數(shù)控技術(shù)之進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1、 華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院14.1 概述概述4.2 位置檢測(cè)裝置位置檢測(cè)裝置4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)4.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法第4章 進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 24.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) CNC裝置發(fā)出的位移指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)裝置作一裝置發(fā)出的位移指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)裝置作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給或快速運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給或快速運(yùn)動(dòng). 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成：進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成： 驅(qū)

2、動(dòng)器和電機(jī)。驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)。 進(jìn)給電機(jī)的類型：進(jìn)給電機(jī)的類型： 步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和直線電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和直線電機(jī)。34.3.1 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 驅(qū)動(dòng)器每向步進(jìn)電機(jī)輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器每向步進(jìn)電機(jī)輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，稱為轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，稱為步距角步距角，通過(guò)齒輪和絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)，通過(guò)齒輪和絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。移動(dòng)。 步進(jìn)式進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)屬于步進(jìn)式進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)。 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度與電脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動(dòng)與電脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動(dòng)速度與電脈沖信號(hào)的

3、頻率成正比。速度與電脈沖信號(hào)的頻率成正比。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：電機(jī)具有自鎖能力；電機(jī)具有自鎖能力； 控制簡(jiǎn)單?？刂坪?jiǎn)單。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 在大負(fù)載和速度較高的情況下容易失步，能耗較大。在大負(fù)載和速度較高的情況下容易失步，能耗較大。 應(yīng)用：應(yīng)用：步進(jìn)電機(jī)的速度不高，在脈沖當(dāng)量為步進(jìn)電機(jī)的速度不高，在脈沖當(dāng)量為1m/脈沖時(shí)，脈沖時(shí)，最高移動(dòng)速度為最高移動(dòng)速度為2m/min，主要用于速度和精度要求不太高的，主要用于速度和精度要求不太高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和舊機(jī)床改造。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和舊機(jī)床改造。4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 41. 步進(jìn)電機(jī)分類：步進(jìn)電機(jī)分類：常見(jiàn)的分類方式有按相數(shù)、按產(chǎn)生力矩的常見(jiàn)的分類

4、方式有按相數(shù)、按產(chǎn)生力矩的原理、按輸出力矩的大小和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類原理、按輸出力矩的大小和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類u 按相數(shù)分：按相數(shù)分：有三相、四相、五相、六相等。相數(shù)越多，步有三相、四相、五相、六相等。相數(shù)越多，步距角越小，輸出轉(zhuǎn)矩越大，但結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。通電方式采用距角越小，輸出轉(zhuǎn)矩越大，但結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。通電方式采用m相相m拍、雙拍、雙m拍和拍和m相相2m拍等。拍等。u 按力矩產(chǎn)生的原理分：按力矩產(chǎn)生的原理分：有反應(yīng)式、永磁反應(yīng)式和混合式三有反應(yīng)式、永磁反應(yīng)式和混合式三類。類。u 按輸出力矩的大小分：按輸出力矩的大小分：快速步進(jìn)電機(jī)（快速步進(jìn)電機(jī)（0.07Nm4Nm）和）和功率步進(jìn)電機(jī)（功率步進(jìn)電機(jī)（5

5、Nm50 Nm）兩類。）兩類。u 按結(jié)構(gòu)分類：按結(jié)構(gòu)分類：有軸向分相式（即多段式）和徑向分相式有軸向分相式（即多段式）和徑向分相式（即單段式）。（即單段式）。4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 52. 步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)工作原理 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的定子上有磁極，每個(gè)磁極上有激磁繞反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的定子上有磁極，每個(gè)磁極上有激磁繞組，轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，有周向均布的齒，依靠磁極對(duì)齒的吸合工組，轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，有周向均布的齒，依靠磁極對(duì)齒的吸合工作。作。定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子定子繞組定子繞組4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 6AB定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子IAIBIC兩個(gè)相對(duì)的磁極組成兩個(gè)相對(duì)的磁極組成一相一相。注意

6、：注意：這里的這里的“相相”和三相交流電中的和三相交流電中的“相相”的概念不同。的概念不同。步進(jìn)電機(jī)通的是電脈步進(jìn)電機(jī)通的是電脈沖，主要是指線圖的沖，主要是指線圖的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 7步進(jìn)電機(jī)的工作方式步進(jìn)電機(jī)的工作方式(通電順序通電順序)可分為：可分為： 三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。1）三相單三拍：）三相單三拍：三相繞組聯(lián)接方式：三相繞組聯(lián)接方式：Y 型型三相繞組中的通電順序?yàn)槿嗬@組中的通電順序?yàn)锳 相相 B 相相 C 相相通電順序也可以為：通電順序也可以為： A 相相 C 相相 B

7、 相相 4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 8ABCAB逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30B相通電逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30A相通電C相通電ABCABC1234C1234ABCABC12344.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 9BACCBA3412A 相通電相通電B相通電相通電C相通電相通電BBACCA3412B ACCBA3412CA4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 10三相單三拍的工作特點(diǎn)：三相單三拍的工作特點(diǎn)： 每來(lái)一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)每來(lái)一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò) 30 ； 轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序；轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序； 每次定子繞組只有一相通電，在切換瞬間失去自每次

8、定子繞組只有一相通電，在切換瞬間失去自鎖轉(zhuǎn)矩，容易產(chǎn)生失步；鎖轉(zhuǎn)矩，容易產(chǎn)生失步； 只有一相繞組產(chǎn)生力矩吸引轉(zhuǎn)子，在平衡位置易只有一相繞組產(chǎn)生力矩吸引轉(zhuǎn)子，在平衡位置易產(chǎn)生振蕩產(chǎn)生振蕩 。4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 112）雙三拍工作方式）雙三拍工作方式定子繞組通電順序：定子繞組通電順序： ABBCCAAB（轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)）（轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)） ACBCCA（轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)）（轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)）有兩對(duì)磁極同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子的兩對(duì)齒進(jìn)行吸引，每步仍旋轉(zhuǎn)有兩對(duì)磁極同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子的兩對(duì)齒進(jìn)行吸引，每步仍旋轉(zhuǎn)30。雙三拍工作特點(diǎn)雙三拍工作特點(diǎn)：始終有一相定子繞組通電，工作比較平：始終有一相定子繞組通電，工作

9、比較平穩(wěn)。避免了單三拍通電方式的缺點(diǎn)。穩(wěn)。避免了單三拍通電方式的缺點(diǎn)。4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 3）三相六拍工作方式）三相六拍工作方式 通電順序?yàn)椋和婍樞驗(yàn)椋?AABBBCCCAA（逆時(shí)針）（逆時(shí)針） AACCBCBCAA（順時(shí)針）（順時(shí)針）12ABCABB相通電CA相通電ABCABC1234C相通電ABCABCABCABBC相通電CABCABCA相通電CABCABAB相通電C123412341234123412344.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 三相六拍工作特點(diǎn)：三相六拍工作特點(diǎn)：每步轉(zhuǎn)過(guò)每步轉(zhuǎn)過(guò)15，步距角是三相三拍工作方式的一半，步距角是三相三拍工作方式的一半，電機(jī)運(yùn)

10、轉(zhuǎn)中始終有一相定子繞組通電，運(yùn)轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中始終有一相定子繞組通電，運(yùn)轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)。 133. 步進(jìn)電機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)：步進(jìn)電機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)： 轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多，轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多，齒數(shù)越多，齒數(shù)越多，步距角越小。定子磁極上的齒的步距角越小。定子磁極上的齒的齒距與轉(zhuǎn)子的齒距相同，但各極齒距與轉(zhuǎn)子的齒距相同，但各極的齒依次與轉(zhuǎn)子的齒錯(cuò)開齒距的的齒依次與轉(zhuǎn)子的齒錯(cuò)開齒距的1m（m電機(jī)相數(shù)）。電機(jī)相數(shù)）。 每次定子繞組通電狀態(tài)改變時(shí)，轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn)過(guò)齒距的每次定子繞組通電狀態(tài)改變時(shí)，轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn)過(guò)齒距的1m（如三相三拍）或（如三相三拍）或12m（如三相六拍）達(dá)到新的平衡位置。（如三相六拍）達(dá)到新的平衡位置。4.3 進(jìn)給電機(jī)

11、及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 14 若轉(zhuǎn)子若轉(zhuǎn)子40個(gè)齒，通電為三相三拍方式。當(dāng)轉(zhuǎn)子齒與個(gè)齒，通電為三相三拍方式。當(dāng)轉(zhuǎn)子齒與A相相定子齒對(duì)齊時(shí)，轉(zhuǎn)子齒與定子齒對(duì)齊時(shí)，轉(zhuǎn)子齒與B相定子齒相差（相定子齒相差（3），與），與C相定相定子齒相差（子齒相差（6）。）。AACBSNSNCB繞組定子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心A相磁通A相各相定子936順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)子齒展開B相C相4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 15每給一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)角度的理論值。每給一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)角度的理論值。4. 步進(jìn)電機(jī)的主要特性步進(jìn)電機(jī)的主要特性 1）步距角）步距角mzk360 m定子相數(shù)；定子相數(shù)；z轉(zhuǎn)子齒數(shù)；轉(zhuǎn)子齒數(shù)；k通電

12、系數(shù)，通電系數(shù)， m相相m拍，拍，k1；m相相2m拍，拍，k2。 一般很小一般很小，如：，如：31.5，1.50.75，0.720.36等等4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 16靜態(tài)：靜態(tài)：步進(jìn)電機(jī)處于通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子處在不動(dòng)狀態(tài)。步進(jìn)電機(jī)處于通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子處在不動(dòng)狀態(tài)。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mj ：在電機(jī)軸上施加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩在電機(jī)軸上施加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩M，轉(zhuǎn)子會(huì)，轉(zhuǎn)子會(huì)在載荷方向上轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度在載荷方向上轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度（失調(diào)角）失調(diào)角），轉(zhuǎn)子因而受到，轉(zhuǎn)子因而受到一個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩一個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩Mj的作用與負(fù)載平衡。的作用與負(fù)載平衡。2）靜態(tài)矩角特性）靜態(tài)矩角特性矩角特性：矩角特性：步進(jìn)電機(jī)單步進(jìn)電機(jī)單相通

13、電的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩相通電的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mj隨隨失調(diào)角失調(diào)角的變化曲線。的變化曲線。4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 17步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器主要由加減速控制器、環(huán)形分配器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器主要由加減速控制器、環(huán)形分配器和功率放大器組成和功率放大器組成 4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 5. 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制器步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制器 加減加減 速控速控 制器制器 環(huán)形環(huán)形 分配分配 器器 功率功率 放大放大 器器 進(jìn)進(jìn)給給脈脈沖沖 步進(jìn)步進(jìn)電機(jī)電機(jī)繞組繞組 18環(huán)形分配器軟件算法環(huán)形分配器軟件算法:4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 194.3.2 交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 伺服驅(qū)動(dòng)的

14、發(fā)展歷程：伺服驅(qū)動(dòng)的發(fā)展歷程： 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī) 旋轉(zhuǎn)式電機(jī)旋轉(zhuǎn)式電機(jī)直線電機(jī)直線電機(jī) 理由：理由：閉環(huán)提高精度。閉環(huán)提高精度。 直流伺服電機(jī)調(diào)速方便，直流伺服電機(jī)調(diào)速方便，90年代以前大量使用（交流在年代以前大量使用（交流在性能成本方面不占優(yōu)）。但直流伺服電機(jī)的容量小、結(jié)構(gòu)復(fù)性能成本方面不占優(yōu)）。但直流伺服電機(jī)的容量小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、有電刷、體積大和重量重，因此，其應(yīng)用受到限制。隨雜、有電刷、體積大和重量重，因此，其應(yīng)用受到限制。隨著交流伺服驅(qū)動(dòng)性價(jià)比提高，交流伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)已漸漸取代著交流伺服驅(qū)動(dòng)性價(jià)比提高，交流伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)已漸漸取代了直流伺服電機(jī)

15、。了直流伺服電機(jī)。4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 201. 交流伺服電機(jī)的種類、結(jié)構(gòu)及工作原理交流伺服電機(jī)的種類、結(jié)構(gòu)及工作原理（1） 交流伺服電機(jī)的種類及特點(diǎn)交流伺服電機(jī)的種類及特點(diǎn) 交流伺服電機(jī)有交流伺服電機(jī)有同步型同步型和和異步型異步型兩大類。異步型交兩大類。異步型交流電機(jī)指的是交流感應(yīng)電機(jī)。同步型交流電機(jī)按轉(zhuǎn)子結(jié)流電機(jī)指的是交流感應(yīng)電機(jī)。同步型交流電機(jī)按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同可分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為構(gòu)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(yīng)式多種。數(shù)控機(jī)床中多用磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。數(shù)控機(jī)床中多用永磁式永磁式同步電機(jī)同步電機(jī)。4.3 進(jìn)給電

16、機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 21永磁式同步電機(jī)：永磁式同步電機(jī)：優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：比直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積約小：比直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積約小1/2，質(zhì)量，質(zhì)量減輕減輕60，轉(zhuǎn)子慣量可減小到，轉(zhuǎn)子慣量可減小到1/5、 效率高。效率高。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：?jiǎn)?dòng)特性欠佳、控制復(fù)雜：?jiǎn)?dòng)特性欠佳、控制復(fù)雜應(yīng)用應(yīng)用：進(jìn)給驅(qū)動(dòng)：進(jìn)給驅(qū)動(dòng)異步型交流伺服電機(jī)異步型交流伺服電機(jī)：優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：與同容量的直流電機(jī)相比重量輕（：與同容量的直流電機(jī)相比重量輕（1/2），價(jià)格便），價(jià)格便宜宜(1/3)；缺點(diǎn)缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)速受負(fù)載的變化影響較大，不能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)范圍：轉(zhuǎn)速受負(fù)載的變化影響較大，不能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)范圍較廣的平滑調(diào)速，效率較低

17、、功率因數(shù)低較廣的平滑調(diào)速，效率較低、功率因數(shù)低應(yīng)用應(yīng)用：主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。：主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 22VSVS脈沖編碼器脈沖編碼器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子定子定子接線盒接線盒定子三相繞組定子三相繞組（2）交流永磁同步電機(jī)的工作原理與特性交流永磁同步電機(jī)的工作原理與特性 結(jié)構(gòu)：電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件組成。結(jié)構(gòu)：電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件組成。4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 23nrns60f1p ns同步轉(zhuǎn)速，同步轉(zhuǎn)速， 轉(zhuǎn)子磁極的軸線與定子磁轉(zhuǎn)子磁極的軸線與定子磁極的軸線夾角，極的軸線夾角，nr轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，f1交流電源頻率（定子供電交流電源頻率（定子供電頻

18、率），頻率），p定子和轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)定子和轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù) nSNns nr S通過(guò)調(diào)節(jié)頻率和極對(duì)數(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。通過(guò)調(diào)節(jié)頻率和極對(duì)數(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 24U1 定子每相相電壓；定子每相相電壓；E1 定子每相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；定子每相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)； N1 定子每相繞組匝數(shù)；定子每相繞組匝數(shù)；K1 定子每相繞組匝數(shù)系數(shù)；定子每相繞組匝數(shù)系數(shù)； 每極氣隙磁通量；每極氣隙磁通量；Tm電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；Ia 轉(zhuǎn)子電樞電流；轉(zhuǎn)子電樞電流； 轉(zhuǎn)子電樞電流的相位角。轉(zhuǎn)子電樞電流的相位角。2. 交流同步電機(jī)的變頻調(diào)速原理交流同步電機(jī)的變頻調(diào)速原理 交流電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)方程、轉(zhuǎn)矩方程：

19、交流電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)方程、轉(zhuǎn)矩方程：mKNfEU1111144. 42cosamMmICTm24.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 25 在變頻調(diào)速的同時(shí)，要求供電電壓也隨之變化，即滿足在變頻調(diào)速的同時(shí)，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?yōu)槎ㄖ?，以確保磁通量不變。 因?yàn)樽冾l調(diào)速時(shí)，當(dāng)因?yàn)樽冾l調(diào)速時(shí)，當(dāng)U1不變，增加頻率不變，增加頻率f1，則磁通量減，則磁通量減小，導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩小，導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Tm下降，電機(jī)負(fù)載能力降低；若減下降，電機(jī)負(fù)載能力降低；若減小頻率小頻率f1，磁通量增加，定子電流上升，導(dǎo)致鐵損增加。，磁通量增加，定子電流上升，導(dǎo)致鐵損增加。 變頻調(diào)速

20、控制方式：變頻調(diào)速控制方式：基頻以下調(diào)速基頻以下調(diào)速當(dāng)電機(jī)在當(dāng)電機(jī)在f1的額定參數(shù)下運(yùn)行時(shí)，供的額定參數(shù)下運(yùn)行時(shí)，供電頻率低于額定值。電頻率低于額定值。基頻以上調(diào)速基頻以上調(diào)速當(dāng)電機(jī)在當(dāng)電機(jī)在f1的額定參數(shù)上運(yùn)行時(shí)，供的額定參數(shù)上運(yùn)行時(shí)，供電頻率高于額定值。電頻率高于額定值。4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 263交流同步伺服電機(jī)的變頻器交流同步伺服電機(jī)的變頻器 變頻器將交流恒壓恒頻的供電電源轉(zhuǎn)變?yōu)樽儔鹤冾l的變頻器將交流恒壓恒頻的供電電源轉(zhuǎn)變?yōu)樽儔鹤冾l的供電電源。供電電源。（1）變頻器類型）變頻器類型 變頻器可分為變頻器可分為交交交變頻器交變頻器（直接變頻器）和（直接變頻器）和交交直直交變

21、頻器交變頻器（間接變頻器）兩種。（間接變頻器）兩種。 應(yīng)用最多的是交應(yīng)用最多的是交直直交變頻器。交變頻器。 根據(jù)變頻電源的性質(zhì)，又可分為根據(jù)變頻電源的性質(zhì)，又可分為電壓源變頻器電壓源變頻器和和電流電流源變頻器。源變頻器。4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 27交交交變頻：交變頻： 利用可控硅整流器直接將工頻交流電（頻率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(dòng)交流電，正組輸出正脈沖，反組輸變成頻率較低的脈動(dòng)交流電，正組輸出正脈沖，反組輸出負(fù)脈沖，脈動(dòng)交流電的基波就是所需的變頻電壓。出負(fù)脈沖，脈動(dòng)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(dòng)比較大，且最大頻率

22、即為該方法所得的交流電波動(dòng)比較大，且最大頻率即為變頻器輸入的工頻電壓頻率。變頻器輸入的工頻電壓頻率。M負(fù)載反組濾波逆變整流正組交流輸入+-(a)(b)CVDU050Hz50Hz交流電機(jī)4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 28交交直直交變頻：交變頻： 先將交流電整流成直流電，然后將直流電壓變成矩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。形脈沖波電壓，矩形脈沖波的基波是所需的變頻電壓。 該調(diào)頻方式所得交流電的波動(dòng)小，調(diào)頻范圍比較寬，該調(diào)頻方式所得交流電的波動(dòng)小，調(diào)頻范圍比較寬，調(diào)節(jié)線性度好。調(diào)節(jié)線性度好。M負(fù) 載反 組濾 波逆 變整 流正 組交

23、流 輸 入+-(a)(b)CVDU050Hz50Hz交 流 電 機(jī)4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 29（2）正弦波脈沖調(diào)制（）正弦波脈沖調(diào)制（SPWM）逆變器）逆變器 脈寬調(diào)制（脈寬調(diào)制（PWM）變頻）變頻是通過(guò)脈沖信號(hào)控制逆變器是通過(guò)脈沖信號(hào)控制逆變器開關(guān)元件的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間比（即調(diào)節(jié)脈沖的寬度）來(lái)控開關(guān)元件的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間比（即調(diào)節(jié)脈沖的寬度）來(lái)控制輸出電壓的大小和頻率，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。制輸出電壓的大小和頻率，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。uUUutttt4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 30正弦脈寬調(diào)制（正弦脈寬調(diào)制（SPWM）是利用有正弦波特性的是利用有正弦波特性的脈沖信號(hào)去控制逆變器開關(guān)元件

24、的通、斷時(shí)間比。此脈沖信號(hào)去控制逆變器開關(guān)元件的通、斷時(shí)間比。此時(shí)，變頻器輸出近似于正弦波的電流，使得電機(jī)電源時(shí)，變頻器輸出近似于正弦波的電流，使得電機(jī)電源近似為正弦交流電。近似為正弦交流電。SPWM變頻器是目前數(shù)控機(jī)床應(yīng)用最廣泛的變頻器。變頻器是目前數(shù)控機(jī)床應(yīng)用最廣泛的變頻器。4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 31SPWM原理原理單相調(diào)制原理單相調(diào)制原理正弦脈寬調(diào)制（正弦脈寬調(diào)制（SPWM）波形）波形:與正弦波等效的一系列等幅不與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波。等寬的矩形脈沖波。等效原理：把正弦波分成等效原理：把正弦波分成n等等分，每一區(qū)間面積用與其相等分，每一區(qū)間面積用與其相

25、等的等幅不等寬的矩形面積代替。的等幅不等寬的矩形面積代替。正弦波的正負(fù)半周均如此處理。正弦波的正負(fù)半周均如此處理。uttuOOa)b)4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 32整流器：整流器：將三相工頻交流電變成直流電將三相工頻交流電變成直流電逆變器：逆變器：將整流輸出的直流電壓變成三相交流電將整流輸出的直流電壓變成三相交流電 三相三相SPWM變頻器的主回路結(jié)構(gòu)圖變頻器的主回路結(jié)構(gòu)圖4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 334.3.3 直線電機(jī)及驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)工件臺(tái)直線運(yùn)動(dòng)。取消了從電機(jī)到直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)工件臺(tái)直線運(yùn)動(dòng)。取消了從電機(jī)到工作臺(tái)（拖板）之間的機(jī)械中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，

26、即把機(jī)床進(jìn)給工作臺(tái)（拖板）之間的機(jī)械中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，即把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，故這種傳動(dòng)方式又稱為傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，故這種傳動(dòng)方式又稱為“直接驅(qū)直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)”，也稱，也稱“零傳動(dòng)零傳動(dòng)”。適用于。適用于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)速度高于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)速度高于60m/min以上，加速度以上，加速度1g以上的高速數(shù)控機(jī)床。以上的高速數(shù)控機(jī)床。4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 34優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：l 電機(jī)慣量小，系統(tǒng)響應(yīng)快、速度高，速度和加速度都可提電機(jī)慣量小，系統(tǒng)響應(yīng)快、速度高，速度和加速度都可提高高10倍以上（倍以上（700m/min，40G）。）。l 運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)、噪聲低、傳動(dòng)效率高，動(dòng)態(tài)剛度高。運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)

27、、噪聲低、傳動(dòng)效率高，動(dòng)態(tài)剛度高。l 可設(shè)計(jì)成均布對(duì)稱，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)受力均勻分布，運(yùn)動(dòng)推可設(shè)計(jì)成均布對(duì)稱，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)受力均勻分布，運(yùn)動(dòng)推力平衡力平衡l 可無(wú)限延長(zhǎng)定子的行程，運(yùn)動(dòng)的行程不受限制可無(wú)限延長(zhǎng)定子的行程，運(yùn)動(dòng)的行程不受限制缺點(diǎn)缺點(diǎn)：l 沒(méi)有機(jī)械聯(lián)接或嚙合，垂直軸傳動(dòng)需要外加一個(gè)平衡塊或沒(méi)有機(jī)械聯(lián)接或嚙合，垂直軸傳動(dòng)需要外加一個(gè)平衡塊或制動(dòng)器制動(dòng)器l 磁鐵對(duì)電機(jī)部件的吸力很大，需解決防護(hù)、隔磁問(wèn)題磁鐵對(duì)電機(jī)部件的吸力很大，需解決防護(hù)、隔磁問(wèn)題4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 35 如果將旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿過(guò)軸線的平面剖開，并將定子、轉(zhuǎn)子如果將旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿過(guò)軸線的平面剖開，并將定子、轉(zhuǎn)子圓周展開成平面，便形成了扁平形直線電機(jī)。固定不動(dòng)的部圓周展開成平面，便形成了扁平形直線電機(jī)。固定不動(dòng)的部分稱為分稱為定子定子，動(dòng)作部分稱為，動(dòng)作部分稱為動(dòng)子動(dòng)子。由感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變的直線電機(jī)稱由感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變的直線電機(jī)稱感應(yīng)式直線電機(jī)。感應(yīng)式直線電機(jī)。由永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變的直線電機(jī)稱由永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變的直線電機(jī)稱永磁式直