第七章數(shù)控機床伺服系統(tǒng)

1、第七章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)第一節(jié) 概述數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)是CNC插補器的輸出，信號作為輸入用來控制機床部件的位置和速度的自動控制系統(tǒng)，也稱隨動系統(tǒng)，進給拖動系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的輸入量來自數(shù)控裝置發(fā)出的進給脈沖或進給位移量，伺服系統(tǒng)的輸出就是能直接驅動伺服電機所需的電壓或電流，從而經(jīng)伺服電機傳動系統(tǒng)，使機床的工作臺等產(chǎn)生精確的位移。伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分，伺服系統(tǒng)的性能在很大的程度上決定了數(shù)控機床的性能。例如，數(shù)控機床的最高移動速度，跟蹤速度，定位速度等指標均與伺服系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能有關。因此，伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機床的關鍵技術之一。圖7-1 伺服系統(tǒng)的一般結構圖數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的一般

2、結構如圖7-1所示。這是一個雙閉環(huán)系統(tǒng)，內環(huán)是速度環(huán)，外環(huán)是位置環(huán)。速度環(huán)中用作速度反饋的檢測裝置，目前大多數(shù)通過位置量的微分得到速度。速度控制單元由速度調節(jié)器，電流調節(jié)器及功率驅動放大器等組成。位置環(huán)是由CNC裝置中的位置控制模塊、速度單元、位置檢測及反饋控制等組成。位置控制主要是對機床運動坐標軸進行控制使之滿足一定的位置精度，速度控制在滿足位置控制的前提下，按系統(tǒng)的參數(shù)與控制速度使之以最快響應且無超調滿足進給要求。第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的基本性能指標的要求及分類一、對性能指標的要求（1）控制精度高 伺服系統(tǒng)的控制精度是指反映出輸出量的精度程度，當然最終還要看機床的精度，對定位精度和輪廓加工精度要

3、求都比較高，對一般切削加工的數(shù)控機床定位精度一般為0.10.001mm，對于高精度高速切削及高檔磨床其精度要求達到0.1m，控制精度不得低于機床的總體精度。一般總體機床精度為0.01mm對控制精度不得低于0.005mm較為合適。（2）穩(wěn)定性好 穩(wěn)定性是指系統(tǒng)受外界干擾要小，在外界干擾作用下，能在短暫的時間內恢復到原來的平衡狀態(tài)。伺服系統(tǒng)有較強的抗干擾能力，確保進給速度的正常工作。（3）快速響應 快速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質的重要指標，它反映了系統(tǒng)在確保精度的前提下的跟蹤速度，穩(wěn)定性是指系統(tǒng)受外界干擾要小，當穩(wěn)定輸入發(fā)生跳變時，系統(tǒng)能在較短的時間內從一個狀態(tài)過度到新的狀態(tài)，要求伺服系統(tǒng)跟蹤指令信號

4、的響應更快。（4）調速范圍寬 調速范圍RN是指生產(chǎn)機械要求電機能提供的最高轉速nmax和最低轉速nmin之比，通常RN=nmax/nmin ，式中，nmax和nmin一般都是指額定轉矩下的轉速。在中、高檔數(shù)控機床中就要求伺服系統(tǒng)具有足夠寬的調速范圍。目前，最先進的水平是，在進給速度范圍已可達到脈沖當量為1m的情況之下，進給速度以0240m/min連續(xù)可調。但對于一般中檔數(shù)控機床而言，要求伺服系統(tǒng)在024m/min進給速度下都能工作就足夠了。一般來說，對于要求速度范圍為1:20000的位置控制系統(tǒng)，在總的開環(huán)位置增益為20（1/s）時，只要保證速度單元具有1:1000的調速范圍就完全可以滿足要求

5、。當然，現(xiàn)代數(shù)控機床中最先進水平的速度控制單元的技術已達到1:100000的調速范圍。對于主軸伺服系統(tǒng)主要是速度及準?？刂?，它要求1:1001000范圍內的恒轉矩調速和1：10以上的恒功率調速，而且保證足夠大的輸出功率。（5）低速大轉矩 一般切削加工時，大切削量均采用低速進給，所以要求伺服系統(tǒng)在低速時要有大的轉矩輸出。進給伺服控制屬于恒轉矩控制，而主軸伺服控制在低速時為恒轉矩控制，在高速時為恒功率控制，在低速下要減小或消除難以解決的爬行現(xiàn)象及低速振動噪音。對于主軸用的伺服系統(tǒng)有時可以用一個的進給伺服系統(tǒng)來替代主軸伺服系統(tǒng)，一般為速度控制系統(tǒng)，除上面的一般要求之外，還具有下面的控制功能：1）準停

6、控制 為了自動換刀，要求主軸能進行高精度的準確位置停止。2）角度分析控制 分度有兩種：一是固定的等分角位置控制。二是連續(xù)的任意角度控制。（作特殊加工時，主軸坐標有了進給坐標的功能，稱為“C”軸控制。）為了滿足對伺服系統(tǒng)的要求，對伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件伺服電機也相應提出高精度、快反映、寬調速和大轉矩的要求，一般具備小慣量大轉矩的具體特征。3）最低進給速度到最高進給速度范圍都能穩(wěn)定運行平滑過度。4）進給電機應具有大的較長時間的過載能力，一般能過載4-5倍左右，持續(xù)時間達10分鐘以上，轉動慣量要小。5）滿足快速響應的要求，一般進給伺服電機做成細長，高檔進給具備400rad/s2以上的加速度，保證電機在0

7、.2s以內從靜止起動到1500rad/min。6）電機應能承受頻繁的起動制動和反轉，20次/min以上。二、伺服系統(tǒng)的分類1. 按調節(jié)理論分類1）開環(huán)伺服系統(tǒng) 開環(huán)伺服系統(tǒng)即無位置反饋的系統(tǒng)，其驅動元件主要是功率步進電機或電液脈沖馬達，這兩種驅動元件不用位置檢測元件實現(xiàn)定位，而是靠驅動裝置本身，轉過的角度正比于指令脈沖的個數(shù)，運動速度由進給脈沖的頻率決定。2）閉環(huán)伺服系統(tǒng) 閉環(huán)系統(tǒng)實際上是誤差控制的隨動系統(tǒng)，數(shù)控機床進給系統(tǒng)的誤差是CNC輸出的位置當指令和機床工作臺移動實際位置的差值。閉環(huán)系統(tǒng)具備位置檢測裝置，該裝置測出實際直線位移成實際角位移，并將測量值反饋給伺服控制系統(tǒng)給定量進行比較，求得

8、誤差。作為下一環(huán)節(jié)的輸入并進行控制，構成閉環(huán)位置控制。由于閉環(huán)伺服系統(tǒng)是反饋控制，反饋測量裝置精度高，所以系統(tǒng)傳動鏈的誤差可得到補償從而大大提高了跟隨精度和定位精度。目前閉環(huán)系統(tǒng)的分辨率多為1m定位精度可達±0.01±0.05mm，高精度系統(tǒng)分辨率可達0.1m。3）半閉環(huán)系統(tǒng) 位置檢測元件裝在進給電機軸上，從電機軸到實際位移一般為機械傳動不用檢測，這個機械傳動鏈的誤差一般可看以固定不變的可以用加工程序來補償（如間隙等），一般地半閉環(huán)系統(tǒng)的精度低于閉環(huán)系統(tǒng)。對于伺服系統(tǒng)的電控部分來說半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的控制原理上是一樣的，只是閉環(huán)系統(tǒng)環(huán)內包括較多的機械傳動部件，傳動誤差均可被補

9、償，理論上精度可以達到很高，而半閉環(huán)往復還不能全部消除傳動鏈造成的誤差，但由于半閉環(huán)比閉環(huán)調整容易，因此目前使用半閉環(huán)系統(tǒng)較多，只在具備性能穩(wěn)定，使用過程溫差變化不大的高精度數(shù)控機床上才使用全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。2. 按使用的驅動元件分類1）電液系統(tǒng) 電液系統(tǒng)的執(zhí)行元件為液壓元件，其前一級為電氣元件，驅動元件為液動機和液壓缸，常用的有電液脈沖馬達和電液伺服馬達。電液脈沖馬達驅動力矩大，但制造成本高、壽命不太長，所以只是在具有特殊要求時，才采用電液伺服系統(tǒng)。2）電氣伺服系統(tǒng) 電氣伺服系統(tǒng)全部采用電子器件和電機部件，隨著電子工業(yè)的發(fā)展，制造成本越來越低，可靠性越來越高。電氣伺服系統(tǒng)中的驅動元件主要有步進

10、電機、直流伺服電機和交流伺服電機。3、按執(zhí)行電機類型分類1）直流伺服系統(tǒng) 直流伺服系統(tǒng)常用的伺服電機有小慣量直流伺服電機和永磁直流伺服電機。永磁直流伺服電機能在較大過載轉矩下長時間工作以及電機的轉子慣量較大，能直接與絲杠相連而不需中間傳動位置。此外，它還有一個特點是可在低速下運轉，如能在1r/min甚至在0.1/min下平穩(wěn)地運轉。因此，這種直流伺服系統(tǒng)在數(shù)控機床上獲得了廣泛的運用。永磁直流伺服電機的缺點是有電刷，限制了轉速的提高，一般額定轉速為10001500r/min，而且結構復雜，價格較貴。2）交流伺服系統(tǒng) 交流伺服系統(tǒng)使用交流異步伺服電機和永磁同步伺服電機，交流伺服電機沒有電刷換向器，

11、維護保養(yǎng)簡單且轉子慣量較有直流電機小，使得動態(tài)響應好，另外在同樣體積下，交流電機的輸出功率可比直流電機提高50%左右，交流電機的容量可以比直流電機造得大，達到更高的電壓和轉速。4. 驅動軸分類1）進給伺服系統(tǒng) 它包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。進給伺服系統(tǒng)完成各坐標軸的進給運動，快速響應好，精度高，具有定位和輪廓跟蹤功能，是數(shù)控機床中要求最高的伺服控制。2）主軸伺服系統(tǒng) 一般的主軸控制只是一個速度控制系統(tǒng)，主要實現(xiàn)主軸的旋轉運動，提供切削過程中任意轉速的轉矩和功率，對于具有準停控制的主軸與進給伺服系統(tǒng)一樣，有時就用進給伺服系統(tǒng)來替代主軸伺服系統(tǒng)。5. 按反饋量的方式分類1）脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)

12、該系統(tǒng)是閉環(huán)伺服系統(tǒng)中的一種控制方式，它是將數(shù)控裝置發(fā)出的數(shù)字（或脈沖）指令信號與檢測裝置測得的以數(shù)字（或脈沖）形式表示的反饋信號直接進行比較，以產(chǎn)生位置誤差，達到閉環(huán)控制。脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)結構簡單、容易實現(xiàn)、整機控制穩(wěn)定，在一般數(shù)控伺服系統(tǒng)中應用十分普遍。2）相位比較伺服系統(tǒng) 在相位比較伺服系統(tǒng)中，給定量與反饋量都變成某個載波的相位通過檢相器作兩者相位比較，獲得實際位置與給定位置的偏差，實現(xiàn)閉環(huán)控制。相位伺服系統(tǒng)對于感應式檢測元件如旋轉變壓器，感應同步器較適用。3）幅值比較伺服系統(tǒng) 幅值比較伺服系統(tǒng)是以位置檢測信號的幅值大小來反映位移量。系統(tǒng)工作時要將此幅值信號轉換成數(shù)字信號，然后給定

13、數(shù)字信號進行比較，從而獲得位置偏差信號構成閉環(huán)系統(tǒng)。在現(xiàn)代數(shù)控中相位比較和幅值比較系統(tǒng)從結構上和安裝維護上都比脈沖、數(shù)字比較系統(tǒng)復雜和要求高，在一般情況下脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)應用廣泛，而相位比較系統(tǒng)又比幅值比較系統(tǒng)應用的多。第三節(jié) 用步進電機工作開環(huán)伺服系統(tǒng)一、步進電機簡介步進電機是較早實用的典型的機電一體化元件組件。步進電動機本體、步進電動機驅動器和控制器構成步進電動機系統(tǒng)不可分割的三大部分。1. 步進電動機具有自身的特點，歸納起來有：1）可以用數(shù)字信號直接進行開環(huán)控制，整個系統(tǒng)造價低。2）位移與輸入脈沖信號樹相對應，步距誤差不長期積累，可以組成結構較為簡單而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，

14、也可以在要求高精度時組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。3）無刷，電動機本體部件少，可靠性高。4）易于起動，停止，正反轉及變轉。5）停止時，可以通電自鎖。6）速度可在相當寬的范圍內平滑調節(jié)，同時用一臺控制器控制幾步電動機，可使它們完全同步運行。7）步進電動機帶慣性負載能力差。8）由于存在失步和低頻共振，因此步進電動機的加減方法根據(jù)利應用狀態(tài)的不同而復雜化。2. 步進電動機的常用術語1）步距角 指每給一個電脈沖信號電動機轉子所應轉過的角度的理論值。步距角 b =360°/（m·z·Kc） (7-1)式中 z 轉子齒數(shù)；m1運行拍數(shù)，通常等于相數(shù)或相數(shù)的整數(shù)倍，即m1=km；m 電動機

15、相數(shù)；Kc 通電方式。2）齒距角 相鄰兩齒中心線間的夾角，通常定子和轉子具有相同的齒距角。 3）零位或初始穩(wěn)定平衡位置 指不變繞組通電狀態(tài)，轉子在理想空載狀態(tài)下的平衡位置。4）失調角 失調角是指轉子偏離理論平衡點的角度。5）矩角特性 矩角特性是指不改變各相繞組的通電狀態(tài)，即一相或幾相繞組同時通以直流電流時，電磁矩與失調角的關系，即 T=f()。6）最大靜轉矩 矩角特性上轉矩最大值Tk稱為最大靜轉矩7）最大靜轉矩特性 繞組電流改變時，最大靜轉矩與相應電流的關系 Tk=f(I)為最大轉矩特性。8）誤差 步進電動機的誤差有兩種：一是最大步矩誤差，是指電動機旋轉一周內相鄰兩步之間最大步矩和理想步矩角的

16、差值，用理想布局的百分數(shù)表示；二是最大累計誤差，是指任意位置開始經(jīng)過任意步之間，角位移誤差的最大值。9）響應頻率 在步進電動機可以任意運動而不丟步，最大頻率稱為響應頻率，通常用起動頻率fs來作為衡量的指標。它是指在一定的負載下直接起動而不失步的極限頻率，稱為極限起動頻率或突跳頻率。10）運行頻率 指在額定負載下使頻率連續(xù)上升時，步進電動機能不失步運行的極限頻率。11）起動矩頻特性 負載慣量一定時，起動頻率與負載轉矩之間的關系稱為起動矩頻特性，也稱牽入特性。12）運行矩頻特性 在負載慣量一定時運行頻率與負載轉矩之間的關系稱為矩頻特性，又稱牽出特性。13）慣頻特性 在負載力矩一定時，頻率和負載慣量

17、之間的關系，稱為慣頻特性。慣頻特性分為起動慣頻特性和運行慣頻特性。14）單步響應 單步響應是指步進電動機在帶電不動的情況下，改變一次脈沖電壓，轉子由起動到停止的運動軌跡。二、步進電動機驅動器圖7-2 步進電動機驅動器的框圖步進電動機驅動系統(tǒng)的性能除與電動機自身的性能有關外，還與驅動器有很大關系。因此，對步進電動機驅動器的設計研究是CNC系統(tǒng)開發(fā)中的重要工作。步進電動機驅動器的框圖如圖7-2所示，一般由環(huán)形分配器（簡稱環(huán)分），信號處理級，推動級，驅動級等各部分組成，用于功率步進電動機的驅動器還有多種保護路線。環(huán)形分配器是把單個走步信號換成步進電機的控制信號。如三相六拍分配信號，五相十拍分配信號等

18、，環(huán)形分配器可以由硬件完成，也可以由軟件來完成，用硬件完成 的稱為硬環(huán)分，用軟件完成的稱為軟環(huán)分。 從環(huán)形分配器輸出的各相導通或截止的信號送入信號處理級。信號處理是實現(xiàn)信號必要的轉換，合成等功能，產(chǎn)生斬波，抑制等特殊功能的信號，從而產(chǎn)生特殊功能的驅動。在實際應用中信號處理級還與各種保護電路各種控制電路組合，形成較高可靠性的驅動輸出。推動級的作用是將較小的信號加以放大，變成足以推動驅動級輸入的較大信號。推動級還承擔電平轉換的作用。保護級的作用是保護驅動級功率器件，通?？梢宰麟娏鞅Ｗo，過熱保護，過壓保護，欠壓保護等。1高低壓驅動高低壓驅動的設計思想是，在導前沿用高電壓供電來提高電流的前沿上升率，而

19、在前沿過后用低電壓來維持繞組的電流。圖7-3 高低壓驅動原理圖高低壓驅動的原理線路如圖7-3所示，主回路由高壓管TH電動機繞組，低壓管TL串聯(lián)而成，UH加高壓，UL加低壓，電動機繞組回路不串電阻。低壓管的輸入信號，來自環(huán)形分配器，其脈寬由環(huán)分輸出決定。當IL為高電平時該相導通；為低電平時，該相截止。IH是由IL的前沿經(jīng)微分再經(jīng)整形獲得，形成脈沖寬度工作頻率變化的定寬脈沖，一般將高壓脈寬整定為13ms，設IH的脈寬為tH，IL的脈寬為tL，在相繞組導通的過程中，在前沿開始的tH時間內，由于高低壓輸入信號同時有效，使高低壓管同時導通電流的通路如圖7-4(a)所示，繞組電流由高壓電源供給。此時，機能

20、組電流有很陡的前沿，并迅速形成上沖，見圖7-4（b）所示，當tH過后高壓管轉為截止狀態(tài)，低壓電源開始供電，TL繼續(xù)處于導通狀態(tài)，電流路徑如圖7-5(a)所示，由于繞組很小，又不串電阻， 所以低壓電源只需數(shù)伏就可以提供較大的電流，其波形如圖7-5（b）所示。圖7-4 高壓電流路徑及電流波形圖7-5 低壓導通時電流路徑及波形在低頻工作時，由于電動機反電勢較小，繞組電流在tH時間內幾乎完全由高電壓的大小來決定。因為UH電壓很高，繞組回路電阻很小所以繞組電流上升很快，能超過和繞組的額定電流，但tH時間過后，高壓立即關閉，電流在低壓回路迅速下降，直到變?yōu)橛傻蛪弘娫此鶝Q定的繞組電流大小，波形見圖7-6（a

21、）所示。雖然剛開始電流上沖很多，但占整個導通時間tL的比例很小，即tL>>tH，因此繞組電流的平均值仍在額定值附近。圖7-6 頻率不同時各種電流波形當運行頻率繼續(xù)升高時，tLtH，此時，前級的信號處理中使tH跟蹤tL的寬度，保持tH=tL，實際上要跟蹤tL壓縮tH的脈寬，使電路一直處于高壓供電狀態(tài)。電流波形如圖7-6（c）。在tL時間過后，繞組電流進入續(xù)流狀態(tài)，續(xù)流回路如圖7-7所示。電流將經(jīng)DL電動機繞組DH泄放，磁場的能量將回饋給高壓電源，這樣既達到了縮短泄放時間，又節(jié)約了電能作用?？焖傩狗艑μ岣唑寗酉到y(tǒng)的高頻效益是有利的。 圖7-7 續(xù)流回路由于這種驅動線路在低頻時繞組電流有

22、較大的上沖，所以低頻時電動機振動噪聲較大，還存在低頻共振。圖7-8給出一種高低壓驅動的實用線路，圖中只給出了一相的電路。圖7-8 高低壓驅動實用線路以一相為例，當A相繞組信號分成兩路去處理，設A=1時一路經(jīng)推動級三極管T，去推動達林頓大功率晶體管T2，使T2導通，另一路經(jīng)單穩(wěn)態(tài)電路形成高壓定寬信號，再經(jīng)過兩極反相器推動管T2（NPN）和T3（PNP）來推動大功率達林晶體管TH。在高壓脈寬的作用期間，TL、TH均為導通，繞組由高壓UH供電，當高壓脈寬tH過去后，只有TL導通，繞組由電流經(jīng)DL、DH泄放后變零，完成一次勵磁過程。高壓脈寬由Rf、Cf決定，高壓脈寬 tH=0.45RfCf (7-2)

23、圖中TL、TH選BU14A，高壓取80V，低壓取6V，可以用于驅動110機座號的三相反應式步進電動機。三、斬波恒流驅動高低壓驅動的目的，就是要使導通相不論在鎖定低頻或高頻工作時，都保持額定值。斬波恒流驅動方式可較好地解決這一問題。圖7-9畫出斬波恒流驅動的電路原理圖。電機繞組回路與高低壓驅動器不同的是，低壓管放射極串聯(lián)一個大功率、小電阻值的電阻接地，電動機繞組的電流經(jīng)這個小電阻通地，小電阻的壓降與電動機繞組電流成正比，所以這個電阻稱為取樣電阻，F(xiàn)1、F2、F4為非門，F(xiàn)3為與非門，控制TH和TL兩個晶體管的導通和截止。由環(huán)形分配器分配來的相繞組導通圖7-9 斬波恒流驅動原理圖脈沖，接至A點，其

24、波形如圖7-10（a）所示，送到F1、F2，通過F2直接開通晶體管TL，與非門F3除環(huán)形分配器來的信號外，還有一段信號來自比較器。比較器的兩個輸入端，其正輸入接給定電平，負輸入端接來自取樣電阻的電壓信號。導通脈沖到來之前，由邏輯電路可知，輸出低電平，TH和TL都截止，取樣電阻中無電流流過，反饋到比較器的輸入信號為零，比較器輸出為高電平，見圖7-10（d）。圖7-10 各點波形圖當環(huán)形分配器輸出導通信號時，高電平使F1、F3輸出為0，F(xiàn)2、F4輸出為1，使TH和TL兩管導通。高電壓經(jīng)TH向電動機的繞組供電，電路回路如圖7-11(a)所示，由于電動機繞組有較大的電感，所以電流成指數(shù)上升，但所加電壓

25、較高，所以電流上升較快。取樣電阻上的電壓代表了電流的大小。當電流超過所設定值時，比較器輸入的取樣電壓超過給定電壓，比較器翻轉，輸出變低電平從而F3輸出高電平，F(xiàn)4輸出低電平，關斷高壓管TH，此時，磁場能量將使繞組電流按原來的方向繼續(xù)流動，經(jīng)由低壓管TL取樣電阻，地線，二極管D1構成的續(xù)流回路消耗磁場的能量，見圖7-11（b）。此時電流將按指數(shù)曲線衰減，逐漸下降。當取樣電阻上得到是電壓小于給定電壓時，比較器又翻轉回去，F(xiàn)4高電平，打開高壓管，電源又開始向繞組供電，電流又會上升。如此反復，電動機繞組是電流就穩(wěn)定在由給定電平所決定的數(shù)值上，形成小小的鋸齒波。 當環(huán)形分配器 輸出低電平時，高低壓管都截

26、止，此時繞組的續(xù)流與高低壓時相同，經(jīng)D1、D2向電源泄放。泄放回路的特點與高低壓驅動時基本相同。圖7-11 供電及續(xù)流時電流路徑斬波恒流驅動中，由于驅動電壓較高，所以電流上升很快，當?shù)竭_所需的數(shù)值時，由于取樣電阻反饋控制作用，繞組電流可以恒定在確定的數(shù)值上，而且不隨電動機的轉速而變化，從而保證在很大的頻率范圍內電動機都能輸出恒定轉矩。圖7-10（e）可見，在環(huán)形分配器中所給出的相繞組導通時間內，電源電壓并不是一直向繞組供電，而只是一個個的窄脈沖，總的輸入能量是各脈沖時間的電壓與電流乘積積分的總和。與其他的驅動方式比較，取自電源的能量大幅度下降。因此，這種驅動器有很高的效率。這種驅動器的另一優(yōu)點

27、是減少電動機共振現(xiàn)象的發(fā)生。由于電動機共振的基本原因是能量過剩，而斬波恒流驅動輸入的能量是自動隨著繞組電流調節(jié)，能量過剩時續(xù)流時間長，而供電時間減小，因此可減小能量的積聚。斬波恒流驅動存在其自身的特點，主要表現(xiàn)為：1) 高頻響應快；2) 輸出轉矩均勻；3) 共振現(xiàn)象基本消除；4) 線路工作可靠。第四節(jié) 直流伺服電機與速度控制單元直流伺服電機作為直流伺服系統(tǒng)的一個執(zhí)行元件，直流伺服系統(tǒng)能夠控制機床進給速度和位置，直流伺服系統(tǒng)的結構一般為三閉環(huán)控制：電樞電流閉環(huán)，速度閉環(huán)與位置閉環(huán)，如圖7-12所示電流反饋一般采用取樣電阻、霍爾電路傳感器等。圖7-12 直流驅動系統(tǒng)的一般結構因為直流伺服電機容易調

28、速，尤其是他勵直流伺服電機具有較硬的機械特性，所以直流伺服系統(tǒng)自70年代以來，在數(shù)控機床中得到了廣泛的應用。在現(xiàn)代數(shù)控中，極大部分的直流伺服電機采用永磁直流伺服電機。永磁直流伺服電機具有如下優(yōu)點：1）能承受的峰值電流和過載倍數(shù)高；2）具有大的轉矩/慣量比、快速性好；3）低速時輸出力矩大，轉動慣量大；這種電機可以和機床的進給絲桿直接相連，省去了齒輪等傳動機構，且避免了齒隙造成的振動和噪聲，以及齒隙誤差。低速運行平穩(wěn)。4）啟動力矩大；5）調速范圍大；6）與高性能的速度控制單元組成速度控制系統(tǒng)時，調速范圍超過1：1000。7）具有高精度的檢測元件。8）使電機能平滑旋轉和穩(wěn)定工作，使整個伺服系統(tǒng)具有良

29、好的低速剛度和高的動態(tài)性能，伺服精度高。它的主要缺點是：轉子溫度升高，會影響機床的精度；轉子慣量大，又要快速性好，需增大電源裝置和增強機械傳動鏈的剛度。直流伺服系統(tǒng)中控制單元也是一個主要部分，其形式不止一種，敘述如下：一、脈寬調制器式控制單元在功率晶體管開關型伺服電機驅動系統(tǒng)中目前廣泛采用脈沖寬度調制式驅動系統(tǒng)，數(shù)控機床驅動系統(tǒng)也不例外。所謂脈寬調速，即是利用脈寬調制器對大功率晶體管開關放大器的開關時間進行控制，將直流電壓轉換成某一頻率的矩形波電壓，加到直流電機的電樞兩端，通過對矩形波脈沖寬度的控制，改變電樞兩端的平均電壓，從而達到調節(jié)電機轉速的目的。PWM控制方式的速度控制單元由脈沖寬度調制

30、器和脈沖功率放大器兩部分組成。1脈沖功率放大器（PWM系統(tǒng)的主回路）圖7-13 H型脈沖功率放大電路開關型功率放大器的驅動回路有兩種結構形式，一種是H型（也稱橋式），另一種是T型。這里介紹常用的H型，它的電路原理如圖7-13所示。圖中VD1VD4為續(xù)流二極管，用于保護功率晶體管VT1VT4。SM即直流伺服電動機。H型電路在控制方式上分為雙極式和單極式。下面介紹雙極式功率驅動原理：四個功率晶體管的基極驅動電壓分為兩組：Ub1=Ub4, Ub2=Ub3=Ub1。加到各晶體管基極上的電壓波形如圖7-14所示。圖7-14 H型雙極性工作方式電壓及電流波形若0tt1時，Ub1=Ub4為正，Ub2=Ub3

31、為負，使VT1和VT4飽和導通，VT2和VT3截止，加在電樞端電壓UAB=US（忽略VT1和CT4的飽和壓降）。電樞電流ia沿回路1流通，ia的波形見圖7-14（b）中的ia1。若t1tT時，Ub1和Ub4為負，Ub2和Ub3為正，使VT1和VT4截止，但VT2和VT3不能立即導通，這是因為在電樞電感反電勢的作用下，電樞電流ia經(jīng)VD2和VD3續(xù)流，沿回路2流通。由于VD2和VD3的壓降使VT2和VT3承受反壓緣。T2和VT3能否導通，取決于續(xù)流電流的大小，若ia較大時，在t1至T時間內，續(xù)流較大，則ia一直為正，如圖7-14(b)所示。此時，VT2和VT3沒來得及導通，下一個周期即到來，又使

32、VT1和VT4導通，電樞電流ia又開始上升，使ia維持在一個正值附近波動；若ia較小時，在t1至T時間內，續(xù)流可能降到零，于是VT2和VT3在電源和反電動勢的共同作用下導通，ia沿回路3流通，方向反向，電動機處于反接制動狀態(tài)，直到下一個周期（電樞電壓AB0情況），VT4和VT1導通，ia才開始回升，如圖7-14（c）所示。直流伺服電動機的轉向取決于電樞電流的平均值，即取決于電樞兩端的電壓平均值。若在一個周期（T）內，t1=T/2，則加在基極上的正脈沖寬度(Tt1)相等，VT21、VT4與VT2、VT3的導通時間相等，則電樞電壓平均值為零，電機靜止不動。若t1Tt1，電樞電壓平均電壓大于零，則電

33、動機正轉，平均值越大，轉速越高。若t1Tt1，電樞平均電壓小于零，則電動機反轉，平均值的絕對值越大，反轉速越高。由上述過程可知，只要能改變加在功率放大器的控制脈沖的寬度，就能控制電機的轉向、停止和速度。并且電機的停止是動態(tài)靜止，有利于消除正反轉死區(qū)。2脈沖寬度調制器為了能給功率放大器提供一個寬度由速度指令信號調節(jié)的控制脈沖序列，需要有一個能將電壓信號（代表速度）轉換為脈沖寬度的調節(jié)變換裝置，稱為脈沖寬度調制器。常用的有以鋸齒波作為調制信號的脈沖寬度調制器，以三角波作為調制信號的脈沖寬度調制器和數(shù)字脈沖寬度調制器。在微機數(shù)控系統(tǒng)中，因為速度指令是以數(shù)字量的形式給出的，采用數(shù)字脈沖寬度調制器較為方

34、便。脈沖寬度調制器可用硬件（定時器/計數(shù)器）、硬件加軟件或軟件來實現(xiàn)。這樣電路簡單，控制靈活。圖7-15是微機PWM驅動系統(tǒng)的原理框圖。圖7-15 微電腦式PWM原理框圖微機輸出脈寬控制信號驅動器放大，驅動PWM主回路的功率晶體管開關。開關頻率及脈沖寬度都可采用軟件形式的數(shù)字寬度調制器來調節(jié)。計算機同時采用速度和位置反饋信號，并利用軟件對速度和位置進行調節(jié)。3PWM驅動系統(tǒng)的主要特點與晶閘管調速單元相比，PWM速度控制單元有如下特點：1）電機損耗和噪聲小 晶體管開關頻率很高，遠比轉子能跟隨的頻率高，也避開了機械的共振。由于開關頻率高，使得電樞電流僅靠電樞電感或附加較小的電抗器便可連續(xù)，所以電機

35、損耗小，發(fā)熱小。2）系統(tǒng)動態(tài)性好，響應頻帶寬 PWM控制方式的速度控制單元與較小慣量的電機相匹配時，可以充分發(fā)揮系統(tǒng)的性能，從而獲得很寬的頻帶。頻帶越寬，伺服系統(tǒng)校正瞬態(tài)負載的能力就越高。3）低速時電流脈動和轉速脈動都很小，穩(wěn)速精度高4）功率晶體工作在開關狀態(tài)，其損耗小電源利用率高，并且控制方便5）響應很快 PWM控制方式，具有四象限的運動能力，即電動機既能驅動負載，也能制負載，所以響應快。6）功率晶體管承受高峰值電流能力差。第五節(jié) 交流伺服電機與速度控制單元交流伺服電機有了飛速發(fā)展，它不但克服了直流伺服電機結構上存在機械整流子、電刷維護困難、造價高、壽命短、應用環(huán)境受限制等的特點，而且，存在

36、交流伺服電機堅固耐用、經(jīng)濟可靠及動態(tài)響應性好等等特點。近年來，交流伺服系統(tǒng)發(fā)展迅速，并有逐步取代直流伺服系統(tǒng)的趨勢。交流伺服電機一般有異步型交流伺服電機和同步型交流伺服電機。當用變頻電源供電時，對于電機可方便地獲得與頻率成正比的可變轉速，可得到非常硬的機械特性和很寬的調速范圍。在數(shù)控的伺服系統(tǒng)中多采用永磁同步型伺服電機。對于具有準停功能的主軸，實際上與進給軸的功能幾乎一樣，有時就用一個多余的進給軸來替代主軸伺服系統(tǒng)。一、永磁交流伺服電機的結構原理永磁交流伺服電機的結構剖面圖如圖7-16所示。它主要由三部分組成：定子、轉子和1-定子 2-永久磁鐵 3-軸向通風孔 4-轉軸圖7-16 永磁交流伺服

37、電機的結構剖面圖1-定子 2-永久磁鐵 3-軸向通風孔 4-轉軸檢測元件。定子具有齒槽，內有三相繞組，形狀與普通交流電機的定子相同，但其外形多呈多邊形，且無外殼，利于散熱。轉子由多塊永久磁鐵2和沖片（見圖7-17）組成。這種結構的優(yōu)點是氣隙磁密較高，極數(shù)較多。1-鐵心 2-永久磁鐵 3-非磁性套筒圖7-17 永磁轉子示意圖1-鐵心 2-永久磁鐵 3-非磁性套筒它的工作原理類似于電磁式同步電機的工作原理，只是將轉子中的磁繞組產(chǎn)生換成永久的磁鐵。定子三相繞組接上交流電源后就會產(chǎn)生一個旋轉磁場，該旋轉磁場的轉速為ns在磁場力的作用下，磁場帶著轉子一起旋轉，使轉子也以同步轉速ns旋轉。當轉子加上負載后

38、，將造成定子磁場軸線與轉子磁極軸線不重合，其夾角為，負載越大，也越大，但只要不超過一定的限度，轉子始終跟著定子的旋轉磁場以恒定的同步轉速ns旋轉。轉子轉速為n=ns=60f/p(r/min)，式中f電源頻率，p磁極對數(shù)。永磁交流伺服電機的機械特性比直流伺服電機的機械特性要硬，在正常工作區(qū)，轉速轉矩曲線更接近水平線。斷續(xù)工作區(qū)的范圍擴大，高速性能優(yōu)越，有利于提高電機的加、減能力。二、交流伺服電機的速度控制單元由于同步伺服電機的轉速為n=60f/p，不存在轉差率問題，因此，不能用調節(jié)轉差率S的方法來調速，也由于要求無級調速，只能用變頻（f）的方法調速。永磁交流伺服系統(tǒng)有兩種類型，一是矩形波電流驅動

39、的永磁永流伺服系統(tǒng)，二是正弦波電流驅動的永磁永流伺服系統(tǒng)。第一種也稱為無刷直流伺服電動機，第二種也稱無刷交流伺服電動機。從發(fā)展趨勢看，正弦波驅動將成為主導地位。永磁交流伺服電機變頻調速控制單元中的主要部件是變頻器。變頻器分為交直交型和交交型變頻器，前者廣泛應用在數(shù)控機床和伺服系統(tǒng)中。所謂交直交型變頻器中的交直是將交流變?yōu)橹绷麟?，直交是將直流變?yōu)檎{頻、調壓的交流電，通常采用脈寬調制原理。圖7-18 脈寬調制的電路結構及波形圖關于脈沖調制的原理是這樣的：假如我們要在電機和某相繞組內獲得一個正弦電流，以A相為例，A（A=sint）則我們可以用以下的等效措施來獲得。電路及波形如圖7-18所示。設Tp為

40、脈沖周期，用脈寬調制的等效電流ia表達式為：ia=1/TpEc/RL·dt=Ec/RL·Kd， （7-3）式中 Kd占空比。欲使繞阻內的電流為正弦波則ia=1/TpEc/RL·sint （7-4）由（7-3）及（7-4）得：K=sint （7-5）Kd是t的函數(shù)，在不同的相位處K的值是不同的，計算和實現(xiàn)脈寬調制時通常把一個周期上分成固定的若干份，每一份都有對應的占控比，發(fā)相應的脈寬信號，該信號用來控制H型電路的相應M03管。一般把t在2的周期上分成1000分就足夠能使iP的波形接近所期望的正弦波了。我們只需在計算機內制一個1000個點的占空比數(shù)據(jù)表，這1000個點

41、均對應與t為2角度以內。此表是由精確計算sint得到。當t的間隔為0.36°用計算機的定時器中斷。在中斷服務子程序取1000個點中心的對應點的占空比值。是取滿1000個點，說明iP完成了一個周期，若要改變速度時只需改變一個值即定時器時間常數(shù)即可改變了檢表取表的速度，改變iP的頻率的目的完成變速的要求。第六節(jié) 伺服系統(tǒng)的位置控制位置控制分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)控制。開環(huán)控制實際上就是步進電機系統(tǒng)。半閉環(huán)一般只能保證伺服電機的角位移，無法從根本上消除傳動間隙。全閉環(huán)可以消除傳動間隙。從電氣角度看，全閉環(huán)與半閉環(huán)是一樣的。在控制方式上位置控制主要由以下三種：一、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)數(shù)字比較伺服系

42、統(tǒng)的閉環(huán)控制的結構框圖如圖7-19所示。整個系統(tǒng)由三部分組成：采用光電編碼器產(chǎn)生位置反饋脈沖信號Pf；實現(xiàn)指令脈沖F與反饋脈沖Pf的脈沖比較，以取得位置偏差信號s；以位置偏差s 作為速度給定的伺服電機速度調節(jié)系統(tǒng)。圖7-19 閉環(huán)數(shù)字比較系統(tǒng)結構閉環(huán)與半閉環(huán)在結構上的不同點是：半閉環(huán)的檢測元件一般安裝在絲杠軸上，而閉環(huán)的檢測元件則安裝在工作臺上。 閉環(huán)數(shù)字比較伺服系統(tǒng)的工作原理簡述如下：（1）開始時，指令脈沖F=0，且工作臺原來處于靜止狀態(tài)，則反饋脈沖Pf為零，經(jīng)比較環(huán)節(jié)則s=FPf=0，那么伺服電機的速度給定為零，伺服電機不動，工作臺仍處于靜止狀態(tài)。（2）令脈沖為正向指令脈沖時，即F>

43、0，工作臺在沒有移動之前，反饋脈沖Pf仍為零，經(jīng)比較環(huán)節(jié)比較 ，s=FPf>0，那么，調速系統(tǒng)驅動工作臺正向進給。隨著電機的運轉，檢測元件的反饋脈沖信號通過采樣進入比較環(huán)節(jié)。該脈沖比較環(huán)節(jié)對F和Pf進行比較，按負反饋原理，只有當F和Pf的脈沖個數(shù)相等時，偏差s=F-Pf=0，工作臺才重新穩(wěn)定在指令所規(guī)定的位置上。（3）當指令脈沖F為負向指令時，即F<0，其控制過程與F為正向指令脈沖的控制過程類似，只是此時s<0，工作臺向反方向進給。最后，工作臺準確地停在指令所規(guī)定的反向的某個穩(wěn)定位置上。（4）比較環(huán)節(jié)輸出的位置偏差信號s是一個數(shù)字量，經(jīng)D/A轉換后，才能變?yōu)槟M給定電壓，使模

44、擬調速系統(tǒng)工作。 數(shù)字比較伺服系統(tǒng)的優(yōu)點是結構比較簡單，易于實現(xiàn)數(shù)字化控制。在控制性能上數(shù)字 比較伺服系統(tǒng)要優(yōu)于模擬方式，混合方式的伺服系統(tǒng)。二、相位比較伺服系統(tǒng)相位比較伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床常用的一種位置控制系統(tǒng)。它的結構形式與所用的位置檢測元件有關，常用的檢測元件是旋轉變壓器和感應同步器，并要工作在相位工作狀態(tài)。圖7-20，閉環(huán)相位比較伺服系統(tǒng)結構框圖。它們在結構上基本相同唯一區(qū)別是檢測元件及在機床上的安裝位置不同。它們的主要部分有：基準信號發(fā)生器，脈沖調相器，檢測元件，鑒相器，伺服放大器，伺服電機等。圖7-20 閉環(huán)相位比較伺服系統(tǒng)圖脈沖調相器又稱數(shù)字相位變換器，它的作用是將來自數(shù)控裝置的進

45、給脈沖信號轉換為相位變化信號，該相位變化信號，可用正弦信號或方波信號表示。若沒有進給脈沖輸出，則脈沖調相器的輸出與基準信號發(fā)生器發(fā)出的基準信號同相位，沒有相位差。若輸出一個正向或反向進給脈沖，則脈沖調相器就輸出超前或滯后基準信號一個相應的相位角。鑒相器有兩個輸入信號，這兩個輸入信號同頻率，其相位均以與基準信號的相位差表示。鑒相器就是鑒別這兩個輸入信號的相位差，其輸出信號為正比于這個輸入信號的電壓信號。相位比較伺服系統(tǒng)中，檢測元件工作在相位工作狀態(tài)。檢測信號經(jīng)整形放大后的Pb作為位置反饋信號。進給脈沖（指令脈沖）F經(jīng)脈沖調相后，轉換成頻率為F0的脈沖信號Pa。Pa、Pb為鑒相器的輸入，鑒相器的輸

46、出信號就反映了指令位置與實際位置的偏差。經(jīng)伺服系統(tǒng)放大器和伺服電機構成的調速系統(tǒng)，驅動工作臺，實現(xiàn)位置跟蹤。相位比較伺服系統(tǒng)的工作原理簡述如下：（1）工作臺靜止狀態(tài)指令脈沖F=0，工作臺原來靜止，則Pa、Pb為同頻率同相位的脈沖信號，經(jīng)鑒相器鑒相判別=0，那么伺服放大器的速度給定為零，它輸出到伺服電機的電樞電壓為零，電機不轉，則工作臺維持在靜止狀態(tài)。（2）工作臺正向運動當指令脈沖F為正，經(jīng)脈沖調相器，Pa產(chǎn)生的相移+。因工作臺原來靜止，Pb=0，那么鑒相器的輸出=PaPb=+>0，則伺服驅動部分就使工作臺作正向運動，直至為零而止。（3）工作臺負向運動當指令脈沖F為負，經(jīng)脈沖調相器，Pa產(chǎn)

47、生的相移-。那么鑒相器的輸出 =-。在的控制下，伺服電機驅動工作臺作負向運動直至為零而止?？傊?，機床工作臺在指令脈沖的作用下，作正向或反向運動，Pa、Pb在新的位置上繼續(xù)保持同頻同相的穩(wěn)定狀態(tài)，一旦F=0，正在運動著的工作臺就迅速制動三、幅值比較伺服系統(tǒng)幅值比較伺服系統(tǒng)中，是以位置檢測，則信號的幅值大小來反映機械位移的數(shù)值，并以此作為反饋信號。檢測元件以幅值工作狀態(tài)進行工作，常用的檢測元件主要有旋轉變壓器和感應同步器。閉環(huán)幅值比較伺服系統(tǒng)的結構框圖如圖7-21所示，從圖中看出，比較環(huán)節(jié)是數(shù)字比較，實現(xiàn)指令脈沖信號F與反饋脈沖信號Pf的比較，以獲得位置偏差信號s。圖7-21 閉環(huán)幅值比較伺服系統(tǒng)

48、圖由幅值工作狀態(tài)的感應同步器的原理可知。位置檢測元件的輸出電壓是正弦交變信號幅值與角度d-的差值的正弦值成比例。d是系統(tǒng)設定的值，是反映實際位移x的電角度。只有當差值d-在±90°范圍內，該幅值的絕對值才與|sin（d-）|成正比，若>d，則檢測信號的幅值為正。該檢測信號幅值的正負表明了指令位置與實際位置之間超前或滯后的關系。與的差值越大，則位置的偏差越大。由此看來，只要能檢測元件輸出電壓信號的幅值，就能獲得勵磁d與的相對關系。這就是鑒幅器的任務。為了進行閉環(huán)控制，該電壓幅值需經(jīng)電壓頻率變換電路變成相應的數(shù)字脈沖，一方面與F比較比獲得位置偏差信號s，另一方面作為修改輸

49、入信號中d值的設定輸入。下面簡述幅值比較伺服系統(tǒng)的工作原理： 若F=0，則工作臺靜止不動，若指令脈沖F=0，則有d=（原來靜止狀態(tài)），經(jīng)鑒相檢測到檢測元件輸出電壓幅值為零，由電壓頻率變換電路所得的Pf也為零，那么比較輸入輸出位置偏差信號s=F-Pf=0，則伺服電機調速部分的速度給定為零，工作臺繼續(xù)移動。 若F為正的指令脈沖，則工作臺正向運動，由于伺服電機未轉動之前，d與均未變，仍保持相等，所以反饋脈沖Pf亦為零，若F為正指令脈沖，那么s=F-Pf>0。s經(jīng)D/A變換后作為伺服電機調速系統(tǒng)的速度給定值。伺服電機向正指令位置轉動。帶動工作臺正向運動。一運動，d與不相等，反饋脈沖Pf就出現(xiàn)了。

50、則位置偏差值s逐漸減小，直至F=Pf，s=0。系統(tǒng)在新的指令位置上達到平衡，工作臺停止正向運動。需指出的是，變化，若d不隨變化，雖然工作臺在向指令位置靠近，但d與的差值增加了。這不符合系統(tǒng)設計要求，為此，把Pf經(jīng)勵磁電路修改d，使d跟隨變化。一旦指令脈沖 F 重新為零，反饋脈沖 Pf 一方面使 s 為零，另一方面也使d值增大， 令d與差值為零，使在新的平衡位置是檢測元件輸出電壓為零。 若F指令脈沖為負，則工作臺向負方向移動。若F為負指令脈沖，即F<0，整個系統(tǒng)的檢測，比較判別等的控制過程與F>0時基本相似，只是工作臺向反向移動。d也跟隨變化，直至在負向的指令位置而停止。綜上所述，在

51、幅值比較伺服系統(tǒng)中，勵磁信號的電角度d由系統(tǒng)設定，并跟隨工作臺的進給變化?？梢岳胐作為工作臺實際位置的測量值，并通過數(shù)顯裝置將其顯示。工作臺在穩(wěn)定平衡位置時，數(shù)顯裝置所顯示的是指令位置的實測值。第七節(jié) 數(shù)控伺服系統(tǒng)的可靠性數(shù)控機床的自動化程度高，結構復雜，在伺服系統(tǒng)中更是集中了大量不同品種規(guī)格、不同電壓等級和控制功率的電子和電力器件，因此對整個系統(tǒng)的可靠性提出了很高的要求。通常，數(shù)控系統(tǒng)的可靠性主要取決于由弱電電子器件組成的控制部分的性能。這一方面是由于電子元器件環(huán)境應用中自身也有可靠性的問題，同時也由于伺服系統(tǒng)中強電設備將對整個數(shù)控裝置產(chǎn)生嚴重的電磁干擾，因此，本節(jié)把數(shù)控伺服系統(tǒng)可靠性問題

52、的討論主要集中在電子器件控制部分。實際上，數(shù)控裝置作為一個工業(yè)自動控制系統(tǒng)，不能在設計和研究之后才注意到它的可靠性問題，而應該在系統(tǒng)設計的初期就著手進行可靠性設計。本節(jié)將對可靠性的基本概念和有關數(shù)控伺服系統(tǒng)可靠性設計的基本方法作簡要介紹。一、可靠性的基本概念可靠性是產(chǎn)品的一種屬性，是其在規(guī)定條件下正確執(zhí)行預期功能在時間上的量度。只有 功能適當，操作使用方便而且有效使用期長的產(chǎn)品，才能在工業(yè)環(huán)境中推廣應用。因此， 可靠性往往是對產(chǎn)品質量進行綜合評價的重要指標。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在對于工業(yè)控制系統(tǒng)的可靠性問題已不再局限于一般定性的或純理論的分析，而開始逐步地建立起一系列工程計算的方法。下面介紹在工

53、業(yè)控制系統(tǒng)中有關可靠性的一些基本概念。1可靠度R（t）一個系統(tǒng)（或設備，元件等）在規(guī)定的條件下，工作到t時刻，能正確的完成規(guī)定功能的概率，稱為描述其可靠性程度的特征量，簡稱可靠度，記作R（t）?？梢院唵蔚恼f，可靠度是產(chǎn)品在一定的時間內不易發(fā)生故障的程度，與之相對的則是因系統(tǒng)故障而引起規(guī)定功能的失效。2失效率(t)失效率是指在t時刻之前系統(tǒng)沒有發(fā)生故障，而在t時刻之后的單位時間內因故障而引起的失效的概率。失效率從反面說明系統(tǒng)的可靠性，因而也廣泛的應用于可靠性的討論中。通常，可靠度和失效率都是時間的函數(shù)。對于一個實際的產(chǎn)品或系統(tǒng)，這些可靠性函數(shù)圖7-22 典型的可靠性曲線可通過對大量的隨機發(fā)生的失

54、效事件的統(tǒng)計計算取得結果。通常，對于一個質量穩(wěn)定的產(chǎn)品，其失效可用一個常數(shù)表示，即稱為平均失效率，記作?？赏ㄟ^試驗確定受試產(chǎn)品的平均失效率，其計算公式為=n/Tn （7-6）式中 n定時間內失效的產(chǎn)品數(shù)；Tn受試產(chǎn)品的總試驗時間；N受試產(chǎn)品的總數(shù)。失效率的單位為“1/n”，常用單位為“%/kh”，或寫作為“h”。圖7-21是典型的可靠度R（t）和失效率（t）曲線。失效率（t）有一段低平部分，表示產(chǎn)品的偶然失效率可視為常數(shù)。此時，其可靠度為以為參數(shù)的指數(shù)函數(shù) R(t)=e-t（7-7）表7-1為常用電子元器件失效率數(shù)據(jù)的列表，可用于系統(tǒng)可靠性計算時的參考。元 件失效率h-5元 件失效率h-5電阻金屬膜電阻0.005電容紙質電容0.05線繞電阻0.03陶瓷電容0.025炭膜電阻0.1電解電容0.2半導體器件硅三極管0.01鉭電解電容0.1鍺三極管0.03繼電器非密封式0.25大功率硅三極管0.1密封式0.02二極管0.01接點鍋焊0.001單片集成電路0.03繞接0.0001變壓器信號變壓器0.05聯(lián)接器每個插針0.005電源變壓器0.5邊緣接插器每線0.002 表7-1 對于象數(shù)控機床這樣的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，由于所包含的元器件品種規(guī)格多，數(shù)量大，所以整機可靠性問題往往要比單個元器件的情況復雜的多。圖7-23為表示一個系統(tǒng)的失效率隨時間變化的典型曲線。按照曲線的形