第七章 數(shù)控機床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)

第七章數(shù)控機床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)7-1概述7-2步進(jìn)電動機及其驅(qū)動系統(tǒng)7-3直流伺服電動機及其速度控制7-4交流伺服電動機及其速度控制7-5主軸驅(qū)動7-6位置控制立式銑床

§7-1

概述主軸電機伺服電機刀庫刀具定位電機機械手旋轉(zhuǎn)定位電機帶制動器伺服電機加工中心伺服驅(qū)動系統(tǒng)（ServoSystem)CNC系統(tǒng)驅(qū)動電機檢測裝置控制信號反饋信號光柵尺伺服驅(qū)動系統(tǒng)一、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的定義

伺服系統(tǒng)是一種以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。

CNC裝置是數(shù)控機床的“大腦”，“指揮機構(gòu)”伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的“四肢”，

“執(zhí)行機構(gòu)”。

伺服系統(tǒng)的組成

檢測裝置：感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器、光柵、脈沖編碼器等。驅(qū)動電機：步進(jìn)電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機數(shù)控加工與傳統(tǒng)加工的比較本質(zhì)區(qū)別由人操作，機床進(jìn)給系統(tǒng)能保證切削過程繼續(xù)進(jìn)行，不能控制執(zhí)行件的位移和軌跡.由CNC裝置按照零件程序完成零件的加工。能精確地控制執(zhí)行件的速度、方向、和位置，且可使幾個執(zhí)行件按一定的運動規(guī)律合成軌跡。二、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的分類1、按伺服系統(tǒng)控制方式分開環(huán)系統(tǒng)

步進(jìn)電機，無位置反饋，投資低，精度低閉環(huán)系統(tǒng)直接測量實際位移進(jìn)行反饋，精度高半閉環(huán)系統(tǒng)間接測量位移進(jìn)行反饋，精度低于閉環(huán)2、按控制對象和使用目的不同分進(jìn)給伺服系統(tǒng)控制各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運動主軸驅(qū)動伺服系統(tǒng)控制主軸的旋轉(zhuǎn)運動輔助伺服系統(tǒng)控制刀庫、料庫等輔助系統(tǒng)的運動，多采用建議的位置控制。二、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的分類（續(xù)）3、按反饋比較控制方式分脈沖比較伺服系統(tǒng)相位比較伺服系統(tǒng)幅值比較伺服系統(tǒng)全數(shù)字伺服系統(tǒng)。4、按所用驅(qū)動元件的類型分步進(jìn)電動機驅(qū)動系統(tǒng)直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)直線電動機驅(qū)動系統(tǒng)三、數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)的要求高精度要求定位準(zhǔn)確（定位誤差持別是重復(fù)定位誤差要?。?，跟隨精度高（跟隨誤差?。?。一般定位精度要求達(dá)到mm級，高的達(dá)0.01~0.005mm。靈敏度高，響應(yīng)快提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量，一般電機升降速過渡過程，時間在0.2s以下。另外，當(dāng)負(fù)載突變時，要求速度的恢復(fù)時間短，且無振蕩，這樣才能得到光滑的加工表面。調(diào)速范圍寬保證在任何情況下都能得到最佳切削條件和加工質(zhì)量，一般要求調(diào)速范圍：最低轉(zhuǎn)速/最高轉(zhuǎn)速=1/1000~1/10000，且通常是無級調(diào)速。低速大轉(zhuǎn)矩一般是在低速進(jìn)行重切削，所以在低速時進(jìn)給驅(qū)動要有大的轉(zhuǎn)矩輸出。可靠性高對環(huán)境的適應(yīng)性強，性能穩(wěn)定，使用壽命長。開環(huán)伺服系統(tǒng)☆開環(huán)伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機作為驅(qū)動元件；☆沒有位置反饋回路和速度反饋回路；☆設(shè)備投資低，調(diào)試維修方便，但精度差，高速扭矩?。弧钣糜谥?、低檔數(shù)控機床及普通機床改造。

閉環(huán)伺服系統(tǒng)☆閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置安裝在機床的工作臺上；

☆檢測裝置構(gòu)成閉環(huán)位置控制。

☆閉環(huán)方式被大量用在精度要求較高的大型數(shù)控機床上。

半閉環(huán)伺服系統(tǒng)☆位置檢測元件安裝在電動機軸上或絲杠上，用以精確控制電機的角度，為間接測量；☆坐標(biāo)運動的傳動鏈有一部分在位置閉環(huán)以外，其傳動誤差沒有得到系統(tǒng)的補償；☆半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低于閉環(huán)系統(tǒng)?！钸m用于精度要求適中的中小型數(shù)控機床。

§7-2

步進(jìn)電動機及其驅(qū)動系統(tǒng)

步進(jìn)電動機主要用于開環(huán)位置控制系統(tǒng)。它由步進(jìn)電動機驅(qū)動電源和步進(jìn)電動機組成，沒有反饋環(huán)節(jié)。這種系統(tǒng)較簡單，控制較容易，維修也較方便，而且為全數(shù)字化控制。

由于開環(huán)系統(tǒng)精度不高，且步進(jìn)電動機的功率和速度不高，因此步進(jìn)電動機驅(qū)動系統(tǒng)僅用于小容量、加工速度低、脈沖當(dāng)量和精度不太高的場合，如經(jīng)濟型數(shù)控機床和電加工機床、計算機的打印機、繪圖儀等設(shè)備。一、步進(jìn)電動機1.步進(jìn)電動機的分類(1)按運動方式分：旋轉(zhuǎn)式、直線運動式、平面運動式和滾切運動式。(2)按工作原理分：反應(yīng)式(磁阻式)、電磁式、永磁式、永磁感應(yīng)子式(混合式)。(3)按結(jié)構(gòu)分：單段式(徑向式)、多段式(軸向式)，印刷繞組式(4)按相數(shù)分：三相、四相、五相、六相和八相等。(5)按使用頻率分：高頻步進(jìn)電動機和低頻步進(jìn)電動機。2.步進(jìn)電動機的控制原理

步進(jìn)電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電動機。

位移量的控制

向步進(jìn)電動機送一個控制脈沖，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個角度或移動一個直線位移，稱為一步；脈沖數(shù)增加，角位移(或線位移)隨之增加，即脈沖數(shù)決定位移量。進(jìn)給速度的控制脈沖頻率高，則步進(jìn)電動機的旋轉(zhuǎn)速度就高，反之則低，即脈沖頻率決定進(jìn)給速度。運動方向的控制

改變分配脈沖的相序，實現(xiàn)步進(jìn)電動機的正、反轉(zhuǎn)，從而改變運動方向。

與一般交流和直流電動機所不同的是，步進(jìn)電動機定子繞組所加的電源形式為脈沖電壓，而不是正弦電壓或者恒定直流電壓。3.反應(yīng)式步進(jìn)電動機

極與極之間的夾角為60°，每個定子磁極上均勻分布了五個齒，齒槽距相等，齒距角為9°。轉(zhuǎn)子鐵心上無繞組，只有均勻分布的40個齒，齒槽距相等，齒距角為360°/40＝9°。繞組定子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心（1）反應(yīng)式步進(jìn)電動機的結(jié)構(gòu)

單段式三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機的結(jié)構(gòu)：定子鐵心上有六個均勻分布的磁極，沿直徑相對兩個極上的線圈串聯(lián)，構(gòu)成一相勵磁繞組。（2）反應(yīng)式步進(jìn)電動機的工作原理

按電磁吸引的原理工作的。必須抓住兩點：磁力線力圖走磁阻最小的路徑，從而產(chǎn)生反應(yīng)力矩各相定子齒之間彼此錯齒1/m齒距，m為相數(shù)

幾個概念的含義：“拍”——定子相繞組每改變一次通電狀態(tài)，稱為“一拍”?！皢巍薄钢挥幸幌嗬@組通電?！半p”——指有兩相繞組同時通電。步進(jìn)電機工作原理“單三拍”供電方式的步進(jìn)電動機的工作原理：

第一拍：A相勵磁繞組通電，B、C相勵磁繞組斷電。A相定子磁極的電磁力要使相鄰轉(zhuǎn)子齒與其對齊(使磁阻最小)，B相和C相定、轉(zhuǎn)子錯齒分別為1/3齒距(3°)和2/3齒距(6°)。第二拍：B相繞組通電，A、C相繞組斷電。電磁反應(yīng)力矩使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動3°，與B相的定子齒對齊，此時A、C相的定、轉(zhuǎn)子齒互相錯開。第三拍：C相繞組通電，A、B相繞組斷電。電磁反應(yīng)力距又使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動了3°，與C相定子齒對齊，同時A相、B相定、轉(zhuǎn)子齒錯開

重復(fù)通電順序，ABCA……單三拍步進(jìn)電動機的反轉(zhuǎn)若定子繞組通電順序為ACBA……，則電動機轉(zhuǎn)子就逆時針方向旋轉(zhuǎn)起來，其步距角仍為3°。

單三拍步進(jìn)電動機的步距角

重復(fù)單三拍的通電順序，ABCA……，步進(jìn)電機就順時針方向旋轉(zhuǎn)起來，對應(yīng)每個指令脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一固定角度3°(步距角)。單三拍通電控制方式的缺點

由于每拍只有一相繞組通電，在切換瞬間可能失去自鎖力矩，容易失步。而且，只有一相繞組通電吸引轉(zhuǎn)子，易在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩。因此，單三拍通電控制方式，工作穩(wěn)定性差，一般較少采用。若定子繞組的通電順序為ABBCCAAB……，則步進(jìn)電動機的轉(zhuǎn)子就逆時針方向轉(zhuǎn)動。

雙三拍工作方式

采用雙三拍通電控制方式，能克服單三拍工作的缺點。若定子繞組的通電順序為

ABBCCAAB……，則步進(jìn)電動機的轉(zhuǎn)子就順時針方向轉(zhuǎn)動，從一個磁場最強處走到了另一個磁場最強處，故其步距角仍為3°。

若通電順序為：AACCBCBABA……則步進(jìn)電動機的轉(zhuǎn)子就逆時針方向運動，步距角仍為1.5°。三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半；在切換時，保持一相繞組通電，工作穩(wěn)定，比雙三拍增大了穩(wěn)定區(qū)。所以三相步進(jìn)電動機常采用這種控制方式。三相六拍工作方式

通電順序：AABBBCCCAA……

每切換一次，步進(jìn)電動機就順時針方向轉(zhuǎn)動1.5°，步距角減小一半。原因是：當(dāng)由A相切換到AB相通電時，A相定子磁極力圖不讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，而保持與其定子齒對齊，而B相定子磁極的電磁反應(yīng)力矩也力圖使其順時針轉(zhuǎn)動3°，與B相定子齒對齊，此時，轉(zhuǎn)子齒與A相、B相定子齒均未對齊，此位置是A相、B相定子合成磁場的最強方向，即轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動1.5°。4.永磁式步進(jìn)電動機

工作原理：轉(zhuǎn)子或定子的一方具有永久磁鋼，另一方有軟磁材料制成，由繞組輪流通電產(chǎn)生的磁場與永久磁鋼相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

特點：步距角大，內(nèi)阻較大，效率高斷電后有一定的定位轉(zhuǎn)矩。5.混合式步進(jìn)電動機（永磁感應(yīng)子式）

定子結(jié)構(gòu)與反應(yīng)式基本相同，轉(zhuǎn)子由環(huán)形磁鋼及兩段鐵心組成。兼有以上兩種的主要優(yōu)點，是步進(jìn)電動機的新產(chǎn)品。二、反應(yīng)式步進(jìn)電動機主要性能指標(biāo)及選擇1.步距角步進(jìn)電動機每步的轉(zhuǎn)角稱為步距角，計算公式：

式中m—步進(jìn)電動機相數(shù)

Z—轉(zhuǎn)子齒數(shù)

K—控制方式系數(shù)，K=拍數(shù)p/相數(shù)m

廠家對于每種步進(jìn)電動機給出兩種步距角，彼此相差一倍。大步距角系指控制供電拍數(shù)與相數(shù)相等時的步距角；小步距角系指供電拍數(shù)是相數(shù)兩倍時的步距角。θ＝(°)

步距角的選擇：

根據(jù)總體方案要求，綜合考慮，通過下式進(jìn)行：

式中δ—脈沖當(dāng)量

S—絲杠螺距(mm)

θ—步距角

—電動機與絲杠間的齒輪傳動減速比δ＝(mm/脈沖)如果步進(jìn)電動機的步距角θ和絲杠螺距S(基本導(dǎo)程)不能滿足脈沖當(dāng)量δ的要求時，應(yīng)在步進(jìn)電動機與絲杠之間加入齒輪傳動，用減速比來滿足δ的要求。2.最大靜轉(zhuǎn)距Tjmax

(N·m)

靜態(tài)：當(dāng)步進(jìn)電動機不改變通電狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子處在不動狀態(tài)。靜態(tài)轉(zhuǎn)距：如果在電動機軸上外加一個負(fù)載轉(zhuǎn)距，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個角度θe，這時轉(zhuǎn)子受的電磁轉(zhuǎn)距T。

矩角特性：描述靜態(tài)時電磁轉(zhuǎn)距T與θe之間的關(guān)系曲線。

在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，當(dāng)外加轉(zhuǎn)距去除時，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)距作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點位置(θe＝0)。ππ/20-π-π/2靜穩(wěn)定區(qū)不穩(wěn)定平衡點穩(wěn)定平衡點不穩(wěn)定平衡點TθeTjmax最大靜轉(zhuǎn)距Tjmax

的選擇負(fù)載轉(zhuǎn)矩

F——切削力（N）

w——工作臺及工件重量（kg）

m——摩擦系數(shù)

h——效率

i——減速比

TF應(yīng)滿足

TF=（0.2~0.4）Tjmax

起動頻率fq

的選擇

先計算電機軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量：式中J1、J2——齒輪的轉(zhuǎn)動慣量(N·m·s2)；J3——絲杠的轉(zhuǎn)動慣量

d——沖當(dāng)量(mm／脈沖)。然后進(jìn)行負(fù)載啟動頻率fqF

的估算；式中fq——空載啟動頻率(Hz)，T——由矩頻特性決定的力矩(Nm)J——電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量(N·m·s2)。依照機床要求的啟動頻率fqF

，可選擇fq3.空載起動頻率fq

（步/s）

空載時步進(jìn)電動機由靜止突然起動，進(jìn)入不丟步的正常運行的最高頻率。是衡量步進(jìn)電動機快速性能的重要技術(shù)數(shù)據(jù)。起動頻率要比連續(xù)運行頻率低得多，這是因為步進(jìn)電動機起動時，既要克服負(fù)載力矩，又要克服運轉(zhuǎn)部分的慣性矩，電動機的負(fù)擔(dān)比連續(xù)運轉(zhuǎn)時重。步進(jìn)電動機帶負(fù)載的起動頻率比空載的起動頻率要低。4.起動矩頻特性描述步進(jìn)電動機起動頻率與負(fù)載力矩的關(guān)系曲線。當(dāng)步進(jìn)電動機帶著一定的負(fù)載轉(zhuǎn)距起動時，作用在電動機軸上的加速轉(zhuǎn)矩為電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之差。負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，加速轉(zhuǎn)矩就越小，電動機就不易轉(zhuǎn)起來。因此，其起動頻率隨著負(fù)載的增加而下降。Tf5.空載運行頻率fmax

（步/s）

步進(jìn)電動機在空載起動后，能不丟步連續(xù)運行的最高脈沖重復(fù)頻率稱做空載運行頻率fmax。它也是步進(jìn)電動機的重要性能指標(biāo)，對于提高生產(chǎn)率和系統(tǒng)的快速性具有重要意義。

fmax

應(yīng)能滿足機床工作臺最高運行速度。6.運行矩頻特性

運行矩頻特性T＝f(F)是描述步進(jìn)電動機連續(xù)穩(wěn)定運行時，輸出轉(zhuǎn)矩T與連續(xù)運行頻率之間的關(guān)系。它是衡量步進(jìn)電動機運轉(zhuǎn)時承載能力的動態(tài)性能指標(biāo)。Tf三、步進(jìn)電動機驅(qū)動電源

1.作用發(fā)出一定功率的電脈沖信號，使定子勵磁繞組順序通電。

2.基本要求（1）電源的基本參數(shù)與電動機相適應(yīng)；（2）滿足步進(jìn)電動機起動頻率和運行頻率的要求；（3）抗干擾能力強，工作可靠；（4）成本低，效率高，安裝維修方便。

3.組成由環(huán)形分配器和功率放大器組成。（1）

環(huán)形分配器

主要功能是將CNC裝置的插補脈沖，按步進(jìn)電動機所要求的規(guī)律分配給步進(jìn)電動機驅(qū)動電源的各相輸入端，以控制勵磁繞組的導(dǎo)通或關(guān)斷。同時由于電動機有正反轉(zhuǎn)要求，所以環(huán)形分配器的輸出是周期性的，又是可逆的。

硬件環(huán)形分配器根據(jù)步進(jìn)電機的相數(shù)和控制方式設(shè)計的真值表或邏輯關(guān)系式，采用邏輯門電路和觸發(fā)器來實現(xiàn)。一般由與非門和J－K觸發(fā)器組成。常用的是專用集成芯片或通用可編程邏輯器件組成的環(huán)形分配器。

軟件環(huán)形分配器按步進(jìn)電動機的要求編制不同的軟環(huán)分程序，存入EPROM中。軟件環(huán)形分配器舉例

對于三相六拍環(huán)形分配器，每當(dāng)接收到一個進(jìn)給脈沖指令，環(huán)形分配器軟件根據(jù)下表所示真值表，按順序及方向控制輸出接口將A、B、C的值輸出即可。如果上一個進(jìn)給脈沖到來時，控制輸出接口輸出的A、B、C的值是

100，則對于下一個正向進(jìn)給脈沖指令，控制輸出接口輸出的值是110，再下一個正向進(jìn)給脈沖，應(yīng)是010，而使步進(jìn)電機正向地旋轉(zhuǎn)起來。

實現(xiàn)較為簡單，靈活方便。

三相六拍環(huán)形分配器真值表

兩坐標(biāo)步進(jìn)電機伺服進(jìn)給系統(tǒng)

x向和Z向步進(jìn)電機的三相定子繞組分別為A、B、C相和abc相，分別經(jīng)各自的放大器、光電耦合器與計算機的PIO(并行輸入／輸出接口)的PA0一PA5相連。（2）功率驅(qū)動器（功率放大電路）

將環(huán)形分配器輸出的脈沖信號放大，以用足夠的功率來驅(qū)動步進(jìn)電動機。最早的功率驅(qū)動器采用單電壓驅(qū)動電路，后來出現(xiàn)了雙電壓(高電壓)驅(qū)動電路、斬波電路、調(diào)頻調(diào)壓和細(xì)分電路等。

并串接一電阻Rc，為了減小回路的時間常數(shù)，電阻Rc并聯(lián)一電容C，從而提高電機的快速響應(yīng)能力和啟動性能。續(xù)流二極管VD和阻容吸收回路RC，是功率管VT的保護線路。

單電壓驅(qū)動電路的優(yōu)點是線路簡單，缺點是電流上升不夠快，高頻時帶負(fù)載能力低。

單電壓驅(qū)動電路

圖中L為步進(jìn)電機勵磁繞組的電感，Ra為繞組電阻，高低壓驅(qū)動電路

其特點是供給步進(jìn)電機繞組有兩種電壓：一種是高電壓U1，由電機參數(shù)和晶體管特性決定，一般在80v至更高范圍，另一種是低電壓U2，即步進(jìn)電機繞組額定電壓，一般為幾伏，不超過20v。高壓U1，以提高繞組中電流上升率，當(dāng)電流達(dá)到規(guī)定值時、VT1關(guān)斷、VT2仍然導(dǎo)通，則自動切換到低壓U2。該電路的優(yōu)點是在較寬的頻率范圍有較大的平均電流，能產(chǎn)生較大且穩(wěn)定的平均轉(zhuǎn)矩，其缺點是電流波頂有凹陷，電路較復(fù)雜。斬波驅(qū)動電路

可以克服高低壓驅(qū)動電路的波頂?shù)陌枷菰斐筛哳l輸出轉(zhuǎn)矩的下降，使勵磁繞組中的電流維持在額定值附近。

工作原理：環(huán)形分配器輸出的正脈沖將VT1、VT2導(dǎo)通，由于U1電壓較高，繞組回路又沒串電阻，所以繞組電流迅速上升，當(dāng)繞組電流上升到額定值以上的某一數(shù)值時，由于采樣電阻Re的反饋作用，經(jīng)整形、放大后送至VT1的基極，使VT1管截止。接著繞組由U2低壓供電，繞組中的電流立即下降，但剛降到額定值以下時，由于采樣電阻Re的反饋作用，使整形電路無信號輸出，此時高壓前置放大電路又使VT1導(dǎo)通，電流又上升。如此反復(fù)進(jìn)行，形成一個在額定電流值上下波動呈鋸齒狀的繞組電流波形，近似恒流。三種驅(qū)動電路的電流波形比較§7-3直流伺服電動機及其速度控制一、直流伺服電動機伺服電動機是指能夠精密地控制其位置的一種電動機。直流伺服電動機是伺服電動機的一種。1.直流伺服電動機分類及結(jié)構(gòu)特點

永磁直流伺服電動機無槽轉(zhuǎn)子直流伺服電動機空心杯轉(zhuǎn)子直流伺服電動機印刷繞組直流伺服電動機后三種直流伺服電動機為小慣量直流伺服電動機。

直流伺服電動機的組成

電動機本體

主要由機殼、定子磁極和轉(zhuǎn)子組成。

檢測部件

有高精度的測速發(fā)電機、旋轉(zhuǎn)變壓器以及脈沖編碼器等。特點小慣量直流伺服電動機慣量小，響應(yīng)速度快，但過載能力低。永磁直流伺服電動機轉(zhuǎn)矩大，慣量大，穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍寬。但有電刷，限制速度的提高（1000~1500r/min）。2.直流伺服電動機的工作原理與調(diào)速方法

（1）工作原理

與一般直流電動機的工作原理相同，是建立在電磁力和電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上的。如圖（a）所示，直流電流從電刷A流入，經(jīng)過線圈abcd，從電刷B流出，載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如圖（b）所示的位置，電刷A和換向片2接觸，電刷B和換向片1接觸，直流電流從電刷A流入，在線圈中的流動方向是dcba，從電刷B流出。此時載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。（2）直流伺服電機的速度控制原理

MEaUФuf

他勵直流電動機

轉(zhuǎn)子回路的電勢平衡方程：

Ea＝U－RaIa式中Ra—轉(zhuǎn)子回路電阻(Ω)

Ia—轉(zhuǎn)子回路電流(A)感應(yīng)電動勢Ea可由下式求得

Ea＝CeФn式中Ce—電機械常數(shù)

Ф—勵磁磁通(Wb)n—電動機轉(zhuǎn)速(r/min)由上兩式可得－n＝電動機的電磁轉(zhuǎn)矩Te(N?m)為

Te＝CTФIa

式中CT—轉(zhuǎn)矩系數(shù)，是電動機的結(jié)構(gòu)常數(shù)。所以可得電動機轉(zhuǎn)速－n＝＝n0－Δn式中n0—理想空載轉(zhuǎn)速

Δn—轉(zhuǎn)速降落根據(jù)上式可知，他勵直流電動機有三種調(diào)速方法，即改變外加電壓、改變勵磁磁通及改變轉(zhuǎn)子回路電阻調(diào)速。－n＝＝n0－Δn根據(jù)上式：勵磁磁通不可變，只有二種調(diào)速方法，而改變轉(zhuǎn)子回路電阻一般不能滿足要求，通常采用改變轉(zhuǎn)子回路外加電壓的調(diào)速方法。這種調(diào)速方法是從額定電壓往下降低轉(zhuǎn)子電壓，即從額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)速。該種調(diào)速方法屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，機械特性是一組斜率不變的平行直線，特性比較硬，且調(diào)速范圍寬。另外，這種調(diào)速方法是用減小輸入功率來減小輸出功率的，所以具有比較好的經(jīng)濟性。

永磁直流伺服電動機的調(diào)速方法3.永磁直流伺服電機的工作特性

對于永磁直流伺服電動機，由于其伺服系統(tǒng)的要求，已經(jīng)不能簡單地用電壓、電流、轉(zhuǎn)數(shù)等參數(shù)描述其性能，而需要用一些特性曲線對其性能做全面描述。轉(zhuǎn)矩—速度特性曲線從圖中可以得出，伺服電動機的工作區(qū)域被溫度極限線、轉(zhuǎn)速極限線、換向極限線、轉(zhuǎn)矩極限線以及瞬時換向極限線劃分成三個區(qū)域。瞬時換向極限線轉(zhuǎn)速極限線轉(zhuǎn)矩極限線換向極限線溫度極限線ⅡⅢⅠ05001000150020004000600080001000012000T/(N?cm)n/(r/min)瞬時換向極限線轉(zhuǎn)速極限線轉(zhuǎn)矩極限線換向極限線溫度極限線ⅡⅢⅠ05001000150020004000600080001000012000T/(N?cm)n/(r/min)

Ⅰ區(qū)域為連續(xù)工作區(qū)。在該區(qū)域中，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的任意組合都可長期連續(xù)工作。

Ⅱ區(qū)域為斷續(xù)工作區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，電動機只能根據(jù)負(fù)載周期曲線所決定的允許工作時間tR

和斷電時間tF

作間歇工作。

Ⅲ區(qū)域為加速和減速區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，電動機只能用于加速或減速，工作一段極短的時間。負(fù)載周期曲線

表示在滿足機械所需轉(zhuǎn)矩而又確保電動機不過熱，允許電動機的工作時間.圖中各條曲線為不同的過載倍數(shù)曲線.

橫坐標(biāo)為工作時間tR

(min)，縱坐標(biāo)為加載周期比。

d＝tR／(tR十tF)(％)

過載倍數(shù):tmd＝負(fù)載轉(zhuǎn)矩／連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩.

二、直流伺服電動機的速度控制1.晶閘管調(diào)速系統(tǒng)

利用晶閘管的單向?qū)щ娍煽匦?，輸出可控制的電壓；利用可控硅整流器提供直流電源；通過改變晶閘管觸發(fā)角，改變外加電壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。常采用兩種速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)：晶閘管調(diào)速系統(tǒng)晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)。單相可控硅整流器改變觸發(fā)角時的電樞電壓和電流波形例典型的雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)工作原理速度反饋的閉環(huán)系統(tǒng)由速度調(diào)節(jié)器對電動機的速度誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)電流反饋環(huán)節(jié)由電流調(diào)節(jié)器對電樞回路引起的滯后進(jìn)行補償，抑制主回路電流的變化2.PWM脈寬調(diào)制原理與系統(tǒng)

晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)(PWM)的調(diào)速性能優(yōu)于晶閘管調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能；而且，功率晶體管的功率、耐壓等都已有很大提高，現(xiàn)代數(shù)控機床的直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)中多采用晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)。原理：利用脈寬調(diào)制器，將直流電壓轉(zhuǎn)換成某一頻率的矩形波電壓，加到直流電動機的轉(zhuǎn)子回路兩端，通過對矩形波脈沖寬度的控制，改變轉(zhuǎn)子回路兩端的平均電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的目的。調(diào)速系統(tǒng)的組成：由控制電路、主回路及功率整流電路三部分組成。其中控制電路由速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器和脈寬調(diào)制器（包括固定頻率振蕩器、調(diào)制信號發(fā)生器、脈寬調(diào)制及基極驅(qū)動電路）組成。系統(tǒng)的核心部分是主回路和脈寬調(diào)制器。速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器脈寬調(diào)制基極驅(qū)動主回路整流u-++振蕩器電流反饋-UsrTGUsfPWM直流調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖++-+MTGUsf（1）主回路

即脈寬調(diào)制式開關(guān)功率放大器。開關(guān)功率放大器通常有兩種形式，即T形和H形。在PWM直流調(diào)速系統(tǒng)中，多采用H形開關(guān)功率放大器作為主回路。

H形開關(guān)功率放大器由四個大功率開關(guān)管和四個續(xù)流二極管構(gòu)成橋式電路。有單極性和雙極性兩種工作方式。單極性H形開關(guān)電路單極性開關(guān)電路，將兩個相位相反的脈沖信號分別加在VT1、VT2管的基極，VT3管的基極加截止控制電壓，VT4管的基極加飽和導(dǎo)通電壓。在0≤t＜t1區(qū)間，VT1管飽和導(dǎo)通，VT2管截止，由于VT4管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，電動機兩端A、B間電壓為＋Ed。

在t1≤t＜T區(qū)間，VT1管截止，VT2管飽和導(dǎo)通，由于VT3管始終處于截止?fàn)顟B(tài)，電動機兩端A、B間電壓為0。轉(zhuǎn)子繞組電感能量沿VT4、VD2通道釋放，維持轉(zhuǎn)子繞組電流繼續(xù)流通。要使電動機反轉(zhuǎn)，只要將VT3管基極加飽和導(dǎo)通電壓，VT4管加截止電壓即可。雙極性H形開關(guān)電路給VT3、VT4管基極也加脈沖控制電壓，并且保證ub1＝ub4，ub2＝ub3＝－ub1，就變成雙極性工作方式。在0≤t＜t1區(qū)間，VT1、VT4管飽和導(dǎo)通，電源電壓＋Ed加在電動機轉(zhuǎn)子繞組的A、B端、即uAB＝＋Ed。在t1≤t＜T區(qū)間，VT2、VT3管飽和導(dǎo)通，電源電壓＋Ed加在電動機轉(zhuǎn)子繞組的B、A端，即uAB＝－Ed。當(dāng)t1＞T/2時，加在A、B兩端的平均電壓大于零，電動機正轉(zhuǎn)。當(dāng)t1＜T/2時，加在A、B兩端的平均電壓小于零，電動機反轉(zhuǎn)。當(dāng)t1＝T/2時，加在A、B兩端的平均電壓等于零，電動機停轉(zhuǎn)。雙極性H形電路電樞電壓和電流波形。

(2)脈寬調(diào)制器

作用產(chǎn)生脈沖寬度可由控制信號調(diào)節(jié)的脈沖電壓?？刂菩盘枮閬碜噪娏髡{(diào)節(jié)器的電壓信號，是由CNC裝置插補器輸出的速度指令轉(zhuǎn)化而來的。組成主要由調(diào)制信號發(fā)生器和比較放大器組成。調(diào)制信號發(fā)生器

調(diào)制信號發(fā)生器通過自激振蕩的原理產(chǎn)生三角波或者鋸齒波。作為比較放大器的比較電壓uΔ。比較放大器三角波電壓uΔ與速度控制指令電壓uer比較后送入運算放大器。運算放大器輸出電壓的頻率與基準(zhǔn)三角波電壓的頻率一致，輸出電壓的脈沖寬度取決于速度控制指令電壓uer?？梢娺\算放大器的輸出是一個脈寬調(diào)制波，經(jīng)放大后與主回路四個功率開關(guān)管的基極相接。三角波發(fā)生器比較放大器uΔ三角波指令電壓uerub1ub2ub3ub4三角波發(fā)生器比較放大器脈寬調(diào)制波形圖

脈寬調(diào)制電路的工作原理(如下圖所示)：當(dāng)控制指令電壓uer＝0時，比較放大器輸出ub1、ub2、ub3、ub4的正負(fù)半波脈沖寬度相等。前半周期，VT1、VT3管飽和導(dǎo)通，VT2、VT4管截止；后半周期，VT2、VT4管飽和導(dǎo)通，VT1、VT3管截止。顯然，不會有電流流過電動機轉(zhuǎn)子繞組，uAB＝0。當(dāng)uer＞0時，ub1、ub2為(uΔ＋uer)產(chǎn)生的輸出，ub3、ub4為(uΔ－uer)產(chǎn)生的輸出。

①在0≤t＜t1時間區(qū)間，ub1、ub4為正電壓，VT1、VT4

管飽和導(dǎo)通，電流由電源的＋Ed經(jīng)VT1管、轉(zhuǎn)子繞組、VT4管到地。

②在t1≤t＜t2時間區(qū)間，ub2、ub4為負(fù)電壓，電流被切斷。此時，ub1為正電壓，VT1管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。轉(zhuǎn)子繞組電感能量經(jīng)VD3、VT1管釋放，維持轉(zhuǎn)子繞組電流。

③在t2≤t＜t3時間區(qū)間，與0≤t＜t1時間區(qū)間的情況相同。

④在t3≤t＜T時間區(qū)間，ub1、ub3為負(fù)電壓,VT1、VT3管截止，電流被切斷。此時，ub4為正電壓，VT4管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，轉(zhuǎn)子繞組電感能量經(jīng)VT4、VD2管釋放，維持轉(zhuǎn)子繞組電流。顯然，主回路工作在單極性工作方式下。uer增大，uAB的脈沖寬度變寬，加在電動機轉(zhuǎn)子繞組上電壓的平均值增大，電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速就上升。反之亦然。當(dāng)uer＜0時，uAB的極性改變，電動機反轉(zhuǎn)。以上就是晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速(PWM)的整個過程。

§7-4交流伺服電動機及其速度控制直流伺服電動機具有優(yōu)良的調(diào)速性能，但直流伺服電動機的電刷和換向器容易磨損，需要經(jīng)常維護；由于換向器換向時會產(chǎn)生火花而使最高轉(zhuǎn)速受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受到限制；直流伺服電動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難，成本高。自20世紀(jì)80年代中期以來，以交流伺服電動機作為驅(qū)動元件的交流伺服系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，有逐漸代替直流伺服電機的趨勢。

§7-3交流伺服電動機及其速度控制一、交流伺服電動機二、永磁同步交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)三、永磁同步交流伺服電動機的工作原理四、同步交流伺服電動機的變頻調(diào)速五、直線電機一、交流伺服電動機交流伺服電動機分類異步型同步型同步型交流伺服電動機又分為永磁式和勵磁式。數(shù)控機床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中多采用永磁同步交流伺服電動機。2.永磁同步交流伺服電動機的特點：結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，效率較高調(diào)速方便由于它的轉(zhuǎn)速與所接電源頻率之間存在一種嚴(yán)格關(guān)系，所以可獲得與頻率成正比的可變速度，并且可以得到非常硬的機械特性及寬的調(diào)速范圍。缺點體積較大，起動較困難二、永磁同步交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)組成：定子、轉(zhuǎn)子和檢測元件。定子具有齒槽，內(nèi)有三相繞組，形狀與普通交流電動機的定子相同，但其外形多呈多邊形，且無外殼，利于散熱。轉(zhuǎn)子由多塊永久磁鐵和沖片組成。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是氣隙磁密較高，極數(shù)較多。三、永磁同步交流伺服電動機的工作原理定子三相繞組接上交流電源后，就會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，以同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的永久磁鐵磁極互相吸引，并帶著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。使轉(zhuǎn)子也以同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子加上負(fù)載轉(zhuǎn)矩之后，將造成定子磁場軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線不重合，其夾角為θ。若負(fù)載發(fā)生變化，θ角也跟著變化，但只要不超過一定的限度，轉(zhuǎn)子始終跟著定子的旋轉(zhuǎn)磁場以恒定的同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為

n＝ns＝60f/p(r/min)式中f—電源的頻率

p—磁極對數(shù)n永磁同步交流伺服電動機工作特性曲線：即轉(zhuǎn)矩—速度特性曲線T/Ncmn(r/min)特點：（與永磁直流伺服電動機相比）

Ⅰ為連續(xù)工作區(qū)

Ⅱ為斷續(xù)工作區(qū)機械特性更硬，其直線更接近水平線。斷續(xù)工作區(qū)的范圍更大。四、同步交流伺服電動機的變頻調(diào)速1.調(diào)速原理分析根據(jù)永磁同步交流伺服電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速公式

n＝ns＝60f/p(r/min)

可以通過改變電動機電源頻率f來調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。此法可以實現(xiàn)無級調(diào)速，能夠較好地滿足數(shù)控機床的要求。變頻調(diào)速的關(guān)鍵是設(shè)計能為電動機提供變頻電源的變頻器。2.變頻器交—交變頻器直接將固定頻率的交流電變換為另一種頻率的交流電。交—直—交變頻器先將電網(wǎng)交流電通過整流變?yōu)橹绷?，再?jīng)過電容或電感或電容、電感組合電路濾波后供給逆變器。逆變器輸出的是電壓和頻率可調(diào)的交流電。目前應(yīng)用比較多的是交—直—交變頻器，交—直—交變頻器中的逆變器有多種類型。數(shù)控機床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中所用電動機的容量都比較小，一般采用PWM逆變器。PWM逆變器的關(guān)鍵技術(shù)是PWM的調(diào)制方法?，F(xiàn)已研制出的調(diào)制方法有十余種之多，其中最基本、應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)制方法是SPWM(正弦波脈寬調(diào)制)3.SPWM（正弦波脈寬調(diào)制）（1）調(diào)制脈沖信號的形成：三角波為載波，由三角波發(fā)生器生成。正弦波為調(diào)制波，有電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生，其頻率和幅值可調(diào)兩波形交點決定逆變器U相VT1、VT4管的通斷時間，形成控制VT1、VT4管基極的調(diào)制脈沖信號。電路原理圖

（2）變頻器的工作原理調(diào)制波為正半周，當(dāng)正弦波高于三角波時，VT1導(dǎo)通、VT4關(guān)斷，使負(fù)載上得到的相電壓為uA=＋Ed/2；當(dāng)正弦波低于三角波時，VT1關(guān)斷、VD4續(xù)流二極管釋放能量，負(fù)載上的相電壓為uA=－Ed/2；實現(xiàn)雙極性調(diào)制。調(diào)制波為負(fù)半周，VT4導(dǎo)通、VT1關(guān)斷。逆變器輸出電壓為一組等幅、等距，但不等寬的脈沖系列，其脈寬按正弦分布（等效正弦電壓波）。通過改變調(diào)制波的幅值，可改變逆變器輸出電壓的幅值；通過改變調(diào)制波的頻率，可改變逆變器輸出基波的頻率。4.SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)五、直線電機1.直線電機的結(jié)構(gòu)和工作原理直線電機是指一種利用電磁作用原理，將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動動能的驅(qū)動裝置，是一種能實現(xiàn)往復(fù)直線運動的電動機。直線電機是從旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)化而來的。(1)直線電機的結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為直線電機是將旋轉(zhuǎn)電機沿其軸向剖開，然后將其定子和轉(zhuǎn)子展開，變成如圖所示的由定子和動子組成的直線電機。

在數(shù)控機床上實際使用的直線電機如左圖所示。(2)直線電機工作原理在旋轉(zhuǎn)電機中，當(dāng)三相繞組中通入三相對稱正弦電流后，會在氣隙中產(chǎn)生按正弦分布的旋轉(zhuǎn)磁場。與此類似，在直線電機中通入三相電流后，也會在氣隙中產(chǎn)生磁場，如果不考慮端部效應(yīng)，磁場在直線方向也呈正弦分布，只是這個磁場是平移而不是旋轉(zhuǎn)的，因此稱為行波磁場。行波磁場與次級相互作用便產(chǎn)生電磁推力，驅(qū)動動子沿定子作往復(fù)直線運動。這就是直線電機運行的基本原理。

2.直線電機的分類及特點

(1)直線電機的分類

按工作原理分類

與旋轉(zhuǎn)電機相對應(yīng)，直線電機有：直線直流電機、直線感應(yīng)電機、直線同步電機、直線磁阻電機、直線壓電電機等。按結(jié)構(gòu)形式分類

根據(jù)不同的使用場合，直線電機的結(jié)構(gòu)形式可分為：平板式、U形、圓筒式。圖中紅色為動子，藍(lán)色為定子。按性能參數(shù)分類

①高推力（高推力、大位移）直線電機：主要應(yīng)用在高速、高精數(shù)控機床、高速加工中心和并聯(lián)機床等；也可用于其他數(shù)控機械，如傳輸機械、冶金機械、紡織機械等；及其他高速、高精且需要高推力、大位移的場合，如飛行模擬器、彈射器，加速滑軌等。

②高響應(yīng)（高頻響、小位移）直線電機：主要應(yīng)用在往返頻率高、位移小、推力不高的各類精密機床，如非圓截面加工機床、高速磨床、電火花成型加工機床等；也可用于快速成形、圖像傳遞、光電醫(yī)療、激光加工等設(shè)備或裝置上的三維振鏡掃描動態(tài)聚焦系統(tǒng)；電子制造行業(yè)的裝備：插件機、線路板檢測和鉆孔、半導(dǎo)體行業(yè)：芯片加工、切片、連線、離子注入、光刻、芯片檢驗等裝備；計算機外圍驅(qū)備：X-Y繪圖機、高速打印機、掃描儀、數(shù)控坐標(biāo)測量儀、軟盤驅(qū)動設(shè)備等。（2）直線電機的特點取消了從電動機到工作臺之間的機械傳動環(huán)節(jié)，沒有機械接觸，傳動力是在氣隙中產(chǎn)生的，除了導(dǎo)軌外沒有其它摩擦；結(jié)構(gòu)簡單，體積小，以最少的零部件數(shù)量實現(xiàn)直線驅(qū)動，而且是只有一個運動的部件；理論上行程不受限制，而且性能不會因為行程的改變而受到影響；可以提供很寬的速度范圍，從每秒幾微米到數(shù)米，特別適于高速，加速度很大，最大可達(dá)10g；運動平穩(wěn)，這是因為除了起支撐作用的直線導(dǎo)軌或氣浮軸承外，沒有其它機械連接或轉(zhuǎn)換裝置的緣故；精度和重復(fù)精度高，因為消除了影響精度的中間環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的精度取決于位置檢測元件，有合適的反饋裝置可達(dá)亞微米級；維護簡單，由于部件少，運動時無機械接觸，從而大大降低了零部件的磨損，只需很少甚至無需維護，使用壽命更長。但端部磁場有畸變，控制難度大，安裝困難、需要隔磁、成本高等。

直線電動機的實質(zhì)把旋轉(zhuǎn)電動機沿徑向剖開，然后拉直演變而成，利用電磁作用原理，將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動動能的一種推力裝置，是一種較為理想的驅(qū)動裝置。與旋轉(zhuǎn)電動機的最大區(qū)別在機床進(jìn)給系統(tǒng)中，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(jìn)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(zhuǎn)電動機驅(qū)動方式無法達(dá)到的性能指標(biāo)和優(yōu)點。應(yīng)用前景由于直線電動機在機床中的應(yīng)用目前還處于初級階段，還有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)。隨著各相關(guān)配套技術(shù)的發(fā)展和直線電動機制造工藝的完善，直線電動機在機床進(jìn)給驅(qū)動中將會得到廣泛應(yīng)用。

3.直線電機的應(yīng)用§7-5

主軸驅(qū)動數(shù)控機床的主軸驅(qū)動不同于進(jìn)給驅(qū)動，主軸的工作運動通常為旋轉(zhuǎn)運動。主軸驅(qū)動的主要要求：輸出功率大2.2~250kw，結(jié)構(gòu)上不能采用永磁式寬的調(diào)速范圍1：100~1000恒轉(zhuǎn)矩，1：10恒功率調(diào)速主軸既能正轉(zhuǎn)、又能反轉(zhuǎn)，且能快速制動特殊要求如：加工螺紋，要求主軸驅(qū)動與進(jìn)給驅(qū)動實行同步控制；為了保證端面加工的光潔度，要求主軸驅(qū)動系統(tǒng)具有恒線速切削控制；在加工中心上，由于自動換刀的需要，要求主抽驅(qū)動系統(tǒng)具有高精度的停位控制；有的數(shù)控機床還要求主軸驅(qū)動系統(tǒng)具有角度控制功能等。分類

直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)早期的數(shù)控機床多采用直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)。

交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)自20世紀(jì)70年代末80年代初，在數(shù)控機床主軸驅(qū)動中開始采用交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)。現(xiàn)代數(shù)控機床多采用交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)。

一、直流主軸電動機及其速度控制1.直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)

與一般直流電動機一樣，只是為了減小轉(zhuǎn)動慣量而做得細(xì)長一些。它的勵磁繞組和電樞分別由兩個獨立電源供電。2.特性曲線

基本速度以下：恒轉(zhuǎn)矩范圍，用改變轉(zhuǎn)子繞組電壓調(diào)速?；舅俣纫陨希汉愎β史秶?，用控制定子激磁來調(diào)速。3.速度控制（直他激流伺服電動機）定子磁動勢：由勵磁電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)子反應(yīng)磁動勢：由轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩：由于被控制量電動機磁通f

和電樞電流Ia，互相獨立，其電磁轉(zhuǎn)矩與磁通和電樞電流分別成正比關(guān)系?？梢苑奖愕胤謩e進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此直流伺服電機具有優(yōu)良的調(diào)速性能。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速：用改變轉(zhuǎn)子繞組電壓調(diào)速。恒功率調(diào)速：用控制定子激磁來調(diào)速。直流主軸電動機雙域調(diào)速系統(tǒng)框圖二、交流主軸電動機及其速度控制1.交流主軸電動機的結(jié)構(gòu)

交流主軸電機多采用交流異步電機，很少采用永磁同步電機。主要因為永磁同步電機的容量做得不夠大，且電機成本較高。另外主軸驅(qū)動系統(tǒng)不象進(jìn)給系統(tǒng)那樣要求很高的性能，調(diào)速范圍也不要太大。因此，采用異步電機完全可以滿足數(shù)控機床主軸的要求，籠型異步電機多用在主軸驅(qū)動系統(tǒng)中。2.交流主軸電動機的工作原理與普通三相異步電動機同。據(jù)電機學(xué)知，交流異步電機的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：（r/min）

式中f1—定子電源頻率（Hz）；

p—磁極對數(shù)；

s—轉(zhuǎn)差率。由上式可知異步電機的調(diào)速方法，可以有變轉(zhuǎn)差率、變極對數(shù)及變頻三種?？扛淖冝D(zhuǎn)差率對異步電機進(jìn)行調(diào)速時，低速時轉(zhuǎn)差率大，轉(zhuǎn)差損耗功率也大，效率低。變極調(diào)速只能產(chǎn)生二種或三種轉(zhuǎn)速，不可能做成無級調(diào)速，應(yīng)用范圍較窄。變頻調(diào)速是從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，故它具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能，可以認(rèn)為是一種理想的調(diào)速方法。

當(dāng)略去定子阻抗壓降時，定子相電壓U1為

式中KE—電勢系數(shù)，KE＝4.44Kr1

N1。3.功率—速度特性曲線由上述分析可知改變頻率f1，可平滑調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速。但在實際調(diào)速時，只改變頻率是不夠的，現(xiàn)在來看一下變頻時電動機的機械特性的變化情況，由電機學(xué)知：

式中E1—感應(yīng)電勢；

Kr1—基波繞組系數(shù)；

N1—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；

Φm—每極氣隙磁通量。

由上式可見，定子電壓不變時，隨f1的上升，氣隙磁通fm將減小。又從轉(zhuǎn)矩公式

式中

CT—轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

I2—折算到定子上的轉(zhuǎn)子電流；

cos

y2—轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)?？梢钥闯?，f減小導(dǎo)致電機允許輸出轉(zhuǎn)矩Te下降，則電機利用率下降，電機的最大轉(zhuǎn)矩也將降低，嚴(yán)重時可能發(fā)生負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過最大轉(zhuǎn)矩，電機就帶不動了，即所謂堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。又當(dāng)電壓U1不變，減小f1時，f上升會造成磁路飽合，激磁電流會上升，鐵芯過熱，功率因數(shù)下降，電機帶負(fù)載能力降低。故在調(diào)頻調(diào)速中，要求在變頻的同時改變定子電壓U1，以維持f接近不變，由U1，f1不同的相互關(guān)系,而得出不同的變頻調(diào)速方式、不同的調(diào)速機械特性。

(1)

恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速

由轉(zhuǎn)子電流與主磁通作用而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩公式可知，T與φ、I2成正比。要保持T不變，即要求U1/f1為常數(shù)，可以近似地維持φ恒定。此時的機械特性曲線族如圖所示。由圖可見，保持U1/f1為常數(shù)進(jìn)行變頻調(diào)速時，這些特性曲線的線性段基本平行，類似直流電機的調(diào)壓特性。但最大轉(zhuǎn)矩Tm隨著f1下降而減小。這是因為f1高時，E1數(shù)值較大，此時定子漏阻抗壓降在U1中所占比例較小，可以認(rèn)為U1近似于定子繞組中感應(yīng)電勢E1。而當(dāng)f1相對很較低時，E1數(shù)值變小，U1值也變小，此時定子漏阻抗壓降在U1中所占比例增大，E1與U1相差很大，所以φ減小，從而使Tm下降。

(2)

恒最大轉(zhuǎn)矩（Tm）調(diào)速為了在低速時保持最大轉(zhuǎn)矩Tm不變，就必須采取E1/f1=常數(shù)的協(xié)調(diào)控制，顯然，這是一種理想的保持磁通恒定的控制方法。恒Tm調(diào)速的機械特性如圖所示。對應(yīng)于同一轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速降基本不變，即直線部分斜率不變，機械特性平行地移動。（3）

恒功率調(diào)速

為了擴大調(diào)速范圍，可以在額定頻率以上進(jìn)行調(diào)速。因電機繞組是按額定電壓等級設(shè)計的，超過額定電壓運行將受到繞組絕緣強度的限制，因此定子電壓不可能與頻率成正比地提高。若頻率上升，額定電壓不變，那么氣隙磁通φm將隨著f1的升高而降低。這時，相當(dāng)于額定電流時的轉(zhuǎn)矩也減小，特性變軟。如圖所示，隨著頻率增加，轉(zhuǎn)矩減少，而轉(zhuǎn)速增加，可得近似恒功率的調(diào)速特性。

4.交流主軸電動機的矢量變換控制矢量控制理論最先是在1971年由德國學(xué)者F.Blachke提出的。在伺服系統(tǒng)中，直流伺服電機具有優(yōu)良的調(diào)速性能，其根本原因是被控制量只有電機磁場f

和電樞電流Ia，且這兩個量是獨立的。其電磁轉(zhuǎn)矩與磁通和電樞電流分別成正比關(guān)系。交流主軸電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與磁通和轉(zhuǎn)子電流不是獨立的，磁通是由勵磁電流產(chǎn)生，勵磁電流是定子電流和轉(zhuǎn)子電流的合成電流。如果能夠模擬直流電機，求出交流電機與之對應(yīng)的磁場與電樞電流，分別而獨立地加以控制，就會使交流電機具有與直流電機近似的優(yōu)良特性。為此，必須將三相交變量（矢量）轉(zhuǎn)換為與之等效的直流量（標(biāo)量），建立起交流電機的等效模型，然后按直流電機的控制方法對其進(jìn)行控制。矢量控制的實質(zhì)

將交流電動機模擬成直流電動機，用對直流電動機的控制方法來控制交流電動機。其方法是以交流電動機轉(zhuǎn)子磁場定向，把定子電流分解成與轉(zhuǎn)子磁場力向相平行的磁化電流分量Id和相垂直的轉(zhuǎn)矩電流分量Iq

，分別對應(yīng)直流電動機中的勵磁電流If和電樞電流Ia

在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，分別對磁化電流分量、和轉(zhuǎn)矩電流分量進(jìn)行控制，以達(dá)到對實際的交流電動機速度控制的目的。（1）矢量變換控制原理

通過繞組等效來實現(xiàn)。圖a所示三相異步交流電機在空間上產(chǎn)生一個角速度為ωo的旋轉(zhuǎn)磁場f。如果用圖b中的兩套空間相差900的繞組α和β來代替，并通以兩相在時間上相差900的交流電流，使其也產(chǎn)生角速度為ω0的旋轉(zhuǎn)磁場f

，則可以認(rèn)為圖a和圖b中的兩套繞組是等效的。若給圖c所示模型上兩個互相垂直繞組d和q，分別通以直流電流id和iq，則將產(chǎn)生位置固定的磁場f

，如果再使繞組以角速度ω0旋轉(zhuǎn)，則所建立的磁場也是旋轉(zhuǎn)磁場，其幅值和轉(zhuǎn)速也與圖a一樣。圖a圖b圖c（2）矢量變換數(shù)學(xué)模型交流電動機三相/二相電動機變換三相A、B、C系統(tǒng)變換到兩相α、β系統(tǒng)。三相A、B、C繞組的作用，完全可以用在空間上互相垂直的兩個靜止的α、β繞組代替，并給兩相通以在時間上相差90°的交流平衡電流，使其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的幅值和角速度也分別為f

和ω0，則可以認(rèn)為圖a、b中的兩套繞組是等效的。圖a圖b圖c按照磁動勢與電流成正比關(guān)系，可求得對應(yīng)的電流值ia和ib

iB

iβ

600

iα

iA

600

iC

除磁動勢的變換外，變換中用到的其它物理量，只要是三相平衡量與二相平衡量，則轉(zhuǎn)換方式相同。這樣就將三相電機轉(zhuǎn)換為二相電機。應(yīng)用三相/二相的數(shù)學(xué)變換公式，將其化為二相交流繞組的等效交流磁場。其磁動勢為矢量旋轉(zhuǎn)變換

將三相電機轉(zhuǎn)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。若設(shè)圖中d為激磁繞組，通以激磁電流，q為電樞繞組，通以電樞電流，則產(chǎn)生固定幅度的磁場，在定子上以角速度ω0

旋轉(zhuǎn)。這樣就可看成是直流電機了。將二相交流電機轉(zhuǎn)化為直流電機的變換，實質(zhì)就是矢量向標(biāo)量的轉(zhuǎn)換，是靜止的直角坐標(biāo)系向旋轉(zhuǎn)的直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。即把、轉(zhuǎn)化為、，轉(zhuǎn)化條件是保證合成磁場不變。轉(zhuǎn)換公式為iβφβa

idiαiqθi1iβφβa

idiαiqθi1直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)的變換

矢量控制中，還要用到直角坐標(biāo)系與極坐標(biāo)系的變換。由和求，其公式為

采用矢量變換的感應(yīng)電機具有和直流電機一樣的控制特點，而且結(jié)構(gòu)簡單、可靠，電機容量不受限制，與同等直流電機相比機械慣量小，其前景非常可觀。iβφβa

idiαiqθi1矢量變換控制原理框圖§7-6位置控制一、脈沖比較伺服系統(tǒng)用脈沖比較的方法構(gòu)成閉環(huán)和半閉環(huán)控制。1.系統(tǒng)組成：采用光電編碼器產(chǎn)生位置反饋脈沖信號；實現(xiàn)指令脈沖與反饋脈沖的脈沖比較，以取得位置偏差信號；以位置偏差作為速度給定的伺服電機速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。位置控制按伺服系統(tǒng)分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)控制。本節(jié)介紹閉環(huán)和半閉環(huán)位置控制。2.脈沖比較伺服系統(tǒng)的閉環(huán)和半閉環(huán)的比較

脈沖比較伺服系統(tǒng)的閉環(huán)和半閉環(huán)的區(qū)別在檢測元件上的不同點：在半閉環(huán)控制中，多采用光電編碼器作為檢測元件；在閉環(huán)控制中，多采用光柵作為檢測元件。在安裝位置上的不同點：半閉環(huán)的檢測元件一般安裝在絲杠軸上，而閉環(huán)的檢測元件則安裝在工作臺上。(1)開始時，指令脈沖F＝0，且工作臺處于靜止?fàn)顟B(tài)，則反饋脈沖Pf=0，經(jīng)比較環(huán)節(jié)e＝F一Pf＝0，伺服電機的速度給定為0，伺服電機不動，工作臺仍處于靜止?fàn)顟B(tài)。

當(dāng)指令脈沖F＞o，工作臺在沒有移動之前，反饋脈沖Pf仍為0，經(jīng)比較環(huán)節(jié)e＝F一Pf＞0，調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動工作臺向正向進(jìn)給。隨著電機的運轉(zhuǎn)，檢測元件的反饋脈沖信號進(jìn)入比較環(huán)節(jié)。按負(fù)反饋原理，當(dāng)F=Pf時，偏差e＝F一Pf＝0，工作臺重新穩(wěn)定在指令所規(guī)定的位置當(dāng)指令脈沖F＜o(jì)，其控制過程與正向指令脈沖的控制過程相類似，只是此時e＜o(jì)，工作臺向反方向進(jìn)給。最后，工作臺穩(wěn)定在指令所規(guī)定的反向位置上。3.脈沖比較伺服系統(tǒng)的工作原理(閉環(huán))4.特點

結(jié)構(gòu)比較簡單，易于實現(xiàn)數(shù)字化控制。在控制性能上數(shù)字比較伺服系統(tǒng)要優(yōu)于模擬方式、混合方式的伺服系統(tǒng)。二、相位比較伺服系統(tǒng)用相位比較的方法構(gòu)成閉環(huán)和半閉環(huán)控制。

1.主要組成基準(zhǔn)信號發(fā)生器、脈沖調(diào)相器、檢測元件、鑒相器、伺服放大器、伺服電動機等。2.相位比較伺服系統(tǒng)的閉環(huán)和半閉環(huán)的比較

相位比較伺服系統(tǒng)的閉環(huán)和半閉環(huán)的區(qū)別

在檢測元件上的不同點：在半閉環(huán)控制中，多采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為檢測元件；在閉環(huán)控制中，多采用感應(yīng)同步器作為檢測元件。在安裝位置上的不同點：半閉環(huán)的檢測元件一般安裝在絲杠軸上，而閉環(huán)的檢測元件則安裝在工作臺上。

脈沖調(diào)相器的作用:

將來自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖信號轉(zhuǎn)換為相位變化信號，該相位變化信號，可用正弦信號或方波信號表示。當(dāng)進(jìn)給脈沖F=0，則脈沖調(diào)相器的輸出與基準(zhǔn)信號發(fā)生器發(fā)出的基準(zhǔn)信號同相位，沒有相位差。當(dāng)輸出一個正向或反向進(jìn)給脈沖，則脈沖調(diào)相器就輸出超前或滯后基準(zhǔn)信號一個相應(yīng)的相位角。

(1)開始時，指令脈沖F＝0，工作臺處于靜止?fàn)顟B(tài)，PA、PB為同頻率同相位的脈沖信號，經(jīng)鑒相器鑒相判別，△q＝0，伺服放大器速度給定為0，伺服電機不動，工作臺仍處于靜止?fàn)顟B(tài)。

(2)當(dāng)指令脈沖F＞0，經(jīng)脈沖調(diào)相器，PA＝

+qo，因工作臺原來靜止，PB＝0，鑒相器的輸出△q

＝PA一PB＝+qo＞o，伺服驅(qū)動使工作臺作正向運動，直至△q＝0。

(3)當(dāng)指令脈沖F＜0，其控制過程與正向指令脈沖的控制過程相類似，只是此時PA＝

-qo

，工作臺向反方向進(jìn)給。直至△q＝0

。3.相位比較伺服系統(tǒng)的工作