數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)及位置控制

1、第五章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)及位置控制6.1 概述26.2 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)46.3 直流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)186.4 交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)296.5 直線電機(jī)35概述35第五章 數(shù)控系統(tǒng)的檢測(cè)裝置415.1 概述415.2 碼盤(pán)435.3 光柵和磁柵515.4 旋轉(zhuǎn)變壓器605.5 感應(yīng)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(qū)動(dòng)的發(fā)展歷程： 步進(jìn)電機(jī)直流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)式電機(jī)直線電機(jī) 進(jìn)給伺服系統(tǒng)組成:由伺服驅(qū)動(dòng)電路、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件組成。作用是：接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)電路作轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服

2、驅(qū)動(dòng)裝置(直流、交流伺服電機(jī)，功率步進(jìn)電機(jī)，電液脈沖馬達(dá)等)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)、主軸頭架等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給和快速運(yùn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)與一般機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)有本質(zhì)上的差別，它能根據(jù)指令信號(hào)精確地控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)速度與位置，以及幾個(gè)執(zhí)行部件按一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)所合成的運(yùn)動(dòng)軌跡。 如何選用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在實(shí)際中必須根據(jù)機(jī)床的要求來(lái)確定。各種數(shù)控機(jī)床所完成的加工任務(wù)不同，所以它們對(duì)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的要求也不盡相同，但大致可概括為以下幾個(gè)方面：(1)精度要求高：包括定位精度、重復(fù)定位精度及輪廓加工精度。 (2)穩(wěn)定性好:有較強(qiáng)的抗干擾能力，保證進(jìn)給速度均勻、平穩(wěn)。(3)響應(yīng)速度快且無(wú)超調(diào)：快

3、速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。(4)調(diào)速范圍寬：要求有較寬的無(wú)級(jí)調(diào)速范圍，既能滿足高速加工要求，又能滿足低速進(jìn)給要求,且在低速時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)無(wú)爬行。 (5)低速大轉(zhuǎn)矩：要求伺服系統(tǒng)在低速時(shí)要有大的轉(zhuǎn)矩輸出，防止出現(xiàn)低速爬行現(xiàn)象。注：定位精度：移動(dòng)件到達(dá)指令位置的準(zhǔn)確度；重復(fù)定位精度：移動(dòng)件在任意定位點(diǎn)的定位一致性進(jìn)給電機(jī)的類(lèi)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)。二、伺服系統(tǒng)的分類(lèi)1、按其用途和功能分類(lèi)2、按反饋比較控制方式分類(lèi)數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)按有無(wú)位置檢測(cè)和反饋進(jìn)行分類(lèi)，有以下兩種。(1) 開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)圖4-30是開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)原理圖，它由步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)

4、線路等組成。其功能是每輸入一個(gè)指令脈沖，步進(jìn)電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一定角度，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度取決于指令脈沖的頻率。轉(zhuǎn)角的大小由指令脈沖數(shù)所決定。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的精度較差，但由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于調(diào)整，在精度不太高的場(chǎng)合中仍得到較廣泛的應(yīng)用，如機(jī)床改造等。(2) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)組成:它由伺服電機(jī)、檢測(cè)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(lái)自檢測(cè)裝置的反饋信號(hào)與指令信號(hào)比較的結(jié)果來(lái)進(jìn)行速度和位置的控制。 對(duì)部分?jǐn)?shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，其檢測(cè)反饋信號(hào)是從伺服電機(jī)軸或滾珠絲杠上取得的。對(duì)高精度或大型機(jī)床，直接從安裝在工作臺(tái)等移動(dòng)部件上的檢測(cè)裝置中取得反饋信號(hào)。為區(qū)別兩者，前者稱之為半閉環(huán)系統(tǒng)。通過(guò)閉環(huán)系統(tǒng)直接

5、測(cè)量工作臺(tái)等移動(dòng)部件的位移從而實(shí)現(xiàn)精度高的反饋控制。但這種測(cè)量裝置的價(jià)格較高，安裝及調(diào)整都比較復(fù)雜且不易保養(yǎng)。相比之下，半閉環(huán)系統(tǒng) 中的轉(zhuǎn)角測(cè)量就比較容易實(shí)現(xiàn)，但由于后繼傳動(dòng)鏈傳動(dòng)誤差的影響，測(cè)量補(bǔ)償精度比閉環(huán)系統(tǒng)差。半閉環(huán)系統(tǒng)由于系統(tǒng)簡(jiǎn)單而且調(diào)整方便，現(xiàn)在已廣泛地應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床上。3、按照調(diào)節(jié)理論分類(lèi)三、對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)元件即伺服電動(dòng)機(jī)的要求(1)電動(dòng)機(jī)從最低轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)應(yīng)都能平滑地運(yùn)轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小，尤其在最低轉(zhuǎn)速時(shí)，仍要有平穩(wěn)的速度而無(wú)爬行現(xiàn)象；(2)電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有大的、較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求；(3)電動(dòng)機(jī)應(yīng)可控性好、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、響應(yīng)速度快；(4)電動(dòng)機(jī)應(yīng)能承受頻繁的

6、啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。6.2 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)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，稱為步距角，通過(guò)齒輪和絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。 步進(jìn)式進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)屬于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。 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)速度與電脈沖信號(hào)的頻率成正比。優(yōu)點(diǎn)：電機(jī)具有自鎖能力； 每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，理論上說(shuō)步距誤差不會(huì)累積。 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。應(yīng)用：步進(jìn)電機(jī)的速度不高，在脈沖當(dāng)量為1m/脈沖時(shí)，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經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和舊機(jī)床改造。一、 步進(jìn)電機(jī)分類(lèi)常見(jiàn)的分類(lèi)方式有按相數(shù)、按產(chǎn)生力矩的原理、按輸出力

7、矩的大小和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)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(zhuǎn)矩越大，但結(jié)構(gòu)也越復(fù)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(chǎn)生的原理分：有反應(yīng)式、永磁反應(yīng)式和混合式三類(lèi)。u 按輸出力輸出力矩的大小分：快速步進(jìn)電機(jī)（0.07Nm4Nm）和功率步進(jìn)電機(jī)（5 Nm50 Nm）兩類(lèi)。u 按結(jié)構(gòu)分類(lèi)：有軸向分相式（即多段式）和徑向分相式（即單段式）。二、步進(jìn)電機(jī)工作原理 通過(guò)被勵(lì)磁的定子的電磁力吸引轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)輸出轉(zhuǎn)矩。因此，它理論依據(jù)就是電磁作用原理?，F(xiàn)以三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例加以說(shuō)明。圖4-32是反應(yīng)式三相步進(jìn)電機(jī)的工作原理圖。定子上有6個(gè)磁極，分別為A、

8、B、C三相，每個(gè)磁極上繞有激磁繞組，并且電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向一致。轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，它由帶齒的鐵芯做成的。當(dāng)定子繞組按順序輪流通電時(shí)，A、B、C三對(duì)磁極依次產(chǎn)生磁場(chǎng)，并每次對(duì)轉(zhuǎn)子的某一對(duì)齒產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使它轉(zhuǎn)動(dòng)。每當(dāng)轉(zhuǎn)子的某一對(duì)齒的中心線與定子磁極的中心對(duì)齊時(shí)，磁阻最小，轉(zhuǎn)矩為零。按一定方式切換定子繞組各相電流，使轉(zhuǎn)子按一定方向一步步轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)每步轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角。在圖4-32中，設(shè)A相通電，則轉(zhuǎn)子的1、3 兩齒被磁極A產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩吸引轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)1、3齒與A對(duì)齊時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)停止；此時(shí)，B相通電，A相斷電，磁極B又把距它最近的一對(duì)齒2、4吸引轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)；接著C相通電，B相斷電，轉(zhuǎn)子2

9、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。依次類(lèi)推，定子按ABCA順序通電，轉(zhuǎn)子就一步步地按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，每步轉(zhuǎn)。若改變通電順序，按ACBA順序通電，步進(jìn)電機(jī)就按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，同樣每步轉(zhuǎn)。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(jī)失去自鎖轉(zhuǎn)矩，容易失步；此外，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。因此實(shí)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(shí)針?lè)较?或ACCBBAAC(順時(shí)針?lè)较?進(jìn)行。由于雙三拍控制方式每次有兩相繞組通電，而且切換時(shí)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(jìn)行，就是三相六拍控制方式，每切換一

10、次，步進(jìn)電機(jī)按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)。同樣，若按AACCCBBBAA順序通電，步進(jìn)電機(jī)每步按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)。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(shí)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(shí)踐中常采用這種控制方式。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，即角位移的大小。指令脈沖頻率決定它的旋轉(zhuǎn)速度，只要改變指令脈沖頻率，就可以使步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度在很寬范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。改變繞組的通電順序，可以改變它的轉(zhuǎn)向。由此可見(jiàn)，步進(jìn)電機(jī)的控制是十分方便的。采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)是效率低，驅(qū)動(dòng)慣量負(fù)載能力差，作告訴運(yùn)動(dòng)時(shí)容

11、易失步。三、步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)的類(lèi)型很多，在此只介紹反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)。 圖4-34是一種典型的單定子徑向分相的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。定子上有六個(gè)均布的磁極，在直徑相對(duì)的兩個(gè)極上的線圈串聯(lián)，構(gòu)成一相控制繞組。極與極之間的夾角為，每個(gè)定子磁極上均布5個(gè)齒，齒間夾角為。三相(A、B、C)定子磁極和轉(zhuǎn)子上相應(yīng)的齒依次錯(cuò)開(kāi)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(jìn)電機(jī)以才的步距角作正向或反向旋轉(zhuǎn)。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的另一種結(jié)構(gòu)形式是多定子軸向分相式。圖4-34所示為這種步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(dú)立的。定子鐵芯由硅鋼片疊成，轉(zhuǎn)子由整塊硅鋼制成。定、轉(zhuǎn)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(duì)位置依次徑向錯(cuò)開(kāi)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(jié)構(gòu)的制造工藝比較復(fù)雜，目前大多數(shù)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)采用徑向分相式結(jié)構(gòu)。但是，當(dāng)相數(shù)較多時(shí)，也有采用徑向和軸向分相相結(jié)合的混合式結(jié)構(gòu)。四、步進(jìn)電機(jī)的主要特性 步距角和靜態(tài)步距誤差步進(jìn)電機(jī)每步的轉(zhuǎn)角稱為步距角。它取決于電機(jī)結(jié)構(gòu)和控制方式，步距角可按下式計(jì)算: 式中,m定子相數(shù)；z轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)每走一步的步距角，按理論設(shè)計(jì)是圓周的等分值。但是實(shí)際的步距角與理論值有誤差。在一周內(nèi)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(jìn)電機(jī)的靜態(tài)誤差一般在以內(nèi)。 輸出轉(zhuǎn)距 是指與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各種轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的輸出扭矩。如施加超過(guò)輸出扭矩的負(fù)載扭矩時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就會(huì)停轉(zhuǎn)，因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載扭矩必須小于輸出轉(zhuǎn)矩。 最高啟動(dòng)、停止脈沖頻率 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所能接受的正確啟動(dòng)停止的指令脈沖系列的最高頻率。它隨著加在電機(jī)軸上的負(fù)載慣量和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小而變化。 連續(xù)運(yùn)行最高頻率 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

14、連續(xù)運(yùn)行時(shí)，所能接受的指令脈沖系列的最高頻率。 步進(jìn)運(yùn)行和低頻振蕩 當(dāng)控制脈沖的時(shí)間間隔大于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間時(shí)，電機(jī)呈步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中存在著振蕩，它有一個(gè)固有頻率，當(dāng)控制脈沖頻率等于固有頻率時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生振蕩。例題：1、有一采用三相六拍驅(qū)動(dòng)方式的步進(jìn)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子有80個(gè)齒，經(jīng)齒輪-絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)作直線運(yùn)動(dòng)，絲杠的導(dǎo)程為7.2mm，齒輪的傳動(dòng)比iz1/z21/5。求：(1)步進(jìn)電機(jī)的步距角； (2)工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量；解：(1)360/mzk0.75(2)it/360=0.20.757.2/3600.00032、有一采用四相八拍驅(qū)動(dòng)方式的步進(jìn)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子有90個(gè)齒，經(jīng)齒

15、輪-絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)作直線運(yùn)動(dòng)，絲杠的導(dǎo)程為7.2mm，齒輪的傳動(dòng)比iz1/z21/5。求：(1)步進(jìn)電機(jī)的步距角；(2)工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量；(3) 測(cè)得運(yùn)行頻率為1200Hz時(shí)，其轉(zhuǎn)速為多少？解：（1）360/mzk0.5（3分）(2) it/360=0.20.57.2/3600.002（3分）（3）（轉(zhuǎn)/分）絲杠導(dǎo)程為5mm，工作臺(tái)移動(dòng)最大速度為6mm/s，求：（1）步進(jìn)電機(jī)的步距角（2）工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量（3）步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率f答 不約等于的話f=576Hz五、步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)進(jìn)給的傳動(dòng)計(jì)算及電機(jī)選用(1) 傳動(dòng)計(jì)算圖4-35(a)所示的直線進(jìn)給系統(tǒng)，進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為(mm)，步進(jìn)

16、電機(jī)的步距角為，齒輪傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比為，滾珠絲杠的導(dǎo)程為(mm)，他們之間的關(guān)系如下： (4-24)則有： (4-25)脈沖當(dāng)量：數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)指令脈沖，工作臺(tái)所移動(dòng)的距離。它決定了數(shù)控機(jī)床的加工精度和最高工作頻率。對(duì)于圖4-35(b)所示的圓周進(jìn)給系統(tǒng)(如數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)等)，設(shè)脈沖當(dāng)量為，蝸桿為頭，蝸輪為齒，則有 (4-26)步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)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(shí)脈沖位移的分辨率和精度較高，但是由于進(jìn)給速度mm/min或，在同樣的最高工作頻率時(shí)越小則最大進(jìn)給速度之值也越小。步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)使用齒輪傳動(dòng)，不

17、僅是為了求得必需的脈沖當(dāng)量而且還有滿足結(jié)構(gòu)要求和增大轉(zhuǎn)矩的作用。(2) 步進(jìn)電機(jī)的選用首先必須保證步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載所需的轉(zhuǎn)矩，所以應(yīng)先計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，并使所選電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩有一定余量，以保證可靠運(yùn)行。通常-0.5，其中為步進(jìn)電機(jī)最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。其次應(yīng)使步進(jìn)電機(jī)的步距角與機(jī)械系統(tǒng)匹配，以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。最后應(yīng)使被選電機(jī)與機(jī)械系統(tǒng)得負(fù)載慣量及機(jī)床要求的啟停頻率相匹配，并一定有余量。還應(yīng)使其最高工作頻率能滿足機(jī)床移動(dòng)部件快速移動(dòng)的要求。六、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)不能直接接到交流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能是電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器兩者的綜

18、合效果。在數(shù)控機(jī)床中使用的驅(qū)動(dòng)器有一軸一板型，也有一相一板型，前者維護(hù)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(yīng)用。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(hào)通過(guò)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(jīng)功率放大后加到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各相繞組上。1、環(huán)形分配器控制脈沖通過(guò)環(huán)形分配器控制步進(jìn)電機(jī)電機(jī)勵(lì)磁繞組按一定順序接通、斷電，使電機(jī)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(jiǎn)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(guān)系式采用邏輯門(mén)電路

19、和觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂艭LK的頻率，可控制步進(jìn)電機(jī)的速度。CNC裝置電源環(huán)形分配器A相驅(qū)動(dòng)B相驅(qū)動(dòng)C相驅(qū)動(dòng)FULL/HALFDIRCLKM三相硬件環(huán)形分配器的驅(qū)動(dòng)控制【工程實(shí)例】國(guó)產(chǎn)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(gè)表格存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，由軟件通過(guò)指針?lè)绞讲楸?，并將狀態(tài)數(shù)據(jù)輸出以控制接口，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的工作頻率取決于軟件循環(huán)查表和輸出狀態(tài)的時(shí)間，改變查表的方向，便可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)。圖4-36是軟件環(huán)分器的原理及結(jié)構(gòu)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(diǎn)：硬件簡(jiǎn)單；占用CPU時(shí)間多，只用于速度要求不高，系統(tǒng)

20、比較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。如電腦繡花機(jī)和繪圖儀等。當(dāng)軟件任務(wù)多時(shí)，可用硬件實(shí)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(yùn)行時(shí)按復(fù)位鍵預(yù)置為100初始態(tài)。當(dāng)為高電平時(shí)，為0，為1，由圖得輸入條件為：、，故電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)為低電平時(shí)，為1，為0，由圖得輸入條件為：、，故電機(jī)反轉(zhuǎn)。改變CP的頻率，可以調(diào)速。2、步進(jìn)電機(jī)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(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，因此對(duì)它的輸出信號(hào)要進(jìn)行功率放大。使脈沖電流達(dá)到110A以上，才足以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。下面介紹幾種常用的驅(qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)中最簡(jiǎn)單的一種驅(qū)動(dòng)電路。是步進(jìn)電機(jī)某一相繞組的控制脈沖信號(hào)，它控制功率開(kāi)關(guān)晶體管T的通斷，L是步進(jìn)電機(jī)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(shí)加大繞組電流、提高步進(jìn)電機(jī)的高頻特性，電阻用以改善回路的放電時(shí)間常數(shù)。 單電壓驅(qū)動(dòng)電流波形單電壓功率放大電路最大特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是工作效率低，在高頻工作狀態(tài)時(shí)其效率尤差，它的外接電阻還會(huì)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。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(jié)構(gòu)圖。在圖中有兩個(gè)功率晶體管、，兩個(gè)二極管、；一個(gè)外接電阻，還有步進(jìn)電機(jī)繞組L及繞組電阻。是高電壓電源的開(kāi)關(guān)管；是功率驅(qū)動(dòng)管；是低壓電源的鉗位二極管，它在導(dǎo)通時(shí)處于反向偏置，向電機(jī)的繞組提供高電壓電源，當(dāng)截止時(shí)，低壓電源可以通過(guò)向電機(jī)繞組供電；是續(xù)流二極管，在、都截止時(shí)向繞組提供放電電路。雙電壓功率放大電路在高壓供電時(shí)，必須在高壓電源開(kāi)關(guān)的基極上加上高壓電源開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，同時(shí)在功率管的基極加上步進(jìn)控制信號(hào)，使、導(dǎo)通。而且要求和的上升沿的上升時(shí)刻一致，同時(shí)有式中，高電壓電源的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)的周期； 步進(jìn)控制信號(hào)的周期。在一般的控制系統(tǒng)中，是由產(chǎn)生的，把通過(guò)一個(gè)微分電路后再整形可以得到，也可

23、以把通過(guò)一個(gè)單穩(wěn)電路之后產(chǎn)生。在消失后，截止；在導(dǎo)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(shí)振蕩嚴(yán)重，運(yùn)行平穩(wěn)性較差。雙電壓功率放大電路顯著特點(diǎn)是：功耗較低，高頻工作時(shí)有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)力，所以較多用于中功率和大功率的步進(jìn)電機(jī)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(guò)程中，點(diǎn)輸入步進(jìn)方波信號(hào)，這時(shí)晶體管導(dǎo)通，二極管中電路流過(guò)而發(fā)光，引起晶體管導(dǎo)通，進(jìn)而使晶體管截止，晶體管、導(dǎo)通。另一方面，的信號(hào)使晶體管、導(dǎo)通。加在步進(jìn)

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

25、體管導(dǎo)通，并有導(dǎo)通，截止，、導(dǎo)通。電源U又加于繞組L，使其電流上升。上述過(guò)程在步進(jìn)方波信號(hào)有效期間內(nèi)不斷重復(fù)。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(diào)整電阻或的值都可以改變放大電路的額定值。而運(yùn)算放大器OP1的開(kāi)環(huán)增益對(duì)電流的平滑性有影響，增益越大，波動(dòng)越小。在步進(jìn)信號(hào)=0時(shí)，有、截止，導(dǎo)通，從而使、截止；同時(shí)有、截止，則繞組L中的電流就通過(guò)、回路泄放。這時(shí)相當(dāng)于對(duì)繞組L加上一個(gè)負(fù)電源-U，使電流下降速率提高，故電流泄放時(shí)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(shí)無(wú)需外接電阻(采樣電阻阻值一般很小為0

26、.050.5)來(lái)限定額定電流和減小時(shí)間常數(shù)。但是由于電流波形頂部呈鋸齒波波形，所以會(huì)產(chǎn)生較大的電磁噪聲?！竟こ虒?shí)例】集成斬波恒流功放芯片SLA7026M應(yīng)用實(shí)例調(diào)頻調(diào)壓型功放電路3、細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路將一個(gè)步距角細(xì)分成若干點(diǎn)步的驅(qū)動(dòng)方式稱細(xì)分驅(qū)動(dòng)。特點(diǎn)：在不改動(dòng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，使步距角減小。 要實(shí)現(xiàn)細(xì)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(jìn)電動(dòng)機(jī)低速振動(dòng)，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無(wú)噪聲。 四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正弦細(xì)分相電流時(shí)序圖【工程實(shí)例】步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正弦細(xì)分驅(qū)動(dòng)實(shí)例4、提高步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)精度的措施存在的問(wèn)題：無(wú)位

27、移檢測(cè)元件，定位精度主要取決于傳動(dòng)精度改善措施 間隙補(bǔ)償：在換向時(shí)通過(guò)附加脈沖進(jìn)行補(bǔ)償 螺距誤差補(bǔ)償：采用機(jī)械樣板或附加脈沖進(jìn)行補(bǔ)償 反饋補(bǔ)償：通過(guò)檢測(cè)器進(jìn)行系統(tǒng)誤差檢測(cè)，周期性地發(fā)出補(bǔ)償脈沖。6.3 直流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)前面介紹的步進(jìn)電機(jī)多用于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)精度較低。對(duì)于高精度的數(shù)控機(jī)床，必須采用閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。目前數(shù)控機(jī)床閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)大都采用直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。一、直流伺服電機(jī)的分類(lèi)與特點(diǎn)直流電機(jī)是伺服機(jī)構(gòu)中常用的驅(qū)動(dòng)元件，但一般的直流電機(jī)不能滿足要求，近年來(lái)開(kāi)發(fā)了多種大功率直流伺服電機(jī)，如小慣量電機(jī)及寬調(diào)速電機(jī)等。在閉環(huán)伺服數(shù)控系統(tǒng)中，這些電機(jī)已被廣泛用作驅(qū)動(dòng)元件。1、 小慣

28、量直流電機(jī)小慣量直流電機(jī)是由一般直流電機(jī)發(fā)展而來(lái)的。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：轉(zhuǎn)子為光滑無(wú)槽的鐵芯，線圈由粘合劑粘結(jié)。長(zhǎng)徑比大、慣量小其主要特點(diǎn)是：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，約為普通直流電機(jī)的1/10，快速響應(yīng)性好。電樞反應(yīng)小，換向性好，電機(jī)時(shí)間常數(shù)小 （只有幾毫秒）。由于轉(zhuǎn)子無(wú)槽，結(jié)構(gòu)均衡性好，低速平穩(wěn)性好。最大扭矩為額定值的10倍，過(guò)載能力強(qiáng)。小慣量直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子與一般直流電機(jī)的區(qū)別在于，其轉(zhuǎn)子為無(wú)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(jī)定子結(jié)構(gòu)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(wú)槽結(jié)構(gòu)，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(fēng)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(diào)速直流電機(jī)小慣量直流電機(jī)是通過(guò)減少電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來(lái)改善工作特性的，但正由于其慣量小，機(jī)床慣量大，必須通過(guò)齒輪傳動(dòng)，而且電刷磨損較快。而寬調(diào)速直流電機(jī)則是用提高轉(zhuǎn)矩的方法來(lái)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(yīng)用。寬調(diào)速直流電機(jī)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(diǎn)是：激磁力大小易于調(diào)整，便于安排補(bǔ)償繞組和換向器，所以電機(jī)換向性能好，成本低，可在較寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。永久磁鐵激磁一般無(wú)換向極和補(bǔ)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(jī)低速時(shí)輸出扭矩大

30、，溫升低，尺寸小，因而永久磁鐵激磁結(jié)構(gòu)用的較多。l-轉(zhuǎn)子 2-定子(永磁體) 3-電刷 4-測(cè)速發(fā)電動(dòng)機(jī) 大慣量寬調(diào)速永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖寬調(diào)速直流電機(jī)具有下述特點(diǎn)輸出轉(zhuǎn)矩大 在相同的轉(zhuǎn)子外徑和電樞電流的情況下，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩較大，從而使電機(jī)加速性能和響應(yīng)特性都有顯著的改善。在低速時(shí)能輸出較大的轉(zhuǎn)矩，在數(shù)控機(jī)床上可以不經(jīng)減速齒輪而直接驅(qū)動(dòng)絲杠，從而避免了齒輪傳動(dòng)中的間隙所引起的噪聲、振動(dòng)及齒輪間隙造成的誤差。過(guò)載能力強(qiáng) 由于轉(zhuǎn)子熱容量大、因此熱時(shí)間常數(shù)大，又采用了耐高壓的絕緣材料，所以允許過(guò)載轉(zhuǎn)矩達(dá)510倍，但電機(jī)轉(zhuǎn)矩/慣量比較大。動(dòng)態(tài)響應(yīng)好電機(jī)定子采用矯頑力很高的鐵氧體永磁材料，可使電機(jī)電流

31、過(guò)載10倍而不會(huì)去磁。這就顯著地提高了電機(jī)可供的瞬時(shí)加速轉(zhuǎn)矩，改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)。又由于無(wú)激磁繞組，使電機(jī)發(fā)熱和溫升下降。調(diào)速范圍寬且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn) 由于電機(jī)機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，低速時(shí)能輸出較大的轉(zhuǎn)矩，所以調(diào)速范圍寬且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。易于調(diào)試 由于電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量接近于普通電機(jī)，調(diào)試時(shí)，外界負(fù)載慣量對(duì)伺服系統(tǒng)的響應(yīng)比較小，所以能在不加負(fù)載慣量的情況下預(yù)調(diào)。3、直流主軸電動(dòng)機(jī)由于輸出功率較大，結(jié)構(gòu)上不做成永磁式，而與普通勵(lì)磁直流電動(dòng)機(jī)相同，為他勵(lì)式。為了改善換向性能，在電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上都有換向極；為縮小體積，改善冷卻效果，采用了軸向強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻或“熱管”冷卻。電動(dòng)機(jī)外殼結(jié)構(gòu)為密封式，以適應(yīng)惡劣的機(jī)械加工車(chē)間

32、環(huán)境。用于主軸驅(qū)動(dòng)。 l-換向極；2-主磁極； 3-定子；4-轉(zhuǎn)子；5-線圈 直流主軸電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 二、直流伺服電機(jī)的調(diào)速原理直流電動(dòng)機(jī)的電源為直流電，可將其電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。當(dāng)電樞在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電樞導(dǎo)體切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與電流方向相反，是一種反電動(dòng)勢(shì)，一般用表示，即=式中，電動(dòng)機(jī)電勢(shì)常數(shù)每極總磁通n電樞轉(zhuǎn)速直流電動(dòng)機(jī)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(xiàng)后得到 (4-28)式中，電樞電流 電樞電阻式(4-28)稱為直流電動(dòng)機(jī)的電壓平衡式。它表明外加電壓與反電勢(shì)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(dá)式：= (4-29)式(4-29)說(shuō)明電樞電流與轉(zhuǎn)速有關(guān)。在其他條件不變的情況下，轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)的調(diào)速方法。常用的調(diào)速方法有兩種：一種是改變電動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)電樞所允許通過(guò)的電流是一定的，電動(dòng)機(jī)所能發(fā)出的轉(zhuǎn)矩也就一定，此法叫恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速法。式中，為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。另一種是保持電樞電壓不變，為常數(shù)，通過(guò)改變磁通來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)所允許的電流一定，減小時(shí)，n增加，轉(zhuǎn)矩下降；增加時(shí)，n減小，轉(zhuǎn)矩上升，輸出功率基本不變。此法叫恒功率調(diào)速。選

34、用那種調(diào)速方法，除了考慮滿足調(diào)速指標(biāo)外，同時(shí)要考慮負(fù)載性質(zhì)。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱機(jī)械特性，機(jī)械特性是電機(jī)的靜態(tài)特性，是穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)帶動(dòng)負(fù)載的性能，此時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與外負(fù)載相等。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差n，它反映了電機(jī)機(jī)械特性的硬度，n越小，表明機(jī)械特性越硬。(a)改變電樞電壓時(shí)的機(jī)械特性 (b)改變磁通時(shí)的機(jī)械特性由圖 (a)可見(jiàn)，當(dāng)調(diào)節(jié)電樞電壓時(shí)，直流電機(jī)的機(jī)械特性為一組平行線，即機(jī)械特性曲線的斜率不變，而只改變電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速，保持了原有較硬的機(jī)械特性，所以數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速采用調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速方式。由圖 (b)可見(jiàn)，調(diào)磁調(diào)速不但改變了電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速，而且

35、使直流電機(jī)機(jī)械特性變軟，所以調(diào)磁調(diào)速主要用于機(jī)床主軸電機(jī)調(diào)速。 三、直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)以下介紹的調(diào)速方法均為改變電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。(1)直流電機(jī)的可控硅調(diào)速通過(guò)對(duì)晶閘管觸發(fā)角的控制來(lái)控制電機(jī)電樞電壓，以達(dá)到調(diào)速的目的。 速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)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(cè)編碼器電機(jī)UR+-UfIfIR+-ErUS晶閘管直流雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)框圖主回路主回路由大功率晶閘管構(gòu)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(nèi)按三相橋式連接，二組反并接，分別實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。1、3、5在正半周導(dǎo)通， 2、4、6在負(fù)半周導(dǎo)通。每組內(nèi)（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差120，每相內(nèi)二個(gè)觸

36、發(fā)脈沖相差180。按管號(hào)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(gè)串聯(lián)可控硅能同時(shí)導(dǎo)通，或已截止的相再次導(dǎo)通， 采用雙脈沖控制。既每個(gè)觸發(fā)脈沖在導(dǎo)通60后，在補(bǔ)發(fā)一個(gè)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(dǎo)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(jī)的轉(zhuǎn)速。觸發(fā)脈沖提前來(lái)，增大整流輸出電壓；觸發(fā)脈沖延后來(lái)，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(diào)壓裝置，實(shí)際上是一種常用的直流伺服電機(jī)的調(diào)速電路。如圖4-46所示為三相半波反并聯(lián)可控硅調(diào)速電路，在電路中設(shè)置了兩組整流電路，可控硅組ZZL控制電機(jī)的正向運(yùn)轉(zhuǎn)，F(xiàn)ZL控制電機(jī)的反向運(yùn)轉(zhuǎn)。由于整流電壓是脈動(dòng)的，瞬時(shí)值并不相等，而有環(huán)路脈動(dòng)電流出現(xiàn)，為了不使環(huán)流過(guò)大，在電路中串聯(lián)了正抗器，正、反兩組整流電路同時(shí)加上觸發(fā)脈沖，當(dāng)控制信號(hào)變化時(shí)，兩組電壓相對(duì)變化。電流的正、反向過(guò)渡是平滑的，沒(méi)有死區(qū)，快速性好。但是加上電抗器后，電機(jī)時(shí)間常數(shù)增大。 由于有環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的問(wèn)題較多，因此發(fā)展出各種無(wú)環(huán)流的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。無(wú)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(chǎn)生環(huán)流。無(wú)環(huán)流系統(tǒng)在電流改變方向時(shí)，應(yīng)具備三個(gè)條件：有轉(zhuǎn)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(wú)環(huán)流系統(tǒng)在反向過(guò)程中有一段兩組整流電路都不工作的時(shí)間死區(qū)，這就是它的缺點(diǎn)。但是這一死區(qū)可以縮小到3ms左右，所以符合使用要求。無(wú)環(huán)流系統(tǒng)不用環(huán)流電抗器，沒(méi)有因環(huán)流產(chǎn)生的附加損耗，可靠性高，因而在數(shù)控機(jī)床上得到廣泛應(yīng)用。(2) 直流伺服電機(jī)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱PWM系統(tǒng))是近幾年來(lái)出現(xiàn)的一種調(diào)速系統(tǒng)。它利用開(kāi)關(guān)頻率較高的大功率晶體管作為開(kāi)關(guān)元件，將整流后的恒壓直流電源，轉(zhuǎn)換成幅值不變、脈沖寬度(持續(xù)時(shí)間)可調(diào)的高頻矩形波，給伺

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

40、信號(hào)，如圖4-47所示；其二是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的晶體管脈寬信號(hào)放大器，如圖4-48所示。由脈寬調(diào)制器產(chǎn)生的矩形脈沖信號(hào)，經(jīng)正、負(fù)電平鑒別器整形和負(fù)脈沖削波后，變成為占空比受輸入電壓控制的恒幅調(diào)寬矩形脈沖信號(hào)。再用此信號(hào)作為晶體管放大器、的輸入信號(hào)，實(shí)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(zhuǎn)信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)控制。PWM調(diào)速系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：開(kāi)關(guān)頻率高 其頻率可達(dá)2kHz，比機(jī)械部件的固有頻率高得多，可以避開(kāi)機(jī)械部分的共振點(diǎn)，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(jì)算的電機(jī)的發(fā)熱量很小。如果同一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，將可控硅系統(tǒng)改為PWM系統(tǒng)，能使電機(jī)的額定電流增大1.31.8倍而不至于過(guò)熱。由于波紋系數(shù)小，電流接近于純直流，因此電磁轉(zhuǎn)矩恒定，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。頻率較寬 即系統(tǒng)能夠響應(yīng)的頻率范圍較寬，因此，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性好，有良好的線性度，尤其是接近于零點(diǎn)時(shí)線性度好。可在高峰值電流下工作 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(nèi)，這是它的不足之處。但這樣的安全峰值電流，可以保護(hù)永磁電機(jī)不至于退磁，延長(zhǎng)電機(jī)電刷的壽命，減少電機(jī)發(fā)熱。三、直流主軸控制單元1

42、.對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求 恒功率范圍要寬 寬調(diào)速范圍 具有四象限驅(qū)動(dòng)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(méi)有位置控制，它只是一個(gè)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(gòu)成的雙環(huán)速度控制系統(tǒng)，用控制主軸電機(jī)的電樞電壓來(lái)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，如下圖所示。主軸直流電機(jī)調(diào)速還包括恒功率調(diào)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(diào)速是由控制勵(lì)磁電路的勵(lì)磁電流的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)的。早期的數(shù)控機(jī)床多采用直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。直流主軸速度控制單元框圖四、直流伺服電機(jī)閉環(huán)、半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)圖4-49所示為采用直流伺服電機(jī)的閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(cè)單元測(cè)得執(zhí)行部件的實(shí)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(jīng)變換后，得到速度指令電壓。將與測(cè)速發(fā)電機(jī)的反饋電壓的差值乘增益常數(shù)，得到伺服電機(jī)的電樞電壓，用它控制直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。當(dāng)指令位置與實(shí)際位置相等時(shí)，即位置偏差值為零時(shí)，和均為零，執(zhí)行部件到達(dá)指令所要求的位置。的物理概念如下：如圖4-50(a)所示，當(dāng)進(jìn)給系統(tǒng)獲得一個(gè)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(yùn)行。在時(shí)刻，位置指令達(dá)到指令值時(shí)，指令速度下降至零，但是執(zhí)行部件的實(shí)際速度只能逐漸下降到零。將指令位移量按脈沖當(dāng)量換算成數(shù)字量，則以恒速進(jìn)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(shí)刻的零位置到達(dá)時(shí)刻的位置。因?yàn)閷?shí)際速度是逐漸上升至值的，所以按同一脈沖當(dāng)量換算成數(shù)字量的實(shí)際位置值按另一條曲線2變化。實(shí)際位置總是滯后于指令位置。時(shí)刻的瞬時(shí)指令位置值與瞬時(shí)實(shí)際位置值之間的差值，稱為該時(shí)刻的位置偏差。它由執(zhí)行部件升速啟動(dòng)時(shí)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(dòng)誤差。當(dāng)執(zhí)行部件降速并停止時(shí)，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(jiàn)越大，則就越大，伺服電機(jī)的速度就越高。而且控制啟動(dòng)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(shí)間的長(zhǎng)短。6.4 交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 直流伺服電機(jī)調(diào)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(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)。1. 交流伺服電機(jī)的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)及工作原理（1） 交流伺服電機(jī)的種類(lèi)及特點(diǎn) 交流伺服電機(jī)有同步型和異步型兩大類(lèi)。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)構(gòu)不同可分電磁式及非電磁式兩大類(lèi)。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)床中多用永磁式同步電機(jī)。 異步型交流

46、伺服電機(jī)：優(yōu)點(diǎn)：與同容量的直流電機(jī)相比重量輕（1/2），價(jià)格便宜(1/3)；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)范圍較廣的平滑調(diào)速，效率較低、功率因數(shù)低應(yīng)用：主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 永磁式同步電機(jī)：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1/2，質(zhì)量減輕60，轉(zhuǎn)子慣量可減小到1/5、 效率高。缺點(diǎn)：?jiǎn)?dòng)特性欠佳、控制復(fù)雜應(yīng)用：進(jìn)給驅(qū)動(dòng)（2）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。VSVS脈沖編碼器轉(zhuǎn)子定子接線盒定子三相繞組nrns60f1p ns同步轉(zhuǎn)速， 轉(zhuǎn)子磁極的軸線與定子磁極的軸線夾角，nr轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，f1交流電源頻率（定子供電頻率），p定子和轉(zhuǎn)子

47、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。2. 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：U1 定子每相相電壓；E1 定子每相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)； 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(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；Ia 轉(zhuǎn)子電樞電流； 轉(zhuǎn)子電樞電流的相位角。 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。 因?yàn)樽冾l調(diào)速時(shí)，當(dāng)U1不變，增加頻率f1，則磁通量減小，導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Tm下降。電機(jī)負(fù)載能力降低；若減小頻率f1，磁通量增加，定子電流上升，導(dǎo)致鐵損增加。 變頻調(diào)速控制方式：基頻以下調(diào)速當(dāng)電機(jī)在f

48、1的額定參數(shù)下運(yùn)行時(shí)，供電頻率低于額定值?；l以上調(diào)速當(dāng)電機(jī)在f1的額定參數(shù)上運(yùn)行時(shí)，供電頻率高于額定值。3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的供電電源。變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)：為交流電機(jī)提供變頻電源的變頻器。（1）變頻器類(lèi)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(yīng)用最多的是交直交變頻器。 根據(jù)變頻電源的性質(zhì)，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(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。 該方法所得的交流電波動(dòng)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(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。（2）正弦波脈沖調(diào)制（SPWM）逆變器 脈寬調(diào)制（PWM）變頻是通過(guò)脈沖信號(hào)控制逆變器開(kāi)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。正弦脈寬調(diào)制（SPWM）是利用有正弦波特性的脈沖信號(hào)去控制逆變器開(kāi)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)電源近似為正弦交流電。SPWM變頻器是目前數(shù)控機(jī)床

50、應(yīng)用最廣泛的變頻器。SPWM原理 單相調(diào)制原理正弦脈寬調(diào)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(fù)半周均如此處理。uttuOOa)b)三相SPWM變頻器的主回路結(jié)構(gòu)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(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)矢量變換控制的基本思想實(shí)質(zhì)上就是通過(guò)數(shù)學(xué)變換把三相交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解為兩個(gè)分量，一個(gè)用來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的勵(lì)磁分量 id , 另個(gè)用來(lái)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩分量 iq 。 4、交流主軸電機(jī)控制單元

51、為了實(shí)現(xiàn)對(duì)交流主軸電動(dòng)機(jī)的高精度和高性能的控制，目前大多數(shù)數(shù)控機(jī)床的交流主軸控制采用矢量控制變頻調(diào)速的方法，正弦控制波可以由矢量變換控制原理來(lái)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(jī)變?yōu)榈刃У亩嘟涣麟姍C(jī)。(2)矢量旋轉(zhuǎn)變換 將三相電機(jī)轉(zhuǎn)化為二相電機(jī)后，還需將二相交流電機(jī)變換為等效的直流電機(jī)。其實(shí)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)系的轉(zhuǎn)換。 （3） 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。(4)交流主軸電機(jī)的矢量控制交流主軸電動(dòng)機(jī)矢量控制SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖6.5 直線電機(jī)概述直線電動(dòng)機(jī)的實(shí)質(zhì)是把旋轉(zhuǎn)電

52、動(dòng)機(jī)沿徑向剖開(kāi)，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(yùn)動(dòng)動(dòng)能的一種推力裝置，是一種較為理想的驅(qū)動(dòng)裝置。在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的最大區(qū)別是取消了從電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)之間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零。正由于這種傳動(dòng)方式，帶來(lái)了旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無(wú)法達(dá)到的性能指標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。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)，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“直接驅(qū)動(dòng)”，也稱“零傳動(dòng)”。適用于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)速度高于60m/min以上，加速度1g以上的高速數(shù)控機(jī)床。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高10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。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l 并可在全行程上安裝使用多個(gè)工作臺(tái)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)題感應(yīng)式直線電機(jī)的演變： 永磁式直線電機(jī)的演變： 旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變?yōu)閳A筒型直線電機(jī)的過(guò)程 弧型直線電機(jī) 圓盤(pán)型直線電機(jī) 2.直線電機(jī)的基本工作原理 直線電機(jī)不僅在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于是從旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變而來(lái)的，而且其工