第5章數(shù)控伺服系統(tǒng)第14、15、16、17講

1、1索 引第14講第15講第16講第17講共一百七十八頁2第 5 章 數(shù)控伺服系統(tǒng)共一百七十八頁35.1 概 述 伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的進(jìn)給指令信號，經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放大后驅(qū)動執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置(計算機(jī))和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)又稱為(chn wi)位置隨動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、伺服機(jī)構(gòu)或伺服單元。 該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，綜合性強(qiáng)。共一百七十八頁45.1 概 述 進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說C裝置是數(shù)控系統(tǒng)的“大腦(dno)”，是發(fā)布“命令”的“指揮

2、所”，那么進(jìn)給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢”，是一種“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”。它忠實地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來的運(yùn)動命令，精確控制執(zhí)行部件的運(yùn)動方向，進(jìn)給速度與位移量。共一百七十八頁5共一百七十八頁65.1.1 伺服系統(tǒng)的組成(z chn) 組成：伺服電機(jī) 驅(qū)動信號控制轉(zhuǎn)換電路 電子電力驅(qū)動放大模塊 位置調(diào)節(jié)單元 速度調(diào)節(jié)單元 電流調(diào)節(jié)單元 檢測裝置(zhungzh)一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結(jié)構(gòu)：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。共一百七十八頁75.1.1 伺服系統(tǒng)的組成(z chn) 位置調(diào)解速度調(diào)解電流調(diào)解轉(zhuǎn)換驅(qū)動工作臺電流反饋速度反饋位置反饋MG 位置、速度和電流環(huán)均由：調(diào)節(jié)控制模塊、檢測和反饋部分組成。電力電子驅(qū)動裝

3、置由驅(qū)動信號(xnho)產(chǎn)生電路和功率放大器組成。 嚴(yán)格來說：位置控制包括位置、速度和電流控制；速度控制包括速度和電流控制。共一百七十八頁81精度高 伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程 度。包括定位精度和輪廓加工精度。2穩(wěn)定性好 穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用(zuyng)下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。5.1.2 對伺服系統(tǒng)的基本(jbn)要求 共一百七十八頁93快速響應(yīng) 快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。4調(diào)速范圍寬 調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。024

4、m / min。5低速大轉(zhuǎn)矩 進(jìn)給坐標(biāo)的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個速度范圍內(nèi)都要保持(boch)這個轉(zhuǎn)矩；主軸坐標(biāo)的伺服控制在低速時為恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩。在高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。共一百七十八頁10對伺服電機(jī)的要求：（1）調(diào)運(yùn)范圍寬且有良好的穩(wěn)定性，低速時的速度平穩(wěn)性（2）電機(jī)(dinj)應(yīng)具有大的、較長時間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。5.1.2 對伺服系統(tǒng)的基本(jbn)要求 共一百七十八頁11（3）反應(yīng)速度快，電機(jī)必須具有(jyu)較小的轉(zhuǎn)動慣量、較大的轉(zhuǎn)矩、盡可能小的機(jī)電時間常數(shù)和很大的加速度 (400rad / s2以上)。（4）能承受頻繁的起動、

5、制動和正反轉(zhuǎn)。共一百七十八頁12 1按調(diào)節(jié)理論(lln)分類 （1）開環(huán)伺服系統(tǒng) （2）閉環(huán)伺服系統(tǒng) （3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)5.1.2 伺服系統(tǒng)的分類(fn li)共一百七十八頁13（1）開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的特征(tzhng)沒有位置(wi zhi)測量裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置進(jìn)給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件A相、B相C相、f、nCNC插補(bǔ)指令脈沖頻率f脈沖個數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大共一百七十八頁14開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的特征(tzhng)無位置反饋，精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動系統(tǒng)和機(jī)械傳動(j xi chun dn)機(jī)構(gòu)的性能和精度。一般以功率步進(jìn)電機(jī)作為伺

6、服驅(qū)動元件。這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。共一百七十八頁15 （2）半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的特征(tzhng) 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖所示，是從驅(qū)動裝置(常用伺服電機(jī))或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測，不是直接(zhji)檢測運(yùn)動部件的實際位置。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元+-電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實際位置反饋實際速度反饋共一百七十八頁16 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的特征(tzhng)半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，因此(ync

7、)可獲得穩(wěn)定的控制性能，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。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運(yùn)動誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對這類誤差進(jìn)行補(bǔ)償，因而仍可獲得滿意的精度。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CNC機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。共一百七十八頁17 （3）全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的特征(tzhng)全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運(yùn)動部件的實際(shj)位置進(jìn)行檢測。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元+-電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實際位置反饋實際速度反饋共一百七十八頁18 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的特征(

8、tzhng)從理論上講，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。具有很高的位置控制精度。 由于位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。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(yj)較大型的數(shù)控機(jī)床等。共一百七十八頁192按使用的執(zhí)行元件分類 （1）電液伺服系統(tǒng) 電液脈沖馬達(dá)和電液伺服馬達(dá)。 優(yōu)點：在低速下可以得到很高的輸出力矩，剛性好，時間常數(shù)小、反應(yīng)快和速度平穩(wěn)。 缺點：液壓系統(tǒng)需要供油系統(tǒng)，體積大。噪聲、漏油。（2）電氣伺服系統(tǒng) 伺服電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和交流電機(jī)） 優(yōu)點

9、：操作維護(hù)(wih)方便，可靠性高。 5.1.2 伺服系統(tǒng)的分類(fn li) 共一百七十八頁201）直流伺服系統(tǒng) 進(jìn)給運(yùn)動系統(tǒng)采用大慣量寬調(diào)速永磁直流伺服電機(jī)和中小慣量直流伺服電機(jī)；主運(yùn)動系統(tǒng)采用他激直流伺服電機(jī)。優(yōu)點：調(diào)速性能好。缺點：有電刷，速度不高。 2）交流伺服系統(tǒng) 交流感應(yīng)異步伺服電機(jī)（一般用于主軸伺服系統(tǒng)）和永磁同步伺服電機(jī)（一般用于進(jìn)給伺服系統(tǒng)）。 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、不需維護(hù)(wih)、適合于在惡劣環(huán)境下工作。動態(tài)響 應(yīng)好、轉(zhuǎn)速高和容量大。共一百七十八頁213按被控對象(duxing)分類 （1）進(jìn)給伺服系統(tǒng) 指一般概念的位置伺服系統(tǒng)，包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。 （2）主軸伺服

10、系統(tǒng) 只是一個速度控制系統(tǒng)。 C 軸控制功能。4按反饋比較控制方式分類 （1）脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng) （2）相位比較伺服系統(tǒng) （3）幅值比較伺服系統(tǒng) （4）全數(shù)字伺服系統(tǒng)共一百七十八頁225.2 步進(jìn)電機(jī)(dinj)5.2.1 步進(jìn)電機(jī)工作原理 步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)受驅(qū)動線路控制，將進(jìn)給脈沖序列轉(zhuǎn)換成為具有一定方向、大小和速度(sd)的機(jī)械轉(zhuǎn)角位移，并通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。共一百七十八頁23 進(jìn)給脈沖的頻率代表了驅(qū)動速度，脈沖的數(shù)量代表了位移量，而運(yùn)動方向是由步進(jìn)電機(jī)的各相通(xingtng)電順序來決定，并且保持電機(jī)各相通(xingtng)電狀態(tài)

11、就能使電機(jī)自鎖。但由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測環(huán)節(jié)，其精度主要由步進(jìn)電機(jī)來決定，速度也受到步進(jìn)電機(jī)性能的限制。共一百七十八頁24 步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分，現(xiàn)以圖5-4所示的反應(yīng)式三相步進(jìn)電機(jī)為例加以說明。定子上有六個磁極，每個磁極上繞有勵磁繞組，每相對的兩個磁極組成一相，分成(fn chn)A、B、C三相。轉(zhuǎn)子無繞組，它是由帶齒的鐵心做成的。步進(jìn)電機(jī)(dinj)在結(jié)構(gòu)共一百七十八頁25 步進(jìn)電機(jī)是按電磁吸引的原理進(jìn)行工作的。當(dāng)定子(dngz)繞組按順序輪流通電時，A、B、C三對磁極就依次產(chǎn)生磁場，并每次對轉(zhuǎn)子的某一對齒產(chǎn)生電磁引力，將其吸引過來，而使轉(zhuǎn)子一步步轉(zhuǎn)動。每當(dāng)轉(zhuǎn)子某一對齒的中

12、心線與定子磁極中心線對齊時，磁阻最小，轉(zhuǎn)矩為零。如果控制線路不停地按一定方向切換定子繞組各相電流，轉(zhuǎn)子便按一定方向不停地轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電機(jī)每次轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。共一百七十八頁26共一百七十八頁27圖4-22 展開(zhn ki)后的步進(jìn)電機(jī)齒距共一百七十八頁28步進(jìn)電機(jī)(dinj)及其驅(qū)動裝置 為進(jìn)一步了解步進(jìn)電機(jī)的工作原理，以圖5-5為例來說明其轉(zhuǎn)動的整個過程，假設(shè)轉(zhuǎn)子上有四個齒，相鄰兩齒間夾角（齒距角）為900。當(dāng)A相通電時，轉(zhuǎn)子1、3齒被磁極A產(chǎn)生的電磁引力吸引過去，使1、3齒與A相磁極對齊。接著(ji zhe)B相通電，A相斷電，磁極B又把距它最近的一對齒2、4吸引過來，使轉(zhuǎn)子按逆時針

13、方向轉(zhuǎn)動30o。然后C相通電，B相斷電，轉(zhuǎn)子又逆時針旋轉(zhuǎn)30o，依次類推，定子按ABCA順序通電，轉(zhuǎn)子就一步步地按逆時針方向轉(zhuǎn)動，每步轉(zhuǎn)30o。共一百七十八頁29 若改變通電順序，按ACBA使定子繞組通電，步進(jìn)電機(jī)就按順時針方向轉(zhuǎn)動，同樣每步轉(zhuǎn)30o。這種控制方式叫三相單三拍方式，“單”是指每次只有一相繞組通電，“三拍”是指每三次換接為一個循環(huán)。由于每次只有一相繞組通電，在切換(qi hun)瞬間將失去自鎖轉(zhuǎn)矩，容易失步，另外，只有一相繞組通電，易在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，穩(wěn)定性不佳，故實際應(yīng)用中不采用單三拍工作方式。共一百七十八頁30 采用三相雙三拍控制方式，即通電順序按ABBCCAAB（逆時

14、針方向）或ACCBBAAC（順時針方向）進(jìn)行(jnxng)，其步距角仍為300。由于雙三拍控制每次有二相繞組通電，而且切換時總保持一相繞組通電，所以工作比較穩(wěn)定。共一百七十八頁31 如果按AABBBCCCAA順序通電，即首先A相通電，然后A相不斷電，B相再通電，即A、B兩相同時通電，接著A相斷電而B相保持通電狀態(tài)，然后再使B、C兩相通電，依次類推，每切換一次，步進(jìn)電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)過15。如通電順序改為AACCCBBBAA，則步進(jìn)電機(jī)以步距角15順時針旋轉(zhuǎn)。這種控制方式為三相六拍，它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且轉(zhuǎn)換過程中始終保證有一個繞組通電，工作穩(wěn)定，因此這種方式被大量(dli

15、ng)采用。共一百七十八頁32 實際應(yīng)用的步進(jìn)電機(jī)如圖5-4所示，轉(zhuǎn)子鐵心和定子(dngz)磁極上均有齒距相等的小齒，且齒數(shù)要有一定比例的配合。 共一百七十八頁33共一百七十八頁345.2.2 步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo) 1. 步距角和步距誤差 步距角和步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)、通電(tng din)方式及電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)的關(guān)系如下： (5-1)式中 步進(jìn)電機(jī)的步距角；m電機(jī)相數(shù)； Z轉(zhuǎn)子齒數(shù)；k控制方式確定的拍數(shù)與相數(shù)的比例系數(shù)。例如三相三拍時，k=1，三相六拍時，k=2。共一百七十八頁35 同一相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)可有兩種步距角，通常為1.2/0.5、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。 步距誤差是

16、指步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子每一步實際轉(zhuǎn)過的角度與理論(lln)步距角之差值。連續(xù)走若干步時，上述步距誤差的累積值稱為步距的累積誤差。由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)后，將重復(fù)上一轉(zhuǎn)的穩(wěn)定位置，即步進(jìn)電機(jī)的步距累積誤差將以一轉(zhuǎn)為周期重復(fù)出現(xiàn)。共一百七十八頁362. 靜態(tài)(jngti)轉(zhuǎn)矩與矩角特性 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)上某相定子繞組通電之后，轉(zhuǎn)子齒將力求與定子齒對齊，使磁路中的磁阻最小，轉(zhuǎn)子處在平衡位置不動（0）。如果在電機(jī)軸上外加一個負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mz，轉(zhuǎn)子會偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過一個角度，角度稱為失調(diào)角。有失調(diào)角之后，步進(jìn)電機(jī)就產(chǎn)生一個靜態(tài)轉(zhuǎn)矩（也稱為電磁轉(zhuǎn)矩），這時靜態(tài)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。共一百七十八頁37 靜態(tài)轉(zhuǎn)

17、矩與失調(diào)角的關(guān)系叫矩角特性，如圖5-5所示，近似為正弦曲線。該矩角特性上的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，當(dāng)外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩除去時，轉(zhuǎn)子在電磁(dinc)轉(zhuǎn)矩作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點位置（0）。共一百七十八頁38靜態(tài)(jngti)矩角特性共一百七十八頁393.最大啟動轉(zhuǎn)矩 圖5-7為三相單三拍矩角特性曲線，圖中的A、B分別是相鄰A相和B相的靜態(tài)矩角特性曲線，它們的交點所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩是步進(jìn)電機(jī)的最大啟動轉(zhuǎn)矩Mq。如果外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于Mq ，電機(jī)就不能啟動。如圖5-7所示,當(dāng)A相通電時，若外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩MaMq ，對應(yīng)的失調(diào)(shtio)角為a ，當(dāng)勵磁電流由A相切換到B相時，對應(yīng)角a ，

18、B相的靜轉(zhuǎn)矩為Mb。從圖中看出,電機(jī)不能帶動負(fù)載做步進(jìn)運(yùn)動，因而啟動轉(zhuǎn)矩是電機(jī)能帶動負(fù)載轉(zhuǎn)動的極限轉(zhuǎn)矩。共一百七十八頁40圖5.9 步進(jìn)電機(jī)(dinj)的啟動轉(zhuǎn)矩共一百七十八頁414. 啟動頻率 空載時，步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然起動，并進(jìn)入不失步的正常(zhngchng)運(yùn)行的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率，加給步進(jìn)電機(jī)的指令脈沖頻率如大于啟動頻率，就不能正常(zhngchng)工作。步進(jìn)電機(jī)在帶負(fù)載（尤其是慣性負(fù)載）下的啟動頻率比空載要低。而且，隨著負(fù)載加大（在允許范圍內(nèi)），啟動頻率會進(jìn)一步降低。 共一百七十八頁425. 連續(xù)運(yùn)行頻率 步進(jìn)電機(jī)起動后，其運(yùn)行速度能根據(jù)指令脈沖頻率連續(xù)上升而不

19、丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運(yùn)行頻率。其值遠(yuǎn)大于啟動頻率，它也隨著電機(jī)所帶負(fù)載的性質(zhì)(xngzh)和大小而異，與驅(qū)動電源也有很大關(guān)系。 共一百七十八頁435. 矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩 矩頻特性是描述(mio sh)步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系（見圖5-8），該特性上每一個頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩。在使用時，一定要考慮動態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而下降的特點。圖5-8 矩頻特性(txng)共一百七十八頁44 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動線路完成由弱電到強(qiáng)電的轉(zhuǎn)換和放大，也就是將邏輯電平信號變換成電機(jī)繞組(roz)所需的具有一定功率的電流脈沖信號。驅(qū)動控制電路由環(huán)形分配器和功率放大器組成。

20、5.2.3 步進(jìn)電機(jī)功率(gngl)驅(qū)動共一百七十八頁45環(huán)形分配器是用于控制步進(jìn)電機(jī)的通電方式的，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按照一定的順序和分配方式加到功率放大器上，控制各相繞組的通電、斷電(dun din)。環(huán)形分配器功能可由硬件或軟件產(chǎn)生，硬件環(huán)形分配器是根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和控制方式設(shè)計的，數(shù)控機(jī)床上常用三相、四相、五相及六相步進(jìn)電機(jī)。共一百七十八頁461、脈沖分配控制硬件(yn jin)（環(huán)形分配器）CNC裝置電源環(huán)形分配器A相驅(qū)動B相驅(qū)動C相驅(qū)動FULL/HALFDIRCLKM三相硬件環(huán)形分配器的驅(qū)動(q dn)控制共一百七十八頁47 硬件環(huán)形分配器是根據(jù)真值表或邏輯關(guān)系

21、式采用邏輯門電路和觸發(fā)器來實現(xiàn)，如圖5-9所示，該線路由與非門和JK觸發(fā)器組成。指令脈沖加到三個觸發(fā)器的時鐘輸入端CP，旋轉(zhuǎn)方向由正、反控制端的狀態(tài)決定。 , , 為三個觸發(fā)器的輸出端，連到A、B、C三相功率放大器。若“1”表示通電(tng din)，“0”表示斷電，對于三相六拍步進(jìn)電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，正向控制端狀態(tài)置“1”，反向控制端狀態(tài)置“0”。共一百七十八頁48 初始時，在預(yù)置端加上預(yù)置脈沖，將三個觸發(fā)器置為100狀態(tài) 。當(dāng)在CP端送入一個脈沖時，環(huán)形分配器就由100狀態(tài)變?yōu)?10狀態(tài)，隨著指令脈沖的不斷到來，各相通電狀態(tài)不斷變化，按照100110010011001101即AABBBCCCA次

22、序通電。步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)(fn zhun)時，由反向控制信號“1”狀態(tài)控制（正向控制為“0”），通電次序為ACACCBBBAA。共一百七十八頁49圖4-25 三相六拍環(huán)行(hunxng)分配器的原理線路圖共一百七十八頁50 軟件環(huán)形分配器實現(xiàn)較為簡單、方便。計算機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)(xtng)中，使用軟件實現(xiàn)脈沖分配，常用的是查表法。例如對于三相六拍環(huán)形分配器，每當(dāng)接收到一個進(jìn)給脈沖指令，環(huán)形分配器軟件根據(jù)表5-1所示真值表，按順序及方向控制輸出接口將A、B、C的值輸出即可。共一百七十八頁51圖4-27 兩坐標(biāo)步進(jìn)電機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)(xtng)框圖共一百七十八頁52表3-2 兩坐標(biāo)(zubio)

23、步進(jìn)電機(jī)環(huán)形分配的輸出狀態(tài)表X向步進(jìn)電機(jī)Z向步進(jìn)電機(jī)節(jié)拍序號CBA存貯單元方向節(jié)拍序號cba存貯單元方向PA2PA1PA0地址內(nèi)容PA5PA4PA3地址內(nèi)容00012A00H01H反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)00012A10H08H反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)10112A01H03H10112A11H18H20102A02H02H20102A12H10H3l102A03H05H3l102A13H30H41002A04H04H41002A14H20H51012A05H05H51012A15H28H共一百七十八頁53三相(sn xin)六拍環(huán)形分配器真值表步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(q dn)裝置共一百七十八頁54功率(gngl)放大器的作用是將

24、環(huán)形分配器發(fā)出的電平信號放大至幾安培到幾十安培的電流送至步進(jìn)電機(jī)各繞組，每一相繞組分別有一組功率(gngl)放大電路。5.2.4 功率(gngl)放大器共一百七十八頁55 L為步進(jìn)電機(jī)勵磁繞組的電感，Ra為繞組電阻，Rc為外接電阻，電阻Rc并聯(lián)一電容C，可以(ky)提高負(fù)載瞬間電流的上升率，從而提高電動機(jī)快速響應(yīng)能力和啟動性能。圖3-28 單電壓驅(qū)動電路(dinl)的工作原理共一百七十八頁56環(huán)形分配器輸出為高電平時，T飽和導(dǎo)通，繞組電流按指數(shù)(zhsh)曲線上升，電路時間常數(shù)=L/(Ra+Rc)，它表示功放電路在導(dǎo)通時允許步進(jìn)電機(jī)繞組電流上升的速率。串聯(lián)電阻Rc可以使電流上升時間減小，改善帶

25、負(fù)載能力。但電阻消耗了一部分功率，降低了效率。共一百七十八頁57當(dāng)環(huán)形分配器輸出為低電平時，T截止，繞組斷電，因步進(jìn)電機(jī)的繞組是電感性負(fù)載，當(dāng)T管從飽和到突然截止的瞬間，將產(chǎn)生(chnshng)一較大反電勢，此反電勢與電源電壓疊加在一起加在T管的集電極上，可能會使T管擊穿。共一百七十八頁58圖3-31 三種驅(qū)動電路(dinl)的電流波形(a)單電壓電路 (b) 高低壓電路 (c)斬波電路共一百七十八頁59圖3-29 高低壓驅(qū)動(q dn)電路的原理圖共一百七十八頁60 高低壓驅(qū)動(q dn)電路是恒電壓驅(qū)動(q dn)的改進(jìn)型，它的特點是供給步進(jìn)電機(jī)繞組兩種電壓，以改善電機(jī)啟動時的電流前沿特性

26、。一種是高電壓U1，由電機(jī)參數(shù)和晶體管特性決定，一般在80V至更高范圍；另一種是低電壓，即步進(jìn)電機(jī)繞組額定電壓U2，般為幾伏至20V。共一百七十八頁61在相序輸入信號到來時，IH、IL信號使VTl、VT2同時導(dǎo)通，給繞組加上高壓U1，以提高繞組中電流上升率，當(dāng)電流達(dá)到(d do)規(guī)定值時，VT1關(guān)斷、VT2仍然導(dǎo)通(tH脈寬小于tL)，則自動切換到低壓U2。共一百七十八頁62 當(dāng)?shù)蛪簲嚅_時，電感中儲能通過構(gòu)成的放電回路(hul)放電，因此也加快了放電過程。這種供電線路由于加快了繞組電流的上升和下降過程，有利于提高步進(jìn)電機(jī)的啟動頻率和最高連續(xù)工作頻率。由于額定電流是由低壓維持的，只需較小的限流電

27、阻，功耗小。共一百七十八頁63該電路的優(yōu)點是在較寬的頻率范圍有較大(jio d)的平均電流，能產(chǎn)生較大(jio d)且穩(wěn)定的平均轉(zhuǎn)矩。缺點是電流波形有凹陷，電路較復(fù)雜。共一百七十八頁64圖4-30 斬波驅(qū)動(q dn)電路原理圖共一百七十八頁65 恒流斬波驅(qū)動電路(dinl)的工作原理是：環(huán)形分配器輸出的正脈沖將T1，T2導(dǎo)通，由于U1電壓較高，繞組回路又沒串電阻，所以繞組電流迅速上升，當(dāng)繞組電流上升到額定值以上的某一數(shù)值時，由于采樣電阻Re的反饋作用，經(jīng)整形、放大后送自T1的基極，使T1管截止。共一百七十八頁66 接著繞組由U2低壓供電，繞組中的電流立即下降，但剛降到額定值以下時，由于采樣電

28、阻Re的反饋作用，使整形電路無信號輸出，此時高壓前置放大電路又使T1導(dǎo)通，電流又上升(shngshng)。如此反復(fù)進(jìn)行，形成一個在額定電流值上下波動呈鋸齒狀的繞組電流波形，近似恒流。 共一百七十八頁67(4)調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動電路從上述驅(qū)動電路看，為了提高驅(qū)動器的快速響應(yīng)，采用了提高供電電壓，加快電流上升沿的措施。但在低頻工作時，步進(jìn)電機(jī)的振蕩加劇，甚至失步。從原理上講，為了減小低頻振蕩，應(yīng)使低頻時繞組中的電流上升沿較平緩，這樣才能使轉(zhuǎn)子在到達(dá)新的平衡位置時不產(chǎn)生過沖。而在高速(o s)時則應(yīng)使電流前沿較陡峭，以產(chǎn)生足夠的繞組電流，才能提高步進(jìn)電機(jī)的帶載能力。共一百七十八頁68這就要求驅(qū)動電源對繞組

29、提供電壓與電機(jī)運(yùn)行頻率建立直接關(guān)系，即低頻時用較低的電壓供電，高頻時用較高的電壓供電。電壓隨頻率變化可由不同的方法實現(xiàn)(shxin)，如分頻段來調(diào)壓、電壓隨頻率線性地變化等。調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動方式結(jié)合了高低驅(qū)動和斬波驅(qū)動的優(yōu)點，是一種十分可取的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路。共一百七十八頁69(5)細(xì)分驅(qū)動電路步進(jìn)電機(jī)繞組中的電流為矩形波供電時，其步距角因供電控制方式不同只有(zhyu)兩種(整步與半步)。步距角雖已由步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)確定，但可用電的方法來進(jìn)行細(xì)分。為此，繞組電流由矩形波供電改為梯形波供電。共一百七十八頁70矩形波供電時，繞組中的電流基本上是從零值躍到額定值，或從額定值降至零值。而梯形波供電時，繞組中

30、的電流經(jīng)若干個階梯上升到額定值，或經(jīng)若干個階梯下降至零值，也就是說，在每次輸入脈沖切換時，不是將繞組電流全部通入或切除，而是改變相應(yīng)繞組中額定電流的一部分。電流分成多少個臺階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的個數(shù)轉(zhuǎn)一個步距角。這種將一個步距角細(xì)分成若干個步的驅(qū)動(q dn)方法稱為細(xì)分驅(qū)動(q dn)。細(xì)分驅(qū)動(q dn)的優(yōu)點是使步距角減小，運(yùn)行平穩(wěn)，提高勻速性，并能減弱或消除振蕩。共一百七十八頁71共一百七十八頁72第15講共一百七十八頁73 5.3 直流伺服電機(jī)極靴機(jī)殼瓦狀永磁材料（定子）電樞（轉(zhuǎn)子）換向極主磁極定子轉(zhuǎn)子線圈永磁直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu) 直流主軸電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 共一百七十八頁745.3.2 直

31、流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)(jigu)(1)定子(dngz) 定子(dngz)磁極磁場由定子(dngz)的磁極產(chǎn)生。根據(jù)產(chǎn)生磁場的方式，直流伺服電機(jī)可分為永磁式和他激式。永磁式磁極由永磁材料制成，他激式磁極由沖壓硅鋼片疊壓而成，外繞線圈，通以恒定直流電流便產(chǎn)生恒定磁場。共一百七十八頁75(2)轉(zhuǎn)子 又稱電樞，由硅鋼片疊壓而成，表面嵌有線圈，通以直流電時，在定子(dngz)磁場作用下產(chǎn)生帶負(fù)載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。(3)電刷與換向片 為使所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定方向，轉(zhuǎn)子能沿固定方向均勻的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，電刷與外加直流電源相接，換向片與電樞導(dǎo)體相接。 共一百七十八頁765.3.2 直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)(jigu)圖4-

32、32 直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)(jigu)共一百七十八頁77 另一方面，就原理而言，一臺普通的直流電機(jī)也可認(rèn)為就是一臺直流伺服電機(jī)。因為，當(dāng)一臺直流電機(jī)加以恒定勵磁，若電樞(多相線圈)不加電壓，電機(jī)(dinj)不會旋轉(zhuǎn)；當(dāng)外加某一電樞電壓時，電機(jī)(dinj)將以某一轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，改變電樞兩端的電壓，即可改變電機(jī)(dinj)轉(zhuǎn)速，這種控制叫電樞控制。共一百七十八頁78 當(dāng)電樞加以恒定電流，改變勵磁(l c)電壓時，同樣可達(dá)到上述的控制目的，這種方法叫磁場控制。如圖5.24所示。直流伺服電機(jī)一般都采用電樞控制。共一百七十八頁79圖5.24 直流電機(jī)的控制(kngzh)原理共一百七十八頁805.3.4 直流伺

33、服電機(jī)的分類(fn li)1按電機(jī)結(jié)構(gòu)分類2按轉(zhuǎn)速(zhun s)高低分類 3按勵磁方式分類共一百七十八頁815.3.4 直流伺服電機(jī)的分類(fn li)按電機(jī)結(jié)構(gòu)(jigu)分：(1)小慣量直流電機(jī) (2)改進(jìn)型直流伺服電機(jī) (3)無刷直流電機(jī)(4)永磁式直流伺服電機(jī)共一百七十八頁825.3.4 直流伺服電機(jī)的分類(fn li)按轉(zhuǎn)速高低(god)分類：(1)高速直流伺服電機(jī)(2)低速大扭矩寬調(diào)速電機(jī)共一百七十八頁835.3.4 直流伺服電機(jī)的分類(fn li)按勵磁方式分類(1)他勵直流電機(jī) 適用于要求寬調(diào)速、對啟動制動特性要求較高的場合。(2)并勵直流電機(jī)(3)串勵直流電機(jī) 適用于啟動制

34、動頻繁，較大啟動扭矩和恒功率調(diào)速的機(jī)械，如電車、牽引機(jī)車等。(4)復(fù)勵直流電機(jī) 適用于負(fù)載(fzi)變動較大、同時需要寬調(diào)速的場合。 共一百七十八頁845.3.4 直流伺服電機(jī)的調(diào)速直流電機(jī)的調(diào)速原理：(公式4-5) 因此，直流電動機(jī)的基本調(diào)速方式有三種，即調(diào)節(jié)(tioji)電阻R，調(diào)節(jié)電樞電壓U和調(diào)節(jié)磁通的值。共一百七十八頁855.3.5 直流伺服電機(jī)的調(diào)速1改變電樞(din sh)回路電阻的調(diào)速2改變電樞電壓的調(diào)速 3改變勵磁磁通調(diào)速共一百七十八頁861改變電樞(din sh)回路電阻的調(diào)速在電樞(din sh)電路中的電阻R串聯(lián)一個變電阻Ra時，機(jī)械特性（R越大，越大，n0不變） 圖3-

35、38 改變電樞電路電阻的調(diào)速共一百七十八頁87直流電機(jī)的機(jī)械特性為一向下傾斜的直線，即隨著外負(fù)載的增加(zngji)，其轉(zhuǎn)速線性地下降：當(dāng)增大電樞電阻時，直流電機(jī)的空載理想轉(zhuǎn)速不變，但電機(jī)的機(jī)械特性變軟，即當(dāng)電機(jī)外負(fù)載增加時，電機(jī)轉(zhuǎn)速相對理想轉(zhuǎn)速的下降值增加，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下降，輸出的機(jī)械功率下降。這是由于負(fù)載增加，電機(jī)的電流增加，電阻所消耗的功率比原來增加所至。因此，調(diào)節(jié)電樞電阻調(diào)速的方法是不經(jīng)濟(jì)的。在實際伺服系統(tǒng)中應(yīng)用少。 共一百七十八頁882改變電樞(din sh)電壓的調(diào)速改變(gibin)電樞電壓U時的機(jī)械特性（U越大，n0越大，不變）,由于電機(jī)絕緣耐壓強(qiáng)度的限制，電樞電壓只允許在其額定值

36、以下調(diào)節(jié)。圖4-38 改變電樞電壓的調(diào)速共一百七十八頁89這種調(diào)速方法有以下特點：(1)當(dāng)電源電壓連續(xù)變化時，轉(zhuǎn)速可以平滑無級調(diào)節(jié)，但一般只能在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)節(jié)；(2)機(jī)械(jxi)特性硬度不變（不變），調(diào)速的穩(wěn)定度較高，調(diào)速范圍較大；(3)電樞電壓調(diào)速屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，適合于對恒轉(zhuǎn)矩型負(fù)載進(jìn)行調(diào)速； 共一百七十八頁90 電樞電壓調(diào)速是數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)中用的最多的調(diào)速方法，后面將講到的晶閘管供電的速度控制和晶體管直流脈寬（PWM）調(diào)速系統(tǒng)都是電樞電壓調(diào)速原理的具體(jt)應(yīng)用。共一百七十八頁913改變(gibin)勵磁磁通調(diào)速 改變磁通時的機(jī)械特性（越大，n0越小，越?。┯捎趧畲啪€圈發(fā)熱和電機(jī)(d

37、inj)磁飽和限制，電機(jī)(dinj)的勵磁電流和它對應(yīng)的磁通只能在低于其額定值的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。圖3-40 改變磁通時的調(diào)速共一百七十八頁92對于(duy)調(diào)磁調(diào)速，不但改變了電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速，而且也使機(jī)械特性變軟，使電機(jī)抗負(fù)載變化的能力降低。共一百七十八頁93 因此，直流電機(jī)廣泛使用調(diào)節(jié)電樞(din sh)電壓的調(diào)速方式。共一百七十八頁945.3.6 晶閘管調(diào)速控制系統(tǒng)(kn zh x tn)只通過改變(gibin)晶閘管觸發(fā)角，以達(dá)到對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的范圍較小，為滿足數(shù)控機(jī)床的調(diào)速范圍要求，可采用帶有速度反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。為增加調(diào)速特性的硬度，充分利用電機(jī)過載能力，加快啟動過程，需要加一個電流反饋環(huán)

38、節(jié)，實現(xiàn)雙閉環(huán)調(diào)速。 圖3-41 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)共一百七十八頁95當(dāng)給定的速度指令信號增大時，速度調(diào)節(jié)器輸入端會有較大的偏差信號，放大器的輸出信號隨之加大，觸發(fā)脈沖前移，整流器輸出電壓提高，電機(jī)轉(zhuǎn)速相應(yīng)(xingyng)的上升；同時，測速發(fā)電機(jī)輸出電壓增加，反饋到輸入端使偏差信號減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升減慢，直到速度反饋值等于或接近給定值時系統(tǒng)達(dá)到新的平衡。共一百七十八頁96當(dāng)負(fù)載(fzi)增加時，轉(zhuǎn)速會下降，測速發(fā)電機(jī)輸出電壓下降，使速度調(diào)節(jié)器輸入偏差信號增大，放大器輸出電壓增加，觸發(fā)脈沖前移，晶閘管整流器輸出電壓升高，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，直到恢復(fù)原干擾前的轉(zhuǎn)速；電流調(diào)節(jié)器可對速度調(diào)節(jié)器電流反饋信

39、號進(jìn)行補(bǔ)償，使SCR整流器輸出電壓恢復(fù)到原值，抑制了主回路電流的變化。 共一百七十八頁97當(dāng)速度給定信號為階躍函數(shù)時，電流調(diào)節(jié)器輸入(shr)值很大，輸出值整定在最大的飽和值，電樞電流值最大。因而，電機(jī)在加速的過程中可始終保持在最大轉(zhuǎn)矩和最大加速度狀態(tài)，使啟動、制動過程最短。共一百七十八頁98晶閘管調(diào)速控制系統(tǒng)的特點: 雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)、動態(tài)指標(biāo)，可最大限度地利用電機(jī)過載能力，實現(xiàn)過度過程最短。上述晶閘管調(diào)速的缺點在于(ziy)低速輕載時，電樞電流出現(xiàn)斷續(xù)，機(jī)械特性變軟，總放大倍數(shù)下降，動態(tài)品質(zhì)變壞?？刹捎秒姌须娏髯赃m應(yīng)調(diào)節(jié)器或者增加一個電壓調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)，組成三環(huán)來解決。共一百七十八頁9

40、95.3.7 晶體管脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)速系統(tǒng)(xtng)晶體管直流脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)簡稱脈寬調(diào)速系統(tǒng)，是利用脈寬調(diào)制器對大功率晶體管開關(guān)時間進(jìn)行控制，將直流電壓轉(zhuǎn)變成一系列某一頻率的單極性或雙極性方波電壓，加到直流電機(jī)電樞的兩端，通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均值，從而達(dá)到(d do)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。共一百七十八頁100PWM調(diào)速系統(tǒng)(xtng)的特點 1)電機(jī)損耗和噪聲小 晶體管開關(guān)頻率很高，遠(yuǎn)比轉(zhuǎn)子所跟隨的頻率高，也即避開了機(jī)械的共振。由于開關(guān)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(jī)耗損和發(fā)熱小。2)晶體管的開關(guān)性能好，控制簡單 功率晶體管

41、工作(gngzu)在開關(guān)狀態(tài)，其耗損小，且控制方便。只需在基極加以信號就可以控制其開關(guān)。共一百七十八頁1013)系統(tǒng)(xtng)動態(tài)特性好，響應(yīng)頻帶寬 晶體管的電容小，截止頻率高于可控硅，允許系統(tǒng)(xtng)有較高的工作頻帶較寬的頻帶，可獲得好的系統(tǒng)(xtng)動態(tài)性能，動態(tài)響應(yīng)迅速，也可避免機(jī)床的共振區(qū)，使機(jī)床加工平穩(wěn)，從而可提高加工質(zhì)量。4)電流脈動小，波形系數(shù)小 電機(jī)負(fù)載呈感性，電路的電感值與頻率成正比關(guān)系，因此電流脈動的幅度隨頻率的升高而下降。PWM的高工作頻率使電流的脈動幅度大大的削弱，電流的波形系數(shù)接近于1，使得電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱少，輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，對低速加工有利。共一百七十八頁1025)

42、電源的功率因數(shù)高 PWM系統(tǒng)的直流電源為不控整流輸出，相當(dāng)于可控硅導(dǎo)通角為最大時的工作狀態(tài)，功率因數(shù)與輸出電壓無關(guān)，整個工作范圍內(nèi)的功率因數(shù)可達(dá)90%，從而大大改善了電源的利用率。5)功率晶體管承受高峰(gofng)值電流的能力差。共一百七十八頁103(2)PWM系統(tǒng)的工作(gngzu)原理PWM方式的速度控制系統(tǒng)主要由脈沖寬度調(diào)制器和脈沖功率放大器兩部分組成。PWM調(diào)速系統(tǒng)可分為控制部分、晶體管開關(guān)式放大器和功率整流器三部分。控制部分包括速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、固定(gdng)頻率振蕩器及三角波發(fā)生器、脈沖寬度調(diào)制器以及基極的驅(qū)動電路。脈寬調(diào)制（PWM）系統(tǒng)的工作原理如圖5.29所示。共一百

43、七十八頁104圖5.29 脈寬調(diào)制（PWM）系統(tǒng)的工作(gngzu)原理共一百七十八頁105脈寬調(diào)制是使功率放大器中的晶體管開關(guān)工作，開關(guān)頻率保持恒定，用調(diào)整每周期內(nèi)的導(dǎo)通時間的方法來改變功率晶體管的輸出，從而(cng r)是電機(jī)電樞兩端獲得寬大隨時變化的確定頻率的電壓脈沖。脈寬的連續(xù)變化，使得電樞電壓的平均值也連續(xù)變化，因而使電機(jī)的轉(zhuǎn)速連續(xù)調(diào)整。脈寬調(diào)制器也是使電流調(diào)節(jié)器輸出的直流電壓電平（隨時間緩慢變化）與振蕩器產(chǎn)生的確定頻率的三角波疊加，然后利用線性組件產(chǎn)生寬度可變的矩形脈沖，經(jīng)驅(qū)動回路放大后加到晶體管的基極，控制其開關(guān)周期及導(dǎo)通的持續(xù)時間。 共一百七十八頁106(3)脈寬調(diào)制器 脈寬調(diào)

44、制器的作用是將電壓量轉(zhuǎn)換成可由控制信號調(diào)節(jié)的矩形脈沖。在PWM調(diào)速系統(tǒng)中，電壓量為電流調(diào)節(jié)器輸出的直流電壓量，該電壓是由數(shù)控裝置插補(bǔ)器輸出的速度指令轉(zhuǎn)化而來。經(jīng)過脈寬調(diào)制器變?yōu)橹芷诠潭?、脈寬可變的脈沖信號，脈沖寬度的變化隨著(su zhe)速度指令而變化。由于脈沖周期不變，脈沖寬度的改變將使脈沖平均電壓改變。共一百七十八頁107脈沖(michng)寬度調(diào)制器的種類很多，但從結(jié)構(gòu)上看，都是由兩部分組成，即 調(diào)制信號發(fā)生器 比較放大器 而調(diào)制信號發(fā)生器都是采用三角波發(fā)生器或鋸齒波發(fā)生器。 共一百七十八頁108圖5.30 脈寬調(diào)制器(a)三角(snjio)波發(fā)生器；(b)、(c)比較放大器共一百七十

45、八頁109(4)開關(guān)(kigun)功率放大器圖3-44 H形開關(guān)電路(a)單極性工作(gngzu)狀態(tài) (b)雙極性工作狀態(tài)共一百七十八頁1105.2.2 三相電壓型逆變(n bin)電路三個單相逆變電路可組合成一個(y )三相逆變電路應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路圖5-9 三相電壓型橋式逆變電路共一百七十八頁111(4)開關(guān)(kigun)功率放大器圖3-44 H形開關(guān)電路(a)單極性工作(gngzu)狀態(tài) (b)雙極性工作狀態(tài)共一百七十八頁112H形雙極性開關(guān)電路如圖3-44(b)所示：比較圖3-44(a)、(b)可看出，這兩個圖的構(gòu)成是一樣的，只是控制電壓不同。圖3-44(b)中的控制電壓的

46、特點是ubl=ub4，ub2=ub3=-ubl。在0tt1時，VT1和VT4導(dǎo)通，此時(c sh)電源+Ed加在電機(jī)電樞AB兩端(即uAB=+Ed)。在t1tT時，VT2和VT3導(dǎo)通，此時電源+Ed加在電機(jī)電樞BA兩端(即uAB=-Ed)。在這種控制方式下，開關(guān)放大器的輸出電壓是在+Ed到-Ed之間變化的脈沖電壓，其電機(jī)電樞兩端電壓uAB的極性改變，因此稱它為雙極性工作方式。共一百七十八頁113從圖3-43中的波形可知，主回路輸出電壓uAB是在0和+ Ed之間變化的脈沖電壓。因此，這時是采用了H形單極性開關(guān)電路工作方式。改變控制電壓的大小(如變小)，即可改變電樞兩端的電壓波形(如脈寬變窄)，從

47、而改變了電樞電壓的平均值(如平均電壓變小)，達(dá)到(d do)調(diào)速的目的(如電機(jī)轉(zhuǎn)速變低)。 共一百七十八頁114第16講共一百七十八頁1155.4 交流(jioli)電機(jī)伺服系統(tǒng)5.4.1交流伺服電機(jī)的種類：交流伺服電機(jī)可以分為：永磁式交流伺服電機(jī) 感應(yīng)式交流伺服電機(jī)。 永磁式交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速與電源的頻率(pnl)有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，同步性較好，因此常用于進(jìn)給伺服系統(tǒng)。共一百七十八頁116永磁交流伺服電動機(jī)同直流伺服電動機(jī)比較，主要優(yōu)點有：無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護(hù)和保養(yǎng)要求低。定子繞組散熱比較方便。慣量小，易于(yy)提高系統(tǒng)的快速性。適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。同功率下有較小的體積和

48、重量。共一百七十八頁1175.4.2 永磁交流(jioli)同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖5.33 永磁交流(jioli)同步伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)共一百七十八頁118（1）永磁交流同步伺服電機(jī)的發(fā)展 新永磁材料的應(yīng)用(yngyng) 釹鐵硼 永久磁鐵的結(jié)構(gòu)改革 內(nèi)裝永磁交流同步伺服電機(jī) 與機(jī)床部件一體化的電機(jī) 空心軸永磁交流同步伺服電機(jī)（2）交流主軸伺服電機(jī)的發(fā)展 輸出轉(zhuǎn)換型交流主軸電機(jī) 三角-星形切換，繞組數(shù)切換或二者組合切換。 液體冷卻電機(jī) 內(nèi)裝式主軸電機(jī) 5.4.3、交流(jioli)伺服電機(jī)的發(fā)展 共一百七十八頁1195.4.4 交流(jioli)伺服電機(jī)的調(diào)速原理由電機(jī)學(xué)基本原理可知，交流電機(jī)的同步轉(zhuǎn)

49、速(zhun s)為異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為: 式中f定子電源頻率，Hz；p電機(jī)定子繞組磁極對數(shù)；S轉(zhuǎn)差率。共一百七十八頁120改變(gibin)電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法： (1)改變磁極對數(shù)(du sh)(3)變頻調(diào)速(2)改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速共一百七十八頁1215.4.5 交流伺服電機(jī)的速度控制(kngzh)單元 永磁同步伺服電機(jī)的調(diào)速與異步型伺服電機(jī)的調(diào)速有不同之處異步型的，即不能用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率S的方法來調(diào)速，也不能用改變磁極對數(shù) p來調(diào)速，而只能用變頻( f )方法調(diào)速才能滿足數(shù)控機(jī)床(sh kn j chun)的要求，實現(xiàn)無級調(diào)速。共一百七十八頁122永磁交流伺服系統(tǒng)按其工作原理、驅(qū)動電流波形和控制方式的不同

50、，又可分為：矩形(jxng)波電流驅(qū)動的永磁交流伺服系統(tǒng)和正弦波電流驅(qū)動的永磁交流伺服系統(tǒng)。前者的永磁交流伺服電機(jī)也稱為無刷直流伺服電動機(jī)，后者的也稱無刷交流伺服電動機(jī)。從發(fā)展趨勢看，正弦波驅(qū)動將成為主流。共一百七十八頁123永磁交流(jioli)伺服電機(jī)變頻調(diào)速控制單元中的關(guān)鍵部件之一是變頻器。變頻器又分為交直交型和交交型變頻器，前者廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)中。通常交直交型變頻器中的交直變換是將交流變?yōu)橹绷麟?，而直交變換是將直流變?yōu)檎{(diào)頻、調(diào)壓的交流電，采用脈沖寬度調(diào)制逆變器來完成。共一百七十八頁124 逆變器有晶閘管和晶體管逆變器之分，而數(shù)控機(jī)床上的交流伺服系統(tǒng)幾乎全部(qunb)采用晶

51、體管逆變器。共一百七十八頁1251SPWM變頻器SPWM變頻器，即正弦波PWM變頻器，屬于交直交靜止變頻裝置。它先將50Hz的工頻電源經(jīng)整流變壓器變到所需的電壓(diny)后，經(jīng)二極管整流和電容濾波，形成恒定直流電壓，再送人由大功率晶體管構(gòu)成的逆變器主電路，輸出三相頻率和電壓均可調(diào)整的等效于正弦波的脈寬調(diào)制波(SPWM波)，去驅(qū)動交流伺服電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 共一百七十八頁126(1)SPWM波形與等效正弦波 SPWM逆變器是用來產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制波，即SPWM 波形。工作原理是把一個(y )正弦半波分成N等分，然后把每一等分的正弦曲線與橫坐標(biāo)所包圍的面積都用一個與此面積相等的矩形脈沖來代替，這樣可得到

52、N個等高而不等寬的脈沖。這N個脈沖對應(yīng)著一個正弦波的半周。對正弦波的負(fù)半周也采取同樣處理，得到相應(yīng)的2N個脈沖，這就是與正弦波等效的正弦脈寬調(diào)制波，即SPWM波。 共一百七十八頁127圖3-49 與正弦波等效(dn xio)的矩形脈沖波形共一百七十八頁128(2)產(chǎn)生(chnshng)SPWM波形的原理其方法(fngf)是以正弦波為調(diào)制波對等腰三角波為載波的信號進(jìn)行“調(diào)制”。調(diào)制電路一般采用電壓比較放大器，調(diào)制后輸出寬度受正弦調(diào)制波控制的脈沖(SPWM波),因此,只需改變正弦調(diào)制波的頻率或幅值,就能調(diào)制輸出脈沖的寬度.共一百七十八頁129(2)產(chǎn)生(chnshng)SPWM波形的原理調(diào)制原理與

53、直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)(xtng)中的調(diào)制相似，所不同的是這里需要三相SPWM波形。共一百七十八頁130(2)產(chǎn)生(chnshng)SPWM波形的原理 其原理圖如圖3-50所示。要獲得三相SPWM脈寬調(diào)制波形，則需要三個互成 的控制電壓(diny)Ua、Ub、Uc分別與同一三角波比較，獲得三路互成 的SPWM脈寬調(diào)制波U0a、U0b、U0c。而三相控制電壓Ua、Ub、Uc的幅值和頻率都是可調(diào)的。三角波頻率為正弦頻率3倍的整數(shù)倍，所以保證了三路脈沖調(diào)制波形U0a、U0b、U0c和時間軸所組成的面積隨時間的變化互成 相位角。 共一百七十八頁131圖4-52 調(diào)制(tiozh)波的形成共一百七十八頁132

54、 SPWM控制波的生成(shn chn):正弦波三角波調(diào)制、方波三角波調(diào)制。共一百七十八頁133圖3-50 三相(sn xin)SPWM控制電路原理共一百七十八頁134(3)SPWM變頻器的主電路(dinl) 圖3-51 雙極性SPWM通用型主回路(hul)共一百七十八頁1352SPWM變頻(bin pn)調(diào)速系統(tǒng)圖3-53 SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)(xtng)框圖共一百七十八頁136 SPWM變壓變頻調(diào)速的優(yōu)點：1.主電路只有一個可控的功率環(huán)節(jié)，簡化了結(jié)構(gòu)；2.采用了不可控整流器。使電網(wǎng)功率因數(shù)提高；3.逆變器同時調(diào)頻調(diào)壓，動態(tài)響應(yīng)不受中間環(huán)節(jié)影響；4.可獲得更接近(jijn)于正弦波的輸出電壓

55、波形。共一百七十八頁1373交流伺服電機(jī)的矢量(shling)控制調(diào)速交流伺服電機(jī)的矢量控制(Vector Control)，是既適用于異步型電機(jī)，也可用于同步型電機(jī)的一種調(diào)速控制方法。它是在PWM變頻異步電機(jī)調(diào)速的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。因為數(shù)控機(jī)床的主軸在工作(gngzu)時，為保證加工質(zhì)量，對恒轉(zhuǎn)矩有更高的要求，所以主軸交流電機(jī)更廣泛地采用矢量控制調(diào)速方式。共一百七十八頁138(1)矢量控制原理異步型交流電機(jī)矢量控制的基本原理是：他激直流伺服電機(jī)之所以能獲得優(yōu)良(yuling)的動態(tài)與靜態(tài)性能，其根本原因是被控量只有電機(jī)磁場和電樞電流IR，且這兩個量是相互獨立的。此外，電磁轉(zhuǎn)矩，T與、IR成比

56、例關(guān)系。因此控制簡單，性能優(yōu)良。如果能夠模擬直流電機(jī)，求出異步電機(jī)與之對應(yīng)的磁場與電樞電流，分別而獨立地加以控制，就會使異步電機(jī)具有與直流電機(jī)近似的優(yōu)良性能。共一百七十八頁139為此，必須將三相交變量(矢量(shling)轉(zhuǎn)換為與之等效的直流量(標(biāo)量)。建立起異步電機(jī)的等效數(shù)學(xué)模型，然后按照直流電機(jī)的控制方式對其進(jìn)行控制。所以，這種控制方法叫異步電機(jī)的矢量控制。共一百七十八頁140根據(jù)交流電機(jī)理論中異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系可知，電磁轉(zhuǎn)矩與氣隙磁通和轉(zhuǎn)子電流I2成正比。在這里是矢量，它是由定子電流I1與轉(zhuǎn)子電流I2合成電流I0產(chǎn)生的，并處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。與直流電機(jī)相比，由于交流電機(jī)沒有獨立(dl)的激磁

57、回路，可以把轉(zhuǎn)子電流I2比作直流電機(jī)電樞電流IR，則轉(zhuǎn)子電流I2時刻影響著氣隙磁通的變化，不再是獨立的變量。其次，交流電機(jī)輸入量的定子電壓和電流均是隨時間交變的量，而磁通是空間交變矢量。 共一百七十八頁141如果僅僅控制定子電壓和頻率，其輸出特性n=f(T)顯然將不會是線性的。為此可利用等效概念，將三相交流輸入電流變?yōu)榈刃У闹绷麟姍C(jī)中彼此獨立的激磁電流If和電樞電流IR，然后和直流電機(jī)一樣，通過兩個量的反饋控制實現(xiàn)對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制。再通過相反的變換，將被控制的等效的直流量還原為三相交流量，控制實際的三相交流電機(jī)。則三相交流電機(jī)的調(diào)速性能(xngnng)就能完全體現(xiàn)出直流電機(jī)的調(diào)速性能(xngn

58、ng)，這就是矢量控制的基本思想。 共一百七十八頁142第17講共一百七十八頁1435.5.1 相位比較(bjio)伺服系統(tǒng)5.5.2 幅值比較伺服系統(tǒng) 5.5.3 數(shù)字比較伺服系統(tǒng)5.5 伺服系統(tǒng)的位置(wi zhi)控制共一百七十八頁1441相位(xingwi)比較伺服系統(tǒng)的組成 相位比較伺服系統(tǒng)是采用相位比較方法(fngf)實現(xiàn)位置閉環(huán)(及半閉環(huán))控制的伺服系統(tǒng)，是數(shù)控機(jī)床中使用較多的一種位置控制系統(tǒng)。 主要由基準(zhǔn)信號發(fā)生器、脈沖調(diào)相器、檢測元件、鑒相器、伺服放大器、伺服電機(jī)等。 圖5.40 相位比較伺服系統(tǒng)原理框圖共一百七十八頁1452相位(xingwi)比較伺服系統(tǒng)的工作原理在該系統(tǒng)

59、中，感應(yīng)同步器在相位(xingwi)工作狀態(tài)，以定尺的相位(xingwi)檢測信號經(jīng)過整形放大后所得的作為位置反饋信號。指令脈沖經(jīng)脈沖調(diào)相后，轉(zhuǎn)換成頻率為的脈沖信號。 、 為兩個同頻的脈沖信號。它們的相位(xingwi)差反映了指令位置與實際位置的偏差。共一百七十八頁1463相位(xingwi)比較伺服系統(tǒng)的控制線路(1)脈沖(michng)調(diào)相器圖3-58 脈沖調(diào)相器組成原理框圖共一百七十八頁147脈沖-相位變換的原理。 N個時鐘脈沖使標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)器的輸出變化一個(y )周期，即350，N+x個脈沖使x計數(shù)器的輸出在變化一個周期(350)后，又變化=(350/N)x，即超前標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)器一個相位角。

60、 共一百七十八頁148圖3-59 輸入(shr)+x前后的波形變化(a) 原理圖 (b)預(yù)加+x的波形 (c)輸入+x前后的波形共一百七十八頁149圖3-50 輸入(shr)-x前后的波形變化共一百七十八頁150脈沖(michng)加減器 圖3-51 脈沖(michng)加減器(a)原理圖 (b)波形圖共一百七十八頁151 A、B基準(zhǔn)脈沖發(fā)生器發(fā)出的在相位上錯開180的兩個(lin )同頻率時鐘脈沖信號，A作為主脈沖，通過與非門I送出，作為分頻器的分頻脈沖。B用作加減脈沖的同步信號。沒有進(jìn)給脈沖(指令脈沖)時，與非門I開，A脈沖由此通過。當(dāng)來一個-x進(jìn)給脈沖(進(jìn)給脈沖與A脈沖同步)時，觸發(fā)器Q