數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)教案課件

會(huì)計(jì)學(xué)1數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)會(huì)計(jì)學(xué)1數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)23.1簡(jiǎn)介3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)3.3直流電機(jī)伺服系統(tǒng)3.4交流電機(jī)伺服系統(tǒng)3.5主軸傳動(dòng)第3章數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)23.1簡(jiǎn)介第3章數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)33.1簡(jiǎn)介定義：數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)是以機(jī)床移動(dòng)部件的位置和速度為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用:接受CNC裝置發(fā)出的位移指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)裝置作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機(jī)（直流、交流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等）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)?？刂七^(guò)程：位移指令－信號(hào)變換,功率放大－電機(jī)－進(jìn)給運(yùn)動(dòng)33.1簡(jiǎn)介定義：數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)是以機(jī)床移動(dòng)部件的位4性能：☆最高進(jìn)給速度☆跟蹤精度☆定位精度機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)數(shù)控機(jī)床的大腦。數(shù)控機(jī)床的四肢，執(zhí)行命令的機(jī)構(gòu)，不折不扣的跟隨者。3.1簡(jiǎn)介4性能：☆最高進(jìn)給速度☆跟蹤精度☆定位精度機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)數(shù)控?cái)?shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)3.1簡(jiǎn)介數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)3.1簡(jiǎn)介Umrichter

SIMODRIVE611digitalmitCNC

SINUMERIK840DE/R-ModulNCULeistungsteilBedientafelfront

mitPCU20/50/70Drehstrom-

ServomotorenPeripherie

SIMATICS7-300Drehstrom-

Hauptspindelmotor數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)3.1簡(jiǎn)介Umrichter

SIMODRIVE611digita73.1.2數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的要求1.精度高:跟隨精度--伺服系統(tǒng)輸出量跟隨輸入量的精確程度.定位精度重復(fù)定位精度不易手動(dòng)操作補(bǔ)償誤差（δ=0.01mm~0.001mm）機(jī)床精度δ跟隨精度機(jī)床精度跟隨誤差<δ1-2

§6.1伺服系統(tǒng)概述2.快速響應(yīng)特性好:

動(dòng)態(tài)品質(zhì)響應(yīng)快--接受輸入后快速調(diào)節(jié)達(dá)到新的平衡穩(wěn)定性好--外界干擾快速回復(fù)原來(lái)平衡T≤200ms~幾十ms3.1簡(jiǎn)介73.1.2數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的要求1.精度高:跟83.調(diào)速范圍大:（最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速比）大于1~10000低速能輸出較大轉(zhuǎn)矩4.系統(tǒng)可靠性好指標(biāo)：平均無(wú)故障時(shí)間。充分利用：數(shù)控機(jī)床連續(xù)工作不停機(jī)，24h。－發(fā)生故障時(shí)間間隔，可靠性好3.1.2數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的要求對(duì)伺服系統(tǒng)的要求包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性兩方面；對(duì)高精度的數(shù)控機(jī)床，對(duì)其動(dòng)態(tài)性能的要求更嚴(yán)。3.1簡(jiǎn)介83.調(diào)速范圍大:（最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速比）大于1~100093.1.2伺服系統(tǒng)的分類按控制原理和有無(wú)檢測(cè)反饋裝置：開環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)；按被控對(duì)象：進(jìn)給驅(qū)動(dòng)、主軸驅(qū)動(dòng)；按使用的執(zhí)行元件：電液、電氣伺服驅(qū)動(dòng)（步進(jìn)、直流、交流、直線電機(jī)）;按反饋比較控制方式分類：脈沖、數(shù)字比較伺服系統(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)。3.1簡(jiǎn)介93.1.2伺服系統(tǒng)的分類按控制原理和有無(wú)檢測(cè)反饋裝置：開10進(jìn)給指令比較控制環(huán)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制單元執(zhí)行元件反饋檢測(cè)單元

機(jī)床

驅(qū)動(dòng)控制單元:

電路。信號(hào)變換、功率放大電路。執(zhí)行元件：驅(qū)動(dòng)元件。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，伺服電動(dòng)機(jī)。反饋檢測(cè)單元：開環(huán)系統(tǒng)、半閉環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)。

機(jī)床：機(jī)械傳動(dòng)，運(yùn)動(dòng)執(zhí)行件。1-4伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成3.1簡(jiǎn)介10進(jìn)給比較控制環(huán)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制單元執(zhí)行元件反饋檢測(cè)單元機(jī)11主要內(nèi)容開環(huán)控制(Open-LoopServo-Drive)電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件A相、B相C相、…f、nCNC插補(bǔ)指令脈沖頻率f脈沖個(gè)數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大按控制原理分類采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件；無(wú)位置反饋，其精度主要取決于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和精度；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試維修方便，工作穩(wěn)定、設(shè)備投資低，一般用于精度和速度要求不高、驅(qū)動(dòng)力矩不大的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。11主要內(nèi)容開環(huán)控制(Open-LoopServo-Dr12步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)12步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)13半閉環(huán)控制(Half-Closed-LoopServo-Drive)速度控制電路工作臺(tái)伺服電機(jī)位置比較電路指令脈沖速度反饋位置反饋檢測(cè)元件半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)是從驅(qū)動(dòng)裝置(常用伺服電機(jī))或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測(cè)，不是直接檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置。按控制原理分類13半閉環(huán)控制(Half-Closed-LoopSe14半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對(duì)這類誤差進(jìn)行補(bǔ)償，因而仍可獲得滿意的精度。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。14半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)15交流伺服電機(jī)15交流伺服電機(jī)16主要內(nèi)容閉環(huán)控制(Closed-LoopServo-Drive)位置采樣點(diǎn)直接對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測(cè)。位置反饋速度控制電路工作臺(tái)伺服電機(jī)位置比較電路指令脈沖速度反饋按控制原理分類16主要內(nèi)容閉環(huán)控制(Closed-LoopSe17從理論上講，可以消除整個(gè)驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動(dòng)量。具有很高的位置控制精度。由于位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機(jī)床等。閉環(huán)控制(Closed-LoopServo-Drive)17從理論上講，可以消除整個(gè)驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動(dòng)18伺服電機(jī)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。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)）步進(jìn)電機(jī)（適于輕載、負(fù)荷變動(dòng)不大）直線電機(jī)（高速、高精度）數(shù)控機(jī)床中常用的伺服電機(jī)？特點(diǎn)？3.1簡(jiǎn)介18伺服電機(jī)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19步進(jìn)電機(jī)是一脈沖控制的執(zhí)行元件，可將輸入脈沖轉(zhuǎn)換為機(jī)械角位移。每給步進(jìn)電機(jī)輸入一脈沖，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過(guò)一角度，稱為步距角。3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)脈沖數(shù)量----位移量脈沖當(dāng)量為：脈沖頻率---電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)給速度為：脈沖順序----方向。19步進(jìn)電機(jī)是一脈沖控制的執(zhí)行元件，可將輸入脈沖轉(zhuǎn)換為機(jī)械20優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，工作可靠；缺點(diǎn)：

–

容易失步（尤其在高速、大負(fù)載時(shí)），影響定位精度；

–

在低速時(shí)容易產(chǎn)生振動(dòng)；

–

細(xì)分技術(shù)的應(yīng)用，明顯提高了定位精度，降低了低速振動(dòng)。應(yīng)用：要求一般的開環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)20優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，工作可靠；3.2步進(jìn)電機(jī)3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)223.2.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理及特點(diǎn)3.2.3.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理反應(yīng)式:轉(zhuǎn)子無(wú)勵(lì)磁繞組永磁式:轉(zhuǎn)子為永久磁鐵原理：磁力線力圖沿磁阻最小（磁導(dǎo)最大）路徑閉合定子：多相繞組轉(zhuǎn)子：多齒用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，將其轉(zhuǎn)換成角位移。AB定子轉(zhuǎn)子IAIBIC電磁吸引原理223.2.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理及特點(diǎn)3.2.3.1步23步進(jìn)電機(jī)的工作方式(通電順序)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：（1）三相繞組聯(lián)接方式：Y型（2）三相繞組中的通電順序?yàn)椋篈相?

B相?

C相通電順序也可以為：

A相?

C相?

B相

3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)3.2.3.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理各相繞組輪流通電一次的操作稱為一個(gè)通電周期每個(gè)通電周期使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角23步進(jìn)電機(jī)的工作方式(通電順序)可分為：三相單三拍、三相單24三相單三拍工作方式6.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)假設(shè)轉(zhuǎn)子只有4個(gè)齒3.2.3.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理24三相單三拍工作方式6.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)假設(shè)轉(zhuǎn)子只B'A'CC'BA3412A相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和AA'對(duì)齊B'A'CC'BA3412BB'A'CC'AB相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相軸線對(duì)齊CC相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和C相軸線對(duì)齊3412ABC1324ABC1324A3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)B'A'CC'BA3412A相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和AA'26三相單三拍的特點(diǎn)：（1）每來(lái)一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)30°。（2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序。（3）每次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，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。3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)失步包括丟步和越步。丟步時(shí)，轉(zhuǎn)子前進(jìn)的步數(shù)小于脈沖數(shù)；越步時(shí)，轉(zhuǎn)子前進(jìn)的步數(shù)多于脈沖數(shù)。丟步嚴(yán)重時(shí)，將使轉(zhuǎn)子停留在一個(gè)位置上或圍繞一個(gè)位置振動(dòng)，越步嚴(yán)重時(shí)，機(jī)床將發(fā)生過(guò)沖。3.2.3.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理26三相單三拍的特點(diǎn)：3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)失步包括丟27三相六拍工作方式通電順序?yàn)椋篈?AB?B?BC?C?CA?A

六拍。3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)27三相六拍工作方式通電順序?yàn)椋篈?AB?B?BC?C?CA286.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)通電順序A→AB→B→BC→C→CA→A…（逆時(shí)針）A→AC→C→BC→B→CA→A…（順時(shí)針）每步轉(zhuǎn)過(guò)15°，步距角是三相三拍工作方式的一半。特點(diǎn)：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)。三相六拍工作方式3.2.2.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理286.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)通電順序三相六拍工作方式3.291.步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)確定的角度――即步進(jìn)電機(jī)的步距角α；2.改變步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向?qū)㈦S之改變；3.步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)的變換頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高；4.步進(jìn)電機(jī)的步距角α與定子繞組的相數(shù)m，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z，通電方式K有關(guān)，由如下關(guān)系：式中，三相三拍時(shí)（m相m拍）時(shí)：K＝1；三相六拍（m相2m拍）時(shí)：K＝2。3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)3.2.2.1步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)291.步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過(guò)303.2.3步進(jìn)電機(jī)的選用主要特性靜態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性主要用矩角特性來(lái)描述主要用矩頻特性來(lái)描述3.2.3.1步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)303.2.3步進(jìn)電機(jī)的選用主要特性靜態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性主要用311．步距角α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。α一般很小，常用：3°，1.5°，0.75°電動(dòng)機(jī)機(jī)床精度2.轉(zhuǎn)距最大靜態(tài)轉(zhuǎn)距：靜態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子能承受的負(fù)載轉(zhuǎn)距輸出轉(zhuǎn)距：等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能帶動(dòng)的負(fù)載轉(zhuǎn)距起動(dòng)轉(zhuǎn)距：起動(dòng)時(shí)所能承受的負(fù)載轉(zhuǎn)距帶載選擇電機(jī)的依據(jù)（重點(diǎn)內(nèi)容）3.2.3步進(jìn)電機(jī)的選用3.2.3.1步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)311．步距角α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。32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)。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mj

：在電機(jī)軸上施加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩M，轉(zhuǎn)子會(huì)在載荷方向上轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度θ（失調(diào)角），轉(zhuǎn)子因而受到一個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩Mj的作用與負(fù)載平衡。矩角特性：步進(jìn)電機(jī)單相通電的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mj隨失調(diào)角θ的變化曲線。θMjmax電機(jī)帶負(fù)載能力越強(qiáng)，快速性和穩(wěn)定性越好3.2.3.1步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)3.2.3步進(jìn)電機(jī)的選用32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)。矩角特性：33電動(dòng)機(jī)機(jī)床最高起動(dòng)頻率：不丟步起動(dòng)的最高頻率頻率最高工作頻率：連續(xù)正常運(yùn)行時(shí)的頻率速度3.空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止突然啟動(dòng)，并不失步的進(jìn)入穩(wěn)速運(yùn)行，所允許的啟動(dòng)頻率的最高值為最高起動(dòng)頻率.步進(jìn)電機(jī)控制脈沖頻率連續(xù)上升時(shí)，電動(dòng)機(jī)不失步運(yùn)行的最高頻率稱為最高工作頻率。——決定步進(jìn)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速一般為起動(dòng)頻率的4~10倍。3.2.3.1步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)3.2.3步進(jìn)電機(jī)的選用33電動(dòng)機(jī)機(jī)床最高起動(dòng)頻率：不丟步起動(dòng)的最高頻率頻率最344.矩頻特性在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下，步進(jìn)電機(jī)的電磁力矩隨頻率的升高而急劇下降，這兩者的關(guān)系稱為矩頻特性.步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線3.2.3.1步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)3.2.3步進(jìn)電機(jī)的選用344.矩頻特性在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下，步進(jìn)電機(jī)的電磁力矩隨353.2.4步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制1.工作方式

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件。只有按照一定規(guī)律對(duì)各相繞組輪流通電，步進(jìn)電機(jī)才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床常用的功率步進(jìn)電機(jī)有三相、四相和五相等。工作方式有單m拍、雙m拍等（m是電機(jī)的相數(shù)）。一般來(lái)說(shuō)電機(jī)相數(shù)越多，工作方式越多。又步距角計(jì)算公式可知，循環(huán)拍數(shù)越多，步距角越小，定位精度越高。而且循環(huán)拍數(shù)和每拍通電相數(shù)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性及穩(wěn)定性都有很大影響。步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)也對(duì)運(yùn)行性能有很大影響，因此可選用多相步進(jìn)電機(jī)，并采用2Xm拍工作方式，但雙m拍和2Xm拍工作方式功耗都比單m拍的大。353.2.4步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制1.工作方式363.2.4步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制

2.控制系統(tǒng)早期的數(shù)控系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配、功率驅(qū)動(dòng)和速度控制等環(huán)節(jié)都有硬件完成。但目前的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)都采用了小型和微型計(jì)算機(jī)，上述大多數(shù)環(huán)節(jié)都可以用計(jì)算機(jī)完成，使得步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化，如右圖所示。

363.2.4步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制2.控制系統(tǒng)373.2.4步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制1.控制系統(tǒng)

因CNC系統(tǒng)很多功能由軟件來(lái)完成，所以對(duì)計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)和運(yùn)算速度的有一定的要求。在機(jī)床的簡(jiǎn)易數(shù)控系統(tǒng)中，采用8位MCS-51系列單片機(jī)已能滿足要求。但在多坐標(biāo)控制系統(tǒng)及連續(xù)輪廓控制系統(tǒng)中，8位MPU（微處理器單元）的速度顯然不夠，可采用以下方法：

1）選用16為和32位微處理器。2）適當(dāng)配置一些脈沖分配器和細(xì)插補(bǔ)運(yùn)算器等硬件電路，以減輕MPU的負(fù)擔(dān)。

3）采用多微處理器結(jié)構(gòu)。各種任務(wù)由不同微處理器來(lái)完成373.2.4步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制1.控制系統(tǒng)383.1概述3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)3.3直流電機(jī)伺服系統(tǒng)3.4交流電機(jī)伺服系統(tǒng)3.5主軸傳動(dòng)第3章數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)383.1概述第3章數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)393.3直流電機(jī)伺服系統(tǒng)直流伺服電機(jī)：用直流電信號(hào)控制的執(zhí)行元件，是將輸入的電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度進(jìn)行輸出。特點(diǎn)：具有線性調(diào)速范圍寬、信號(hào)響應(yīng)迅速、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大、無(wú)控制電壓時(shí)立即停轉(zhuǎn)有電刷和換向器，造成的摩擦轉(zhuǎn)矩比較大393.3直流電機(jī)伺服系統(tǒng)直流伺服電機(jī)：用直流電信號(hào)控40直流伺服電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，但直流伺服電動(dòng)機(jī)的電刷和換向器容易磨損，需要經(jīng)常維護(hù)；由于換向器換向時(shí)會(huì)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(dòng)機(jī)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(lái)，以交流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)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(jī)的趨勢(shì)。3.3直流電機(jī)伺服系統(tǒng)40直流伺服電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，但直流41常用的直流電動(dòng)機(jī)有：3.3直流電機(jī)伺服系統(tǒng)永磁式直流電機(jī)（有槽電樞、無(wú)槽電樞、杯型電樞、印刷繞組電樞）——進(jìn)給驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁式直流電機(jī)——主軸驅(qū)動(dòng)改進(jìn)型直流電機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)小慣量電機(jī)3.3.1直流伺服電機(jī)的分類41常用的直流電動(dòng)機(jī)有：3.3直流電機(jī)伺服系統(tǒng)永磁式直421.永磁式直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成：磁極（定子）、電樞（轉(zhuǎn)子）、電刷與換向片直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖3.3.2永磁式直流伺服電機(jī)421.永磁式直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成：磁極（定子）、電樞（43直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖（1）定子定子的作用是用來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)。（2）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子也常稱為電樞。（3）電刷與換向片電刷與換向片的作用是使所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定方向，轉(zhuǎn)子能沿固定方向均勻地連續(xù)旋轉(zhuǎn)。組成：磁極（定子）、電樞（轉(zhuǎn)子）、電刷與換向片1.永磁式直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)3.3.2永磁式直流伺服電機(jī)43直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖（1）定子定子的作用是用來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)44工作原理與一般直流電動(dòng)機(jī)基本相同，但磁場(chǎng)的建立是由永久磁鐵實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)電流通過(guò)電樞繞組時(shí)，電流與磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，使電樞旋轉(zhuǎn)。直流電源接在兩電刷間，電流通入電樞線圈，切割磁力線，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。2.工作原理3.3.2永磁式直流伺服電機(jī)44工作原理與一般直流電動(dòng)機(jī)基本相同，但磁場(chǎng)的建立45原理圖等效圖電樞回路電壓平衡方程式Ra——電機(jī)電樞回路的總電阻；Ua——電機(jī)電樞的端電壓；Ia——電機(jī)電樞的電流；Ea——電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。2.工作原理3.3.2永磁式直流伺服電機(jī)45原理圖等效圖電樞回路電壓平衡方程式Ra——電機(jī)電樞回路的46感應(yīng)電勢(shì)與轉(zhuǎn)速關(guān)系:Ce——電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，表示單位轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)；n——電機(jī)轉(zhuǎn)速。電磁轉(zhuǎn)矩:可得永磁式直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式:2.工作原理3.3.2永磁式直流伺服電機(jī)Cm——轉(zhuǎn)矩常數(shù)，46感應(yīng)電勢(shì)與轉(zhuǎn)速關(guān)系:Ce——電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，表示單位轉(zhuǎn)速所產(chǎn)47

n0—理想空載轉(zhuǎn)速，

Δn—轉(zhuǎn)速降落。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱機(jī)械特性（靜態(tài)特性）機(jī)械特性是穩(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。電機(jī)轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速的差Δn，反映了電機(jī)機(jī)械特性硬度，Δn越小，機(jī)械特性越硬?！D(zhuǎn)速隨負(fù)載變化慢。TTnDn3.3直流電機(jī)伺服系統(tǒng)2.工作原理47n0—理想空載轉(zhuǎn)速，機(jī)械特性是穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)帶動(dòng)48n0－電機(jī)理想空載轉(zhuǎn)速三種主要調(diào)速方法：1）調(diào)節(jié)電阻Rd2）調(diào)節(jié)電樞電壓Ua（電樞控制）3）調(diào)節(jié)磁通Φ（磁場(chǎng)控制）2.工作原理3.3.2永磁式直流伺服電機(jī)48n0－電機(jī)理想空載轉(zhuǎn)速三種主要調(diào)速方法：1）調(diào)節(jié)電阻Rd491）永磁直流伺服電機(jī)的性能特點(diǎn)

a.低轉(zhuǎn)速大慣量

b.轉(zhuǎn)矩大

c.起動(dòng)力矩大

d.調(diào)速泛圍大，低速運(yùn)行平穩(wěn)，力矩波動(dòng)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

a.轉(zhuǎn)矩-速度特性曲線（工作曲線）

b.負(fù)載-工作周期曲線----

過(guò)載倍數(shù)Tmd，負(fù)載工作周期比d。

c.數(shù)據(jù)表：N、T、時(shí)間常數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等等。

3.工作特性3.3.2永磁式直流伺服電機(jī)491）永磁直流伺服電機(jī)的性能特點(diǎn)3.工作特性3.3.250

d%

80110%120%60130%140%40160%

d180%20200%013tR

6103060100tR(min)

圖3-15負(fù)載-工作周期曲線M/（N-cm）轉(zhuǎn)矩極限

12000

10000

瞬時(shí)換向極限

8000

Ⅲ

6000

Ⅱ

換向極限

速度極限

4000

溫度極限

2000Ⅰ

050010001500n圖3-14轉(zhuǎn)矩-速度特性曲線

Ⅰ區(qū)為連續(xù)工作區(qū)；Ⅱ區(qū)為斷續(xù)工作區(qū)，由負(fù)載-工作周期曲線決定工作時(shí)間；Ⅲ區(qū)為瞬時(shí)加減速區(qū)

3.永磁直流伺服電機(jī)的工作特性曲線3.3.2永磁式直流伺服電機(jī)50M/（N-cm）轉(zhuǎn)矩極513.3直流電機(jī)伺服系統(tǒng)3.3.3直流伺服電機(jī)速度控制方法調(diào)速的概念有兩個(gè)方面的含義:1）改變電機(jī)轉(zhuǎn)速：當(dāng)指令速度變化時(shí),電機(jī)的速度隨之變化,并希望以最快的加減速達(dá)到新的指令速度值；2）當(dāng)指令速度不變化時(shí),電機(jī)的速度保持穩(wěn)定不變。為調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向，需對(duì)直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制，如何控制？思考：直流伺服電機(jī)速度控制單元的作用：將轉(zhuǎn)速指令信號(hào)轉(zhuǎn)換成電樞的電壓值，達(dá)到速度調(diào)節(jié)的目的。直流電機(jī)速度控制單元常采用的調(diào)速方法：晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng)晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)。513.3直流電機(jī)伺服系統(tǒng)3.3.3直流伺服電機(jī)速度52白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室522.直流速度控制單元調(diào)速控制方式直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速是指迅速改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或維持電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不變。在數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)裝置中，直流電動(dòng)機(jī)速度控制多采用晶閘管，又稱為可控硅（SCR）調(diào)速系統(tǒng)和晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)。這兩種調(diào)速系統(tǒng)都可作為永磁直流伺服電機(jī)調(diào)速的控制電路，調(diào)速方法是改變電機(jī)電樞電壓。直流速度控制單元接收轉(zhuǎn)速指令信號(hào)（多為電壓值），通過(guò)速度控制電路變?yōu)殡姍C(jī)的電樞電壓，達(dá)到速度調(diào)節(jié)的目的。52白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室522.直流速度控制單元調(diào)速53SCR是一種大功率半導(dǎo)體器件，由陽(yáng)極A、陰極K和控制極G（又稱門極）組成。當(dāng)陽(yáng)極與陰極間施加正電壓且控制極出現(xiàn)觸發(fā)脈沖時(shí)，可控硅導(dǎo)通。觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻稱為觸發(fā)角α。1．晶閘管（SCR）調(diào)速系統(tǒng)3.3直流電機(jī)伺服系統(tǒng)調(diào)速原理：控制觸發(fā)角α即可控制可控硅的導(dǎo)通時(shí)間，從而達(dá)到控制電壓的目的。3.3.3直流伺服電機(jī)速度控制方法53SCR是一種大功率半導(dǎo)體器件，由陽(yáng)極A、陰極K和54白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室543）控制回路分析具體的說(shuō)就是只通過(guò)改變晶閘管觸發(fā)角，即改變控制角（可控硅導(dǎo)通時(shí)間），電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速的范圍是很小的，特性軟。沒反饋是開環(huán)。為了滿足數(shù)控機(jī)床的調(diào)速范圍需求，可采用帶有速度反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。為了增加調(diào)速特性的硬度，需要再加一個(gè)電流反饋環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。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+-E1ES①速度指令電壓UR和速度反饋電壓Uf分別經(jīng)過(guò)阻容濾波后，在比較放大器中進(jìn)行比較放大，得到速度誤差信號(hào)Es。Es為速度調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)。②速度調(diào)節(jié)器經(jīng)常采用比例-積分調(diào)節(jié)器（即PI調(diào)節(jié)器），其目的是為了獲得滿意的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的調(diào)速特性。③電流調(diào)節(jié)器可以由比例（P）或比例-積分調(diào)節(jié)器（PI）組成，其中IR為電流給定值，If為電流反饋值，E1比較后的誤差。經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)器輸出后還要變成電壓。其目的是為了減小系統(tǒng)在大電流下的開環(huán)放大倍數(shù)，加快電流環(huán)的響應(yīng)速度，縮短起動(dòng)過(guò)程，同時(shí)減小低速輕載時(shí)由于電流斷續(xù)對(duì)系統(tǒng)平穩(wěn)性的影響。④觸發(fā)脈沖發(fā)生器可使電路產(chǎn)生可控硅的移相觸發(fā)脈沖。該脈沖接至主回路（整流電路）可控硅的控制柵極，觸發(fā)可控硅整流。54白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室543）控制回路分析速度電流551．晶閘管調(diào)速系統(tǒng)3.3直流電機(jī)伺服系統(tǒng)常用于大功率及要求不很高的直流伺服電機(jī)調(diào)速控制。組成：控制回路：速度環(huán)、電流環(huán)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器等。主回路：可控硅整流放大器等。U*n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)+-UnInI*n+-US直流雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)3.3.3直流伺服電機(jī)速度控制方法551．晶閘管調(diào)速系統(tǒng)3.3直流電機(jī)伺服系統(tǒng)常用于大功率56速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)（PI），作用：好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。電流環(huán)：電流調(diào)節(jié)(P或PI)。作用：加快響應(yīng)、啟動(dòng)、低頻穩(wěn)定等。觸發(fā)脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生移相脈沖，使可控硅觸發(fā)角前移或后移?？煽毓枵鞣糯笃鳎赫?、放大、驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。直流雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1．晶閘管調(diào)速系統(tǒng)3.3直流電機(jī)伺服系統(tǒng)U*n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)+-UnInI*n+-US56速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)（PI），作用：好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。直流573.3直流電機(jī)伺服系統(tǒng)整流：把電網(wǎng)交流電源變?yōu)橹绷?；逆變：電機(jī)制動(dòng)時(shí)，把電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的慣性能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，并反饋給交流電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)逆變。主回路工作原理整流電路：將交流電變化成脈寬可調(diào)的直流方波。改變?chǔ)痢淖僓→調(diào)整轉(zhuǎn)速nαtt交流電直流方波U573.3直流電機(jī)伺服系統(tǒng)整流：把電網(wǎng)交流電源變?yōu)橹绷鳎?82．脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速控制系統(tǒng)3.3直流電機(jī)伺服系統(tǒng)脈寬調(diào)制調(diào)速原理：利用脈寬調(diào)制器對(duì)大功率晶體管開關(guān)放大器的開關(guān)時(shí)間進(jìn)行控制，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，加到直流電動(dòng)機(jī)的電樞上；通過(guò)調(diào)整控制方波脈沖寬度來(lái)改變電樞的平均電壓，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。周期不變脈寬脈寬脈寬脈寬平均直流電壓Uωt周期不變?yōu)槭裁矗?82．脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速控制系統(tǒng)3.3直流電機(jī)伺服59白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室59PWM的主要缺點(diǎn)：

不能承受高的過(guò)載電流，功率還不能做得很大。目前在中小功率的伺服驅(qū)動(dòng)裝置中，大多采用PWM，而在大功率的場(chǎng)合中采用SCR。PWM調(diào)速系統(tǒng)具有這么幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①頻帶寬②電流脈動(dòng)小，波形系數(shù)?、垭娫吹墓β室驍?shù)高④動(dòng)態(tài)硬度好由于晶體管的結(jié)電容小，截止頻率高，所以它允許系統(tǒng)有較高的工作頻率。目前，PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)工作頻率多數(shù)為2kHz，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于SCR調(diào)速系統(tǒng)的100Hz。較寬的頻帶可以獲得較好的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，動(dòng)態(tài)響應(yīng)也迅速。

PWM調(diào)速系統(tǒng)的直流電源為不控整流輸出，相當(dāng)于SCR導(dǎo)通角為最大時(shí)的工作狀態(tài)。功率因數(shù)與輸出電壓無(wú)關(guān)，整個(gè)工作范圍內(nèi)的功率因數(shù)可達(dá)0.9，從而大大改善了電源的利用率。

電動(dòng)機(jī)為感性負(fù)載，電路的電感與頻率成正比。因此電流脈動(dòng)的幅度隨頻率的升高而下降。PWM調(diào)速系統(tǒng)的工作頻率很高，因而可以使電流的脈動(dòng)幅度大大削弱，電流的波形系統(tǒng)接近于1。波形系數(shù)小，電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部發(fā)熱就少，輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，這有利于低速加工。

PWM調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)硬度，其意思是指伺服系統(tǒng)校正瞬態(tài)負(fù)載擾動(dòng)的能力。由于PWM系統(tǒng)的頻帶寬，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)硬度就越高，而且PWM系統(tǒng)有良好的線性，尤其是接近于零點(diǎn)處的直線性好。59白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室59由于晶體管的結(jié)電容小，截602．PWM調(diào)速控制系統(tǒng)脈寬調(diào)制（PWM）系統(tǒng)組成：速度調(diào)節(jié)器電流反饋脈寬調(diào)制基極驅(qū)動(dòng)功放振蕩器

電流調(diào)節(jié)器M速度指令

三相交流電整流速度反饋UsrUSCU△Ub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)電路主回路：大功率晶體管開關(guān)放大器；整流器正弦波或方波

3.3直流電機(jī)伺服系統(tǒng)602．PWM調(diào)速控制系統(tǒng)脈寬調(diào)制（PWM）系統(tǒng)組成：速度電61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。2．PWM調(diào)速控制系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)器電流反饋脈寬調(diào)制基極驅(qū)動(dòng)功放振蕩器

電流調(diào)節(jié)器M速度指令

三相交流電整流速度反饋UsrUSCU△Ub3.3直流電機(jī)伺服系統(tǒng)61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)2．PW622．PWM調(diào)速控制系統(tǒng)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?！淖冎绷魉欧姍C(jī)電樞兩端的平均電壓，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。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?！妷?脈沖轉(zhuǎn)換裝置3.3直流電機(jī)伺服系統(tǒng)622．PWM調(diào)速控制系統(tǒng)脈寬調(diào)制器作用：將電壓量轉(zhuǎn)換成可由633.1概述3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)3.3直流電機(jī)伺服系統(tǒng)3.4交流電機(jī)伺服系統(tǒng)3.5主軸驅(qū)動(dòng)第3章數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)633.1概述第3章數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)64一、交流伺服電動(dòng)機(jī)概述交流伺服電動(dòng)機(jī)分類異步型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容量大。主要用在主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。同步型同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)又分為永磁式和勵(lì)磁式。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中多采用永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)。2.永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)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(jī)械特性及寬的調(diào)速范圍。缺點(diǎn)體積較大，起動(dòng)較困難64一、交流伺服電動(dòng)機(jī)概述653.永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

組成：定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件。

定子具有齒槽，內(nèi)有三相繞組，形狀與普通交流電動(dòng)機(jī)的定子相同，但其外形多呈多邊形，且無(wú)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(diǎn)是氣隙磁密較高，極數(shù)較多。定子轉(zhuǎn)子脈沖編碼器定子三相繞組接線盒永磁交流同步伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

653.永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成：定子、轉(zhuǎn)子664.永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理定子三相繞組接上交流電源后，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，以同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(chǎng)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(guò)一定的限度，轉(zhuǎn)子始終跟著定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(duì)數(shù)664.永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理67二、交流伺服電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速公式

n＝ns＝60f/p(r/min)

可以通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電源頻率f來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此法可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，能夠較好地滿足數(shù)控機(jī)床的要求。變頻調(diào)速的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)能為電動(dòng)機(jī)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(guò)整流變?yōu)橹绷鳎俳?jīng)過(guò)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。67二、交流伺服電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速2.變頻器6868正弦脈寬調(diào)制（SPWM）變壓變頻器⑴基本概念1964年德國(guó)人率先提出脈寬調(diào)制變頻思想，把通訊系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于交流變頻器。調(diào)制方法很多，目前用得最多的是正弦脈寬調(diào)制。還有空間電壓矢量PWM、最優(yōu)PWM、預(yù)測(cè)PWM、隨機(jī)PWM、規(guī)則采樣數(shù)字化PWM等等。SPWM交–直–交變壓變頻器的原理框圖如下：UR–整流器

固定電壓不可控整流器，常采用六個(gè)二級(jí)管橋式整流器結(jié)構(gòu)將交流變?yōu)橹绷?，電壓幅值不變。為逆變器的供電。M3～UIURUI–逆變器

由六個(gè)功率開關(guān)器件組成，常采用大功率晶體管。其控制極（大功率晶體管GTR為基極）輸入由基準(zhǔn)正弦波（由速度指令轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的）和三角波疊加出來(lái)的SPWM調(diào)制波（等幅、不等寬的矩形脈沖波），使這些大功率晶體管按一定規(guī)律導(dǎo)通、截止，輸出一系列功率級(jí)等效于正弦交流電的可變頻變壓的等幅、不等寬的矩形脈沖電壓波，即功率級(jí)SPWM電壓，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。逆變器的功率開關(guān)器件還可采用：可關(guān)斷晶閘管GTO、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET、絕緣門極晶體管IGBT等。6868正弦脈寬調(diào)制（SPWM）變壓變頻器UR–整流器693.1概述3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)3.3直流電機(jī)伺服系統(tǒng)3.4交流電機(jī)伺服系統(tǒng)3.5主軸驅(qū)動(dòng)第3章數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)693.1概述第3章數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)703.5主軸驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)不同于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，主軸的工作運(yùn)動(dòng)通常為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。主軸驅(qū)動(dòng)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(dòng)

特殊要求：如加工螺紋，要求主軸驅(qū)動(dòng)與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)實(shí)行同步控制；為了保證端面加工的光潔度，要求主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有恒線速切削控制；在加工中心上，由于自動(dòng)換刀的需要，要求主抽驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有高精度的停位控制；有的數(shù)控機(jī)床還要求主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有角度控制功能等。703.5主軸驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)不同于71分類

直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)早期的數(shù)控機(jī)床多采用直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

自20世紀(jì)70年代末80年代初，在數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)中開始采用交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床多采用交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。71分類72三、

不同類型的主軸系統(tǒng)的特點(diǎn)和使用范圍

1、普通籠型異步電動(dòng)機(jī)配齒輪變速箱

這是最經(jīng)濟(jì)的一種方法主軸配置方式，但只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，由于電動(dòng)機(jī)始終工作在額定轉(zhuǎn)速下，經(jīng)齒輪減速后，在主軸低速下輸出力矩大，重切削能力強(qiáng)，非常適合粗加工和半精加工的要求。

72三、

不同類型的主軸系統(tǒng)的特點(diǎn)和使用范圍1、普通籠型異73可以實(shí)現(xiàn)主軸的無(wú)級(jí)調(diào)速，主軸電動(dòng)機(jī)只有工作在約500轉(zhuǎn)/分鐘以上才能有比較滿意的力矩輸出，否則，特別是車床很容易出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)的情況，一般會(huì)采用兩擋齒輪或皮帶變速，但主軸仍然只能工作在中高速范圍，另外因?yàn)槭艿狡胀妱?dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速的限制，主軸的轉(zhuǎn)速范圍受到較大的限制。這種方案適用于需要無(wú)級(jí)調(diào)速但對(duì)低速和高速都不要求的場(chǎng)合，例如數(shù)控鉆銑床。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的簡(jiǎn)易型變頻器較多。2、普通籠型異步電動(dòng)機(jī)配簡(jiǎn)易型變頻器

73可以實(shí)現(xiàn)主軸的無(wú)級(jí)調(diào)速，主軸電動(dòng)機(jī)只有工作在約500轉(zhuǎn)/743、普通籠型異步電動(dòng)機(jī)配通用變頻器

目前進(jìn)口的通用變頻器，除了具有U/f曲線調(diào)節(jié)，一般還具有無(wú)反饋矢量控制功能，會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)的低速特性有所改善，配合兩級(jí)齒輪變速，基本上可以滿足車床低速（100—200轉(zhuǎn)/分鐘）小加工余量的加工，但同樣受最高電動(dòng)機(jī)速度的限制。這是目前經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床比較常用的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。743、普通籠型異步電動(dòng)機(jī)配通用變頻器目前進(jìn)口的通用變頻器754、專用變頻電動(dòng)機(jī)配通用變頻器

中檔數(shù)控機(jī)床主要采用這種方案，主軸傳動(dòng)兩擋變速甚至僅一擋即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速在100—200r/min左右時(shí)車、銑的重力切削。一些有定向功能的還可以應(yīng)用與要求精鏜加工的數(shù)控鏜銑床，若應(yīng)用在加工中心上，還不很理想，必須采用其他輔助機(jī)構(gòu)完成定向換刀的功能，而且也不能達(dá)到剛性攻絲的要求。754、專用變頻電動(dòng)機(jī)配通用變頻器

中檔數(shù)控機(jī)床主要采用這76二.直流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制1.直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

與一般直流電動(dòng)機(jī)一樣，只是為了減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而做得細(xì)長(zhǎng)一些。它的勵(lì)磁繞組和電樞分別由兩個(gè)獨(dú)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。

基本速度以上：恒功率范圍，用控制定子激磁來(lái)調(diào)速。P,T

Onjnmaxn12圖3.25直流主軸電機(jī)特性曲線

1-轉(zhuǎn)矩特性曲線2-功率特性曲線76二.直流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制2.特性曲線P,TO773.速度控制（直他激流伺服電動(dòng)機(jī)）

定子磁動(dòng)勢(shì)：由勵(lì)磁電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)子反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)：由轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩：由于被控制量電動(dòng)機(jī)磁通f

和電樞電流Ia互相獨(dú)立，其電磁轉(zhuǎn)矩與磁通和電樞電流分別成正比關(guān)系。可以方便地分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此直流伺服電機(jī)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(lái)調(diào)速。773.速度控制（直他激流伺服電動(dòng)機(jī)）由于被控78三.交流主軸電動(dòng)機(jī)

1.交流主軸電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

交流主軸電機(jī)多采用交流異步電機(jī)，很少采用永磁同步電機(jī)。主要因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)的容量做得不夠大，且電機(jī)成本較高。另外主軸驅(qū)動(dòng)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(jī)完全可以滿足數(shù)控機(jī)床主軸的要求，籠型異步電機(jī)多用在主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。78三.交流主軸電動(dòng)機(jī)1.交流主軸電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)7979802.交流主軸電動(dòng)機(jī)的工作原理(與普通三相異步電動(dòng)機(jī)同)據(jù)電機(jī)學(xué)知，交流異步電機(jī)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(duì)數(shù);s—轉(zhuǎn)差率。由上式可知異步電機(jī)的調(diào)速方法，可以有變轉(zhuǎn)差率、變極對(duì)數(shù)及變頻三種。

A.改變轉(zhuǎn)差率對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速時(shí)，低速時(shí)轉(zhuǎn)差率大，轉(zhuǎn)差損耗功率也大，效率低。B.變極調(diào)速只能產(chǎn)生二種或三種轉(zhuǎn)速，不可能做成無(wú)級(jí)調(diào)速，應(yīng)用范圍較窄。C.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。

802.交流主軸電動(dòng)機(jī)的工作原理(與普通三相異步電動(dòng)機(jī)同)四、主軸準(zhǔn)?？刂?.主軸準(zhǔn)停的概念

主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

主軸準(zhǔn)停功能（又稱：主軸定位功能），即當(dāng)主軸停止時(shí)，控制其停于固定位置，下圖為主軸準(zhǔn)停鏜孔示意圖。四、主軸準(zhǔn)?？刂?.主軸準(zhǔn)停的概念

主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主2.機(jī)械準(zhǔn)?？刂?/p>

主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主軸中心接近體定位盤無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)定位液壓缸LS1LS22.機(jī)械準(zhǔn)?？刂?/p>

主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主軸中心接近體定位盤無(wú)觸點(diǎn)開3.電氣準(zhǔn)?？刂?/p>

主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1）磁傳感器型準(zhǔn)停數(shù)控系統(tǒng)準(zhǔn)停啟動(dòng)準(zhǔn)停完成準(zhǔn)停板主軸驅(qū)動(dòng)速度反饋主軸電機(jī)主軸刀具磁傳感器發(fā)磁體傳送帶3.電氣準(zhǔn)?？刂?/p>

主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1）磁傳感器型準(zhǔn)停數(shù)控系統(tǒng)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2）編碼器型準(zhǔn)停主軸驅(qū)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)準(zhǔn)停啟動(dòng)準(zhǔn)停完成準(zhǔn)停啟動(dòng)準(zhǔn)停板速度反饋編碼器主軸電機(jī)傳送帶刀具主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2）編碼器型準(zhǔn)停主軸驅(qū)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)準(zhǔn)停啟動(dòng)準(zhǔn)停完主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3）數(shù)控系統(tǒng)型準(zhǔn)停(M19)數(shù)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)速給定準(zhǔn)停位置給定功能切換開關(guān)主軸驅(qū)動(dòng)裝置D/AKMTGPG-+主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3）數(shù)控系統(tǒng)型準(zhǔn)停(M19)數(shù)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)速給定86電氣準(zhǔn)停特點(diǎn)1）不需要機(jī)械部件---只需簡(jiǎn)單地連接編碼器或磁性傳感器，即可實(shí)現(xiàn)主軸定向控制。2）定向時(shí)間縮短---電氣準(zhǔn)停主軸在高速時(shí)直接定向，不必采用齒輪減速，定向時(shí)間大為縮短。3）高可靠性---由于定向控制采用電子部件，沒有機(jī)械易損件，不受外部沖擊的影響，因此，主軸定向控制的可靠性高。4）定向控制的精度和剛性高---完全能滿足自動(dòng)換刀的要求。5）強(qiáng)電控制電路簡(jiǎn)化---強(qiáng)電控制順序由主軸定向命令、完成信號(hào)、主軸高/低速信號(hào)組成。86電氣準(zhǔn)停特點(diǎn)1）不需要機(jī)械部件---只需簡(jiǎn)單地連接編碼器結(jié)束結(jié)束Umrichter

SIMODRIVE611digitalmitCNC

SINUMERIK840DE/R-ModulNCULeistungsteilBedientafelfront

mitPCU20/50/70Drehstrom-

ServomotorenPeripherie

SIMATICS7-300Drehstrom-

Hauptspindelmotor數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)3.1簡(jiǎn)介Umrichter

SIMODRIVE611digita89從理論上講，可以消除整個(gè)驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動(dòng)量。具有很高的位置控制精度。由于位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機(jī)床等。閉環(huán)控制(Closed-LoopServo-Drive)89從理論上講，可以消除整個(gè)驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動(dòng)90優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，工作可靠；缺點(diǎn)：

–

容易失步（尤其在高速、大負(fù)載時(shí)），影響定位精度；

–

在低速時(shí)容易產(chǎn)生振動(dòng)；

–

細(xì)分技術(shù)的應(yīng)用，明顯提高了定位精度，降低了低速振動(dòng)。應(yīng)用：要求一般的開環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)90優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，工作可靠；3.2步進(jìn)電機(jī)91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)。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mj

：在電機(jī)軸上施加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩M，轉(zhuǎn)子會(huì)在載荷方向上轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度θ（失調(diào)角），轉(zhuǎn)子因而受到一個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩Mj的作用與負(fù)載平衡。矩角特性：步進(jìn)電機(jī)單相通電的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mj隨失調(diào)角θ的變化曲線。θMjmax電機(jī)帶負(fù)載能力越強(qiáng)，快速性和穩(wěn)定性越好3.2.3.1步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)3.2.3步進(jìn)電機(jī)的選用91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)。矩角特性：92

d%

80110%120%60130%140%40160%

d180%20200%013tR

6103060100tR(min)

圖3-15負(fù)載-工作周期曲線M/（N-cm）轉(zhuǎn)矩極限

12000

10000

瞬時(shí)換向極限

8000

Ⅲ

6000

Ⅱ

換向極限

速度極限

4000

溫度極限

2000Ⅰ

050010001500n圖3-14轉(zhuǎn)矩-速度特性曲線

Ⅰ區(qū)為連續(xù)工作區(qū)；Ⅱ區(qū)為斷續(xù)工作區(qū)，由負(fù)載-工作周期曲線決定工作時(shí)間；Ⅲ區(qū)為瞬時(shí)加減速區(qū)

3.永磁直流伺服電機(jī)的工作特性曲線3.3.2永磁式直流伺服電機(jī)92M/（N-cm）轉(zhuǎn)矩極932.交流主軸電動(dòng)機(jī)的工作原理(與普通三相異步電動(dòng)機(jī)同)據(jù)電機(jī)學(xué)知，交流異步電機(jī)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(duì)數(shù);s—轉(zhuǎn)差率。由上式可知異步電機(jī)的調(diào)速方法，可以有變轉(zhuǎn)差率、變極對(duì)數(shù)及變頻三種。

A.改變轉(zhuǎn)差率對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速時(shí)，低速時(shí)轉(zhuǎn)差率大，轉(zhuǎn)差損耗功率也大，效率低。B.變極調(diào)速只能產(chǎn)生二種或三種轉(zhuǎn)速，不可能做成無(wú)級(jí)調(diào)速，應(yīng)用范圍較窄。C.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。

932.交流主軸電動(dòng)機(jī)的工作原理(與普通三相異步電動(dòng)機(jī)同)四、主軸準(zhǔn)?？刂?.主軸準(zhǔn)停的概念

主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

主軸準(zhǔn)停功能（又稱：主軸定位功能），即當(dāng)主軸停止時(shí)，控制其停于固定位置，下圖為主軸準(zhǔn)停鏜孔示意圖。四、主軸準(zhǔn)?？刂?.主軸準(zhǔn)停的概念

主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2）編碼器型準(zhǔn)停主軸驅(qū)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)準(zhǔn)停啟動(dòng)準(zhǔn)停完成準(zhǔn)停啟動(dòng)準(zhǔn)停板速度反饋編碼器主軸電機(jī)傳送帶刀具主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2）編碼器型準(zhǔn)停主軸驅(qū)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)準(zhǔn)停啟動(dòng)準(zhǔn)停完會(huì)計(jì)學(xué)96數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)會(huì)計(jì)學(xué)1數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)973.1簡(jiǎn)介3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)3.3直流電機(jī)伺服系統(tǒng)3.4交流電機(jī)伺服系統(tǒng)3.5主軸傳動(dòng)第3章數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)23.1簡(jiǎn)介第3章數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)983.1簡(jiǎn)介定義：數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)是以機(jī)床移動(dòng)部件的位置和速度為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用:接受CNC裝置發(fā)出的位移指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)裝置作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機(jī)（直流、交流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等）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)。控制過(guò)程：位移指令－信號(hào)變換,功率放大－電機(jī)－進(jìn)給運(yùn)動(dòng)33.1簡(jiǎn)介定義：數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)是以機(jī)床移動(dòng)部件的位99性能：☆最高進(jìn)給速度☆跟蹤精度☆定位精度機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)數(shù)控機(jī)床的大腦。數(shù)控機(jī)床的四肢，執(zhí)行命令的機(jī)構(gòu)，不折不扣的跟隨者。3.1簡(jiǎn)介4性能：☆最高進(jìn)給速度☆跟蹤精度☆定位精度機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)數(shù)控?cái)?shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)3.1簡(jiǎn)介數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)3.1簡(jiǎn)介Umrichter

SIMODRIVE611digitalmitCNC

SINUMERIK840DE/R-ModulNCULeistungsteilBedientafelfront

mitPCU20/50/70Drehstrom-

ServomotorenPeripherie

SIMATICS7-300Drehstrom-

Hauptspindelmotor數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)3.1簡(jiǎn)介Umrichter

SIMODRIVE611digita1023.1.2數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的要求1.精度高:跟隨精度--伺服系統(tǒng)輸出量跟隨輸入量的精確程度.定位精度重復(fù)定位精度不易手動(dòng)操作補(bǔ)償誤差（δ=0.01mm~0.001mm）機(jī)床精度δ跟隨精度機(jī)床精度跟隨誤差<δ1-2

§6.1伺服系統(tǒng)概述2.快速響應(yīng)特性好:

動(dòng)態(tài)品質(zhì)響應(yīng)快--接受輸入后快速調(diào)節(jié)達(dá)到新的平衡穩(wěn)定性好--外界干擾快速回復(fù)原來(lái)平衡T≤200ms~幾十ms3.1簡(jiǎn)介73.1.2數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的要求1.精度高:跟1033.調(diào)速范圍大:（最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速比）大于1~10000低速能輸出較大轉(zhuǎn)矩4.系統(tǒng)可靠性好指標(biāo)：平均無(wú)故障時(shí)間。充分利用：數(shù)控機(jī)床連續(xù)工作不停機(jī)，24h。－發(fā)生故障時(shí)間間隔，可靠性好3.1.2數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的要求對(duì)伺服系統(tǒng)的要求包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性兩方面；對(duì)高精度的數(shù)控機(jī)床，對(duì)其動(dòng)態(tài)性能的要求更嚴(yán)。3.1簡(jiǎn)介83.調(diào)速范圍大:（最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速比）大于1~10001043.1.2伺服系統(tǒng)的分類按控制原理和有無(wú)檢測(cè)反饋裝置：開環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)；按被控對(duì)象：進(jìn)給驅(qū)動(dòng)、主軸驅(qū)動(dòng)；按使用的執(zhí)行元件：電液、電氣伺服驅(qū)動(dòng)（步進(jìn)、直流、交流、直線電機(jī)）;按反饋比較控制方式分類：脈沖、數(shù)字比較伺服系統(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)。3.1簡(jiǎn)介93.1.2伺服系統(tǒng)的分類按控制原理和有無(wú)檢測(cè)反饋裝置：開105進(jìn)給指令比較控制環(huán)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制單元執(zhí)行元件反饋檢測(cè)單元

機(jī)床

驅(qū)動(dòng)控制單元:

電路。信號(hào)變換、功率放大電路。執(zhí)行元件：驅(qū)動(dòng)元件。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，伺服電動(dòng)機(jī)。反饋檢測(cè)單元：開環(huán)系統(tǒng)、半閉環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)。

機(jī)床：機(jī)械傳動(dòng)，運(yùn)動(dòng)執(zhí)行件。1-4伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成3.1簡(jiǎn)介10進(jìn)給比較控制環(huán)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制單元執(zhí)行元件反饋檢測(cè)單元機(jī)106主要內(nèi)容開環(huán)控制(Open-LoopServo-Drive)電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件A相、B相C相、…f、nCNC插補(bǔ)指令脈沖頻率f脈沖個(gè)數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大按控制原理分類采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件；無(wú)位置反饋，其精度主要取決于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和精度；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試維修方便，工作穩(wěn)定、設(shè)備投資低，一般用于精度和速度要求不高、驅(qū)動(dòng)力矩不大的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。11主要內(nèi)容開環(huán)控制(Open-LoopServo-Dr107步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)12步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)108半閉環(huán)控制(Half-Closed-LoopServo-Drive)速度控制電路工作臺(tái)伺服電機(jī)位置比較電路指令脈沖速度反饋位置反饋檢測(cè)元件半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)是從驅(qū)動(dòng)裝置(常用伺服電機(jī))或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測(cè)，不是直接檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置。按控制原理分類13半閉環(huán)控制(Half-Closed-LoopSe109半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對(duì)這類誤差進(jìn)行補(bǔ)償，因而仍可獲得滿意的精度。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。14半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)110交流伺服電機(jī)15交流伺服電機(jī)111主要內(nèi)容閉環(huán)控制(Closed-LoopServo-Drive)位置采樣點(diǎn)直接對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測(cè)。位置反饋速度控制電路工作臺(tái)伺服電機(jī)位置比較電路指令脈沖速度反饋按控制原理分類16主要內(nèi)容閉環(huán)控制(Closed-LoopSe112從理論上講，可以消除整個(gè)驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動(dòng)量。具有很高的位置控制精度。由于位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機(jī)床等。閉環(huán)控制(Closed-LoopServo-Drive)17從理論上講，可以消除整個(gè)驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動(dòng)113伺服電機(jī)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。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)）步進(jìn)電機(jī)（適于輕載、負(fù)荷變動(dòng)不大）直線電機(jī)（高速、高精度）數(shù)控機(jī)床中常用的伺服電機(jī)？特點(diǎn)？3.1簡(jiǎn)介18伺服電機(jī)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114步進(jìn)電機(jī)是一脈沖控制的執(zhí)行元件，可將輸入脈沖轉(zhuǎn)換為機(jī)械角位移。每給步進(jìn)電機(jī)輸入一脈沖，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過(guò)一角度，稱為步距角。3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)脈沖數(shù)量----位移量脈沖當(dāng)量為：脈沖頻率---電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)給速度為：脈沖順序----方向。19步進(jìn)電機(jī)是一脈沖控制的執(zhí)行元件，可將輸入脈沖轉(zhuǎn)換為機(jī)械115優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，工作可靠；缺點(diǎn)：

–

容易失步（尤其在高速、大負(fù)載時(shí)），影響定位精度；

–

在低速時(shí)容易產(chǎn)生振動(dòng)；

–

細(xì)分技術(shù)的應(yīng)用，明顯提高了定位精度，降低了低速振動(dòng)。應(yīng)用：要求一般的開環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)20優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，工作可靠；3.2步進(jìn)電機(jī)3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)1173.2.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理及特點(diǎn)3.2.3.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理反應(yīng)式:轉(zhuǎn)子無(wú)勵(lì)磁繞組永磁式:轉(zhuǎn)子為永久磁鐵原理：磁力線力圖沿磁阻最小（磁導(dǎo)最大）路徑閉合定子：多相繞組轉(zhuǎn)子：多齒用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，將其轉(zhuǎn)換成角位移。AB定子轉(zhuǎn)子IAIBIC電磁吸引原理223.2.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理及特點(diǎn)3.2.3.1步118步進(jìn)電機(jī)的工作方式(通電順序)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：（1）三相繞組聯(lián)接方式：Y型（2）三相繞組中的通電順序?yàn)椋篈相?

B相?

C相通電順序也可以為：

A相?

C相?

B相

3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)3.2.3.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理各相繞組輪流通電一次的操作稱為一個(gè)通電周期每個(gè)通電周期使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角23步進(jìn)電機(jī)的工作方式(通電順序)可分為：三相單三拍、三相單119三相單三拍工作方式6.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)假設(shè)轉(zhuǎn)子只有4個(gè)齒3.2.3.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理24三相單三拍工作方式6.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)假設(shè)轉(zhuǎn)子只B'A'CC'BA3412A相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和AA'對(duì)齊B'A'CC'BA3412BB'A'CC'AB相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相軸線對(duì)齊CC相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和C相軸線對(duì)齊3412ABC1324ABC1324A3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)B'A'CC'BA3412A相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和AA'121三相單三拍的特點(diǎn)：（1）每來(lái)一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)30°。（2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序。（3）每次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，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。3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)失步包括丟步和越步。丟步時(shí)，轉(zhuǎn)子前進(jìn)的步數(shù)小于脈沖數(shù)；越步時(shí)，轉(zhuǎn)子前進(jìn)的步數(shù)多于脈沖數(shù)。丟步嚴(yán)重時(shí)，將使轉(zhuǎn)子停留在一個(gè)位置上或圍繞一個(gè)位置振動(dòng)，越步嚴(yán)重時(shí)，機(jī)床將發(fā)生過(guò)沖。3.2.3.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理26三相單三拍的特點(diǎn)：3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)失步包括丟122三相六拍工作方式通電順序?yàn)椋篈?AB?B?BC?C?CA?A

六拍。3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)27三相六拍工作方式通電順序?yàn)椋篈?AB?B?BC?C?CA1236.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)通電順序A→AB→B→BC→C→CA→A…（逆時(shí)針）A→AC→C→BC→B→CA→A…（順時(shí)針）每步轉(zhuǎn)過(guò)15°，步距角是三相三拍工作方式的一半。特點(diǎn)：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)。三相六拍工作方式3.2.2.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理286.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)通電順序三相六拍工作方式3.1241.步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)確定的角度――即步進(jìn)電機(jī)的步距角α；2.改變步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向?qū)㈦S之改變；3.步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)的變換頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高；4.步進(jìn)電機(jī)的步距角α與定子繞組的相數(shù)m，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z，通電方式K有關(guān)，由如下關(guān)系：式中，三相三拍時(shí)（m相m拍）時(shí)：K＝1；三相六拍（m相2m拍）時(shí)：K＝2。3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)3.2.2.1步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)291.步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過(guò)1253.2.3步進(jìn)電機(jī)的選用主要特性靜態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性主要用矩角特性來(lái)描述主要用矩頻特性來(lái)描述3.2.3.1步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)303.2.3步進(jìn)電機(jī)的選用主要特性靜態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性主要用1261．步距角α每給一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)角