數(shù)控技術(shù)第4章43節(jié)

數(shù)控技術(shù)

華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院第一頁，共四十六頁。24.1概述4.2位置檢測裝置4.3進給電機及驅(qū)動4.4進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法第4章進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)

第二頁，共四十六頁。34.3進給電機及驅(qū)動CNC裝置發(fā)出的位移指令信號，由伺服驅(qū)動裝置作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機和機械傳動機構(gòu)，驅(qū)動機床的工作臺等執(zhí)行部件實現(xiàn)工作進給或快速運動.進給驅(qū)動系統(tǒng)的組成：

驅(qū)動器和電機。進給電機的類型：

步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機和直線電機。第三頁，共四十六頁。44.3.1步進電機及驅(qū)動

驅(qū)動器每向步進電機輸入一個電脈沖信號，步進電機轉(zhuǎn)動一個角度，稱為步距角，通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。步進式進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。步進電機轉(zhuǎn)過的角度與電脈沖信號個數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動速度與電脈沖信號的頻率成正比。優(yōu)點：電機具有自鎖能力；

控制簡單。

缺點：

在大負(fù)載和速度較高的情況下容易失步，能耗較大。應(yīng)用：步進電機的速度不高，在脈沖當(dāng)量為1μm/脈沖時，最高移動速度為2m/min，主要用于速度和精度要求不太高的經(jīng)濟型數(shù)控機床和舊機床改造。4.3進給電機及驅(qū)動第四頁，共四十六頁。51.步進電機分類：常見的分類方式有按相數(shù)、按產(chǎn)生力矩的原理、按輸出力矩的大小和結(jié)構(gòu)進行分類

按相數(shù)分：有三相、四相、五相、六相等。相數(shù)越多，步距角越小，輸出轉(zhuǎn)矩越大，但結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。通電方式采用m相m拍、雙m拍和m相2m拍等。按力矩產(chǎn)生的原理分：有反應(yīng)式、永磁反應(yīng)式和混合式三類。按輸出力矩的大小分：快速步進電機（0.07Nm～4Nm）和功率步進電機（5Nm～50Nm）兩類。按結(jié)構(gòu)分類：有軸向分相式（即多段式）和徑向分相式（即單段式）。4.3進給電機及驅(qū)動第五頁，共四十六頁。62.步進電機工作原理反應(yīng)式步進電機的定子上有磁極，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4.3進給電機及驅(qū)動第六頁，共四十六頁。7AB定子轉(zhuǎn)子IAIBIC兩個相對的磁極組成一相。注意：這里的“相”和三相交流電中的“相”的概念不同。步進電機通的是電脈沖，主要是指線圖的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。4.3進給電機及驅(qū)動第七頁，共四十六頁。8步進電機的工作方式(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：三相繞組聯(lián)接方式：Y型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

4.3進給電機及驅(qū)動第八頁，共四十六頁。94.3進給電機及驅(qū)動第九頁，共四十六頁。10B'A'CC'BA3412A相通電B相通電C相通電BB'A'CC'A3412B'A'CC'BA3412CA4.3進給電機及驅(qū)動第十頁，共四十六頁。11三相單三拍的工作特點：每來一個電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30；轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序；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。4.3進給電機及驅(qū)動第十一頁，共四十六頁。122）雙三拍工作方式定子繞組通電順序：AB→BC→CA→AB…（轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)）AC→BC→CA→…（轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)）有兩對磁極同時對轉(zhuǎn)子的兩對齒進行吸引，每步仍旋轉(zhuǎn)30°。雙三拍工作特點：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。4.3進給電機及驅(qū)動3）三相六拍工作方式

通電順序為：A→AB→B→BC→C→CA→A…（逆時針）A→AC→C→BC→B→CA→A…（順時針）第十二頁，共四十六頁。134.3進給電機及驅(qū)動三相六拍工作特點：每步轉(zhuǎn)過15°，步距角是三相三拍工作方式的一半，電機運轉(zhuǎn)中始終有一相定子繞組通電，運轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)。第十三頁，共四十六頁。143.步進電機實際結(jié)構(gòu)：

轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多，齒數(shù)越多，步距角越小。定子磁極上的齒的齒距與轉(zhuǎn)子的齒距相同，但各極的齒依次與轉(zhuǎn)子的齒錯開齒距的1／m（m電機相數(shù)）。每次定子繞組通電狀態(tài)改變時，轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn)過齒距的1／m（如三相三拍）或1／2m（如三相六拍）達(dá)到新的平衡位置。4.3進給電機及驅(qū)動第十四頁，共四十六頁。15

若轉(zhuǎn)子40個齒，通電為三相三拍方式。當(dāng)轉(zhuǎn)子齒與A相定子齒對齊時，轉(zhuǎn)子齒與B相定子齒相差（3°），與C相定子齒相差（6°）。4.3進給電機及驅(qū)動第十五頁，共四十六頁。16每給一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角度的理論值。4.步進電機的主要特性

1）步距角α

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。

α一般很小，如：3°／1.5°，1.5°／0.75°，0.72°／0.36°等4.3進給電機及驅(qū)動第十六頁，共四十六頁。17靜態(tài)：步進電機處于通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子處在不動狀態(tài)。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mj

：在電機軸上施加一個負(fù)載轉(zhuǎn)矩M，轉(zhuǎn)子會在載荷方向上轉(zhuǎn)過一個角度θ（失調(diào)角），轉(zhuǎn)子因而受到一個電磁轉(zhuǎn)矩Mj的作用與負(fù)載平衡。2）靜態(tài)矩角特性矩角特性：步進電機單相通電的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mj隨失調(diào)角θ的變化曲線。4.3進給電機及驅(qū)動第十七頁，共四十六頁。*18步進電機驅(qū)動控制器主要由加減速控制器、環(huán)形分配器和功率放大器組成4.3進給電機及驅(qū)動5.步進電機的驅(qū)動控制器

加減

速控

制器

環(huán)形

分配

器

功率

放大

器

進給脈沖

步進電機繞組

第十八頁，共四十六頁。*19環(huán)形分配器軟件算法:將“輸出字”以表格形式存放在指定的RAM或EPROM；當(dāng)加減速控制器送來正向進給脈沖指令時，環(huán)形分配器軟件正序依次取出表格中的數(shù)據(jù)輸出，控制步進電機逆時針方向轉(zhuǎn)動；當(dāng)加減速控制器送來負(fù)向脈沖時，環(huán)形分配器反序依次取出表格中的數(shù)據(jù)輸出，控制步進電機順時針方向轉(zhuǎn)動。4.3進給電機及驅(qū)動第十九頁，共四十六頁。204.3.2交流伺服電機及驅(qū)動

伺服驅(qū)動的發(fā)展歷程：步進電機→直流伺服電機→交流伺服電機→…

旋轉(zhuǎn)式電機→直線電機→…理由：閉環(huán)提高精度。

直流伺服電機調(diào)速方便，90年代以前大量使用（交流在性能成本方面不占優(yōu)）。但直流伺服電機的容量小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、有電刷、體積大和重量重，因此，其應(yīng)用受到限制。隨著交流伺服驅(qū)動性價比提高，交流伺服驅(qū)動電機已漸漸取代了直流伺服電機。4.3進給電機及驅(qū)動第二十頁，共四十六頁。211.交流伺服電機的種類、結(jié)構(gòu)及工作原理（1）交流伺服電機的種類及特點交流伺服電機有同步型和異步型兩大類。異步型交流電機指的是交流感應(yīng)電機。同步型交流電機按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同可分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。數(shù)控機床中多用永磁式同步電機。4.3進給電機及驅(qū)動第二十一頁，共四十六頁。22永磁式同步電機：優(yōu)點：比直流電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、體積約小1/2，質(zhì)量減輕60﹪，轉(zhuǎn)子慣量可減小到1/5、效率高。缺點：啟動特性欠佳、控制復(fù)雜應(yīng)用：進給驅(qū)動異步型交流伺服電機：優(yōu)點：與同容量的直流電機相比重量輕（1/2），價格便宜(1/3)；缺點：轉(zhuǎn)速受負(fù)載的變化影響較大，不能經(jīng)濟地實現(xiàn)范圍較廣的平滑調(diào)速，效率較低、功率因數(shù)低應(yīng)用：主軸驅(qū)動系統(tǒng)。4.3進給電機及驅(qū)動第二十二頁，共四十六頁。23VSVS脈沖編碼器轉(zhuǎn)子定子接線盒定子三相繞組（2）交流永磁同步電機的工作原理與特性結(jié)構(gòu)：電機由定子、轉(zhuǎn)子和檢測元件組成。4.3進給電機及驅(qū)動第二十三頁，共四十六頁。24nr＝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通過調(diào)節(jié)頻率和極對數(shù)實現(xiàn)調(diào)速。4.3進給電機及驅(qū)動第二十四頁，共四十六頁。25U1—定子每相相電壓；E1—定子每相繞組感應(yīng)電動勢；N1—定子每相繞組匝數(shù)；K1—定子每相繞組匝數(shù)系數(shù)；

—每極氣隙磁通量；Tm—電機電磁轉(zhuǎn)矩；Ia—轉(zhuǎn)子電樞電流；—轉(zhuǎn)子電樞電流的相位角。2.交流同步電機的變頻調(diào)速原理交流電機的電動勢方程、轉(zhuǎn)矩方程：4.3進給電機及驅(qū)動第二十五頁，共四十六頁。26在變頻調(diào)速的同時，要求供電電壓也隨之變化，即滿足U1/f1為定值，以確保磁通量不變。

因為變頻調(diào)速時，當(dāng)U1不變，增加頻率f1，則磁通量減小，導(dǎo)致電機輸出轉(zhuǎn)矩Tm下降，電機負(fù)載能力降低；若減小頻率f1，磁通量增加，定子電流上升，導(dǎo)致鐵損增加。變頻調(diào)速控制方式：基頻以下調(diào)速——當(dāng)電機在f1的額定參數(shù)下運行時，供電頻率低于額定值。基頻以上調(diào)速——當(dāng)電機在f1的額定參數(shù)上運行時，供電頻率高于額定值。4.3進給電機及驅(qū)動第二十六頁，共四十六頁。273．交流同步伺服電機的變頻器變頻器將交流恒壓恒頻的供電電源轉(zhuǎn)變?yōu)樽儔鹤冾l的供電電源。（1）變頻器類型

變頻器可分為交—交變頻器（直接變頻器）和交—直—交變頻器（間接變頻器）兩種。應(yīng)用最多的是交—直—交變頻器。

根據(jù)變頻電源的性質(zhì)，又可分為電壓源變頻器和電流源變頻器。4.3進給電機及驅(qū)動第二十七頁，共四十六頁。28交—交變頻：利用可控硅整流器直接將工頻交流電（頻率50Hz）變成頻率較低的脈動交流電，正組輸出正脈沖，反組輸出負(fù)脈沖，脈動交流電的基波就是所需的變頻電壓。該方法所得的交流電波動比較大，且最大頻率即為變頻器輸入的工頻電壓頻率。4.3進給電機及驅(qū)動第二十八頁，共四十六頁。29交—直—交變頻：先將交流電整流成直流電，然后將直流電壓變成矩形脈沖波電壓，矩形脈沖波的基波是所需的變頻電壓。該調(diào)頻方式所得交流電的波動小，調(diào)頻范圍比較寬，調(diào)節(jié)線性度好。4.3進給電機及驅(qū)動第二十九頁，共四十六頁。30（2）正弦波脈沖調(diào)制（SPWM）逆變器脈寬調(diào)制（PWM）變頻——是通過脈沖信號控制逆變器開關(guān)元件的導(dǎo)通和關(guān)斷時間比（即調(diào)節(jié)脈沖的寬度）來控制輸出電壓的大小和頻率，從而實現(xiàn)調(diào)速。uUUutttt4.3進給電機及驅(qū)動第三十頁，共四十六頁。31正弦脈寬調(diào)制（SPWM）——是利用有正弦波特性的脈沖信號去控制逆變器開關(guān)元件的通、斷時間比。此時，變頻器輸出近似于正弦波的電流，使得電機電源近似為正弦交流電。SPWM變頻器是目前數(shù)控機床應(yīng)用最廣泛的變頻器。4.3進給電機及驅(qū)動第三十一頁，共四十六頁。32SPWM原理單相調(diào)制原理正弦脈寬調(diào)制（SPWM）波形:與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波。等效原理：把正弦波分成n等分，每一區(qū)間面積用與其相等的等幅不等寬的矩形面積代替。正弦波的正負(fù)半周均如此處理。uωtωtuOOa)b)4.3進給電機及驅(qū)動第三十二頁，共四十六頁。33整流器：將三相工頻交流電變成直流電逆變器：將整流輸出的直流電壓變成三相交流電

三相SPWM變頻器的主回路結(jié)構(gòu)圖4.3進給電機及驅(qū)動第三十三頁，共四十六頁。344.3.3直線電機及驅(qū)動直線電機直接驅(qū)動工件臺直線運動。取消了從電機到工作臺（拖板）之間的機械中間傳動環(huán)節(jié)，即把機床進給傳動鏈的長度縮短為零，故這種傳動方式又稱為“直接驅(qū)動”，也稱“零傳動”。適用于進給驅(qū)動速度高于60m/min以上，加速度1g以上的高速數(shù)控機床。4.3進給電機及驅(qū)動第三十四頁，共四十六頁。35優(yōu)點：電機慣量小，系統(tǒng)響應(yīng)快、速度高，速度和加速度都可提高10倍以上（700m/min，40G）。運動更加平穩(wěn)、噪聲低、傳動效率高，動態(tài)剛度高?？稍O(shè)計成均布對稱，工作臺運動時受力均勻分布，運動推力平衡可無限延長定子的行程，運動的行程不受限制缺點：沒有機械聯(lián)接或嚙合，垂直軸傳動需要外加一個平衡塊或制動器磁鐵對電機部件的吸力很大，需解決防護、隔磁問題4.3進給電機及驅(qū)動第三十五頁，共四十六頁。36如果將旋轉(zhuǎn)電機沿過軸線的平面剖開，并將定子、轉(zhuǎn)子圓周展開成平面，便形成了扁平形直線電機。固定不動的部分稱為定子，動作部分稱為動子。

由感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)電機演變的直線電機稱感應(yīng)式直線電機。

由永磁式旋轉(zhuǎn)電機演變的直線電機稱永磁式直線電機。直線電機的類型和結(jié)構(gòu)4.3進給電機及驅(qū)動第三十六頁，共四十六頁。37感應(yīng)式直線電機的演變：4.3進給電機及驅(qū)動第三十七頁，共四十六頁。38永磁式直線電機的演變：

4.3進給電機及驅(qū)動第三十八頁，共四十六頁。39旋轉(zhuǎn)電機演變?yōu)閳A筒型直線電機的過程

4.3進給電機及驅(qū)動第三十九頁，共四十六頁。40弧型直線電機

圓盤型直線電機

4.3進給電機及驅(qū)動第四十頁，共四十六頁。412.直線電機的基本工作原理直線電機不僅在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于是從旋轉(zhuǎn)電機演變而來的，而且其工作原理也與旋轉(zhuǎn)電機相似。定子動子4.3