1、一、数控机床对主轴驱动的要求一、数控机床对主轴驱动的要求 这包括要求主传动电动机应这包括要求主传动电动机应2.22.2250kW250kW的功率范围，既要能输出大的功率，又要求的功率范围，既要能输出大的功率，又要求主轴结构简单。然而小的恒功率调速范围却主轴结构简单。然而小的恒功率调速范围却使机械传动不能全部取消。要改善主轴的动使机械传动不能全部取消。要改善主轴的动态性能，需要主传动有更大的无级调速范围，态性能，需要主传动有更大的无级调速范围，如仍在如仍在1 1：10010010001000的范围内进行恒转矩调的范围内进行恒转矩调速和速和1 1：1010的恒功率调速，而且要求在主轴的的恒功率调速
2、，而且要求在主轴的两个转向中在任一个方向都可进行传动和减两个转向中在任一个方向都可进行传动和减速，即要求有四象限的驱动能力速，即要求有四象限的驱动能力。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 数控车床、铣床、镗床和加工中数控车床、铣床、镗床和加工中心在数控机床总数中占有心在数控机床总数中占有80%的比例，的比例，为了满足这些数控机床的要求，如为为了满足这些数控机床的要求，如为使数控车等具有螺纹车削功能，要求使数控车等具有螺纹车削功能，要求主轴能与进给驱动实行同步控制；在主轴能与进给驱动实行同步控制；在加工中心上，为了实现自动换刀，还加工中心上，为了实现自动换刀，还要求主轴能
3、进行高精度定向停止控制；要求主轴能进行高精度定向停止控制；有的数控机床还要求主轴具有角度分有的数控机床还要求主轴具有角度分度控制的功能。度控制的功能。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 另外，主轴驱动装置应提供加工另外，主轴驱动装置应提供加工各类零件所需的切削功率，随着刀具各类零件所需的切削功率，随着刀具的不断切进，切削速度日益提高，以的不断切进，切削速度日益提高，以及为了提高生产率，都要求机床主轴及为了提高生产率，都要求机床主轴的转速和功率能不断地提高。此外，的转速和功率能不断地提高。此外，因为加工一些难加工材料所要求的转因为加工一些难加工材料所要求的转速范围相差很大
4、如钛全金需要低速加速范围相差很大如钛全金需要低速加工，而铝合金却需要高速加工。工，而铝合金却需要高速加工。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 二、交流主轴驱动二、交流主轴驱动 1 1交流主轴电动机结构特点交流主轴电动机结构特点 交流伺服电动机的结构有笼型异步电动交流伺服电动机的结构有笼型异步电动机和永磁式同步电动机两种结构。交流主轴机和永磁式同步电动机两种结构。交流主轴电动机的情况与伺服电动机相同，交流主轴电动机的情况与伺服电动机相同，交流主轴电动机均采用异步电动机的结构形式。电动机均采用异步电动机的结构形式。鼠笼型异步电动机在总体结构上由有三鼠笼型异步电动机在总体结构
5、上由有三相绕组的定子和有笼条的转子构成。虽然，相绕组的定子和有笼条的转子构成。虽然，也有直接采用普通异步电动机当做数控机床也有直接采用普通异步电动机当做数控机床主轴电动机用的，但一般来说，交流主轴电主轴电动机用的，但一般来说，交流主轴电动机是专门设计的，各有自己的特色。动机是专门设计的，各有自己的特色。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 为此，在电动机为此，在电动机外形外形上是呈多边形而上是呈多边形而不是圆形。交流主轴电动机结构和普通异不是圆形。交流主轴电动机结构和普通异步电动机的比较如图步电动机的比较如图4-154-15所示。其中所示。其中1 1是交是交流主轴电动机，
6、流主轴电动机，2 2是普通异步电动机，是普通异步电动机，3 3是是冷却通风孔。转子结构多为带斜槽的铸铝冷却通风孔。转子结构多为带斜槽的铸铝结构，与一般笼型异步电动机相同。在这结构，与一般笼型异步电动机相同。在这类电动机轴的尾部都同轴安装有检测用脉类电动机轴的尾部都同轴安装有检测用脉冲发生器或脉冲编码器。在电动机安装方冲发生器或脉冲编码器。在电动机安装方式上，一般有法兰式和底脚式两种，可根式上，一般有法兰式和底脚式两种，可根据不同需要选用。据不同需要选用。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 图图4-15交流主轴电动机的结构和普通异步电交流主轴电动机的结构和普通异步电动机比
7、较示意图动机比较示意图 第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 2 2 交流主轴电动机的性能交流主轴电动机的性能 图图4-164-16为交流主轴电动机的功率为交流主轴电动机的功率速度特性曲线速度特性曲线 第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 但有些电动机，如图但有些电动机，如图4-16中所示那样，中所示那样，当电机转速超过某一定值之后，其功率当电机转速超过某一定值之后，其功率转速转速曲线向下倾斜，不能保持恒定功率。对于一般曲线向下倾斜，不能保持恒定功率。对于一般主轴电机，这个恒功率速度范围只有主轴电机，这个恒功率速度范围只有1:3的速的速度比。交流主轴
8、电动机也有一定的过载能力，度比。交流主轴电动机也有一定的过载能力，一般为额定值的一般为额定值的1.21.5倍，过载时间则从几倍，过载时间则从几分钟到半个小时不等分钟到半个小时不等。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 3 新型主轴电动机结构新型主轴电动机结构 交流主轴电动机结构有下述三种新发展：交流主轴电动机结构有下述三种新发展：(1)输出转换型交流主轴电动机输出转换型交流主轴电动机 为了满为了满足机床切削的需要，要求主轴电动机在任何足机床切削的需要，要求主轴电动机在任何刀具切削速度下都能提供恒定的功率刀具切削速度下都能提供恒定的功率 (2)液体冷却主轴电动机液体冷却主轴
9、电动机 在电机尺寸一定在电机尺寸一定条件下，为了得到大的输出功率，必然会大条件下，为了得到大的输出功率，必然会大幅度增加电动机发热量。幅度增加电动机发热量。为此必须解决电为此必须解决电动机的散热问题动机的散热问题。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 图图4-17 液体冷却主轴电动机液体冷却主轴电动机 第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统（3）内装式主轴电动机动内装式主轴电动机动 这种主轴与电动机制成一体，省去了这种主轴与电动机制成一体，省去了齿轮机构，使主轴驱动机构简化。电动机齿轮机构，使主轴驱动机构简化。电动机轴就主轴本身，而电动机的定子被装在主
10、轴就主轴本身，而电动机的定子被装在主轴头内。图轴头内。图4-18为内装式主轴电动机，它为内装式主轴电动机，它由三个基本部分组成：空心轴转子由三个基本部分组成：空心轴转子5、带绕、带绕组的定子组的定子2和检测器和检测器1。其中。其中3是定子，是定子，4是是转子。转子。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 图图4-18内装式主轴电动机内装式主轴电动机 第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 三、变频器三、变频器 1变频器的分类与特点变频器的分类与特点 对交流电动机实现变频调速的装置叫变对交流电动机实现变频调速的装置叫变频器，其功能是将电网电压提供的恒压恒频
11、器，其功能是将电网电压提供的恒压恒频交流电转换为变频变压交流电。变频器频交流电转换为变频变压交流电。变频器的基本分类如下的基本分类如下：第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 交交交变频器与交交变频器与交直直交变频器的交变频器的结构对比如图结构对比如图4-19所示。所示。a)为交为交-交变频器交变频器 b）为交）为交-直直-交变频器交变频器。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 图图4-20 交交-直直-交电压型变频器的主电路结构形式交电压型变频器的主电路结构形式 第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 图图4-21交交-直直-交电
12、流型变频器的主电路结构形式交电流型变频器的主电路结构形式 第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 2.2.脉宽调制型（脉宽调制型（PWMPWM）变频器）变频器 脉宽调制变频器的设计思想源于通信系统脉宽调制变频器的设计思想源于通信系统中的载波调制技术，用这种技术构成的中的载波调制技术，用这种技术构成的PWM交频器基本上解决常规阶梯波变频器中存在的交频器基本上解决常规阶梯波变频器中存在的问题，为近代交流调速开辟了新的发展领域，问题，为近代交流调速开辟了新的发展领域，目前目前PWM已成为现代变频器产品的主导设计已成为现代变频器产品的主导设计思想。图思想。图4-22是是PWM变频器
13、示意图变频器示意图 第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 图图4-22 PWM交交-直直-交变频器示意图交变频器示意图 第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 PWM型变频器的主要特点：型变频器的主要特点：(1)主电路只有一个可控制的功率环节，主电路只有一个可控制的功率环节，开关元件少，控制线路结构得以简化。开关元件少，控制线路结构得以简化。(2)整流侧使用了不可控整流器，电网功整流侧使用了不可控整流器，电网功率因数与逆变器输出电压无关而接近率因数与逆变器输出电压无关而接近1。(3)调频调压在同一环节实现，与中间储调频调压在同一环节实现，与中间储能元件
14、无关，变频器的动态响应加快。能元件无关，变频器的动态响应加快。(4)通过对通过对PWM控制方式的控制，能有控制方式的控制，能有效地抑制或消除低次谐波，实现接近正弦效地抑制或消除低次谐波，实现接近正弦形的输出交流电压波形。形的输出交流电压波形。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 3 正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制(SPWM)变频器变频器 SPWM变频器属于交变频器属于交-直直-交静止变频装置，交静止变频装置，它先将它先将50Hz交流电经整流变压器变到所需的交流电经整流变压器变到所需的电压后，经二极管不控整流和电容滤波，形成电压后，经二极管不控整流和电容滤波，形成恒定直流电压
15、，再送入常用恒定直流电压，再送入常用6个大功率晶体管个大功率晶体管构成的逆变器主电路，输出三相频率和电压均构成的逆变器主电路，输出三相频率和电压均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波（可调整的等效于正弦波的脉宽调制波（SPWM波），即可拖动三相异步电动机运转。这种变波），即可拖动三相异步电动机运转。这种变频器结构简单，电网功率因数接近于频器结构简单，电网功率因数接近于1，且不，且不受逆变器负载大小的影响，系统动态的响应快，受逆变器负载大小的影响，系统动态的响应快，输出输出波形好波形好。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 SPWM逆变器的工作原理如下所述：逆变器的工作原理如下
16、所述：（1）SPWM波形与等效正弦波波形与等效正弦波 SPWM逆变器用来产生弦脉宽调制波即逆变器用来产生弦脉宽调制波即SPWM波形。其工作原理是：把波形。其工作原理是：把1个正弦半分波个正弦半分波成成N等分，然后把每一等分的正弦曲线与横坐标等分，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轴所包围的面积都用1个与此面积相等的等高矩个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，这样可得到形脉冲来代替，这样可得到N个等高而不等宽的个等高而不等宽的脉冲序列。它对应着脉冲序列。它对应着1个正弦波的半周，对正负个正弦波的半周，对正负半周都这样处理，即可得到相应的半周都这样处理，即可得到相应的2N个脉冲，个脉
17、冲，这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制波。其波形这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制波。其波形如图如图4-23所示，所示，a）为正弦波的正半波，）为正弦波的正半波，b）为）为 等效的等效的SPWM波形。波形。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 图图4-23与正弦等效的与正弦等效的SPWM波形波形 第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统（2）产生）产生SPWM波形的原理波形的原理 SPWM波形可用计算机技术产生，波形可用计算机技术产生，即对给定的正弦波用计算机算出相应即对给定的正弦波用计算机算出相应脉冲宽度，通过控制电路输出相应波脉冲宽度，通过控制电路输出相
18、应波形，或用专门集成电路芯片产生；也形，或用专门集成电路芯片产生；也可采用模拟式电路以可采用模拟式电路以“调制调制”理论为理论为依据产生。其方法是以正弦波为调制依据产生。其方法是以正弦波为调制波，对等腰三角波为载波的信号进行波，对等腰三角波为载波的信号进行“调制调制”。调制电路仍可采用电压比。调制电路仍可采用电压比较放大器，其原理框图如图较放大器，其原理框图如图424所示。所示。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 图图424 三相三相SPWM控制电路原理框图控制电路原理框图 第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统（3 3）SPWMSPWM变频器的主要
19、电路变频器的主要电路 SPWM变频器的主电路原理及电动机线变频器的主电路原理及电动机线电压波形如图电压波形如图4-25所示。图所示。图a为原理图，其为原理图，其中中中中V1V6为为6个大功率晶体管，并各有一个大功率晶体管，并各有一个二极管与之反并联，作为续流用个二极管与之反并联，作为续流用 当逆变器工作于双极性工作方式时，可当逆变器工作于双极性工作方式时，可得到如图得到如图4-25b所示的线电压波形所示的线电压波形。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 图图4-25 SPWM变频器主电路原理与电动机线电压变频器主电路原理与电动机线电压波形波形 第四章第四章 数控机床的伺服
20、驱动系统数控机床的伺服驱动系统（4）用单片微机实现的）用单片微机实现的SPWM控制控制 为了对为了对SPWM系统具有实际的概念，图系统具有实际的概念，图4-26给出了一个以单片微机结构构成的原理给出了一个以单片微机结构构成的原理框。该电路原理简单，工作可靠，控制灵活。框。该电路原理简单，工作可靠，控制灵活。可对频率、电压实现精确计算，还可以对系可对频率、电压实现精确计算，还可以对系统运行进行监控和故障保护统运行进行监控和故障保护。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 图图4-26 4-26 单单片机控制的片机控制的SPWMSPWM原理图原理图 第四章第四章 数控机床的伺服
21、驱动系统数控机床的伺服驱动系统 思考与练习题思考与练习题4.1 4.1 简述步进电动机的分类及各自特点。简述步进电动机的分类及各自特点。4.2 4.2 简述直流伺服电动机与交流伺服电动机简述直流伺服电动机与交流伺服电动机各自的特点及应用范围。各自的特点及应用范围。4.3 4.3 简述数控机床对主轴驱动的要求及交流简述数控机床对主轴驱动的要求及交流主轴电动机发展的最新趋势。主轴电动机发展的最新趋势。4.4 4.4 简述半闭环、闭环伺服驱动系统的区别简述半闭环、闭环伺服驱动系统的区别及其在数控机床上的应用情况。及其在数控机床上的应用情况。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统
