數(shù)控技術(shù)CNC第5章數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)

1、第五章第五章 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)l重點(diǎn)：重點(diǎn)：l1伺服系統(tǒng)的作用、要求、分類、組成伺服系統(tǒng)的作用、要求、分類、組成l2 常用伺服電機(jī)工作原理及其驅(qū)動(dòng)裝置特點(diǎn)常用伺服電機(jī)工作原理及其驅(qū)動(dòng)裝置特點(diǎn) 5-1 5-1 概述概述 一、一、 伺服系統(tǒng)概念伺服系統(tǒng)概念 1. 1. 概念：概念： 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)是指數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床移動(dòng)部件以機(jī)床移動(dòng)部件位移和速度為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)位移和速度為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)包括進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)包括進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；主軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。主軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)的組成 伺服系統(tǒng)由伺服電

2、機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械傳動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、位置檢測(cè)裝置等組成位置檢測(cè)裝置等組成。 2 . 伺服系統(tǒng)的基本要求伺服系統(tǒng)的基本要求l1 ） 精度高精度高 伺服系統(tǒng)精度取決于機(jī)械傳伺服系統(tǒng)精度取決于機(jī)械傳動(dòng)精度和伺服系統(tǒng)最小分辨率精度。動(dòng)精度和伺服系統(tǒng)最小分辨率精度。l2）響應(yīng)快速）響應(yīng)快速 響應(yīng)速度提高，可以減小跟響應(yīng)速度提高，可以減小跟隨誤差，一般在隨誤差，一般在200 ms以內(nèi)。以內(nèi)。l3） 穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好 穩(wěn)定性直接影響數(shù)控加工穩(wěn)定性直接影響數(shù)控加工精度和表面粗糙度。精度和表面粗糙度。l4）調(diào)速范圍寬）調(diào)速范圍寬 R=nmax/nmin 進(jìn)給伺服與進(jìn)給

3、伺服與主軸范圍不一樣主軸范圍不一樣l5 ） 低速大轉(zhuǎn)矩低速大轉(zhuǎn)矩二、伺服系統(tǒng)的組成二、伺服系統(tǒng)的組成l 數(shù)控伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)（數(shù)控伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)（M M）、驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制轉(zhuǎn)換電路、）、驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制轉(zhuǎn)換電路、電力電子驅(qū)動(dòng)放大模塊、電流調(diào)解單元、速度調(diào)解單元、電力電子驅(qū)動(dòng)放大模塊、電流調(diào)解單元、速度調(diào)解單元、位置調(diào)解單元和相應(yīng)的檢測(cè)裝置（如光電脈沖編碼器位置調(diào)解單元和相應(yīng)的檢測(cè)裝置（如光電脈沖編碼器G G）等組成。一般閉環(huán)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖等組成。一般閉環(huán)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5.15.1所示。它是一所示。它是一個(gè)三環(huán)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其中，外環(huán)是位置環(huán)，中環(huán)是速度環(huán)，個(gè)三環(huán)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其中，外環(huán)是位置環(huán)，

4、中環(huán)是速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。l 位置環(huán)位置環(huán)由位置調(diào)節(jié)控制模塊、位置檢測(cè)和反饋控由位置調(diào)節(jié)控制模塊、位置檢測(cè)和反饋控制部分組成；制部分組成；l 速度環(huán)速度環(huán)由速度比較調(diào)節(jié)器、速度反饋和速度檢測(cè)由速度比較調(diào)節(jié)器、速度反饋和速度檢測(cè)裝置（如測(cè)速發(fā)電機(jī)、光電脈沖編碼器等）組成；裝置（如測(cè)速發(fā)電機(jī)、光電脈沖編碼器等）組成；l 電流環(huán)電流環(huán)由電流調(diào)節(jié)器、電流反饋和電流檢測(cè)環(huán)節(jié)由電流調(diào)節(jié)器、電流反饋和電流檢測(cè)環(huán)節(jié)組成。電力電子驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路和組成。電力電子驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路和功率放大器等組成。功率放大器等組成。 二、伺服系統(tǒng)的組成二、伺服系統(tǒng)的組成三、三、 對(duì)伺服電機(jī)的要

5、求對(duì)伺服電機(jī)的要求l1）在調(diào)速范圍內(nèi)，具有平穩(wěn)的運(yùn)行速度）在調(diào)速范圍內(nèi)，具有平穩(wěn)的運(yùn)行速度l2）具有較大較長(zhǎng)時(shí)間的過載能力）具有較大較長(zhǎng)時(shí)間的過載能力l3）具有較大的啟動(dòng)加速度）具有較大的啟動(dòng)加速度l4）能夠承受頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)）能夠承受頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)四四 、 伺服系統(tǒng)的分類伺服系統(tǒng)的分類l1 按控制方式劃分：按控制方式劃分： 開環(huán)控制系統(tǒng)；半閉控制環(huán)系統(tǒng)；閉環(huán)控開環(huán)控制系統(tǒng)；半閉控制環(huán)系統(tǒng)；閉環(huán)控制系統(tǒng)制系統(tǒng)。l2 按系統(tǒng)中執(zhí)行元件電動(dòng)機(jī)的類型劃分按系統(tǒng)中執(zhí)行元件電動(dòng)機(jī)的類型劃分 （1）步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 執(zhí)行元件為步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行元件為步進(jìn)電機(jī)（2）直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）直流伺服

6、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行元件為直流執(zhí)行元件為直流伺服電機(jī)。伺服電機(jī)。 （3）交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行元件為交流執(zhí)行元件為交流伺服電機(jī)。伺服電機(jī)。 5-2 5-2 步進(jìn)電機(jī)及開環(huán)控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)及開環(huán)控制系統(tǒng)l一一 、 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及種類步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及種類l步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī)步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī)它的輸入既不它的輸入既不是交流電，也不是直流電，而是電脈沖。是交流電，也不是直流電，而是電脈沖。l其主要特點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)輸出的角位移與輸其主要特點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)輸出的角位移與輸入的脈沖個(gè)數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成入的脈沖個(gè)數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。正比。l分類：分類：根據(jù)其結(jié)構(gòu)和材料大體分

7、為根據(jù)其結(jié)構(gòu)和材料大體分為可變磁可變磁阻式（反應(yīng)式）、永磁式和混合式（永磁阻式（反應(yīng)式）、永磁式和混合式（永磁感應(yīng)式）三種基本類型感應(yīng)式）三種基本類型。按輸出扭矩分：。按輸出扭矩分：伺服式（功率較小伺服式（功率較小)，功率式，功率式(功率較大）。功率較大）。二二 、 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理l 1. 結(jié)構(gòu)與原理結(jié)構(gòu)與原理l 左圖為徑向分左圖為徑向分相式三相步進(jìn)相式三相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)工作原理l工作原理：以三相反應(yīng)式為例步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理p步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（Step MotorStep Motor），是一種用電脈沖信），是一種用電脈沖信號(hào)控制

8、，可將電脈沖信號(hào)按正比關(guān)系轉(zhuǎn)換為角位號(hào)控制，可將電脈沖信號(hào)按正比關(guān)系轉(zhuǎn)換為角位移的執(zhí)行器。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率成移的執(zhí)行器。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率就可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)正比，通過改變脈沖頻率就可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果停機(jī)后某些相的繞組仍保持通電狀態(tài)，速。如果停機(jī)后某些相的繞組仍保持通電狀態(tài)，則還具有自鎖能力。則還具有自鎖能力。p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)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)，一般采用開環(huán)控制結(jié)構(gòu)。也有的采用步給驅(qū)動(dòng)，一般采用開環(huán)控制結(jié)構(gòu)。也有的采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床同時(shí)采用了位置檢測(cè)元進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床

9、同時(shí)采用了位置檢測(cè)元件，構(gòu)成了反饋補(bǔ)償型的驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)。件，構(gòu)成了反饋補(bǔ)償型的驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)。p 三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)除了單三拍通電方式外，還經(jīng)常工作在三三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)除了單三拍通電方式外，還經(jīng)常工作在三相六拍通電方式。這時(shí)通電順序?yàn)橄嗔耐姺绞健＿@時(shí)通電順序?yàn)锳ABBBCBAABBBCBCAACAA，或?yàn)?，或?yàn)锳ABCCBBAAAABCCBBAA。也就是說，先接通。也就是說，先接通A A相繞組；以后再同時(shí)接通相繞組；以后再同時(shí)接通A A、B B相繞組；然后斷開相繞組；然后斷開A A相繞組，相繞組，使使B B相繞組單獨(dú)接通；再同時(shí)接通相繞組單獨(dú)接通；再同時(shí)接通B B、C C相繞組，依此進(jìn)行。相繞組，

10、依此進(jìn)行。在這種通電方式時(shí)，定子三相繞組需經(jīng)過六次切換才能完在這種通電方式時(shí)，定子三相繞組需經(jīng)過六次切換才能完成一個(gè)循環(huán)，故稱為成一個(gè)循環(huán)，故稱為“六拍六拍”，而且在通電時(shí)，有時(shí)是單，而且在通電時(shí)，有時(shí)是單個(gè)繞組接通，有時(shí)又為兩個(gè)繞組同時(shí)接通，因此稱為三相個(gè)繞組接通，有時(shí)又為兩個(gè)繞組同時(shí)接通，因此稱為三相六拍。在這種通電方式時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角與單三拍六拍。在這種通電方式時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角與單三拍時(shí)的情況有所不同。在單三拍通電方式中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每時(shí)的情況有所不同。在單三拍通電方式中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每經(jīng)過一拍，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的步距角經(jīng)過一拍，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的步距角3030 。采用單、雙六拍通。采用單、雙六

11、拍通電方式后，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由電方式后，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由A A相繞組單獨(dú)通電到相繞組單獨(dú)通電到B B相繞組單獨(dú)相繞組單獨(dú)通電，中間還要經(jīng)過通電，中間還要經(jīng)過A A、B B兩相同時(shí)通電這個(gè)狀態(tài)，也就是兩相同時(shí)通電這個(gè)狀態(tài)，也就是說要經(jīng)過二拍轉(zhuǎn)子才轉(zhuǎn)過說要經(jīng)過二拍轉(zhuǎn)子才轉(zhuǎn)過3030。所以這種通電方式下，三。所以這種通電方式下，三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角 。152/30s步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理p 同一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，因通電方式不同，運(yùn)行時(shí)的步距角也同一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，因通電方式不同，運(yùn)行時(shí)的步距角也是不同的。采用單、雙拍通電方式時(shí)，步距角要比單拍通是不同的。采用單、雙拍通電方式時(shí)，

12、步距角要比單拍通電方式減少一半。實(shí)際使用中，單三拍通電方式由于在切電方式減少一半。實(shí)際使用中，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。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。此外，由單一繞組通電吸引轉(zhuǎn)子，也容易使轉(zhuǎn)子在平衡位此外，由單一繞組通電吸引轉(zhuǎn)子，也容易使轉(zhuǎn)子在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，運(yùn)行的穩(wěn)定性較差，所以很少采用。通置附近產(chǎn)生振蕩，運(yùn)行的穩(wěn)定性較差，所以很少采用。通常將它改成雙三拍通電方式，即按常將它改成雙三拍通電方式，即按ABBCCAABABBCCAAB的通電的通電順序運(yùn)行，這時(shí)每個(gè)通電狀態(tài)均為兩相繞組同時(shí)通電。在順序運(yùn)行，這時(shí)每個(gè)通電狀態(tài)均為

13、兩相繞組同時(shí)通電。在雙三拍通電方式下步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置與單、雙六拍通雙三拍通電方式下步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置與單、雙六拍通電方式時(shí)兩個(gè)繞組同時(shí)通電的情況相同。所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電方式時(shí)兩個(gè)繞組同時(shí)通電的情況相同。所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按雙三拍通電方式運(yùn)行時(shí)，它的步距角和單三拍通電方式按雙三拍通電方式運(yùn)行時(shí)，它的步距角和單三拍通電方式相同，也是相同，也是3030。p反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)z l步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角： 步距角指步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)每改步距角指步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。 z轉(zhuǎn)子的齒數(shù)，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)，

14、k狀態(tài)系數(shù)。狀態(tài)系數(shù)。)1(2mKpzmzk3602.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特性p步距角和靜態(tài)步距誤差：步距角和靜態(tài)步距誤差： 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角步距角是決定開環(huán)伺服系統(tǒng)脈沖當(dāng)是決定開環(huán)伺服系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的重要參數(shù)，數(shù)控機(jī)床中常見的反應(yīng)式步進(jìn)電量的重要參數(shù)，數(shù)控機(jī)床中常見的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角一般為動(dòng)機(jī)的步距角一般為0.50.533，一般情況下，一般情況下，步距角越小，加工精度越高。步距角越小，加工精度越高。 靜態(tài)步距誤差靜態(tài)步距誤差指理論的步距角和實(shí)際的步距角之指理論的步距角和實(shí)際的步距角之差，以分表示，一般在差，以分表示，一般在10/10/之內(nèi)。步距誤差主要之內(nèi)。步距誤差主

15、要由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)齒距制造誤差，定子和轉(zhuǎn)子間氣隙由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)齒距制造誤差，定子和轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻以及各相電磁轉(zhuǎn)矩不均勻等因素造成的。不均勻以及各相電磁轉(zhuǎn)矩不均勻等因素造成的。步距誤差直接影響加工精度及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)步距誤差直接影響加工精度及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。特性。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特性p起動(dòng)頻率起動(dòng)頻率fq 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，由靜止突然起動(dòng)，并進(jìn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，由靜止突然起動(dòng)，并進(jìn)入不丟步的正常運(yùn)行所允許的最高頻率值，稱入不丟步的正常運(yùn)行所允許的最高頻率值，稱為起動(dòng)頻率或突跳頻率，用為起動(dòng)頻率或突跳頻率，用fqfq表示。若起動(dòng)時(shí)表示。若起動(dòng)時(shí)頻率大于突跳頻率，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就不能正常起

16、頻率大于突跳頻率，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就不能正常起動(dòng)。動(dòng)。fqfq與負(fù)載慣量有關(guān)，一般說來隨著負(fù)載慣與負(fù)載慣量有關(guān)，一般說來隨著負(fù)載慣量的增長(zhǎng)而下降?？蛰d起動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定量的增長(zhǎng)而下降?？蛰d起動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率。率。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特性p連續(xù)運(yùn)行最高工作頻率連續(xù)運(yùn)行最高工作頻率fmax：p步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，它所能接受的，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，它所能接受的，即保證不丟步運(yùn)行的極限頻率值。即保證不丟步運(yùn)行的極限頻率值。fmaxfmax稱稱為最高工作頻率。它是決定定子繞組通電為最高工作頻率。它是決定定子繞組通電狀

17、態(tài)最高變化頻率的參數(shù)，它決定了步進(jìn)狀態(tài)最高變化頻率的參數(shù)，它決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。其值遠(yuǎn)大于電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。其值遠(yuǎn)大于fqfq，且隨，且隨負(fù)載的性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)動(dòng)電源也有負(fù)載的性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)動(dòng)電源也有很大關(guān)系。很大關(guān)系。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特性p加、減速特性加、減速特性 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加、減速特性是描步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加、減速特性是描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到工作頻率和由工作頻率到述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加、減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變靜止的加、減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時(shí)間的關(guān)系。當(dāng)要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)到化頻率與時(shí)間的關(guān)系。當(dāng)要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)

18、到大于突跳頻率的工作頻率停止時(shí)，變化速度必須大于突跳頻率的工作頻率停止時(shí)，變化速度必須逐漸下降。逐漸上升和下降的加速時(shí)間，減速時(shí)逐漸下降。逐漸上升和下降的加速時(shí)間，減速時(shí)間不能過小，否則會(huì)出現(xiàn)失步或超步。這里用加、間不能過小，否則會(huì)出現(xiàn)失步或超步。這里用加、減速時(shí)間常數(shù)減速時(shí)間常數(shù)TaTa和和TdTd來描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的升速和來描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的升速和降速特性，如圖降速特性，如圖5.245.24所示。所示。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特性p矩頻特性和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矩頻特性和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩 矩頻特性描述步進(jìn)電矩頻特性描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行動(dòng)機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系，如

19、圖所示。該特性上每頻率之間的關(guān)系，如圖所示。該特性上每一頻率值對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，動(dòng)態(tài)一頻率值對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而下降。轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而下降。（3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選用）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選用p 合理選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)對(duì)開環(huán)伺服控制系統(tǒng)相當(dāng)重要。通合理選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)對(duì)開環(huán)伺服控制系統(tǒng)相當(dāng)重要。通常希望步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率常希望步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率高，步距誤差小，性能價(jià)格比高。但增大轉(zhuǎn)矩與快速運(yùn)高，步距誤差小，性能價(jià)格比高。但增大轉(zhuǎn)矩與快速運(yùn)行存在一定矛盾，高性能與低成本存在矛盾。因此，在行存在一定矛盾，高性能與低成本

20、存在矛盾。因此，在實(shí)際選用時(shí)必須綜合考慮。首先，應(yīng)考慮系統(tǒng)的精度和實(shí)際選用時(shí)必須綜合考慮。首先，應(yīng)考慮系統(tǒng)的精度和速度的要求。為了提高精度，希望脈沖當(dāng)量小。但是脈速度的要求。為了提高精度，希望脈沖當(dāng)量小。但是脈沖當(dāng)量越小，系統(tǒng)的運(yùn)行速度越低。故應(yīng)兼顧精度與速?zèng)_當(dāng)量越小，系統(tǒng)的運(yùn)行速度越低。故應(yīng)兼顧精度與速度的要求來選定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量。在脈沖當(dāng)量確定以后，度的要求來選定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量。在脈沖當(dāng)量確定以后，又可以此為依據(jù)來選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)又可以此為依據(jù)來選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角從理論上說是固定的，的傳動(dòng)比。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角從理論上說是固定的，但

21、實(shí)際上還是有誤差的。另外，負(fù)載轉(zhuǎn)矩也將引起步進(jìn)但實(shí)際上還是有誤差的。另外，負(fù)載轉(zhuǎn)矩也將引起步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定位誤差。通常應(yīng)將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距誤差、電動(dòng)機(jī)的定位誤差。通常應(yīng)將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距誤差、負(fù)載引起的定位誤差和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的誤差全部考慮在內(nèi)，負(fù)載引起的定位誤差和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的誤差全部考慮在內(nèi)，使總的誤差小于數(shù)控機(jī)床允許的定位誤差。使總的誤差小于數(shù)控機(jī)床允許的定位誤差。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選用 （4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)p 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作方式：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作方式和一般電動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作方式：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作方式和一般電動(dòng)機(jī)的不同，它是采用脈沖控制方式工作的。只有按機(jī)的不同，它是采用脈

22、沖控制方式工作的。只有按定規(guī)定規(guī)律對(duì)各相繞組輪流通電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。數(shù)控律對(duì)各相繞組輪流通電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床中采用的功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有三相、四相、五相和六相機(jī)床中采用的功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有三相、四相、五相和六相等。工作方式有單等。工作方式有單m m拍，雙拍，雙m m拍、三拍、三m m拍及拍及2m2m拍等，拍等，m m是電動(dòng)是電動(dòng)機(jī)的相數(shù)。所謂單機(jī)的相數(shù)。所謂單m m拍是指每拍只有一相通電，循環(huán)拍數(shù)拍是指每拍只有一相通電，循環(huán)拍數(shù)為為m m；雙；雙m m拍是指每拍同時(shí)有兩相通電，循環(huán)拍數(shù)為拍是指每拍同時(shí)有兩相通電，循環(huán)拍數(shù)為m m；三；三m m拍是每拍有三相通電，循環(huán)拍數(shù)為

23、拍是每拍有三相通電，循環(huán)拍數(shù)為m m拍；拍；2m2m拍是各拍既有拍是各拍既有單相通電，也有兩相或三相通電，通常為單相通電，也有兩相或三相通電，通常為1212相通電或相通電或2 23 3相通電，循環(huán)拍數(shù)為相通電，循環(huán)拍數(shù)為2m2m，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相數(shù)越多，工作方，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相數(shù)越多，工作方式也越多。式也越多。p步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路p 脈沖分配 采用軟件實(shí)現(xiàn)。利用查表或計(jì)算來進(jìn)行脈沖的環(huán)形分配，簡(jiǎn)稱軟環(huán)分。表5.3為三相六拍分配狀態(tài)，可將表中狀態(tài)代碼01H、03H、02H、06H、04H、05H列入程序數(shù)據(jù)表中，通過軟件可順次在數(shù)據(jù)表中提取數(shù)據(jù)并通過輸出接口輸出即可

24、，通過正向順序讀取和反向順序讀取可控制電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)。通過控制讀取一次數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔可控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。該方法能充分利用計(jì)算機(jī)軟件資源以降低硬件成本，尤其是對(duì)多相的脈沖分配具有更大的優(yōu)點(diǎn)。但由于軟環(huán)分占用計(jì)算機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，故會(huì)使插補(bǔ)次的時(shí)間增加，從而影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度。脈沖分配脈沖分配 采用小規(guī)模集成電路搭接而成的三相六拍環(huán)形脈沖分配器，如圖5.27所示。圖中C1、C2、C3為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。這種方式靈活性很大，可搭接任意相任意通電順序的環(huán)形分配器，同時(shí)在工作時(shí)不占用計(jì)算機(jī)的工作時(shí)間。 脈沖分配 采用專用環(huán)形分配器器件，如市售的CH250即為一種三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)專用分配器。它可以實(shí)現(xiàn)三相

25、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各種環(huán)形分配，使用方便、接口簡(jiǎn)單。圖5.28（a）所示為CH250的管腳，圖5.28（b）為三相六拍接線。其工作狀態(tài)如表5.4所列。計(jì)算機(jī)三相六拍環(huán)形分配表（查表法）步序 導(dǎo)電相 工作狀態(tài) 數(shù)值（16進(jìn)制） 程序的數(shù)據(jù)表 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) CBA A00101H TAB0 DB 01H AB01103H TAB1 DB 03HB01002H TAB2 DB 02HBC11006H TAB3 DB 06HC10004H TAB4 DB 04HCA10105H TAB5 DB 05H5-3 5-3 直流、交流伺服驅(qū)動(dòng)直流、交流伺服驅(qū)動(dòng) （閉環(huán)控制系統(tǒng)）（閉環(huán)控制系統(tǒng)）l閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)執(zhí)行

26、元件為直流、交流閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件為直流、交流伺服電機(jī)。伺服電機(jī)。l一、一、 直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)l 直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，在以往直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，在以往的數(shù)控機(jī)床上得到廣泛使用。直流伺服電機(jī)的數(shù)控機(jī)床上得到廣泛使用。直流伺服電機(jī)分為有刷和無刷兩種基本類型。分為有刷和無刷兩種基本類型。l有刷直流伺服電機(jī)通常采用永久磁鐵做定子有刷直流伺服電機(jī)通常采用永久磁鐵做定子。而無刷電機(jī)而無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子為永久磁鐵轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，定子為電樞。，定子為電樞。1.直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理p直流伺服電動(dòng)機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子和電刷三部分直流伺服電動(dòng)機(jī)主要

27、由定子、轉(zhuǎn)子和電刷三部分組成。定子磁場(chǎng)由定子的磁極產(chǎn)生。根據(jù)產(chǎn)生磁組成。定子磁場(chǎng)由定子的磁極產(chǎn)生。根據(jù)產(chǎn)生磁場(chǎng)的方式，將直流伺服電動(dòng)機(jī)分為永磁式和電磁場(chǎng)的方式，將直流伺服電動(dòng)機(jī)分為永磁式和電磁式（它勵(lì)式）。式（它勵(lì)式）。p永磁式的磁極由永磁材料制成，電磁式（它勵(lì)式）永磁式的磁極由永磁材料制成，電磁式（它勵(lì)式）的磁極由沖壓硅鋼片疊壓而成，需要在勵(lì)磁線圈的磁極由沖壓硅鋼片疊壓而成，需要在勵(lì)磁線圈中通直流電流才能產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。中通直流電流才能產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。p轉(zhuǎn)子又叫電樞，由硅鋼片疊壓而成，表面嵌有線轉(zhuǎn)子又叫電樞，由硅鋼片疊壓而成，表面嵌有線圈，通以直流電時(shí)，在定子磁場(chǎng)使用下產(chǎn)生帶動(dòng)圈，通以直流電時(shí)，

28、在定子磁場(chǎng)使用下產(chǎn)生帶動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。為使所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩保負(fù)載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。為使所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定方向，需要采用機(jī)械方式（電刷、換向片）持恒定方向，需要采用機(jī)械方式（電刷、換向片）換向。一般電刷與外加直流電源相接，換向片與換向。一般電刷與外加直流電源相接，換向片與電樞導(dǎo)體相接。直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與普電樞導(dǎo)體相接。直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與普通直流電動(dòng)機(jī)相同，只是為滿足快速響應(yīng)的要求，通直流電動(dòng)機(jī)相同，只是為滿足快速響應(yīng)的要求，結(jié)構(gòu)上細(xì)長(zhǎng)一些。結(jié)構(gòu)上細(xì)長(zhǎng)一些。 p電磁式（它勵(lì)式）和永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)的原電磁式（它勵(lì)式）和永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)的原理和接線如圖所示：理和接線如

29、圖所示： 直流伺服電機(jī)工作原理圖p依據(jù)電機(jī)學(xué)原理，可推導(dǎo)出直流伺服電動(dòng)機(jī)電磁依據(jù)電機(jī)學(xué)原理，可推導(dǎo)出直流伺服電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩T計(jì)算公式，即計(jì)算公式，即cmcTICIKT二二. 交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)l直流伺服電機(jī)存在機(jī)械整流子、電刷維護(hù)直流伺服電機(jī)存在機(jī)械整流子、電刷維護(hù)困難，造價(jià)高，壽命短、應(yīng)用環(huán)境受限制困難，造價(jià)高，壽命短、應(yīng)用環(huán)境受限制的缺點(diǎn)。而交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐用的缺點(diǎn)。而交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐用可靠，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，驅(qū)動(dòng)調(diào)速技術(shù)日益成可靠，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，驅(qū)動(dòng)調(diào)速技術(shù)日益成熟。熟。l用三相交流電驅(qū)動(dòng)的伺服電機(jī)叫用三相交流電驅(qū)動(dòng)的伺服電機(jī)叫AC伺服電伺服電機(jī)。機(jī)。AC伺服電機(jī)按工作原理劃分為：永磁伺服電機(jī)按工作原理劃分為：永磁同步型；異步感應(yīng)型。同步型；異步感應(yīng)型。1. 永磁同步型永磁同步型AC伺服電機(jī)伺服電機(jī)l永磁同步型永磁同步型AC伺服電機(jī)，轉(zhuǎn)子用伺服電機(jī)，轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，定子裝有三相對(duì)稱永磁材料制成，定子裝有三相對(duì)稱繞組，通入三相對(duì)稱、