數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)-鄭佳文

數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)機(jī)械工程-鄭佳文學(xué)號：1508520102機(jī)械工程學(xué)院主要內(nèi)容概述開環(huán)式控制系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路閉環(huán)伺服系統(tǒng)與反饋比較形式直流伺服電機(jī)與調(diào)速系統(tǒng)交流伺服電機(jī)與主軸驅(qū)動系統(tǒng)機(jī)械工程學(xué)院一二三四五機(jī)械工程學(xué)院一、概述概述伺服系統(tǒng)接收來自CNC（ComputerNumericalControl）裝置的進(jìn)給脈沖，經(jīng)變換和放大，然后驅(qū)動各加工坐標(biāo)軸按指令脈沖進(jìn)行運動。這些軸有些帶動工作臺，有些帶動刀架，通過一個或者多個坐標(biāo)軸的綜合聯(lián)動，涉及各軸上運動速度的調(diào)節(jié)，以一定的加減速曲線來進(jìn)行運動，使刀具相對工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運動，加工出所要求的復(fù)雜形狀工件。進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和數(shù)控機(jī)床的傳動部件之間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。它包含機(jī)械、電子、電動機(jī)等各種部件，并涉及強(qiáng)電與弱電控制，是一個復(fù)雜的控制系統(tǒng)。機(jī)械工程學(xué)院1.伺服系統(tǒng)的作用和組成在自動控制中，是輸出量能以一定準(zhǔn)確度跟隨輸入量的變化而變化的系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)，亦稱為伺服系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床移動部件的位置和速度作為控制量的自動系統(tǒng)。機(jī)械工程學(xué)院伺服系統(tǒng)的作用:接受CNC裝置發(fā)出的插補(bǔ)結(jié)果(指令脈沖等)，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)械傳動機(jī)構(gòu)，驅(qū)動機(jī)床的工作臺等執(zhí)行部件實現(xiàn)工作進(jìn)給或快速運動。數(shù)控機(jī)床的“大腦”數(shù)控機(jī)床的“四肢”，是執(zhí)行“命令”的機(jī)構(gòu)，它是一個不折不扣的跟隨者。機(jī)械工程學(xué)院

伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖伺服系統(tǒng)的組成機(jī)械工程學(xué)院組成伺服電機(jī)驅(qū)動信號控制轉(zhuǎn)換電路電子電力驅(qū)動放大模塊位置調(diào)節(jié)單元速度調(diào)節(jié)單元電流調(diào)節(jié)單元檢測裝置一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結(jié)構(gòu)：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。伺服系統(tǒng)組成單元2.伺服系統(tǒng)的分類（1）按調(diào)節(jié)理論分類機(jī)械工程學(xué)院（2）按驅(qū)動部件的動作原理分類電液伺服系統(tǒng)電氣伺服系統(tǒng)機(jī)械工程學(xué)院（3）按被控對象分類進(jìn)給伺服系統(tǒng)主軸伺服系統(tǒng)3.伺服系統(tǒng)的基本要求機(jī)械工程學(xué)院高精度（輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度）穩(wěn)定性好（抗干擾能力）快速響應(yīng)、無超調(diào)（系統(tǒng)跟蹤精度）低速大轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍寬調(diào)速范圍寬可靠性高(對環(huán)境的適應(yīng)性)二、開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路機(jī)械工程學(xué)院電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令驅(qū)動控制單元1.開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)組成一般定位精度：±0.02mm采用螺距補(bǔ)償和傳動間隙補(bǔ)償：±0.01mm進(jìn)給速度受限脈沖當(dāng)量為.01mm時，不超過5m/min2.步進(jìn)電機(jī)機(jī)械工程學(xué)院步進(jìn)電機(jī)是一種脈沖控制的執(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)輸入一個脈沖，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個角度，稱為步距角。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脈沖個數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)量----位移量；脈沖頻率---電機(jī)轉(zhuǎn)速；脈沖順序----方向。對應(yīng)關(guān)系機(jī)械工程學(xué)院運動方式旋轉(zhuǎn)運動直線運動平面運動滾切運動工作原理反應(yīng)式電磁式永磁式永磁感應(yīng)式工作方式功率式控制式結(jié)構(gòu)單段式（徑向式）多段式（軸向式）印刷繞組式相數(shù)三相式四相式五相式頻率高頻式低頻式2.1步進(jìn)電機(jī)的分類、結(jié)構(gòu)和工作原理（1）分類機(jī)械工程學(xué)院（2）結(jié)構(gòu)機(jī)械工程學(xué)院步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。定子由硅鋼片疊成，裝上一定相數(shù)的控制繞組，由環(huán)形分配器送來的電脈沖對多相定子繞組輪流進(jìn)行勵磁。轉(zhuǎn)子用硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸極結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子本身沒有勵磁繞組的叫做“反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)”；用永久磁鐵做轉(zhuǎn)子叫做“永磁式步進(jìn)電動機(jī)”。機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院（2）結(jié)構(gòu)機(jī)械工程學(xué)院（3）工作原理機(jī)械工程學(xué)院按電磁吸引原理工作（以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的定子上有磁極，每個磁極上有激磁繞組，轉(zhuǎn)子無繞組，有周向均布的齒，依靠磁極對齒的吸合工作。定子轉(zhuǎn)子定子繞組機(jī)械工程學(xué)院兩個相對的磁極組成一相AB定子轉(zhuǎn)子IAIBIC機(jī)械工程學(xué)院步進(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。1）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為：A相

B相

C相通電順序也可以為：

A相

C相

B相

機(jī)械工程學(xué)院主要內(nèi)容B'A'CC'BA3412A相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和AA'對齊CB相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相軸線對齊C相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和C相軸線對齊BB'A'C'A3412B'A'CC'BA3412機(jī)械工程學(xué)院三相單三拍的特點：（1）每來一個電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過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。通電順序為：AABBBCCCAA

六拍。2）三相六拍工作方式機(jī)械工程學(xué)院7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動控制系統(tǒng)B'A'CC'BA3412B'A'CC'BA3412B'A'CC'BA3412B'A'CC'BA3412B'A'CC'BA3412B'A'CC'BA3412A通電AB通電B通電BC通電CA通電C通電機(jī)械工程學(xué)院A→AB→B→BC→C→CA→A…（逆時針）A→AC→C→BC→B→BA→A…（順時針）每步轉(zhuǎn)過15°，步距角是三相三拍工作方式的一半特點：電機(jī)運轉(zhuǎn)中始終有一相定子繞組通電，運轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)。

通電順序3)雙三拍工作方式定子繞組通電順序為AB→BC→CA→AB…（轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)）AC→CB→BA→…（轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)）有兩對磁極同時對轉(zhuǎn)子的兩對齒進(jìn)行吸引，每步仍旋轉(zhuǎn)30°。特點：始終有一相定子繞組通電，工作比較平穩(wěn)。避免了單三拍通電方式的缺點機(jī)械工程學(xué)院實際上步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多，齒數(shù)與步距角關(guān)系？例如：轉(zhuǎn)子40個齒，定子仍是3對磁極，三相六拍。問步距角是多少？機(jī)械工程學(xué)院2.2步進(jìn)電機(jī)的主要特性（1）步距角α和靜態(tài)步距誤差m—定子相數(shù)；z—轉(zhuǎn)子齒數(shù)；k—通電系數(shù)，

m相m拍，k＝1；m相2m拍，k＝2。

每給一個脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角度的理論值。α一般很小，如：3°／1.5°，1.5°／0.75°，0.72°／0.36°等不同的應(yīng)用場合，對步距角的要求不同。一般情況下：

機(jī)械工程學(xué)院步距角也可用分辨率表示式中：i——傳動比——每個脈沖對應(yīng)的負(fù)載軸的位移增量即表示每轉(zhuǎn)步進(jìn)了多少（2）最大靜轉(zhuǎn)矩機(jī)械工程學(xué)院靜態(tài)特性穩(wěn)定狀態(tài)靜轉(zhuǎn)矩距角特性靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)（3）矩頻特性機(jī)械工程學(xué)院步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運行時輸出電磁轉(zhuǎn)矩T與連續(xù)運行頻率f之間的關(guān)系。（衡量電機(jī)運轉(zhuǎn)時承載能力的動態(tài)性指標(biāo)）。運行矩頻特性f繞組感抗電流波形穩(wěn)定值T（4）啟動頻率和連續(xù)運行頻率機(jī)械工程學(xué)院啟動頻率fst是指在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下能夠不丟步地啟動的最高脈沖頻率。它的大小和驅(qū)動電路和負(fù)載大小有關(guān)，步距角越小，負(fù)載越小，啟動頻率越高。連續(xù)運行頻率fc

步進(jìn)電機(jī)啟動后，當(dāng)控制脈沖頻率連續(xù)上升時，能不丟步運行的最高頻率。它的值與負(fù)載有關(guān)。（5）步進(jìn)電機(jī)技術(shù)指標(biāo)實例機(jī)械工程學(xué)院步進(jìn)電機(jī)的型號表示方法舉例反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（如150BF003）

XXX

BF

XX勵磁繞組相數(shù)或代號反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)電動機(jī)外徑（mm）BYG混合式步進(jìn)電機(jī)BY永磁式步進(jìn)電機(jī)2.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制線路機(jī)械工程學(xué)院功能：將具有一定頻率f、一定數(shù)量N和方向的進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換成控制步進(jìn)電機(jī)各相定子繞組通電、斷電的電平信號變化頻率、變化次數(shù)和通斷電順序。驅(qū)動控制器主要由環(huán)形脈沖分配器和功率放大器組成。（1）環(huán)形分配器機(jī)械工程學(xué)院功能將進(jìn)給脈沖指令轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)定子繞組通、斷電的電平信號，電平信號狀態(tài)的改變次數(shù)及順序與進(jìn)給脈沖的個數(shù)與方向?qū)?yīng)。即將數(shù)控裝置的插補(bǔ)脈沖，按步進(jìn)電機(jī)所要求的規(guī)律分配給步進(jìn)電機(jī)的各相輸入端，以控制勵磁繞組的通、斷電。分類硬件環(huán)形分配器：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動裝置本身帶有環(huán)形分配器。軟件環(huán)形分配器：驅(qū)動裝置本身無環(huán)形分配器，環(huán)形分配需要軟件完成?；旌檄h(huán)形分配器環(huán)形分配器機(jī)械工程學(xué)院特點：需要專用硬件資源，運行效率高。軟件環(huán)形分配器是指完全用軟件的方式進(jìn)行脈沖分配，按照給定的通電換相順序，通過單片機(jī)的I/O口向驅(qū)動電路發(fā)出控制脈沖的分配器。采用不同的計算機(jī)及接口器件有不同的形式。機(jī)械工程學(xué)院（2）功率放大器機(jī)械工程學(xué)院對驅(qū)動電路核心要求提高快速性提高平穩(wěn)性功率放大器的輸出直接驅(qū)動電機(jī)繞組，它對步進(jìn)電機(jī)的運行狀態(tài)有很大影響目前國內(nèi)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路.單電壓恒流功率放大電路.高低電壓（雙電壓）功率放大電路斬波驅(qū)動電路.調(diào)頻調(diào)壓功率放大電路1）單電壓恒流功率放大電路機(jī)械工程學(xué)院提速（限流）電阻Rc：改變時間常數(shù)，提高響應(yīng)速度續(xù)流二極管D：用于功率晶體管的過電壓保護(hù)特點：結(jié)構(gòu)簡單、效率低、能耗高，發(fā)熱大、工作穩(wěn)定性差。應(yīng)用：小功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動這種驅(qū)動電路供給步進(jìn)電動機(jī)繞組的電壓有兩種：一種是高電壓U1，電壓約為80~150V。另一種是低壓U2大約為5~20V見圖。2）高低電壓（雙電壓）功率放大電路機(jī)械工程學(xué)院在相序輸入信號IN、IL到來時，VT1、VT2同時導(dǎo)通，給繞組加上高壓U1，以提高繞組中電流上升率，當(dāng)電流達(dá)到規(guī)定值時，VT1關(guān)斷、VT2仍然導(dǎo)通（tN的脈寬小于tL），則自動切換到低壓U2該電路的優(yōu)點是在較寬的頻率范圍內(nèi)有較大的平均電流，能產(chǎn)生較大且穩(wěn)定的平均轉(zhuǎn)距，其缺點是電流波形有谷點，波形如圖。3）斬波型功率放大機(jī)械工程學(xué)院由于雙電壓驅(qū)動電路存在著電流在高低壓連接處出現(xiàn)谷點，造成高頻輸出轉(zhuǎn)矩在谷點下降。為了使勵磁繞組中的電流維持在額定值附近，提高步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和效率，所以需要采用斬波驅(qū)動電路。輸入信號若為正脈沖，則VT1、VT2同時導(dǎo)通，由于U1電壓較高，繞組回路中又沒串電阻，所以繞組中電流迅速上升，當(dāng)電流達(dá)到規(guī)定值時，由于采樣電阻Re的反饋作用，經(jīng)整形、放大后送至VT1基極，使VT1截止。接著繞組由U2供電，繞組中電流迅速下降，但剛降到額定值以下時，由于采樣電阻Re的反饋作用，使整形電路無信號輸出，此時高壓前置放大電路又使VT1導(dǎo)通，電流又上升。如此反復(fù)進(jìn)行，形成一個在額定電流值上下波動呈鋸齒狀的繞組電流波形，近似恒流，其電流波形如圖。4）調(diào)頻調(diào)壓功率放大電路機(jī)械工程學(xué)院一般把步進(jìn)電機(jī)的工作頻率分為幾段，每段電壓不同。在理想條件下，保持電動機(jī)的力矩不變，則電源電壓應(yīng)隨工作頻率的升高而升高，隨工作頻率的降低而降低。2.4提高開環(huán)進(jìn)給控制系統(tǒng)精度的措施機(jī)械工程學(xué)院1.傳動間隙補(bǔ)償齒輪絲杠提高裝配精度并采取消隙措施傳動鏈換向時產(chǎn)生間隙先將間隙轉(zhuǎn)換成脈沖值，從而越過傳動間隙，然后再按指令脈沖動作機(jī)械工程學(xué)院傳動間隙補(bǔ)償示意圖（2）螺距誤差補(bǔ)償三、閉環(huán)伺服系統(tǒng)與反饋比較形式機(jī)械工程學(xué)院較開環(huán)系統(tǒng)，閉環(huán)系統(tǒng)增加檢測裝置和反饋環(huán)節(jié)分為閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)半閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)1.閉環(huán)伺服系統(tǒng)與半閉環(huán)伺服系統(tǒng)機(jī)械工程學(xué)院（1）全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實際位置反饋實際速度反饋閉環(huán)系統(tǒng)通常使用直流伺服電動機(jī)或交流伺服電動機(jī)。全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進(jìn)行檢測。在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，由速度檢測元件來測量電動機(jī)的速度，由位置檢測元件來測量工作臺的位置，由速度和位置反饋信號來調(diào)節(jié)伺服電動機(jī)的速度和工作臺的位置。因此從理論上講，可以消除整個驅(qū)動和傳動環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。其定位精度一般為0.001～0.003mm。由于位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動環(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、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。機(jī)械工程學(xué)院（2）半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實際位置反饋實際速度反饋半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點是從驅(qū)動裝置(常用伺服電機(jī))或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置，而是由位置檢測元件間接測量工作臺的位置。由位置反饋信號來調(diào)節(jié)伺服電動機(jī)的速度。半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動環(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動誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對這類誤差進(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。結(jié)構(gòu)較簡單，常用光電編碼器、光柵作位置檢測裝置，以半閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)形式較為普遍。特點：指令脈沖信號與位置檢測裝置的反饋脈沖信號在比較器中以脈沖數(shù)字的形式進(jìn)行比較。2.數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)機(jī)械工程學(xué)院指令信號反饋測量信號比較器轉(zhuǎn)換器驅(qū)動執(zhí)行元件（1）脈沖比較式伺服系統(tǒng)的組成

主要由以下幾部分構(gòu)成圖所示機(jī)械工程學(xué)院數(shù)字脈沖比較系統(tǒng)構(gòu)成圖（2）脈沖比較式伺服系統(tǒng)工作原理

下面以采用光電脈沖編碼器為測量元件的系統(tǒng)為例說明數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)的工作原理。機(jī)械工程學(xué)院反饋脈沖數(shù)/模轉(zhuǎn)換器脈沖處理伺服電機(jī)工作臺位置檢測裝置（光電編碼器）伺服放大器位置檢測信息Pf指令脈沖Pc比較器Pe光電編碼器Pf指令脈沖PcPe=0Pe>0Pe<0偏差Pe=Pc-Pf保持不動正向移動反向進(jìn)給（3）主要工作部件[1].數(shù)字脈沖-數(shù)碼轉(zhuǎn)換器數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換為數(shù)碼對于數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)化為數(shù)碼，其最簡單的實現(xiàn)方法就是采用一個可逆計數(shù)器，它將輸入的脈沖進(jìn)行計數(shù)，以數(shù)碼值輸出。圖所示是由兩個二—十進(jìn)制計數(shù)器組成的數(shù)字脈沖—數(shù)碼轉(zhuǎn)換器。機(jī)械工程學(xué)院1）數(shù)字?jǐn)?shù)碼轉(zhuǎn)換為脈沖方法一：對于數(shù)碼轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖，常用的有兩種方法。第一種方法是采用減法計數(shù)器組成的線路，如圖3.36所示，機(jī)械工程學(xué)院方法二：用一個脈沖乘法器，數(shù)字脈沖乘法器實質(zhì)上就是將輸入的二進(jìn)制數(shù)碼轉(zhuǎn)化為等值的脈沖數(shù)輸出，其示意圖如圖3.37所示。數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖線路一數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖線路二2）比較器機(jī)械工程學(xué)院比較器分類數(shù)碼比較器數(shù)字脈沖比較器數(shù)碼比較器中，比較的是兩個數(shù)碼信號，而輸出可以是定性的，只指出誰大誰小，也可以是定量的，指出誰大多少，小多少。在通用的大規(guī)模芯片可以完成這個任務(wù)，特別是用軟件實現(xiàn)很方便。機(jī)械工程學(xué)院數(shù)字脈沖比較器的構(gòu)成原理總結(jié)具有脈沖分離功能，加減脈沖先后到來時，按預(yù)先的要求經(jīng)加法計數(shù)端或減法計數(shù)端進(jìn)入可逆計數(shù)器；若加、減脈沖同時到來，先做加法計數(shù)，而后經(jīng)過幾個始終延遲再做減法計數(shù)，保證兩路計數(shù)脈沖均布丟失。3.相位比較伺服系統(tǒng)機(jī)械工程學(xué)院鑒相式伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床中使用較多的一種位置控制系統(tǒng)，它是采用相位比較方式實現(xiàn)閉環(huán)（及半閉環(huán)）控制的伺服系統(tǒng)。鑒相式伺服系統(tǒng)具有工作可靠、抗干擾性強(qiáng)、精度高等優(yōu)點，但由于增加了位置檢測、反饋、比較等元件，與步進(jìn)式伺服系統(tǒng)相比，它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)試也比較困難。（1）鑒相式伺服系統(tǒng)的組成

下圖所示是鑒相式伺服系統(tǒng)方框圖，它主要由基準(zhǔn)信號發(fā)生器、脈沖調(diào)相器、檢測元件及信號處理線路、鑒相器、驅(qū)動線路和執(zhí)行元件等組成。機(jī)械工程學(xué)院相位比較伺服系統(tǒng)的方框圖（2）工作原理機(jī)械工程學(xué)院將脈沖信號轉(zhuǎn)換成相位信號φ將工作臺的位置轉(zhuǎn)換成相位信號θ比較θ與φ來判斷是

否運動Φ-θ不為零，機(jī)床運動Φ-θ為零，停止運動（3）脈沖調(diào)相器脈沖調(diào)相器的功能是按照所輸入指令脈沖的要求對載波信號進(jìn)行相位調(diào)整。如圖3.21所示為脈沖調(diào)相器組成原理框圖。機(jī)械工程學(xué)院1）脈沖—相位變換的原理

假設(shè)時鐘脈沖頻率為F，計數(shù)器（當(dāng)分頻器用）的容量為N，則這兩個計數(shù)器的最后一級輸出頻率f為：f=F/N。如果在時鐘脈沖觸發(fā)兩計數(shù)器以前，先向其中一個計數(shù)器（如x計數(shù)器）輸入一定數(shù)量脈沖Δx，則當(dāng)時鐘脈沖觸發(fā)兩計數(shù)器以后，兩計數(shù)器輸出信號頻率仍相同，但相位不同。N個時鐘脈沖使標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)器的輸出變化一個周期，即360°，N+Δx個脈沖使x計數(shù)器的輸出在變化一個周期（360°）后，又變化φ=·Δx，即超前標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)器一個相位角φ。以后每來N個時鐘脈沖，兩計數(shù)器都變化一個周期，其原理圖和波形如圖3.22a、b所示。機(jī)械工程學(xué)院若在時鐘脈沖觸發(fā)兩計數(shù)器的過程中，加入一定數(shù)量的脈沖+Δx給x計數(shù)器，這樣就會使輸入給x計數(shù)器的脈沖總數(shù)比給標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)器的計數(shù)脈沖多了Δx個，結(jié)果使x計數(shù)器輸出的信號相位超前φ=（+Δx/N）360°，如圖3.22c所示。機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院假如在時鐘脈沖不斷觸發(fā)兩計數(shù)器過程中，加入一定數(shù)量的-Δx脈沖給x計數(shù)器，使加入的-Δx個脈沖抵消了進(jìn)入x計數(shù)器的Δx個時鐘脈沖，則在兩計數(shù)器的最末一級輸出端將出現(xiàn)x計數(shù)器的相位滯后標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)器一個相位φ，φ=(－Δx/N)360°，如圖3.23a、b所示。（4）鑒相器

機(jī)械工程學(xué)院二極管鑒相器可以用來鑒別正弦信號之間的相位差。觸發(fā)器/門電路鑒相器可以對方波信號之間的相位差進(jìn)行鑒別。（4）鑒相器機(jī)械工程學(xué)院鑒相器又稱相位比較器，它的作用是鑒別指令信號與反饋信號的相位，判別兩者之間的相位差，將其變成一個帶極性的誤差電壓信號，作為速度單元的輸入信號。1）鑒相器工作原理機(jī)械工程學(xué)院觸發(fā)器鑒相器4.鑒幅式伺服系統(tǒng)機(jī)械工程學(xué)院鑒幅式伺服系統(tǒng)是以位置檢測信號的幅值大小來反映機(jī)械位移的數(shù)值，并以此作為位置反饋信號與指令信號進(jìn)行比較構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。它的測量元件是以鑒幅式工作狀態(tài)進(jìn)行工作的，可用于鑒幅式伺服系統(tǒng)的測量元件有旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器。比較器所比較的是數(shù)字脈沖量，故在鑒幅式伺服系統(tǒng)中，不需要基準(zhǔn)信號，兩數(shù)字脈沖量可直接在比較器中進(jìn)行脈沖數(shù)量的比較。它與鑒相式伺服系統(tǒng)的主要區(qū)別（1）鑒幅式伺服系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)由測量元件及信號處理線路、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、比較器、放大環(huán)節(jié)和執(zhí)行元件五部分組成機(jī)械工程學(xué)院（2）鑒幅式伺服系統(tǒng)的工作原理

機(jī)械工程學(xué)院指令脈沖信號反饋脈沖指令信號比較器實時比較二者不等等二者相等工作臺到位停止進(jìn)給工作臺繼續(xù)移動直至相等（3）測量元件及信號處理電路

圖3.27所示為測量元件及信號處理線路框圖，它主要由測量元件、解調(diào)電路、電壓—頻率轉(zhuǎn)換器和sin/cos發(fā)生器組成。機(jī)械工程學(xué)院1）解調(diào)線路

解調(diào)線路就是鑒幅器，如圖3.28所示是解調(diào)線路圖，它由低通濾波器、放大器和檢波器三部分組成。機(jī)械工程學(xué)院檢波器的作用是將濾波后的基波正弦信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷骸?）解調(diào)線路低通濾波器輸出信號的幅值和功率較小，經(jīng)過一級放大之后送到檢波器。放大器是集成元件，放大器的參數(shù)可根據(jù)低通濾波器輸出信號的幅值和檢波器對它的要求選定。

檢波器的作用是將濾波后的基波正弦信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷骸?/p>

如下圖所示是一種檢波器線路圖，它是一個帶放大器和反相器的電子開關(guān)電路。機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

2）電壓—頻率轉(zhuǎn)換器電壓—頻率轉(zhuǎn)換器的作用是把檢波后輸出的模擬電壓VF變成相應(yīng)的脈沖序列，VF為正時，輸出正向脈沖；VF為負(fù)時，輸出反向脈沖。脈沖的方向用符號寄存器的輸出表示。VF為零時，不產(chǎn)生任何脈沖。隨著輸入電壓信號幅值的增加，電壓頻率轉(zhuǎn)換器的輸出開始出現(xiàn)脈沖。如圖3.31所示是一種電壓—頻率轉(zhuǎn)換器線路圖。機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院（4）比較器比較器的作用是對指令脈沖信號和反饋脈沖信號進(jìn)行比較。一般來說，來自數(shù)控裝置的指令脈沖信號可以是兩種形式，一種是用一條線路傳送進(jìn)給方向信號，一條線路傳送進(jìn)給脈沖信號；另一種是用一條線路傳送正向進(jìn)給脈沖，一條線路傳送反向進(jìn)給脈沖。來自測量元件及信號處理線路的反饋信號是采用第一種形式表示的。

圖3.33所示是指令脈沖為第一種形式時的一種比較器結(jié)構(gòu)。在該比較器中，反饋脈沖一定不能與指令脈沖同時出現(xiàn)。

機(jī)械工程學(xué)院（5）sin/cos發(fā)生器

sin/cos發(fā)生器的任務(wù)是根據(jù)電壓－頻率轉(zhuǎn)換器輸出脈沖的多少和方向，生成測量元件的激磁信號VS和VK，即VS=VmsinαsinωtVK=Vmcosαsinωt

式中，α的大小由脈沖的多少和方向決定；VS和VK的頻率和周期根據(jù)要求可用基準(zhǔn)信號的頻率和計數(shù)器的位數(shù)調(diào)整、控制。機(jī)械工程學(xué)院（6）數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器

數(shù)模轉(zhuǎn)換器也稱脈寬調(diào)制器，其任務(wù)是把比較器的數(shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。目前，已有許多不同精度、不同形式的數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器，只要滿足伺服系統(tǒng)對它的輸入輸出要求，就可以直接選用。機(jī)械工程學(xué)院5.CNC數(shù)字伺服系統(tǒng)

CNC數(shù)字伺服系統(tǒng)是指用于高精度CNC機(jī)床上的伺服系統(tǒng)，它與前面介紹的伺服系統(tǒng)相比，具有精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。CNC數(shù)字伺服系統(tǒng)可分成軟件部分和硬件部分。軟件部分主要完成跟隨誤差的計算，即指令信號和反饋信號的比較計算；硬件部分主要由位置檢測組件和位置控制輸出組件組成。CNC數(shù)字伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.39所示。機(jī)械工程學(xué)院在CNC數(shù)字伺服系統(tǒng)中，由于用計算機(jī)充當(dāng)了指令信號和反饋信號的比較環(huán)節(jié)，故反饋信號必須是數(shù)碼形式或數(shù)字脈沖形式，否則，將增加計算機(jī)的接口線路，使系統(tǒng)變得復(fù)雜。常見CNC數(shù)字伺服系統(tǒng)有以鑒幅方式工作的旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器為測量元件的伺服系統(tǒng)和以光柵、編碼盤為測量元件的伺服系統(tǒng)。下圖所示是以旋轉(zhuǎn)變壓器為測量元件的CNC數(shù)字伺服系統(tǒng)框圖。下面以旋轉(zhuǎn)變壓器為測量元件的CNC數(shù)字伺服系統(tǒng)為例介紹其工作原理。機(jī)械工程學(xué)院以旋轉(zhuǎn)變壓器為測量元件的CNC數(shù)字伺服系統(tǒng)機(jī)械工程學(xué)院四、直流伺服電機(jī)及其速度控制

常用的直流電機(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)-主軸驅(qū)動混合式直流電機(jī)無刷直流電機(jī)直流力矩電機(jī)機(jī)械工程學(xué)院1.結(jié)構(gòu)是由定子、轉(zhuǎn)子、電刷和換向片等組成機(jī)械工程學(xué)院伺服電動機(jī)外形圖直流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖2.永磁直流伺服電機(jī)的工作原理和特性

它的工作原理與一般直流電動機(jī)基本相同，但磁場的建立是由永久磁鐵實現(xiàn)的，當(dāng)電流通過電樞繞組時，電流與磁場相互作用，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢、電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，使電樞旋轉(zhuǎn)機(jī)械工程學(xué)院直流伺服電動機(jī)的接線圖（一定）機(jī)械工程學(xué)院原理圖等效圖式中，Ua為電樞電壓Ia為電樞電流，Ea為電樞感應(yīng)電動勢，T為電磁轉(zhuǎn)矩，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，T2為輸出轉(zhuǎn)矩，T0為自身損耗，Cl為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，Ce為電動勢常數(shù)，為勵磁磁通。調(diào)節(jié)電樞電壓Ua調(diào)節(jié)電樞電阻Ra調(diào)節(jié)磁通Φ直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系n=f(T)稱機(jī)械特性（靜態(tài)特性）機(jī)械工程學(xué)院電機(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（轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)速變化的影響程度越?。?，機(jī)械特性越硬。主要內(nèi)容TTnn機(jī)械工程學(xué)院電樞電阻調(diào)速很少采用，缺點：不經(jīng)濟(jì)：要得到低速，R很大，則消耗大量電能；低速，特性很軟，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性很差；調(diào)節(jié)平滑性差，操作費力。主要內(nèi)容Tnn0R0R2R1機(jī)械工程學(xué)院調(diào)節(jié)電樞電壓（調(diào)壓調(diào)速）時，直流電機(jī)機(jī)械特性為一組平行線，只改變電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速n0

，保持了原有較硬的機(jī)械特性，所以調(diào)壓調(diào)速主要用于伺服進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)電機(jī)的調(diào)速如果Δn值較大，不可能實現(xiàn)寬范圍的調(diào)速。永磁式直流伺服電機(jī)的Δn值較小，因此，進(jìn)給系統(tǒng)常采用永磁式直流電機(jī)。

機(jī)械工程學(xué)院調(diào)節(jié)磁通（調(diào)磁調(diào)速）不但改變了電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速，而且使直流電機(jī)機(jī)械特性變軟，所以調(diào)磁調(diào)速主要用于機(jī)床主軸電機(jī)調(diào)速。3.直流伺服電機(jī)速度控制單元的調(diào)速控制方式

調(diào)速的概念有兩個方面的含義:1)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速：當(dāng)指令速度變化時,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,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，需對直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制，如何控制？機(jī)械工程學(xué)院直流伺服電機(jī)速度控制單元的作用：將轉(zhuǎn)速指令信號轉(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)。

機(jī)械工程學(xué)院（1）晶閘管調(diào)速系統(tǒng)

機(jī)械工程學(xué)院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。主要內(nèi)容速度調(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編碼器電機(jī)U*n+-UnInI*n+-US

控制回路主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驅(qū)動，使電機(jī)轉(zhuǎn)動。速度環(huán)（PI）：速度調(diào)節(jié)，作用：好的靜態(tài)、動態(tài)特性。電流環(huán)（P或PI）：電流調(diào)節(jié)，作用：系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性改善。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。主回路由大功率晶閘管構(gòu)成的三相全控橋式反并接可逆電路，分成二大部分（Ⅰ和Ⅱ），每部分內(nèi)按三相橋式連接，二組反并接，分別實現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。機(jī)械工程學(xué)院462791113581210ABCMⅠⅡUMUDKMKM+-各有一個可控硅同時導(dǎo)通，形成回路。機(jī)械工程學(xué)院1、3、5在正半周導(dǎo)通，2、4、6在負(fù)半周導(dǎo)通。每組內(nèi)（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差120o，觸發(fā)脈沖的順序：1-2-3-4-5-6，相鄰之間相位差60o。為保證合閘后兩個串聯(lián)可控硅能同時導(dǎo)通，或已截止的相再次導(dǎo)通，采用雙脈沖控制。即每個觸發(fā)脈沖在導(dǎo)通60o后，再補(bǔ)發(fā)一個輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，寬度大于60o，小于120o。機(jī)械工程學(xué)院

只要改變可控硅觸發(fā)角（即改變導(dǎo)通角），就能改變可控硅的整流輸出電壓，從而改變直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

觸發(fā)脈沖提前，增大整流輸出電壓；觸發(fā)脈沖延后，減小整流輸出電壓。uacbcaba)b)c)d)135

①②③④⑤⑥ωtub246bcaωtωtωtωt11335511336224466224135246120°120°180°60°132460°60°56α機(jī)械工程學(xué)院同步信號方波信號矩齒波矩齒波與直流電壓疊加信號尖脈沖直流電壓控制回路分析機(jī)械工程學(xué)院1）系統(tǒng)組成：速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器脈寬調(diào)節(jié)振蕩器脈寬調(diào)節(jié)MG電流反饋（2）晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械工程學(xué)院控制回路：

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。

脈寬調(diào)制器作用：將電壓量轉(zhuǎn)換成可由控制信號調(diào)節(jié)的矩形脈沖，為功率晶體管的基極提供一個寬度可由速度指令信號調(diào)節(jié)的脈寬電壓。組成：調(diào)制信號發(fā)生器（三角波和鋸齒波兩種）和比較放大器。原理：以三角波發(fā)生器為例介紹機(jī)械工程學(xué)院

2）脈寬調(diào)制器工作原理

利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，加到直流電動機(jī)的電樞上；通過調(diào)整控制方波脈沖寬度來改變電樞的平均電壓，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流脈寬調(diào)調(diào)制的基本原理機(jī)械工程學(xué)院周期不變脈寬脈寬脈寬脈寬平均直流電壓Uωt周期不變脈沖寬度正比代表速度F值的直流電壓機(jī)械工程學(xué)院R1+12VUSCR1R3R2+-12VUSrU△-USr

–速度指令轉(zhuǎn)化過來的直流電壓U△-三角波USC-脈寬調(diào)制器的輸出（USr+U△）調(diào)制波形圖ttUSr+U△+U

Sroo-U

SrttUSr為正時USr為負(fù)時USr+U△ttUSr為0時調(diào)制出正負(fù)脈寬一樣方波平均電壓為0調(diào)制出脈寬較寬的波形平均電壓為正調(diào)制出脈寬較窄的波形平均電壓為負(fù)機(jī)械工程學(xué)院結(jié)構(gòu)：有兩種形式：H型（橋式）、T型。每種電路又有單極性工作方式和雙極性工作方式，各種不同的工作方式又可組成可逆開關(guān)放大電路和不可逆開關(guān)放大電路

。3）開關(guān)功率放大器機(jī)械工程學(xué)院3）開關(guān)功率放大器主回路：可逆H型雙極式PWM

開關(guān)功率放大器電路圖:

由四個大功率晶體管（GTR）T1、T2、T3、T4

及四個續(xù)流二極管組成的橋式電路。H型：

又分為雙極式、單極式和受限單極式三種。Ub1、

Ub2、Ub3、Ub4–為調(diào)制器輸出，經(jīng)脈沖分配、基極驅(qū)動轉(zhuǎn)換過來的脈沖電壓。分別加到T1

、T2、T3

、T4的基極。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS-USUdUABOtUb1Ub4Ub2Ub3OOttt1Tidid1id2id1id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub4Ub2、Ub3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2機(jī)械工程學(xué)院工作原理：

T1

和T4同時導(dǎo)通和關(guān)斷，其基極驅(qū)動電壓Ub1=Ub4。T2和T3同時導(dǎo)通和關(guān)斷，基極驅(qū)動電壓Ub2=Ub3

=

–Ub1。以正脈沖較寬為例，既正轉(zhuǎn)時。負(fù)載較重時：①電動狀態(tài)：當(dāng)0≤t≤t1時，Ub1、Ub4為正，T1

和T4導(dǎo)通；Ub2、Ub3

為負(fù)，T2和T3截止。電機(jī)端電壓UAB=US，電樞電流id=id1，由US→T1→T4→

地。②續(xù)流維持電動狀態(tài)：在t1≤t≤T時，Ub1、Ub4為負(fù)，T1

和T4截止；

Ub2、Ub3

變正，但T2和T3并不能立即導(dǎo)通，因為在電樞電感儲能的作用下，電樞電流id=id2，由D2→D3續(xù)流，在D2、

D3

上的壓降使T2

、T3的c-e極承受反壓不能導(dǎo)通。UAB=-US。接著再變到電動狀態(tài)、續(xù)流維持電動狀態(tài)反復(fù)進(jìn)行，如上面左圖。負(fù)載較輕時：③反接制動狀態(tài)，電流反向：②狀態(tài)中，在負(fù)載較輕時，則id小，續(xù)流電流很快衰減到零，即t=t2時（見上面右圖），id=0。在t2～

T區(qū)段，

T2

、T3

在US

和反電動勢E的共同作用下導(dǎo)通，電樞電流反向，id=id3

由US→T3→T2→

地。電機(jī)處于反接制動狀態(tài)。④電樞電感儲能維持電流反向：在T

～t3區(qū)段時，驅(qū)動脈沖極性改變，

T2

、T3截止，因電樞電感維持電流，id=id4，由D4→D1。機(jī)械工程學(xué)院⑤電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止：

由正、負(fù)驅(qū)動電壓脈沖寬窄而定。當(dāng)正脈沖較寬時，既t1>

T/2，平均電壓為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；

當(dāng)正脈沖較窄時，既t1<T/2，平均電壓為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；如果正、負(fù)脈沖寬度相等，t1=T/2，平均電壓為零，電機(jī)停轉(zhuǎn)。⑥電機(jī)速度的改變：電樞上的平均電壓UAB越大，轉(zhuǎn)速越高。它是由驅(qū)動電壓脈沖寬度決定的。⑦雙極性：由以上分析表明：可逆H型雙極式PWM開關(guān)功率放大器，無論負(fù)載是重還是輕、電機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，加在電樞上的電壓極性在一個開關(guān)周期內(nèi)，都在US和

–US之間變換一次，故稱為雙極性。

機(jī)械工程學(xué)院4）PWM調(diào)速系統(tǒng)的特點①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?？焖傩院芒陔娏髅}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。③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)的直流電源為不受控的整流輸出，功率因數(shù)高。④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。機(jī)械工程學(xué)院近年來交流電機(jī)飛速發(fā)展，克服了直流電機(jī)結(jié)構(gòu)上的缺點，充分發(fā)揮了堅固耐用、經(jīng)濟(jì)可靠、動態(tài)響應(yīng)好，輸出功率大等優(yōu)點。因此，某些場合交流伺服電機(jī)已逐漸取代直流伺服電機(jī)。

1電刷和換向有磨損，有時會產(chǎn)生火花2換向器由多種材料制成，制作工藝復(fù)雜3電機(jī)最高速度受限制4結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高6）直流電機(jī)缺點：機(jī)械工程學(xué)院五、交流伺服電機(jī)與主軸驅(qū)動系統(tǒng)永磁同步型（SM型）異步感應(yīng)型（IM型）AC伺服電機(jī)本身結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，體積較小，重量較輕，沒有整流子機(jī)械換向，所以遠(yuǎn)比DC伺服電機(jī)便于維護(hù)。但速度的控制方法比DC伺服電機(jī)要復(fù)雜的多，對控制元件的容量及速度的要求也很高。交流伺服電機(jī)用三相正弦電流驅(qū)動機(jī)械工程學(xué)院永磁式同步電機(jī)：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠效率高；缺點：體積大、啟動特性欠佳。與直流電機(jī)比：外形尺寸、重量、轉(zhuǎn)子慣量大幅減小與異步交流伺服電機(jī)相比：效率高、體積小。故數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)多采用永磁式同步電機(jī)。異步型交流伺服電機(jī)與同容量的直流電機(jī)相比：優(yōu)點：重量輕，價格便宜；缺點：轉(zhuǎn)速受負(fù)載的變化影響較大，不能經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn)范圍較廣的平滑調(diào)速，故異步型交流伺服電機(jī)用在主軸驅(qū)動系統(tǒng)中。機(jī)械工程學(xué)院VSVS脈沖編碼器轉(zhuǎn)子定子接線盒定子三相繞組1．永磁式交流同步電機(jī)結(jié)構(gòu)：電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和檢測元件組成機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院2.永磁式交流同步電機(jī)工作原理和性能nr＝ns＝60f1／p

ns—同步轉(zhuǎn)速，θ—轉(zhuǎn)子磁極的軸線與定子磁極的軸線夾角，nr—轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，f1—交流電源頻率（定子供電頻率），p—定子和轉(zhuǎn)子的極對數(shù)

nSNns

nr

θ

S永磁交流同步伺服電機(jī)的性能

與直流伺服電機(jī)一樣，也用特性曲線和數(shù)據(jù)來表示。最主要的是轉(zhuǎn)矩-速度特性曲線。在連續(xù)工作區(qū)（Ⅰ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：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)（Ⅱ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。機(jī)械工程學(xué)院T（N-cm）

120001000080006000400020000100020003000Ⅰ

Ⅱ

特性曲線機(jī)械工程學(xué)院主要內(nèi)容（1）交流主軸電機(jī)

定子三相繞組通三相交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，磁場切割轉(zhuǎn)子中的導(dǎo)體，導(dǎo)體感應(yīng)電流與定子磁場相作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速nr為

ns—同步轉(zhuǎn)速f1—交流電源頻率（定子供電頻率）s—轉(zhuǎn)差率，s=(ns－nr)/nsp—極對數(shù)異步電機(jī)

變頻–

用于籠型電機(jī)調(diào)壓（定子電壓）電磁磚差離合器調(diào)阻（轉(zhuǎn)子電組）

串級調(diào)速

交–直–交交–交變轉(zhuǎn)差率變頻變極對數(shù)同步電機(jī)交流電動機(jī)由此可知調(diào)速方法：機(jī)械工程學(xué)院整流器:把交流電變?yōu)楣潭ǖ幕蚩烧{(diào)的直流電;逆變器:把固定的直流電變?yōu)楣潭ǖ幕蚩烧{(diào)的交流電;斬波器:把固定的直流電壓變?yōu)榭烧{(diào)的直流電壓.利