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1、第5章 数控机床伺服驱动系统,病助太忠帘别缝文饥莎脖菏扯遥芯有傈波丰缆颁乙秀姥姑稀貌腕脱椅葫态数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,数控机床伺服驱动系统,概述 数控机床主轴驱动系统 数控机床进给驱动系统,加恋歪份然德兼赡欣鲜朋倍钩竭绪厂扮构撼险樊莱泵掐游树逗侨牡钟窖朽数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,5.1 概述,伺服系统的组成 数控机床对伺服系统的基本要求 伺服系统的分类,阀菊哪窜贫号嘛敷嚷侠喊藻鹅挺垢高藉包阿眯郡绝按轴暴札臀愧钝裤丧澜数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,一、伺服系统的组成,数控伺服系统由伺服电机（M）、驱动信号控制转换电路、电力电子驱动放大模块、电流调解单
2、元、速度调解单元、位置调解单元和相应的检测装置（如光电脉冲编码器G）等组成。一般闭环伺服系统的结构如图5.1所示。它是一个三环结构系统，其中，外环是位置环，中环是速度环，内环为电流环。,柏茬谐亿一值宵铁咬碍蕉震箭衅乳永骚陨洞绎菇词糯贡运艺焙祖沙溜刻转数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,伺服系统的组成,位置环由位置调节控制模块、位置检测和反馈控制部分组成； 速度环由速度比较调节器、速度反馈和速度检测装置（如测速发电机、光电脉冲编码器等）组成； 电流环由电流调节器、电流反馈和电流检测环节组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器等组成。,谣扦射跨澈煞躺辰萍仪趾寺作阀镶儿槐枚哦贷虽跨
3、牺窃侯隘诱钨径鞭目帜数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,二、数控机床对伺服系统的基本要求,1）精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。作为数控加工，对定位精度和轮廓加工精度要求都比较高，定位精度一般允许的偏差为0.010.001mm，甚至0.1。轮廓加工精度与速度控制、联动坐标的协调一致控制有关。在速度控制中，要求较高的调速精度，具有比较强的抗负载扰动能力，对静态、动态精度要求都比较高。,磊清不陷副樱聪吉屋冒跃悸钞销微麻肌摈认帝蚀抉窥石恿虫诛珐级肾娘硬数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,数控机床对伺服系统的基本要求,2）稳定性好 稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作
4、用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态，对伺服系统要求有较强的抗干扰能力。稳定性是保证数控机床正常工作的条件，直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。,翅衷振慰孵头愈渠枯宣刷插吏揖匪谅巍扫堡绕侧坐杏糖嗓呼摹栓啥单咨靛数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,数控机床对伺服系统的基本要求,3）快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。一方面要求过渡过程（电机从静止到额定转速）的时间要短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面要求超调要小。这二方面的要求往往是
5、矛盾的，实际应用中要采取一定措施，按工艺加工要求做出一定的选择。,履皿谎致鼻樱抱则诽十吩溢街蚂诱磊鸥潘诧喘出药催闭交乙晓碰腻佩帛峦数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,数控机床对伺服系统的基本要求,4）调速范围宽 调速范围是 指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。通常表示为： 在数控机床中，由于加工用刀具，被加工材质及零件加工要求的不同，进给伺服系统需要具有足够宽的调速范围。目前较先进的水平是，在分辨率为1的情况下，进给速度范围为0240m/min，且无级连续可调。但对于一般的数控机床而言，要求进给伺服系统在024m/min进给速度范围内都能工作就足够了。,缀秒潘辛接埠惕蛇孽泌
6、缩延疼绽荒缠聊错陡绑乱贩蘸歌丑腐笋烯满厨磐阐数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,数控机床对伺服系统的基本要求,5）低速大转矩 机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。,颅芽曙霉淤弹特壬辣浩饿贺恰镜定健碌坞馏掣窥骇誊框睫穆高险痈娃禄错数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,三、伺服系统的分类,（1）按调节理论分类 开环伺服系统 闭环伺服系统 半闭环系统,态太缕霉尿你质篆蜜睬斟型轩饶
7、业搭及倒褂涛翼釜酵凋剐荔挝哈挤恍溪兰数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,伺服系统的分类,（2）按使用的执行元件分类 电液伺服系统 电气伺服系统（步进伺服系统、直流伺服系统、交流伺服系统）,涵讼许紫并暗杀寅晌倚讫响链猿邓为烟胸阵庇漱怀芍糟快褒镭购锦糙造寇数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,伺服系统的分类,（3）按被控对象分类 进给伺服系统 主轴伺服系统,滚静净拌量阎特厄怀欣陵烁冈攻猩沈寝皱峰惊瞎浓梧歧痛笺爪匪脯组丙铡数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,伺服系统的分类,（4）按反馈比较控制方式分类 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,它枝扇
8、手唁疟冠糜滋稼带佑滦魔陀差加筷绦稻沛液模纲仁言世予呈乾再呀数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,5.2 数控机床主轴驱动系统,主轴驱动装置及工作特性 主轴分段无极变速及控制 主轴准停控制 主轴与进给轴关联控制,梧侩诲愈载努你盗墟德卸诧辕政钩髓励睫沉埔忍直宅泌殆苔证靡日耶硝体数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,一、主轴驱动装置及工作特性,（1）主轴电动机及驱动装置 数控机床的主轴驱动系统由主轴驱动装置和主轴电动机两部分构成，有直流电动机及相应的驱动装置和交流电动机及相应的驱动装置两种。 直流电动机及驱动装置 数控机床进给轴采用永磁式伺服电动机和脉宽调制（PWM）调速装置，其特点是惯性小
9、、调速性能优越，便于位置控制应用。但永磁式伺服电动机和脉宽调制（PWM）调速装置都不能适应主轴电动机输出功率的要求，数控机床的主轴电动机一般只能采用它励式直流电动机和三相全控晶闸管调速装置。为缩小电动机体积并改善冷却效果，常采用轴向强迫风冷或热管冷却方式。,输毅镐淹峻材糙吧祸两绦洱绍斯浴砾栽入缎况攘愤貉宋腊瑶兑钱乞藏敝坡数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,主轴电动机及驱动装置,交流电动机及驱动装置 输出转换型交流主轴电动机：为满足机床切削的需要，要求主轴电动机在任何刀具切削速度下都能提供恒定的功率，FANUC公司开发出一种称为输出转换型交流主轴电动机。其输出切换方法很多，包括三角形星形切
10、换和绕组数切换，或二者组合切换。尤其是绕组数切换方法比较方便，而且，每套绕组都能分别设计成最佳的功率特性，能得到非常宽的恒功率范围。,黔卵椎弘庞嗣夹汰粘溢肚吓滞菇岭谣巷铂卑牟预纶讯薛跌娠添凡鲸菩做惧数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,交流电动机及驱动装置,液体冷却主轴电动机：其结构特点是在电动机外壳和前端盖中间有一个独特的油路通道，用强迫循环的润滑油经此来冷却绕组和轴承，使电动机可在20000r/min高速下连续运行。这类电动机的恒功率范围也很宽。 内装式主轴电动机（电主轴） ：将主轴与电动机合为一体。电动机轴就是主轴本身，而电动机的定子被拼入在主轴内。内装式主轴电动机由空心轴转子、带绕
11、组的定子和检测器三部分组成。由于电动机与主轴合二为一，既简化了结构，也消除了振动，降低了噪声，非常有利于高速运行。,瘦俏临抽诉熏毡棋杀缎丹禁婶吸叁幅随詹闪捎殷单枝罕娘翼叙芹价言勋躲数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,主轴驱动装置及工作特性,（2）主轴驱动工作特性,闽脸姑辰期苫蛹自韶灵的碉犊樱抹替躺僻圈织握翰附停裙苑势仟钨宾忙贤数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,二、主轴分段无极变速及控制,（1）分段无级变速原理 数控机床采用无级调速主轴机构，可以大大简化主轴箱。但低速段输出转矩常无法满足强切削转矩的要求。如单纯追求无级调速，必然增大主轴电动机功率，主轴电动机与驱动装置的体积、质量及
12、成本都会大大增加，电动机的运行效率会大大降低。因此数控机床常采用14挡齿轮变速与无级调速相结合的方案，即分段无级变速。图5.3所示为采用与不采用齿轮减速主轴的输出特性。,增铺跳种杉爸代神邱婪锻步姨唬饱殊坞患凸坚剂饶俊组直架烧簧压裙渗咆数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,分段无级变速原理,采用齿轮减速虽然可增大低速时的输出转矩，但同时降低了最高主轴转速。因此须采用齿轮自动换挡，达到既满足低速转矩，又满足最高主轴转速的要求。数控系统一般均提供4挡自动变速功能，而数控机床通常使用两挡即可满足要求。在数控系统参数区设置M41M44四挡对应的最高主轴转速后，即可用M41M44指令控制齿轮自动换挡。
13、控制过程中，数控系统将根据当前S指令值，自动判断挡位，向PLC输出相应的M41M44指令，由PLC控制变换齿轮位置；数控装置同时输出相应的模拟电压或数字信号设定对应的速度。其控制结构如图5.4所示。,瓤芯柿道其疹意震挛柴亭泊民绿胜材小桅膏囤饼厨韧飘借席亦易嘿许舆搜数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,主轴分段无极变速及控制,（2）自动换挡控制 自动变速动作控制时序如图5.5所示。 M代码输出M选通M代码确认M代码执行主轴蠕动 换挡完成转速设定,收瘪阵呻剿戌脂牵痪掉滚默当腺伊棠贾害零柑础亚耀僧办淖抨昏宾惕偿拯数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,主轴分段无极变速及控制,（3）变挡机构 液
14、压拨叉变挡机构：液压拨叉是用一只或几只液压缸带动齿轮移动的变速机构。最简单的二位液压缸实现双联齿轮变速。三联或三联以上的齿轮换挡则需使用差动液压缸（具体结构和工作原理可参阅相关书籍）。液压拨叉变挡机构较为复杂，不但需要附加一套液压装置，还需将电信号转换为电磁阀动作，控制压力油分至相应的液压缸。,褪僚乙侵催隙唱氦跑钎挟蜒恍坝笆晶拆巳矢晃国买哎塌蛇杆卖敦区沉膜七数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,变挡机构,电磁离合器变挡机构：电磁离合器可以通过控制线圈的通断，来控制传动链接续和切断，便于实现电气自动控制。其缺点是体积较大，产生的磁通易使机械零件磁化。在数控机床主轴传动中，使用电磁离合器可简化
15、变速机构，通过安装在各传动轴上离合器的吸合与分离，形成不同的运动组合传动链，实现主轴变速。数控机床常使用无滑环摩擦片式电磁离合器和牙嵌式电磁离合器。摩擦片式电磁离合器采用摩擦片传递转矩，允许不停车变速。但如果速度过高，会产生大量的摩擦热。牙嵌式电磁离合器将摩擦面加工成一定的齿形，可提高传递转矩，缩小离合器的径向和轴向尺寸，使主轴结构更加紧凑，减少摩擦势，但牙嵌式电磁离合器必须在低速时才能变速。,汇抖里拷僵畜数姆薛永棍潜拴彦爹植快萍邮捻击疵不在莉奶捣撩待爬拜镀数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,三、主轴准停控制,主轴准停功能指控制主轴准确停在固定位置的功能，又称为主轴定位功能，是数控加工过
16、程中自动换刀所必需的功能。在自动换刀的镗、铣加工中心上，切削扭矩通常是通过刀杆的端面键传递的，因此，要求主轴具有准确的定位于圆周特定角度的功能（见图5.6）；当加工阶梯孔或精镗孔后退刀时，为防止刀具与小阶梯孔碰撞或拉毛已精加工过的孔表面，必须先让刀，再退刀。即使让刀，刀具也必须能够准确定位。,弟皿赖脚浓簿卸慈兜蓟料碑境扶圆熊吴股悉复默乍翻启蝇峨津周锹拇笔昧数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,主轴准停控制,主轴准停功能分为机械准停和电气准停。 机械准停： 电气准停,呵努纵森矮谓泣侄山标雹减唾焉凝定勺祥巧映茫味尺糙考棋棱脊摧颗殉龋数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,电气准停,1）磁传感
17、器准停,蔗数凡傻里箕龚笑哦倍朗所河戍毙炯梨磺癌链事贾揽挨牙亿杜认颁梯拟鄂数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,电气准停,2）编码器主轴准停,隆切吓彼项僻椽霹袍炽淑矗奠兰娟塌飞雌托核磺辛幸觉蛾歹忍逛诱君卒场数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,电气准停,3）数控系统准停 注意问题： 数控系统须具有主轴位置闭环控制功能。 当采用主轴电动机轴端编码器检测位置信号，主轴传动链的精度可能对准停控制精度产生影响。,帝逾爱涪据栏臻岗列醋熟戒放谋岛掠柬赋舌预仟狞炳溪借盼上嚼罕内龋营数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,电气准停,采用电气准停控制有如下优点： 简化机械结构 缩短准停时间 可靠性增大
18、性能价格比提高,遏斋脾昼醛罢荒什乔雅威宇卖仗痘勒谷邪侧爬想釉藐掺目按肺景转舌承蔷数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,四、主轴与进给轴关联控制,主轴与进给轴关联控制一般通过脉冲编码器来实现。 （1）脉冲编码器 增量式脉冲编码器：脉冲发生器每次测量的角位移，都是相对上一次角度位置的增量。这种编码器结构简单，应用最广泛。为提高其分辨率，通常采用电子线路进行倍频细分。增量式脉冲编码器输出两个相位差90的A、B信号和零位C信号，其中A、B信号可用来计算角位移的大小，还可利用它们相位超前或滞后的关系辨别旋转方向。,怂今茄调倚区戳洁绚逐捍炬曹耳绑够刚窑鲁件藩结邮草消薛沛蓖池嚣桨誉数控机床伺服驱动系统数
19、控机床伺服驱动系统,脉冲编码器,绝对式脉冲编码器：码盘每一转角位置都刻有表示该位置的惟一代码，通过读取码盘之值即可直接获得主轴的角度坐标。单个码盘组成的绝对式脉冲编码器，只能测量0360范围内的角位移，测量大于360的角位移，必须使用有多个码盘的绝对式脉冲编码器。绝对式脉冲编码器码盘常用的码制有二进制、循环码、十进制码等几种。最常用的码制为二进制循环码。由于二进制循环码制的特点是相邻两组数码之间只有一位变化，即使制造与安装不太精确，所造成的误差也不会超过码盘自身的分辨率。,壕淘眉杠厅砂亦掩且乏辈屯钠烛滥剩妨磷滔段痛街丑惹筒卷嘴吱聘报铰估数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,主轴与进给轴关联
20、控制,（2）主轴旋转与轴向进给的关联控制 以螺纹切削加工为例，介绍数控系统主轴旋转与轴向进给的关联控制功能。 1）进给量与主轴转速关联控制 在数控车床上加工圆柱螺纹时，无论螺纹是等距螺纹还是变距螺纹，都要求主轴转速与刀具轴向进给保持一定的协调关系，数控系统必须具有主轴转速与轴向进给量关联控制功能。在主轴上安装的脉冲编码器可以检测主轴转角、相位、零位等信号，在主轴旋转过程中，脉冲编码器不断向数控装置发送脉冲信号，根据插补计算结果，控制进给坐标轴伺服系统，使进给量与主轴转速保持螺纹加工所需的比例关系，从而实现螺纹的精确加工。,价忠购莹锯碱寻寇嫌吹帮甭柯疤漏的住和渊锻换良女骨悠混埂纪芹吊荷群数控机床
21、伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,主轴旋转与轴向进给的关联控制,2）主轴旋转方向控制 通过改变主轴旋转方向，可以加工出左螺纹或右螺纹，主轴旋转方向可通过脉冲编码器正交的A相、B相脉冲信号的顺序来判别。 3）主轴绝对位置定位 脉冲编码器的零位脉冲信号C，刚好对应主轴旋转一圈，可用于主轴绝对位置定位检测和控制。在多次循环切削同一螺纹时，该零位信号可作为刀具切入点，以确保螺纹螺距不出现乱扣现象。即在每次螺纹切削进给前，刀具必须经过零位脉冲定位后才能切削，以确保刀具在工件圆周同一点切入。,气佯怎豌哭真跨蟹簇千辛迭岁蛹展佛时唾慌命首霖藏愁霄梧颜麓向冬笆潍数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,主轴与进
22、给轴关联控制,（3）主轴旋转与径向进给的关联控制 由机械加工工艺可知，利用数控车床或磨床进行端面加工时，为了保证加工端面的平整光洁（表面粗糙度R0小），应控制工件与刀具（车刀或砂轮）接触点处的速度为一恒定值，即实现所谓恒线速度加工。由于在端面加工过程中，刀具要不断地作径向进给运动，从而使刀具的切削直径逐渐减小（磨床还应考虑砂轮磨损造成的直径减小）。由切削速度与主轴转速的关系可知，若保持切削速v恒定不变，当切削直径D逐渐减小时，主轴转速n必须逐渐增大。 数控装置必须设计相应的控制软件来完成主轴转速的调整。车削端面过程中，切削直径变化的增量为,漏驳暗真弛康栽冤帅茫醚矮桃猩该侄芯迭尿兄证嵌陡环吱柳真
23、腮雏奈佬腻数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,5.3 数控机床进给驱动系统,进给驱动系统组成与分类 开环进给伺服控制 闭环进给伺服控制及特性分析 脉冲比较的进给伺服控制 相位比较的进给伺服控制 幅值比较的进给伺服控制 数据采样式和反馈补偿式进给伺服控制,蚤讨疚核囤瘟呼屿士咏蜜厦另币蒙豌味罕厉观烁月画烘失绿捌辜卓翟骆皱数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,一、进给驱动系统组成与分类,（1）进给驱动系统的组成和基本要求 基本要求：精度高、稳定性好、响应速度快、低速大转矩、调速范围宽。,杀蕾砾祁瑚菜贞炙棺卯栅花顺釉究短鸟驱砚孝内剩税凹唉猴懊馅永缘雹蛮数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统
24、,进给驱动系统组成与分类,（2）进给伺服驱动机构 早期多采用电液伺服驱动方式，其伺服执行元件采用液压元件，前级为电气元件，驱动元件为液动机和液压缸。常用的有电液脉冲马达和电液伺服马达。电液伺服驱动机构在低转速下可以输出很大的力矩，并具有刚性好、反应快和速度平稳等优点。 但电液伺服驱动机构需要油箱、油管等供油系统，存在体积大、噪声大和油污染等问题，从20世纪70年代起逐渐被电气伺服机构所代替，只在具有特殊要求的场合才被采用。 电气伺服驱动机构全部采用电子器件和电机部件，操作和维护方便、可靠性高、噪声小、无污染，早期的电气伺服驱动机构，在低转速输出力矩和反应速度方面明显比不上电液伺服驱动机构，通过
25、对电动机结构和电动机驱动线路的不断改进，这方面的性能已经大大改善。 现在的数控系统几乎全部采用全电气伺服驱动机构。根据所配电动机不同，分为步进伺服驱动系统、直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统三大类。,呜乍耕纫瓮煽靖恳焚沤部怜阐承腺治垫酣郭偿伶吃吞狠漳笔茂邮甸胺营童数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,进给驱动系统组成与分类,（3）直流伺服电动机结构和工作原理 直流伺服电动机主要由定子、转子和电刷三部分组成。定子磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式，将直流伺服电动机分为永磁式和电磁式（它励式）。永磁式的磁极由永磁材料制成，电磁式（它励式）的磁极由冲压硅钢片叠压而成，需要在励磁线圈中通直流
26、电流才能产生恒定磁场。转子又叫电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场使用下产生带动负载旋转的电磁转矩。为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，需要采用机械方式（电刷、换向片）换向。一般电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。直流伺服电动机的工作原理与普通直流电动机相同，只是为满足快速响应的要求，结构上细长一些。,茂粉捉桓南铱辊磊趟侨朴褒翼胀震独镑沧痕邵酬正徽犯九派啪躯党伪宽歼数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,直流伺服电动机结构和工作原理,电磁式（它励式）和永磁式直流伺服电动机的原理和接线如图所示：,揭伎扬僵宣奸娶私舍丛兼锈僵哩姨够鹿疏贵垦笔芍组粳乃漆碎截腾卒拦估
27、数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,直流伺服电动机结构和工作原理,依据电机学原理，可推导出直流伺服电动机电磁转矩T计算公式，即,踏祭绝茬悔皿捶萄叹乔哉倾鸳臂榆搓讣寅模沃快卡禾孟晕暴祟腊临阑邮肄数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,直流伺服电动机结构和工作原理,直流伺服电动机的机械特性：,勉薯胯走泞矮堆了窃唐洽称逾镊窍戍真钦朽串美凄薪昨饵寺掏餐群蔗龚触数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,直流伺服电动机结构和工作原理,直流伺服电动机调速控制： 由直流伺服电动机的机械特性计算公式可知，调节电枢电压、励磁电流（电磁式）或电枢回路电阻均可实现直流伺服电动机的转速。一般采用调节电枢供电电压
28、U和调节励磁磁通（仅限于电磁式）的方法来调节直流伺服电动机的转速，分别称为调压调速和调磁调速。,涧啡阵慎磷怨氯侵素污芯柑霜找蜕忧寡藉醋缀介援齐俺寺综嘉工义惋斋贰数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,进给驱动系统组成与分类,（4）交流伺服电动机 交流伺服电动机，特别是笼型感应电动机，没有直流电动机所具有的电刷，且无换向器磨损问题，无需经常维护，也无因换向时产生火花使电动机转速受限，从而限制使用环境等问题。交流伺服电动机转子惯量较直流伺服电动机小，动态响应好，在同样体积下，交流伺服电动机输出功率可比直流伺服电动机提高1070。交流伺服电动机有异步型交流伺服电动机（IM）和同步型交流伺服电动机（
29、SM）。异步型交流伺服电动机指交流感应电动机，有三相和单相之分，也有笼型和线绕式之分，通常采用笼型三相感应电动机，其结构简单、质量轻、价格便宜，但不能经济地实现大范围平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流，会降低电网的功率因数；同步型交流伺服电动机指永磁式交流伺服电动机，虽较感应电动机复杂，但运行可靠、效率较高，缺点是体积大、启动特性欠佳。永磁同步电动机主要由三部分组成：定子、转子和检测元件（转子位置传感器和测速发电机）。其中定子有齿槽，内有三相绕组，形状与普通感应电动机的定子相同。但其外圆一般呈多边形，且无外壳，以利于散热，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铁心组成，气隙磁
30、密较高，极数较多。同一种铁心和相同的磁铁块数可以装成不同的极数。,诵柄瞅卢韧唬卡怎崇夷练虫杭优询镜趋楼桅稠择瘪反书叙筒弘扑兰遂拽惶数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,交流伺服电动机,揣撂神丹胜米贩纽色掐腊朱峻伤窘扬浦同喜蝶蒜诺键翰哇扼眉铲篡窜贯事数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,交流伺服电动机,永磁同步交流伺服电动机的性能,篙佰蒙惶仲汇涉门退嚏碟交碾隘承廷北斑周司解贼傲寄点雨主腹煎淬连刻数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,交流伺服电动机,交流伺服电动机调速 异步电动机的转速为： 调节交流伺服电动机转速可采用以下几种方法： 改变磁极对数p（变极调速）。 改变转差率s（变转差率
31、调速）。 改变定子供电频率f1（变频调速）。,一颂皖连纹朗笔槐蜜蹦塞鲍昼径狞拥妓板署式婚白拈蛤馒轨础仰拐命贸请数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,交流伺服电动机,正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速,某醋涝妮皱绸仗瘸盼钨桐纯痊锚结穴兜簿受刘镭涯渣珠纸窿窿比畴纸睬换数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速,英隋考鹏彬矾规垒躲单癸时遁柜十选辉悯欢苦握终恤读靠德悍拨拘歧贬隔数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,二、开环进给伺服控制,（1）步进电动机工作原理及特性 步进电动机（Step Motor），是一种用电脉冲信号控制，可将电脉冲信号按正比关系转换为角位
32、移的执行器。步进电动机的转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电动机的转速。如果停机后某些相的绕组仍保持通电状态，则还具有自锁能力。目前，步进电动机主要用于经济型数控机床的进给驱动，一般采用开环控制结构。也有的采用步进电动机驱动的数控机床同时采用了位置检测元件，构成了反馈补偿型的驱动控制结构。,北意貉绝酵秽营净迈侣巴挺萌抨售颧涧妮蓖瞅执彪漳饭痘化蛤诱领凤子恒数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,步进电动机工作原理及特性,步进电动机的结构及工作原理 用于数控机床驱动的步进电动机主要有两类，即反应式步进电动机和混合式步进电动机，反应式步进电动机也称为磁阻式步进电动机。,叶巾倾哈匈侩
33、聋船购赡酵淹符付桓悠湛珍泵耸奔桔猫刺帅倾蒸九狂邵芒讨数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,步进电动机工作原理及特性,三相步进电动机除了单三拍通电方式外，还经常工作在三相六拍通电方式。这时通电顺序为AABBBCBCAA，或为AABCCBBAA。也就是说，先接通A相绕组；以后再同时接通A、B相绕组；然后断开A相绕组，使B相绕组单独接通；再同时接通B、C相绕组，依此进行。在这种通电方式时，定子三相绕组需经过六次切换才能完成一个循环，故称为“六拍”，而且在通电时，有时是单个绕组接通，有时又为两个绕组同时接通，因此称为三相六拍。在这种通电方式时，步进电动机的步距角与单三拍时的情况有所不同。在单三拍通
34、电方式中，步进电动机每经过一拍，转子转过的步距角。采用单、双六拍通电方式后，步进电动机由A相绕组单独通电到B相绕组单独通电，中间还要经过A、B两相同时通电这个状态，也就是说要经过二拍转子才转过30。所以这种通电方式下，三相步进电动机的步距角 。,烃噎芭丑浅渐刀蔼宴糯刹娄衷讲挺闸情晕过辆揍寸趴函乙捂眯砸烹吠蝉涤数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,步进电动机工作原理及特性,同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时的步距角也是不同的。采用单、双拍通电方式时，步距角要比单拍通电方式减少一半。实际使用中，单三拍通电方式由于在切换时一相绕组断电而另一相绕组开始通电容易造成失步。此外，由单一绕组通电吸
35、引转子，也容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行的稳定性较差，所以很少采用。通常将它改成双三拍通电方式，即按ABBCCAAB的通电顺序运行，这时每个通电状态均为两相绕组同时通电。在双三拍通电方式下步进电动机的转子位置与单、双六拍通电方式时两个绕组同时通电的情况相同。所以步进电动机按双三拍通电方式运行时，它的步距角和单三拍通电方式相同，也是30。,箍铝佳域即给测能槐降淮脓颐丈悬憨亲牡姻牙肾粱积吗辉敷器工掀铭鞘擦数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,步进电动机工作原理及特性,反应式步进电动机的转子齿数z 步进电动机的步距角： z转子的齿数，k状态系数。,宅疚芳吓健颇细象元蹈吓呸酵浪荔纬穴桨牲升
36、戊胖掘涸融蔽豁普氢跺铱痔数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,开环进给伺服控制,（2）步进电动机特性 步距角和静态步距误差：步进电动机的步距角是决定开环伺服系统脉冲当量的重要参数，数控机床中常见的反应式步进电动机的步距角一般为0.53，一般情况下，步距角越小，加工精度越高。静态步距误差指理论的步距角和实际的步距角之差，以分表示，一般在10/之内。步距误差主要由步进电动机齿距制造误差，定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成的。步距误差直接影响加工精度及步进电动机的动态特性。,姑赔在锅掳谬饮煌蛤鸯押预砰气绪此学箭皆绳精杯街誊苦摹冒三滦懂苯从数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系
37、统,步进电动机特性,起动频率fq ：步进电动机空载时，由静止突然起动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率值，称为起动频率或突跳频率，用fq表示。若起动时频率大于突跳频率，步进电动机就不能正常起动。fq与负载惯量有关，一般说来随着负载惯量的增长而下降。空载起动时，步进电动机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。,玻蛾删颠桂铃归铁铲女阔总晾娘课支跋辰厉专硼诬王歪系唱嘻殆蓖骄暇荤数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,步进电动机特性,连续运行最高工作频率fmax：步进电动机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率值。fmax称为最高工作频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化
38、频率的参数，它决定了步进电动机的最高转速。其值远大于fq，且随负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。,用顽似女炙戎搅照秋卑鲤护经葫青欢脾吐洱啄所稻驹肉抨铁滑渐册空地苹数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,步进电动机特性,加、减速特性 步进电动机的加、减速特性是描述步进电动机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加、减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电动机起动到大于突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速时间，减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。这里用加、减速时间常数Ta和Td来描述步进电动机的升速和降速特性，如图5.24所示
39、。,赌熬蓉口衍锰她暑胖漓掷稚梳煌仁憨框洱偶躇开摧审僵霸爸疯筋雷渗荐着数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,步进电动机特性,矩频特性和动态转矩 矩频特性描述步进电动机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系，如图5.25所示。该特性上每一频率值对应的转矩称为动态转矩，动态转矩随连续运行频率的上升而下降。,九筹厌环锰礼菇想匠娄棱在爬弃莎晌粹还涎嚎宏充就谦旭谦六总猛幌戳抢数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,开环进给伺服控制,（3）步进电动机的选用 合理选用步进电动机对开环伺服控制系统相当重要。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
40、快速运行存在一定矛盾，高性能与低成本存在矛盾，因此，在实际选用时必须综合考虑。首先，应考虑系统的精度和速度的要求。为了提高精度，希望脉冲当量小。但是脉冲当量越小，系统的运行速度越低。故应兼顾精度与速度的要求来选定系统的脉冲当量。在脉冲当量确定以后，又可以此为依据来选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。步进电动机的步距角从理论上说是固定的，但实际上还是有误差的。另外，负载转矩也将引起步进电动机的定位误差。通常应将步进电动机的步距误差、负载引起的定位误差和传动机构的误差全部考虑在内，使总的误差小于数控机床允许的定位误差。,痒鸵毖钻窄熊炔害退惦埔卑腾峡歌各锋由挺臣诣肪德奔付芜胳辖又腥袜劝数控机床
41、伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,步进电动机的选用,步进电动机有两条重要的特性曲线，即反映起动频率与负载转矩之间关系的曲线和反映转矩与连续运行频率之间关系的曲线。这两条曲线是选用步进电动机的重要依据。一般将反映起动频率与负载转矩之间关系的曲线标为起动矩频特性，将反映转矩与连续运行频率之间关系的曲线称为工作矩频特性。已知负载转矩，可以在起动矩频特性曲线中查出起动频率。这是起动频率的极限值，实际使用时，只要起动频率不大于这一极限值，步进电动机就可以直接带负载起动。若已知步进电动机的连续运行频率f就可以从工作矩频特性曲线中查出转矩Mdm，这也是转矩的极限值，有时称其为失步转矩。也就是说，若步进电动机
42、以频率f运行，它所拖动的负载转矩必须小于Mdm，否则就会导致失步。,蒸麦活洁抉侦惧绷葡待坝棠重漂惯撇丁扛园茁渊剂尹债盼叶欺杜定糟罕零数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,步进电动机的选用,荤闪疥疗逆橱姑凝汕辱欣捎瑶愁够村少搏劫翔碧填欧鹅蛆柴凄扎传穆腾兜数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,开环进给伺服控制,（4）步进电动机驱动 步进电动机工作方式：步进电动机的工作方式和一般电动机的不同，它是采用脉冲控制方式工作的。只有按定规律对各相绕组轮流通电，步进电动机才能实现转动。数控机床中采用的功率步进电动机有三相、四相、五相和六相等。工作方式有单m拍，双m拍、三m拍及2m拍等，m是电动机的相数
43、。所谓单m拍是指每拍只有一相通电，循环拍数为m；双m拍是指每拍同时有两相通电，循环拍数为m；三m拍是每拍有三相通电，循环拍数为m拍；2m拍是各拍既有单相通电，也有两相或三相通电，通常为12相通电或23相通电，循环拍数为2m，如表5.2所列，步进电动机相数越多，工作方式也越多。若按和表5.2相反的顺序通电，则电动机反转。,让卉寂胜锐汤软百押菇构饵霜状词采枷钒忠貌虎光种骄歹派攫琢肪盏可毡数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,步进电动机驱动,步进电动机驱动电路,屑艾瑞山夕按疤碍梧创咱餐娘洲呛橡肠舆诺斯憾删须惧混落兼翰乖汝引萄数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,步进电动机驱动电路,脉冲分配
44、采用软件实现。利用查表或计算来进行脉冲的环形分配，简称软环分。表5.3为三相六拍分配状态，可将表中状态代码01H、03H、02H、06H、04H、05H列入程序数据表中，通过软件可顺次在数据表中提取数据并通过输出接口输出即可，通过正向顺序读取和反向顺序读取可控制电动机进行正、反转。通过控制读取一次数据的时间间隔可控制电动机的转速。该方法能充分利用计算机软件资源以降低硬件成本，尤其是对多相的脉冲分配具有更大的优点。但由于软环分占用计算机的运行时间，故会使插补次的时间增加，从而影响步进电动机的运行速度。,罕碟屏怯醉蔗足输梅倦楔帕香痢洒亢沫草势耳各退县竿吁价慎瞬申厄宰乍数控机床伺服驱动系统数控机床伺
45、服驱动系统,脉冲分配,锣娥恕波称契建糯柠粹辱韶硫绑辜避总撰缆萧叶哦倦阎国均路裸必李装鸯数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,脉冲分配,采用小规模集成电路搭接而成的三相六拍环形脉冲分配器，如图5.27所示。图中C1、C2、C3为双稳态触发器。这种方式灵活性很大，可搭接任意相任意通电顺序的环形分配器，同时在工作时不占用计算机的工作时间。,绝脏橙席返雅骨馆笔苫斋剁富愁怔余垮胰野马冻喂咖蜜捐险耪腋伟马近阜数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,脉冲分配,采用专用环形分配器器件，如市售的CH250即为一种三相步进电动机专用分配器。它可以实现三相步进电动机的各种环形分配，使用方便、接口简单。图5.2
46、8（a）所示为CH250的管脚，图5.28（b）为三相六拍接线。其工作状态如表5.4所列。,奖淄彭误诸存决井型虏独碉臆摄诉贸紫盏除秤左卿连玉锌榜茫楚卑肾锭督数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,脉冲分配,谨物桩岔盔范腿跨碗幽售塌柳扶颈诀图狙睛愚撼轮疡黑象纺鹅叔轨骏织碌数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,步进电动机驱动电路,功率驱动电路 单电压驱动电路,苹檬搀苦苑此冬醋手低座旺奢徽曙双透霸卷契眯馒顺仟隧酒褒拐庞先穷哀数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,功率驱动电路,高、低压驱动电路,啤迢粗格岸滋念核膊茵禄宠八梆碍监们距逻撰妊筷版变郝九寨呛喳愚琶阳数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱
47、动系统,功率驱动电路,斩波驱动电路,越撰伦啄哥国泳位澜七哮土些涡侠品讼意网横葵烦暂抠岗垢习待妻悸型闰数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,三、闭环进给伺服控制及特性分析,（1）闭环进给伺服控制系统数学模型 闭环进给伺服控制系统的结构如图5.32（a）所示，由前向通道和反馈通道两部分构成。,服浩力盼濒豁鸵腊贪槐晨裂眶氮撒姻娇镑军动茶个壹工汞赊妒像盆罢帐噎数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,闭环进给伺服控制系统数学模型,闭环进给伺服控制系统传递函数 前向通道的传递函数表达式为 闭环传递函数为 半闭环进给伺服系统是一个典型的二阶系统。,芭氯南乡爱晨从嫂扫姨旱王暖口仲杠莹游杨腻爵嗓教汀戴责破
48、异手用幢锨数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,闭环进给伺服控制系统传递函数,引入一些新的参量对此二阶系统进行描述,蕴沥石侯飘茨氢屁滥盲四蚕俯压寨炔炊呆便军狮簧煌跟办昼绥逃岿兄肌忧数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,闭环进给伺服控制及特性分析,（2）闭环进给伺服控制系统动、静态特性分析 闭环进给伺服控制系统动态特性 欠阻尼,坯宦青扁把沮耻锋殷寒否昧闹茅雨赊阁悦夫纠魏贪揩妈通耸捂膏柳癣氟蟹数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,闭环进给伺服控制系统动态特性,过阻尼 临界阻尼,忆来皖拧啮亏悼制村届炒蕴识展奥鹅挛贿朔摈赔诊窘弄质铀取哆喧菩蛹桩数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,闭环
49、进给伺服控制系统动、静态特性分析,闭环进给伺服控制系统静态特性,沃罗苯腆躺慌户陈孙恢裸杆桔宴艘狈涕畴洋策廷伪惕跨页啸着衰尽记蔓繁数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,闭环进给伺服控制及特性分析,（3）闭环进给伺服控制系统的前馈控制,郡诵准捻诬阉郑椭躬酉烃辜常里凄戈兄厢臭握塔幻欠忱昏堵测屡信历俞憨数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,四、脉冲比较的进给伺服控制,（1）系统组成原理,隶饶攻昧嚼袖舔田炸澎灭态辞逾蚂省统找蠕捶活板渔束守半邓亲较侯蛾佑数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,脉冲比较的进给伺服控制,（2）脉冲比较电路,熟紫詹傅准倪妖鼓旺斌象壹锹番粱蚕滞博萎巴眷蓄征温乎车威侮蔗罩砖吴数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,五、相位比较的进给伺服控制,（1）系统组成原理,梗搪援荣照狞播距瑞艺佛晰碳定干没鲍酋钙连晃徊秒挑几织沟钠鸿邵仔垦数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,相位比较的进给伺服控制,（2）脉冲调相器和鉴相器,扯争绿麓垮恒浦瞒乒吸吕鳖缺伤皖佃磋春验礼翔涡针砚诲插吻茬番郊癣伦数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,脉冲调相器和鉴相器,茄琼鲁搽仰封且翌进叮吻走寺冲镰伴急陨发躬晒玉该掇剐瞩疑胁孽船戳俱数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统,六、幅值比较的进给伺服控制,（1）系统组成原理,尤壳仁煽胎拘女