第5章数控机床伺服系统

1、第5章数控机床伺服系统 第第5 5章章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 第5章数控机床伺服系统 5-1 概概 述述 伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装 置或部件，是以机床移动部件的位置和速度置或部件，是以机床移动部件的位置和速度 为控制量的自动控制系统。为控制量的自动控制系统。 在在CNCCNC机床中，伺服系统接收数控装置发出机床中，伺服系统接收数控装置发出 的速度控制量和进给位移量，经转换和放大，的速度控制量和进给位移量，经转换和放大， 驱动工作台以指定的速度移动到指定位置。驱动工作台以指定的速度移动到指定位置。 第5章数控机床伺服系统 一、伺

2、服系统的分类一、伺服系统的分类 1.1.按控制对象和使用目的分类按控制对象和使用目的分类 （1 1）进给驱动）进给驱动 控制机床各坐标轴的切削进给运动。包括控制机床各坐标轴的切削进给运动。包括 速度控制和位置控制。速度控制和位置控制。 （2 2）主轴驱动）主轴驱动 主要控制机床主轴在切削过程中的速度。主要控制机床主轴在切削过程中的速度。 对于有对于有C C轴功能的机床主轴，也需要位置控轴功能的机床主轴，也需要位置控 制。制。 （3 3）辅助驱动）辅助驱动 控制刀库、料库等辅助系统，多采用简易控制刀库、料库等辅助系统，多采用简易 的位置控制。的位置控制。 第5章数控机床伺服系统 2.2.按伺服系

3、统的结构分类按伺服系统的结构分类 （1 1）开环伺服系统）开环伺服系统 无位置反馈的系统，驱动元件主要是功率步无位置反馈的系统，驱动元件主要是功率步 进电机或电液脉冲马达。特点是结构简单，进电机或电液脉冲马达。特点是结构简单， 易于控制，但精度差，低速不平稳，高速扭易于控制，但精度差，低速不平稳，高速扭 矩小。矩小。 驱动电路步进电机 工作台 指令脉冲 第5章数控机床伺服系统 （2 2）闭环伺服系统）闭环伺服系统 由位置控制单元、速度控制单元、驱动元件、由位置控制单元、速度控制单元、驱动元件、 工作台、检测装置组成。特点是反馈测量装工作台、检测装置组成。特点是反馈测量装 置精度高，所以各种误差

4、都可以得到补偿，置精度高，所以各种误差都可以得到补偿， 提高了跟随精度和定位精度。提高了跟随精度和定位精度。 伺服系统 速度 控制单元 位置 控制单元 指令 测量元件 速度反馈 位置反馈 第5章数控机床伺服系统 （3 3）半闭环伺服系统）半闭环伺服系统 检测装置安装在驱动元件或中间传动部件的轴检测装置安装在驱动元件或中间传动部件的轴 上，因此是间接测量。目前数控设备大多数使上，因此是间接测量。目前数控设备大多数使 用半闭环伺服系统。用半闭环伺服系统。 工作台 伺服系统 速度 控制单元 位置 控制单元 指令 速度反馈 位置反馈 第5章数控机床伺服系统 二、对伺服系统的要求二、对伺服系统的要求 1

5、.1.对机床进给伺服系统的要求对机床进给伺服系统的要求 （1 1）高精度）高精度 （2 2）稳定性好）稳定性好 （3 3）快速响应）快速响应 （4 4）电机调速范围宽）电机调速范围宽 （5 5）低速大转矩）低速大转矩 （6 6）可靠性高）可靠性高 第5章数控机床伺服系统 2.2.对主轴伺服系统的要求对主轴伺服系统的要求 主轴伺服系统一般为速度控制系统，除前面主轴伺服系统一般为速度控制系统，除前面 的一般要求外，还具有下面的控制功能。的一般要求外，还具有下面的控制功能。 （1 1）主轴与进给驱动的同步控制）主轴与进给驱动的同步控制 （2 2）准停控制）准停控制 （3 3）角度分度控制）角度分度控

6、制 另外，对伺服系统的执行元件另外，对伺服系统的执行元件伺服电机也伺服电机也 相应提出高精度、快反应、宽调速和大转矩相应提出高精度、快反应、宽调速和大转矩 等要求。等要求。 第5章数控机床伺服系统 三、伺服系统的发展过程三、伺服系统的发展过程 第一阶段：第一阶段：2020世纪世纪7070年代以前，以电液伺年代以前，以电液伺 服系统和步进伺服系统为主。服系统和步进伺服系统为主。 第二阶段：第二阶段：2020世纪世纪70708080年代中期，直流年代中期，直流 伺服逐渐占据主导地位。伺服逐渐占据主导地位。 第三阶段：第三阶段：8080年代以后，由于交流伺服电年代以后，由于交流伺服电 机的结构、控制

7、理论及控制方法均有突破机的结构、控制理论及控制方法均有突破 性的进展。交流伺服系统得到迅速发展。性的进展。交流伺服系统得到迅速发展。 第5章数控机床伺服系统 5-2 步进电机伺服系统步进电机伺服系统 一、步进电机工作原理及种类一、步进电机工作原理及种类 1.1.步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理 步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作 用原理。即当某相定子激磁后，它吸引转子，用原理。即当某相定子激磁后，它吸引转子， 使转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐。使转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐。 + A A B B C C 60 A A B BC C 1 1

8、 22 A A B BC C 1 1 2 2 (a) (b) A相通电 B相通电 第5章数控机床伺服系统 当相绕组通直流电时当相绕组通直流电时相产生磁场相产生磁场 吸引转子使转子的齿与定子磁极上的齿吸引转子使转子的齿与定子磁极上的齿 对齐对齐断电断电通电通电转子的齿与磁转子的齿与磁 极上的齿对齐极上的齿对齐断电断电通电通电 + A A B B C C 60 A A B BC C 1 1 22 A A B BC C 1 1 2 2 (a) (b) A相通电 B相通电 若控制线路不停若控制线路不停 的按的按 顺序送电顺序送电 脉冲，步进电机脉冲，步进电机 就转动起来。顺就转动起来。顺 序相反则电机

9、反序相反则电机反 转。转。 第5章数控机床伺服系统 此方式称为三相三拍，步距角为此方式称为三相三拍，步距角为6060。 步距角：步进电机绕组的通电状态每改变步距角：步进电机绕组的通电状态每改变 一次，其转子转过的角度。一次，其转子转过的角度。 + A A B B C C 60 A A B BC C 1 1 22 A A B BC C 1 1 2 2 (a) (b) A相通电 B相通电 还有三相六拍，还有三相六拍， 即即 AABBBCAABBBC CCAACCAA 步距角为步距角为3030。 第5章数控机床伺服系统 定子不变，转子变为四个磁极。定子不变，转子变为四个磁极。 则：则： 当三相三拍时

10、，步距角为当三相三拍时，步距角为3030 当三相六拍时，步距角为当三相六拍时，步距角为1515 + A A B B C C 60 A A B BC C 1 1 22 A A B BC C 1 1 2 2 (a) (b) A相通电 B相通电 第5章数控机床伺服系统 实际步进电机定子实际步进电机定子 和转子齿数很多，和转子齿数很多， 齿数越多步距角越齿数越多步距角越 小。但定子各极的小。但定子各极的 齿依次与转子的齿齿依次与转子的齿 错开齿距的错开齿距的1/m1/m（m m 为电机相数）。为电机相数）。 A 相 B 相C 相 9 3 6 各相定子 各相转子 转子顺时针方向 绕组 定子铁心 转子铁心

11、 A相磁通 A B A B C C N S 第5章数控机床伺服系统 可以得到如下结论：可以得到如下结论： （1 1）步进电机的步距角）步进电机的步距角与定子绕组的相数与定子绕组的相数 、转子的齿数、通电方式有关，可用、转子的齿数、通电方式有关，可用 下式表示：下式表示： 式中，相拍时，式中，相拍时，=1=1； 相拍时，相拍时，=2=2； 一般为一般为0.750.753 3。 （2 2）改变步进电机定子绕组的通电顺序，转）改变步进电机定子绕组的通电顺序，转 子的旋转方向也随之改变。子的旋转方向也随之改变。 （3 3）通电状态的变化频率越高，转子的转速）通电状态的变化频率越高，转子的转速 越高。越

12、高。 mzk 360 第5章数控机床伺服系统 2.2.步进电机的分类步进电机的分类 根据磁场建立方式，可分为以下三种：根据磁场建立方式，可分为以下三种： （1 1）反应式步进电动机）反应式步进电动机 定子、转子铁芯都用软磁材料制造，定定子、转子铁芯都用软磁材料制造，定 位精度可以做得很高、步矩角可以较小。位精度可以做得很高、步矩角可以较小。 工作时完全靠磁阻的变化产生工作转矩。工作时完全靠磁阻的变化产生工作转矩。 此类步进电机一旦断电就完全失去工作此类步进电机一旦断电就完全失去工作 力矩。力矩。 第5章数控机床伺服系统 （2 2）永磁式步进电动机永磁式步进电动机 定子、转子铁芯的其中之一以永磁

13、材料定子、转子铁芯的其中之一以永磁材料 制造（大多数是转子），另一件用软磁制造（大多数是转子），另一件用软磁 材料。材料。 （3 3）混合式步进电动机混合式步进电动机 是反应式与永磁式步进电动机的混合，是反应式与永磁式步进电动机的混合， 它可以实现断电以后获得一定数量的剩它可以实现断电以后获得一定数量的剩 余转矩，还可以使步距角很小。余转矩，还可以使步距角很小。 第5章数控机床伺服系统 二、步进电动机的主要特性二、步进电动机的主要特性 1.1.静态矩角特性和最大静转矩静态矩角特性和最大静转矩 当步进电动机在某相通电时，在电机轴上施加当步进电动机在某相通电时，在电机轴上施加 一个负载转矩，转子会

14、转过一个角度一个负载转矩，转子会转过一个角度，转子，转子 受一个电磁转矩受一个电磁转矩T T作用与负载平衡，该电磁转作用与负载平衡，该电磁转 矩矩T T称为静态转矩，该角度称为静态转矩，该角度称为失调角。称为失调角。 静态转矩随失调角的变化曲线称为矩角特性，静态转矩随失调角的变化曲线称为矩角特性， 曲线上电磁转矩最大值称为最大静转矩。曲线上电磁转矩最大值称为最大静转矩。 F Fq Tmax 定子 T /2- /2 静态稳定区 第5章数控机床伺服系统 2.2.最高空载起动频率最高空载起动频率 在空载条件下，步进电动机能够正常起动可在空载条件下，步进电动机能够正常起动可 以施加的最高脉冲频率。起动

15、时指令脉冲频以施加的最高脉冲频率。起动时指令脉冲频 率应小于起动频率，否则将产生失步。步进率应小于起动频率，否则将产生失步。步进 电动机在带负载下的起动频率比空载要低。电动机在带负载下的起动频率比空载要低。 3.3.最高空载运行频率最高空载运行频率 在空载条件下，步进电动机进入正常工作状在空载条件下，步进电动机进入正常工作状 态后，能够维持不丢步运行的最高频率。它态后，能够维持不丢步运行的最高频率。它 通常是最高起动频率的通常是最高起动频率的4 41010倍。倍。 第5章数控机床伺服系统 4.4.运行矩频特性运行矩频特性 是描述步进电动机在连续运行时，输出转是描述步进电动机在连续运行时，输出转

16、 矩与连续运行频率之间的关系。它是衡量矩与连续运行频率之间的关系。它是衡量 步进电机运转时承载能力的动态指标。步进电机运转时承载能力的动态指标。 f T 图中每一频率所对图中每一频率所对 应的转矩称为动态应的转矩称为动态 转矩。随着运行频转矩。随着运行频 率的上升，输出转率的上升，输出转 矩下降，承载能力矩下降，承载能力 下降。下降。 第5章数控机床伺服系统 三、步进电动机的基本工作状态三、步进电动机的基本工作状态 步进电动机的基本工作状态可分为静态、稳步进电动机的基本工作状态可分为静态、稳 态、过渡状态三种。态、过渡状态三种。 1.1.静态静态 是指步进电动机某相通以恒定的电流，使转是指步进

17、电动机某相通以恒定的电流，使转 子处于固定位置的状态。在静态时，绕组中子处于固定位置的状态。在静态时，绕组中 的电流最大，有时会产生发热现象。的电流最大，有时会产生发热现象。 2.2.稳态稳态 是指步进电动机在某一固定频率下恒速运转是指步进电动机在某一固定频率下恒速运转 状态。它分为以下三个区：状态。它分为以下三个区： 第5章数控机床伺服系统 （1 1）低频区）低频区 步进电动机工作于较低的频率区内，在这个步进电动机工作于较低的频率区内，在这个 范围内，步进电动机转子每转动一步的时间范围内，步进电动机转子每转动一步的时间 比换相周期小。在低频区工作的步进电动机比换相周期小。在低频区工作的步进电

18、动机 会引起较大的振动并影响精度。会引起较大的振动并影响精度。 理想角位移 实际角位移 t 低频步进示意图低频步进示意图 第5章数控机床伺服系统 （2 2）共振区）共振区 当频率在接近转子的共振频率或在共振频率整当频率在接近转子的共振频率或在共振频率整 数倍的区域为共振区。在这个区内会产生较大数倍的区域为共振区。在这个区内会产生较大 的振动。的振动。 （3 3）高频区）高频区 这是高于共振区的频率区间。在这个区间内步这是高于共振区的频率区间。在这个区间内步 进电动机能正常工作。进电动机能正常工作。 3.3.过渡状态过渡状态 是指步进电动机从一种工作状态转变到另一工是指步进电动机从一种工作状态转

19、变到另一工 作状态。过渡过程中频率变化差值应小于起动作状态。过渡过程中频率变化差值应小于起动 频率。频率。 第5章数控机床伺服系统 四、步进电动机驱动电路四、步进电动机驱动电路 主要由输入脉冲信号隔离接口、环形分配主要由输入脉冲信号隔离接口、环形分配 环节和功率放大电路等部分组成。环节和功率放大电路等部分组成。 输入信号 隔离接口 脉冲 环形分配 环节 功能型 功率放大 电路 驱动电路 供电电源 指令脉冲 步进电动机 激磁绕组 驱动电源 第5章数控机床伺服系统 1.1.光电耦合隔离接口光电耦合隔离接口 光电耦合隔离电路光电耦合隔离电路 来自数控装置 的控制脉冲 Vcc 至功率放大电路 光电耦

20、合器件 R2 R1 数控装置输出的脉数控装置输出的脉 冲控制信号在和步冲控制信号在和步 进电动机的驱动电进电动机的驱动电 路相联接时，都必路相联接时，都必 须设置一个光电耦须设置一个光电耦 合隔离接口，以防合隔离接口，以防 止外部驱动电路对止外部驱动电路对 计算机内部极敏感计算机内部极敏感 集成电路的干扰和集成电路的干扰和 损坏。损坏。 第5章数控机床伺服系统 2.2.脉冲的环形分配器脉冲的环形分配器 有硬件和软件两种实现方式。有硬件和软件两种实现方式。 （1 1）硬件环形分配器）硬件环形分配器 & & & & & & & & & J Q C K _ Q R J Q C K _ Q R J Q

21、 C K _ Q R 正向控制 反向控制 A 相 B 相 C 相 指令脉冲 置“ 0” 它可由它可由D D触发器和触发器和 JKJK触发器构成，亦触发器构成，亦 可采用专用集成芯可采用专用集成芯 片或通用可编程逻片或通用可编程逻 辑器件。图为三相辑器件。图为三相 步进电动机六拍工步进电动机六拍工 作时的环形分配器。作时的环形分配器。 它由与非门和它由与非门和JKJK触触 发器组成。发器组成。 第5章数控机床伺服系统 （2 2）软件环形分配）软件环形分配 软件环形分配是由计算机的内部工作程序来软件环形分配是由计算机的内部工作程序来 完成，因此它应放在光电耦合隔离电路之前。完成，因此它应放在光电耦

22、合隔离电路之前。 软件环形分配器的设计方法有多种，这里介软件环形分配器的设计方法有多种，这里介 绍常用的查表法软件环形分配器。绍常用的查表法软件环形分配器。 PA0 PA1 PA2 并行I/O接口 光电 耦合器 功率 放大器 步进 电动机 A B C 软件环形分配伺服系统框图软件环形分配伺服系统框图 第5章数控机床伺服系统 环形分配器的输出状态如下表所示，表中的环形分配器的输出状态如下表所示，表中的 内容即步进电机的励磁状态，与接口的接线内容即步进电机的励磁状态，与接口的接线 紧密相关。紧密相关。 软件环形分配器简化了驱动电路的硬件，但软件环形分配器简化了驱动电路的硬件，但 占用系统运算时间，

23、故用的比较多的还是硬占用系统运算时间，故用的比较多的还是硬 件环形分配器。件环形分配器。 第5章数控机床伺服系统 3.3.功率放大电路功率放大电路 从环形分配器输出的进给控制信号的电流从环形分配器输出的进给控制信号的电流 只有几毫安，而步进电机的定子绕组需要只有几毫安，而步进电机的定子绕组需要 几安培的电流，因此需要对从环形分配器几安培的电流，因此需要对从环形分配器 输出的进给控制信号进行功率放大。输出的进给控制信号进行功率放大。 功率放大器要能尽快建立激磁绕组的工作功率放大器要能尽快建立激磁绕组的工作 电流，保持激磁绕组中的额定工作电流，电流，保持激磁绕组中的额定工作电流， 断电后在最短时间

24、内消除剩余电流的影响。断电后在最短时间内消除剩余电流的影响。 第5章数控机床伺服系统 介绍几种功率放大电路介绍几种功率放大电路 （1 1）简单限流电阻电路）简单限流电阻电路 用开关型三极管作为导通、用开关型三极管作为导通、 切断工作电流的控制元件。切断工作电流的控制元件。 在电压施加于功率放大电在电压施加于功率放大电 路的瞬间，激磁绕组两端路的瞬间，激磁绕组两端 直接以额定电压起动。随直接以额定电压起动。随 着电流逐渐建立和增大电着电流逐渐建立和增大电 压降增高。最后达到稳态压降增高。最后达到稳态 的额定工作电流。的额定工作电流。 来自环形分配 器的指令脉冲 L R V L R V D L R

25、 V D Rc L R V L V D V1 低压 高压 C （a） （b） （c）（d） （e） 第5章数控机床伺服系统 （2 2）增加续流二极管电路）增加续流二极管电路 在电路中并联在电路中并联 一个反向二极一个反向二极 管，用来释放管，用来释放 断电后激磁绕断电后激磁绕 组内部出现的组内部出现的 惯性电流（续惯性电流（续 流电流）流电流） 来自环形分配 器的指令脉冲 L R V L R V D L R V D Rc L R V L V D V1 低压 高压 C （a） （b） （c）（d） （e） 第5章数控机床伺服系统 （3 3）并联增流电容电路并联增流电容电路 为使激磁绕组在通为使激

26、磁绕组在通 电瞬间的工作电流电瞬间的工作电流 建立得更加迅速，建立得更加迅速， 可在限流电阻的两可在限流电阻的两 端再并联上一个大端再并联上一个大 电容来减小回路的电容来减小回路的 动态阻抗，而稳态动态阻抗，而稳态 工作时的阻抗仍然工作时的阻抗仍然 仅为限流电阻本身。仅为限流电阻本身。 来自环形分配 器的指令脉冲 L R V L R V D L R V D Rc L R V L V D V1 低压 高压 C （a） （b） （c）（d） （e） 第5章数控机床伺服系统 （4 4）双电压工作电路）双电压工作电路 安排两种供电电压，分安排两种供电电压，分 别承担高压起动和在额别承担高压起动和在额

27、定电流下工作的任务，定电流下工作的任务， 则可以提高驱动电路的则可以提高驱动电路的 工作效率。工作效率。 为防止高压电路对低压为防止高压电路对低压 电路的电路的“窜入窜入”，在低，在低 压输入端串联一个保护压输入端串联一个保护 二极管二极管D D。 来自环形分配 器的指令脉冲 L R V L R V D L R V D Rc L R V L V D V1 低压 高压 C （a） （b） （c）（d） （e） 第5章数控机床伺服系统 4.4.步进电动机的细分驱动技术步进电动机的细分驱动技术 把额定电流分成把额定电流分成n n个台阶进行通电，转子就个台阶进行通电，转子就 以以n n个通电台阶所决定

28、的步数来完成原有一个通电台阶所决定的步数来完成原有一 个步距角所转过的角度。个步距角所转过的角度。 步距角脉冲步距角脉冲1/n1/n步距角脉冲步距角脉冲 把原来一个步距角细分成把原来一个步距角细分成n n份，从而提高步份，从而提高步 进电动机的精度。把这种控制方法称为步进电动机的精度。把这种控制方法称为步 进电动机的细分控制。进电动机的细分控制。 第5章数控机床伺服系统 三相步进电动机双三拍细分时各相电流时序图 A相 B相 C相 双三拍 步进脉冲 细分后 步进脉冲 第5章数控机床伺服系统 步进电动机细分后，由步进电动机细分后，由n n微步来完成原来微步来完成原来 一步距所转过的角度，所以通过细

29、分驱动一步距所转过的角度，所以通过细分驱动 可得到更小的脉冲当量，因而提高了定位可得到更小的脉冲当量，因而提高了定位 精度。精度。 由于绕组电流均匀地递增或递减，避免了由于绕组电流均匀地递增或递减，避免了 电流冲击，基本消除了步进电动机低速振电流冲击，基本消除了步进电动机低速振 动，使步进电动机低速动转平稳，无噪声。动，使步进电动机低速动转平稳，无噪声。 第5章数控机床伺服系统 5-3 直流伺服电动机及其速度控制直流伺服电动机及其速度控制 以直流伺服电机作为驱动元件的伺服系统称以直流伺服电机作为驱动元件的伺服系统称 为直流伺服系统。为直流伺服系统。 一、直流伺服电机的结构和种类一、直流伺服电机

30、的结构和种类 1.1.小惯量直流伺服电动机小惯量直流伺服电动机 转子直径较小，使电枢的转动惯量较小。转子直径较小，使电枢的转动惯量较小。 特点是响应速度快，有利于工作中频繁启停。特点是响应速度快，有利于工作中频繁启停。 运转时的均衡性好，低速时无爬行现象。运转时的均衡性好，低速时无爬行现象。 主要用在进给伺服系统中。主要用在进给伺服系统中。 第5章数控机床伺服系统 2.2.大惯量直流伺服电动机大惯量直流伺服电动机 其结构与普通直流电动机比较相似。其结构与普通直流电动机比较相似。 电动机转子的惯量较大，负载的变化及不电动机转子的惯量较大，负载的变化及不 稳定对系统影响较小。稳定对系统影响较小。

31、这种直流电动机用在主轴伺服系统中较多。这种直流电动机用在主轴伺服系统中较多。 第5章数控机床伺服系统 二、直流电动机工作原理及特性二、直流电动机工作原理及特性 1.1.直流电动机工作原理直流电动机工作原理 直流电动机由磁场（定子）、电枢（转子）、直流电动机由磁场（定子）、电枢（转子）、 电刷和换向片三部分组成。电刷和换向片三部分组成。 通电导线在磁场中要受到力的作用，大小为通电导线在磁场中要受到力的作用，大小为 ，方向用左手定则判断。，方向用左手定则判断。 N S B I F N S + - 电枢 线圈 换 向 片 电 刷n (a) (b) BILF 第5章数控机床伺服系统 当磁场由永磁材料形

32、成时，磁场强度一定，当磁场由永磁材料形成时，磁场强度一定， 直流电动机的输出转矩为：直流电动机的输出转矩为： 其中：其中： 直流电动机的输出转矩直流电动机的输出转矩 与结构及磁场性质相关的转矩常数与结构及磁场性质相关的转矩常数 电枢线圈中通过的电流电枢线圈中通过的电流 直流电动机的输出转矩与电枢线圈的电流直流电动机的输出转矩与电枢线圈的电流 成线性比例关系。成线性比例关系。 aTi KT T a i T K 第5章数控机床伺服系统 直流电动机处于某工作转速时，电枢线圈在直流电动机处于某工作转速时，电枢线圈在 定子磁场中的转动相当于导体作切割磁力线定子磁场中的转动相当于导体作切割磁力线 的运动，

33、根据楞次定律，将产生感应电动势：的运动，根据楞次定律，将产生感应电动势： 其中：其中： 电枢线圈所产生的反电势电枢线圈所产生的反电势 与结构及磁场性质相关的电磁常数与结构及磁场性质相关的电磁常数 直流电动机的工作转速直流电动机的工作转速 nKE bb b E n b K 第5章数控机床伺服系统 施加在电枢线圈上的电压主要用以克服施加在电枢线圈上的电压主要用以克服 反电势。但由于电枢线圈本身必然有电反电势。但由于电枢线圈本身必然有电 阻，也要耗散一部分能量，故外加的电阻，也要耗散一部分能量，故外加的电 压为：压为： 其中：其中： 电枢线圈本身的电阻电枢线圈本身的电阻 aaba RiEu a R

34、第5章数控机床伺服系统 将上面三式联立后得出以下关系：将上面三式联立后得出以下关系： T KK R u K n Tb a a b 1 上式综合表述了稳态条件下直流电动机上式综合表述了稳态条件下直流电动机 的输出转矩、施加在电枢线圈上的电源的输出转矩、施加在电枢线圈上的电源 电压、工作转速以及电动机自身结构和电压、工作转速以及电动机自身结构和 性能参数之间的关系。性能参数之间的关系。 第5章数控机床伺服系统 2.2.直流电动机的机械特性和调速特性及调直流电动机的机械特性和调速特性及调 速原理速原理 机械特性图显示：直流电动机工作转速主机械特性图显示：直流电动机工作转速主 要取决于施加于电枢线圈上

35、的电源电压。要取决于施加于电枢线圈上的电源电压。 调速特性图说明：对电枢线圈所施加的电调速特性图说明：对电枢线圈所施加的电 源电压与工作转速之间是线性关系。源电压与工作转速之间是线性关系。 T nn ua ua T (a)(b) 直流电动机的机械特性和调速特性直流电动机的机械特性和调速特性 第5章数控机床伺服系统 直流伺服电动机速度控制方式：直流伺服电动机速度控制方式： （1 1）电枢电压控制）电枢电压控制 通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号 来控制电动机的转速和输出转矩。特点是来控制电动机的转速和输出转矩。特点是 转速和电压呈直线关系，调速过程平稳。转速

36、和电压呈直线关系，调速过程平稳。 （2 2）励磁磁场控制励磁磁场控制 通过改变励磁电流大小来改变定子磁场强通过改变励磁电流大小来改变定子磁场强 度，从而控制电动机的转速和输出转矩。度，从而控制电动机的转速和输出转矩。 第5章数控机床伺服系统 三、晶闸管调速系统三、晶闸管调速系统 晶闸管是一种大功率的半导体器件。晶闸管是一种大功率的半导体器件。 导通条件：除了在导通条件：除了在 阳极阳极阴极间加上阴极间加上 正向电压外，还要正向电压外，还要 在控制极在控制极阴极间阴极间 加正向触发电压。加正向触发电压。 这样晶闸管才能导这样晶闸管才能导 通，否则就处于阻通，否则就处于阻 断状态。断状态。 a-阳

37、极 b-阴极 g-控制极 晶闸管的代表符号晶闸管的代表符号 第5章数控机床伺服系统 图）单相晶闸管整形放大电路图）单相晶闸管整形放大电路 图）变压器副边绕组上的电压波形图）变压器副边绕组上的电压波形 图）转子线圈上的电压波形图）转子线圈上的电压波形 图）控制极触发脉冲的相位角图）控制极触发脉冲的相位角 v1 v2 + - + - T1T2 D1 D2 D L RL vL iL iD v2 t t t t v vL 2 T1,L 导通 T2,L 导通 （a） （b） （c） （d） （e） vg 单相桥式晶闸管整形放大电路单相桥式晶闸管整形放大电路 第5章数控机床伺服系统 该系统由内环该系统由内

38、环电流环、外环电流环、外环速度环和速度环和 可控硅整流放大器等组成。可控硅整流放大器等组成。 内环的作用：由电流调节器对电动机电枢内环的作用：由电流调节器对电动机电枢 回路中引起滞后作用的某些时间常数进行回路中引起滞后作用的某些时间常数进行 补偿，使动态电流按所需的规律变化。补偿，使动态电流按所需的规律变化。 速度调节器电流调节器 触发脉冲 发生器 SCR 电流反馈 速度反馈 + - 测速机 电动机 UR Uf ESIR If EI 晶闸管直流调速单元结构框图晶闸管直流调速单元结构框图 第5章数控机床伺服系统 直流晶闸管调速系统的工作原理如下：直流晶闸管调速系统的工作原理如下： （1 1）当速

39、度指令信号增大时，速度调节器）当速度指令信号增大时，速度调节器 输入端偏差信号加大，输出信号也增加，输入端偏差信号加大，输出信号也增加， 电流调节器输入和输出同时增加，使触发电流调节器输入和输出同时增加，使触发 器的输出脉冲前移，器的输出脉冲前移，角减小，电枢回路角减小，电枢回路 电压增高，电动机转速上升。电压增高，电动机转速上升。 （2 2）当电网电压产生波动时，如电压减小，）当电网电压产生波动时，如电压减小， 主回路电流随之减小。主回路电流随之减小。 （3 3）当速度给定信号为一个阶跃信号时，）当速度给定信号为一个阶跃信号时， 电流调节器输入一个很大的值，但其值已电流调节器输入一个很大的值

40、，但其值已 达到速定的饱和值。达到速定的饱和值。 第5章数控机床伺服系统 四、晶体管脉宽调制（四、晶体管脉宽调制（PWMPWM）调速控制）调速控制 晶体管开关特性好，控制电路简单，而且晶晶体管开关特性好，控制电路简单，而且晶 体管的耐压性能已大大提高。因此，在中、体管的耐压性能已大大提高。因此，在中、 小功率直流伺服系统中，此方式驱动系统已小功率直流伺服系统中，此方式驱动系统已 得到广泛应用。得到广泛应用。 1.1.直流电动机的直流电动机的PWMPWM调速原理调速原理 使功率晶体管工作于开关状态，开关频率恒使功率晶体管工作于开关状态，开关频率恒 定，用改变开关导通时间的方法来调整晶体定，用改变

41、开关导通时间的方法来调整晶体 管的输出。使电动机两端得到宽度随时间变管的输出。使电动机两端得到宽度随时间变 化的电压脉冲。化的电压脉冲。 第5章数控机床伺服系统 电枢两端的平均电压为：电枢两端的平均电压为： 开关周期开关周期 每次导通的时间每次导通的时间 M + - D iL u U UL t UL T T 1 2 U UL1 UL2 (a)(b) U T U L T 脉宽调制示意图脉宽调制示意图 第5章数控机床伺服系统 2.2.电压脉宽调制器电压脉宽调制器 脉宽调制器的任务是将连续控制信号变成脉宽调制器的任务是将连续控制信号变成 方波脉冲信号，作为功率转换电路的基极方波脉冲信号，作为功率转换

42、电路的基极 输入信号，控制直流电动机的转速和转矩。输入信号，控制直流电动机的转速和转矩。 脉宽调制器结构上是由调制信号发生器和脉宽调制器结构上是由调制信号发生器和 比较放大器两部分组成。比较放大器两部分组成。 调制信号发生器都是采用三角波发生器或调制信号发生器都是采用三角波发生器或 是锯齿波发生器。是锯齿波发生器。 第5章数控机床伺服系统 三角波脉冲宽度调制器原理图三角波脉冲宽度调制器原理图 C1 C2 C3 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 RF R R11 R12 D1 D2 D3 D4 电压(流)反馈值 电压(流)设定值 Ua Ua* 方波发生器 U t Ut

43、 t 三角波发生器 产生三角载波 U Ut Uc Uc t Us t Us IC1-A IC1-B IC1-C IC1-D 第5章数控机床伺服系统 PWMPWM脉宽调制波形图脉宽调制波形图 Uc t Ut t Uc+Ut t Us t Uc t t Uc t t 0 0 0 0 0 0 0 0 Ut Uc+Ut Us Uc t t Uc t t 0 0 0 0 Ut Uc+Ut Us (a) (b) (c) T Ut F 第5章数控机床伺服系统 3.3.开关功率放大器开关功率放大器 开关功率放大器是脉宽调制速度单元的主开关功率放大器是脉宽调制速度单元的主 回路，其结构形式有两种形式，一种是回路

44、，其结构形式有两种形式，一种是H H 型（也称桥式），另一种是型（也称桥式），另一种是T T型。型。 每种电路又有单极性工作方式和双极性工每种电路又有单极性工作方式和双极性工 作方式之分，而各种不同的工作方式又可作方式之分，而各种不同的工作方式又可 组成可逆开关放大电路和不可逆开关放大组成可逆开关放大电路和不可逆开关放大 电路。电路。 第5章数控机床伺服系统 H H型桥式型桥式PWMPWM功率放大器电路原理图功率放大器电路原理图 M A B VT1 VT2 VT3 VT4 D1D2 D3D4 ES ub1 ub2 ub3 ub4 Us t 0 -Us t 0 第5章数控机床伺服系统 按照控制指

45、令不同情况，功率放大电路及按照控制指令不同情况，功率放大电路及 其所驱动的电机可以有以下其所驱动的电机可以有以下4 4种工作状态。种工作状态。 （1 1）当）当Uc=0Uc=0时，电动机不转。时，电动机不转。 （2 2）当）当UcUc0 0时，导致电动机正转。并且，时，导致电动机正转。并且， 随着随着UcUc增加，转速亦增加。增加，转速亦增加。 （3 3）当）当UcUc0 0时，导致电动机反转。并且，时，导致电动机反转。并且， 随着随着UcUc减小，转速增加。减小，转速增加。 （4 4）当）当UcUtF/2UcUtF/2或或Uc-UtF/2Uc-UtF/2时，电动时，电动 机在最高转速下正转或

46、反转。机在最高转速下正转或反转。 第5章数控机床伺服系统 5-4 交流伺服电动机及变频调速交流伺服电动机及变频调速 直流伺服电动机：直流伺服电动机： 电刷和换向器易磨损，有时产生火花，而电刷和换向器易磨损，有时产生火花，而 且结构复杂，制造成本较高。且结构复杂，制造成本较高。 交流伺服电动机：交流伺服电动机： 结构简单，动态响应好，输出功率较大，结构简单，动态响应好，输出功率较大， 因而在数控机床上被越来越广泛应用。因而在数控机床上被越来越广泛应用。 第5章数控机床伺服系统 一、交流伺服电动机的种类和工作原理一、交流伺服电动机的种类和工作原理 1.1.永磁式交流伺服电动机永磁式交流伺服电动机

47、永磁式交流伺服电动机由定子、转子组成，永磁式交流伺服电动机由定子、转子组成， 一般都带有检测元件。它相当于交流同步一般都带有检测元件。它相当于交流同步 电动机，常用于进给伺服系统。电动机，常用于进给伺服系统。 N S ns nr ns 设转子转速为设转子转速为 电源交流电的频率电源交流电的频率 定子和转子极对数定子和转子极对数 旋转磁场转速旋转磁场转速 pfnn sr 60 r n f s n p 第5章数控机床伺服系统 2.2.感应式交流伺服电动机感应式交流伺服电动机 它是基于感应电动机的结构而专门设计的。它是基于感应电动机的结构而专门设计的。 在定子绕组通以交流电时，产生的旋转磁场在定子绕

48、组通以交流电时，产生的旋转磁场 会切割转子中的导体，导体感应电流与定子会切割转子中的导体，导体感应电流与定子 磁场相作用产生电磁转矩，推动转子转动，磁场相作用产生电磁转矩，推动转子转动， 其转速为：其转速为： 同步转速同步转速转子转速转子转速 供电电源频率供电电源频率 转差率转差率极对数极对数 )1 ( 60 )1 (s p f snn sr s r n f s n p 第5章数控机床伺服系统 二、交流伺服电动机变频调速的主电路二、交流伺服电动机变频调速的主电路 只要改变交流伺服电动机的供电频率，即可只要改变交流伺服电动机的供电频率，即可 改变交流伺服电动机的转速。改变交流伺服电动机的转速。

49、变频调速的主要环节是为电动机提供频率可变频调速的主要环节是为电动机提供频率可 变电源的变频器。变电源的变频器。 变频器可分为两种：变频器可分为两种： （1 1）交）交- -交变频器交变频器 （2 2）交）交- -直直- -交变频器交变频器 第5章数控机床伺服系统 （1 1）交）交- -交变频器交变频器 交交- -交变频利用可控硅整流器直接将工频交变频利用可控硅整流器直接将工频 交流电变成频率较低的脉动交流电，正交流电变成频率较低的脉动交流电，正 组输出正脉冲，反组输出负脉冲。这个组输出正脉冲，反组输出负脉冲。这个 脉动交流电的基波就是所需的变频电压。脉动交流电的基波就是所需的变频电压。 负载

50、50Hz 50Hz 正组反组 + - + - U0 （a） 整流 50Hz 逆变 M （b） 滤波 交流电动机 但这种方法所得但这种方法所得 到的交流电中波到的交流电中波 动比较大，而且动比较大，而且 最大频率即为变最大频率即为变 频器输入的工频频器输入的工频 电压频率。电压频率。 第5章数控机床伺服系统 （2 2）交）交- -直直- -交变频器交变频器 它先将交流电整流成直流电，然后将直流电它先将交流电整流成直流电，然后将直流电 压变成脉冲波电压，这个矩形脉冲波的基波压变成脉冲波电压，这个矩形脉冲波的基波 频率就是所需的变频电压。这种方式所得交频率就是所需的变频电压。这种方式所得交 流电的波

51、动小，调频范围比较宽，调节线性流电的波动小，调频范围比较宽，调节线性 好。数控机床上常采用交好。数控机床上常采用交- -直直- -交变频调速。交变频调速。 负载 50Hz 50Hz 正组反组 + - + - U0 （a） 整流 50Hz 逆变 M （b） 滤波 交流电动机 第5章数控机床伺服系统 三、三、SPWMSPWM波调制原理波调制原理 1.SPWM1.SPWM波波 SPWMSPWM波调制称正弦波波调制称正弦波PWMPWM调制。调制。 SPWMSPWM波形的定义：波形的定义： U t 0 0 U t （a） （b） 把一个正弦半波把一个正弦半波N N 等分，然后把每一等分，然后把每一 等分

52、的正弦曲线与等分的正弦曲线与 横坐标所围面积用横坐标所围面积用 一个与此面积相等一个与此面积相等 的等高矩形脉冲代的等高矩形脉冲代 替，这样可得替，这样可得N N个个 等高而不等宽的脉等高而不等宽的脉 冲序列。冲序列。 第5章数控机床伺服系统 2.2.一相一相SPWMSPWM波调制原理波调制原理 C1 C2 R1 R2 R3 R4 R5 R7 R6 RF R D1 D2 D3 D4 方波发生器 U t Ut t 三角波发生器 产生三角载波 U Ut U0 t U0 IC1-A IC1-B IC1-C U1 t 双极性双极性SPWMSPWM波调制原理（一相）波调制原理（一相） 第5章数控机床伺服

53、系统 在调制过程中可以是双极性调制，也可以是在调制过程中可以是双极性调制，也可以是 单极性调制。双极性调制能同时调制出正半单极性调制。双极性调制能同时调制出正半 波和负半波。而单极性调制只能调制出正半波和负半波。而单极性调制只能调制出正半 波或负半波。波或负半波。 U t 0 0 U0 t （a） （b） Ut U1 等效正 弦波 单极性单极性SPWMSPWM波调制波形图波调制波形图 第5章数控机床伺服系统 3.3.三相三相SPWMSPWM波的调制波的调制 控制 信号 振荡 器 三角波发生器 + + + - - - 控制信号 Ua Ub Uc U0a U0b U0c 驱动 T1T6 三相三相S

54、PWMSPWM波调制原理框图波调制原理框图 第5章数控机床伺服系统 4.SPWM4.SPWM变频器的功率放大变频器的功率放大 M D1 D2 D3 D4 D5D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 50Hz SPWM T1 T2 T3 T4 T5 T6 U0a 反U0a U0b 反U0b U0c 反U0c 双极性双极性SPWMSPWM通用型功率放大主回路通用型功率放大主回路 第5章数控机床伺服系统 四、交流伺服系统组成四、交流伺服系统组成 一个完整的交流伺服系统主要由变频电源和一个完整的交流伺服系统主要由变频电源和 伺服电动机组成。伺服电动机组成。 1.1.变频电源变频电源 因运行时其

55、散热表面的温度可高达因运行时其散热表面的温度可高达9090，所，所 以大多数要求壁挂立式安装，并在电源机壳以大多数要求壁挂立式安装，并在电源机壳 内配有冷却风扇以保证热量得到充分的散发。内配有冷却风扇以保证热量得到充分的散发。 多台变频电源安装在一起时要尽量避免竖排多台变频电源安装在一起时要尽量避免竖排 安装，如必须竖排则要在两层间配备隔热板。安装，如必须竖排则要在两层间配备隔热板。 变频电源工作的环境温度不准超过变频电源工作的环境温度不准超过5050。 第5章数控机床伺服系统 交流伺服系统总体设备接线情况交流伺服系统总体设备接线情况 第5章数控机床伺服系统 2.2.变频电源的选用变频电源的选用 选