數(shù)控機床的電氣驅動與電機

1、第六部分數(shù)控機床的電氣驅動與電機1. 機床動力源機床動力源根據(jù)用途分為三種類型 : 提供切削速度的主軸驅動動力源，進給驅動動力源及輔助運動驅動動力源。數(shù)控機床中多使用電動機作為動力源。(1) 主軸驅動動力源 :為主軸提供能量和較高的速度， 因為電動機可以在很寬的工作范圍內經濟地提供足夠的能量和速度，所以大部分數(shù)控機床的主運動由電動機驅動。一般不采用交流電動機直接驅動主軸。 在需要調速的場合， 通常使用直流電動機。直流電動機可以在無級調速時輸出足夠的功率。(2) 進給驅動動力源 :在普通機床中， 通常由主軸帶動齒輪鏈驅動進給運動。在數(shù)控加工中， 進給運動就不能由主軸帶動齒輪鏈驅動了。刀具或工件的

2、運動有兩種獨立的要求:a. 在切削加工時，刀具或工件的實際位置總是要盡可能接近參考信號的位置；b. 除了加工螺紋，進給速度不需要精確控制。與主軸驅動動力源相比， 進給驅動動力源的功率要小得多。 此外，進給運動的速度比切削運動慢得多。 盡管進給運動的速度不高， 但是，進給驅動動力源的控制精度和響應速度必須很高。(3) 輔助運動驅動動力源 :通常使用交流感應電動機作為輔助運動驅動動力源， 包括冷卻泵， 除屑，驅動液壓馬達等，在這些應用場合，只需要進行開/ 關控制。2. 步進電動機步進電動機是一種用電脈沖信號進行控制， 并將電脈沖信號轉換成相應的角位移的電動機。步進電動機轉動的角位移量和轉速分別與電

3、脈沖數(shù)和電脈沖頻率成正比。通過調節(jié)電脈沖數(shù)和電脈沖頻率， 就可以控制步進電動機的角位移和轉速。步進電動機在停機后還可以具有自鎖能力。 步進電動機每轉過一周都有固定的步數(shù)，從理論上說不會產生步距誤差的累積， 步進電動機的最大缺點是容易失步 ( 失步 : 包括丟步和越步。 丟步是指轉子前進的步數(shù)小于電脈沖數(shù)； 越步是指轉子前進的步數(shù)多于電脈沖數(shù) ), 特別是在大負載和轉速較高時，更容易發(fā)生失步，同時步進電動機輸出的功率也不太大。 目前，步進電動機主要用于經濟型數(shù)控機床的進給驅動。(1) 步進電動機的分類 :步進電動機分反應式和混合式兩大類。 反應式步進電動機又稱磁阻式步進電動機，根據(jù)不同的分相結構

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

5、一雙拍通電方式時， 步距角要比單拍通電減少一半。在實際中，單三拍通電方式由于在切換時一相繞組斷電而另一相繞組開始通電，容易造成失步且運行的穩(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。反應式步進電動機的轉子齒數(shù) z基本上由步距角的要求所決定。轉子的齒數(shù)就必須滿足一定條件， 而不能為任意數(shù)值。 當定子的相鄰極屬于不同的相時， 在某一極下若定子和轉子的齒對齊時， 則要求在相鄰極下的定子和轉子之間應錯開轉子齒距的 1/m, 即它們之間的空間位置上錯開360 mzr 角。由此可得出轉子齒數(shù)應符合的條件 :1zr2 p KmK =0,1,2,3,式中2 p 步進電動機

6、的定子極數(shù)；m 相數(shù)。步進電動機的步距角 s 由下式決定 :360smzrc式中 c 狀態(tài)系數(shù)， 當采用單三拍或雙三拍運行時取1, 采用六拍通電方式時取 2。若步進電動機通電的脈沖頻率為f , 則步進電動機的轉速 n (r/min) 為 :n60 fmzr c電動機的相數(shù)和齒數(shù)越多， 步距角s 就越小，又從上式可知， 這種步進電動機在一定的脈沖頻率下， 轉速亦越低。但相數(shù)越多，電源就越復雜，成本也越高。因此，步進電動機最多為6相。(3) 步進電動機的運行性能 :a. 靜特性，主要指靜態(tài)距角特性和最大靜轉矩特性。b. 動特性步進電動機的動特性直接影響系統(tǒng)的快速響應及工作的可靠性。 它與電動機的性

7、能和負載性質有關， 還和電源的特性及通電的方式有關， 其中有些因素還是屬于非線性的。(a) 步進運行狀態(tài)時的動特性若電動機繞組通電脈沖的時間間隔大于步進電動機機電過渡過程所需的時間，這時電動機為步進狀態(tài)。(b) 連續(xù)運行狀態(tài)時的動特性當控制繞組的電脈沖頻率增高，相應的時間間隔也減小，以至小于電動機機電過渡過程所需的時間， 形成連續(xù)運行狀態(tài)。 實際上，步進電動機大都是在連續(xù)運行狀態(tài)下工作的。 在這樣運行狀態(tài)下電動機所產生的轉矩稱為動態(tài)轉矩。步進電動機的最大動態(tài)轉矩和脈沖頻率的關系稱為矩頻特性。 步進電動機的最大動態(tài)轉矩將小于最大靜轉矩， 并隨著脈沖頻率的升高而降低。 在步進電動機運行時，對應于某

8、一頻率，只有當負載轉矩小于它在該頻率時的最大動態(tài)轉矩，電動機才能正常運轉。步進電動機的工作頻率是指電動機按指令的要求進行正常工作時的最大脈沖頻率。所謂正常工作就是說步進電動機不失步地工作， 即一個脈沖就移動一個步距角。步進電動機的起動頻率是指它在一定的負載轉矩下能夠不失步地起動的最高頻率。起動頻率的大小是由許多因素決定的， 繞組的時間常數(shù)越小， 負載轉矩和轉動慣量越小，步距角越小，則起動頻率越高。步進電動機的連續(xù)工作頻率又稱運行頻率。 它是指步進電動機起動后， 當控制脈沖連續(xù)發(fā)出時， 能不失步運行的最高頻率。 影響運行頻率的因素與影響起動頻率的因素基本上相同， 但是轉動慣量對運行頻率的影響不像

9、對起動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) 步進電動機的驅動電源 :對步進電動機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)直接控制步進電動機各相的通 / 斷電，步進電動機的每一相分別占用一個 I/O 端口。其缺點是控制軟件計算量大， 占用 CPU時間長，要以很高的頻率改變各 I/O 端口的電平，整個系統(tǒng)的可靠性較低。目前大部分數(shù)控系統(tǒng)是給出一個與步進電動機轉速相對應的方波信號和一個電平信號表示旋向， 經硬件環(huán)形脈沖分配器電路產生所要求的各相順序通 / 斷電信號。方波信號的頻率決定了步進電動機的轉速， 而電平信號的高低代表旋向。 優(yōu)點是無論是幾相步

10、進電動機， 都僅占用兩個 I/0 端口，由硬件電子線路產生對應于步進電動機各相的控制信號，步進電動機控制軟件簡單，占用數(shù)控系統(tǒng) CPU的時間短，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僅是數(shù)字邏輯控制信號， 一般是TTL電平，需經過功率放大后再接到步進電動機相應的相上帶動步進電動機正常旋轉。大部分步進電動機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成步進電動機驅動電源。常見的驅動電源主要有三種類型: 高低壓雙電源型、恒流斬波型和調頻調壓型。高低壓雙電源型是最基本的驅動放大器， 其電路比較簡單， 成本低。但是它不能解決由反電動勢所引起的繞組電流頂部凹陷的問題，

11、 從而導致電動機轉矩下降。恒流斬波型是為了解決電動機繞組電流頂部凹陷的問題。 在電動機運行頻率較低時應用效果是好的， 但在較高的頻率運行時其效果變差， 且會導致電動機運行時的噪聲有所增加。 調頻調壓型通過 低頻低壓，高頻高壓 的辦法有效地提高了電動機較高頻率運行時的轉矩。 但采用這種方法時要求給繞組供電的電源有較高的電壓，否則就會發(fā)生高頻時電壓調不上去的現(xiàn)象。3. 進給伺服電動機(1) 進給伺服電動機的負載計算 :數(shù)控機床進給系統(tǒng)的伺服電動機是根據(jù)負載條件來進行選擇的。 加在電動機軸上的負載有兩種 : 負載轉矩和負載慣量。負載轉矩包括切削轉矩和摩擦轉矩。本節(jié)要求重點掌握負載轉矩的計算及進給伺服

12、電動機慣量與負載慣量的匹配。a. 計算轉矩時應充分考慮的問題(a) 由于鑲條、壓板面所產生的摩擦轉矩必須充分考慮。(b) 由于軸承和滾珠絲杠螺母的預加負載和絲杠的預緊力作用，滾動接觸表面的摩擦轉矩都不能忽略。(c) 摩擦轉矩受進給速率的影響。(d) 同一臺機床上，摩擦轉矩也是隨調整情況、環(huán)境溫度和潤滑條件而變化的。b. 當伺服電動機選好后， 電動機慣量與負載慣量的匹配應與快速移動速度相適應。如果負載轉矩極大地超過額定轉矩， 進給傳動鏈各元件的使用壽命及精度將會大大受到影響 ( 特別是安裝在電動機軸上的小齒輪的使用壽命 ) 。根據(jù)這個道理，負載慣量折算到電動機軸上的總和 J1與電動機轉子慣量 J

13、m之間應有一定的關系，并保證小于或等于額定轉矩 ( 或者計算轉矩 ) 。這就是我們所說的電動機慣量與負載慣量的 匹配 。負載慣量與電動機慣量匹配的基本關系為 :J1ABJ mKA式中J m 電動機轉子慣量 kg cm 2；J1 負載慣量并折算到電動機軸上的總和(kg cmzhk 伺服電動機堵轉轉矩系數(shù)，或稱過電流系數(shù)； A 計算轉矩系數(shù)；B 負載轉矩系數(shù)， B A , 空載時為摩擦轉矩系數(shù)。關于 K 、 A 、 B 幾個系數(shù)的基本取值應該掌握。c. 選擇伺服電動機應滿足的條件。(a) 根據(jù)負載轉矩選擇電動機。負載轉矩應等于或小于電動機額定轉矩。(b) 負載轉矩加加速轉矩應等于所選擇電動機的最大

14、轉矩 ( 即由放大器限制的轉矩)。(c) 加速轉矩應考慮負載慣量和電動機慣量的匹配，還應考慮加速時間在允許范圍內。(d) 在空載時，加速轉矩應等于最大轉矩減去摩擦轉矩，其差值等于全部慣量 ( 電動機慣量 +負載慣量 ) 乘以角速度斜率。(2) 直流伺服電動機的特點與工作原理 :目前在數(shù)控機床進給驅動中采用的直流電動機主要是 70年代研制的大慣量寬調速直流伺服電動機。 分為電勵磁和永久磁鐵勵磁兩種， 占主導地位的是永磁式直流電動機。a. 永磁式寬調速直流電動機的特點(a) 能夠承受高的峰值電流，以滿足快的加減速要求；(b) 大慣量結構使其具有大的熱容量，可以允許較長的過載工作時間；(c) 低速高

15、轉矩特性和大慣量結構，使其可以與機床進給絲杠直接連接；(d) 在較大的加速度下仍具有良好的換相性能；(e) 絕緣等級高，從而保證電動機在反復過載的情況下仍有較長的壽命；(2) 在電動機軸上裝有精密的速度和位置檢測元器件，可以實現(xiàn)速度和位置的閉環(huán)控制。但是寬調速直流伺服電動機的控制不如步進電動機簡單， 快速響應性能不如小慣量電動機。由于其轉子耐溫可達 150200，高溫熱量會通過轉軸傳到絲杠，若不采取措施，絲杠的熱變形將影響傳動精度。電動機電刷易磨損，維修、保養(yǎng)也存在問題。b. 直流伺服電動機的速度控制單元直流伺服電動機是在其速度控制單元的控制下運轉的， 速度控制單元的性能直接決定了直流伺服電動

16、機的運行性能。 從直流伺服電動機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調速單元，是脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation)的縮寫。(a) 直流 PWM調速的基本原理。 利用大功率晶體管作斬波器， 其電源為直流固定電壓，開關頻率也為常值，根據(jù)控制信號的大小改變每一周期內 接通 和 斷開 的時間長短，即改變 接通 脈寬，使直流電動機電樞上電壓的 占空比 改變，從而改變其平均電壓，完成電動機轉速控制，這就是直流 PWM調速的基本原理。直流電動機電樞兩端電壓是一

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 電動機電磁結構常數(shù)；勵磁電通。(b) 速度控制單元的組成及其功用。速度調節(jié)器 得到電流調節(jié)器的給定輸入信號。電流調節(jié)器 得到 PWM脈寬調制器的控制信號。PWM調制器產生 PWM脈沖，經驅動電路放大后驅動晶體管斬波器。由于該斬波器有四只大功率晶體管，所以需要四路基極驅動信號。驅動電路全稱為大功率管 (GTR)的基極驅動電路，主要作用是將控制電路輸出飛的 PWM脈沖放大到足以驅動功率晶體管。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的方波脈沖，加于電動機的電樞兩端，以驅動電動機。直流伺服電動機及其速度檢測元件速度檢測元件發(fā)出的速度反饋信號給速度控制單元，用來控制電動機達到指令速度值。速度檢測元件常用的有兩種 : 一種是測速發(fā)電機，輸出電壓作為速度反饋信號。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， 它與電動機的轉速成正比。這一頻率信號，必須經過 頻率 / 電壓變換器 (F/V 變換器 ) 之后，才能變?yōu)殡妷毫?，作為速度反饋信號?c) 了解在實際的速度控制單元中經常采用的倍頻式脈寬調制器的組成原理。(3) 直流伺服電動機的選用 :這里介紹的有些方法， 不僅對于選用直

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

20、來說，負載慣量必須不大于電動機轉子慣量的三倍。(4) 交流伺服電動機的特點與工作原理 :直流進給伺服電動機和直流主軸電動機由于機械換向器和電刷的存在， 降低了電動機運行的可靠性， 增加了維護和保養(yǎng)的負擔， 交流伺服電動機因此用得越來越廣泛。a. 交流進給伺服電動機的基本結構和類型交流進給伺服電動機與直流進給伺服電動機相比較， 可理解為將定子與轉子的位置互換，直流電動機的永磁的定子變成為交流電動機的永磁的轉子， 而直流電動機的轉子繞組變成了交流電動機的定子繞組。 這樣就省去了機械換向器和電刷，代之以電子換向器或逆變器。事實上，按氣隙磁場的分布方式的不同，交流進給伺服電動機可分為兩種， 一種稱為無

21、刷直流電動機， 另一種稱為永磁同步電動機，無刷直流電動機其實也是交流電動機， 它的氣隙磁場是按方波分布， 而永磁同步電動機的氣隙磁場是按正弦波分布的。b. 無刷直流電動機及其速度控制單元(a) 無刷直流電動機在結構上相當于一臺反裝式的直流電動機。在無刷直流電動機的軸上裝有轉子位置檢測器、 測速發(fā)電機和光電脈沖編碼器。 測速發(fā)電機的輸出信號用做速度反饋。 而光脈沖編碼器的信號則送入 CNC裝置用做位置反饋。轉子位置檢測器有限多種類型， 但是輸出的信號是一樣的， 電子換向器正是根據(jù)它的三路輸出信號來對電動機進行換向的。(b) 無刷直流電動機的工作原理。無刷直流電動機相當于三個換向片的直流電動機，只

22、不過換向由晶體管來進行， 因結構上的限制電樞繞組及變流器靜止不動，而磁極是旋轉的。 其工作原理需要基本了解。 無刷直流電動機的定子繞組與電子換向器中的晶體管開關串聯(lián)。 事實上，元刷直流電動機也采用脈沖寬度調制(PWM)的方式來調速，與電動機定子繞組相串聯(lián)的晶體管既起到換向的作用，也要完成脈寬調制的任務。 從轉子位置檢測器發(fā)出的三路信號， 經過換向組合邏輯電路處理后，應得到六路換向脈沖波形。元刷直流電動機速度單元也采用轉速、 電流雙閉環(huán)的結構， 速度調節(jié)器和電流調節(jié)器均為比例積分型調節(jié)器。c. 正弦波永磁同步電動機及速度控制單元(a) 正弦波永磁同步電動機的基本結構。與無刷直流電動機一樣，正弦波

23、永磁同步電動機的轉子也是永磁體 ( 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勢。在正弦波永磁同步電動機的軸上裝有測速發(fā)電機， 其輸出信號可用做速度反饋。軸上還裝有轉子位置檢測器， 但與裝在無刷直流電動機上的檢測器不同的是，這里的檢測器應能測出電動機轉子精確的絕對轉角位置， 一般采用絕對式脈沖編碼器或旋轉變壓器。 位置檢測器的輸出信號有兩個用途 : 一是向 CNC裝置中的位置控制器提供位置反饋信號 : 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機的電磁轉矩。直流伺服電動機中轉矩是平穩(wěn)的。在無刷

24、直流電動機中，定子磁勢是脈動旋轉的，故電動機的電磁轉矩是脈動的。這一脈動對元刷直流電動機的性能產生不利的影響。 正弦波永磁同步電動機的電磁轉矩也是靠定子磁場與轉子磁場相互作用產生的。由于轉子 ( 磁場 ) 是旋轉的，所以定子磁場必須與轉子同步旋轉，才能產生平穩(wěn)的電磁轉矩。正弦波永磁同步電動機的電磁轉矩 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。它表明電磁轉矩是與定子電流的幅值I 成正比的。正弦波永磁同步電動機速度控制單元的結構需要學生正確掌握。節(jié)器采用的是比例積分算法。它的速度調4. 數(shù)控機床主軸電動機主軸驅動與進給驅動相比有相當大的差別， 但就主軸驅動的速度控

25、制系統(tǒng)而言，無論交流調速或是直流調速，與進給驅動系統(tǒng)并無實質的差別。(1) 數(shù)控機床主軸驅動的特殊問題 : a. 主軸控制對主軸電動機的要求(a) 主軸輸出大功率，因此對功率驅動電路提出了更高的要求。(b) 調速范圍要足夠大，一般要求能在 1:(1001000) 范圍內恒轉矩調速， 1:10恒功率調速，并能實現(xiàn)四象限驅動功能。早期的數(shù)控機床多采用晶閘管直流主軸驅動系統(tǒng)。 但由于直流電動機受換向限制，大多數(shù)系統(tǒng)恒功率調速范圍都很小。 目前，交流驅動系統(tǒng)逐步應用到數(shù)控機床主軸驅動。交流驅動性能已達到直流驅動系統(tǒng)的水平，而噪聲還有所降低，價格也不比直流驅動貴。b. 機床主傳 . 動和工作運動是旋轉運

26、動，無需絲杠和其他直線運動裝置，實現(xiàn)主軸無級調速后就可省去主軸多級變速箱，大大簡化機床的機械結構。 為滿足數(shù)控機床對主叫驅動的要求，主軸電動機應具備:功率大，大調速范圍內速度穩(wěn)定且恒功率調速范圍寬；斷續(xù)負載下電動機轉速波動小；加速、減速時間短；溫升低，噪聲小，振動小，可靠性高，壽命長，易維護，體積小，重量輕；電動機過載能力強等性能。c. 直流電動機作主軸電動機時不能用永磁式， 這樣才能有大的輸出功率。 直流電動機的過載能力一般約為 1.5 倍。恒轉矩調速范圍與恒功率調速范圍之比為 1:2 。對交流主軸電動機均采用專門設計的鼠籠式感應電動機的形式。交流電動機恒轉矩與恒功率調速范圍之比約 1:3,

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