数控机床的伺服驱动系统ppt课件

1、YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 4.3 数控机床的伺服驱动系统 伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的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，而在数控机床中，伺服系统主要指各坐自动控制系统，而在数控机床中，伺服系统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统，它由执行组件如步进标轴进给驱动的位置控制系统，它由执行组件如步进电机、交直流电动机等和相应的控制电路组成，包括电机、交直流电动机等和相应的控制电路组成，包括主驱动和进给驱动。伺服系统接纳来自主驱动和进给驱动。伺服系统接纳来自CNC安装的进安装的进给脉冲，经变

2、换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉给脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带开任务台，有的带动刀架，经过冲运动。这些轴有的带开任务台，有的带动刀架，经过几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出所要求的复杂外形工件。杂的机械运动，加工出所要求的复杂外形工件。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 4.3.1 伺服系统的性能伺服系统的性能 由于各种数控机床所完成的加工义务不同，它由于各种数控机床所完成的加工义务不同，它们对进给伺服系统

3、的要求也不尽一样，但通常可概们对进给伺服系统的要求也不尽一样，但通常可概括为以下几方面。括为以下几方面。调速范围宽调速范围宽 要求伺服电动机有很宽的调速范围要求伺服电动机有很宽的调速范围和优良的调速特性，不仅要满足低速切削的要求，和优良的调速特性，不仅要满足低速切削的要求，如如5mmmin，还要能满足高速进给的要求，如，还要能满足高速进给的要求，如1000mmmin，甚至更大的范围。，甚至更大的范围。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 快速呼应并无超调位置伺服系统要有良好的快快速呼应并无超调位置伺服系统要有良好的快速呼应特性，即

4、要求跟踪指令信号的呼应要快。这就速呼应特性，即要求跟踪指令信号的呼应要快。这就对伺服系统的动态性能提出两方面的要求。普通要求对伺服系统的动态性能提出两方面的要求。普通要求电机速度由零到最大，或从最大减少到零，时间应控电机速度由零到最大，或从最大减少到零，时间应控制在制在200ms以下，甚至少于几十以下，甚至少于几十ms，且速度变化时不，且速度变化时不应有超调。另一方面当负载突变时，过渡过程前沿要应有超调。另一方面当负载突变时，过渡过程前沿要陡，恢复时间要短，且无震荡，这样才干得到光滑的陡，恢复时间要短，且无震荡，这样才干得到光滑的加工外表。加工外表。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制

5、技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 高精度为了满足数控加工精度的要求，关键是高精度为了满足数控加工精度的要求，关键是保证数控机床的定位精度和进给跟踪精度。位置伺服保证数控机床的定位精度和进给跟踪精度。位置伺服系统的定位精度普通要求能到达系统的定位精度普通要求能到达0.010.001mm，高，高的可到达的可到达0.1m。相应地，对伺服系统的分辨率也提。相应地，对伺服系统的分辨率也提出了要求。当伺服系统接受出了要求。当伺服系统接受CNC送来的一个脉冲时，送来的一个脉冲时，任务台相应挪动的单位间隔叫分辨率。目前的闭环伺任务台相应挪动的单位间隔叫分辨率。目前的闭环伺服系统都能到达

6、服系统都能到达1m的分辨率。高精度数控机床也可的分辨率。高精度数控机床也可到达到达0.1m的分辨率，甚至更小。的分辨率，甚至更小。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 低速大转矩机床在低速切削时，切深和进给低速大转矩机床在低速切削时，切深和进给都较大。现代数控机床通常是伺服电动机与丝杠直都较大。现代数控机床通常是伺服电动机与丝杠直连，没有降速齿轮，这就要求主轴电动机输出较大连，没有降速齿轮，这就要求主轴电动机输出较大转矩，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。转矩，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。较高的任务稳定性伺服系统的任务

7、稳定性要较高的任务稳定性伺服系统的任务稳定性要好，并具有较强的抗干扰的才干，保证进给速度均好，并具有较强的抗干扰的才干，保证进给速度均匀、平稳，才干加工出高外表质量的零件。匀、平稳，才干加工出高外表质量的零件。较强的过载才干由于电动机加减速时要求有较强的过载才干由于电动机加减速时要求有很快的呼应速度，而使电动机能够在过载条件下任很快的呼应速度，而使电动机能够在过载条件下任务。这就要求电动机有较强的抗过载才干。通常要务。这就要求电动机有较强的抗过载才干。通常要求在数分钟内过载求在数分钟内过载46倍而不损坏。倍而不损坏。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统

8、数控机床的伺服驱动系统 4.3.2 伺服系统的执行组件伺服系统的执行组件伺服系统的执行组件主要有功率步进伺服系统的执行组件主要有功率步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等。其作用是将电控信号的变化，动机等。其作用是将电控信号的变化，转换成电动机输出轴的角速度和角位移转换成电动机输出轴的角速度和角位移的变化，从而带动机床的机械部件作相的变化，从而带动机床的机械部件作相应的进给运动。应的进给运动。伺服系统对执行组件的根本要求是：伺服系统对执行组件的根本要求是：1控制简单，并具有较宽的调速控制简单，并具有较宽的调速范围；范围；2动作迅速，时间常数小；动作迅速，

9、时间常数小；YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 3具有稳定的机械特性；具有稳定的机械特性；4任务可靠，无自转景象当输入信号为零任务可靠，无自转景象当输入信号为零时，伺服电动机应立刻停顿转动。时，伺服电动机应立刻停顿转动。4.3.2.1 步进电动机步进电动机 普通电动机是延续运转的。步进电动机是在外普通电动机是延续运转的。步进电动机是在外加电脉冲信号的作用下一步一步的运转，正由于它加电脉冲信号的作用下一步一步的运转，正由于它的运动方式是步进式的，故称为步进电动机。步进的运动方式是步进式的，故称为步进电动机。步进电动机是一种将脉冲信

10、号变换成相应的角位移或线电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移或线位移的电磁安装。位移的电磁安装。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 由于步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严由于步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严厉成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只需控制厉成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只需控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组的通电顺序，便可输入脉冲的数量、频率及电机绕组的通电顺序，便可获得所需的转角、转速和转动方向。无脉冲输入时，获得所需的转角、转速和转动方向。无脉冲输入时，在绕组电源的鼓励下，气隙磁场使转子坚

11、持原有的位在绕组电源的鼓励下，气隙磁场使转子坚持原有的位置处于定位形状。步进电机具有独特的优点，作为伺置处于定位形状。步进电机具有独特的优点，作为伺服电动机运用于控制系统时，可以使系统简化、任务服电动机运用于控制系统时，可以使系统简化、任务可靠，而且可获得较高的控制精度。因此在工业上大可靠，而且可获得较高的控制精度。因此在工业上大量用作形状伺服组件、形状指示组件、位置控制和速量用作形状伺服组件、形状指示组件、位置控制和速度控制组件。度控制组件。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 1步进电动机的分类步进电动机的分类按任务原理按任务

12、原理激磁式激磁式 定子和转子均有绕组，靠电磁力矩使转定子和转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动子转动反响式反响式 转子无绕组，定子绕组励磁后产生反响转子无绕组，定子绕组励磁后产生反响力矩，使转子转动力矩，使转子转动混合式混合式 与反响式的主要区别是转子上置有磁钢与反响式的主要区别是转子上置有磁钢按输出转矩大小按输出转矩大小快速步进电机快速步进电机 输出扭矩普通为输出扭矩普通为0.074Nm功率步进电机功率步进电机 输出扭矩普通为输出扭矩普通为540NmYXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 按定子陈列方式按定子陈列方式多段式轴向式定子

13、各相按轴向依次陈列多段式轴向式定子各相按轴向依次陈列单段式径向式定子各相在圆周依次陈列单段式径向式定子各相在圆周依次陈列按励磁相数不同按励磁相数不同分为三相、四相、五相、六相等。相数越多步分为三相、四相、五相、六相等。相数越多步距角越小，但构造越复杂。距角越小，但构造越复杂。2步进电动机的任务原理步进电动机的任务原理图图4-18所示为数控机床中广泛运用的反响式步所示为数控机床中广泛运用的反响式步进电动机任务原理表示图。进电动机任务原理表示图。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 当当U、V、W三对磁极的绕组依次轮番通直流电，三对

14、磁极的绕组依次轮番通直流电，依次轮番产生磁场吸引转子转动。依次轮番产生磁场吸引转子转动。U相相转子转子1、3两齿被磁极两齿被磁极U吸引，如图吸引，如图a。定子定子六个磁极六个磁极激磁线圈激磁线圈每两个相对的磁极为一相，每两个相对的磁极为一相，有有U、V、W三相三相转子转子带等距齿的铁心带等距齿的铁心U相相，V相相磁场磁场吸引最近的吸引最近的2、4齿，转齿，转子逆时针转了子逆时针转了30，如，如图图b。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 V相相，W相相磁场吸引最近的磁场吸引最近的1、3齿，转子齿，转子逆时针又转了逆时针又转了30，

15、如图，如图c。这样按这样按U-V-W-U-V-W的次序通电，步进电机就的次序通电，步进电机就一步一步地按逆时针方向转动一步一步地按逆时针方向转动30。 步进电机每步步进电机每步转过的角度称为转过的角度称为“步距角步距角 。假 设 通 电假 设 通 电相序改为相序改为U-W-V-U-W-V-U-W-VU-W-V，步进电，步进电动机将按顺时针动机将按顺时针方向旋转。方向旋转。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 3三相步进电动机的通电方式及步距角三相步进电动机的通电方式及步距角 三相单三拍三相单三拍 其通电顺序为其通电顺序为U-V-W

16、-U。“三相三相是指三相步进电机是指三相步进电机“单单是指每次只需一相绕组通电是指每次只需一相绕组通电 “三拍三拍是指三种通电形状为一个循环是指三种通电形状为一个循环这种方式每次只需一相通电，容易使转子在平这种方式每次只需一相通电，容易使转子在平衡位置上发生振荡，稳定性不好。而且在转换时，衡位置上发生振荡，稳定性不好。而且在转换时，由于一相断电时，另一相刚开场通电，容易由于一相断电时，另一相刚开场通电，容易“失步失步指不能严厉地对应一个脉冲转一步，因此不指不能严厉地对应一个脉冲转一步，因此不常采用这种通电方式。常采用这种通电方式。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床

17、的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 三相双三拍三相双三拍 其通电顺序为其通电顺序为UV-VW-WU-UV。两一。两一样时通电，转子遭到的感应力矩大，静态误差小，定位样时通电，转子遭到的感应力矩大，静态误差小，定位精度高，而且切换时一直有一相通电，所以任务稳定，精度高，而且切换时一直有一相通电，所以任务稳定，不易失步。双三拍通电方式运转时，步距角与单三拍通不易失步。双三拍通电方式运转时，步距角与单三拍通电方式一样。电方式一样。三相六拍三相六拍 其通电顺序为其通电顺序为U-UV-V-VW-W-WU-U。单、双相轮番通电的方式，它具有双三拍的特点，由于单、双相轮番通电的方式，它具有双三拍的特点，由

18、于通电形状数添加一倍，而使步距角减少一倍。且切换时通电形状数添加一倍，而使步距角减少一倍。且切换时一直有一相通电，任务比较稳定。这种控制方式增大了一直有一相通电，任务比较稳定。这种控制方式增大了步进电动机的稳定区域，改善了步进电动机的性能，故步进电动机的稳定区域，改善了步进电动机的性能，故多采用这种控制方式。多采用这种控制方式。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 从上面的分析可以看出，步进电动机转动的角度从上面的分析可以看出，步进电动机转动的角度取决于定子绕组的相数、转子齿数及供电的逻辑形状。取决于定子绕组的相数、转子齿数及供电

19、的逻辑形状。假设以假设以b表示步距角，那么有表示步距角，那么有mzKb360360=4-12式中式中m步进电动机相数；步进电动机相数；z转子齿数；转子齿数；K由步由步进电动机控制方式确定的拍数和相数的比例系数，如进电动机控制方式确定的拍数和相数的比例系数，如三相三拍时，三相三拍时，K；而三相六拍制时，；而三相六拍制时，K。 为了提高加工精度，普通要求步距角很小，数为了提高加工精度，普通要求步距角很小，数控机床中常用的步进电动机步距角为控机床中常用的步进电动机步距角为0.363YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 图图4-18中的步

20、进电动机模型，转子仅有个齿，中的步进电动机模型，转子仅有个齿，步距角较大。在实践应由中要求步距角小得多，为步距角较大。在实践应由中要求步距角小得多，为此可以增大转子齿数。此可以增大转子齿数。图图4-194-19所示是目前广泛运用的一种三相六极步进所示是目前广泛运用的一种三相六极步进电动机构造图。每个定子磁极上电动机构造图。每个定子磁极上有有5 5个齿。转子上共有个齿。转子上共有4040个齿和个齿和定子磁极上的齿宽相等。因此定定子磁极上的齿宽相等。因此定转子的齿距都为转子的齿距都为360360/40/409 9。在单三拍时，步距角为在单三拍时，步距角为3 3，在，在三相六拍时，步距角为三相六拍时

21、，步距角为1.51.5。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 4步进电动机的主要特点步进电动机的主要特点 步进电动机受脉冲信号的控制，每输入一个步进电动机受脉冲信号的控制，每输入一个脉冲，就变换一次绕组的通电形状，电动机就相应脉冲，就变换一次绕组的通电形状，电动机就相应转动一步。因此角位移与输入脉冲个数成严厉的比转动一步。因此角位移与输入脉冲个数成严厉的比例关系。例关系。 一旦停顿送入控制脉冲，只需维持控制绕组一旦停顿送入控制脉冲，只需维持控制绕组电流不变，电动机可以坚持在其固定的位置上，不电流不变，电动机可以坚持在其固定的位置

22、上，不需求机械制动安装。需求机械制动安装。 输出转角精度高，虽有相邻齿距误差；但无输出转角精度高，虽有相邻齿距误差；但无积累误差。积累误差。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 改动步进电动机定子绕组的通电顺序，转子改动步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改动。的旋转方向随之改动。 步进电动机定子绕组通电形状的改动速度越步进电动机定子绕组通电形状的改动速度越快，其转子旋转的速度就越快，即通电形状的变化频快，其转子旋转的速度就越快，即通电形状的变化频率越高，转子的转速就越高。率越高，转子的转速就越高。步进电动机的主要缺陷

23、是效率较低，输入功率步进电动机的主要缺陷是效率较低，输入功率的大部分转为热能耗散；另外，步进电动机没有过载的大部分转为热能耗散；另外，步进电动机没有过载才干，只需在规定范围内，才干获得好的步进性能。才干，只需在规定范围内，才干获得好的步进性能。5步进电动机的性能步进电动机的性能步距误差步距误差 步进电动机运转时，转子每一步实践步进电动机运转时，转子每一步实践转过的角度与实际步距角之差称为步距误差。转过的角度与实际步距角之差称为步距误差。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 延续走假设干步时，上述步距误差的累积值称延续走假设干步时

24、，上述步距误差的累积值称为步距的累积误差。由于步进电动机转过一圈后，为步距的累积误差。由于步进电动机转过一圈后，将反复上一圈的稳定位置，即步进电动机的步距累将反复上一圈的稳定位置，即步进电动机的步距累积误差将以一圈为周期反复出现。所以步距的累积积误差将以一圈为周期反复出现。所以步距的累积误差最大值可以在一圈范围内测出。影响步进电动误差最大值可以在一圈范围内测出。影响步进电动机的步距误差和累积误差的主要要素有齿和磁极的机的步距误差和累积误差的主要要素有齿和磁极的机械加工及装配精度、各相矩角特性之间的差别等。机械加工及装配精度、各相矩角特性之间的差别等。矩角特性、最大静态转矩矩角特性、最大静态转矩

25、 当步进电动机在某当步进电动机在某相通电时，转子处于不动形状。相通电时，转子处于不动形状。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 这时，在电动机轴上加一个负载转矩，转子就这时，在电动机轴上加一个负载转矩，转子就按一定方向转过一个角度按一定方向转过一个角度，此时转子所受的电磁转，此时转子所受的电磁转矩矩T称为静态转矩，角度称为静态转矩，角度称为失调角。称为失调角。T和和的关系的关系叫矩角特性，如图叫矩角特性，如图4-20所示，该特性上的电磁转矩最所示，该特性上的电磁转矩最大值称为最大静转矩。在一定范围内，外加转矩越大值称为最大静转矩。

26、在一定范围内，外加转矩越大，转子偏离稳定平衡的间隔越远。在静态稳定区大，转子偏离稳定平衡的间隔越远。在静态稳定区内，外加转矩除内，外加转矩除去时，转子在电磁转去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置。稳定平衡点位置。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 起动频率起动频率 空载时，由静止形状起动，到达不空载时，由静止形状起动，到达不失步的正常运转的最高频率，称为起动频率。起动时失步的正常运转的最高频率，称为起动频率。起动时指令脉冲频率应小于起动频率，否那么将产生失步。指令脉冲频率应小于起动频率，否那么将

27、产生失步。步进电动机在带负载下的起动频率比空载要低。步进电动机在带负载下的起动频率比空载要低。延续运转频率延续运转频率 起动后，不失步任务的最高任起动后，不失步任务的最高任务频率，称为延续运转频率。通常是起动频率的务频率，称为延续运转频率。通常是起动频率的4 41010倍。随着运转频率添加，其输出转矩相应下降，所倍。随着运转频率添加，其输出转矩相应下降，所以运转频率也受所带负载转矩的影响。对于某特定步以运转频率也受所带负载转矩的影响。对于某特定步进电动机，单拍任务频率要比双拍任务时低。好的驱进电动机，单拍任务频率要比双拍任务时低。好的驱动方式和功率驱动电源可以提高起动频率和运转频率。动方式和功

28、率驱动电源可以提高起动频率和运转频率。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 加减速特性加减速特性 步进电动机的加减速特性是描画步步进电动机的加减速特性是描画步进电动机由静止到任务频率和由任务频率到静止的进电动机由静止到任务频率和由任务频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电形状的变化频率与时加减速过程中，定子绕组通电形状的变化频率与时间的关系。步进电动机起动和停顿时，加减速时间间的关系。步进电动机起动和停顿时，加减速时间不能过小，否那么会出现失步或超步。步进电动机不能过小，否那么会出现失步或超步。步进电动机的升速和降速特性用加速时间

29、常数的升速和降速特性用加速时间常数Ta和减速时间常和减速时间常数数Td来描画。为了保证运动部件的平稳和准确定位，来描画。为了保证运动部件的平稳和准确定位，根据步进电动机的加减速特性，在起动和停顿时应根据步进电动机的加减速特性，在起动和停顿时应进展加减速控制。进展加减速控制。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 4.3.2.2 直流伺服电动机直流伺服电动机直流伺服电动机是数控机床伺服系统中运直流伺服电动机是数控机床伺服系统中运用最早的，也是运用最广泛的执行组件。直流用最早的，也是运用最广泛的执行组件。直流伺服电动机有永磁式和电磁式两

30、种构造类型。伺服电动机有永磁式和电磁式两种构造类型。随着磁性资料的开展，用稀土资料制造的永磁随着磁性资料的开展，用稀土资料制造的永磁式直流伺服电动机的性能超越了电磁式直流伺式直流伺服电动机的性能超越了电磁式直流伺服电动机，目前广泛运用于机床进给驱动。直服电动机，目前广泛运用于机床进给驱动。直流伺服电动机的任务原理与普通直流电动机完流伺服电动机的任务原理与普通直流电动机完全一样，但任务形状和性能差别很大。机床进全一样，但任务形状和性能差别很大。机床进给伺服系统中运用的多为大功率直流伺服电动给伺服系统中运用的多为大功率直流伺服电动机，如低惯量电动机和宽调速电动机等。机，如低惯量电动机和宽调速电动机

31、等。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 1永磁式直流伺服电动机的构造和任务原理永磁式直流伺服电动机的构造和任务原理普通永磁式直流伺服电动机本体由三部分组成：普通永磁式直流伺服电动机本体由三部分组成：机壳、定子磁极和转子电枢。它还具有一定的伺服特性机壳、定子磁极和转子电枢。它还具有一定的伺服特性和快速呼应才干构造上往往与反响部件做成一体。其定和快速呼应才干构造上往往与反响部件做成一体。其定子磁极是个永久磁体，普通采用铝镍钴合金、铁氧体、子磁极是个永久磁体，普通采用铝镍钴合金、铁氧体、稀土钴等资料，它们的矫顽力很高，可以产生极大的

32、峰稀土钴等资料，它们的矫顽力很高，可以产生极大的峰值转矩；而且在较高的磁通密度下坚持性能稳定即不值转矩；而且在较高的磁通密度下坚持性能稳定即不出现退磁。这种电机的电枢铁心上槽数较多，且在一出现退磁。这种电机的电枢铁心上槽数较多，且在一个槽内分布几个虚槽即减少转矩动摇。个槽内分布几个虚槽即减少转矩动摇。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 这种电动机的任务原理与普通直流电动机一样。这种电动机的任务原理与普通直流电动机一样。用永久磁铁替代普通直流电动机的励磁绕组和铁心，用永久磁铁替代普通直流电动机的励磁绕组和铁心，在电机的气隙中建立主

33、磁通，产生感应电势和电磁在电机的气隙中建立主磁通，产生感应电势和电磁转矩。转矩。直流电机电枢电路的电压平衡方程为直流电机电枢电路的电压平衡方程为ddadRIEU+=nCEea=4-13感应电势为感应电势为4-14YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 edddKRIUn-=由以上两式可得电动机转速特性由以上两式可得电动机转速特性4-15式中式中Ud、Id、Rd 分别为电枢回路的电压、电分别为电枢回路的电压、电流和电阻；流和电阻； Ke 电势系数电势系数Ke=Ce； 气隙磁通量。气隙磁通量。电动机的电磁转矩为电动机的电磁转矩为 dmd

34、ICT =4-164-16YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 由式由式4-174-17可见，直流电动机的调速方法主可见，直流电动机的调速方法主要采用改动电枢电压和改动气隙磁通量两种方法。改要采用改动电枢电压和改动气隙磁通量两种方法。改动电压的调速性能可满足数控机床的需求，其特点是动电压的调速性能可满足数控机床的需求，其特点是具有恒转矩的调速性能，机械特性和经济性能好。具有恒转矩的调速性能，机械特性和经济性能好。 dmededTCCRCUn2-=因此可得电动机机械特性方程为因此可得电动机机械特性方程为4-17式中式中Cm转矩系数。

35、转矩系数。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 2低惯量直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机构造上与普通直流电动低惯量直流伺服电动机构造上与普通直流电动机的差别和特点是：电枢铁心是光滑无槽的圆柱体，机的差别和特点是：电枢铁心是光滑无槽的圆柱体，电枢绕组用环氧树脂固化成型并粘接在电枢铁心外电枢绕组用环氧树脂固化成型并粘接在电枢铁心外表上，电枢的长度与外径之比在表上，电枢的长度与外径之比在5倍以上，气隙尺倍以上，气隙尺寸比普通直流电动机大寸比普通直流电动机大10倍以上。由于构造上这些倍以上。由于构造上这些特点，使其性

36、能具有以下优点。特点，使其性能具有以下优点。 由于转子长而细，大大减小了电动机的转动由于转子长而细，大大减小了电动机的转动惯量，其转动惯量约为普通直流电动机的惯量，其转动惯量约为普通直流电动机的110。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 由于气隙较大，限制了电枢反响，换向性能好，由于气隙较大，限制了电枢反响，换向性能好，电动机时间常数为电动机时间常数为5l0ms。 由于电枢外表无槽，大大减小了低速时电磁转由于电枢外表无槽，大大减小了低速时电磁转矩的动摇和不稳定性，保证了低速运转稳定而均匀，矩的动摇和不稳定性，保证了低速运转稳定

37、而均匀，在转速低达在转速低达10rpm时，无爬行景象。时，无爬行景象。 由于不存在齿部磁饱和的问题，气隙磁密可达由于不存在齿部磁饱和的问题，气隙磁密可达1T以上，为普通直流电动机的以上，为普通直流电动机的1.5倍。电气性能良好，倍。电气性能良好，过载才干强，最大电磁转矩可达额定值的过载才干强，最大电磁转矩可达额定值的10倍。倍。目前，这种电动机的输出功率在几十目前，这种电动机的输出功率在几十W至十至十KW以内，主要用于要求快速动作、功率较大的系统，如以内，主要用于要求快速动作、功率较大的系统，如数控加工中心和数控车床、磨床等。数控加工中心和数控车床、磨床等。 YXSH现代电气自动控制技术现代电

38、气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 3宽调速直流力矩电动机宽调速直流力矩电动机 低惯量直流伺服电动机必需经齿轮减速才干与大低惯量直流伺服电动机必需经齿轮减速才干与大惯量的机床相衔接，因此其精度、低速性能都与齿轮惯量的机床相衔接，因此其精度、低速性能都与齿轮相关，而且带来齿轮噪声。而宽调速直流力矩电动机相关，而且带来齿轮噪声。而宽调速直流力矩电动机是用提高转矩的方法来改善其动态特性，所以其负载是用提高转矩的方法来改善其动态特性，所以其负载才干强，可与丝杠直接衔接，其精度、低速性能不受才干强，可与丝杠直接衔接，其精度、低速性能不受齿轮等传动安装的影响，因此在闭环伺服

39、系统中得到齿轮等传动安装的影响，因此在闭环伺服系统中得到广泛运用。宽调速直流力矩电动机的构造方式与普通广泛运用。宽调速直流力矩电动机的构造方式与普通直流电动机类似，通常采用他激式，目前几乎都用永直流电动机类似，通常采用他激式，目前几乎都用永磁式电枢控制，它具有以下特点。磁式电枢控制，它具有以下特点。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 转矩大转矩大 这种电机采用添加极对数和电枢导体这种电机采用添加极对数和电枢导体数等方法，以提高电动机的电磁转矩，增大电动机数等方法，以提高电动机的电磁转矩，增大电动机的转矩与惯量的比值，从而使电动

40、机的加速性能和的转矩与惯量的比值，从而使电动机的加速性能和动态呼应都有明显改善。动态呼应都有明显改善。 调速范围宽调速范围宽 它采用添加槽数和换向片数、齿它采用添加槽数和换向片数、齿槽分度均匀、极弧宽度与齿槽配合合理以及斜槽等槽分度均匀、极弧宽度与齿槽配合合理以及斜槽等措施，减小电动机转矩的动摇，提高低速转动的精措施，减小电动机转矩的动摇，提高低速转动的精度，从而大大扩展了调速范围。它不但在低速时能度，从而大大扩展了调速范围。它不但在低速时能提供足够的转矩，在高速时也能提供所需的功率。提供足够的转矩，在高速时也能提供所需的功率。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床

41、的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 动态呼应好动态呼应好 由于永磁式定子采用矫顽力很由于永磁式定子采用矫顽力很高的铁氧体永磁资料，在电动机电流过载高的铁氧体永磁资料，在电动机电流过载10倍的情倍的情况下也不会去磁，这就大大提高了电动机的瞬时加况下也不会去磁，这就大大提高了电动机的瞬时加速转矩，改善了动态呼应。速转矩，改善了动态呼应。 过载才干强由于采用高级的绝缘资料，转过载才干强由于采用高级的绝缘资料，转子惯性又不太大，允许过载转矩达子惯性又不太大，允许过载转矩达510倍，而且在倍，而且在密闭的自然空冷条件下，可以长时间超负荷运转。密闭的自然空冷条件下，可以长时间超负荷运转。 易于调试易于调

42、试 由于电动机转子惯量接近于普通由于电动机转子惯量接近于普通电动机，负载惯量对伺服系统的影响较小，在调试电动机，负载惯量对伺服系统的影响较小，在调试时可以不加负载预调，联机后再作少量调整即可。时可以不加负载预调，联机后再作少量调整即可。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 这种电动机在特性上能很好地满足机床传动要这种电动机在特性上能很好地满足机床传动要求，同时又能以极高的精度实现机床的无齿轮驱动。求，同时又能以极高的精度实现机床的无齿轮驱动。因此，近来被广泛运用于机床的进给系统中。因此，近来被广泛运用于机床的进给系统中。4.3.

43、2.3交流伺服电动机交流伺服电动机由于直流电机具有优良的调速性能，长期以来，由于直流电机具有优良的调速性能，长期以来，在要求调速性能较高的场所，直流电机调速系统不断在要求调速性能较高的场所，直流电机调速系统不断占据主导位置。但直流电机却存在一些固有的缺陷，占据主导位置。但直流电机却存在一些固有的缺陷，如电刷和换向器易磨损，需求经常维护；换向器换向如电刷和换向器易磨损，需求经常维护；换向器换向时会产生火花，使电机的最高转速遭到限制，也使运时会产生火花，使电机的最高转速遭到限制，也使运用环境遭到限制；直流电机的构造复杂，制造困难，用环境遭到限制；直流电机的构造复杂，制造困难，所用铜铁资料耗费大，制

44、造本钱高。所用铜铁资料耗费大，制造本钱高。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 但交流电机，特别是感应电机那么无上述缺陷，但交流电机，特别是感应电机那么无上述缺陷，且转子惯量较直流电机小，动态呼应好，普通来说，且转子惯量较直流电机小，动态呼应好，普通来说，在同样体积下，交流电机的输出功率可比直流电机在同样体积下，交流电机的输出功率可比直流电机提高提高1070。另外，交流电机的容量比直流电。另外，交流电机的容量比直流电机要大，因此，人们不断在寻觅用交流电机调速来机要大，因此，人们不断在寻觅用交流电机调速来替代直流电机调速方案。替代

45、直流电机调速方案。随着电力电子技术、微电子技术及自动控制实随着电力电子技术、微电子技术及自动控制实际的开展，现代交流调速有了飞速开展，它不仅抑际的开展，现代交流调速有了飞速开展，它不仅抑制了直流电动机构造上的缺乏，而且发扬了交流电制了直流电动机构造上的缺乏，而且发扬了交流电动机巩固耐用、经济可靠等优点，在调速性能上可动机巩固耐用、经济可靠等优点，在调速性能上可与直流拖动相媲美，并有取而代之的趋势。与直流拖动相媲美，并有取而代之的趋势。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 交流伺服电动机分为交流永磁式伺服电动机和交流伺服电动机分为

46、交流永磁式伺服电动机和交流感应式伺服电动机。永磁式相当于交流同步电交流感应式伺服电动机。永磁式相当于交流同步电动机，常用于进给系统；感应式相当于交流感应异动机，常用于进给系统；感应式相当于交流感应异步电动机，常用于主轴伺服系统。旋转机理都是由步电动机，常用于主轴伺服系统。旋转机理都是由定子绕组产生旋转磁场使转子运转。不同点是交流定子绕组产生旋转磁场使转子运转。不同点是交流永磁式伺服电动机的转速和外加电源频率存在严厉永磁式伺服电动机的转速和外加电源频率存在严厉的关系；而交流感应式伺服电动机由于需求转速差的关系；而交流感应式伺服电动机由于需求转速差才干在转子上产生感应磁场，所以转速比其同步转才干在

47、转子上产生感应磁场，所以转速比其同步转速小，外加负载越大，转速差越大。旋转磁场的同速小，外加负载越大，转速差越大。旋转磁场的同步速度由交流电的频率来决议，因此交流电动机可步速度由交流电的频率来决议，因此交流电动机可以用改动供电频率的方法来调速。以用改动供电频率的方法来调速。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 交流伺服电动机的任务原理与普通异步电动机交流伺服电动机的任务原理与普通异步电动机类似，由于它在数控机床中作为执行组件，将交流电类似，由于它在数控机床中作为执行组件，将交流电信号转换为轴上的角位移或角速度，所以要求转子速信号

48、转换为轴上的角位移或角速度，所以要求转子速度的快慢能反映控制信号的强弱，转动的方向能反映度的快慢能反映控制信号的强弱，转动的方向能反映控制信号的相位，无控制信号时它不应转动，特别是控制信号的相位，无控制信号时它不应转动，特别是当它已在转动时，假设控制信号消逝，它应能立刻停当它已在转动时，假设控制信号消逝，它应能立刻停顿转动。顿转动。交流伺服电动机的调速方法根据电机学实际，交流伺服电动机的调速方法根据电机学实际，交流异步电动机的转速可由下式表示交流异步电动机的转速可由下式表示YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 ()spfn-=1

49、16 60 0式中式中f 定子电源频率；定子电源频率； s 转差率；转差率； p 极对数。极对数。 4-18由式由式4-18可见，改动交流电动机的转速有三种可见，改动交流电动机的转速有三种方法，即变频调速、变极对数调速和变转差率调速。方法，即变频调速、变极对数调速和变转差率调速。变极对数调速是有级调速且调速范围窄；变极对数调速是有级调速且调速范围窄；变转差率调速可以经过在转子绕组中串电阻和改动变转差率调速可以经过在转子绕组中串电阻和改动定子电压两种方法来实现，但这两种改动转差率的方法定子电压两种方法来实现，但这两种改动转差率的方法都存在损耗大的缺陷，不是理想的调速方法；都存在损耗大的缺陷，不是

50、理想的调速方法；YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变频调速范围宽、平滑性好、效率高、具有优变频调速范围宽、平滑性好、效率高、具有优良的静态和动态特性。目前高性能的交流调速系统良的静态和动态特性。目前高性能的交流调速系统都是采用变频调速技术来改动电动机的转速。都是采用变频调速技术来改动电动机的转速。在异步电动机中，定子绕组的反电势为在异步电动机中，定子绕组的反电势为 KNfE1 11 11 14 44 44 4.=式中式中 f1 定子电源频率；定子电源频率； N1 定子每相绕组匝数；定子每相绕组匝数； K1 定子每相绕组等效匝数

51、系数；定子每相绕组等效匝数系数； 每极气隙磁通量。每极气隙磁通量。4-19假设略去定子的阻抗压降，那么定子绕组端电假设略去定子的阻抗压降，那么定子绕组端电压压 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 KNfEU1 11 11 14 44 44 4.=4-204-20 由此可见，假设端电压不变，随着频率由此可见，假设端电压不变，随着频率f1f1的的升高，气隙磁通升高，气隙磁通 将减小。将减小。电动机转矩关系为电动机转矩关系为2 22 2ICTmcos= 式中式中 I2 I2 转子电流；转子电流； 2 2 转子电流的相位角；转子电流的相

52、位角； Cm Cm 转矩常数；转矩常数；4-21YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 由式由式4-214-21可以看出，可以看出，值减小，转子感应值减小，转子感应电流电流I2I2相应减小，必然使得电机的输出转矩相应减小，必然使得电机的输出转矩T T和最大和最大转矩下降。因此在变频调速时，为了使输出转矩坚转矩下降。因此在变频调速时，为了使输出转矩坚持不变，需求同时改动定子端电压，以使气隙磁通持不变，需求同时改动定子端电压，以使气隙磁通坚持不变，进而使输出转矩坚持不变。由此可见交坚持不变，进而使输出转矩坚持不变。由此可见交流伺服电机变

53、频调速的关键是要获得调频、调压的流伺服电机变频调速的关键是要获得调频、调压的交流电源。交流电源。2 22 2ICTmcos=4-21YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 4.3.3 开环伺服系统开环伺服系统步进电动机伺服系统是典型的开环伺步进电动机伺服系统是典型的开环伺服系统。在开环伺服系统中，执行组件服系统。在开环伺服系统中，执行组件是步进电动机。步进电动机把进给脉冲是步进电动机。步进电动机把进给脉冲转换为机械角位移，并由传动丝杠带开转换为机械角位移，并由传动丝杠带开任务台挪动。由于该系统中无位置和速任务台挪动。由于该系统中无位

54、置和速度检测环节，因此它的精度主要由步进度检测环节，因此它的精度主要由步进电动机的步距和与之相连的丝杠等传动电动机的步距和与之相连的丝杠等传动机构决议。步进电动机的最高极限速度机构决议。步进电动机的最高极限速度通常要比伺服电动机低，并且在低速时通常要比伺服电动机低，并且在低速时容易产生振动，影响加工精度。容易产生振动，影响加工精度。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 但步进电动机开环伺服系统的控制和构造简单，但步进电动机开环伺服系统的控制和构造简单，容易调整，在速度和精度要求不太高的场一切一定容易调整，在速度和精度要求不太高的场

55、一切一定的运用价值。步进电动机细分技术的运用，使步进的运用价值。步进电动机细分技术的运用，使步进电动机开环伺服系统的定位精度明显提高，并且降电动机开环伺服系统的定位精度明显提高，并且降低了步进电动机的低速振动，使步进电动机在低速低了步进电动机的低速振动，使步进电动机在低速场所的开环伺服系统中得到广泛运用。场所的开环伺服系统中得到广泛运用。4.3.3.1 步进电动机的驱动系统步进电动机的驱动系统 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 脉冲信号源脉冲信号源 是一个从几是一个从几HZ到到20KHZ左右的延左右的延续可调信号发生器，可以是

56、计算机或公用的硬件电路，续可调信号发生器，可以是计算机或公用的硬件电路，按照一定的规律如加工指令等输出各种数字脉冲按照一定的规律如加工指令等输出各种数字脉冲序列。序列。环形分配器环形分配器 是将数控安装的插补脉冲，按步进是将数控安装的插补脉冲，按步进电机所要求的规律分配给步进电机驱动电源的各相输电机所要求的规律分配给步进电机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的导通或关断。入端，以控制励磁绕组的导通或关断。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 环形分配器的功能可由硬件、软件以及软硬件环形分配器的功能可由硬件、软件以及软硬件相结合的

57、方法来实现。图相结合的方法来实现。图4-22为由触发器组成的为由触发器组成的三相六拍通电方式分配器表示图，其任务形状如表三相六拍通电方式分配器表示图，其任务形状如表4-4所示。开机通电后由分配器置所示。开机通电后由分配器置“0信号将分配信号将分配器置成器置成“100形状，为初始的锁相形状。形状，为初始的锁相形状。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 功率放大器功率放大器 由环形分配器输出的脉冲功率很由环形分配器输出的脉冲功率很小，需求进展功率放大，才足以驱动步进电机旋转。小，需求进展功率放大，才足以驱动步进电机旋转。由于功放中的负

58、载为步进电机的绕组，是感性负载，由于功放中的负载为步进电机的绕组，是感性负载，较大的电感影响快速性，另外感应电势也带来的功较大的电感影响快速性，另外感应电势也带来的功率管维护等问题。功率放大器最早采用单电压驱动率管维护等问题。功率放大器最早采用单电压驱动电路，后来出现了双电压高低压驱动电路、斩电路，后来出现了双电压高低压驱动电路、斩波电路、调频调压和细分电路等。波电路、调频调压和细分电路等。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 4.3.3.2 步进电动机的微机控制步进电动机的微机控制 微机控制步进电动机的驱动系统，不仅可微机控制步

59、进电动机的驱动系统，不仅可用程序替代可变频率脉冲源和环形分配器等硬用程序替代可变频率脉冲源和环形分配器等硬件，还很容易用程序实现步进电动机按其固有件，还很容易用程序实现步进电动机按其固有特性实现升降频等功能。现以特性实现升降频等功能。现以MCS-51单片机单片机为例阐明微机对步进电动机的控制。为例阐明微机对步进电动机的控制。1步进电动机与单片机的衔接步进电动机与单片机的衔接步进电动机与单片机的联接普通有两种方步进电动机与单片机的联接普通有两种方式：由硬件或软件完成脉冲分配功能。式：由硬件或软件完成脉冲分配功能。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控

60、机床的伺服驱动系统 硬件进展脉冲分配硬件进展脉冲分配 图图4-234-23所示为原理框图，所示为原理框图，环形分配器、驱动电路由硬件完成。单片机只提供步环形分配器、驱动电路由硬件完成。单片机只提供步进脉冲和正、反转信号。步进脉冲的产生与停顿，步进脉冲和正、反转信号。步进脉冲的产生与停顿，步进脉冲的频率和个数都可用软件控制。单片机输出步进脉冲的频率和个数都可用软件控制。单片机输出步进脉冲后，再由环形分配器按程序顺序控制各相的通进脉冲后，再由环形分配器按程序顺序控制各相的通断。断。P1.0P1.0口产生步进脉冲，口产生步进脉冲，P1.1P1.1口提供正反转信号。口提供正反转信号。用软件控制用软件控