第七章 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)

第七章數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)7-1概述7-2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)7-3直流伺服電動(dòng)機(jī)及其速度控制7-4交流伺服電動(dòng)機(jī)及其速度控制7-5主軸驅(qū)動(dòng)7-6位置控制立式銑床

§7-1

概述主軸電機(jī)伺服電機(jī)刀庫刀具定位電機(jī)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)定位電機(jī)帶制動(dòng)器伺服電機(jī)加工中心伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（ServoSystem)CNC系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)檢測(cè)裝置控制信號(hào)反饋信號(hào)光柵尺伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一、數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的定義

伺服系統(tǒng)是一種以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

CNC裝置是數(shù)控機(jī)床的“大腦”，“指揮機(jī)構(gòu)”伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的“四肢”，

“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”。

伺服系統(tǒng)的組成

檢測(cè)裝置：感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器、光柵、脈沖編碼器等。驅(qū)動(dòng)電機(jī)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)數(shù)控加工與傳統(tǒng)加工的比較本質(zhì)區(qū)別由人操作，機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)能保證切削過程繼續(xù)進(jìn)行，不能控制執(zhí)行件的位移和軌跡.由CNC裝置按照零件程序完成零件的加工。能精確地控制執(zhí)行件的速度、方向、和位置，且可使幾個(gè)執(zhí)行件按一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律合成軌跡。二、數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的分類1、按伺服系統(tǒng)控制方式分開環(huán)系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)，無位置反饋，投資低，精度低閉環(huán)系統(tǒng)直接測(cè)量實(shí)際位移進(jìn)行反饋，精度高半閉環(huán)系統(tǒng)間接測(cè)量位移進(jìn)行反饋，精度低于閉環(huán)2、按控制對(duì)象和使用目的不同分進(jìn)給伺服系統(tǒng)控制各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)主軸驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)控制主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)輔助伺服系統(tǒng)控制刀庫、料庫等輔助系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，多采用建議的位置控制。二、數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的分類（續(xù)）3、按反饋比較控制方式分脈沖比較伺服系統(tǒng)相位比較伺服系統(tǒng)幅值比較伺服系統(tǒng)全數(shù)字伺服系統(tǒng)。4、按所用驅(qū)動(dòng)元件的類型分步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三、數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的要求高精度要求定位準(zhǔn)確（定位誤差持別是重復(fù)定位誤差要小），跟隨精度高（跟隨誤差?。?。一般定位精度要求達(dá)到mm級(jí)，高的達(dá)0.01~0.005mm。靈敏度高，響應(yīng)快提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量，一般電機(jī)升降速過渡過程，時(shí)間在0.2s以下。另外，當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，要求速度的恢復(fù)時(shí)間短，且無振蕩，這樣才能得到光滑的加工表面。調(diào)速范圍寬保證在任何情況下都能得到最佳切削條件和加工質(zhì)量，一般要求調(diào)速范圍：最低轉(zhuǎn)速/最高轉(zhuǎn)速=1/1000~1/10000，且通常是無級(jí)調(diào)速。低速大轉(zhuǎn)矩一般是在低速進(jìn)行重切削，所以在低速時(shí)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)要有大的轉(zhuǎn)矩輸出。可靠性高對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，性能穩(wěn)定，使用壽命長。開環(huán)伺服系統(tǒng)☆開環(huán)伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件；☆沒有位置反饋回路和速度反饋回路；☆設(shè)備投資低，調(diào)試維修方便，但精度差，高速扭矩??；☆用于中、低檔數(shù)控機(jī)床及普通機(jī)床改造。

閉環(huán)伺服系統(tǒng)☆閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置檢測(cè)裝置安裝在機(jī)床的工作臺(tái)上；

☆檢測(cè)裝置構(gòu)成閉環(huán)位置控制。

☆閉環(huán)方式被大量用在精度要求較高的大型數(shù)控機(jī)床上。

半閉環(huán)伺服系統(tǒng)☆位置檢測(cè)元件安裝在電動(dòng)機(jī)軸上或絲杠上，用以精確控制電機(jī)的角度，為間接測(cè)量；☆坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈有一部分在位置閉環(huán)以外，其傳動(dòng)誤差沒有得到系統(tǒng)的補(bǔ)償；☆半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低于閉環(huán)系統(tǒng)?！钸m用于精度要求適中的中小型數(shù)控機(jī)床。

§7-2

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要用于開環(huán)位置控制系統(tǒng)。它由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成，沒有反饋環(huán)節(jié)。這種系統(tǒng)較簡單，控制較容易，維修也較方便，而且為全數(shù)字化控制。

由于開環(huán)系統(tǒng)精度不高，且步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率和速度不高，因此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)僅用于小容量、加工速度低、脈沖當(dāng)量和精度不太高的場(chǎng)合，如經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和電加工機(jī)床、計(jì)算機(jī)的打印機(jī)、繪圖儀等設(shè)備。一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類(1)按運(yùn)動(dòng)方式分：旋轉(zhuǎn)式、直線運(yùn)動(dòng)式、平面運(yùn)動(dòng)式和滾切運(yùn)動(dòng)式。(2)按工作原理分：反應(yīng)式(磁阻式)、電磁式、永磁式、永磁感應(yīng)子式(混合式)。(3)按結(jié)構(gòu)分：單段式(徑向式)、多段式(軸向式)，印刷繞組式(4)按相數(shù)分：三相、四相、五相、六相和八相等。(5)按使用頻率分：高頻步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和低頻步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。2.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制原理

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電動(dòng)機(jī)。

位移量的控制

向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)送一個(gè)控制脈沖，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個(gè)角度或移動(dòng)一個(gè)直線位移，稱為一步；脈沖數(shù)增加，角位移(或線位移)隨之增加，即脈沖數(shù)決定位移量。進(jìn)給速度的控制脈沖頻率高，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就高，反之則低，即脈沖頻率決定進(jìn)給速度。運(yùn)動(dòng)方向的控制

改變分配脈沖的相序，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，從而改變運(yùn)動(dòng)方向。

與一般交流和直流電動(dòng)機(jī)所不同的是，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組所加的電源形式為脈沖電壓，而不是正弦電壓或者恒定直流電壓。3.反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

極與極之間的夾角為60°，每個(gè)定子磁極上均勻分布了五個(gè)齒，齒槽距相等，齒距角為9°。轉(zhuǎn)子鐵心上無繞組，只有均勻分布的40個(gè)齒，齒槽距相等，齒距角為360°/40＝9°。繞組定子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心（1）反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

單段式三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)：定子鐵心上有六個(gè)均勻分布的磁極，沿直徑相對(duì)兩個(gè)極上的線圈串聯(lián)，構(gòu)成一相勵(lì)磁繞組。（2）反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理

按電磁吸引的原理工作的。必須抓住兩點(diǎn)：磁力線力圖走磁阻最小的路徑，從而產(chǎn)生反應(yīng)力矩各相定子齒之間彼此錯(cuò)齒1/m齒距，m為相數(shù)

幾個(gè)概念的含義：“拍”——定子相繞組每改變一次通電狀態(tài)，稱為“一拍”?！皢巍薄钢挥幸幌嗬@組通電?！半p”——指有兩相繞組同時(shí)通電。步進(jìn)電機(jī)工作原理“單三拍”供電方式的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理：

第一拍：A相勵(lì)磁繞組通電，B、C相勵(lì)磁繞組斷電。A相定子磁極的電磁力要使相鄰轉(zhuǎn)子齒與其對(duì)齊(使磁阻最小)，B相和C相定、轉(zhuǎn)子錯(cuò)齒分別為1/3齒距(3°)和2/3齒距(6°)。第二拍：B相繞組通電，A、C相繞組斷電。電磁反應(yīng)力矩使轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)3°，與B相的定子齒對(duì)齊，此時(shí)A、C相的定、轉(zhuǎn)子齒互相錯(cuò)開。第三拍：C相繞組通電，A、B相繞組斷電。電磁反應(yīng)力距又使轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)了3°，與C相定子齒對(duì)齊，同時(shí)A相、B相定、轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開

重復(fù)通電順序，ABCA……單三拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)若定子繞組通電順序?yàn)锳CBA……，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子就逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)起來，其步距角仍為3°。

單三拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角

重復(fù)單三拍的通電順序，ABCA……，步進(jìn)電機(jī)就順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)起來，對(duì)應(yīng)每個(gè)指令脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一固定角度3°(步距角)。單三拍通電控制方式的缺點(diǎn)

由于每拍只有一相繞組通電，在切換瞬間可能失去自鎖力矩，容易失步。而且，只有一相繞組通電吸引轉(zhuǎn)子，易在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩。因此，單三拍通電控制方式，工作穩(wěn)定性差，一般較少采用。若定子繞組的通電順序?yàn)锳BBCCAAB……，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

雙三拍工作方式

采用雙三拍通電控制方式，能克服單三拍工作的缺點(diǎn)。若定子繞組的通電順序?yàn)?/p>

ABBCCAAB……，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從一個(gè)磁場(chǎng)最強(qiáng)處走到了另一個(gè)磁場(chǎng)最強(qiáng)處，故其步距角仍為3°。

若通電順序?yàn)椋篈ACCBCBABA……則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就逆時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)，步距角仍為1.5°。三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半；在切換時(shí)，保持一相繞組通電，工作穩(wěn)定，比雙三拍增大了穩(wěn)定區(qū)。所以三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)常采用這種控制方式。三相六拍工作方式

通電順序：AABBBCCCAA……

每切換一次，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)1.5°，步距角減小一半。原因是：當(dāng)由A相切換到AB相通電時(shí)，A相定子磁極力圖不讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，而保持與其定子齒對(duì)齊，而B相定子磁極的電磁反應(yīng)力矩也力圖使其順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)3°，與B相定子齒對(duì)齊，此時(shí)，轉(zhuǎn)子齒與A相、B相定子齒均未對(duì)齊，此位置是A相、B相定子合成磁場(chǎng)的最強(qiáng)方向，即轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)1.5°。4.永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

工作原理：轉(zhuǎn)子或定子的一方具有永久磁鋼，另一方有軟磁材料制成，由繞組輪流通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永久磁鋼相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

特點(diǎn)：步距角大，內(nèi)阻較大，效率高斷電后有一定的定位轉(zhuǎn)矩。5.混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（永磁感應(yīng)子式）

定子結(jié)構(gòu)與反應(yīng)式基本相同，轉(zhuǎn)子由環(huán)形磁鋼及兩段鐵心組成。兼有以上兩種的主要優(yōu)點(diǎn)，是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的新產(chǎn)品。二、反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要性能指標(biāo)及選擇1.步距角步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每步的轉(zhuǎn)角稱為步距角，計(jì)算公式：

式中m—步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相數(shù)

Z—轉(zhuǎn)子齒數(shù)

K—控制方式系數(shù)，K=拍數(shù)p/相數(shù)m

廠家對(duì)于每種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)給出兩種步距角，彼此相差一倍。大步距角系指控制供電拍數(shù)與相數(shù)相等時(shí)的步距角；小步距角系指供電拍數(shù)是相數(shù)兩倍時(shí)的步距角。θ＝(°)

步距角的選擇：

根據(jù)總體方案要求，綜合考慮，通過下式進(jìn)行：

式中δ—脈沖當(dāng)量

S—絲杠螺距(mm)

θ—步距角

—電動(dòng)機(jī)與絲杠間的齒輪傳動(dòng)減速比δ＝(mm/脈沖)如果步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角θ和絲杠螺距S(基本導(dǎo)程)不能滿足脈沖當(dāng)量δ的要求時(shí)，應(yīng)在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與絲杠之間加入齒輪傳動(dòng)，用減速比來滿足δ的要求。2.最大靜轉(zhuǎn)距Tjmax

(N·m)

靜態(tài)：當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不改變通電狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子處在不動(dòng)狀態(tài)。靜態(tài)轉(zhuǎn)距：如果在電動(dòng)機(jī)軸上外加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)距，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)角度θe，這時(shí)轉(zhuǎn)子受的電磁轉(zhuǎn)距T。

矩角特性：描述靜態(tài)時(shí)電磁轉(zhuǎn)距T與θe之間的關(guān)系曲線。

在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，當(dāng)外加轉(zhuǎn)距去除時(shí)，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)距作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點(diǎn)位置(θe＝0)。ππ/20-π-π/2靜穩(wěn)定區(qū)不穩(wěn)定平衡點(diǎn)穩(wěn)定平衡點(diǎn)不穩(wěn)定平衡點(diǎn)TθeTjmax最大靜轉(zhuǎn)距Tjmax

的選擇負(fù)載轉(zhuǎn)矩

F——切削力（N）

w——工作臺(tái)及工件重量（kg）

m——摩擦系數(shù)

h——效率

i——減速比

TF應(yīng)滿足

TF=（0.2~0.4）Tjmax

起動(dòng)頻率fq

的選擇

先計(jì)算電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：式中J1、J2——齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(N·m·s2)；J3——絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

d——沖當(dāng)量(mm／脈沖)。然后進(jìn)行負(fù)載啟動(dòng)頻率fqF

的估算；式中fq——空載啟動(dòng)頻率(Hz)，T——由矩頻特性決定的力矩(Nm)J——電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(N·m·s2)。依照機(jī)床要求的啟動(dòng)頻率fqF

，可選擇fq3.空載起動(dòng)頻率fq

（步/s）

空載時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止突然起動(dòng)，進(jìn)入不丟步的正常運(yùn)行的最高頻率。是衡量步進(jìn)電動(dòng)機(jī)快速性能的重要技術(shù)數(shù)據(jù)。起動(dòng)頻率要比連續(xù)運(yùn)行頻率低得多，這是因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，既要克服負(fù)載力矩，又要克服運(yùn)轉(zhuǎn)部分的慣性矩，電動(dòng)機(jī)的負(fù)擔(dān)比連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)重。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載的起動(dòng)頻率比空載的起動(dòng)頻率要低。4.起動(dòng)矩頻特性描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)頻率與負(fù)載力矩的關(guān)系曲線。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶著一定的負(fù)載轉(zhuǎn)距起動(dòng)時(shí)，作用在電動(dòng)機(jī)軸上的加速轉(zhuǎn)矩為電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之差。負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，加速轉(zhuǎn)矩就越小，電動(dòng)機(jī)就不易轉(zhuǎn)起來。因此，其起動(dòng)頻率隨著負(fù)載的增加而下降。Tf5.空載運(yùn)行頻率fmax

（步/s）

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在空載起動(dòng)后，能不丟步連續(xù)運(yùn)行的最高脈沖重復(fù)頻率稱做空載運(yùn)行頻率fmax。它也是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的重要性能指標(biāo)，對(duì)于提高生產(chǎn)率和系統(tǒng)的快速性具有重要意義。

fmax

應(yīng)能滿足機(jī)床工作臺(tái)最高運(yùn)行速度。6.運(yùn)行矩頻特性

運(yùn)行矩頻特性T＝f(F)是描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩T與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系。它是衡量步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)承載能力的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。Tf三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源

1.作用發(fā)出一定功率的電脈沖信號(hào)，使定子勵(lì)磁繞組順序通電。

2.基本要求（1）電源的基本參數(shù)與電動(dòng)機(jī)相適應(yīng)；（2）滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率的要求；（3）抗干擾能力強(qiáng)，工作可靠；（4）成本低，效率高，安裝維修方便。

3.組成由環(huán)形分配器和功率放大器組成。（1）

環(huán)形分配器

主要功能是將CNC裝置的插補(bǔ)脈沖，按步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所要求的規(guī)律分配給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的各相輸入端，以控制勵(lì)磁繞組的導(dǎo)通或關(guān)斷。同時(shí)由于電動(dòng)機(jī)有正反轉(zhuǎn)要求，所以環(huán)形分配器的輸出是周期性的，又是可逆的。

硬件環(huán)形分配器根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和控制方式設(shè)計(jì)的真值表或邏輯關(guān)系式，采用邏輯門電路和觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)。一般由與非門和J－K觸發(fā)器組成。常用的是專用集成芯片或通用可編程邏輯器件組成的環(huán)形分配器。

軟件環(huán)形分配器按步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的要求編制不同的軟環(huán)分程序，存入EPROM中。軟件環(huán)形分配器舉例

對(duì)于三相六拍環(huán)形分配器，每當(dāng)接收到一個(gè)進(jìn)給脈沖指令，環(huán)形分配器軟件根據(jù)下表所示真值表，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(gè)進(jìn)給脈沖到來時(shí)，控制輸出接口輸出的A、B、C的值是

100，則對(duì)于下一個(gè)正向進(jìn)給脈沖指令，控制輸出接口輸出的值是110，再下一個(gè)正向進(jìn)給脈沖，應(yīng)是010，而使步進(jìn)電機(jī)正向地旋轉(zhuǎn)起來。

實(shí)現(xiàn)較為簡單，靈活方便。

三相六拍環(huán)形分配器真值表

兩坐標(biāo)步進(jìn)電機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)

x向和Z向步進(jìn)電機(jī)的三相定子繞組分別為A、B、C相和abc相，分別經(jīng)各自的放大器、光電耦合器與計(jì)算機(jī)的PIO(并行輸入／輸出接口)的PA0一PA5相連。（2）功率驅(qū)動(dòng)器（功率放大電路）

將環(huán)形分配器輸出的脈沖信號(hào)放大，以用足夠的功率來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。最早的功率驅(qū)動(dòng)器采用單電壓驅(qū)動(dòng)電路，后來出現(xiàn)了雙電壓(高電壓)驅(qū)動(dòng)電路、斬波電路、調(diào)頻調(diào)壓和細(xì)分電路等。

并串接一電阻Rc，為了減小回路的時(shí)間常數(shù)，電阻Rc并聯(lián)一電容C，從而提高電機(jī)的快速響應(yīng)能力和啟動(dòng)性能。續(xù)流二極管VD和阻容吸收回路RC，是功率管VT的保護(hù)線路。

單電壓驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是線路簡單，缺點(diǎn)是電流上升不夠快，高頻時(shí)帶負(fù)載能力低。

單電壓驅(qū)動(dòng)電路

圖中L為步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組的電感，Ra為繞組電阻，高低壓驅(qū)動(dòng)電路

其特點(diǎn)是供給步進(jìn)電機(jī)繞組有兩種電壓：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U2，即步進(jìn)電機(jī)繞組額定電壓，一般為幾伏，不超過20v。高壓U1，以提高繞組中電流上升率，當(dāng)電流達(dá)到規(guī)定值時(shí)、VT1關(guān)斷、VT2仍然導(dǎo)通，則自動(dòng)切換到低壓U2。該電路的優(yōu)點(diǎn)是在較寬的頻率范圍有較大的平均電流，能產(chǎn)生較大且穩(wěn)定的平均轉(zhuǎn)矩，其缺點(diǎn)是電流波頂有凹陷，電路較復(fù)雜。斬波驅(qū)動(dòng)電路

可以克服高低壓驅(qū)動(dòng)電路的波頂?shù)陌枷菰斐筛哳l輸出轉(zhuǎn)矩的下降，使勵(lì)磁繞組中的電流維持在額定值附近。

工作原理：環(huán)形分配器輸出的正脈沖將VT1、VT2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(shí)，由于采樣電阻Re的反饋?zhàn)饔?，?jīng)整形、放大后送至VT1的基極，使VT1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(shí)，由于采樣電阻Re的反饋?zhàn)饔?，使整形電路無信號(hào)輸出，此時(shí)高壓前置放大電路又使VT1導(dǎo)通，電流又上升。如此反復(fù)進(jìn)行，形成一個(gè)在額定電流值上下波動(dòng)呈鋸齒狀的繞組電流波形，近似恒流。三種驅(qū)動(dòng)電路的電流波形比較§7-3直流伺服電動(dòng)機(jī)及其速度控制一、直流伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)是指能夠精密地控制其位置的一種電動(dòng)機(jī)。直流伺服電動(dòng)機(jī)是伺服電動(dòng)機(jī)的一種。1.直流伺服電動(dòng)機(jī)分類及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)無槽轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)空心杯轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)印刷繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)后三種直流伺服電動(dòng)機(jī)為小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)。

直流伺服電動(dòng)機(jī)的組成

電動(dòng)機(jī)本體

主要由機(jī)殼、定子磁極和轉(zhuǎn)子組成。

檢測(cè)部件

有高精度的測(cè)速發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器以及脈沖編碼器等。特點(diǎn)小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)慣量小，響應(yīng)速度快，但過載能力低。永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩大，慣量大，穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍寬。但有電刷，限制速度的提高（1000~1500r/min）。2.直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與調(diào)速方法

（1）工作原理

與一般直流電動(dòng)機(jī)的工作原理相同，是建立在電磁力和電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上的。如圖（a）所示，直流電流從電刷A流入，經(jīng)過線圈abcd，從電刷B流出，載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用，使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如圖（b）所示的位置，電刷A和換向片2接觸，電刷B和換向片1接觸，直流電流從電刷A流入，在線圈中的流動(dòng)方向是dcba，從電刷B流出。此時(shí)載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。（2）直流伺服電機(jī)的速度控制原理

MEaUФuf

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)

轉(zhuǎn)子回路的電勢(shì)平衡方程：

Ea＝U－RaIa式中Ra—轉(zhuǎn)子回路電阻(Ω)

Ia—轉(zhuǎn)子回路電流(A)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea可由下式求得

Ea＝CeФn式中Ce—電機(jī)械常數(shù)

Ф—?jiǎng)?lì)磁磁通(Wb)n—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)由上兩式可得－n＝電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te(N?m)為

Te＝CTФIa

式中CT—轉(zhuǎn)矩系數(shù)，是電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)。所以可得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速－n＝＝n0－Δn式中n0—理想空載轉(zhuǎn)速

Δn—轉(zhuǎn)速降落根據(jù)上式可知，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)有三種調(diào)速方法，即改變外加電壓、改變勵(lì)磁磁通及改變轉(zhuǎn)子回路電阻調(diào)速。－n＝＝n0－Δn根據(jù)上式：勵(lì)磁磁通不可變，只有二種調(diào)速方法，而改變轉(zhuǎn)子回路電阻一般不能滿足要求，通常采用改變轉(zhuǎn)子回路外加電壓的調(diào)速方法。這種調(diào)速方法是從額定電壓往下降低轉(zhuǎn)子電壓，即從額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)速。該種調(diào)速方法屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，機(jī)械特性是一組斜率不變的平行直線，特性比較硬，且調(diào)速范圍寬。另外，這種調(diào)速方法是用減小輸入功率來減小輸出功率的，所以具有比較好的經(jīng)濟(jì)性。

永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法3.永磁直流伺服電機(jī)的工作特性

對(duì)于永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)，由于其伺服系統(tǒng)的要求，已經(jīng)不能簡單地用電壓、電流、轉(zhuǎn)數(shù)等參數(shù)描述其性能，而需要用一些特性曲線對(duì)其性能做全面描述。轉(zhuǎn)矩—速度特性曲線從圖中可以得出，伺服電動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域被溫度極限線、轉(zhuǎn)速極限線、換向極限線、轉(zhuǎn)矩極限線以及瞬時(shí)換向極限線劃分成三個(gè)區(qū)域。瞬時(shí)換向極限線轉(zhuǎn)速極限線轉(zhuǎn)矩極限線換向極限線溫度極限線ⅡⅢⅠ05001000150020004000600080001000012000T/(N?cm)n/(r/min)瞬時(shí)換向極限線轉(zhuǎn)速極限線轉(zhuǎn)矩極限線換向極限線溫度極限線ⅡⅢⅠ05001000150020004000600080001000012000T/(N?cm)n/(r/min)

Ⅰ區(qū)域?yàn)檫B續(xù)工作區(qū)。在該區(qū)域中，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的任意組合都可長期連續(xù)工作。

Ⅱ區(qū)域?yàn)閿嗬m(xù)工作區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，電動(dòng)機(jī)只能根據(jù)負(fù)載周期曲線所決定的允許工作時(shí)間tR

和斷電時(shí)間tF

作間歇工作。

Ⅲ區(qū)域?yàn)榧铀俸蜏p速區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，電動(dòng)機(jī)只能用于加速或減速，工作一段極短的時(shí)間。負(fù)載周期曲線

表示在滿足機(jī)械所需轉(zhuǎn)矩而又確保電動(dòng)機(jī)不過熱，允許電動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間.圖中各條曲線為不同的過載倍數(shù)曲線.

橫坐標(biāo)為工作時(shí)間tR

(min)，縱坐標(biāo)為加載周期比。

d＝tR／(tR十tF)(％)

過載倍數(shù):tmd＝負(fù)載轉(zhuǎn)矩／連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩.

二、直流伺服電動(dòng)機(jī)的速度控制1.晶閘管調(diào)速系統(tǒng)

利用晶閘管的單向?qū)щ娍煽匦裕敵隹煽刂频碾妷?；利用可控硅整流器提供直流電源；通過改變晶閘管觸發(fā)角，改變外加電壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。常采用兩種速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)：晶閘管調(diào)速系統(tǒng)晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)。單相可控硅整流器改變觸發(fā)角時(shí)的電樞電壓和電流波形例典型的雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)工作原理速度反饋的閉環(huán)系統(tǒng)由速度調(diào)節(jié)器對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)電流反饋環(huán)節(jié)由電流調(diào)節(jié)器對(duì)電樞回路引起的滯后進(jìn)行補(bǔ)償，抑制主回路電流的變化2.PWM脈寬調(diào)制原理與系統(tǒng)

晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)(PWM)的調(diào)速性能優(yōu)于晶閘管調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能；而且，功率晶體管的功率、耐壓等都已有很大提高，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)中多采用晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)。原理：利用脈寬調(diào)制器，將直流電壓轉(zhuǎn)換成某一頻率的矩形波電壓，加到直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路兩端，通過對(duì)矩形波脈沖寬度的控制，改變轉(zhuǎn)子回路兩端的平均電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。調(diào)速系統(tǒng)的組成：由控制電路、主回路及功率整流電路三部分組成。其中控制電路由速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器和脈寬調(diào)制器（包括固定頻率振蕩器、調(diào)制信號(hào)發(fā)生器、脈寬調(diào)制及基極驅(qū)動(dòng)電路）組成。系統(tǒng)的核心部分是主回路和脈寬調(diào)制器。速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器脈寬調(diào)制基極驅(qū)動(dòng)主回路整流u-++振蕩器電流反饋-UsrTGUsfPWM直流調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖++-+MTGUsf（1）主回路

即脈寬調(diào)制式開關(guān)功率放大器。開關(guān)功率放大器通常有兩種形式，即T形和H形。在PWM直流調(diào)速系統(tǒng)中，多采用H形開關(guān)功率放大器作為主回路。

H形開關(guān)功率放大器由四個(gè)大功率開關(guān)管和四個(gè)續(xù)流二極管構(gòu)成橋式電路。有單極性和雙極性兩種工作方式。單極性H形開關(guān)電路單極性開關(guān)電路，將兩個(gè)相位相反的脈沖信號(hào)分別加在VT1、VT2管的基極，VT3管的基極加截止控制電壓，VT4管的基極加飽和導(dǎo)通電壓。在0≤t＜t1區(qū)間，VT1管飽和導(dǎo)通，VT2管截止，由于VT4管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)兩端A、B間電壓為＋Ed。

在t1≤t＜T區(qū)間，VT1管截止，VT2管飽和導(dǎo)通，由于VT3管始終處于截止?fàn)顟B(tài)，電動(dòng)機(jī)兩端A、B間電壓為0。轉(zhuǎn)子繞組電感能量沿VT4、VD2通道釋放，維持轉(zhuǎn)子繞組電流繼續(xù)流通。要使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，只要將VT3管基極加飽和導(dǎo)通電壓，VT4管加截止電壓即可。雙極性H形開關(guān)電路給VT3、VT4管基極也加脈沖控制電壓，并且保證ub1＝ub4，ub2＝ub3＝－ub1，就變成雙極性工作方式。在0≤t＜t1區(qū)間，VT1、VT4管飽和導(dǎo)通，電源電壓＋Ed加在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的A、B端、即uAB＝＋Ed。在t1≤t＜T區(qū)間，VT2、VT3管飽和導(dǎo)通，電源電壓＋Ed加在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的B、A端，即uAB＝－Ed。當(dāng)t1＞T/2時(shí)，加在A、B兩端的平均電壓大于零，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)t1＜T/2時(shí)，加在A、B兩端的平均電壓小于零，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)t1＝T/2時(shí)，加在A、B兩端的平均電壓等于零，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。雙極性H形電路電樞電壓和電流波形。

(2)脈寬調(diào)制器

作用產(chǎn)生脈沖寬度可由控制信號(hào)調(diào)節(jié)的脈沖電壓?？刂菩盘?hào)為來自電流調(diào)節(jié)器的電壓信號(hào)，是由CNC裝置插補(bǔ)器輸出的速度指令轉(zhuǎn)化而來的。組成主要由調(diào)制信號(hào)發(fā)生器和比較放大器組成。調(diào)制信號(hào)發(fā)生器

調(diào)制信號(hào)發(fā)生器通過自激振蕩的原理產(chǎn)生三角波或者鋸齒波。作為比較放大器的比較電壓uΔ。比較放大器三角波電壓uΔ與速度控制指令電壓uer比較后送入運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器輸出電壓的頻率與基準(zhǔn)三角波電壓的頻率一致，輸出電壓的脈沖寬度取決于速度控制指令電壓uer?？梢娺\(yùn)算放大器的輸出是一個(gè)脈寬調(diào)制波，經(jīng)放大后與主回路四個(gè)功率開關(guān)管的基極相接。三角波發(fā)生器比較放大器uΔ三角波指令電壓uerub1ub2ub3ub4三角波發(fā)生器比較放大器脈寬調(diào)制波形圖

脈寬調(diào)制電路的工作原理(如下圖所示)：當(dāng)控制指令電壓uer＝0時(shí)，比較放大器輸出ub1、ub2、ub3、ub4的正負(fù)半波脈沖寬度相等。前半周期，VT1、VT3管飽和導(dǎo)通，VT2、VT4管截止；后半周期，VT2、VT4管飽和導(dǎo)通，VT1、VT3管截止。顯然，不會(huì)有電流流過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組，uAB＝0。當(dāng)uer＞0時(shí)，ub1、ub2為(uΔ＋uer)產(chǎn)生的輸出，ub3、ub4為(uΔ－uer)產(chǎn)生的輸出。

①在0≤t＜t1時(shí)間區(qū)間，ub1、ub4為正電壓，VT1、VT4

管飽和導(dǎo)通，電流由電源的＋Ed經(jīng)VT1管、轉(zhuǎn)子繞組、VT4管到地。

②在t1≤t＜t2時(shí)間區(qū)間，ub2、ub4為負(fù)電壓，電流被切斷。此時(shí)，ub1為正電壓，VT1管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。轉(zhuǎn)子繞組電感能量經(jīng)VD3、VT1管釋放，維持轉(zhuǎn)子繞組電流。

③在t2≤t＜t3時(shí)間區(qū)間，與0≤t＜t1時(shí)間區(qū)間的情況相同。

④在t3≤t＜T時(shí)間區(qū)間，ub1、ub3為負(fù)電壓,VT1、VT3管截止，電流被切斷。此時(shí)，ub4為正電壓，VT4管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，轉(zhuǎn)子繞組電感能量經(jīng)VT4、VD2管釋放，維持轉(zhuǎn)子繞組電流。顯然，主回路工作在單極性工作方式下。uer增大，uAB的脈沖寬度變寬，加在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組上電壓的平均值增大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速就上升。反之亦然。當(dāng)uer＜0時(shí)，uAB的極性改變，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。以上就是晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速(PWM)的整個(gè)過程。

§7-4交流伺服電動(dòng)機(jī)及其速度控制直流伺服電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，但直流伺服電動(dòng)機(jī)的電刷和換向器容易磨損，需要經(jīng)常維護(hù)；由于換向器換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花而使最高轉(zhuǎn)速受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受到限制；直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難，成本高。自20世紀(jì)80年代中期以來，以交流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)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(jī)的趨勢(shì)。

§7-3交流伺服電動(dòng)機(jī)及其速度控制一、交流伺服電動(dòng)機(jī)二、永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)三、永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理四、同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速五、直線電機(jī)一、交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)分類異步型同步型同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)又分為永磁式和勵(lì)磁式。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中多采用永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)。2.永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，效率較高調(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(yán)格關(guān)系，所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(jī)械特性及寬的調(diào)速范圍。缺點(diǎn)體積較大，起動(dòng)較困難二、永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成：定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件。定子具有齒槽，內(nèi)有三相繞組，形狀與普通交流電動(dòng)機(jī)的定子相同，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(diǎn)是氣隙磁密較高，極數(shù)較多。三、永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理定子三相繞組接上交流電源后，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，以同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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ns旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子加上負(fù)載轉(zhuǎn)矩之后，將造成定子磁場(chǎng)軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線不重合，其夾角為θ。若負(fù)載發(fā)生變化，θ角也跟著變化，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(chǎng)以恒定的同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為

n＝ns＝60f/p(r/min)式中f—電源的頻率

p—磁極對(duì)數(shù)n永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)工作特性曲線：即轉(zhuǎn)矩—速度特性曲線T/Ncmn(r/min)特點(diǎn)：（與永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)相比）

Ⅰ為連續(xù)工作區(qū)

Ⅱ?yàn)閿嗬m(xù)工作區(qū)機(jī)械特性更硬，其直線更接近水平線。斷續(xù)工作區(qū)的范圍更大。四、同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速1.調(diào)速原理分析根據(jù)永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速公式

n＝ns＝60f/p(r/min)

可以通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率f來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此法可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，能夠較好地滿足數(shù)控機(jī)床的要求。變頻調(diào)速的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)能為電動(dòng)機(jī)提供變頻電源的變頻器。2.變頻器交—交變頻器直接將固定頻率的交流電變換為另一種頻率的交流電。交—直—交變頻器先將電網(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。逆變器輸出的是電壓和頻率可調(diào)的交流電。目前應(yīng)用比較多的是交—直—交變頻器，交—直—交變頻器中的逆變器有多種類型。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中所用電動(dòng)機(jī)的容量都比較小，一般采用PWM逆變器。PWM逆變器的關(guān)鍵技術(shù)是PWM的調(diào)制方法?，F(xiàn)已研制出的調(diào)制方法有十余種之多，其中最基本、應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)制方法是SPWM(正弦波脈寬調(diào)制)3.SPWM（正弦波脈寬調(diào)制）（1）調(diào)制脈沖信號(hào)的形成：三角波為載波，由三角波發(fā)生器生成。正弦波為調(diào)制波，有電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生，其頻率和幅值可調(diào)兩波形交點(diǎn)決定逆變器U相VT1、VT4管的通斷時(shí)間，形成控制VT1、VT4管基極的調(diào)制脈沖信號(hào)。電路原理圖

（2）變頻器的工作原理調(diào)制波為正半周，當(dāng)正弦波高于三角波時(shí)，VT1導(dǎo)通、VT4關(guān)斷，使負(fù)載上得到的相電壓為uA=＋Ed/2；當(dāng)正弦波低于三角波時(shí)，VT1關(guān)斷、VD4續(xù)流二極管釋放能量，負(fù)載上的相電壓為uA=－Ed/2；實(shí)現(xiàn)雙極性調(diào)制。調(diào)制波為負(fù)半周，VT4導(dǎo)通、VT1關(guān)斷。逆變器輸出電壓為一組等幅、等距，但不等寬的脈沖系列，其脈寬按正弦分布（等效正弦電壓波）。通過改變調(diào)制波的幅值，可改變逆變器輸出電壓的幅值；通過改變調(diào)制波的頻率，可改變逆變器輸出基波的頻率。4.SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)五、直線電機(jī)1.直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理直線電機(jī)是指一種利用電磁作用原理，將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的驅(qū)動(dòng)裝置，是一種能實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。直線電機(jī)是從旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)化而來的。(1)直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為直線電機(jī)是將旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿其軸向剖開，然后將其定子和轉(zhuǎn)子展開，變成如圖所示的由定子和動(dòng)子組成的直線電機(jī)。

在數(shù)控機(jī)床上實(shí)際使用的直線電機(jī)如左圖所示。(2)直線電機(jī)工作原理在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，當(dāng)三相繞組中通入三相對(duì)稱正弦電流后，會(huì)在氣隙中產(chǎn)生按正弦分布的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。與此類似，在直線電機(jī)中通入三相電流后，也會(huì)在氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)，如果不考慮端部效應(yīng)，磁場(chǎng)在直線方向也呈正弦分布，只是這個(gè)磁場(chǎng)是平移而不是旋轉(zhuǎn)的，因此稱為行波磁場(chǎng)。行波磁場(chǎng)與次級(jí)相互作用便產(chǎn)生電磁推力，驅(qū)動(dòng)動(dòng)子沿定子作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。這就是直線電機(jī)運(yùn)行的基本原理。

2.直線電機(jī)的分類及特點(diǎn)

(1)直線電機(jī)的分類

按工作原理分類

與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相對(duì)應(yīng)，直線電機(jī)有：直線直流電機(jī)、直線感應(yīng)電機(jī)、直線同步電機(jī)、直線磁阻電機(jī)、直線壓電電機(jī)等。按結(jié)構(gòu)形式分類

根據(jù)不同的使用場(chǎng)合，直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式可分為：平板式、U形、圓筒式。圖中紅色為動(dòng)子，藍(lán)色為定子。按性能參數(shù)分類

①高推力（高推力、大位移）直線電機(jī)：主要應(yīng)用在高速、高精數(shù)控機(jī)床、高速加工中心和并聯(lián)機(jī)床等；也可用于其他數(shù)控機(jī)械，如傳輸機(jī)械、冶金機(jī)械、紡織機(jī)械等；及其他高速、高精且需要高推力、大位移的場(chǎng)合，如飛行模擬器、彈射器，加速滑軌等。

②高響應(yīng)（高頻響、小位移）直線電機(jī)：主要應(yīng)用在往返頻率高、位移小、推力不高的各類精密機(jī)床，如非圓截面加工機(jī)床、高速磨床、電火花成型加工機(jī)床等；也可用于快速成形、圖像傳遞、光電醫(yī)療、激光加工等設(shè)備或裝置上的三維振鏡掃描動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)；電子制造行業(yè)的裝備：插件機(jī)、線路板檢測(cè)和鉆孔、半導(dǎo)體行業(yè)：芯片加工、切片、連線、離子注入、光刻、芯片檢驗(yàn)等裝備；計(jì)算機(jī)外圍驅(qū)備：X-Y繪圖機(jī)、高速打印機(jī)、掃描儀、數(shù)控坐標(biāo)測(cè)量儀、軟盤驅(qū)動(dòng)設(shè)備等。（2）直線電機(jī)的特點(diǎn)取消了從電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)之間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，沒有機(jī)械接觸，傳動(dòng)力是在氣隙中產(chǎn)生的，除了導(dǎo)軌外沒有其它摩擦；結(jié)構(gòu)簡單，體積小，以最少的零部件數(shù)量實(shí)現(xiàn)直線驅(qū)動(dòng)，而且是只有一個(gè)運(yùn)動(dòng)的部件；理論上行程不受限制，而且性能不會(huì)因?yàn)樾谐痰母淖兌艿接绊?；可以提供很寬的速度范圍，從每秒幾微米到?shù)米，特別適于高速，加速度很大，最大可達(dá)10g；運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，這是因?yàn)槌似鹬巫饔玫闹本€導(dǎo)軌或氣浮軸承外，沒有其它機(jī)械連接或轉(zhuǎn)換裝置的緣故；精度和重復(fù)精度高，因?yàn)橄擞绊懢鹊闹虚g環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的精度取決于位置檢測(cè)元件，有合適的反饋裝置可達(dá)亞微米級(jí)；維護(hù)簡單，由于部件少，運(yùn)動(dòng)時(shí)無機(jī)械接觸，從而大大降低了零部件的磨損，只需很少甚至無需維護(hù)，使用壽命更長。但端部磁場(chǎng)有畸變，控制難度大，安裝困難、需要隔磁、成本高等。

直線電動(dòng)機(jī)的實(shí)質(zhì)把旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)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)換成直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的一種推力裝置，是一種較為理想的驅(qū)動(dòng)裝置。與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的最大區(qū)別在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，取消了從電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)之間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長度縮短為零。正由于這種傳動(dòng)方式，帶來了旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無法達(dá)到的性能指標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用前景由于直線電動(dòng)機(jī)在機(jī)床中的應(yīng)用目前還處于初級(jí)階段，還有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)。隨著各相關(guān)配套技術(shù)的發(fā)展和直線電動(dòng)機(jī)制造工藝的完善，直線電動(dòng)機(jī)在機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

3.直線電機(jī)的應(yīng)用§7-5

主軸驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)不同于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，主軸的工作運(yùn)動(dòng)通常為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。主軸驅(qū)動(dòng)的主要要求：輸出功率大2.2~250kw，結(jié)構(gòu)上不能采用永磁式寬的調(diào)速范圍1：100~1000恒轉(zhuǎn)矩，1：10恒功率調(diào)速主軸既能正轉(zhuǎn)、又能反轉(zhuǎn)，且能快速制動(dòng)特殊要求如：加工螺紋，要求主軸驅(qū)動(dòng)與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)實(shí)行同步控制；為了保證端面加工的光潔度，要求主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有恒線速切削控制；在加工中心上，由于自動(dòng)換刀的需要，要求主抽驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有高精度的停位控制；有的數(shù)控機(jī)床還要求主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有角度控制功能等。分類

直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)早期的數(shù)控機(jī)床多采用直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自20世紀(jì)70年代末80年代初，在數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)中開始采用交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床多采用交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

一、直流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制1.直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

與一般直流電動(dòng)機(jī)一樣，只是為了減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而做得細(xì)長一些。它的勵(lì)磁繞組和電樞分別由兩個(gè)獨(dú)立電源供電。2.特性曲線

基本速度以下：恒轉(zhuǎn)矩范圍，用改變轉(zhuǎn)子繞組電壓調(diào)速?；舅俣纫陨希汉愎β史秶?，用控制定子激磁來調(diào)速。3.速度控制（直他激流伺服電動(dòng)機(jī)）定子磁動(dòng)勢(shì)：由勵(lì)磁電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)子反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)：由轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩：由于被控制量電動(dòng)機(jī)磁通f

和電樞電流Ia，互相獨(dú)立，其電磁轉(zhuǎn)矩與磁通和電樞電流分別成正比關(guān)系?？梢苑奖愕胤謩e進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此直流伺服電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速：用改變轉(zhuǎn)子繞組電壓調(diào)速。恒功率調(diào)速：用控制定子激磁來調(diào)速。直流主軸電動(dòng)機(jī)雙域調(diào)速系統(tǒng)框圖二、交流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制1.交流主軸電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

交流主軸電機(jī)多采用交流異步電機(jī)，很少采用永磁同步電機(jī)。主要因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)的容量做得不夠大，且電機(jī)成本較高。另外主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不象進(jìn)給系統(tǒng)那樣要求很高的性能，調(diào)速范圍也不要太大。因此，采用異步電機(jī)完全可以滿足數(shù)控機(jī)床主軸的要求，籠型異步電機(jī)多用在主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。2.交流主軸電動(dòng)機(jī)的工作原理與普通三相異步電動(dòng)機(jī)同。據(jù)電機(jī)學(xué)知，交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：（r/min）

式中f1—定子電源頻率（Hz）；

p—磁極對(duì)數(shù)；

s—轉(zhuǎn)差率。由上式可知異步電機(jī)的調(diào)速方法，可以有變轉(zhuǎn)差率、變極對(duì)數(shù)及變頻三種?？扛淖冝D(zhuǎn)差率對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速時(shí)，低速時(shí)轉(zhuǎn)差率大，轉(zhuǎn)差損耗功率也大，效率低。變極調(diào)速只能產(chǎn)生二種或三種轉(zhuǎn)速，不可能做成無級(jí)調(diào)速，應(yīng)用范圍較窄。變頻調(diào)速是從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，故它具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能，可以認(rèn)為是一種理想的調(diào)速方法。

當(dāng)略去定子阻抗壓降時(shí)，定子相電壓U1為

式中KE—電勢(shì)系數(shù)，KE＝4.44Kr1

N1。3.功率—速度特性曲線由上述分析可知改變頻率f1，可平滑調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速。但在實(shí)際調(diào)速時(shí)，只改變頻率是不夠的，現(xiàn)在來看一下變頻時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性的變化情況，由電機(jī)學(xué)知：

式中E1—感應(yīng)電勢(shì)；

Kr1—基波繞組系數(shù)；

N1—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；

Φm—每極氣隙磁通量。

由上式可見，定子電壓不變時(shí)，隨f1的上升，氣隙磁通fm將減小。又從轉(zhuǎn)矩公式

式中

CT—轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

I2—折算到定子上的轉(zhuǎn)子電流；

cos

y2—轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)。可以看出，f減小導(dǎo)致電機(jī)允許輸出轉(zhuǎn)矩Te下降，則電機(jī)利用率下降，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩也將降低，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過最大轉(zhuǎn)矩，電機(jī)就帶不動(dòng)了，即所謂堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。又當(dāng)電壓U1不變，減小f1時(shí)，f上升會(huì)造成磁路飽合，激磁電流會(huì)上升，鐵芯過熱，功率因數(shù)下降，電機(jī)帶負(fù)載能力降低。故在調(diào)頻調(diào)速中，要求在變頻的同時(shí)改變定子電壓U1，以維持f接近不變，由U1，f1不同的相互關(guān)系,而得出不同的變頻調(diào)速方式、不同的調(diào)速機(jī)械特性。

(1)

恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速

由轉(zhuǎn)子電流與主磁通作用而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩公式可知，T與φ、I2成正比。要保持T不變，即要求U1/f1為常數(shù)，可以近似地維持φ恒定。此時(shí)的機(jī)械特性曲線族如圖所示。由圖可見，保持U1/f1為常數(shù)進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，這些特性曲線的線性段基本平行，類似直流電機(jī)的調(diào)壓特性。但最大轉(zhuǎn)矩Tm隨著f1下降而減小。這是因?yàn)閒1高時(shí)，E1數(shù)值較大，此時(shí)定子漏阻抗壓降在U1中所占比例較小，可以認(rèn)為U1近似于定子繞組中感應(yīng)電勢(shì)E1。而當(dāng)f1相對(duì)很較低時(shí)，E1數(shù)值變小，U1值也變小，此時(shí)定子漏阻抗壓降在U1中所占比例增大，E1與U1相差很大，所以φ減小，從而使Tm下降。

(2)

恒最大轉(zhuǎn)矩（Tm）調(diào)速為了在低速時(shí)保持最大轉(zhuǎn)矩Tm不變，就必須采取E1/f1=常數(shù)的協(xié)調(diào)控制，顯然，這是一種理想的保持磁通恒定的控制方法。恒Tm調(diào)速的機(jī)械特性如圖所示。對(duì)應(yīng)于同一轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速降基本不變，即直線部分斜率不變，機(jī)械特性平行地移動(dòng)。（3）

恒功率調(diào)速

為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，可以在額定頻率以上進(jìn)行調(diào)速。因電機(jī)繞組是按額定電壓等級(jí)設(shè)計(jì)的，超過額定電壓運(yùn)行將受到繞組絕緣強(qiáng)度的限制，因此定子電壓不可能與頻率成正比地提高。若頻率上升，額定電壓不變，那么氣隙磁通φm將隨著f1的升高而降低。這時(shí)，相當(dāng)于額定電流時(shí)的轉(zhuǎn)矩也減小，特性變軟。如圖所示，隨著頻率增加，轉(zhuǎn)矩減少，而轉(zhuǎn)速增加，可得近似恒功率的調(diào)速特性。

4.交流主軸電動(dòng)機(jī)的矢量變換控制矢量控制理論最先是在1971年由德國學(xué)者F.Blachke提出的。在伺服系統(tǒng)中，直流伺服電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，其根本原因是被控制量只有電機(jī)磁場(chǎng)f

和電樞電流Ia，且這兩個(gè)量是獨(dú)立的。其電磁轉(zhuǎn)矩與磁通和電樞電流分別成正比關(guān)系。交流主軸電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與磁通和轉(zhuǎn)子電流不是獨(dú)立的，磁通是由勵(lì)磁電流產(chǎn)生，勵(lì)磁電流是定子電流和轉(zhuǎn)子電流的合成電流。如果能夠模擬直流電機(jī)，求出交流電機(jī)與之對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)與電樞電流，分別而獨(dú)立地加以控制，就會(huì)使交流電機(jī)具有與直流電機(jī)近似的優(yōu)良特性。為此，必須將三相交變量（矢量）轉(zhuǎn)換為與之等效的直流量（標(biāo)量），建立起交流電機(jī)的等效模型，然后按直流電機(jī)的控制方法對(duì)其進(jìn)行控制。矢量控制的實(shí)質(zhì)

將交流電動(dòng)機(jī)模擬成直流電動(dòng)機(jī)，用對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制方法來控制交流電動(dòng)機(jī)。其方法是以交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，把定子電流分解成與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)力向相平行的磁化電流分量Id和相垂直的轉(zhuǎn)矩電流分量Iq

，分別對(duì)應(yīng)直流電動(dòng)機(jī)中的勵(lì)磁電流If和電樞電流Ia

在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，分別對(duì)磁化電流分量、和轉(zhuǎn)矩電流分量進(jìn)行控制，以達(dá)到對(duì)實(shí)際的交流電動(dòng)機(jī)速度控制的目的。（1）矢量變換控制原理

通過繞組等效來實(shí)現(xiàn)。圖a所示三相異步交流電機(jī)在空間上產(chǎn)生一個(gè)角速度為ωo的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)f。如果用圖b中的兩套空間相差900的繞組α和β來代替，并通以兩相在時(shí)間上相差900的交流電流，使其也產(chǎn)生角速度為ω0的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)f

，則可以認(rèn)為圖a和圖b中的兩套繞組是等效的。若給圖c所示模型上兩個(gè)互相垂直繞組d和q，分別通以直流電流id和iq，則將產(chǎn)生位置固定的磁場(chǎng)f

，如果再使繞組以角速度ω0旋轉(zhuǎn)，則所建立的磁場(chǎng)也是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其幅值和轉(zhuǎn)速也與圖a一樣。圖a圖b圖c（2）矢量變換數(shù)學(xué)模型交流電動(dòng)機(jī)三相/二相電動(dòng)機(jī)變換三相A、B、C系統(tǒng)變換到兩相α、β系統(tǒng)。三相A、B、C繞組的作用，完全可以用在空間上互相垂直的兩個(gè)靜止的α、β繞組代替，并給兩相通以在時(shí)間上相差90°的交流平衡電流，使其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的幅值和角速度也分別為f

和ω0，則可以認(rèn)為圖a、b中的兩套繞組是等效的。圖a圖b圖c按照磁動(dòng)勢(shì)與電流成正比關(guān)系，可求得對(duì)應(yīng)的電流值ia和ib

iB

iβ

600

iα

iA

600

iC

除磁動(dòng)勢(shì)的變換外，變換中用到的其它物理量，只要是三相平衡量與二相平衡量，則轉(zhuǎn)換方式相同。這樣就將三相電機(jī)轉(zhuǎn)換為二相電機(jī)。應(yīng)用三相/二相的數(shù)學(xué)變換公式，將其化為二相交流繞組的等效交流磁場(chǎng)。其磁動(dòng)勢(shì)為矢量旋轉(zhuǎn)變換

將三相電機(jī)轉(zhuǎn)化為二相電機(jī)后，還需將二相交流電機(jī)變換為等效的直流電機(jī)。若設(shè)圖中d為激磁繞組，通以激磁電流，q為電樞繞組，通以電樞電流，則產(chǎn)生固定幅度的磁場(chǎng)，在定子上以角速度ω0

旋轉(zhuǎn)。這樣就可看成是直流電機(jī)了。將二相交流電機(jī)轉(zhuǎn)化為直流電機(jī)的變換，實(shí)質(zhì)就是矢量向標(biāo)量的轉(zhuǎn)換，是靜止的直角坐標(biāo)系向旋轉(zhuǎn)的直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。即把、轉(zhuǎn)化為、，轉(zhuǎn)化條件是保證合成磁場(chǎng)不變。轉(zhuǎn)換公式為iβφβa

idiαiqθi1iβφβa

idiαiqθi1直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)的變換

矢量控制中，還要用到直角坐標(biāo)系與極坐標(biāo)系的變換。由和求，其公式為

采用矢量變換的感應(yīng)電機(jī)具有和直流電機(jī)一樣的控制特點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡單、可靠，電機(jī)容量不受限制，與同等直流電機(jī)相比機(jī)械慣量小，其前景非?？捎^。iβφβa

idiαiqθi1矢量變換控制原理框圖§7-6位置控制一、脈沖比較伺服系統(tǒng)用脈沖比較的方法構(gòu)成閉環(huán)和半閉環(huán)控制。1.系統(tǒng)組成：采用光電編碼器產(chǎn)生位置反饋脈沖信號(hào)；實(shí)現(xiàn)指令脈沖與反饋脈沖的脈沖比較，以取得位置偏差信號(hào)；以位置偏差作為速度給定的伺服電機(jī)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。位置控制按伺服系統(tǒng)分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)控制。本節(jié)介紹閉環(huán)和半閉環(huán)位置控制。2.脈沖比較伺服系統(tǒng)的閉環(huán)和半閉環(huán)的比較

脈沖比較伺服系統(tǒng)的閉環(huán)和半閉環(huán)的區(qū)別在檢測(cè)元件上的不同點(diǎn)：在半閉環(huán)控制中，多采用光電編碼器作為檢測(cè)元件；在閉環(huán)控制中，多采用光柵作為檢測(cè)元件。在安裝位置上的不同點(diǎn)：半閉環(huán)的檢測(cè)元件一般安裝在絲杠軸上，而閉環(huán)的檢測(cè)元件則安裝在工作臺(tái)上。(1)開始時(shí)，指令脈沖F＝0，且工作臺(tái)處于靜止?fàn)顟B(tài)，則反饋脈沖Pf=0，經(jīng)比較環(huán)節(jié)e＝F一Pf＝0，伺服電機(jī)的速度給定為0，伺服電機(jī)不動(dòng)，工作臺(tái)仍處于靜止?fàn)顟B(tài)。

當(dāng)指令脈沖F＞o，工作臺(tái)在沒有移動(dòng)之前，反饋脈沖Pf仍為0，經(jīng)比較環(huán)節(jié)e＝F一Pf＞0，調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)向正向進(jìn)給。隨著電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，檢測(cè)元件的反饋脈沖信號(hào)進(jìn)入比較環(huán)節(jié)。按負(fù)反饋原理，當(dāng)F=Pf時(shí)，偏差e＝F一Pf＝0，工作臺(tái)重新穩(wěn)定在指令所規(guī)定的位置當(dāng)指令脈沖F＜o(jì)，其控制過程與正向指令脈沖的控制過程相類似，只是此時(shí)e＜o(jì)，工作臺(tái)向反方向進(jìn)給。最后，工作臺(tái)穩(wěn)定在指令所規(guī)定的反向位置上。3.脈沖比較伺服系統(tǒng)的工作原理(閉環(huán))4.特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)比較簡單，易于實(shí)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)用相位比較的方法構(gòu)成閉環(huán)和半閉環(huán)控制。

1.主要組成基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器、脈沖調(diào)相器、檢測(cè)元件、鑒相器、伺服放大器、伺服電動(dòng)機(jī)等。2.相位比較伺服系統(tǒng)的閉環(huán)和半閉環(huán)的比較

相位比較伺服系統(tǒng)的閉環(huán)和半閉環(huán)的區(qū)別

在檢測(cè)元件上的不同點(diǎn)：在半閉環(huán)控制中，多采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為檢測(cè)元件；在閉環(huán)控制中，多采用感應(yīng)同步器作為檢測(cè)元件。在安裝位置上的不同點(diǎn)：半閉環(huán)的檢測(cè)元件一般安裝在絲杠軸上，而閉環(huán)的檢測(cè)元件則安裝在工作臺(tái)上。

脈沖調(diào)相器的作用:

將來自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相位變化信號(hào)，該相位變化信號(hào)，可用正弦信號(hào)或方波信號(hào)表示。當(dāng)進(jìn)給脈沖F=0，則脈沖調(diào)相器的輸出與基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的基準(zhǔn)信號(hào)同相位，沒有相位差。當(dāng)輸出一個(gè)正向或反向進(jìn)給脈沖，則脈沖調(diào)相器就輸出超前或滯后基準(zhǔn)信號(hào)一個(gè)相應(yīng)的相位角。

(1)開始時(shí)，指令脈沖F＝0，工作臺(tái)處于靜止?fàn)顟B(tài)，PA、PB為同頻率同相位的脈沖信號(hào)，經(jīng)鑒相器鑒相判別，△q＝0，伺服放大器速度給定為0，伺服電機(jī)不動(dòng)，工作臺(tái)仍處于靜止?fàn)顟B(tài)。

(2)當(dāng)指令脈沖F＞0，經(jīng)脈沖調(diào)相器，PA＝

+qo，因工作臺(tái)原來靜止，PB＝0，鑒相器的輸出△q

＝PA一PB＝+qo＞o，伺服驅(qū)動(dòng)使工作臺(tái)作正向運(yùn)動(dòng)，直至△q＝0。

(3)當(dāng)指令脈沖F＜0，其控制過程與正向指令脈沖的控制過程相類似，只是此時(shí)PA＝

-qo

，工作臺(tái)向反方向進(jìn)給。直至△q＝0

。3.相位比較伺服系統(tǒng)的工作