數(shù)控伺服系統(tǒng)

1、第六章第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)6.1 概 述 伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的進(jìn)給指令信號，動控制系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的進(jìn)給指令信號，經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放大后驅(qū)動執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放大后驅(qū)動執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運動。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置轉(zhuǎn)運動。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置( (計算機(jī)計算機(jī)) )和機(jī)床的聯(lián)系和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動系統(tǒng)、驅(qū)動系數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、伺服機(jī)構(gòu)或伺服單元。統(tǒng)

2、、伺服機(jī)構(gòu)或伺服單元。 該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，綜合性強(qiáng)綜合性強(qiáng)。第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)6.1 概 述 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分，是數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分，是以機(jī)床移動部件的位置和速度為控制量的自動控制系以機(jī)床移動部件的位置和速度為控制量的自動控制系統(tǒng)，又稱位置隨動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、伺服機(jī)構(gòu)或伺服統(tǒng)，又稱位置隨動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、伺服機(jī)構(gòu)或伺服單元。單元。 它接受來自數(shù)控裝置的進(jìn)給指令信號，經(jīng)變換、它接受來自數(shù)控裝置的進(jìn)給指令信號，經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放大后驅(qū)動執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運動。調(diào)節(jié)和放大后

3、驅(qū)動執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運動。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置( (計算機(jī)計算機(jī)) )和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。 第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)6.1 概 述 進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說CNC裝置是數(shù)控系統(tǒng)的“大腦”，是發(fā)布“命令”的“指揮所”，那么進(jìn)給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢”，是一種“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”。它忠實地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來的運動命令，精確控制執(zhí)行部件的運動方向，進(jìn)給速度與位移量。第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)6.1.1 伺服系統(tǒng)的組成 組成：組成：伺服電機(jī)伺服電機(jī) 驅(qū)動信號控制轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動信號控制轉(zhuǎn)

4、換電路 電子電力驅(qū)動放大模塊電子電力驅(qū)動放大模塊 位置調(diào)節(jié)單元位置調(diào)節(jié)單元 速度調(diào)節(jié)單元速度調(diào)節(jié)單元 電流調(diào)節(jié)單元電流調(diào)節(jié)單元 檢測裝置檢測裝置一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結(jié)構(gòu)一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結(jié)構(gòu)：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)6.1.1 伺服系統(tǒng)的組成 位置調(diào)解位置調(diào)解速度調(diào)解速度調(diào)解電流調(diào)解電流調(diào)解轉(zhuǎn)換驅(qū)動轉(zhuǎn)換驅(qū)動工作臺工作臺電流反饋電流反饋速度反饋速度反饋位置反饋位置反饋MG 如圖所示，這是一個三環(huán)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，如圖所示，這是一個三環(huán)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)， 位置、速度和電流環(huán)均由：位置、速度和電流環(huán)均由：調(diào)節(jié)控制模塊調(diào)節(jié)控制模塊、檢測檢測和和反饋反饋部部分組成。

5、電力電子驅(qū)動裝置由分組成。電力電子驅(qū)動裝置由驅(qū)動信號產(chǎn)生電路驅(qū)動信號產(chǎn)生電路和和功率放大器功率放大器組成。組成。 嚴(yán)格來說：位置控制包括位置、速度和電流控制；速度控制包括速度和電流控制。嚴(yán)格來說：位置控制包括位置、速度和電流控制；速度控制包括速度和電流控制。位置控制主要位置控制主要用于進(jìn)給運動坐標(biāo)軸，對進(jìn)給袖的控制是要求最高的位置控制，不僅對單個軸的運動速度和位置精度用于進(jìn)給運動坐標(biāo)軸，對進(jìn)給袖的控制是要求最高的位置控制，不僅對單個軸的運動速度和位置精度的控制有嚴(yán)格要求，而且在多軸聯(lián)動時，還要求各進(jìn)給運動軸有很好的動態(tài)配合，才能保證加工精度的控制有嚴(yán)格要求，而且在多軸聯(lián)動時，還要求各進(jìn)給運動軸

6、有很好的動態(tài)配合，才能保證加工精度和表面質(zhì)量。位置控制功能包括位置控制、速度控制和電流控制。速度控制功能只包括速度控制和電和表面質(zhì)量。位置控制功能包括位置控制、速度控制和電流控制。速度控制功能只包括速度控制和電流流 控制，一般用于對主運動坐標(biāo)軸的控制。控制，一般用于對主運動坐標(biāo)軸的控制。 第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)6.1.2 對伺服系統(tǒng)的基本要求 1 1精度高精度高 伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確 度。包括度。包括定位精度和輪廓加工精度。定位精度和輪廓加工精度。定位精度一般允許的偏差為定位精度一般允許的偏差為0.010.010.001m

7、m0.001mm，甚至甚至 0.1um0.1um。輪廓加工精度與速度控制、聯(lián)動坐標(biāo)的協(xié)調(diào)一致控制有關(guān)。輪廓加工精度與速度控制、聯(lián)動坐標(biāo)的協(xié)調(diào)一致控制有關(guān)。2 2穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好 穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能短暫的調(diào)穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能短暫的調(diào)節(jié)過程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。直接影響數(shù)控加工的節(jié)過程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。精度和表面粗糙度。3 3快速響應(yīng)快速響應(yīng) 快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。的跟蹤精度。為了保證輪廓切

8、削形狀精度和低的加工表面租糙度，要求為了保證輪廓切削形狀精度和低的加工表面租糙度，要求伺服系統(tǒng)跟蹤指令信號的響應(yīng)要快。一伺服系統(tǒng)跟蹤指令信號的響應(yīng)要快。一 方面要求過渡過程方面要求過渡過程( (電機(jī)從靜止到電機(jī)從靜止到額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速) )的時間要短，一般在的時間要短，一般在200ms200ms以內(nèi)，甚至小于幾十毫秒，另一方以內(nèi)，甚至小于幾十毫秒，另一方面要求超調(diào)要小。面要求超調(diào)要小。4 4調(diào)速范圍寬調(diào)速范圍寬 調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速 和最和最低轉(zhuǎn)速之比。低轉(zhuǎn)速之比。0 024m / min24m / min。5 5低速大轉(zhuǎn)矩低

9、速大轉(zhuǎn)矩 進(jìn)給坐標(biāo)的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個速度范圍進(jìn)給坐標(biāo)的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個速度范圍內(nèi)都要保持這個轉(zhuǎn)矩；主軸坐標(biāo)的伺服控制在低速時為恒轉(zhuǎn)矩控制，能內(nèi)都要保持這個轉(zhuǎn)矩；主軸坐標(biāo)的伺服控制在低速時為恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩。在高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。提供較大轉(zhuǎn)矩。在高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)6.1.2 對伺服系統(tǒng)的基本要求 對伺服電機(jī)的要求：（1）調(diào)運范圍寬且有良好的穩(wěn)定性，低速時的速度平穩(wěn)性 （2）電機(jī)應(yīng)具有大的、較長時間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。 （3）反應(yīng)速度快，電機(jī)必須具有較小的轉(zhuǎn)動慣量、較大

10、的轉(zhuǎn)矩、盡可能小的機(jī)電時間常數(shù)和很大的加速度(400rad / s2以上)。 （4）能承受頻繁的起動、制動和正反轉(zhuǎn)。 第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)6.1.3 伺服系統(tǒng)的分類 第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)6.1.3 伺服系統(tǒng)的分類 第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)6.1.3 伺服系統(tǒng)的分類 第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)6.1.3 伺服系統(tǒng)的分類 2按使用的執(zhí)行元件分類 （1 1）電液伺服系統(tǒng)）電液伺服系統(tǒng) 電液脈沖馬達(dá)和電液伺服馬達(dá)。電液脈沖馬達(dá)和電液伺服馬達(dá)。 優(yōu)點：在低速下可以得到很高的輸出力矩，剛性好，時間常優(yōu)點：在低速下可以得到很高的輸出力矩，剛性好，時間常 數(shù)小、數(shù)小、反應(yīng)快和速度

11、平穩(wěn)。反應(yīng)快和速度平穩(wěn)。 缺點：液壓系統(tǒng)需要供油系統(tǒng)，體積大。噪聲、漏油。缺點：液壓系統(tǒng)需要供油系統(tǒng)，體積大。噪聲、漏油。（2 2）電氣伺服系統(tǒng)）電氣伺服系統(tǒng) 伺服電機(jī)（伺服電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和交流電機(jī)）、直流電機(jī)和交流電機(jī)） 優(yōu)點：操作維護(hù)方便，可靠性高。優(yōu)點：操作維護(hù)方便，可靠性高。 1 1）直流伺服系統(tǒng)）直流伺服系統(tǒng) 進(jìn)給運動系統(tǒng)采用大慣量寬調(diào)速永磁直流伺服電進(jìn)給運動系統(tǒng)采用大慣量寬調(diào)速永磁直流伺服電機(jī)和中小慣量直流伺服電機(jī)；主運動系統(tǒng)采用他激直流伺服電機(jī)。機(jī)和中小慣量直流伺服電機(jī)；主運動系統(tǒng)采用他激直流伺服電機(jī)。 優(yōu)點：調(diào)速性能好。缺點：有電刷，速度不高。優(yōu)點：調(diào)速性能好

12、。缺點：有電刷，速度不高。 2 2）交流伺服系統(tǒng)）交流伺服系統(tǒng) 交流感應(yīng)異步伺服電機(jī)（一般用于主軸伺服系統(tǒng)交流感應(yīng)異步伺服電機(jī)（一般用于主軸伺服系統(tǒng)) )和永磁同步伺服電機(jī)（一般用于進(jìn)給伺服系統(tǒng)）。和永磁同步伺服電機(jī)（一般用于進(jìn)給伺服系統(tǒng)）。 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、不需維護(hù)、適合于在惡劣環(huán)境下工作。動態(tài)響優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、不需維護(hù)、適合于在惡劣環(huán)境下工作。動態(tài)響應(yīng)好、轉(zhuǎn)速高和容量大。應(yīng)好、轉(zhuǎn)速高和容量大。第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)6.1.3 伺服系統(tǒng)的分類 3按被控對象分類 （1）進(jìn)給伺服系統(tǒng) 指一般概念的位置伺服系統(tǒng)，包速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。 （2）主軸伺服系統(tǒng) 一般是一個速度控制系統(tǒng)。 C

13、軸控制功能。4按反饋比較控制方式分類 （1）脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng) （2）相位比較伺服系統(tǒng) （3）幅值比較伺服系統(tǒng) （4）全數(shù)字伺服系統(tǒng)第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)6.2 伺服電動機(jī) 伺服電動機(jī)伺服電動機(jī)為數(shù)控伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是速為數(shù)控伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是速 度和軌跡控制的執(zhí)行元件。度和軌跡控制的執(zhí)行元件。 數(shù)控機(jī)床中常用的伺服電機(jī)數(shù)控機(jī)床中常用的伺服電機(jī)： 直流伺服電機(jī)（調(diào)速性能良好）直流伺服電機(jī)（調(diào)速性能良好） 交流伺服電機(jī)（主要使用的電機(jī)）交流伺服電機(jī)（主要使用的電機(jī)） 步進(jìn)電機(jī)（適于輕載、負(fù)荷變動不大）步進(jìn)電機(jī)（適于輕載、負(fù)荷變動不大） 直線電機(jī)（高速、高精度）直線電機(jī)

14、（高速、高精度） 第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng) 6.2.1 直流伺服電機(jī)及工作特性 常用的直流電動機(jī)有：永磁式直流電機(jī)（有槽、無槽、杯型、印刷繞組） 勵磁式直流電機(jī) 混合式直流電機(jī) 無刷直流電機(jī) 直流力矩電機(jī) 直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)：永磁式直流電機(jī)類型中的有槽電樞永磁直流電機(jī)（普通型）； 直流主軸伺服系統(tǒng)：勵磁式直流電機(jī)類型中的他激直流電機(jī)。第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng) 1 1直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)極靴極靴機(jī)殼機(jī)殼瓦狀永磁材料（定子）瓦狀永磁材料（定子）電樞（轉(zhuǎn)子）電樞（轉(zhuǎn)子）換向極換向極主磁極主磁極定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子線圈線圈圖圖6.5永磁直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)永磁直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu) 圖

15、圖6.6直流主軸電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖直流主軸電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng) 2 一般一般直流電機(jī)的工作特性直流電機(jī)的工作特性 靜態(tài)特性靜態(tài)特性M2TeaeaTKKRKU 圖圖6.76.7 直流電機(jī)的機(jī)械特性直流電機(jī)的機(jī)械特性（n n） O OO O TS T TL 此公式表明了電機(jī)轉(zhuǎn)此公式表明了電機(jī)轉(zhuǎn)速與電磁力矩的關(guān)系，此速與電磁力矩的關(guān)系，此關(guān)系稱為機(jī)械特性，是靜關(guān)系稱為機(jī)械特性，是靜態(tài)特性，是穩(wěn)定運行時帶態(tài)特性，是穩(wěn)定運行時帶動負(fù)載的特性，穩(wěn)定運行動負(fù)載的特性，穩(wěn)定運行時，電磁轉(zhuǎn)矩與所帶負(fù)載時，電磁轉(zhuǎn)矩與所帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等。轉(zhuǎn)矩相等。第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng) 2 一般一般直流

16、電機(jī)的工作特性直流電機(jī)的工作特性 動態(tài)特性動態(tài)特性直流電機(jī)的動態(tài)力矩平衡方程式為直流電機(jī)的動態(tài)力矩平衡方程式為dtdJTTLM 式中式中 TM 電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩； TL 折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn) 矩；矩； 電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度；電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度； J 電機(jī)轉(zhuǎn)子上總轉(zhuǎn)動慣量；電機(jī)轉(zhuǎn)子上總轉(zhuǎn)動慣量； t 時間自變量。時間自變量。 電機(jī)的動態(tài)性直接影響生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。該式表明動態(tài)過程中，電機(jī)由直流電能轉(zhuǎn)換來的電磁轉(zhuǎn)矩TM,克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩后，其剩余部分用來克服機(jī)械慣量，產(chǎn)生加速度，已使電機(jī)由一種穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一種穩(wěn)定狀態(tài)。第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng) 3永磁直流伺服

17、電機(jī)的工作特性永磁直流伺服電機(jī)的工作特性 (1) 永磁直流伺服電機(jī)的性能特點 1) 低轉(zhuǎn)速大慣量 2) 轉(zhuǎn)矩大 3) 起動力矩大 4) 調(diào)速泛圍大，低速運行平穩(wěn)，力矩波動小 (2) 永磁直流伺服電機(jī)性能用特性曲線和數(shù)據(jù)表描述 1) 轉(zhuǎn)矩-速度特性曲線（工作曲線） 2) 負(fù)載-工作周期曲線 過載倍數(shù)Tmd，負(fù)載工作周期比 d。 3) 數(shù)據(jù)表：N、T、時間常數(shù)、轉(zhuǎn)動慣量等等。 第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng) 3永磁直流伺服電機(jī)的工作特性永磁直流伺服電機(jī)的工作特性 第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng) 4主軸直流伺服電機(jī)的工作原理和特性 O nj nmax nP,T1 2圖圖6. .10 直流主軸電機(jī)特性

18、曲線直流主軸電機(jī)特性曲線 1-1-轉(zhuǎn)矩特性曲線轉(zhuǎn)矩特性曲線 2-2-功率特性曲線功率特性曲線第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)6.2 2 交流伺服電機(jī)及工作特性 直流伺服電機(jī)的缺點： 它的電刷和換向器易磨損； 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速的限制，應(yīng)用環(huán)境的限制； 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高。交流伺服電機(jī)的優(yōu)點： 動態(tài)響應(yīng)好； 輸出功率大、電壓和轉(zhuǎn)速提高交流伺服電機(jī)形式： 同步型交流伺服電機(jī)和 異步型交流感應(yīng)伺服電機(jī)。 第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)1永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 交流同步伺服電機(jī)的種類：交流同步伺服電機(jī)的種類： 勵磁式、永磁式、磁阻式和磁滯式勵磁式、永磁式、磁阻式和磁滯式 （1）永磁交流同

19、步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)）永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖圖611 永磁交流同步伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)永磁交流同步伺服電機(jī)結(jié)構(gòu) 第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)1永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)1永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng) 2交流主軸伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理步進(jìn)電動機(jī) 1、步進(jìn)電動機(jī)的定義： 步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移的機(jī)電執(zhí)行元件。 步進(jìn)電動機(jī)又稱為電脈沖馬達(dá)，是伺服電動機(jī)的一種。它是開環(huán)控制元件。 步進(jìn)電機(jī)實質(zhì)上是一種數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置。 2、步進(jìn)電動機(jī)名字的由來： 電脈沖信號一個一個地輸入，電動機(jī)便一步一步地轉(zhuǎn)

20、動，步進(jìn)電動機(jī)的名字因之得名。步進(jìn)電動機(jī)的兩種工作狀態(tài)1、運轉(zhuǎn) 當(dāng)有脈沖輸入步進(jìn)電動機(jī)時，步進(jìn)電動機(jī)就一步一步地轉(zhuǎn)動，每給它一個脈沖信號，它就轉(zhuǎn)過一定的角度。2、定位 當(dāng)沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下，氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置，處于定位狀態(tài)。步進(jìn)電動機(jī)的應(yīng)用 由于步進(jìn)電機(jī)的成本較低，易于采用計算機(jī)控制，被廣泛應(yīng)用于開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中。如數(shù)控機(jī)床中等。 1、步距角： 當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)每輸入一個電脈沖時，它便轉(zhuǎn)過一個固定的角度，這個角度稱為步距角，簡稱為步距。 2、步進(jìn)電動機(jī)的位移量與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成比例，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率和步距角有關(guān)。 3、控制輸入脈沖數(shù)量、頻率及電動機(jī)各項繞組的接通次序，可

21、以得到各種需要的運行特性。步距角的概念及影響因素步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理1、結(jié)構(gòu)特點 步進(jìn)電動機(jī)在結(jié)構(gòu)上分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分。定子由硅鋼片疊成，裝上一定相數(shù)的控制繞組。轉(zhuǎn)子用硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸極結(jié)構(gòu)。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)：轉(zhuǎn)子本身沒有勵磁繞組。永磁式步進(jìn)電動機(jī)：轉(zhuǎn)子由永久磁鐵做的。2、步進(jìn)電動機(jī)的工作原理三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理圖上圖所示為一臺三相六拍反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，定子上有三對磁極，每對磁極上繞有一相控制繞組，轉(zhuǎn)子有四個分布均勻齒，齒上沒有繞組。abc 由環(huán)形分配器送來的脈沖信號，對定子繞組輪流通電，設(shè)先對A相控制繞組通電，而B相和C相不通電。由于磁通具有力圖沿磁阻最小路徑

22、通過的特點，圖a中轉(zhuǎn)子齒1和3的軸線與定子A極軸線對齊，即在電磁吸力的作用下，將轉(zhuǎn)子1、3齒吸引到A極下，此時轉(zhuǎn)子只受徑向力，無切向力，轉(zhuǎn)矩為0，轉(zhuǎn)子自鎖在這個位置上，而B、C兩項的定子齒與轉(zhuǎn)子齒在不同方向上各錯開30度。 如果A、C相斷電，B項通電，此時轉(zhuǎn)子受反應(yīng)轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)子齒2、4與定子極B、B對齊，轉(zhuǎn)子在空間上逆時針轉(zhuǎn)過30度，即前進(jìn)了一步，轉(zhuǎn)過一個步距角，如圖b所示。同樣，若A、B相斷電，C項通電，此時轉(zhuǎn)子也受反應(yīng)轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)子齒1、3與定子極C、C對齊，轉(zhuǎn)子在空間上逆時針轉(zhuǎn)過30度，即前進(jìn)了一步，轉(zhuǎn)過一個步距角，如圖c所示。 若轉(zhuǎn)子按A-B-C-A順序不斷地接通和斷開控制繞

23、組，電動機(jī)便按一定的方向一步一步地轉(zhuǎn)動，若按A-C-B-A的順序通電，則電動機(jī)反向一步一步轉(zhuǎn)動。 在步進(jìn)電機(jī)中，控制繞組每改變一次通電方式，稱為一拍，每一拍轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個步距角，上述的運行方式每次只有一個繞組單獨通電，控制繞組每換接三次構(gòu)成一個循環(huán)。 3、步進(jìn)電動機(jī)的通電方式1、拍：從一種通電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種通電狀態(tài)。2、單：每次切換前只有一相繞組通電。3、雙：每次切換前有兩相繞組通電。4、三相單三拍通電：步進(jìn)電機(jī)若以A-B-C-A方式通電，因為定子繞組為三相，每一次只有一相繞組通電，而每一個循環(huán)只有三次通電，故稱為。 三相單三拍通電方式下，步距角為30 。 5、三相六拍通電：步進(jìn)電機(jī)若按A-

24、AB-B-BC-C-CA-A的方式循環(huán)通電，則稱為。 三相六拍通電方式下，步距角為15 。6、三相雙三拍通電：步進(jìn)電機(jī)若按AB-BC-CA-AB的方式循環(huán)通電，則稱為。 三相雙三拍通電方式下，步距角為30 ，與單相單三拍時的步距角相同。 對于同一臺步進(jìn)電動機(jī)，其通電方式不同，步距角可能不一樣，采用單、雙拍通電方式，其步矩角是單拍或雙拍的一半；采用雙極通電方式，其穩(wěn)定性比單極要好。 上述構(gòu)的步進(jìn)電動機(jī)無論采用哪種通電方式，角距角要么為30，要么為15，都太大，無法滿足生產(chǎn)中對精度的要求，在實踐中一般采用轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多、定子磁極上帶有小齒的反應(yīng)式結(jié)構(gòu)。 小步距角步進(jìn)電機(jī)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī) 結(jié)構(gòu)示意

25、圖 為了滿足生產(chǎn)中精度的要求，一般采用轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多、定子磁極上帶有小齒的反應(yīng)式結(jié)構(gòu)，如右圖可以看出，定子上有三對磁極，轉(zhuǎn)子上有三相繞組，定子內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子外圓均有齒和槽，且定子和轉(zhuǎn)子的齒寬和齒距相等。 定子極面上的小齒與轉(zhuǎn)子上的小齒應(yīng)符合下面的規(guī)律：當(dāng)A相的定子齒和轉(zhuǎn)子齒對齊時，B相的定子齒應(yīng)相對于轉(zhuǎn)子齒順時針方向相差1/3齒距，C相的定子齒應(yīng)相對于轉(zhuǎn)子齒順時針方向相差2/3齒距，即當(dāng)某一磁極下定子與轉(zhuǎn)子牛仔 相對時，下一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子齒的位置則剛好錯開 ，其中， 為齒距， 為模數(shù)。再下一個磁極定子與轉(zhuǎn)子的齒則錯開 。m/m/2m 當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)定子繞組按A-B-C-A的順序輪流通電時，轉(zhuǎn)子就沿

26、順時針方向一步一步地轉(zhuǎn)動，各相繞組輪流通電一次，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個齒距。 設(shè)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為Z，則齒距為： Z360小步距角步進(jìn)電機(jī)步距角的計算 因為步進(jìn)電動機(jī)每通電一次（即運行一拍），轉(zhuǎn)子就走一步，故步距角為：ZKm360Z360拍數(shù)拍數(shù)齒距式中， 是狀態(tài)系數(shù)，（單雙三拍時， ；單、雙六拍時， ）。K1K2K舉例說明 若步進(jìn)電動機(jī)的齒數(shù)Z40，三相單三拍運行時，其步距角：33140360三相三拍步距角展開圖若三相六拍運行時，其步距角：5 . 13240360由此可見，步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)和定子相數(shù)越多，步距角越小，控制越精確。步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的計算 當(dāng)定子繞組按著一定順序不斷輪流通電時，步時電動機(jī)就持

27、續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。若設(shè)電脈沖的頻率為 ，步距角用孤度表示，則步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為：f HzHzHzrfKmZfKmZfn606022602)(min/步進(jìn)電動機(jī)的分類 1、按步進(jìn)電動機(jī)的工作原理分（1）勵磁式：電動機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子都有繞組，靠電磁力矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。（2）反應(yīng)式：轉(zhuǎn)子無繞組，定子繞組勵磁后產(chǎn)生反應(yīng)力矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。是我國步時電動機(jī)的主型。（3）混合式（永磁感應(yīng)子式）：與反應(yīng)式的主要區(qū)別是轉(zhuǎn)子上置有磁鋼。具有驅(qū)動電流小、效率高、過載能力強(qiáng)等優(yōu)點。 2、按輸出轉(zhuǎn)矩大小分（1）快速步進(jìn)電動機(jī)：輸出轉(zhuǎn)矩一般為0.074N*m。用于控制小型精密機(jī)床的工作臺。（2）功率步進(jìn)電動機(jī)：輸出轉(zhuǎn)矩一般為540

28、N*m，可直接驅(qū)動機(jī)床移動部件。 此外，還可按勵磁相數(shù)分為三相、四相、五相、六相等。 第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)6.3 速度控制概述：概述： 速度控制系統(tǒng)由速度控制單元、伺服電機(jī)和速度檢測速度控制系統(tǒng)由速度控制單元、伺服電機(jī)和速度檢測 裝置組成。分為主運動和進(jìn)給運動。裝置組成。分為主運動和進(jìn)給運動。進(jìn)給運動：進(jìn)給運動：是保證軌跡、尺寸和形位精度的。不但有速度控制，是保證軌跡、尺寸和形位精度的。不但有速度控制， 還有位置控制。在整個速度范圍內(nèi)，保持恒轉(zhuǎn)矩。還有位置控制。在整個速度范圍內(nèi)，保持恒轉(zhuǎn)矩。 與主運動相比功率較小。與主運動相比功率較小。主運動：主運動： 主要無級調(diào)速，但還要有下面的控

29、制功能：主要無級調(diào)速，但還要有下面的控制功能： 主軸于進(jìn)給驅(qū)動的同步控制主軸于進(jìn)給驅(qū)動的同步控制 準(zhǔn)?？刂茰?zhǔn)?？刂?分度控制；分度控制； 恒線速度控制。恒線速度控制。速度控制：速度控制：主要是調(diào)速，調(diào)速有機(jī)械、液壓和電氣方法，電氣調(diào)主要是調(diào)速，調(diào)速有機(jī)械、液壓和電氣方法，電氣調(diào) 速最有利于實現(xiàn)自動化。速最有利于實現(xiàn)自動化。第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)6.3.1 6.3.1 直流進(jìn)給運動的速度控制直流進(jìn)給運動的速度控制第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)(1)(1)晶閘管調(diào)速系統(tǒng)晶閘管調(diào)速系統(tǒng)1 1）系統(tǒng)的組成）系統(tǒng)的組成第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)2 2）主回路）主回路工作原理工作原理第六章數(shù)控

30、伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)主回路波形圖主回路波形圖第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)3）控制回路分析第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)運算放大器的類型運算放大器的類型第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)功率因數(shù)功率因數(shù)(以單向為例以單向為例）交流電阻電路：功率(平均) P = UI =I2R =U 2/ R交流電阻電容電路：純電容電路電流超前電壓相位=90 功率 (平均) P =UIcos 交流電阻電感電路：純電感電路電流落后電壓相位=90 功率 (平均) P =UIcos 由于交流電路中電感電容的存在，平均功率不等于電壓電流的乘積，而差一個cos ，既與電壓電流的相位差有關(guān)。其中cos 稱為功率因數(shù)。 cos

31、越高越好。 造成功率因數(shù)不高的主要原因是感性負(fù)載，如異步電機(jī)、工頻爐、日光燈的功率因數(shù)都不高；提高功率因數(shù)的辦法是在感性負(fù)載上并聯(lián)電容。第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng) 總結(jié) 速度控制的原理： 調(diào)速：當(dāng)給定的指令信號增大時，則有較大的偏差信號加到調(diào)節(jié)器的 輸入端，產(chǎn)生前移的觸發(fā)脈沖，可控硅整流器輸出直流電壓提高，電 機(jī)轉(zhuǎn)速上升。此時測速反饋信號也增大，與大的速度給定相匹配達(dá)到新的平衡，電機(jī)以較高的轉(zhuǎn)速運行。 干擾：假如系統(tǒng)受到外界干擾，如負(fù)載增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，速度反 饋電壓降低，則速度調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號增大，其輸出信號也增大， 經(jīng)電流調(diào)節(jié)器使觸發(fā)脈沖前移，晶閘管整流器輸出電壓升高，使電機(jī)轉(zhuǎn)速

32、恢復(fù)到干擾前的數(shù)值。 電網(wǎng)波動：電流調(diào)節(jié)器通過電流反饋信號還起快速的維持和調(diào)節(jié)電流 作用，如電網(wǎng)電壓突然短時下降，整流輸出電壓也隨之降低，在電機(jī) 轉(zhuǎn)速由于慣性還未變化之前，首先引起主回路電流的減小，立即使電流調(diào)節(jié)器的輸出增加，觸發(fā)脈沖前移，使整流器輸出電壓恢復(fù)到原來值，從而抑制了主回路電流的變化。 啟動、制動、加減速：電流調(diào)節(jié)器還能保證電機(jī)啟動、制動時的大轉(zhuǎn) 矩、加減速的良好動態(tài)性能。第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)（2 2） 晶體管脈寬調(diào)制（晶體管脈寬調(diào)制（PWMPWM）調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)1 1）系統(tǒng)的組成及特點）系統(tǒng)的組成及特點速度調(diào)節(jié)器速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器脈寬調(diào)節(jié)脈寬調(diào)節(jié)振蕩器振蕩

33、器 基極驅(qū)動基極驅(qū)動MG電流反饋電流反饋第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng) 主回路： 大功率晶體管開關(guān)放大器；大功率晶體管開關(guān)放大器； 功率整流器。功率整流器。 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。 直流脈寬調(diào)制：功率放大器中的大功率晶體管工作在開 關(guān)狀態(tài)下，開關(guān)頻率保持恒定，用調(diào)整開關(guān)周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通時間（即改變基極調(diào)制脈沖寬度）的方法來改變輸出。從而使電機(jī)獲得脈寬受調(diào)制脈沖控制的電壓脈沖，由于頻率高及電感的作用則為波動很小的直流電壓（平

34、均電壓）。脈寬的變化使電機(jī)電樞的直流電壓隨著變化。第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)直流脈寬調(diào)制的基本原理直流脈寬調(diào)制的基本原理 第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)2） 脈寬調(diào)制器 第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)3） 開關(guān)功率放大器第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)（4）PWM調(diào)速系統(tǒng)的特點 頻帶寬、頻率高: 晶體管“結(jié)電容”小，開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于可控（50Hz)，可達(dá)2-10KHz?？焖傩院谩?電流脈動小: 由于PWM調(diào)制頻率高，電機(jī)負(fù)載成感性對電流脈動由平滑作用，波形系數(shù)接近于1。 電源的功率因數(shù)高: SCR系統(tǒng)由于導(dǎo)通角的影響，使交流電源的波形畸變、高次諧波的干擾，降低了電源功率因數(shù)。 PWM 系統(tǒng)的直

35、流電源為不受控的整流輸出，功率因數(shù)高。 動態(tài)硬度好:校正瞬態(tài)負(fù)載擾動能力強(qiáng)，頻帶寬，動態(tài)硬度高。 第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)6.3.2直流主軸驅(qū)動的速度控制1.1.對直流主軸伺服系統(tǒng)的要求對直流主軸伺服系統(tǒng)的要求 N、Mn 特性，低速恒轉(zhuǎn)矩，高速恒功率。特性，低速恒轉(zhuǎn)矩，高速恒功率。 良好的加、減速及換向功能。良好的加、減速及換向功能。 過載能力，過載能力，150%150%（額定電流的（額定電流的1.51.5倍）。倍）。 大的調(diào)速范圍。大的調(diào)速范圍。 準(zhǔn)停、同步、恒線速度控制功能。準(zhǔn)停、同步、恒線速度控制功能。2.2.直流主軸直流主軸速度控制單元：沒有位置控制，只是速度控制系統(tǒng)。速度控制單元：沒有位置控制，只是速度控制系統(tǒng)。速度比較調(diào)節(jié)速度比較調(diào)節(jié)電流比較調(diào)節(jié)電流比較調(diào)節(jié)移相觸發(fā)脈沖及移相觸發(fā)脈沖及方向控制方向控制可控硅可控硅整流器整流器電機(jī)電機(jī)激磁電激磁電壓反饋壓反饋電流調(diào)解電流調(diào)解電壓相位電壓相位變換變換脈沖發(fā)生脈沖發(fā)生器方向控器方向控制制整流器整流器激磁