數(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)

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(chǎng)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。刀具或工件的運(yùn)動(dòng)有兩種獨(dú)立的要

2、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(chǎng)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)速分別與電脈沖數(shù)和電脈沖頻率成正比。通過調(diào)節(jié)電

3、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)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

4、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(chǎng)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、三相單一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)

5、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(duì)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360mzr角。由此可得出轉(zhuǎn)子齒數(shù)應(yīng)符合的條件：Zr=2pK.1mK=0,1,2,3,式中2p步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子極數(shù)；m相數(shù)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角由下式?jīng)Q定：mzrc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

6、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：60fn二mzrc電動(dòng)機(jī)的相數(shù)和齒數(shù)越多，步距角力就越小，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

7、，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)間問隔也減小，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)際在這樣運(yùn)行狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)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。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(duì)應(yīng)于某一頻率，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)

8、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(duì)運(yùn)行頻率的影響不像對(duì)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(duì)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

9、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CP時(shí)間長(zhǎng)，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(duì)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(duì)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(jiǎn)單，占用數(shù)控系統(tǒng)CPU勺時(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

10、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(jiǎn)單，成本低。但是它不能解決由反電動(dòng)勢(shì)所引起的繞組電流頂部凹陷的問題，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

11、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

12、也是隨調(diào)整情況、環(huán)境溫度和潤(rùn)滑條件而變化Ib.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Jm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：Ji_A-BJm一K-A式中Jm電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量(kgcm2);Ji負(fù)載慣量并折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總和(kgcmzhk伺服電動(dòng)機(jī)

13、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

14、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(zhǎng)的過載工作時(shí)間；(c)低速高轉(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(zhǎng)的壽命；(2)在電動(dòng)機(jī)軸上裝有精密的速度和位置檢測(cè)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(jiǎn)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)1502

15、00C,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)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速單元，是脈沖寬度調(diào)制(PulseWidthModulation)的縮寫。(a)直流PWM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)

16、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(zhǎng)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速的基本原理。直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓是一方波脈沖，幅值Um、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：UmSn=TCe：，式中Ce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寬調(diào)制器的控制信號(hào)。PWM制器產(chǎn)生PWM沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后驅(qū)動(dòng)晶體管斬波器。

17、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度控制單元的主回路，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(cè)元件速度檢測(cè)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(cè)元件常用的有兩種：一種是測(cè)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”

18、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?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(duì)于選用直流伺服電動(dòng)機(jī)，而且對(duì)于選用交流伺服電動(dòng)機(jī)也是基本適用的對(duì)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)。

19、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(duì)電動(dòng)機(jī)靈敏度和快速移動(dòng)時(shí)間有很大影響，一般來說，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

20、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(chǎng)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(chǎng)是按方波分布，而永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場(chǎng)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(cè)器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和光電脈沖編碼器。測(cè)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CN喋置用做位置反饋。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器有限多種類型，但

21、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(duì)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)勺方式來調(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(cè)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

22、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(duì)稱安裝有三相繞組。但是永磁同步機(jī)的氣隙磁場(chǎng)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(shì)。在正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的軸上裝有測(cè)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(cè)器，但與裝在無刷直流電動(dòng)機(jī)上的檢測(cè)器不同的是，這里的檢測(cè)器應(yīng)能測(cè)出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子精確的絕對(duì)轉(zhuǎn)角位置，一般采用絕對(duì)式脈沖編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器。位置檢測(cè)器的輸出信號(hào)有兩個(gè)用途：一是向CN喋置中的位置控制器提供位置反饋信號(hào)

23、：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。在無刷直流電動(dòng)機(jī)中，定子磁勢(shì)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(duì)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(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的。由于轉(zhuǎn)子(磁場(chǎng))是旋轉(zhuǎn)的，所以定子磁場(chǎng)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(jiǎn)化為：T=KmIm式中Km常數(shù)；Im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。它的速度調(diào)器器采用的是比例一積分算法。

24、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(duì)主軸電動(dòng)機(jī)的要求(a)主軸輸出大功率，因此對(duì)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包功率調(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)床多采用品閘管直流主軸驅(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)包功率調(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

25、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)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(jiǎn)化機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)。為滿足數(shù)控機(jī)床對(duì)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)??；加速、減速時(shí)間短；溫開低，噪聲小，振動(dòng)小，可靠性高，壽命長(zhǎng)，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)速范圍與包功率調(diào)速范圍之比為1:2。對(duì)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

26、轉(zhuǎn)矩與恒功率調(diào)速范圍之比約1:3,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(cè)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(cè)元件。d.對(duì)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(duì)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（包轉(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