交流伺服电动机的发展状况

1、目 录交流伺服电电动机的的发展状状况数控机床伺伺服系统统简介2.1 数数控系统统的发展展状况2.1.11 数控控机床系系统简介介2.1.22 数控控机床的的发展状状况2.2 数数控系统统的组成成原理2.2.11 伺服服系统概概述2.2.22 伺服服系统分分析2.2.33 伺服服控制技技术交流伺服电电动机的的简介3.1 交交流伺服服电动机机的结构构3.2 交交流伺服服电动机机的工作作原理交流伺服电电动机在在数控系系统中的的应用4.1 交交流伺服服电动机机在数控控系统中中的应用用特点4.2 交交流伺服服电动机机与其他他电动机机的比较较4.2.11 交流流伺服电电动机与与步进电电动机的的比较4.2.

2、22 永磁交交流伺服服电动机机同直流流伺服电电动机比比较4.3 在在数控系系统中如如何选择择交流伺伺服电动动机4.4 交交流伺服服电动机机在数控控系统中中的应用用实例交流伺服电电动机的的发展趋趋势摘 要伺服系统是是以机械械运动的的驱动设设备，电电动机为为控制对对象，以以控制器器为核心心，以电电力电子子功率变变换装置置为执行行机构，在在自动控控制理论论的指导导下组成成的电气气传动自自动控制制系统。这这类系统统控制电电动机的的转矩、转转速和转转角，将将电能转转换为机机械能，实实现运动动机械的的运动要要求。具具体在数数控机床床中，伺伺服系统统接收数数控系统统发出的的位移、速速度指令令，经变变换、放放

3、大与调调整后，由由电动机机和机械械传动机机构驱动动机床坐坐标轴、主主轴等，带带动工作作台及刀刀架，通通过轴的的联动使使刀具相相对工件件产生各各种复杂杂的机械械运动，从从而加工工出用户户所要求求的复杂杂形状的的工件。作作为数控控机床的的执行机机构，伺伺服系统统将电力力电子器器件、控控制、驱驱动及保保护等集集为一体体，并随随着数字字脉宽调调制技术术、特种种电机材材料技术术、微电电子技术术及现代代控制技技术的进进步，经经历了从从步进到到直流，进进而到交交流的发发展历程程。数控控机床中中的伺服服系统种种类繁多多，本文文主要从从以下四四部分作作了阐述述与分析析。1、阐述了了交流伺伺服电动动机的发发展状况

4、况，了解解了当前前最前沿沿的发展展技术。2、通过数数控技术术的发展展过程，介介绍了数数控机床床伺服系系统的组组成原理理、系统统分析了了伺服控控制技术术等原理理，使我我们更加加了解了了数控机机床伺服服系统的的工作原原理和应应用特点点。3、介绍了了交流伺伺服电动动的基本本结构和和工作原原理，对对伺服电电动机的的相关知知识有了了进一步步的了解解。4、通过实实例详细细介绍了了伺服电电动机在在实际生生产中的的应用特特点和应应用场合合以及合合理选择择伺服电电动机的的有效参参数等内内容。通过本文分分析，综综合应用用了我们们所学的的相关知知识，使使我们对对交流伺伺服电动动机在实实际生产产中的应应用有了了较为充

5、充分的认认识。目目前，伺伺服技术术正朝着着交流化化、数字字化的方方向迅速速发展。交流伺服电电动机的的发展现现状随着数控技技术的迅迅速发展展，伺服服系统的的作用与与要求越越显突出出，交流流伺服电电动机的的应用也也越来越越为广泛泛。针对对直流电电动机的的缺陷，如如果将其其里外作作相应的的调整处处理，即即把电驱驱绕组装装在定子子、转子子为永磁磁部分，由由转子轴轴上的编编码器测测出磁极极位置，就就构成了了永磁无无刷电动动机，同同时随着着矢量控控制方法法的实用用化，使使交流伺伺服系统统具有良良好的伺伺服特性性，其宽宽调速范范围、高高稳速精精度、快快速动态态响应及及四象限限运行等等良好的的技术性性能，使使

6、其动、静静态特性性已完全全可与直直流伺服服系统相相媲美。同同时可实实现弱磁磁高速控控制，拓拓宽了系系统的调调速范围围，适应应了高性性能伺服服驱动的的要求。目前，在机机床进给给伺服中中采用的的主要是是永磁同同步交流流伺服系系统，有有三种类类型：模模拟形式式、数字字形式和和软件形形式。模模拟伺服服用途单单一，只只接收模模拟信号号，位置置控制通通常由上上位机实实现。数数字伺服服可实现现一机多多用，如如做速度度、力矩矩、位置置控制。可可接收模模拟指令令和脉冲冲指令，各各种参数数均以数数字方式式设定，稳稳定性好好。具有有较丰富富的自诊诊断、报报警功能能。软件件伺服是是基于微微处理器器的全数数字伺服服系统

7、。其其将各种种控制方方式和不不同规格格、功率率的伺服服电机的的监控程程序以软软件实现现。使用用时可由由用户设设定代码码与相关关的数据据即自动动进入工工作状态态。配有有数字接接口，改改变工作作方式、更更换电动动机规格格时，只只需重设设代码即即可，故故也称万万能伺服服。交流伺服已已占据了了机床进进给伺服服的主导导地位，并并随着新新技术的的发展而而不断完完善，具具体体现现在三个个方面。一一是系统统功率驱驱动装置置中的电电力电子子器件不不断向高高频化方方向发展展，智能能化功率率模块得得到普及及与应用用；二是是基于微微处理器器嵌入式式平台技技术的成成熟，将将促进先先进控制制算法的的应用；三是网网络化制制

8、造模式式的推广广及现场场总线技技术的成成熟，将将使基于于网络的的伺服控控制成为为可能数控机床伺伺服系统统简介2.1 数数控系统统的发展展状况2.1.11 数控控机床系系统简介介数控机床一一般由数数控系统统、包含含伺服电电动机和和检测反反馈装置置的伺服服系统、强强电控制制柜、机机床本体体和各类类辅助装装置组成成，如图图（21）控制介质控制介质数控系统伺服系统辅助装置机床反馈装置图 2-11 数数控机床床的系统统组成图图1、控制介介质控制介质又又称信息息载体，是是人与数数控机床床之间联联系的中中间媒介介物质，反反映了数数控加工工中全部部的信息息。2、数控系系统数控系统是是机床实实现自动动加工的的核

9、心，是是整个数数控机床床的灵魂魂所在。主主要由输输入装置置、监视视器、主主控制系系统、可可编程控控制器、各各类输入入/输出出接口等等组成。主主控制系系统主要要由CPPU、存存储器、控控制器等等组成。数数控系统统的主要要控制对对象是位位置、角角度、速速度等机机械量，以以及温度度、压力力、流量量等物理理量，其其控制方方式又可可分为数数据运算算处理控控制和时时序逻辑辑控制两两大类。3、伺服系系统伺服系统是是数控系系统和机机床本体体之间的的电气联联系环节节。主要要由伺服服电动机机、驱动动控制系系统和位位置检测测与反馈馈装置等等组成。伺伺服电动动机是系系统的执执行元件件，驱动动控制系系统则是是伺服电电动

10、机的的动力源源。数控控系统发发出的指指令信号号与位置置反馈信信号比较较后作为为位移指指令，再再经过驱驱动控制制系统的的功率放放大后，驱驱动电动动机运转转，通过过机械传传动装置置拖动工工作台或或刀架运运动。4、辅助装装置辅助装置主主要包括括自动换换刀装置置ATCC、自动动交换工工作台机机构APPC、工工件夹紧机回作液制润置削制排置、过载和和保护装装置等。5、机床本本体数控机床的的本体是是指其机机械结构构实体。与与传统的的普通机机床相比比较，同同样由主主传动系系统、进进给传动动机构、工工作台、床床身以及及立柱等等部分组组成，但但数控机机床的整整体布局局、外观观造型、传传动机构构、工具具系统及及操作

11、机机构等方方面都发发生了很很大的变变化。2.1.22 数控控机床的的发展状状况当数控机床床进入分分布式控控制(DDNC)和柔性性制造系系统(FFMS)环境,甚至要要求与CCAD/CAPPP/CCAM等等共同信信息系统统通信后后,原有有的以单单机服务务为对象象的CNNC装置置就显得得不够用用了,新新的环境境要求CCNC装装置进一一步向开开放式数数控系统统转化。开开放式体体系结构构普遍采采用模块块化、层层次化的的结构,并通过过各种形形式向外外提供统统一的应应用程序序接口,具有可可移植性性、可扩扩展性、互互操作性性和可缩缩放性等等特点,即系统统组成的的内部开开放化和和系统组组成各部部件之间间的开放放

12、化。开开放式CCNC的的产生源源于微机机系统技技术的发发展,在在PC系系统中,作为主主流操作作系统之之一的MMS-DDOS提提供了一一个实时时性很强强的操作作平台,而且微微软正着着手将WWinddowss CEE统转变变为实时时操作系系统。目目前,以以微软视视窗为突突出代表表的图形形用户接接口GUUI标准准已经到到来,并并将逐步步取代DDOS,使操作作方法与与软件开开发过程程发生变变化。国国外开放放式数控控系统的的研究与与发展环环境(OOpenn Syysteem EEnviironnmennt ffor Conntroolleers)的工作作委员会会。它研研究的重重点是在在NC本本身和分分布

13、式DDNC控控制系统统上,它它认为站站在制造造的角度度看NCC是分布布式DNNC系统统的一个个服务器器。OSSEC所所谓的开开放式系系统本身身就被认认为是一一个分布布式系统统,它能能满足用用户对制制造系统统不同配配置的要要求、最最小化费费用的要要求和应应用先进进控制算算法及基基于PCC的标准准化人机机界面的的要求。2.2 数数控系统统的组成成原理2.2.11 伺服服系统概概述伺服系统是是以机械械运动的的驱动设设备，电电动机为为控制对对象，以以控制器器为核心心，以电电力电子子功率变变换装置置为执行行机构，在在自动控控制理论论的指导导下组成成的电气气传动自动控制系系统。这这类系统统控制电电动机的的

14、转矩、转转速和转转角，将将电能转转换为机机械能，实实现运动动机械的的运动要要求。具具体在数数控机床床中，伺伺服系统统接收数数控系统统发出的的位移、速速度指令令，经变变换、调调整与放放大后，由由电动机机和机械械传动机机构驱动动机床坐坐标轴、主主轴等，带带动工作作台及刀刀架，通通过轴的的联动使使刀具相相对工件件产生各各种复杂杂的机械械运动，从从而加工工出用户户所要求求的复杂杂形状的的工件。作作为数控控机床的的执行机机构，伺伺服系统统将电力力电子器器件、控控制、驱驱动及保保护等集集为一体体，并随随着数字字脉宽调调制技术术、特种种电机材材料技术术、微电电子技术术及现代代控制技技术的进进步，经经历了从从

15、步进到到直流，进进而到交交流的发发展历程程。数控控机床中中的伺服服系统种种类繁多多，对其其技术现现状及发发展趋势势作简要要探讨。从从基本结结构来看看，伺服服系统主主要由三三部分组组成：控控制器、功功率驱动动装置、反反馈装置置和电动动机。控控制器按按照数控控系统的的给定值值和通过过反馈装装置检测测的实际际运行值值的差，调调节控制制量；功功率驱动动装置作作为系统统的主回回路，一一方面按按控制量量的大小小将电网网中的电电能作用用到电动动机之上上，调节节电动机机转矩的的大小，另一方面按按电动机机的要求求把恒压压恒频的的电网供供电转换换为电动动机所需需的交流流电或直直流电；电动机机则按供供电大小小拖动机

16、机械运转转。任何部分的的变化都都可构成成不同种种类的伺伺服系统统。根据据驱动电电动机的的类型，可可将其分分为直流流伺服和和交流伺伺服；根根据控制制器实现现方法的的不同，可可将其分分为模拟拟伺服和和数字伺伺服；根根据控制制器中闭闭环的多多少，可可将其分分为开环环控制系系统、单单环控制制系统、双双环控制制系统和和多环控控制系统统。考虑虑伺服系系统在数数控机床床中的应应用，首首先按机机床中传传动机械械的不同同将其分分为进给给伺服与与主轴伺伺服，然然后再根根据其他他要素来来探讨不不同伺服服系统的的技术特特性。进进给伺服服以数控控机床的的各坐标标为控制制对象，产产生机床床的切削削进给运运动。为为此，要要

17、求进给给伺服能能快速调调节坐标标轴的运运动速度度，并能能精确地地进行位位置控制制。具体体要求其其调速范范围宽、位位移精度度高、稳稳定性好好、动态态响应快快。根据据系统使使用的电电动机，进进给伺服服可细分分为步进进伺服、直直流伺服服、交流流伺服和和直线伺伺服。作为数控机机床的重重要功能能部件，伺伺服系统统的特性性一直是是影响系系统加工工性能的的重要指指标。围围绕伺服服系统动动态特性性与静态态特性的的提高，近近年来发发展了多多种伺服服驱动技技术。可可以预见见随着超超高速切切削、超超精密加加工、网网络制造造等先进进制造技技术的发发展，具具有网络络接口的的全数字字伺服系系统、直直线电动动机及高高速电主

18、主轴等将将成为数数控机床床行业的的关注的的热点，并并成为伺伺服系统统的发展展方向。2.2.22 伺服服系统分分析一 、从伺伺服系统统的组成成上分析析（如图图2-22所示）比较元件调节元件执行元件被控元件输入量 比较元件调节元件执行元件被控元件图 2-22 伺伺服系统统组成分分析1、比较组组件是将将输入的的指令信信号与系系统的反反馈信号号进行比比较，以以获的控控制系统统动作的的偏差信信号的环环节，通通常可通通过电子子电路或或计算机机软件实实现。2、调节组组件又称称控制器器是伺服服系统的的一个重重要组成成部分，其其作用是是对比较较组件输输出的偏偏差的偏偏差信号号进行交交换、放放大以控控制执行行组件

19、按按要求动动作。调调节组件件的质量量对伺服服系统的的性能有有重要的的影响，其其功能一一般有软软件算法法加硬件件电路实实现或单单独有硬硬件电路路实现。3、执行组组件其作作用是在在控制信信号作用用下，将将输入的的各种形形式的能能量转换换成机 械能，驱驱动被控控制对象象工作，数数控机床床中伺服服电动机机是常见见的组件件。4、被控对对象是伺伺服系统统中被控控制的设设备或装装置，是是直接实实现目的的功能的的主体，其其行为质质量反映映着整个个伺服系系统的性性能，数数控机床床中被控控对象主主要是机机械装置置，包括括传动机机构和执执行机构构。5、测量反反馈组件件是指传传感器及及其信号号检测装装置，用用于实时时

20、检测被被控制对对象的输输出量并并将其反反馈到比比较组件件。二、从伺服服系统的的原理上上分析服系统是由由速度环环、位置置环、电电流环的的三环结结构组成成，它的的工作原原理是：由插补补器发出出的脉冲冲经位置置控制回回路发出出速度指指令，比比较器中中与检测测器信号号相与后后，再经经过放大大器送出出转矩指指令，至至矢量处处理电路路，该电电路由转转角计算算回路、乘乘法器、比比较器等等组成。另另一方面面，检测测器的输输出信号号也被送送到矢量量处理电电路中的的转角计计算回路路，将电电动机的的回转位位置改变变了角度度时，由由矢量处处理电路路输出三三个电流流信号，经经放大并并与电动动机回路路的电流流检测信信号比

21、较较之后，经经脉宽调调制电路路（PWWM）放放大后，控控制三相相桥式晶晶体管电电路，使使交流伺伺服电动动机按规规定的转转速旋转转，并输输出所需需要的转转矩值。检检测器检检测出的的信号还还可送到到位置控控制回路路，与插插补器来来的脉冲冲信号进进行比较较完成位位置环控控制。三、从伺服服系统的的类型上上分析1、按调节节理论分分类开环伺服系系统开环伺服系系统即无无位置反反馈的系系统，其其驱动元元件主要要是功率率步进电电机或电电液脉冲冲马达。开开环系统统的结构构简单，易易于控制制，但精精度差，低低速不平平稳，高高速扭矩矩小。闭环伺服系系统闭环系统是是误差控控制随动动系统。数数控机床床进给系系统的误误差，

22、是是CNCC输出的的位置指指令和机机床工作作台（或或刀架）实实际位置置的差值值。闭环环系统运运动执行行元件不不能反映映运动的的位置，因因此需要要有位置置检测装装置。由由于闭环环伺服系系统是反反馈控制制，反馈馈测量装装置精度度很高，从从而大大大提高跟跟随精度度和定位位精度。目目前闭环环系统的的分辨率率多数为为1m，定定位精度度可达+-0.01+-00.0005mmm；高精精度系统统分辨率率可0.1m 。半闭环系统统位置检检测元件件不直接接安装在在进给坐坐标的最最终运动动部件上上，而是是中间经经过机械械传动部部件的位位置转换换，又称称间接测测量。半半闭环和和闭环系系统的控控制结构构是一致致的，不不

23、同点只只是闭环环系统环环内包括括多的机机械传动动部件，传传动误差差均可被被补偿。2、按使用用的驱动动元件分分类电液伺服系系统电液伺服系系统的执执行元件件为液压压元件，其其前一级级为电气气元件。驱驱动元件件为液动动机和液液压缸，常常用的有有电液脉脉冲马达达和电液液伺服马马达。电电液伺服服系统具具有在低低速下可可以得到到很高的的输出力力矩，以以及刚性性好、时时间常数数小、反反映快和和速度平平稳等优优点。电气伺服系系统电气伺服系系统全部部采用电电子器件件和电机机部件，操操作维护护方便，可可靠性高高。电气气伺服系系统中的的驱动元元件主要要有步进进点机、直直流伺服服电机和和交流伺伺服电机机。它们们没有液

24、液压系统统中的噪噪声、污污染和维维修费用用高等问问题，但但反应速速度和低低速力矩矩不如液液压系统统高。3、按使用用直流伺伺服电机机和交流流伺服电电机分类类直流伺服系系统直流伺服系系统常用用的伺服服电机有有小惯量量直流伺伺服电机机和永磁磁直流伺伺服电机机（也称称为大惯惯量宽调调速直流流伺服电电机）。小小惯量伺伺服电机机最大限限度地减减少电 的转动惯量，所所以能获获得最好好的快速速性。永永磁直流流伺服电电机能在在较大过过载转矩矩下长时时间工作作以及电电机的转转子惯量量较大，能能直接与与丝杆相相连而不不需要中中间传动动装置。交流伺服系系统交流伺服系系统使用用交流异异步伺服服电机（一一般用于于主轴伺伺

25、服电机机）和永永磁同步步伺服电电机（一一般用于于进给伺伺服电机机）。交交流伺服服电机转转子惯量量较直流流电机小小，使得得动态响响应好。交交流电机机输出功功率比直直流电机机提高110%-70%。4、按进给给驱动和和主轴驱驱动分类类进给伺服系系统进给伺服系系统是指指一般概概念的伺伺服系统统，它包包括速度度控制环环和位置置控制环环。进给给伺服系系统完成成各坐标标轴的进进给运动动，具有有定位和和轮廓跟跟踪功能能，是数数控机床床中要求求最高的的伺服控控制。主轴伺服系系统一般的主轴轴控制只只是一个个速度控控制系统统。主要要实现主主轴的旋旋转运动动，提供供切削过过程中的的转矩和和功率，且且保证任任意转速速的

26、调节节，完成成在转速速范围内内的无级级变速。5、按反馈馈比较控控制方式式分类脉冲、数字字比较伺伺服系统统该系统是闭闭环伺服服系统中中的一种种控制方方式。它它是将数数控装置置发出的的数字（或或脉冲）指指令信号号与检测测装置得得的以数数字（或或脉冲）形形式表示示的反馈馈信号直直接进行行比较，以以产生位位置误差差，达到到闭环控控制。相位比较伺伺服系统统相位比较伺伺服系统统中位置置检测装装置采取取相位工工作方式式，指令令信号与与反馈信信号都变变成某个个载波的的相位，然然后通过过两者相相位的比比较，获获得实际际位置与与指令位位置的偏偏差，实实现闭环环控制。幅值比较伺伺服系统统幅值比较伺伺服系统统是以位位

27、置检测测信号的的幅值大大小来反反映机械械位移的的数值，并并以此信信号作为为位置反反馈信号号，一般般还要将将此幅值值信号转转换成数数字信号号才与指指令数字字信号进进行比较较，从而而获得位位置偏差差信号构构成闭环环控制系系统。5、全数字字伺服系系统随着微电子子技术，计计算机技技术和伺伺服控制制技术的的发展，数数控机床床的伺服服系统已已开始采采用高速速、高精精度的全全数字伺伺服系统统。使伺伺服控制制技术从从模拟方方式、混混合方式走向全全数字方方式。数数字伺服服系统采采用了许许多新的的控制技技术和改改进伺服服性能的的措施，使使控制精精度和品品质大大大提高。2.2.33 伺服服控制技技术从70年代代后期

28、到到80年年代初期期，随着着微处理理器技术术、大功功率高性性能半导导体功率率器件技技术和电电机永磁磁材料制制造工艺艺的发展展及其性性能价格格比的日日益提高高，交流流伺服技技术交流伺伺服电机机和交流流伺服控控制系统统逐渐成成为主导导产品。交交流伺服服驱动技技术已经经成为工工业领域域实现自自动化的的基础技技术之一一，并将将逐渐取取代直流流伺服系系统。交流流伺服系系统按其其采用的的驱动电电动机的的类型来来分，主主要有两两大类：永磁同同步（SSM型）电电动机交交流伺服服系统和和感应式式异步（IIM型）电电动机交交流伺服服系统。其其中，永永磁同步步电动机机交流伺伺服系统统在技术术上已趋趋于完全全成熟，具

29、具备了十十分优良良的低速速性能，并并可实现现弱磁高高速控制制，拓宽宽了系统统的调速速范围，适适应了高高性能伺伺服驱动动的要求求。并且且随着永永磁材料料性能的的大幅度度提高和和价格的的降低，其其在工业业生产自自动化领领域中的的应用将将越来越越广泛，目目前已成成为交流流伺服系系统的主主流。感感应式异异步电动动机交流流伺服系系统由于于感应式式异步电电动机结结构坚固固，制造造容易，价价格低廉廉，因而而具有很很好的发发展前景景，代表表了将来来伺服技技术的方方向。但但由于该该系统采采用矢量量变换控控制，相相对永磁磁同步电电动机伺伺服系统统来说控控制比较较复杂，而而且电机机低速运运行时还还存在着着效率低低，

30、发热热严重等等有待克克服的技技术问题题，目前前并未得得到普遍遍应用。系统的执行元件一般为普通三相鼠笼型异步电动机，功率变换器件通常采用智能功率模块IPM。为进一步提高系统的动态和静态性能，可采用位置和速度闭环控制。三相交流电流的跟随控制能有效地提高逆变器的电流响应速度，并且能限制暂态电流，从而有利于IPM的安全工作。速度环和位置环可使用单片机控制，以使控制策略获得更高的控制性能。电流调节器若为比例形式，三个交流电流环都用足够大的比例调节器进行控制，其比例系数应该在保证系统不产生振荡的前提下尽量选大些，使被控异步电动机三相交流电流的幅值、相位和频率紧随给定值快速变化，从而实现电压型逆变器的快速电

31、流控制。电流用比例调节，具有结构简单、电流跟随性能好以及限制电动机起制动电流快速可靠等诸多优点。交流伺服电电动机的的简介3.1 交交流伺服服电动机机的组成成结构交流伺服电电动机的的结构主主要可分分为两大大部分，即即定子部部分和转转子。其其中定子子的结构构与旋转转变压器器的定子子基本相相同，在在定子铁铁心中也也安放着着空间互互成900电角度度的两相相绕组，如如图3-1所示示。其中中L1- L2称为励励磁绕组组， k1-k2称为控控制绕组组，所以以交流伺伺服电动动机是一一种两相相的交流流电动机机。转子的结构构常用的的有鼠笼笼形转子子和非磁磁性杯形形转子。 鼠笼形转子交流伺服电动机的结构如图3-2所

32、示， 它的转子由转轴、 转子铁心和转子绕组等组成。 转子铁心是由硅钢片叠成的， 每片冲成有齿有槽的形状， 如图3-3所示， 然后叠压起来将轴压入轴孔内。 铁心的每一槽中放有一根导条， 所有导条两端用两个短路环连接， 这就构成了转子绕组1 定定子绕组组 2 定子子铁心 3 鼠笼笼转子图3-1 两相相绕组分分布图图3-2 鼠笼笼型转子子交流伺伺服电机机 图3-3 转子冲冲片非磁性杯形形转子交交流伺服服电动机机的结构构如图33-4所所示。 图中外外定子与与鼠笼形形转子伺伺服电动动机的定定子完全全一样,内定子子由环形形钢片叠叠成,通通常内定定子不放放绕组， 只是代替鼠笼转子的铁心，作为电机磁路的一部分

33、。在内、外定子之间有细长的空心转子装在转轴上，空心转子作成杯子形状，所以又称为空心杯形转子。空心杯由非磁性材料铝或铜制成，它的杯壁极薄，一般在0.3 mm左右。 杯形转子套在内定子铁铁心外，并并通过转转轴可以以在内、外外定子之之间的气气隙中自自由转动动，而内内、 外定子子是不动动的。1杯形转转子 2外定子子 33内定子子4机壳 55端盖图3-4 杯形形转子伺伺服电动动机与鼠笼形转转子相比比较，非非磁性杯杯形转子子惯量小小，轴承承摩擦阻阻转矩小小。由于于它的转转子没有有齿和槽槽，所以以定、转转子间没没有齿槽槽粘合现现象，转转矩不会会随转子子不同的的位置而而发生变变化，恒恒速旋转转时，转转子一般般

34、不会有有抖动现现象，运运转平稳稳。但是是由于它它内、外外定子间间气隙较较大(杯壁厚厚度加上上杯壁两两边的气气隙)，所以以励磁电电流就大大，降低低了电机机的利用用率，因因而在相相同的体体积和重重量下，在在一定的的功率范范围内，杯杯形转子子伺服电电动机比比鼠笼转转子伺服服电动机机所产生生的启动动转矩和和输出功功率都小小；另外外，杯形形转子伺伺服电动动机结构构和制造造工艺又又比较复复杂。因因此， 目前广广泛应用用的是鼠鼠笼形转转子伺服服电动机机， 只有在在要求运运转非常常平稳的的某些特特殊场合合下(如：积积分电路路等)， 才采用用非磁性性杯形转转子伺服服电动机机。3.2 交交流伺服服电动机机的工作作

35、原理交流伺服电电机的工工作原理理和单相相感应电电动机无无本质上上的差异异。但是是，交流流伺服电电机必须须具备一一个性能能，就是是能克服服交流伺伺服电机机的所谓谓“自转”现象，即即无控制制信号时时，它不不应转动动，特别别是当它它已在转转动时，如如果控制制信号消消失，它它应能立立即停止止转动。而而普通的的感应电电动机转转动起来来以后，如如控制信信号消失失，往往往仍在继继续转动动。当电机原来来处于静静止状态态时，如如控制绕绕组不加加控制电电压，此此时只有有励磁绕绕组通电电产生脉脉动磁场场。可以以把脉动动磁场看看成两个个圆形旋旋转磁场场。这两两个圆形形旋转磁磁场以同同样的大大小和转转速，向向相反方方向

36、旋转转，所建建立的正正、反转转旋转磁磁场分别别切割笼笼型绕组组（或杯杯形壁）并并感应出出大小相相同，相相位相反反的电动动势和电电流（或或涡流），这这些电流流分别与与各自的的磁场作作用产生生的力矩矩也大小小相等、方方向相反反，合成成力矩为为零，伺服电电机转子子转不起起来。一一旦控制制系统有有偏差信信号，控控制绕组组就要接接受与之之相对应应的控制制电压。在在一般情情况下，电电机内部部产生的的磁场是是椭圆形形旋转磁磁场。一一个椭圆圆形旋转转磁场可可以看成成是由两两个圆形形旋转磁磁场合成成起来的的。这两两个圆形形旋转磁磁场幅值值不等（与与原椭圆圆旋转磁磁场转向向相同的的正转磁磁场大，与与原转向向相反的

37、的反转磁磁场小），但但以相同同的速度度，向相相反的方方向旋转转。它们们切割转转子绕组组感应的的电势和和电流以以及产生生的电磁磁力矩也也方向相相反、大大小不等等（正转转者大，反反转者小小）合成成力矩不不为零，所所以伺服服电机就就朝着正正转磁场场的方向向转动起起来，随随着信号号的增强强，磁场场接近圆圆形，此此时正转转磁场及及其力矩矩增大，反反转磁场场及其力力矩减小小，合成成力矩变变大，如如负载力力矩不变变，转子子的速度度就增加加。如果果改变控控制电压压的相位位，即移移相1880o，旋转转磁场的的转向相相反，因因而产生生的合成成力矩方方向也相相反，伺伺服电机机将反转转。若控控制信号号消失，只只有励磁

38、磁绕组通通入电流流，伺服服电机产产生的磁磁场将是是脉动磁磁场，转转子很快快地停下下来。鼠鼠笼转子子(或者是是非磁性性杯形转转子)所以会会转动起起来是由由于在空空间中有有一个旋旋转磁场场。 旋转磁磁场切割割转子导导条， 在转子子导条中中产生感感应电势势和电流流， 转子导导条中的的电流再再与旋转转磁场相相互作用用就产生生力和转转矩， 转矩的的方向和和旋转磁磁场的转转向相同同， 于是转转子就跟跟着旋转转磁场沿沿同一方方向转动动。 这就是是交流伺伺服电动动机的简简单工作作原理。交流伺服电电动机在在数控系系统中的的应用4.1 交交流伺服服电动机机在数控控系统中中的应用用特点无刷电机体体积小，重重量轻，出

39、出力大，响响应快，速速度高，惯惯量小，转转动平滑滑，力矩矩稳定。控控制复杂杂，容易易实现智智能化，其其电子换换相方式式灵活，可可以方波波换相或或正弦波波换相。电电机免维维护，效效率很高高，运行行温度低低，电磁磁辐射很很小，长长寿命，可可用于各各种环境境。交流伺服电电机也是是无刷电电机，分分为同步步和异步步电机，目目前运动动控制中中一般都都用同步步电机，它它的功率率范围大大，可以以做到很很大的功功率。大大惯量，最最高转动动速度低低，且随随着功率率增大而而快速降降低。因因而适合合做低速速平稳运运行的应应用。其其交流伺伺服电机机还有以以下特点点。1、精度高高数控机床是是按预定定的程序序自动进进行加工

40、工的，不不可能象象普通机机床那样样手动操操作来调调整和补补偿，各各种因素素对加工工精度的的影响，故故数控机机床的实实际位移移与指令令位移之之差要小小。现代代数控机机床的位位移精度度一般为为0.00100.0001mmm甚至可可高达00.1微微米，以以保证加加工质量量的一致致性，保保证复杂杂曲面、曲曲面零件件的加工工精度。2、调速范范围宽调速范围是是指最高高进给速速度和最最低进给给速度的的比，目目前先进进调速水水平是在在脉冲当当量或最最小设定定单位为为1微米米的情况况下，进进给速度度能在002440m/minn的范围围内连续续可调，一一般数控控机床的的进给速速度能在在0224m/minn的范围围

41、内连续续可调，即即调速范范围为11：2440000。3、快速响响应并无无超调对伺服系统统除了要要求有较较高的定定位精度度外，还还要求有有良好的的快速响响应特性性，即要要求跟踪踪信号的的响应要要快。伺伺服系统统的这个个特点对对伺服系系统的动动态性提提出了两两方面要要求：一一方面在在伺服系系统处于于频繁的的启动、制制动、加加速、减减速等动动态过程程中，为为了提高高生产率率和加工工质量则则要求加加、减速速度足够够大以缩缩短过度度过程时时间。一一般电机机速度00到最大大或从最最大减到到0，时时间应控控制在2200mms以下下，甚至至小于几几十毫秒秒且速度度变化时时不应有有超调；另一方方面，是是当负载载

42、突变时时，过度度过程前前言要陡陡，恢复复时间要要短，且且无震荡荡，这样样才能得得到光滑滑的加工工表面。4、能在低低速时输输出大的的转矩。数控机床的的进给系系统常在在相对较较低的速速度下进进行切削削，故要要求伺服服系统能能够输出大的转转矩。普普通加工工直径4400mmm的车车床，纵纵向和横横向的驱驱动力矩矩都在110Nmm以上。为为此，数数控机床床的进给给传动链链应尽量量短，传传动摩插插系数尽尽量小，并并减少间间隙，提提高刚度度，减少少惯量，提提高效率率。4.2 交交流伺服服电动机机与其他他电动机机的比较较4.2.11 交流流伺服电电动机与与步进电电动机的的比较步进电机是是一种离离散运动动的装置

43、置，它和和现代数数字控制制技术有有着本质质的联系系。在目目前国内内的数字字控制系系统中，步步进电机机的应用用十分广广泛。随随着全数数字式交交流伺服服系统的的出现，交交流伺服服电机也也越来越越多地应应用于数数字控制制系统中中。为了了适应数数字控制制的发展展趋势，运运动控制制系统中中大多采采用步进进电机或或全数字字式交流流伺服电电机作为为执行电电动机。虽虽然两者者在控制制方式上上相似（脉脉冲和方方向信号号），但但在使用用性能和和应用场场合上存存在着较较大的差差异，现现就二者者的使用用性能作作一比较较。一 、控制制精度不不同两相混合式式步进电电机步距距角一般般为3.6、1.8，五相相混合式式步进电电

44、机步距距角一般般为0.72、0.36。也有有一些高高性能的的步进电电机步距距角更小小。交流流伺服电电机的控控制精度度由电机机轴后端端的旋转转编码器器保证。二、低频特特性不同同步进电机在在低速时时易出现现低频振振动现象象。振动动频率与与负载情情况和驱驱动器性性能有关关，一般般认为振振动频率率为电机机空载起起跳频率率的一半半。这种种由步进进电机的的工作原原理所决决定的低低频振动动现象对对于机器器的正常常运转非非常不利利。当步步进电机机工作在在低速时时，一般般应采用用阻尼技技术来克克服低频频振动现现象，比比如在电电机上加加阻尼器器，或驱驱动器上上采用细细分技术术等。交交流伺服服电机运运转非常常平稳，

45、即即使在低低速时也也不会出出现振动动现象。交交流伺服服系统具具有共振振抑制功功能，可可涵盖机机械的刚刚性不足足，并且且系统内内部具有有频率解解析机能能（FFFT），可可检测出出机械的的共振点点，便于于系统调调整。三、矩频特特性不同同步进电机的的输出力力矩随转转速升高高而下降降，且在在较高转转速时会会急剧下下降，所所以其最最高工作作转速一一般在33006000rpmm。交流流伺服电电机为恒恒力矩输输出，即即在其额额定转速速（一般般为20000rrpm或或30000rppm）以以内，都都能输出出额定转转矩，在在额定转转速以上上为恒功功率输出出。四、过载能能力不同同步进电机一一般不具具有过载载能力。

46、交交流伺服服电机具具有较强强的过载载能力。以以松下交交流伺服服系统为为例，它它具有速速度过载载和转矩矩过载能能力。其其最大转转矩为额额定转矩矩的三倍倍，可用用于克服服惯性负负载在启启动瞬间间的惯性性力矩。步步进电机机因为没没有这种种过载能力，在选选型时为为了克服服这种惯惯性力矩矩，往往往需要选选取较大大转矩的的电机，而而机器在在正常工工作期间间又不需需要那么么大的转转矩，便便出现了了力矩浪浪费的现现象。五、运行性性能不同同步进电机的的控制为为开环控控制，启启动频率率过高或或负载过过大易出出现丢步步或堵转转的现象象，停止止时转速速过高易易出现过过冲的现现象，所所以为保保证其控控制精度度，应处处理

47、好升升、降速速问题。交交流伺服服驱动系系统为闭闭环控制制，驱动动器可直直接对电电机编码码器反馈馈信号进进行采样样，内部部构成位位置环和和速度环环，一般般不会出出现步进进电机的的丢步或或过冲的的现象，控控制性能能更为可可靠。六、速度响响应性能能不同步进电机从从静止加加速到工工作转速速（一般般为每分分钟几百百转）需需要20004400毫毫秒。交交流伺服服系统的的加速性性能较好好，以松松下MSSMA 4000W交流流伺服电电机为例例，从静静止加速速到其额额定转速速30000rppm仅需需几毫秒秒，可用用于要求求快速启启停的控控制场合合。综上所述，交交流伺服服系统在在许多性性能方面面都优于于步进电电机

48、。但但在一些些要求不不高的场场合也经经常用步步进电机机来做执执行电动动机。所所以，在在控制系系统的设设计过程程中要综综合考虑虑控制要要求、成成本等多多方面的的因素，选选用适当当的控制制电机。4.2.22 永磁交交流伺服服电动机机同直流流伺服电电动机比比较直流伺服驱驱动技术术受电机机本身缺缺陷的影影响，其其发展受受到了限限制。直直流伺服服电机存存在机械械结构复复杂、维维护工作作量大等等缺点，在在运行过过程中转转子容易易发热，影影响了与与其连接接的其他他机械设设备的精精度，难难以应用用到高速速及大容容量的场场合，机机械换向向器则成成为直流流伺服驱驱动技术术发展的的瓶颈。 交流伺服电机克服了直流伺服

49、电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。所以，交流伺服系统在工厂自动化（FA）等各个领域得到了广泛的应用其交流伺服优点有以下特点（1）无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。（2）定子绕组散热比较方便。（3）惯量小，易于提高系统的快速性。（4）适应于高速大力矩工作状态。（5）同功率下有较小的体积和重量。4.3 在在数控系系统中如如何选择择交流伺伺服电动动机选择电机，首首先要确确定电机机工作点点的力矩矩有多大大，及在在这个力力矩下需需要的电电机转速速（即额额定转速速）是多多少，依依此可以以确定需需要多大大尺寸

50、的的电机能能满足这这个要求求。电机的额定定转速和和额定力力矩决定定了电机机的输出出功率。对对于两台台尺寸完完全相同同的电机来说说，由于于转速不不同，力力矩不同同，所以以输出功功率也不不同。力力矩大、转转速高的的电机，其其输出功功率就大大，当然然电流也也要增大大。对于同一台台电机，当当力矩不不变时，电电机转速速与电压压成正比比。即：电压越越高，转转速越高高。如：一台112V电电机，在在额定力力矩下的的负载转转速为550000rpmm，当把把电压升升高到224V时时，则负负载转速速大约为为100000rrpm。交流电机转转速公式式。（41）（41）（42）式中： ff 定子子电源频频率p 磁磁激对

51、数数S 转转差率ns 定子旋旋转磁场场转速n 转子子转速对于同一台台电机，负负载转速速与负载载力矩成成反比。即即：随着着负载力力矩的增增大，电速低：电若0.时速0r当力于2000g.ccm时，电电机转速速将低于于50000rppm；而而当负载载力矩小小于2000g.cm时时，电机机转速将将高于550000rpmm。一般来说，电电机所带带的负载载力矩，应应与电机机给定的的额定力力矩相同同。因为为，在额额定力矩矩下工作作时，电电机是处处于最高高效率点点附近。而而当负载载力矩大大于额定定力矩时时，电机机处在超超负荷运运行状态态，这将将影响到到电机的的发热和和使用寿寿命。电机的力矩矩通常用用g.cm（

52、克克厘米）表表示，与与其他力力矩单位位的换算算关系是是：1g.cmm0.0098mmNm0.0014ooz-iin1mNM10.2g.cm0.1142ooz-iin1oz-iin7.0056mmNm72.0g.cm长度单位的的换算关关系是：1mmm0.0039iin linn25.4mmm重量单位的的换算关关系是：1g0.0035ooz looz28.35gg选择交流伺伺服电机机应考虑虑的参数数因素：（1）负载载曲线在在电机转转矩极限限曲线的的下方；（2）负负载曲线线必须小小于电机机的额定定转速；（3）惯量量决定整整个系统统的响应应性，即即加减速速特性选择恰当的的减速比比惯量比：折折算到电电机

53、轴上上的负载载惯量/电机转转子惯量量伺服电机工工作的惯惯量比应应为510倍倍最佳惯量匹匹配：惯惯量比为为1（4）锋值值力矩加减速要求求电机转子惯惯量、负负载惯量量额定力矩4.4 交交流伺服服电动机机在数控控系统中中的应用用实例交流伺服系系统在大大型铣镗镗床的应应用4.4.11 引言言 随随着微处处理技术术、高性性能半导导体功率率器件等等产品制制造工艺艺的发展展及性价价比的日日益提高高，交流流伺服技技术在机机电设备备产品中中的应用用越来越越多，由由于三相相异步鼠鼠笼式电电动机结结构坚固固、制造造容易、运运行可靠靠、维修修方便、价价格低廉廉，具有有良好的的发展前前景，是是未来伺伺服技术术的发展展方

54、向之之一。 大、重重型落地地式数控控铣镗床床为机、电电、液一一体化技技术密集集型产品品，其性性能要求求可实现现多轴控控制、五五坐标联联动；可可加工带带有复杂杂曲面的的大型工工件；属属于机械械加工行行业里的的高精度度、高性性能、高高效率的的关键重重大装备备，目前前此种类类型产品品基本依依赖从国国外进口口。如果果在保证证性能的的前提下下实现国国产化，尤尤其是采采用国产产化的全全数字伺伺服系统统，可以以达到大大幅度节节约成本本，打破破国外的的技术垄垄断和制制约，推推动民族族工业的的发展的的目的。4.4.22 技术术要求 落地地数控铣铣镗床作作为重型型精密加加工设备备，要求求很高的的调速性性能，调调速

55、比要要求大于于1:330000，目前前国内控控制系统统主要采采用直流流调速系系统。主主要技术术要求如如下： 在带带载调速速过程中中必须保保证足够够的转矩矩平稳输输出，能能够实现现进给轴轴低速平平稳运行行和大扭扭矩输出出。 重载加加工过程程中在负负载(转转矩)大大范围波波动的情情况下保保证运行行速度的的平稳。采采用时光科技技交流伺伺服控制制系统的的某型号号落地式式数控铣铣镗床的的外形图图（如图图4-11所示）。图4-1某落地地式数控控铣镗床床采用时时光交流流伺服时光科技交交流伺服服控制器器具有以以下特点点：1、全全数字化化 时时光科技技的交流流伺服控控制器是是全数字字化技术术，其速速度控制制范围为为0Hzz5000Hzz，控制制精度标标准为00.0110.02HHz(特特殊要求求时可做做到0.00225Hzz)。该该控制器器可以满满足数控控铣镗床床进行大大范围的的稳定、准准确的高高精度速速度控制制的需求求。2、 高可靠靠的调速速和过载载性能 与变变频器相相比较，其其速度曲曲线呈线线性，使使得加工工过程时时机床在在频繁地地起、停停、正转转、反转转和制动动控制的的工况条条件下连连续正常常地运行行而速度度不产生生波动。而而且，该该系统具具有优良良的超载载特性，在在铭牌额额定转速速下可以以做到3300%的额定定转矩输输出，完完全有别别于一般般变频器器的工作作曲线