數(shù)控技術(shù)第4章4.3節(jié)

4.1概述4.2位置檢測裝置4.3進給電機及驅(qū)動4.4進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法第4章進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)

04.3進給電機及驅(qū)動CNC裝置發(fā)出的位移指令信號，由伺服驅(qū)動裝置作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機和機械傳動機構(gòu)，驅(qū)動機床的工作臺等執(zhí)行部件實現(xiàn)工作進給或快速運動.進給驅(qū)動系統(tǒng)的組成：

驅(qū)動器和電機。進給電機的類型：

步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機和直線電機。14.3.1步進電機及驅(qū)動

驅(qū)動器每向步進電機輸入一個電脈沖信號，步進電機轉(zhuǎn)動一個角度，稱為步距角，通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。步進式進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。步進電機轉(zhuǎn)過的角度與電脈沖信號個數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動速度與電脈沖信號的頻率成正比。優(yōu)點：電機具有自鎖能力；

每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，理論上說步距誤差不會累積。

缺點：

在大負載和速度較高的情況下容易失步，能耗較大。應(yīng)用：步進電機的速度不高，在脈沖當量為1μm/脈沖時，最高移動速度為2m/min，主要用于速度和精度要求不太高的經(jīng)濟型數(shù)控機床和舊機床改造。4.3進給電機及驅(qū)動24.3進給電機及驅(qū)動31.步進電機分類：常見的分類方式有按相數(shù)、按產(chǎn)生力矩的原理、按輸出力矩的大小和結(jié)構(gòu)進行分類

按相數(shù)分：有三相、四相、五相、六相等。相數(shù)越多，步距角越小，輸出轉(zhuǎn)矩越大，但結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。通電方式采用m相m拍、雙m拍和m相2m拍等。按力矩產(chǎn)生的原理分：有反應(yīng)式、永磁反應(yīng)式和混合式三類。按輸出力輸出力矩的大小分：快速步進電機（0.07Nm～4Nm）和功率步進電機（5Nm～50Nm）兩類。按結(jié)構(gòu)分類：有軸向分相式（即多段式）和徑向分相式（即單段式）。4.3進給電機及驅(qū)動42.步進電機工作原理（反應(yīng)式步進電機）反應(yīng)式步進電機的定子上有磁極，每個磁極上有激磁繞組，轉(zhuǎn)子無繞組，由軟磁材料制成，周向均布的齒，依靠磁極對齒的吸合工作。定子轉(zhuǎn)子定子繞組4.3進給電機及驅(qū)動5AB定子轉(zhuǎn)子IAIBIC兩個相對的磁極組成一相。注意：這里的“相”和三相交流電中的“相”的概念不同。步進電機通的是電脈沖，主要是指線圖的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。4.3進給電機及驅(qū)動6步進電機的工作方式(通電順序)可分為：三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。1）三相單三拍：三相繞組聯(lián)接方式：Y型三相繞組中的通電順序為A相

B相

C相通電順序也可以為：

A相C相B相

4.3進給電機及驅(qū)動7定子繞組三相三拍，轉(zhuǎn)子兩個齒，步距角60°4.3進給電機及驅(qū)動8B'A'CC'BA3412A相通電B相通電C相通電BB'A'CC'A3412B'A'CC'BA3412CA4.3進給電機及驅(qū)動定子繞組三相三拍，轉(zhuǎn)子四個齒，步距角30°97.2步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)三相單三拍的工作特點：每來一個電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30；轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序；每次定子繞組只有一相通電，容易產(chǎn)生失步；只有一相繞組產(chǎn)生力矩吸引轉(zhuǎn)子，在平衡位置易產(chǎn)生振蕩。4.3進給電機及驅(qū)動10定子繞組三相六拍，轉(zhuǎn)子四個齒，步距角15°4.3進給電機及驅(qū)動112）三相六拍工作方式

通電順序為：A→AB→B→BC→C→CA→A…（逆時針、正）A→AC→C→BC→B→CA→A…（順時針、反）4.3進給電機及驅(qū)動12三相六拍工作特點：每步轉(zhuǎn)過15°（4齒），步距角是三相三拍工作方式的一半，電機運轉(zhuǎn)中始終有一相定子繞組通電，運轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)。4.3進給電機及驅(qū)動133）雙三拍工作方式定子繞組通電順序：AB→BC→CA→AB…（轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)）AC→BC→CA→…（轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)）有兩對磁極同時對轉(zhuǎn)子的兩對齒進行吸引，每步仍旋轉(zhuǎn)30°。雙三拍工作特點：始終有一相定子繞組通電，工作比較平穩(wěn)。避免了單三拍通電方式的缺點。4.3進給電機及驅(qū)動14步進電動機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一個確定的角度，即步距角；改變步進電動機定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變；步進電動機定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度越快，即通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高；步進電動機步距角與定子繞組的相數(shù)m、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z、通電方式k有關(guān)，可用下式表示：三相三拍時，k=1；三相六拍時，k=2m相m拍時，k=1；m相2m拍時，k=24.3進給電機及驅(qū)動153.步進電機實際結(jié)構(gòu)：

轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多，齒數(shù)越多，步距角越小。定子磁極上的齒的齒距與轉(zhuǎn)子的齒距相同，但各極的齒依次與轉(zhuǎn)子的齒錯開齒距的1／m（m電機相數(shù)）。每次定子繞組通電狀態(tài)改變時，轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn)過齒距的1／m（如三相三拍）或1／2m（如三相六拍）達到新的平衡位置。4.3進給電機及驅(qū)動16常見的三相步進電機，每個定子極上均布5個齒，齒槽距相等，齒間夾角9°。轉(zhuǎn)子上均布40個齒，齒槽距相等，齒間夾角9°。三相定子磁極和轉(zhuǎn)子上相應(yīng)的齒依次錯開了1/3齒距，即3°。當A相磁極上的小齒與轉(zhuǎn)子上的小齒對齊時，B相磁極上的齒剛好超前（或滯后）轉(zhuǎn)子齒1/3齒距角，C相磁極齒超前（或滯后）轉(zhuǎn)子齒2/3齒距角。三相三拍通電方式，步距角為三相六拍通電方式，步距角為17

若轉(zhuǎn)子40個齒，通電為三相三拍方式。當轉(zhuǎn)子齒與A相定子齒對齊時，轉(zhuǎn)子齒與B相定子齒相差（3°），與C相定子齒相差（6°）。4.3進給電機及驅(qū)動18例：步進電機轉(zhuǎn)子有40個齒，采用五相十拍通電方式，步進電機直接經(jīng)絲杠螺母傳動副驅(qū)動工作臺做直線運動，滾珠絲杠導(dǎo)程為6mm求：（1）步進電機的步距角；（2）工作臺的脈沖當量。

一個進給脈沖，使步進電機旋轉(zhuǎn)一個步距角α，工作臺走多少位移δ？（脈沖當量）4.3進給電機及驅(qū)動19例：步進電機轉(zhuǎn)子有40個齒，采用五相十拍通電方式，步進電機通過減速器減速后帶動絲杠螺母，從而驅(qū)動工作臺做直線運動，減速器傳動比i=0.5，滾珠絲杠導(dǎo)程為6mm求：（1）步進電機的步距角；（2）工作臺的脈沖當量。

一個進給脈沖，使步進電機旋轉(zhuǎn)一個步距角α，絲桿的轉(zhuǎn)角θ是多少？工作臺走多少位移δ？（脈沖當量）20每給一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角度的理論值。4.步進電機的主要特性

1）步距角α

m—定子相數(shù)；z—轉(zhuǎn)子齒數(shù)；k—通電系數(shù)，

m相m拍，k＝1；m相2m拍，k＝2。

α一般很小，如：3°／1.5°，1.5°／0.75°，0.72°／0.36°等4.3進給電機及驅(qū)動21靜態(tài)：步進電機處于通電狀態(tài)，但不改變通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子處在不動狀態(tài)。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mj

：在電機軸上施加一個負載轉(zhuǎn)矩M，轉(zhuǎn)子會在載荷方向上轉(zhuǎn)過一個角度θ（失調(diào)角），轉(zhuǎn)子因而受到一個電磁轉(zhuǎn)矩Mj的作用與負載平衡。2）靜態(tài)矩角特性矩角特性：步進電機單相通電的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mj隨失調(diào)角θ的變化曲線。4.3進給電機及驅(qū)動224.步進電機的主要特性

3）矩頻特性4.3進給電機及驅(qū)動輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運行頻率之間的關(guān)系，隨著連續(xù)運行頻率的上升，動態(tài)轉(zhuǎn)矩隨之下降。234.步進電機的主要特性

4）起動頻率4.3進給電機及驅(qū)動起動頻率空載時，步進電機由靜止狀態(tài)突然起動，并進入不丟步的正常運行的最高頻率，稱為起動頻率。起動時，加給步進電機的指令脈沖頻率如果大于起動頻率，會出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，就不能正常工作。步進電機帶負載時的起動頻率比空載起動頻率低，隨著負載的加大，起動頻率會進一步降低。244.步進電機的主要特性

5）連續(xù)運行頻率4.3進給電機及驅(qū)動連續(xù)運行頻率步進電機起動以后，其運行速度能跟蹤指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率稱為連續(xù)運行頻率。連續(xù)運行頻率的值遠大于起動頻率。254.步進電機的主要特性

6）加、減速特性4.3進給電機及驅(qū)動當步進電機運行頻率低于本身的起動頻率時，可以用運行頻率直接起動；需要停止時，可以從運行頻率直接降到零速。當步進電機運行頻率高于起動頻率時，若直接用運行頻率起動，由于頻率太高，步機電機會丟步；同樣突然停止時，步進電機會超步。所以需要采用升降頻控制。常采用的方法是指數(shù)曲線升降頻。264.3.2交流伺服電機及驅(qū)動

伺服驅(qū)動的發(fā)展歷程：步進電機→直流伺服電機→交流伺服電機→…旋轉(zhuǎn)式電機→直線電機→…理由：閉環(huán)提高精度。

直流伺服電機調(diào)速方便，90年代以前（交流在性能成本方面不占優(yōu)）大量使用。但直流伺服電機的容量小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、有電刷、體積大和重量重，因此，其應(yīng)用受到限制。隨著交流伺服驅(qū)動性價比提高，交流伺服驅(qū)動電機已漸漸取代了直流伺服電機。4.3進給電機及驅(qū)動271.交流伺服電機的種類、結(jié)構(gòu)及工作原理（1）交流伺服電機的種類及特點交流伺服電機有同步型和異步型兩大類。異步型交流電機指的是交流感應(yīng)電機。同步型交流電機按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同可分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。數(shù)控機床中多用永磁式同步電機。4.3進給電機及驅(qū)動28永磁式同步電機：優(yōu)點：比直流電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、體積約小1/2，質(zhì)量減輕60﹪，轉(zhuǎn)子慣量可減小到1/5、效率高。缺點：啟動特性欠佳、控制復(fù)雜應(yīng)用：進給驅(qū)動異步型交流伺服電機：優(yōu)點：與同容量的直流電機相比重量輕（1/2），價格便宜(1/3)；缺點：轉(zhuǎn)速受負載的變化影響較大，不能經(jīng)濟地實現(xiàn)范圍較廣的平滑調(diào)速，效率較低、功率因數(shù)低應(yīng)用：主軸驅(qū)動系統(tǒng)。4.3進給電機及驅(qū)動29VSVS脈沖編碼器轉(zhuǎn)子定子接線盒定子三相繞組（2）交流永磁同步電機的工作原理與特性結(jié)構(gòu)：電機由定子、轉(zhuǎn)子和檢測元件組成。4.3進給電機及驅(qū)動30nr＝ns＝60f1／p

ns—同步轉(zhuǎn)速，θ—轉(zhuǎn)子磁極的軸線與定子磁極的軸線夾角，nr—轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，f1—交流電源頻率（定子供電頻率），p—定子和轉(zhuǎn)子的極對數(shù)nSNns

nr

θ

S通過調(diào)節(jié)頻率和極對數(shù)實現(xiàn)調(diào)速。4.3進給電機及驅(qū)動31U1—定子每相相電壓；E1—定子每相繞組感應(yīng)電動勢；N1—定子每相繞組匝數(shù)；K1—定子每相繞組匝數(shù)系數(shù)；

—每極氣隙磁通量；Tm—電機電磁轉(zhuǎn)矩；Ia—轉(zhuǎn)子電樞電流；—轉(zhuǎn)子電樞電流的相位角。2.交流同步電機的變頻調(diào)速原理交流電機的電動勢方程、轉(zhuǎn)矩方程：4.3進給電機及驅(qū)動32在變頻調(diào)速的同時，要求供電電壓也隨之變化，即滿足U1/f1為定值，以確保磁通量不變。

因為變頻調(diào)速時，當U1不變，增加頻率f1，則磁通量減小，導(dǎo)致電機輸出轉(zhuǎn)矩Tm下降。電機負載能力降低；若減小頻率f1，磁通量增加，定子電流上升，導(dǎo)致鐵損增加。7.4交流伺服電機及其速度控制系統(tǒng)變頻調(diào)速控制方式：基頻以下調(diào)速——當電機在f1的額定參數(shù)下運行時，供電頻率低于額定值?；l以上調(diào)速——當電機在f1的額定參數(shù)上運行時，供電頻率高于額定值。4.3進給電機及驅(qū)動333．交流同步伺服電機的變頻器變頻器將交流恒壓恒頻的供電電源轉(zhuǎn)變?yōu)樽儔鹤冾l的供電電源。（1）變頻器類型

變頻器可分為交—交變頻器（直接變頻器）和交—直—交變頻器（間接變頻器）兩種。應(yīng)用最多的是交—直—交變頻器。

根據(jù)變頻電源的性質(zhì)，又可分為電壓源變頻器和電流源變頻器。4.3進給電機及驅(qū)動34交—交變頻：利用可控硅整流器直接將工頻交流電（頻率50Hz）變成頻率較低的脈動交流電，正組輸出正脈沖，反組輸出負脈沖，脈動交流電的基波就是所需的變頻電壓。該方法所得的交流電波動比較大，且最大頻率即為變頻器輸入的工頻電壓頻率。4.3進給電機及驅(qū)動35交—直—交變頻：先將交流電整流成直流電，然后將直流電壓變成矩形脈沖波電壓，矩形脈沖波的基波是所需的變頻電壓。該調(diào)頻方式所得交流電的波動小，調(diào)頻范圍比較寬，調(diào)節(jié)線性度好。4.3進給電機及驅(qū)動36（2）正弦波脈沖調(diào)制（SPWM）逆變器脈寬調(diào)制（PWM）變頻——是通過脈沖信號控制逆變器開關(guān)元件的導(dǎo)通和關(guān)斷時間比（即調(diào)節(jié)脈沖的寬度）來控制輸出電壓的大小和頻率，從而實現(xiàn)調(diào)速。uUUutttt4.3進給電機及驅(qū)動37正弦脈寬調(diào)制（SPWM）——是利用有正弦波特性的脈沖信號去控制逆變器開關(guān)元件的通、斷時間比。此時，變頻器輸出近似于正弦波的電流，使得電機電源近似為正弦交流電。SPWM變頻器是目前數(shù)控機床應(yīng)用最廣泛的變頻器。4.3進給電機及驅(qū)動38SPWM原理單相調(diào)制原理正弦脈寬調(diào)制（SPWM）波形:與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波。等效原理：把正弦波分成n等分，每一區(qū)間面積用與其相等的等幅不等寬的矩形面積代替。正弦波的正負半周均如此處理。uωtωtuOOa)b)4.3進給電機及驅(qū)動39整流器：將三相工頻交流電變成直流電逆變器：將整流輸出的直流電壓變成三相交流電

三相SPWM變頻器的主回路結(jié)構(gòu)圖4.3進給電機及驅(qū)動404.3.3直線電機及驅(qū)動直線電機直接驅(qū)動工件臺直線運動。取消了從電機到工作臺（拖板）之間的機械中間傳動環(huán)節(jié)，即把機床進給傳動鏈的長度縮短為零，故這種傳動方式又稱為“直接驅(qū)動”，也稱“零傳動”。適用于進給驅(qū)動速度高于60m/min以上，加速度1g以上的高速數(shù)控機床。4.3進給電機及驅(qū)動41優(yōu)點：電機慣量小，系統(tǒng)響應(yīng)快、速度高，速度和加速度都可提高10倍以上（700m/min，40G）。運動更加平穩(wěn)、噪聲低、傳動效率高，動態(tài)剛度高?？稍O(shè)計成均布對稱，工作臺運動時受力均勻分布，運動推力平衡可無限延長定子的行程，運動的行程不受限制并可在全行程上安裝使用多個工作臺缺點：沒有機械聯(lián)接或嚙合，垂直軸傳動需要外加一個平衡塊或制動器磁鐵對電機部件的吸力很大，需解決防護、隔磁問題4.3進給電機