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1、1,第四章 进给伺服系统,第三节 直流伺服控制系统,2,4-3 直流伺服电机及速度控制,一.直流伺服电机 1、工作原理,3,4-3 直流伺服电机及速度控制,4,4-3 直流伺服电机及速度控制,2、常用直流电机 永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、 印刷绕组） 励磁式直流电机 无刷直流电机 直流力矩电机,5,在数控机床中，进给系统常用的直流伺服电机： 1）小惯性直流伺服电机 因转动惯量小而得名。这类电机一般为永磁式。 小惯量直流电机最大限度地减小电枢的转动惯量， 所以能获得最快的响应速度。在早期的数控机床上 应用得比较多。,6,2）大惯量宽调速直流伺服电机（直流力矩电机） 转子直径较大，线圈绕组匝
2、数增加，力矩大，转动 惯量大，能在较大过载转矩时长时间工作，因此可 直接与丝杠相连，不需中间传动装置。 特点：能在较低转速下实现平稳运行，最低可达 1r min，甚至0.1rmin。数控机床上应用广泛。,7,3）无刷直流伺服电机（无整流子电机） 没有换向器，由同步电机和逆变器组成，逆变器 由装在转子上的转子位置传感器控制。 实质是一种交流调速电机，调速性能可达到直流 伺服发电机的水平，又取消了换向装置和电刷部 件，提高了电机使用寿命。,8,4-3 直流伺服电机及速度控制,3、结构,永磁直流伺服电机的结构,9,直流电机转速与转矩的关系称机械特性 机械特性是电机的静态特 性，是稳定运行时带动负载
3、的性能，此时，电磁转矩与 外负载相等。 电机转速与理想转速的差n， 反映了电机机械特性硬度， n越小，机械特性越硬。,4、静态特性,10,电磁转矩由下式表示: KT 转矩常数； 磁场磁通；Ia 电枢电流；TM 电磁转矩。 电枢回路的电压平衡方程式为: Ua 电枢上的外加电压；Ra 电枢电阻；Ea 电枢反电势。电枢反电势与转速之间有以下关系： Ke电势常数；电机转速（角速度）。,11,根据以上各式可以求得：,n0电机理想空载转速,直流电机的基本调速方式有三种: 调节电阻Ra 调节电枢电压Ua 调节磁通的值,12,电枢电阻调速不经济，调速范围有限，很少采用。 调节电枢电压（调压调速）时，直流电机机
4、械特性为一组平行线，只改变电机的理想转速n0 ，保持了原有较硬的机械特性，所以调压调速主要用于伺服进给驱动系统电机的调速,5、直流伺服电机的调速原理,如果n值较大，不可能实现宽范围的调速。永磁式直流伺服电机的n值较小，因此，进给系统常采用永磁式直流电机,13,调节磁通（调磁调速）不但改变了电机的理想 转速，而且使直流电机机械特性变软，所以调 磁调速主要用于机床主轴电机调速。,14,4-3 直流伺服电机及速度控制,6、直流伺服电机的速度控制方式 （1）晶闸管（可控硅）调速系统 通过改变晶闸管触发角，改变伺服电机的外加电压，从而达到调速目的。,15,原理 ：三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部
5、分内又分成共阴极组（ 1、3、5）和共阳极组（2、4、6）。为构成回路，这二组中必须各有一个可控硅同时导通。 1、3、5在正半周导通， 2、4、6在负半周导通。每组内（即二相间）触发脉冲相位相差120，每相内二个触发脉冲相差180。 按管号排列，触发脉冲的顺序：1-2-3-4-5-6，相邻之间相位差60。,16,4-3 直流伺服电机及速度控制,（2）晶体管脉宽调制调速系统（PWM） 利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放大器的开关时间进行控制，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，达到调速的目的。 脉宽的变化使电
6、机电枢的直流电压随着变化。,17,4-3 直流伺服电机及速度控制,控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。广泛应用于中、小功率直流伺服系统,18,4-3 直流伺服电机及速度控制,19,直流电机电压的平均值:,T脉冲周期， Ton导通时间,20,4-3 直流伺服电机及速度控制,PWM调速的特点 电机的损耗、噪声小 系统动态特性好，响应频带宽 低速时电流脉动和转速脉动都很小，稳速精度高 功率管工作在开关状态，耗损小，控制方便 响应快 功率管承受高峰值电流的能力差。,21,7、动态特性 直流电机的动态力矩平衡方程式为 式中 TM 电机电磁转矩； TL 折算到电机轴上的负载转矩； 电机转子角速度；
7、 J 电机转子上总转动惯量； t 时间自变量。,22,4-3 直流伺服电机及速度控制,8、直流伺服电机的性能特点 1) 低转速大惯量 2) 转矩大 3) 起动力矩大 4) 调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小 5）它的电刷和换向器易磨损 6）电机最高转速的限制，应用环境的限制 7）结构复杂，制造困难，成本高,23,第四节 交流伺服控制系统,24,由于直流伺服电机具有优良的调速性能， 80年代初至90年代中，在要求调速性能较高的场合，直流伺服电机调速系统的应用一直占据主导地位。但也存在一些固有的缺点，即： 电刷和换向器易磨损，维护麻烦 结构复杂，制造困难，成本高 而交流伺服电机则没有上述缺点。特
8、别是在同样体积下，交流伺服电机的输出功率比直流电机提高10%70%，且可达到的转速比直流电机高。因此，人们一直在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速的方案。,25,4-4 交流伺服电机及速度控制,一.交流伺服电机 1、种类,数控机床上应用的交流电机一般都为三相。 分：异步型和同步型交流伺服电机。 从建立所需气隙磁场的磁势源来说，同步型交流电 机分：电磁式及非电磁式两大类。 非电磁式有磁滞式、永磁式和反应式多种。,26,永磁式同步电机： 优点：结构简单、运行可靠、效率高； 缺点：启动特性欠佳。 与直流电机比：外形尺寸、重量、转子惯量大幅减小 与异步交流伺服电机相比：效率高、体积小。,异步型交流
9、伺服电机（与同容量的直流电机相比） 优点：重量轻，价格便宜； 缺点：转速受负载的变化影响较大，不能经济地实现 范围较广的平滑调速 故异步型交流伺服电机用在主轴驱动系统中。,27,4-4 交流伺服电机及速度控制,2、永磁交流同步伺服电机的结构,结构：电机由定子、转子和检测元件组成,28,4-4 交流伺服电机及速度控制,3、永磁交流同步伺服电机工作原理,工作原理,nrns60f1p ns同步转速， 转子磁极的轴线与 定子磁极的轴线夹角， nr转子旋转转速， f1交流电源频率（定子 供电频率）， p定子和转子的极对数,29,4-4 交流伺服电机及速度控制,二.同步交流伺服电机的调速 1、调速方法,从
10、式中可以看出：只能用变频调速，并且是有效方法。 变频调速的主要环节是为交流电机提供变频、变压电源的变频器 变频器分为： 交直交变频器 分电压型和电流型。电压型先将电网的交流 电经整流器变为直流，再经逆变器变为频率和电压都可变的交 流电压。电流型是切换一串方波，方波电流供电，用于大功率。 交交变频器 该变频器没有中间环节，直接将电网的交流电 变为频率和电压都可变的交流电。 目前对于中小功率电机，用得最多的是电压型交直交变频器。,30,4-4 交流伺服电机及速度控制,2、正弦脉宽调制（SPWM）变压变频器,UR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
11、变。 为逆变器供电。 UI 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（大功率晶体管GTR为基极 ）输入由基准正弦波（由速度指 令转化过来的）和三角波叠加出来的SPWM调制波（等幅、不等 宽的矩形脉冲波） ，使这些大功率晶体管按一定规律导通、截 止，输出一系列功率级等效于正弦交流电的可变频变压的等幅、 不等宽的矩形脉冲电压波，其脉宽按正弦分布，以此脉冲列来等效正弦电压波， 即功率级SPWM电压，使电机转动。 功率开关器件还可采用：可关断晶闸管GTO、功率场效应晶 体管MOSFET、绝缘门极晶体管IGBT等。,31,SPWM逆变器的工作原理,把一个正弦半波分做N等分，如下图（
12、N7）；然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替；矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。这样，由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦的半周等效。同样，正弦波的负半周也可以用相同的方法来等效 。,32,与正弦波等效的等幅矩形脉冲序列波,33,在实际中采用“调制”的方法，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波(Carrier wave)，并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波(Modulation wave)，当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩
13、形波。,34,单极性控制方式,35,双极性控制方式,36,4-4 交流伺服电机及速度控制,3、SPWM的优点,1）主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构； 2）采用了不可控整流器，使电网功率因数提高； 3）逆变器同时调频调压，动态响应不受中间环节影响； 4）可获得更接近于正弦波的输出电压波形。,37,4-4 交流伺服电机及速度控制,4、交流伺服电机的发展,（1）永磁交流同步伺服电机的发展 新永磁材料的应用 钕铁硼 永久磁铁的结构改革 内装永磁交流同步伺服电机 与机床部件一体化的电机 空心轴永磁交流同步伺服电机 （2）交流主轴伺服电机的发展 输出转换型交流主轴电机 三角-星形切换，绕组数切换或
14、二者组合切换。 液体冷却电机 内装式主轴电机,38,第五节 机床进给伺服系统设计,39,4-5 进给伺服系统设计,一、进给驱动装置的选型 进给系统的选型是以数控机床的设计要求为基础，与数控装置的选型有密切的关系，机床各轴的进给速度、整机的加工精度、加工范围、传动方式等都直接对驱动系统的性能提出了要求。 各生产厂家通常提供了与数控装置配套的驱动装置。,40,1、选型原则 1）实用性：选型的目的是为满足整机的设计 需要，从而满足生产的要求。 2）经济性：在满足加工要求的条件下，选型 要最经济或较为合理。 3）稳定、可靠性：长时间无故障的工作。 4）可操作性： a .要符合本单位的使用和设计的习惯；
15、 b .若出现故障易于排除。,41,二、选型内容 1.驱动装置的控制类型 根据加工精度和进给速度的要求选择类型： 步进电动机用于加工精度要求不高的机床，分辨率 在0.01mm以上，最高快移速度在5m/min以下。 伺服电动机用于加工精度要求较高的机床，其分辨 率在0.001mm以上，最高快移速度在10m以上。 2.反馈类型 加工精度要求不高的简易机床一般用开环控制系统。 加工精度要求高的中档普及型机床一般选用半闭环。 加工精度要求很高的高档机床才选用全闭环和混合闭环。,42,3.进给系统的分辨率 根据机床的加工要求合理选择其脉冲当量。 步进电动机的步距角考虑驱动装置的细分倍数 交流伺服驱动装置
16、的分辨率受电动机的编码器和驱 动装置的控制功能的影响，一般可达1/10000r左右。 4.电动机的转速的选择 根据机床设计的最高快移速度、传动比和丝杠螺距 来选择电动机的转速。 注意：选择时应保留一定的余量。,43,5.电动机的扭矩的选择 要根据负载的情况选择，考虑： 1) 负载转矩应小于0.20.3倍的电动机的最大静转矩(步进电动机)，或小于额定转矩(伺服电动机)。 2) 选用步进电动机的标称值为伺服电动机的1.52倍。 3) 对于有刚性攻丝功能的机床及有频繁启/停的电动机其扭矩选择要略大。 4) 对金属切削机床，由于不确定因素较多，类比法和实验法来确定 A)类比法：对比同类机床的电动机容量
17、来确定电动机的容量。 B)实验法：对样机进行重切削和连续加工试验，记录其温升和最大电流值，来判断其进给电动机的扭矩是否合适。,44,6.电动机的惯量选择 电动机分有大、中、小的转动惯量。 为保证加工精度，要求负载折算到电动机轴上的转动惯量小于电动机转子惯量的2倍以下，当不能满足时可作以下处理：a.在保证刚度允许的条件下，增加传动比或减小丝杠的直径。b.选用大惯量的电动机。 7.工作电源 工作电源应与机床的电气设备及工作环境相符合。 实验室可选用单相220V交流供电；工厂车间选用三相交流380V或200V； 注意：整个系统最好选用同一电源供电。 8.抱闸、制动,45,1.步进电机的选择,三、进给电机的有关设计计算,（1）步距角选择,（2）最大静态转矩的选择,最大静态转矩一般按下式,(单位：N.m),46,4-5 进给伺服系统设计,（3）启动频率的选择,47,（4）电机输出总转矩,Ma 电机启动加速力矩 Jm、JL电机自身惯量与负载惯量,48,4-5 进给伺服系统设计,2.交流伺服电机的选择,回转运动惯量（回转轴为几何轴）,（1）负载转矩计算,（2）负载惯性计算,直线运动惯量,回转运动惯量,当量负载惯量,驱动系统总惯量,49,4-5 进给伺服系统设计,3.定位加速时的最大转矩计算,定位加速时的最大转矩,二、 进给电机惯量与负载惯量的匹配,或,或,50,