数控机床伺服系统-郑佳文

1、明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行数控机床伺服系统机械工程-郑佳文学号：1508520102机械工程学院明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行主要内容机械工程学院一一二二三三四五明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院一、概述明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行概述伺服系统接收来自CNC（Computer Numerical Control）装置的进给脉冲，经变换和放大，然后驱动各加工坐标轴按指令脉冲进行运动。这些轴有些带动工作台，有些带动刀架，通过一个或者多个坐标轴的综合联动，涉及各轴上运动速度的调节，以一定的加减速曲线来进行运动，使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，加工出

2、所要求的复杂形状工件。进给伺服系统是数控装置和数控机床的传动部件之间的联系环节，是数控机床的重要组成部分。它包含机械、电子、电动机等各种部件，并涉及强电与弱电控制，是一个复杂的控制系统。机械工程学院明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行1.伺服系统的作用和组成在自动控制中，是输出量能以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称为伺服系统。数控机床的伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动系统。机械工程学院伺服系统的作用:接受CNC装置发出的插补结果(指令脉冲等)，作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行

3、部件实现工作进给或快速运动。数控机床的“大脑”数控机床的“四肢”，是执行“命令”的机构，它是一个不折不扣的跟随者。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 伺服系统结构图伺服系统结构图明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行伺服系统的组成机械工程学院组成伺服电机驱动信号控制转换电路电子电力驱动放大模块位置调节单元速度调节单元电流调节单元检测装置一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环。伺服系统组成单元明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行2.伺服系统的分类（1）按调节理论分类机械工程学院明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行（2）按驱动部件的动作原理分类机械工程学院（3）按被控对

4、象分类 明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行3.伺服系统的基本要求机械工程学院明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行二、开环数控系统与步进电机驱动电路机械工程学院电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补指令插补指令驱动控制驱动控制单元单元1.开环数控系统组成一般定位精度：0.02mm采用螺距补偿和传动间隙补偿：0.01mm进给速度受限脉冲当量为.01mm时，不超过5m/min明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行2.步进电机机械工程学院步进电机是一种脉冲控制的执行元件，可将输入脉冲转换为机械角位移。每给步进电机输入一个脉冲，其转轴就转过一个角度，称为步距角。机械执行部件A相B相C相f、nC

5、NC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大步进步进电机电机 脉冲数量-位移量； 脉冲频率-电机转速； 脉冲顺序-方向。对应关系对应关系明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行2.1步进电机的分类、结构和工作原理（1）分类机械工程学院明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行（2）结构机械工程学院步进电动机的结构分为定子和转子两大部分。定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组，由环形分配器送来的电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁。转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构；转子本身没有励磁绕组的叫做“反应式步进电动机”；用永久磁铁做转子

6、叫做“永磁式步进电动机”。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行（2）结构机械工程学院明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行（3）工作原理机械工程学院按电磁吸引原理工作（以反应式步进电机为例）反应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有激磁绕组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合工作。定子转子定子绕组明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院两个相对的磁极组成一相AB定子转子IAIBIC明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院步进电机的工作方式(通电顺序)可分为：三相

7、单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。1）三相单三拍：（1）三相绕组联接方式：Y 型（2）三相绕组中的通电顺序为：A 相 B 相 C 相通电顺序也可以为： A 相 C 相 B 相 明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院主要内容BACCBA3412A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐CB 相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐C 相通电，转子1、3齿和C 相轴线对齐BBACA3412B ACCBA3412明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过 30。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。（3）每次定子绕组只有一相通电，在

8、切换瞬间失去自锁转矩，容易产生失步，只有一相绕组产生力矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡 。通电顺序为：AABBBCCCAA 六拍。2）三相六拍工作方式明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院7.2 步进电机及其驱动控制系统BACCBA3412BACCBA3412BACCBA3412BACCBA3412BACCBA3412BACCBA3412A通电AB通电B通电BC通电CA通电C通电明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院AABBBCCCAA（逆时针）AACCBCBBAA（顺时针）每步转过15，步距角是三相三拍工作方式的一半特点：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比较平稳

9、。 通电顺序3)双三拍工作方式定子绕组通电顺序为ABBCCAAB（转子逆时针旋转）ACCBBA（转子顺时针旋转）有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍旋转30。特点：始终有一相定子绕组通电，工作比较平稳。避免了单三拍通电方式的缺点明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院实际上步进电机转子齿数很多，齿数与步距角关系？例如：转子40个齿，定子仍是 3对磁极，三相六拍。问步距角是多少？5 . 12340360明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院2.2步进电机的主要特性（1）步距角和静态步距误差mzk360 m定子相数；z转子齿数；k通电系数， m相m拍，k1；m相2m拍

10、，k2。 每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。一般很小，如：31.5，1.50.75，0.720.36等明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行不同的应用场合，对步距角的要求不同。一般情况下： 机械工程学院mini360sb步距角也可用分辨率表示式中：i传动比 每个脉冲对应的负载轴的位移增量min即表示每转步进了多少明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行（2）最大静转矩机械工程学院明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行（3）矩频特性机械工程学院步进电机连续稳定运行时输出电磁转矩T与连续运行频率f之间的关系 。 （衡量电机运转时承载能力的动态性指标）。运行矩频特性运行矩频特性明德明德 砺志

11、砺志 博学博学 笃行笃行（4）启动频率和连续运行频率机械工程学院 启动频率fst 是指在一定负载转矩下能够不丢步地启动的最高脉冲频率。它的大小和驱动电路和负载大小有关，步距角越小，负载越小，启动频率越高。 连续运行频率fc 步进电机启动后，当控制脉冲频率连续上升时，能不丢步运行的最高频率。它的值与负载有关。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行（5）步进电机技术指标实例机械工程学院 步进电机的型号表示方法举例 反应式步进电机（如150BF003） XXX BF XX励磁绕组相数或代号反应式步进电机电动机外径（mm）BYG混合式步进电机BY永磁式步进电机明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行2.

12、3 步进电机驱动控制线路机械工程学院 功能：将具有一定频率f、一定数量N和方向的进给脉冲转换成控制步进电机各相定子绕组通电、断电的电平信号变化频率、变化次数和通断电顺序。 驱动控制器主要由环形脉冲分配器和功率放大器组成。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行（1）环形分配器机械工程学院明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行环形分配器机械工程学院v特点特点：需要专用硬件资源，运行效率高。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行软件环形分配器 是指完全用软件的方式进行脉冲分配，按照给定的通电换相顺序，通过单片机的I/O口向驱动电路发出控制脉冲的分配器。采用不同的计算机及接口器件有不同的形式。机械工程

13、学院明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行（2）功率放大器机械工程学院功率放大器的输出直接驱动电机绕组，它对步进电机的运行状态有很大影响明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行1）单电压恒流功率放大电路机械工程学院LCLRR 提速（限流）电阻Rc：改变时间常数，提高响应速度 续流二极管D：用于功率晶体管的过电压保护 特点：结构简单、效率低、能耗高，发热大、工作稳定性差。 应用：小功率步进电机驱动明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行这种驱动电路供给步进电动机绕组的电压有两种：一种是高电压U1，电压约为80150V。另一种是低压U2大约为520V见图。2）高低电压（双电压）功率放大电路机械工程学院

14、在相序输入信号IN、IL到来时，VT1、VT2同时导通，给绕组加上高压U1，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（tN的脉宽小于tL），则自动切换到低压U2该电路的优点是在较宽的频率范围内有较大的平均电流，能产生较大且稳定的平均转距，其缺点是电流波形有谷点，波形如图。 明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行3）斩波型功率放大机械工程学院由于双电压驱动电路存在着电流在高低压连接处出现谷点，造成高频输出转矩在谷点下降。为了使励磁绕组中的电流维持在额定值附近，提高步进电动机的转矩和效率，所以需要采用斩波驱动电路。输入信号若为正脉冲，则VT1、VT2同时导通，由于

15、U1电压较高，绕组回路中又没串电阻，所以绕组中电流迅速上升，当电流达到规定值时，由于采样电阻Re的反馈作用，经整形、放大后送至VT1基极，使VT1截止。接着绕组由U2供电，绕组中电流迅速下降，但刚降到额定值以下时，由于采样电阻Re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VT1导通，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波形，近似恒流，其电流波形如图。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行4）调频调压功率放大电路机械工程学院一般把步进电机的工作频率分为几段，每段电压不同。在理想条件下，保持电动机的力矩不变，则电源电压应随工作频率的升高而升高，随

16、工作频率的降低而降低。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行2.4提高开环进给控制系统精度的措施机械工程学院1.传动间隙补偿提高装配精度并采取消隙措施传动链换向时传动链换向时产生间隙产生间隙先将间隙转换成脉先将间隙转换成脉冲值，从而越过传冲值，从而越过传动间隙，然后再按动间隙，然后再按指令脉冲动作指令脉冲动作明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院传动间隙补偿示意图（2）螺距误差补偿明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行三、闭环伺服系统与反馈比较形式机械工程学院较开环系统，闭环系统增加检测装置和反馈环节较开环系统，闭环系统增加检测装置和反馈环节分为分为 闭环伺服进给系统闭环伺服进给系

17、统 半闭环伺服进给系统半闭环伺服进给系统1.闭环伺服系统与半闭环伺服系统明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院（1）全闭环数控系统位置控制位置控制调节器调节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与检测与反馈单元反馈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v闭环系统通常使用直流伺服电动机或交流伺服电动机。v全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。在闭环伺服系统中，由速度检测元件来测量电动机的速度，由位置检测元件来测量工作台的位置

18、，由速度和位置反馈信号来调节伺服电动机的速度和工作台的位置。因此从理论上讲，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。其定位精度一般为0.0010.003mm。v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。v该系统主要用于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。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院（2）半闭环数控系统位置控制位置控制调节器调节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反检测与反馈单元馈单元位置控制单元位置控制单元速度控制单

19、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v半闭环数控系统的位置采样点是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置， 而是由位置检测元件间接测量工作台的位置。由位置反馈信号来调节伺服电动机的速度。v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。v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。v半闭环数控系统结构简单、调

20、试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行 结构较简单，常用光电编码器、光栅作位置检测装置，以半闭环的控制结构形式较为普遍。 特点：指令脉冲信号与位置检测装置的反馈脉冲信号在比较器中以脉冲数字的形式进行比较。 2.数字脉冲比较伺服系统机械工程学院明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行（1）脉冲比较式伺服系统的组成主要由以下几部分构成图所示机械工程学院数字脉冲比较系统构成图明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行（2）脉冲比较式伺服系统工作原理下面以采用光电脉冲编码器为测量元件的系统为例说明数字脉冲比较伺服系统的工作原理。机械工程学院反馈脉冲数

21、/模转换器脉冲处理伺服电机工作台位置检测装置（光电编码器）伺服放大器位置检测信息Pf指令脉冲Pc比较器Pe光电编码器Pf指令脉冲PcPe=0Pe0PeUa1 Ua2OTNnn0Nn01n02nNn1n2Ua2Ua1UaNNTN nNT12TOn02n01n0Nn2n1nNnN12明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院调节磁通（调磁调速）不但改变了电机的理想转速，而且使直流电机机械特性变软，所以调磁调速主要用于机床主轴电机调速。 Ua N Ua 1 Ua 2OTNnn0 Nn0 1n0 2nNn1n2Ua 2Ua 1Ua NNTN nNT12TOn0 2n0 1n0 Nn2n1nNn

22、N 1 2明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行3.直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式调速的概念有两个方面的含义:1)改变电机转速：当指令速度变化时,电机的速度随之变化,并希望以最快的加减速达到新的指令速度值；2)当指令速度不变化时,电机的速度保持稳定不变。为调节电机转速和方向，需对直流电压的大小和方向进行控制，如何控制？机械工程学院明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行直流伺服电机速度控制单元的作用：将转速指令信号转换成电枢的电压值，达到速度调节的目的。直流电机速度控制单元常采用的调速方法： 晶闸管（可控硅）调速系统 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统。 机械工程学院明德明德 砺志砺志 博

23、学博学 笃行笃行（1）晶闸管调速系统机械工程学院常用于大功率及要求不很高的直流伺服电机调速控制。主要内容速度调节器电流调节器触发脉冲发生器可控硅整流器电流反馈速度反馈电流检测编码器电机U*n+-UnInI*n+-US 控制回路主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。速度环（PI）：速度调节，作用：好的静态、动态特性。电流环（P或PI）：电流调节，作用：系统快速性、稳定 性改善。触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行主回路由大功率晶闸管构成的三相全控桥式反并接可逆电路，分成二大部分（ 和 ），每部分内按三相桥式连接，二组反并

24、接，分别实现正转 和反转。机械工程学院462791113581210ABCMUMUDKMKM+-各有一个可控硅同时导通，形成回路。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院1、3、5在正半周导通， 2、4、6在负半周导通。每组内（即二相间）触发脉冲相位相差120，触发脉冲的顺序：1-2-3-4-5-6，相邻之间相位差60。为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通，或已截止的相再次导通，采用双脉冲控制。即每个触发脉冲在导通60后，再补发一个辅助脉冲；也可以采用宽脉冲控制，宽度大于60，小于120。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 只要改变可控硅触发角（即改变导通角），就能改

25、变可控硅的整流输出电压，从而改变直流伺服电机的转速。 触发脉冲提前，增大整流输出电压；触发脉冲延后，减小整流输出电压。uacbcaba)b)c)d)135 tub246bcatttt1 1 3 3 5 5 1 1 3 3 6 2 2 4 4 6 6 2 2 4 135246120120180601324606056明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院同步信号方波信号矩齿波矩齿波与直流电压叠加 信号尖脉冲直流电压控制回路分析明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院1）系统组成：速度调节器速度调节器电流调节器电流调节器脉宽调节脉宽调节振荡器振荡器脉宽调节脉宽调节MG电流反馈

26、电流反馈（2）晶体管脉宽调制（PWM）调速系统明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院控制回路： 速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。 区别：与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节 器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。 脉宽调制器作用：将电压量转换成可由控制信号调节的矩形脉冲，为功率晶体管的基极提供一个宽度可由速度指令信号调节的脉宽电压。组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放大器。原理：以三角波发生器为例介绍 明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 2）脉宽调制器工作原理 利用大功率晶体管的开关作用，将直

27、流电压转换成一定频率的方波电压，加到直流电动机的电枢上；通过调整控制方波脉冲宽度来改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行直流脉宽调调制的基本原理机械工程学院周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压Ut周期不变脉冲宽度正比代表速度脉冲宽度正比代表速度F值的直流电压值的直流电压明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院R1+12VUSCR1R3R2+-12VU S rU -USr 速度指令转化过 来的直流电压U- 三角波USC- 脉宽调制器的输出（US r+U）调制波形图ttU S r +U +U S roo-U S rttUS r为正时USr为负时U

28、S r +U ttUSr为0时调制出正负脉宽一样方波平均电压为0调制出脉宽较宽的波形平均电压为正调制出脉宽较窄的波形平均电压为负明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院结构：有两种形式：H型（桥式）、T型。每种电路又有单极性工作方式和双极性工作方式，各种不同的工作方式又可组成可逆开关放大电路和不可逆开关放大电路 。3）开关功率放大器明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院3 3） 开关功率放大器开关功率放大器主回路：可逆主回路：可逆H型双极式型双极式PWM 开关功率放大器开关功率放大器电路图电路图: 由四个大功率晶体管由四个大功率晶体管 （GTR）T 1 、T 2 、T 3

29、 、T4 及四个续流二极管组成的桥及四个续流二极管组成的桥 式电路。式电路。H型：型： 又分为双极式、又分为双极式、单极式和受限单极式三单极式和受限单极式三种。种。Ub1、 Ub2、Ub3、Ub4 为调制器输出，为调制器输出，经脉冲分配、基极驱动经脉冲分配、基极驱动转换过来的脉冲电压。转换过来的脉冲电压。分别加到分别加到T1 、T2、T3 、T4的基极。的基极。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS -USUdUABOtUb1Ub 4Ub2Ub3OOttt1Tidid1id2id1id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub 4Ub2、Ub 3UdUAB

30、idttttid1id1id4id2id3id4id2明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院工作原理：工作原理： T1 和和T4 同时导通和关断，其基极驱动电压同时导通和关断，其基极驱动电压Ub1= Ub4。T2和和T3同同 时导通和关断，基极驱动电压时导通和关断，基极驱动电压Ub2= Ub3 = Ub1。以正脉冲较宽为例，。以正脉冲较宽为例， 既正转时。既正转时。负载较重时：负载较重时：电动状态：电动状态：当当 0t t1 时，时， Ub1、Ub4为正，为正， T1 和和T4 导通；导通；Ub2、Ub3 为负，为负， T2和和T3截止。电机端电压截止。电机端电压UAB=US，电枢

31、电流电枢电流id= id1，由，由US T1 T4 地。地。续流维持电动状态：续流维持电动状态：在在 t1 t T 时，时， Ub1、Ub4为负，为负， T1 和和T4截止；截止； Ub2、Ub3 变正，但变正，但T2和和T3并不能立即导通，因为在并不能立即导通，因为在电枢电感储能的电枢电感储能的 作用下作用下，电枢电流电枢电流id= id2，由，由D2 D3续流，在续流，在D2、 D3 上的压降使上的压降使T2 、 T3的的c-e极承受反压不能导通。极承受反压不能导通。 UAB=-US。接着再变到接着再变到电动状态、续流维持电动状态、续流维持电动状态电动状态反复进行，如上面左图。反复进行，如

32、上面左图。 负载较轻时：负载较轻时： 反接制动状态，电流反向：反接制动状态，电流反向： 状态中，在负载较轻时，则状态中，在负载较轻时，则id小，小，续流续流 电流很快衰减到零，即电流很快衰减到零，即t =t2 时时（见上面右图见上面右图），），id=0。在在t2 T 区段区段， T2 、T3 在在US 和反电动势和反电动势E的共同作用下的共同作用下导通导通，电枢电流反向，电枢电流反向，id= id3 由由US T3 T2 地。电机处于地。电机处于反接制动状态。反接制动状态。 电枢电感储能维持电流反向：电枢电感储能维持电流反向：在在T t3区段时，驱动脉冲极性改变，区段时，驱动脉冲极性改变， T

33、2 、T3截止，因截止，因电枢电感维持电流，电枢电感维持电流， id= id4，由，由D4 D1。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院电机正转、反转、停止：电机正转、反转、停止： 由正、负由正、负驱动电压脉冲宽窄而定。驱动电压脉冲宽窄而定。 当当正正脉冲较宽时，既脉冲较宽时，既t1 T/2，平均电压为正，电机正转；平均电压为正，电机正转； 当当正正脉冲较窄时，既脉冲较窄时，既t1 T/2 ，平均电压为负，电机反转；平均电压为负，电机反转； 如果正、负如果正、负脉冲宽度相等，脉冲宽度相等，t1=T/2 ，平均电压为零，电机停转。平均电压为零，电机停转。电机速度的改变：电机速度的改变

34、： 电枢上的电枢上的平均平均电压电压UAB越大，转速越高。它是由越大，转速越高。它是由驱动电压脉冲宽度驱动电压脉冲宽度 决定的。决定的。双极性：双极性：由以上分析表明：由以上分析表明：可逆可逆H型双极式型双极式PWM开关功率放大器，无论负载是重还是轻、电机开关功率放大器，无论负载是重还是轻、电机是正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都在是正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都在US和和 US之间变换一次，故称为双极性。之间变换一次，故称为双极性。 明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院4）PWM调速系统的特点明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械

35、工程学院 近年来交流电机飞速发展，克服了直流电机结构上的缺点，充分发挥了坚固耐用、经济可靠、动态响应好，输出功率大等优点。因此，某些场合交流伺服电机已逐渐取代直流伺服电机。 6）直流电机缺点：明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院五、交流伺服电机与主轴驱动系统五、交流伺服电机与主轴驱动系统明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院永磁式同步电机：优点：结构简单、运行可靠效率高；缺点：体积大、启动特性欠佳。与直流电机比：外形尺寸、重量、转子惯量大幅减小与异步交流伺服电机相比：效率高、体积小。故数控机床进给驱动系统多采用永磁式同步电机。异步型交流伺服电机与同容量的直流电机相比：

36、优点：重量轻，价格便宜；缺点：转速受负载的变化影响较大，不能经济地实现范围较广的平滑调速，故异步型交流伺服电机用在主轴驱动系统中。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院VSVS脉冲编码器转子定子接线盒定子三相绕组1永磁式交流同步电机结构：电机由定子、转子和检测元件组成明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院2.永磁式交流同步电机工作原理和性能nrns60f1p ns同步转速， 转子磁极的轴线与定子磁极的轴线夹角，nr转子旋转转速，f1交流电源频率（定子供电频率），p定子和转子的极对数 nSNns nr S明德明德 砺志砺志

37、 博学博学 笃行笃行永磁交流同步伺服电机的性能与直流伺服电机一样，也用特性曲线和数据来表示。最主要的是转矩-速度特性曲线。在连续工作区（区），速度和转矩的任何组合，都可连续工作。但连续工作区的划分受到一定条件的限制。连续工作区划定的条件有两个：一是供给电机的电流是理想的正弦波；二是电机工作在某一特定温度下。断续工作区（区）的范围更大，尤其在高速区，这有利于提高电机的加、减速能力。机械工程学院T（N-cm） 120001000080006000400020000100020003000 特性曲线明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院主要内容（1）交流主轴电机 定子三相绕组通三相交流电

38、，产生旋转磁场，磁场切割转子中的导体，导体感应电流与定子磁场相作用产生电磁转矩，推动转子转动，转速nr为 )1 (60)1 (1spfsnnsr ns同步转速f1交流电源频率（定子供电频率）s转差率，s=( nsnr)/ nsp极对数异步电机异步电机 变频变频 用于笼型电机用于笼型电机 调压（定子电压）调压（定子电压） 电磁砖差离合器电磁砖差离合器 调阻（转子电组）调阻（转子电组） 串级调速串级调速 交交直直交交 交交交交变转变转差率差率变频变频变极对数变极对数同步电机同步电机交流电动机交流电动机由此可知调速方法：由此可知调速方法：明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院利用可控硅整

39、流器直接将工频交流电（频率50Hz）变成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输出负脉冲，脉动交流电的基波是所需的变频电压。该方法所得的交流电波动比较大，且最大频率即为变频器输入的工频电压频率。交交变频：明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院M负 载反 组滤 波逆 变整 流正 组交 流 输 入+-(a)(b)CV DU05 0H z5 0H z交 流 电 机明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院M负载反组滤波逆变整流正组交流输入+-(a)(b)CV DU05 0H z5 0H z交流电机交直交变频：先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成矩形脉冲波电压，矩形脉冲波的基波是所需的变频电压。该调频方式所得交流电的波动小，调频范围比较宽，调节线性度好。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院数控机床常采用交直交变频调速。在交直交变频中：根据中间直流电压是否可调分：中间直流电压可调PWM逆变器、中间直流电压固定的PWM逆变器；根据中间直流电路储能元件是大电容还是大电感分：电压型逆变器、电流型逆变器SPWM（正弦波PWM）变频器是目前应用最广、最