第5章数控伺服系统第14、15、16、17讲

1、1 索 引 n第14讲 n第15讲 n第16讲 n第17讲 2 数控伺服系统 3 5.1 概 述 伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自 动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号，动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号， 经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋 转运动。伺服系统是数控装置转运动。伺服系统是数控装置( (计算机计算机) )和机床的联系和机床的联系 环节，是数控机床的重要组成部分。环节，是数控机床的重要组成部分。 数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系数控机床伺服系

2、统又称为位置随动系统、驱动系 统、伺服机构或伺服单元。统、伺服机构或伺服单元。 该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂， 综合性强综合性强。 4 5.1 概 述 进给伺服系统是数控系统主要的子系统。 如果说C装置是数控系统的“大脑”，是发布 “命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则 是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。 它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精 确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移 量。 5 6 5.1.1 伺服系统的组成 组成：组成：伺服电机伺服电机 驱动信号控制转换电路驱动信号控制转换电路 电子电力驱动放大模块电子电力

3、驱动放大模块 位置调节单元位置调节单元 速度调节单元速度调节单元 电流调节单元电流调节单元 检测装置检测装置 一般闭环系统为三环结构一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环。：位置环、速度环、电流环。 7 5.1.1 伺服系统的组成 位置调解位置调解速度调解速度调解电流调解电流调解转换驱动转换驱动工作台工作台 电流反馈电流反馈 速度反馈速度反馈 位置反馈位置反馈 M G 位置、速度和电流环均由：位置、速度和电流环均由：调节控制模块调节控制模块、检测检测和和反馈反馈 部分组成。电力电子驱动装置由部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路驱动信号产生电路和和功率功率 放大器放大器组成。组成

4、。 严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度 控制包括速度和电流控制。控制包括速度和电流控制。 8 1精度高 伺服系统的精度是指输出量能 复现输入量的精确程 度。包括定位精度和轮廓加工精度。 2稳定性好 稳定是指系统在给定输入或 外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后， 达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直 接影响数控加工的精度和表面粗糙度。 5.1.2 对伺服系统的基本要求 9 3快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重 要指标，它反映了系统的跟踪精度。 4调速范围宽 调速范围是指生产机械要求电机能 提供的最高转速和最低转速之比。024m

5、 / min。 5低速大转矩 进给坐标的伺服控制属于恒转矩控 制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴 坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供 较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大 的输出功率。 10 对伺服电机的要求： （1）调运范围宽且有良好的稳定性，低速 时的速度平稳性 （2）电机应具有大的、较长时间的过载能 力，以满足低速大转矩的要求。 5.1.2 对伺服系统的基本要求 11 （3）反应速度快，电机必须具有较小的转动 惯量、较大的转矩、尽可能小的机电时间 常数和很大的加速度 (400rad / s2以上)。 （4）能承受频繁的起动、制动和正反转。 12 1按调节理论分类按调

6、节理论分类 （1）开环伺服系统 （2）闭环伺服系统 （3）半闭环伺服系统 5.1.2 伺服系统的分类 13 （1）开环数控系统的特征 没有位置测量装置，信号流是单向的 （数控装置进给系统），故系统稳定 性好。 电机电机 机械执行部件机械执行部件 A相、相、B 相相 C相、相、 f、n CNC 插补指令插补指令 脉冲频率脉冲频率f 脉冲个数脉冲个数n 换算换算 脉冲环脉冲环 形分配形分配 变换变换 功率功率 放大放大 14 开环数控系统的特征 无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度 主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和 精度。 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。 这类系统具有结构

7、简单、工作稳定、调试方便、维 修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、 驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济 型数控机床。 15 （2）半闭环数控系统的特征 半闭环数控系统的位置采样点如图所示，半闭环数控系统的位置采样点如图所示， 是是从驱动装置从驱动装置( (常用伺服电机常用伺服电机) )或丝杠引出，采或丝杠引出，采 样旋转角度样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件进行检测，不是直接检测运动部件 的实际位置。的实际位置。 位置控制调位置控制调 节器节器 速度控制速度控制 调节与驱动调节与驱动 检测与反馈单检测与反馈单 元元 位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元 +

8、 + - 电机电机 机械执行部件机械执行部件 CNC 插补插补 指令指令 实际实际 位置位置 反馈反馈 实际实际 速度速度 反馈反馈 16 半闭环数控系统的特征 l半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环 节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳 定性虽不如开环系统，但比闭环要好。 l由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误 差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环 好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得 满意的精度。 l半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也 较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。 17 （3）全闭环数控系统的特征 全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示， 直接对

9、运动部件的实际位置进行检测。 位置控制调位置控制调 节器节器 速度控制速度控制 调节与驱动调节与驱动 检测与反馈检测与反馈 单元单元 位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元 + + - 电机电机 机械执行部件机械执行部件 CNC 插补插补 指令指令 实际实际 位置位置 反馈反馈 实际实际 速度速度 反馈反馈 18 全闭环数控系统的特征 l 从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、 间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。 l 由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性 和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定， 使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。 l 该系统主要用于

10、精度要求很高的镗铣床、超精车床、 超精磨床以及较大型的数控机床等。 19 2按使用的执行元件分类 （1）电液伺服系统 电液脉冲马达和电液伺服马达。 优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚 性好，时间常数小、反应快和速度平稳。 缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、 漏油。 （2）电气伺服系统 伺服电机（步进电机、直流电 机和交流电机） 优点：操作维护方便，可靠性高。 5.1.2 伺服系统的分类 20 1）直流伺服系统 进给运动系统采用大惯量宽调速 永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主 运动系统采用他激直流伺服电机。优点：调速性 能好。缺点：有电刷，速度不高。 2）交流伺服系统 交流

11、感应异步伺服电机（一般用 于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用 于进给伺服系统）。 优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环 境下工作。动态响 应好、转速高和容量大。 21 3按被控对象分类 （1）进给伺服系统 指一般概念的位置伺服 系统，包括速度控制环和位置控制环。 （2）主轴伺服系统 只是一个速度控制系统。 C 轴控制功能。 4按反馈比较控制方式分类 （1）脉冲、数字比较伺服系统 （2）相位比较伺服系统 （3）幅值比较伺服系统 （4）全数字伺服系统 22 5.2 步进电机步进电机 5.2.1 步进电机工作原理步进电机工作原理 步进电机伺服系统是典型的开环控制 系统，在此系统中，步进电

12、机受驱动线路 控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定 方向、大小和速度的机械转角位移，并通 过齿轮和丝杠带动工作台移动。 23 l 进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲 的数量代表了位移量，而运动方向是由步 进电机的各相通电顺序来决定，并且保持 电机各相通电状态就能使电机自锁。但由 于该系统没有反馈检测环节，其精度主要 由步进电机来决定，速度也受到步进电机 性能的限制。 24 步进电机在结构上分为定子和转子两部 分，现以图5-4所示的反应式三相步进电机 为例加以说明。定子上有六个磁极，每个 磁极上绕有励磁绕组，每相对的两个磁极 组成一相，分成A、B、C三相。转子无绕 组，它是由带齿的铁心做成的。

13、步进电机在结构 25 步进电机是按电磁吸引的原理进行工 作的。当定子绕组按顺序轮流通电时，A、 B、C三对磁极就依次产生磁场，并每次对 转子的某一对齿产生电磁引力，将其吸引 过来，而使转子一步步转动。每当转子某 一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时， 磁阻最小，转矩为零。如果控制线路不停 地按一定方向切换定子绕组各相电流，转 子便按一定方向不停地转动。步进电机每 次转过的角度称为步距角。 26 A A B B C C 定子 转子 绕组 27 图4-22 展开后的步进电机齿距 28 步进电机及其驱动装置步进电机及其驱动装置 为进一步了解步进电机的工作原理，以图5-5 为例来说明其转动的整个过程，

14、假设转子上有四 个齿，相邻两齿间夹角（齿距角）为900。当A相 通电时，转子1、3齿被磁极A产生的电磁引力吸引 过去，使1、3齿与A相磁极对齐。接着B相通电，A 相断电，磁极B又把距它最近的一对齿2、4吸引过 来，使转子按逆时针方向转动30o。然后C相通电， B相断电，转子又逆时针旋转30o，依次类推，定 子按ABCA顺序通电，转子就一步步地按逆 时针方向转动，每步转30o。 29 若改变通电顺序，按ACBA使定 子绕组通电，步进电机就按顺时针方向转 动，同样每步转30o。这种控制方式叫三相 单三拍方式，“单”是指每次只有一相绕 组通电，“三拍”是指每三次换接为一个 循环。由于每次只有一相绕组

15、通电，在切 换瞬间将失去自锁转矩，容易失步，另外， 只有一相绕组通电，易在平衡位置附近产 生振荡，稳定性不佳，故实际应用中不采 用单三拍工作方式。 30 采用三相双三拍控制方式，即通电顺序采用三相双三拍控制方式，即通电顺序 按按ABBCCAABABBCCAAB（逆时针方向）或（逆时针方向）或 ACCBBAACACCBBAAC（顺时针方向）进行，其（顺时针方向）进行，其 步距角仍为步距角仍为30300 0。由于双三拍控制每次有二。由于双三拍控制每次有二 相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组 通电，所以工作比较稳定。通电，所以工作比较稳定。 31 如果按如果按A

16、ABBBCCCAA顺序通顺序通 电，即首先电，即首先A相通电，然后相通电，然后A相不断电，相不断电，B相再通相再通 电，即电，即A、B两相同时通电，接着两相同时通电，接着A相断电而相断电而B相相 保持通电状态，然后再使保持通电状态，然后再使B、C两相通电，依次类两相通电，依次类 推，每切换一次，步进电机逆时针转过推，每切换一次，步进电机逆时针转过15。如。如 通电顺序改为通电顺序改为AACCCBBBAA，则，则 步进电机以步距角步进电机以步距角15顺时针旋转。这种控制方顺时针旋转。这种控制方 式为三相六拍，它比三相三拍控制方式步距角小式为三相六拍，它比三相三拍控制方式步距角小 一半，因而精度更

17、高，且转换过程中始终保证有一半，因而精度更高，且转换过程中始终保证有 一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被大量一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被大量 采用。采用。 32 实际应用的步进电机如图实际应用的步进电机如图5-45-4所示，转所示，转 子铁心和定子磁极上均有齿距相等的小齿，子铁心和定子磁极上均有齿距相等的小齿， 且齿数要有一定比例的配合。且齿数要有一定比例的配合。 33 A A B B C C A A B B C C A A B B C C 1 1 1 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 逆时针转 300 逆时针转 300 逆时针转 300 34 5.2.2 步进电机的主要性

18、能指标步进电机的主要性能指标 1. 步距角和步距误差 步距角和步进电机的相数、通电方式及 电机转子齿数的关系如下： (5-1) 式中 步进电机的步距角； m电机相数； Z转子齿数； k控制方式确定的拍数与相数的比例系数。 例如三相三拍时，k=1，三相六拍时，k=2。 KmZ 360 35 同一相数的步进电机可有两种步距角， 通常为1.2/0.5、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5 度等。 步距误差是指步进电机运行时，转子每 一步实际转过的角度与理论步距角之差值。 连续走若干步时，上述步距误差的累积值 称为步距的累积误差。由于步进电机转过 一转后，将重复上一转的稳定位置，即步 进电机的

19、步距累积误差将以一转为周期重 复出现。 36 2. 2. 静态转矩与矩角特性静态转矩与矩角特性 当步进电机上某相定子绕组通电之后，当步进电机上某相定子绕组通电之后， 转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的 磁阻最小，转子处在平衡位置不动（磁阻最小，转子处在平衡位置不动（ 0）。如果在电机轴上外加一个负载转矩）。如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz， 转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过 一个角度一个角度，角度，角度称为失调角。有失调角称为失调角。有失调角 之后，步进电机就产生一个静态转矩（也之后，步进电机就产生一个静态转矩（也

20、 称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载 转矩。转矩。 37 静态转矩与失调角静态转矩与失调角的关系叫矩角特的关系叫矩角特 性，如图性，如图5-55-5所示，近似为正弦曲线。该矩所示，近似为正弦曲线。该矩 角特性上的静态转矩最大值称为最大静转角特性上的静态转矩最大值称为最大静转 矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除 去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到 稳定平衡点位置（稳定平衡点位置（0 0）。）。 38 O M jm ax M 静 态 稳 定 区 - -/2 /2 静态矩角特性 39 3

21、. 最大启动转矩 图5-7为三相单三拍矩角特性曲线，图中的A、 B分别是相邻A相和B相的静态矩角特性曲线，它 们的交点所对应的转矩是步进电机的最大启动转 矩Mq。如果外加负载转矩大于Mq ，电机就不能 启动。如图5-7所示,当A相通电时，若外加负载转 矩MaMq ，对应的失调角为a ，当励磁电流由A 相切换到B相时，对应角a ，B相的静转矩为Mb。 从图中看出,电机不能带动负载做步进运动，因而 启动转矩是电机能带动负载转动的极限转矩。 40 图5.9 步进电机的启动转矩 41 4. 启动频率 空载时，步进电机由静止状态突然起动， 并进入不失步的正常运行的最高频率，称为 启动频率或突跳频率，加给

22、步进电机的指令 脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。 步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的 启动频率比空载要低。而且，随着负载加大 （在允许范围内），启动频率会进一步降低。 42 5. 连续运行频率 步进电机起动后，其运行速度能根据指 令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作 频率，称为连续运行频率。其值远大于启 动频率，它也随着电机所带负载的性质和 大小而异，与驱动电源也有很大关系。 43 5. 矩频特性与动态转矩 矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输出 转矩与连续运行频率之间的关系（见图5-8），该 特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。在 使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的

23、 上升而下降的特点。 图图5-8 矩频特性矩频特性 44 步进电机驱动线路完成由弱电到强电的 转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换 成电机绕组所需的具有一定功率的电流脉 冲信号。驱动控制电路由环形分配器和功 率放大器组成。 5.2.3 步进电机功率驱动步进电机功率驱动 45 l环形分配器是用于控制步进电机的通电方 式的，其作用是将数控装置送来的一系列 指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到 功率放大器上，控制各相绕组的通电、断 电。 l环形分配器功能可由硬件或软件产生，硬 件环形分配器是根据步进电机的相数和控 制方式设计的，数控机床上常用三相、四 相、五相及六相步进电机。 46 1、脉冲分配控制

24、硬件（环形分配器） CNC 装置 电源 环形 分配器 A相驱动 B相驱动 C相驱动 FULL/HALF DIR CLK M 三相硬件环形分配器的驱动控制 47 硬件环形分配器是根据真值表或逻辑关 系式采用逻辑门电路和触发器来实现，如 图5-9所示，该线路由与非门和JK触发器 组成。指令脉冲加到三个触发器的时钟输 入端CP，旋转方向由正、反控制端的状态 决定。 , , 为三个触发器的输出端，连到 A、B、C三相功率放大器。若“1”表示通 电，“0”表示断电，对于三相六拍步进电 机正向旋转，正向控制端状态置“1”，反 向控制端状态置“0”。 B Q C Q A Q 48 初始时，在预置端加上预置脉

25、冲，将 三个触发器置为100状态 。当在CP端送入 一个脉冲时，环形分配器就由100状态变为 110状态，随着指令脉冲的不断到来，各相 通 电 状 态 不 断 变 化 ， 按 照 100110010011001101即 AABBBCCCA次序通电。步进电机 反转时，由反向控制信号“1”状态控制 （ 正 向 控 制 为 “ 0 ” ） ， 通 电 次 序 为 ACACCBBBAA。 49 图4-25 三相六拍环行分配器的原理线路图 50 软件环形分配器实现较为简单、方便。 计算机控制的步进电机驱动系统中，使用 软件实现脉冲分配，常用的是查表法。例 如对于三相六拍环形分配器，每当接收到 一个进给脉

26、冲指令，环形分配器软件根据 表5-1所示真值表，按顺序及方向控制输出 接口将A、B、C的值输出即可。 51 图4-27 两坐标步进电机伺服进给系统框图 52 表3-2 两坐标步进电机环形分配的输出状态表 X向步进电机向步进电机Z向步进电机向步进电机 节拍节拍 序号序号 CBA存贮单元存贮单元 方方 向向 节拍节拍 序号序号 cba存贮单元存贮单元 方方 向向 PA2PA1PA0地址地址内容内容PA5PA4PA3地址地址内容内容 0001 2A00 H 01H 反反 转转 正正 转转 0001 2A10 H 08H 反反 转转 正正 转转 1011 2A01 H 03H1011 2A11 H 1

27、8H 2010 2A02 H 02H2010 2A12 H 10H 3l10 2A03 H 05H3l10 2A13 H 30H 4100 2A04 H 04H4100 2A14 H 20H 5101 2A05 H 05H5101 2A15 H 28H 53 序 号 A B C 方 向 1 1 0 0 2 1 1 0 3 0 1 0 4 0 1 1 5 0 0 1 6 1 0 1 反 转 正 转 三相六拍环形分配器真值表 步进电机及其驱动装置步进电机及其驱动装置 54 l功率放大器的作用是将环形分配器 发出的电平信号放大至几安培到几 十安培的电流送至步进电机各绕组， 每一相绕组分别有一组功率放

28、大电 路。 5.2.4 功率放大器 55 L为步进电机励磁绕组的电感，Ra为绕组电阻， Rc为外接电阻，电阻Rc并联一电容C，可以提高负载 瞬间电流的上升率，从而提高电动机快速响应能力 和启动性能。 图3-28 单电压驱动电路的工作原理 56 l环形分配器输出为高电平时，T饱和导通， 绕组电流按指数曲线上升，电路时间常数 =L/(Ra+Rc)，它表示功放电路在导通时允 许步进电机绕组电流上升的速率。串联电 阻Rc可以使电流上升时间减小，改善带负载 能力。但电阻消耗了一部分功率，降低了 效率。 57 l当环形分配器输出为低电平时，T截止，绕 组断电，因步进电机的绕组是电感性负载， 当T管从饱和到

29、突然截止的瞬间，将产生一 较大反电势，此反电势与电源电压叠加在 一起加在T管的集电极上，可能会使T管击 穿。 58 图3-31 三种驱动电路的电流波形 (a)单电压电路 (b) 高低压电路 (c)斩波电路 59 图3-29 高低压驱动电路的原理图 60 l 高低压驱动电路是恒电压驱动的改 进型，它的特点是供给步进电机绕组两 种电压，以改善电机启动时的电流前沿 特性。一种是高电压U1，由电机参数和 晶体管特性决定，一般在80V至更高范 围；另一种是低电压，即步进电机绕组 额定电压U2，般为几伏至20V。 61 l在相序输入信号到来时，IH、IL信号使 VTl、VT2同时导通，给绕组加上高压 U1

30、，以提高绕组中电流上升率，当电 流达到规定值时，VT1关断、VT2仍然 导通(tH脉宽小于tL)，则自动切换到低 压U2。 62 当低压断开时，电感中储能通过构 成的放电回路放电，因此也加快了放 电过程。这种供电线路由于加快了绕 组电流的上升和下降过程，有利于提 高步进电机的启动频率和最高连续工 作频率。由于额定电流是由低压维持 的，只需较小的限流电阻，功耗小。 63 l该电路的优点是在较宽的频率范围有 较大的平均电流，能产生较大且稳定 的平均转矩。 l缺点是电流波形有凹陷，电路较复杂。 64 图4-30 斩波驱动电路原理图 65 恒流斩波驱动电路的工作原理是：环形恒流斩波驱动电路的工作原理是

31、：环形 分配器输出的正脉冲将分配器输出的正脉冲将T T1 1，T T2 2导通，由于导通，由于U U1 1 电压较高，绕组回路又没串电阻，所以绕电压较高，绕组回路又没串电阻，所以绕 组电流迅速上升，当绕组电流上升到额定组电流迅速上升，当绕组电流上升到额定 值以上的某一数值时，由于采样电阻值以上的某一数值时，由于采样电阻R Re e的反的反 馈作用，经整形、放大后送自馈作用，经整形、放大后送自T T1 1的基极，使的基极，使 T T1 1管截止。管截止。 66 接着绕组由接着绕组由U U2 2低压供电，绕组中的电流低压供电，绕组中的电流 立即下降，但刚降到额定值以下时，由于立即下降，但刚降到额定

32、值以下时，由于 采样电阻采样电阻R Re e的反馈作用，使整形电路无信号的反馈作用，使整形电路无信号 输出，此时高压前置放大电路又使输出，此时高压前置放大电路又使T T1 1导通，导通， 电流又上升。如此反复进行，形成一个在电流又上升。如此反复进行，形成一个在 额定电流值上下波动呈锯齿状的绕组电流额定电流值上下波动呈锯齿状的绕组电流 波形，近似恒流。波形，近似恒流。 67 l(4)调频调压驱动电路 l从上述驱动电路看，为了提高驱动器的快 速响应，采用了提高供电电压，加快电流 上升沿的措施。但在低频工作时，步进电 机的振荡加剧，甚至失步。从原理上讲， 为了减小低频振荡，应使低频时绕组中的 电流上

33、升沿较平缓，这样才能使转子在到 达新的平衡位置时不产生过冲。而在高速 时则应使电流前沿较陡峭，以产生足够的 绕组电流，才能提高步进电机的带载能力。 68 l这就要求驱动电源对绕组提供电压与电机 运行频率建立直接关系，即低频时用较低 的电压供电，高频时用较高的电压供电。 电压随频率变化可由不同的方法实现，如 分频段来调压、电压随频率线性地变化等。 l调频调压驱动方式结合了高低驱动和斩波 驱动的优点，是一种十分可取的步进电机 驱动电路。 69 l(5)(5)细分驱动电路细分驱动电路 l步进电机绕组中的电流为矩形波供电时，步进电机绕组中的电流为矩形波供电时， 其步距角因供电控制方式不同只有两种其步距

34、角因供电控制方式不同只有两种( (整整 步与半步步与半步) )。步距角虽已由步进电机结构确。步距角虽已由步进电机结构确 定，但可用电的方法来进行细分。为此，定，但可用电的方法来进行细分。为此， 绕组电流由矩形波供电改为梯形波供电。绕组电流由矩形波供电改为梯形波供电。 70 l 矩形波供电时，绕组中的电流基本上是从零值跃 到额定值，或从额定值降至零值。而梯形波供电 时，绕组中的电流经若干个阶梯上升到额定值， 或经若干个阶梯下降至零值，也就是说，在每次 输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切 除，而是改变相应绕组中额定电流的一部分。电 流分成多少个台阶，则转子就以同样的个数转一 个步距角。这种

35、将一个步距角细分成若干个步的 驱动方法称为细分驱动。细分驱动的优点是使步 距角减小，运行平稳，提高匀速性，并能减弱或 消除振荡。 71 72 第15讲 73 5.3 5.3 直流伺服电机直流伺服电机 极靴极靴 机壳机壳 瓦状永磁材料（定子）瓦状永磁材料（定子） 电枢（转子）电枢（转子） 换向极换向极 主磁极主磁极 定子定子 转子转子 线圈线圈 永磁直流伺服电机的结构永磁直流伺服电机的结构 直流主轴电机结构示意图直流主轴电机结构示意图 74 5.3.2 5.3.2 直流伺服电机的结构直流伺服电机的结构 l(1)(1)定子定子 定子磁极磁场由定子的磁极产生。定子磁极磁场由定子的磁极产生。 根据产生

36、磁场的方式，直流伺服电机可分根据产生磁场的方式，直流伺服电机可分 为永磁式和他激式。永磁式磁极由永磁材为永磁式和他激式。永磁式磁极由永磁材 料制成，他激式磁极由冲压硅钢片叠压而料制成，他激式磁极由冲压硅钢片叠压而 成，外绕线圈，通以恒定直流电流便产生成，外绕线圈，通以恒定直流电流便产生 恒定磁场。恒定磁场。 75 l(2)(2)转子转子 又称电枢，由硅钢片叠压而成，又称电枢，由硅钢片叠压而成， 表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁 场作用下产生带负载旋转的电磁转矩。场作用下产生带负载旋转的电磁转矩。 l(3)(3)电刷与换向片电刷与换向片 为使所产生的电磁转

37、矩为使所产生的电磁转矩 保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀的保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀的 连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换 向片与电枢导体相接。向片与电枢导体相接。 76 5.3.2 5.3.2 直流伺服电机的结构直流伺服电机的结构 图4-32 直流伺服电机的结构 77 另一方面，就原理而言，一台普通的直 流电机也可认为就是一台直流伺服电机。 因为，当一台直流电机加以恒定励磁，若 电枢(多相线圈)不加电压，电机不会旋转； 当外加某一电枢电压时，电机将以某一转 速旋转，改变电枢两端的电压，即可改变 电机转速，这种控制叫电枢控制。 78 当电枢加以恒

38、定电流，改变励磁电当电枢加以恒定电流，改变励磁电 压时，同样可达到上述的控制目的，这压时，同样可达到上述的控制目的，这 种方法叫磁场控制。如图种方法叫磁场控制。如图5.245.24所示。直所示。直 流伺服电机一般都采用电枢控制。流伺服电机一般都采用电枢控制。 79 图5.24 直流电机的控制原理 80 5.3.4 直流伺服电机的分类 l1按电机结构分类 l2按转速高低分类 l3按励磁方式分类 81 5.3.4 直流伺服电机的分类 l按电机结构分： l(1)小惯量直流电机 l(2)改进型直流伺服电机 l(3)无刷直流电机 l(4)永磁式直流伺服电机 82 5.3.4 直流伺服电机的分类 l按转速

39、高低分类： l(1)高速直流伺服电机 l(2)低速大扭矩宽调速电机 83 5.3.4 直流伺服电机的分类 l按励磁方式分类 l(1)他励直流电机 适用于要求宽调速、对 启动制动特性要求较高的场合。 l(2)并励直流电机 l(3)串励直流电机 适用于启动制动频繁， 较大启动扭矩和恒功率调速的机械，如电 车、牵引机车等。 l(4)复励直流电机 适用于负载变动较大、 同时需要宽调速的场合。 84 5.3.4 直流伺服电机的调速 l直流电机的调速原理：(公式4-5) 因此，直流电动机的基本调速方式有三 种，即调节电阻R，调节电枢电压U和调节 磁通的值。 0 2 e et UR nTnT K K K 8

40、5 5.3.5 直流伺服电机的调速 l1改变电枢回路电阻的调速 l2改变电枢电压的调速 l3改变励磁磁通调速 86 1改变电枢回路电阻的调速 l 在电枢电路中的电阻R串联一个变电阻Ra时，机械特 性（R越大，越大，n0不变） 图3-38 改变电枢电路电阻的调速 87 l 直流电机的机械特性为一向下倾斜的直线，即随 着外负载的增加，其转速线性地下降：当增大电 枢电阻时，直流电机的空载理想转速不变，但电 机的机械特性变软，即当电机外负载增加时，电 机转速相对理想转速的下降值增加，稳定转速下 降，输出的机械功率下降。这是由于负载增加， 电机的电流增加，电阻所消耗的功率比原来增加 所至。因此，调节电枢

41、电阻调速的方法是不经济 的。在实际伺服系统中应用少。 88 2改变电枢电压的调速 l 改变电枢电压U时的机械特性（U越大，n0越大， 不变）,由于电机绝缘耐压强度的限制，电枢电 压只允许在其额定值以下调节。 图4-38 改变电枢电压的调速 89 l 这种调速方法有以下特点： l (1)当电源电压连续变化时，转速可以平滑无级调 节，但一般只能在额定转速以下调节； l (2)机械特性硬度不变（不变），调速的稳定度 较高，调速范围较大； l (3)电枢电压调速属恒转矩调速，适合于对恒转矩 型负载进行调速； 90 电枢电压调速是数控机床伺服系统 中用的最多的调速方法，后面将讲到的 晶闸管供电的速度控制

42、和晶体管直流脉 宽（PWM）调速系统都是电枢电压调速 原理的具体应用。 91 3改变励磁磁通调速 改变磁通时的机 械特性（越大，n0 越小，越小）由于励 磁线圈发热和电机磁 饱和限制，电机的励 磁电流和它对应的磁 通只能在低于其额定 值的范围内调节。 图3-40 改变磁通时的调速 92 l对于调磁调速，不但改变了电机的理 想转速，而且也使机械特性变软，使 电机抗负载变化的能力降低。 93 因此，直流电机广泛使 用调节电枢电压的调速方式。 94 5.3.6 晶闸管调速控制系统 l 只通过改变晶闸管触发角，以达到对电机进行调速的范 围较小，为满足数控机床的调速范围要求，可采用带有速 度反馈的闭环系

43、统。为增加调速特性的硬度，充分利用电 机过载能力，加快启动过程，需要加一个电流反馈环节， 实现双闭环调速。 图3-41 双闭环调速系统 95 l当给定的速度指令信号增大时，速度调节 器输入端会有较大的偏差信号，放大器的 输出信号随之加大，触发脉冲前移，整流 器输出电压提高，电机转速相应的上升； 同时，测速发电机输出电压增加，反馈到 输入端使偏差信号减小，电机转速上升减 慢，直到速度反馈值等于或接近给定值时 系统达到新的平衡。 96 l当负载增加时，转速会下降，测速发电机 输出电压下降，使速度调节器输入偏差信 号增大，放大器输出电压增加，触发脉冲 前移，晶闸管整流器输出电压升高，从而 使电机转速

44、上升，直到恢复原干扰前的转 速；电流调节器可对速度调节器电流反馈 信号进行补偿，使SCR整流器输出电压恢 复到原值，抑制了主回路电流的变化。 97 l当速度给定信号为阶跃函数时，电流调节 器输入值很大，输出值整定在最大的饱和 值，电枢电流值最大。因而，电机在加速 的过程中可始终保持在最大转矩和最大加 速度状态，使启动、制动过程最短。 98 l晶闸管调速控制系统的特点: 双环调速系统具有良好的静态、动态指 标，可最大限度地利用电机过载能力，实 现过度过程最短。上述晶闸管调速的缺点 在于低速轻载时，电枢电流出现断续，机 械特性变软，总放大倍数下降，动态品质 变坏。可采用电枢电流自适应调节器或者 增

45、加一个电压调节内环，组成三环来解决。 99 5.3.7 晶体管脉宽调制(PWM)调速系统 l晶体管直流脉宽调制（PWM）调速系统简 称脉宽调速系统，是利用脉宽调制器对大 功率晶体管开关时间进行控制，将直流电 压转变成一系列某一频率的单极性或双极 性方波电压，加到直流电机电枢的两端， 通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的 平均值，从而达到调整电机转速的目的。 100 PWM调速系统的特点 l1)电机损耗和噪声小 晶体管开关频率很高， 远比转子所跟随的频率高，也即避开了机 械的共振。由于开关频率高，使得电枢电 流仅靠电枢电感或附加较小的电抗器便可 连续，所以电机耗损和发热小。 l2)晶体管的开关性

46、能好，控制简单 功率晶 体管工作在开关状态，其耗损小，且控制 方便。只需在基极加以信号就可以控制其 开关。 101 l 3)系统动态特性好，响应频带宽 晶体管的电容小， 截止频率高于可控硅，允许系统有较高的工作频 带较宽的频带，可获得好的系统动态性能，动态 响应迅速，也可避免机床的共振区，使机床加工 平稳，从而可提高加工质量。 l 4)电流脉动小，波形系数小 电机负载呈感性，电 路的电感值与频率成正比关系，因此电流脉动的 幅度随频率的升高而下降。PWM的高工作频率使 电流的脉动幅度大大的削弱，电流的波形系数接 近于1，使得电机内部发热少，输出转矩平稳，对 低速加工有利。 102 l5)电源的功

47、率因数高 PWM系统的直流电源 为不控整流输出，相当于可控硅导通角为 最大时的工作状态，功率因数与输出电压 无关，整个工作范围内的功率因数可达90%， 从而大大改善了电源的利用率。 l5)功率晶体管承受高峰值电流的能力差。 103 (2)PWM系统的工作原理 lPWM方式的速度控制系统主要由脉冲宽度 调制器和脉冲功率放大器两部分组成。 lPWM调速系统可分为控制部分、晶体管开 关式放大器和功率整流器三部分。控制部 分包括速度调节器、电流调节器、固定频 率振荡器及三角波发生器、脉冲宽度调制 器以及基极的驱动电路。脉宽调制（PWM） 系统的工作原理如图5.29所示。 104 图5.29 脉宽调制（

48、PWM）系统的工作原理 105 l 脉宽调制是使功率放大器中的晶体管开关工作， 开关频率保持恒定，用调整每周期内的导通时间 的方法来改变功率晶体管的输出，从而是电机电 枢两端获得宽大随时变化的确定频率的电压脉冲。 脉宽的连续变化，使得电枢电压的平均值也连续 变化，因而使电机的转速连续调整。脉宽调制器 也是使电流调节器输出的直流电压电平（随时间 缓慢变化）与振荡器产生的确定频率的三角波叠 加，然后利用线性组件产生宽度可变的矩形脉冲， 经驱动回路放大后加到晶体管的基极，控制其开 关周期及导通的持续时间。 106 (3)脉宽调制器 脉宽调制器的作用是将电压量转换成可 由控制信号调节的矩形脉冲。在PW

49、M调速 系统中，电压量为电流调节器输出的直流电 压量，该电压是由数控装置插补器输出的速 度指令转化而来。经过脉宽调制器变为周期 固定、脉宽可变的脉冲信号，脉冲宽度的变 化随着速度指令而变化。由于脉冲周期不变， 脉冲宽度的改变将使脉冲平均电压改变。 107 l脉冲宽度调制器的种类很多，但从结构上 看，都是由两部分组成，即 调制信号发生器调制信号发生器 比较放大器比较放大器 而调制信号发生器都是采用三角波发生 器或锯齿波发生器。 108 图5.30 脉宽调制器 (a)三角波发生器；(b)、(c)比较放大器 109 (4)开关功率放大器 图3-44 H形开关电路 (a)单极性工作状态 (b)双极性工

50、作状态 110 5.2.2 三相电压型逆变电路 l三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电 路 l应用最广的是三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路 图5-9 三相电压型桥式逆变电路 111 (4)开关功率放大器 图3-44 H形开关电路 (a)单极性工作状态 (b)双极性工作状态 112 lH形双极性开关电路如图3-44(b)所示：比较 图3-44(a)、(b)可看出，这两个图的构成是 一样的，只是控制电压不同。图3-44(b)中 的控制电压的特点是ubl=ub4，ub2=ub3=- ubl。在0tt1时，VT1和VT4导通，此时电 源+Ed加在电机电枢AB两端(即uAB=+Ed)。 在t1tT时，

51、VT2和VT3导通，此时电源 +Ed加在电机电枢BA两端(即uAB=-Ed)。在 这种控制方式下，开关放大器的输出电压 是在+Ed到-Ed之间变化的脉冲电压，其电 机电枢两端电压uAB的极性改变，因此称它 为双极性工作方式。 113 l从图3-43中的波形可知，主回路输出电压 uAB是在0和+ Ed之间变化的脉冲电压。因 此，这时是采用了H形单极性开关电路工作 方式。改变控制电压的大小(如变小)，即可 改变电枢两端的电压波形(如脉宽变窄)，从 而改变了电枢电压的平均值(如平均电压变 小)，达到调速的目的(如电机转速变低)。 114 第16讲 115 5.4 交流电机伺服系统 5.4.1交流伺服

52、电机的种类：交流伺服电机的种类： 交流伺服电机可以分为： 永磁式交流伺服电机 感应式交流伺服电机。 永磁式交流伺服电机转速与电源的频 率有严格的对应关系，同步性较好，因此 常用于进给伺服系统。 116 l永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比 较，主要优点有： l无电刷和换向器，因此工作可靠，对维 护和保养要求低。 l定子绕组散热比较方便。 l惯量小，易于提高系统的快速性。 l适应于高速大力矩工作状态。 l同功率下有较小的体积和重量。 117 5.4.2 永磁交流同步伺服电机的结构永磁交流同步伺服电机的结构 图5.33 永磁交流同步伺服电机结构 118 （1 1）永磁交流同步伺服电机的发展）永磁

53、交流同步伺服电机的发展 新永磁材料的应用 钕铁硼 永久磁铁的结构改革 内装永磁交流同步伺 服电机 与机床部件一体化的电机 空心轴永磁交流同 步伺服电机 （2 2）交流主轴伺服电机的发展）交流主轴伺服电机的发展 输出转换型交流主轴电机 三角-星形切换，绕组数切换或二者组合切换。 液体冷却电机 内装式主轴电机 5.4.3、交流伺服电机的发展 119 5.4.4 交流伺服电机的调速原理 l 由电机学基本原理可知，交流电机的同步转速为 l 异步电机的转速为: l 式中f定子电源频率，Hz； l p电机定子绕组磁极对数； l S转差率。 60 /min f nr p 60 1 f nS p 120 改变

54、电机转速的方法： l(1)改变磁极对数 l(3)变频调速 l(2)改变转差率调速 121 5.4.5 交流伺服电机的速度控制单元 l 永磁同步伺服电机的调速与异步型 伺服电机的调速有不同之处异步型的， 即不能用调节转差率S的方法来调速， 也不能用改变磁极对数 p来调速，而只 能用变频( f )方法调速才能满足数控机 床的要求，实现无级调速。 122 l永磁交流伺服系统按其工作原理、驱动电 流波形和控制方式的不同，又可分为：矩 形波电流驱动的永磁交流伺服系统和 正弦波电流驱动的永磁交流伺服系统。 前者的永磁交流伺服电机也称为无刷直流 伺服电动机，后者的也称无刷交流伺服电 动机。从发展趋势看，正弦

55、波驱动将成 为主流。 123 l永磁交流伺服电机变频调速控制单元中的 关键部件之一是变频器。变频器又分为 交直交型和交交型变频器，前者广 泛应用在数控机床的伺服系统中。通常 交直交型变频器中的交直变换 是将交流变为直流电，而直交变换 是将直流变为调频、调压的交流电， 采用脉冲宽度调制逆变器来完成。 124 l 逆变器有晶闸管和晶体管逆变器之 分，而数控机床上的交流伺服系统几 乎全部采用晶体管逆变器。 125 l1SPWM变频器 lSPWM变频器，即正弦波PWM变频器，属 于交直交静止变频装置。它先将50Hz 的工频电源经整流变压器变到所需的电压 后，经二极管整流和电容滤波，形成恒定 直流电压，

56、再送人由大功率晶体管构成的 逆变器主电路，输出三相频率和电压均可 调整的等效于正弦波的脉宽调制波(SPWM 波)，去驱动交流伺服电动机运转。 126 l(1)SPWM波形与等效正弦波 SPWM逆变 器是用来产生正弦脉宽调制波，即SPWM 波形。工作原理是把一个正弦半波分成N等 分，然后把每一等分的正弦曲线与横坐标 所包围的面积都用一个与此面积相等的矩 形脉冲来代替，这样可得到N个等高而不等 宽的脉冲。这N个脉冲对应着一个正弦波的 半周。对正弦波的负半周也采取同样处理， 得到相应的2N个脉冲，这就是与正弦波等 效的正弦脉宽调制波，即SPWM波。 127 图3-49 与正弦波等效的矩形脉冲波形 1

57、28 (2)产生SPWM波形的原理 l其方法是以正弦波为调制波对等腰 三角波为载波的信号进行“调制”。 调制电路一般采用电压比较放大器， 调制后输出宽度受正弦调制波控制 的脉冲(SPWM波),因此,只需改变 正弦调制波的频率或幅值,就能调 制输出脉冲的宽度. 129 (2)产生SPWM波形的原理 l调制原理与直流脉宽调速系统中 的调制相似，所不同的是这里需 要三相SPWM波形。 130 (2)产生SPWM波形的原理 l其原理图如图其原理图如图3-50所示。要获得三相所示。要获得三相 SPWM脉宽调制波形，则需要三个互成脉宽调制波形，则需要三个互成 的控制电压的控制电压Ua、Ub、Uc分别与同一

58、三角分别与同一三角 波比较，获得三路互成波比较，获得三路互成 的的SPWM脉宽脉宽 调制波调制波U0a、U0b、U0c。而三相控制电压。而三相控制电压 Ua、Ub、Uc的幅值和频率都是可调的。的幅值和频率都是可调的。 三角波频率为正弦频率三角波频率为正弦频率3倍的整数倍，所以倍的整数倍，所以 保证了三路脉冲调制波形保证了三路脉冲调制波形U0a、U0b、U0c 和时间轴所组成的面积随时间的变化互成和时间轴所组成的面积随时间的变化互成 相位角。相位角。 0 120 0 120 131 图4-52 调制波的形成 132 SPWM控制波的生成控制波的生成:正弦波正弦波三角波调制三角波调制、方波、方波三

59、角波调制。三角波调制。 133 图3-50 三相SPWM控制电路原理 134 (3)SPWM变频器的主电路 图3-51 双极性SPWM通用型主回路 135 2SPWM变频调速系统 图3-53 SPWM变频调速系统框图 136 SPWM变压变频调速的优点： 1.主电路只有一个可控的功率环节，简化 了结构； 2.采用了不可控整流器。使电网功率因数 提高； 3.逆变器同时调频调压，动态响应不受中 间环节影响； 4.可获得更接近于正弦波的输出电压波形。 137 3交流伺服电机的矢量控制调速 l交流伺服电机的矢量控制(Vector Control)，是既适用于异步型电机，也 可用于同步型电机的一种调速控

60、制方 法。它是在PWM变频异步电机调速的 基础上发展起来的。因为数控机床的 主轴在工作时，为保证加工质量，对 恒转矩有更高的要求，所以主轴交流 电机更广泛地采用矢量控制调速方式。 138 l (1)矢量控制原理 l 异步型交流电机矢量控制的基本原理是：他激直 流伺服电机之所以能获得优良的动态与静态性能， 其根本原因是被控量只有电机磁场和电枢电流IR， 且这两个量是相互独立的。此外，电磁转矩，T与、 IR成比例关系。因此控制简单，性能优良。如果 能够模拟直流电机，求出异步电机与之对应的磁 场与电枢电流，分别而独立地加以控制，就会使 异步电机具有与直流电机近似的优良性能。 139 l为此，必须将三