机床数控技术与系统PPT课件

1、5.1概述 5.2步进驱动及开环进给控制 5.3直流伺服驱动系统 5.4交流伺服驱动系统,5.1概述,5.1.1数控机床对进给伺服系统的要求 5.1.2进给伺服伺服系统的组成 5.1.3进给伺服系统的分类,返回章目录,5.1.1 数控机床对进给伺服系统的要求,（1）调速范围宽，进给速度范围要大。 （2）位移精度要高。 为了保证零件加工质量和提高效率，就要求数控机床具 有很高的位移精度和加工精度。 （3）快速响应特性好，跟随误差要小，即伺服系统的速度响 应要快。 （4）工作稳定性高，可靠性好。 （5）低速大转矩 （6）高性能电动机,返回,5.1.2进给伺服伺服系统的组成,1.进给伺服系统的作用

2、进给伺服系统是以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系 统。 伺服系统是数控装置和机床主机的联系环节，它用于接收数控装置 插补器发出的进给脉冲或进给位移量信息，经过一定的信号转换和电 压、功率放大，由伺服电机和机械传动机构驱动机床的工作台等，最后 转化为机床工作台相对于刀具的直线位移或回转位移。 2.进给伺服系统的组成 数控机床的伺服驱动系统按有无反馈检测单元分为开环和闭环两种 类型(见进给伺服系统分类)，这两种类型的伺服驱动系统的基本组成不 完全相同。但不管是哪种类型，执行元件及其驱动控制单元都必不可 少。驱动控制单元的作用是将进给指令转化为驱动执行元件所需要的信 号形式，执行元件则将该

3、信号转化为相应的机械位移。伺服系统一般由 位置控制单元、速度控制单元、驱动元件(电机)、检测与反馈单元、机 械执行部件等组成。例如图5.3所示为典型闭环伺服系统的一般组成。,返回,1.按有无检测元件和反馈环节分类 （1）开环伺服系统 开环伺服系统（如图5.1所示）只有指令信号的前向控制 通道，没有检测反馈控制通道，其驱动元件主要是步进电机。 这种系统工作原理是将指令数字脉冲信号转换为电机的角度位 移。实现运动和定位，主要靠驱动装置（既驱动电路）和步进 电机本身保证。转过的角度正比于指令脉冲的个数；运动速度 由进给脉冲的频率决定。,5.1.3进给伺服系统的分类,继续,（2）半闭环伺服系统 位置检

4、测元件装在电机轴端或丝杠轴端，如图5.2所示。 半闭环系统通过角位移的测量间接计算出工作台的实际位移 量。机械传动部件不在控制环内，容易获得稳定的控制特性。 只要检测元件分辨率高、精度高，并使机械传动件具有相应的 精度，就会获得较高精度和速度。半闭环控制系统的精度介于 开环和全闭环系统之间。精度虽没有闭环高，调试却比全闭环 方便，因此是广泛使用的一种数控伺服系统。,5.1.3进给伺服系统的分类,继续,（3）闭环伺服系统 闭环系统是误差控制随动系统。数控机床进给系统的控制量是CNC 输出的位移指令和机床工作台（或刀架等）实际位移的差值（误差）。因 此需要有位置检测装置。该装置放在工作台上，测出各

5、坐标轴的实时位移 量或者实际所处位置，并将测量值反馈给CNC装置，与指令进行比较，求 得误差，CNC装置控制机床向着消除误差的方向运动。在闭环控制中还引 入了实际速度与给定速度比较调解的速度环（其内部有电流环），作用是 对电机运行状态实时进行较正、控制，达到速度稳定和变化平稳的目的， 从而改善位置环的控制品质。这种既有指令的前向控制通道，又有测量输 出的反馈控制通道，就构成了闭环控制伺服系统，如图5.3所示。,5.1.3进给伺服系统的分类,继续,2.按反馈比较控制方式分类 （1）脉冲、数字比较伺服系统 该系统是闭环伺服系统中的一种控制方式，它是将数控装 置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装置

6、测得的数字（或 脉冲）形式的反馈信号直接进行比较，以产生位置误差，实现 闭环控制。 （2）相位比较伺服系统 该系统中位置检测元件采用相位工作方式，指令信号与反 馈信号都变成某个载波的相位，通过相位比较来获得实际位置 与指令位置的偏差，实现闭环控制。 （3）幅值比较伺服系统 该系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数 值，并以此信号作为位置反馈信号，与指令信号进行比较获得 位置偏差信号构成闭环控制。,5.1.3进给伺服系统的分类,继续,（4）全数字伺服系统 随着微电子技术、计算机技术和自动化技术的发展，数 控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系 统，使伺服控制技术从模拟方式

7、、混合方式走向全数字方式。 由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化，柔性好，使 用灵活。全数字控制使伺服系统的控制精度和控制品质大大提 高。随着伺服系统控制的软件化，伺服系统的控制性能得到了 很大的提高。 3.按使用的驱动元件分类 按使用的驱动元件，伺服系统可以分为电液伺服系统和电 气伺服系统。电液伺服系统的执行元件是电液脉冲马达和电液 伺服马达。但由于该系统存在噪音、漏油等问题，其逐渐被电 气伺服系统所取代。电气伺服系统全部采用电子元件和电动机 部件，操作方便，可靠性高。,5.1.3进给伺服系统的分类,返回,5.2步进驱动及开环进给控制,5.2.1步进电动机分类、结构及工作原理 5.2.

8、2步进电动机的驱动电源 5.2.3步进电动机的进给控制 5.2.4步进电动机的主要特性及其选择,返回章目录,5.2.1步进电动机分类、结构及工作原理,1.步进电动机的分类与结构 步进电动机：是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的驱动 元件。给一个电脉冲信号，步进电动机回转一个固定的角 度，称为一步，所以叫做步进电动机（也称为脉冲电动 机）。 （1）步进电机的分类 1）按作用原理来分类 可分为有磁阻式(反应式)、永磁式和永磁感应式（混合 式）三大类。 反应式步进电机也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电机。 其转子无绕组，定子和转子均由软磁材料制成，定子上均匀 分布的大磁极上装有多相励磁绕组，定、转子周

9、边均匀分布 小齿和槽，通电后利用磁导的变化产生转矩。 永磁式步进电机转子或定子的一方具有永久磁钢，另一方,继续,5.2.1步进电动机分类、结构及工作原理,由软磁材料制成。通常电机转子由永磁材料制成，软磁材料 制成的定子上有多相励磁绕组，定、转子周边没有小齿和 槽，通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。 永磁反应式步进电机也叫做混合式、永磁感应式步进电 机，综合了永磁式和反应式的优点。其定子和四相反应式步 进电机没有区别（但同一相的两个磁极相对，且两个磁极上 绕组产生的N、S极性必须相同），转子结构较为复杂（转 子内部为圆柱形永磁铁，两端外套软磁材料，周边有小齿和 槽）。 2）按输出功

10、率和使用场合分类分类 可分为功率步进电机和控制步进电机。功率式步进电 机输出转矩较大，能直接带动较大负载（一般使用反应式、 混合式步进电机）；伺服式步进电机输出力矩在百分之几之 几至十分之几（Nm ），输出转矩较小，只能带动较小负,继续,5.2.1步进电动机分类、结构及工作原理,载（一般使用永磁式、混合式步进电机）。 3）按结构分类 分为径向式(单段式)、轴向式(多段式)和印刷绕组式步 进电机。径向分布式电机各相按圆周依次排列；轴向分布式 电机各相按轴向依次排列。 4）按相数分类 可分为三相、四相、五相、六相等。,继续,5.2.1步进电动机分类、结构及工作原理,（2）步进电动机的结构 步进电动

11、机都是由定子和转子组成，但因类型不同，结 构也不完全一样。磁阻式步进电机（以三相径向式为例）结 构如图5.4所示。 其中定子又分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由电工 钢片叠压而成，定子绕组是绕制在定子铁心6个均匀分布的 齿上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一 起，构成一相控制绕组。,继续,5.2.1步进电动机分类、结构及工作原理,图5.4所示的步进电动机可构成A、B、C三相控制绕 组，故称三相步进电动机。若任一相绕组通电，便形成一组 定子磁极。在定子的每个磁极上面向转子的部分，又均匀分 布着5个小齿，这些小齿呈梳状排列，齿槽等宽，齿间夹角 为9。转子上没有绕组，只有均匀分布的40

12、个齿，其大小 和间距与定子上的完全相同。此外，三相定子磁极上的小齿 在空间位置上依次错开1/3齿距，如图5.5所示。,继续,2.步进电机的工作原理 （1）三相单三拍控制（S=30） 三相：指定子有三相绕组A、B、C； 单：指每次只有一相绕组通电； 拍：指从一种通电状态转变为另一种通电状态； “三拍”是指每三次换接为一个循环。 （2）三相单、双拍（六拍）控制（S=15） （3）三相双三拍控制（S=30） 双：指每次有两相绕组通电。 通电顺序为： 正转：ABBCCAAB（逆时针方向） 反转：ACCBBAAC（顺时针方向）,当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极就依次产生磁场，并每次对转子的

13、某一对齿产生电磁引力，将其吸引过来，而使转子一步步转动。如果控制线路不停地按一定方向切换定子绕组各相电流，转子便按一定方向不停地转动。步进电机每次转过的角度称为步距角。 一般用S表示。,如AABBBCCCAA顺序通电，即首先A相通电，然后A相不断电，B相再通电，即A、B两相同时通电，接着A相断电而B相保持通电状态，然后再使B、C两相通电，依次类推，每切换一次，步进电机逆时针转过15。如通电顺序改为AACCCBBBAA，则步进电机以步距角15顺时针旋转。,当A相通电时，转子1、3齿被磁极A产生的电磁引力吸引过去，使1、3齿与A相磁极对齐。接着B相通电，A相断电，磁极B又把距它最近的一对齿2、4吸

14、引过来，使转子按逆时针方向转动30o。然后C相通电，B相断电，转子又逆时针旋转30o，依次类推，定子按ABCA顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步转30o。若改变通电顺序，按ACBA使定子绕组通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转30o。,（如图所示）,5.2.1步进电动机分类、结构及工作原理,（如图所示）,（如图所示）,继续,齿距角（t）： 步距角（S）： 式中：m为电动机定子的相数，Zr为转子的齿数，k为与通 电系数有关的参数，单拍或双拍时k=1，单、双拍时k=2。,5.2.1步进电动机分类、结构及工作原理,返回,30,30,30,A,A,B,B,C,C,（,a,）,A,相

15、通电,（,b,）,B,相通电,（,c,）,C,相通电,C,C,B,B,A,A,1,3,2,4,1,3,2,4,1,3,2,4,逆时针转30,逆时针转30,逆时针转30,图5.6 三相单三拍控制示意图,A,A,B,B,C,C,5.2.1步进电动机分类、结构及工作原理,返回,A,A,B,B,C,C,5.2.1步进电动机分类、结构及工作原理,返回,A,A,B,B,C,C,5.2.1步进电动机分类、结构及工作原理,返回,5.2.2步进电动机的驱动电源,步进电动机应由专用的驱动电源来供电，由驱动电源和 步进电动机组成一套伺服装置来驱动负载工作。脉冲分配器、 功率放大器以及其它控制线路的组合称为步进电动机

16、的驱动 电源，其作用是发出一定功率的电脉冲信号，使定子励磁绕 组顺序通电，驱动电源是步进电动机工作不可缺少的一部分。 步进电动机、驱动电源和控制器构成步进电动机传动控制系 统。如图5.7所示。,继续,5.2.2步进电动机的驱动电源,1.脉冲分配控制 作用：将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序 和分配方式进行处理，控制各相绕组的通电、断电。 （1）硬件脉冲分配：采用环形分配器（如图5.8所示）,继续,CNC 装置,电源,环形分配器,A相驱动,B相驱动,C相驱动,CLK,DIR,FULL/HALF,图5.8三相硬件环形分配器的驱动控制,硬件脉冲分配由环形脉冲分配器来实现，环形脉冲分配器是由

17、门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路，常用的是专用集成心片或通用可编程逻辑器件组成的环形脉冲分配器。主要通过一个脉冲输入端控制步进的速度；一个输入端控制电动机的转向；并有与步进电动机相数同数目的输出端分别控制电动机的各相。,5.2.2步进电动机的驱动电源,假设用A、B、C分别代表步进电机的三相绕组，步进 电机的正、反转可用控制端X来控制，X=1表示正转，X=0 表示反转，正、反转时其脉冲分配电路状态转换如图如图 5.9所示。,继续,实现正转的脉冲环行分配器逻辑图如图5.10所示，置位、复位端加“0”之后，则，A=1，B=0，C=0，输入一个CP脉冲，则A=1，B=1，C=0，再输入CP脉冲则 A

18、=0，B=1，C=0，依此下去即实现了步进电机的正转状态转换关系。,5.2.2步进电动机的驱动电源,（2）软件脉冲分配：以三相六拍为例 软环分控制示意图（如图5.11 ） 用计算机实现软环分控制（如图5.12）,继续,CNC 装置,电源,A相驱动,B相驱动,C相驱动,三相步进电动机驱动装置,A,B,C,图5.11软环分驱动控制,、通电顺序 电动机正转的通电顺序为：AAB B BC C CA A 电动机反转的通电顺序为：AAC C CB B BA A 、P1的某口为高电平时，相应的电动机相通电。 、把表5-1的数值按顺序存入内存EPROM中，并分别设定表头的地 址为TAB0,表尾 的地址为TAB

19、5。 计算机的P1口从表头开始按逐步加1的顺序变化，电动机正转，从 表尾按逐步减1的顺序变化，电动机反转。,8031,光电耦合器,光电耦合器,光电耦合器,功率放大器,功率放大器,功率放大器,P1.0,P1.1,P1.2,图5.12计算机控制的步进电机驱动电路框图,5.2.2步进电动机的驱动电源,继续,表5-1 计算机的三相六拍环形分配表,5.2.2步进电动机的驱动电源,继续,2.功率驱动电路 （1）作用 从环形分配器来的进给控制信号的电流只有几毫安，不能 直接驱动步进电动机，而步进电机的定子绕组需要几安培的电 流，因此，在脉冲分配器后面都接有脉冲放大器作为功率驱动 （放大）电路，对从环形分配器

20、来的信号进行功率放大，经功 率放大后的电脉冲信号可直接输出到定子各相绕组中去控制步 进电动机工作。 （2）要求 能提供前后沿较好（波形陡）的接近矩形波的励磁电流。 驱动电路本身的功耗小、效率高。 成本较低且便于维修。 能稳定可靠的运行。,5.2.2步进电动机的驱动电源,继续,（3）典型的驱动放大电路 单电源驱动电路 这种电路采用单一电源供电，结构简单，成本低，但电流波形差，效率低，输出力矩小，主要用于对速度要求不高的小型步进电动机的驱动,5.2.2步进电动机的驱动电源,继续,双电源驱动电路 又称高低压驱动电路，采用高压和低压两个电源供电。在步进电动机绕组刚接通时，通过高压电源供电，以加快电流上

21、升速度，延迟一段时间后，切换到低压电源供电。这种电路使电流波形、输出转矩及运行频率等都有较大改善，如图5.14所示。,5.2.2步进电动机的驱动电源,继续,斩波限流驱动电路 这种电路采用单一高压电源供电，以加快电流上升速度，并通过对绕组电流的检测，控制功放管的开和关，使电流在控制脉冲持续期间始终保持在规定值上下。这种电路功耗小，效率高，目前应用比较广泛。图5.17所示为一种斩波限流驱动电路原理图。,5.2.2步进电动机的驱动电源,继续,细分控制 “细分”是针对“步距角”而言的。没有细分状态，控制系统每发一个步进脉冲信号，步进电机就按照整步旋转一个特定的角度，这是步进电机固有步距角。通过步进电机

22、驱动器设置细分状态，步进电机将会按照细分的步距角旋转位移角度，从而实现更为精密的定位。 步进电机驱动器采用细分功能，能够消除步进电机的低频共振（震荡）现象，减少振动，降低工作噪音。随着驱动器技术的不断提高，当今，步进电机在低速工作时的噪音已经与直流电机相差无几。低频共振是步进电机（尤其是反应式电机）的固有特性，只有采用驱动器细分的办法，才能减轻或消除。利用细分方法，又能够提高步进电机的输出转矩。驱动器在细分状态下，提供给步进电机的电流显得“持续、强劲”，极大地减少步进电机旋转时的反向电动势，同时改善了步进电机工作的旋转位移分辨率。,5.2.2步进电动机的驱动电源,返回,5.2.3步进电动机的进

23、给控制,1. 工作台位移量的控制 数控装置发出N个进给脉冲，经驱动电路放大后，使步 进电动机定于绕组的通电状态变化N次，步进电动机转过的 角位移量 = Ns (s为步距角)。该角位移经丝杠螺母副转 化为工作台的位移量 ，其进给脉冲数决定了工作台的直线位 移量。 2.工作台运动方向的控制 当数控装置发出的进给脉冲是正向时，经驱动控制线路 之后，步进电动机的定子绕组按一定顺序依次通电、断电。 当进给脉冲是反向时,定子各相绕组则按相反的顺序通电、断 电。因此，改变进给脉冲信号的循环顺序方向，可改变定子 绕组的通电顺序，使步进电动机正转或反转，从而改变工作 台的进给方向。 3.速度控制,继续,控制步进

24、电机相邻两种励磁状态之间的时间间隔，即可 实现步进电机转速的控制。 控制关系为：进给脉冲频率f定子绕组通电/断电状态 的变化频率f步进电机的转速工作台的进给速度v。 v=60f（mm/min） 对于硬环分，只需控制CLK的频率就可控制步进电动机 的速度。 对于软环分，则需控制相邻两次软件环分输出状态之间 的延时时间，即控制步进电机线圈通电状态的变化频率。,5.2.3步进电动机的进给控制,返回,5.2.4步进电动机的主要特性及其选择,1.步进电动机的主要特性 （1）步距角及步距角误差 步距角（s ）：步进电动机每步的转角。 对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移即为s。 ，以常规二、四相，转子齿

25、为50齿电机 为例。四拍运行时步距角 （俗称整步），八拍 运行时步距角为 （俗称半步）。 步距角误差：理论步距角与实际步距角的差值。 该值直接影响数控机床工作台的运动精度。 （2）静态距角特性,继续,静态：指的是当步进电机不改变通电状态时，转子处在不动状态。 失调角：加载后转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度。 步进电动机的转矩就是同步转矩（即电磁转矩），转角就是通电相对应的定、转子齿中心线间用电角度表示的夹角，如图5.18所示。,5.2.4步进电动机的主要特性及其选择,继续,距角特性：步进电动机输出的力矩（静转矩）与失调角e 的 关系称为距角特性，为正弦曲线。（如图5.19） 最大静转矩：矩角特性

26、上，电磁转矩的最大值称为最大静态转矩Tmax，它表示步进电动机承受负载的能力，是步进电动机最主要的性能指标之一。,5.2.4步进电动机的主要特性及其选择,继续,（3）启动（突跳）频率fq 步进电动机由静止突然启动，进入不失步正常运行的最 高频率，称为启动频率或突跳频率。 启动矩频特性（如图5.20（a） 当电动机带有负载力矩M时，启动频率fq下降，该关系 称为启动矩频特性。 启动惯频特性（如图5.20（b） 当电动机带有 惯量负载时，启动 频率fq明显下降，该 关系称为启动惯频 特性。,M/（N m）,fq/HZ,O,a)启动矩频特性,J/（kg m2/s2）,fq/HZ,O,b)启动惯频特性

27、,图5.20启动矩频、惯频特性,5.2.4步进电动机的主要特性及其选择,继续,（4）连续运行频率fmax 步进电动机启动后，能逐渐不失步的连续升速到的最高 频率，称为连续运行频率fmax。 由于采用自动升降速控制， fmax远大于fq。 该值也是步进电动机的重要指标。 （5）运行矩频特性（如图5.21所示） 描述步进电动机连续、稳定运行时输出转矩与频率的关 系。 动态转矩的大小直接影响 步进电机的动态性能及承载能 力。,f/HZ,Mq,M/（nm）,O,图5.21 矩频特性,5.2.4步进电动机的主要特性及其选择,继续,（6）加减速特性 实现办法 按直线规律或指数规律完成加减速控制。（如图5.

28、22 ） 实现过程 升速段恒速段降速段 定时法和定步法 定时法：按一定的时间间隔 （t）改变步进电动机的运 行频率，从而实现升降速控制。 定步法：按一定的步数间隔（p）改变步进电动机的运行 频率，从而实现升降速控制。,数控机床在加工过程中，要求步进电机能够实现平滑的启动、停止或变速，这就要求对步进电机的控制脉冲频率作相应的处理。同时，为了防止步进电机在变速过程中出现过冲或失步现象，步进电机的频率不能突变。 这样，当步进电机的速度变化较大时，必须按一定规律完成平滑的升速或降速过程。,O,f,t,恒速部分,指数升速,直线升速,直线降速,指数降速,图5.22 直线与指数加减速控制,5.2.4步进电动

29、机的主要特性及其选择,继续,2.步进电动机的选用 合理地选用步进电动机是相当重要的，步进电机的选用主要是满足运动系统的转矩、精度（脉冲当量）、速度等要求。这样就要充分考虑步进电机的静动态转矩、起动频率、连续运行频率。当脉冲当量、转矩不够时、可加入降速传动机构。通常希望步进电动机的输出转矩大，起动频率和运行频率高，步距误差小，性能价格比高。但增大转矩与快速运行存在一定矛盾，高性能与低成本存在矛盾，因此实际选用时，必须全面考虑。 综上所述选择电机一般应遵循以下步骤：,5.2.4步进电动机的主要特性及其选择,返回,5.3直流伺服驱动系统,5.3.1直流伺服电动机 5.3.2直流伺服驱动装置,返回章目

30、录,1.直流伺服电机的分类与特点 （1）按照定子磁场产生方式，直流伺服电动机可以分为 永磁式直流电机、励磁式直流电机。励磁式的磁场由励磁绕 组产生,按照对励磁绕组的励磁方式不同，又可以分为他激式、 并激式、串激式、复激式 （2）按电枢的结构与形状，直流伺服电动机可分为平滑 电枢型、空心电枢型和有槽电枢型等。 （3）按转子转动惯量的大小，直流伺服电动机还可分为 大惯量、中惯量和小惯量直流伺服电动机。,5.3.1直流伺服电动机,继续,2.直流伺服电机结构与工作原理 （1）直流伺服电机的结构,5.3.1直流伺服电动机,由定子、转子（电枢）、电刷、换向器和机壳等组成。如下图所示，N、S为定子上固定不动

31、的两个主磁极，主磁极可以采用永久磁铁，也可以采用电磁铁，在电磁铁的励磁线圈上通以方向不变的直流电流，便形成一定极性的磁极。在两个主磁极N、S之间装有一个可以转动的、由铁磁材料制成的圆柱体，圆柱体表面嵌有一线圈（称为电枢绕组），线圈首末两端分别连接到两个弧形钢片（称为换向片） 上。换向片之间用绝缘材料构成一整体，称为换向 器，它固定在转轴上（但与转轴绝缘），随转轴一 起转动，整个转动部分称为电枢。为了接通电枢内 电路和外电路，在定子上装有两个固定不动的电刷 A和B，并压在换向器上，与其滑动接触。,继续,（2）直流伺服电动机的工作原理 直流伺服电动机是在定子磁场的作用下，使通有直流电 的电枢（转子

32、）受到电磁转矩的驱使，带动负载旋转。通过 控制电枢绕组中电流的方向和大小，就可以控制直流伺服电 动机的旋转方向和速度。当电枢绕组中电流为零时，伺服电 动机则静止不动。,5.3.1直流伺服电动机,继续,3.直流伺服电机的工作特性 （1）工作原理 当电枢线圈通以直流电流时，就会 在定子磁场作用下，产生带动负载旋转 的的电转矩。 （2）调速原理（如图5.24所示） 当电动机处于稳态运行时，回路中的电流Ia保持不变， 则电枢回路中的电压平衡方程式为： 转子在磁场中以角速度切割磁力线时，电枢反电动势Ea 与角速度之间存在如下关系：,5.3.1直流伺服电动机,继续,由（5-1）、（5-2）得： 此外，电枢

33、电流切割磁场磁力线所产生的电磁转矩，可 由下式表达。 也即 将（5-4）代入（5-3）并整理，可得到直流伺服电动机 运行特性的一般表达式 。,5.3.1直流伺服电动机,继续,该机械特性公式对应的 机械特性曲线如图5.25所示。 由图可知，当电动机电枢 所加电压Ua一定时，随着负载 力矩M的增大，转速下降。 从而，直流电机调速可以有 三种方法： 改变电枢控制电压； 改变磁通量，即改变励磁回路电流； 改变电枢回路的电阻。 实际中均采用调压调速。,Tm,O,图5.25 直流电机的机械特性曲线,5.3.1直流伺服电动机,继续,4.永磁直流伺服电动机 数控机床大量采用的是永磁直流伺服电动机。按电枢惯 量

34、可分为小惯量与大惯量直流电动机。 （1）小惯量直流电动机 特点：电动机转子的惯量小，响应快，调速范围广，运转平 稳，但过载能力低，自身惯量比机床相应部件惯量小很多。 但因为这种电机转子的惯量小，因而过载能力低。再有这种 电机转子惯量比机床移动部件的惯量小，两者之间须使用齿 轮减速才能很好地匹配，从而增加了传动链误差。 应用：适用于频繁启动与制动，要求快速响应（如数控钻 床、冲床等点位控制）的场合。,5.3.1直流伺服电动机,继续,（2）大惯量直流电动机（宽调速直流伺服电机） 宽调速直流伺服电机是在维持一般直流电机转动惯量不 变的前提下，通过提高转矩来改善其特性，具体措施是： 1）增加定子磁极对

35、数，并采用轿顽力强的永磁材料； 2）在同样的转子外径和电枢电流的情况下，增加转子上的 槽数和槽的截面积。从而提高了电机的瞬时加速力矩，改善 了其动态响应能力。 优点: 缺点：这种电机的价格较贵，结构复杂，维修也较麻烦。,（1）能承受的峰值电流和过载能力 高，满足数控机床加减速的要求； （2）具有大的力矩与惯量比，快速 性好； （3）低速时输出的力矩大； （4）调速范围大； （5）转子热容量大。,5.3.1直流伺服电动机,继续,5.永磁直流伺服电动机的特性曲线 转矩速度特性曲线（工作曲线） 区为连续工作区，在该区 域里转速和转矩的任意组合都可 实现长期连续工作，适于长时额 定负载切削。 区为间断

36、工作区，在该区 电动机间歇工作，适于短时低速 重载切削。 为加减速区，电动机加减 速时在该区工作，只能在该区工 作极短的一段时间。,n/(rmin-1),O,图5.26直流电机的工作曲线,M/(Ncm),2000,4000,6000,8000,10000,12000,500,1000,1500,最大转矩,最高转速,瞬时换向极限,换向极限,温度极限,5.3.1直流伺服电动机,继续,负载周期曲线（如图5.27） 描述电动机过载运行的允许时间。 图中给出了在满足负载所 需转矩，而又确保电机不过热 的情况下，允许电动机的工作 时间。 过载倍数的百分比Tmd为： Tmd=（负载转矩/电机额定转矩） 10

37、0% 负载周期比d为： d= tR /（ tR + tF) tR为电动机工作时间， tF为电动机断电时间。,图5.27 直流电机的负载周期曲线,tR / min,d / %,110%,150%,200%,O,5.3.1直流伺服电动机,返回,5.3.2直流电动机的驱动控制,直流电动机伺服驱动系统为了达到速度和位置的控制，一般采用三闭环的控制方式。所谓三闭环指的是电流环、速度环和位置环。电流环反馈元件一般采用取样电阻以及传感器；速度环反馈一般采用测速发电机等；而位置环反馈常采用光栅、直线感应同步器等检测装置。 由电工学的知识可知，在转子磁场不饱和的情况下，改变电枢电压即可改变转子转速。直流电机的转

38、速和其它变量的关系可用式5-6表示： 根据上述关系式，实现电机调速主要方法有三种： （1）调节电枢供电电压U：电动机加以恒定励磁，用改变电枢两端电压U的方式来实现调速控制，这种方法也称为电枢控制。 （2）减弱励磁磁通：电枢加以恒定电压，用改变励磁磁通的方法来实现调速控制，这种方法也称为磁场控制。 （3）改变电枢回路电阻R来实现调速控制。,继续,5.3.2直流电动机的驱动控制,1.脉宽调制的基本概念 脉宽调制：使功率放大器中的功率器件（大功率晶体管）工作在开关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期内晶体管导通时间的方法改变输出给电动机两端的平均电压，从而达到控制电 动机转速的目的。 2.调速系

39、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。,图5.28 直流PWM系统原理框图,继续,Ub1,Ub2,Ub3,Ub4,VT1,VT2,VT3,VT4,VD1,VD2,VD3,VD4,A,B,+US,1,2,3,4,图5.29 H型驱动回路的工作原理图,4个功率晶体管的基极电压分为两组： Ub1= Ub4，Ub2= Ub3，所加电压的波形如图4.24所示。,Ub1（ Ub4）,Ub2（ Ub3）,t,t1,T,t,t1,T,图5.30

40、 H型驱动回路的工作电压,若，0t t1时， Ub1= Ub4为正电压， Ub2= Ub3为负电压。从而，VT1和VT4饱和导通， VT2和VT3截止，加载电枢两端的电压UAB=Us，电枢电流Ia沿回路1流动。,当0t t1时， Ub1= Ub4为负电压， Ub2= Ub3为正电压。使VT1和VT4截止， 但VT2和VT3不能立即导通，电枢电流Ia需经VT2和VT3续流，沿回路2流通，此时 UAB= Us。,由于VD2和VD3的压降使VT2和VT3承受反压， VT2和VT3能否导通，取决于续流电流的大小。 若Ia较大，则VT2和VT3还没来得及导通，下一个周期到来，又使VT1和VT4导通，电枢

41、电流又开始上升，维持在一个正值附近波动。,若Ia较小，在t1至T时间内，续流可能降到零，于是VT2和VT3导通， Ia沿回路3流通，方向反向，电动机处于反接制动状态。直到下一个周期， VT1和VT4导通， Ia 才开始回升。,由此可知，（1）直流伺服电动机的转向取 决于电枢两端电压平均值的正负。 当电枢平均电压为零时，电动机静止不动； 当电枢平均电压大于零时，电动机正转； 当电枢平均电压小于零时，电动机反转。 （2）平均值（或其绝对值）越大，电动机转速越高。,为此，得出如下结论： 只要改变加在直流电动机功率放大器上的控制脉冲的宽度，就能控制电动机的转向及速度。,3.晶体管脉宽调速的基本原理,5.3.2直流电动机的驱动控制,返回,5.4交流伺服驱动系统,5.4.1永磁交流同步伺服电机的结构 5.4.2永磁交流同步伺服电机工作原理 5.4.3永磁交流同步伺服电机的特性,返回章目录,5.4.1永磁交流同步伺服电机的结构,永磁交流伺服电动机主要由三部分组成，即定子、定子绕组、转子和检测元件和接线盒组成。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。可以避免电动机发热对机床精度的影响。转子由多块永久磁铁和冲片组成，如图5.31所示。同一种冲片和相同的磁铁块数可以装成不同的极数，如图5.32所示（a）为8极，（b）为4极。,返回,5.