直流伺服電機課件

12023/7/28主要內(nèi)容概述伺服電動機速度控制位置控制22023/7/286.1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。32023/7/28進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說CNC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。42023/7/286.1.1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)。52023/7/28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這是一個三環(huán)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，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。位置控制主要用于進給運動坐標(biāo)軸，對進給軸的控制是要求最高的位置控制，不僅對單個軸的運動速度和位置精度的控制有嚴(yán)格要求，而且在多軸聯(lián)動時，還要求各進給運動軸有很好的動態(tài)配合，才能保證加工精度和表面質(zhì)量。位置控制功能包括位置控制、速度控制和電流控制。速度控制功能只包括速度控制和電流控制，一般用于對主運動坐標(biāo)軸的控制。

62023/7/286.1.2對伺服系統(tǒng)的基本要求

1．精度高

伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確度。包括定位精度和輪廓加工精度。定位精度一般允許的偏差為0.01—0.001mm，甚至0.1um。輪廓加工精度與速度控制、聯(lián)動坐標(biāo)的協(xié)調(diào)一致控制有關(guān)。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。為了保證輪廓切削形狀精度和低的加工表面租糙度，要求伺服系統(tǒng)跟蹤指令信號的響應(yīng)要快。一方面要求過渡過程(電機從靜止到額定轉(zhuǎn)速)的時間要短，一般在200ms以內(nèi)，甚至小于幾十毫秒，另一方面要求超調(diào)要小。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。72023/7/28對伺服電機的要求：（1）調(diào)速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)。82023/7/286.1.3

伺服系統(tǒng)的分類

1、按調(diào)解理論分類92023/7/28102023/7/28112023/7/282．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。122023/7/283．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)一般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)132023/7/28

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）142023/7/286.2伺服電動機

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

152023/7/28

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)子線圈永磁直流伺服電機的結(jié)構(gòu)

直流主軸電機結(jié)構(gòu)示意圖162023/7/282.直流電機的工作特性

⑴靜態(tài)特性

ω（n）

ωOO△ω

TS

T

TL

此公式表明了電機轉(zhuǎn)速與電磁力矩的關(guān)系，此關(guān)系稱為機械特性，是靜態(tài)特性，是穩(wěn)定運行時帶動負(fù)載的特性，穩(wěn)定運行時，電磁轉(zhuǎn)矩與所帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等。直流電機的機械特性172023/7/28⑵動態(tài)特性直流電機的動態(tài)力矩平衡方程式為式中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。

電機的動態(tài)性直接影響生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。該式表明動態(tài)過程中，電機由直流電能轉(zhuǎn)換來的電磁轉(zhuǎn)矩TM,克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩后，其剩余部分用來克服機械慣量，產(chǎn)生加速度，已使電機由一種穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一種穩(wěn)定狀態(tài)。182023/7/28

3．永磁直流伺服電機的工作特性

(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。

192023/7/28202023/7/28

4．主軸直流伺服電機的工作原理和特性

OnjnmaxnP,T12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212023/7/286.22交流伺服電機及工作特性

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

◆異步型交流感應(yīng)伺服電機。

222023/7/281．永磁交流同步伺服電機的結(jié)構(gòu)和工作原理

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)

永磁交流同步伺服電機結(jié)構(gòu)232023/7/281．永磁交流同步伺服電機的結(jié)構(gòu)和工作原理

242023/7/28

2．交流主軸伺服電機的結(jié)構(gòu)和工作原理252023/7/286.2.3步進電機

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。262023/7/281.步進電機的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖所示為反應(yīng)式三相步進電機。在結(jié)構(gòu)上分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分。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。272023/7/28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。步進電機的工作原理282023/7/28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。292023/7/28（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)。2.步進電機的主要特性302023/7/28（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）。312023/7/281231、3-不穩(wěn)定平衡點2-穩(wěn)定平衡點322023/7/28（3）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。（4）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。332023/7/28（5）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，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。342023/7/28

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。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。為三個觸發(fā)器的端輸出，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(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)?1