第6章 數(shù)控機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)

1、1第6章數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)2主要內(nèi)容主要內(nèi)容p 6.1 概述概述p 6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)p 6.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制p 6.4 交流伺服電機及其速度控制系統(tǒng)交流伺服電機及其速度控制系統(tǒng)p 6.5 主軸驅(qū)動主軸驅(qū)動36.1 概概 述述 定義：定義： 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)是以是以機械位置機械位置或或角度角度作為作為控制量控制量的的自動控制自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)。 又稱為位置隨動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、伺服機構(gòu)或伺服單又稱為位置隨動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、伺服機構(gòu)或伺服單元，是元，是實現(xiàn)切削刀具與工件間運動的實現(xiàn)切削刀具與工件間運動的進給驅(qū)動和執(zhí)行機構(gòu)進

2、給驅(qū)動和執(zhí)行機構(gòu)。作用：作用：伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)是是數(shù)控裝置數(shù)控裝置( (計算機計算機) )和和機床機床的的聯(lián)系環(huán)節(jié)聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)，是數(shù)控機床的重要組成部分?？貦C床的重要組成部分。功能：功能：接收接收來自來自CNCCNC裝置（插補裝置或插補軟件）的裝置（插補裝置或插補軟件）的進給指進給指令脈沖令脈沖，經(jīng)過，經(jīng)過信號變換信號變換及電壓、功率及電壓、功率放大放大，驅(qū)動驅(qū)動各坐標軸按指各坐標軸按指令脈沖令脈沖運動運動，使，使刀具刀具相對于相對于工件工件產(chǎn)生各種復雜的機械產(chǎn)生各種復雜的機械運動運動，加，加工出所要求的工出所要求的復雜形狀工件復雜形狀工件。4 進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。進給伺服系

3、統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說如果說C裝置是數(shù)控系統(tǒng)的裝置是數(shù)控系統(tǒng)的“大腦大腦”，是發(fā)布，是發(fā)布“命令命令”的的“指揮所指揮所”，那么進給伺服系統(tǒng)則，那么進給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢四肢”，是一種，是一種“執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)”。它忠實地執(zhí)行由它忠實地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來的運動命令，精裝置發(fā)來的運動命令，精確控制執(zhí)行部件的運動方向，進給速度與位移確控制執(zhí)行部件的運動方向，進給速度與位移量。量。5p數(shù)控機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成數(shù)控機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成 6伺服系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)（Servo System)CNC系統(tǒng)系統(tǒng)驅(qū)動電機驅(qū)動電機檢測裝置檢測裝置控制信號控制信號反饋信號反饋

4、信號光柵尺光柵尺789p比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)是將輸入的是將輸入的指令信號指令信號與系統(tǒng)的與系統(tǒng)的反饋信號反饋信號進行比較，進行比較，以獲得以獲得輸出與輸入間的偏差信號輸出與輸入間的偏差信號的的環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)，通常由專門的電路，通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn)?；蛴嬎銠C來實現(xiàn)。p控制器控制器通常是計算機通常是計算機CNC或或PLC控制電路，其主要任務是對控制電路，其主要任務是對比較元件輸出的比較元件輸出的偏差信號偏差信號進行變換處理，以控制執(zhí)行元件按進行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動作。要求動作。p執(zhí)行環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按的作用是按控制信號的要求控制信號的要求，將輸入的各種形式的，將輸入的各種形式的能量

5、轉(zhuǎn)化成機械能能量轉(zhuǎn)化成機械能，驅(qū)動被控對象工作。一般指各種電機或，驅(qū)動被控對象工作。一般指各種電機或液壓、氣動伺服機構(gòu)等。液壓、氣動伺服機構(gòu)等。10p伺服驅(qū)動元件又稱為執(zhí)行電機伺服驅(qū)動元件又稱為執(zhí)行電機，在輸入電信號之，在輸入電信號之前，轉(zhuǎn)子靜止不動；電信號到來之后，轉(zhuǎn)子立即前，轉(zhuǎn)子靜止不動；電信號到來之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速隨電信號的方向和大小而改轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速隨電信號的方向和大小而改變變，同時帶動一定的負載運動；電信號一旦消失，同時帶動一定的負載運動；電信號一旦消失，轉(zhuǎn)子立即自行停轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子立即自行停轉(zhuǎn)。11驅(qū)動電機：驅(qū)動電機：是進給系統(tǒng)的是進給系統(tǒng)的動力部件動力部件，它提供，它

6、提供執(zhí)行部執(zhí)行部分運動所需的動力分運動所需的動力，在數(shù)控機床上，在數(shù)控機床上常用的電機常用的電機有：有： l步進電機步進電機 l直流伺服電機直流伺服電機l交流伺服電機交流伺服電機l直線電機。直線電機。 p檢測裝置：檢測裝置： 在閉環(huán)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，它的主在閉環(huán)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，它的主要作用是要作用是檢測位移和速度，并發(fā)出反饋信號檢測位移和速度，并發(fā)出反饋信號，構(gòu)，構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)控制成閉環(huán)或半閉環(huán)控制 ,對驅(qū)動裝置進行控制。對驅(qū)動裝置進行控制。常用的檢測裝置有：常用的檢測裝置有：感應同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器、光感應同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器、光柵、脈沖編碼器等。柵、脈沖編碼器等。12進給驅(qū)動系統(tǒng)進給驅(qū)

7、動系統(tǒng)l用途和功能用途和功能主軸驅(qū)動系統(tǒng)主軸驅(qū)動系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)l驅(qū)動元驅(qū)動元件的類型件的類型直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)電氣驅(qū)動系統(tǒng)電氣驅(qū)動系統(tǒng)交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)l控制原理控制原理半閉環(huán)系統(tǒng)半閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的分類方法很多，常見的分類方法有以下伺服系統(tǒng)的分類方法很多，常見的分類方法有以下三種。三種。步進電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)步進電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)13主要內(nèi)容開環(huán)控制開環(huán)控制 (Open-Loop Servo-Drive)電機電機機械執(zhí)行部件機械執(zhí)行部件A相、相、B相相C相、相、f、nCNC插 補插 補指令指令脈沖頻率脈沖頻率f脈沖個數(shù)脈沖

8、個數(shù)n換算換算 脈沖環(huán)脈沖環(huán)形分配形分配變換變換功率功率放大放大p按控制原理分類按控制原理分類p采用步進電機作為驅(qū)動元件；采用步進電機作為驅(qū)動元件；p無位置反饋，其精度主要取無位置反饋，其精度主要取 決于伺服驅(qū)動系統(tǒng)和機械傳動機構(gòu)的性能和精度決于伺服驅(qū)動系統(tǒng)和機械傳動機構(gòu)的性能和精度 ；p結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試維修方便，調(diào)試維修方便，工作穩(wěn)定、工作穩(wěn)定、設備投資低，設備投資低，p一般用于精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大的經(jīng)濟一般用于精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大的經(jīng)濟型數(shù)控機床。型數(shù)控機床。14步進電機步進電機步進電機步進電機15半閉環(huán)控制半閉環(huán)控制 (Half-Closed-Loop S

9、ervo-Drive)速度控制速度控制電路電路工作臺工作臺伺服電機伺服電機位置比較位置比較電路電路指令脈沖指令脈沖速度反饋速度反饋位置反饋位置反饋檢測元件檢測元件半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點是從驅(qū)動裝置半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點是從驅(qū)動裝置(常用常用伺服電機伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進行檢測，或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。不是直接檢測運動部件的實際位置。p按控制原理分類按控制原理分類16半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)n半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)少量機械傳動環(huán)節(jié)，因，因此可獲得此可獲得穩(wěn)定的控制性能穩(wěn)定的控制性能，

10、其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。n由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除。因此，其消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但。但可可對這對這類誤差類誤差進行補償進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。，因而仍可獲得滿意的精度。n半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、精度也較高，半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代因而在現(xiàn)代CNC機床中得到了廣泛應用。機床中得到了廣泛應用。17交流伺服交流伺服電機電機18主要內(nèi)容閉環(huán)控制閉環(huán)控制 (Closed-Loo

11、p Servo-Drive )位置反饋位置反饋速度控制速度控制電路電路工作臺工作臺伺服電機伺服電機位置比較位置比較電路電路指令脈沖指令脈沖速度反饋速度反饋p按控制原理分類按控制原理分類19n從理論上講從理論上講，可以消除整個驅(qū)動和傳動環(huán)節(jié)的誤差、，可以消除整個驅(qū)動和傳動環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動量。間隙和失動量。具有很高的位置控制精度具有很高的位置控制精度。 n由于位置環(huán)內(nèi)的許多由于位置環(huán)內(nèi)的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)不穩(wěn)定定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設計、安裝和調(diào)試都相當困難。，使閉環(huán)系統(tǒng)的設計

12、、安裝和調(diào)試都相當困難。n該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機床等。超精磨床以及較大型的數(shù)控機床等。閉環(huán)控制閉環(huán)控制 (Closed-Loop Servo-Drive )20光柵尺光柵尺光柵尺光柵尺21p 按驅(qū)動電機的類型分：按驅(qū)動電機的類型分：22p 按驅(qū)動電機的類型分：按驅(qū)動電機的類型分：23p 按驅(qū)動電機的類型分：按驅(qū)動電機的類型分：24p 按驅(qū)動電機的類型分：按驅(qū)動電機的類型分：25 精度要高精度要高l 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的精度精度是指是指機床工作的實際位置機床工作的實際位置復現(xiàn)復現(xiàn)插補器

13、指令信號的插補器指令信號的精確程度精確程度。 靜態(tài)靜態(tài)：定位精度和重復定位精度要高，即定位誤差和重復定位精度和重復定位精度要高，即定位誤差和重復定位誤差要小。高檔數(shù)控機床微米級定位誤差要小。高檔數(shù)控機床微米級 ，超精密機床亞微超精密機床亞微米級。米級。 （以保證尺寸精度）（以保證尺寸精度）動態(tài)動態(tài)：跟隨精度，這是動態(tài)性能指標，用跟隨誤差表示。跟隨精度，這是動態(tài)性能指標，用跟隨誤差表示。 （以保證輪廓精度）（以保證輪廓精度） 靈敏度要高靈敏度要高：有足夠高的分辯率。有足夠高的分辯率。 262. 工作穩(wěn)定性好工作穩(wěn)定性好 27加工過程中，進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)加工過程中，進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)跟蹤指令信號的速

14、度要快，過渡跟蹤指令信號的速度要快，過渡時間要短，且無超調(diào)，時間要短，且無超調(diào)，這樣跟隨這樣跟隨誤差才小。誤差才小。否則對機械部件不利，否則對機械部件不利，有害于加工質(zhì)量。有害于加工質(zhì)量。過渡過程一般應在幾十毫秒以內(nèi)過渡過程一般應在幾十毫秒以內(nèi)。 t F tp 3.響應速度快，無超調(diào)響應速度快，無超調(diào) 快速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的一項重要指標，它反映快速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的一項重要指標，它反映了系統(tǒng)對插補指令的跟蹤精度。了系統(tǒng)對插補指令的跟蹤精度。284. 4. 調(diào)速范圍要寬調(diào)速范圍要寬 調(diào)速范圍是指電機在調(diào)速范圍是指電機在額定負載額定負載時所能提供的時所能提供的最高轉(zhuǎn)速最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速

15、之比和最低轉(zhuǎn)速之比。為保證在任何切削條件下都能獲得最為保證在任何切削條件下都能獲得最佳的切削速度，要求進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)必須提供較大的佳的切削速度，要求進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)必須提供較大的調(diào)速范圍，一般調(diào)速范圍應達到調(diào)速范圍，一般調(diào)速范圍應達到12000。現(xiàn)有的高性能現(xiàn)有的高性能進給伺服系統(tǒng)已具備無級調(diào)速，且調(diào)速范圍在進給伺服系統(tǒng)已具備無級調(diào)速，且調(diào)速范圍在110000以上。以上。 295. 低速轉(zhuǎn)矩要大低速轉(zhuǎn)矩要大6. 能可逆運行和頻繁靈活啟停。能可逆運行和頻繁靈活啟停。7. 可靠性高可靠性高 30p對主軸伺服系統(tǒng)，還應滿足如下要求：對主軸伺服系統(tǒng)，還應滿足如下要求：1 1主軸與進給驅(qū)動的同步控制主

16、軸與進給驅(qū)動的同步控制 為使數(shù)控機床具有螺紋和螺旋槽加工的能力，要為使數(shù)控機床具有螺紋和螺旋槽加工的能力，要求主軸驅(qū)動與進給驅(qū)動實現(xiàn)同步控制。求主軸驅(qū)動與進給驅(qū)動實現(xiàn)同步控制。2準?？刂茰释？刂?在加工中心上，為了實現(xiàn)自動換刀，要求主軸在加工中心上，為了實現(xiàn)自動換刀，要求主軸能進行高精確位置的停止。能進行高精確位置的停止。3角度分度控制角度分度控制 有兩種類型：有兩種類型： 一是固定的等分角度控制；一是固定的等分角度控制； 二是連續(xù)的任意角度控制二是連續(xù)的任意角度控制。（稱為。（稱為“C”軸控制）軸控制）316.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)p步進電動機步進電動機是一種將

17、是一種將電脈沖信號電脈沖信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成相應的相應的角位移角位移或或線線位移位移的的控制電動機控制電動機。 步進電機和一般電機不同，步進電機和一般電機不同，一般電機通電后連續(xù)轉(zhuǎn)動一般電機通電后連續(xù)轉(zhuǎn)動，而而步進電機則隨輸入的脈沖按節(jié)拍一步一步地轉(zhuǎn)動步進電機則隨輸入的脈沖按節(jié)拍一步一步地轉(zhuǎn)動。l 對步進電機施加一個對步進電機施加一個電脈沖信號電脈沖信號時，步進電機就時，步進電機就旋轉(zhuǎn)一個旋轉(zhuǎn)一個固定的角度固定的角度，稱為一步稱為一步。每一步所轉(zhuǎn)過的角度叫做。每一步所轉(zhuǎn)過的角度叫做步距角步距角。例：步進電機每轉(zhuǎn)例：步進電機每轉(zhuǎn)400步，即步，即步距角步距角為：為： 9 . 0400360若絲杠的導

18、程為若絲杠的導程為1010mm，齒輪傳動比是，齒輪傳動比是1，系統(tǒng)的脈沖當量系統(tǒng)的脈沖當量為：為：)(025. 01013609 . 0360mmti32l步進電機步進電機的的角位移量角位移量和輸入的和輸入的電電脈沖數(shù)脈沖數(shù)成正比成正比。l步進電機步進電機的的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速與輸入的與輸入的電脈沖信號的電脈沖信號的頻率頻率成正比成正比l步進電機步進電機的的轉(zhuǎn)動方向轉(zhuǎn)動方向與與步進電機的步進電機的工作方式工作方式(通電通電順序順序)有關。有關。只需要控制只需要控制輸入脈沖輸入脈沖的的數(shù)量數(shù)量、頻率頻率及電機繞組及電機繞組通電通電相序相序，便可以獲得所需要的便可以獲得所需要的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動及轉(zhuǎn)動

19、方向方向。 在無脈沖輸入時，步進電機在繞組電源激勵下，在無脈沖輸入時，步進電機在繞組電源激勵下，氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有的位置而處于氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有的位置而處于定位狀態(tài)定位狀態(tài)。33p優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，工作可靠；結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，工作可靠；p缺點：缺點： 容易失步（尤其在高速、大負載時），影響定容易失步（尤其在高速、大負載時），影響定位精度；位精度； 在低速時容易產(chǎn)生振動；在低速時容易產(chǎn)生振動； 細分技術的應用，明顯提高了定位精度，降低細分技術的應用，明顯提高了定位精度，降低了低速振動。了低速振動。p應用：應用：要求一般的開環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)，如經(jīng)濟型要求一般的開環(huán)伺服驅(qū)動

20、系統(tǒng)，如經(jīng)濟型數(shù)控機床的進給驅(qū)動。數(shù)控機床的進給驅(qū)動。346.2.1 步進電機工作原理步進電機工作原理步進電機的步進電機的步距角步距角大小與那些因素有關？大小與那些因素有關？l定子勵磁繞組相數(shù)定子勵磁繞組相數(shù)、通電方式通電方式 和和 轉(zhuǎn)子的齒數(shù)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。計算公式為：計算公式為：m定子勵磁繞組相數(shù)定子勵磁繞組相數(shù)Z轉(zhuǎn)子齒數(shù)轉(zhuǎn)子齒數(shù)K通電方式通電方式，若連續(xù)兩次通電相數(shù)相同為若連續(xù)兩次通電相數(shù)相同為1，若不，若不同則為同則為2。m相m拍，k1；m相2m拍，k2。 p步距角越小所達到的位置精度越高步距角越小所達到的位置精度越高。實際使用的步進電機實際使用的步進電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多k=拍數(shù)拍

21、數(shù)p/相數(shù)相數(shù)m3 6 0m z ka=35p例如：轉(zhuǎn)子例如：轉(zhuǎn)子40個齒，定子仍是個齒，定子仍是3對磁極，三相六拍。問步對磁極，三相六拍。問步距角是多少？距角是多少？360mzka=3603601.53402mzka鞍=創(chuàng)36步進電機轉(zhuǎn)速計算步進電機轉(zhuǎn)速計算：式中，式中，當轉(zhuǎn)子的步距角一定時，當轉(zhuǎn)子的步距角一定時，步進電機的轉(zhuǎn)速與輸步進電機的轉(zhuǎn)速與輸入的脈沖頻率成正比入的脈沖頻率成正比。603606fnfaa=鞍式中：式中： n轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速（r/min); f脈沖頻率，即每秒輸入步進電脈沖頻率，即每秒輸入步進電機的脈沖數(shù)；機的脈沖數(shù)； 用度數(shù)表示的步距角。用度數(shù)表示的步距角。37p結(jié)論：結(jié)論：

22、 p步進電機定子繞阻通電狀態(tài)每改變一次，它的步進電機定子繞阻通電狀態(tài)每改變一次，它的 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個固定的角度，即電機的步距角；一個固定的角度，即電機的步距角；p 改變步進電機定子繞阻的通電順序，其轉(zhuǎn)子的改變步進電機定子繞阻的通電順序，其轉(zhuǎn)子的 旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)方向隨之改變；隨之改變； p步進電機定子繞阻通電狀態(tài)變化的頻率越高，步進電機定子繞阻通電狀態(tài)變化的頻率越高， 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高；速越高； 步距角與定子繞阻相數(shù)步距角與定子繞阻相數(shù) m、轉(zhuǎn)子齒數(shù)、轉(zhuǎn)子齒數(shù) z、通電方式、通電方式k有關：有關：360mzka=38 主要特性有主要特性有 ：l 步距角；步距角；l 矩角特性矩角特性、最

23、大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mjmax和啟動轉(zhuǎn)矩和啟動轉(zhuǎn)矩Mql矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩.l最大靜轉(zhuǎn)距最大靜轉(zhuǎn)距l(xiāng)啟動頻率啟動頻率fq ；l運行矩頻特性運行矩頻特性；l 加減速特性；加減速特性；6.2.2 步進電機的主要特性步進電機的主要特性396.2.3 步進電機的分類1根據(jù)相數(shù)分類根據(jù)相數(shù)分類 有三、四、五、六相等，有三、四、五、六相等，相數(shù)越多，步距角越小相數(shù)越多，步距角越小。p通電方式：通電方式：采用采用m相相m拍、雙拍、雙m拍拍和和m相相2m拍拍， 在在m相相m拍和拍和m相相2m拍通電方式中拍通電方式中，可采用一，可采用一/二相、二相、二二/三相轉(zhuǎn)換通電，三相轉(zhuǎn)換通電，如五相

24、步進電機，五相十拍的二三相轉(zhuǎn)換方式：如五相步進電機，五相十拍的二三相轉(zhuǎn)換方式： ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB 402根據(jù)產(chǎn)生力矩的原理分類根據(jù)產(chǎn)生力矩的原理分類 根據(jù)定子與轉(zhuǎn)子間磁場建立方式，可分：反應式、根據(jù)定子與轉(zhuǎn)子間磁場建立方式，可分：反應式、永磁式、混合式。永磁式、混合式。p反應式步進電機反應式步進電機的定子有多相磁極，其上有勵磁的定子有多相磁極，其上有勵磁繞組，而繞組，而轉(zhuǎn)子無繞組，用軟磁材料制成轉(zhuǎn)子無繞組，用軟磁材料制成，由，由被勵被勵磁的定子繞組產(chǎn)生反應力矩實現(xiàn)步進運行磁的定子繞組產(chǎn)生反應力矩實現(xiàn)步進運行。p永磁反應式步進電機永磁反應式步進電機的定子結(jié)構(gòu)與反

25、應式相似，的定子結(jié)構(gòu)與反應式相似，但但轉(zhuǎn)子用永磁材料制成或有勵磁繞組轉(zhuǎn)子用永磁材料制成或有勵磁繞組、由電磁力由電磁力矩實現(xiàn)步進運行矩實現(xiàn)步進運行。這樣可提高電機的輸出轉(zhuǎn)矩，。這樣可提高電機的輸出轉(zhuǎn)矩，減少定子繞組的電流。減少定子繞組的電流。413根據(jù)輸出力矩的大小分類根據(jù)輸出力矩的大小分類根據(jù)根據(jù)輸出力矩輸出力矩的大小可將步進電機分為兩類：的大小可將步進電機分為兩類： 伺服步進電機伺服步進電機和和功率步進電機功率步進電機。l伺服步進電機伺服步進電機又稱為快速步進電機，輸出力矩在又稱為快速步進電機，輸出力矩在幾十到數(shù)百幾十到數(shù)百mNm，只能帶動小負載，只能帶動小負載，加上液壓加上液壓扭矩放大器可

26、驅(qū)動工作臺扭矩放大器可驅(qū)動工作臺。l功率步進電機功率步進電機輸出力矩在輸出力矩在550Nm以上，能直接以上，能直接驅(qū)動工作臺。驅(qū)動工作臺。424根據(jù)結(jié)構(gòu)分類根據(jù)結(jié)構(gòu)分類 步進電機可制成軸向分相式（多段式）、徑向分步進電機可制成軸向分相式（多段式）、徑向分相式（單段式）相式（單段式）436.3 6.3 直流伺服電動機及其速度控制直流伺服電動機及其速度控制一、直流伺服電動機一、直流伺服電動機 伺服電動機是指能夠精密地控伺服電動機是指能夠精密地控制其位置的一種電動機。直流伺服制其位置的一種電動機。直流伺服電動機是伺服電動機的一種。電動機是伺服電動機的一種。1. 直流伺服電動機分類及結(jié)構(gòu)特點直流伺服電

27、動機分類及結(jié)構(gòu)特點 永磁直流伺服電動機永磁直流伺服電動機無槽轉(zhuǎn)子直流伺服電動機無槽轉(zhuǎn)子直流伺服電動機空心杯轉(zhuǎn)子直流伺服電動機空心杯轉(zhuǎn)子直流伺服電動機印刷繞組直流伺服電動機印刷繞組直流伺服電動機后三種直流伺服電動機為小慣量直流伺服電動機。后三種直流伺服電動機為小慣量直流伺服電動機。44 直流伺服電動機的組成直流伺服電動機的組成p 電動機本體電動機本體: : 主要由機殼、定子磁極和主要由機殼、定子磁極和轉(zhuǎn)子組成。轉(zhuǎn)子組成。p 檢測部件檢測部件 : : 有高精度的測速發(fā)電機、旋有高精度的測速發(fā)電機、旋轉(zhuǎn)變壓器以及脈沖編碼器等。轉(zhuǎn)變壓器以及脈沖編碼器等。特點特點l 小慣量直流伺服電動機小慣量直流伺服電

28、動機: 慣量小，響應速度快，慣量小，響應速度快， 但過載能力低。但過載能力低。l 永磁直流伺服電動機永磁直流伺服電動機:轉(zhuǎn)矩大，慣量大，穩(wěn)定性轉(zhuǎn)矩大，慣量大，穩(wěn)定性 好，調(diào)速范圍寬。好，調(diào)速范圍寬。l但有電刷，限制速度的提高（但有電刷，限制速度的提高（10001500r/min）。）。456.4 交流伺服電動機及其速度控制交流伺服電動機及其速度控制 直流伺服電動機具有優(yōu)良的調(diào)速性能，但直流伺直流伺服電動機具有優(yōu)良的調(diào)速性能，但直流伺服電動機的電刷和換向器容易磨損，需要經(jīng)常維護；由服電動機的電刷和換向器容易磨損，需要經(jīng)常維護；由于換向器換向時會產(chǎn)生火花而使最高轉(zhuǎn)速受到限制，也于換向器換向時會產(chǎn)生

29、火花而使最高轉(zhuǎn)速受到限制，也使應用環(huán)境受到限制；直流伺服電動機結(jié)構(gòu)復雜、制造使應用環(huán)境受到限制；直流伺服電動機結(jié)構(gòu)復雜、制造困難，成本高。困難，成本高。 自自20世紀世紀80年代中期以來，以交流伺服電動機作為年代中期以來，以交流伺服電動機作為驅(qū)動元件的交流伺服系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，有逐漸代替直驅(qū)動元件的交流伺服系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，有逐漸代替直流伺服電機的趨勢。流伺服電機的趨勢。46一、交流伺服電動機一、交流伺服電動機二、永磁同步交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)二、永磁同步交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)三、永磁同步交流伺服電動機的工作原理三、永磁同步交流伺服電動機的工作原理四、同步交流伺服電動機的變頻調(diào)速四、同步交流伺服電

30、動機的變頻調(diào)速47一、交流伺服電動機一、交流伺服電動機 交流伺服電動機分類交流伺服電動機分類 異步型異步型 同步型同步型 同步型交流伺服電動機又分為永磁式和勵磁式。同步型交流伺服電動機又分為永磁式和勵磁式。 數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)中多采用永磁同步交流伺服電動機。數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)中多采用永磁同步交流伺服電動機。2. 永磁同步交流伺服電動機的特點：永磁同步交流伺服電動機的特點： 結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，效率較高結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，效率較高 調(diào)速方便調(diào)速方便 由于它的轉(zhuǎn)速與所接電源頻率之間存在一種嚴格由于它的轉(zhuǎn)速與所接電源頻率之間存在一種嚴格關系，所以可獲得與頻率成正比的可變速度，并且可以得到關系，所

31、以可獲得與頻率成正比的可變速度，并且可以得到非常硬的機械特性及寬的調(diào)速范圍。非常硬的機械特性及寬的調(diào)速范圍。1. 缺點缺點 體積較大，起動較困難體積較大，起動較困難48二、永磁同步交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)二、永磁同步交流伺服電動機的結(jié)構(gòu) 組成：定子、轉(zhuǎn)子和檢測元件。組成：定子、轉(zhuǎn)子和檢測元件。 定子具有齒槽，內(nèi)有三相繞組，形狀與普通交流電動機的定定子具有齒槽，內(nèi)有三相繞組，形狀與普通交流電動機的定子相同，但其外形多呈多邊形，且無外殼，利于散熱。子相同，但其外形多呈多邊形，且無外殼，利于散熱。 轉(zhuǎn)子由多塊永久磁鐵和沖片組成。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是氣轉(zhuǎn)子由多塊永久磁鐵和沖片組成。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是氣隙磁密較高

32、，極數(shù)較多。隙磁密較高，極數(shù)較多。49三、永磁同步交流伺服電動機的工作原理三、永磁同步交流伺服電動機的工作原理 定子三相繞組接上交流電源后，就會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，定子三相繞組接上交流電源后，就會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，以同步轉(zhuǎn)速以同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的永久磁鐵磁極互相旋轉(zhuǎn)。定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的永久磁鐵磁極互相吸引，并帶著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。使轉(zhuǎn)子也以同步轉(zhuǎn)速吸引，并帶著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。使轉(zhuǎn)子也以同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)。 當轉(zhuǎn)子加上負載轉(zhuǎn)矩之后，將造成定子磁場軸線與轉(zhuǎn)子磁當轉(zhuǎn)子加上負載轉(zhuǎn)矩之后，將造成定子磁場軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線不重合，其夾角為極軸線不重合，其夾角為。若負載發(fā)生變化，。若負載發(fā)生

33、變化，角也跟著變化角也跟著變化，但只要不超過一定的限度，轉(zhuǎn)子始，但只要不超過一定的限度，轉(zhuǎn)子始終跟著定子的旋轉(zhuǎn)磁場以恒定的同步轉(zhuǎn)終跟著定子的旋轉(zhuǎn)磁場以恒定的同步轉(zhuǎn)速速ns旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為 nns60f/p (r/min)式中式中 f電源的頻率電源的頻率 p磁極對數(shù)磁極對數(shù)50四、同步交流伺服電動機的變頻調(diào)速四、同步交流伺服電動機的變頻調(diào)速1. 調(diào)速原理分析調(diào)速原理分析 根據(jù)永磁同步交流伺服電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速公式根據(jù)永磁同步交流伺服電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速公式 nns60f/p (r/min) 可以通過改變電動機電源頻率可以通過改變電動機電源頻率 f 來調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。來調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。

34、此法可以實現(xiàn)無級調(diào)速，能夠較好地滿足數(shù)控機床的要求。此法可以實現(xiàn)無級調(diào)速，能夠較好地滿足數(shù)控機床的要求。變頻調(diào)速的關鍵是設計能為電動機提供變頻電源的變頻器。變頻調(diào)速的關鍵是設計能為電動機提供變頻電源的變頻器。2. 變頻器變頻器 交交交變頻器交變頻器 直接將固定頻率的交流電變換為另一種頻直接將固定頻率的交流電變換為另一種頻率的交流電。率的交流電。 交交直直交變頻器交變頻器 先將電網(wǎng)交流電通過整流變?yōu)橹绷?，先將電網(wǎng)交流電通過整流變?yōu)橹绷鳎俳?jīng)過電容或電感或電容、電感組合電路濾波后供給逆變器再經(jīng)過電容或電感或電容、電感組合電路濾波后供給逆變器。逆變器輸出的是電壓和頻率可調(diào)的交流電。逆變器輸出的是電壓

35、和頻率可調(diào)的交流電。51五、直線電機五、直線電機1. 1. 直線電機的結(jié)構(gòu)直線電機的結(jié)構(gòu) 直線電機是指一種利用電磁作直線電機是指一種利用電磁作 用原理，將電能直接轉(zhuǎn)換成直線用原理，將電能直接轉(zhuǎn)換成直線 運動動能的驅(qū)動裝置，是一種能運動動能的驅(qū)動裝置，是一種能 實現(xiàn)往復直線運動的電動機。直實現(xiàn)往復直線運動的電動機。直 線電機是從旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)化而來的。線電機是從旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)化而來的。(1)(1)直線電機的結(jié)構(gòu)直線電機的結(jié)構(gòu) 可以認為直線電機是將旋轉(zhuǎn)電可以認為直線電機是將旋轉(zhuǎn)電 機沿其軸向剖開，然后將其定子機沿其軸向剖開，然后將其定子 和轉(zhuǎn)子展開，變成如圖所示的由和轉(zhuǎn)子展開，變成如圖所示的由 定子和動子

36、組成的直線電機。定子和動子組成的直線電機。52p 直線電動機的實質(zhì)直線電動機的實質(zhì) 把旋轉(zhuǎn)電動機沿徑向剖開，然把旋轉(zhuǎn)電動機沿徑向剖開，然后拉直演變而成，利用電磁作用原理，將電能直接轉(zhuǎn)換后拉直演變而成，利用電磁作用原理，將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動動能的一種推力裝置，是一種較為理想的驅(qū)成直線運動動能的一種推力裝置，是一種較為理想的驅(qū)動裝置。動裝置。p 與旋轉(zhuǎn)電動機的最大區(qū)別與旋轉(zhuǎn)電動機的最大區(qū)別 在機床進給系統(tǒng)中，取消在機床進給系統(tǒng)中，取消了從電動機到工作臺之間的機械傳動環(huán)節(jié)，把機床進給了從電動機到工作臺之間的機械傳動環(huán)節(jié)，把機床進給傳動鏈的長度縮短為零。正由于這種傳動方式，帶來了傳動鏈的長度縮短為

37、零。正由于這種傳動方式，帶來了旋轉(zhuǎn)電動機驅(qū)動方式無法達到的性能指標和優(yōu)點。旋轉(zhuǎn)電動機驅(qū)動方式無法達到的性能指標和優(yōu)點。p 應用前景應用前景 由于直線電動機在機床中的應用目前還處于由于直線電動機在機床中的應用目前還處于初級階段，還有待進一步研究和改進。隨著各相關配套初級階段，還有待進一步研究和改進。隨著各相關配套技術的發(fā)展和直線電動機制造工藝的完善，直線電動機技術的發(fā)展和直線電動機制造工藝的完善，直線電動機在機床進給驅(qū)動中將會得到廣泛應用。在機床進給驅(qū)動中將會得到廣泛應用。 536.5 主軸驅(qū)動主軸驅(qū)動 數(shù)控機床的主軸驅(qū)動不同于進給驅(qū)動，主軸的工作運動數(shù)控機床的主軸驅(qū)動不同于進給驅(qū)動，主軸的工作

38、運動通常為旋轉(zhuǎn)運動。通常為旋轉(zhuǎn)運動。主軸驅(qū)動的主要要求：主軸驅(qū)動的主要要求： 輸出功率大輸出功率大 2.2250kw，結(jié)構(gòu)上不能采用永磁式，結(jié)構(gòu)上不能采用永磁式 寬的調(diào)速范圍寬的調(diào)速范圍 1：1001000恒轉(zhuǎn)矩，恒轉(zhuǎn)矩，1：10恒功率調(diào)速恒功率調(diào)速 主軸既能正轉(zhuǎn)、又能反轉(zhuǎn)，且能快速制動主軸既能正轉(zhuǎn)、又能反轉(zhuǎn)，且能快速制動 特殊要求特殊要求 如：加工螺紋，要求主軸驅(qū)動與進給驅(qū)動實行如：加工螺紋，要求主軸驅(qū)動與進給驅(qū)動實行同步控制；為了保證端面加工的光潔度，要求主軸驅(qū)動系統(tǒng)同步控制；為了保證端面加工的光潔度，要求主軸驅(qū)動系統(tǒng)具有恒線速切削控制；在加工中心上，由于自動換刀的需要具有恒線速切削控制；在加工中心上，由于自動換刀的需要，要求主抽驅(qū)動系統(tǒng)具有高精度的停位控制；有的數(shù)控機床，要求主抽驅(qū)動系統(tǒng)具有