第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng)

1、第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 第第5 5章章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 5-1 概概 述述 伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)電信號到機械動作的轉(zhuǎn)換裝伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)電信號到機械動作的轉(zhuǎn)換裝 置或部件，是以機床移動部件的位置和速度置或部件，是以機床移動部件的位置和速度 為控制量的自動控制系統(tǒng)。為控制量的自動控制系統(tǒng)。 在在CNCCNC機床中，伺服系統(tǒng)接收數(shù)控裝置發(fā)出機床中，伺服系統(tǒng)接收數(shù)控裝置發(fā)出 的速度控制量和進給位移量，經(jīng)轉(zhuǎn)換和放大，的速度控制量和進給位移量，經(jīng)轉(zhuǎn)換和放大， 驅(qū)動工作臺以指定的速度移動到指定位置。驅(qū)動工作臺以指定的速度移動到指定位置。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 一、伺

2、服系統(tǒng)的分類一、伺服系統(tǒng)的分類 1.1.按控制對象和使用目的分類按控制對象和使用目的分類 （1 1）進給驅(qū)動）進給驅(qū)動 控制機床各坐標(biāo)軸的切削進給運動。包括控制機床各坐標(biāo)軸的切削進給運動。包括 速度控制和位置控制。速度控制和位置控制。 （2 2）主軸驅(qū)動）主軸驅(qū)動 主要控制機床主軸在切削過程中的速度。主要控制機床主軸在切削過程中的速度。 對于有對于有C C軸功能的機床主軸，也需要位置控軸功能的機床主軸，也需要位置控 制。制。 （3 3）輔助驅(qū)動）輔助驅(qū)動 控制刀庫、料庫等輔助系統(tǒng)，多采用簡易控制刀庫、料庫等輔助系統(tǒng)，多采用簡易 的位置控制。的位置控制。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 2.2.按伺服系

3、統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類按伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類 （1 1）開環(huán)伺服系統(tǒng)）開環(huán)伺服系統(tǒng) 無位置反饋的系統(tǒng)，驅(qū)動元件主要是功率步無位置反饋的系統(tǒng)，驅(qū)動元件主要是功率步 進電機或電液脈沖馬達。特點是結(jié)構(gòu)簡單，進電機或電液脈沖馬達。特點是結(jié)構(gòu)簡單， 易于控制，但精度差，低速不平穩(wěn)，高速扭易于控制，但精度差，低速不平穩(wěn)，高速扭 矩小。矩小。 驅(qū)動電路步進電機 工作臺 指令脈沖 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) （2 2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)）閉環(huán)伺服系統(tǒng) 由位置控制單元、速度控制單元、驅(qū)動元件、由位置控制單元、速度控制單元、驅(qū)動元件、 工作臺、檢測裝置組成。特點是反饋測量裝工作臺、檢測裝置組成。特點是反饋測量裝 置精度高，所以各種誤差

4、都可以得到補償，置精度高，所以各種誤差都可以得到補償， 提高了跟隨精度和定位精度。提高了跟隨精度和定位精度。 伺服系統(tǒng) 速度 控制單元 位置 控制單元 指令 測量元件 速度反饋 位置反饋 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) （3 3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)）半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 檢測裝置安裝在驅(qū)動元件或中間傳動部件的軸檢測裝置安裝在驅(qū)動元件或中間傳動部件的軸 上，因此是間接測量。目前數(shù)控設(shè)備大多數(shù)使上，因此是間接測量。目前數(shù)控設(shè)備大多數(shù)使 用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 工作臺 伺服系統(tǒng) 速度 控制單元 位置 控制單元 指令 速度反饋 位置反饋 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 二、對伺服系統(tǒng)的要求二、對伺服系統(tǒng)的要求 1

5、.1.對機床進給伺服系統(tǒng)的要求對機床進給伺服系統(tǒng)的要求 （1 1）高精度）高精度 （2 2）穩(wěn)定性好）穩(wěn)定性好 （3 3）快速響應(yīng)）快速響應(yīng) （4 4）電機調(diào)速范圍寬）電機調(diào)速范圍寬 （5 5）低速大轉(zhuǎn)矩）低速大轉(zhuǎn)矩 （6 6）可靠性高）可靠性高 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 2.2.對主軸伺服系統(tǒng)的要求對主軸伺服系統(tǒng)的要求 主軸伺服系統(tǒng)一般為速度控制系統(tǒng)，除前面主軸伺服系統(tǒng)一般為速度控制系統(tǒng)，除前面 的一般要求外，還具有下面的控制功能。的一般要求外，還具有下面的控制功能。 （1 1）主軸與進給驅(qū)動的同步控制）主軸與進給驅(qū)動的同步控制 （2 2）準(zhǔn)停控制）準(zhǔn)?？刂?（3 3）角度分度控制）角度分度控

6、制 另外，對伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件另外，對伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件伺服電機也伺服電機也 相應(yīng)提出高精度、快反應(yīng)、寬調(diào)速和大轉(zhuǎn)矩相應(yīng)提出高精度、快反應(yīng)、寬調(diào)速和大轉(zhuǎn)矩 等要求。等要求。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 三、伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程三、伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程 第一階段：第一階段：2020世紀世紀7070年代以前，以電液伺年代以前，以電液伺 服系統(tǒng)和步進伺服系統(tǒng)為主。服系統(tǒng)和步進伺服系統(tǒng)為主。 第二階段：第二階段：2020世紀世紀70708080年代中期，直流年代中期，直流 伺服逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。伺服逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。 第三階段：第三階段：8080年代以后，由于交流伺服電年代以后，由于交流伺服電 機的結(jié)構(gòu)、控制

7、理論及控制方法均有突破機的結(jié)構(gòu)、控制理論及控制方法均有突破 性的進展。交流伺服系統(tǒng)得到迅速發(fā)展。性的進展。交流伺服系統(tǒng)得到迅速發(fā)展。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 5-2 步進電機伺服系統(tǒng)步進電機伺服系統(tǒng) 一、步進電機工作原理及種類一、步進電機工作原理及種類 1.1.步進電動機的工作原理步進電動機的工作原理 步進電動機的工作原理實際上是電磁鐵的作步進電動機的工作原理實際上是電磁鐵的作 用原理。即當(dāng)某相定子激磁后，它吸引轉(zhuǎn)子，用原理。即當(dāng)某相定子激磁后，它吸引轉(zhuǎn)子， 使轉(zhuǎn)子的齒與該相定子磁極上的齒對齊。使轉(zhuǎn)子的齒與該相定子磁極上的齒對齊。 + A A B B C C 60 A A B BC C 1 1

8、 22 A A B BC C 1 1 2 2 (a) (b) A相通電 B相通電 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 當(dāng)相繞組通直流電時當(dāng)相繞組通直流電時相產(chǎn)生磁場相產(chǎn)生磁場 吸引轉(zhuǎn)子使轉(zhuǎn)子的齒與定子磁極上的齒吸引轉(zhuǎn)子使轉(zhuǎn)子的齒與定子磁極上的齒 對齊對齊斷電斷電通電通電轉(zhuǎn)子的齒與磁轉(zhuǎn)子的齒與磁 極上的齒對齊極上的齒對齊斷電斷電通電通電 + A A B B C C 60 A A B BC C 1 1 22 A A B BC C 1 1 2 2 (a) (b) A相通電 B相通電 若控制線路不停若控制線路不停 的按的按 順序送電順序送電 脈沖，步進電機脈沖，步進電機 就轉(zhuǎn)動起來。順就轉(zhuǎn)動起來。順 序相反則電機

9、反序相反則電機反 轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 此方式稱為三相三拍，步距角為此方式稱為三相三拍，步距角為6060。 步距角：步進電機繞組的通電狀態(tài)每改變步距角：步進電機繞組的通電狀態(tài)每改變 一次，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。一次，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。 + A A B B C C 60 A A B BC C 1 1 22 A A B BC C 1 1 2 2 (a) (b) A相通電 B相通電 還有三相六拍，還有三相六拍， 即即 AABBBCAABBBC CCAACCAA 步距角為步距角為3030。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 定子不變，轉(zhuǎn)子變?yōu)樗膫€磁極。定子不變，轉(zhuǎn)子變?yōu)樗膫€磁極。 則：則： 當(dāng)三相三拍時

10、，步距角為當(dāng)三相三拍時，步距角為3030 當(dāng)三相六拍時，步距角為當(dāng)三相六拍時，步距角為1515 + A A B B C C 60 A A B BC C 1 1 22 A A B BC C 1 1 2 2 (a) (b) A相通電 B相通電 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 實際步進電機定子實際步進電機定子 和轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多，和轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多， 齒數(shù)越多步距角越齒數(shù)越多步距角越 小。但定子各極的小。但定子各極的 齒依次與轉(zhuǎn)子的齒齒依次與轉(zhuǎn)子的齒 錯開齒距的錯開齒距的1/m1/m（m m 為電機相數(shù)）。為電機相數(shù)）。 A 相 B 相C 相 9 3 6 各相定子 各相轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子順時針方向 繞組 定子鐵心 轉(zhuǎn)子鐵心

11、 A相磁通 A B A B C C N S 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 可以得到如下結(jié)論：可以得到如下結(jié)論： （1 1）步進電機的步距角）步進電機的步距角與定子繞組的相數(shù)與定子繞組的相數(shù) 、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)、通電方式有關(guān)，可用、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)、通電方式有關(guān)，可用 下式表示：下式表示： 式中，相拍時，式中，相拍時，=1=1； 相拍時，相拍時，=2=2； 一般為一般為0.750.753 3。 （2 2）改變步進電機定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)）改變步進電機定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn) 子的旋轉(zhuǎn)方向也隨之改變。子的旋轉(zhuǎn)方向也隨之改變。 （3 3）通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速）通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 越高。越

12、高。 mzk 360 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 2.2.步進電機的分類步進電機的分類 根據(jù)磁場建立方式，可分為以下三種：根據(jù)磁場建立方式，可分為以下三種： （1 1）反應(yīng)式步進電動機）反應(yīng)式步進電動機 定子、轉(zhuǎn)子鐵芯都用軟磁材料制造，定定子、轉(zhuǎn)子鐵芯都用軟磁材料制造，定 位精度可以做得很高、步矩角可以較小。位精度可以做得很高、步矩角可以較小。 工作時完全靠磁阻的變化產(chǎn)生工作轉(zhuǎn)矩。工作時完全靠磁阻的變化產(chǎn)生工作轉(zhuǎn)矩。 此類步進電機一旦斷電就完全失去工作此類步進電機一旦斷電就完全失去工作 力矩。力矩。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) （2 2）永磁式步進電動機永磁式步進電動機 定子、轉(zhuǎn)子鐵芯的其中之一以永磁

13、材料定子、轉(zhuǎn)子鐵芯的其中之一以永磁材料 制造（大多數(shù)是轉(zhuǎn)子），另一件用軟磁制造（大多數(shù)是轉(zhuǎn)子），另一件用軟磁 材料。材料。 （3 3）混合式步進電動機混合式步進電動機 是反應(yīng)式與永磁式步進電動機的混合，是反應(yīng)式與永磁式步進電動機的混合， 它可以實現(xiàn)斷電以后獲得一定數(shù)量的剩它可以實現(xiàn)斷電以后獲得一定數(shù)量的剩 余轉(zhuǎn)矩，還可以使步距角很小。余轉(zhuǎn)矩，還可以使步距角很小。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 二、步進電動機的主要特性二、步進電動機的主要特性 1.1.靜態(tài)矩角特性和最大靜轉(zhuǎn)矩靜態(tài)矩角特性和最大靜轉(zhuǎn)矩 當(dāng)步進電動機在某相通電時，在電機軸上施加當(dāng)步進電動機在某相通電時，在電機軸上施加 一個負載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子會

14、轉(zhuǎn)過一個角度一個負載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過一個角度，轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子 受一個電磁轉(zhuǎn)矩受一個電磁轉(zhuǎn)矩T T作用與負載平衡，該電磁轉(zhuǎn)作用與負載平衡，該電磁轉(zhuǎn) 矩矩T T稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，該角度稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，該角度稱為失調(diào)角。稱為失調(diào)角。 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩隨失調(diào)角的變化曲線稱為矩角特性，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩隨失調(diào)角的變化曲線稱為矩角特性， 曲線上電磁轉(zhuǎn)矩最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。曲線上電磁轉(zhuǎn)矩最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。 F Fq Tmax 定子 T /2- /2 靜態(tài)穩(wěn)定區(qū) 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 2.2.最高空載起動頻率最高空載起動頻率 在空載條件下，步進電動機能夠正常起動可在空載條件下，步進電動機能夠正常起動可 以施加的最高脈沖頻率。起動

15、時指令脈沖頻以施加的最高脈沖頻率。起動時指令脈沖頻 率應(yīng)小于起動頻率，否則將產(chǎn)生失步。步進率應(yīng)小于起動頻率，否則將產(chǎn)生失步。步進 電動機在帶負載下的起動頻率比空載要低。電動機在帶負載下的起動頻率比空載要低。 3.3.最高空載運行頻率最高空載運行頻率 在空載條件下，步進電動機進入正常工作狀在空載條件下，步進電動機進入正常工作狀 態(tài)后，能夠維持不丟步運行的最高頻率。它態(tài)后，能夠維持不丟步運行的最高頻率。它 通常是最高起動頻率的通常是最高起動頻率的4 41010倍。倍。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 4.4.運行矩頻特性運行矩頻特性 是描述步進電動機在連續(xù)運行時，輸出轉(zhuǎn)是描述步進電動機在連續(xù)運行時，輸出轉(zhuǎn)

16、 矩與連續(xù)運行頻率之間的關(guān)系。它是衡量矩與連續(xù)運行頻率之間的關(guān)系。它是衡量 步進電機運轉(zhuǎn)時承載能力的動態(tài)指標(biāo)。步進電機運轉(zhuǎn)時承載能力的動態(tài)指標(biāo)。 f T 圖中每一頻率所對圖中每一頻率所對 應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài) 轉(zhuǎn)矩。隨著運行頻轉(zhuǎn)矩。隨著運行頻 率的上升，輸出轉(zhuǎn)率的上升，輸出轉(zhuǎn) 矩下降，承載能力矩下降，承載能力 下降。下降。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 三、步進電動機的基本工作狀態(tài)三、步進電動機的基本工作狀態(tài) 步進電動機的基本工作狀態(tài)可分為靜態(tài)、穩(wěn)步進電動機的基本工作狀態(tài)可分為靜態(tài)、穩(wěn) 態(tài)、過渡狀態(tài)三種。態(tài)、過渡狀態(tài)三種。 1.1.靜態(tài)靜態(tài) 是指步進電動機某相通以恒定的電流，使轉(zhuǎn)是指步進

17、電動機某相通以恒定的電流，使轉(zhuǎn) 子處于固定位置的狀態(tài)。在靜態(tài)時，繞組中子處于固定位置的狀態(tài)。在靜態(tài)時，繞組中 的電流最大，有時會產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象。的電流最大，有時會產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象。 2.2.穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài) 是指步進電動機在某一固定頻率下恒速運轉(zhuǎn)是指步進電動機在某一固定頻率下恒速運轉(zhuǎn) 狀態(tài)。它分為以下三個區(qū)：狀態(tài)。它分為以下三個區(qū)： 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) （1 1）低頻區(qū)）低頻區(qū) 步進電動機工作于較低的頻率區(qū)內(nèi)，在這個步進電動機工作于較低的頻率區(qū)內(nèi)，在這個 范圍內(nèi)，步進電動機轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動一步的時間范圍內(nèi)，步進電動機轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動一步的時間 比換相周期小。在低頻區(qū)工作的步進電動機比換相周期小。在低頻區(qū)工作的步進電

18、動機 會引起較大的振動并影響精度。會引起較大的振動并影響精度。 理想角位移 實際角位移 t 低頻步進示意圖低頻步進示意圖 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) （2 2）共振區(qū)）共振區(qū) 當(dāng)頻率在接近轉(zhuǎn)子的共振頻率或在共振頻率整當(dāng)頻率在接近轉(zhuǎn)子的共振頻率或在共振頻率整 數(shù)倍的區(qū)域為共振區(qū)。在這個區(qū)內(nèi)會產(chǎn)生較大數(shù)倍的區(qū)域為共振區(qū)。在這個區(qū)內(nèi)會產(chǎn)生較大 的振動。的振動。 （3 3）高頻區(qū)）高頻區(qū) 這是高于共振區(qū)的頻率區(qū)間。在這個區(qū)間內(nèi)步這是高于共振區(qū)的頻率區(qū)間。在這個區(qū)間內(nèi)步 進電動機能正常工作。進電動機能正常工作。 3.3.過渡狀態(tài)過渡狀態(tài) 是指步進電動機從一種工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一工是指步進電動機從一種工作狀態(tài)轉(zhuǎn)

19、變到另一工 作狀態(tài)。過渡過程中頻率變化差值應(yīng)小于起動作狀態(tài)。過渡過程中頻率變化差值應(yīng)小于起動 頻率。頻率。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 四、步進電動機驅(qū)動電路四、步進電動機驅(qū)動電路 主要由輸入脈沖信號隔離接口、環(huán)形分配主要由輸入脈沖信號隔離接口、環(huán)形分配 環(huán)節(jié)和功率放大電路等部分組成。環(huán)節(jié)和功率放大電路等部分組成。 輸入信號 隔離接口 脈沖 環(huán)形分配 環(huán)節(jié) 功能型 功率放大 電路 驅(qū)動電路 供電電源 指令脈沖 步進電動機 激磁繞組 驅(qū)動電源 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 1.1.光電耦合隔離接口光電耦合隔離接口 光電耦合隔離電路光電耦合隔離電路 來自數(shù)控裝置 的控制脈沖 Vcc 至功率放大電路 光電耦

20、合器件 R2 R1 數(shù)控裝置輸出的脈數(shù)控裝置輸出的脈 沖控制信號在和步?jīng)_控制信號在和步 進電動機的驅(qū)動電進電動機的驅(qū)動電 路相聯(lián)接時，都必路相聯(lián)接時，都必 須設(shè)置一個光電耦須設(shè)置一個光電耦 合隔離接口，以防合隔離接口，以防 止外部驅(qū)動電路對止外部驅(qū)動電路對 計算機內(nèi)部極敏感計算機內(nèi)部極敏感 集成電路的干擾和集成電路的干擾和 損壞。損壞。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 2.2.脈沖的環(huán)形分配器脈沖的環(huán)形分配器 有硬件和軟件兩種實現(xiàn)方式。有硬件和軟件兩種實現(xiàn)方式。 （1 1）硬件環(huán)形分配器）硬件環(huán)形分配器 & & & & & & & & & J Q C K _ Q R J Q C K _ Q R J Q

21、 C K _ Q R 正向控制 反向控制 A 相 B 相 C 相 指令脈沖 置“ 0” 它可由它可由D D觸發(fā)器和觸發(fā)器和 JKJK觸發(fā)器構(gòu)成，亦觸發(fā)器構(gòu)成，亦 可采用專用集成芯可采用專用集成芯 片或通用可編程邏片或通用可編程邏 輯器件。圖為三相輯器件。圖為三相 步進電動機六拍工步進電動機六拍工 作時的環(huán)形分配器。作時的環(huán)形分配器。 它由與非門和它由與非門和JKJK觸觸 發(fā)器組成。發(fā)器組成。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) （2 2）軟件環(huán)形分配）軟件環(huán)形分配 軟件環(huán)形分配是由計算機的內(nèi)部工作程序來軟件環(huán)形分配是由計算機的內(nèi)部工作程序來 完成，因此它應(yīng)放在光電耦合隔離電路之前。完成，因此它應(yīng)放在光電耦

22、合隔離電路之前。 軟件環(huán)形分配器的設(shè)計方法有多種，這里介軟件環(huán)形分配器的設(shè)計方法有多種，這里介 紹常用的查表法軟件環(huán)形分配器。紹常用的查表法軟件環(huán)形分配器。 PA0 PA1 PA2 并行I/O接口 光電 耦合器 功率 放大器 步進 電動機 A B C 軟件環(huán)形分配伺服系統(tǒng)框圖軟件環(huán)形分配伺服系統(tǒng)框圖 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)如下表所示，表中的環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)如下表所示，表中的 內(nèi)容即步進電機的勵磁狀態(tài)，與接口的接線內(nèi)容即步進電機的勵磁狀態(tài)，與接口的接線 緊密相關(guān)。緊密相關(guān)。 軟件環(huán)形分配器簡化了驅(qū)動電路的硬件，但軟件環(huán)形分配器簡化了驅(qū)動電路的硬件，但 占用系統(tǒng)運算時間，

23、故用的比較多的還是硬占用系統(tǒng)運算時間，故用的比較多的還是硬 件環(huán)形分配器。件環(huán)形分配器。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 3.3.功率放大電路功率放大電路 從環(huán)形分配器輸出的進給控制信號的電流從環(huán)形分配器輸出的進給控制信號的電流 只有幾毫安，而步進電機的定子繞組需要只有幾毫安，而步進電機的定子繞組需要 幾安培的電流，因此需要對從環(huán)形分配器幾安培的電流，因此需要對從環(huán)形分配器 輸出的進給控制信號進行功率放大。輸出的進給控制信號進行功率放大。 功率放大器要能盡快建立激磁繞組的工作功率放大器要能盡快建立激磁繞組的工作 電流，保持激磁繞組中的額定工作電流，電流，保持激磁繞組中的額定工作電流， 斷電后在最短時間

24、內(nèi)消除剩余電流的影響。斷電后在最短時間內(nèi)消除剩余電流的影響。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 介紹幾種功率放大電路介紹幾種功率放大電路 （1 1）簡單限流電阻電路）簡單限流電阻電路 用開關(guān)型三極管作為導(dǎo)通、用開關(guān)型三極管作為導(dǎo)通、 切斷工作電流的控制元件。切斷工作電流的控制元件。 在電壓施加于功率放大電在電壓施加于功率放大電 路的瞬間，激磁繞組兩端路的瞬間，激磁繞組兩端 直接以額定電壓起動。隨直接以額定電壓起動。隨 著電流逐漸建立和增大電著電流逐漸建立和增大電 壓降增高。最后達到穩(wěn)態(tài)壓降增高。最后達到穩(wěn)態(tài) 的額定工作電流。的額定工作電流。 來自環(huán)形分配 器的指令脈沖 L R V L R V D L R

25、 V D Rc L R V L V D V1 低壓 高壓 C （a） （b） （c）（d） （e） 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) （2 2）增加續(xù)流二極管電路）增加續(xù)流二極管電路 在電路中并聯(lián)在電路中并聯(lián) 一個反向二極一個反向二極 管，用來釋放管，用來釋放 斷電后激磁繞斷電后激磁繞 組內(nèi)部出現(xiàn)的組內(nèi)部出現(xiàn)的 慣性電流（續(xù)慣性電流（續(xù) 流電流）流電流） 來自環(huán)形分配 器的指令脈沖 L R V L R V D L R V D Rc L R V L V D V1 低壓 高壓 C （a） （b） （c）（d） （e） 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) （3 3）并聯(lián)增流電容電路并聯(lián)增流電容電路 為使激磁繞組在通為使激

26、磁繞組在通 電瞬間的工作電流電瞬間的工作電流 建立得更加迅速，建立得更加迅速， 可在限流電阻的兩可在限流電阻的兩 端再并聯(lián)上一個大端再并聯(lián)上一個大 電容來減小回路的電容來減小回路的 動態(tài)阻抗，而穩(wěn)態(tài)動態(tài)阻抗，而穩(wěn)態(tài) 工作時的阻抗仍然工作時的阻抗仍然 僅為限流電阻本身。僅為限流電阻本身。 來自環(huán)形分配 器的指令脈沖 L R V L R V D L R V D Rc L R V L V D V1 低壓 高壓 C （a） （b） （c）（d） （e） 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) （4 4）雙電壓工作電路）雙電壓工作電路 安排兩種供電電壓，分安排兩種供電電壓，分 別承擔(dān)高壓起動和在額別承擔(dān)高壓起動和在額

27、定電流下工作的任務(wù)，定電流下工作的任務(wù)， 則可以提高驅(qū)動電路的則可以提高驅(qū)動電路的 工作效率。工作效率。 為防止高壓電路對低壓為防止高壓電路對低壓 電路的電路的“竄入竄入”，在低，在低 壓輸入端串聯(lián)一個保護壓輸入端串聯(lián)一個保護 二極管二極管D D。 來自環(huán)形分配 器的指令脈沖 L R V L R V D L R V D Rc L R V L V D V1 低壓 高壓 C （a） （b） （c）（d） （e） 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 4.4.步進電動機的細分驅(qū)動技術(shù)步進電動機的細分驅(qū)動技術(shù) 把額定電流分成把額定電流分成n n個臺階進行通電，轉(zhuǎn)子就個臺階進行通電，轉(zhuǎn)子就 以以n n個通電臺階所決定

28、的步數(shù)來完成原有一個通電臺階所決定的步數(shù)來完成原有一 個步距角所轉(zhuǎn)過的角度。個步距角所轉(zhuǎn)過的角度。 步距角脈沖步距角脈沖1/n1/n步距角脈沖步距角脈沖 把原來一個步距角細分成把原來一個步距角細分成n n份，從而提高步份，從而提高步 進電動機的精度。把這種控制方法稱為步進電動機的精度。把這種控制方法稱為步 進電動機的細分控制。進電動機的細分控制。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 三相步進電動機雙三拍細分時各相電流時序圖 A相 B相 C相 雙三拍 步進脈沖 細分后 步進脈沖 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 步進電動機細分后，由步進電動機細分后，由n n微步來完成原來微步來完成原來 一步距所轉(zhuǎn)過的角度，所以通過細

29、分驅(qū)動一步距所轉(zhuǎn)過的角度，所以通過細分驅(qū)動 可得到更小的脈沖當(dāng)量，因而提高了定位可得到更小的脈沖當(dāng)量，因而提高了定位 精度。精度。 由于繞組電流均勻地遞增或遞減，避免了由于繞組電流均勻地遞增或遞減，避免了 電流沖擊，基本消除了步進電動機低速振電流沖擊，基本消除了步進電動機低速振 動，使步進電動機低速動轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無噪聲。動，使步進電動機低速動轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無噪聲。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 5-3 直流伺服電動機及其速度控制直流伺服電動機及其速度控制 以直流伺服電機作為驅(qū)動元件的伺服系統(tǒng)稱以直流伺服電機作為驅(qū)動元件的伺服系統(tǒng)稱 為直流伺服系統(tǒng)。為直流伺服系統(tǒng)。 一、直流伺服電機的結(jié)構(gòu)和種類一、直流伺服電機

30、的結(jié)構(gòu)和種類 1.1.小慣量直流伺服電動機小慣量直流伺服電動機 轉(zhuǎn)子直徑較小，使電樞的轉(zhuǎn)動慣量較小。轉(zhuǎn)子直徑較小，使電樞的轉(zhuǎn)動慣量較小。 特點是響應(yīng)速度快，有利于工作中頻繁啟停。特點是響應(yīng)速度快，有利于工作中頻繁啟停。 運轉(zhuǎn)時的均衡性好，低速時無爬行現(xiàn)象。運轉(zhuǎn)時的均衡性好，低速時無爬行現(xiàn)象。 主要用在進給伺服系統(tǒng)中。主要用在進給伺服系統(tǒng)中。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 2.2.大慣量直流伺服電動機大慣量直流伺服電動機 其結(jié)構(gòu)與普通直流電動機比較相似。其結(jié)構(gòu)與普通直流電動機比較相似。 電動機轉(zhuǎn)子的慣量較大，負載的變化及不電動機轉(zhuǎn)子的慣量較大，負載的變化及不 穩(wěn)定對系統(tǒng)影響較小。穩(wěn)定對系統(tǒng)影響較小。

31、這種直流電動機用在主軸伺服系統(tǒng)中較多。這種直流電動機用在主軸伺服系統(tǒng)中較多。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 二、直流電動機工作原理及特性二、直流電動機工作原理及特性 1.1.直流電動機工作原理直流電動機工作原理 直流電動機由磁場（定子）、電樞（轉(zhuǎn)子）、直流電動機由磁場（定子）、電樞（轉(zhuǎn)子）、 電刷和換向片三部分組成。電刷和換向片三部分組成。 通電導(dǎo)線在磁場中要受到力的作用，大小為通電導(dǎo)線在磁場中要受到力的作用，大小為 ，方向用左手定則判斷。，方向用左手定則判斷。 N S B I F N S + - 電樞 線圈 換 向 片 電 刷n (a) (b) BILF 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 當(dāng)磁場由永磁材料形

32、成時，磁場強度一定，當(dāng)磁場由永磁材料形成時，磁場強度一定， 直流電動機的輸出轉(zhuǎn)矩為：直流電動機的輸出轉(zhuǎn)矩為： 其中：其中： 直流電動機的輸出轉(zhuǎn)矩直流電動機的輸出轉(zhuǎn)矩 與結(jié)構(gòu)及磁場性質(zhì)相關(guān)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)與結(jié)構(gòu)及磁場性質(zhì)相關(guān)的轉(zhuǎn)矩常數(shù) 電樞線圈中通過的電流電樞線圈中通過的電流 直流電動機的輸出轉(zhuǎn)矩與電樞線圈的電流直流電動機的輸出轉(zhuǎn)矩與電樞線圈的電流 成線性比例關(guān)系。成線性比例關(guān)系。 aTi KT T a i T K 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 直流電動機處于某工作轉(zhuǎn)速時，電樞線圈在直流電動機處于某工作轉(zhuǎn)速時，電樞線圈在 定子磁場中的轉(zhuǎn)動相當(dāng)于導(dǎo)體作切割磁力線定子磁場中的轉(zhuǎn)動相當(dāng)于導(dǎo)體作切割磁力線 的運動，

33、根據(jù)楞次定律，將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢：的運動，根據(jù)楞次定律，將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢： 其中：其中： 電樞線圈所產(chǎn)生的反電勢電樞線圈所產(chǎn)生的反電勢 與結(jié)構(gòu)及磁場性質(zhì)相關(guān)的電磁常數(shù)與結(jié)構(gòu)及磁場性質(zhì)相關(guān)的電磁常數(shù) 直流電動機的工作轉(zhuǎn)速直流電動機的工作轉(zhuǎn)速 nKE bb b E n b K 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 施加在電樞線圈上的電壓主要用以克服施加在電樞線圈上的電壓主要用以克服 反電勢。但由于電樞線圈本身必然有電反電勢。但由于電樞線圈本身必然有電 阻，也要耗散一部分能量，故外加的電阻，也要耗散一部分能量，故外加的電 壓為：壓為： 其中：其中： 電樞線圈本身的電阻電樞線圈本身的電阻 aaba RiEu a R

34、第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 將上面三式聯(lián)立后得出以下關(guān)系：將上面三式聯(lián)立后得出以下關(guān)系： T KK R u K n Tb a a b 1 上式綜合表述了穩(wěn)態(tài)條件下直流電動機上式綜合表述了穩(wěn)態(tài)條件下直流電動機 的輸出轉(zhuǎn)矩、施加在電樞線圈上的電源的輸出轉(zhuǎn)矩、施加在電樞線圈上的電源 電壓、工作轉(zhuǎn)速以及電動機自身結(jié)構(gòu)和電壓、工作轉(zhuǎn)速以及電動機自身結(jié)構(gòu)和 性能參數(shù)之間的關(guān)系。性能參數(shù)之間的關(guān)系。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 2.2.直流電動機的機械特性和調(diào)速特性及調(diào)直流電動機的機械特性和調(diào)速特性及調(diào) 速原理速原理 機械特性圖顯示：直流電動機工作轉(zhuǎn)速主機械特性圖顯示：直流電動機工作轉(zhuǎn)速主 要取決于施加于電樞線圈上

35、的電源電壓。要取決于施加于電樞線圈上的電源電壓。 調(diào)速特性圖說明：對電樞線圈所施加的電調(diào)速特性圖說明：對電樞線圈所施加的電 源電壓與工作轉(zhuǎn)速之間是線性關(guān)系。源電壓與工作轉(zhuǎn)速之間是線性關(guān)系。 T nn ua ua T (a)(b) 直流電動機的機械特性和調(diào)速特性直流電動機的機械特性和調(diào)速特性 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 直流伺服電動機速度控制方式：直流伺服電動機速度控制方式： （1 1）電樞電壓控制）電樞電壓控制 通過控制施加在電樞繞組兩端的電壓信號通過控制施加在電樞繞組兩端的電壓信號 來控制電動機的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩。特點是來控制電動機的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩。特點是 轉(zhuǎn)速和電壓呈直線關(guān)系，調(diào)速過程平穩(wěn)。轉(zhuǎn)速

36、和電壓呈直線關(guān)系，調(diào)速過程平穩(wěn)。 （2 2）勵磁磁場控制勵磁磁場控制 通過改變勵磁電流大小來改變定子磁場強通過改變勵磁電流大小來改變定子磁場強 度，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩。度，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 三、晶閘管調(diào)速系統(tǒng)三、晶閘管調(diào)速系統(tǒng) 晶閘管是一種大功率的半導(dǎo)體器件。晶閘管是一種大功率的半導(dǎo)體器件。 導(dǎo)通條件：除了在導(dǎo)通條件：除了在 陽極陽極陰極間加上陰極間加上 正向電壓外，還要正向電壓外，還要 在控制極在控制極陰極間陰極間 加正向觸發(fā)電壓。加正向觸發(fā)電壓。 這樣晶閘管才能導(dǎo)這樣晶閘管才能導(dǎo) 通，否則就處于阻通，否則就處于阻 斷狀態(tài)。斷狀態(tài)。 a-陽

37、極 b-陰極 g-控制極 晶閘管的代表符號晶閘管的代表符號 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 圖）單相晶閘管整形放大電路圖）單相晶閘管整形放大電路 圖）變壓器副邊繞組上的電壓波形圖）變壓器副邊繞組上的電壓波形 圖）轉(zhuǎn)子線圈上的電壓波形圖）轉(zhuǎn)子線圈上的電壓波形 圖）控制極觸發(fā)脈沖的相位角圖）控制極觸發(fā)脈沖的相位角 v1 v2 + - + - T1T2 D1 D2 D L RL vL iL iD v2 t t t t v vL 2 T1,L 導(dǎo)通 T2,L 導(dǎo)通 （a） （b） （c） （d） （e） vg 單相橋式晶閘管整形放大電路單相橋式晶閘管整形放大電路 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 該系統(tǒng)由內(nèi)環(huán)該系統(tǒng)由內(nèi)

38、環(huán)電流環(huán)、外環(huán)電流環(huán)、外環(huán)速度環(huán)和速度環(huán)和 可控硅整流放大器等組成。可控硅整流放大器等組成。 內(nèi)環(huán)的作用：由電流調(diào)節(jié)器對電動機電樞內(nèi)環(huán)的作用：由電流調(diào)節(jié)器對電動機電樞 回路中引起滯后作用的某些時間常數(shù)進行回路中引起滯后作用的某些時間常數(shù)進行 補償，使動態(tài)電流按所需的規(guī)律變化。補償，使動態(tài)電流按所需的規(guī)律變化。 速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器 觸發(fā)脈沖 發(fā)生器 SCR 電流反饋 速度反饋 + - 測速機 電動機 UR Uf ESIR If EI 晶閘管直流調(diào)速單元結(jié)構(gòu)框圖晶閘管直流調(diào)速單元結(jié)構(gòu)框圖 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 直流晶閘管調(diào)速系統(tǒng)的工作原理如下：直流晶閘管調(diào)速系統(tǒng)的工作原理如下： （1 1）當(dāng)速

39、度指令信號增大時，速度調(diào)節(jié)器）當(dāng)速度指令信號增大時，速度調(diào)節(jié)器 輸入端偏差信號加大，輸出信號也增加，輸入端偏差信號加大，輸出信號也增加， 電流調(diào)節(jié)器輸入和輸出同時增加，使觸發(fā)電流調(diào)節(jié)器輸入和輸出同時增加，使觸發(fā) 器的輸出脈沖前移，器的輸出脈沖前移，角減小，電樞回路角減小，電樞回路 電壓增高，電動機轉(zhuǎn)速上升。電壓增高，電動機轉(zhuǎn)速上升。 （2 2）當(dāng)電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動時，如電壓減小，）當(dāng)電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動時，如電壓減小， 主回路電流隨之減小。主回路電流隨之減小。 （3 3）當(dāng)速度給定信號為一個階躍信號時，）當(dāng)速度給定信號為一個階躍信號時， 電流調(diào)節(jié)器輸入一個很大的值，但其值已電流調(diào)節(jié)器輸入一個很大的值

40、，但其值已 達到速定的飽和值。達到速定的飽和值。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 四、晶體管脈寬調(diào)制（四、晶體管脈寬調(diào)制（PWMPWM）調(diào)速控制）調(diào)速控制 晶體管開關(guān)特性好，控制電路簡單，而且晶晶體管開關(guān)特性好，控制電路簡單，而且晶 體管的耐壓性能已大大提高。因此，在中、體管的耐壓性能已大大提高。因此，在中、 小功率直流伺服系統(tǒng)中，此方式驅(qū)動系統(tǒng)已小功率直流伺服系統(tǒng)中，此方式驅(qū)動系統(tǒng)已 得到廣泛應(yīng)用。得到廣泛應(yīng)用。 1.1.直流電動機的直流電動機的PWMPWM調(diào)速原理調(diào)速原理 使功率晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)頻率恒使功率晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)頻率恒 定，用改變開關(guān)導(dǎo)通時間的方法來調(diào)整晶體定，用改變

41、開關(guān)導(dǎo)通時間的方法來調(diào)整晶體 管的輸出。使電動機兩端得到寬度隨時間變管的輸出。使電動機兩端得到寬度隨時間變 化的電壓脈沖?；碾妷好}沖。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 電樞兩端的平均電壓為：電樞兩端的平均電壓為： 開關(guān)周期開關(guān)周期 每次導(dǎo)通的時間每次導(dǎo)通的時間 M + - D iL u U UL t UL T T 1 2 U UL1 UL2 (a)(b) U T U L T 脈寬調(diào)制示意圖脈寬調(diào)制示意圖 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 2.2.電壓脈寬調(diào)制器電壓脈寬調(diào)制器 脈寬調(diào)制器的任務(wù)是將連續(xù)控制信號變成脈寬調(diào)制器的任務(wù)是將連續(xù)控制信號變成 方波脈沖信號，作為功率轉(zhuǎn)換電路的基極方波脈沖信號，作為功率轉(zhuǎn)換

42、電路的基極 輸入信號，控制直流電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。輸入信號，控制直流電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。 脈寬調(diào)制器結(jié)構(gòu)上是由調(diào)制信號發(fā)生器和脈寬調(diào)制器結(jié)構(gòu)上是由調(diào)制信號發(fā)生器和 比較放大器兩部分組成。比較放大器兩部分組成。 調(diào)制信號發(fā)生器都是采用三角波發(fā)生器或調(diào)制信號發(fā)生器都是采用三角波發(fā)生器或 是鋸齒波發(fā)生器。是鋸齒波發(fā)生器。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 三角波脈沖寬度調(diào)制器原理圖三角波脈沖寬度調(diào)制器原理圖 C1 C2 C3 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 RF R R11 R12 D1 D2 D3 D4 電壓(流)反饋值 電壓(流)設(shè)定值 Ua Ua* 方波發(fā)生器 U t Ut

43、 t 三角波發(fā)生器 產(chǎn)生三角載波 U Ut Uc Uc t Us t Us IC1-A IC1-B IC1-C IC1-D 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) PWMPWM脈寬調(diào)制波形圖脈寬調(diào)制波形圖 Uc t Ut t Uc+Ut t Us t Uc t t Uc t t 0 0 0 0 0 0 0 0 Ut Uc+Ut Us Uc t t Uc t t 0 0 0 0 Ut Uc+Ut Us (a) (b) (c) T Ut F 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 3.3.開關(guān)功率放大器開關(guān)功率放大器 開關(guān)功率放大器是脈寬調(diào)制速度單元的主開關(guān)功率放大器是脈寬調(diào)制速度單元的主 回路，其結(jié)構(gòu)形式有兩種形式，一種是回路

44、，其結(jié)構(gòu)形式有兩種形式，一種是H H 型（也稱橋式），另一種是型（也稱橋式），另一種是T T型。型。 每種電路又有單極性工作方式和雙極性工每種電路又有單極性工作方式和雙極性工 作方式之分，而各種不同的工作方式又可作方式之分，而各種不同的工作方式又可 組成可逆開關(guān)放大電路和不可逆開關(guān)放大組成可逆開關(guān)放大電路和不可逆開關(guān)放大 電路。電路。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) H H型橋式型橋式PWMPWM功率放大器電路原理圖功率放大器電路原理圖 M A B VT1 VT2 VT3 VT4 D1D2 D3D4 ES ub1 ub2 ub3 ub4 Us t 0 -Us t 0 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 按照控制指

45、令不同情況，功率放大電路及按照控制指令不同情況，功率放大電路及 其所驅(qū)動的電機可以有以下其所驅(qū)動的電機可以有以下4 4種工作狀態(tài)。種工作狀態(tài)。 （1 1）當(dāng)）當(dāng)Uc=0Uc=0時，電動機不轉(zhuǎn)。時，電動機不轉(zhuǎn)。 （2 2）當(dāng)）當(dāng)UcUc0 0時，導(dǎo)致電動機正轉(zhuǎn)。并且，時，導(dǎo)致電動機正轉(zhuǎn)。并且， 隨著隨著UcUc增加，轉(zhuǎn)速亦增加。增加，轉(zhuǎn)速亦增加。 （3 3）當(dāng)）當(dāng)UcUc0 0時，導(dǎo)致電動機反轉(zhuǎn)。并且，時，導(dǎo)致電動機反轉(zhuǎn)。并且， 隨著隨著UcUc減小，轉(zhuǎn)速增加。減小，轉(zhuǎn)速增加。 （4 4）當(dāng)）當(dāng)UcUtF/2UcUtF/2或或Uc-UtF/2Uc-UtF/2時，電動時，電動 機在最高轉(zhuǎn)速下正轉(zhuǎn)或

46、反轉(zhuǎn)。機在最高轉(zhuǎn)速下正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 5-4 交流伺服電動機及變頻調(diào)速交流伺服電動機及變頻調(diào)速 直流伺服電動機：直流伺服電動機： 電刷和換向器易磨損，有時產(chǎn)生火花，而電刷和換向器易磨損，有時產(chǎn)生火花，而 且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高。且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高。 交流伺服電動機：交流伺服電動機： 結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)好，輸出功率較大，結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)好，輸出功率較大， 因而在數(shù)控機床上被越來越廣泛應(yīng)用。因而在數(shù)控機床上被越來越廣泛應(yīng)用。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 一、交流伺服電動機的種類和工作原理一、交流伺服電動機的種類和工作原理 1.1.永磁式交流伺服電動機永磁式交流伺服電動機

47、永磁式交流伺服電動機由定子、轉(zhuǎn)子組成，永磁式交流伺服電動機由定子、轉(zhuǎn)子組成， 一般都帶有檢測元件。它相當(dāng)于交流同步一般都帶有檢測元件。它相當(dāng)于交流同步 電動機，常用于進給伺服系統(tǒng)。電動機，常用于進給伺服系統(tǒng)。 N S ns nr ns 設(shè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為設(shè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為 電源交流電的頻率電源交流電的頻率 定子和轉(zhuǎn)子極對數(shù)定子和轉(zhuǎn)子極對數(shù) 旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速 pfnn sr 60 r n f s n p 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 2.2.感應(yīng)式交流伺服電動機感應(yīng)式交流伺服電動機 它是基于感應(yīng)電動機的結(jié)構(gòu)而專門設(shè)計的。它是基于感應(yīng)電動機的結(jié)構(gòu)而專門設(shè)計的。 在定子繞組通以交流電時，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場在定子繞

48、組通以交流電時，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場 會切割轉(zhuǎn)子中的導(dǎo)體，導(dǎo)體感應(yīng)電流與定子會切割轉(zhuǎn)子中的導(dǎo)體，導(dǎo)體感應(yīng)電流與定子 磁場相作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，磁場相作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動， 其轉(zhuǎn)速為：其轉(zhuǎn)速為： 同步轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 供電電源頻率供電電源頻率 轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率極對數(shù)極對數(shù) )1 ( 60 )1 (s p f snn sr s r n f s n p 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 二、交流伺服電動機變頻調(diào)速的主電路二、交流伺服電動機變頻調(diào)速的主電路 只要改變交流伺服電動機的供電頻率，即可只要改變交流伺服電動機的供電頻率，即可 改變交流伺服電動機的轉(zhuǎn)速。改變交流伺服電動機的轉(zhuǎn)速。

49、變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是為電動機提供頻率可變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是為電動機提供頻率可 變電源的變頻器。變電源的變頻器。 變頻器可分為兩種：變頻器可分為兩種： （1 1）交）交- -交變頻器交變頻器 （2 2）交）交- -直直- -交變頻器交變頻器 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) （1 1）交）交- -交變頻器交變頻器 交交- -交變頻利用可控硅整流器直接將工頻交變頻利用可控硅整流器直接將工頻 交流電變成頻率較低的脈動交流電，正交流電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。這個組輸出正脈沖，反組輸出負脈沖。這個 脈動交流電的基波就是所需的變頻電壓。脈動交流電的基波就是所需的變頻電壓。 負載

50、50Hz 50Hz 正組反組 + - + - U0 （a） 整流 50Hz 逆變 M （b） 濾波 交流電動機 但這種方法所得但這種方法所得 到的交流電中波到的交流電中波 動比較大，而且動比較大，而且 最大頻率即為變最大頻率即為變 頻器輸入的工頻頻器輸入的工頻 電壓頻率。電壓頻率。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) （2 2）交）交- -直直- -交變頻器交變頻器 它先將交流電整流成直流電，然后將直流電它先將交流電整流成直流電，然后將直流電 壓變成脈沖波電壓，這個矩形脈沖波的基波壓變成脈沖波電壓，這個矩形脈沖波的基波 頻率就是所需的變頻電壓。這種方式所得交頻率就是所需的變頻電壓。這種方式所得交 流電的波

51、動小，調(diào)頻范圍比較寬，調(diào)節(jié)線性流電的波動小，調(diào)頻范圍比較寬，調(diào)節(jié)線性 好。數(shù)控機床上常采用交好。數(shù)控機床上常采用交- -直直- -交變頻調(diào)速。交變頻調(diào)速。 負載 50Hz 50Hz 正組反組 + - + - U0 （a） 整流 50Hz 逆變 M （b） 濾波 交流電動機 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 三、三、SPWMSPWM波調(diào)制原理波調(diào)制原理 1.SPWM1.SPWM波波 SPWMSPWM波調(diào)制稱正弦波波調(diào)制稱正弦波PWMPWM調(diào)制。調(diào)制。 SPWMSPWM波形的定義：波形的定義： U t 0 0 U t （a） （b） 把一個正弦半波把一個正弦半波N N 等分，然后把每一等分，然后把每一 等分

52、的正弦曲線與等分的正弦曲線與 橫坐標(biāo)所圍面積用橫坐標(biāo)所圍面積用 一個與此面積相等一個與此面積相等 的等高矩形脈沖代的等高矩形脈沖代 替，這樣可得替，這樣可得N N個個 等高而不等寬的脈等高而不等寬的脈 沖序列。沖序列。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 2.2.一相一相SPWMSPWM波調(diào)制原理波調(diào)制原理 C1 C2 R1 R2 R3 R4 R5 R7 R6 RF R D1 D2 D3 D4 方波發(fā)生器 U t Ut t 三角波發(fā)生器 產(chǎn)生三角載波 U Ut U0 t U0 IC1-A IC1-B IC1-C U1 t 雙極性雙極性SPWMSPWM波調(diào)制原理（一相）波調(diào)制原理（一相） 第5章數(shù)控機床伺服

53、系統(tǒng) 在調(diào)制過程中可以是雙極性調(diào)制，也可以是在調(diào)制過程中可以是雙極性調(diào)制，也可以是 單極性調(diào)制。雙極性調(diào)制能同時調(diào)制出正半單極性調(diào)制。雙極性調(diào)制能同時調(diào)制出正半 波和負半波。而單極性調(diào)制只能調(diào)制出正半波和負半波。而單極性調(diào)制只能調(diào)制出正半 波或負半波。波或負半波。 U t 0 0 U0 t （a） （b） Ut U1 等效正 弦波 單極性單極性SPWMSPWM波調(diào)制波形圖波調(diào)制波形圖 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 3.3.三相三相SPWMSPWM波的調(diào)制波的調(diào)制 控制 信號 振蕩 器 三角波發(fā)生器 + + + - - - 控制信號 Ua Ub Uc U0a U0b U0c 驅(qū)動 T1T6 三相三相S

54、PWMSPWM波調(diào)制原理框圖波調(diào)制原理框圖 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 4.SPWM4.SPWM變頻器的功率放大變頻器的功率放大 M D1 D2 D3 D4 D5D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 50Hz SPWM T1 T2 T3 T4 T5 T6 U0a 反U0a U0b 反U0b U0c 反U0c 雙極性雙極性SPWMSPWM通用型功率放大主回路通用型功率放大主回路 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 四、交流伺服系統(tǒng)組成四、交流伺服系統(tǒng)組成 一個完整的交流伺服系統(tǒng)主要由變頻電源和一個完整的交流伺服系統(tǒng)主要由變頻電源和 伺服電動機組成。伺服電動機組成。 1.1.變頻電源變頻電源 因運行時其

55、散熱表面的溫度可高達因運行時其散熱表面的溫度可高達9090，所，所 以大多數(shù)要求壁掛立式安裝，并在電源機殼以大多數(shù)要求壁掛立式安裝，并在電源機殼 內(nèi)配有冷卻風(fēng)扇以保證熱量得到充分的散發(fā)。內(nèi)配有冷卻風(fēng)扇以保證熱量得到充分的散發(fā)。 多臺變頻電源安裝在一起時要盡量避免豎排多臺變頻電源安裝在一起時要盡量避免豎排 安裝，如必須豎排則要在兩層間配備隔熱板。安裝，如必須豎排則要在兩層間配備隔熱板。 變頻電源工作的環(huán)境溫度不準(zhǔn)超過變頻電源工作的環(huán)境溫度不準(zhǔn)超過5050。 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 交流伺服系統(tǒng)總體設(shè)備接線情況交流伺服系統(tǒng)總體設(shè)備接線情況 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 2.2.變頻電源的選用變頻電源的選用 選