數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)課件

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)課件6.1概述伺服系統(tǒng)是連接數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床本體的關(guān)鍵部分，它接收來自數(shù)控系統(tǒng)的指令，經(jīng)過放大和轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)，并將運(yùn)動(dòng)結(jié)果反饋到輸入端與輸入指令比較，直至與輸入指令之差為零，從而使機(jī)床精確地運(yùn)動(dòng)到所要求的位置。伺服系統(tǒng)的性能直接關(guān)系到數(shù)控機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性、靜態(tài)特性、精度、穩(wěn)定程度等。伺服系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床本體稱為數(shù)控機(jī)床的三大組成部分。與一般機(jī)床不同，數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，數(shù)控伺服系統(tǒng)由伺服電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換電路、電力電子驅(qū)動(dòng)放大模塊、電流調(diào)節(jié)單元、速度調(diào)節(jié)單元、位置調(diào)節(jié)單元和相應(yīng)的檢測(cè)裝置等組成。一般閉環(huán)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6-1所示。圖6-1數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6.1概述伺服系統(tǒng)是連接數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床本體的關(guān)鍵6.1概述圖6-1所示是一個(gè)三環(huán)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，外環(huán)是位置環(huán)，中環(huán)是速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。位置環(huán)由位置控制單元、位置檢測(cè)和反饋裝置組成。速度環(huán)由速度控制單元、速度檢測(cè)和反饋裝置組成。電流環(huán)由電流控制單元、電流檢測(cè)和反饋裝置組成。轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路和功率放大器等組成。其中驅(qū)動(dòng)元件主要是伺服電動(dòng)機(jī)，目前交流伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)用最為廣泛。6.1概述圖6-1所示是一個(gè)三環(huán)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，外環(huán)是位置6.1.1伺服系統(tǒng)的基本要求伺服系統(tǒng)是把數(shù)控信息轉(zhuǎn)化為機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。數(shù)控機(jī)床將高效率、高精度和高柔性集于一身，對(duì)位置控制、速度控制、伺服電動(dòng)機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)等方面都有很高要求。1．精度高伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。數(shù)控加工對(duì)定位精度和輪廓加工精度要求都比較高，定位精度一般允許誤差為0.01～0.001mm，輪廓加工精度與速度控制、聯(lián)動(dòng)坐標(biāo)的協(xié)調(diào)一致控制有關(guān)。在速度控制中，要求較高的調(diào)速精度，具有比較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力，對(duì)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)精度要求都比較高。2．速度范圍寬要求數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給能在很寬的范圍內(nèi)無級(jí)變化。這就要求伺服電動(dòng)機(jī)有很寬的調(diào)速范圍和優(yōu)異的調(diào)速特性。目前，最先進(jìn)的水平是在進(jìn)給脈沖當(dāng)量為0.1μm的情況下，進(jìn)給速度在0～240m/min范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。對(duì)一般數(shù)控機(jī)床而言，進(jìn)給速度范圍在0～24m/min時(shí)都可滿足加工要求。6.1概述6.1.1伺服系統(tǒng)的基本要求伺服系統(tǒng)是把數(shù)控信息轉(zhuǎn)3．具有足夠的傳動(dòng)剛性和高的速度穩(wěn)定性伺服系統(tǒng)應(yīng)具有優(yōu)良的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)負(fù)載特性，即伺服系統(tǒng)在不同的負(fù)載情況下，或切削條件發(fā)生變化時(shí)，進(jìn)給速度保持恒定。剛性良好的系統(tǒng)，速度受負(fù)載力矩變化的影響很小，一般要求負(fù)載力矩變化時(shí)，靜態(tài)速降應(yīng)小于5%，動(dòng)態(tài)速降應(yīng)小于10%。4．快速響應(yīng)且無超調(diào)為了保證輪廓切削形狀精度和低的加工表面粗糙度值，對(duì)位置伺服系統(tǒng)除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快。這就對(duì)伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能提出兩方面的要求：(1)在伺服系統(tǒng)處于頻繁地啟動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速等動(dòng)態(tài)過程中，為了提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量，則要求加、減速度足夠大，以縮短過渡過程時(shí)間。一般電動(dòng)機(jī)的速度由零到最大，或從最大減少到零，時(shí)間應(yīng)控制在200ms以下，甚至少于幾十毫秒，且速度變化時(shí)不應(yīng)有超調(diào)。(2)當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，過渡過程前沿要陡，恢復(fù)時(shí)間要短，且無振蕩，這樣才能得到光滑的加工表面。6.1概述3．具有足夠的傳動(dòng)剛性和高的速度穩(wěn)定性6.1概述5．可逆運(yùn)行可逆運(yùn)行要求能靈活地正反向運(yùn)行。在加工過程中，機(jī)床工作臺(tái)處于隨機(jī)狀態(tài)，根據(jù)加工軌跡的要求，隨時(shí)都可能實(shí)現(xiàn)正向或反向運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，要求在方向變化時(shí)無反向間隙和運(yùn)動(dòng)誤差。實(shí)現(xiàn)能量的可逆轉(zhuǎn)換，加工運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收能量，將其轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，在制動(dòng)時(shí)，把電動(dòng)機(jī)的機(jī)械慣性能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑仞伣o電網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)。6．低速大轉(zhuǎn)矩機(jī)床的加工特點(diǎn)大多是低速時(shí)進(jìn)行切削，即在低速時(shí)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)要有大的轉(zhuǎn)矩輸出。7．伺服系統(tǒng)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的要求數(shù)控機(jī)床上使用的伺服電動(dòng)機(jī)，大多是交流伺服電動(dòng)機(jī)。早期數(shù)控機(jī)床也有用專用的直流伺服電動(dòng)機(jī)，如改進(jìn)型直流電動(dòng)機(jī)、小慣量直流電動(dòng)機(jī)、永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)、無刷直流電動(dòng)機(jī)等。在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上混合型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也有采用。6.1概述5．可逆運(yùn)行6.1概述伺服系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)提出了嚴(yán)格的要求：(1)具有較硬的機(jī)械特性和良好的調(diào)節(jié)特性。機(jī)械特性是指在一定的電樞電壓條件下，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。(2)具有寬廣而平滑的調(diào)速范圍。轉(zhuǎn)速能夠在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié),性能優(yōu)異的伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍可達(dá)到1:100000。(3)具有快速響應(yīng)特性。是指伺服電動(dòng)機(jī)從獲得控制指令到按照指令要求完成動(dòng)作的時(shí)間要短。響應(yīng)時(shí)間越短，說明伺服系統(tǒng)的靈敏性越高。(4)具有小的空載始動(dòng)電壓。伺服電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，控制電壓從零開始逐漸增加，直到電動(dòng)機(jī)開始連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電壓，稱為伺服電動(dòng)機(jī)的空載始動(dòng)電壓?？梢?，空載始動(dòng)電壓越小，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)越快，工作越靈敏。(5)過載能力強(qiáng)。電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有大的較長(zhǎng)時(shí)間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電動(dòng)機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載4～6倍而不損壞。(6)電動(dòng)機(jī)應(yīng)能承受頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。6.1概述伺服系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)提出了嚴(yán)格的要求：6.1概述6.1.2伺服系統(tǒng)的分類1．按調(diào)節(jié)理論分類1)開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)即沒有位置反饋的伺服系統(tǒng)，如圖6-2所示。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令脈沖信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制和功率放大后，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過變速齒輪和滾珠絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)或刀架等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。圖6-2開環(huán)伺服系統(tǒng)示意圖6.1概述6.1.2伺服系統(tǒng)的分類1．按調(diào)節(jié)理論分類圖6-2開環(huán)伺

開環(huán)伺服系統(tǒng)即沒有位置反饋的伺服系統(tǒng)，如圖6-2所示。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)指令脈沖，機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)所移動(dòng)的距離稱為脈沖當(dāng)量。開環(huán)伺服系統(tǒng)的位移精度主要取決于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移精度和齒輪、絲杠等傳動(dòng)件的螺距精度，以及系統(tǒng)的摩擦阻尼特性。開環(huán)伺服系統(tǒng)的位移精度一般較低，其定位精度一般可達(dá)±0.02mm，當(dāng)采用螺距誤差補(bǔ)償和傳動(dòng)間隙補(bǔ)償后，定位精度可提高到±0.01mm。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)性能的限制，開環(huán)伺服系統(tǒng)的進(jìn)給速度也受到限制，當(dāng)脈沖當(dāng)量為0.01時(shí)，一般可達(dá)5m/min。開環(huán)伺服系統(tǒng)一般包括脈沖頻率變換、脈沖分配、功率放大、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、變速齒輪、滾珠絲杠螺母副、導(dǎo)軌副等組成環(huán)節(jié)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試、維修方便，工作可靠，成本低廉。但精度較低，低速時(shí)不夠平穩(wěn)，高速時(shí)扭矩小，且容易丟步，故一般多用在精度要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床或技術(shù)改造上。6.1概述開環(huán)伺服系統(tǒng)即沒有位置反饋的伺服系統(tǒng)，如圖6-2所示。2)閉環(huán)伺服系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床上，由于反饋信號(hào)所取的位置不同，而分為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。如圖6-3所示，全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的反饋信號(hào)取自機(jī)床工作臺(tái)或刀架的終端位移，系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的誤差、環(huán)內(nèi)各元件的誤差以及運(yùn)動(dòng)中造成的誤差都可以得到補(bǔ)償，大大提高了跟隨精度和定位精度。目前，全閉環(huán)系統(tǒng)的定位精度可達(dá)±(0.001～0.005)mm，最先進(jìn)的全閉環(huán)系統(tǒng)定位精度可達(dá)±0.1μm。全閉環(huán)系統(tǒng)除電氣方面的誤差外，還有很多機(jī)械傳動(dòng)誤差，如絲杠螺母副、導(dǎo)軌副等都包括在反饋回路內(nèi)，它們的剛性、傳動(dòng)間隙、摩擦阻尼特性都是變化的，有些還是非線性的，所以全閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)整都有較大的技術(shù)難度，價(jià)格也較昂貴，因此只在大型、精密數(shù)控機(jī)床上采用。圖6-3全閉環(huán)伺服系統(tǒng)示意圖6.1概述2)閉環(huán)伺服系統(tǒng)圖6-3全閉環(huán)伺服系統(tǒng)示意圖6.1概3)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)同樣也是一種閉環(huán)伺服系統(tǒng)。一般取自驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)的軸上，或者進(jìn)給絲杠軸上，如圖6-4所示，系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)輸出軸至終端的工作臺(tái)或刀架之間的誤差得到系統(tǒng)的補(bǔ)償，例如聯(lián)軸器誤差、絲杠的彈性變形、絲杠的支承間隙及螺距誤差，導(dǎo)軌副的摩擦阻尼等。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度比全閉環(huán)系統(tǒng)要低一些，但由于這種系統(tǒng)舍棄了傳動(dòng)系統(tǒng)的剛性和非線性的摩擦阻尼等，故系統(tǒng)調(diào)試較容易，穩(wěn)定性較好。采用高分辨率的測(cè)量元件，可以獲得比較滿意的精度和速度，特別是制造伺服電動(dòng)機(jī)時(shí)，都將測(cè)速發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器或者脈沖編碼器直接裝在伺服電動(dòng)機(jī)軸的尾部，使機(jī)床制造時(shí)的安裝調(diào)試更方便，結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，故這種系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于中小型數(shù)控機(jī)床上。圖6-4半閉環(huán)伺服系統(tǒng)示意圖6.1概述3)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)圖6-4半閉環(huán)伺服系統(tǒng)示意圖6.12．按使用的執(zhí)行元件分類1)電液伺服系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件通常為電液脈沖馬達(dá)和電液伺服馬達(dá)，其前一級(jí)為電氣元件，驅(qū)動(dòng)元件為液動(dòng)機(jī)和液壓缸。數(shù)控機(jī)床發(fā)展的初期，多數(shù)采用電液伺服系統(tǒng)。電液伺服系統(tǒng)具有在低速下可以得到很高的輸出力矩以及剛性好、時(shí)間常數(shù)小、反應(yīng)快和速度平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，但是液壓系統(tǒng)需要油箱、油管等供油系統(tǒng)，體積大，此外還有噪聲、漏油等問題，因此從20世紀(jì)70年代起就被電氣伺服系統(tǒng)代替，只在具有特殊要求場(chǎng)合才采用電液伺服系統(tǒng)。2)電氣伺服系統(tǒng)電氣伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件為伺服電動(dòng)機(jī)，包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)。驅(qū)動(dòng)單元為電力電子器件，操作維護(hù)方便，可靠性高，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床均采用電氣伺服系統(tǒng)。電氣伺服系統(tǒng)分為步進(jìn)伺服系統(tǒng)、直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。6.1概述2．按使用的執(zhí)行元件分類6.1概述(1)直流伺服系統(tǒng)。直流伺服系統(tǒng)從20世紀(jì)70年代到80年代中期，在數(shù)控機(jī)床上占據(jù)主導(dǎo)地位。其進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用大慣量、寬調(diào)速永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)和中小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)，主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用它勵(lì)直流伺服電動(dòng)機(jī)。大慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速性能，輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)。由于電動(dòng)機(jī)自身慣量較大，容易與機(jī)床傳動(dòng)部件進(jìn)行慣量匹配，所構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)易于調(diào)整。中小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)用減少電樞轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法獲得快速性。中小慣量電動(dòng)機(jī)一般都設(shè)計(jì)成具有高的額定轉(zhuǎn)速和低的慣量，所以在應(yīng)用時(shí)，要經(jīng)過中間機(jī)械減速傳動(dòng)來達(dá)到增大轉(zhuǎn)矩和與負(fù)載進(jìn)行慣量匹配的目的。一般配有晶閘管全控橋驅(qū)動(dòng)裝置，或大功率晶體管脈寬調(diào)制的驅(qū)動(dòng)裝置。其缺點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)有電刷，限制了轉(zhuǎn)速的提高，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴，目前已經(jīng)被交流伺服系統(tǒng)取代。6.1概述(1)直流伺服系統(tǒng)。直流伺服系統(tǒng)從20世紀(jì)70年代到80年(2)交流伺服系統(tǒng)。交流伺服系統(tǒng)使用交流感應(yīng)異步伺服電動(dòng)機(jī)，一般交流感應(yīng)異步伺服電動(dòng)機(jī)用于主軸伺服系統(tǒng)，交流永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)用于進(jìn)給伺服系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代以后，由于交流伺服電動(dòng)機(jī)的材料、結(jié)構(gòu)、控制理論和方法均有突破性的進(jìn)展，電力電子器件的發(fā)展又為控制與方法的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件，使得交流驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)展很快，目前已取代了直流伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不需要維護(hù)、適合于在惡劣環(huán)境下工作。交流伺服電動(dòng)機(jī)還具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、轉(zhuǎn)速高和容量大等優(yōu)點(diǎn)。(3)步進(jìn)伺服系統(tǒng)。步進(jìn)伺服系統(tǒng)是一種用脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的控制系統(tǒng)。其角位移與電脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。因此，通過改變脈沖頻率可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，在交流伺服驅(qū)動(dòng)中除了采用傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，還出現(xiàn)了一種嶄新的交流直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，目前應(yīng)用于高檔數(shù)控機(jī)床。6.1概述(2)交流伺服系統(tǒng)。交流伺服系統(tǒng)使用交流感應(yīng)異步伺服電動(dòng)機(jī)3．按被控對(duì)象分類1)進(jìn)給伺服系統(tǒng)進(jìn)給伺服系統(tǒng)是指一般概念的位置伺服系統(tǒng)，它包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)控制機(jī)床各進(jìn)給坐標(biāo)軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，具有精確定位和輪廓跟蹤功能。2)主軸伺服系統(tǒng)一般的主軸伺服系統(tǒng)只是一個(gè)速度控制系統(tǒng)，控制主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，提供切削過程中的轉(zhuǎn)矩和功率，完成在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無級(jí)變速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制。要求高轉(zhuǎn)速、大功率，能在較大調(diào)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒功率控制。當(dāng)主軸伺服系統(tǒng)要求有位置控制功能時(shí)，稱為C軸控制功能。此外，刀庫的位置控制是為了在刀庫的不同位置選擇刀具，與進(jìn)給坐標(biāo)軸的位置控制相比，性能要求低得多，稱為簡(jiǎn)易位置伺服系統(tǒng)。6.1概述3．按被控對(duì)象分類6.1概述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)脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)是閉環(huán)伺服系統(tǒng)中的一種控制方式。它是將數(shù)控裝置發(fā)出的數(shù)字或脈沖指令信號(hào)與檢測(cè)裝置測(cè)得的以數(shù)字或脈沖形式表示的反饋信號(hào)直接進(jìn)行比較，以產(chǎn)生位置誤差，達(dá)到閉環(huán)控制。脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，整機(jī)工作穩(wěn)定，應(yīng)用十分普遍。2)相位比較伺服系統(tǒng)在相位比較伺服系統(tǒng)中，位置檢測(cè)裝置采用相位工作方式，指令信號(hào)與反饋信號(hào)都變成了某個(gè)載波的相位，通過兩者相位的比較，獲得實(shí)際位置與指令位置的偏差，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。相位比較伺服系統(tǒng)適用于感應(yīng)式檢測(cè)元件的工作狀態(tài)，如旋轉(zhuǎn)變壓器，感應(yīng)同步器等采用相位比較可以得到滿意的精度。6.1概述4．按反饋比較控制方式分類6.1概述3)幅值比較伺服系統(tǒng)幅值比較伺服系統(tǒng)以位置檢測(cè)信號(hào)的幅值大小來反映機(jī)械位移的數(shù)值，并以此信號(hào)作為位置反饋信號(hào)，一般還要進(jìn)行幅值信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而獲得位置偏差，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。在以上3種伺服系統(tǒng)中，相位比較和幅值比較系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上和安裝維護(hù)上都比脈沖、數(shù)字比較系統(tǒng)復(fù)雜和要求高，所以一般情況下，脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。4)全數(shù)字伺服系統(tǒng)隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)已采用高速、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)，即由位置、速度和電流構(gòu)成的三環(huán)反饋控制全部數(shù)字化，使伺服控制技術(shù)從模擬方式、混合方式走向全數(shù)字化方式。該類伺服系統(tǒng)具有使用靈活、柔性好的特點(diǎn)。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術(shù)和改進(jìn)伺服性能的措施，使控制精度和品質(zhì)大大提高。6.1概述3)幅值比較伺服系統(tǒng)6.1概述6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)6.2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電動(dòng)機(jī)。通俗地講，就是外加一個(gè)脈沖信號(hào)于這種電動(dòng)機(jī)時(shí)，它就運(yùn)動(dòng)一步。正因?yàn)樗倪\(yùn)動(dòng)形式是步進(jìn)式的，故稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸入是脈沖信號(hào)，從主繞組內(nèi)的電流來看，既不是通常的正弦電流，也不是恒定的直流，而是脈沖電流，所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有時(shí)也稱為脈沖馬達(dá)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)根據(jù)作用原理和結(jié)構(gòu)，可分為永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和永磁反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其中應(yīng)用最多的是反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。圖6-5所示為四相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，定子為四對(duì)磁極，磁極對(duì)數(shù)稱為相，相對(duì)的極屬一相，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可做成三相、四相、五相或六相等。磁極個(gè)數(shù)是定子相數(shù)m的2倍，每個(gè)磁極上套有該相的控制繞組，在磁極的極靴上制有小齒，轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成齒狀。6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)6.2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作根據(jù)工作要求，定、轉(zhuǎn)子齒距要相同，并滿足以下兩點(diǎn)：(1)在同相的磁極下，定、轉(zhuǎn)子齒應(yīng)同時(shí)對(duì)齊或同時(shí)錯(cuò)開，以保證產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。(2)在不同相的磁極下，定、轉(zhuǎn)子齒的相對(duì)位置應(yīng)依次錯(cuò)開1/m齒距。當(dāng)連續(xù)改變通電狀態(tài)時(shí)，可以獲得連續(xù)不斷的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。典型的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的每相磁極在空間上互差120°，相鄰磁極則相差60°，當(dāng)轉(zhuǎn)子有40個(gè)齒時(shí)，轉(zhuǎn)子的齒距為9°。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作過程可用圖6-6來說明。為分析問題方便，考慮定子中的每個(gè)磁極都只有一個(gè)齒，而轉(zhuǎn)子有4個(gè)齒的情況，用直流電源分別對(duì)A、B、C三相繞組輪流通電。6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)根據(jù)工作要求，定、轉(zhuǎn)子齒距要相同，并滿足以下兩點(diǎn)：6.2開始時(shí)，接通A相繞組，則定、轉(zhuǎn)子間的氣隙磁場(chǎng)與A相繞組軸線重合，轉(zhuǎn)子受磁場(chǎng)作用便產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩。由于定、轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置力圖取最大磁導(dǎo)位置，在此位置上，轉(zhuǎn)子有自鎖能力，所以當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到1、3號(hào)齒連線與A相繞組軸線一致時(shí)，轉(zhuǎn)子上只受徑向力而不受切向力，轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)。即A相磁極和轉(zhuǎn)子1、3號(hào)齒對(duì)齊。同時(shí)，轉(zhuǎn)子的2、4號(hào)齒和B、C相磁極成錯(cuò)齒狀態(tài)。當(dāng)A相繞組斷電，B相繞組通電時(shí)，將使B相磁極與轉(zhuǎn)子的2、4號(hào)齒對(duì)齊。轉(zhuǎn)子的1、3號(hào)齒和A、C相磁極成錯(cuò)齒狀態(tài)。當(dāng)B相繞組斷電，C相繞組通電時(shí)，使得C相磁極與轉(zhuǎn)子1、3號(hào)齒對(duì)齊，而轉(zhuǎn)子的2、4號(hào)齒與A、B相磁極形成錯(cuò)齒狀態(tài)。當(dāng)C相繞組斷電，A相繞組通電時(shí)，使得A相磁極與轉(zhuǎn)子2、4號(hào)齒對(duì)齊，而轉(zhuǎn)子的1、3號(hào)齒與B、C相磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。顯然，當(dāng)對(duì)A、B、C三相繞組按A—B—C—A順序輪流通電時(shí)，磁場(chǎng)沿A—B—C方向轉(zhuǎn)動(dòng)了360°，而轉(zhuǎn)子沿A—B—C方向轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)齒距位置。對(duì)圖6-6而言，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為4，故齒距為90°，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)了90°。6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)開始時(shí)，接通A相繞組，則定、轉(zhuǎn)子間的氣隙磁場(chǎng)與A相繞組軸線重圖6-5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原示意圖圖6-6三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖對(duì)每一相繞組通電的操作稱為一拍，則A、B、C三相繞組輪流通電需要三拍，從上面分析可知，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距需要三拍操作。實(shí)際上，電動(dòng)機(jī)每一拍都轉(zhuǎn)一個(gè)角度，也稱前進(jìn)了一步，這個(gè)轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，其計(jì)算公式為(6-1)6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)圖6-5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原示意圖圖6-6三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作式中：m－定子相數(shù)；Z－轉(zhuǎn)子齒數(shù)；K－控制方式確定的拍數(shù)與相數(shù)的比例系數(shù)。K=1或K=2。相鄰兩次通電的相數(shù)相同時(shí)，K=1，相鄰兩次通電的相數(shù)不相同時(shí)，K=2。例如三相三拍時(shí)，K=1，三相六拍時(shí)，K=2。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作方式是以轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距所用的拍數(shù)來表示的。拍數(shù)實(shí)際上就是轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距所需的電源電壓換相次數(shù)，上述電動(dòng)機(jī)采用的是三相單三拍方式，單是指每拍只有一相繞組通電。除了單三拍外，還可以有雙三拍，即每拍有兩相繞組通電，通電順序?yàn)锳B—BC—CA—AB，步距角與單三拍相同。但是，雙三拍時(shí)，轉(zhuǎn)子在每一步的平衡點(diǎn)受到兩個(gè)相反方面的轉(zhuǎn)矩而平衡，振蕩弱，穩(wěn)定性好。此外，還有三相六拍(A－AB－B－BC－C－CA－A)等通電方式。在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和機(jī)床改造中，如經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床常采用五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)式中：m－定子相數(shù)；6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)6.2.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)1．步距角步距角即一拍作用下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移，體現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分辨精度，也稱分辨力。最常用的有0.36°/0.72°，0.6°/1.2°，0.75°/1.5°等。2．矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Tjmax和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq靜態(tài)是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)某相定子繞組通過直流電，轉(zhuǎn)子處于不動(dòng)時(shí)的定位狀態(tài)。這時(shí)，該相對(duì)應(yīng)的定子齒、轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊，轉(zhuǎn)子上沒有轉(zhuǎn)矩輸出。如果在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子就要轉(zhuǎn)過一個(gè)小角度θ后重新穩(wěn)定。則此時(shí)轉(zhuǎn)子所受的電磁轉(zhuǎn)矩Tj和負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，而轉(zhuǎn)過的角度θ稱為失調(diào)角。6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)6.2.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)6.2步進(jìn)電動(dòng)當(dāng)外加轉(zhuǎn)矩撤掉后，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，仍能回到原來不動(dòng)時(shí)的定位狀態(tài)，即穩(wěn)定平衡點(diǎn)(θ=0°）。顯然，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL可能是逆時(shí)針的，也可能是順時(shí)針的，即TL有正有負(fù)，相應(yīng)的θ角也有正有負(fù)。描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)靜態(tài)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩Tj與失調(diào)角θ之間關(guān)系的特性曲線稱為矩角特性，如圖6-7所示。由于當(dāng)轉(zhuǎn)子齒中心線對(duì)準(zhǔn)定子槽中心線時(shí)(θ=±)，定子上相鄰兩齒對(duì)轉(zhuǎn)子上的該齒具有大小相同、方向相反的拉力，故該位置亦可視為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)穩(wěn)定位置，此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩等于零。不難想象，θ由0°變化到+/2或-/2時(shí)均有最大值出現(xiàn)。6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)當(dāng)外加轉(zhuǎn)矩撤掉后，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，仍能回到原來圖6-7矩角特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)矩角特性曲線上電磁轉(zhuǎn)矩的最大值稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，它表示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)承受變負(fù)載的能力。Tjmax愈大，自鎖力矩愈大，靜態(tài)誤差愈小。換言之，最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax愈大，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載的能力愈強(qiáng)，運(yùn)行的快速性和穩(wěn)定性愈好。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和控制電流的平方成正比，但當(dāng)電流上升到磁路飽和時(shí)，Tjmax=f(I)曲線上升平緩。一般說明書上的最大靜態(tài)扭矩是指在額定電流及規(guī)定通電方式下的Tjmax。6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)圖6-7矩角特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)矩角特性曲線上電磁轉(zhuǎn)矩的最大如圖6-8所示，三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相的矩角特性曲線的相位差為1/3周期，其中曲線A和曲線B的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的力矩Tq是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。也就是說，只有負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL小于Tq，電動(dòng)機(jī)才能正常啟動(dòng)運(yùn)行；否則，容易造成丟步，電動(dòng)機(jī)也不能正常啟動(dòng)。一般地，隨著電動(dòng)機(jī)相數(shù)的增加，由于矩角特性曲線加密，相鄰兩相矩角特性曲線的交點(diǎn)上移，會(huì)使Tq增加，改變通電方式有時(shí)也會(huì)收到類似的效果。如果將m相m拍通電方式改為m相2m拍通電方式，同樣會(huì)使步矩角減小，達(dá)到提高Tq的目的。如圖6-9所示，增加曲線AB，即AB相同時(shí)通電，Tq提高。圖6-8步進(jìn)電動(dòng)機(jī)靜態(tài)矩角特性曲線圖6-9啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)如圖6-8所示，三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相的矩角特性曲線的相位差為13．啟動(dòng)頻率fq空載時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止突然啟動(dòng)并進(jìn)入不丟步的正常運(yùn)行所允許的最高頻率，稱為啟動(dòng)頻率或突跳頻率，用fq表示。它是反映步進(jìn)電動(dòng)機(jī)快速性能的重要指標(biāo)。若啟動(dòng)時(shí)頻率大于突跳頻率，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就不能正常啟動(dòng)。因此，空載啟動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率。4．連續(xù)運(yùn)行的最高工作頻率fmax步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)所能接受的，即不丟步運(yùn)行的極限頻率稱為最高工作頻率，記為fmax。它是決定定子繞組通電狀態(tài)最高變化頻率的參數(shù)，即決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)3．啟動(dòng)頻率fq6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)5．矩頻特性矩頻特性T=F(f)所描述的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系。如圖6-10所示，該特性曲線上每一頻率f所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩T。可見，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的基本趨勢(shì)是隨連續(xù)運(yùn)行頻率的增大而降低。圖6-10步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性曲線6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)5．矩頻特性圖6-10步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性曲線6.2步6．加減速特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速特性是描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時(shí)間的關(guān)系。當(dāng)要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)到大于突跳頻率的工作頻率時(shí)，變化速度必須逐漸上升，同樣，從最高工作頻率或高于突跳頻率的工作頻率停止時(shí)，變化速度必須逐漸下降。逐漸上升和下降的加速時(shí)間、減速時(shí)間不能過小，否則會(huì)出現(xiàn)失步或超步。用加速時(shí)間常數(shù)ta和減速時(shí)間常數(shù)td來描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的升速和降速特性，如圖6-11所示。圖6-11加減速特性曲線6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)6．加減速特性圖6-11加減速特性曲線6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)6.2.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及應(yīng)用數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的負(fù)載不大，加工精度要求不高時(shí)，可采用開環(huán)控制。數(shù)控機(jī)床開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的執(zhí)行器件多采用功率步進(jìn)電機(jī)，系統(tǒng)中沒有位置檢測(cè)反饋回路和速度檢測(cè)反饋回路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，且易于與機(jī)床聯(lián)調(diào)。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置由環(huán)形分配器、步進(jìn)電機(jī)功率放大器、步進(jìn)電機(jī)和減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。環(huán)形分配器是將數(shù)控裝置輸出的方向和速度脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)換成一定通電方式的環(huán)形脈沖；功率放大器的作用是將環(huán)形分配器輸出的脈沖放大，用于控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)6.2.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及應(yīng)用6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服隨著步進(jìn)電機(jī)在各方面的廣泛應(yīng)用，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置也從分立元件電路發(fā)展到了集成電路，目前已發(fā)展到了系列化、模塊化的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，為步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提供了模塊化的選擇，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程，提高了可靠性。各生產(chǎn)廠家的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器雖然標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，但其接口定義基本相同，只要了解接口中接線端子、標(biāo)準(zhǔn)接口及撥碼開關(guān)的定義和使用，即可利用驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。下面具體介紹上海開通數(shù)控有限公司KT350系列混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及其應(yīng)用。圖6-12為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的外形及接口圖，其接線端子的含義見表6-1，D型連接器CN1管腳含義見表6-2.6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)隨著步進(jìn)電機(jī)在各方面的廣泛應(yīng)用，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置也表6-1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接線端子含義6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)表6-1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接線端子含義6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服圖6-12KT350步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器外形接線圖6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)圖6-12KT350步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器外形接線圖6.2步進(jìn)表6-2D型連接器CN1管腳含義

6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)表6-2D型連接器CN1管腳含義6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服

撥碼開關(guān)SW是一個(gè)四位開關(guān)，如圖6-13所示。通過撥碼開關(guān)可設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的控制方式，四位的定義如下:圖6-13四位撥碼開關(guān)第一位，脈沖控制模式選擇。OFF位置為單脈沖控制方式，ON位置為雙脈沖控制方式。在單脈沖控制方式下，CP端子輸入正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行脈沖信號(hào)，而DIR端子輸入正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行方向信號(hào)。在雙脈沖控制方式下，CW端子輸入正轉(zhuǎn)運(yùn)行脈沖信號(hào)，而CCW端子輸入反轉(zhuǎn)運(yùn)行脈沖信號(hào)。第二位，運(yùn)行方向選擇。僅在單脈沖控制方式時(shí)有效。OFF位置為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定，ON位置為單方運(yùn)轉(zhuǎn)，與OFF位置轉(zhuǎn)向相反，不受正、反轉(zhuǎn)方向信號(hào)的影響。第三位，整/半步運(yùn)行模式選擇。OFF位置時(shí)，電動(dòng)機(jī)以半步方式運(yùn)行，ON位置時(shí)，電動(dòng)機(jī)以整步方式運(yùn)行。第四位，自動(dòng)試機(jī)運(yùn)行。OFF位置時(shí)，驅(qū)動(dòng)器接受外部脈沖控制運(yùn)行，ON位置時(shí)，自動(dòng)試機(jī)運(yùn)行，此時(shí)電動(dòng)機(jī)以50r/min速度(半步控制)自動(dòng)運(yùn)行，或以100r/min速度(整步控制)自動(dòng)運(yùn)行，不需要外部脈沖輸入。6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)撥碼開關(guān)SW是一個(gè)四位開關(guān)，如圖6-13所示。通過撥碼開關(guān)該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置主要是通過撥碼開關(guān)控制，來設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的控制方式，而控制步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)主要是通過D型連接器CNl輸入，其典型的接線如圖6-14所示。此外，在驅(qū)動(dòng)器面板上還有兩個(gè)LED指示燈，PWR和CP。PWR:驅(qū)動(dòng)器電源指示燈，驅(qū)動(dòng)器通電時(shí)亮。CP:電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)閃爍，閃爍頻率等于電氣循環(huán)原點(diǎn)信號(hào)的頻率。6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置主要是通過撥碼開關(guān)控制，來設(shè)置步進(jìn)

圖6-14KT350步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接線圖6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)圖6-14KT350步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接線圖6.2步進(jìn)電

長(zhǎng)期以來，在調(diào)速性能要求較高的場(chǎng)合，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速一直占據(jù)主導(dǎo)地位。但是由于它的電刷和換向器易磨損，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，以及其最高速度受到限制，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，所以在使用上受到一定的限制。而近年來飛速發(fā)展的交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)不僅克服了直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上存在整流子、電刷維護(hù)困難、造價(jià)高、壽命短、應(yīng)用環(huán)境受限等缺點(diǎn)，同時(shí)又充分發(fā)揮了交流電動(dòng)機(jī)堅(jiān)固耐用、經(jīng)濟(jì)可靠、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)。因此，在數(shù)控機(jī)床上，交流伺服電動(dòng)機(jī)已逐漸取代了直流伺服電動(dòng)機(jī)。6.3.1交流伺服電動(dòng)機(jī)的分類交流伺服電動(dòng)機(jī)分為交流永磁式伺服電動(dòng)機(jī)和交流感應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)。交流永磁式伺服電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于交流同步電動(dòng)機(jī)，常用于進(jìn)給伺服系統(tǒng)。交流感應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于交流感應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)，常用于主軸伺服系統(tǒng)。兩種伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理都是由定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一起運(yùn)行。不同點(diǎn)是交流永磁式伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與外加交流電源的頻率存在著嚴(yán)格的同步關(guān)系，即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，而感應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)由于需要轉(zhuǎn)速差才能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，所以電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速差隨外負(fù)載的增大而增大。同步轉(zhuǎn)速的大小等于交流電源的頻率除以電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)，因而交流伺服電動(dòng)機(jī)可以通過改變供電電源頻率的方法來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。6.3交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)長(zhǎng)期以來，在調(diào)速性能要求較高的場(chǎng)合，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速6.3交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)

6.3.2永磁式交流同步電動(dòng)機(jī)永磁式交流同步電動(dòng)機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件3部分組成，其結(jié)構(gòu)原理如圖6-15所示。定子具有齒槽，槽內(nèi)嵌有三相繞組，其形狀與普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)相同。但為了改善伺服電動(dòng)機(jī)的散熱性能，齒槽有的呈多邊形，且無外殼。轉(zhuǎn)子由多塊永久磁鐵沖片組成。這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子特點(diǎn)是氣隙磁密度較高，極數(shù)較多。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)還有一類是具有極靴的星形轉(zhuǎn)子，采用矩形磁鐵或整體星形磁鐵。圖6-15永磁式交流同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)1-定子2-轉(zhuǎn)子3-脈沖編碼器4-三相繞組5-接線盒6.3交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)6.3.2永磁式交流同步電動(dòng)

永磁式交流同步伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與電磁式同步電動(dòng)機(jī)的工作原理相同，即定子三相繞組產(chǎn)生的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使定子帶動(dòng)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。所不同的是轉(zhuǎn)子磁極不是由轉(zhuǎn)子中勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的，而是由永久磁鐵產(chǎn)生，其工作過程是，當(dāng)定子三相繞組通以交流電后，產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)，如圖6-16所示。根據(jù)磁極的同性相斥、異性相吸的原理，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永久磁場(chǎng)磁極相互吸引，并帶動(dòng)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。因此轉(zhuǎn)子也將以同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子軸加上外負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，轉(zhuǎn)子磁極的軸線將與定子磁極的軸線相差一個(gè)θ角，負(fù)載越大，θ也隨之增大，只要外負(fù)載不超過一定限度，轉(zhuǎn)子就會(huì)與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一起旋轉(zhuǎn)。設(shè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n，則n=ns=60f/p(6-2)式中，ns－旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速；n－轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；f－電源頻率；p－磁極對(duì)數(shù)。6.3交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)永磁式交流同步伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與電磁式同步電動(dòng)

圖6-16永磁式同步電動(dòng)機(jī)原理永磁式同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)定子鐵心上裝有三相電樞繞組，接在可控的電源上，用以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，用于產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，無需勵(lì)磁繞組和勵(lì)磁電流。當(dāng)定子接通電源后，電動(dòng)機(jī)異步啟動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，在轉(zhuǎn)子磁極產(chǎn)生的同步轉(zhuǎn)矩作用下，進(jìn)入同步運(yùn)行。永磁式同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速采用改變電源頻率的辦法來進(jìn)行控制。6.3交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)圖6-16永磁式同步電動(dòng)機(jī)原理永磁式同步電動(dòng)機(jī)

永磁交流同步伺服電機(jī)的性能，用特性曲線來表示，轉(zhuǎn)矩-速度特性曲線如圖6-17所示。在連續(xù)工作區(qū)1區(qū)，速度和轉(zhuǎn)矩的任何組合，都可連續(xù)工作。但連續(xù)工作區(qū)的劃分受到一定條件的限制。連續(xù)工作區(qū)劃定的條件有兩個(gè)，一是供給電機(jī)的電流是理想的正弦波，二是電機(jī)工作在某一特定溫度下。斷續(xù)工作區(qū)2區(qū)的范圍更大，尤其在高速區(qū)，這有利于提高電機(jī)的加、減速能力。永磁式交流同步伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，在連續(xù)工作區(qū)一般比直流伺服電動(dòng)機(jī)硬，尤其在高速區(qū)加減速能力較強(qiáng)。圖6-17永磁交流同步伺服電機(jī)的性能6.3交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)永磁交流同步伺服電機(jī)的性能，用特性曲線來表示，轉(zhuǎn)

6.3.3交流感應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)交流感應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)常用于主軸伺服系統(tǒng)。交流主軸伺服電動(dòng)機(jī)要提供很大的功率，如果用永久磁體，當(dāng)容量做得很大時(shí)，電動(dòng)機(jī)的成本太高。主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)還要具有低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率的工況。因此，采用專門設(shè)計(jì)的籠型交流異步伺服電動(dòng)機(jī)。交流感應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)是定子上裝有對(duì)稱三相繞組，而在圓柱體的轉(zhuǎn)子鐵心上嵌有均勻分布的導(dǎo)條，導(dǎo)條兩端分別用金屬環(huán)把它們連在一起，稱為籠式轉(zhuǎn)子。圖6-18中垂直線左側(cè)為交流主軸伺服電動(dòng)機(jī)，右側(cè)為普通交流異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，交流主軸伺服電動(dòng)機(jī)為了增加輸出功率，縮小電動(dòng)機(jī)的體積，采用了定子鐵心在空氣中直接冷卻的辦法，沒有機(jī)殼，而且在定子鐵心上做出軸向孔以利通風(fēng)，在電動(dòng)機(jī)外形上是呈多邊形而不是圓形。電動(dòng)機(jī)軸的尾部同軸安裝有檢測(cè)元件。圖6-18交流主軸伺服電動(dòng)機(jī)與普通交流異步電動(dòng)機(jī)對(duì)比1-交流主軸伺服電動(dòng)機(jī)2-普通交流異步電動(dòng)機(jī)3-通風(fēng)孔6.3交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)6.3.3交流感應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)圖6-18交流主軸伺服電

交流主軸伺服電動(dòng)機(jī)與普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作原理相同，由電工學(xué)原理可知，在電動(dòng)機(jī)定子的三相繞組通以三相交流電時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子中的導(dǎo)體，導(dǎo)體感應(yīng)電流與定子磁場(chǎng)相作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速為式中，s－轉(zhuǎn)差率；ns－旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速；n－轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；f－電源頻率；p－磁極對(duì)數(shù)。交流主軸伺服電動(dòng)機(jī)的特性曲線如圖6-19所示，在基速n0以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域1，而在基速n0以上為恒功率區(qū)域2。交流主軸電動(dòng)機(jī)是經(jīng)過專門設(shè)計(jì)的鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)。恒轉(zhuǎn)矩的速度范圍只有1:3的速度比，當(dāng)速度超過一定值后，轉(zhuǎn)矩—速度特性曲線會(huì)向下傾斜。(6-3)6.3交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)交流主軸伺服電動(dòng)機(jī)與普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作原理相同，圖6-19主軸電動(dòng)機(jī)的特性曲線為了滿足數(shù)控機(jī)床切削加工的特殊要求，出現(xiàn)了一些新型主軸電動(dòng)機(jī)，如液體冷卻主軸電動(dòng)機(jī)和內(nèi)裝主軸電動(dòng)機(jī)等。通過改善潤(rùn)滑和散熱條件、簡(jiǎn)化機(jī)床主軸箱結(jié)構(gòu)，減少噪聲和振動(dòng)，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速得以大幅度提高。通常把這樣的主軸伺服電動(dòng)機(jī)稱為電主軸，它的最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到30000～120000r/min，大大提高了生產(chǎn)效率。6.3交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)圖6-19主軸電動(dòng)機(jī)的特性曲線為了滿足數(shù)控機(jī)床切削6.3.4交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊應(yīng)用交流閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用的電動(dòng)機(jī)是伺服電機(jī)，具有功率大、速度快和精度高等特點(diǎn)。閉環(huán)伺服系統(tǒng)根據(jù)位置測(cè)量元件在機(jī)床上安裝部位的不同，分為全閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)兩種類型，二者原理基本相同。交流伺服電機(jī)速度的控制是由數(shù)控裝置來的速度指令值經(jīng)比例積分環(huán)節(jié)，在轉(zhuǎn)速控制器與速度檢測(cè)元件與電路來的速度反饋信號(hào)比較后，由速度控制器經(jīng)過電流負(fù)反饋處理后輸出速度控制電流，送脈寬調(diào)制器，產(chǎn)生一定頻率的控制脈沖，脈沖信號(hào)放大后由交流換向邏輯電路控制逆變器的輸出，完成對(duì)交流電動(dòng)機(jī)速度的控制。在系統(tǒng)內(nèi)部還有許多的保護(hù)電路，如電壓、電流的監(jiān)控電路，產(chǎn)生過載、過熱報(bào)警等，外界也有很多信號(hào)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如電流設(shè)定、準(zhǔn)備好信號(hào)等。6.3交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)6.3.4交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊應(yīng)用6.3交流電動(dòng)機(jī)伺

隨著交流伺服電機(jī)應(yīng)用日益廣泛，系列化、模塊化的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊不斷涌現(xiàn)，各生產(chǎn)廠家的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接口定義基本相同，為簡(jiǎn)化交流伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試，提供了重要的基礎(chǔ)。下面具體介紹上海開通公司數(shù)控有限公司KT220系列交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及其應(yīng)用。KT220系列交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為雙軸驅(qū)動(dòng)模塊，即在一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)含有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)交流伺服電機(jī)。表6-3介紹了KT220系列交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的功能及性能指標(biāo)。交流伺服電機(jī)本身附裝了增量式光電編碼器，用于電動(dòng)機(jī)控制的速度及位置反饋，目前大多數(shù)數(shù)控機(jī)床都采用這種半閉環(huán)控制方式。若需要進(jìn)行全閉環(huán)控制，則在機(jī)床導(dǎo)軌上安裝直線位置測(cè)量傳感器，如光柵、磁柵等。6.3交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)隨著交流伺服電機(jī)應(yīng)用日益廣泛，系列化、模塊化的交流交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊外形和接口如圖6-20所示，交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊面板由左側(cè)的接線端子排、Ⅰ軸驅(qū)動(dòng)信號(hào)連接器CN2(Ⅰ)、Ⅱ軸驅(qū)動(dòng)信號(hào)連接器端子CN2(Ⅱ)、編碼器連接器端子CN3(Ⅰ)和CN3(Ⅱ)、工作狀態(tài)顯示部分等組成。表6-3KT220系列交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊功能及性能指標(biāo)6.3交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊外形和接口如圖6-20所示，交流圖6-20交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊外形和接口6.3交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)圖6-20交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊外形和接口6.3交流電動(dòng)表6-4KT220接線端子排中各端子含義6.3交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)表6-4KT220接線端子排中各端子含義6.3交流電動(dòng)

在機(jī)械負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸端慣量的4倍以下時(shí)，交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊都能正常運(yùn)行。當(dāng)慣量太大時(shí)，在電動(dòng)機(jī)減速或制動(dòng)時(shí)將出現(xiàn)過電壓報(bào)警，面板上ALM(Ⅰ)和ALM(Ⅱ)燈亮。因此KT220交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊需要外接再生放電電阻，通過再生放電電阻釋放能量，避免電壓過高而造成故障。Ⅰ軸驅(qū)動(dòng)信號(hào)連接器CN2(Ⅰ)和Ⅱ軸驅(qū)動(dòng)信號(hào)連接器端子CN2(Ⅱ)相同，腳號(hào)定義見表6-5。6.3交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)在機(jī)械負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸端慣量的4倍以下時(shí)，交表6-5軸驅(qū)動(dòng)信號(hào)連接器CN2腳號(hào)定義6.3交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)表6-5軸驅(qū)動(dòng)信號(hào)連接器CN2腳號(hào)定義6.3交流電動(dòng)機(jī)表6-5中各信號(hào)說明如下:(1)速度指令信號(hào):±DIFF(CN2-7、CN2-9)速度指令信號(hào)范圍為0～±10V，對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為0～±2000r/min(最大轉(zhuǎn)速)，當(dāng)+DIFF輸入電壓相對(duì)于-DIFF為正電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)(從負(fù)載端看為逆時(shí)針方向)否則電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。(2)驅(qū)動(dòng)使能信號(hào)PR(CN2-22)驅(qū)動(dòng)使能信號(hào)PR為+24V時(shí)，驅(qū)動(dòng)模塊工作，速度指令電壓有效，若驅(qū)動(dòng)使能信號(hào)PR在電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)斷開，電動(dòng)機(jī)將自由運(yùn)轉(zhuǎn)直至停止。(3)正使能信號(hào)+ENABLE(CN2-11)和負(fù)使能信號(hào)-ENABLE(CN2-23)正使能信號(hào)+ENABLE和負(fù)使能信號(hào)-ENABLE與+24V接通后，允許電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。正使能信號(hào)+ENABLE或負(fù)使能信號(hào)-ENABLE又可用作正向和反向限位開關(guān)的動(dòng)斷觸點(diǎn)，一旦被斷開，那么正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩指令即為零，此時(shí)電動(dòng)

6.3交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)表6-5中各信號(hào)說明如下:6.3交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)當(dāng)開機(jī)正常，驅(qū)動(dòng)器輸出伺服準(zhǔn)備好信號(hào)。表6-6為各軸編碼器連接器連接端子CN3(Ⅰ)和CN3(II)腳號(hào)定義。驅(qū)動(dòng)器連接端子CN2與編碼器側(cè)連接端子CN3的連接方式參見圖6-21，而CN2中輸出的位置信號(hào)是供控制器進(jìn)行位置監(jiān)測(cè)使用的信號(hào)。由此可見，對(duì)于交流伺服電機(jī)的控制主要是通過CN2-7、CN2-19輸入0～±10V的模擬電壓，來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。交流伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)控系統(tǒng)的典型連接如圖6-22所示。6.3交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)當(dāng)開機(jī)正常，驅(qū)動(dòng)器輸出伺服準(zhǔn)備好信號(hào)。6.3交流

圖6-21KT220驅(qū)動(dòng)器與編碼器連接方式6.3交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)圖6-21KT220驅(qū)動(dòng)器與編碼器連接方式6.3交流圖6-22伺服驅(qū)動(dòng)模塊交流伺服電機(jī)的連接方式6.3交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)圖6-22伺服驅(qū)動(dòng)模塊交流伺服電機(jī)的連接方式6.3交流表6-6CN3腳號(hào)定義6.3交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)表6-6CN3腳號(hào)定義6.3交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)6.4.1直流伺服電機(jī)的分類常用的直流伺服電動(dòng)機(jī)有，永磁式直流電機(jī)、勵(lì)磁式直流電機(jī)、混合式直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)和直流力矩電機(jī)等。直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)使用永磁式直流電機(jī)類型中的普通型有槽電樞永磁直流電機(jī)，直流主軸伺服系統(tǒng)使用勵(lì)磁式直流電機(jī)類型中的它勵(lì)直流電機(jī)。此外，永磁式直流電機(jī)還包括無槽電樞永磁直流電機(jī)、杯型電樞永磁直流電機(jī)和印刷繞組電樞永磁直流電機(jī)等，這幾種電機(jī)均為小慣量電機(jī)，適用于要求快速響應(yīng)和頻繁起動(dòng)的伺服系統(tǒng)，但其過載能力低，電樞慣量與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)匹配較差。普通型永磁式直流電機(jī)產(chǎn)量大，應(yīng)用廣泛。無槽永磁直流伺服電機(jī)的鐵心為無槽平滑圓柱體，電樞繞組為成型的線圈元件組成，直接綁扎分布在電樞鐵心表面上，該電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。杯型電樞永磁直流伺服電機(jī)的電樞由漆包線編織成杯型，稱為動(dòng)圈轉(zhuǎn)子，這種電機(jī)非常輕巧，電氣時(shí)間常數(shù)小。印刷繞組電樞永磁直流伺服電機(jī)，其電樞的制作應(yīng)用一般印刷電路的制作方法，目前，該方法早已被先進(jìn)的沖制技術(shù)所代替。該電機(jī)的電樞圓盤很輕，慣量很小。6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)6.4.1直流伺服電機(jī)的分6.4.2普通型永磁直流伺服電機(jī)1.結(jié)構(gòu)及工作原理普通型永磁直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量大，調(diào)速范圍寬，所以也叫做大慣量寬調(diào)速永磁直流伺服電機(jī)，廣泛用在進(jìn)給直流伺服系統(tǒng)中。永磁直流伺服電機(jī)如圖6-23所示，由機(jī)殼、定子磁極、轉(zhuǎn)子電樞和換向器等組成。反饋用的檢測(cè)元件有測(cè)速發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器和光電脈沖編碼器，這三種檢測(cè)元件均可安裝在電機(jī)的尾部。定子磁極是一個(gè)永久磁體，由此建立磁場(chǎng)。高性能直流電機(jī)采用稀土永磁材料。磁極的形狀大都為瓦狀結(jié)構(gòu)，并加上極靴或磁軛，以聚集氣隙磁通。電樞由有槽鐵芯和繞組兩部分組成，屬于轉(zhuǎn)動(dòng)部分，換向器由電刷、換向片等組成，它的作用是將外加的直流電源引向電樞繞組，完成換向工作。圖6-23永磁直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)1-極靴2-機(jī)殼3-定子瓦狀磁極4-轉(zhuǎn)子電樞

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)6.4.2普通型永磁直流伺服電機(jī)圖6-23永磁直流伺服電1)靜態(tài)特性一般勵(lì)磁式直流電機(jī)的工作原理是建立在電磁力定律基礎(chǔ)上，由勵(lì)磁繞組和磁極建立磁場(chǎng)，電樞繞組作為通電導(dǎo)體切割磁力線，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的大小正比于電機(jī)中氣隙磁場(chǎng)和電樞電流，電磁轉(zhuǎn)矩由下式表示:(6-4)式中：CT－轉(zhuǎn)矩常數(shù)；φ－磁場(chǎng)磁通；Ia－電樞電流；T－電磁轉(zhuǎn)矩。電樞回路的電壓平衡方程式為(6-5)式中：Ua－電樞上的外加電壓；Ra－電樞電阻；Ea－電樞反電勢(shì)。

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)1)靜態(tài)特性電樞反電勢(shì)與轉(zhuǎn)速之間有以下關(guān)系(6-6)式中，Ce－電勢(shì)常數(shù)；ω－電機(jī)角速度。根據(jù)以上各式可以求得(6-7)式(6-7)表明了電機(jī)轉(zhuǎn)速與電磁力矩的關(guān)系，此關(guān)系稱為機(jī)械特性，如圖6-24所示，機(jī)械特性是靜態(tài)特性，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與所帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩也為零，這時(shí)可得(6-8)式中：ω0－理想空載轉(zhuǎn)速。

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)電樞反電勢(shì)與轉(zhuǎn)速之間有以下關(guān)系(6-6)式中，Ce－電勢(shì)常數(shù)當(dāng)轉(zhuǎn)速為零，即電機(jī)剛通電時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ts可由式(6-7)求得Ts又稱為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，式中Ua/Ra為起動(dòng)時(shí)電流，一般直流電機(jī)該值很小，因此啟動(dòng)力矩不能滿足要求。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)某一負(fù)載TL時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與理想空載轉(zhuǎn)速ω0會(huì)有一個(gè)差值Δω，Δω的大小表明了機(jī)械特性的硬度，Δω越小機(jī)械特性越硬。由式(6-7)可得式中：TL－所帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩。Δω的大小與電機(jī)的調(diào)速范圍有密切關(guān)系。Δω值大，不可能實(shí)現(xiàn)寬范圍的調(diào)速。進(jìn)給系統(tǒng)要求很寬的調(diào)速范圍，為此采用永磁直流伺服電機(jī)。

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)(6-9)(6-10)當(dāng)轉(zhuǎn)速為零，即電機(jī)剛通電時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ts可由式(6-7)求得

2)動(dòng)態(tài)特性電機(jī)處于過渡過程工作狀態(tài)時(shí)，其動(dòng)態(tài)特性直接影響著生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量，直流伺服電機(jī)有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩平衡方程式為(6-11)式中：T－電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；TL－折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；ω－電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度；J－電機(jī)轉(zhuǎn)子上總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；t－時(shí)間自變量。該式表明動(dòng)態(tài)過程中，電機(jī)由直流電能轉(zhuǎn)換來的電磁轉(zhuǎn)矩克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩，其剩余部分用來克服機(jī)械慣量，產(chǎn)生加速度，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)。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL一定的情況下，為了取得平穩(wěn)的、快速的、無振蕩的、單調(diào)上升的轉(zhuǎn)速過渡過程，需要減小過渡過程時(shí)間。這可以從兩方面著手，一是減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J，二是提高電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。對(duì)于小慣量電機(jī)采取的措施是，從結(jié)構(gòu)上減小其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J;對(duì)于大慣量電機(jī)采取的措施是，從結(jié)構(gòu)上提高起動(dòng)力矩Ts。

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)2)動(dòng)態(tài)特性(6-11)該式表明動(dòng)態(tài)過程中，電機(jī)由直流2.性能特點(diǎn)與特性曲線普通型大慣量寬調(diào)速永磁直流伺服電機(jī)的工作原理與一般勵(lì)磁式直流電機(jī)基本相同，但磁場(chǎng)的建立由永久磁鐵實(shí)現(xiàn)，當(dāng)電流通過電樞繞組時(shí)，電流與磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)、電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，使電樞旋轉(zhuǎn)。永磁直流伺服電機(jī)特性原則上與一般直流電機(jī)相同，但有很大的改進(jìn)和變化，已不能簡(jiǎn)單的用電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)來描述，需用數(shù)據(jù)表和特性曲線來描述，使用時(shí)要查閱這些表和特性曲線。

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)2.性能特點(diǎn)與特性曲線6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)1)性能特點(diǎn)(1)低轉(zhuǎn)速大慣量。這種電機(jī)具有較大的慣量，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速較低?？梢灾苯雍蜋C(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)絲杠相連，因而省掉了減速機(jī)構(gòu)。(2)寬調(diào)速范圍。低速運(yùn)行平穩(wěn)，力矩波動(dòng)小，該電機(jī)轉(zhuǎn)子的槽數(shù)增多，并采用斜槽，使低速運(yùn)行平穩(wěn)，能在0.1r/min的轉(zhuǎn)速下平穩(wěn)運(yùn)行，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍可達(dá)1:100～1000。(3)起動(dòng)力矩大。具有很大的電流過載倍數(shù)，起動(dòng)時(shí)，加速電流允許為額定電流的10倍，因而使得力矩/慣量比大，快速性好。(4)低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩。該電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩比較大，特別是低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大。能滿足數(shù)控機(jī)床在低速時(shí)，進(jìn)行大吃刀量加工的要求。

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)1)性能特點(diǎn)6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)2)特性曲線(1)轉(zhuǎn)矩－速度特性曲線。轉(zhuǎn)矩-速度特性曲線又叫工作曲線，如圖6-25所示，伺服電機(jī)的工作區(qū)域被溫度極限線、轉(zhuǎn)速極限線、換向極限線、轉(zhuǎn)矩極限線以及瞬時(shí)換向極限線分成三個(gè)區(qū)域。1區(qū)為連續(xù)工作區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)可對(duì)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速作任意組合，都可長(zhǎng)期連續(xù)工作。2區(qū)為斷續(xù)工作區(qū)，此時(shí)電機(jī)只能根據(jù)如圖6-26所示的負(fù)載—工作周期曲線所決定的允許工作時(shí)間和斷電時(shí)間做間歇工作。3區(qū)為瞬時(shí)加速和減速區(qū)域，電機(jī)只能用作加速或減速，工作一段極短的時(shí)間。選擇該類電機(jī)時(shí)要考慮負(fù)載轉(zhuǎn)矩、摩擦轉(zhuǎn)矩，特別是慣性轉(zhuǎn)矩。

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)圖6-25永磁直流伺服電機(jī)工作曲線2)特性曲線6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)圖6-25永磁

(2)負(fù)載－工作周期曲線。該曲線給出了在滿足機(jī)械所需轉(zhuǎn)矩，而又確保電機(jī)不過熱的情況下，允許電機(jī)的工作時(shí)間。因此，這些曲線是由電機(jī)溫度極限所決定的。負(fù)載－工作周期曲線的使用方法為，首先根據(jù)實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩的要求，求出電機(jī)在該時(shí)的過載倍數(shù)KT，然后在負(fù)載－工作周期曲線的水平軸線上找到實(shí)際機(jī)械所需要的工作時(shí)間ton，并從該點(diǎn)向上作垂線，與過載倍數(shù)KT曲線相交，再從該交點(diǎn)作水平線，與縱軸相交的點(diǎn)即為允許的負(fù)載工作周期比K。最后由式6-13可以求出最短斷電時(shí)間toff。電機(jī)的數(shù)據(jù)表，給出了有關(guān)電機(jī)性能的一些參數(shù)值，使用時(shí)需查閱，這里不作敘述。

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)圖6-26負(fù)載-工作周期曲線(2)負(fù)載－工作周期曲線。該曲線給出了在滿足機(jī)械所需轉(zhuǎn)矩

式中：KT－過載倍數(shù)；TL－負(fù)載轉(zhuǎn)矩；T－連續(xù)工作額定轉(zhuǎn)矩。式中：K－負(fù)載工作周期比；ton－電機(jī)的工作時(shí)間；toff－電機(jī)的斷電時(shí)間。

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)(6-12)(6-13)式中：KT－過載倍數(shù)；式中：K－負(fù)載工作周期比；6.46.4.3直流主軸伺服電機(jī)1.直流主軸伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)有很大差別，對(duì)主軸直流伺服電機(jī)要求有很寬的調(diào)速范圍和提供大的轉(zhuǎn)矩、功率。一般要求主軸電機(jī)功率范圍為2.2～250kW，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍為1:100～1000，恒功率調(diào)速范圍為1:10。而且要求主軸正反向均可進(jìn)行傳動(dòng)和加減速。主軸直流伺服電機(jī)因換向的原因，恒功率調(diào)速范圍小。到了20世紀(jì)80年代以后開始采用交流主軸伺服電機(jī)。為了滿足數(shù)控機(jī)床對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)的要求，直流主軸電機(jī)的結(jié)構(gòu)與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)用的永磁式直流伺服電機(jī)不同。因?yàn)橐笾鬏S電機(jī)有大的輸出功率，所以在結(jié)構(gòu)上不做成永磁式，而與普通勵(lì)磁直流電機(jī)相同，為它勵(lì)式。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6-27所示，由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)6.4.3直流主軸伺服電機(jī)6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)圖6-27直流主軸電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)子與永磁直流伺服電機(jī)相同，由電樞繞組和換向器組成。而定子則完全不同，它由主磁極和換向極組成。有的主軸電機(jī)在主磁極上不但有主磁極繞組，還帶有補(bǔ)償繞組。這類電機(jī)在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是，為了改善換向性能，在電機(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)制通風(fēng)冷卻。電機(jī)的主磁極和換向極都采用硅鋼片疊成，以便在負(fù)荷變化或在加速、減速時(shí)有良好的換向性能。電機(jī)外殼結(jié)構(gòu)為密封式以適應(yīng)惡劣的機(jī)械加工車間環(huán)境。在電機(jī)的尾部一般都同軸安裝有測(cè)速發(fā)電機(jī)作為速度反饋元件。

圖6-27直流主軸電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖6.4直流電動(dòng)機(jī)2.直流主軸伺服電機(jī)的工作原理和特性

直流主軸電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)上有很大變化，但工作原理同一般它勵(lì)直流電機(jī)一樣，電樞線圈中的電流與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力、電磁轉(zhuǎn)矩。其性能主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)矩一速度特性曲線上，如圖6-28所示，與交流主軸伺服電機(jī)特性曲線一致。在基本轉(zhuǎn)速ne以下屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍，用改變電樞電壓來調(diào)速，在基本轉(zhuǎn)速以上屬于恒功率調(diào)速范圍，采用控制激磁的調(diào)速方法調(diào)速。一般來說，恒轉(zhuǎn)矩速度范圍與恒功率速度范圍之比為1:2。另外，直流主軸伺服電機(jī)一般都有過載能力，且大都以能過載150%(即連續(xù)額定電流的1.5倍)為指標(biāo)。至于過載時(shí)間，則根據(jù)生產(chǎn)廠的不同有較大差別，從1分鐘到30分鐘不等。圖6-28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

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)2.直流主軸伺服電機(jī)的工作原理和特性圖6-28直流主軸電

6.4.4晶閘管直流調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)速度控制多采用晶閘管，又稱可控硅（SCR）調(diào)速系統(tǒng)。SCR是一種大功率半導(dǎo)體器件，由陽極A、陰極K和控制極G組成。當(dāng)陽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?？刂朴|發(fā)角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。在改變轉(zhuǎn)速時(shí)，要求在速度指令發(fā)出后，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能以最大的加減速度達(dá)到新的指令速度值，在速度指令值不變時(shí)，要求電動(dòng)機(jī)速度保持恒定。直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性比較軟，在外加電壓不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的變化而變化。對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，要求在負(fù)載變化時(shí)或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源電壓波動(dòng)時(shí)保持電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定不變。

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)6.4.4晶閘管直流調(diào)速6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)

1.SCR系統(tǒng)的組成SCR調(diào)速系統(tǒng)組成框圖如圖6-29所示。1）控制回路：速度環(huán)、電流環(huán)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器等。2）主回路：可控硅整流放大器等。3）速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)。作用：好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。4）電流環(huán)：電流調(diào)節(jié)。作用：加快響應(yīng)，啟動(dòng)、低頻穩(wěn)定等。5）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。6）可控硅整流放大器：整流、放大、驅(qū)動(dòng)，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖6-29SCR調(diào)速系統(tǒng)組成框圖

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)1.SCR系統(tǒng)的組成圖6-29SCR調(diào)速系統(tǒng)組成框圖2．主回路工作原理由大功率晶閘管構(gòu)成三相全控橋式反并聯(lián)可逆電路，分成Ⅰ和Ⅱ兩大部分，每部分按三相橋式連接，二組反并聯(lián)，分別實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。如圖6-30所示。每組晶閘管都有整流和逆變兩種工作狀態(tài)。一組處于整流工作時(shí)，另一組處于待逆變狀態(tài)，在電動(dòng)機(jī)降速時(shí)，逆變組工作。圖6-30SCR主回路工作原理三相整流器由兩個(gè)半波整流電路組成。每部分內(nèi)又分成共陰極組(1、3、5)和共陽極組（2、4、6）。二組中必須各有一個(gè)可控硅同時(shí)導(dǎo)通才能構(gòu)成回路，為此必須同時(shí)控制。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)二相間觸發(fā)脈沖相位相差120°，每相內(nèi)二個(gè)觸發(fā)脈沖相差180°。按管號(hào)排列，觸發(fā)脈沖的順序?yàn)?—2—3—4—5—6，相鄰相位差60°。

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)2．主回路工作原理圖6-30SCR主回路工作原理三相整流器為保證合閘后兩個(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。即每個(gè)觸發(fā)脈沖在導(dǎo)通60°后，再補(bǔ)發(fā)一個(gè)輔助脈沖。也可以采用寬脈沖控制，脈沖寬度大于60°，小于120°，如圖6-31所示。只要改變可控硅導(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動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。觸發(fā)脈沖提前來，增大整流輸出電壓，觸發(fā)脈沖延后來，減小整流輸出電壓。圖6-31主回路波形圖

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)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

3．控制回路分析具體地說就是只通過改變晶閘管觸發(fā)角，即改變控制角（可控硅導(dǎo)通時(shí)間），電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍小，特性軟，無反饋，屬于開環(huán)系統(tǒng)。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)，如圖6-29所示分析如下。1）速度指令電壓UR和速度反饋電壓Uf分別經(jīng)過阻容濾波后，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)器采用比例—積分調(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)器可以由比例調(diào)節(jié)器或比例—積分調(diào)節(jié)器組成，其中IR為電流給定值，If為電流反饋值，EI為比較后的誤差。經(jīng)過電流調(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，縮短啟動(dòng)過程，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。該脈沖接至整流電路中可控硅的控制柵極，觸發(fā)可控硅整流。

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)3．控制回路分析6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)4．SCR調(diào)速系統(tǒng)的工作原理1）調(diào)速：當(dāng)指令信號(hào)增大時(shí)，則有較大的偏差信號(hào)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，轉(zhuǎn)速上升。測(cè)速反饋信號(hào)增大，與大的速度給定相匹配達(dá)到新的平衡，電動(dòng)機(jī)以較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。2）干擾：假如系統(tǒng)受到外界干擾，如負(fù)載增加、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降、速度反饋電壓降低，速度調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)增大，其輸出信號(hào)也增大，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器使觸發(fā)脈沖前移，輸出電壓升高，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到干擾前的數(shù)值。3）電網(wǎng)波動(dòng)：電流調(diào)節(jié)器通過電流反饋信號(hào)還起快速地維持和調(diào)節(jié)電流作用，如電網(wǎng)電壓突然短時(shí)下降，整流輸出電壓也隨之降低，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由于慣性還未變化前，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，抑制了主回路電流的變化。4）啟動(dòng)、制動(dòng)、加減速：電流調(diào)節(jié)器還能保證電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)的大轉(zhuǎn)矩、加減速的良好動(dòng)態(tài)性能。這種雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：在低速輕載時(shí)，電樞電流出現(xiàn)斷續(xù)，機(jī)械特性變軟，總放大倍數(shù)下降，同時(shí)也使動(dòng)態(tài)品質(zhì)惡化。

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)4．SCR調(diào)速系統(tǒng)的工作原理6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)圖6-32PWM的結(jié)構(gòu)框圖

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)圖6-32PWM的結(jié)構(gòu)框圖6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)6.4.5晶體管直流脈寬調(diào)速1．系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)PWM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)換成某一頻率的矩形波電壓，加到直流電動(dòng)機(jī)的電樞兩端，通過對(duì)矩形波脈沖寬度的控制，改變電樞兩端的平均電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。PWM的主要缺點(diǎn)是不能承受高的過載電流，功率還不能做得很大。目前在中小功率的伺服驅(qū)動(dòng)裝置中多采用PWM，而在大功率的場(chǎng)合中采用SCR。1）PWM的結(jié)構(gòu)組成直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主要是采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，圖6-32就是PWM的結(jié)構(gòu)框圖。由大功率晶體管開關(guān)放大器，功率整流器組成。2）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。與晶閘管調(diào)速系統(tǒng)相比，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。

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)6.4.5晶體管直流脈寬調(diào)速6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系直流脈寬調(diào)制的基本原理，所謂脈寬調(diào)制，就是使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)頻率與加在晶體管上的輸入電壓保持恒定，控制信號(hào)的大小來改變每一周期內(nèi)“接通”或“斷開”的時(shí)間長(zhǎng)短，也就是改變“接通”脈寬，使晶體管輸出到電動(dòng)機(jī)電樞上電壓的“占空比”改變，從而改變電動(dòng)機(jī)電樞的平均電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。脈寬的變化使電動(dòng)機(jī)電樞的直流電壓隨著變化。脈沖寬度正比于代表速度值的直流電壓的高低，PWM調(diào)速系統(tǒng)的工作波形圖如圖6-33所示。圖6-33PWM調(diào)速系統(tǒng)的工作波形圖

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)直流脈寬調(diào)制的基本原理，所謂脈寬調(diào)制，就是使功率放大3）PWM調(diào)速系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）頻帶寬由于晶體管的結(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。（2）電流脈動(dòng)小，波形系數(shù)小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。

（3）電源的功率因數(shù)高電動(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。

（4）動(dòng)態(tài)硬度好PWM調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)硬度，它是指伺服系統(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。

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)3）PWM調(diào)速系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服2．脈寬調(diào)制器脈寬調(diào)制器的作用是將由插補(bǔ)器輸出的速度指令直流電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換成具有一定脈沖寬度的脈沖電壓，該脈沖電壓隨直流電壓的變化而變化。其調(diào)制電路采用同向加法放大器，如圖6-34所示，用三角波和電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)制將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖寬度。這種調(diào)制器由三角波信號(hào)發(fā)生器和比較器組成。Usr為速度指令轉(zhuǎn)化過來的直流電壓，UΔ為三角波信號(hào)，將UΔ和Usr一起送入比較器同向輸入端進(jìn)行比較，Usc為脈寬調(diào)制器的輸出。圖6-34同向加法放大器

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)2．脈寬調(diào)制器圖6-34同向加法放大器6.4直流電①當(dāng)Usr=0時(shí)，如圖6-35(a)所示，比較器輸出脈沖的正負(fù)半周相等，輸出平均電壓為零。②當(dāng)Usr>0時(shí)，如圖6-35(b)所示，比較器輸出脈沖的正半周寬度大于負(fù)半周寬度，輸出平均電壓為大于零。③當(dāng)Usr<0時(shí)，如圖6-35(c)所示，比較器輸出脈沖的負(fù)半周寬度大于正半周寬度，輸出平均電壓為小于零。（a）（b）（c）圖6-35三角波脈沖寬度調(diào)制器工作波形圖

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)①當(dāng)Usr=0時(shí)，如圖6-35(a)所示，比較器輸出脈沖的正3．開關(guān)功率放大器1）開關(guān)功率放大器主電路開關(guān)功率放大器是脈寬調(diào)制速度單元的主回路。圖6-36所示為可逆H型雙極性開關(guān)功率放大器的電路圖，由四個(gè)大功率晶體管（GTR）T1、T2、T3、T4及四個(gè)續(xù)流二極管VD1、VD2、VD3、VD4組成橋式電路。Ub1、Ub2、Ub3、Ub4為調(diào)制器輸出，經(jīng)脈沖分配、基極驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換過來的脈沖電壓，分別加到T1、T2、T3、T4的基極。圖6-36可逆雙極性開關(guān)功率放大器

6.4直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)3．開關(guān)功率放大器圖6-36可逆雙極性開關(guān)功率放大器6

2）工作原理：開關(guān)功率放大器的工作原理如圖6-37所示T1和T4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其基極驅(qū)動(dòng)電壓Ub1=Ub4。T2和T3同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，基極驅(qū)動(dòng)電壓Ub2=Ub3。以正脈沖較寬為例，既正轉(zhuǎn)時(shí)，H型雙極性驅(qū)動(dòng)時(shí)的工作波形。①電動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)0≤t≤t1時(shí)，Ub1、Ub4為正，T