合工大數(shù)控課件 進給伺服系統(tǒng)

第四章進給伺服系統(tǒng)概述伺服電機及其調速位置檢測裝置典型進給伺服系統(tǒng)1第7章數(shù)控機床的伺服驅動系統(tǒng)

主要內(nèi)容2主要內(nèi)容數(shù)控機床伺服系統(tǒng)是以機床移動部件的位置和速度為控制量的自動控制系統(tǒng)。7.1概述伺服系統(tǒng)的作用:接受CNC裝置發(fā)出的插補結果(指令脈沖等)，作一定的轉換和放大后，經(jīng)伺服電機（直流、交流伺服電機、步進電機等）和機械傳動機構，驅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。數(shù)控機床的“大腦”數(shù)控機床的“四肢”，是執(zhí)行“命令”的機構，它是一個不折不扣的跟隨者。3一、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的定義二、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的分類三、數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)的要求4.1概述4一、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的定義

1.伺服系統(tǒng)：

是一種以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。

CNC裝置是數(shù)控機床的“大腦”，“指揮機構”伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的“四肢”，“執(zhí)行機構”。

2.伺服系統(tǒng)的組成：

檢測裝置：感應同步器、旋轉變壓器、光柵、脈沖編碼器等。驅動電機：步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機。4.1概述5二、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的分類

1、按伺服系統(tǒng)控制方式分

開環(huán)系統(tǒng)：步進電機，無位置反饋，投資低，精度低

閉環(huán)系統(tǒng)：直接測量實際位移進行反饋，精度高

半閉環(huán)系統(tǒng)：間接測量位移進行反饋，精度低于閉環(huán)

2、按控制對象和使用目的不同分

進給伺服系統(tǒng)：控制各坐標軸的切削進給運動主軸驅動伺服系統(tǒng)：控制主軸的旋轉運動輔助伺服系統(tǒng)：控制刀庫、料庫等輔助系統(tǒng)的運動，多采用位置控制4.1概述6開環(huán)與閉環(huán)開環(huán)負載變化時，速度也隨著變化，需人為修正結構簡單，易于控制，精度差，低速不平穩(wěn)，高速扭矩小用于輕負載且負載變化不大的場合閉環(huán)/半閉環(huán)不間斷的比較系統(tǒng)輸入與驅動輸出閉環(huán)半閉環(huán)7開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)采用步進電機作為驅動元件；沒有位置反饋回路和速度反饋回路；設備投資低，調試維修方便，但精度差，高速扭矩??；用于中、低檔數(shù)控機床及普通機床改造。

8閉環(huán)伺服系統(tǒng)

閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置安裝在機床的工作臺上；檢測裝置構成閉環(huán)位置控制。閉環(huán)方式被大量用在精度要求較高的大型數(shù)控機床上。9半閉環(huán)伺服系統(tǒng)位置檢測元件安裝在電動機軸上或絲杠上，用以精確控制電機的角度，為間接測量；坐標運動的傳動鏈有一部分在位置閉環(huán)以外，其傳動誤差沒有得到系統(tǒng)的補償；半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低于閉環(huán)系統(tǒng)。適用于精度要求適中的中小型數(shù)控機床。10二、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的分類3、按所用驅動元件的類型分步進電動機驅動系統(tǒng)直流伺服驅動系統(tǒng)交流伺服驅動系統(tǒng)直線電動機驅動系統(tǒng)4.1概述11三、數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)的要求

1.高精度定位準確(定位誤差持別是重復定位誤差要小)，跟隨精度高(跟隨誤差小)。一般定位精度要求達到mm級，高的達0.01~0.005mm。

2.靈敏度高，響應快

提高生產(chǎn)率和保證加工質量，一般電機升降速過渡過程，時間在0.2s以下。另外，當負載突變時，要求速度的恢復時間短，且無振蕩，這樣才能得到光滑的加工表面。

3.調速范圍寬

保證在任何情況下都能得到最佳切削條件和加工質量，一般要求調速范圍：最低轉速/最高轉速=1/1000~1/10000，且通常是無級調速。

4.低速大轉矩

一般是在低速進行重切削，所以在低速時進給驅動要有大的轉矩輸出。

5.可靠性高

對環(huán)境的適應性強，性能穩(wěn)定，使用壽命長。4.1概述12134.1概述4.2步進電動機及其控制原理4.3直流伺服電動機及其控制原理4.4交流伺服電動機及其控制原理13定義：是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。主要用于開環(huán)位置控制系統(tǒng)。組成：由步進電動機驅動電源和步進電動機組成，沒有反饋環(huán)節(jié)特點：系統(tǒng)較簡單，控制較容易，維修也較方便，而且為全數(shù)字化控制。但由于開環(huán)系統(tǒng)精度不高，且步進電動機的功率和速度不高，因此步進電動機驅動系統(tǒng)僅用于小容量、加工速度低、脈沖當量和精度不太高的場合，如經(jīng)濟型數(shù)控機床和電加工機床、計算機的打印機、繪圖儀等設備。一、步進電動機4.2步進電動機及其控制原理14主要內(nèi)容7.2步進電機及其驅動控制系統(tǒng)151.步進電動機的分類按工作原理分：反應式(磁阻式)、電磁式、永磁式、永磁感應子式(混合式)。按相數(shù)分：三相、四相、五相、六相和八相等。按使用頻率分：高頻步進電動機和低頻步進電動機。16(1)反應式步進電動機

極與極之間的夾角為60°，每個定子磁極上均勻分布了五個齒，齒槽距相等，齒距角為9°。轉子鐵心上無繞組，只有均勻分布的40個齒，齒槽距相等，齒距角為360°/40＝9°。

單段式三相反應式步進電動機的結構：定子鐵心上有六個均勻分布的磁極，沿直徑相對兩個極上的線圈串聯(lián)，構成一相勵磁繞組。特點：轉子無繞組，定轉子開小齒、步距小。應用最廣。17AB定子轉子IAIBIC18(2)永磁式步進電動機工作原理：轉子或定子的一方具有永久磁鋼，另一方有軟磁材料制成，由繞組輪流通電產(chǎn)生的磁場與永久磁鋼相互作用，產(chǎn)生轉矩是轉子轉動。特點：不開小齒，步距角大，內(nèi)阻較大，效率高，斷電后有一定的定位轉矩。(3)混合式步進電動機（永磁感應子式）定子結構與反應式基本相同，轉子由環(huán)形磁鋼及兩段鐵心組成。兼有以上兩種的主要優(yōu)點，是步進電動機的新產(chǎn)品。192.步進電動機的控制原理各部分的作用：數(shù)控裝置：根據(jù)控制要求發(fā)出指令脈沖，每發(fā)出一個脈沖電機旋轉一個特定的角度，即步距角環(huán)形分配：根據(jù)指令方向，依次產(chǎn)生步進電機的各相的通電步驟，分為硬件環(huán)分、軟件環(huán)分兩種。放大電路：放大環(huán)形分配的各相指令，產(chǎn)生步進電機的各相的驅動電流20

位移量的控制向步進電動機送一個控制脈沖，其轉軸就轉過一個角度或移動一個直線位移，稱為一步；脈沖數(shù)增加，角位移(或線位移)隨之增加，即脈沖數(shù)決定位移量。進給速度的控制脈沖頻率高，則步進電動機的旋轉速度就高，反之則低，即脈沖頻率決定進給速度。運動方向的控制改變分配脈沖的相序，實現(xiàn)步進電動機的正、反轉，從而改變運動方向。

與一般交流和直流電動機所不同的是，步進電動機定子繞組所加的電源形式為脈沖電壓，而不是正弦電壓或者恒定直流電壓21

按電磁吸引的原理工作的。必須抓住兩點：磁力線力圖走磁阻最小的路徑，從而產(chǎn)生反應力矩各相定子齒之間彼此錯齒1/m齒距，m為相數(shù)幾個概念的含義：“拍”----定子相繞組每改變一次通電狀態(tài)，稱為“一拍”?！皢巍?---指只有一相繞組通電。“雙”----指有兩相繞組同時通電。3.反應式步進電動機的工作原理

22步進電機工作原理示意23(1)“單三拍”供電方式的步進電動機的工作原理第一拍：A相勵磁繞組通電，B、C相勵磁繞組斷電。A相定子磁極的電磁力要使相鄰轉子齒與其對齊(使磁阻最小)，B相和C相定、轉子錯齒分別為1/3齒距(3°)和2/3齒距(6°)。第二拍：B相繞組通電，A、C相繞組斷電。電磁反應力矩使轉子順時針方向轉動3°，與B相的定子齒對齊，此時A、C相的定、轉子齒互相錯開。第三拍：C相繞組通電，A、B相繞組斷電。電磁反應力距又使轉子順時針方向轉動了3°，與C相定子齒對齊，同時A相、B相定、轉子齒錯開，重復通電順序：ABCA……24

單三拍步進電動機的反轉

若定子繞組通電順序為ACBA

……，則電動機轉子就順時針方向旋轉起來，其步距角仍為3°。

單三拍步進電動機的步距角

重復單三拍的通電順序，ABCA

……，步進電機就逆時針方向旋轉起來，對應每個指令脈沖，轉子轉動一固定角度3°(步距角)。

單三拍通電控制方式的缺點

由于每拍只有一相繞組通電，在切換瞬間可能失去自鎖力矩，容易失步。而且，只有一相繞組通電吸引轉子，易在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩。因此，單三拍通電控制方式，工作穩(wěn)定性差，一般較少采用。25步進電動機三相三拍制014213264213步進電動機三相三拍制02274213步進電動機三相三拍制03284213步進電動機三相三拍制04294213步進電動機三相三拍制05304213步進電動機三相三拍制06314213步進電動機三相三拍制07324213步進電動機三相三拍制08334213步進電動機三相三拍制09344213步進電動機三相三拍制10354213步進電動機三相三拍制11364213步進電動機三相三拍制1237步進電動機三相三拍制13421338

若定子繞組的通電順序為：ACCBBAAC……，則步進電動機的轉子就逆時針方向轉動。(2)雙三拍工作方式采用雙三拍通電控制方式，能克服單三拍工作的缺點。若定子繞組的通電順序為ABBCCAAB……，則步進電動機的轉子就順時針方向轉動，從一個磁場最強處走到了另一個磁場最強處，故其步距角仍為3°39

每切換一次，步進電動機就逆時針方向轉動1.5°，步距角減小一半。原因是：當由A相切換到AB相通電時，A相定子磁極力圖不讓轉子轉動，而保持與其定子齒對齊，而B相定子磁極的電磁反應力矩也力圖使其逆時針轉動3°，與B相定子齒對齊，此時，轉子齒與A相、B相定子齒均未對齊，此位置是A相、B相定子合成磁場的最強方向，即轉子順時針方向轉動1.5°。

若通電順序為：AACCBCBBAA……則步進電動機的轉子就順時針方向運動，步距角仍為1.5°。三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半；在切換時，保持一相繞組通電，工作穩(wěn)定，比雙三拍增大了穩(wěn)定區(qū)。所以三相步進電動機常采用這種控制方式。(3)三相六拍工作方式通電順序：AABBBCCCAA……40步進電動機三相六拍制1421341步進電動機三相六拍制2421342步進電動機三相六拍制3421343步進電動機三相六拍制4421344步進電動機三相六拍制5421345步進電動機三相六拍制6421346步進電動機三相六拍制7421347二、步進電動機主要性能指標及選擇1.步距角步進電動機每步的轉角稱為步距角，計算公式：

式中m—步進電動機相數(shù)

Z—轉子齒數(shù)

K—控制方式系數(shù)，K=拍數(shù)p/相數(shù)m

廠家對于每種步進電動機給出兩種步距角，彼此相差一倍。大步距角系指控制供電拍數(shù)與相數(shù)相等時的步距角；小步距角系指供電拍數(shù)是相數(shù)兩倍時的步距角。48主要內(nèi)容7.2步進電機及其驅動控制系統(tǒng)例如：轉子40個齒，定子仍是3對磁極，三相六拍。問步距角是多少？49步距角的選擇：根據(jù)總體方案要求，綜合考慮，通過下式進行：

式中δ—脈沖當量

S—絲杠螺距(mm)

θ—步距角

i—電動機與絲杠間的齒輪傳動減速比

如果步進電動機的步距角θ和絲杠螺距S(基本導程)不能滿足脈沖當量δ的要求時，應在步進電動機與絲杠之間加入齒輪傳動，用減速比來滿足δ的要求。50已知：求：傳動比解一：又取51已知：求：傳動比解二：取于是：522.最大靜轉距Tjmax(N·m)

靜態(tài)：當步進電動機不改變通電狀態(tài)時，轉子處在不動狀態(tài)

靜態(tài)轉距：如果在電動機軸上外加一個負載轉距，使轉子轉過一個角度θe，這時轉子受的電磁轉距T。

矩角特性：描述靜態(tài)時電磁轉距T與θe之間的關系曲線。在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，當外加轉距去除時，轉子在電磁轉距作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點位置(θe＝0)。ππ/20-π-π/2靜穩(wěn)定區(qū)不穩(wěn)定平衡點穩(wěn)定平衡點不穩(wěn)定平衡點TθeTjmax負載轉矩TF應滿足TF

=（0.2~0.4）Tjmax

533.空載起動頻率fq（步/s）空載時步進電動機由靜止突然起動，進入不丟步的正常運行的最高頻率。是衡量步進電動機快速性能的重要技術數(shù)據(jù)。對于提高生產(chǎn)率和系統(tǒng)的快速性具有重要意義。

fq應能滿足機床工作臺最高運行速度。步進電動機起動頻率要比連續(xù)運行頻率低得多，帶負載的起動頻率比空載的起動頻率要低。這是因為步進電動機起動時，既要克服負載力矩，又要克服運轉部分的慣性矩，電動機的負擔比連續(xù)運轉時重。54Tf4.起動矩頻特性描述步進電動機起動頻率與負載力矩的關系曲線。當步進電動機帶著一定的負載轉距起動時，作用在電動機軸上的加速轉矩為電磁轉矩與負載轉矩之差。負載轉矩越大，加速轉矩就越小，電動機就不易轉起來。因此，其起動頻率隨著負載的增加而下降。55Tf5.運行矩頻特性運行矩頻特性T＝f(F)是描述步進電動機連續(xù)穩(wěn)定運行時，輸出轉矩T與連續(xù)運行頻率之間的關系。它是衡量步進電動機運轉時承載能力的動態(tài)性能指標。由圖可知，輸出轉矩T的基本趨勢是隨連續(xù)運行頻率的增大而降低。56三、步進電機及其驅動控制系統(tǒng)步進電機的驅動控制由環(huán)形分配器和功率放大器組成。環(huán)形分配器功率放大器ABC57主要內(nèi)容環(huán)形分配器的主要功能：將數(shù)控裝置送來的一串指令脈沖，按步進電機所要求的通電順序分配給步進電機驅動電源的各相輸入端，以控制勵磁繞組的通斷，實現(xiàn)步進電機的運行及換向。環(huán)形分配的功能可由硬件或軟件的方法來實現(xiàn)，分別稱為硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器。58主要內(nèi)容可由D觸發(fā)器或JK觸發(fā)器構成，亦可用專用集成芯片或通用可編程邏輯器件。CNC裝置電源環(huán)形分配器A相驅動B相驅動C相驅動FULL/HALFDIRCLKM7.2步進電機及其驅動控制系統(tǒng)硬件環(huán)形分配驅動與數(shù)控裝置的連接方向控制信號硬件環(huán)形分配器59軟件環(huán)形分配器舉例對于三相六拍環(huán)形分配器，每當接收到一個進給脈沖指令，環(huán)形分配器軟件根據(jù)下表所示真值表，按順序及方向控制輸出接口將A、B、C的值輸出即可。如果上一個進給脈沖到來時，控制輸

三相六拍環(huán)形分配器真值表序號ABC方向1100

反轉正轉21103010401150016101出接口輸出的A、B、C的值是100，則對于下一個正向進給脈沖指令，控制輸出接口輸出的值是110，再下一個正向進給脈沖，應是010，而使步進電機正向地旋轉起來。實現(xiàn)較為簡單，靈活方便。60主要內(nèi)容作用：是將環(huán)形分配器或微處理機送來的弱電信號變?yōu)閺婋娦盘?，以得到步進電機控制繞組所需要的脈沖電流及所需要的脈沖波形。功率放大電路步進電機有幾相，就需要幾組功率放大電路。61624.1概述4.2步進電動機及其控制原理4.3直流伺服電動機及其控制原理4.4交流伺服電動機及其控制原理62直流伺服電動機的組成

電動機本體主要由機殼、定子磁極和轉子組成。

檢測部件

有高精度的測速發(fā)電機、旋轉變壓器以及脈沖編碼器等

特點小慣量直流伺服電動機慣量小，響應速度快，但過載能力低

永磁直流伺服電動機轉矩大，慣量大，穩(wěn)定性好，調速范圍寬。有電刷，限制速度的提高（1000~1500r/min）。4.3直流伺服電動機及其控制原理632.直流伺服電動機的工作原理與調速方法(1)工作原理

與一般直流電動機的工作原理相同，是建立在電磁力和電磁感應基礎上的。如圖（a）所示，直流電流從電刷A流入，經(jīng)過線圈abcd，從電刷B

流出，載流導體ab和cd受到電磁力的作用，使得轉子逆時針轉動。當轉子轉到如圖（b）所示的位置，電刷A和換向片2接觸，電刷B和換向片1接觸，直流電流從電刷A流入，在線圈中流動方向是dcba，從電刷B流出。

外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉矩的方向卻是不變的。64(2)直流伺服電機的速度控制原理MEaUФuf

他勵直流電動機轉子回路的電勢平衡方程：

U＝Ea+Ra

Ia式中Ra—轉子回路電阻(Ω)

Ia—轉子回路電流(A)感應電動勢Ea可由下式求得

Ea＝CeФn

式中Ce—電機械常數(shù)

Ф—勵磁磁通(Wb)n—電動機轉速(r/min)Te＝CtФ

Ia65電動機的電磁轉矩Te(N?m)為

Te＝CTФIa

式中CT—轉矩系數(shù)，是電動機的結構常數(shù)。所以可得電動機轉速－n＝＝n0－Δn式中n0—理想空載轉速

Δn—轉速降落根據(jù)上式可知，他勵直流電動機有三種調速方法，即改變外加電壓、改變勵磁磁通及改變轉子回路電阻調速。66－n＝＝n0－Δn

根據(jù)上式：勵磁磁通不可變，只有二種調速方法，而改變轉子回路電阻一般不能滿足要求，通常采用改變轉子回路外加電壓的調速方法。這種調速方法是從額定電壓往下降低轉子電壓，即從額定轉速向下調速。該種調速方法屬恒轉矩調速，機械特性是一組斜率不變的平行直線，特性比較硬，且調速范圍寬。另外，這種調速方法是用減小輸入功率來減小輸出功率的，所以具有比較好的經(jīng)濟性。

永磁直流伺服電動機的調速方法67主要內(nèi)容3直流伺服電機速度控制單元的調速控制方式調速的概念有兩個方面的含義:1)改變電機轉速：當指令速度變化時,電機的速度隨之變化,并希望以最快的加減速達到新的指令速度值；2)當指令速度不變化時,電機的速度保持穩(wěn)定不變。68主要內(nèi)容為調節(jié)電機轉速和方向，需對直流電壓的大小和方向進行控制，如何控制？直流伺服電機速度控制單元的作用：將轉速指令信號轉換成電樞的電壓值，達到速度調節(jié)的目的。直流電機速度控制單元常采用的調速方法：晶閘管（可控硅）調速系統(tǒng)

晶體管脈寬調制（PWM）調速系統(tǒng)。

691）晶閘管調速系統(tǒng)利用晶閘管的單向導電可控性，輸出可控制的電壓；利用可控硅整流器提供直流電源；通過改變晶閘管觸發(fā)角，改變外加電壓，從而達到調速的目的。702）PWM調速控制系統(tǒng)利用大功率晶體管的開關作用，將直流電壓轉換成一定頻率的方波電壓，加到直流電動機的電樞上；通過調整控制方波脈沖寬度來改變電樞的平均電壓，從而調節(jié)電機的轉速?？刂齐娐泛唵?，不需附加關斷電路，開關特性好。廣泛應用中、小功率直流伺服系統(tǒng)。周期不變脈寬脈寬脈寬脈寬平均直流電壓Uωt周期不變71速度調節(jié)器電流調節(jié)器脈寬調制基極驅動主回路整流u-++振蕩器電流反饋-UsrTGUsf++-+MTGUsfPWM調速系統(tǒng)的組成：由控制電路、主回路及功率整流電路三部分組成。其中控制電路由速度調節(jié)器、電流調節(jié)器和脈寬調制器（包括固定頻率振蕩器、脈寬調制及基極驅動電路）組成。724.永磁直流伺服電機的工作特性對于永磁直流伺服電動機，由于其伺服系統(tǒng)的要求，已經(jīng)不能簡單地用電壓、電流、轉數(shù)等參數(shù)描述其性能，而需要用一些特性曲線對其性能做全面描述。轉矩—速度特性曲線從圖中可以得出，伺服電動機的工作區(qū)域被溫度極限線、轉速極限線、換向極限線、轉矩極限線以及瞬時換向極限線劃分成三個區(qū)域。瞬時換向極限線轉速極限線轉矩極限線換向極限線溫度極限線ⅡⅢⅠ05001000150020004000600080001000012000T/(N?cm)n/(r/min)73Ⅰ區(qū)域為連續(xù)工作區(qū),在該區(qū)域中，轉矩和轉速的任意組合都可長期連續(xù)工作。Ⅱ區(qū)域為斷續(xù)工作區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，電動機只能根據(jù)負載周期曲線所決定的允許工作時間tR

和斷電時間tF

作間歇工作。Ⅲ區(qū)域為加速和減速區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，電動機只能用于加速或減速，工作一段極短的時間。瞬時換向極限線轉速極限線轉矩極限線換向極限線溫度極限線ⅡⅢⅠ05001000150020004000600080001000012000T/(N?cm)n/(r/min)74

負載周期曲線表示在滿足機械所需轉矩而又確保電動機不過熱，允許電動機的工作時間.

圖中各條曲線為不同的過載倍數(shù)(=負載轉矩／連續(xù)額定轉矩)曲線。

橫坐標為工作時間tR(min)，縱坐標d為過載周期比。

75選用直流伺服電動機的原則：(1)當機床在無切削運行時，在整個速度范圍內(nèi)，其負載轉矩應在電動機連續(xù)額定轉矩范圍以內(nèi)。(2)最大切削轉矩的倍數(shù)設定(工作載荷百分比和工作時間)應在電動機的載荷特性所規(guī)定的范圍內(nèi)。瞬時換向極限線轉速極限線轉矩極限線換向極限線溫度極限線ⅡⅢⅠ05001000150020004000600080001000012000T/(N?cm)n/(r/min)(3)在加減速時，應當工作在加減速工作區(qū)內(nèi)。在加減速時，慣性轉矩的大小取決于加速度的大小和負載慣量的大小，而加速度的大小又取決于希望的加速時間。(4)負載慣量對電動機靈敏度和快速移動時間有很大影響，負載慣量通常不大于電動機轉子慣量的三倍。76774.1概述4.2步進電動機及其控制原理4.3直流伺服電動機及其控制原理4.4交流伺服電動機及其控制原理77一、交流伺服電動機概述直流伺服電動機具有優(yōu)良的調速性能，但直流伺服電動機的電刷和換向器容易磨損，需要經(jīng)常維護；由于換向器換向時會產(chǎn)生火花而使最高轉速受到限制，也使應用環(huán)境受到限制；直流伺服電動機結構復雜、制造困難，成本高。

自20世紀80年代中期以來，以交流伺服電動機作為驅動元件的交流伺服系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，有逐漸代替直流伺服電機的趨勢。78交流伺服電機分類

數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)中多采用永磁同步交流伺服電動機，主軸伺服電機多采用異步交流電機。按電機的結構形式分異步型：同步型：永磁式和勵磁式按機床運動的類型分主軸伺服電機進給伺服電機

主軸伺服電機和進給伺服電機的功率扭矩特性不同，進給伺服電機通常為恒扭輸出，而主軸電機通常為恒功率輸出。MPMPOnnjnminnmax

主運動的功率扭矩特性79VSVS脈沖編碼器轉子定子接線盒定子三相繞組1．永磁式交流同步電機結構：電機由定子、轉子和檢測元件組成80主要內(nèi)容7.4交流伺服電機及其速度控制系統(tǒng)812.交流伺服電機的特點2)永磁同步交流伺服電動機的特點：體積小，效率高，運行可靠。調速方便、機械特性好。調速范圍寬。建模難度大、控制算法復雜。1)異步交流伺服電機的特點：重量輕，價格便宜。轉速隨負載變化較大，低速時運動平穩(wěn)性較差靜止時自鎖轉矩小。823.永磁同步交流伺服電機的結構永磁伺服電機軸剖面示意圖1—定子；2—永磁體；3—通風孔；4—轉子軸組成：定子、轉子和檢測元件。83數(shù)字控制及裝備技術研究所

InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology數(shù)字控制及裝備技術研究所

InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology定子：定子由硅鋼片疊壓而成，具有齒槽，內(nèi)有三相繞組，形狀與普通交流電動機的定子相同，但其外形多呈多邊形，且無外殼，利于散熱。84轉子：轉子由多塊永久磁鐵和沖片組成。這種結構的優(yōu)點是氣隙磁密較高，極數(shù)較多。85檢測元件：

早期的永磁同步交流伺服電機中，由測速發(fā)電機來實現(xiàn)速度反饋，編碼器用來反饋轉子永磁體磁場矢量的方向和位置，多采樣絕對式編碼器。

現(xiàn)代永磁同步電機采用全數(shù)字控制，速度反饋有位置對時間微分來實現(xiàn)，省掉了測速發(fā)電機，并開始采用增量式編碼器作為位置反饋元件，絕對式編碼器基本采用高速串行通信方式，大大提高了可靠性。864.交流伺服電機的工作方式扭矩控制方式；速度控制方式；位置控制方式。模擬量輸入；數(shù)字輸入（選擇8-16種內(nèi)部速度）；串行通信。脈沖輸入；串行通信。Dir+clkAB相正交脈沖。模擬量輸入；871）閉環(huán)速度控制/扭矩工作方式交流伺服驅動器速度控制電流控制位置控制d/dtCNC位置反饋位置控制伺服電機工作臺模擬電壓882）脈沖位置控制工作方式交流伺服驅動器速度控制電流控制位置控制d/dtCNC位置控制伺服電機工作臺

有些交流伺服驅動器具有光柵反饋接口，可實現(xiàn)從伺服驅動器到工作臺的全閉環(huán)控制，而CNC到伺服驅動器則采用開環(huán)控制。89交流伺服電機步進電機扭矩、功率大小位置分辨率高（1/262144）低（1/480）電子齒輪有無低速性能好振蕩價格貴便宜啟動、工作頻率高低運動特性滯留脈沖丟步交流伺服電機脈沖位置控制工作方式與步進電機的比較90二、永磁同步交流伺服電動機的工作原理定子三相繞組接上交流電源后，就會產(chǎn)生一個旋轉磁場，以轉速n旋轉。定子旋轉磁場與轉子的永久磁鐵磁極互相吸引，并帶著轉子一起旋轉。使轉子也以同步轉速ns旋轉。當轉子加上負載轉矩之后，將造成定子磁場軸線與轉子磁極軸線不重合，其夾角為θ。若負載發(fā)生變化，θ角也跟著變化，但只要不超過一定的限度，轉子始終跟著定子的旋轉磁場以恒定的同步轉速ns旋轉。轉子轉速為

ns＝60f/p(r/min)式中f—電源的頻率

p—磁極對數(shù)nSNns

nr

θ

S91永磁同步交流伺服電動機工作特性曲線：即轉矩—速度特性曲線T/Ncmn(r/min)特點：（與永磁直流伺服電動機相比）

Ⅰ為連續(xù)工作區(qū)

Ⅱ為斷續(xù)工作區(qū)機械特性更硬，其直線更接近水平線。斷續(xù)工作區(qū)的范圍更大。92三、交流伺服電機調速原理據(jù)電機學知，交流電機的轉速表達式為：式中 f—定子電源頻率（Hz）；

p—磁極對數(shù)；

s—轉差率（異步s≠0；同步s=0）。交流伺服電機變頻調速的關鍵：獲得調頻調壓的交流電流931.同步交流伺服電動機的變頻調速調速原理

根據(jù)永磁同步交流伺服電動機轉子轉速公式

n＝ns＝60f/p(r/min)

可以通過改變電動機電源頻率f來調節(jié)電動機的轉速。

此法可以實現(xiàn)無級調速，能夠較好地滿足數(shù)控機床的要求。變頻調速的關鍵是設計能為電動機提供變頻電源的變頻器。交—交變頻器直接將固定頻率的交流電變換為另一種頻率的交流電。

交—直—交變頻器先將電網(wǎng)交流電通過整流變?yōu)橹绷?，再?jīng)過電容或電感或電容、電感組合電路濾波后供給逆變器。逆變器輸出的是電壓和頻率可調的交流電。94交—