第6章-數(shù)控伺服系統(tǒng)-數(shù)控技術(shù)課件

第6章數(shù)控伺服系統(tǒng)12/11/2022第6章數(shù)控伺服系統(tǒng)12/11/202216.1概

述

伺服系統(tǒng)是指以機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)運動。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置(計算機)和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成部分。數(shù)控機床伺服系統(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。12/11/20226.1概述伺服系統(tǒng)是指以機械位置或角度作26.1概

述

進給伺服系統(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”，是發(fā)布“命令”的“指揮所”，那么進給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢”，是一種“執(zhí)行機構(gòu)”。它忠實地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來的運動命令，精確控制執(zhí)行部件的運動方向，進給速度與位移量。12/11/20226.1概述進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系36.1.1伺服系統(tǒng)的組成

組成：伺服電機驅(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)。12/11/20226.1.1伺服系統(tǒng)的組成組成：伺服電機12/146.1.1伺服系統(tǒng)的組成

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)動裝置由驅(qū)動信號產(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。12/11/20226.1.1伺服系統(tǒng)的組成位置調(diào)解速度調(diào)解電流調(diào)51．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下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達到新的或者恢復(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。3．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)機械要求電機能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。0～24m/min。5．低速大轉(zhuǎn)矩

進給坐標(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。6.1.2對伺服系統(tǒng)的基本要求

12/11/20221．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6對伺服電機的要求：（1）調(diào)運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。（3）反應(yīng)速度快，電機必須具有較小的轉(zhuǎn)動慣量、較大的轉(zhuǎn)矩、盡可能小的機電時間常數(shù)和很大的加速度

(400rad/s2以上)。（4）能承受頻繁的起動、制動和正反轉(zhuǎn)。6.1.2對伺服系統(tǒng)的基本要求

12/11/2022對伺服電機的要求：6.1.2對伺服系統(tǒng)的基本要求12/17

1．按調(diào)節(jié)理論分類（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)6.1.2伺服系統(tǒng)的分類指令驅(qū)動電路步進電機工作臺脈沖伺服電機速度檢測速度控制位置控制位置檢測伺服電機速度控制位置控制工作臺脈沖編碼器指令12/11/20221．按調(diào)節(jié)理論分類6.1.2伺服系統(tǒng)的分類指令驅(qū)動電路86.1.2伺服系統(tǒng)的分類開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置→進給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。電機機械執(zhí)行部件A相、B相C相、…f、nCNC插補指令脈沖頻率f脈沖個數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大12/11/20226.1.2伺服系統(tǒng)的分類開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)電機機械執(zhí)行部件A相9

6.1.2伺服系統(tǒng)的分類無位置反饋，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)和機械傳動機構(gòu)的性能和精度。一般以功率步進電機作為伺服驅(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)濟型數(shù)控機床。12/11/20226.1.2伺服系統(tǒng)的分類無位置反饋，精度相對閉環(huán)系統(tǒng)106.1.2伺服系統(tǒng)的分類半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)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)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。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++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋12/11/20226.1.2伺服系統(tǒng)的分類半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)位置控制調(diào)節(jié)器速116.1.2伺服系統(tǒng)的分類半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(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。但可對這類誤差進行補償，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機床中得到了廣泛應(yīng)用。12/11/20226.1.2伺服系統(tǒng)的分類半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量126.1.2伺服系統(tǒng)的分類全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進行檢測。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++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋12/11/20226.1.2伺服系統(tǒng)的分類全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)位置控制調(diào)節(jié)器136.1.2伺服系統(tǒng)的分類

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、超精磨床以及較大型的數(shù)控機床等。12/11/20226.1.2伺服系統(tǒng)的分類從理論上講，可以消除整個驅(qū)動和142．按使用的執(zhí)行元件分類

（1）電液伺服系統(tǒng)電液脈沖馬達和電液伺服馬達。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（步進電機、直流電機和交流電機）優(yōu)點：操作維護方便，可靠性高。1）直流伺服系統(tǒng)

進給運動系統(tǒng)采用大慣量寬調(diào)速永磁直流伺服電機和中小慣量直流伺服電機；主運動系統(tǒng)采用他激直流伺服電機。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（一般用于主軸伺服系統(tǒng)）和永磁同步伺服電機（一般用于進給伺服系統(tǒng)）。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、不需維護、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。6.1.2伺服系統(tǒng)的分類12/11/20222．按使用的執(zhí)行元件分類6.1.2伺服系統(tǒng)的分類12153．按被控對象分類（1）進給伺服系統(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)6.1.2伺服系統(tǒng)的分類12/11/20223．按被控對象分類6.1.2伺服系統(tǒng)的分類12/11166.2伺服電動機

伺服電動機為數(shù)控伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是速度和軌跡控制的執(zhí)行元件。

數(shù)控機床中常用的伺服電機：直流伺服電機（調(diào)速性能良好）交流伺服電機（主要使用的電機）步進電機（適于輕載、負(fù)荷變動不大）直線電機（高速、高精度）

12/11/20226.2伺服電動機伺服電動機為數(shù)控伺17常用的直流電動機有：永磁式直流電機（有槽、無槽、杯型、印刷繞組）勵磁式直流電機混合式直流電機無刷直流電機直流力矩電機

直流進給伺服系統(tǒng)：永磁式直流電機類型中的有槽電樞永磁直流電機（普通型）；

直流主軸伺服系統(tǒng)：勵磁式直流電機類型中的他激直流電機。

6.2.1直流伺服電機及工作特性12/11/2022常用的直流電動機有：永磁式直流電機（有槽、無槽、杯型、618

1．直流伺服電機的結(jié)構(gòu)極靴機殼瓦狀永磁材料（定子）電樞（轉(zhuǎn)子）換向極主磁極定子轉(zhuǎn)子線圈圖6.5永磁直流伺服電機的結(jié)構(gòu)

圖6.6直流主軸電機結(jié)構(gòu)示意圖12/11/20221．直流伺服電機的結(jié)構(gòu)極靴機殼瓦狀永磁材料（定子）電樞（轉(zhuǎn)19⑴靜態(tài)特性

電磁轉(zhuǎn)矩由下式表示:

（6.1）

KT

—轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

Φ—磁場磁通；Ia—電樞電流；TM—電磁轉(zhuǎn)矩。電樞回路的電壓平衡方程式為:

（6.2）

Ua─電樞上的外加電壓；Ra─電樞電阻；Ea─電樞反電勢。

電樞反電勢與轉(zhuǎn)速之間有以下關(guān)系：

（6.3）

Ke─電勢常數(shù)；ω─電機轉(zhuǎn)速（角速度）。

根據(jù)以上各式可以求得：

（6.4）

2一般直流電機的工作特性

12/11/2022⑴靜態(tài)特性2一般直流電機的工作特性12/11/220

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零時：理想空載轉(zhuǎn)速（6.5）

當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時：啟動轉(zhuǎn)矩(6.6）

當(dāng)電機帶動某一負(fù)載TL時電機轉(zhuǎn)速與理想空載轉(zhuǎn)速的差（6.7）

2一般直流電機的工作特性

ωO△ω

圖6.7

直流電機的機械特性ω（n）

ωOO△ω

TS

T

TL

12/11/2022當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零時：2一般直流電機的工作特性ωO△21

⑵動態(tài)特性直流電機的動態(tài)力矩平衡方程式為

（6.8）

式中

TM─電機電磁轉(zhuǎn)矩；

TL─折算到電機軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；

ω─電機轉(zhuǎn)子角速度；

J─電機轉(zhuǎn)子上總轉(zhuǎn)動慣量；

t─時間自變量。

2一般直流電機的工作特性

12/11/2022⑵動態(tài)特性2一般直流電機的工作特性12/11/22

(1)永磁直流伺服電機的性能特點

1)低轉(zhuǎn)速大慣量2)轉(zhuǎn)矩大3)起動力矩大4)調(diào)速泛圍大，低速運行平穩(wěn)，力矩波動小(2)永磁直流伺服電機性能用特性曲線和數(shù)據(jù)表描述1)轉(zhuǎn)矩-速度特性曲線（工作曲線）

2)負(fù)載-工作周期曲線

過載倍數(shù)Tmd，負(fù)載工作周期比d。

3)數(shù)據(jù)表：N、T、時間常數(shù)、轉(zhuǎn)動慣量等等。

3．永磁直流伺服電機的工作特性

12/11/2022(1)永磁直流伺服電機的性能特點3．永磁直流伺服電23

3．永磁直流伺服電機的工作特性

d%

80110%120%60130%140%40160%

d180%20200%013tR

6103060100tR(min)

圖6﹒9負(fù)載-工作周期曲線M/（N-cm）轉(zhuǎn)矩極限

12000

10000

瞬時換向極限

8000

Ⅲ

6000

Ⅱ

換向極限

速度極限

4000

溫度極限

2000Ⅰ

050010001500n圖6﹒8永磁直流伺服電機工作曲線

Ⅰ區(qū)為連續(xù)工作區(qū)；Ⅱ區(qū)為斷續(xù)工作區(qū)，由負(fù)載-工作周期曲線決定工作時間；Ⅲ區(qū)為瞬時加減速區(qū)12/11/20223．永磁直流伺服電機的工作特性M/（N-cm）24

4．主軸直流伺服電機的工作原理和特性O(shè)njnmaxnP,T12圖6.10直流主軸電機特性曲線

1-轉(zhuǎn)矩特性曲線2-功率特性曲線12/11/20224．主軸直流伺服電機的工作原理和25直流伺服電機的缺點：

◆它的電刷和換向器易磨損；◆電機最高轉(zhuǎn)速的限制，應(yīng)用環(huán)境的限制；◆結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高。交流伺服電機的優(yōu)點：◆動態(tài)響應(yīng)好；◆輸出功率大、電壓和轉(zhuǎn)速提高交流伺服電機形式：◆同步型交流伺服電機和◆異步型交流感應(yīng)伺服電機。

6.22交流伺服電機及工作特性

VSVS12/11/2022直流伺服電機的缺點：6.22交流伺服電機及工作特性VS26交流同步伺服電機的種類：勵磁式、永磁式、磁阻式和磁滯式

（1）永磁交流同步伺服電機的結(jié)構(gòu)

1．永磁交流同步伺服電機的結(jié)構(gòu)和工作原理

VSVS定子轉(zhuǎn)子脈沖編碼器定子三相繞組接線盒圖6﹒11永磁交流同步伺服電機結(jié)構(gòu)

12/11/2022交流同步伺服電機的種類：1．永磁交流同步伺服電機的結(jié)構(gòu)和工作271．永磁交流同步伺服電機的結(jié)構(gòu)和工作原理

12/11/20221．永磁交流同步伺服電機的結(jié)構(gòu)和工作原理12/11/20228

（2）永磁交流同步伺服電機工作原理和性能

1．永磁交流同步伺服電機的結(jié)構(gòu)和工作原理n（r/min）

VSNnsnr

θ

S

圖6﹒12工作原理圖6﹒13特性曲線T（N-cm）

120001000080006000400020000100020003000Ⅰ

Ⅱ

12/11/2022（2）永磁交流同步伺服電機工作原理和性能1．永磁交流同29交流主軸電機的要求：大功率低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率鼠籠式交流異步伺服電機圖6﹒14交流主軸電機與普通交流

異步感應(yīng)電機的比較圖示意圖

圖6．15交流主軸伺服電機的特性曲線

2．交流主軸伺服電機的結(jié)構(gòu)和工作原理

交流主軸電機

普通交流異步感應(yīng)電機

通風(fēng)孔

P（KW）

86420200040006000800012000

n（r/min）

12/11/2022交流主軸電機的要求：

2．交流主軸伺服電機的結(jié)構(gòu)和工作原理30

（1）永磁交流同步伺服電機的發(fā)展①新永磁材料的應(yīng)用釹鐵硼②永久磁鐵的結(jié)構(gòu)改革內(nèi)裝永磁交流同步伺服電機③與機床部件一體化的電機空心軸永磁交流同步伺服電機（2）交流主軸伺服電機的發(fā)展①輸出轉(zhuǎn)換型交流主軸電機三角-星形切換，繞組數(shù)切換或二者組合切換。②液體冷卻電機③內(nèi)裝式主軸電機

3、交流伺服電機的發(fā)展

12/11/2022

3、交流伺服電機的發(fā)展12/11/2022316.2.2

步進電機及其驅(qū)動裝置

一、步進電機工作原理步進電機伺服系統(tǒng)是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，步進電機受驅(qū)動線路控制，將進給脈沖序列轉(zhuǎn)換成為具有一定方向、大小和速度的機械轉(zhuǎn)角位移，并通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。進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，而運動方向是由步進電機的各相通電順序來決定，并且保持電機各相通電狀態(tài)就能使電機自鎖。但由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測環(huán)節(jié)，其精度主要由步進電機來決定，速度也受到步進電機性能的限制。12/11/20226.2.2步進電機及其驅(qū)動裝置12/11/202232

步進電機在結(jié)構(gòu)上分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分，現(xiàn)以圖6.16所示的反應(yīng)式三相步進電機為例加以說明。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A、B、C三相。轉(zhuǎn)子無繞組，它是由帶齒的鐵心做成的。步進電機是按電磁吸引的原理進行工作的。當(dāng)定子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。步進電機每次轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。12/11/202212/11/202233

圖6.16三相反應(yīng)式步進電機結(jié)構(gòu)12/11/202212/11/202234為進一步了解步進電機的工作原理，以圖4-5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A→B→C→A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。若改變通電順序，按A→C→B→A使定子繞組通電，步進電機就按順時針方向轉(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。12/11/2022為進一步了解步進電機的工作原理，以圖4-5為35采用三相雙三拍控制方式，即通電順序按AB→BC→CA→AB（逆時針方向）或AC→CB→BA→AC（順時針方向）進行，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。如果按A→AB→B→BC→C→CA→A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，步進電機逆時針轉(zhuǎn)過15°。如通電順序改為A→AC→C→CB→B→BA→A，則步進電機以步距角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采用。實際應(yīng)用的步進電機如圖所示，轉(zhuǎn)子鐵心和定子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。12/11/2022采用三相雙三拍控制方式，即通電順序按AB→36

圖4-5步進電機工作原理12/11/202212/11/202237二、步進電機的主要性能指標(biāo)1.

步距角和步距誤差步距角和步進電機的相數(shù)、通電方式及電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)的關(guān)系如下：

式中—步進電機的步距角；m—電機相數(shù)；Z—轉(zhuǎn)子齒數(shù)；K—系數(shù)，相鄰兩次通電相數(shù)相同，K＝1；相鄰兩次通電相數(shù)不同，K＝2。同一相數(shù)的步進電機可有兩種步距角，通常為1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。步距誤差是指步進電機運行時，轉(zhuǎn)子每一步實際轉(zhuǎn)過的角度與理論步距角之差值。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。由于步進電機轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)后，將重復(fù)上一轉(zhuǎn)的穩(wěn)定位置，即步進電機的步距累積誤差將以一轉(zhuǎn)為周期重復(fù)出現(xiàn)。12/11/2022二、步進電機的主要性能指標(biāo)12/11/202238

2.靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性

當(dāng)步進電機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（θ＝0）。如果在電機軸上外加一個負(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θ，角度θ稱為失調(diào)角。有失調(diào)角之后，步進電機就產(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。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角θ的關(guān)系叫矩角特性，如圖4-6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)子在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點位置（θ＝0）。12/11/20222.靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性12/11/239

圖6.17靜態(tài)矩角特性12/11/202212/11/202240

3.

最大啟動轉(zhuǎn)矩圖6.18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)矩是步進電機的最大啟動轉(zhuǎn)矩。如果外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于，電機就不能啟動。如圖4-7所示,當(dāng)A相通電時，若外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩，對應(yīng)的失調(diào)角為，當(dāng)勵磁電流由A相切換到B相時，對應(yīng)角，B相的靜轉(zhuǎn)矩為。從圖中看出,電機不能帶動負(fù)載做步進運動，因而啟動轉(zhuǎn)矩是電機能帶動負(fù)載轉(zhuǎn)動的極限轉(zhuǎn)矩。12/11/20223.

最大啟動轉(zhuǎn)矩12/11/20241ABC圖6.18步進電機的啟動轉(zhuǎn)矩12/11/2022ABC圖6.18步進電機的啟動轉(zhuǎn)矩424.啟動頻率

空載時，步進電機由靜止?fàn)顟B(tài)突然起動，并進入不失步的正常運行的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率，加給步進電機的指令脈沖頻率如大于啟動頻率，就不能正常工作。步進電機在帶負(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)），啟動頻率會進一步降低。5.連續(xù)運行頻率步進電機起動后，其運行速度能根據(jù)指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運行頻率。其值遠大于啟動頻率，它也隨著電機所帶負(fù)載的性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)動電源也有很大關(guān)系。12/11/20224.啟動頻率12/11/2022434.矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩

矩頻特性是描述步進電機連續(xù)穩(wěn)定運行時輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運行頻率之間的關(guān)系（見圖6.19），該特性上每一個頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)步進電機正常運行時，若輸入脈沖頻率逐漸增加，則電動機所能帶動負(fù)載轉(zhuǎn)矩將逐漸下降。在使用時，一定要考慮動態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運行頻率的上升而下降的特點。Mf圖6.19矩頻特性12/11/20224.矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩12/11/244三、步進電機開環(huán)系統(tǒng)的傳動計算1.直線進給系統(tǒng)12/11/2022三、步進電機開環(huán)系統(tǒng)的傳動計算1.直線進給系統(tǒng)12/11/2452.圓周進給系統(tǒng)12/11/20222.圓周進給系統(tǒng)12/11/202246四步進電機功率驅(qū)動

步進電機驅(qū)動線路完成由弱電到強電的轉(zhuǎn)換和放大，也就是將邏輯電平信號變換成電機繞組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。環(huán)形分配器是用于控制步進電機的通電方式的，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。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)步進電機的相數(shù)和控制方式設(shè)計的，數(shù)控機床上常用三相、四相、五相及六相步進電機?，F(xiàn)介紹三相六拍步進電機環(huán)形分配器的工作原理。12/11/2022四步進電機功率驅(qū)動

147

硬件環(huán)形分配器是根據(jù)真值表或邏輯關(guān)系式采用邏輯門電路和觸發(fā)器來實現(xiàn)，如圖6.20所示，該線路由與非門和J－K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。若“1”表示通電，“0”表示斷電，對于三相六拍步進電機正向旋轉(zhuǎn)，正向控制端狀態(tài)置“1”，反向控制端狀態(tài)置“0”。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100→110→010→011→001→101即正向控制為“1”時：A→AB→B→BC→C→CA次序通電。步進電機反轉(zhuǎn)時，由反向控制信號“0”狀態(tài)控制，通電次序為A→CA→C→CB→B→BA→A。12/11/2022硬件環(huán)形分配器是根據(jù)真值表或邏輯關(guān)系式采用邏輯48圖6.20三相六拍環(huán)形分配器12/11/2022圖6.20三相六拍環(huán)形分配器12/11/202249軟件環(huán)形分配器實現(xiàn)較為簡單、方便。計算機控制的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)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)接收到一個進給脈沖指令，環(huán)形分配器軟件根據(jù)表4-1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。如果上一個進給脈沖到來時，控制輸出接口輸出的A、B、C的值是100，則對于下一個正向進給脈沖指令，控制輸出接口輸出的值是110，再下一個正向進給脈沖，應(yīng)是010，而使步進電機正向地旋轉(zhuǎn)起來。12/11/2022軟件環(huán)形分配器實現(xiàn)較為簡單、方便。計算機控制50三相六拍環(huán)形分配器真值表

12/11/2022三相六拍環(huán)形分配器真值表51功率放大器的作用是將環(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電機各繞組，每一相繞組分別有一組功率放大電路。以下介紹三種典型的驅(qū)動電路：單電壓簡單驅(qū)動、高低壓驅(qū)動和恒流斬波驅(qū)動。圖6.21為單電壓功放電路，L為步進電機勵磁繞組的電感，Ra為繞組電阻，Rc為外接電阻，電阻Rc并聯(lián)一電容C，可以提高負(fù)載瞬間電流的上升率，從而提高電動機快速響應(yīng)能力和啟動性能。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)曲線上升，電路時間常數(shù)τ=L/(Ra+Rc)，它表示功放電路在導(dǎo)通時允許步進電機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，改善帶負(fù)載能力。但電阻消耗了一部分功率，降低了效率。當(dāng)環(huán)形分配器輸出為低電平時，T截止，繞組斷電，因步進電機的繞組是電感性負(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。12/11/2022功率放大器的作用是將環(huán)形分配器發(fā)出的電平信號放52因此，續(xù)流二極管D和電阻Rd接在T管集電極和電源之間，組成放電回路，使T管截止瞬間電機產(chǎn)生的反電勢通過二極管D續(xù)流作用而衰減掉，從而保護晶體管不受損壞。圖4-11為電流波形，可見電流波形前沿不陡，繞組電流緩慢增加，而使電機帶負(fù)載能力下降。單電壓驅(qū)動電路的優(yōu)點是線路簡單，缺點是電流上升不夠快，高頻時帶負(fù)載能力低。

URaLDCRcRd

輸入

圖6.21單電壓驅(qū)動電路原理圖前置放大12/11/2022因此，續(xù)流二極管D和電阻Rd接在T管集電極和53圖6.22三種電路電流波形12/11/202212/11/202254

圖6.23所示為高低壓電路，這種電路特點是高壓充電，低壓維持。當(dāng)環(huán)形分配器輸出高電平時，兩只功率放大管T1，T2同時導(dǎo)通，電機繞組以＋80V高壓供電，繞組電流快速上升，前沿很陡，當(dāng)接近額定電流時，單穩(wěn)延時時間到，T1管截止，改由低壓＋12V供電，維持繞組額定電流。若高低壓之比為U1/U2，則電流上升也提高U1/U2倍，上升時間明顯減小。當(dāng)?shù)蛪簲嚅_時，電感中儲能通過構(gòu)成的放電回路放電，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，有利于提高步進電機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，只需較小的限流電阻，功耗小。該電路能在較寬的頻率范圍內(nèi)有較大的平均電流，能產(chǎn)生較大且較穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，缺點是高低壓電路波形連接處有凹形．12/11/202212/11/202255U1＋80V

V1U2＋12Vt1VD2

R2VD1

LR1t2

V2

圖6.23高低壓驅(qū)動電路原理圖單穩(wěn)延時前置放大前置放大12/11/2022U1＋80V

單穩(wěn)前置放大前置放大12/11/202256

恒流斬波驅(qū)動電路的原理圖見圖6.24，其工作原理是：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。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。如此反復(fù)進行，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（見圖6.22），近似恒流。12/11/2022恒流斬波驅(qū)動電路的原理圖見圖6.24，其工57

U1

V1VD1VD2U2RLRaV2輸入

Re

圖4-13恒流斬波驅(qū)動電路原理圖

高壓前置放大低壓前置放大控制門整形12/11/2022

高壓前置放大低壓前置放大控制門整形12/11/202258五、

開環(huán)控制步進式伺服系統(tǒng)的工作原理1.工作臺位移量的控制數(shù)控裝置發(fā)出N個脈沖，經(jīng)驅(qū)動線路放大后，使步進電機定子繞組通電狀態(tài)變化N次，如果一個脈沖使步進電機轉(zhuǎn)過的角度為α，則步進電機轉(zhuǎn)過的角位移量Φ＝Nα，再經(jīng)減速齒輪、絲杠、螺母之后轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髋_的位移量L，即進給脈沖數(shù)決定了工作臺的直線位移量L。2.工作臺進給速度的控制數(shù)控裝置發(fā)出的進給脈沖頻率為f，經(jīng)驅(qū)動控制線路，表現(xiàn)為控制步進電機定子繞組的通電、斷電狀態(tài)的電平信號變化頻率，定子繞組通電狀態(tài)變化頻率決定步進電機的轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速經(jīng)過減速齒輪及絲杠、螺母之后，體現(xiàn)為工作臺的進給速度V，即進給脈沖的頻率決定了工作臺的進給速度。12/11/2022五、

開環(huán)控制步進式伺服系統(tǒng)的工作原理12/159

3.工作臺運動方向的控制改變步進電機輸入脈沖信號的循環(huán)順序方向，就可改變定子繞組中電流的通斷循環(huán)順序，從而使步進電機實現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，相應(yīng)的工作臺進給方向就被改變。12/11/20223.工作臺運動方向的控制12/11/202606.3速度控制概述：速度控制系統(tǒng)由速度控制單元、伺服電機和速度檢測裝置組成。分為主運動和進給運動。進給運動：是保證軌跡、尺寸和形位精度的。不但有速度控制，還有位置控制。在整個速度范圍內(nèi)，保持恒轉(zhuǎn)矩。與主運動相比功率較小。主運動：主要無級調(diào)速，但還要有下面的控制功能：

⑴主軸于進給驅(qū)動的同步控制；⑵準(zhǔn)?？刂?；⑶分度控制；⑷恒線速度控制。速度控制：主要是調(diào)速，調(diào)速有機械、液壓和電氣方法，電氣調(diào)速最有利于實現(xiàn)自動化。12/11/20226.3速度控制概述：速度控制系統(tǒng)由速度控制616.3.1直流進給運動的速度控制1.、直流伺服電機的調(diào)速原理

根據(jù)機械特性公式可知調(diào)速有二種方法:電樞電壓Ua和氣隙磁通Φ

⑴改變電樞外加電壓Ua:由于繞組絕緣耐壓的限制，調(diào)壓只能在額定轉(zhuǎn)速以下進行。屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

⑵改變氣隙磁通量Φ：改激磁電流即可改Φ，在Ua恒定情況下，磁場接近飽和，故只能弱磁調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以上進行。屬于恒功率調(diào)速。

2.直流速度控制單元調(diào)速控方式

◆晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng)

◆晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)12/11/20226.3.1直流進給運動的速度控制1.、直流伺服電機的62晶閘管調(diào)速系統(tǒng)

1）系統(tǒng)的組成

包括控制回路：速度環(huán)、電流環(huán)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器等。

主回路：可控硅整流放大器等。

速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)（PI），作用：好的靜態(tài)、動態(tài)特性。電流環(huán)：電流調(diào)節(jié)(P或PI)。作用：加快響應(yīng)、啟動、低頻穩(wěn)定等。觸發(fā)脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生移相脈沖，使可控硅觸發(fā)角前移或后移?？煽毓枵鞣糯笃鳎赫?、放大、驅(qū)動，使電機轉(zhuǎn)動。速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器觸發(fā)脈沖發(fā)生器可控硅整流器電流反饋速度反饋電流檢測編碼器電機UR+-UfIfIR+-E1ES12/11/2022晶閘管調(diào)速系統(tǒng)

1）系統(tǒng)的組成包括控制回路：速度環(huán)、電流632）主回路工作原理組成：由大功率晶閘

管構(gòu)成的三相全控橋式（三相全波）反并接可逆電路，分成二大部分（Ⅰ和Ⅱ），每部分內(nèi)按三相橋式連接，二組反并接，分別實現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

原理：三相整流器，由二個半波整流電路組成。每部分內(nèi)又分成共陰極組（1、3、5）和共陽極組（2、4、6）。為構(gòu)成回路，這二組中必須各有一個可控硅同時導(dǎo)通。1、3、5在正半周導(dǎo)通，2、4、6在負(fù)半周導(dǎo)通。每組內(nèi)（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差120o，每相內(nèi)二個觸發(fā)脈沖相差180o。按管號排列，觸發(fā)脈沖的順序：1-2-3-4-5-6，相鄰之間相位差60o。

為保證合閘后兩個串聯(lián)可控硅能同時導(dǎo)通，或已截止的相再次導(dǎo)通，采用雙脈沖控制。既每個觸發(fā)脈沖在導(dǎo)通60o后，在補發(fā)一個輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，寬度大于60o，小于120o。

462791113581210ABCMⅠⅡUMUDKMKM+-12/11/20222）主回路工作原理組成：由大功率晶閘管構(gòu)成的三相全控橋式（64原理：e)uacbcaba)b)c)d)135

①②③④⑤⑥ωtub246bcaωtωtωtωt11335511336224466224135246120°120°180°60°132460°60°56α只要改變可控硅觸發(fā)角（即改變導(dǎo)通角），就能改變可控硅的整流輸出電壓，從而改變直流伺服電機的轉(zhuǎn)速。觸發(fā)脈沖提前來，增大整流輸出電壓；觸發(fā)脈沖延后來，減小整流輸出電壓。主回路波形圖12/11/2022原理：e)uacbcaba)b)c)d)135①653）控制回路分析觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的過程：改變觸發(fā)角，即改變控制角U1U2R1R2R3C-+同步信號過零信號由速度F變換來的電流調(diào)節(jié)器輸出的直流信號,123窄脈沖：即移相觸發(fā)脈沖同步信號方波信號矩齒波矩齒波與直流電壓疊加信號尖脈沖直流電壓（可控硅導(dǎo)通時間），可調(diào)速。沒反饋是開環(huán)，特性軟。1-同步電路2-移向控制電路3-脈沖分配器②電流調(diào)節(jié)器:同上，加快電流的反應(yīng)。③觸發(fā)脈沖發(fā)生器：正弦波同步鋸齒波觸發(fā)電路，與F直流信號疊加。①速度調(diào)節(jié)器：比例積分PI，高放大（相當(dāng)C短路）—緩放大—增放大—穩(wěn)定（相當(dāng)C開路）無靜差。12/11/20223）控制回路分析觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的過程：U1U2R1R2R3C-66運算放大器的類型⑴反向比例放大器⑵反向比例加法運算放大器

⑶同向比例放大器⑷積分運算放大器⑸比例積分運算放大器：⑹比較器R3R3U1U2R1R2R3-+U1R1U2R2C-+U1U2R1R2R3C-+U1U2R1R2-+U3U2R4R2-+U1R1U1U2R2R1-+U2二個輸入端的內(nèi)阻非常大，不向運放內(nèi)流電流放大倍數(shù)非常大。同相端接地，電位為0，為實地；方向端電為也為0，虛地。U2=-U1?R3/R212/11/2022運算放大器的類型⑴反向比例放大器67功率因數(shù)交流電阻電路：功率(平均)

P=UI=I2R=U2/R交流電阻電容電路：純電容電路電流超前電壓相位φ=90o

功率(平均)

P=UIcosφ交流電阻電感電路：純電感電路電流落后電壓相位φ=90o功率(平均)

P=UIcosφ

由于交流電路中電感電容的存在，平均功率不等于電壓電流的乘積，而差一個cosφ

，既與電壓電流的相位差有關(guān)。其中cosφ稱為功率因數(shù)。cosφ越高越好。造成功率因數(shù)不高的主要原因是感性負(fù)載，如異步電機、工頻爐、日光燈的功率因數(shù)都不高；提高功率因數(shù)的辦法是在感性負(fù)載上并聯(lián)電容。12/11/2022功率因數(shù)交流電阻電路：功率(平均)P=UI=I2R68[總結(jié)]

速度控制的原理：

①調(diào)速：當(dāng)給定的指令信號增大時，則有較大的偏差信號加到調(diào)節(jié)器的輸入端，產(chǎn)生前移的觸發(fā)脈沖，可控硅整流器輸出直流電壓提高，電機轉(zhuǎn)速上升。此時測速反饋信號也增大，與大的速度給定相匹配達到新的平衡，電機以較高的轉(zhuǎn)速運行。

②干擾：假如系統(tǒng)受到外界干擾，如負(fù)載增加，電機轉(zhuǎn)速下降，速度反饋電壓降低，則速度調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號增大，其輸出信號也增大，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器使觸發(fā)脈沖前移，晶閘管整流器輸出電壓升高，使電機轉(zhuǎn)速恢復(fù)到干擾前的數(shù)值。

③電網(wǎng)波動：電流調(diào)節(jié)器通過電流反饋信號還起快速的維持和調(diào)節(jié)電流作用，如電網(wǎng)電壓突然短時下降，整流輸出電壓也隨之降低，在電機轉(zhuǎn)速由于慣性還未變化之前，首先引起主回路電流的減小，立即使電流調(diào)節(jié)器的輸出增加，觸發(fā)脈沖前移，使整流器輸出電壓恢復(fù)到原來值，從而抑制了主回路電流的變化。

④啟動、制動、加減速：電流調(diào)節(jié)器還能保證電機啟動、制動時的大轉(zhuǎn)矩、加減速的良好動態(tài)性能。12/11/2022[總結(jié)]速度控制的原理：12/11/202269（2）晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)

1）系統(tǒng)的組成及特點速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器脈寬調(diào)節(jié)振蕩器脈寬調(diào)節(jié)MG電流反饋U～usrusf整流功放12/11/2022（2）晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)

1）系統(tǒng)的組成及特70①主回路：

大功率晶體管開關(guān)放大器；

功率整流器。

②控制回路：

速度調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器；固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器；脈寬調(diào)制器和基極驅(qū)動電路。

區(qū)別：與晶閘管調(diào)速系統(tǒng)比較，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器原理一樣。不同的是脈寬調(diào)制器和功率放大器。

直流脈寬調(diào)制：功率放大器中的大功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)下，開關(guān)頻率保持恒定，用調(diào)整開關(guān)周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通時間（即改變基極調(diào)制脈沖寬度）的方法來改變輸出。從而使電機獲得脈寬受調(diào)制脈沖控制的電壓脈沖，由于頻率高及電感的作用則為波動很小的直流電壓（平均電壓）。

脈寬的變化使電機電樞的直流電壓隨著變化。12/11/2022①主回路：

大功率晶體管開關(guān)放大71直流脈寬調(diào)調(diào)制的基本原理周期不變周期不變脈寬脈寬脈寬脈寬平均直流電壓脈沖寬度正比代表速度F值的直流電壓Uωt12/11/2022直流脈寬調(diào)調(diào)制的基本原理周期不變周期不變脈寬脈寬脈寬脈寬平均722）脈寬調(diào)制器ttU△U△+USrU△+USrUSCUSCUSC+USrooo-USrtttt同向加法放大器電路圖USr–速度指令轉(zhuǎn)化過來的直流電壓U△-三角波USC-脈寬調(diào)制器的輸出（USr+U△

）調(diào)制波形圖R1+12VUSCR1R3R2+-12VUSrU△-USr為0時調(diào)制出正負(fù)脈寬一樣方波平均電壓為0USr為正時USr為負(fù)時調(diào)制出脈寬較寬的波形平均電壓為正調(diào)制出脈寬較窄的波形平均電壓為負(fù)12/11/20222）脈寬調(diào)制器ttU△U△+USrU△+US733）開關(guān)功率放大器主回路：可逆H型雙極式PWM開關(guān)功率放大器電路圖:由四個大功率晶體管（GTR）T1、T2、T3、T4

及四個續(xù)流二極管組成的橋式電路。H型：

又分為雙極式、單極式和受限單極式三種。Ub1、

Ub2、Ub3Ub4–為調(diào)制器輸出，經(jīng)脈沖分配、基極驅(qū)動轉(zhuǎn)換過來的脈沖電壓。分別加到T1、T2、T3、T4的基極。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS-USUdUABOtUb1Ub4Ub2Ub3OOttt1Tidid1id2id1id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub4Ub2、Ub3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id212/11/20223）開關(guān)功率放大器主回路：可逆H型雙極式PWM電路圖:74工作原理：

T1

和T4同時導(dǎo)通和關(guān)斷，其基極驅(qū)動電壓Ub1=Ub4。T2和T3同時導(dǎo)通和關(guān)斷，基極驅(qū)動電壓Ub2=Ub3

=

–Ub1。以正脈沖較寬為例，既正轉(zhuǎn)時。負(fù)載較重時：①電動狀態(tài)：當(dāng)0≤t≤t1時，Ub1、Ub4為正，T1

和T4導(dǎo)通；Ub2、Ub3

為負(fù)，

T2和T3截止。電機端電壓UAB=US，電樞電流id=id1，由US→T1

→T4→

地。②續(xù)流維持電動狀態(tài)：在t1≤t≤T時，Ub1、Ub4為負(fù)，

T1

和T4截止；

Ub2、Ub3

變正，但T2和T3并不能立即導(dǎo)通，因為在電樞電感儲能的作用下，電樞電流id=id2，由D2→D3續(xù)流，在D2、

D3上的壓降使T2

、

T3的c-e極承受反壓不能導(dǎo)通。UAB=-US。接著再變到電動狀態(tài)、續(xù)流維持電動狀態(tài)反復(fù)進行，如上面左圖。負(fù)載較輕時：③反接制動狀態(tài)，電流反向：②狀態(tài)中，在負(fù)載較輕時，則id小，續(xù)流電流很快衰減到零，即t=t2時（見上面右圖），id=0。在t2

～

T區(qū)段，

T2、T3在US和反電動勢E的共同作用下導(dǎo)通，電樞電流反向，id=id3

由US→T3→T2→

地。電機處于反接制動狀態(tài)。④電樞電感儲能維持電流反向：在T

～t3區(qū)段時，驅(qū)動脈沖極性改變，

T2、T3截止，因電樞電感維持電流，id=id4，由D4→D1。12/11/2022工作原理：12/11/202275⑤電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止：

由正、負(fù)驅(qū)動電壓脈沖寬窄而定。當(dāng)正脈沖較寬時，既t1>

T/2，平均電壓為正，電機正轉(zhuǎn)；

當(dāng)正脈沖較窄時，既t1<T/2，平均電壓為負(fù)，電機反轉(zhuǎn)；如果正、負(fù)脈沖寬度相等，t1=T/2，平均電壓為零，電機停轉(zhuǎn)。⑥電機速度的改變：電樞上的平均電壓UAB越大，轉(zhuǎn)速越高。它是由驅(qū)動電壓脈沖寬度決定的。⑦雙極性：由以上分析表明：可逆H型雙極式PWM開關(guān)功率放大器，無論負(fù)載是重還是輕、電機是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，加在電樞上的電壓極性在一個開關(guān)周期內(nèi)，都在US和

–US之間變換一次，故稱為雙極性。

12/11/2022⑤電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止：12/11/202276（4）PWM調(diào)速系統(tǒng)的特點①頻帶寬、頻率高:

晶體管“結(jié)電容”小，開關(guān)頻率遠高于可控（50Hz)，可達2-10KHz。快速性好。②電流脈動小:

由于PWM調(diào)制頻率高，電機負(fù)載成感性對電流脈動由平滑作用，波形系數(shù)接近于1。③電源的功率因數(shù)高:

SCR系統(tǒng)由于導(dǎo)通角的影響，使交流電源的波形畸變、高次諧波的干擾，降低了電源功率因數(shù)。PWM系統(tǒng)的直流電源為不受控的整流輸出，功率因數(shù)高。④動態(tài)硬度好:

較正瞬態(tài)負(fù)載擾動能力強，頻帶寬，動態(tài)硬度高。

12/11/2022（4）PWM調(diào)速系統(tǒng)的特點①頻帶寬、頻率高:12/11/277第6章數(shù)控伺服系統(tǒng)12/11/2022第6章數(shù)控伺服系統(tǒng)12/11/2022786.1概

述

伺服系統(tǒng)是指以機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)運動。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置(計算機)和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成部分。數(shù)控機床伺服系統(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。12/11/20226.1概述伺服系統(tǒng)是指以機械位置或角度作796.1概

述

進給伺服系統(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”，是發(fā)布“命令”的“指揮所”，那么進給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢”，是一種“執(zhí)行機構(gòu)”。它忠實地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來的運動命令，精確控制執(zhí)行部件的運動方向，進給速度與位移量。12/11/20226.1概述進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系806.1.1伺服系統(tǒng)的組成

組成：伺服電機驅(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)。12/11/20226.1.1伺服系統(tǒng)的組成組成：伺服電機12/1816.1.1伺服系統(tǒng)的組成

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)動裝置由驅(qū)動信號產(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。12/11/20226.1.1伺服系統(tǒng)的組成位置調(diào)解速度調(diào)解電流調(diào)821．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下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達到新的或者恢復(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。3．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)機械要求電機能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。0～24m/min。5．低速大轉(zhuǎn)矩

進給坐標(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。6.1.2對伺服系統(tǒng)的基本要求

12/11/20221．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83對伺服電機的要求：（1）調(diào)運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。（3）反應(yīng)速度快，電機必須具有較小