數(shù)控機(jī)床與編程課件：數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng) -

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)概述交流伺服電動(dòng)機(jī)及其工作特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其工作特性直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介10.1概述伺服系統(tǒng)的基本要求伺服系統(tǒng)的分類(lèi)概述一、伺服系統(tǒng)的基本要求（1）可逆運(yùn)行可逆運(yùn)行要求能靈活地正反向運(yùn)行。在加工過(guò)程中，機(jī)床工作臺(tái)處于隨機(jī)狀態(tài)，根據(jù)加工軌跡的要求，隨時(shí)都可能實(shí)現(xiàn)正向或反向運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，要求在方向變化時(shí)不應(yīng)有反向間隙和運(yùn)動(dòng)的損失。從能量角度看，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)能量的可逆轉(zhuǎn)換，即在加工運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收能量，將其轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能；在制動(dòng)時(shí)，應(yīng)把電動(dòng)機(jī)的機(jī)械慣性能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑仞伣o電網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)。伺服系統(tǒng)的基本要求（2）速度范圍寬為適應(yīng)不同的加工條件，例如所加工零件的材料、類(lèi)型、尺寸、部位以及刀具的種類(lèi)和冷卻方式等的不同，要求數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給能在很寬的范圍內(nèi)無(wú)級(jí)變化。這就要求伺服電機(jī)有很寬的調(diào)速范圍和優(yōu)異的調(diào)速特性。經(jīng)過(guò)機(jī)械傳動(dòng)后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化范圍即可轉(zhuǎn)化為進(jìn)給速度的變化范圍。目前，最先進(jìn)的水平是在進(jìn)給脈沖當(dāng)量為1的情況下，進(jìn)給速度在0~240m/min范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。對(duì)一般數(shù)控機(jī)床而言，進(jìn)給速度范圍在0~24m/min時(shí)都可滿(mǎn)足加工要求。伺服系統(tǒng)的基本要求（3）具有足夠的傳動(dòng)剛性和高的速度穩(wěn)定性這就要求伺服系統(tǒng)具有優(yōu)良的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)負(fù)載特性，即伺服系統(tǒng)在不同的負(fù)載情況下或切削條件發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)使進(jìn)給速度保持恒定。剛性良好的系統(tǒng)，速度受負(fù)載力矩變化的影響很小。通常，要求承受額定力矩變化時(shí)，靜態(tài)速降應(yīng)小于5％，動(dòng)態(tài)速降應(yīng)小于10％。（4）快速響應(yīng)并無(wú)超調(diào)為了保證輪廓切削形狀精度和低的加工表面粗糙度值，對(duì)位置伺服系統(tǒng)除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快。這就對(duì)伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能提出兩方面的要求：一方面在伺服系統(tǒng)處于頻繁地啟動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速等動(dòng)態(tài)過(guò)程中，為了提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量，則要求加、減速度足夠大，以縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。一般電動(dòng)機(jī)的速度由零到最大，或從最大減少到零，時(shí)間應(yīng)控制在200ms以下，甚至少于幾十毫秒，且速度變化時(shí)不應(yīng)有超調(diào)；另一方面當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，過(guò)渡過(guò)程前沿要陡，恢復(fù)時(shí)間要短，且無(wú)振蕩，這樣才能得到光滑的加工表面。伺服系統(tǒng)的基本要求（5）高精度為了滿(mǎn)足數(shù)控加工精度的要求，關(guān)鍵是保證數(shù)控機(jī)床的定位精度和進(jìn)給跟蹤精度。這也是伺服系統(tǒng)靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)是否優(yōu)良的具體表現(xiàn)。位置伺服系統(tǒng)的定位精度一般要求能回達(dá)到。甚至，高的可達(dá)到。（6）低速大轉(zhuǎn)矩機(jī)床的加工特點(diǎn)大多是低速時(shí)進(jìn)行切削，即在低速時(shí)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)要有大的轉(zhuǎn)矩輸出。（7）伺服系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)的要求數(shù)控機(jī)床上使用的伺服電機(jī)，大多是交流伺服電動(dòng)機(jī)。早期數(shù)控機(jī)床也有用專(zhuān)用的直流伺服電機(jī)，如改進(jìn)型直流電機(jī)、小慣量直流電機(jī)、永磁式直流伺服電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)等。在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上混合型步進(jìn)電機(jī)也有采用。伺服系統(tǒng)的基本要求由于數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)提出了如上的嚴(yán)格技術(shù)要求，伺服系統(tǒng)也對(duì)其自身的執(zhí)行機(jī)構(gòu)——電動(dòng)機(jī)提出了嚴(yán)格的要求。（1）具有較硬的機(jī)械特性和良好的調(diào)節(jié)特性。機(jī)械特性是指在一定的電樞電壓條件下，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。調(diào)節(jié)特性是指在一定的轉(zhuǎn)矩條件下轉(zhuǎn)速和電樞電壓的關(guān)系。理想情況下，兩種特性曲線(xiàn)是一直線(xiàn)。（2）具有寬廣而平滑的調(diào)速范圍。伺服系統(tǒng)要完成多種不同的復(fù)雜動(dòng)作，需要伺服電動(dòng)機(jī)在控制指令的作用下，轉(zhuǎn)速能夠在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。性能優(yōu)異的伺服電動(dòng)機(jī)其轉(zhuǎn)速變化可達(dá)到1：100000伺服系統(tǒng)的基本要求（3）具有快速響應(yīng)特性。所謂快速響應(yīng)特性是指伺服電動(dòng)機(jī)從獲得控制指令到按照指令要求完成動(dòng)作的時(shí)間要短。響應(yīng)時(shí)間越短，說(shuō)明伺服系統(tǒng)的靈敏性越高。（4）具有小的空載始動(dòng)電壓。伺服電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，控制電壓從零開(kāi)始逐漸增加，直到電動(dòng)機(jī)開(kāi)始連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電壓，稱(chēng)為伺服電動(dòng)機(jī)的空載始動(dòng)電壓。在外加電壓低于空載始動(dòng)電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)，這是由于此時(shí)電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩還不夠克服電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)所需要的空載轉(zhuǎn)矩?？梢?jiàn)，空載始動(dòng)電壓越小，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)越快，工作越靈敏。（5）電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有大的較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載能力，以滿(mǎn)足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過(guò)載4~6倍而不損壞。（6）電動(dòng)機(jī)應(yīng)能承受頻繁起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。二、伺服系統(tǒng)的分類(lèi)1．按調(diào)節(jié)理論分類(lèi)1）開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)即沒(méi)有位置反饋的系統(tǒng)。如圖10.2所示。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令脈沖信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制和功率放大后，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)變速齒輪和滾珠絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行件（工作臺(tái)或刀架）移動(dòng)。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)指令脈沖，機(jī)床執(zhí)行件所移動(dòng)的距離稱(chēng)為脈沖當(dāng)量。開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)的位移精度主要取決于步進(jìn)電機(jī)的角位移精度和齒輪、絲杠等傳動(dòng)件的螺距精度以及系統(tǒng)的摩擦阻尼特性。開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)的位移精度一般較低，其定位精度一般可達(dá)，當(dāng)采用螺距誤差補(bǔ)償和傳動(dòng)間隙補(bǔ)償后，定位精度可提高到。由于步進(jìn)電機(jī)性能的限制，開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)的進(jìn)給速度也受到限制，當(dāng)脈沖當(dāng)量為0.01時(shí)，一般可達(dá)5m/min。按調(diào)節(jié)理論分類(lèi)

2）閉環(huán)系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床上，由于反饋信號(hào)所取的位置不同，而分為全閉環(huán)系統(tǒng)和半閉環(huán)系統(tǒng)。全閉環(huán)系統(tǒng)的反饋信號(hào)取自機(jī)床工作臺(tái)（或刀架）的實(shí)際位置（圖10.3），所以系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的誤差、環(huán)內(nèi)各元件的誤差以及運(yùn)動(dòng)中造成的誤差都可以得到補(bǔ)償，從而大大提高了跟隨精度和定位精度。目前，全閉環(huán)系統(tǒng)的定位精度可達(dá)（0.001~0.005）mm，最先進(jìn)的全閉環(huán)系統(tǒng)定位精度可達(dá)0.1μm。全閉環(huán)系統(tǒng)除電氣方面的誤差外，還有很多機(jī)械傳動(dòng)誤差，如絲杠螺母副、導(dǎo)軌副等都包括在反饋回路內(nèi)，它們的剛性、傳動(dòng)間隙、摩擦阻尼特性都是變化的，有些還是非線(xiàn)性的；所以全閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)整都有較大的技術(shù)難度，價(jià)格也較昂貴，因此只在大型、精密數(shù)控機(jī)床上采用。按調(diào)節(jié)理論分類(lèi)3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)同樣也是一種閉環(huán)伺服系統(tǒng)。只不過(guò)在數(shù)控機(jī)床這種具體應(yīng)用場(chǎng)合下，它的反饋信號(hào)取自系統(tǒng)的中間部位（如驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的軸上），如圖10.4所示。這樣，系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)輸出軸至最末端件（工作臺(tái)或刀架）之間的誤差（如聯(lián)軸器誤差、絲杠的彈性變形、絲杠的支承間隙及螺距誤差，導(dǎo)軌副的摩擦阻尼等）沒(méi)有得到系統(tǒng)的補(bǔ)償，所以其精度比全閉環(huán)系統(tǒng)要低一些。但由于這種系統(tǒng)舍棄了傳動(dòng)系統(tǒng)的剛性和非線(xiàn)性的摩擦阻尼等，故系統(tǒng)調(diào)試較容易，穩(wěn)定性也較好。由于采用高分辨率的測(cè)量元件，可以獲得比較滿(mǎn)意的精度和速度，特別是制造伺服電機(jī)時(shí)，都將測(cè)速發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器（或者脈沖編碼器）直接裝在伺服電機(jī)軸的尾部，使機(jī)床制造時(shí)的安裝調(diào)試更方便，結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，故這種系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于中小型數(shù)控機(jī)床上。伺服系統(tǒng)的分類(lèi)2．按使用的執(zhí)行元件分類(lèi)1）電液伺服系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件通常為電液脈沖馬達(dá)和電液伺服馬達(dá)，其前一級(jí)為電氣元件，驅(qū)動(dòng)元件為液動(dòng)機(jī)和液壓缸。數(shù)控機(jī)床發(fā)展的初期，多數(shù)采用電液伺服系統(tǒng)。電液伺服系統(tǒng)具有在低速下可以得到很高的輸出力矩，以及剛性好、時(shí)間常數(shù)小、反應(yīng)快和速度平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。然而，液壓系統(tǒng)需要油箱油管等供油系統(tǒng)，體積大，此外還有噪聲、漏油等問(wèn)題，因此從20世紀(jì)70年代起就被電氣伺服系統(tǒng)代替，只是具有特殊要求時(shí)，才采用電液伺服系統(tǒng)。按使用的執(zhí)行元件分類(lèi)2）電氣伺服系統(tǒng)電氣伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件為伺服電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和交流電機(jī)），驅(qū)動(dòng)單元為電力電子器件，操作維護(hù)方便，可靠性高?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床均采用電氣伺服系統(tǒng)。電氣伺服系統(tǒng)分為步進(jìn)伺服系統(tǒng)、直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。電氣伺服系統(tǒng)A．直流伺服系統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)從20世紀(jì)70年代到80年代中期，在數(shù)控機(jī)床上占據(jù)主導(dǎo)地位。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用大慣量、寬調(diào)速永磁直流伺服電機(jī)和中小慣量直流伺服電機(jī)；主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用他激直流伺服電機(jī)。大慣量直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，輸出轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)。由于電機(jī)自身慣量較大，容易與機(jī)床傳動(dòng)部件進(jìn)行慣量匹配，所構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)易于調(diào)整。中小慣量直流伺服電機(jī)用減少電樞轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法獲得快速性。中小慣量電機(jī)一般都設(shè)計(jì)成具有高的額定轉(zhuǎn)速和低的慣量，所以在應(yīng)用時(shí)，要經(jīng)過(guò)中間機(jī)械減速傳動(dòng)來(lái)達(dá)到增大轉(zhuǎn)矩和與負(fù)載進(jìn)行慣量匹配的目的。直流電動(dòng)機(jī)配有晶閘管全控橋（或半控橋）或大功率晶體管脈寬調(diào)制的驅(qū)動(dòng)裝置。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)有電刷，限制了轉(zhuǎn)速的提高，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴。目前已經(jīng)被交流伺服系統(tǒng)取代。電氣伺服系統(tǒng)B．交流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)使用交流感應(yīng)異步伺服電機(jī)（一般用于主軸伺服系統(tǒng)）和永磁同步伺服電機(jī)（一般用于進(jìn)給伺服系統(tǒng)）。直流伺服電機(jī)使用機(jī)械（電刷、換向器）換向，存在一些固有的缺點(diǎn)，使其應(yīng)用受到限制。20世紀(jì)80年代以后，由于交流伺服電機(jī)的材料、結(jié)構(gòu)、控制理論和方法均有突破性的進(jìn)展，電力電子器件的發(fā)展又為控制與方法的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件，使得交流驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)展很快，目前已取代了直流伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不需要維護(hù)、適合于在惡劣環(huán)境下工作。此外，交流伺服電機(jī)還具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、轉(zhuǎn)速高和容量大等優(yōu)點(diǎn)。電氣伺服系統(tǒng)C．步進(jìn)伺服系統(tǒng)步進(jìn)伺服是一種用脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的控制系統(tǒng)。其角位移與電脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。因此，通過(guò)改變脈沖頻率可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。伺服系統(tǒng)的分類(lèi)3．按被控對(duì)象分類(lèi)1）進(jìn)給伺服系統(tǒng)進(jìn)給伺服系統(tǒng)是指一般概念的位置伺服系統(tǒng)，它包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)控制機(jī)床各進(jìn)給坐標(biāo)軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，具有精確定位和輪廓跟蹤功能。2）主軸伺服系統(tǒng)一般的主軸伺服系統(tǒng)只是一個(gè)速度控制系統(tǒng)，控制主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，提供切削過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩和功率，完成在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)變速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制。但要求高速度（目前最高每分鐘百萬(wàn)轉(zhuǎn)以上）、大功率，能在較大凋速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒功率控制。當(dāng)主軸伺服系統(tǒng)要求有位置控制功能時(shí)（如數(shù)控車(chē)床類(lèi)機(jī)床），稱(chēng)為C軸控制功能。此外，刀庫(kù)的位置控制是為了在刀庫(kù)的不同位置選擇刀具，與進(jìn)給坐標(biāo)軸的位置控制相比，性能要低得多，故稱(chēng)為簡(jiǎn)易位置伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的分類(lèi)4．按反饋比較控制方式分類(lèi)1）脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)該系統(tǒng)是閉環(huán)伺服系統(tǒng)中的一種控制方式。它是將數(shù)控裝置發(fā)出的數(shù)字（或脈沖）指令信號(hào)與檢測(cè)裝置測(cè)得的以數(shù)字（或脈沖）形式表示的反饋信號(hào)直接進(jìn)行比較，以產(chǎn)生位置誤差，達(dá)到閉環(huán)控制。脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，整機(jī)工作穩(wěn)定，應(yīng)用十分普遍。按反饋比較控制方式分類(lèi)2）相位比較伺服系統(tǒng)在該伺服系統(tǒng)中，位置檢測(cè)裝置采用相位工作方式。指令信號(hào)與反饋信號(hào)都變成了某個(gè)載波的相位，通過(guò)兩者相位的比較，獲得實(shí)際位置與指令位置的偏差，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。相位比較伺服系統(tǒng)適用于感應(yīng)式檢測(cè)元件（如旋轉(zhuǎn)變壓器，感應(yīng)同步器）的工作狀態(tài)，可以得到滿(mǎn)意的精度。3）幅值比較伺服系統(tǒng)幅值比較伺服系統(tǒng)以位置檢測(cè)信號(hào)的幅值大小來(lái)反映機(jī)械位移的數(shù)值，并以此信號(hào)作為位置反饋信號(hào)，一般還要進(jìn)行幅值信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而獲得位置偏差，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。按反饋比較控制方式分類(lèi)4）全數(shù)字伺服系統(tǒng)隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)已采用高速、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)。即由位置、速度和電流構(gòu)成的三環(huán)反饋控制全部數(shù)字化，使伺服控制技術(shù)從模擬方式、混合方式走向全數(shù)字化方式。該類(lèi)伺服系統(tǒng)具有使用靈活、柔性好的特點(diǎn)。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術(shù)和改進(jìn)伺服性能的措施，使控制精度和品質(zhì)大大提高。10.2交流伺服電動(dòng)機(jī)及其工作特性交流伺服電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)永磁式交流同步電動(dòng)機(jī)交流感應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)一、交流伺服電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)交流伺服電機(jī)分為交流永磁式伺服電機(jī)和交流感應(yīng)式伺服電機(jī)。永磁式交流伺服電機(jī)相當(dāng)于交流同步電動(dòng)機(jī)，常用于進(jìn)給伺服系統(tǒng)；交流感應(yīng)式伺服電機(jī)相當(dāng)于交流感應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)，常用于主軸伺服系統(tǒng)。兩種伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理都是由定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一起運(yùn)行。不同點(diǎn)是交流永磁式伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與外加交流電源的頻率存在著嚴(yán)格的同步關(guān)系，即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速；而感應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)由于需要轉(zhuǎn)速差才能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，所以電機(jī)的轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速差隨外負(fù)載的增大而增大。同步轉(zhuǎn)速的大小等于交流電源的頻率除以電機(jī)極對(duì)數(shù)，因而交流伺服電機(jī)可以通過(guò)改變供電電源頻率的方法來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。二、永磁式交流同步電動(dòng)機(jī)永磁式交流同步電動(dòng)機(jī)三、交流感應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)交流感應(yīng)式伺服電機(jī)常用于主軸伺服系統(tǒng)。交流主軸伺服電機(jī)要提供很大的功率，如果用永久磁體，當(dāng)容量做得很大時(shí)，電動(dòng)機(jī)的成本太高。主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)還要具有低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率的工況。因此，采用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的籠型交流異步伺服電機(jī)。它的結(jié)構(gòu)是定子上裝有對(duì)稱(chēng)三相繞組，而在圓柱體的轉(zhuǎn)子鐵心上嵌有均勻分布的導(dǎo)條，導(dǎo)條兩端分別用金屬環(huán)把它們連在一起，稱(chēng)為籠式轉(zhuǎn)子。為了增加輸出功率，縮小電動(dòng)機(jī)的體積，采用了定子鐵心在空氣中直接冷卻的辦法，沒(méi)有機(jī)殼，而且在定子鐵心上做出軸向孔以利通風(fēng)。為此，在電動(dòng)機(jī)外形上是呈多邊形而不是圓形。電動(dòng)機(jī)軸的尾部同軸安裝有檢測(cè)元件。交流主軸電機(jī)與普通感應(yīng)電機(jī)的工作原理相同，由電工學(xué)原理可知，在電機(jī)定子的三相繞組通以三相交流電時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)．這個(gè)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)予中的導(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，從而推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速為10.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其工作特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)根據(jù)作用原理和結(jié)構(gòu)，可分為永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和永磁感應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其中應(yīng)用最多的是反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。圖10.7為三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，定子為三對(duì)磁極，磁極對(duì)數(shù)稱(chēng)做“相”，相對(duì)的極屬一相，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可做成三相、四相、五相或六相等。磁極個(gè)數(shù)是定子相數(shù)m的2倍，每個(gè)磁極上套有該相的控制繞組，在磁極的極靴上制有小齒，轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成齒狀。根據(jù)工作要求，定、轉(zhuǎn)子齒距要相同，并滿(mǎn)足以下兩點(diǎn)：（1）在同相的磁極下，定、轉(zhuǎn)子齒應(yīng)同時(shí)對(duì)齊或同時(shí)錯(cuò)開(kāi)，以保證產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。（2）在不同相的磁極下，定、轉(zhuǎn)子齒的相對(duì)位置應(yīng)依次錯(cuò)開(kāi)1／m齒距。當(dāng)連續(xù)改變通電狀態(tài)時(shí)，可以獲得連續(xù)不斷的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。典型的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的每相磁極在空間互差120°，相鄰磁極則相差60°，當(dāng)轉(zhuǎn)子有40個(gè)齒時(shí)，轉(zhuǎn)子的齒距為9°步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)由于當(dāng)轉(zhuǎn)子齒中心線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)定子槽中心線(xiàn)時(shí)（＝π），定子上相鄰兩齒對(duì)轉(zhuǎn)子上的該齒具有大小相同、方向相反的拉力，故該位置亦可視為步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)穩(wěn)定位置，此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩等于零。不難想像，由0o變化到+π或-π時(shí)均有最大值出現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)各相的矩角特性曲線(xiàn)差異不能過(guò)大，否則會(huì)引起精度下降和低頻振蕩?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整相電流的方法，使步進(jìn)電機(jī)各相矩角特性大致相同。步進(jìn)電機(jī)矩角特性曲線(xiàn)上電磁轉(zhuǎn)矩的最大值稱(chēng)為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。它表示步進(jìn)電機(jī)承受變負(fù)載的能力。Mjmax愈大，自鎖力矩愈大，靜態(tài)誤差愈小。換言之，最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax愈大，步進(jìn)電機(jī)帶負(fù)載的能力愈強(qiáng)，運(yùn)行的快速性和穩(wěn)定性愈好。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和控制電流的平方成正比，但當(dāng)電流上升到磁路飽和時(shí)，Mjmax=?(I)曲線(xiàn)上升平緩。一般說(shuō)明書(shū)上的最大靜態(tài)扭矩是指在額定電流及規(guī)定通電方式下的Mjmax。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)三相步進(jìn)電機(jī)各相的矩角特性曲線(xiàn)的相位差為1／3周期，其中曲線(xiàn)A和曲線(xiàn)B的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的力矩Mq是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。也就是說(shuō)，只有負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mf小于Mq，電動(dòng)機(jī)才能正常起動(dòng)運(yùn)行；否則，容易造成丟步，電動(dòng)機(jī)也不能正常起動(dòng)。一般地，隨著電動(dòng)機(jī)相數(shù)的增加，由于矩角特性曲線(xiàn)加密，相鄰兩相矩角特性曲線(xiàn)的交點(diǎn)上移，會(huì)使Mq增加，改變通電方式有時(shí)也會(huì)收到類(lèi)似的效果。如果將m相m拍通電方式改為m相2m拍通電方式同樣會(huì)使步矩角減小，達(dá)到提高M(jìn)q的目的。如圖10.10所示，增加曲線(xiàn)AB（AB同時(shí)通電）提高M(jìn)q。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)（3）起動(dòng)頻率?q和起動(dòng)時(shí)的慣頻特性空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止突然起動(dòng)并進(jìn)入不丟步的正常運(yùn)行所允許的最高頻率，稱(chēng)為起動(dòng)頻率或突跳頻率，用?q表示。?q是反映步進(jìn)電機(jī)快速性能的重要指標(biāo)。若起動(dòng)時(shí)頻率大于突跳頻率，步進(jìn)電機(jī)就不能正常起動(dòng)。因此，空載起動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率。（4）連續(xù)運(yùn)行的最高工作頻率?max和矩頻特性步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)所能接受的，即不丟步運(yùn)行的極限頻率稱(chēng)為最高工作頻率，記為?max。它是決定定子繞組通電狀態(tài)最高變化頻率的參數(shù)，即決定了步進(jìn)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。10.4直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)是指可以直接產(chǎn)生直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。其雛形在世界上出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)不久之后就出現(xiàn)了，但由于受制造技術(shù)水平相應(yīng)用能力的限制，一直未能在制造業(yè)領(lǐng)域作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)而使用。在常規(guī)的機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，仍一直采用“旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)加滾珠絲杠”的