1、1第第7 7章章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 主要内容2主要内容数控机床数控机床伺服系统伺服系统是以机床移动部件的是以机床移动部件的位置和速度位置和速度为为控制量的自动控制系统。控制量的自动控制系统。7.1 概述概述伺服系统的作用伺服系统的作用:接受接受CNC装置装置发出的插补结果发出的插补结果(指令脉冲等指令脉冲等)，作一定的，作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、步转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。部件实现工作进给或快速
2、运动。数控机床的数控机床的“大脑大脑”数控机床的数控机床的“四肢四肢”，是执行，是执行“命令命令”的机构，它是的机构，它是一个不折不扣的跟随者。一个不折不扣的跟随者。3一、数控机床伺服系统的定义一、数控机床伺服系统的定义二、数控机床伺服系统的分类二、数控机床伺服系统的分类三、数控机床对伺服系统的要求三、数控机床对伺服系统的要求4一、数控机床伺服系统的定义一、数控机床伺服系统的定义 是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。CNC装置是数控机床的装置是数控机床的“大脑大脑”，“指挥机构指挥机构”伺服系统是数控机床的伺服系统是数控机床的“四
3、肢四肢”，“执行机构执行机构”。检测装置：感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码器等。检测装置：感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码器等。驱动电机：步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。驱动电机：步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。5二、数控机床伺服系统的分类二、数控机床伺服系统的分类 开环系统：开环系统：步进电机，无位置反馈，投资低，精度低步进电机，无位置反馈，投资低，精度低 闭环系统：闭环系统：直接测量实际位移进行反馈，精度高直接测量实际位移进行反馈，精度高 半闭环系统：半闭环系统：间接测量位移进行反馈，精度低于闭环间接测量位移进行反馈，精度低于闭环 进给伺服系统：控制各坐
4、标轴的切削进给运动进给伺服系统：控制各坐标轴的切削进给运动 主轴驱动伺服系统：控制主轴的旋转运动主轴驱动伺服系统：控制主轴的旋转运动 辅助伺服系统：控制刀库、料库等辅助系统的运动，多采用位置控制辅助伺服系统：控制刀库、料库等辅助系统的运动，多采用位置控制67 开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件；开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件；没有位置反馈回路和速度反馈回路；没有位置反馈回路和速度反馈回路；设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小；设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小；用于中、低档数控机床及普通机床改造。用于中、低档数控机床及普通机床改造。8 闭环伺服系统的位置检测装置安
5、装在机床的工作台上；闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上；检测装置构成闭环位置控制。检测装置构成闭环位置控制。闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。910二、数控机床伺服系统的分类二、数控机床伺服系统的分类 步进电动机驱动系统步进电动机驱动系统 直流伺服驱动系统直流伺服驱动系统 交流伺服驱动系统交流伺服驱动系统 直线电动机驱动系统直线电动机驱动系统11三、数控机床对伺服系统的要求三、数控机床对伺服系统的要求 定位准确定位准确(定位误差持别是重复定位误差要小定位误差持别是重复定位误差要小)，跟随精度高，跟随精度高(跟随误差小跟随
6、误差小)。一般定位精度要求达到一般定位精度要求达到m mm级，高的达级，高的达0.010.005 m0.010.005 mm。提高生产率和保证加工质量，一般电机升降速过渡过程，时间在提高生产率和保证加工质量，一般电机升降速过渡过程，时间在0.20.2s以下以下。另外，当负载突变时，要求速度的恢复时间短，且无振荡，这样才能得到光滑的另外，当负载突变时，要求速度的恢复时间短，且无振荡，这样才能得到光滑的加工表面。加工表面。保证在任何情况下都能得到最佳切削条件和加工质量，一般要求调速范围保证在任何情况下都能得到最佳切削条件和加工质量，一般要求调速范围：最低转速最低转速/最高转速最高转速=1/1000
7、1/10000=1/10001/10000，且通常是，且通常是无级调速无级调速。一般是在低速进行重切削，所以在低速时进给驱动要有大的转矩输出。一般是在低速进行重切削，所以在低速时进给驱动要有大的转矩输出。对环境的适应性强，性能稳定，使用寿命长。对环境的适应性强，性能稳定，使用寿命长。121313定义：是一种将电脉冲转化为角定义：是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。主要用于开环位移的执行机构。主要用于开环位置控制系统。位置控制系统。组成：由步进电动机驱动电源和组成：由步进电动机驱动电源和步进电动机组成，没有反馈环节步进电动机组成，没有反馈环节特点：特点：系统较简单，控制较容易，维修也较方便，而
8、且为全数系统较简单，控制较容易，维修也较方便，而且为全数字化控制。但由于开环系统精度不高，且步进电动机的功率和字化控制。但由于开环系统精度不高，且步进电动机的功率和速度不高，因此步进电动机驱动系统仅用于小容量、加工速度速度不高，因此步进电动机驱动系统仅用于小容量、加工速度低、脉冲当量和精度不太高的场合，如经济型数控机床和电加低、脉冲当量和精度不太高的场合，如经济型数控机床和电加工机床、计算机的打印机、绘图仪等设备。工机床、计算机的打印机、绘图仪等设备。一、步进电动机一、步进电动机14主要内容7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统151.1.步进电动机的分类步进电动机的
9、分类 按工作原理分：反应式按工作原理分：反应式(磁阻式磁阻式)、电磁式、永磁式、永磁、电磁式、永磁式、永磁 感应子式感应子式(混合式混合式)。按相数分：三相、四相、五相、六相和八相等。按相数分：三相、四相、五相、六相和八相等。按使用频率分：高频步进电动机和低频步进电动机。按使用频率分：高频步进电动机和低频步进电动机。16(1)(1)反应式步进电动机反应式步进电动机 极与极之间的夹角为极与极之间的夹角为6060，每个定子磁极上均匀分布了五个齿，每个定子磁极上均匀分布了五个齿，齿槽距相等，齿距角为，齿槽距相等，齿距角为9 9。转子铁心转子铁心上无绕组，只有均匀分布上无绕组，只有均匀分布的的4040
10、个齿，齿槽距相等，齿距角为个齿，齿槽距相等，齿距角为360360/40/409 9。单段式三相反应式步单段式三相反应式步进电动机的结构：进电动机的结构：定子铁心上有六个均定子铁心上有六个均匀分布的磁极，匀分布的磁极，沿直径相沿直径相对两个极上的线圈串联，对两个极上的线圈串联，构成一相励磁绕组。构成一相励磁绕组。特点：转子无绕组，定转子开小齿、步距小。应用最广。特点：转子无绕组，定转子开小齿、步距小。应用最广。A A B B C C 定子 转子 绕组 17AB定子定子转子转子IAIBIC1819各部分的作用：各部分的作用：数控装置：根据控制要求发出指令脉冲，每发出一个脉冲电机数控装置：根据控制要
11、求发出指令脉冲，每发出一个脉冲电机旋转一个特定的角度，即步距角旋转一个特定的角度，即步距角 环形分配：根据指令方向，依次产生步进电机的各相的通电步环形分配：根据指令方向，依次产生步进电机的各相的通电步骤，分为硬件环分、软件环分两种。骤，分为硬件环分、软件环分两种。放大电路：放大环形分配的各相指令，产生步进电机的各相的放大电路：放大环形分配的各相指令，产生步进电机的各相的驱动电流驱动电流 20 位移量的控制位移量的控制 向步进电动机送一个控制脉冲，其转轴就转过一向步进电动机送一个控制脉冲，其转轴就转过一个角度或移动一个直线位移，称为一步；脉冲数增加，角位移个角度或移动一个直线位移，称为一步；脉冲
12、数增加，角位移(或或线位移线位移)随之增加，即脉冲数决定位移量。随之增加，即脉冲数决定位移量。进给速度的控制进给速度的控制 脉冲频率高，则步进电动机的旋转速度就高，脉冲频率高，则步进电动机的旋转速度就高，反之则低，即脉冲频率决定进给速度。反之则低，即脉冲频率决定进给速度。运动方向的控制运动方向的控制 改变分配脉冲的相序，实现步进电动机的正、改变分配脉冲的相序，实现步进电动机的正、反转，从而改变运动方向。反转，从而改变运动方向。与一般交流和直流电动机所不同的是，步进电动机定子绕组所与一般交流和直流电动机所不同的是，步进电动机定子绕组所加的电源形式为脉冲电压，而不是正弦电压或者恒定直流电压加的电源
13、形式为脉冲电压，而不是正弦电压或者恒定直流电压21 按电磁吸引的原理工作的。必须抓住两点：按电磁吸引的原理工作的。必须抓住两点：磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩 各相定子齿之间彼此错齿各相定子齿之间彼此错齿1/m1/m齿距，齿距，m m为相数为相数几个概念的含义：几个概念的含义：“拍拍”-定子相绕组每改变一次定子相绕组每改变一次 通电状态，称为通电状态，称为“一拍一拍”。“单单”-指只有一相绕组通电。指只有一相绕组通电。“双双”-指有两相绕组同时通电。指有两相绕组同时通电。A A B B C C 定子 转子 绕组 3.3.反应式步进电动机
14、的工作原理反应式步进电动机的工作原理 2223(1)“(1)“单三拍单三拍”供电方式的步进电动机的工作原理供电方式的步进电动机的工作原理 第一拍：第一拍：A A相励磁绕组通电，相励磁绕组通电，B B、C C相励磁绕组断电。相励磁绕组断电。A A相定子磁相定子磁极的电磁力要使相邻转子齿与其对齐极的电磁力要使相邻转子齿与其对齐(使磁阻最小使磁阻最小)，B B相和相和C C相定相定、转子错齿分别为、转子错齿分别为1/31/3齿距齿距(3(3)和和2/32/3齿距齿距(6(6)。第二拍：第二拍：B B相绕组通电，相绕组通电，A A、C C相绕组断电。电磁反应力矩使转相绕组断电。电磁反应力矩使转子顺时针
15、方向转动子顺时针方向转动3 3，与，与B B相的定子齿对齐，此时相的定子齿对齐，此时A A、C C相的定相的定、转子齿互相错开。、转子齿互相错开。第三拍：第三拍：C C相绕组通电，相绕组通电，A A、B B相绕组断电。电磁反应相绕组断电。电磁反应力距又使转子顺时针方向力距又使转子顺时针方向转动了转动了3 3，与，与C C相定子齿相定子齿对齐，同时对齐，同时A A相、相、B B相定、相定、转子齿错开，重复通电顺转子齿错开，重复通电顺序：序：A B C A A B C A 24 单三拍步进电动机的反转单三拍步进电动机的反转 若定子绕组通电顺序为若定子绕组通电顺序为A C B AA C B A ，则
16、电动机转子就顺，则电动机转子就顺时针方向旋转起来，其步距角仍为时针方向旋转起来，其步距角仍为3 3。单三拍步进电动机的步距角单三拍步进电动机的步距角 重复单三拍的通电顺序，重复单三拍的通电顺序，A B C AA B C A ，步进电机就逆时，步进电机就逆时针方向旋转起来，对应每个指令脉冲，转子转动一固定角度针方向旋转起来，对应每个指令脉冲，转子转动一固定角度3 3(步步距角距角)。单三拍通电控制方式的缺点单三拍通电控制方式的缺点 由于每拍只有一相绕组通电，在切换瞬间可能失去自锁力矩，由于每拍只有一相绕组通电，在切换瞬间可能失去自锁力矩，容易失步。而且，只有一相绕组通电吸引转子，易在平衡位置附近
17、容易失步。而且，只有一相绕组通电吸引转子，易在平衡位置附近产生振荡。因此，单三拍通电控制方式，工作稳定性差，一般较少产生振荡。因此，单三拍通电控制方式，工作稳定性差，一般较少采用。采用。25421326421327421328421329421330421331421332421333421334421335421336421337421338 若定子绕组的通电顺序为：若定子绕组的通电顺序为：AC CB BA AC ，则步进电动机的转子就逆时针方向则步进电动机的转子就逆时针方向转动。转动。(2)(2)双三拍工作方式双三拍工作方式 采用双三拍通电控制方式，能克服单三拍工作的缺点。采用双三拍通电控
18、制方式，能克服单三拍工作的缺点。若定子绕组的通电顺序为若定子绕组的通电顺序为 AB BC CA AB AB BC CA AB ，则步进电，则步进电动机的转子就顺时针方向转动，从一个磁场最强处走到了另一个磁动机的转子就顺时针方向转动，从一个磁场最强处走到了另一个磁场最强处，故其步距角仍为场最强处，故其步距角仍为3 339 每切换一次，步进电动机就逆时针方向转动每切换一次，步进电动机就逆时针方向转动1.51.5，步距角减小，步距角减小一半。原因是：当由一半。原因是：当由A A相切换到相切换到ABAB相通电时，相通电时，A A相定子磁极力图不相定子磁极力图不让转子转动，而保持与其定子齿对齐，而让转子
19、转动，而保持与其定子齿对齐，而B B相定子磁极的电磁反应相定子磁极的电磁反应力矩也力图使其逆时针转动力矩也力图使其逆时针转动3 3，与，与B B相定子齿对齐，此时，转子齿相定子齿对齐，此时，转子齿与与A A相、相、B B相定子齿均未对齐，此位置是相定子齿均未对齐，此位置是A A相、相、B B相定子合成磁场的相定子合成磁场的最强方向，即转子顺时针方向转动最强方向，即转子顺时针方向转动1.51.5。若通电顺序为：若通电顺序为：A AC C BC B BA A A AC C BC B BA A 则步进电动则步进电动机的转子就顺时针方向运动，步距角仍为机的转子就顺时针方向运动，步距角仍为1.51.5。
20、三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半；在切换三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半；在切换时，保持一相绕组通电，工作稳定，比双三拍增大了稳定区。所以时，保持一相绕组通电，工作稳定，比双三拍增大了稳定区。所以三相步进电动机常采用这种控制方式。三相步进电动机常采用这种控制方式。(3)(3)三相六拍工作方式三相六拍工作方式 通电顺序：通电顺序：A AB B BC C CA A A AB B BC C CA A 40421341421342421343421344421345421346421347二、步进电动机主要性能指标及选择二、步进电动机主要性能指标及选择1.1.步距角步距角
21、步进电动机每步的转角称为步距角，计算公式：步进电动机每步的转角称为步距角，计算公式：式中式中 mm步进电动机相数步进电动机相数 ZZ转子齿数转子齿数 KK控制方式系数，控制方式系数，K=K=拍数拍数p/p/相数相数m m 厂家对于每种步进电动机给出厂家对于每种步进电动机给出两种步距角，两种步距角，彼此相差一倍。大彼此相差一倍。大步距角系指控制供电拍数与相数相等时的步距角；小步距角系指供步距角系指控制供电拍数与相数相等时的步距角；小步距角系指供电拍数是相数两倍时的步距角。电拍数是相数两倍时的步距角。)(360KmZ=48主要内容7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 例
22、如：转子例如：转子40个齿个齿，定子仍是，定子仍是 3对磁极，三相六拍。问对磁极，三相六拍。问步距角是多少？步距角是多少？=5.1234036049步距角的选择：步距角的选择：根据总体方案要求，综合考虑，通过下式进行：根据总体方案要求，综合考虑，通过下式进行：式中式中 脉冲当量脉冲当量 SS丝杠螺距丝杠螺距(mm)(mm)步距角步距角 i电动机与丝杠间的齿轮传动减速比电动机与丝杠间的齿轮传动减速比 如果步进电动机的步距角如果步进电动机的步距角 和丝杠螺距和丝杠螺距S(S(基本导程基本导程)不能满足脉冲不能满足脉冲当量当量 的要求时，应在步进电动机与丝杠之间加入齿轮传动，用减的要求时，应在步进电
23、动机与丝杠之间加入齿轮传动，用减速比来满足速比来满足 的要求。的要求。)/(360脉冲mmiS=501 2 2z1z s已知：已知：10.75=mms8=mm01.0=求：传动比求：传动比?/21=zzi解一：解一：1221zz=1212zz=又又6.075.0801.036036000121=szz取取211=z352=z3602as=211360zazs=511 2 2z1z s已知：已知：75.01=mms8=mm01.0=求：传动比求：传动比?/21=zzi解二：解二：3545.075.0002112=zz取取211=z352=z20:360:=s000245.0801.0360360
24、=s 于是：于是：522.2.最大静转距最大静转距 T Tjmaxjmax(NmNm)静态：静态：当步进电动机不改变通电状态时，转子处在不动状态当步进电动机不改变通电状态时，转子处在不动状态 静态转距：静态转距：如果在电动机轴上外加一个负载转距，使转子转过如果在电动机轴上外加一个负载转距，使转子转过一个角度一个角度 e e，这时转子受的电磁转距，这时转子受的电磁转距T T。矩角特性：矩角特性：描述静态时电磁转距描述静态时电磁转距T T与与 e e之间的关系曲线。之间的关系曲线。在静态稳定区内，当外加转距去除时，转子在电磁转距作用下在静态稳定区内，当外加转距去除时，转子在电磁转距作用下，仍能回到
25、稳定平衡点位置，仍能回到稳定平衡点位置(e e0)0)。/20-/2静稳定区静稳定区不稳定平衡点不稳定平衡点稳定平衡点稳定平衡点不稳定平衡点不稳定平衡点TeTjmax负载转矩负载转矩T TF F 应满足应满足 T TF F =（0.20.40.20.4）T Tjmaxjmax 533.3.空载起动频率空载起动频率fqfq （步（步/s/s）空载时步进电动机由静止突然起动，进入空载时步进电动机由静止突然起动，进入不丢步不丢步的正常运的正常运行的行的最高频率最高频率。是衡量步进电动机快速性能的重要技术数据。是衡量步进电动机快速性能的重要技术数据。对于提高生产率和系统的快速性具有重要意义。对于提高生
26、产率和系统的快速性具有重要意义。fqfq 应能满足机床工作台最高运行速度。应能满足机床工作台最高运行速度。步进电动机步进电动机起动频率要比连续运行频率低得多起动频率要比连续运行频率低得多，带负载的带负载的起动频率比空载的起动频率要低起动频率比空载的起动频率要低。这是因为步进电动机起动时。这是因为步进电动机起动时，既要克服负载力矩，又要克服运转部分的惯性矩，电动机的，既要克服负载力矩，又要克服运转部分的惯性矩，电动机的负担比连续运转时重。负担比连续运转时重。54Tf4.4.起动矩频特性起动矩频特性 描述步进电动机描述步进电动机起动频率与负载力矩起动频率与负载力矩的关系曲线。的关系曲线。当步进电动
27、机带着一定的负载转距起动时，作用在电动机轴上当步进电动机带着一定的负载转距起动时，作用在电动机轴上的加速转矩为电磁转矩与负载转矩之差。负载转矩越大，加速转的加速转矩为电磁转矩与负载转矩之差。负载转矩越大，加速转矩就越小，电动机就不易转起来。因此，其起动频率随着负载的矩就越小，电动机就不易转起来。因此，其起动频率随着负载的增加而下降。增加而下降。55Tf5.5.运行矩频特性运行矩频特性 运行矩频特性运行矩频特性T Tf(Ff(F)是描述步是描述步进进电动机连续稳定运行电动机连续稳定运行时，输出转矩时，输出转矩T T与连续运行频率之间的关系。它是与连续运行频率之间的关系。它是衡量步进电动机运转时承
28、载能力的衡量步进电动机运转时承载能力的动态性能指标。由图可知，输出转动态性能指标。由图可知，输出转矩矩T T的基本趋势是随连续运行频率的的基本趋势是随连续运行频率的增大而降低。增大而降低。56三、步进电机及其驱动控制系统三、步进电机及其驱动控制系统步进电机的驱动控制由步进电机的驱动控制由环形分配器和功率放大器环形分配器和功率放大器组成。组成。环环形形分分配配器器功功率率放放大大器器ABC57主要内容环形分配器的主要功能：环形分配器的主要功能：将数控装置送来的将数控装置送来的一串指令脉冲一串指令脉冲，按步进电机所要求的，按步进电机所要求的通电顺序分配给步进电机驱动电源的通电顺序分配给步进电机驱动
29、电源的各相输入端各相输入端，以控，以控制励磁绕组的通断，实现步进电机的运行及换向。制励磁绕组的通断，实现步进电机的运行及换向。环形分配的功能可由硬件或软件的方法来实现，分别称环形分配的功能可由硬件或软件的方法来实现，分别称为硬件环形分配器和软件环形分配器。为硬件环形分配器和软件环形分配器。58主要内容可由可由D触发器或触发器或JK触发器构成，亦可用专用集成芯片或触发器构成，亦可用专用集成芯片或通用可编程逻辑器件。通用可编程逻辑器件。CNC装置电源环形分配器A相驱动B相驱动C相驱动FULL/HALFDIRCLKM7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统硬件环形分配驱动与数
30、控装置的连接硬件环形分配驱动与数控装置的连接方向控制信号方向控制信号硬件环形分配器硬件环形分配器59 三相六拍环形分配器真值表三相六拍环形分配器真值表 出接口输出的出接口输出的A A、B B、C C的值是的值是100100，则对于下一个正向进给脉，则对于下一个正向进给脉冲指令，控制输出接口输出的值冲指令，控制输出接口输出的值是是110110，再下一个正向进给脉冲，再下一个正向进给脉冲，应是应是010010，而使步进电机正向地，而使步进电机正向地旋转起来。实现较为简单，灵活旋转起来。实现较为简单，灵活方便。方便。60主要内容作用：作用：是将环形分配器或微处理机送来的是将环形分配器或微处理机送来的
31、弱电信号变为强弱电信号变为强电信号电信号，以得到步进电机控制绕组所需要的，以得到步进电机控制绕组所需要的脉冲电流及所脉冲电流及所需要的脉冲波形需要的脉冲波形。功率放大电功率放大电路路步进电机有几相，就需要几组功率放大电路。步进电机有几相，就需要几组功率放大电路。616262 特点特点 小惯量直流伺服电动机小惯量直流伺服电动机 惯量小惯量小，响应速度快，但过载能力低，响应速度快，但过载能力低 永磁直流伺服电动机转矩大，惯量大，稳定性好，调速范围永磁直流伺服电动机转矩大，惯量大，稳定性好，调速范围宽。宽。有电刷，限制速度的提高（有电刷，限制速度的提高（10001500r/min）。）。632.直流
32、伺服电动机的工作原理与调速方法直流伺服电动机的工作原理与调速方法 (1)工作原理工作原理 与一般直流电动机的工作原理相同，是建立在电与一般直流电动机的工作原理相同，是建立在电磁力和磁力和电磁感应电磁感应基础上的。基础上的。如图（如图（a）所示，直流电流从）所示，直流电流从电刷电刷 A 流入，经过线圈流入，经过线圈abcd，从，从电刷电刷 B 流出，载流导体流出，载流导体ab和和cd受到电磁力的作用，使得转子逆时受到电磁力的作用，使得转子逆时针转动。针转动。当转子转到如图（当转子转到如图（b）所示的位置，电刷）所示的位置，电刷 A 和换向片和换向片2接触，接触，电刷电刷 B 和换向片和换向片1接
33、触，直流电流从电刷接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中流动流入，在线圈中流动方向是方向是dcba，从电刷，从电刷 B 流出。流出。外加的电源是直流的，外加的电源是直流的，但由于但由于电刷和换向片电刷和换向片的作的作用，在线圈中流过的电流用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的是交流的，其产生的转矩转矩的的方向方向却是不变的。却是不变的。64(2)直流伺服电机的速度控制原理直流伺服电机的速度控制原理 MEaUuf 他励直流电动机他励直流电动机 转子回路的电势平衡方程：转子回路的电势平衡方程：U Ea+Ra Ia式中式中 Ra转子回路电阻转子回路电阻()Ia转子回路电流转子回路电流(A)感应电
34、动势感应电动势Ea可由下式求得可由下式求得 EaCe n 式中式中 Ce电机械常数电机械常数 励磁磁通励磁磁通(Wb)n电动机转速电动机转速(r/min)TeCt Ia65电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩Te(Nm)为为 TeCT Ia 式中式中 CT转矩系数，是电动机的结构常数。转矩系数，是电动机的结构常数。所以可得电动机转速所以可得电动机转速2eaeTRTC CeUCnn0n n 式中式中 n0理想空载转速理想空载转速 n转速降落转速降落 根据上式可知，根据上式可知，他励直流电动机有三种调速方法他励直流电动机有三种调速方法，即，即改变外加改变外加电压、改变励磁磁通及改变转子回路电阻调速电压
35、、改变励磁磁通及改变转子回路电阻调速。662eaeTRTC CeUCnn0n 根据上式：励磁磁通不可变，只有二种调速方法，而改变转子根据上式：励磁磁通不可变，只有二种调速方法，而改变转子回路电阻一般不能满足要求，通常回路电阻一般不能满足要求，通常采用改变转子回路外加电压采用改变转子回路外加电压的调的调速方法。速方法。这种调速方法是从额定电压往下降低转子电压，即从额定转速这种调速方法是从额定电压往下降低转子电压，即从额定转速向下调速。该种调速方法属向下调速。该种调速方法属恒转矩调速恒转矩调速，机械特性是一组斜率不变，机械特性是一组斜率不变的平行直线，特性比较硬，且调速范围宽。另外，这种调速方法是
36、的平行直线，特性比较硬，且调速范围宽。另外，这种调速方法是用减小输入功率来减小输出功率的，所以具有比较好的经济性。用减小输入功率来减小输出功率的，所以具有比较好的经济性。永磁直流伺服电动机的调速方法永磁直流伺服电动机的调速方法67主要内容3 直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式调速的概念有两个方面的含义调速的概念有两个方面的含义:1)1)改变电机转速：当指令速度变化时改变电机转速：当指令速度变化时,电机的速度随之电机的速度随之变化变化,并希望以最快的加减速达到新的指令速度值；并希望以最快的加减速达到新的指令速度值；2)2)当指令速度不变化时当指令速度不变
37、化时,电机的速度保持稳定不变。电机的速度保持稳定不变。68主要内容为调节电机转速和方向，为调节电机转速和方向，需对直流电压的大小和方向需对直流电压的大小和方向进行控制，如何控制进行控制，如何控制？直流伺服电机速度控制单元的作用：直流伺服电机速度控制单元的作用：将转速指令信号将转速指令信号转换成电枢的电压值转换成电枢的电压值，达到速度调节的目的。，达到速度调节的目的。直流电机速度控制单元常采用的调速方法：直流电机速度控制单元常采用的调速方法：晶闸管（可控硅）调速系统晶闸管（可控硅）调速系统 晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWMPWM）调速系统。）调速系统。69702）PWM调速控制系统调速控制
38、系统利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频率的率的方波电压方波电压，加到直流电动机的电枢上；通过调整控制，加到直流电动机的电枢上；通过调整控制方波脉冲宽度来改变电枢的平均电压，从而调节电机的转方波脉冲宽度来改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。速。控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。广泛广泛应用中、小功率直流伺服系统。应用中、小功率直流伺服系统。周期不变周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压平均直流电压Ut周期不变周期不变71速度调节器速度调节器电流调节器电流调节器
39、脉宽调制脉宽调制基极驱动基极驱动主主回回路路整流整流u-+振荡器振荡器电流反馈电流反馈-UsrTGUsf+-+MTGUsf PWM PWM调速系统的组成调速系统的组成：由由控制电路、主回路及功率整流电路控制电路、主回路及功率整流电路三部分组成。三部分组成。其中控制电路由速度调节器、电流调节器和脉宽调制器（包括固定频率其中控制电路由速度调节器、电流调节器和脉宽调制器（包括固定频率振荡器、脉宽调制及基极驱动电路）组成。振荡器、脉宽调制及基极驱动电路）组成。724.4.永磁直流伺服电机的工作特性永磁直流伺服电机的工作特性 对于永磁直流伺服电动机，由于其伺服系统的要求，已经对于永磁直流伺服电动机，由于
40、其伺服系统的要求，已经不能简单地用电压、电流、转数等参数描述其性能，而需要用不能简单地用电压、电流、转数等参数描述其性能，而需要用一些特性曲线对其性能做全面描述。一些特性曲线对其性能做全面描述。转矩转矩速度特性曲线速度特性曲线 从图中可以得出，伺从图中可以得出，伺服电动机的工作区域被服电动机的工作区域被温度温度极限线、极限线、转速转速极限极限线、线、换向换向极限线、极限线、转矩转矩极限线以及极限线以及瞬时换向瞬时换向极极限线划分成三个区域。限线划分成三个区域。瞬时换向瞬时换向极限线极限线转速极限线转速极限线转矩极限线转矩极限线换向极限线换向极限线温度极限线温度极限线05001000150020
41、004000600080001000012000T/(Ncm)n/(r/min)73 区域为连续工作区区域为连续工作区,在该区域中，转矩和转速的任意组合都可在该区域中，转矩和转速的任意组合都可长期连续工作。长期连续工作。区域为断续工作区区域为断续工作区，在该区域内，电动机只能根据负载周期曲，在该区域内，电动机只能根据负载周期曲线所决定的允许工作时间线所决定的允许工作时间 tR 和断电时间和断电时间 tF 作间歇工作。作间歇工作。区域为加速和减区域为加速和减速区域速区域，在该区域内，在该区域内，电动机只能用于加，电动机只能用于加速或减速，工作一段速或减速，工作一段极短的时间。极短的时间。瞬时换向
42、瞬时换向极限线极限线转速极限线转速极限线转矩极限线转矩极限线换向极限线换向极限线温度极限线温度极限线05001000150020004000600080001000012000T/(Ncm)n/(r/min)74 图中各条曲线为不同的图中各条曲线为不同的过载倍过载倍数数(=负载转矩连续额定转矩负载转矩连续额定转矩)曲曲线。线。横坐标为工作时间横坐标为工作时间tR(min)，纵，纵坐标坐标d为过载周期比。为过载周期比。75瞬时换向瞬时换向极限线极限线转速极限线转速极限线转矩极限线转矩极限线换向极限线换向极限线温度极限线温度极限线0500100015002000400060008000100001
43、2000T/(Ncm)n/(r/min)(3)在在加减速加减速时，应当工作时，应当工作在加减速工作区内。在加减在加减速工作区内。在加减速时，惯性转矩的大小取决速时，惯性转矩的大小取决于于加速度的大小和负载惯量加速度的大小和负载惯量的大小，而加速度的大小又的大小，而加速度的大小又取决于希望的加速时间。取决于希望的加速时间。(4)负载惯量负载惯量对电动机灵敏对电动机灵敏度和快速移动时间有很大影度和快速移动时间有很大影响，负载惯量通常不大于电响，负载惯量通常不大于电动机转子惯量的动机转子惯量的三倍三倍。767777一、交流伺服电动机概述一、交流伺服电动机概述 直流伺服电动机具有优良的调速性能，但直流
44、伺服直流伺服电动机具有优良的调速性能，但直流伺服电动机的电动机的电刷和换向器容易磨损电刷和换向器容易磨损，需要经常维护；由于，需要经常维护；由于换向器换向时会产生火花而使最高转速受到限制，也使换向器换向时会产生火花而使最高转速受到限制，也使应用环境受到限制；应用环境受到限制；直流伺服电动机结构复杂直流伺服电动机结构复杂、制造困、制造困难，成本高。难，成本高。自自20世纪世纪80年代中期以来，以年代中期以来，以交流伺服电动机作为驱动元件的交交流伺服电动机作为驱动元件的交流伺服系统得到迅速发展，有逐渐流伺服系统得到迅速发展，有逐渐代替直流伺服电机的趋势。代替直流伺服电机的趋势。781.交流伺服电机
45、分类交流伺服电机分类 数控机床进给伺服系统中多采用永磁同步交流伺服电动机，主数控机床进给伺服系统中多采用永磁同步交流伺服电动机，主轴伺服电机多采用异步交流电机。轴伺服电机多采用异步交流电机。按电机的结构形式分按电机的结构形式分 异步型：异步型：同步型：永磁式和励磁式同步型：永磁式和励磁式按机床运动的类型分按机床运动的类型分 主轴伺服电机主轴伺服电机 进给伺服电机进给伺服电机 主轴伺服电机和进给伺服电机的功率扭矩特性不同，进给伺服主轴伺服电机和进给伺服电机的功率扭矩特性不同，进给伺服电机通常为恒扭输出，而主轴电机通常为恒功率输出。电机通常为恒扭输出，而主轴电机通常为恒功率输出。M PMPOnnj
46、nminnmax 主运动的功率扭矩特性主运动的功率扭矩特性79V VS SV VS S脉冲编码器脉冲编码器转子转子定子定子接线盒接线盒定子三相绕组定子三相绕组1永磁式交流同步电机永磁式交流同步电机结构：电机由定子、转子和检测元件组成结构：电机由定子、转子和检测元件组成80主要内容7.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统812.交流伺服电机的特点交流伺服电机的特点2)永磁同步交流伺服电动机的特点：永磁同步交流伺服电动机的特点：体积小，效率高，运行可靠。体积小，效率高，运行可靠。调速方便、机械特性好。调速方便、机械特性好。调速范围宽。调速范围宽。建模难度大、控制算法复杂。建
47、模难度大、控制算法复杂。1)异步交流伺服电机的特点：异步交流伺服电机的特点：重量轻，价格便宜。重量轻，价格便宜。转速随负载变化较大，低速时运动平稳性较差转速随负载变化较大，低速时运动平稳性较差 静止时自锁转矩小。静止时自锁转矩小。823.永磁同步交流伺服电机的结构永磁同步交流伺服电机的结构永磁伺服电机轴剖面示意图永磁伺服电机轴剖面示意图1定子；定子；2永磁体；永磁体；3通风孔；通风孔；4转子轴转子轴组成：定子、转子和检测元件。组成：定子、转子和检测元件。83定子：定子：定子由硅钢片叠压而成，具有齿槽，内有三相绕组，形状定子由硅钢片叠压而成，具有齿槽，内有三相绕组，形状与普通交流电动机的定子相同
48、，但其外形多呈多边形，且无外与普通交流电动机的定子相同，但其外形多呈多边形，且无外壳，利于散热。壳，利于散热。84转子：转子：转子由多块永久磁铁和冲片组成。这种结构的优点是气隙转子由多块永久磁铁和冲片组成。这种结构的优点是气隙磁密较高，极数较多。磁密较高，极数较多。85检测元件：检测元件：早期的永磁同步交流伺服电机中，由早期的永磁同步交流伺服电机中，由测速发电机测速发电机来实现速来实现速度反馈，度反馈，编码器用编码器用来反馈转子永磁体磁场矢量的方向和位置，来反馈转子永磁体磁场矢量的方向和位置，多采样绝对式编码器。多采样绝对式编码器。现代永磁同步电机采现代永磁同步电机采用全数字控制，速度反用全数
49、字控制，速度反馈有位置对时间微分来馈有位置对时间微分来实现，省掉了测速发电实现，省掉了测速发电机，并开始采用机，并开始采用增量式增量式编码器编码器作为位置反馈元作为位置反馈元件，件，绝对式编码器绝对式编码器基本基本采用高速串行通信方式采用高速串行通信方式，大大提高了可靠性。，大大提高了可靠性。864.交流伺服电机的工作方式交流伺服电机的工作方式 扭矩控制方式；扭矩控制方式；速度控制方式；速度控制方式；位置控制方式。位置控制方式。模拟量输入；模拟量输入；数字输入（选择数字输入（选择8-16种内部速度）；种内部速度）；串行通信。串行通信。脉冲输入；脉冲输入；串行通信。串行通信。Dir+clkAB相
50、正交脉冲。相正交脉冲。模拟量输入；模拟量输入；871）闭环速度控制闭环速度控制/扭矩工作方式扭矩工作方式交流伺服驱动器交流伺服驱动器速度速度控制控制电流电流控制控制位置位置控制控制d/dtCNC位置位置反馈反馈位置位置控制控制伺服伺服电机电机工作台工作台模拟电压模拟电压882）脉冲位置控制工作方式脉冲位置控制工作方式交流伺服驱动器交流伺服驱动器速度速度控制控制电流电流控制控制位置位置控制控制d/dtCNC 位置位置控制控制伺服伺服电机电机工作台工作台 有些交流伺服驱动器具有有些交流伺服驱动器具有光栅反馈光栅反馈接口，接口，可实现从可实现从伺服驱动器伺服驱动器到工作台的全闭环控制，到工作台的全闭
