)整脈沖當(dāng)量大小來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的位置控制。具體而言，脈沖當(dāng)量越小，則每個(gè)脈沖所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度越小，步進(jìn)電機(jī)的控制精度和分辨率就會(huì)更高；反之，如果脈沖當(dāng)量越大，則步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)將更快，但控制精度可能會(huì)降低。6-5若數(shù)控機(jī)床的脈沖當(dāng)量δ=0.05mm，快進(jìn)時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作頻率f=2500Hz，請(qǐng)計(jì)算快速進(jìn)給速度。答：快速進(jìn)給速度為6-6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形脈沖分配器和功率放大器分別有哪些形式，各自有何特點(diǎn)？答：環(huán)形脈沖分配器分為硬件式和軟件式兩種。硬件式使用門電路和邏輯電路構(gòu)成，根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)和控制方式設(shè)計(jì)。軟件式由計(jì)算機(jī)軟件控制。功率放大器分為單電壓功率放大器、高低電壓功率放大器、斬波恒流功率放大器和調(diào)頻調(diào)壓功率放大器。其中，單電壓功率放大器只需一個(gè)電源電壓供給，適用于低功率、低速度、低精度的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用。高低電壓功率放大器具備高壓和低壓兩個(gè)輸出電壓，可根據(jù)需求切換使用。斬波恒流功率放大器能夠保持穩(wěn)定的電流輸出，在高負(fù)載和高速度應(yīng)用中性能良好。調(diào)頻調(diào)壓功率放大器是高級(jí)類型，可以根據(jù)步進(jìn)電機(jī)特性調(diào)整輸出頻率和電壓，實(shí)現(xiàn)最佳驅(qū)動(dòng)效果。6-7提高步進(jìn)伺服系統(tǒng)精度的措施有哪些？分別說(shuō)明它們的工作原理。答：要提高步進(jìn)伺服系統(tǒng)精度，可以采取以下措施：使用微步驅(qū)動(dòng)器：將步進(jìn)脈沖細(xì)分為更小的微步，增加分辨率和平滑度。使用閉環(huán)控制系統(tǒng)：引入編碼器反饋裝置，實(shí)時(shí)校正位置，提高控制精度。增加驅(qū)動(dòng)電流和電壓：提高輸出力矩和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)：加強(qiáng)剛性、減少傳動(dòng)間隙，降低振動(dòng)和變形。優(yōu)化控制算法：選擇和調(diào)整合適的算法，實(shí)現(xiàn)精確的位置和速度控制。6-8直流伺服電動(dòng)機(jī)有哪幾種？試說(shuō)明它們的工作原理。答：永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理：永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)是使用永磁體作為勵(lì)磁源的直流電動(dòng)機(jī)。它的轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)。當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，電流通過(guò)定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，與永磁體的磁場(chǎng)相互作用，使得電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。控制器根據(jù)反饋信號(hào)監(jiān)測(cè)和調(diào)整電機(jī)的位置和速度，通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流的大小和方向來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。勵(lì)磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理：勵(lì)磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子上添加一個(gè)勵(lì)磁繞組。這個(gè)勵(lì)磁繞組通過(guò)外部電源提供勵(lì)磁電流，產(chǎn)生一個(gè)額外的磁場(chǎng)。當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，電流通過(guò)定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，與勵(lì)磁繞組的磁場(chǎng)疊加，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?？刂破鞲鶕?jù)反饋信號(hào)監(jiān)測(cè)和調(diào)整電機(jī)的位置和速度，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流和驅(qū)動(dòng)電流的大小和方向來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。無(wú)論是永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)還是勵(lì)磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)，它們都利用電流和磁場(chǎng)之間的相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，通過(guò)控制器根據(jù)反饋信號(hào)調(diào)整電流和磁場(chǎng)的大小和方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的精確控制。6-9直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有哪些？說(shuō)明它們的實(shí)現(xiàn)原理，數(shù)控直流伺服系統(tǒng)主要采用哪種方法？答：電樞控制：電樞控制是一種通過(guò)改變電機(jī)電樞電壓來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法。電樞控制可分為手動(dòng)電壓控制和自動(dòng)電壓控制兩種方式，前者采用手動(dòng)方式調(diào)整電樞電壓來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速；后者根據(jù)控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)自動(dòng)調(diào)整電樞電壓，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。磁通控制：磁通控制是一種通過(guò)改變電機(jī)磁通來(lái)控制轉(zhuǎn)速的方法。它通過(guò)控制電機(jī)勵(lì)磁電流或外加電勢(shì)來(lái)改變電機(jī)磁通，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。磁通控制具有良好的靜態(tài)特性，但響應(yīng)速度較慢。脈寬調(diào)制（PWM）控制：PWM控制是最常用的一種調(diào)速方法。它通過(guò)對(duì)電機(jī)供電電壓進(jìn)行快速的開關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)輸出功率的精確控制。PWM控制可以提供良好的動(dòng)態(tài)特性和高效率，適用于各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制需求。數(shù)控直流伺服系統(tǒng)主要采用PWM控制方法。PWM控制通過(guò)快速的開關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)輸出功率的精確控制，同時(shí)還可以利用反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，提高轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的精度和穩(wěn)定性。在數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化生產(chǎn)線和機(jī)器人等領(lǐng)域，PWM控制已成為最為廣泛應(yīng)用的直流伺服調(diào)速技術(shù)。6-10直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的PWM和晶閘管調(diào)速原理分別是什么？請(qǐng)比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)。答：PWM控制的優(yōu)點(diǎn)：高精度、穩(wěn)定性好，適用于高要求場(chǎng)合。響應(yīng)速度快，噪音小。PWM控制的缺點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要專門的控制器。計(jì)算處理需要一定時(shí)間，影響實(shí)時(shí)性能。晶閘管調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，控制方便。晶閘管調(diào)速的缺點(diǎn)：精度較低，控制范圍有限。穩(wěn)定性差，噪音大。根據(jù)具體要求選擇適合的調(diào)速方式。需要高精度、穩(wěn)定性好的轉(zhuǎn)速控制可以采用PWM控制；而在負(fù)載輕、速度要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合，可以選擇晶閘管調(diào)速。6-11交流伺服電動(dòng)機(jī)有哪幾種？試說(shuō)明永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)工作原理。答：交流伺服電動(dòng)機(jī)主要有感應(yīng)式交流伺服電動(dòng)機(jī)和永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)兩種類型。感應(yīng)式交流伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高。永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)利用永磁體作為勵(lì)磁源，具有高性能和高精度的特點(diǎn)。它們都可以通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制。6-12交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有哪些？說(shuō)明它們的實(shí)現(xiàn)原理，數(shù)控交流伺服系統(tǒng)主要采用哪種方法？答：交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法包括變頻調(diào)速、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。數(shù)控交流伺服系統(tǒng)主要采用矢量控制方法，通過(guò)計(jì)算電流和電壓指令實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的精確控制。6-13在交流伺服電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速中，為什么要將電源電壓和頻率同時(shí)調(diào)整？答：在交流伺服電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與供給電源的頻率和電壓成正比關(guān)系。為了保持恒定的轉(zhuǎn)矩輸出，需要同時(shí)調(diào)整電源電壓和頻率。這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確調(diào)控，提高系統(tǒng)的控制性能和適應(yīng)性。6-14簡(jiǎn)述SPWM調(diào)制原理，分析SPWM變頻器的功率放大電路和SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)工作原理。答：SPWM是正弦PWM調(diào)制，通過(guò)將一條正弦波分成若干個(gè)區(qū)間，并用不同占空比的脈沖來(lái)表示，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的精確控制。SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)控制脈沖寬度，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的精確控制。6-15試說(shuō)明主軸交流伺服系統(tǒng)的矢量控制調(diào)速基本思想并分析矢量變換控制原理。答：主軸交流伺服系統(tǒng)的矢量控制調(diào)速基本思想是通過(guò)對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行合理控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確控制。其中，矢量變換控制原理是將電流和位置信息轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中進(jìn)行處理，并使用閉環(huán)控制算法實(shí)現(xiàn)精確控制。通過(guò)矢量控制，可以獲得高性能的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制效果。6-16試說(shuō)明直線電動(dòng)機(jī)的類型、結(jié)構(gòu)和工作原理，直線電動(dòng)機(jī)有何特點(diǎn)？答：直線電動(dòng)機(jī)是將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的裝置。它有幾種類型，包括傳統(tǒng)型、線性感應(yīng)和線性同步電動(dòng)機(jī)。直線電動(dòng)機(jī)的工作原理是利用電流、磁場(chǎng)和電磁力的相互作用實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。直線電動(dòng)機(jī)具有高速響應(yīng)、高精度、高效能和無(wú)傳動(dòng)裝置等特點(diǎn)，并廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化設(shè)備和機(jī)械系統(tǒng)中。6-17簡(jiǎn)述編碼器和光柵的工作原理？答：編碼器是用于測(cè)量位移或位置的裝置，由光柵和傳感器組成。光柵可以是光學(xué)、磁性或電容類型。工作原理是通過(guò)光柵上的特征和傳感器檢測(cè)光柵變化，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量和運(yùn)動(dòng)控制。6-18思考實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)精確位置控制需要調(diào)控的變量有哪些？需要控制哪些回路？答：實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)精確位置控制需要調(diào)控目標(biāo)位置和實(shí)際位置反饋，并控制位置、速度和加速度回路?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)位置誤差信號(hào)調(diào)整輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器移動(dòng)至目標(biāo)位置。6-19思考實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)精確位置控制可用的控制算法有哪些？答：實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)精確位置控制可采用PID、二階系統(tǒng)、最優(yōu)控制、模型預(yù)測(cè)和自適應(yīng)控制等算法。具體算法的選擇取決于系統(tǒng)特性、性能需求和應(yīng)用環(huán)境。6-20對(duì)比直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)和直流主軸伺服系統(tǒng)的調(diào)速原理，分析控制原理的異同。答：直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)和直流主軸伺服系統(tǒng)在調(diào)速原理上有一些異同。相同之處是它們都使用閉環(huán)控制和PID控制算法。不同之處在于控制目標(biāo)、反饋信號(hào)和機(jī)械傳動(dòng)方式。6-21對(duì)比交