第六章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)

第6章

數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)

6.1

概述一、

伺服系統(tǒng)的組成數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)按其功能可分為：進給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)。主軸伺服系統(tǒng)用于控制機床主軸的轉(zhuǎn)動。進給伺服系統(tǒng)是以機床移動部件（如工作臺）的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)，通常由伺服驅(qū)動裝置、伺服電機、機械傳動機構(gòu)及執(zhí)行部件組成。進給伺服系統(tǒng)的作用：接受數(shù)控裝置發(fā)出的進給速度和位移指令信號，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（直流、交流伺服電機、功率步進電機等）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。數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)能根據(jù)指令信號精確地控制執(zhí)行部件的運動速度與位置，以及幾個執(zhí)行部件按一定規(guī)律運動所合成的運動軌跡。如果把數(shù)控裝置比作數(shù)控機床的“大腦”，是發(fā)布“命令”的指揮機構(gòu)，那么伺服系統(tǒng)就是數(shù)控機床的“四肢”，是執(zhí)行“命令”的機構(gòu)，它是一個不折不扣的跟隨者。第一頁，共六十四頁。圖6-1閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)位置控制模塊速度控制單元伺服電機工作臺位置檢測測量反饋

伺服驅(qū)動裝置速度環(huán)速度檢測位置環(huán)數(shù)控機床閉環(huán)進給系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖，這是一個雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)。速度環(huán)由速度控制單元、速度檢測裝置等構(gòu)成。速度控制單元是一個獨立的單元部件，它是用來控制電機轉(zhuǎn)速的，是速度控制系統(tǒng)的核心。速度檢測裝置有測速發(fā)電機、脈沖編碼器等。位置環(huán)是由CNC裝置中的位置控制模塊、速度控制單元、位置檢測及反饋控制等部分組成。第二頁，共六十四頁。由速度檢測裝置提供速度反饋值的速度環(huán)控制在進給驅(qū)動裝置內(nèi)完成，而裝在電動機軸上或機床工作臺上的位置反饋裝置提供位置反饋值構(gòu)成的位置環(huán)由數(shù)控裝置來完成。伺服系統(tǒng)從外部來看，是一個以位置指令輸入和位置控制為輸出的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。但從內(nèi)部的實際工作來看，它是先把位置控制指令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度信號后，通過調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動伺服電機，才實現(xiàn)實際位移的。第三頁，共六十四頁。1.

調(diào)速范圍寬為保證在各種情況下都能得到最佳切削條件，就要求伺服系統(tǒng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。一般0-24m/min.2.可逆運行3.足夠的傳動剛度和高的速度穩(wěn)定性4.快速響應(yīng)和無超調(diào)高精度低速大轉(zhuǎn)矩對伺服電機的要求速度變化平滑；過載、低速能力；小慣量高響應(yīng)。對主軸驅(qū)動的要求高切削效率；調(diào)速寬；一定的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率6.1.2對伺服系統(tǒng)的基本要求第四頁，共六十四頁。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。6.2

步進電機及其驅(qū)動裝置

工作臺驅(qū)動控制線路圖6-2開環(huán)伺服系統(tǒng)簡圖指令脈沖步進電機齒輪箱第五頁，共六十四頁。步進電機在結(jié)構(gòu)上分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分。有永磁式(PM,permanentmagnet),磁阻式(VR,variablereluctance),和混合式(HB,hybrid)等。以圖6-3所示反應(yīng)式(磁阻式)三相步進電機.圖6-3三相反應(yīng)式步進電機結(jié)構(gòu)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。

第六頁，共六十四頁。圖6-5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90。當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30。然后C相通電，B相斷電，轉(zhuǎn)子又逆時針旋轉(zhuǎn)30，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)30。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。AABBCC1234AABBCC1234AABBCC1234逆時針轉(zhuǎn)30o逆時針轉(zhuǎn)30o逆時針轉(zhuǎn)30o第七頁，共六十四頁。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30。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。第八頁，共六十四頁。設(shè)A相首先通電，轉(zhuǎn)子齒與定子A、A′對齊（圖3a）。然后在A相繼續(xù)通電的情況下接通B相。這時定子B、B′極對轉(zhuǎn)子齒2、4產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動，但是A、A′極繼續(xù)拉住齒1、3，因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩個磁拉力平衡為止。這時轉(zhuǎn)子的位置如圖3b所示，即轉(zhuǎn)子從圖(a)位置順時針轉(zhuǎn)過了15°。接著A相斷電，B相繼續(xù)通電。這時轉(zhuǎn)子齒2、4和定子B、B′極對齊（圖c），轉(zhuǎn)子從圖(b)的位置又轉(zhuǎn)過了15°。其位置如圖3d所示。這樣，如果按A→A、B→B→B、C→C→C、A→A…的順序輪流通電，則轉(zhuǎn)子便順時針方向一步一步地轉(zhuǎn)動，步距角15°。電流換接六次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進了一個齒距角。如果按A→A、C→C→C、B→B→B、A→A…的順序通電，則電機轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)動。這種通電方式稱為六拍方式。a.)A相通電

.A、B相通電

.B相通電

.B、C相通電

第九頁，共六十四頁。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。第十頁，共六十四頁。式中α—步進電機的步距角；,αs—步進電機的基本步距角；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)。6.2.2步進電機的主要性能指標1.

步距角和步距誤差反應(yīng)式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：(6-14)第十一頁，共六十四頁。2.靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性當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載轉(zhuǎn)矩Mz，轉(zhuǎn)子會偏離平衡位置向負載轉(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6-5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)，當外加負載轉(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）。圖6-5靜態(tài)矩角特性最大靜轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩

（保持轉(zhuǎn)矩）：通電時能夠維持靜止狀態(tài)的最大轉(zhuǎn)矩。第十二頁，共六十四頁。3.

最大啟動轉(zhuǎn)矩Mq圖6-7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)矩是步進電機的最大啟動轉(zhuǎn)矩Mq。如果外加負載轉(zhuǎn)矩大于Mq，電機就不能啟動。如圖6-7所示,當A相通電時，若外加負載轉(zhuǎn)矩Ma>Mq，對應(yīng)的失調(diào)角為θa，當勵磁電流由A相切換到B相時，對應(yīng)角，B相的靜轉(zhuǎn)矩為θb。從圖中看出Mb<Mq,電機不能帶動負載做步進運動，因而啟動轉(zhuǎn)矩是電機能帶動負載轉(zhuǎn)動的極限轉(zhuǎn)矩。

bABC圖6-6三相單三拍步進電機的啟動轉(zhuǎn)矩MbMqMaMθθa第十三頁，共六十四頁。4.啟動頻率空載時，步進電機由靜止狀態(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，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。步進電機在帶負載（尤其是慣性負載）下的啟動頻率比空載要低。而且，隨著負載加大（在允許范圍內(nèi)），啟動頻率會進一步降低。第十四頁，共六十四頁。f失步轉(zhuǎn)矩引入轉(zhuǎn)矩自啟動轉(zhuǎn)區(qū)保持轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)區(qū)，載旋轉(zhuǎn)區(qū)T5.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載的性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)動電源也有很大關(guān)系。**保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING

TORQUE）是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進電機。DETENT

TORQUE

是指永磁式步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。第十五頁，共六十四頁。6.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6-8），該特性上每一個頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩。當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。當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。圖6-7矩頻特性fM第十六頁，共六十四頁。6.2.3步進電機功率驅(qū)動電路步進電機驅(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。現(xiàn)介紹三相六拍步進電機環(huán)形分配器的工作原理。

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)。第十七頁，共六十四頁。如圖6-8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。QA,QB,QC為三個觸發(fā)器的Q端輸出，連到A、B、C三相功率放大器。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“1”狀態(tài)控制（正向控制為“0”），通電次序為A→CA→C→CB→B→BA→A。JA

KA

JB

KB

JC

KC

SA相B相C相RRCP指令脈沖置零正反第十八頁，共六十四頁。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，每當接收到一個進給脈沖指令，環(huán)形分配器軟件根據(jù)表6-1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。序號

A

B

C

方向

1

1

0

0

2

1

1

0

3

0

1

0

4

0

1

1

5

0

0

1

6

1

0

1

反轉(zhuǎn)

正轉(zhuǎn)

表6-1三相六拍環(huán)形分配器真值表第十九頁，共六十四頁。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，改善帶負載能力。但電阻消耗了一部分功率，降低了效率。當環(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載，當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。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6-9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。前置放大輸入VRcRdVDRaUC圖6-9單電壓驅(qū)動電路原理圖第二十頁，共六十四頁。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6-11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，高頻時帶負載能力低。前置放大輸入VRcRdVDRaUC圖6-9單電壓驅(qū)動電路原理圖it圖6-10單電壓驅(qū)動電流波形第二十一頁，共六十四頁。圖6-11所示為高低壓電路，這種電路特點是高壓充電，低壓維持。當環(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?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．單穩(wěn)延時前置放大前置放大U1＋80V＋12VU2

VD2VD1R1R2

Lt1t2V1V2圖6-11高低壓驅(qū)動電路原理圖圖6-12高低壓驅(qū)動電流波形第二十二頁，共六十四頁。恒流斬波驅(qū)動電路的原理圖見圖6-14，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），近似恒流。高壓前置放大低壓前置放大控制門整形U1U1VD1U2VD2V1RV2RaLRe圖6-14恒流斬波驅(qū)動電路原理圖輸入第二十三頁，共六十四頁。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。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。6.2.4開環(huán)控制步進式伺服系統(tǒng)的工作原理第二十四頁，共六十四頁。6.3交流伺服系統(tǒng)6.3.1數(shù)控機床用交流伺服電機在交流伺服系統(tǒng)中，按電機種類可分為同步型和異步型（感應(yīng)電機）兩種。交流伺服同步電機有永磁式、磁阻式（反應(yīng)式）、磁滯式、繞組磁極式等。

交流伺服系統(tǒng)一般多用于閉環(huán)與半閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置安裝在機床的工作臺上（圖6-1），檢測裝置測出實際位移量或者實際所處位置，并將測量值反饋給CNC裝置，與指令進行比較，求得差值，依此構(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)控機床上。全閉環(huán)，在機床上需安裝光柵或其它檢測裝置第二十五頁，共六十四頁。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)一般將位置檢測元件安裝在電動機軸上，用以精確控制電機的角度，然后通過滾珠絲杠等傳動部件，將角度轉(zhuǎn)換成工作臺的位移，為間接測量(圖6-15)。即坐標運動的傳動鏈有一部分在位置閉環(huán)以外，其傳動誤差沒有得到系統(tǒng)的補償，因而半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低于閉環(huán)系統(tǒng)。目前在精度要求適中的中小型數(shù)控機床上，使用半閉環(huán)系統(tǒng)較多。通常在軸端裝有增量式光電脈沖編碼器。位置比較速度控制

工作臺伺服電機位置反饋速度反饋指令+圖6-15半閉環(huán)伺服系統(tǒng)簡圖－第二十六頁，共六十四頁。數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)中多采用永磁式同步電機，同步電機的轉(zhuǎn)速是由供電頻率所決定的，即在電源電壓和頻率固定不變時，它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變的。由變頻電源供電給同步電機時，能方便地獲得與頻率成正比的可變速度，可以得到非常硬的機械特性及寬的調(diào)速范圍。交流主軸電機多采用交流異步電機，很少采用永磁同步電機，主要因為永磁同步電機的容量做得不夠大，且電機成本較高。另外主軸驅(qū)動系統(tǒng)不象進給系統(tǒng)那樣要求很高的性能，調(diào)速范圍也不要太大。因此，采用異步電機完全可以滿足數(shù)控機床主軸的要求，籠型異步電機多用在主軸驅(qū)動系統(tǒng)中。第二十七頁，共六十四頁。6.3.2交流伺服電機的速度控制(一)交流電機的調(diào)速據(jù)電機學(xué)知，交流異步電機的轉(zhuǎn)速表達式為

(r/min)(6-7)式中f1—定子電源頻率（Hz）；

p—磁極對數(shù)；

s—轉(zhuǎn)差率。由式(6-7)可知異步電機的調(diào)速方法，可以有變轉(zhuǎn)差率、變極對數(shù)及變頻三種。靠改變轉(zhuǎn)差率對異步電機進行調(diào)速時，低速時轉(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，可以認為是一種理想的調(diào)速方法。交流同步電機的轉(zhuǎn)速表達式為(r/min)第二十八頁，共六十四頁。由上述分析可知改變頻率f1，可平滑調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速。但在實際調(diào)速時，只改變頻率是不夠的，現(xiàn)在來看一下變頻時電動機的機械特性的變化情況，由電機學(xué)知：(6-4)式中E1—感應(yīng)電勢；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。當略去定子阻抗壓降時，定子相電壓U1為(6-5)第二十九頁，共六十四頁。可以看出，Φm減小導(dǎo)致電機允許輸出轉(zhuǎn)矩T下降，則電機利用率下降，電機的最大轉(zhuǎn)矩也將降低，嚴重時可能發(fā)生負載轉(zhuǎn)矩超過最大轉(zhuǎn)矩，電機就帶不動了，即所謂堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。又當電壓U1不變，減小f1時，Φm上升會造成磁路飽合，激磁電流會上升，鐵心過熱，功率因數(shù)下降，電機帶負載能力降低。故在調(diào)頻調(diào)速中，要求在變頻的同時改變定子電壓U1，以維持Φm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)速機械特性。(6-5)由式(6-9)可見，定子電壓不變時，隨f1的上升，氣隙磁通Φm將減小。又從轉(zhuǎn)矩公式(6-6)式中CT—轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

I2—折算到定子上的轉(zhuǎn)子電流；cosφ2—轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)。第三十頁，共六十四頁。低速為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，高速為恒功率區(qū)。交流主軸電機的速度條件下的功率－速度；轉(zhuǎn)矩－速度特征滿足機床要求的速度條件下的功率和轉(zhuǎn)矩機床主軸在變速下工作，不需要在所有轉(zhuǎn)速下都傳遞全部功率，如低速光車、攻絲、鉸孔時。因此，主運動系統(tǒng)的特征曲線為：（功率－速度；轉(zhuǎn)矩－速度）第三十一頁，共六十四頁。2.

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(6-6)可知，T與φm、I2成正比。(6-6)要保持T不變，由6-6，即要求U1/f1為常數(shù)，可以近似地維持φm恒定。此時的機械特性曲線族如圖6-18所示。由圖可見，保持U1/f1為常數(shù)進行變頻調(diào)速時，這些特性曲線的線性段基本平行，類似直流電機的調(diào)壓特性。但最大轉(zhuǎn)矩Tm隨著f1下降而減小。這是因為f1高時，E1數(shù)值較大，此時定子漏阻抗壓降在U1中所占比例較小，可以認為U1近似于定子繞組中感應(yīng)電勢E1。而當f1相對很較低時，E1數(shù)值變小，U1值也變小，此時定子漏阻抗壓降在U1中所占比例增大，E1與U1相差很大，所以φm減小，從而使Tm下降。(6-5)圖6-18恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性曲線第三十二頁，共六十四頁。2.

恒最大轉(zhuǎn)矩（Tm）調(diào)速為了在低速時保持最大轉(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)速的機械特性見圖6-19所示，對應(yīng)于同一轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速降基本不變，即直線部分斜率不變，機械特性平行地移動。

n

T

f4

f1

f1>f2>f3>f4

f2

f3

圖6-19恒Tm調(diào)速特性曲線第三十三頁，共六十四頁。

n

T

f4

f1

f1>f2>f3>f4

f2

f3

3.

恒功率調(diào)速為了擴大調(diào)速范圍，可以在額定頻率以上進行調(diào)速。因電機繞組是按額定電壓等級設(shè)計的，超過額定電壓運行將受到繞組絕緣強度的限制，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，相當于額定電流時的轉(zhuǎn)矩也減小，特性變軟。如圖6-20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。圖6-20恒功率調(diào)速特性曲線第三十四頁，共六十四頁。6.3.2交流感應(yīng)電機矢量控制原理矢量控制理論是在1971年由德國學(xué)者F.Blachke提出的。在伺服系統(tǒng)中，直流伺服電機能獲得優(yōu)良的動態(tài)與靜態(tài)性能，其根本原因是被控制只有電機磁通Ф和電樞電流Ia，且這兩個量是獨立的。此外，電磁轉(zhuǎn)矩（Tm=KTФ

Ia）與磁通Ф和電樞電流Ia分別成正比關(guān)系。因此，控制簡單，性能為線性。如果能夠模擬直流電機，求出交流電機與之對應(yīng)的磁場與電樞電流，分別而獨立地加以控制，就會使交流電機具有與直流電機近似的優(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（標量），建立起交流電機的等效模型，然后按直流電機的控制方法對其進行控制。

第三十五頁，共六十四頁。圖6-21a所示三相異步交流電機在空間上產(chǎn)生一個角速度為ω0的旋轉(zhuǎn)磁場Φ。如果用圖6-21b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Φ，則可以認為圖6-21a和圖6-21b中的兩套繞組是等效的。若給圖6-21c所示模型上兩個互相垂直繞組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Φ，如果再使繞組以角速度ω0旋轉(zhuǎn)，則所建立的磁場也是旋轉(zhuǎn)磁場，其幅值和轉(zhuǎn)速也與圖6-21a一樣。

圖6-21交流電機三相/二相直流電機變換ω0ω0ω0ΦΦΦBCβα第三十六頁，共六十四頁。三相A、B、C系統(tǒng)變換到兩相α、β系統(tǒng)ω0ω0ω0ΦΦΦBCβα這種變換是將三相交流電機變?yōu)榈刃У亩嘟涣麟姍C。圖6-21a所示的三相異步電機的定子三相繞組，彼此相差1200空間角度，當通以三相平衡交流電流iA,iB,iC時，在定子上產(chǎn)生以同步角速度ω0旋轉(zhuǎn)的磁場矢量Φ。三相繞組的作用，完全可以用在空間上互相垂直的兩個靜止的α、β繞組代替，并通以兩相在時間上相差900的交流平衡電流iα和iβ，使其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的幅值和角速度也分別Φ和ω0，則可以認為圖6-21a、b中的兩套繞組是等效的。第三十七頁，共六十四頁。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。則產(chǎn)生的空間旋轉(zhuǎn)磁場與三相A、B、C繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場一致。令三相繞組中的A相繞組的軸線與α坐標軸重合，其磁勢為（見圖6-22a）。FBFβ600FAFαFC圖6-22a三相磁動勢的變換按照磁勢與電流成正比關(guān)系，可求得對應(yīng)的電流值iα和iβ

(6-7)(6-8)除磁勢的變換外，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。這樣就將三相電機轉(zhuǎn)換為二相電機，如圖6-21b。第三十八頁，共六十四頁。2.矢量旋轉(zhuǎn)變換將三相電機轉(zhuǎn)化為二相電機后，還需將二相交流電機變換為等效的直流電機，見圖6-21c。若設(shè)圖6-21c中d為激磁繞組，通以激磁電id，q為電樞繞組，通以電樞電流iq，則產(chǎn)生固定幅度的磁場Φ，在定子上以角速度ω0旋轉(zhuǎn)。這樣就可看成是直流電機了。將二相交流電機轉(zhuǎn)化為直流電機的變換，實質(zhì)就是矢量向標量的轉(zhuǎn)換，是靜止的直角坐標系向旋轉(zhuǎn)的直角坐標系之間的轉(zhuǎn)換。這里，就是把iα和iβ轉(zhuǎn)化為id和iq，轉(zhuǎn)化條件是保證合成磁場不變。在圖6-22b中，iα和iβ的合成矢量是i1，將其在Φ方向及垂直方向投影，即可求得id和iq。id和iq在空間以角速度ω0旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)換公式為

αβi1Φidiqθφ圖6-22b三相磁動勢的變換第三十九頁，共六十四頁。3.直角坐標與極坐標的變換矢量控制中，還要用到直角坐標系與極坐標系的變換。如圖6-28b中，由id和iq求i1，其公式為(6-10)采用矢量變換的感應(yīng)電機具有和直流電機一樣的控制特點，而且結(jié)構(gòu)簡單、可靠，電機容量不受限制，與同等直流電機相比機械慣量小，其前景非?？捎^。第四十頁，共六十四頁。（三）交流電機的變頻調(diào)速交流電機調(diào)速種類很多，應(yīng)用最多的是變頻調(diào)速。變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是能為交流電機提供變頻電源的變頻器。變頻器的功用是，將頻率固定（電網(wǎng)頻率為50Hz）的交流電，變換成頻率連續(xù)可調(diào)（0～400Hz）的交流電。變頻器可分為交-直-交變頻器和交-交變頻器兩大類。交-直-交變頻器是先將頻率固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率可變的交流電。交-交變頻器不經(jīng)過中間環(huán)節(jié)，把頻率固定的交流電直接變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電。因只需一次電能轉(zhuǎn)換，效率高，工作可靠，但是頻率的變化范圍有限。交-直-交變頻器，雖需兩次電能的變換，但頻率變化范圍不受限制，目前應(yīng)用得比較廣泛，本書以這種變頻器為例做介紹。整流電路平波電路逆變電路控制電路逆變器輸入恒電壓，恒頻率輸出可變電壓，可變頻率變頻器基本組成，整流部分把恒壓恒頻的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，平波電路由電容器及電抗器組成（也稱直流中間電路），逆變器把直流逆變?yōu)榻涣?。控制電路通過來自外部的運行指令，經(jīng)運算電路、驅(qū)動電路，向逆變器發(fā)出控制指令。變頻器基本組成第四十一頁，共六十四頁。圖6-23是脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation簡稱PWM）變頻器的主電路。它由擔任交-直變換的二極管整流器和擔任直-交變換、同時完成調(diào)頻和調(diào)壓任務(wù)的脈沖寬度調(diào)制逆變器組成。圖中續(xù)流二極管D1~D6，為負載的滯后電流提供一條反饋到電源的通路，逆變管（全控式功率開關(guān)器件）T1~T6組成逆變橋，A、B、C為逆變橋的輸出端。電容器Cd的功能是：濾平全波整流后的電壓波紋；當負載變化時，使直流電壓保持平穩(wěn)。交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一就是逆變器，由于調(diào)速的要求，逆變器必須具有頻率連續(xù)可調(diào)、以及輸出電壓連續(xù)可調(diào)，并與頻率保持一定比例關(guān)系等功能。ABC電源圖6-23PWM變頻器的主電路原理圖第四十二頁，共六十四頁。

T1

T5

T2

T3

T4

T6

t1

t2

t3

t4

t5

t6

下面討論逆變管T1~T6以怎樣的順序動作（導(dǎo)通和關(guān)斷）才能將直流電變?yōu)槿嘟涣麟?，如圖6-24所示，在t1、t2時間內(nèi)，V1、V6同時導(dǎo)通，A為正，B為負，uAB為正。在t4、t5時間內(nèi)，V3、V4同時導(dǎo)通，A為負，B為正，uAB為負。在t3、t4時間內(nèi)，T3、T2同時導(dǎo)通，B為正，C為負，uBC為正。在t6、t1時間內(nèi)，T5、T6同時導(dǎo)通，B為負，C為正，uBC為負。在t5、t6時間內(nèi)，T5、T4同時導(dǎo)通，C為正，A為負，uCA為正。在t2、t3時間內(nèi)，T1、T2同時導(dǎo)通，C為負，A為正，uCA為負。

圖6-24各逆變管的通斷安排圖所示為逆變管的工作情況，圖中陰影部分為各逆變管的導(dǎo)通時間，其余為關(guān)斷狀態(tài)。1.直流變交流第四十三頁，共六十四頁。

3000

3000

3000

uAB

600

uBC

uCA

1200

1800

2400

3600

600

1200

1800

2400

3600

600

1200

1800

2400

3600

00

00

00

tw

tw

tw

圖6-25三相逆變橋的輸出電壓逆變橋輸出的線電壓波形如圖6-25所示，由圖可見，各相之間的相位互差1200，它們的幅值都與直流電壓Ud相等。只要按照一定的規(guī)律來控制逆變管的導(dǎo)通與截止，就可以把直流電逆變成三相交流電。改變逆變管導(dǎo)通和關(guān)斷時間，即可得到不同的輸出頻率。利用脈沖寬度調(diào)制逆變器可實現(xiàn)變頻也變壓。第四十四頁，共六十四頁。2.PWM直流變交流PWM調(diào)速原理圖6-26PWM調(diào)速系統(tǒng)原理圖第四十五頁，共六十四頁。圖6-27脈寬調(diào)制的輸出電壓如圖所示，因電壓的平均值和占空比成正比，所以在調(diào)節(jié)頻率時，改變輸出電壓脈沖的占空比，就能同時實現(xiàn)變頻和變壓。與圖6-27a相比，圖6-27b所示電壓周期增大（頻率降低），而占空比減小，故平均電壓降低。

第四十六頁，共六十四頁。采用PWM方法控制逆變管的通、斷時，可獲得一組幅值相等、寬度相同的矩形脈沖，改變矩形脈沖的寬度可控制其輸出電壓，改變調(diào)制周期可控制其輸出頻率，同時實現(xiàn)變壓和變頻。因輸出電壓波形為矩形波，具有許多高次諧波成分。對電機來說，有用的是電壓的基波。為了減少諧波影響，提高電機的運行性能，應(yīng)采用對稱的三相正弦波電源為三相交流電機供電。正弦波脈寬調(diào)制型逆變器（SPWM）的輸出端可獲一組等幅而不等寬的矩形脈沖波形，來近似等效于正弦電壓波。SPWM脈寬調(diào)制波形，當正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖的間隔則最小。反之，當正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖的間隔則較大，這樣的電壓脈沖系列可以使負載電流中的高次諧波成分大大減少。3.SPWM第四十七頁，共六十四頁。下面介紹用正弦波（調(diào)制波）控制，三角波（載波）調(diào)制的采用模擬電路元件實現(xiàn)SPWM（正弦波脈寬調(diào)制）控制的變頻器的工作原理。如圖6-28所示，首先由模擬元件構(gòu)成的三角波和正弦波發(fā)生器分別產(chǎn)生三角波信號VT和正弦波信號VS，然后送入電壓比較器A，產(chǎn)生SPWM調(diào)制的矩形脈沖。

VT

Ud

VS

+

_

A

圖6-28電路原理圖第四十八頁，共六十四頁。圖6-29脈寬調(diào)制波的形成12345a)1413u+Ud/2-Ud/2b)圖6-29a所示的數(shù)字位置為這二種波形交點，決定了逆變器某相元件的通斷時間（在此為A相），即V1和V4的通斷，決定了SPWM脈沖系列的寬度和脈沖間的間隔寬度。當正弦波高于三角波時，開關(guān)器件V1導(dǎo)通、V4關(guān)斷，使負載上得到的相電壓為uA=＋Ud/2；當正弦波低于三角波時，開關(guān)器件V1關(guān)斷、V4導(dǎo)通，負載上的相電壓為uA=－Ud/2；調(diào)制波和載波的交點決定了逆變橋輸出相電壓的脈沖系列，調(diào)制出脈寬波形如圖6-29b。由相電壓合成為線電壓時，如uAB=uA-uB，可得逆變器輸出線電壓脈沖系列，其脈沖幅值為＋Ud和－Ud。uA第四十九頁，共六十四頁。改變調(diào)制波的頻率時，輸出電壓基波的頻率也隨之改變；增加調(diào)制波的幅值時，各段脈沖的寬度都將變寬，從而使輸出電壓基波的幅值也相應(yīng)變大。如果用這樣的矩形脈沖作為逆變管的控制信號，則在逆變器輸出端可以獲得一組類似的矩形脈沖，其幅值就是直流側(cè)的整流電壓Ud，其寬度是按正弦規(guī)律變化的。采用模擬電路調(diào)制的優(yōu)點是完成VT與VS信號的比較和確定脈沖寬度所用的時間短，幾乎是瞬間完成的。然而，這種方法的缺點是所需要硬件較多，而且不夠靈活，改變參數(shù)和調(diào)試比較麻煩。第五十頁，共六十四頁。采用數(shù)字電路的SPWM逆變器，可采用以軟件為基礎(chǔ)的控制模式。優(yōu)點是所需硬件少，靈活性好和智能性強。缺點是需要通過計算確定SPWM的脈沖寬度，有一定的延時和響應(yīng)時間。然而，隨著高速度、