第3章_数控机床的伺服驱动系统

1、 13.1 简介简介3.2 步进电机伺服系统步进电机伺服系统3.3 直流电机伺服系统直流电机伺服系统3.4 交流电机伺服系统交流电机伺服系统3.5 主轴传动主轴传动第第3章章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统23.1 简介简介定义：定义：数控机床伺服系统是以机床移动部件的数控机床伺服系统是以机床移动部件的位置位置和和速速度度为控制量的自动控制系统。为控制量的自动控制系统。伺服驱动系统的作用伺服驱动系统的作用: :接受接受CNC装置发出的位移指令信号，由伺服驱动装置装置发出的位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺作一定的转换和放大后，经伺服电机（直

2、流、交流伺服电机、步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的服电机、步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。控制过程控制过程：位移指令信号变换位移指令信号变换,功率放大电机进给运动功率放大电机进给运动3性性 能：能：最高进给速度最高进给速度跟踪精度跟踪精度定位精度定位精度机床关键技术机床关键技术数控机床的大脑。数控机床的大脑。数控机床的四肢，执行命令的机构，不折不扣的跟随者。数控机床的四肢，执行命令的机构，不折不扣的跟随者。3.1 简介简介数控机床的伺服驱动数控机床的伺服驱动3.1 简介简介UmrichterSIMODR

3、IVE 611 digital mit CNCSINUMERIK 840DE/R- ModulNCULeistungsteilBedientafelfront mit PCU 20/50/70Drehstrom-ServomotorenPeripherieSIMATIC S7-300Drehstrom-Hauptspindelmotor数控机床的伺服驱动数控机床的伺服驱动3.1 简介简介63.1.2 数控机床对伺服系统的要求数控机床对伺服系统的要求1. 精度高精度高: 跟随精度跟随精度-伺服系统输出量跟随输入量的精确程度伺服系统输出量跟随输入量的精确程度.定位精度定位精度重复定位精度重复定位精

4、度不易手动操作补偿误差不易手动操作补偿误差（ =0.01mm0.001mm）机床精度机床精度 跟随精度跟随精度机床精度机床精度跟随误差跟随误差 1-2 6.1 6.1 伺服系统概述伺服系统概述2. 快速响应特性好快速响应特性好: 动态品质动态品质响应快响应快-接受输入后快速调节达到新的平衡接受输入后快速调节达到新的平衡稳定性好稳定性好-外界干扰快速回复原来平衡外界干扰快速回复原来平衡T200ms几十几十ms3.1 简介简介73. 调速范围大调速范围大:（最高转速与最低转速比）（最高转速与最低转速比）大于大于110000 低速能输出较大转矩低速能输出较大转矩4. 系统可靠性好系统可靠性好指标：指

5、标：平均无故障时间。平均无故障时间。充分利用充分利用：数控机床连续工作不停机，：数控机床连续工作不停机，24h 。发生故障时间间隔发生故障时间间隔 ，可靠性好，可靠性好3.1.2 数控机床对伺服系统的要求数控机床对伺服系统的要求对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面；对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面；对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更严。对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更严。3.1 简介简介83.1.2 伺服系统的分类伺服系统的分类按控制原理和有无检测反馈装置：按控制原理和有无检测反馈装置：开环、半闭环、闭环；开环、半闭环、闭环；按被控对象：按被控对象：进给驱动、主轴驱动

6、；进给驱动、主轴驱动；按使用的执行元件：按使用的执行元件：电液、电气伺服驱动（步进、直电液、电气伺服驱动（步进、直流、交流、直线电机）流、交流、直线电机）; ;按反馈比较控制方式分类：按反馈比较控制方式分类：脉冲、数字比较伺服系统，脉冲、数字比较伺服系统，相位比较伺服系统，幅值比较伺服系统，全数字伺服系统。相位比较伺服系统，幅值比较伺服系统，全数字伺服系统。3.1 简介简介9进给进给指令指令比较控制环节比较控制环节驱动控制单元驱动控制单元执行元件执行元件反馈检测单元反馈检测单元 机机 床床 驱动控制单元驱动控制单元: 电路。信号变换、功率放大电路。电路。信号变换、功率放大电路。执行元件：执行元

7、件：驱动元件。步进电动机，伺服电动机。驱动元件。步进电动机，伺服电动机。反馈检测单元：反馈检测单元：开环系统、半闭环系统、闭环系统。开环系统、半闭环系统、闭环系统。机床：机床：机械传动，运动执行件。机械传动，运动执行件。1-4伺服驱动系统的组成伺服驱动系统的组成3.1 简介简介10主要内容开环控制开环控制 (Open-Loop Servo-Drive)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、nCNC插 补插 补指令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p按控制原理分类按控制原理分类采用步进电机作为驱动元件；采用步

8、进电机作为驱动元件；无位置反馈，其精度主要取无位置反馈，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决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度 ；结构简单、调试维修方便，工作稳定、设备投资低，结构简单、调试维修方便，工作稳定、设备投资低，一般用于精度和速度要求不高、驱动力矩不大的经济型数一般用于精度和速度要求不高、驱动力矩不大的经济型数控机床。控机床。11步进电机步进电机步进电机步进电机12半闭环控制半闭环控制 (Half-Closed-Loop Servo-Drive)速度控制速度控制电路电路工作台工作台伺服电机伺服电机位置比较位置比较电路电路指令脉冲指令脉冲速度反馈速度反馈位置

9、反馈位置反馈检测元件检测元件半闭环数控系统的位置采样点是从驱动装置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。部件的实际位置。p按控制原理分类按控制原理分类13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。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以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，其消除。因此，其精度较闭环差，较开环好精度较闭环差，较开环好。但。但可可对这对这类误

10、差类误差进行补偿进行补偿，因而仍可获得满意的精度。，因而仍可获得满意的精度。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。机床中得到了广泛应用。14交流伺服交流伺服电机电机15主要内容闭环控制闭环控制 (Closed-Loop Servo-Drive )位置反馈位置反馈速度控制速度控制电路电路工作台工作台伺服电机伺服电机位置比较位置比较电路电路指令脉冲指令脉冲速度反馈速度反馈p按控制原理分类按控制原理分类16从理论上讲从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间

11、隙和失动量。间隙和失动量。具有很高的位置控制精度具有很高的位置控制精度。 由于位置环内的许多由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的，故很容易造成系统的不稳不稳定定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、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。超精磨床以及较大型的数控机床等。闭环控制闭环控制 (Closed-Loop Servo-Drive )17伺服电机伺服电机为数控伺服系统的

12、重要组成部分，是速为数控伺服系统的重要组成部分，是速度和轨迹控制的执行元件。度和轨迹控制的执行元件。直流伺服电机（直流伺服电机（调速性能良好调速性能良好）交流伺服电机（交流伺服电机（主要使用的电机主要使用的电机）步进电机（步进电机（适于轻载、负荷变动不大适于轻载、负荷变动不大）直线电机（直线电机（高速、高精度高速、高精度）数控机床中常用的伺服电机？数控机床中常用的伺服电机？ 特点？特点？3.1 简介简介18步进电机步进电机是一是一 脉冲控脉冲控制的执行元件，可将制的执行元件，可将输入脉冲输入脉冲转换为转换为机械机械角位移角位移。每给步进电机输入一。每给步进电机输入一 脉冲脉冲，其转轴就转过一，

13、其转轴就转过一 角度角度，称为称为步距角。步距角。3.2 步进电机伺服系统步进电机伺服系统脉冲数量脉冲数量-位移量位移量 脉冲当量为：脉冲当量为：脉冲频率脉冲频率-电机转速电机转速 进给速度为：进给速度为：脉冲顺序脉冲顺序-方向方向。fv60ih36019优点：优点：结构简单，价格便宜，工作可靠；结构简单，价格便宜，工作可靠；缺点：缺点： 容易容易失步失步（尤其在高速、大负载时），影响定位精度；（尤其在高速、大负载时），影响定位精度； 在低速时容易产生振动；在低速时容易产生振动； 细分技术的应用，明显提高了定位精度，降低了低速细分技术的应用，明显提高了定位精度，降低了低速 振动。振动。应用：应

14、用：要求一般的开环伺服驱动系统，如经济型数控机床要求一般的开环伺服驱动系统，如经济型数控机床 的进给驱动。的进给驱动。3.2 步进电机伺服系统步进电机伺服系统3.2 步进电机伺服系统步进电机伺服系统213.2.2 步进电机的工作原理及特点步进电机的工作原理及特点3.2.3.1步进电机的工作原理步进电机的工作原理反应式反应式:转子无励磁绕组转子无励磁绕组永磁式永磁式:转子为永久磁铁转子为永久磁铁原理原理： 磁力线力图沿磁阻最小（磁导最大）路径闭合磁力线力图沿磁阻最小（磁导最大）路径闭合定子：多相绕组定子：多相绕组 转子：多齿转子：多齿 用电脉冲信号进行控制，用电脉冲信号进行控制， 将其转换成角位

15、移。将其转换成角位移。AB定子定子转子转子IAIBIC电磁吸引原理电磁吸引原理22步进电机的工作方式步进电机的工作方式( (通电顺序通电顺序) )可分为：可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。三相单三拍：三相单三拍：（1 1）三相绕组联接方式：）三相绕组联接方式：Y Y 型型（2 2）三相绕组中的通电顺序为：）三相绕组中的通电顺序为：A A 相相 B B 相相 C C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为： A A 相相 C C 相相 B B 相相 3.2 步进电机伺服系统步进电机伺服系统3.2.3.1 步进电机的工作原理步进电机的工作原理各

16、相绕组轮流通电一次的操作称为一个通电周期各相绕组轮流通电一次的操作称为一个通电周期每个通电周期使转子转过一个齿距角每个通电周期使转子转过一个齿距角23三相单三拍工作方式三相单三拍工作方式6.2 步进电机伺服系统步进电机伺服系统假设转子只有假设转子只有4个齿个齿3.2.3.1 步进电机的工作原理步进电机的工作原理BACCBA3412A A 相通电使转相通电使转子子1 1、3 3齿和齿和 AA AA 对齐对齐B ACCBA3412BBACCAB B相通电，转相通电，转子子2 2、4 4齿和齿和B B相轴线对齐相轴线对齐CC C相通电，转相通电，转子子1 1、3 3齿和齿和C C相轴线对齐相轴线对齐

17、3412ABC1324ABC1324A3.2 步进电机伺服系统步进电机伺服系统25三相单三拍的特点：三相单三拍的特点：（1 1）每来一个电脉冲，转子转过）每来一个电脉冲，转子转过3030。（2 2）转子的旋转方向取决于）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序三相线圈通电的顺序。（3 3）每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失去自锁转矩）每次定子绕组只有一相通电，在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，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。位置易产生振荡。3.2 步进电机伺服系统步进电机伺服系统失步包括丢步和越步。丢步时，转子前进的

18、步数小于脉冲失步包括丢步和越步。丢步时，转子前进的步数小于脉冲数；越步时，转子前进的步数多于脉冲数。数；越步时，转子前进的步数多于脉冲数。 丢步严重时，将使转子停留在一个位置上或围绕一个位丢步严重时，将使转子停留在一个位置上或围绕一个位置振动，越步严重时，机床将发生过冲。置振动，越步严重时，机床将发生过冲。 3.2.3.1 步进电机的工作原理步进电机的工作原理26AABCCB12341234AABCCBAABCCB1234AABCCB1234AABCCB1234AABCCB1234三相六拍工作方式三相六拍工作方式通电顺序为：通电顺序为：A AABABB BBCBCC CCACAA A 六拍。六

19、拍。3.2 步进电机伺服系统步进电机伺服系统276.2 步进电机伺服系统步进电机伺服系统通电顺序通电顺序AABBBCCCAA（逆时针）（逆时针）AACCBCBCAA（顺时针）（顺时针）每步转过每步转过15，步距角是三相三拍工作方式的一半。，步距角是三相三拍工作方式的一半。特点特点：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转 比较平稳。比较平稳。 三相六拍工作方式三相六拍工作方式3.2.2.1 步进电机的工作原理步进电机的工作原理281.步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度一个确

20、定的角度即即步进电机的步距角步进电机的步距角；2.改变步进电机定子绕组的改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向通电顺序，转子的旋转方向将随之将随之改变；改变；3.步进电机定子绕组步进电机定子绕组通电状态的变换频率越高通电状态的变换频率越高，转子的转速越转子的转速越高高；4.步进电机的步距角步进电机的步距角与定子绕组的相数与定子绕组的相数m，转子的齿数，转子的齿数z，通，通电方式电方式K有关，由如下关系：有关，由如下关系：式中，三相三拍时（式中，三相三拍时（m相相m拍）时：拍）时：K1； 三相六拍（三相六拍（m相相2m拍）时：拍）时：K2。)(3600mzK3.2 步进电机伺服系统步进电

21、机伺服系统3.2.2.1 步进电机的特点步进电机的特点293.2.3 步进电机的选用步进电机的选用主要特性主要特性静态特性静态特性动态特性动态特性主要用矩角特性来描述主要用矩角特性来描述主要用矩频特性来描述主要用矩频特性来描述3.2.3.1 步进电机的性能指标步进电机的性能指标301步距角步距角每给一个脉冲信号，电机转子转过角每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。度的理论值。一般很小一般很小，常用：，常用：3 3，1.51.5，0.750.75电动机电动机机床机床精度精度2.2.转距转距 最大静态转距最大静态转距：静态时转子能承受的负载转距静态时转子能承受的负载转距输出转距输出转距：等速

22、转动时能带动的负载转距：等速转动时能带动的负载转距起动转距起动转距：起动时所能承受的负载转距：起动时所能承受的负载转距带载带载选择电机的依据（重点内容）选择电机的依据（重点内容）)(3600mzK3.2.3 步进电机的选用步进电机的选用3.2.3.1 步进电机的性能指标步进电机的性能指标31CBAOMjMjmaxMqa?静态：静态：步进电机处于通电状态，转子处在不动状态。步进电机处于通电状态，转子处在不动状态。静态转矩静态转矩Mj ：在电机轴上施加一个负载转矩在电机轴上施加一个负载转矩M，转子会，转子会在载荷方向上转过一个角度在载荷方向上转过一个角度（失调角）失调角），转子因而受，转子因而受到

23、一个电磁转矩到一个电磁转矩Mj的作用与负载平衡。的作用与负载平衡。矩角特性：矩角特性：步进电机单相通步进电机单相通电的静态转矩电的静态转矩M Mj j随失调角随失调角的变化曲线。的变化曲线。Mjmax电机带负载能力越强，电机带负载能力越强，快速性和稳定性越好快速性和稳定性越好3.2.3.1 步进电机的性能指标步进电机的性能指标3.2.3 步进电机的选用步进电机的选用32电动机电动机机床机床 最高起动频率最高起动频率：不丢步起动的最高频率：不丢步起动的最高频率频率频率最高工作频率最高工作频率：连续正常运行时的频率：连续正常运行时的频率速度速度3. 空载时，步进电机由静止突然启动，并不失步的进入稳

24、空载时，步进电机由静止突然启动，并不失步的进入稳速运行，所允许的启动频率的最高值为最高起动频率速运行，所允许的启动频率的最高值为最高起动频率. 步进电机控制脉冲频率连续上升时，电动机不失步运行的步进电机控制脉冲频率连续上升时，电动机不失步运行的最高频率称为最高工作频率。最高频率称为最高工作频率。决定步进电机的最高转速决定步进电机的最高转速一般为起动频率的一般为起动频率的410倍。倍。3.2.3.1 步进电机的性能指标步进电机的性能指标3.2.3 步进电机的选用步进电机的选用334.矩频特性矩频特性 在在连续运行状态连续运行状态下，步进电机的电磁力矩随频率的升高下，步进电机的电磁力矩随频率的升高

25、而而急剧下降急剧下降，这两者的关系称为矩频特性，这两者的关系称为矩频特性.步进电机的矩频特性曲线步进电机的矩频特性曲线3.2.3.1 步进电机的性能指标步进电机的性能指标3.2.3 步进电机的选用步进电机的选用343.2.4 步进电机的驱动控制步进电机的驱动控制1. 工作方式工作方式 步进电动机步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。只有按照一定规律对各相绕组轮流通电，步进电机机电元件。只有按照一定规律对各相绕组轮流通电，步进电机才能实现转动。数控机床常用的功率步进电机有三相、四相和才能实现转动。数控机床常用的功率步进电机有三相、四相

26、和五相等。五相等。工作方式工作方式有单有单m拍、双拍、双m拍等（拍等（m是电机的相数）。是电机的相数）。一般来说电机相数越多，工作方式越多。一般来说电机相数越多，工作方式越多。 又步距角计算公式可知，循环拍数越多，步距角越小，定又步距角计算公式可知，循环拍数越多，步距角越小，定位精度越高。而且循环拍数和每拍通电相数对步进电机的矩频位精度越高。而且循环拍数和每拍通电相数对步进电机的矩频特性及稳定性都有很大影响。步进电机的相数也对运行性能有特性及稳定性都有很大影响。步进电机的相数也对运行性能有很大影响，因此可选用很大影响，因此可选用多相步进电机多相步进电机，并采用，并采用2Xm拍工作方式拍工作方式

27、，但双，但双m拍和拍和2Xm拍工作方式功耗都比单拍工作方式功耗都比单m拍的大。拍的大。353.2.4 步进电机的驱动控制步进电机的驱动控制 2. 控制系统控制系统 早期的数控系统步进电机的早期的数控系统步进电机的脉冲分配、功率驱动脉冲分配、功率驱动和和速度控速度控制制等环节都有硬件完成。等环节都有硬件完成。 但目前的机床数控系统都但目前的机床数控系统都 采用了小型和微型计算机，采用了小型和微型计算机， 上述大多数环节都可以用上述大多数环节都可以用 计算机完成，使得步进电机计算机完成，使得步进电机 控制系统大为简化，如右图控制系统大为简化，如右图 所示。所示。 363.2.4 步进电机的驱动控制

28、步进电机的驱动控制1. 控制系统控制系统 因因CNC系统很多功能由软件来完成，所以对计算机的字长系统很多功能由软件来完成，所以对计算机的字长和运算速度的有一定的要求。在机床的和运算速度的有一定的要求。在机床的简易数控系统简易数控系统中，采用中，采用8位位MCS-51系列单片机已能满足要求。但在系列单片机已能满足要求。但在多坐标控制系统多坐标控制系统及及连续轮廓控制系统中，连续轮廓控制系统中，8位位MPU（微处理器单元）的速度显然（微处理器单元）的速度显然不够，可采用以下方法：不够，可采用以下方法： 1）选用）选用16为和为和32位微处理器。位微处理器。 2）适当配置一些脉冲分配器和细插补运算器

29、等硬件电路，）适当配置一些脉冲分配器和细插补运算器等硬件电路，以减轻以减轻MPU的负担。的负担。 3）采用多微处理器结构。各种任务由不同微处理器来完成）采用多微处理器结构。各种任务由不同微处理器来完成373.1 概述概述3.2 步进电机伺服系统步进电机伺服系统3.3 直流电机伺服系统直流电机伺服系统3.4 交流电机伺服系统交流电机伺服系统3.5 主轴传动主轴传动第第3章章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统383.3 直流电机伺服系统直流电机伺服系统直流伺服电机：直流伺服电机：用用直流电信号直流电信号控制的执行元件，是将输入控制的执行元件，是将输入的电压控制信号转换为电动机轴上的角位

30、移或角速度进行的电压控制信号转换为电动机轴上的角位移或角速度进行输出。输出。特点：特点：具有线性调速范围具有线性调速范围宽、信号响应迅速、堵转宽、信号响应迅速、堵转转矩大、无控制电压时立转矩大、无控制电压时立即停转即停转有电刷和换向器，造成的有电刷和换向器，造成的摩擦转矩比较大摩擦转矩比较大39 直流伺服电动机具有优良的调速性能，但直流伺服直流伺服电动机具有优良的调速性能，但直流伺服电动机的电刷和换向器容易磨损，需要经常维护；由于电动机的电刷和换向器容易磨损，需要经常维护；由于换向器换向时会产生火花而使最高转速受到限制，也使换向器换向时会产生火花而使最高转速受到限制，也使应用环境受到限制应用环

31、境受到限制；直流伺服电动机；直流伺服电动机结构复杂、制造困结构复杂、制造困难，成本高难，成本高。 自自20世纪世纪80年代中期以来，以交流伺服电动机作为年代中期以来，以交流伺服电动机作为驱动元件的交流伺服系统得到迅速发展，有逐渐代替直驱动元件的交流伺服系统得到迅速发展，有逐渐代替直流伺服电机的趋势。流伺服电机的趋势。3.3 直流电机伺服系统直流电机伺服系统40常用的直流电动机有：常用的直流电动机有：3.3 直流电机伺服系统直流电机伺服系统永磁式直流电机永磁式直流电机（有槽电枢、无槽电枢、杯型电枢、（有槽电枢、无槽电枢、杯型电枢、印刷绕组电枢）印刷绕组电枢）进给驱动进给驱动励磁式直流电机励磁式直

32、流电机主轴驱动主轴驱动改进型直流电机改进型直流电机无刷直流电机无刷直流电机小惯量电机小惯量电机3.3.1 直流伺服电机的分类直流伺服电机的分类411. 永磁式直流伺服电机的结构永磁式直流伺服电机的结构组成：组成：磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片直流伺服电动机结构图直流伺服电动机结构图3.3.2 永磁式直流伺服电机永磁式直流伺服电机42直流伺服电动机结构图直流伺服电动机结构图（1） 定子的作用是用来产定子的作用是用来产生磁场。生磁场。（2） 转子也常称为电枢。转子也常称为电枢。（3） 电刷与换向电刷与换向片的作用是使所产生的电磁转矩片的作用是使所产

33、生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀地连续旋转。向均匀地连续旋转。组成：组成：磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片1. 永磁式直流伺服电机的结构永磁式直流伺服电机的结构3.3.2 永磁式直流伺服电机永磁式直流伺服电机43 工作原理与一般直流电动工作原理与一般直流电动机基本相同，但磁场的建立机基本相同，但磁场的建立是由永久磁铁实现的，当电是由永久磁铁实现的，当电流通过电枢绕组时，电流与流通过电枢绕组时，电流与磁场相互作用，产生感应电磁场相互作用，产生感应电动势、电磁力和电磁转矩，动势、电磁力和电磁转矩，使电枢旋转。

34、直流电源接在使电枢旋转。直流电源接在两电刷间，电流通入电枢线两电刷间，电流通入电枢线圈，切割磁力线，产生电磁圈，切割磁力线，产生电磁转矩。转矩。2 . 工作原理工作原理3.3.2 永磁式直流伺服电机永磁式直流伺服电机44MIaIfUfUaRaLaEaUaMIaIfUfUaRaLaEaUa原理图原理图等效图等效图电枢回路电压平衡方程式电枢回路电压平衡方程式aaaaUEI R=+Ra电机电枢回路的总电阻；电机电枢回路的总电阻；Ua电机电枢的端电压；电机电枢的端电压；Ia电机电枢的电流；电机电枢的电流；Ea电枢绕组的感应电动势。电枢绕组的感应电动势。2 . 工作原理工作原理3.3.2 永磁式直流伺服

35、电机永磁式直流伺服电机45感应电势与转速关系感应电势与转速关系:Ce电动势常数，表示单位转速所产电动势常数，表示单位转速所产生的电动势；生的电动势；n电机转速。电机转速。电磁转矩电磁转矩:可得永磁式直流伺可得永磁式直流伺服电机的转速公式服电机的转速公式: :dmeddmedeTCCRnTCCRCUn2022 . 工作原理工作原理3.3.2 永磁式直流伺服电机永磁式直流伺服电机nCEEddmdICTCm转矩常数，转矩常数，46 n0理想空载转速，理想空载转速， n转速降落转速降落。 直流电机转速与转矩的关系称直流电机转速与转矩的关系称机械机械 特性（静态特性）特性（静态特性）机械特性是稳定运行时

36、带动负机械特性是稳定运行时带动负载的性能，此时，电磁转矩与外载的性能，此时，电磁转矩与外负载相等。负载相等。电机转速与理想转速的差电机转速与理想转速的差n，反映了电机机械特性硬度，反映了电机机械特性硬度，n越越小，机械特性越硬。小，机械特性越硬。转速随转速随负载变化慢负载变化慢 。TTnD D n3.3 直流电机伺服系统直流电机伺服系统2 . 工作原理工作原理dmedTCCRnn2047n0电机理想空载转速电机理想空载转速三种主要调速方法：三种主要调速方法：1）调节电阻调节电阻Rd2）调节电枢电压）调节电枢电压Ua（电枢控制）（电枢控制）3）调节磁通）调节磁通（磁场控制）（磁场控制）2 . 工

37、作原理工作原理3.3.2 永磁式直流伺服电机永磁式直流伺服电机dmedTCCRnn20481 1）永磁直流伺服电机的性能特点永磁直流伺服电机的性能特点 a. a. 低转速大惯量低转速大惯量 b. b. 转矩大转矩大 c. c. 起动力矩大起动力矩大 d. d. 调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小 2 2）永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述 a. a. 转矩转矩- -速度特性曲线速度特性曲线（工作曲线）工作曲线） b. b. 负载负载- -工作周期曲线工作周期曲线- 过载倍数过载倍数T Tmdmd，负载工作周

38、期比，负载工作周期比 d。 c. c. 数据表：数据表：N、T、时间常数、转动惯量等等。时间常数、转动惯量等等。 3. 工作特性工作特性3.3.2 永磁式直流伺服电机永磁式直流伺服电机49 d% 80 110% 120% 60 130% 140% 40 160% d 180% 20 200% 0 1 3 tR 6 10 30 60 100 tR(min) 图图3-15负载负载-工作周期曲线工作周期曲线M/（N-cm） 转矩极限转矩极限 12000 10000 瞬时换向极限瞬时换向极限 8000 6000 换向极限换向极限 速度极限速度极限 4000 温度极限温度极限 2000 0 500 10

39、00 1500 n 图图3-143-14转矩转矩- -速度特性曲线速度特性曲线 区为连续工作区；区为连续工作区； 区为断续工作区，由负区为断续工作区，由负载载- -工作周期曲线决定工作时间；工作周期曲线决定工作时间；区为瞬时加区为瞬时加减速减速区区 3.永磁直流伺服电机的工作特性曲线永磁直流伺服电机的工作特性曲线 3.3.2 永磁式直流伺服电机永磁式直流伺服电机503.3 直流电机伺服系统直流电机伺服系统3.3.3 直流伺服电机速度控制方法直流伺服电机速度控制方法调速的概念有两个方面的含义调速的概念有两个方面的含义:1）改变电机转速：）改变电机转速：当指令速度变化当指令速度变化时时,电机的速度

40、随之变化电机的速度随之变化,并希并希望以最快的加减速达到新的指令速度值；望以最快的加减速达到新的指令速度值；2）当）当指令速度不变化指令速度不变化时时,电机的速度保持稳定不变。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？进行控制，如何控制？思考：思考：直流伺服电机速度控制单元的作用：直流伺服电机速度控制单元的作用：将转速指令信号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。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直流电机速度控制单元常采用的调速方法常采用的调速方法：晶闸管（可

41、控硅）调速系统晶闸管（可控硅）调速系统晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWM）调速系统。）调速系统。51白城师范学院机电系机自教研室51u2.直流速度控制单元调速控制方式直流速度控制单元调速控制方式u直流伺服电动机的调速是指直流伺服电动机的调速是指迅速改变迅速改变电动机的转速电动机的转速或或维持维持电动机的转速电动机的转速不变不变。 u在数控机床驱动装置中，直流电动机速度控制多采在数控机床驱动装置中，直流电动机速度控制多采用晶闸管，又称为可控硅（用晶闸管，又称为可控硅（SCR）调速系统和晶体）调速系统和晶体管脉宽调制（管脉宽调制（PWM）调速系统。）调速系统。u这两种调速系统都可作为永磁直流伺

42、服电机调速的这两种调速系统都可作为永磁直流伺服电机调速的控制电路，调速方法是改变电机电枢电压。控制电路，调速方法是改变电机电枢电压。u直流速度控制单元接收转速指令信号（多为电压直流速度控制单元接收转速指令信号（多为电压值），通过速度控制电路变为电机的电枢电压，达值），通过速度控制电路变为电机的电枢电压，达到速度调节的目的。到速度调节的目的。52 SCR是一种大功率半导体器件，由阳极是一种大功率半导体器件，由阳极A、阴极、阴极K和和控制极控制极G（又称门极）组成。（又称门极）组成。 当阳极与阴极间施加正电压且控制极出现触发脉冲当阳极与阴极间施加正电压且控制极出现触发脉冲时，可控硅导通。时，可控硅

43、导通。触发脉冲出现的时刻称为触发角触发脉冲出现的时刻称为触发角。1晶闸管（晶闸管（SCR）调速系统）调速系统3.3 直流电机伺服系统直流电机伺服系统调速原理：控制触发角调速原理：控制触发角即可控制可控硅的导通即可控制可控硅的导通时间，从而达到控制电压的目的。时间，从而达到控制电压的目的。3.3.3 直流伺服电机速度控制方法直流伺服电机速度控制方法53白城师范学院机电系机自教研室53u3）控制回路分析u具体的说就是只通过改变晶闸管触发角，即改变控具体的说就是只通过改变晶闸管触发角，即改变控制角（可控硅导通时间），电动机进行调速的范围制角（可控硅导通时间），电动机进行调速的范围是很小的，特性软。没

44、反馈是开环。为了满足数控是很小的，特性软。没反馈是开环。为了满足数控机床的调速范围需求，可采用带有速度反馈的闭环机床的调速范围需求，可采用带有速度反馈的闭环系统。为了增加调速特性的硬度，需要再加一个电系统。为了增加调速特性的硬度，需要再加一个电流反馈环节，实现双环调速系统。流反馈环节，实现双环调速系统。速度速度调节器调节器电流电流调节器调节器触发脉冲触发脉冲发生器发生器可控硅可控硅整流器整流器电流反馈电流反馈速度反馈速度反馈电流检测电流检测编码器编码器电机电机UR+-UfIfIR+-E1ES 速度指令电压UR和速度反馈电压Uf分别经过阻容滤波后，在比较放大器中进行比较放大，得到速度误差信号Es

45、。Es为速度调节器的输入信号。速度调节器经常采用比例-积分调节器（即PI调节器），其目的是为了获得满意的静态和动态的调速特性。电流调节器可以由比例（P）或比例-积分调节器（PI）组成，其中IR为电流给定值，If为电流反馈值，E1比较后的误差。经过电流调节器输出后还要变成电压。其目的是为了减小系统在大电流下的开环放大倍数，加快电流环的响应速度，缩短起动过程，同时减小低速轻载时由于电流断续对系统平稳性的影响。触发脉冲发生器可使电路产生可控硅的移相触发脉冲。该脉冲接至主回路（整流电路）可控硅的控制栅极，触发可控硅整流。541晶闸管调速系统晶闸管调速系统3.3 直流电机伺服系统直流电机伺服系统常用于大

46、功率及要求不很高的直流伺服电机调速控制。常用于大功率及要求不很高的直流伺服电机调速控制。组成：组成： 控制回路：控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。速度环、电流环、触发脉冲发生器等。 主回路：主回路： 可控硅整流放大器等。可控硅整流放大器等。U*n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+-UnInI*n+-US直流双环调速系统直流双环调速系统3.3.3 直流伺服电机速度控制方法直流伺服电机速度控制方法55速度环：速度环：速度调节（速度调节（PIPI），作用：好的静态、动态特性。），作用：好的静态、动态特性。电流环：电流环：电流调节电流调节(P(

47、P或或PI)PI)。作用：加快响应、启动、低频稳定等。作用：加快响应、启动、低频稳定等。触发脉冲发生器：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。产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。可控硅整流放大器：可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。整流、放大、驱动，使电机转动。直流双环调速系统直流双环调速系统1晶闸管调速系统晶闸管调速系统3.3 直流电机伺服系统直流电机伺服系统U*n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+-UnInI*n+-US563.3 直流电机伺服系统直流电机伺服系统整流：整流：把电网交流电源变为直流；把电网交流

48、电源变为直流；逆变：逆变：电机制动时，把电机运转的惯性能转变为电能，并电机制动时，把电机运转的惯性能转变为电能，并反馈给交流电网，实现逆变。反馈给交流电网，实现逆变。主回路工作原理主回路工作原理整流电路：整流电路：将交流电变化成脉宽可调的直流方波。将交流电变化成脉宽可调的直流方波。改变改变改变改变UU调整转速调整转速n nttt t交流电交流电直流方波直流方波U U572脉宽调制（脉宽调制（PWM）调速控制系统）调速控制系统3.3 直流电机伺服系统直流电机伺服系统脉宽调制调速原理：利用脉宽调制调速原理：利用脉宽调制器脉宽调制器对对大功率晶体管开关放大器大功率晶体管开关放大器的的开关时间开关时间

49、进行控制，将直流电压转换成一定频率的进行控制，将直流电压转换成一定频率的方波电压方波电压，加到直流电动机的电枢上；通过调整控制加到直流电动机的电枢上；通过调整控制方波脉冲宽度方波脉冲宽度来改变电来改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。枢的平均电压，从而调节电机的转速。周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压Ut周期不变为什么？为什么？58白城师范学院机电系机自教研室58uPWM的主要缺点：的主要缺点： 不能承受高的过载电流，功率还不能做得很大。目前在中小功率的伺服驱动装置中，大多采用PWM，而在大功率的场合中采用SCR。uPWM调速系统具有这么几个优点：调速系统具有这么几个优点： 频带宽 电流脉

50、动小，波形系数小 电源的功率因数高 动态硬度好由于晶体管的结电容小，截止频率高，所以它允许系统有较高的工作频率。目前，PWM调速系统的开关工作频率多数为2kHz，这远远大于SCR调速系统的100Hz。较宽的频带可以获得较好的系统动态性能，动态响应也迅速。 PWM调速系统的直流电源为不控整流输出，相当于SCR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0.9，从而大大改善了电源的利用率。 电动机为感性负载，电路的电感与频率成正比。因此电流脉动的幅度随频率的升高而下降。PWM调速系统的工作频率很高，因而可以使电流的脉动幅度大大削弱，电流的波形系统接近于1。波形系数

51、小，电动机的内部发热就少，输出转矩平稳，这有利于低速加工。 PWM调速系统具有优良的动态硬度，其意思是指伺服系统校正瞬态负载扰动的能力。由于PWM系统的频带宽，系统的动态硬度就越高，而且PWM系统有良好的线性，尤其是接近于零点处的直线性好。592PWM调速控制系统调速控制系统脉宽调制（脉宽调制（PWM）系统组成：）系统组成：速度调节器电流反馈脉宽调制基极驱动功放振荡器 电流调节器M速速度度指指令令 三相交流电整流速度反馈UsrU USCSCU UU Ub b控制回路：控制回路：速度调节器；电流调节器；固速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波发生器定频率振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和

52、基极驱动电路；脉宽调制器和基极驱动电路主回路：主回路：大功率晶体管开关放大功率晶体管开关放大器；整流器大器；整流器正弦波或方波 3.3 直流电机伺服系统直流电机伺服系统60区别：区别：与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节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和功率放大器。2PWM调速控制系统调速控制系统速度调节器电流反馈脉宽调制基极驱动功放振荡器 电流调节器M速速度度指指令令 三相交流电整流速度反馈UsrU USCSCU UU Ub b3.3 直流电机伺服系统直流电机伺服系统612PWM调速控制系统调速控制系统脉

53、宽调制器脉宽调制器作用：将电压量转换成可由控制信号调节的作用：将电压量转换成可由控制信号调节的矩形脉冲矩形脉冲，为功，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脉宽电压电压。改变直流伺服电机电枢两端的平均电压，从而控改变直流伺服电机电枢两端的平均电压，从而控制电机的转速和转矩。制电机的转速和转矩。组成组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放大器。：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放大器。电压电压-脉冲转换装置脉冲转换装置3.3 直流电机伺服系统直流电机伺服系统623.1 概述概述3.2 步进电机伺服系统步进电机伺

54、服系统3.3 直流电机伺服系统直流电机伺服系统3.4 交流电机伺服系统交流电机伺服系统3.5 主轴驱动主轴驱动第第3章章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统63一、交流伺服电动机概述一、交流伺服电动机概述1. 交流伺服电动机分类交流伺服电动机分类 异步型异步型 结构简单，制造容量大。主要用在主轴驱动系统中。结构简单，制造容量大。主要用在主轴驱动系统中。 同步型同步型 同步型交流伺服电动机又分为永磁式和励磁式。同步型交流伺服电动机又分为永磁式和励磁式。 数控机床进给伺服系统中多采用永磁同步交流伺服电动机。数控机床进给伺服系统中多采用永磁同步交流伺服电动机。2. 永磁同步交流伺服电动机的

55、特点：永磁同步交流伺服电动机的特点： 结构简单，运行可靠，效率较高结构简单，运行可靠，效率较高 调速方便调速方便 由于它的转速与所接电源频率之间存在一种严格由于它的转速与所接电源频率之间存在一种严格关系，所以可获得与频率成正比的可变速度，并且可以得到关系，所以可获得与频率成正比的可变速度，并且可以得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。非常硬的机械特性及宽的调速范围。 缺点缺点 体积较大，起动较困难体积较大，起动较困难643. 永磁同步交流伺服电动机的结构永磁同步交流伺服电动机的结构 组组 成：成：定子、转子和检测元件。定子、转子和检测元件。 定子定子具有齿槽，内有三相绕组，形状与普通交流电动机具

56、有齿槽，内有三相绕组，形状与普通交流电动机的定子相同，但其外形多呈多边形，且无外壳，利于散热。的定子相同，但其外形多呈多边形，且无外壳，利于散热。 转子转子由多块永久磁铁和冲片组成。这种结构的优点是气由多块永久磁铁和冲片组成。这种结构的优点是气隙磁密较高，极数较多。隙磁密较高，极数较多。定定子转子转子 脉冲编码器脉冲编码器定子三相绕组定子三相绕组 接线盒接线盒永磁交流同步伺服电机结构图永磁交流同步伺服电机结构图 654. 永磁同步交流伺服电动机的工作原理永磁同步交流伺服电动机的工作原理 定子三相绕组接上交流电源后，就会产生一个旋转磁场，定子三相绕组接上交流电源后，就会产生一个旋转磁场，以同步转

57、速以同步转速ns旋转。定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极互相旋转。定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极互相吸引，并带着转子一起旋转。使转子也以同步转速吸引，并带着转子一起旋转。使转子也以同步转速ns旋转。旋转。 当转子加上负载转矩之后，将造成定子磁场轴线与转子磁当转子加上负载转矩之后，将造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合，其夹角为极轴线不重合，其夹角为。若负载发生变化，。若负载发生变化，角也跟着变化角也跟着变化，但只要不超过一定的限度，转子始终跟着定子的旋转磁场以，但只要不超过一定的限度，转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速恒定的同步转速ns旋转。转子转速为旋转。转子转速为： nns60f/

58、p (r/min) 式中式中 f电源的频率电源的频率 p磁极对数磁极对数66二、交流伺服电动机的变频调速二、交流伺服电动机的变频调速1. 调速原理分析调速原理分析 根据永磁同步交流伺服电动机转子转速公式根据永磁同步交流伺服电动机转子转速公式 nns60f/p (r/min) 可以通过改变电动机电源频率可以通过改变电动机电源频率 f 来调节电动机的转速。来调节电动机的转速。 此法可以实现无级调速，能够较好地满足数控机床的要求。变频调速的此法可以实现无级调速，能够较好地满足数控机床的要求。变频调速的关键是设计能为电动机提供变频电源的变频器。关键是设计能为电动机提供变频电源的变频器。2. 变频器变频

59、器 交交交变频器交变频器 直接将固定频率的交流电变换为另一种频率的交流电。直接将固定频率的交流电变换为另一种频率的交流电。 交交直直交变频器交变频器 先将电网交流电通过整流变为直流，再经过电容或先将电网交流电通过整流变为直流，再经过电容或电感或电容、电感组合电路滤波后供给逆变器。逆变器输出的是电压和频电感或电容、电感组合电路滤波后供给逆变器。逆变器输出的是电压和频率可调的交流电。率可调的交流电。6767u正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWMSPWM）变压变频器）变压变频器l基本概念l19641964年德国人率先提出脉宽调制变频思想，年德国人率先提出脉宽调制变频思想，把通讯系统中的调制技术应用于

60、交流变频把通讯系统中的调制技术应用于交流变频器。调制方法很多，目前用得最多的是正器。调制方法很多，目前用得最多的是正弦脉宽调制。还有空间电压矢量弦脉宽调制。还有空间电压矢量PWMPWM、最优、最优PWMPWM、预测、预测PWMPWM、随机、随机PWMPWM、规则采样数字化、规则采样数字化PWMPWM等等。等等。lSPWMSPWM交交直直交变压变频器的原理框图如交变压变频器的原理框图如下：下：UR整流器整流器 固定电压不可控整流器，常采用六个二级管桥式整流器结构将交流变为直流，电压幅值不变。 为逆变器的供电。M3UIURUI 逆变器逆变器 由六个功率开关器件组成，常采用大功率晶体管。其控制极（大