數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用課件：伺服系統(tǒng) -

1數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用2數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)7.1

步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制7.37.4直流伺服電機(jī)及其速度控制

7.5直線電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)7.6位置控制概述

7.2交流伺服電機(jī)及其速度控制3本章概要提要本章主要介紹伺服系統(tǒng)的概念及分類、步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī)、直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理及分類；位置控制的概念及工作原理。重點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī)、直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理及分類。難點(diǎn)：伺服系統(tǒng)的概念、分類，位置控制的概念及工作原理。4本章概要掌握程度掌握數(shù)控機(jī)床和數(shù)控技術(shù)的基本概念掌握步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī)、直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理及分類了解位置控制的概念及工作原理5★本節(jié)提示伺服系統(tǒng)是根據(jù)輸入信號(hào)的變化而進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，以獲得精確的位置、速度或力的自動(dòng)控制系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置與機(jī)床本體間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，接收來(lái)自數(shù)控裝置輸出的進(jìn)給脈沖指令，經(jīng)過(guò)一定的信號(hào)變換及功率放大后，驅(qū)動(dòng)機(jī)床執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)機(jī)床移動(dòng)部件相應(yīng)移動(dòng)的控制系統(tǒng)。

7.1概述6伺服系統(tǒng)SV(servodrive)是根據(jù)輸入信號(hào)的變化而進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，以獲得精確的位置、速度或力的自動(dòng)控制系統(tǒng)，又稱位置隨動(dòng)系統(tǒng)。7.1概述7.1.1伺服系統(tǒng)的概念一般伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖7.1所示。圖7.1伺服系統(tǒng)的組成圖7由比較元件、調(diào)節(jié)元件、執(zhí)行元件、受控對(duì)象和測(cè)量、反饋元件組成。輸入的指令信號(hào)與反饋信號(hào)通過(guò)比較元件將進(jìn)行比較，得到控制系統(tǒng)動(dòng)作的偏差信號(hào)；偏差信號(hào)經(jīng)調(diào)節(jié)元件變換、放大后，控制執(zhí)行元件按要求產(chǎn)生動(dòng)作；執(zhí)行元件將輸入的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作；測(cè)量反饋元件用于實(shí)時(shí)檢測(cè)被控對(duì)象的輸出量并將其反饋到比較元件。

7.1概述8

“伺服(servo)”表示“伺侯服務(wù)”的意思。是按照數(shù)控系統(tǒng)的指令，使機(jī)床各坐標(biāo)軸按數(shù)控指令運(yùn)動(dòng)，加工出合格零件。是把數(shù)控信息轉(zhuǎn)化為機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。數(shù)控機(jī)床集中了傳統(tǒng)的各種機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的提高首先依賴于進(jìn)給和主軸驅(qū)動(dòng)特性的改進(jìn)以及功能的擴(kuò)大，為此數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置控制、速度控制、伺服電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)等方而都提出很高的要求。。7.1.2數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的要求7.1概述9數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的要求總體上可概括為以下幾方面；

1．可逆運(yùn)行2.調(diào)速范圍寬：1：240003．具有的速度穩(wěn)定性4.快速響應(yīng)并無(wú)超調(diào)5.高精度：0．01um～0.005um6．低速大轉(zhuǎn)矩

7.1概述107.1.3伺服系統(tǒng)的分類

1.按伺服系統(tǒng)控制方式可分為開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)三類。7.1概述（1）開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)圖7.2為開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖117.1概述7.1.3伺服系統(tǒng)的分類

（2）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)

圖7.3半閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖127.1概述7.1.3伺服系統(tǒng)的分類（3）全閉環(huán)伺服系統(tǒng)☆現(xiàn)代化管理:

生產(chǎn)自動(dòng)化圖7.4全閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

137.1概述7.1.3伺服系統(tǒng)的分類1.按用途和功能分為進(jìn)給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)兩類

2.按伺服電機(jī)類型分直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)、直線電動(dòng)機(jī)伺服三類3.按驅(qū)動(dòng)裝置類型分為電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩類。4.按反饋比較控制方式分相位伺服系統(tǒng)和幅值伺服系統(tǒng)類147.1.4伺服系統(tǒng)的發(fā)展7.1概述1959年，日本富士通FANUC公司開(kāi)發(fā)研制了電液脈沖馬達(dá)

20世紀(jì)50年代，伺服機(jī)構(gòu)開(kāi)始用于數(shù)控機(jī)床；

日本安川電機(jī)廠于1963年研制成功一種無(wú)槽小直徑轉(zhuǎn)子新型直流電動(dòng)機(jī)1969年，大慣量直流伺服電機(jī)問(wèn)世。

通用電氣公司1983年研制成功采用籠型異步交流伺服電機(jī)的交流伺服系統(tǒng)

日本安川公司1963年研制成功一種采用無(wú)槽小直徑轉(zhuǎn)子的新型直流電動(dòng)機(jī)15步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)角位移或直線位移的轉(zhuǎn)換裝置，因?yàn)槠漭斎氲倪M(jìn)給脈沖是不連續(xù)變化的數(shù)字量，而輸出的角位移或直線位移是連續(xù)變化的模擬量，所以步進(jìn)電機(jī)也稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置。7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和繞組組成7.2.1步進(jìn)電機(jī)組成及其工作原理1.步進(jìn)電機(jī)的組成、工作原理及工作方式16三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖7.5所示圖7.5三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制17（2）步進(jìn)電機(jī)的工作原理

圖7.6是最常用的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理圖7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制18(3).步進(jìn)電機(jī)的工作方式從—相通電換接到另一相通電稱為一拍，每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角，如上述的步進(jìn)電機(jī)，三相勵(lì)磁繞組依次單獨(dú)通電運(yùn)行、換接三次完成一個(gè)通電循環(huán)，稱為三相單三拍通電方式，步距角是30。單是指每次只有一相繞組通電，“三拍”是指經(jīng)過(guò)三次換接為一個(gè)循環(huán)，即A、B、C三拍。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—相繞組通電，易在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，穩(wěn)定性較差，故實(shí)際應(yīng)用中很少采用單拍工作方式。而采用三相雙三拍通電方式，即通電順序按AB→BC→CA→AB→…(逆時(shí)針?lè)较?或AC→CB→BA→AC→…(順時(shí)針為向)的順序通電，換接三次完成一個(gè)通電循環(huán)。

7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制197.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制

2.步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)（1）步進(jìn)電機(jī)受脈沖控制，步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，轉(zhuǎn)子角位移和轉(zhuǎn)速嚴(yán)格與輸入脈沖的數(shù)量和頻率成正比，通電狀態(tài)變化頻率越高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高。。（2）改變步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電順序，可以改變轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向。（3）步進(jìn)電機(jī)有一定步矩精度，沒(méi)有累積誤差。（4）當(dāng)停止輸入脈沖時(shí)，只要控制繞組的電流不變，步進(jìn)電機(jī)可保持在固定的位置，不需要機(jī)械制動(dòng)裝置。（5）步進(jìn)電機(jī)的受脈沖頻率的限制，調(diào)速范圍小。207.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制7.2.2步進(jìn)電機(jī)的特性及選擇1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)（1）步距角

步距角是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度。它反映步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分辨能力，步距角與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)、通電方式及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)的關(guān)系如下:

（7-1）a一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角

m一電動(dòng)機(jī)相數(shù)；

z--轉(zhuǎn)子齒數(shù)，

k一—系數(shù)，相鄰兩次通電相數(shù)相同時(shí)k=1；相鄰兩次通電相數(shù)不同．k＝2。217.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制7.2.2步進(jìn)電機(jī)的特性及選擇（2）靜態(tài)矩角特性當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)保持通電狀態(tài)不變時(shí)稱為靜態(tài)，如果此時(shí)在電動(dòng)機(jī)軸上外加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子會(huì)偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，稱為失調(diào)角。此時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所受的電磁轉(zhuǎn)矩稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，這時(shí)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角之間的關(guān)系叫矩角特性，如圖7.8所圖7.8單相通電時(shí)的矩角特性示,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(shí)，轉(zhuǎn)于在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點(diǎn)位置。22（3）空載啟動(dòng)頻率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在空載情況下，不失步啟動(dòng)所能允許的最高頻率稱為空載啟動(dòng)頻率，又稱為啟動(dòng)頻率或突跳頻率。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，既要克服負(fù)載力矩，又要克服慣性力矩，加給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的指令脈沖頻率如大于啟動(dòng)頻率，就不能正常工作，所以啟動(dòng)頻率不能太高。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在帶負(fù)載(慣性負(fù)載)情況下的啟動(dòng)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(dòng)頻率會(huì)進(jìn)一步降低。（4）連續(xù)運(yùn)行頻率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，其運(yùn)行速度能根據(jù)指令脈沖頻率連續(xù)上升麗不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運(yùn)行頻率，其值遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率．它也隨著電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載的性質(zhì)、大小而異，與驅(qū)動(dòng)電源也有很大的關(guān)系。7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制7.2.2步進(jìn)電機(jī)的特性及選擇23（5）運(yùn)行矩頻特性矩頻特性是描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩與運(yùn)行頻率之間的關(guān)系。圖7.9所示曲線稱為步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線，由圖可知，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，電機(jī)所能帶動(dòng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩會(huì)隨輸入脈沖頻率的增加而逐漸下降。

7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制7.2.2步進(jìn)電機(jī)的特性及選擇圖7.9步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線24（6）加減速特性步進(jìn)電機(jī)的加減速特性是描述步進(jìn)電機(jī)由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過(guò)程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時(shí)間的關(guān)系，如圖7.10所示。當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)由啟動(dòng)到大于突跳頻率的工作頻率時(shí)，變化速度必須逐漸上升；反之，變化速度必須逐漸下降。上升和下降的時(shí)間不能過(guò)小，否則易產(chǎn)生失步現(xiàn)象。.7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制7.2.2步進(jìn)電機(jī)的特性及選擇圖7.10加減速特性25

2.步進(jìn)電機(jī)的選擇

（1）考慮系統(tǒng)精度和速度的要求。脈沖當(dāng)量越小，系統(tǒng)的精度越高，但運(yùn)行速度越低，選擇時(shí)應(yīng)兼顧精度和速度的要求來(lái)確定脈沖當(dāng)量，再根據(jù)脈沖當(dāng)量來(lái)選擇步進(jìn)電機(jī)的步距角和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比

（2）考慮啟動(dòng)矩頻特性曲線和工作矩頻特性曲線。啟動(dòng)矩頻特性曲線指反映啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系；工作矩頻特性曲線反映轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系。已知負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，可以在啟動(dòng)矩頻特性曲線查啟動(dòng)頻率，在實(shí)際中，只要啟動(dòng)頻率小于或等于該值，電機(jī)就能直接帶負(fù)載啟動(dòng)。7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制7.2.2步進(jìn)電機(jī)的特性及選擇26

7.2.3步進(jìn)電機(jī)的控制線路步進(jìn)電機(jī)的控制線路框圖如圖7.10所示。圖7.10步進(jìn)電機(jī)的控制線路框圖7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制271.脈沖混合電路脈沖混合電路用來(lái)將來(lái)自于數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)信號(hào)、各種類型的誤差補(bǔ)償信號(hào)、手動(dòng)進(jìn)給信號(hào)及手動(dòng)回原點(diǎn)信號(hào)等信號(hào)混合為使工作臺(tái)正向進(jìn)給的“正向進(jìn)給”信號(hào)或使工作臺(tái)反向進(jìn)給的“反向進(jìn)給”信號(hào)。2.加減脈沖分配電路主要是將從正在進(jìn)給方向的進(jìn)給脈沖指令中抵消相同數(shù)量的反向補(bǔ)償脈沖，這也正是加減脈沖分配電路的功能。7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制283.加減速電路又稱自動(dòng)升降速電路。將躍變頻率進(jìn)行緩沖，使之變成符合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)加減速特性的脈沖頻率，然后再送人步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子繞組。4.環(huán)形分配器環(huán)形分配器是把來(lái)自于加減速電路的一系列進(jìn)給脈沖指令轉(zhuǎn)換成控制步進(jìn)電動(dòng)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)給脈沖的數(shù)量及方向相對(duì)應(yīng)。7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制29環(huán)形分配器有硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器兩種形式。硬件環(huán)形分配器是由觸發(fā)器和門電路構(gòu)成的硬件邏輯線路?，F(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)有集成度高、抗干擾性強(qiáng)的PMOS和CMOS環(huán)形分配器芯片供選用，也可以用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)脈沖序列分配的軟件環(huán)形分配器。5.功率放大器功率放大器又稱功率驅(qū)動(dòng)器或功率放大電路。從環(huán)形分配器來(lái)的進(jìn)給控制信號(hào)的電流只有幾毫安，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子繞組需要幾安培電流，因此，需要功率放大器將來(lái)自環(huán)形分配器的脈沖電流放大到足以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制307.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

7.3.1直流伺服電機(jī)及工作特性1.直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理圖7.11(a)為直流電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，7.11(b)為電路原理如圖。圖7.1131

2直流伺服電機(jī)的類型（1）按電柜的結(jié)構(gòu)與形狀可分為平滑電樞型、空心電樞型和有槽電樞型等；按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小可分為大慣量、中慣量和小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)；按定子磁場(chǎng)產(chǎn)生的方式可分為永磁式和他勵(lì)式；

(2)寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)又稱大慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)，是通過(guò)提高輸出力矩來(lái)提高力矩／慣量比的，其結(jié)構(gòu)如圖7.12所示；7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

32圖7.12寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1—轉(zhuǎn)子2—定子3—電刷4—測(cè)速電機(jī)5—換向器7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

33大慣量直流飼服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖7.13所示圖7.13大慣量直流飼服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

343直流伺服電機(jī)的工作特性(1)直流伺服電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性。直流伺服電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性是指電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)情況下工作時(shí)，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、電磁力矩和電樞控制電壓三者之間的關(guān)系。采用電樞電壓控制時(shí)的電樞等效電路如圖7.14所示：圖7.14直流伺服電動(dòng)機(jī)的電樞等效電路如圖7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

35直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線和調(diào)節(jié)特性曲線，如圖7.15所示。（a）機(jī)械特性曲線（b）調(diào)節(jié)特性曲線圖7.15直流伺服電動(dòng)機(jī)的特性曲線7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

36(2)直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性是指當(dāng)給電動(dòng)機(jī)電樞加上階躍電壓時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化規(guī)律，其本質(zhì)是由對(duì)輸入信號(hào)響應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程的描述。直流伺服電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生過(guò)渡過(guò)程的原因在于電動(dòng)機(jī)中存在有機(jī)械慣性和電磁慣性兩種慣性。機(jī)械慣性是由直流伺服電動(dòng)機(jī)和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量引起的，是造成機(jī)械過(guò)渡過(guò)程的原因；電磁慣量是由電樞回路中的電感引起的，是造成電磁過(guò)渡過(guò)程的原因。一般而言，電磁過(guò)渡過(guò)程比機(jī)械過(guò)渡過(guò)程要短得多。在直流伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性分析中，可忽略電磁過(guò)渡過(guò)程，而把直流伺服電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化為一機(jī)械慣性環(huán)節(jié)。7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

377.3.2直流伺服電機(jī)的速度控制方法調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有三種方法：①改變電樞電壓即當(dāng)電樞電阻、磁通量都不變時(shí)，通過(guò)附加的調(diào)壓設(shè)備調(diào)節(jié)電樞電壓。一般都將電樞的額定電壓向下調(diào)低，是進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的直流伺服電動(dòng)機(jī)常采用這種方法進(jìn)行調(diào)速。②改變磁通量調(diào)節(jié)激滋回路的電阻，見(jiàn)圖7-11(b)，使激磁回路電流減小，磁通量也減小，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)高。這種方法調(diào)速的快速性變差，但速度調(diào)節(jié)容易控制，常用于數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)的直流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速。③在電樞回路中串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻這種方法電阻上的損耗大，且轉(zhuǎn)速只能調(diào)低，故不經(jīng)濟(jì)。7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

382.晶閘管調(diào)速系統(tǒng)的基本原理圖7．16為晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)由內(nèi)環(huán)—電流環(huán)、外環(huán)—速度環(huán)和晶閘管整流放大器等組成。圖7.16晶閘管直流調(diào)速速度單元結(jié)構(gòu)圖7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

39晶閘管(SCR)速度單元分為控制回路和主回路兩部分?？刂苹芈樊a(chǎn)生觸發(fā)脈沖，該脈沖的相位即觸發(fā)角，作為整流器進(jìn)行整流的控制信號(hào)。主回路為功率級(jí)的整流器，將電網(wǎng)交流電變?yōu)橹绷麟?；相?dāng)于將控制回路信號(hào)的功率放大。得到較高電壓與放大電流以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。這樣就將程序段中的F值一步步變成了伺服電機(jī)的電壓，完成調(diào)速任務(wù)。7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

403.晶體管脈寬調(diào)速系統(tǒng)的基本原理(1).晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)與晶閘管相比，晶體管控制簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)特性好。克服了晶閘管調(diào)速系統(tǒng)的波形脈動(dòng)，特別是輕載低速調(diào)速特性差的問(wèn)題。

1)晶體管脈寬調(diào)制(PwM)系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)圖7．17為脈寬調(diào)制系統(tǒng)組成原理圖，該系統(tǒng)由控制回路和主回路構(gòu)成?？刂撇糠职ㄋ俣日{(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、脈沖寬度調(diào)制器和基極驅(qū)動(dòng)電路等；主回路包括晶體管開(kāi)關(guān)式放大器和功率整流器等。7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

41圖7.17脈寬調(diào)制系統(tǒng)組成原理圖7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

427.4交流伺服電機(jī)及其速度控制

7.4.1交流伺服電機(jī)的分類及特點(diǎn)交流伺服電動(dòng)機(jī)通常分為交流同步伺服電動(dòng)機(jī)和交流異步伺服電動(dòng)機(jī)兩大類。交流同步伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是由供電頻率所決定的．即在電源電壓和頻率不變時(shí)．它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變的。交流異步伺服電動(dòng)機(jī)也稱交流感應(yīng)伺服電動(dòng)機(jī)，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，價(jià)格便宜。它的缺點(diǎn)是其轉(zhuǎn)速受負(fù)載的變化影響較大，所以一般不用于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)437.4.2交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理1.交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床用于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的交流伺服電動(dòng)機(jī)大多采用三相交流永磁同步電動(dòng)機(jī)。永磁交流同步伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖7.19和7.20所示，由定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件三部分組成。電樞在定子上，定子具有齒槽，內(nèi)有三相交流繞組，形狀與普通交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子相同。電動(dòng)機(jī)外形呈多邊形，且無(wú)外殼。轉(zhuǎn)子由多塊永磁鐵和沖片組成，磁場(chǎng)波形為正弦波。7.4交流伺服電機(jī)及其速度控制

44圖7.19三相交流永磁同步7.20永磁交流同步伺服電動(dòng)機(jī)的橫剖面圖電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

1-定子2-永久磁鐵；1-定子;2-轉(zhuǎn)子;3-轉(zhuǎn)子永久

3-軸向通氣孔；4-轉(zhuǎn)軸

磁鐵;4-定子繞組;5-檢測(cè)元件;6-接線盒

7.4交流伺服電機(jī)及其速度控制

452永磁交流同步伺服電動(dòng)機(jī)工作原理如圖7.21所示，永磁式交流同步電動(dòng)機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件三部分組成，其工作過(guò)程是當(dāng)定子三相繞組通上交流電后，就產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。根據(jù)磁極的同性相斥、異性相吸的原理，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永久磁場(chǎng)磁極相互吸引，并帶動(dòng)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，圖7.21交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理

7.4交流伺服電機(jī)及其速度控制

46(2)交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的性能如圖7.22所示為永磁式交流同步伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩一速度特性曲線。曲線分為連續(xù)工作區(qū)和斷續(xù)工作區(qū)兩部分。在連續(xù)工作區(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，劃定條件有兩個(gè):一是供給電動(dòng)機(jī)的電流是理想的正弦波;二是電動(dòng)機(jī)工作在某一特定溫度下。在斷續(xù)工作區(qū)，電動(dòng)機(jī)可間斷運(yùn)行,斷續(xù)工作區(qū)比較大時(shí)，有利于提高電動(dòng)機(jī)的加、減速能力。永磁式交流同步電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是啟動(dòng)難。這是由于轉(zhuǎn)子本身的慣量、定子與轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)速差過(guò)大，使轉(zhuǎn)子在啟動(dòng)時(shí)所受的電磁轉(zhuǎn)矩的平均值為零所致，因此電動(dòng)機(jī)難以啟動(dòng)。解決的辦法是在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)法減小電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，或在速度控制單元中采取先低速后高速的控制方法7.4交流伺服電機(jī)及其速度控制

47圖7.22交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線和異步電動(dòng)機(jī)相比，同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子有磁極，在很低的頻率下也能運(yùn)行，因此，在相同的條件下，同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍比異步電動(dòng)機(jī)要寬。同時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)具有更強(qiáng)的承受力．能作出更快的響應(yīng)。7.4交流伺服電機(jī)及其速度控制

483.交流主軸電動(dòng)機(jī)交流主軸電動(dòng)機(jī)是基于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)而專門設(shè)計(jì)的。通常為增加輸出功率、縮小電動(dòng)機(jī)體積，采用定子鐵芯在空氣中直接冷卻的方法，沒(méi)有機(jī)殼，且在定子鐵芯上做有通風(fēng)孔。因此電動(dòng)機(jī)外形多呈多邊形而不是常見(jiàn)的圓形。在電動(dòng)機(jī)軸尾部安裝檢測(cè)用的碼盤。交流主軸電動(dòng)機(jī)與普通感應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理相同。在電動(dòng)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)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，從而推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，7.4交流伺服電機(jī)及其速度控制

497.4.3交流伺服電動(dòng)機(jī)的主要特性參數(shù)①額定功率電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行所能輸出的最大功率為額定功率，約為額定轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)速的乘積。⑦額定轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下長(zhǎng)時(shí)間工作所能輸出的轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩；③額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速由額定功率和額定轉(zhuǎn)矩決定。④瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)所能輸出的瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩為瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩。⑤最高轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速。⑥轉(zhuǎn)于慣量電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為轉(zhuǎn)子慣量。7.4交流伺服電機(jī)及其速度控制

507.4.4交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法數(shù)控機(jī)床上常采用交直交變頻調(diào)速。在交直交變頻中，根據(jù)中間直流電路上的儲(chǔ)能元件是大電容還是大電感，可分為電壓型逆變器和電流型逆變器。SPWM變頻器是目前應(yīng)用最廣、最基本的一種交直交型電壓型變頻器，也稱為正弦波PWM變頻器，具有輸入功率因數(shù)高和輸出波形好等優(yōu)點(diǎn)，不僅適用于永磁式交流同步電動(dòng)機(jī)，也適用于交流感應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)，在交流調(diào)速系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。7.4交流伺服電機(jī)及其速度控制

517.5直線電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)

7．5．1概述直線電動(dòng)機(jī)是指可以直接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，可作為進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如圖7.23所示。在世界上出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)不久之后就出現(xiàn)了其雛形，但由于受制造技術(shù)水平和應(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。近年來(lái)隨著大功率電子器件、新型交流變頻調(diào)速技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，直線電動(dòng)機(jī)在高速數(shù)控機(jī)床中得到了一定的應(yīng)用。52圖7.231-導(dǎo)軌;2-次線;3-初線;4-險(xiǎn)測(cè)系統(tǒng)7.5直線電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)

53世界上第一臺(tái)使用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的高速加工中心是德國(guó)Ex-Ccll-O公司于1993年生產(chǎn)的，采用了德國(guó)Indramennt公司開(kāi)發(fā)成功的感應(yīng)式直線電動(dòng)機(jī)。同時(shí)，美國(guó)Ingersoll公司和Ford汽車公司合作，在HVM800型臥式加工中心采用了美Anorad公司生產(chǎn)的永磁式直線電動(dòng)機(jī)。日本的FAVUC公司于1994年購(gòu)買了Anorad公司的專利權(quán)，開(kāi)始在亞洲市場(chǎng)銷售直線電動(dòng)機(jī)。在1996年9月芝加哥國(guó)際制造技術(shù)博覽會(huì)((IMTs’96)上，直線電動(dòng)機(jī)如雨后春筍般展現(xiàn)在人們面前，這預(yù)示著直線電動(dòng)機(jī)開(kāi)辟的機(jī)床新時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。7.5直線電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)

547．5．2.直線電動(dòng)機(jī)工作原理直線電動(dòng)機(jī)的工作原理可以視為旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)沿圓周方向拉開(kāi)展平的產(chǎn)物，如圖7.24所示。對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的定子部分，稱為直線電動(dòng)機(jī)的初級(jí);對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子部分，稱為直線電動(dòng)機(jī)的次級(jí)。當(dāng)多相交變電流通入多相對(duì)稱繞組時(shí)，就會(huì)在直線電動(dòng)機(jī)初級(jí)和次級(jí)之間的氣隙中產(chǎn)生一個(gè)行波磁場(chǎng)，從而使初級(jí)和次級(jí)之間相對(duì)移動(dòng)。當(dāng)然，二者之間也存在一個(gè)垂直力，可以是吸引力，也可以是推斥力。直線電動(dòng)機(jī)可以分為直流直線電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)直線電動(dòng)機(jī)和交流直線電動(dòng)機(jī)3大類。在機(jī)床上主要使用交流直線電動(dòng)機(jī)。7.5直線電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)

55(a)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī);(b)直線電動(dòng)機(jī)圖7.247.5直線電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)

567．5．3.直線電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式在結(jié)構(gòu)上，可以有如圖7.25所示的短次級(jí)和短初級(jí)兩種形式。為了減少發(fā)熱量和降低成本，高速機(jī)床用直線電動(dòng)機(jī)一般采用如圖7.25(b)所示的短初級(jí)結(jié)構(gòu)。(a)短次級(jí);(b)短初級(jí)圖7.257.5直線電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)

577．5．4.直線電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)使用直線電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有以下特點(diǎn):①電動(dòng)機(jī)、電磁力直接作用于運(yùn)動(dòng)體(工作臺(tái))上，而不用機(jī)械連接，沒(méi)有機(jī)械滯后或齒節(jié)周期誤差，精度完全取決于檢測(cè)精度。②直線電動(dòng)機(jī)上裝配全數(shù)字伺服系統(tǒng)，可以達(dá)到極好的伺服性能。在任何速度下都能實(shí)現(xiàn)非常平穩(wěn)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。③直線電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在動(dòng)力傳動(dòng)中沒(méi)有低效率的中介傳動(dòng)部件而能達(dá)到高效率，可獲得很好的動(dòng)態(tài)剛度(動(dòng)態(tài)剛度即為在脈沖負(fù)荷作用下，伺服系統(tǒng)保持其位置的能力)。④直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無(wú)機(jī)械零件相互接觸，因此無(wú)機(jī)械磨損，不需要定期維護(hù)，可使用多段拼接技術(shù)來(lái)滿足超長(zhǎng)行程機(jī)床的要求。7.5直線電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)

587．6．1位置控制的基本原理位置控制環(huán)是伺服系統(tǒng)的外環(huán)，它接收數(shù)控裝置插補(bǔ)器每個(gè)插補(bǔ)采樣周期發(fā)出的指令，同時(shí)，還接收每個(gè)位置采樣周期測(cè)量反饋裝置測(cè)出的實(shí)際位置值，然后與位置給定值進(jìn)行比較(給定值減去反饋值)得出位置誤差，該誤差作為速度環(huán)的給定。實(shí)際上，根據(jù)伺服系統(tǒng)各環(huán)節(jié)增益(放大倍數(shù))、倍率及其它要求，對(duì)位置環(huán)的給定、反饋和誤差信號(hào)還要進(jìn)行處理。早期的位量控制，其速度環(huán)和電流環(huán)均采用模擬控制。

現(xiàn)代全數(shù)字伺服系統(tǒng)中，不進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換：位量環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的給定信號(hào)、反饋信號(hào)、誤差信號(hào)以及增益和其它控制參數(shù)，均由系統(tǒng)中的微處理器進(jìn)行數(shù)字處理：可以使控制參數(shù)達(dá)到最優(yōu)化，因而控制精度高．穩(wěn)定性好。同時(shí)，對(duì)實(shí)現(xiàn)前饋控制、自適應(yīng)控制、智能控制等現(xiàn)代先進(jìn)控制方法都是十分有利的。

7.6位置控制

59圖7.27為模擬位置控制系統(tǒng)原理圖，圖中速度外的電流環(huán)沒(méi)畫。7.6位置控制

圖7.27模擬位置控制系統(tǒng)原理圖601．?dāng)?shù)字脈沖比較位置控制系統(tǒng)的組成數(shù)字脈沖比較是構(gòu)成閉環(huán)和半閉環(huán)位置控制的一種常用方法。在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，經(jīng)常采用由光電脈沖編碼器等組成的位置檢測(cè)裝置；在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，多采用光柵及其電路作為位置檢測(cè)裝置、通過(guò)檢測(cè)裝置進(jìn)行位置檢測(cè)和反饋，實(shí)現(xiàn)脈沖比較；圖7.28為數(shù)字脈沖比較位置控制的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的位置環(huán)包括光電脈沖編碼器、脈沖處理電路和比較器環(huán)節(jié)等。

7．