數(shù)控機(jī)床的電氣驅(qū)動(dòng)與電機(jī)

1、第六部分?jǐn)?shù)控機(jī)床的電氣驅(qū)動(dòng)與電機(jī)1. 機(jī)床動(dòng)力源機(jī)床動(dòng)力源根據(jù)用途分為三種類型 : 提供切削速度的主軸驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源及輔助運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源。數(shù)控機(jī)床中多使用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源。(1) 主軸驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源 :為主軸提供能量和較高的速度， 因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)可以在很寬的工作范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)地提供足夠的能量和速度，所以大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。一般不采用交流電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸。 在需要調(diào)速的場合， 通常使用直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)可以在無級(jí)調(diào)速時(shí)輸出足夠的功率。(2) 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源 :在普通機(jī)床中， 通常由主軸帶動(dòng)齒輪鏈驅(qū)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。在數(shù)控加工中， 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)就不能由主軸帶動(dòng)齒輪鏈驅(qū)動(dòng)了。刀具或工件的

2、運(yùn)動(dòng)有兩種獨(dú)立的要求:a. 在切削加工時(shí)，刀具或工件的實(shí)際位置總是要盡可能接近參考信號(hào)的位置；b. 除了加工螺紋，進(jìn)給速度不需要精確控制。與主軸驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源相比， 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源的功率要小得多。 此外，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度比切削運(yùn)動(dòng)慢得多。 盡管進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度不高， 但是，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源的控制精度和響應(yīng)速度必須很高。(3) 輔助運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源 :通常使用交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為輔助運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源， 包括冷卻泵， 除屑，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)等，在這些應(yīng)用場合，只需要進(jìn)行開/ 關(guān)控制。2. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制， 并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移量和轉(zhuǎn)速分別與電

3、脈沖數(shù)和電脈沖頻率成正比。通過調(diào)節(jié)電脈沖數(shù)和電脈沖頻率， 就可以控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移和轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在停機(jī)后還可以具有自鎖能力。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)過一周都有固定的步數(shù)，從理論上說不會(huì)產(chǎn)生步距誤差的累積， 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大缺點(diǎn)是容易失步 ( 失步 : 包括丟步和越步。 丟步是指轉(zhuǎn)子前進(jìn)的步數(shù)小于電脈沖數(shù)； 越步是指轉(zhuǎn)子前進(jìn)的步數(shù)多于電脈沖數(shù) ), 特別是在大負(fù)載和轉(zhuǎn)速較高時(shí)，更容易發(fā)生失步，同時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出的功率也不太大。 目前，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。(1) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類 :步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分反應(yīng)式和混合式兩大類。 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，根據(jù)不同的分相結(jié)構(gòu)

4、形式， 又分為單段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和多段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。以單段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的使用最為廣泛。與反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相比， 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩體積比大， 而且步距角容易做得比較小， 因此在工作空間受到限制， 同時(shí)又需要小步距角和大轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用場合，常常選用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 此外，混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在繞組未通電時(shí)，轉(zhuǎn)子永久磁鋼能產(chǎn)生自動(dòng)定位轉(zhuǎn)矩， 但它能使斷電時(shí)轉(zhuǎn)子保持在原來的位置， 這是一種非常有用的特性。(2) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 :要求了解步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理。以三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，有三相單三拍、三相單雙六拍和三相雙三拍通電方式。同一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電方式不同，運(yùn)行時(shí)步距角也不同。 采用單

5、一雙拍通電方式時(shí)， 步距角要比單拍通電減少一半。在實(shí)際中，單三拍通電方式由于在切換時(shí)一相繞組斷電而另一相繞組開始通電，容易造成失步且運(yùn)行的穩(wěn)定性較差，所以很少用。 通常用雙三拍通電方式， 它的步距角和單三拍通電方式相同。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù) z基本上由步距角的要求所決定。轉(zhuǎn)子的齒數(shù)就必須滿足一定條件， 而不能為任意數(shù)值。 當(dāng)定子的相鄰極屬于不同的相時(shí)， 在某一極下若定子和轉(zhuǎn)子的齒對齊時(shí)， 則要求在相鄰極下的定子和轉(zhuǎn)子之間應(yīng)錯(cuò)開轉(zhuǎn)子齒距的 1/m, 即它們之間的空間位置上錯(cuò)開360 mzr 角。由此可得出轉(zhuǎn)子齒數(shù)應(yīng)符合的條件 :1zr2 p KmK =0,1,2,3,式中2 p 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

6、的定子極數(shù)；m 相數(shù)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角 s 由下式?jīng)Q定 :360smzrc式中 c 狀態(tài)系數(shù)， 當(dāng)采用單三拍或雙三拍運(yùn)行時(shí)取1, 采用六拍通電方式時(shí)取 2。若步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電的脈沖頻率為f , 則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n (r/min) 為 :n60 fmzr c電動(dòng)機(jī)的相數(shù)和齒數(shù)越多， 步距角s 就越小，又從上式可知， 這種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在一定的脈沖頻率下， 轉(zhuǎn)速亦越低。但相數(shù)越多，電源就越復(fù)雜，成本也越高。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最多為6相。(3) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能 :a. 靜特性，主要指靜態(tài)距角特性和最大靜轉(zhuǎn)矩特性。b. 動(dòng)特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)特性直接影響系統(tǒng)的快速響應(yīng)及工作的可靠性。 它與電動(dòng)機(jī)的性

7、能和負(fù)載性質(zhì)有關(guān)， 還和電源的特性及通電的方式有關(guān)， 其中有些因素還是屬于非線性的。(a) 步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的動(dòng)特性若電動(dòng)機(jī)繞組通電脈沖的時(shí)間間隔大于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)機(jī)電過渡過程所需的時(shí)間，這時(shí)電動(dòng)機(jī)為步進(jìn)狀態(tài)。(b) 連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的動(dòng)特性當(dāng)控制繞組的電脈沖頻率增高，相應(yīng)的時(shí)間間隔也減小，以至小于電動(dòng)機(jī)機(jī)電過渡過程所需的時(shí)間， 形成連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)。 實(shí)際上，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)大都是在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下工作的。 在這樣運(yùn)行狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩和脈沖頻率的關(guān)系稱為矩頻特性。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩將小于最大靜轉(zhuǎn)矩， 并隨著脈沖頻率的升高而降低。 在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，對應(yīng)于某

8、一頻率，只有當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于它在該頻率時(shí)的最大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作頻率是指電動(dòng)機(jī)按指令的要求進(jìn)行正常工作時(shí)的最大脈沖頻率。所謂正常工作就是說步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不失步地工作， 即一個(gè)脈沖就移動(dòng)一個(gè)步距角。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)頻率是指它在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下能夠不失步地起動(dòng)的最高頻率。起動(dòng)頻率的大小是由許多因素決定的， 繞組的時(shí)間常數(shù)越小， 負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小，步距角越小，則起動(dòng)頻率越高。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的連續(xù)工作頻率又稱運(yùn)行頻率。 它是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后， 當(dāng)控制脈沖連續(xù)發(fā)出時(shí)， 能不失步運(yùn)行的最高頻率。 影響運(yùn)行頻率的因素與影響起動(dòng)頻率的因素基本上相同， 但是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對運(yùn)行頻率的影響不像

9、對起動(dòng)頻率的影響那么明顯。它僅影響到頻率連續(xù)上升的速度。(4) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源 :對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各相按照一定的順序通 / 斷電，就可獲得期望的角位移量。有些數(shù)控系統(tǒng)直接控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相的通 / 斷電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的每一相分別占用一個(gè) I/O 端口。其缺點(diǎn)是控制軟件計(jì)算量大， 占用 CPU時(shí)間長，要以很高的頻率改變各 I/O 端口的電平，整個(gè)系統(tǒng)的可靠性較低。目前大部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)是給出一個(gè)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的方波信號(hào)和一個(gè)電平信號(hào)表示旋向， 經(jīng)硬件環(huán)形脈沖分配器電路產(chǎn)生所要求的各相順序通 / 斷電信號(hào)。方波信號(hào)的頻率決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速， 而電平信號(hào)的高低代表旋向。 優(yōu)點(diǎn)是無論是幾相步

10、進(jìn)電動(dòng)機(jī)， 都僅占用兩個(gè) I/0 端口，由硬件電子線路產(chǎn)生對應(yīng)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相的控制信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制軟件簡單，占用數(shù)控系統(tǒng) CPU的時(shí)間短，可靠性高。數(shù)控系統(tǒng)或硬件環(huán)形脈沖分配器輸出的信號(hào)僅是數(shù)字邏輯控制信號(hào)， 一般是TTL電平，需經(jīng)過功率放大后再接到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相應(yīng)的相上帶動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正常旋轉(zhuǎn)。大部分步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制都傾向于采用硬件環(huán)形脈沖分配器， 并常與功率放大電路集成在一起構(gòu)成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。常見的驅(qū)動(dòng)電源主要有三種類型: 高低壓雙電源型、恒流斬波型和調(diào)頻調(diào)壓型。高低壓雙電源型是最基本的驅(qū)動(dòng)放大器， 其電路比較簡單， 成本低。但是它不能解決由反電動(dòng)勢所引起的繞組電流頂部凹陷的問題，

11、 從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩下降。恒流斬波型是為了解決電動(dòng)機(jī)繞組電流頂部凹陷的問題。 在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率較低時(shí)應(yīng)用效果是好的， 但在較高的頻率運(yùn)行時(shí)其效果變差， 且會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲有所增加。 調(diào)頻調(diào)壓型通過 低頻低壓，高頻高壓 的辦法有效地提高了電動(dòng)機(jī)較高頻率運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩。 但采用這種方法時(shí)要求給繞組供電的電源有較高的電壓，否則就會(huì)發(fā)生高頻時(shí)電壓調(diào)不上去的現(xiàn)象。3. 進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)(1) 進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)的負(fù)載計(jì)算 :數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的伺服電動(dòng)機(jī)是根據(jù)負(fù)載條件來進(jìn)行選擇的。 加在電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載有兩種 : 負(fù)載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載慣量。負(fù)載轉(zhuǎn)矩包括切削轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩。本節(jié)要求重點(diǎn)掌握負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算及進(jìn)給伺服

12、電動(dòng)機(jī)慣量與負(fù)載慣量的匹配。a. 計(jì)算轉(zhuǎn)矩時(shí)應(yīng)充分考慮的問題(a) 由于鑲條、壓板面所產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩必須充分考慮。(b) 由于軸承和滾珠絲杠螺母的預(yù)加負(fù)載和絲杠的預(yù)緊力作用，滾動(dòng)接觸表面的摩擦轉(zhuǎn)矩都不能忽略。(c) 摩擦轉(zhuǎn)矩受進(jìn)給速率的影響。(d) 同一臺(tái)機(jī)床上，摩擦轉(zhuǎn)矩也是隨調(diào)整情況、環(huán)境溫度和潤滑條件而變化的。b. 當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)選好后， 電動(dòng)機(jī)慣量與負(fù)載慣量的匹配應(yīng)與快速移動(dòng)速度相適應(yīng)。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩極大地超過額定轉(zhuǎn)矩， 進(jìn)給傳動(dòng)鏈各元件的使用壽命及精度將會(huì)大大受到影響 ( 特別是安裝在電動(dòng)機(jī)軸上的小齒輪的使用壽命 ) 。根據(jù)這個(gè)道理，負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總和 J1與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量 J

13、m之間應(yīng)有一定的關(guān)系，并保證小于或等于額定轉(zhuǎn)矩 ( 或者計(jì)算轉(zhuǎn)矩 ) 。這就是我們所說的電動(dòng)機(jī)慣量與負(fù)載慣量的 匹配 。負(fù)載慣量與電動(dòng)機(jī)慣量匹配的基本關(guān)系為 :J1ABJ mKA式中J m 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量 kg cm 2；J1 負(fù)載慣量并折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總和(kg cmzhk 伺服電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，或稱過電流系數(shù)； A 計(jì)算轉(zhuǎn)矩系數(shù)；B 負(fù)載轉(zhuǎn)矩系數(shù)， B A , 空載時(shí)為摩擦轉(zhuǎn)矩系數(shù)。關(guān)于 K 、 A 、 B 幾個(gè)系數(shù)的基本取值應(yīng)該掌握。c. 選擇伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)滿足的條件。(a) 根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩選擇電動(dòng)機(jī)。負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)等于或小于電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。(b) 負(fù)載轉(zhuǎn)矩加加速轉(zhuǎn)矩應(yīng)等于所選擇電動(dòng)機(jī)的最大

14、轉(zhuǎn)矩 ( 即由放大器限制的轉(zhuǎn)矩)。(c) 加速轉(zhuǎn)矩應(yīng)考慮負(fù)載慣量和電動(dòng)機(jī)慣量的匹配，還應(yīng)考慮加速時(shí)間在允許范圍內(nèi)。(d) 在空載時(shí)，加速轉(zhuǎn)矩應(yīng)等于最大轉(zhuǎn)矩減去摩擦轉(zhuǎn)矩，其差值等于全部慣量 ( 電動(dòng)機(jī)慣量 +負(fù)載慣量 ) 乘以角速度斜率。(2) 直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)與工作原理 :目前在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中采用的直流電動(dòng)機(jī)主要是 70年代研制的大慣量寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)。 分為電勵(lì)磁和永久磁鐵勵(lì)磁兩種， 占主導(dǎo)地位的是永磁式直流電動(dòng)機(jī)。a. 永磁式寬調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)(a) 能夠承受高的峰值電流，以滿足快的加減速要求；(b) 大慣量結(jié)構(gòu)使其具有大的熱容量，可以允許較長的過載工作時(shí)間；(c) 低速高

15、轉(zhuǎn)矩特性和大慣量結(jié)構(gòu)，使其可以與機(jī)床進(jìn)給絲杠直接連接；(d) 在較大的加速度下仍具有良好的換相性能；(e) 絕緣等級(jí)高，從而保證電動(dòng)機(jī)在反復(fù)過載的情況下仍有較長的壽命；(2) 在電動(dòng)機(jī)軸上裝有精密的速度和位置檢測元器件，可以實(shí)現(xiàn)速度和位置的閉環(huán)控制。但是寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制不如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)簡單， 快速響應(yīng)性能不如小慣量電動(dòng)機(jī)。由于其轉(zhuǎn)子耐溫可達(dá) 150200，高溫?zé)崃繒?huì)通過轉(zhuǎn)軸傳到絲杠，若不采取措施，絲杠的熱變形將影響傳動(dòng)精度。電動(dòng)機(jī)電刷易磨損，維修、保養(yǎng)也存在問題。b. 直流伺服電動(dòng)機(jī)的速度控制單元直流伺服電動(dòng)機(jī)是在其速度控制單元的控制下運(yùn)轉(zhuǎn)的， 速度控制單元的性能直接決定了直流伺服電動(dòng)

16、機(jī)的運(yùn)行性能。 從直流伺服電動(dòng)機(jī)速度控制單元主回路的類型來分，主要有晶閘管相控整流器和大功率晶體管斬波器兩種。 從性能上來看，后者大大優(yōu)于前者。采用大功率晶體管斬波器的速度控制單元，也稱PWM調(diào)速單元，是脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation)的縮寫。(a) 直流 PWM調(diào)速的基本原理。 利用大功率晶體管作斬波器， 其電源為直流固定電壓，開關(guān)頻率也為常值，根據(jù)控制信號(hào)的大小改變每一周期內(nèi) 接通 和 斷開 的時(shí)間長短，即改變 接通 脈寬，使直流電動(dòng)機(jī)電樞上電壓的 占空比 改變，從而改變其平均電壓，完成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制，這就是直流 PWM調(diào)速的基本原理。直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓是一

17、方波脈沖，幅值 U m 、周期 T是常數(shù)，脈沖寬度S可變。則轉(zhuǎn)速 n 近似于與脈沖寬度 S成正比，可以寫為 :nU m STCe式中C e 電動(dòng)機(jī)電磁結(jié)構(gòu)常數(shù)；勵(lì)磁電通。(b) 速度控制單元的組成及其功用。速度調(diào)節(jié)器 得到電流調(diào)節(jié)器的給定輸入信號(hào)。電流調(diào)節(jié)器 得到 PWM脈寬調(diào)制器的控制信號(hào)。PWM調(diào)制器產(chǎn)生 PWM脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后驅(qū)動(dòng)晶體管斬波器。由于該斬波器有四只大功率晶體管，所以需要四路基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路全稱為大功率管 (GTR)的基極驅(qū)動(dòng)電路，主要作用是將控制電路輸出飛的 PWM脈沖放大到足以驅(qū)動(dòng)功率晶體管。此外還有光隔離功能。晶體管直流斬波器直流 PWM速度控制單元的主回路

18、，作用是將直流電源電壓變換成寬度可調(diào)的方波脈沖，加于電動(dòng)機(jī)的電樞兩端，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。直流伺服電動(dòng)機(jī)及其速度檢測元件速度檢測元件發(fā)出的速度反饋信號(hào)給速度控制單元，用來控制電動(dòng)機(jī)達(dá)到指令速度值。速度檢測元件常用的有兩種 : 一種是測速發(fā)電機(jī)，輸出電壓作為速度反饋信號(hào)。另一種是光電脈沖編碼器。 光電脈沖編碼器發(fā)出的是脈沖頻率信號(hào)， 它與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。這一頻率信號(hào)，必須經(jīng)過 頻率 / 電壓變換器 (F/V 變換器 ) 之后，才能變?yōu)殡妷毫浚鳛樗俣确答佇盘?hào)。(c) 了解在實(shí)際的速度控制單元中經(jīng)常采用的倍頻式脈寬調(diào)制器的組成原理。(3) 直流伺服電動(dòng)機(jī)的選用 :這里介紹的有些方法， 不僅對于選用直

19、流伺服電動(dòng)機(jī)， 而且對于選用交流伺服電動(dòng)機(jī)也是基本適用的。對于直流伺服電動(dòng)機(jī)來說， 其負(fù)載轉(zhuǎn)矩可以從其轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線看出， 一般伺服電動(dòng)機(jī)說明書中都給出了轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線。 選用直流伺服電動(dòng)機(jī)的原則主要有下面四條 :(a) 機(jī)床無切削運(yùn)行時(shí)，在整個(gè)速度范圍內(nèi)，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)在電動(dòng)機(jī)連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)。(b) 最大切削轉(zhuǎn)矩的倍數(shù)設(shè)定應(yīng)在電動(dòng)機(jī)的載荷特性所規(guī)定的范圍內(nèi)。(c) 在加減速時(shí)，應(yīng)當(dāng)工作在加減速工作區(qū)內(nèi)。在加減速時(shí)，總的轉(zhuǎn)矩為負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣性轉(zhuǎn)矩之和，慣性轉(zhuǎn)矩的大小取決于加速度的大小和負(fù)載慣量的大小，而加速度的大小又取決于希望的加速時(shí)間。(d) 負(fù)載慣量對電動(dòng)機(jī)靈敏度和快速移動(dòng)時(shí)間有很大影響，一般

20、來說，負(fù)載慣量必須不大于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量的三倍。(4) 交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)與工作原理 :直流進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)和直流主軸電動(dòng)機(jī)由于機(jī)械換向器和電刷的存在， 降低了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性， 增加了維護(hù)和保養(yǎng)的負(fù)擔(dān)， 交流伺服電動(dòng)機(jī)因此用得越來越廣泛。a. 交流進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和類型交流進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)與直流進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)相比較， 可理解為將定子與轉(zhuǎn)子的位置互換，直流電動(dòng)機(jī)的永磁的定子變成為交流電動(dòng)機(jī)的永磁的轉(zhuǎn)子， 而直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組變成了交流電動(dòng)機(jī)的定子繞組。 這樣就省去了機(jī)械換向器和電刷，代之以電子換向器或逆變器。事實(shí)上，按氣隙磁場的分布方式的不同，交流進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)可分為兩種， 一種稱為無

21、刷直流電動(dòng)機(jī)， 另一種稱為永磁同步電動(dòng)機(jī)，無刷直流電動(dòng)機(jī)其實(shí)也是交流電動(dòng)機(jī)， 它的氣隙磁場是按方波分布， 而永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場是按正弦波分布的。b. 無刷直流電動(dòng)機(jī)及其速度控制單元(a) 無刷直流電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于一臺(tái)反裝式的直流電動(dòng)機(jī)。在無刷直流電動(dòng)機(jī)的軸上裝有轉(zhuǎn)子位置檢測器、 測速發(fā)電機(jī)和光電脈沖編碼器。 測速發(fā)電機(jī)的輸出信號(hào)用做速度反饋。 而光脈沖編碼器的信號(hào)則送入 CNC裝置用做位置反饋。轉(zhuǎn)子位置檢測器有限多種類型， 但是輸出的信號(hào)是一樣的， 電子換向器正是根據(jù)它的三路輸出信號(hào)來對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行換向的。(b) 無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。無刷直流電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于三個(gè)換向片的直流電動(dòng)機(jī)，只

22、不過換向由晶體管來進(jìn)行， 因結(jié)構(gòu)上的限制電樞繞組及變流器靜止不動(dòng)，而磁極是旋轉(zhuǎn)的。 其工作原理需要基本了解。 無刷直流電動(dòng)機(jī)的定子繞組與電子換向器中的晶體管開關(guān)串聯(lián)。 事實(shí)上，元刷直流電動(dòng)機(jī)也采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)的方式來調(diào)速，與電動(dòng)機(jī)定子繞組相串聯(lián)的晶體管既起到換向的作用，也要完成脈寬調(diào)制的任務(wù)。 從轉(zhuǎn)子位置檢測器發(fā)出的三路信號(hào)， 經(jīng)過換向組合邏輯電路處理后，應(yīng)得到六路換向脈沖波形。元刷直流電動(dòng)機(jī)速度單元也采用轉(zhuǎn)速、 電流雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)， 速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均為比例積分型調(diào)節(jié)器。c. 正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)及速度控制單元(a) 正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。與無刷直流電動(dòng)機(jī)一樣，正弦波

23、永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子也是永磁體 ( 一般用稀土磁鋼制成 ) 。定子上對稱安裝有三相繞組。但是永磁同步機(jī)的氣隙磁場是按正弦波分布的， 因此定子繞組中具有正弦波反電動(dòng)勢。在正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的軸上裝有測速發(fā)電機(jī)， 其輸出信號(hào)可用做速度反饋。軸上還裝有轉(zhuǎn)子位置檢測器， 但與裝在無刷直流電動(dòng)機(jī)上的檢測器不同的是，這里的檢測器應(yīng)能測出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子精確的絕對轉(zhuǎn)角位置， 一般采用絕對式脈沖編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器。 位置檢測器的輸出信號(hào)有兩個(gè)用途 : 一是向 CNC裝置中的位置控制器提供位置反饋信號(hào) : 二是在速度控制單元中形成電流指令。(b) 正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。直流伺服電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)矩是平穩(wěn)的。在無刷

24、直流電動(dòng)機(jī)中，定子磁勢是脈動(dòng)旋轉(zhuǎn)的，故電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是脈動(dòng)的。這一脈動(dòng)對元刷直流電動(dòng)機(jī)的性能產(chǎn)生不利的影響。 正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也是靠定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生的。由于轉(zhuǎn)子 ( 磁場 ) 是旋轉(zhuǎn)的，所以定子磁場必須與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，才能產(chǎn)生平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩。正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 T可以簡化為 :TK m I m式中K m 常數(shù)；I m 定子電流的幅值。它表明電磁轉(zhuǎn)矩是與定子電流的幅值I 成正比的。正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)速度控制單元的結(jié)構(gòu)需要學(xué)生正確掌握。節(jié)器采用的是比例積分算法。它的速度調(diào)4. 數(shù)控機(jī)床主軸電動(dòng)機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)相比有相當(dāng)大的差別， 但就主軸驅(qū)動(dòng)的速度控

25、制系統(tǒng)而言，無論交流調(diào)速或是直流調(diào)速，與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并無實(shí)質(zhì)的差別。(1) 數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)的特殊問題 : a. 主軸控制對主軸電動(dòng)機(jī)的要求(a) 主軸輸出大功率，因此對功率驅(qū)動(dòng)電路提出了更高的要求。(b) 調(diào)速范圍要足夠大，一般要求能在 1:(1001000) 范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速， 1:10恒功率調(diào)速，并能實(shí)現(xiàn)四象限驅(qū)動(dòng)功能。早期的數(shù)控機(jī)床多采用晶閘管直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 但由于直流電動(dòng)機(jī)受換向限制，大多數(shù)系統(tǒng)恒功率調(diào)速范圍都很小。 目前，交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逐步應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)。交流驅(qū)動(dòng)性能已達(dá)到直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的水平，而噪聲還有所降低，價(jià)格也不比直流驅(qū)動(dòng)貴。b. 機(jī)床主傳 . 動(dòng)和工作運(yùn)動(dòng)是旋轉(zhuǎn)運(yùn)

26、動(dòng)，無需絲杠和其他直線運(yùn)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)主軸無級(jí)調(diào)速后就可省去主軸多級(jí)變速箱，大大簡化機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)。 為滿足數(shù)控機(jī)床對主叫驅(qū)動(dòng)的要求，主軸電動(dòng)機(jī)應(yīng)具備:功率大，大調(diào)速范圍內(nèi)速度穩(wěn)定且恒功率調(diào)速范圍寬；斷續(xù)負(fù)載下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)小；加速、減速時(shí)間短；溫升低，噪聲小，振動(dòng)小，可靠性高，壽命長，易維護(hù)，體積小，重量輕；電動(dòng)機(jī)過載能力強(qiáng)等性能。c. 直流電動(dòng)機(jī)作主軸電動(dòng)機(jī)時(shí)不能用永磁式， 這樣才能有大的輸出功率。 直流電動(dòng)機(jī)的過載能力一般約為 1.5 倍。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍與恒功率調(diào)速范圍之比為 1:2 。對交流主軸電動(dòng)機(jī)均采用專門設(shè)計(jì)的鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的形式。交流電動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)矩與恒功率調(diào)速范圍之比約 1:3,

27、 過載能力約為 1.21.5 倍。過載時(shí)間從幾分鐘到半小時(shí)不等。主軸電動(dòng)機(jī)軸上均裝有測速發(fā)電機(jī)或光電脈沖發(fā)生器， 脈沖編碼器等作為轉(zhuǎn)速和主軸位置的檢測元件。d. 對主軸除要求連續(xù)調(diào)速外， 還有主軸定向準(zhǔn)停、 主軸的旋轉(zhuǎn)與坐標(biāo)軸進(jìn)給的同步及恒線速切削等控制要求。(2) 直流主軸電動(dòng)機(jī)及其控制單元 :直流主軸電動(dòng)機(jī)為它勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)， 相對進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)而言， 其功率一般較大，運(yùn)行速度可以高于額定轉(zhuǎn)速。直流主軸電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性制 J一般在額定轉(zhuǎn)速以下時(shí)保持勵(lì)磁繞組中勵(lì)磁電流為額定值，通過改變電樞繞組的端電壓的辦法調(diào)速 ( 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 ) ；在額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，則保持電樞端電壓不變 ( 額定值 ), 通過改變勵(lì)磁繞組中的勵(lì)磁電流的辦法調(diào)速 ( 恒功率調(diào)速 ) 。直流主軸電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速與恒功率調(diào)速的結(jié)合。直流主軸電動(dòng)機(jī)與直流進(jìn)給電動(dòng)機(jī)都存在換向的問題， 主軸電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，電樞電流較大， 所以換向要比