第4章-伺服系统和驱动元件

1、第4章 伺服系统和驱动元件,主轴电机,伺服电机,刀库刀具定位电机,机械手旋转定位电机,带制动器伺服电机,伺服驱动系统（Servo System),CNC系统,驱动电机,检测装置,控制信号,反馈信号,光栅尺,数控机床伺服系统的定义,伺服系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。 CNC装置是数控机床的“大脑” ， “指挥机构” 伺服系统是数控机床的“四肢” ， “执行机构”。,伺服驱动系统忠实地执行由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。,4.1伺服系统,数控机床伺服系统的定义,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

2、置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系环节，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，综合性强。,4.1伺服系统,按控制对象和使用目的不同分 进给伺服系统 控制各坐标轴的切削进给运动 主轴驱动伺服系统 控制主轴的旋转运动 辅助伺服系统 控制刀库、料库等辅助系统的运动，多采用建议的位置控制。,数控机床伺服系统的分类,4.1伺服系统,数控机床伺服系统的分类,按所用驱动元件的类型不同分 步进电动机驱动系统 直流伺服驱动系统 交流伺服

3、驱动系统 直线电动机驱动系统,4.1伺服系统,4.2.1 / 4.3.1 步进电机/驱动装置,4.2.2 / 4.3.2 直流伺服电机/驱动装置,4.2.2 / 4.3.3 交流伺服电机/驱动装置,高精度 要求定位准确（定位误差持别是重复定位误差要小），跟随精度高（跟随误差小）。一般定位精度要求达到mm级，0.010.001mm，高的达0.1um 。 灵敏度高，响应快 提高生产率和保证加工质量，一般电机升降速过渡过程，时间在0.2s以下。另外，当负载突变时，要求速度的恢复时间短，且无振荡，这样才能得到光滑的加工表面。 调速范围宽 保证在任何情况下都能得到最佳切削条件和加工质量，一般要求调速范围

4、 ：最低转速/最高转速=1/10001/10000，且通常是无级调速。 低速大转矩 一般是在低速进行重切削，所以在低速时进给驱动要有大的转矩输出。 可靠性高，稳定性 对环境的适应性强，性能稳定，使用寿命长。,数控机床对伺服系统的要求,4.1伺服系统,4.2 步进电机及其驱动控制系统,步进电动机主要用于开环位置控制系统。它由步进电动机驱动电源和步进电动机组成，没有反馈环节。 这种系统较简单，控制较容易，维修也较方便，而且为全数字化控制。,由于开环系统精度不高，且步进电动机的功率和速度不高，因此步进电动机驱动系统仅用于小容量、加工速度低、脉冲当量和精度不太高的场合，如经济型数控机床和电加工机床、计

5、算机的打印机、绘图仪等设备。,4.2步进电机,步进电动机及其驱动系统,4.2步进电机,步进电动机及其驱动系统,步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。 位移量的控制 向步进电动机送一个控制脉冲，其转轴就转过一个角度或移动一个直线位移，称为一步；脉冲数增加，角位移(或线位移)随之增加，即脉冲数决定位移量。 进给速度的控制 脉冲频率高，则步进电动机的旋转速度就高，反之则低，即脉冲频率决定进给速度。 运动方向的控制 改变分配脉冲的相序，实现步进电动机的正、反转，从而改变运动方向。,与一般交流和直流电动机所不同的是，步进电动机定子绕组所加的电源形式为脉冲电压，而不是正弦电压

6、或者恒定直流电压。,步进电动的控制原理,4.2步进电机,步进电动机是按电磁吸引的原理进行工作,步进电动的工作原理,4.2步进电机,极与极之间的夹角为60。转子铁心上无绕组，只有均匀分布的齿。,（1）反应式步进电动机的结构,三相反应式步进电动机的结构： 定子铁心上有六个均匀分布的磁极，沿直径相对两个极上的线圈串联，构成一相励磁绕组。,步进电动的工作原理,4.2步进电机,（2）工作方式,步进电动的工作原理,按电磁吸引的原理工作的。必须抓住两点： 磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩,几个概念的含义： “拍”定子相绕组每改变一次 通电状态，称为“一拍”。 “单”指同时只有一相绕组通电。 “双

7、”指有两相绕组同时通电。,“单三拍”,4.2步进电机,步进电机工作原理,步进电动的工作原理,4.2步进电机,转子铁心上无绕组，只有均匀分布的40个齿，齿槽距相等，齿距角为360/409。每个定子磁极上均匀分布了五个齿，齿槽距相等，齿距角为9。,定子铁心上有六个均匀分布的磁极，沿直径相对两个极上的线圈串联，构成一相励磁绕组。,步进电动的工作原理,4.2步进电机,定子,步进电动的工作原理,4.2步进电机,转子,步进电动的工作原理,4.2步进电机,按电磁吸引的原理工作的。必须抓住两点： 磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩 各相定子齿之间彼此错齿1/m齿距，m为相数,步进电动的工作原理,几个

8、概念的含义： “拍”定子相绕组每改变一次 通电状态，称为“一拍”。 “单”指只有一相绕组通电。 “双”指有两相绕组同时通电。,4.2步进电机,电机转动的工作原理,总结：错齿是步进电动机旋转的根本原因,步进电动的工作原理,4.2步进电机,“单三拍”供电方式的步进电动机的工作原理,第一拍：A相励磁绕组通电，B、C相励磁绕组断电。A相定子磁极的电磁力要使相邻转子齿与其对齐(使磁阻最小)，B相和C相定、转子错齿分别为1/3齿距(3)和2/3齿距(6)。,“单三拍”供电方式的步进电动机的工作原理,第二拍：B相绕组通电，A、C相绕组断电。电磁反应力矩使转子逆时针方向转动3，与B相的定子齿对齐，此时A、C相

9、的定、转子齿互相错开。,“单三拍”供电方式的步进电动机的工作原理,第三拍：C相绕组通电，A、B相绕组断电。电磁反应力距又使转子逆时针方向转动了3，与C相定子齿对齐，同时A相、B相定、转子齿错开,重复通电顺序，A B C A ,单三拍步进电动机的反转 若定子绕组通电顺序为A C B A ，则电动机转子就顺时针方向旋转起来，其步距角仍为3。,单三拍步进电动机的步距角 重复单三拍的通电顺序，A B C A ，步进电机就逆时针方向旋转起来，对应每个指令脉冲，转子转动一固定角度3(步距角) 。,“单三拍”供电方式的步进电动机的工作原理,单三拍通电控制方式的缺点 由于每拍只有一相绕组通电，在切换瞬间可能失

10、去自锁力矩，容易失步。而且，只有一相绕组通电吸引转子，易在平衡位置附近产生振荡。因此，单三拍通电控制方式，工作稳定性差，一般较少采用。,“单三拍”供电方式的步进电动机的工作原理,若定子绕组的通电顺序为 AC BC CA AC ，则步进电动机的转子就顺时针方向转动。,双三拍工作方式 采用双三拍通电控制方式，能克服单三拍工作的缺点。 若定子绕组的通电顺序为 AB BC CA AB ，则步进电动机的转子就逆时针方向转动，从一个磁场最强处走到了另一个磁场最强处，故其步距角仍为3。,三相六拍工作方式 通电顺序：A AB B BC C CA A ,每切换一次，步进电动机就逆时针方向转动1.5，步距角减小一

11、半。 原因是：当由A相切换到AB相通电时，A相定子磁极力图不让转子转动，而保持与其定子齿对齐，而B相定子磁极的电磁反应力矩也力图使其顺时针转动3，与B相定子齿对齐，此时，转子齿与A相、B相定子齿均未对齐，此位置是A相、B相定子合成磁场的最强方向，即转子顺时针方向转动1.5。,若通电顺序为：A AC C BC B AB A 则步进电动机的转子就顺时针方向运动，步距角仍为1.5。 三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半；在切换时，保持一相绕组通电，工作稳定，比双三拍增大了稳定区。所以三相步进电动机常采用这种控制方式。,三相六拍工作方式,步进电动的主要特性,1.步距角 步进电动机每步的转角称

12、为步距角，计算公式：,式中 m步进电动机相数 Z转子齿数 K控制方式系数， K=拍数p/相数m,厂家对于每种步进电动机给出两种步距角，彼此相差一倍。大步距角系指控制供电拍数与相数相等时的步距角；小步距角系指供电拍数是相数两倍时的步距角。,4.2步进电机,问：三相三拍、三相六拍、双三拍工作方式，K分别取？,步进电动的主要特性,1.步距角 步距角的选择：, (mm/脉冲),根据总体方案要求，综合考虑，通过下式进行：,式中 脉冲当量 S丝杠螺距(mm) 步距角 i电动机与丝杠间的齿轮传动减速比,如果步进电动机的步距角和丝杠螺距S(基本导程)不能满足脉冲当量的要求时，应在步进电动机与丝杠之间加入齿轮传

13、动，用减速比来满足的要求。,4.2步进电机,步进电动的主要特性,2.最大静态转距 Tmax (Nm) 静态：当步进电动机不改变通电状态时，转子处在不动状态。 静态转距：如果在电动机轴上外加一个负载转距，使转子转过一个角度（失调角），这时转子受的电磁转距T。 矩角特性：描述静态时电磁转距T与之间的关系曲线。,4.2步进电机,步进电动的主要特性,2.最大静态转距 Tmax (Nm) 在静态稳定区内，当外加转距去除时，转子在电磁转距作用下，仍能回到稳定平衡点位置(0)。,启动转距 Tq,采用多项通电方式可使启动转矩增大,4.2步进电机,最大静态转矩,重要指标，表明电机负载能力,Tq,最大静转距 Tm

14、ax 的选择,F-切削力（N） W-工作台及工件重量（kg） -摩擦系数 -效率 i-减速比,负载转矩,TF 应满足 TF =（0.20.4）Tmax,步进电动的主要特性,4.2步进电机,步进电动的主要特性,3.启动频率fq （步/s）,起动频率要比连续运行频率低得多，这是因为步进电动机起动时，既要克服负载力矩，又要克服运转部分的惯性矩，电动机的负担比连续运转时重。步进电动机带负载的起动频率比空载的起动频率要低。,空载时步进电动机由静止突然启动，进入不丢步的正常运行的最高频率。是衡量步进电动机快速性能的重要技术数据。,4.2步进电机,先计算电机轴上的等效负载转动惯量：,步进电动的主要特性,启动

15、频率fq的选择,式中：J1、J2齿轮的转动惯量(Nms2)； J3丝杠的转动惯量； d脉冲当量(mm脉冲)。,然后进行负载启动频率fqF 的估算：,式中：fq空载启动频率(Hz)； T由矩频特性决定的力矩(Nm)； J电机转子转动惯量(Nms2)。,依照机床要求的启动频率fqF ，可选择fq,4.2步进电机,运行矩频特性Tf(F)是描述步进电动机连续稳定运行时，输出转矩T与连续运行频率f之间的关系。它是衡量步进电动机运转时承载能力的动态性能指标。,步进电动的主要特性,4.运行矩频特性,T,f,4.2步进电机,（1）反应式步进电动机 （2）永磁式步进电动机 工作原理：转子或定子的一方具有永久磁钢

16、，另一方有软磁材料制成，由绕组轮流通电产生的磁场与永久磁钢相互作用，产生转矩是转子转动。 特点：步距角大，内阻较大，效率高，断电后有一定的定位转矩。 （3）混合式步进电动机 定子结构与反应式基本相同，转子由环形磁钢及两段铁心组成。兼有以上两种的主要优点，是步进电动机的新产品。,步进电动的分类,1.根据磁场建立的方式,4.2步进电机,三、四、五、六相等。,步进电动的分类,2.根据相数分,相数越多，步距角越小，此外，采用多项通电，可提高步进电机的输出转矩。,步进电机的通电方式一般次采用m相m拍、双m拍、m相2m拍等。,4.2步进电机,（1）单段式（径向分相式） （2）多段式（轴相分相式）,步进电动

17、的分类,3.根据结构分,4.2步进电机,步进电动机的电源,1.作用 发出一定功率的电脉冲信号，使定子励磁绕组顺序通电。,4.2步进电机,2. 基本要求,（1）电源的基本参数与电动机相适应； （2）满足步进电动机起动频率和运行频率的要求； （3）抗干扰能力强，工作可靠； （4）成本低，效率高，安装维修方便。,步进电动机的电源,4.2步进电机,3. 组成,（1）环形分配器 （2）功率放大器,步进电动机的电源,4.2步进电机,（1） 环形分配器 主要功能是将CNC装置的插补脉冲，按步进电动机所要求的规律分配给步进电动机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的导通或关断。同时由于电动机有正反转要求，所以

18、环形分配器的输出是周期性的，又是可逆的。,4.2步进电机,步进电动机的电源,（1） 环形分配器 硬件环形分配器 根据步进电机的相数和控制方式设计的真值表或逻辑关系式，采用逻辑门电路和触发器来实现。一般由与非门和JK触发器组成。常用的是专用集成芯片或通用可编程逻辑器件组成的环形分配器。 软件环形分配器 按步进电动机的要求编制不同的软环形分配程序，存入EPROM中。常用的是查表法,4.2步进电机,步进电动机的电源,硬件环形分配器 硬件环形分配驱动与数控装置的连接,4.2步进电机,步进电动机的电源,4.2步进电机,步进电动机的电源,脉冲的分配,专用集成芯片CH250,4.2步进电机,步进电动机的电源

19、,硬件环形分配器举例,三相双三拍 三相六拍,软件环形分配器举例,4.2步进电机,步进电动机的电源,对于三相六拍环形分配器，每当接收到一个进给脉冲指令，环形分配器软件根据下表所示真值表，按顺序及方向控制输出接口将A、B、C的值输出即可。如果上一个进给脉冲到来时，控制输出接口输出的A,三相六拍环形分配器真值表,、B、C的值是100，则对于下一个正向进给脉冲指令，控制输出接口输出的值是110，再下一个正向进给脉冲，应是010，而使步进电机正向地旋转起来。 实现较为简单，灵活方便。,两坐标步进电机伺服进给系统,X向和Z向步进电机的三相定子绕组分别为A、B、C相和abc相，分别经各自的放大器、光电耦合器

20、与计算机的PIO(并行输入输出接口)的PA0一PA5相连。,4.2步进电机,步进电动机的电源,软件环形分配器举例,（2） 功率放大器 将环形分配器输出的脉冲信号放大，以用足够的功率来驱动步进电动机。 最早的功率驱动器采用单电压驱动电路，后来出现了双电压(高低压切换)驱动电路、斩波电路、调频调压和细分电路等。,4.2步进电机,步进电动机的电源,。续流二极管VD和阻容吸收回路RC，是功率管VT的保护线路。 单电压驱动电路的优点是线路简单，缺点是电流上升不够快，高频时带负载能力低。,单电压驱动电路 图中L为步进电机励磁绕组的电感，GD为光电耦合器,4.2步进电机,步进电动机的电源,高低压驱动电路 其

21、特点是供给步进电机绕组有两种电压： 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； 一种是低电压U2，即步进电机绕组额定电压，一般为几伏，不超过20v。,4.2步进电机,步进电动机的电源,高压U1，以提高绕组中电流上升率，当电流达到规定值时，则自动切换到低压U2。,高低压驱动电路,4.2步进电机,步进电动机的电源,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，其缺点是电流波顶有凹陷，电路较复杂。,4.2步进电机,步进电动机的电源,斩波驱动电路,可以克服高低压驱动电路的波顶的凹陷造成高频输出转矩的下降，使励磁绕组中的电流维持在额定值附近。,4

22、.2步进电机,步进电动机的电源,工作原理：,斩波驱动电路,斩波驱动电路,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。,三种驱动电路的电流波形比较,4.2步进电机,步进电动机的电源,4.2步进电机,步进电动机的电源, 细分驱动电路, 调频调压驱动电路, 斩波驱动电路,高低压驱动电路, 单电压驱动电路,4.3 直流伺服电机及其驱动控制系统,4.3直流伺服电机,伺服电动机是指能够精密地控制其位置的一种电动机。,直流伺服电动机是伺服电动机的一种。,4.3直流伺服电机,一、分类及结构特点,永磁直流伺服电动机,无槽转子直流伺服电动机,空心杯转子直流伺服电动机,印刷绕组直流伺服电动机,后三

23、种直流伺服电动机为小惯量直流伺服电动机。,1。分类,4.3直流伺服电机,一、分类及结构特点,电动机本体 主要由机壳、定子磁极和转子组成。,2。直流伺服电动机的组成,检测部件,有高精度的测速发电机、旋转变压器以及脉冲编码器等。,4.3直流伺服电机,一、分类及结构特点,3。特点,小惯量直流伺服电动机 惯量小，响应速度快，但过载能力低。 永磁直流伺服电动机 转矩大，惯量大，稳定性好，调速范围宽。 有电刷，限制速度的提高（1000 1500r/min）。,4.3直流伺服电机,二、工作原理,直流伺服电机与一般直流电动机的工作原理相同，是建立在电磁力和电磁感应基础上的。 如图（a）所示，直流电流从电刷A流

24、入，经过线圈abcd，从电刷B流出，载流导体ab和cd受到电磁力的作用，使得转子逆时针转动。 当转子转到如图（b）所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。,4.3直流伺服电机,二、工作原理,外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。,转子回路的电势平衡方程： Ua Ea + RaIa 式中：Ra转子回路电阻() Ia转子回路电流(A) Ua电机电枢的端电压(V) Ea电枢绕组

25、的感应电动势,感应电动势Ea可由下式求得： EaCen 式中: Ce电动势常数 励磁磁通(Wb) n电动机转速(r/min),4.3直流伺服电机,三、速度控制原理,1。他励直流伺服电动机的调速原理,由上两式可得：,电动机的电磁转矩Tm(Nm)为： TmCTIa 式中：CT转矩系数，是电动机的结构常数。 所以可得电动机转速：,式中：n0理想空载转速 n转速降落,根据上式可知，他励直流电动机有三种调速方法，即改变外加电压、改变励磁磁通及改变转子回路电阻调速。,4.3直流伺服电机,三、速度控制原理,电动机转速：,式中：n0理想空载转速 n转速降落,4.3直流伺服电机,三、速度控制原理,n反映了电机机

26、械特性的硬度。n越小，机械特性越硬。,电机的转速与转矩之间的关系,根据上式：励磁磁通不可变，只有二种调速方法，而改变转子回路电阻一般不能满足要求，通常采用改变转子回路外加电压的调速方法。 这种调速方法是从额定电压往下降低转子电压，即从额定转速向下调速。该种调速方法属恒转矩调速，机械特性是一组斜率不变的平行直线，特性比较硬，且调速范围宽。另外，这种调速方法是用减小输入功率来减小输出功率的，所以具有比较好的经济性。,2。永磁直流伺服电动机的调速方法,4.3直流伺服电机,三、速度控制原理,常采用两种速度调节系统：,4.3直流伺服电机,四、速度控制方式,晶闸管（SCR）调速系统 晶体管（PWM）脉宽调

27、制调速系统,1。晶闸管调速系统 SCR,利用晶闸管的单向导电可控性，输出可控制的电压；利用可控硅整流器提供直流电源；通过改变晶闸管触发角，改变外加电压，从而达到调速的目的。,4.3直流伺服电机,四、速度控制方式,1。晶闸管调速系统 SCR,4.3直流伺服电机,四、速度控制方式,单相可控硅整流器改变触发角时的电枢电压和电流波形,2. PWM脉宽调制原理与系统 晶体管脉宽调制调速系统(PWM)的调速性能优于晶闸管调速系统的调速性能；而且，功率晶体管的功率、耐压等都已有很大提高，现代数控机床的直流进给伺服系统中多采用晶体管脉宽调制调速系统。,4.3直流伺服电机,四、速度控制方式,2. PWM脉宽调制

28、原理与系统,原理： 利用脉宽调制器，将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直流电动机的转子回路两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变转子回路两端的平均电压，从而达到调节电动机转速的目的。,4.3直流伺服电机,四、速度控制方式,PWM脉宽调制原理图,2. PWM脉宽调制原理与系统,4.3直流伺服电机,四、速度控制方式,2. PWM脉宽调制原理与系统,调速系统的组成：由控制电路、主回路及功率整流电路三部分组成。其中控制电路由速度调节器、电流调节器和脉宽调制器（包括固定频率振荡器、调制信号发生器、脉宽调制及基极驱动电路）组成。系统的核心部分是主回路和脉宽调制器。,4.3直流伺服电机,四、速度控制

29、方式,速度调节器,电流调节器,脉宽调制,基极驱动,功率 放大器,整流,u-,+,+,振荡器,电流反馈,-,Usr,TG,Usf,PWM 直流调速系统的原理框图,+,+,-,+,M,TG,Usf,（1）脉宽调制式开关功率放大器。 开关功率放大器通常有两种形式，即T形和H形(桥式)。在PWM直流调速系统中，多采用H形开关功率放大器作为主回路。 H形开关功率放大器 由四个大功率开关管和四个续流二极管构成桥式电路。 有单极性和双极性两种工作方式。,4.3直流伺服电机,四、速度控制方式,单极性H形开关电路,单极性开关电路，将两个相位相反的脉冲信号分别加在VT1、VT2管的基极，VT3管的基极加截止控制电

30、压，VT4管的基极加饱和导通电压。,在0tt1区间，VT1管饱和导通，VT2管截止，由于VT4管处于饱和导通状态，电动机两端A、B间电压为Ed。,单极性H形开关电路,在t1tT区间，VT1管截止，VT2管饱和导通，由于VT3管始终处于截止状态，电动机两端A、B 间电压为0。转子绕组电感能量沿VT4、VD2通道释放，维持转子绕组电流继续流通。,要使电动机反转，只要将VT3管基极加饱和导通电压，VT4管加截止电压即可。,双极性H形开关电路 给VT3、VT4管基极也加脉冲控制电压，并且保证ub1ub4，ub2ub3ub1，就变成双极性工作方式。,在0tt1区间，VT1、VT4管饱和导通，电源电压Ed

31、加在电动机转子绕组的A、B端、即uABEd。,双极性H形开关电路,当t1T/2时，加在A、B两端的平均电压大于零，电动机正转。 当t1T/2时，加在A、B两端的平均电压小于零，电动机反转。,当t1T/2时，加在A、B两端的平均电压等于零，电动机停转。,双极性H形电路电枢电压和电流波形。,(2) 脉宽调制器 作用 产生脉冲宽度可由控制信号调节的脉冲电压。控制信号为来自电流调节器的电压信号，是由CNC装置插补器输出的速度指令转化而来的。 组成 主要由调制信号发生器和比较放大器组成。,4.3直流伺服电机,四、速度控制方式,调制信号发生器 调制信号发生器通过自激振荡的原理产生三角波或者锯齿波。作为比较

32、放大器的比较电压u。 比较放大器 三角波电压U与速度控制指令电压Uer比较后送入运算放大器。运算放大器输出电压的频率与基准三角波电压的频率一致，输出电压的脉冲宽度取决于速度控制指令电压Uer。可见运算放大器的输出是一个脉宽调制波，经放大后与主回路四个功率开关管的基极相接。,4.3直流伺服电机,四、速度控制方式,三角波发生器,比较放大器,u,三角波,指令电压uer,ub1,ub2,ub3,ub4,三角波发生器,比较放大器,脉宽调制波形图,脉宽调制电路的工作原理： 当控制指令电压uer0时，比较放大器输出ub1、ub2、ub3、ub4的正负半波脉冲宽度相等。前半周期，VT1、VT3管饱和导通，VT

33、2、VT4管截止；后半周期，VT2、VT4管饱和导通，VT1、VT3管截止。显然，不会有电流流过电动机转子绕组，uAB0。 当uer0时，ub1、ub2为(uuer)产生的输出，ub3、ub4为(uuer)产生的输出。 在0tt1时间区间，ub1、ub4为正电压，VT1、VT4 管饱和导通，电流由电源的Ed经VT1管、转子绕组、VT4管到地。 在t1tt2时间区间，ub2、ub4为负电压，电流被切断。此时，ub1为正电压，VT1管处于饱和导通状态。转子绕组电感能量经VD3、VT1管释放，维持转子绕组电流。,在t2tt3时间区间，与0tt1时间区间的情况相同。 在t3tT时间区间，ub1、ub3

34、为负电压,VT1、VT3管截止，电流被切断。此时，ub4为正电压，VT4管处于饱和导通状态，转子绕组电感能量经VT4、VD2管释放，维持转子绕组电流。 显然，主回路工作在单极性工作方式下。Uer增大，UAB的脉冲宽度变宽，加在电动机转子绕组上电压的平均值增大，电动机转子转速就上升。反之亦然。 当Uer0时，UAB的极性改变，电动机反转。 以上就是晶体管脉宽调制调速(PWM)的整个过程。,脉宽调制波形图,4.4 交流伺服电动机及其速度控制,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；

35、直流伺服电动机结构复杂、制造困难，成本高。 自20世纪80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，有逐渐代替直流伺服电机的趋势。,4.4交流伺服电机,一、分类及特点,4.4交流伺服电机,交流伺服电动机分类 异步型 同步型 同步型交流伺服电动机又分为永磁式和励磁式。 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。,一、分类及特点,4.4交流伺服电机,2. 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 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。 缺点 体积较大，起动较困难。,一、分类及特点,4.4交流伺服电机,3. 永磁同步交流伺服电动机的结构,组成：定子、转子和检测元件。,定子具有齿槽，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。 转子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。,二、工作原理,4.4交流伺服电机,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，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吸引，并带着转子一起旋转。使转子也以同步转速ns旋转。,二、