機(jī)床數(shù)控技術(shù)(第4版)課件：數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

機(jī)床數(shù)控技術(shù)

第1節(jié)

伺服系統(tǒng)的基本概念

1伺服系統(tǒng)的基本概念進(jìn)給伺服系統(tǒng)是以機(jī)床移動(dòng)部件（如工作臺(tái)）的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，通常由伺服驅(qū)動(dòng)裝置、伺服電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件組成。

作用：接受數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)裝置作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機(jī)（直流、交流伺服電機(jī)、功率步進(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)床的伺服系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)圖閉環(huán)進(jìn)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(jī)

工作臺(tái)

位置檢測測量反饋

伺服驅(qū)動(dòng)裝置速度環(huán)速度檢測位置環(huán)

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)2對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求

1)調(diào)速范圍寬

2)可逆運(yùn)行

3)具有足夠的傳動(dòng)剛度和高的速度穩(wěn)定性

4)快速響應(yīng)和無超調(diào)

5)高精度

6)低速大轉(zhuǎn)矩

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)第2節(jié)

步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置1步進(jìn)電機(jī)工作原理

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)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。三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)

現(xiàn)以圖所示的反應(yīng)式(磁阻式)三相步進(jìn)電機(jī)為例加以介紹。

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

定子上有六個(gè)磁極，每個(gè)磁極上繞有勵(lì)磁繞組，每相對(duì)的兩個(gè)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(jìn)電機(jī)是按電磁吸引的原理進(jìn)行工作的。當(dāng)定子繞組按順序輪流通直流電時(shí)，A、B、C三對(duì)磁極就依次產(chǎn)生磁場，并每次對(duì)轉(zhuǎn)子的某一對(duì)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(dòng)。每當(dāng)轉(zhuǎn)子某一對(duì)齒的中心線與定子磁極中心線對(duì)齊時(shí)，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(dòng)。步進(jìn)電機(jī)每次轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。圖三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

為進(jìn)一步了解步進(jìn)電機(jī)的工作原理，以下圖為例來說明其轉(zhuǎn)動(dòng)的整個(gè)過程，假設(shè)轉(zhuǎn)子上有四個(gè)齒，相鄰兩齒間夾角（齒距角）為90。當(dāng)A相通電時(shí)，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(duì)齊。接著B相通電，A相斷電，磁極B又把距它最近的一對(duì)齒2、4吸引過來，使轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)30。然后C相通電，B相斷電，轉(zhuǎn)子又逆時(shí)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(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，每步轉(zhuǎn)30。AABBCC1234AABBCC1234AABBCC1234逆時(shí)針轉(zhuǎn)30o逆時(shí)針轉(zhuǎn)30o逆時(shí)針轉(zhuǎn)30o

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)A相通電，A、B相通電，B相通電

，B、C相通電

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的步進(jìn)電機(jī)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。

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)式中α—步進(jìn)電機(jī)的步距角；

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。

2步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)

（1）步距角和步距誤差

反應(yīng)式步距角和步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)、通電方式及電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)的關(guān)系如下：

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)（2）靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)上某相定子繞組通電之后，轉(zhuǎn)子齒將力求與定子齒對(duì)齊，使磁路中的磁阻最小，轉(zhuǎn)子處在平衡位置不動(dòng)（θ＝0）。如果在電機(jī)軸上外加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mz，轉(zhuǎn)子會(huì)偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過一個(gè)角度θ，角度θ稱為失調(diào)角。有失調(diào)角之后，步進(jìn)電機(jī)就產(chǎn)生一個(gè)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩（也稱為電磁轉(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θ的關(guān)系叫矩角特性，如圖所示，近似為正弦曲線。圖靜態(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(shí)能夠維持靜止?fàn)顟B(tài)的最大轉(zhuǎn)矩。

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)（3）最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩圖示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(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩是步進(jìn)電機(jī)的最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mq

。如果外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于Mq

，電機(jī)就不能啟動(dòng)。當(dāng)A相通電時(shí)，若外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩Ma>Mq

，對(duì)應(yīng)的失調(diào)角為θa

，當(dāng)勵(lì)磁電流由A相切換到B相時(shí)，對(duì)應(yīng)角θa，B相的靜轉(zhuǎn)矩為Mb。從圖中看出Mb<Mq,電機(jī)不能帶動(dòng)負(fù)載做步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，因而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是電機(jī)能帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)的極限轉(zhuǎn)矩。

bABC圖步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩MbMqMaMθθa

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)（4）啟動(dòng)頻率（5）連續(xù)運(yùn)行頻率步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)后，其運(yùn)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(yùn)行頻率。其值遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率，它也隨著電機(jī)所帶負(fù)載的性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)動(dòng)電源也有很大關(guān)系。

（6）矩頻特性與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)作業(yè)：圖示為數(shù)控車床橫向進(jìn)給傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡圖，已知三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上有80個(gè)齒，按三相六拍通電方式工作，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高工作頻率為3333Hz。滾珠絲杠基本導(dǎo)程為4mm，脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖。試計(jì)算：（1）齒輪減速比i（i>1）。（2）工作臺(tái)的最大快進(jìn)速度vmax(m/min)?

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路完成由弱電到強(qiáng)電的轉(zhuǎn)換和放大，也就是將邏輯電平信號(hào)(工作電平5V)變換成電機(jī)繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號(hào)。驅(qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)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。

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)JA

KA

JB

KB

JC

KC

SA相B相C相RRCP指令脈沖置零正

反10硬件環(huán)形分配器

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

三相六拍環(huán)形分配器真值表序號(hào)

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)

軟件環(huán)形分配器

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)單電壓功放電路前置放大輸入VRcRdVDRaUC圖單電壓驅(qū)動(dòng)電路原理圖it圖單電壓驅(qū)動(dòng)電流波形

電流波形

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)高低壓電路單穩(wěn)延時(shí)前置放大前置放大U1＋80V＋12VU2

VD2VD1R1R2

Lt1t2V1V2

圖高低壓驅(qū)動(dòng)電路原理圖

圖高低壓驅(qū)動(dòng)電流波形

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路的原理圖高壓前置放大低壓前置放大控制門整形U1U1VD1U2VD2V1RV2RaLRe圖恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路原理圖輸入

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)4開環(huán)控制步進(jìn)式伺服系統(tǒng)的工作原理（1）工作臺(tái)位移量的控制數(shù)控裝置發(fā)出N個(gè)脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)線路放大后，使步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)變化N次，如果一個(gè)脈沖使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度為α，則步進(jìn)電機(jī)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_(tái)的位移量L.（2）工作臺(tái)進(jìn)給速度的控制數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給脈沖頻率為f，經(jīng)驅(qū)動(dòng)控制線路，表現(xiàn)為控制步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電、斷電狀態(tài)的電平信號(hào)變化頻率，定子繞組通電狀態(tài)變化頻率決定步進(jìn)電機(jī)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(tái)的進(jìn)給速度V。（3）工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向的控制改變步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖信號(hào)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(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，相應(yīng)的工作臺(tái)進(jìn)給方向就被改變。

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)1數(shù)控機(jī)床用交流電動(dòng)機(jī)在交流伺服系統(tǒng)中，按電機(jī)種類可分為同步型和異步型（感應(yīng)電機(jī)）兩種。交流伺服同步電機(jī)有永磁式、磁阻式（反應(yīng)式）、磁滯式、繞組磁極式等。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中多采用永磁式同步電機(jī)，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由供電頻率所決定的，即在電源電壓和頻率固定不變時(shí)，它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變的。由變頻電源供電給同步電機(jī)時(shí)，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(jī)械特性及寬的調(diào)速范圍。

第3節(jié)

交流伺服系統(tǒng)P6系列交流伺服電機(jī)

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)伺服電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)器適合于各種加工中心的電主軸

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)電主軸

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)電主軸

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)2交流電機(jī)的速度控制

(1)交流電機(jī)的調(diào)速

據(jù)電機(jī)學(xué)知，交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為(r/min）式中f1—定子電源頻率（Hz）；p—磁極對(duì)數(shù)；s—轉(zhuǎn)差率。由上式可知異步電機(jī)的調(diào)速方法，可以有變轉(zhuǎn)差率、變極對(duì)數(shù)及變頻三種?？扛淖冝D(zhuǎn)差率對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速時(shí)，低速時(shí)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(jí)調(diào)速，應(yīng)用范圍較窄。變頻調(diào)速是平滑改變定子供電電壓頻率f1而使轉(zhuǎn)速平滑變化的調(diào)速方法。交流同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為(r/min)

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

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(shí)際調(diào)速時(shí)，只改變頻率是不夠的，現(xiàn)在來看一下變頻時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性的變化情況，由電機(jī)學(xué)知：式中E1—定子每相感應(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(dāng)略去定子繞組R和L上的阻抗壓降時(shí)，定子相電壓U1為

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)由式(6-9)可見，定子電壓不變時(shí)，隨f1的上升，氣隙磁通Φm將減小。又從轉(zhuǎn)矩公式可以看出，Φm減小導(dǎo)致電機(jī)允許輸出轉(zhuǎn)矩T下降，則電機(jī)利用率下降，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩也將降低，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過最大轉(zhuǎn)矩，電機(jī)就帶不動(dòng)了，即所謂堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。又當(dāng)電壓U1不變，減小f1時(shí)，Φm上升會(huì)造成磁路飽合，激磁電流會(huì)上升，鐵心過熱，功率因數(shù)下降，電機(jī)帶負(fù)載能力降低。故在調(diào)頻調(diào)速中，要求在變頻的同時(shí)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(jī)械特性。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)。

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)1）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速

要保持T不變，即要求U1/f1為常數(shù)，可以近似地維持φm恒定。但最大轉(zhuǎn)矩Tm隨著f1下降而減小。這是因?yàn)閒1高時(shí)，E1數(shù)值較大，此時(shí)定子漏阻抗壓降在U1中所占比例較小，可以認(rèn)為U1近似于定子繞組中感應(yīng)電勢E1。而當(dāng)f1相對(duì)很較低時(shí)，E1數(shù)值變小，U1值也變小，此時(shí)定子漏阻抗壓降在U1中所占比例增大，已不能忽略，E1與U1相差很大，所以φm減小，從而使Tm下降。圖恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性曲線

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)2）恒最大轉(zhuǎn)矩（Tm）調(diào)速為了在低速時(shí)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(jī)械特性見圖6-25所示，對(duì)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(jī)械特性平行地移動(dòng)。

n

T

f4

f1

f1>f2>f3>f4

f2

f3

圖恒Tm調(diào)速特性曲線

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

n

T

f4

f1

f1>f2>f3>f4

f2

f3

3）恒功率調(diào)速

調(diào)頻調(diào)壓控制方式下，U1的最大值只能是額定電壓，對(duì)應(yīng)f1應(yīng)為額定頻率。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，可以在額定頻率以上進(jìn)行調(diào)速。因電機(jī)繞組是按額定電壓等級(jí)設(shè)計(jì)的，超過額定電壓運(yùn)行將受到繞組絕緣強(qiáng)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(shí)，相當(dāng)于額定電流時(shí)的轉(zhuǎn)矩也減小，特性變軟。圖恒功率調(diào)速特性曲線

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)3交流電機(jī)的變頻調(diào)速

交流電機(jī)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(jī)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。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)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。

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)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??？刂齐娐吠ㄟ^來自外部的運(yùn)行指令，經(jīng)運(yùn)算電路、驅(qū)動(dòng)電路，向逆變器發(fā)出控制指令。變頻器基本組成

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)圖6-29PWM變頻器的主電路原理圖ABC電源V1V4V3V6V5V2

V1

V5

V2

V3

V4

V6

t1

t2

t3

t4

t5

t6

在t1、t2時(shí)間內(nèi)，V1、V6同時(shí)導(dǎo)通在t4、t5時(shí)間內(nèi)，V3、V4同時(shí)導(dǎo)通在t3、t4時(shí)間內(nèi)，V3、V2同時(shí)導(dǎo)通在t6、t1時(shí)間內(nèi)，V5、V6同時(shí)導(dǎo)通在t5、t6時(shí)間內(nèi)，V5、V4同時(shí)導(dǎo)通。在t2、t3時(shí)間內(nèi)，V1、V2同時(shí)導(dǎo)通

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

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

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

T1

T5

T2

T3

T4

T6

t1

t2

t3

t4

t5

t6

下面討論逆變管V1～V6以怎樣的順序動(dòng)作（導(dǎo)通和關(guān)斷）才能將直流電變?yōu)槿嘟涣麟?？如圖所示，在t1、t2時(shí)間內(nèi)，V1、V6同時(shí)導(dǎo)通，A為正，B為負(fù)，uAB為正。在t4、t5時(shí)間內(nèi)，V3、V4同時(shí)導(dǎo)通，A為負(fù)，B為正，uAB為負(fù)。在t3、t4時(shí)間內(nèi)，V3、V2同時(shí)導(dǎo)通，B為正，C為負(fù)，uBC為正。在t6、t1時(shí)間內(nèi)，V5、V6同時(shí)導(dǎo)通，B為負(fù)，C為正，uBC為負(fù)。在t5、t6時(shí)間內(nèi)，V5、V4同時(shí)導(dǎo)通，C為正，A為負(fù)，uCA為正。在t2、t3時(shí)間內(nèi)，V1、V2同時(shí)導(dǎo)通，C為負(fù)，A為正，uCA為負(fù)。圖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(shí)間，其余為關(guān)斷狀態(tài)。

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)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(shí)，改變輸出電壓脈沖的占空比，就能同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻和變壓。與圖a相比，圖b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。脈寬調(diào)制的輸出電壓

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)SPWM

變頻器輸出三相頻率和電壓均可調(diào)整的等效于正弦波的脈寬調(diào)制波，即可拖動(dòng)三相異步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。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(shí)現(xiàn)SPWM（正弦波脈寬調(diào)制）控制的變頻器的工作原理。如圖所示，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(hào)VT和正弦波信號(hào)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

圖電路原理圖

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)123451413u+Ud/2-Ud/2uA

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)圖規(guī)則取樣SPWM調(diào)制模式

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)最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的選擇進(jìn)給系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)負(fù)載主要由切削力F和工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力組成，從而求得負(fù)載力矩為

式中Mz—負(fù)載力矩（N·m）；F—進(jìn)給方向上的切削力（N）；

m—工件和工作臺(tái)總質(zhì)量（kg）;—導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；

—包括齒輪和絲杠在內(nèi)的傳動(dòng)系統(tǒng)總效率；

i—減速比（i>1）；g—重力加速度9.8（m/s2）。

第4節(jié)機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)1進(jìn)給電機(jī)的選擇（1）步進(jìn)電機(jī)的選擇

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)FmSi

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的伺服電動(dòng)機(jī)是根據(jù)負(fù)載條件來進(jìn)行選擇的。加在電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載有兩種：負(fù)載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載慣量。負(fù)載轉(zhuǎn)矩包括切削轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩。

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)由于步進(jìn)電機(jī)帶負(fù)載啟動(dòng)時(shí)，其啟動(dòng)頻率會(huì)進(jìn)一步降低，所以應(yīng)先計(jì)算電動(dòng)機(jī)軸上的等效負(fù)載慣量JL：式中

J1、J2—齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）;

J3—絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）。

啟動(dòng)頻率

式中fqo—空載啟動(dòng)頻率(Hz)；

M—啟動(dòng)頻率下由矩頻特性決定的電動(dòng)機(jī)輸出力矩（N·m）;

Jm—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）。

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制線路

工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制線路0(r/min)n(r/min)fq0:空載啟動(dòng)頻率M:啟動(dòng)頻率下的輸出力矩（見矩頻特性曲線）

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)以一個(gè)特定軸來進(jìn)行討論，需要將系統(tǒng)其它部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、所受力矩轉(zhuǎn)換到特定軸上，進(jìn)給系統(tǒng)總能量為E，計(jì)算其等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量將其轉(zhuǎn)化到轉(zhuǎn)速為特定軸上，設(shè)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為,特定軸能量為EK

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

計(jì)算電動(dòng)機(jī)輸出的總力矩M

式中Ma—電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)加速力矩（N·m）;

n—電動(dòng)機(jī)所需達(dá)到轉(zhuǎn)速（r/min）;

t—電動(dòng)機(jī)升速時(shí)間(s)。

工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制線路

工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制線路0(r/min)n(r/min)

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)1）負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩是由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的摩擦力和切削反作用力所引起，可用下式表示：

式中Mz—加到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m）；

F—把機(jī)械部件沿直線方向移動(dòng)所需的力（N）；

L—電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)的機(jī)械位移量（m）；Mf—折算到電機(jī)軸上的滾珠絲杠、螺母、及軸承等部分的摩擦轉(zhuǎn)矩（N·m）。所計(jì)算出的負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于或等于電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。

負(fù)載慣量計(jì)算（2）伺服電機(jī)的選擇

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)定位加速時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩計(jì)算定位加速時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩Mm（N﹒m），按下式計(jì)算：

式中nm—快速移動(dòng)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；

ta—

加速、減速時(shí)間(s)；

Jm—電機(jī)慣量（kg﹒m2）；

JL—負(fù)載慣量（kg﹒m2）；

Mz—負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N﹒m）。

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)2）進(jìn)給電機(jī)慣量與負(fù)載慣量的匹配

因此必須使電機(jī)慣量與進(jìn)給負(fù)載慣量之間有個(gè)合理的匹配。通常在電機(jī)慣量Jm與負(fù)載慣量JL（折算至電動(dòng)機(jī)軸）或總慣量Jr之間，推薦下列匹配關(guān)系：

或

或

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量Jm，可以從產(chǎn)品樣本中查到。

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)電機(jī)和負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的匹配JlJmJlJlJmJmVXX

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)第5節(jié)伺服系統(tǒng)的性能對(duì)加工精度的影響1跟隨誤差對(duì)加工精度的影響當(dāng)恒速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)速度與指令值相同，但是兩者瞬時(shí)位置有一恒定滯后。因?yàn)橹噶钍窍劝l(fā)出的，運(yùn)動(dòng)是接到指令以后才產(chǎn)生的，所以位移總是滯后指令一段距離，圖中1為指令位置曲線，2為實(shí)際位置曲線，實(shí)際位置總是滯后指令位置一個(gè)δV值，δV稱之為跟隨誤差，也叫速度誤差