伺服電機在數控機床上的應用

伺服電機在數控機床上的應用第一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期六數控機床伺服驅動及控制技術

控制方式數控機床電機驅動主要指對機床的工作臺和主軸的控制。其控制方式有三種，如下表第二頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期六數控機床伺服驅動及控制技術

開環(huán)控制

NC指令步進電機工作臺步進電機驅動器第三頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期六數控機床伺服驅動及控制技術

半閉環(huán)控制

NC指令位置控制速度控制電機工作臺傳感器第四頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期六數控機床伺服驅動及控制技術

全閉環(huán)控制

NC指令位置控制速度控制電機工作臺測速發(fā)電機第五頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期六數控機床伺服驅動及控制技術

混合式控制

NC指令位置控制速度控制電機工作臺比較器測速機旋變第六頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期六NSNS數控機床伺服驅動及控制技術

伺服電機的控制原理（1）直流電機的原理直流電機工作原理：根據弗來名左手定則，在磁場中通電導線產生運動。線卷通電流，炭刷在幾何中心線，產生的轉子磁場與定子磁場相垂直。為了保持線卷的轉向不變。其中的電流交變。第七頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期六數控機床伺服驅動及控制技術

伺服電機的控制原理（2）交流電機的原理如下：

（1）未通電流（2）S線卷通電流（3）T線卷通電流

根據上面的分析，交流伺服電機和同步電機的構造相似。根據弗來名左手定則，在磁場中通電導線產生運動。它的控制是通過放大器把直流變成可變頻的交流，它和一般異步機，同步機不同，這種變頻器的輸出頻率是受安裝在同步機轉子軸上的位置傳感器所控制。每當電機轉過一對磁極，逆變器的交流電輸出相應交變一個周期，這是一種“自控式變頻器”，它保證變頻器的輸出頻率和電機的轉速始終保持同步，而不失步。T2S1R2S2‘T1R1NST2S1R2S2‘T1R1NST2S1R2S2‘T1R1NS第八頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期六數控機床伺服驅動及控制技術

伺服電機的控制原理（3）直流電機與交流電機的區(qū)別第九頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期六數控機床伺服驅動及控制技術

伺服電機的控制原理（4）

實際的FANUC伺服電機結構圖

縱剖面圖橫剖面圖1，定子2，磁鐵3，通風孔4，軸1，定子2，磁鐵3，壓板4，繞組實際的FANUC伺服電機是8極的，其轉速為N（min-1），5，編碼器6，出線N＝(2f/8)x60=15f,例如，當f=80Hz,N=15x80=1200（min-1）;第十頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期六數控機床伺服驅動及控制技術

伺服電機的控制原理（5）交流伺服速度控制原理A為放大器F/V為頻率電壓變換器VCMD乘計算轉子位置計算A乘計算AAA三角波F/VPWM驅動IGBTMPCTorqueSINθSIN（θ－240°）θRST第十一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期六數控機床伺服驅動及控制技術

伺服電機的控制原理（7）關于編碼器：FANUC的交流伺服電機要求根據轉子的位置旋轉，由于編碼器裝在轉子上，也就是利用轉子的位置控制定子的電流。使定子電流產生的磁勢領前于轉子磁勢90°。其內裝編碼器分兩部分：絕對值部分和增量部分。以下是絕對值部分，利用格雷碼編碼。提高了抗干擾的能力。第十二頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期六數控機床伺服驅動及控制技術

伺服電機的控制原理（8）只采用格雷碼的編碼器精度不高，每360°電角度很難保證電機的電流為平滑正弦波形。為此增加細分部分。利用增量式脈沖編碼器，比如每360°電角度內有2000P脈沖，那么每格雷碼為2000P/16＝215P，細分原理三相正弦電流的產生第十三頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期六數控機床伺服驅動及控制技術

伺服電機的控制原理（9）PWM控制：如右圖。利用三角波的載波得到近似的正弦波輸出。其載波的頻率為1－3kHz。三相伺服電機就是利用這種方波供電。因此電壓波形不是正弦，而電流卻是正弦。第十四頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期六數控機床伺服驅動及控制技術

主軸電機的控制原理（1）主軸矢量控制原理：感應電動機的定子旋加1的三相交流電壓，產生1旋轉電機的等效電路如下：的磁場。假設定子為相互正交以角速度1旋轉的兩繞組1－1‘和2－2組成。1－1流過勵磁電流分量I0產生旋轉磁通2，轉子繞組3－3感應電流，因而2－2繞組也感應電流I2；電機的轉矩T為：T2I2I0I2第十五頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期六數控機床伺服驅動及控制技術

主軸電機的控制原理（2）主軸矢量控制原理：

根據矢量控制的原理，I0與I2之間要求正交那么從上面的電路圖可以看出：

1×M’×I0＝(r2’/s)×I2，所以

s×1＝(r2’/M’)×(I2/I0)=(r2/L2)×(I2/I0)這就是矢量控制的條件。第十六頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期六數控機床伺服驅動及控制技術

伺服電機的控制原理（2）第十七頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期六數控機床伺服驅動及控制技術

主軸電機的控制原理（3）左圖為目前數控系統(tǒng)中使用的控制圖共用一個電源和一個再生控制第十八頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期六數控機床伺服驅動及控制技術

伺服放大器的發(fā)展（1）相位控制70年代早期：以低頻響應和大的轉子慣量保證魯棒性和穩(wěn)定性PWM控制70年代末期：采用PWM，提高了響應性，中低慣量的直流電機仍得到應用。第十九頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期六數控機床伺服驅動及控制技術

伺服放大器的發(fā)展（2）伺服進給采用同步機主軸壓頻及滑差控制80年代早期：由于同步電機的高響應及急仃時的動態(tài)制動而采用。異步電機變頻時具有寬的恒功率調速范圍而得到應用。第二十頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期六數控機床伺服驅動及控制技術

伺服放大器的發(fā)展（3）矢量控制及采用DSP80年代后期：由于矢量算法的解決；DSP在控制電機中的應用；以及IGBT具有更好的特性產生了數字伺服。第二十一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期六數控機床伺服驅動及控制技術

伺服放大器的發(fā)展（4）數字控制90年代：數字伺服控制技術的改進，以實現(xiàn)高速，高精加工。前饋控制矢量控制第二十二頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期六數控機床伺服驅動及控制技術

伺服放大器的發(fā)展（5）采用數字伺服技術伺服控制越來越多采用數字伺服系統(tǒng)。伺服技術是NC系統(tǒng)的重要組成部分。廣義上說，采用計算機控制，控制算法采用軟