機械伺服系統(tǒng)設(shè)計

機械伺服系統(tǒng)設(shè)計第1頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月8.1概

述

伺服系統(tǒng)是指以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的進給指令信號，經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放大后驅(qū)動執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運動。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置(計算機)和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成部分。數(shù)控機床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、伺服機構(gòu)或伺服單元。該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，綜合性強。7/14/2023第2頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月8.1概

述

進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說C裝置是數(shù)控系統(tǒng)的“大腦”，是發(fā)布“命令”的“指揮所”，那么進給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢”，是一種“執(zhí)行機構(gòu)”。它忠實地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來的運動命令，精確控制執(zhí)行部件的運動方向，進給速度與位移量。7/14/2023第3頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月一、伺服系統(tǒng)的分類分類名稱特點按控制特點分點位控制點位控制系統(tǒng)是指控制點與點之間位置，而對運動軌跡沒有嚴格規(guī)定，如精密定位工作臺的定位。連續(xù)控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)則是用控制裝置連續(xù)控制兩個軸或多個軸同時連續(xù)運動、實現(xiàn)平面或空間曲面內(nèi)的精密定位按控制技術(shù)分開環(huán)伺服系統(tǒng)

控制裝置發(fā)出運動指令脈沖后，無法確定運動的預(yù)期目標是否達到要求。適用于對運動速度和定位精度要求不高的場合閉環(huán)伺服系統(tǒng)

閉環(huán)伺服系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)相比，增加了檢測裝置，可以隨時測出工作臺的實際位移，并將測得值反饋到數(shù)學控制裝置中與指令信號進行比較，用比較后的差值進行控制。閉環(huán)伺服系統(tǒng)按反饋和比較方式不同分為脈沖比較式、幅度比較式、相位比較式等。閉環(huán)伺服系統(tǒng)實質(zhì)上是一個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。檢測裝置的精度是影響閉環(huán)伺服系統(tǒng)精度的主要因素。第4頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月二、伺服驅(qū)動裝置常用的驅(qū)動裝置有：

步進電機—它用電脈沖控制，每輸入一個脈沖，電機就移進一步，可以改變脈沖頻率在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，可以點動，也可以連續(xù)動，可正轉(zhuǎn)也可反轉(zhuǎn)，停機時有自鎖能力，它的步距角和轉(zhuǎn)速不受電壓波動和負載變化的影響，也不受環(huán)境影響，僅與脈沖頻率有關(guān)。步距誤差不累積，一般在15′以內(nèi)。步進電機運行時會出現(xiàn)超調(diào)或振蕩，要注意低頻時振動對工作臺運動的影響，突然起動時有滯后。

直流電機—運動平穩(wěn)，改變驅(qū)動電壓可以改變轉(zhuǎn)速，也能換向，控制方便，驅(qū)動平穩(wěn)，噪聲小，但不能自鎖，控制精度不如步進電機。

同步電機—同步電機一般用于同步控制的場合。

壓電陶瓷驅(qū)動器—壓電陶瓷驅(qū)動是近年來應(yīng)用越來越廣泛的驅(qū)動器。它分辨力高，可達納米級，控制簡單，但驅(qū)動范圍較小。此外該驅(qū)動無摩擦、不發(fā)熱，但有滯后和漂移現(xiàn)象。第5頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月三、機械傳動裝置伺服系統(tǒng)中的機械傳動裝置有齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、絲杠傳動、彈性傳動、摩擦傳動等。傳動裝置的作用是傳遞轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，要求能使工作臺靈敏、準確、穩(wěn)定地跟蹤指令，實現(xiàn)精確移動。（1）機械傳動裝置的選擇

選擇機械傳動裝置的主要依據(jù)是工作臺的定位分辨力和定位精度。將步進電動機與齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動或絲杠傳動相結(jié)合，可以達到微米甚至亞微米級的分辨力，當要求位移傳動分辨力更高時由于這幾種傳動具有摩擦，有間隙和空程及爬行，很難達到要求。當要求分辨力達到0.1～0.01μm量級時可采用摩擦傳動和彈性傳動；而當要求納米級的位移分辨力時，常采用壓電陶瓷驅(qū)動與彈性傳動相結(jié)合。如壓電陶瓷驅(qū)動與柔性鉸鏈傳動相組合等。（2）機械傳動裝置的減速比在伺服控制系統(tǒng)中，要求輸入指令驅(qū)使工作臺從某一速度變到另一速度時，電動機應(yīng)能提供最大加速度，即要求工作臺迅速響應(yīng)指令。因此設(shè)計時應(yīng)盡量使加速度達到最大值，即存在最佳轉(zhuǎn)速比。第6頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量為I，電動機最大轉(zhuǎn)矩為Mm，則由加速度公式，求得最佳轉(zhuǎn)速比為（8-1）最大角加速度為（8-2）（3）機械傳動裝置的動力設(shè)計動力系統(tǒng)要能提供足夠的力矩和功率，以使工作臺能跟隨指令運動。則需滿足動力平衡方程（8-3）式中，Mj為電動機軸加速力矩；Mf為摩擦力矩；ML為載荷力矩。（4）剛度計算由于機械傳動裝置中存在著摩擦和各個零部件都會有一定柔性，因而在輸入指令開始驅(qū)動工作臺時，由于傳動環(huán)節(jié)的彈性變形，將導致工作臺不能立即跟隨指令移動，從而造成一定的失動量，影響定位精度。而當工作臺低速運行時，由于傳動環(huán)節(jié)的摩擦及剛度和導軌的摩擦又會造成爬行而使運動不均勻，同時剛度還影響固有頻率。第7頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月8.1.1伺服系統(tǒng)的組成

組成：伺服電機驅(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)。7/14/2023第8頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月8.1.1伺服系統(tǒng)的組成

位置調(diào)解速度調(diào)解電流調(diào)解轉(zhuǎn)換驅(qū)動工作臺電流反饋速度反饋位置反饋MG

位置、速度和電流環(huán)均由：調(diào)節(jié)控制模塊、檢測和反饋部分組成。電力電子驅(qū)動裝置由驅(qū)動信號產(chǎn)生電路和功率放大器組成。嚴格來說：位置控制包括位置、速度和電流控制；速度控制包括速度和電流控制。7/14/2023第9頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月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。包括定位精度和輪廓加工精度。2．穩(wěn)定性好

穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。3．快速響應(yīng)

快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。4．調(diào)速范圍寬

調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機械要求電機能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。0～24m/min。5．低速大轉(zhuǎn)矩

進給坐標的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個速度范圍內(nèi)都要保持這個轉(zhuǎn)矩；主軸坐標的伺服控制在低速時為恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩。在高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。8.1.2對伺服系統(tǒng)的基本要求

7/14/2023第10頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月對伺服電機的要求：（1）調(diào)運范圍寬且有良好的穩(wěn)定性，低速時的速度平穩(wěn)性（2）電機應(yīng)具有大的、較長時間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。（3）反應(yīng)速度快，電機必須具有較小的轉(zhuǎn)動慣量、較大的轉(zhuǎn)矩、盡可能小的機電時間常數(shù)和很大的加速度

(400rad/s2以上)。（4）能承受頻繁的起動、制動和正反轉(zhuǎn)。8.1.2對伺服系統(tǒng)的基本要求

7/14/2023第11頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

1．按調(diào)節(jié)理論分類（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)

（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)

（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)8.1.2伺服系統(tǒng)的分類指令驅(qū)動電路步進電機工作臺脈沖伺服電機速度檢測速度控制位置控制位置檢測伺服電機速度控制位置控制工作臺脈沖編碼器指令7/14/2023第12頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月8.1.2

伺服系統(tǒng)的分類開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置→進給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。電機機械執(zhí)行部件A相、B相C相、…f、nCNC插補指令脈沖頻率f脈沖個數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大7/14/2023第13頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

8.1.2

伺服系統(tǒng)的分類無位置反饋，精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動系統(tǒng)和機械傳動機構(gòu)的性能和精度。一般以功率步進電機作為伺服驅(qū)動元件。這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。7/14/2023第14頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月8.1.2

伺服系統(tǒng)的分類

半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖所示，是從驅(qū)動裝置(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。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++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋7/14/2023第15頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月8.1.2

伺服系統(tǒng)的分類半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機械傳動環(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。但可對這類誤差進行補償，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機床中得到了廣泛應(yīng)用。7/14/2023第16頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月8.1.2

伺服系統(tǒng)的分類

全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)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行檢測。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++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋7/14/2023第17頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月8.1.2伺服系統(tǒng)的分類

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。由于位置環(huán)內(nèi)的許多機械傳動環(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)控機床等。7/14/2023第18頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月2．按使用的執(zhí)行元件分類

（1）電液伺服系統(tǒng)電液脈沖馬達和電液伺服馬達。優(yōu)點：在低速下可以得到很高的輸出力矩，剛性好，時間常數(shù)小、反應(yīng)快和速度平穩(wěn)。缺點：液壓系統(tǒng)需要供油系統(tǒng)，體積大。噪聲、漏油。（2）電氣伺服系統(tǒng)伺服電機（步進電機、直流電機和交流電機）優(yōu)點：操作維護方便，可靠性高。

1）直流伺服系統(tǒng)

進給運動系統(tǒng)采用大慣量寬調(diào)速永磁直流伺服電機和中小慣量直流伺服電機；主運動系統(tǒng)采用他激直流伺服電機。優(yōu)點：調(diào)速性能好。缺點：有電刷，速度不高。

2）交流伺服系統(tǒng)交流感應(yīng)異步伺服電機（一般用于主軸伺服系統(tǒng)）和永磁同步伺服電機（一般用于進給伺服系統(tǒng)）。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、不需維護、適合于在惡劣環(huán)境下工作。動態(tài)響應(yīng)好、轉(zhuǎn)速高和容量大。8.1.2

伺服系統(tǒng)的分類7/14/2023第19頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月3．按被控對象分類（1）進給伺服系統(tǒng)指一般概念的位置伺服系統(tǒng)，包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。（2）主軸伺服系統(tǒng)只是一個速度控制系統(tǒng)。

C軸控制功能。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)（2）相位比較伺服系統(tǒng)（3）幅值比較伺服系統(tǒng)

（4）全數(shù)字伺服系統(tǒng)8.1.2

伺服系統(tǒng)的分類7/14/2023第20頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2伺服電動機

伺服電動機為數(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。

數(shù)控機床中常用的伺服電機：直流伺服電機（調(diào)速性能良好）交流伺服電機（主要使用的電機）步進電機（適于輕載、負荷變動不大）直線電機（高速、高精度）

7/14/2023第21頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

常用的直流電動機有：永磁式直流電機（有槽、無槽、杯型、印刷繞組）勵磁式直流電機混合式直流電機無刷直流電機直流力矩電機

直流進給伺服系統(tǒng)：永磁式直流電機類型中的有槽電樞永磁直流電機（普通型）；

直流主軸伺服系統(tǒng)：勵磁式直流電機類型中的他激直流電機。

8.2.1直流伺服電機及工作特性7/14/2023第22頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

1．直流伺服電機的結(jié)構(gòu)極靴機殼瓦狀永磁材料（定子）電樞（轉(zhuǎn)子）換向極主磁極定子轉(zhuǎn)子線圈圖6.5永磁直流伺服電機的結(jié)構(gòu)圖6.6直流主軸電機結(jié)構(gòu)示意圖7/14/2023第23頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月⑴靜態(tài)特性電磁轉(zhuǎn)矩由下式表示:

（1）

KT

—轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

Φ—磁場磁通；Ia—電樞電流；TM—電磁轉(zhuǎn)矩。電樞回路的電壓平衡方程式為:

（2）

Ua─電樞上的外加電壓；Ra─電樞電阻；Ea─電樞反電勢。

電樞反電勢與轉(zhuǎn)速之間有以下關(guān)系：

（3）

Ke─電勢常數(shù)；ω─電機轉(zhuǎn)速（角速度）。

根據(jù)以上各式可以求得：

（4）

2一般直流電機的工作特性

7/14/2023第24頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

當負載轉(zhuǎn)矩為零時：理想空載轉(zhuǎn)速（5）

當轉(zhuǎn)速為零時：啟動轉(zhuǎn)矩(6）

當電機帶動某一負載TL時電機轉(zhuǎn)速與理想空載轉(zhuǎn)速的差（7）

2一般直流電機的工作特性

ωO△ω

直流電機的機械特性ω（n）

ωOO△ω

TS

T

TL

7/14/2023第25頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

⑵動態(tài)特性直流電機的動態(tài)力矩平衡方程式為

（8）

式中

TM─電機電磁轉(zhuǎn)矩；

TL─折算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩；

ω─電機轉(zhuǎn)子角速度；

J─電機轉(zhuǎn)子上總轉(zhuǎn)動慣量；

t─時間自變量。

2一般直流電機的工作特性

7/14/2023第26頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

(1)永磁直流伺服電機的性能特點

1)低轉(zhuǎn)速大慣量

2)轉(zhuǎn)矩大

3)起動力矩大

4)調(diào)速泛圍大，低速運行平穩(wěn)，力矩波動小

(2)永磁直流伺服電機性能用特性曲線和數(shù)據(jù)表描述

1)轉(zhuǎn)矩-速度特性曲線（工作曲線）

2)負載-工作周期曲線

過載倍數(shù)Tmd，負載工作周期比d。

3)數(shù)據(jù)表：N、T、時間常數(shù)、轉(zhuǎn)動慣量等等。

3．永磁直流伺服電機的工作特性

7/14/2023第27頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

3．永磁直流伺服電機的工作特性

d%

80110%120%60130%140%40160%d180%20200%

013tR6103060100tR(min)

圖8﹒9負載-工作周期曲線M/（N-cm）轉(zhuǎn)矩極限

1200010000瞬時換向極限

8000Ⅲ6000Ⅱ換向極限速度極限4000溫度極限

2000Ⅰ050010001500n圖8﹒8永磁直流伺服電機工作曲線

Ⅰ區(qū)為連續(xù)工作區(qū)；Ⅱ區(qū)為斷續(xù)工作區(qū)，由負載-工作周期曲線決定工作時間；Ⅲ區(qū)為瞬時加減速區(qū)7/14/2023第28頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

3．永磁直流伺服電機的工作特性

d%

80110%120%60130%140%40160%d180%20200%

013tR6103060100tR(min)

圖8﹒9負載-工作周期曲線M/（N-cm）轉(zhuǎn)矩極限

1200010000瞬時換向極限

8000Ⅲ6000Ⅱ換向極限速度極限

4000溫度極限

2000Ⅰ050010001500n圖8﹒8永磁直流伺服電機工作曲線

Ⅰ區(qū)為連續(xù)工作區(qū)；Ⅱ區(qū)為斷續(xù)工作區(qū)，由負載-工作周期曲線決定工作時間；Ⅲ區(qū)為瞬時加減速區(qū)7/14/2023第29頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

4．主軸直流伺服電機的工作原理和特性O(shè)njnmaxnP,T12直流主軸電機特性曲線

1-轉(zhuǎn)矩特性曲線2-功率特性曲線7/14/2023第30頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月直流伺服電機的缺點：

◆它的電刷和換向器易磨損；◆電機最高轉(zhuǎn)速的限制，應(yīng)用環(huán)境的限制；◆結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高。交流伺服電機的優(yōu)點：◆動態(tài)響應(yīng)好；◆輸出功率大、電壓和轉(zhuǎn)速提高交流伺服電機形式：◆同步型交流伺服電機和◆異步型交流感應(yīng)伺服電機。

8.2交流伺服電機及工作特性

VSVS7/14/2023第31頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月交流同步伺服電機的種類：勵磁式、永磁式、磁阻式和磁滯式

（1）永磁交流同步伺服電機的結(jié)構(gòu)

1．永磁交流同步伺服電機的結(jié)構(gòu)和工作原理

VSVS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結(jié)構(gòu)

7/14/2023第32頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月1．永磁交流同步伺服電機的結(jié)構(gòu)和工作原理

7/14/2023第33頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）永磁交流同步伺服電機工作原理和性能

1．永磁交流同步伺服電機的結(jié)構(gòu)和工作原理

n（r/min）

VSNnsnr

θ

S

工作原理

特性曲線T（N-cm）

120001000080006000400020000100020003000Ⅰ

Ⅱ

7/14/2023第34頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月交流主軸電機的要求：大功率低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率鼠籠式交流異步伺服電機交流主軸電機與普通交流

異步感應(yīng)電機的比較圖示意圖

交流主軸伺服電機的特性曲線

2．交流主軸伺服電機的結(jié)構(gòu)和工作原理

交流主軸電機

普通交流異步感應(yīng)電機

通風孔

P（KW）

86420200040006000800012000

n（r/min）

7/14/2023第35頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

（1）永磁交流同步伺服電機的發(fā)展①新永磁材料的應(yīng)用釹鐵硼②永久磁鐵的結(jié)構(gòu)改革內(nèi)裝永磁交流同步伺服電機③與機床部件一體化的電機空心軸永磁交流同步伺服電機（2）交流主軸伺服電機的發(fā)展①輸出轉(zhuǎn)換型交流主軸電機三角-星形切換，繞組數(shù)切換或二者組合切換。②液體冷卻電機③內(nèi)裝式主軸電機

3、交流伺服電機的發(fā)展

7/14/2023第36頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月8.3速度控制概述：速度控制系統(tǒng)由速度控制單元、伺服電機和速度檢測裝置組成。分為主運動和進給運動。進給運動：是保證軌跡、尺寸和形位精度的。不但有速度控制，還有位置控制。在整個速度范圍內(nèi)，保持恒轉(zhuǎn)矩。與主運動相比功率較小。主運動：主要無級調(diào)速，但還要有下面的控制功能：

⑴主軸于進給驅(qū)動的同步控制；⑵準?？刂疲虎欠侄瓤刂?；⑷恒線速度控制。速度控制：主要是調(diào)速，調(diào)速有機械、液壓和電氣方法，電氣調(diào)速最有利于實現(xiàn)自動化。7/14/2023第37頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月8.3.1直流進給運動的速度控制1.、直流伺服電機的調(diào)速原理

根據(jù)機械特性公式可知調(diào)速有二種方法:電樞電壓Ua和氣隙磁通Φ

⑴改變電樞外加電壓Ua:由于繞組絕緣耐壓的限制，調(diào)壓只能在額定轉(zhuǎn)速以下進行。屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

⑵改變氣隙磁通量Φ：改激磁電流即可改Φ，在Ua恒定情況下，磁場接近飽和，故只能弱磁調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以上進行。屬于恒功率調(diào)速。

2.直流速度控制單元調(diào)速控方式

◆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)（9）（10）7/14/2023第38頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月晶閘管調(diào)速系統(tǒng)

1）系統(tǒng)的組成

包括控制回路：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。

速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)（PI），作用：好的靜態(tài)、動態(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、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，使電機轉(zhuǎn)動。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UR+-UfIfIR+-E1ES7/14/2023第39頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月2）主回路工作原理組成：由大功率晶閘

管構(gòu)成的三相全控橋式（三相全波）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)。

原理：三相整流器，由二個半波整流電路組成。每部分內(nèi)又分成共陰極組（1、3、5）和共陽極組（2、4、6）。為構(gòu)成回路，這二組中必須各有一個可控硅同時導通。1、3、5在正半周導通，2、4、6在負半周導通。每組內(nèi)（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差120o，每相內(nèi)二個觸發(fā)脈沖相差180o。按管號排列，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)可控硅能同時導通，或已截止的相再次導通，采用雙脈沖控制。既每個觸發(fā)脈沖在導通60o后，在補發(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。

462791113581210ABCMⅠⅡUMUDKMKM+-7/14/2023第40頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月原理：e)uacbcaba)b)c)d)135

①②③④⑤⑥ωtub246bcaωtωtωtωt11335511336224466224135246120°120°180°60°132460°60°56α

只要改變可控硅觸發(fā)角（即改變導通角），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。主回路波形圖7/14/2023第41頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月3）控制回路分析觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的過程：改變觸發(fā)角，即改變控制角U1U2R1R2R3C-+同步信號過零信號由速度F變換來的電流調(diào)節(jié)器輸出的直流信號,123窄脈沖：即移相觸發(fā)脈沖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（可控硅導通時間），可調(diào)速。沒反饋是開環(huán)，特性軟。1-同步電路2-移向控制電路3-脈沖分配器②電流調(diào)節(jié)器:同上，加快電流的反應(yīng)。③觸發(fā)脈沖發(fā)生器：正弦波同步鋸齒波觸發(fā)電路，與F直流信號疊加。①速度調(diào)節(jié)器：比例積分PI，高放大（相當

C短路）—緩放大—增放大—穩(wěn)定（相當C

開路）無靜差。7/14/2023第42頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月運算放大器的類型⑴反向比例放大器⑵反向比例加法運算放大器

⑶同向比例放大器⑷積分運算放大器⑸比例積分運算放大器：⑹比較器R3R3U1U2R1R2R3-+U1R1U2R2C-+U1U2R1R2R3C-+U1U2R1R2-+U3U2R4R2-+U1R1U1U2R2R1-+U2二個輸入端的內(nèi)阻非常大，不向運放內(nèi)流電流，放大倍數(shù)非常大。同相端接地，電位為0，為實地；方反向端電為也為0，虛地。U2=-U1?R3/R27/14/2023第43頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月功率因數(shù)（以單向為例）交流電阻電路：功率(平均)

P=UI=I2R=U2/R交流電阻電容電路：純電容電路電流超前電壓相位φ=90o

功率(平均)

P=UIcosφ交流電阻電感電路：純電感電路電流落后電壓相位φ=90o

功率(平均)

P=UIcosφ

由于交流電路中電感電容的存在，平均功率不等于電壓電流的乘積，而差一個cosφ

，既與電壓電流的相位差有關(guān)。其中cosφ稱為功率因數(shù)。cosφ越高越好。造成功率因數(shù)不高的主要原因是感性負載，如異步電機、工頻爐、日光燈的功率因數(shù)都不高；提高功率因數(shù)的辦法是在感性負載上并聯(lián)電容。7/14/2023第44頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月[總結(jié)]

速度控制的原理：

①調(diào)速：當給定的指令信號增大時，則有較大的偏差信號加到調(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，電機轉(zhuǎn)速上升。此時測速反饋信號也增大，與大的速度給定相匹配達到新的平衡，電機以較高的轉(zhuǎn)速運行。

②干擾：假如系統(tǒng)受到外界干擾，如負載增加，電機轉(zhuǎn)速下降，速度反饋電壓降低，則速度調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號增大，其輸出信號也增大，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器使觸發(fā)脈沖前移，晶閘管整流器輸出電壓升高，使電機轉(zhuǎn)速恢復(fù)到干擾前的數(shù)值。

③電網(wǎng)波動：電流調(diào)節(jié)器通過電流反饋信號還起快速的維持和調(diào)節(jié)電流作用，如電網(wǎng)電壓突然短時下降，整流輸出電壓也隨之降低，在電機轉(zhuǎn)速由于慣性還未變化之前，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，從而抑制了主回路電流的變化。

④啟動、制動、加減速：電流調(diào)節(jié)器還能保證電機啟動、制動時的大轉(zhuǎn)矩、加減速的良好動態(tài)性能。7/14/2023第45頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)

1）系統(tǒng)的組成及特點速度調(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U～usrusf整流功放7/14/2023第46頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月①主回路：

大功率晶體管開關(guān)放大器；

功率整流器。

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。

直流脈寬調(diào)制：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)頻率保持恒定，用調(diào)整開關(guān)周期內(nèi)晶體管導通時間（即改變基極調(diào)制脈沖寬度）的方法來改變輸出。從而使電機獲得脈寬受調(diào)制脈沖控制的電壓脈沖，由于頻率高及電感的作用則為波動很小的直流電壓（平均電壓）。

脈寬的變化使電機電樞的直流電壓隨著變化。7/14/2023第47頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月直流脈寬調(diào)調(diào)制的基本原理周期不變周期不變脈寬脈寬脈寬脈寬平均直流電壓脈沖寬度正比代表速度F值的直流電壓Uωt7/14/2023第48頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月2）脈寬調(diào)制器ttU△U△+USrU△+USrUSCUSCUSC+USrooo-USrtttt同向加法放大器電路圖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R1+12VUSCR1R3R2+-12VUSrU△-USr為0時調(diào)制出正負脈寬一樣方波平均電壓為0USr為正時USr為負時調(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7/14/2023第49頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月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、Ub3Ub4–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、Ub3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id27/14/2023第50頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月工作原理：

T1

和T4

同時導通和關(guān)斷，其基極驅(qū)動電壓Ub1=Ub4。T2和T3同時導通和關(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。負載較重時：①電動狀態(tài)：當0≤t≤t1時，Ub1、Ub4為正，T1

和T4

導通；Ub2、Ub3

為負，

T2和T3截止。電機端電壓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，

T1

和T4截止；

Ub2、Ub3

變正，但T2和T3并不能立即導通，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)進行，如上面左圖。負載較輕時：③反接制動狀態(tài)，電流反向：②狀態(tài)中，在負載較輕時，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的共同作用下導通，電樞電流反向，id=id3

由US→T3→T2→地。電機處于反接制動狀態(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。7/14/2023第51頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月⑤電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止：

由正、負驅(qū)動電壓脈沖寬窄而定。當正脈沖較寬時，既t1>

T/2，平均電壓為正，電機正轉(zhuǎn)；

當正脈沖較窄時，既t1<T/2，平均電壓為負，電機反轉(zhuǎn)；如果正、負脈沖寬度相等，t1=T/2，平均電壓為零，電機停轉(zhuǎn)。⑥電機速度的改變：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，無論負載是重還是輕、電機是正轉(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。

7/14/2023第52頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月（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)頻率遠高于可控（50Hz)，可達2-10KHz?？焖傩院?。②電流脈動小:

由于PWM調(diào)制頻率高，電機負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)負載擾動能力強，頻帶寬，動態(tài)硬度高。

7/14/2023第53頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月8.3.2直流主軸驅(qū)動的速度控制1.對直流主軸伺服系統(tǒng)的要求

⑴N、M—n特性，低速恒轉(zhuǎn)矩，高速恒功率。⑵良好的加、減速及換向功能。⑶過載能力，150%（額定電流的1.5倍）。⑷大的調(diào)速范圍。⑸準停、同步、恒線速度控制功能。2.直流主軸速度控制單元：沒有位置控制，只是速度控制系統(tǒng)。速度比較調(diào)節(jié)電流比較調(diào)節(jié)移相觸發(fā)脈沖及方向控制可控硅整流器電機激磁電壓反饋電流調(diào)解電壓相位變換脈沖發(fā)生器方向控制整流器~~激磁電流設(shè)定速度指令速度反饋電流反饋調(diào)壓控制部分調(diào)磁控制部分ⅹ電流反饋7/14/2023第54頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月組成：調(diào)壓部分—

恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)速。調(diào)磁部分—

恒功率調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)速。調(diào)壓：一般采用晶閘管調(diào)速系統(tǒng)，同直流進給系統(tǒng)一樣。包括速度環(huán)、電流環(huán)、可控硅整流主回路等。調(diào)磁：

◆主軸電機為它激式直流電機，激磁繞組與電樞繞組無直接關(guān)系，需由另一直流電源供電。

◆激磁回路由激磁電流設(shè)定電路，電樞電壓反饋電路、及激磁反饋電路三者的比較輸出信號，經(jīng)電流調(diào)節(jié)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器等，控制激磁電流的大小，完成恒功率調(diào)速。調(diào)磁部分的電壓反饋的作用：它激直流主軸電機，調(diào)壓、調(diào)磁是分開獨立工作的。在額定轉(zhuǎn)速以下用改變電調(diào)電樞端電壓調(diào)速，此時調(diào)磁不工作只是維持額定的磁場，用電壓反饋作信號，限制激磁電流反饋。當電樞端電壓達到額定值時，可以調(diào)磁，使電機轉(zhuǎn)速在高速段調(diào)整。7/14/2023第55頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月8.3.3交流進給運動的速度控制1.交流伺服電機的調(diào)速方法由電機學知，交流電機轉(zhuǎn)速公式：式中：f–定子電源頻率

p–磁激對數(shù)

S–轉(zhuǎn)差率

ns–定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速

n–轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速異步電機

變頻–

用于籠型電機調(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–交交–直–交交–交變轉(zhuǎn)差率變頻變頻同步電機交流電動機由此可知調(diào)速方法：（11）（12）7/14/2023第56頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月對于進給系統(tǒng)常使用交流同步電機，該電機沒有轉(zhuǎn)差率，電機轉(zhuǎn)速公式變?yōu)椋簭氖街锌梢钥闯觯褐荒苡米冾l調(diào)速，并且是有效方法。變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是為交流電機提供變頻、變壓電源的變頻器，變頻器分為：

●交–直–交變頻器分電壓型和電流型。電壓型先將電網(wǎng)的交流電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷?，再?jīng)逆變器變?yōu)轭l率和電壓都可變的交流電壓。電流型是切換一串方波，方波電流供電，用于大功率。

●交–交變頻器該變頻器沒有中間環(huán)節(jié)，直接將電網(wǎng)的交流電變?yōu)轭l率和電壓都可變的交流電。目前對于中小功率電機，用得最多的是電壓型交–直–交變頻器。2.正弦脈寬調(diào)制（SPWM）變壓變頻器⑴基本概念

1964年德國人率先提出脈寬調(diào)制變頻思想，把通訊系統(tǒng)中的（13）7/14/2023第57頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月調(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PWM、隨機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：M3～UIUR～UR–整流器固定電壓不可控整流器，常采用六個二級管橋式整流器結(jié)構(gòu)將交流變?yōu)橹绷鳎妷悍挡蛔?。為逆變器的供電。UI–逆變器由六個功率開關(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）輸入由基準正弦波（由速度指令轉(zhuǎn)化過來的）和三角波疊加出來的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)律導通、截止，輸出一系列功率級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SPWM電壓，使電機轉(zhuǎn)動。功率開關(guān)器件還可采用：可關(guān)斷晶閘管GTO、功率場效應(yīng)晶體管MOSFET、絕緣門極晶體管IGBT等。7/14/2023第58頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵正弦脈寬調(diào)制原理（以單相為例）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，如右下圖所示。uωtωtuOOa)b)

①

等效原理：把正弦分成n等分，每一區(qū)間的面積用與其相等的等幅不等寬的矩形面積代替。

正弦的正負半周均如此處理。7/14/2023第59頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

②SPWM控制波的生成:正弦波—三角波調(diào)制