大学精品课件：第六章 数控机床的伺服系统.ppt

1、作者：聂晓根 福州大学机械工程及自动化学院福州大学机械工程及自动化学院 Numerical Control TechnologyNumerical Control Technology E_MAIL: nxg E_MAIL: nxg 第六章第六章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 本章讲解数控机床伺服系统的概念、常用的驱动元 件的工作原理和特性（如步进电机、直流伺服电视、交 流伺服电机）位置控制系统等知识及其选择计算。同时 讲述了供给驱动元件能源和控制其工作的驱动电源的工 作原理和特点以及与计算机的接口电路。 学习目的与要求 第一节 概述 第二节 进给驱动 第三节 主轴驱动 第四节 检测元

2、件 第五节 位置控制系统 小结 内容安排: 第一节 概述 三、伺服控制系统分类 一、伺服的基本概念 1. 伺服系统的概念 2. 伺服系统的基本技术要求 3. 电气伺服系统的控制结构 二、常用伺服执行元件 1. 步进电动机 2. 直流伺服电动机 3. 交流伺服电动机 4. 直接驱动电动机 一、伺服的基本概念 .何谓伺服系统？ 伺服系统：伺服系统：就其实质就是位置调节系统。它是以机械参 数（位置、角度或速度）作为控制量的自动控制系统。 1.1 伺服系统工作过程 经过插 补运算 进给 脉冲 或进 给位 移量 指令 输入 伺 服 系 统 经变换和功 率放大驱动 机床 机械 部件 作高 精度 运动 曲

3、面 模 型 数 控 控 制 器 输入 伺服系统既是数控机床控制器与刀具、主轴间的信息传递环 节，又是能量放大与传递的环节，它的性能在很大程度上决定了 数控机床的性能，如：最高移动速度、运动精度和定位精度等。 1.2 伺服系统类型 电液伺服系统 电气伺服系统 以各种伺服电动机为驱动元件 构成全电气伺服系统。 电液伺服阀 电液脉冲马达或液压缸 位置检测元件 早期数 控机床 现代数 控机床 伺服：具有“跟随”之意。即被控电机忠实地 执行频繁变化的位置或速度指令精确地控制 机械系统运动的位移或角度。 伺服系统也称作随动系统。 定位精度系指实际值 与指令值的最大差值 .伺服系统的基本技术要求 （1）精度

4、高 （2）稳定性好 （3）响应速度快 （4）调速范围宽 （5）低速大转矩 （1）精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。 数控系统的精度 定位精度 重复定位精度 轮廓加工精度 一般为0.010.001mm， 高者可达0.1um。 轮廓加工精度是综合精度，主要与驱动元件、伺服传动链和执行机构的 精度有关，与速度控制和联动坐标的协调一致控制及工件的安装有关。 一般地重复定位精度为 定位精度的两倍，脉冲 当量为取定位精度的 1/10。 高的调速精度 强的抗负载扰动能力。 即对静态、动态精 度要求都比较高 在数控加工中对速度控制的要求： 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了

5、系统的跟踪精度。 （2）稳定性好 稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短 暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。 稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。 因此，对伺服系统要求有较强的抗干扰能力，保证进给 速度均匀、平稳。 （3）快速响应 快速响应要求： 过渡过程时间要短（200ms 几ms）； 超调要小。 两者互相矛盾 要合理选择。 （4）调速范围宽RN RN=nmax/nmin （nmax和nmin指额定负载（恒功率）时的转速） 1）进给伺服系统的调速要求 进给伺服系统调速范围与伺服系统的分辨率有关。调速范围要 求在脉冲当量为0.001mm时达到024m/min。分

6、以下几种状态： 调速范围RN指生产机械要求电机能提供的最高转速nmax 和最低转速nmin之比。即： 在124000mm/min范围，即1:24000调速范围内，要求速度均 匀、稳定、无爬行、速降小。 在1mm/min以下时，具有一定的瞬时速度，而平均速度很低。 在零速时，即工作台停止运动时，要求电机有电磁转矩，以 维持定位精度，也就是说，处于伺服锁定状态。 2）主轴调速范围要求 主轴主要考虑速度控制（无位置控制环）。一般地 在1:1001000范围内（低速）为恒转矩调速； 1:10以上为恒功率调速，要有足够大的输出功率。 （5）低速大转矩 进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制； 主轴坐标的伺服控

7、制在低速时为恒转矩 控制，在高速时 为恒功率控制。 机床加工的特点是，在低速时进行重切削。 因此，要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。 输出转矩大可直接带动负载，简化机械传动机构。 对进给和主轴伺服控制的要求有所不同： M P nnn minjmax 主轴伺服电机功率转矩特性曲线 .电气伺服系统的控制结构 伺服系统为三重闭环控制： 电枢电流闭环 速度闭环 位置闭环 通过多种传 感器反馈信 号来实现 位置回路 位置反馈 速度反馈 速度回路 电流回路 部件 机械伺服 电机驱动 伺服速度 调节 D/A控制器 信号 指令 当今CNC系统多采用伺服电机的位置调节系统，下图 是其典型的电气伺服系统框图。

8、 一般的电气伺服产品中主要包括电流闭环和速度闭环控 制，而位置环则由CNC装置中的计算机进行控制。 电流反馈：采用取样电阻、霍尔集成电路传感器等。 速度反馈：采用测速发电机、光电编码器、旋转变压器等。 位置反馈：采用光电编码器、旋转变压器、光栅等。 CNC位置调节系统原理：位置调节系统原理：将位置指令信号(输入给定值)和位置反 馈信号(实际输出值)进行比较，产生跟随误差信号跟随误差信号。系统通过 控制器自动调节消除偏差，直至输出等于输入。随着给定运动 轨迹的变化，输入指令信号不断改变，调节系统不断地进行调 节，使系统输出跟踪给定的运动轨迹。可见，位置调节系统的 工作过程就是一个偏差不断出现又不

9、断消除的过程。 伺服系统分类 位置回路 位置反馈 按有无位置环 开环 闭环 半闭环 全闭环 按位置检测的不同 速度反馈 速度回路 电流回路 部件 机械伺服 电机驱动 伺服速度 调节 D/A控制器 信号 指令 半 闭 环 全 闭 环 高性能交流伺服系统通常具有电流、速度和位置反馈三闭环结构 其中： 电流环和速度环为内环 位置环为外环 电流环的作用： 1、改造内环控制对象的传递函数，提高系统快速性； 2、及时抑制电流环内部的干扰； 3、限制最大电流，使系统具有足够大加速转矩的同时，并保 障系统安全。 速度环的作用：增强系统抗负载扰动的能力，抑制速度波动。 位置环是反馈的主通道，用以保证系统静态精度

10、和动态跟踪性 能 执行部件（如交、直流伺服电动机及速度检测元件） 伺服驱动器（速度、电流控制单元，功率放大器等） CNC中的位置(运动）控制器 从器件上来说，电气伺服系统包括： 三部分 它们的职能是提供切削过程中所需要的转矩和功率， 可以任意调节运转速度和准确的位置控制。 进给驱动系统：控制机床各坐标轴的切削进给运动， 主轴驱动系统：控制机床主轴的旋转运动。 数控机床的伺服驱动系统主要有: 两种 二、常用伺服执行元件 电机 动力电机 控制电机 动力电机作为动力使用，其主要任 务是能量转换；主要要求是如何提 高能量转换效率。如异步电动机、 直流电动机等。 控制电机的主要功能是转换和传递信号， 能

11、量转换是次要的；主要要求是运行可靠、 动作灵敏、准确度高。此外重量轻、体积 小、耗电少等。如步进机、伺服机。 常用的伺服执行元件 步进电动机 直流伺服电动机 交流伺服电动机 直接驱动电动机 永磁式（PM） 反应式（VR） 混合式（HB） 按结构 同步交流电机 感应式交流电机 按结构 永磁式 励磁式 永磁式 励磁式 按结构 对伺服电动机的要求: 运转平稳：电动机进给速度范围内能平滑运转，转矩 波动小,低速（0.1r/min以下时）无爬行。 承载能力强：电动机应具有大的、较长时间的过载能力， 以满足低速大转矩的要求。如，电动机能在数分钟内过载46 倍而不损坏。 响应速度快：根据控制信号的变化，电动

12、机应能在较短 时间内完成必须的动作。电动机应具有较小的转动惯量和大的 堵转转矩，尽可能小的电动机时间常数和起动电压。有4000 rad/s2以上的加速度，才能保证电动机在0.2s以内从静止起动到 1500r/min。 能频繁起停及正反转：电动机应能承受频繁的起动、 制动和反转。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。即： 当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定 的方向转动一个固定的角度。 1、步进电动机 1.1 步进电动机的实现控制的方法 通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而 达到准确定位的目的； 位置控制： 速度控制： 方向控制： 通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度

13、 和加速度，从而达到调速的目的。 通过改变线圈通电的顺序来实现电机转动 方向的控制。 1、步进电动机 1.2 步进电动机的分类 反应式（VR） 永磁式（PM） 混合式（HB） 反应式步进驱动电机的转子无绕组，由 被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进 运行。 一般为三相，可实现大转矩输出，步 进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。 在欧美等发达国家80年代已被淘汰； 永磁式步进一般为两相，转矩和体积较 小，步进角大，一般为7.5度 或15度，启 动频率低，控制功率小，内阻尼力矩强； 混合式步进驱动电机混合了永磁式和反应 式的优点。电机的转子用永久磁钢，由励磁 和永磁产生的电磁力矩实现步进运行。

14、 常用两相和五相：两相步进角一般为 1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步 进电机的应用最为广泛。 区别在于转子有无磁 性或线圈。基本的工 作原理相同 步进电机的应用： 步进机的应用非常广泛。如：在经济型数控 机床、自动绘图仪等设备中都得到应用。 1.3 步进电动机的结构和工作原理 （1）反应式步进电机工作原理 反应式步进电机又称作磁阻步进电机。反应式电机 的转子本身没有磁性，只是依靠转子上两个正交方向磁 阻的不同而产生转矩（称作反应转矩）。 N S T T 横轴 直轴 转子 如图，转子为凸极式，凸极转 子可看成具有两个方向。 直轴方向 沿凸极转子方向 横轴方向 与凸极转子方向正交 产

15、生反应转矩的条件：转子上正交的 两个方向具有不同的磁阻。凸极转子具备 这个条件，圆柱转子不具备这个条件。 当旋转磁场的轴线与转子直轴方向一致时，磁通所通过的路 径的磁阻最小，与转子横轴方向一致时，磁阻最大。磁通具有类 似于弹簧的性质，它力图将转子直轴方向与定子磁极方向一致， 达到磁阻最小的位置。磁通的收缩使转子产生力矩并旋转。 (2) 反应式步进电机结构 步进机主要由两部分构成：定子和转子。 定子定子 转子转子 定子绕组定子绕组 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组 成一相。 注意：这里的相和三相交流电中的“相”的概念 不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图 的联接和组数的区别。

16、 A B C 定子定子 转子转子 IA IB IC (3) 工作方式 步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、 三相双三拍等。 1)1)三相单三拍三相单三拍 三相绕组中的通电顺序为： A 相相 B 相相 C 相相 通电顺序也可以为：通电顺序也可以为： A 相相 C 相相 B 相相 三相绕组联接方式：Y 型 A B C 定子定子 转子转子 三相单三拍工作过程三相单三拍工作过程 A A 相通电使转子相通电使转子1 1、3 3齿和齿和 AA 对齐。对齐。 子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转子、定子的 齿对齐停止转动。 A 相通电，A 方向的磁通经转 子形成闭合回路。若转子和 磁场轴

17、线方向原有一定角度， 则在磁场的作用下，转子被 磁化，吸引转子，使转 C A B B C A 3 4 1 2 因此，因此，B相通电，转子相通电，转子2、4齿和齿和B相轴线对相轴线对 齐，相对齐，相对A相通电位置转相通电位置转30 ；C相通电再转相通电再转30 。 C A B B C A 3 4 1 2 C A B B C A B相通电 C C A B B A C相通电 A相通电 这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而 且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。 三相单三拍的特点：三相单三拍的特点： 每来一个电脉冲，转子转过 30。此角称为步距角，用S 表示。 转子的旋转方向取决

18、于三相线圈通电的顺序，改变通电顺 序即可改变转向。 2 2）三相单双六拍）三相单双六拍 三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。 工作过程： A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿和齿和A相对齐。相对齐。 C A B B C A 3 4 1 2 所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了15。 （1）BB 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使转子顺时 针方向转动。 A、B相同时通电 （2）AA 磁场继续对1、3齿有拉力。 C A B B C A A、B相同时通电 C A B B C A 3 4 1 2 A相通电 A通电 总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以

19、称为三 相六拍，步距角为15。 B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。 C A B B C A A、B相同时通电 C A B B C A B相通电 3 3）三相双三拍）三相双三拍 三相绕组的通电顺序为： AB BC CA AB 共三拍。 AB通电通电 C A B B C A C A B B C A BC通电通电 CA通电通电 C A B B C A 工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是 转30，即 S = 30。 以上三种工作方式，三相双三拍和三相以上三种工作方式，三相双三拍和三相 单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。 （4）

20、小步距角的步进电动机小步距角的步进电动机 实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5度，步 距角越小，机加工的精度越高。 为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子 40个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁极上也有五个齿。 转子的齿距等于360/ 40=9 ，齿宽、齿槽各4.5 。 为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿， 齿宽和齿槽和转子相同。齿宽和齿槽和转子相同。 工作原理：假设是单三拍通电工作方式。 （1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 120/9 = 齿 A 相和 C 相差240，含240

21、/ 9 = 个 齿。 3 1 13 3 2 26 所以，A 相的转子、定子的五个小齿对 齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、 定子相差 1/3 个齿（3），C相的转子、定 子相差2/3个齿（6）。 为直观起见，将定子转子展开： 定子与转子相邻两齿轴线间的距离为齿距以T表示， 则A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3T，C与齿3向右错 开2/3T，A与齿5相对齐，（A就是A，齿5就是齿1） 定子 转子 工作原理 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对 齐，（转子不受任何力）。 如B相通电，A，C相不通电时，为保持磁路磁阻最小，齿2应 与B对齐，此时转子向右移过1/3T，此时

22、齿3与C偏移为1/3T。 如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又 向右移过1/3T，此时齿4与A偏移为1/3T对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过 1/3T 。 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即 齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距， 如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步 （每脉冲）1/3T 向右旋转。如按A，C，B，A通 电，电机就反转。 若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲， 转子只转 1.5 。 步进电机的转动方向仍由相序决定。 同理，C 相通电再转3 （2）A 相断电、B 相通电后，转子只需转过1/3个 齿（3

23、），使 B 相转子、定子对齐。 转速 （5）步进电机的主要性能指标：步进电机的主要性能指标： 步距角 如：Zr=40 , m=3 时 3 340 360 S mZ r S 360 步距角的计算 步进电机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角。 1）步距角（ 用s或b表示） m:一个周期的运行拍数 Zr：转子齿数 其中： 又如：Zr=50 , m=10 时 72. 0 1050 360 S 步距角与脉冲当量的匹配： 工作台 工件 丝杠螺距T 位置检测器 数控装置 Z2 Z1 步进电动机 脉冲当量p 变比i s= 360 p T i 如：p=0.01mm，T10mm， s0.72 试确定i i=

24、Z1 / Z2 i= 360 0 .01 0.72 10 1 2 其中： f 电脉冲的频率 2） 转速 360 60 s f n 3）步进电机的矩角特性 以单相通电来说明： 定子 转子 te e 定子、转子齿的相对位置 用电弧度表示的 齿距角 te=2 失调角 e 表示转子齿中心偏离与其最 靠近的定子轴中心的位置 转子 定子 O e转子 定子 O 定子 转子e 定子 转子e e=0 e /2 e=+ e+ 不同失调角时电机产生的转矩 此时，定、转子齿之间虽有较大的吸引力，但吸引力是垂 直于转轴方向，无圆周方向分力，故电机产生的转矩为0。 把e=0，T=0的位置称为稳定平衡位置。 若转子偏离这个

25、位置，定、转子齿之间将产生切向分力， 形成转矩，此转矩即为静态转矩。 随着e增大，电机产生的转矩也增大，当 e /2 时， 转矩最大，为逆时针方向。T为负值（顺时针为正）。 当 e+ 时，转子的位置正好处在定子齿槽中心位置，转子 受到平衡力的作用，产生的转矩也为0。 当 e+ 时，转子齿转到下一齿下，受下一齿的吸引力。此 时电机产生的转矩为顺时针方向，为正值。 根据以上分析，可推得步进电机产生的静态转矩T随失 调角e的变化规律。 稳定平衡点 T e + - /2 - /2 Tjmax 把Tf(e) 的曲线称作步进电机的矩角特性。 步进电机所具有的矩角特性是其运行时转子产生振荡 的根本原因。 问

26、题：问题：如何克服步进电机在低速运转时的振动和噪声? 答：答：步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可 采用以下方案来克服： A.如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动 避开共振区； B.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法； C.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机； D.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本 较高； E.在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构 改变较大。 F.电机的相电流设置过大，此时需通过驱动器将电流值设置为适 配值。 4） 最大静转矩Tjmax 最大静转矩是指步进电机在规定的通电相数下

27、矩角特性 上的转矩最大值。 绕组电流越大，最大静转矩也越大。 I Tjmax 最大静转矩与绕组电流的关系 通常技术数据中所指的最 大静转矩指的是每相绕组通上 额定电流时所得到的值。 负载转矩TL与最大静转矩Tjmax的关系： 通常取： TL（0.30.5）Tjmax 按最大静转矩的大小可将步进电机分为： 伺服步进电机 功率步进电机 功率步进电机的最大静 转矩一般大于5N M，可 直接带动负载，并简化系 统结构。 5） 启动频率fq和启动矩频特性 启动频率也称突调频率，在一定负载转矩下，电机正常启 动时（不丢步、不失步）所能加的最高控制频率。它是衡量步 进电机快速性能的主要指标。 启动时，电机除

28、要克服负载转矩外，还要克服转动部分的 惯性矩J d2/dt2（J是电机和负载的总惯量），故启动频率较运 行频率低很多。 启动频率fq随负载TL下降的关系称为启动矩频特性。 TL fq 提高启动频率的措施： 增大电机转矩； 减少电机和负载的惯量； 增加电机运行的拍数，使矩角特性移 动速度减慢； 6） 运行频率fy和运行矩频特性 步进电机启动后，控制脉冲频率连续上升而维持不失步的 最高频率，称为运行频率。 运行频率与负载有关，两者的关系称为运行矩频特性。 T i T i T 频率提高步进电机承载 能力下降的主要原因：电感 具有延缓电流变化的特性。 由于电感的作用绕组的 电流不会立即上升到规定的 值

29、，而是按指数规律上升。 频率较低时，周期T 较长，电流i的波形接近 理想的波形 T i f 、i 、T f 、 i 、 T 所以，频率升高，步进电机的输出功率和输出转矩下降。 各类型的驱动电源这两 者基本上是相同的 （6） 步进电机电源及其分配方式对电机性能的影响 步进电机由专门的驱动电源供电，其运行性能受驱动电 源的影响很大，是电机和驱动电源的综合表现。 驱动电源的基本组成 变频信号源 脉冲（环形）分配器 脉冲功率放大器 变频 信号源 脉冲 分配器 脉冲功率放大器 步进 电机 指令 脉冲输入 脉冲功率放大器 脉冲功率放大器 步进电机驱动电源方框图 变频信号源是一个脉冲信号发生器。它能产生数十

30、 赫兹到几万赫兹的连续可变的脉冲信号。 脉冲分配器是由门电路和双稳态触发器组成的逻辑 电路，它根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到放 大器上，使步进电机按一定的方式运行。 脉冲分配器输出的电流只有几个毫安，需通过脉冲 功率放大器放大到几个到几十个安培才能驱动步进电机 运行。 功率放大器的种类很多，对步进电机的性能影响各不相 同，驱动电源的分类就是根据功率放大器的形式进行的。 电流放大 +U R V 一相绕组 步进电机 R V 信号电压 （来自分配器） Uka f2 2 f1 1 i 1） 单一电压型电源 这种电路中 的电流按指数规 律上升或下降。 上升时间为： R L Tu 绕组电感 通电回

31、路总电阻 包括：Rf1绕组和 三极管内阻 R L Td 下降时间为： 绕组电感 放电回路总电阻 包括：Rf2绕组和 二极管内阻 电流放大 +U R V 一相绕组 步进电机 R V 信号电压 （来自分配器） Uka f2 2 f1 1 i 单一电压型电源的特性 单一电压型电源中， 步进电机的一相绕组与Rf1 和V1串联，流经它们的电 流相同。 R L Tu但由 可知： 方法1：则应i=Rf1, 要提高转矩 要Rf1 ，T 将，电流波形变形 严重，转矩难以提高。 方法2：同时U和Rf1, U = i Rf1 = 电机动态性能 这时，Rf1 上消耗的无功功 率,由于发热严重，电源需增设 散热装置。

32、因此，单一电压型电源只适用于小功率或性能指标 要求不高的场合。 2） 高低压切换型电源 3 f2 ka U 控制信号 V 步进电机 一相绕组 R 控制回路 低 压 R V f1 2 +U V1 控制回路 （高压） 1 2 （低压）+U V4 高 压 当分配器输出控制信号Uka要求绕组通电时，三极管V1、 V2都导通，二极管V3受反向电压而处于截止状态，低压不对绕 组起作用，绕组电流在高压作用下迅速上升；当达到或稍超过 额定稳定电流时，利用定时电路或电流检测反馈等措施使V1基 极上的信号消失，V1截止，V2仍导通，绕组转为低压供电，使 绕组电流限制在额定稳态电流值。 高低压电源的电压和电流波形图

33、 U2 1 U t t (12)Iw w I 当分配器输出控制信号Uka消失时，V2基极上的信号也消 失，V2处于截止状态，绕组中电流经二极管V4和Rf2向高压电源 放电，电流迅速下降。这种电源中，绕组上只需串联一个很小 （0.10.5）的电阻，所以电源功耗小，电机的矩频特性好，电 机的启动和运行频率都得到很大的提高。 3） 细分电路 细分电路就是把步进电机的步进角减少，把原来的一步细 分成若干（如10步），这样步进电机的运动近似地变为均匀运 动，并使之可以在更精确的位置停步。 一般使用步进电机的脉冲当量为0.01mm/pulse左右，若要 获得更高精度（如 0.001mm/pulse），这就

34、需要成10倍地减少 步进电机的步进角。但电机步距角受到电机制造工业的影响而 难以做到，这时采用细分电路可予解决。 为实现细分驱动目的，步进电机绕组采用阶梯电流波供电。 i 与一般的从0突调到额定值，又从 额定值调至0的通电方式相比，步距角 缩小至1/10，电机运行平稳，还可消除 低频段运行时产生的振动和噪声等。 （2）永磁式步进电动机（PM） 永磁式（Permanent Magnet)步进电动机是转子或定子的 某一方具有永久磁钢的步进电动机，另一方是由软磁材料制 成。绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互 作用产生转矩。 结构原理：定子上为两相或多相 绕组，转子为一极或多对极的星形磁

35、 钢，转子磁钢的级数与定子（每相） 绕组的极数相同。当定子绕组按AB A的次序轮流通电时，转子将按 顺时针的方向，每改变一次通电状态 转过45 空间角度，即步距角为45 。 永磁式步进电动机结构原理 步矩角大，一般为15 、22.5 、30 、45 、90 等。这是因为 在一个圆周上能形成的磁极数受到极弧尺寸的限制，所以永磁 式步进电动机的步矩角不能太小，5 以下的很少见。 永磁式步进电动机的特点 内阻尼较大，单步振荡时间短。 控制功率小，效率高。 断电后具有一定的定位转矩。 mp S 2 360 永磁式步距角的计算 m 相数 转子极对数 mZ r S 360 反应式步距角的计算 （3）混合（

36、永磁感应）式步进电动机（HB） 定子铁心与反应式步进电机相同，即：定子分成若干大极， 每极上分成若干小齿并有控制线圈； 混合式步进电动机的结构特点： 定子控制绕组与永磁式步进电机相同，也是两相集中绕组， 每相为两对极； 转子的结构与反应式 步进电机类似，有很多 小齿，齿距与定子小齿 齿距相同。 其结构它好象是 反应式和永磁式步进 电动机的结合。所以 常称此类电动机为混 合式（hybrid)步进电 动机。 转子由环形磁钢及两段铁心组成，环形磁钢在转子的 中部，轴向充磁，两段铁心分别装在磁钢的两端，转子铁 心上也有小齿，但两段铁心上的小齿相互错开半个齿距， 定、转子小齿的齿距相同。 A-A B-B

37、 A B A B 转子磁钢冲磁后，一端为N极，一端为S极。 N极 S极 当定子A相通电时，定子1-3-5-7极上的极性为N-S-N-S（由 绕组绕线决定），此时，定子磁极1，5与转子在B端的齿对齐， 在A端则与转子槽对齐，而定子磁极3，7与转子在A端的齿及B 端的槽对齐，同时，B相（2-4-6-8）4个极上的齿均与转子上的 齿错开1/4齿； 定子1，5齿与转子在B端的齿对齐，在A端则与转子槽对齐 R S mZ2 360 混合式步距角的计算 m 相数 ZR 转子齿数 混合式步进电动机代表了步进电动机的最新发展。 混合式步进电动机的特点 步距角小，启动频率高； 控制功率小（对航空设备特别重要）；

38、转子铁心分成两端，结构、工艺复杂。 mZ r S 360 反应式步距角的计算 图示步进电机结构图示步进电机结构 电机轴结构： 电机轴与组件的联接无键联接 步进驱动单元一般用于经济型数控系统（开环 数控系统），具有结构简单、造价低、维修调试方 便、运行维护费用低等优点，但步进电机的效率低， 拖动负载的能力不大，脉冲当量不能太大，调速范 围不大。受步进电机矩频特性及精度、进给速度、 力矩三者之间相互制约，性能的提高受到限制。 分析：做绣花机用步进电机比用伺服电机绣出分析：做绣花机用步进电机比用伺服电机绣出 来的效果要好很多。来的效果要好很多。 一般地，伺服比步进控制要好。 混合式步进电机有与生俱来

39、的良好的电磁阻尼特 性，不似伺服般要在“高增益/高响应”与“超调/过冲” 之间妥协周旋。 1、直流电机的构造直流电机的构造 2、直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理 3、 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 5、并励电动机的起动与反转、并励电动机的起动与反转 4、并励并励(他励他励)电动机的调速电动机的调速 二、直流伺服电动机二、直流伺服电动机 6、直流伺服电动机的控制方法直流伺服电动机的控制方法 1、直流伺服电机的构造、直流伺服电机的构造 直流伺服电动机的基本结构、工作原理及其内部电磁关 系和一般直流电动机相同。 N S N S 极掌极掌 极心极心 励磁绕组励磁绕组 机座机座

40、转子转子 直流电动机的磁极和磁路直流电动机的磁极和磁路 直流电机由定 子(磁极)、转子 (电枢)和机座等 部分构成。 1） 转子(电枢) 由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。 电枢铁心：由硅钢片叠装而成。 电枢绕组：单个绕组元件组成。 2）磁极 励磁: 磁极上的线圈通以电流产生磁通，称为励磁。 用来在电机中产生磁场。 磁极结构： 永磁式: 由永久磁铁做成 励磁式: 磁极上绕线圈，线圈中通过直流电，形成电磁场 N S N S 磁极 励磁绕组 转子 Ua a U 永磁式 励磁式 他励电动机 并励电动机 串励电动机 复励电动机 直流电机按 照励磁方式 1. 他励电动机 励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流

41、电源供电。 2. 并励电动机 励磁绕组和电枢绕组并联，由一个直流电源供电。 U Uf Ia M + _ + _ If f R st R 他励 Ia U M + _ If f R st R + _ I E 并励 4. 复励电动机复励电动机 励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同 一电源上。一电源上。 3. 串励电动机串励电动机 励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。 串励串励 U Ia + _ If M 复励复励 U + _ I M Ia 2、直流电机的基本工作原理、直流电机的基本工作原理 I U + S b N a

42、 c d 直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如图 所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是 S极有效边的电流方向向里, N极有效边的电流方向向外。电动 机电枢绕组通电后受力(左手定则)按顺时针方向旋转。 U + U + 电刷电刷 换向片换向片 U + I F F T n 换向器作用： 将外部直流电 转换成内部的 直流电，以保 持转矩方向不 变。 F = i l B DFT U + E E T n S b N d F F a c I I 换向片换向片 电刷电刷 线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势。由右 手定则，感应电动势的方向与电流的方向相反。 CE : 与电机结

43、构有关的常数 n : 电动机转速 ： 磁通 1. 电枢感应电动势 E=CE n 感应电动势E 与转速成 正比，与电枢电流或外加电 压方向总是相反，所以称反 电势。 aa aa RInC RIEU E 式中：U 外加电压 Ra 绕组电阻 2. 电枢回路电压平衡式 Ra Ia E + + U M a E a R nCU R EU I a 由此求出电枢电流 电枢电流不仅取决于外加电压和本身的电阻，还与转速有关。 a 转矩M 承载能力下降 由此还可求出转速 E a C RIU n a CT : 与电机结构有关的常数 : 线圈所处位置的磁通 Ia：电枢绕组中的电流 3. 电磁转矩和电磁转矩和转矩平衡关系

44、转矩平衡关系 单位: (韦伯)，Ia (安) ，T (牛顿米) 直流电动机电枢绕组中的电流 (电枢电流Ia)与磁通相互作用，产 生电磁力和电磁转矩，直流电机的 电磁转矩公式为 T = CT Ia 1) 电磁转矩 22 D liNB D FT api Bp平均磁通密度 l导体在磁场中的长度 ia导体电流 D电枢直径 每极总磁通 极距 Ia电枢总电流 a并联支路对数 )2/( )2/( )/( aIi pD lB aa p a a I a pN D a I l Dl p NT 2 22 2 2) 转矩平衡关系 电动机的电磁转矩T为驱动转矩, 它使电枢转动。在电机 匀速运行（稳态）时，电磁转矩必须和

45、机械负载转矩及空载损 耗转矩相平衡，即: L TTTT 02 T2 : 电机输出转矩 T : 电磁转矩 T0: 空载转矩（电机本身的阻转矩） TL : 机械负载转矩 当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动机转速、 电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动调整，以适应负载 的变化，保持新的平衡。 转矩平衡过程 例：例： 设外加电枢电压 U 一定，TL=T2 (平衡)，此时， 若TL 突然增加，则调整过程为: 达到新的平衡点(Ia 、 P入) 。 TL n Ia T E nCE E a a R EU I a ICT T 转矩动态平衡关系 L TTTT 02 转矩稳态时平衡关系 当电机速度变化时，

46、由于电机及负载具有转动惯量，将 产生惯性转矩Tj dt d JTj dt d JTTTT LjL 2 因此，转矩动态平衡关系 J电机和负载转动部分的惯量 d/dt电机加速度 T2TL时，电机加速 T2 T T nCE E a ICT T (1)调速平滑，可得到无级调速；但只能向上调，受机械本身强度 所限，n不能太高。 (2)属恒功率调速。 P=Ua Ia (3) 机械特性较硬，稳定性较好。 (4) 对专门生产的调磁电动机,其调速幅度可达, 例如:5302120 r/min及3101240 r/min 。 (5) 调速设备简单，经济，电流小，便于控制。 减小减小 调速的特点：调速的特点： (1)

47、 若调速后 Ia 保持不变，电动机在高速运转时其负载转矩必 须减小。 (2) 这种调速方法只适用于恒功率调速(如用于切削机床)。 使用调磁调速时应注意： 3）电枢回路串电阻调速（改变Ia） 电枢中串入电阻,使 n0不变 ，在相同力矩下,n ，即电机 的特性曲线变陡(斜率变大)。 特性曲线如图。 Ra n n0 T nnT CC R C U n ETE 0 2 a 电枢回路串电阻调速需在电枢中 串入专用电阻，电阻增大则转速下降 ，因此 n 只能下调。 特点： (1) 设备简单，操作方便。 (2)机械特性软，稳定性差。 (3)能量损耗大，只用于小型直流机。 Ra + R 电电 阻阻 增增 大大 U Uf Ia M + _ + _ If f R st R 他励 5、并励电动机的起动与反转、并励电动机的起动与反转 1、起动 直流电动机不允许在额定电压UN下直接起动。 Iast太大会使换向器产生严重的火花,烧坏换向器； aN a N ast )2010(I R U I 起动