數(shù)控機床的驅動及位置控制

1、第五章 數(shù)控機床的驅動及位置控制6.1 概述26.2 步進電機及驅動46.3 直流伺服電機及驅動186.4 交流伺服電機及驅動296.5 直線電機35概述35第五章 數(shù)控系統(tǒng)的檢測裝置415.1 概述415.2 碼盤435.3 光柵和磁柵515.4 旋轉變壓器605.5 感應同步器645.6 速度傳感器695.7 位置傳感器726.1 概述一、伺服的概念及組成 伺服驅動的發(fā)展歷程： 步進電機直流伺服電機交流伺服電機旋轉式電機直線電機 進給伺服系統(tǒng)組成:由伺服驅動電路、伺服驅動裝置、機械傳動機構及執(zhí)行部件組成。作用是：接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進給速度和位移指令信號，由伺服驅動電路作轉換和放大后，經伺服

2、驅動裝置(直流、交流伺服電機，功率步進電機，電液脈沖馬達等)和機械傳動機構，驅動機床的工作臺、主軸頭架等執(zhí)行部件實現(xiàn)工作進給和快速運動。數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)與一般機床的進給系統(tǒng)有本質上的差別，它能根據(jù)指令信號精確地控制執(zhí)行部件的運動速度與位置，以及幾個執(zhí)行部件按一定規(guī)律運動所合成的運動軌跡。 如何選用伺服驅動系統(tǒng)，在實際中必須根據(jù)機床的要求來確定。各種數(shù)控機床所完成的加工任務不同，所以它們對進給驅動的要求也不盡相同，但大致可概括為以下幾個方面：(1)精度要求高：包括定位精度、重復定位精度及輪廓加工精度。 (2)穩(wěn)定性好:有較強的抗干擾能力，保證進給速度均勻、平穩(wěn)。(3)響應速度快且無超調：快

3、速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質的重要指標，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。(4)調速范圍寬：要求有較寬的無級調速范圍，既能滿足高速加工要求，又能滿足低速進給要求,且在低速時運行平穩(wěn)無爬行。 (5)低速大轉矩：要求伺服系統(tǒng)在低速時要有大的轉矩輸出，防止出現(xiàn)低速爬行現(xiàn)象。注：定位精度：移動件到達指令位置的準確度；重復定位精度：移動件在任意定位點的定位一致性進給電機的類型：步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機和直線電機。二、伺服系統(tǒng)的分類1、按其用途和功能分類2、按反饋比較控制方式分類數(shù)控進給伺服系統(tǒng)按有無位置檢測和反饋進行分類，有以下兩種。(1) 開環(huán)伺服系統(tǒng)圖4-30是開環(huán)伺服系統(tǒng)原理圖，它由步進電機及其驅動

4、線路等組成。其功能是每輸入一個指令脈沖，步進電機就旋轉一定角度，步進電機的旋轉速度取決于指令脈沖的頻率。轉角的大小由指令脈沖數(shù)所決定。開環(huán)系統(tǒng)的精度較差，但由于結構簡單、易于調整，在精度不太高的場合中仍得到較廣泛的應用，如機床改造等。(2) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)組成:它由伺服電機、檢測裝置、比較電路、伺服放大系統(tǒng)等部分組成。如圖4-31，它根據(jù)來自檢測裝置的反饋信號與指令信號比較的結果來進行速度和位置的控制。 對部分數(shù)控機床來說，其檢測反饋信號是從伺服電機軸或滾珠絲杠上取得的。對高精度或大型機床，直接從安裝在工作臺等移動部件上的檢測裝置中取得反饋信號。為區(qū)別兩者，前者稱之為半閉環(huán)系統(tǒng)。通過閉環(huán)系統(tǒng)直接

5、測量工作臺等移動部件的位移從而實現(xiàn)精度高的反饋控制。但這種測量裝置的價格較高，安裝及調整都比較復雜且不易保養(yǎng)。相比之下，半閉環(huán)系統(tǒng) 中的轉角測量就比較容易實現(xiàn)，但由于后繼傳動鏈傳動誤差的影響，測量補償精度比閉環(huán)系統(tǒng)差。半閉環(huán)系統(tǒng)由于系統(tǒng)簡單而且調整方便，現(xiàn)在已廣泛地應用在數(shù)控機床上。3、按照調節(jié)理論分類三、對伺服驅動元件即伺服電動機的要求(1)電動機從最低轉速到最高轉速范圍內應都能平滑地運轉；轉矩波動要小，尤其在最低轉速時，仍要有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象；(2)電動機應具有大的、較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求；(3)電動機應可控性好、轉動慣量小、響應速度快；(4)電動機應能承受頻繁的

6、啟動、制動和反轉。6.2 步進電機及驅動驅動器每向步進電機輸入一個電脈沖信號，步進電機轉動一個角度，稱為步距角，通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。 步進式進給伺服驅動系統(tǒng)屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。 步進電機轉過的角度與電脈沖信號個數(shù)成正比，轉動速度與電脈沖信號的頻率成正比。優(yōu)點：電機具有自鎖能力； 每轉一周都有固定的步數(shù)，理論上說步距誤差不會累積。 缺點： 在大負載和速度較高的情況下容易失步，能耗較大。應用：步進電機的速度不高，在脈沖當量為1m/脈沖時，最高移動速度為2m/min，主要用于速度和精度要求不太高的經濟型數(shù)控機床和舊機床改造。一、 步進電機分類常見的分類方式有按相數(shù)、按產生力矩的原理、按輸出力

7、矩的大小和結構進行分類u 按相數(shù)分：有三相、四相、五相、六相等。相數(shù)越多，步距角越小，輸出轉矩越大，但結構也越復雜。通電方式采用m相m拍、雙m拍和m相2m拍等。u 按力矩產生的原理分：有反應式、永磁反應式和混合式三類。u 按輸出力輸出力矩的大小分：快速步進電機（0.07Nm4Nm）和功率步進電機（5 Nm50 Nm）兩類。u 按結構分類：有軸向分相式（即多段式）和徑向分相式（即單段式）。二、步進電機工作原理 通過被勵磁的定子的電磁力吸引轉子偏轉輸出轉矩。因此，它理論依據(jù)就是電磁作用原理?，F(xiàn)以三相反應式步進電機為例加以說明。圖4-32是反應式三相步進電機的工作原理圖。定子上有6個磁極，分別為A、

8、B、C三相，每個磁極上繞有激磁繞組，并且電流產生的磁場方向一致。轉子無繞組，它由帶齒的鐵芯做成的。當定子繞組按順序輪流通電時，A、B、C三對磁極依次產生磁場，并每次對轉子的某一對齒產生電磁轉矩，使它轉動。每當轉子的某一對齒的中心線與定子磁極的中心對齊時，磁阻最小，轉矩為零。按一定方式切換定子繞組各相電流，使轉子按一定方向一步步轉動。步進電機每步轉過的角度稱為步距角。在圖4-32中，設A相通電，則轉子的1、3 兩齒被磁極A產生的電磁轉矩吸引轉動，當1、3齒與A對齊時，轉動停止；此時，B相通電，A相斷電，磁極B又把距它最近的一對齒2、4吸引轉動，轉子按逆時針方向轉過；接著C相通電，B相斷電，轉子2

9、逆時針旋轉。依次類推，定子按ABCA順序通電，轉子就一步步地按逆時針方向轉動，每步轉。若改變通電順序，按ACBA順序通電，步進電機就按順時針方向轉動，同樣每步轉。這種控制方式稱為單三拍方式。由于每次只有一相繞組通電，在切換瞬間電機失去自鎖轉矩，容易失步；此外，只有一相繞組通電吸引轉子，易在平衡位置附近產生振蕩。因此實際中不采用單三拍控制方式，而采用雙三拍控制方式，即通電順序按ABBCCAAB(逆時針方向)或ACCBBAAC(順時針方向)進行。由于雙三拍控制方式每次有兩相繞組通電，而且切換時總保持一相繞組通電，所以工作較穩(wěn)定。如果通電順序按AABBBCCCAA進行，就是三相六拍控制方式，每切換一

10、次，步進電機按逆時針方向轉過。同樣，若按AACCCBBBAA順序通電，步進電機每步按順時針方向轉過。三相六拍控制方式比單三拍控制方式步距角小一半，同樣在切換時保持一相繞組通電，工作穩(wěn)定；與雙三拍相比增大了穩(wěn)定區(qū)，故在實踐中常采用這種控制方式。步進電機的旋轉方向和轉速，由定子繞組的脈沖電流決定，即由指令脈沖決定。指令脈沖數(shù)就是電機的轉動步數(shù)，即角位移的大小。指令脈沖頻率決定它的旋轉速度，只要改變指令脈沖頻率，就可以使步進電機的旋轉速度在很寬范圍內連續(xù)調節(jié)。改變繞組的通電順序，可以改變它的轉向。由此可見，步進電機的控制是十分方便的。采用步進電機驅動的缺點是效率低，驅動慣量負載能力差，作告訴運動時容

11、易失步。三、步進電機的結構步進電機的類型很多，在此只介紹反應式步進電機的結構。 圖4-34是一種典型的單定子徑向分相的三相反應式步進電機的結構原理圖。定子上有六個均布的磁極，在直徑相對的兩個極上的線圈串聯(lián)，構成一相控制繞組。極與極之間的夾角為，每個定子磁極上均布5個齒，齒間夾角為。三相(A、B、C)定子磁極和轉子上相應的齒依次錯開1/3齒距。這樣若按三相六拍方式給定子繞組通電，即可控制步進電機以才的步距角作正向或反向旋轉。反應式步進電機的另一種結構形式是多定子軸向分相式。圖4-34所示為這種步進電機的結構原理圖。與徑向分相式不同，它的各相磁極是沿軸向排列的，定子和轉子都分成五段，每段一相，依次

12、排列為A、B、C、D、E，每相是獨立的。定子鐵芯由硅鋼片疊成，轉子由整塊硅鋼制成。定、轉子各相有相同的齒形槽，按圓周分布。各相定子上的齒的相對位置依次徑向錯開1/5齒距，其控制方式與徑向分相式相同。與徑向分相式相比，軸向分相式結構的制造工藝比較復雜，目前大多數(shù)反應式步進電機采用徑向分相式結構。但是，當相數(shù)較多時，也有采用徑向和軸向分相相結合的混合式結構。四、步進電機的主要特性 步距角和靜態(tài)步距誤差步進電機每步的轉角稱為步距角。它取決于電機結構和控制方式，步距角可按下式計算: 式中,m定子相數(shù)；z轉子齒數(shù)；k通電系數(shù)， m相m拍，k1；m相2m拍，k2。例如三相六拍控制方式的k=2，三相三拍控制

13、方式的k=1。一般很小，如：31.5，1.50.75，0.720.36等 步進電機每走一步的步距角，按理論設計是圓周的等分值。但是實際的步距角與理論值有誤差。在一周內各步誤差的最大值，被定為步距誤差。它的大小是由制造精度、齒槽的分布和氣隙等因素決定的。步進電機的靜態(tài)誤差一般在以內。 輸出轉距 是指與步進電動機的各種轉速相對應的輸出扭矩。如施加超過輸出扭矩的負載扭矩時，步進電動機就會停轉，因此，步進電動機的負載扭矩必須小于輸出轉矩。 最高啟動、停止脈沖頻率 步進電動機所能接受的正確啟動停止的指令脈沖系列的最高頻率。它隨著加在電機軸上的負載慣量和負載轉矩的大小而變化。 連續(xù)運行最高頻率 步進電動機

14、連續(xù)運行時，所能接受的指令脈沖系列的最高頻率。 步進運行和低頻振蕩 當控制脈沖的時間間隔大于步進電動機的過渡過程時間時，電機呈步進運行狀態(tài)。步進電動機在運行中存在著振蕩，它有一個固有頻率，當控制脈沖頻率等于固有頻率時，就會產生振蕩。例題：1、有一采用三相六拍驅動方式的步進電機，其轉子有80個齒，經齒輪-絲杠螺母副驅動工作臺作直線運動，絲杠的導程為7.2mm，齒輪的傳動比iz1/z21/5。求：(1)步進電機的步距角； (2)工作臺的脈沖當量；解：(1)360/mzk0.75(2)it/360=0.20.757.2/3600.00032、有一采用四相八拍驅動方式的步進電機，其轉子有90個齒，經齒

15、輪-絲杠螺母副驅動工作臺作直線運動，絲杠的導程為7.2mm，齒輪的傳動比iz1/z21/5。求：(1)步進電機的步距角；(2)工作臺的脈沖當量；(3) 測得運行頻率為1200Hz時，其轉速為多少？解：（1）360/mzk0.5（3分）(2) it/360=0.20.57.2/3600.002（3分）（3）（轉/分）絲杠導程為5mm，工作臺移動最大速度為6mm/s，求：（1）步進電機的步距角（2）工作臺的脈沖當量（3）步進電機的最高工作頻率f答 不約等于的話f=576Hz五、步進電機開環(huán)進給的傳動計算及電機選用(1) 傳動計算圖4-35(a)所示的直線進給系統(tǒng)，進給系統(tǒng)的脈沖當量為(mm)，步進

16、電機的步距角為，齒輪傳動鏈的傳動比為，滾珠絲杠的導程為(mm)，他們之間的關系如下： (4-24)則有： (4-25)脈沖當量：數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出一個指令脈沖，工作臺所移動的距離。它決定了數(shù)控機床的加工精度和最高工作頻率。對于圖4-35(b)所示的圓周進給系統(tǒng)(如數(shù)控轉臺等)，設脈沖當量為，蝸桿為頭，蝸輪為齒，則有 (4-26)步進電機開環(huán)進給系統(tǒng)的脈沖當量一般取為0.01mm或0.001度，也有選用0.0050.002mm或0.0050.002度的，這時脈沖位移的分辨率和精度較高，但是由于進給速度mm/min或，在同樣的最高工作頻率時越小則最大進給速度之值也越小。步進電機的進給系統(tǒng)使用齒輪傳動，不

17、僅是為了求得必需的脈沖當量而且還有滿足結構要求和增大轉矩的作用。(2) 步進電機的選用首先必須保證步進電機的輸出轉矩大于負載所需的轉矩，所以應先計算機械系統(tǒng)的負載轉矩，并使所選電機的輸出轉矩有一定余量，以保證可靠運行。通常-0.5，其中為步進電機最大靜態(tài)轉矩，為負載轉矩。其次應使步進電機的步距角與機械系統(tǒng)匹配，以得到機床所需的脈沖當量。最后應使被選電機與機械系統(tǒng)得負載慣量及機床要求的啟停頻率相匹配，并一定有余量。還應使其最高工作頻率能滿足機床移動部件快速移動的要求。六、步進電機的驅動步進電機不能直接接到交流電源上工作，而必須使用專用設備步進電機驅動器。步進電機的運行性能是電動機和驅動器兩者的綜

18、合效果。在數(shù)控機床中使用的驅動器有一軸一板型，也有一相一板型，前者維護方便，但穩(wěn)定性差；后者集成度高，可靠性高，因此，得到了廣泛的應用。 步進電動機驅動器由環(huán)形分配器、功率放大器及其他控制電路組成，數(shù)控裝置發(fā)出脈沖信號通過環(huán)形分配器形成按一定順序的脈沖，例如A-B-C-A-這些脈沖經功率放大后加到步進電動機的各相繞組上。1、環(huán)形分配器控制脈沖通過環(huán)形分配器控制步進電機電機勵磁繞組按一定順序接通、斷電，使電機繞組的通電按輸入脈沖的控制而循環(huán)變化。脈沖分配器又稱為環(huán)形分配器(簡稱環(huán)分器)。環(huán)分器有軟件環(huán)分器和硬件環(huán)形分器兩種。（1）硬件環(huán)形分配器硬件環(huán)形分配器是根據(jù)真值表或邏輯關系式采用邏輯門電路

19、和觸發(fā)器來實現(xiàn)?？刂艭LK的頻率，可控制步進電機的速度。CNC裝置電源環(huán)形分配器A相驅動B相驅動C相驅動FULL/HALFDIRCLKM三相硬件環(huán)形分配器的驅動控制【工程實例】國產CMOS型集成脈沖分配器CH250（2）軟件環(huán)形分器是將通電順序狀態(tài)作一個表格存入計算機內存，由軟件通過指針方式查表，并將狀態(tài)數(shù)據(jù)輸出以控制接口，實現(xiàn)步進電機的連續(xù)運轉。步進電機的工作頻率取決于軟件循環(huán)查表和輸出狀態(tài)的時間，改變查表的方向，便可實現(xiàn)電機正、反轉。圖4-36是軟件環(huán)分器的原理及結構圖，圖4-37是軟件環(huán)分器的流程圖，表4-1是軟件環(huán)分器的環(huán)分表。優(yōu)點：硬件簡單；占用CPU時間多，只用于速度要求不高，系統(tǒng)

20、比較簡單的系統(tǒng)。如電腦繡花機和繪圖儀等。當軟件任務多時，可用硬件實現(xiàn)軟件功能，這就是硬件環(huán)分器。圖4-38為三相六拍硬件環(huán)分器的原理圖，表4-2是其工作狀態(tài)表。運行時按復位鍵預置為100初始態(tài)。當為高電平時，為0，為1，由圖得輸入條件為：、，故電機正轉；當為低電平時，為1，為0，由圖得輸入條件為：、，故電機反轉。改變CP的頻率，可以調速。2、步進電機的功率放大電路由環(huán)形分配器輸出的脈沖功率很小，不能直接驅動步進電機，因此對它的輸出信號要進行功率放大。使脈沖電流達到110A以上，才足以驅動步進電機旋轉。下面介紹幾種常用的驅動電路。單電壓功率放大電路其原理圖如圖4-39，電路的電壓V一般選擇在10

21、100V左右。電壓功率放大電路是步進電機中最簡單的一種驅動電路。是步進電機某一相繞組的控制脈沖信號，它控制功率開關晶體管T的通斷，L是步進電機的某一相繞組，是繞組電阻，是外接電阻(也是限流電阻)，D是續(xù)流二極管，電容C用于上電時加大繞組電流、提高步進電機的高頻特性，電阻用以改善回路的放電時間常數(shù)。 單電壓驅動電流波形單電壓功率放大電路最大特點是結構簡單；缺點是工作效率低，在高頻工作狀態(tài)時其效率尤差，它的外接電阻還會發(fā)熱直接影響回路工作的正常穩(wěn)定狀態(tài)。所以，單電壓功率放大電路一般只用于小功率步進電機驅動。雙電壓功率放大電路雙電壓功率放大電路是采用兩種電源電壓的功放電路。圖4-40是雙電壓功率放大

22、電路的結構圖。在圖中有兩個功率晶體管、，兩個二極管、；一個外接電阻，還有步進電機繞組L及繞組電阻。是高電壓電源的開關管；是功率驅動管；是低壓電源的鉗位二極管，它在導通時處于反向偏置，向電機的繞組提供高電壓電源，當截止時，低壓電源可以通過向電機繞組供電；是續(xù)流二極管，在、都截止時向繞組提供放電電路。雙電壓功率放大電路在高壓供電時，必須在高壓電源開關的基極上加上高壓電源開關控制信號，同時在功率管的基極加上步進控制信號，使、導通。而且要求和的上升沿的上升時刻一致，同時有式中，高電壓電源的開關控制信號的周期； 步進控制信號的周期。在一般的控制系統(tǒng)中，是由產生的，把通過一個微分電路后再整形可以得到，也可

23、以把通過一個單穩(wěn)電路之后產生。在消失后，截止；在導通期間，繞組由低壓供電，以維持額定穩(wěn)態(tài)電流值。采用雙電壓功率放大電路，使繞組的電流注入波形前沿陡比單電壓的好，高頻特性好；但在低頻時振蕩嚴重，運行平穩(wěn)性較差。雙電壓功率放大電路顯著特點是：功耗較低，高頻工作時有較大的轉動力，所以較多用于中功率和大功率的步進電機中。 斬波恒流功放電路斬波恒流功放電路是利用斬波方法使電流恒定在額定值附近。典型的斬波恒流功放電路如圖4-41所示。一方面，在正常工作過程中，點輸入步進方波信號，這時晶體管導通，二極管中電路流過而發(fā)光，引起晶體管導通，進而使晶體管截止，晶體管、導通。另一方面，的信號使晶體管、導通。加在步進

24、電機繞組L上的電源U使繞組中的電流上升。當繞組中的電流上升到額定值以上時，從恒流采樣電阻上產生的壓降高于運算放大器OP1的正端輸入的參考電壓，運算放大器OP1輸出低電平“0”,二極管導通。這就會使截止，截止，導通，、截止，也即是關閉了電源U。這樣就在繞組L中產生反電動勢。由于、仍導通，故這時反電動勢有兩個回路進行泄放。一個回路是L、，另一個回路是L、。由于是繞組電阻，是泄放電阻，兩個泄放回路的并聯(lián)電阻很小，所以泄放時間常數(shù)較大，繞組L中的電流泄放很慢，當電流降到額定值以下時，在恒定電流采樣電阻上產生的壓降低于運算放大器OP1的正端輸入和參數(shù)電壓，運算放大器OP1輸出高電平“1”。二極管截止，晶

25、體管導通，并有導通，截止，、導通。電源U又加于繞組L，使其電流上升。上述過程在步進方波信號有效期間內不斷重復。這樣在繞組中的電流就保持一種在額定值山下似鋸齒形的波形，如圖4-42所示。調整電阻或的值都可以改變放大電路的額定值。而運算放大器OP1的開環(huán)增益對電流的平滑性有影響，增益越大，波動越小。在步進信號=0時，有、截止，導通，從而使、截止；同時有、截止，則繞組L中的電流就通過、回路泄放。這時相當于對繞組L加上一個負電源-U，使電流下降速率提高，故電流泄放時間較短。從提高高頻工作頻率和電源效率的角度上看，這是一種較好的功放電路。它可以用較高的電源電壓，同時無需外接電阻(采樣電阻阻值一般很小為0

26、.050.5)來限定額定電流和減小時間常數(shù)。但是由于電流波形頂部呈鋸齒波波形，所以會產生較大的電磁噪聲?！竟こ虒嵗考蓴夭ê懔鞴Ψ判酒琒LA7026M應用實例調頻調壓型功放電路3、細分驅動電路將一個步距角細分成若干點步的驅動方式稱細分驅動。特點：在不改動電動機結構參數(shù)的情況下，使步距角減小。 要實現(xiàn)細分，需將繞組中的矩形電流波改成階梯電流波。由于繞組電流均勻由小增到最大，或由最大均勻減到最小，避免了電流沖擊，基本消除步進電動機低速振動，使步進電動機低速運轉平穩(wěn)，無噪聲。 四相步進電動機正弦細分相電流時序圖【工程實例】步進電動機正弦細分驅動實例4、提高步進電機伺服系統(tǒng)精度的措施存在的問題：無位

27、移檢測元件，定位精度主要取決于傳動精度改善措施 間隙補償：在換向時通過附加脈沖進行補償 螺距誤差補償：采用機械樣板或附加脈沖進行補償 反饋補償：通過檢測器進行系統(tǒng)誤差檢測，周期性地發(fā)出補償脈沖。6.3 直流伺服電機及驅動前面介紹的步進電機多用于開環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)精度較低。對于高精度的數(shù)控機床，必須采用閉環(huán)伺服驅動系統(tǒng)。目前數(shù)控機床閉環(huán)伺服驅動大都采用直流伺服電機和交流伺服電機驅動。一、直流伺服電機的分類與特點直流電機是伺服機構中常用的驅動元件，但一般的直流電機不能滿足要求，近年來開發(fā)了多種大功率直流伺服電機，如小慣量電機及寬調速電機等。在閉環(huán)伺服數(shù)控系統(tǒng)中，這些電機已被廣泛用作驅動元件。1、 小慣

28、量直流電機小慣量直流電機是由一般直流電機發(fā)展而來的。結構特點：轉子為光滑無槽的鐵芯，線圈由粘合劑粘結。長徑比大、慣量小其主要特點是：轉動慣量小，約為普通直流電機的1/10，快速響應性好。電樞反應小，換向性好，電機時間常數(shù)小 （只有幾毫秒）。由于轉子無槽，結構均衡性好，低速平穩(wěn)性好。最大扭矩為額定值的10倍，過載能力強。小慣量直流電機的轉子與一般直流電機的區(qū)別在于，其轉子為無槽光滑的鐵芯，用絕緣粘合劑直接把線圈粘在鐵芯表面，如圖4-43；小慣量直流電機定子結構如圖4-44所示，采用方形，提高了激磁線圈放置的有效面積，但由于無槽結構，氣隙較大，激磁和線圈安匝數(shù)較大，故損耗大，發(fā)熱厲害。為此，采取措

29、施是在極間安放船型擋風板，使之帶走較多熱量。并且線圈外不包扎而成赤裸線圈。 2、寬調速直流電機小慣量直流電機是通過減少電機轉動慣量來改善工作特性的，但正由于其慣量小，機床慣量大，必須通過齒輪傳動，而且電刷磨損較快。而寬調速直流電機則是用提高轉矩的方法來改善其性能，使之在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中得到較為廣泛的應用。寬調速直流電機按激磁方式可分為：電激磁和永久磁鐵激磁兩種。電激磁的特點是：激磁力大小易于調整，便于安排補償繞組和換向器，所以電機換向性能好，成本低，可在較寬的范圍內實現(xiàn)恒轉矩調速。永久磁鐵激磁一般無換向極和補償繞組，其換向性能受到一定限制。但它由于不需激磁功率，因此效率較高，電機低速時輸出扭矩大

30、，溫升低，尺寸小，因而永久磁鐵激磁結構用的較多。l-轉子 2-定子(永磁體) 3-電刷 4-測速發(fā)電動機 大慣量寬調速永磁直流伺服電動機結構圖寬調速直流電機具有下述特點輸出轉矩大 在相同的轉子外徑和電樞電流的情況下，產生的轉矩較大，從而使電機加速性能和響應特性都有顯著的改善。在低速時能輸出較大的轉矩，在數(shù)控機床上可以不經減速齒輪而直接驅動絲杠，從而避免了齒輪傳動中的間隙所引起的噪聲、振動及齒輪間隙造成的誤差。過載能力強 由于轉子熱容量大、因此熱時間常數(shù)大，又采用了耐高壓的絕緣材料，所以允許過載轉矩達510倍，但電機轉矩/慣量比較大。動態(tài)響應好電機定子采用矯頑力很高的鐵氧體永磁材料，可使電機電流

31、過載10倍而不會去磁。這就顯著地提高了電機可供的瞬時加速轉矩，改善了動態(tài)響應。又由于無激磁繞組，使電機發(fā)熱和溫升下降。調速范圍寬且運轉平穩(wěn) 由于電機機械特性和調節(jié)特性的線性度好，低速時能輸出較大的轉矩，所以調速范圍寬且運轉平穩(wěn)。易于調試 由于電機的轉子慣量接近于普通電機，調試時，外界負載慣量對伺服系統(tǒng)的響應比較小，所以能在不加負載慣量的情況下預調。3、直流主軸電動機由于輸出功率較大，結構上不做成永磁式，而與普通勵磁直流電動機相同，為他勵式。為了改善換向性能，在電動機結構上都有換向極；為縮小體積，改善冷卻效果，采用了軸向強迫通風冷卻或“熱管”冷卻。電動機外殼結構為密封式，以適應惡劣的機械加工車間

32、環(huán)境。用于主軸驅動。 l-換向極；2-主磁極； 3-定子；4-轉子；5-線圈 直流主軸電機結構示意圖 二、直流伺服電機的調速原理直流電動機的電源為直流電，可將其電能轉換為機械能。當電樞在電磁轉矩的作用下轉動時，電樞導體切割磁力線，產生感應電動勢。感應電動勢的方向與電流方向相反，是一種反電動勢，一般用表示，即=式中，電動機電勢常數(shù)每極總磁通n電樞轉速直流電動機的電路圖，如圖4-45所示。根據(jù)電路定律列出電樞回路電壓平衡方程：移項后得到 (4-28)式中，電樞電流 電樞電阻式(4-28)稱為直流電動機的電壓平衡式。它表明外加電壓與反電勢及電樞回路電阻壓降平衡。如果把式(4-27)代入式(4-28)

33、中，便可得電樞電流的表達式：= (4-29)式(4-29)說明電樞電流與轉速有關。在其他條件不變的情況下，轉速越高，電樞電流則越小。式(4-29)可以變換成 (4-30)根據(jù)式(4-30)可得出直流電動機的調速方法。常用的調速方法有兩種：一種是改變電動機電樞兩端電壓的值，而保持激磁磁通和電樞回路電阻不變，可得到不同轉速。電動機電樞所允許通過的電流是一定的，電動機所能發(fā)出的轉矩也就一定，此法叫恒轉矩調速法。式中，為轉矩常數(shù)。另一種是保持電樞電壓不變，為常數(shù)，通過改變磁通來改變電機轉速。電機所允許的電流一定，減小時，n增加，轉矩下降；增加時，n減小，轉矩上升，輸出功率基本不變。此法叫恒功率調速。選

34、用那種調速方法，除了考慮滿足調速指標外，同時要考慮負載性質。直流電機的轉速與轉矩的關系稱機械特性，機械特性是電機的靜態(tài)特性，是穩(wěn)定運行時帶動負載的性能，此時，電磁轉矩與外負載相等。當電機帶動負載時，電機轉速與理想轉速產生轉速差n，它反映了電機機械特性的硬度，n越小，表明機械特性越硬。(a)改變電樞電壓時的機械特性 (b)改變磁通時的機械特性由圖 (a)可見，當調節(jié)電樞電壓時，直流電機的機械特性為一組平行線，即機械特性曲線的斜率不變，而只改變電機的理想轉速，保持了原有較硬的機械特性，所以數(shù)控機床伺服進給動系統(tǒng)的調速采用調節(jié)電樞電壓調速方式。由圖 (b)可見，調磁調速不但改變了電機的理想轉速，而且

35、使直流電機機械特性變軟，所以調磁調速主要用于機床主軸電機調速。 三、直流電機的調速系統(tǒng)以下介紹的調速方法均為改變電壓來實現(xiàn)調速。(1)直流電機的可控硅調速通過對晶閘管觸發(fā)角的控制來控制電機電樞電壓，以達到調速的目的。 速度調節(jié)器電流調節(jié)器觸發(fā)脈沖發(fā)生器可控硅整流器電流反饋速度反饋電流檢測編碼器電機UR+-UfIfIR+-ErUS晶閘管直流雙環(huán)調速系統(tǒng)框圖主回路主回路由大功率晶閘管構成的三相全控橋式反并接可逆電路，分成二大部分（ 和 ），每部分內按三相橋式連接，二組反并接，分別實現(xiàn)正轉和反轉。1、3、5在正半周導通， 2、4、6在負半周導通。每組內（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差120，每相內二個觸

36、發(fā)脈沖相差180。按管號排列，觸發(fā)脈沖的順序：1-2-3-4-5-6，相鄰之間相位差60。為保證合閘后兩個串聯(lián)可控硅能同時導通，或已截止的相再次導通， 采用雙脈沖控制。既每個觸發(fā)脈沖在導通60后，在補發(fā)一個輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，寬度大于60，小于120只要改變可控硅觸發(fā)角（即改變導通角），就能改變可控硅的整流輸出電壓，從而改變直流伺服電機的轉速。觸發(fā)脈沖提前來，增大整流輸出電壓；觸發(fā)脈沖延后來，減小整流輸出電壓。e)uacbcaba)b)c)d)135 tub246bcatttt1 1 3 3 5 5 1 1 3 3 6 2 2 4 4 6 6 2 2 4 1352461201201

37、80601324606056主回路波形圖用可控硅元件組成的調壓裝置，實際上是一種常用的直流伺服電機的調速電路。如圖4-46所示為三相半波反并聯(lián)可控硅調速電路，在電路中設置了兩組整流電路，可控硅組ZZL控制電機的正向運轉，F(xiàn)ZL控制電機的反向運轉。由于整流電壓是脈動的，瞬時值并不相等，而有環(huán)路脈動電流出現(xiàn)，為了不使環(huán)流過大，在電路中串聯(lián)了正抗器，正、反兩組整流電路同時加上觸發(fā)脈沖，當控制信號變化時，兩組電壓相對變化。電流的正、反向過渡是平滑的，沒有死區(qū)，快速性好。但是加上電抗器后，電機時間常數(shù)增大。 由于有環(huán)流調速系統(tǒng)的問題較多，因此發(fā)展出各種無環(huán)流的調壓調速系統(tǒng)。無環(huán)流可逆向系統(tǒng)在任何情況下都

38、是一組整流器在工作，因而不產生環(huán)流。無環(huán)流系統(tǒng)在電流改變方向時，應具備三個條件：有轉矩(電流)反方向指令、原工作組電流已減小到零和必要的延遲。因此無環(huán)流系統(tǒng)在反向過程中有一段兩組整流電路都不工作的時間死區(qū)，這就是它的缺點。但是這一死區(qū)可以縮小到3ms左右，所以符合使用要求。無環(huán)流系統(tǒng)不用環(huán)流電抗器，沒有因環(huán)流產生的附加損耗，可靠性高，因而在數(shù)控機床上得到廣泛應用。(2) 直流伺服電機脈沖寬度調速系統(tǒng)晶體管脈寬調制調速系統(tǒng)(簡稱PWM系統(tǒng))是近幾年來出現(xiàn)的一種調速系統(tǒng)。它利用開關頻率較高的大功率晶體管作為開關元件，將整流后的恒壓直流電源，轉換成幅值不變、脈沖寬度(持續(xù)時間)可調的高頻矩形波，給伺

39、服電機的電樞回路供電，通過改變脈沖寬度的方法來改變電樞回路的平均電壓，達到電機調速的目的。PWM調速系統(tǒng)組成原理框圖控制回路：速度調節(jié)器；電流調節(jié)器；固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器；脈寬調制器和基極驅動電路。區(qū)別：與晶閘管調速系統(tǒng)比較，速度調節(jié)器和電流調節(jié)器原理一樣。不同的是脈寬調制器和功率放大器。脈寬調制器：作用：將電壓量轉換成可由控制信號調節(jié)的矩形脈沖，為功率晶體管的基極提供一個寬度可由速度指令信號調節(jié)的脈寬電壓。組成：調制信號發(fā)生器（三角波和鋸齒波兩種）和比較放大器。在PWM調速系統(tǒng)中有兩個主要組成部分：其一是脈寬調制器，在輸入信號(即速度指令電壓)作用下，產程幅值恒定、寬度可變的矩形脈沖

40、信號，如圖4-47所示；其二是工作在開關狀態(tài)下的晶體管脈寬信號放大器，如圖4-48所示。由脈寬調制器產生的矩形脈沖信號，經正、負電平鑒別器整形和負脈沖削波后，變成為占空比受輸入電壓控制的恒幅調寬矩形脈沖信號。再用此信號作為晶體管放大器、的輸入信號，實現(xiàn)放大器輸出電壓，即電樞電壓的控制。在晶體管、基極分別加上正、反轉信號，可實現(xiàn)正、反轉控制。PWM調速系統(tǒng)具有以下特點：開關頻率高 其頻率可達2kHz，比機械部件的固有頻率高得多，可以避開機械部分的共振點，而不至于引起共振。波紋系數(shù)(波形因素)低(小) 即電流的有效值與平均值之比低，一般為1.0051.01，幾乎接近1。電樞電路的電抗就足以將脈沖濾

41、平，接近于純直流。這樣以電流有效值計算的電機的發(fā)熱量很小。如果同一臺電動機，將可控硅系統(tǒng)改為PWM系統(tǒng)，能使電機的額定電流增大1.31.8倍而不至于過熱。由于波紋系數(shù)小，電流接近于純直流，因此電磁轉矩恒定，電機運行平穩(wěn)。頻率較寬 即系統(tǒng)能夠響應的頻率范圍較寬，因此，系統(tǒng)的動態(tài)特性好，有良好的線性度，尤其是接近于零點時線性度好?？稍诟叻逯惦娏飨鹿ぷ?可控硅系統(tǒng)可以在高于額定電流510倍的峰值電流下工作。而晶體管不能承受如此大的峰值電流，其峰值電流必須限制在額定值得兩倍之內，這是它的不足之處。但這樣的安全峰值電流，可以保護永磁電機不至于退磁，延長電機電刷的壽命，減少電機發(fā)熱。三、直流主軸控制單元1

42、.對主軸驅動系統(tǒng)的要求 恒功率范圍要寬 寬調速范圍 具有四象限驅動能力 具有位置控制能力 2.直流主軸控制單元直流主軸伺服系統(tǒng)一般沒有位置控制，它只是一個速度控制系統(tǒng)，直流主軸速度單元是由速度環(huán)和電流環(huán)構成的雙環(huán)速度控制系統(tǒng)，用控制主軸電機的電樞電壓來進行恒轉矩調速，如下圖所示。主軸直流電機調速還包括恒功率調速，它由框圖中上半部分的激磁控制回路完成，這部分恒功率調速是由控制勵磁電路的勵磁電流的大小來實現(xiàn)的。早期的數(shù)控機床多采用直流主軸驅動系統(tǒng)。直流主軸速度控制單元框圖四、直流伺服電機閉環(huán)、半閉環(huán)進給系統(tǒng)圖4-49所示為采用直流伺服電機的閉環(huán)進給系統(tǒng)的結構框圖。圖(a)為半閉環(huán)系統(tǒng)，圖(b)為全

43、閉環(huán)系統(tǒng)。這種閉環(huán)控制系統(tǒng)包括位置控制單元等部分。位置檢測單元測得執(zhí)行部件的實際位置，位置控制單元將位置指令值與的差值乘增益常數(shù)，并經變換后，得到速度指令電壓。將與測速發(fā)電機的反饋電壓的差值乘增益常數(shù)，得到伺服電機的電樞電壓，用它控制直流電機的旋轉速度。當指令位置與實際位置相等時，即位置偏差值為零時，和均為零，執(zhí)行部件到達指令所要求的位置。的物理概念如下：如圖4-50(a)所示，當進給系統(tǒng)獲得一個按恒速。而是從零逐漸上升到此值，以后就穩(wěn)定在此速度上運行。在時刻，位置指令達到指令值時，指令速度下降至零，但是執(zhí)行部件的實際速度只能逐漸下降到零。將指令位移量按脈沖當量換算成數(shù)字量，則以恒速進給的指令

44、位置的數(shù)字量值將按圖4-50(b)所示的直線1變化，由零時刻的零位置到達時刻的位置。因為實際速度是逐漸上升至值的，所以按同一脈沖當量換算成數(shù)字量的實際位置值按另一條曲線2變化。實際位置總是滯后于指令位置。時刻的瞬時指令位置值與瞬時實際位置值之間的差值，稱為該時刻的位置偏差。它由執(zhí)行部件升速啟動時的零值逐漸增大到某一瞬態(tài)值，這一穩(wěn)態(tài)值就是所謂的速度誤差或隨動誤差。當執(zhí)行部件降速并停止時，它由穩(wěn)態(tài)值逐漸減小到零。(b)圖4-49直流伺服系統(tǒng) (a)半閉環(huán) (b) 全閉環(huán)以此再乘上就得到速度指令值，再將其變換成速度指令電壓值，可見越大，則就越大，伺服電機的速度就越高。而且控制啟動與停止位置指令值的大

45、小，從而可控制的大小，就可以控制升降速的快慢，即升降速時間的長短。6.4 交流伺服電機及驅動 直流伺服電機調速方便，90年代以前（交流在性能成本方面不占優(yōu)）大量使用。但直流伺服電機的容量小、結構復雜、有電刷、體積大和重量重，因此，其應用受到限制。隨著交流伺服驅動性價比提高，交流伺服驅動電機已漸漸取代了直流伺服電機。1. 交流伺服電機的種類、結構及工作原理（1） 交流伺服電機的種類及特點 交流伺服電機有同步型和異步型兩大類。異步型交流電機指的是交流感應電機。同步型交流電機按轉子結構不同可分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應式多種。數(shù)控機床中多用永磁式同步電機。 異步型交流

46、伺服電機：優(yōu)點：與同容量的直流電機相比重量輕（1/2），價格便宜(1/3)；缺點：轉速受負載的變化影響較大，不能經濟地實現(xiàn)范圍較廣的平滑調速，效率較低、功率因數(shù)低應用：主軸驅動系統(tǒng)。 永磁式同步電機：優(yōu)點：比直流電機結構簡單、運行可靠、體積約小1/2，質量減輕60，轉子慣量可減小到1/5、 效率高。缺點：啟動特性欠佳、控制復雜應用：進給驅動（2）交流永磁同步電機的工作原理與特性 結構：電機由定子、轉子和檢測元件組成。VSVS脈沖編碼器轉子定子接線盒定子三相繞組nrns60f1p ns同步轉速， 轉子磁極的軸線與定子磁極的軸線夾角，nr轉子旋轉轉速，f1交流電源頻率（定子供電頻率），p定子和轉子

47、的極對數(shù) nSNns nr S通過調節(jié)頻率和極對數(shù)實現(xiàn)調速。2. 交流同步電機的變頻調速原理 交流電機的電動勢方程、轉矩方程：U1 定子每相相電壓；E1 定子每相繞組感應電動勢； N1 定子每相繞組匝數(shù)；K1 定子每相繞組匝數(shù)系數(shù)； 每極氣隙磁通量；Tm電機電磁轉矩；Ia 轉子電樞電流； 轉子電樞電流的相位角。 在變頻調速的同時，要求供電電壓也隨之變化，即滿足U1/ f1為定值，以確保磁通量不變。 因為變頻調速時，當U1不變，增加頻率f1，則磁通量減小，導致電機輸出轉矩Tm下降。電機負載能力降低；若減小頻率f1，磁通量增加，定子電流上升，導致鐵損增加。 變頻調速控制方式：基頻以下調速當電機在f

48、1的額定參數(shù)下運行時，供電頻率低于額定值?；l以上調速當電機在f1的額定參數(shù)上運行時，供電頻率高于額定值。3交流同步伺服電機的變頻器變頻器將交流恒壓恒頻的供電電源轉變?yōu)樽儔鹤冾l的供電電源。變頻調速的主要環(huán)節(jié)：為交流電機提供變頻電源的變頻器。（1）變頻器類型 變頻器可分為交交變頻器（直接變頻器）和交直交變頻器（間接變頻器）兩種。 應用最多的是交直交變頻器。 根據(jù)變頻電源的性質，又可分為電壓源變頻器和電流源變頻器。交交變頻： 利用可控硅整流器直接將工頻交流電（頻率50Hz）變成頻率較低的脈動交流電，正組輸出正脈沖，反組輸出負脈沖，脈動交流電的基波就是所需的變頻電壓。 該方法所得的交流電波動比較大，

49、且最大頻率即為變頻器輸入的工頻電壓頻率。(a) 交交變頻 (b) 交直交變頻交直交變頻： 先將交流電整流成直流電，然后將直流電壓變成矩形脈沖波電壓，矩形脈沖波的基波是所需的變頻電壓。 該調頻方式所得交流電的波動小，調頻范圍比較寬，調節(jié)線性度好。（2）正弦波脈沖調制（SPWM）逆變器 脈寬調制（PWM）變頻是通過脈沖信號控制逆變器開關元件的導通和關斷時間比（即調節(jié)脈沖的寬度）來控制輸出電壓的大小和頻率，從而實現(xiàn)調速。正弦脈寬調制（SPWM）是利用有正弦波特性的脈沖信號去控制逆變器開關元件的通、斷時間比。此時，變頻器輸出近似于正弦波的電流，使得電機電源近似為正弦交流電。SPWM變頻器是目前數(shù)控機床

50、應用最廣泛的變頻器。SPWM原理 單相調制原理正弦脈寬調制（SPWM）波形:與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波。等效原理：把正弦波分成n等分，每一區(qū)間面積用與其相等的等幅不等寬的矩形面積代替。正弦波的正負半周均如此處理。uttuOOa)b)三相SPWM變頻器的主回路結構圖整流器：將三相工頻交流電變成直流電逆變器：將整流輸出的直流電壓變成三相交流電 (2)永磁同步交流伺服電機矢量控制變頻調速系統(tǒng)矢量變換控制的基本思想實質上就是通過數(shù)學變換把三相交流電動機的定子電流分解為兩個分量，一個用來產生旋轉磁動勢的勵磁分量 id , 另個用來產生電磁轉矩的轉矩分量 iq 。 4、交流主軸電機控制單元

51、為了實現(xiàn)對交流主軸電動機的高精度和高性能的控制，目前大多數(shù)數(shù)控機床的交流主軸控制采用矢量控制變頻調速的方法，正弦控制波可以由矢量變換控制原理來獲得。(1)三相A、B、C系統(tǒng)變換到兩相、系統(tǒng)這種變換是將三相交流電機變?yōu)榈刃У亩嘟涣麟姍C。(2)矢量旋轉變換 將三相電機轉化為二相電機后，還需將二相交流電機變換為等效的直流電機。其實質就是矢量向標量的轉換，是靜止的直角坐標系向旋轉的直角坐標系的轉換。 （3） 直角坐標與極坐標的變換 矢量控制中，還要用到直角坐標系與極坐標系的變換。(4)交流主軸電機的矢量控制交流主軸電動機矢量控制SPWM變頻調速系統(tǒng)原理圖6.5 直線電機概述直線電動機的實質是把旋轉電

52、動機沿徑向剖開，然后拉直演變而成，利用電磁作用原理，將電能直接轉換成直線運動動能的一種推力裝置，是一種較為理想的驅動裝置。在機床進給系統(tǒng)中，采用直線電動機直接驅動與旋轉電動機的最大區(qū)別是取消了從電動機到工作臺之間的機械傳動環(huán)節(jié)，把機床進給傳動鏈的長度縮短為零。正由于這種傳動方式，帶來了旋轉電動機驅動方式無法達到的性能指標和優(yōu)點。直線電機直接驅動工件臺直線運動。取消了從電機到工作臺（拖板）之間的機械中間傳動環(huán)節(jié)，即把機床進給傳動鏈的長度縮短為零，故這種傳動方式又稱為“直接驅動”，也稱“零傳動”。適用于進給驅動速度高于60m/min以上，加速度1g以上的高速數(shù)控機床。優(yōu)點：l 電機慣量小，系統(tǒng)響應快、速度高，速度和加速度都可提高10倍以上（700m/min，40G）。l 運動更加平穩(wěn)、噪聲低、傳動效率高，動態(tài)剛度高。l 可設計成均布對稱，工作臺運動時受力均勻分布，運動推力平衡l 可無限延長定子的行程，運動的行程不受限制l 并可在全行程上安裝使用多個工作臺缺點：l 沒有機械聯(lián)接或嚙合，垂直軸傳動需要外加一個平衡塊或制動器l 磁鐵對電機部件的吸力很大，需解決防護、隔磁問題感應式直線電機的演變： 永磁式直線電機的演變： 旋轉電機演變?yōu)閳A筒型直線電機的過程 弧型直線電機 圓盤型直線電機 2.直線電機的基本工作原理 直線電機不僅在結構上相當于是從旋轉電機演變而來的，而且其工