數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)-鄭佳文

數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)機(jī)械工程-鄭佳文學(xué)號(hào)：1508520102機(jī)械工程學(xué)院主要內(nèi)容概述開環(huán)式控制系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路閉環(huán)伺服系統(tǒng)與反饋比較形式直流伺服電機(jī)與調(diào)速系統(tǒng)交流伺服電機(jī)與主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械工程學(xué)院一二三四五機(jī)械工程學(xué)院一、概述概述伺服系統(tǒng)接收來自CNC（ComputerNumericalControl）裝置的進(jìn)給脈沖，經(jīng)變換和放大，然后驅(qū)動(dòng)各加工坐標(biāo)軸按指令脈沖進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。這些軸有些帶動(dòng)工作臺(tái)，有些帶動(dòng)刀架，通過一個(gè)或者多個(gè)坐標(biāo)軸的綜合聯(lián)動(dòng)，涉及各軸上運(yùn)動(dòng)速度的調(diào)節(jié)，以一定的加減速曲線來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，使刀具相對(duì)工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，加工出所要求的復(fù)雜形狀工件。進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)部件之間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。它包含機(jī)械、電子、電動(dòng)機(jī)等各種部件，并涉及強(qiáng)電與弱電控制，是一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)。機(jī)械工程學(xué)院1.伺服系統(tǒng)的作用和組成在自動(dòng)控制中，是輸出量能以一定準(zhǔn)確度跟隨輸入量的變化而變化的系統(tǒng)稱為隨動(dòng)系統(tǒng)，亦稱為伺服系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床移動(dòng)部件的位置和速度作為控制量的自動(dòng)系統(tǒng)。機(jī)械工程學(xué)院伺服系統(tǒng)的作用:接受CNC裝置發(fā)出的插補(bǔ)結(jié)果(指令脈沖等)，作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機(jī)（直流、交流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等）和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給或快速運(yùn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床的“大腦”數(shù)控機(jī)床的“四肢”，是執(zhí)行“命令”的機(jī)構(gòu)，它是一個(gè)不折不扣的跟隨者。機(jī)械工程學(xué)院

伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖伺服系統(tǒng)的組成機(jī)械工程學(xué)院組成伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制轉(zhuǎn)換電路電子電力驅(qū)動(dòng)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(cè)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)。伺服系統(tǒng)組成單元2.伺服系統(tǒng)的分類（1）按調(diào)節(jié)理論分類機(jī)械工程學(xué)院（2）按驅(qū)動(dòng)部件的動(dòng)作原理分類電液伺服系統(tǒng)電氣伺服系統(tǒng)機(jī)械工程學(xué)院（3）按被控對(duì)象分類進(jìn)給伺服系統(tǒng)主軸伺服系統(tǒng)3.伺服系統(tǒng)的基本要求機(jī)械工程學(xué)院高精度（輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度）穩(wěn)定性好（抗干擾能力）快速響應(yīng)、無(wú)超調(diào)（系統(tǒng)跟蹤精度）低速大轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍寬調(diào)速范圍寬可靠性高(對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性)二、開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路機(jī)械工程學(xué)院電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令驅(qū)動(dòng)控制單元1.開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)組成一般定位精度：±0.02mm采用螺距補(bǔ)償和傳動(dòng)間隙補(bǔ)償：±0.01mm進(jìn)給速度受限脈沖當(dāng)量為.01mm時(shí)，不超過5m/min2.步進(jìn)電機(jī)機(jī)械工程學(xué)院步進(jìn)電機(jī)是一種脈沖控制的執(zhí)行元件，可將輸入脈沖轉(zhuǎn)換為機(jī)械角位移。每給步進(jìn)電機(jī)輸入一個(gè)脈沖，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，稱為步距角。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(gè)數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)量----位移量；脈沖頻率---電機(jī)轉(zhuǎn)速；脈沖順序----方向。對(duì)應(yīng)關(guān)系機(jī)械工程學(xué)院運(yùn)動(dòng)方式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)平面運(yùn)動(dòng)滾切運(yùn)動(dòng)工作原理反應(yīng)式電磁式永磁式永磁感應(yīng)式工作方式功率式控制式結(jié)構(gòu)單段式（徑向式）多段式（軸向式）印刷繞組式相數(shù)三相式四相式五相式頻率高頻式低頻式2.1步進(jìn)電機(jī)的分類、結(jié)構(gòu)和工作原理（1）分類機(jī)械工程學(xué)院（2）結(jié)構(gòu)機(jī)械工程學(xué)院步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。定子由硅鋼片疊成，裝上一定相數(shù)的控制繞組，由環(huán)形分配器送來的電脈沖對(duì)多相定子繞組輪流進(jìn)行勵(lì)磁。轉(zhuǎn)子用硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸極結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子本身沒有勵(lì)磁繞組的叫做“反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)”；用永久磁鐵做轉(zhuǎn)子叫做“永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)”。機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院（2）結(jié)構(gòu)機(jī)械工程學(xué)院（3）工作原理機(jī)械工程學(xué)院按電磁吸引原理工作（以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的定子上有磁極，每個(gè)磁極上有激磁繞組，轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，有周向均布的齒，依靠磁極對(duì)齒的吸合工作。定子轉(zhuǎn)子定子繞組機(jī)械工程學(xué)院兩個(gè)相對(duì)的磁極組成一相AB定子轉(zhuǎn)子IAIBIC機(jī)械工程學(xué)院步進(jìn)電機(jī)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：（1）三相繞組聯(lián)接方式：Y型（2）三相繞組中的通電順序?yàn)椋篈相

B相

C相通電順序也可以為：

A相

C相

B相

機(jī)械工程學(xué)院主要內(nèi)容B'A'CC'BA3412A相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和AA'對(duì)齊CB相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相軸線對(duì)齊C相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和C相軸線對(duì)齊BB'A'C'A3412B'A'CC'BA3412機(jī)械工程學(xué)院三相單三拍的特點(diǎn)：（1）每來一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30。（2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序。（3）每次定子繞組只有一相通電，在切換瞬間失去自鎖轉(zhuǎn)矩，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。通電順序?yàn)椋篈ABBBCCCAA

六拍。2）三相六拍工作方式機(jī)械工程學(xué)院7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)B'A'CC'BA3412B'A'CC'BA3412B'A'CC'BA3412B'A'CC'BA3412B'A'CC'BA3412B'A'CC'BA3412A通電AB通電B通電BC通電CA通電C通電機(jī)械工程學(xué)院A→AB→B→BC→C→CA→A…（逆時(shí)針）A→AC→C→BC→B→BA→A…（順時(shí)針）每步轉(zhuǎn)過15°，步距角是三相三拍工作方式的一半特點(diǎn)：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中始終有一相定子繞組通電，運(yùn)轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)。

通電順序3)雙三拍工作方式定子繞組通電順序?yàn)锳B→BC→CA→AB…（轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)）AC→CB→BA→…（轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)）有兩對(duì)磁極同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子的兩對(duì)齒進(jìn)行吸引，每步仍旋轉(zhuǎn)30°。特點(diǎn)：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(diǎn)機(jī)械工程學(xué)院實(shí)際上步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多，齒數(shù)與步距角關(guān)系？例如：轉(zhuǎn)子40個(gè)齒，定子仍是3對(duì)磁極，三相六拍。問步距角是多少？機(jī)械工程學(xué)院2.2步進(jìn)電機(jī)的主要特性（1）步距角α和靜態(tài)步距誤差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。

每給一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角度的理論值。α一般很小，如：3°／1.5°，1.5°／0.75°，0.72°／0.36°等不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)步距角的要求不同。一般情況下：

機(jī)械工程學(xué)院步距角也可用分辨率表示式中：i——傳動(dòng)比——每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的負(fù)載軸的位移增量即表示每轉(zhuǎn)步進(jìn)了多少（2）最大靜轉(zhuǎn)矩機(jī)械工程學(xué)院靜態(tài)特性穩(wěn)定狀態(tài)靜轉(zhuǎn)矩距角特性靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)（3）矩頻特性機(jī)械工程學(xué)院步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出電磁轉(zhuǎn)矩T與連續(xù)運(yùn)行頻率f之間的關(guān)系。（衡量電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)承載能力的動(dòng)態(tài)性指標(biāo)）。運(yùn)行矩頻特性f繞組感抗電流波形穩(wěn)定值T（4）啟動(dòng)頻率和連續(xù)運(yùn)行頻率機(jī)械工程學(xué)院?jiǎn)?dòng)頻率fst是指在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下能夠不丟步地啟動(dòng)的最高脈沖頻率。它的大小和驅(qū)動(dòng)電路和負(fù)載大小有關(guān)，步距角越小，負(fù)載越小，啟動(dòng)頻率越高。連續(xù)運(yùn)行頻率fc

步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)后，當(dāng)控制脈沖頻率連續(xù)上升時(shí)，能不丟步運(yùn)行的最高頻率。它的值與負(fù)載有關(guān)。（5）步進(jìn)電機(jī)技術(shù)指標(biāo)實(shí)例機(jī)械工程學(xué)院步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)表示方法舉例反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（如150BF003）

XXX

BF

XX勵(lì)磁繞組相數(shù)或代號(hào)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)電動(dòng)機(jī)外徑（mm）BYG混合式步進(jìn)電機(jī)BY永磁式步進(jìn)電機(jī)2.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制線路機(jī)械工程學(xué)院功能：將具有一定頻率f、一定數(shù)量N和方向的進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換成控制步進(jìn)電機(jī)各相定子繞組通電、斷電的電平信號(hào)變化頻率、變化次數(shù)和通斷電順序。驅(qū)動(dòng)控制器主要由環(huán)形脈沖分配器和功率放大器組成。（1）環(huán)形分配器機(jī)械工程學(xué)院功能將進(jìn)給脈沖指令轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)定子繞組通、斷電的電平信號(hào)，電平信號(hào)狀態(tài)的改變次數(shù)及順序與進(jìn)給脈沖的個(gè)數(shù)與方向?qū)?yīng)。即將數(shù)控裝置的插補(bǔ)脈沖，按步進(jìn)電機(jī)所要求的規(guī)律分配給步進(jìn)電機(jī)的各相輸入端，以控制勵(lì)磁繞組的通、斷電。分類硬件環(huán)形分配器：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置本身帶有環(huán)形分配器。軟件環(huán)形分配器：驅(qū)動(dòng)裝置本身無(wú)環(huán)形分配器，環(huán)形分配需要軟件完成。混合環(huán)形分配器環(huán)形分配器機(jī)械工程學(xué)院特點(diǎn)：需要專用硬件資源，運(yùn)行效率高。軟件環(huán)形分配器是指完全用軟件的方式進(jìn)行脈沖分配，按照給定的通電換相順序，通過單片機(jī)的I/O口向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制脈沖的分配器。采用不同的計(jì)算機(jī)及接口器件有不同的形式。機(jī)械工程學(xué)院（2）功率放大器機(jī)械工程學(xué)院對(duì)驅(qū)動(dòng)電路核心要求提高快速性提高平穩(wěn)性功率放大器的輸出直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組，它對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)有很大影響目前國(guó)內(nèi)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路.單電壓恒流功率放大電路.高低電壓（雙電壓）功率放大電路斬波驅(qū)動(dòng)電路.調(diào)頻調(diào)壓功率放大電路1）單電壓恒流功率放大電路機(jī)械工程學(xué)院提速（限流）電阻Rc：改變時(shí)間常數(shù)，提高響應(yīng)速度續(xù)流二極管D：用于功率晶體管的過電壓保護(hù)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率低、能耗高，發(fā)熱大、工作穩(wěn)定性差。應(yīng)用：小功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)這種驅(qū)動(dòng)電路供給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的電壓有兩種：一種是高電壓U1，電壓約為80~150V。另一種是低壓U2大約為5~20V見圖。2）高低電壓（雙電壓）功率放大電路機(jī)械工程學(xué)院在相序輸入信號(hào)IN、IL到來時(shí)，VT1、VT2同時(shí)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)到規(guī)定值時(shí)，VT1關(guān)斷、VT2仍然導(dǎo)通（tN的脈寬小于tL），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內(nèi)有較大的平均電流，能產(chǎn)生較大且穩(wěn)定的平均轉(zhuǎn)距，其缺點(diǎn)是電流波形有谷點(diǎn)，波形如圖。3）斬波型功率放大機(jī)械工程學(xué)院由于雙電壓驅(qū)動(dòng)電路存在著電流在高低壓連接處出現(xiàn)谷點(diǎn)，造成高頻輸出轉(zhuǎn)矩在谷點(diǎn)下降。為了使勵(lì)磁繞組中的電流維持在額定值附近，提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和效率，所以需要采用斬波驅(qū)動(dòng)電路。輸入信號(hào)若為正脈沖，則VT1、VT2同時(shí)導(dǎo)通，由于U1電壓較高，繞組回路中又沒串電阻，所以繞組中電流迅速上升，當(dāng)電流達(dá)到規(guī)定值時(shí)，由于采樣電阻Re的反饋?zhàn)饔茫?jīng)整形、放大后送至VT1基極，使VT1截止。接著繞組由U2供電，繞組中電流迅速下降，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(wú)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，其電流波形如圖。4）調(diào)頻調(diào)壓功率放大電路機(jī)械工程學(xué)院一般把步進(jìn)電機(jī)的工作頻率分為幾段，每段電壓不同。在理想條件下，保持電動(dòng)機(jī)的力矩不變，則電源電壓應(yīng)隨工作頻率的升高而升高，隨工作頻率的降低而降低。2.4提高開環(huán)進(jìn)給控制系統(tǒng)精度的措施機(jī)械工程學(xué)院1.傳動(dòng)間隙補(bǔ)償齒輪絲杠提高裝配精度并采取消隙措施傳動(dòng)鏈換向時(shí)產(chǎn)生間隙先將間隙轉(zhuǎn)換成脈沖值，從而越過傳動(dòng)間隙，然后再按指令脈沖動(dòng)作機(jī)械工程學(xué)院傳動(dòng)間隙補(bǔ)償示意圖（2）螺距誤差補(bǔ)償三、閉環(huán)伺服系統(tǒng)與反饋比較形式機(jī)械工程學(xué)院較開環(huán)系統(tǒng)，閉環(huán)系統(tǒng)增加檢測(cè)裝置和反饋環(huán)節(jié)分為閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)半閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)1.閉環(huán)伺服系統(tǒng)與半閉環(huán)伺服系統(tǒng)機(jī)械工程學(xué)院（1）全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)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(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋閉環(huán)系統(tǒng)通常使用直流伺服電動(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)。全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖的虛線所示，直接對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測(cè)。在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，由速度檢測(cè)元件來測(cè)量電動(dòng)機(jī)的速度，由位置檢測(cè)元件來測(cè)量工作臺(tái)的位置，由速度和位置反饋信號(hào)來調(diào)節(jié)伺服電動(dòng)機(jī)的速度和工作臺(tái)的位置。因此從理論上講，可以消除整個(gè)驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動(dòng)量。具有很高的位置控制精度。其定位精度一般為0.001～0.003mm。由于位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動(dòng)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(jì)、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(jī)床等。機(jī)械工程學(xué)院（2）半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)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(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)是從驅(qū)動(dòng)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(cè)，不是直接檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置，而是由位置檢測(cè)元件間接測(cè)量工作臺(tái)的位置。由位置反饋信號(hào)來調(diào)節(jié)伺服電動(dòng)機(jī)的速度。半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對(duì)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(jiǎn)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。結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，常用光電編碼器、光柵作位置檢測(cè)裝置，以半閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)形式較為普遍。特點(diǎn)：指令脈沖信號(hào)與位置檢測(cè)裝置的反饋脈沖信號(hào)在比較器中以脈沖數(shù)字的形式進(jìn)行比較。2.數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)機(jī)械工程學(xué)院指令信號(hào)反饋測(cè)量信號(hào)比較器轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件（1）脈沖比較式伺服系統(tǒng)的組成

主要由以下幾部分構(gòu)成圖所示機(jī)械工程學(xué)院數(shù)字脈沖比較系統(tǒng)構(gòu)成圖（2）脈沖比較式伺服系統(tǒng)工作原理

下面以采用光電脈沖編碼器為測(cè)量元件的系統(tǒng)為例說明數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)的工作原理。機(jī)械工程學(xué)院反饋脈沖數(shù)/模轉(zhuǎn)換器脈沖處理伺服電機(jī)工作臺(tái)位置檢測(cè)裝置（光電編碼器）伺服放大器位置檢測(cè)信息Pf指令脈沖Pc比較器Pe光電編碼器Pf指令脈沖PcPe=0Pe>0Pe<0偏差Pe=Pc-Pf保持不動(dòng)正向移動(dòng)反向進(jìn)給（3）主要工作部件[1].數(shù)字脈沖-數(shù)碼轉(zhuǎn)換器數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換為數(shù)碼對(duì)于數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)化為數(shù)碼，其最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法就是采用一個(gè)可逆計(jì)數(shù)器，它將輸入的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，以數(shù)碼值輸出。圖所示是由兩個(gè)二—十進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成的數(shù)字脈沖—數(shù)碼轉(zhuǎn)換器。機(jī)械工程學(xué)院1）數(shù)字?jǐn)?shù)碼轉(zhuǎn)換為脈沖方法一：對(duì)于數(shù)碼轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖，常用的有兩種方法。第一種方法是采用減法計(jì)數(shù)器組成的線路，如圖3.36所示，機(jī)械工程學(xué)院方法二：用一個(gè)脈沖乘法器，數(shù)字脈沖乘法器實(shí)質(zhì)上就是將輸入的二進(jìn)制數(shù)碼轉(zhuǎn)化為等值的脈沖數(shù)輸出，其示意圖如圖3.37所示。數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖線路一數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖線路二2）比較器機(jī)械工程學(xué)院比較器分類數(shù)碼比較器數(shù)字脈沖比較器數(shù)碼比較器中，比較的是兩個(gè)數(shù)碼信號(hào)，而輸出可以是定性的，只指出誰(shuí)大誰(shuí)小，也可以是定量的，指出誰(shuí)大多少，小多少。在通用的大規(guī)模芯片可以完成這個(gè)任務(wù)，特別是用軟件實(shí)現(xiàn)很方便。機(jī)械工程學(xué)院數(shù)字脈沖比較器的構(gòu)成原理總結(jié)具有脈沖分離功能，加減脈沖先后到來時(shí)，按預(yù)先的要求經(jīng)加法計(jì)數(shù)端或減法計(jì)數(shù)端進(jìn)入可逆計(jì)數(shù)器；若加、減脈沖同時(shí)到來，先做加法計(jì)數(shù)，而后經(jīng)過幾個(gè)始終延遲再做減法計(jì)數(shù)，保證兩路計(jì)數(shù)脈沖均布丟失。3.相位比較伺服系統(tǒng)機(jī)械工程學(xué)院鑒相式伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床中使用較多的一種位置控制系統(tǒng)，它是采用相位比較方式實(shí)現(xiàn)閉環(huán)（及半閉環(huán)）控制的伺服系統(tǒng)。鑒相式伺服系統(tǒng)具有工作可靠、抗干擾性強(qiáng)、精度高等優(yōu)點(diǎn)，但由于增加了位置檢測(cè)、反饋、比較等元件，與步進(jìn)式伺服系統(tǒng)相比，它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)試也比較困難。（1）鑒相式伺服系統(tǒng)的組成

下圖所示是鑒相式伺服系統(tǒng)方框圖，它主要由基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器、脈沖調(diào)相器、檢測(cè)元件及信號(hào)處理線路、鑒相器、驅(qū)動(dòng)線路和執(zhí)行元件等組成。機(jī)械工程學(xué)院相位比較伺服系統(tǒng)的方框圖（2）工作原理機(jī)械工程學(xué)院將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相位信號(hào)φ將工作臺(tái)的位置轉(zhuǎn)換成相位信號(hào)θ比較θ與φ來判斷是

否運(yùn)動(dòng)Φ-θ不為零，機(jī)床運(yùn)動(dòng)Φ-θ為零，停止運(yùn)動(dòng)（3）脈沖調(diào)相器脈沖調(diào)相器的功能是按照所輸入指令脈沖的要求對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)整。如圖3.21所示為脈沖調(diào)相器組成原理框圖。機(jī)械工程學(xué)院1）脈沖—相位變換的原理

假設(shè)時(shí)鐘脈沖頻率為F，計(jì)數(shù)器（當(dāng)分頻器用）的容量為N，則這兩個(gè)計(jì)數(shù)器的最后一級(jí)輸出頻率f為：f=F/N。如果在時(shí)鐘脈沖觸發(fā)兩計(jì)數(shù)器以前，先向其中一個(gè)計(jì)數(shù)器（如x計(jì)數(shù)器）輸入一定數(shù)量脈沖Δx，則當(dāng)時(shí)鐘脈沖觸發(fā)兩計(jì)數(shù)器以后，兩計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)頻率仍相同，但相位不同。N個(gè)時(shí)鐘脈沖使標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器的輸出變化一個(gè)周期，即360°，N+Δx個(gè)脈沖使x計(jì)數(shù)器的輸出在變化一個(gè)周期（360°）后，又變化φ=·Δx，即超前標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器一個(gè)相位角φ。以后每來N個(gè)時(shí)鐘脈沖，兩計(jì)數(shù)器都變化一個(gè)周期，其原理圖和波形如圖3.22a、b所示。機(jī)械工程學(xué)院若在時(shí)鐘脈沖觸發(fā)兩計(jì)數(shù)器的過程中，加入一定數(shù)量的脈沖+Δx給x計(jì)數(shù)器，這樣就會(huì)使輸入給x計(jì)數(shù)器的脈沖總數(shù)比給標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖多了Δx個(gè)，結(jié)果使x計(jì)數(shù)器輸出的信號(hào)相位超前φ=（+Δx/N）360°，如圖3.22c所示。機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院假如在時(shí)鐘脈沖不斷觸發(fā)兩計(jì)數(shù)器過程中，加入一定數(shù)量的-Δx脈沖給x計(jì)數(shù)器，使加入的-Δx個(gè)脈沖抵消了進(jìn)入x計(jì)數(shù)器的Δx個(gè)時(shí)鐘脈沖，則在兩計(jì)數(shù)器的最末一級(jí)輸出端將出現(xiàn)x計(jì)數(shù)器的相位滯后標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器一個(gè)相位φ，φ=(－Δx/N)360°，如圖3.23a、b所示。（4）鑒相器

機(jī)械工程學(xué)院二極管鑒相器可以用來鑒別正弦信號(hào)之間的相位差。觸發(fā)器/門電路鑒相器可以對(duì)方波信號(hào)之間的相位差進(jìn)行鑒別。（4）鑒相器機(jī)械工程學(xué)院鑒相器又稱相位比較器，它的作用是鑒別指令信號(hào)與反饋信號(hào)的相位，判別兩者之間的相位差，將其變成一個(gè)帶極性的誤差電壓信號(hào)，作為速度單元的輸入信號(hào)。1）鑒相器工作原理機(jī)械工程學(xué)院觸發(fā)器鑒相器4.鑒幅式伺服系統(tǒng)機(jī)械工程學(xué)院鑒幅式伺服系統(tǒng)是以位置檢測(cè)信號(hào)的幅值大小來反映機(jī)械位移的數(shù)值，并以此作為位置反饋信號(hào)與指令信號(hào)進(jìn)行比較構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。它的測(cè)量元件是以鑒幅式工作狀態(tài)進(jìn)行工作的，可用于鑒幅式伺服系統(tǒng)的測(cè)量元件有旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器。比較器所比較的是數(shù)字脈沖量，故在鑒幅式伺服系統(tǒng)中，不需要基準(zhǔn)信號(hào)，兩數(shù)字脈沖量可直接在比較器中進(jìn)行脈沖數(shù)量的比較。它與鑒相式伺服系統(tǒng)的主要區(qū)別（1）鑒幅式伺服系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)由測(cè)量元件及信號(hào)處理線路、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、比較器、放大環(huán)節(jié)和執(zhí)行元件五部分組成機(jī)械工程學(xué)院（2）鑒幅式伺服系統(tǒng)的工作原理

機(jī)械工程學(xué)院指令脈沖信號(hào)反饋脈沖指令信號(hào)比較器實(shí)時(shí)比較二者不等等二者相等工作臺(tái)到位停止進(jìn)給工作臺(tái)繼續(xù)移動(dòng)直至相等（3）測(cè)量元件及信號(hào)處理電路

圖3.27所示為測(cè)量元件及信號(hào)處理線路框圖，它主要由測(cè)量元件、解調(diào)電路、電壓—頻率轉(zhuǎn)換器和sin/cos發(fā)生器組成。機(jī)械工程學(xué)院1）解調(diào)線路

解調(diào)線路就是鑒幅器，如圖3.28所示是解調(diào)線路圖，它由低通濾波器、放大器和檢波器三部分組成。機(jī)械工程學(xué)院檢波器的作用是將濾波后的基波正弦信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷骸?）解調(diào)線路低通濾波器輸出信號(hào)的幅值和功率較小，經(jīng)過一級(jí)放大之后送到檢波器。放大器是集成元件，放大器的參數(shù)可根據(jù)低通濾波器輸出信號(hào)的幅值和檢波器對(duì)它的要求選定。

檢波器的作用是將濾波后的基波正弦信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷骸?/p>

如下圖所示是一種檢波器線路圖，它是一個(gè)帶放大器和反相器的電子開關(guān)電路。機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

2）電壓—頻率轉(zhuǎn)換器電壓—頻率轉(zhuǎn)換器的作用是把檢波后輸出的模擬電壓VF變成相應(yīng)的脈沖序列，VF為正時(shí)，輸出正向脈沖；VF為負(fù)時(shí)，輸出反向脈沖。脈沖的方向用符號(hào)寄存器的輸出表示。VF為零時(shí)，不產(chǎn)生任何脈沖。隨著輸入電壓信號(hào)幅值的增加，電壓頻率轉(zhuǎn)換器的輸出開始出現(xiàn)脈沖。如圖3.31所示是一種電壓—頻率轉(zhuǎn)換器線路圖。機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院（4）比較器比較器的作用是對(duì)指令脈沖信號(hào)和反饋脈沖信號(hào)進(jìn)行比較。一般來說，來自數(shù)控裝置的指令脈沖信號(hào)可以是兩種形式，一種是用一條線路傳送進(jìn)給方向信號(hào)，一條線路傳送進(jìn)給脈沖信號(hào)；另一種是用一條線路傳送正向進(jìn)給脈沖，一條線路傳送反向進(jìn)給脈沖。來自測(cè)量元件及信號(hào)處理線路的反饋信號(hào)是采用第一種形式表示的。

圖3.33所示是指令脈沖為第一種形式時(shí)的一種比較器結(jié)構(gòu)。在該比較器中，反饋脈沖一定不能與指令脈沖同時(shí)出現(xiàn)。

機(jī)械工程學(xué)院（5）sin/cos發(fā)生器

sin/cos發(fā)生器的任務(wù)是根據(jù)電壓－頻率轉(zhuǎn)換器輸出脈沖的多少和方向，生成測(cè)量元件的激磁信號(hào)VS和VK，即VS=VmsinαsinωtVK=Vmcosαsinωt

式中，α的大小由脈沖的多少和方向決定；VS和VK的頻率和周期根據(jù)要求可用基準(zhǔn)信號(hào)的頻率和計(jì)數(shù)器的位數(shù)調(diào)整、控制。機(jī)械工程學(xué)院（6）數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器

數(shù)模轉(zhuǎn)換器也稱脈寬調(diào)制器，其任務(wù)是把比較器的數(shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。目前，已有許多不同精度、不同形式的數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器，只要滿足伺服系統(tǒng)對(duì)它的輸入輸出要求，就可以直接選用。機(jī)械工程學(xué)院5.CNC數(shù)字伺服系統(tǒng)

CNC數(shù)字伺服系統(tǒng)是指用于高精度CNC機(jī)床上的伺服系統(tǒng)，它與前面介紹的伺服系統(tǒng)相比，具有精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。CNC數(shù)字伺服系統(tǒng)可分成軟件部分和硬件部分。軟件部分主要完成跟隨誤差的計(jì)算，即指令信號(hào)和反饋信號(hào)的比較計(jì)算；硬件部分主要由位置檢測(cè)組件和位置控制輸出組件組成。CNC數(shù)字伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.39所示。機(jī)械工程學(xué)院在CNC數(shù)字伺服系統(tǒng)中，由于用計(jì)算機(jī)充當(dāng)了指令信號(hào)和反饋信號(hào)的比較環(huán)節(jié)，故反饋信號(hào)必須是數(shù)碼形式或數(shù)字脈沖形式，否則，將增加計(jì)算機(jī)的接口線路，使系統(tǒng)變得復(fù)雜。常見CNC數(shù)字伺服系統(tǒng)有以鑒幅方式工作的旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器為測(cè)量元件的伺服系統(tǒng)和以光柵、編碼盤為測(cè)量元件的伺服系統(tǒng)。下圖所示是以旋轉(zhuǎn)變壓器為測(cè)量元件的CNC數(shù)字伺服系統(tǒng)框圖。下面以旋轉(zhuǎn)變壓器為測(cè)量元件的CNC數(shù)字伺服系統(tǒng)為例介紹其工作原理。機(jī)械工程學(xué)院以旋轉(zhuǎn)變壓器為測(cè)量元件的CNC數(shù)字伺服系統(tǒng)機(jī)械工程學(xué)院四、直流伺服電機(jī)及其速度控制

常用的直流電機(jī)有：永磁式直流電機(jī)（有槽、無(wú)槽、杯型、印刷繞組）勵(lì)磁式直流電機(jī)-主軸驅(qū)動(dòng)混合式直流電機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)直流力矩電機(jī)機(jī)械工程學(xué)院1.結(jié)構(gòu)是由定子、轉(zhuǎn)子、電刷和換向片等組成機(jī)械工程學(xué)院伺服電動(dòng)機(jī)外形圖直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖2.永磁直流伺服電機(jī)的工作原理和特性

它的工作原理與一般直流電動(dòng)機(jī)基本相同，但磁場(chǎng)的建立是由永久磁鐵實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)電流通過電樞繞組時(shí)，電流與磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，使電樞旋轉(zhuǎn)機(jī)械工程學(xué)院直流伺服電動(dòng)機(jī)的接線圖（一定）機(jī)械工程學(xué)院原理圖等效圖式中，Ua為電樞電壓Ia為電樞電流，Ea為電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，T為電磁轉(zhuǎn)矩，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，T2為輸出轉(zhuǎn)矩，T0為自身?yè)p耗，Cl為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，為勵(lì)磁磁通。調(diào)節(jié)電樞電壓Ua調(diào)節(jié)電樞電阻Ra調(diào)節(jié)磁通Φ直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系n=f(T)稱機(jī)械特性（靜態(tài)特性）機(jī)械工程學(xué)院電機(jī)轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速的差Δn，反映了電機(jī)機(jī)械特性硬度，Δn越?。ㄞD(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)速變化的影響程度越小），機(jī)械特性越硬。主要內(nèi)容TTnn機(jī)械工程學(xué)院電樞電阻調(diào)速很少采用，缺點(diǎn)：不經(jīng)濟(jì)：要得到低速，R很大，則消耗大量電能；低速，特性很軟，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性很差；調(diào)節(jié)平滑性差，操作費(fèi)力。主要內(nèi)容Tnn0R0R2R1機(jī)械工程學(xué)院調(diào)節(jié)電樞電壓（調(diào)壓調(diào)速）時(shí)，直流電機(jī)機(jī)械特性為一組平行線，只改變電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速n0

，保持了原有較硬的機(jī)械特性，所以調(diào)壓調(diào)速主要用于伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的調(diào)速如果Δn值較大，不可能實(shí)現(xiàn)寬范圍的調(diào)速。永磁式直流伺服電機(jī)的Δn值較小，因此，進(jìn)給系統(tǒng)常采用永磁式直流電機(jī)。

機(jī)械工程學(xué)院調(diào)節(jié)磁通（調(diào)磁調(diào)速）不但改變了電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速，而且使直流電機(jī)機(jī)械特性變軟，所以調(diào)磁調(diào)速主要用于機(jī)床主軸電機(jī)調(diào)速。3.直流伺服電機(jī)速度控制單元的調(diào)速控制方式

調(diào)速的概念有兩個(gè)方面的含義:1)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速：當(dāng)指令速度變化時(shí),電機(jī)的速度隨之變化,并希望以最快的加減速達(dá)到新的指令速度值；2)當(dāng)指令速度不變化時(shí),電機(jī)的速度保持穩(wěn)定不變。為調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向，需對(duì)直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制，如何控制？機(jī)械工程學(xué)院直流伺服電機(jī)速度控制單元的作用：將轉(zhuǎn)速指令信號(hào)轉(zhuǎn)換成電樞的電壓值，達(dá)到速度調(diào)節(jié)的目的。直流電機(jī)速度控制單元常采用的調(diào)速方法：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)。

機(jī)械工程學(xué)院（1）晶閘管調(diào)速系統(tǒng)

機(jī)械工程學(xué)院常用于大功率及要求不很高的直流伺服電機(jī)調(diào)速控制。主要內(nèi)容速度調(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(cè)編碼器電機(jī)U*n+-UnInI*n+-US

控制回路主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。速度環(huán)（PI）：速度調(diào)節(jié)，作用：好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。電流環(huán)（P或PI）：電流調(diào)節(jié)，作用：系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性改善。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。主回路由大功率晶閘管構(gòu)成的三相全控橋式反并接可逆電路，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(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。機(jī)械工程學(xué)院462791113581210ABCMⅠⅡUMUDKMKM+-各有一個(gè)可控硅同時(shí)導(dǎo)通，形成回路。機(jī)械工程學(xué)院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，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(gè)串聯(lián)可控硅能同時(shí)導(dǎo)通，或已截止的相再次導(dǎo)通，采用雙脈沖控制。即每個(gè)觸發(fā)脈沖在導(dǎo)通60o后，再補(bǔ)發(fā)一個(gè)輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，寬度大于60o，小于120o。機(jī)械工程學(xué)院

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(jī)的轉(zhuǎn)速。

觸發(fā)脈沖提前，增大整流輸出電壓；觸發(fā)脈沖延后，減小整流輸出電壓。uacbcaba)b)c)d)135

①②③④⑤⑥ωtub246bcaωtωtωtωt11335511336224466224135246120°120°180°60°132460°60°56α機(jī)械工程學(xué)院同步信號(hào)方波信號(hào)矩齒波矩齒波與直流電壓疊加信號(hào)尖脈沖直流電壓控制回路分析機(jī)械工程學(xué)院1）系統(tǒng)組成：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（2）晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械工程學(xué)院控制回路：

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(dòng)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。

脈寬調(diào)制器作用：將電壓量轉(zhuǎn)換成可由控制信號(hào)調(diào)節(jié)的矩形脈沖，為功率晶體管的基極提供一個(gè)寬度可由速度指令信號(hào)調(diào)節(jié)的脈寬電壓。組成：調(diào)制信號(hào)發(fā)生器（三角波和鋸齒波兩種）和比較放大器。原理：以三角波發(fā)生器為例介紹機(jī)械工程學(xué)院

2）脈寬調(diào)制器工作原理

利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，加到直流電動(dòng)機(jī)的電樞上；通過調(diào)整控制方波脈沖寬度來改變電樞的平均電壓，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流脈寬調(diào)調(diào)制的基本原理機(jī)械工程學(xué)院周期不變脈寬脈寬脈寬脈寬平均直流電壓Uωt周期不變脈沖寬度正比代表速度F值的直流電壓機(jī)械工程學(xué)院R1+12VUSCR1R3R2+-12VUSrU△-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ttUSr+U△+U

Sroo-U

SrttUSr為正時(shí)USr為負(fù)時(shí)USr+U△ttUSr為0時(shí)調(diào)制出正負(fù)脈寬一樣方波平均電壓為0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)機(jī)械工程學(xué)院結(jié)構(gòu)：有兩種形式：H型（橋式）、T型。每種電路又有單極性工作方式和雙極性工作方式，各種不同的工作方式又可組成可逆開關(guān)放大電路和不可逆開關(guān)放大電路

。3）開關(guān)功率放大器機(jī)械工程學(xué)院3）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(gè)大功率晶體管（GTR）T1、T2、T3、T4

及四個(gè)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、Ub3、Ub4–為調(diào)制器輸出，經(jīng)脈沖分配、基極驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換過來的脈沖電壓。分別加到T1

、T2、T3

、T4的基極。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS-USUdUABOtUb1Ub4Ub2Ub3OOttt1Tidid1id2id1id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub4Ub2、Ub3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2機(jī)械工程學(xué)院工作原理：

T1

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

=

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

和T4導(dǎo)通；Ub2、Ub3

為負(fù)，T2和T3截止。電機(jī)端電壓UAB=US，電樞電流id=id1，由US→T1→T4→

地。②續(xù)流維持電動(dòng)狀態(tài)：在t1≤t≤T時(shí)，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?yàn)樵陔姌须姼袃?chǔ)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(dòng)狀態(tài)、續(xù)流維持電動(dòng)狀態(tài)反復(fù)進(jìn)行，如上面左圖。負(fù)載較輕時(shí)：③反接制動(dòng)狀態(tài)，電流反向：②狀態(tài)中，在負(fù)載較輕時(shí)，則id小，續(xù)流電流很快衰減到零，即t=t2時(shí)（見上面右圖），id=0。在t2～

T區(qū)段，

T2

、T3

在US

和反電動(dòng)勢(shì)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(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)。④電樞電感儲(chǔ)能維持電流反向：在T

～t3區(qū)段時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖極性改變，

T2

、T3截止，因電樞電感維持電流，id=id4，由D4→D1。機(jī)械工程學(xué)院⑤電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止：

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

T/2，平均電壓為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；

當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，既t1<T/2，平均電壓為負(fù)，電機(jī)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(jī)停轉(zhuǎn)。⑥電機(jī)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(dòng)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(wú)論負(fù)載是重還是輕、電機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，加在電樞上的電壓極性在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，都在US和

–US之間變換一次，故稱為雙極性。

機(jī)械工程學(xué)院4）PWM調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)①頻帶寬、頻率高:

晶體管“結(jié)電容”小，開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于可控（50Hz)，可達(dá)2-10KHz?？焖傩院芒陔娏髅}動(dòng)小由于PWM調(diào)制頻率高，電機(jī)負(fù)載成感性對(duì)電流脈動(dòng)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(dòng)態(tài)硬度好校正瞬態(tài)負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)，頻帶寬，動(dòng)態(tài)硬度高。機(jī)械工程學(xué)院近年來交流電機(jī)飛速發(fā)展，克服了直流電機(jī)結(jié)構(gòu)上的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮了堅(jiān)固耐用、經(jīng)濟(jì)可靠、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)。因此，某些場(chǎng)合交流伺服電機(jī)已逐漸取代直流伺服電機(jī)。

1電刷和換向有磨損，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花2換向器由多種材料制成，制作工藝復(fù)雜3電機(jī)最高速度受限制4結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高6）直流電機(jī)缺點(diǎn)：機(jī)械工程學(xué)院五、交流伺服電機(jī)與主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)永磁同步型（SM型）異步感應(yīng)型（IM型）AC伺服電機(jī)本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，體積較小，重量較輕，沒有整流子機(jī)械換向，所以遠(yuǎn)比DC伺服電機(jī)便于維護(hù)。但速度的控制方法比DC伺服電機(jī)要復(fù)雜的多，對(duì)控制元件的容量及速度的要求也很高。交流伺服電機(jī)用三相正弦電流驅(qū)動(dòng)機(jī)械工程學(xué)院永磁式同步電機(jī)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠效率高；缺點(diǎn)：體積大、啟動(dòng)特性欠佳。與直流電機(jī)比：外形尺寸、重量、轉(zhuǎn)子慣量大幅減小與異步交流伺服電機(jī)相比：效率高、體積小。故數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多采用永磁式同步電機(jī)。異步型交流伺服電機(jī)與同容量的直流電機(jī)相比：優(yōu)點(diǎn)：重量輕，價(jià)格便宜；缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)速受負(fù)載的變化影響較大，不能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)范圍較廣的平滑調(diào)速，故異步型交流伺服電機(jī)用在主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。機(jī)械工程學(xué)院VSVS脈沖編碼器轉(zhuǎn)子定子接線盒定子三相繞組1．永磁式交流同步電機(jī)結(jié)構(gòu)：電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件組成機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院2.永磁式交流同步電機(jī)工作原理和性能nr＝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(duì)數(shù)

nSNns

nr

θ

S永磁交流同步伺服電機(jī)的性能

與直流伺服電機(jī)一樣，也用特性曲線和數(shù)據(jù)來表示。最主要的是轉(zhuǎn)矩-速度特性曲線。在連續(xù)工作區(qū)（Ⅰ區(qū)），速度和轉(zhuǎn)矩的任何組合，都可連續(xù)工作。但連續(xù)工作區(qū)的劃分受到一定條件的限制。連續(xù)工作區(qū)劃定的條件有兩個(gè)：一是供給電機(jī)的電流是理想的正弦波；二是電機(jī)工作在某一特定溫度下。斷續(xù)工作區(qū)（Ⅱ區(qū)）的范圍更大，尤其在高速區(qū)，這有利于提高電機(jī)的加、減速能力。機(jī)械工程學(xué)院T（N-cm）

120001000080006000400020000100020003000Ⅰ

Ⅱ

特性曲線機(jī)械工程學(xué)院主要內(nèi)容（1）交流主軸電機(jī)

定子三相繞組通三相交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子中的導(dǎo)體，導(dǎo)體感應(yīng)電流與定子磁場(chǎng)相作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速nr為

ns—同步轉(zhuǎn)速f1—交流電源頻率（定子供電頻率）s—轉(zhuǎn)差率，s=(ns－nr)/nsp—極對(duì)數(shù)異步電機(jī)

變頻–

用于籠型電機(jī)調(diào)壓（定子電壓）電磁磚差離合器調(diào)阻（轉(zhuǎn)子電組）

串級(jí)調(diào)速

交–直–交交–交變轉(zhuǎn)差率變頻變極對(duì)數(shù)同步電機(jī)交流電動(dòng)機(jī)由此可知調(diào)速方法：機(jī)械工程學(xué)院整流器:把交流電變?yōu)楣潭ǖ幕蚩烧{(diào)的直流電;逆變器:把固定的直流電變?yōu)楣潭ǖ幕蚩烧{(diào)的交流電;斬波器:把固定的直流電壓變?yōu)榭烧{(diào)的直流電壓.利