第六章数控机床伺服系统

1、CNC第第六六章章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 主要内容主要内容 6.1 概述概述 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统 6.5 直线电机及其在数控机床中的应用简介直线电机及其在数控机床中的应用简介 6.6 位置控制位置控制 CNC6.1 概述概述 伺服驱动系统的定义伺服驱动系统的定义: 伺服驱动系统接收数控单元的位移伺服驱动系统接收数控单元的位移/速度控制速度控制 指令指令,驱动工作台驱动工作台/主轴按照控制指令的要求主轴按照控制指

2、令的要求 进行运动。进行运动。 伺服驱动系统直接影响移动速度、跟踪精度、伺服驱动系统直接影响移动速度、跟踪精度、 定位精度等一系列重要指标，是数控机床的定位精度等一系列重要指标，是数控机床的 关键技术。关键技术。 CNC6.1 概述概述 伺服驱动系统的作用伺服驱动系统的作用: 接受接受CNC装置发出的位移指令信号，由伺装置发出的位移指令信号，由伺 服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电 机（直流、交流伺服电机、步进电机等）和机机（直流、交流伺服电机、步进电机等）和机 械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实 现工

3、作进给或快速运动。现工作进给或快速运动。 CNC 数控机床的伺服驱动数控机床的伺服驱动 6.1 概述概述 CNC6.1 概述概述 一、数控机床对进给伺服系统的要求有：一、数控机床对进给伺服系统的要求有： 1高精度（高精度（输出量能复现输入量的精确程度）输出量能复现输入量的精确程度） 2 2稳定性好稳定性好（抗干扰能力）抗干扰能力） 3 3响应速度快响应速度快（系统跟踪精度）系统跟踪精度） 4 4电机调速范围宽电机调速范围宽（最高转速和最低转速比）最高转速和最低转速比） 5 5低速大转矩低速大转矩 6 6可靠性高可靠性高( (对环境的适应性对环境的适应性) ) CNC7.1 概述概述 二、伺服系

4、统的基本组成二、伺服系统的基本组成 CNC7.1 概述概述 三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类 按控制原理和有无检测反馈装置：开环和闭环伺按控制原理和有无检测反馈装置：开环和闭环伺 服系统；服系统； 按其用途和功能：进给驱动系统和主轴驱动系统；按其用途和功能：进给驱动系统和主轴驱动系统； 按其驱动执行元件的动作原理：电液伺服驱动系按其驱动执行元件的动作原理：电液伺服驱动系 统、电气伺服驱动系统（直流伺服驱动系统、交流统、电气伺服驱动系统（直流伺服驱动系统、交流 伺服驱动系统及直线电机伺服系统）伺服驱动系统及直线电机伺服系统） CNC6.1 概述概述 CNC6.1 概述概述 闭环进给伺服系统结

5、构闭环进给伺服系统结构 位置控制位置控制 模块模块 速度控制速度控制 单元单元 伺服伺服 电机电机 工作台工作台 位置检测位置检测 测量反馈测量反馈 速度检测速度检测 指令指令 速度环速度环 位置环位置环 CNC6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 A B C A B 逆时针旋转30 逆时针旋转30 B相通电 逆时针旋转30 A相通电 C相通电 A B C A B C1 2 3 4 C 1 2 3 4 A B C A B C 1 2 3 4 CNC 6.2.1步进电机工作原理步进电机工作原理 按电磁吸引原理工作（以反应式步进电机为例）按电磁吸引原理工作（以反应式步进

6、电机为例） 反应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有反应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有 激磁绕组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠激磁绕组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠 磁极对齿的吸合工作。磁极对齿的吸合工作。 6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 定子定子 转子转子 定子绕组定子绕组 CNC6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 A B 定子定子 转子转子 IA IB IC 两个相对的磁两个相对的磁 极组成一相。极组成一相。 注意：这里的注意：这里的 “相相”和三相和三相 交流电中的交流电中的 “相相”的概念的概念 不同。步

7、进电不同。步进电 机通的是电脉机通的是电脉 冲，主要是指冲，主要是指 线图的联接和线图的联接和 组数的区别。组数的区别。 CNC6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 步进电机的工作方式步进电机的工作方式(通电顺序通电顺序)可分为：可分为： 三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。 1 1）三相单三拍：）三相单三拍： （1 1）三相绕组联接方式：）三相绕组联接方式：Y 型型 （2 2）三相绕组中的通电顺序为：）三相绕组中的通电顺序为： A 相相 B 相相 C 相相 通电顺序也可以为：通电顺序也可以为： A 相相 C 相相 B 相

8、相 CNC6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 1 1）三相单三拍工作方式：）三相单三拍工作方式： CNC6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 B A C CB A 3 4 1 2 A 相通电使相通电使 转子转子1、3 齿和齿和 AA 对齐对齐 B A C CB A 3 4 1 2 B B A C C AB相通电，相通电， 转子转子2、4 齿和齿和B相轴相轴 线对齐线对齐 C C相通电，相通电， 转子转子1、3 齿和齿和C相轴相轴 线对齐线对齐 3 4 1 2 A B C 1 3 2 4 A B C 1 3 24 A CNC6.2 6.2

9、 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 三相单三拍的特点：三相单三拍的特点： （1）每来一个电脉冲，转子转过）每来一个电脉冲，转子转过 30。 （2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。 （3）每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失）每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失 去自锁转矩，容易产生失步，只有一相绕组产生力去自锁转矩，容易产生失步，只有一相绕组产生力 矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡 。 CNC6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 A B C A B B相通电 C A

10、相通电 A B C A B C1 2 3 4 C相通电 A B C A B C A B C A B BC相通电 C A B C A B CA相通电 C A B C A B AB相通电 C 1 2 34 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 2)三相六拍工作方式三相六拍工作方式 通电顺序为：通电顺序为：AABBBCCCAA 六拍。六拍。 CNC 通电顺序通电顺序 AABBBCCCAA（逆时针）（逆时针） AACCBCBCAA（顺时针）（顺时针） 每步转过每步转过15，步距角是三相三拍工作方式的一半，步距角是三相三拍工作方式的一半， 特点：电机运转中始终有一相定子绕组通电

11、，运转比特点：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比 较平稳。较平稳。 6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 CNC 3) )双三拍工作方式双三拍工作方式 定子绕组通电顺序为定子绕组通电顺序为 ABBCCAAB（转子逆时针旋转）（转子逆时针旋转） ACBCCA（转子顺时针旋转）（转子顺时针旋转） 有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍 旋转旋转30。 特点：始终有一相定子绕组通电，工作比较平稳。特点：始终有一相定子绕组通电，工作比较平稳。 避免了单三拍通电方式的缺点避免了单三拍通电方式的缺点 6.2 6.2 步进电

12、机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 CNC 实际上步进电机转子齿数很多，齿数越多，步实际上步进电机转子齿数很多，齿数越多，步 距角越小距角越小 6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 为改善运行性能，定子磁极上的齿的齿距与转子的为改善运行性能，定子磁极上的齿的齿距与转子的 齿距相同，但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的齿距相同，但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的1 m（m电机相数）。每次定子绕组通电状态改变时，电机相数）。每次定子绕组通电状态改变时， 转子只转过齿距的转子只转过齿距的1m（如三相三拍）或（如三相三拍）或12m（如（如 三相六拍）达到新的平衡位置。

13、三相六拍）达到新的平衡位置。 CNC 转子转子40个齿，若通电为三相三拍，当转子齿与个齿，若通电为三相三拍，当转子齿与 A相定子齿对齐时，转子齿与相定子齿对齐时，转子齿与B相定子齿相差相定子齿相差 （3），与），与C相定子齿相差（相定子齿相差（6）。）。 6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 A A C B S N S N C B 绕组 定子铁心 转子铁心 A相磁通 A相 各相定子 9 36 顺时针方向转子齿展开 B相C相 CNC 每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。 6.2.2 步进电机的主要特性步进电机的主要特

14、性 1 1步距角步距角 mzk 360 m定子相数；定子相数；z转子齿数；转子齿数；k通电系数，通电系数， m相相m拍拍，k k1；m相相2 2m拍，拍，k2。 一般很小，如：一般很小，如：31.5，1.50.75， 0.720.36等等 6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 CNC 静态：步进电机处于通电状态，转子处在不动状态。静态：步进电机处于通电状态，转子处在不动状态。 静态转矩静态转矩Mj ：在电机轴上施加一个负载转矩：在电机轴上施加一个负载转矩M，转，转 子会在载荷方向上转过一个角度子会在载荷方向上转过一个角度（失调角），转子失调角），转子 因而受到一个电

15、磁转矩因而受到一个电磁转矩Mj的作用与负载平衡。的作用与负载平衡。 2矩角特性、最大静态转矩矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩和启动转矩Mq CB A O Mj Mjmax Mq a ? 6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 矩角特性：步进电机矩角特性：步进电机 单相通电的静态转矩单相通电的静态转矩 Mj随失调角随失调角的变化的变化 曲线。曲线。 CNC 启动频率或突跳频率启动频率或突跳频率fq：空载时，步进电机由静止突空载时，步进电机由静止突 然启动并进入不丢步的正常运行状态所允许的最高频然启动并进入不丢步的正常运行状态所允许的最高频 率。率。 高于启动频

16、率，将不能正常起动。高于启动频率，将不能正常起动。 启动时的惯频特性：是指电机带动纯惯性负载时启动启动时的惯频特性：是指电机带动纯惯性负载时启动 频率和负载转动惯量之间的关系。频率和负载转动惯量之间的关系。 3启动频率启动频率fq和启动时的惯频特性和启动时的惯频特性 6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频 率比空载要低。率比空载要低。 CNC 连续运行频率：步进电机启动后，其运行速度能跟踪连续运行频率：步进电机启动后，其运行速度能跟踪 指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率。

17、指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率。其其 值远大于启动频率。值远大于启动频率。 运行矩频特性：是描述步进电机在连续运行时，输出运行矩频特性：是描述步进电机在连续运行时，输出 转矩与连续运行频率之间的关系。转矩与连续运行频率之间的关系。 4连续运行频率和运行矩频特性连续运行频率和运行矩频特性 5 10 15 4812141620 T/(N?m) o f/ kHz 6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 CNC 步进电机的加减速特性描述步进电机由静止到工步进电机的加减速特性描述步进电机由静止到工 作频率和由工作频率到静止的加、减速过程中，定子作频率和由工作频率到静

18、止的加、减速过程中，定子 绕组通电状态的变化频率与时间的关系。绕组通电状态的变化频率与时间的关系。 当要求步进电机启动到大于启动频率的工作频率当要求步进电机启动到大于启动频率的工作频率 时，变化速度必须逐渐上升；从最高工作频率或高于时，变化速度必须逐渐上升；从最高工作频率或高于 启动频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。启动频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。 逐渐上升和下降的加速、减速时间不能过小，否则会逐渐上升和下降的加速、减速时间不能过小，否则会 失步或超步。失步或超步。 5加、减速特性加、减速特性 6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 CNC

19、1 1根据相数分类根据相数分类 有三、四、五、六相等，相数越多，步距角越小，有三、四、五、六相等，相数越多，步距角越小， 通电方式采用通电方式采用m m相相m m拍、双拍、双m m拍和拍和m m相相2m2m拍，拍，m m相相m m 拍和拍和m m相相2m2m拍通电方式中，可采用一拍通电方式中，可采用一/ /二相、二三二相、二三 相转换通电，相转换通电， 如五相步进电机，五相十拍的二三相转换方式：如五相步进电机，五相十拍的二三相转换方式： ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB 6.2.3 步进电机的分类步进电机的分类 6.2 6.

20、2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 CNC 根据定子与转子间磁场建立方式，可分：反应根据定子与转子间磁场建立方式，可分：反应 式、永磁反应式（混合式）两类。式、永磁反应式（混合式）两类。 反应式步进电机：定子有多相磁极，其上有励磁绕反应式步进电机：定子有多相磁极，其上有励磁绕 组，转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定组，转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定 子绕组产生反应力矩实现步进运行子绕组产生反应力矩实现步进运行 永磁反应式步进电机：定子结构与反应式相似，转永磁反应式步进电机：定子结构与反应式相似，转 子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁力矩实现子用永磁材料制成或

21、有励磁绕组、由电磁力矩实现 步进运行。步进运行。 2根据产生力矩的原理分类根据产生力矩的原理分类 6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 CNC 可将步进电机分两类：伺服步进电机可将步进电机分两类：伺服步进电机 功率步进电机功率步进电机 伺服步进电机（快速步进电机），输出力矩在几伺服步进电机（快速步进电机），输出力矩在几 十数百十数百Nm，只能带动小负载，加上液压扭矩，只能带动小负载，加上液压扭矩 放大器可驱动工作台。放大器可驱动工作台。 功率步进电机输出力矩在功率步进电机输出力矩在550Nm以上，能直接以上，能直接 驱动工作台。驱动工作台。 3根据输出力矩的大小分类

22、根据输出力矩的大小分类 6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 CNC ABC外壳 C段绕组 转轴 空气隙 C段定子 C段转子 ABC 主磁通通路 转子 齿距 铁心 绕组 定子磁极 转子 6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 4根据结构分类根据结构分类 步进电机可制成步进电机可制成 轴向分相式（多段式）轴向分相式（多段式） 径向分相式（单段式）径向分相式（单段式） CNC 步进电机的驱动控制由环形分配器和功率放大器组成。步进电机的驱动控制由环形分配器和功率放大器组成。 环形分配器的主要功能：将数控装置送来的一串指环形分配器的主要功能：将数控

23、装置送来的一串指 令脉冲，按步进电机所要求的通电顺序分配给步进电令脉冲，按步进电机所要求的通电顺序分配给步进电 机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的通断，机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的通断， 实现步进电机的运行及换向。实现步进电机的运行及换向。 6.2.4 步进电机的环形分配器步进电机的环形分配器 6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 CNC 1硬件环形分配器硬件环形分配器 可由可由D触发器或触发器或JK触发器构成，亦可用专用集成芯片触发器构成，亦可用专用集成芯片 或通用可编程逻辑器件。或通用可编程逻辑器件。 CNC 装置 电源 环形 分配器 A相驱动

24、 B相驱动 C相驱动 FULL/HALF DIR CLK M 6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 硬件环形分配驱动与数控装置的连接硬件环形分配驱动与数控装置的连接 CNC CH250是国产三相反应式步进电机环形分配器专用是国产三相反应式步进电机环形分配器专用 集成电路芯片，通过控制端的不同接法可组成三相集成电路芯片，通过控制端的不同接法可组成三相 双三拍和三相六拍的工作方式双三拍和三相六拍的工作方式 161514131211109 12345678 CH250 CH250 UDJ3LJ3r J6rJ6L ABCR* CLEN R* R J6L J6r A B C

25、J3LJ3rUS UD CL EN 9 10 7 1 2 14 15 8 13 12 11 616 +12V 1F 100kO CP 1 方向 R US 6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 三相六拍接线图三相六拍接线图: CNC 2软件环形分配器软件环形分配器 由数控装置中的软件完成环形分配，直接由数控装置中的软件完成环形分配，直接 驱动步进电机各绕组的通、断电。驱动步进电机各绕组的通、断电。 用软件环形分配器只需编制不同的环形分用软件环形分配器只需编制不同的环形分 配程序，可使线路简化，成本下降，可灵活地配程序，可使线路简化，成本下降，可灵活地 改变步进电机的控

26、制方案。改变步进电机的控制方案。 CNC 装置 电源A相驱动 B相驱动 C相驱动 C B A M 6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 CNC 软件环形分配器的设计方法软件环形分配器的设计方法: :查表法、比较法、查表法、比较法、 移位寄存器法等，常用查表法。移位寄存器法等，常用查表法。 6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 CNC 以三相反应式步进电机的环形分配器为例，说以三相反应式步进电机的环形分配器为例，说 明查表法工作原理。明查表法工作原理。 PIO PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 光电 偶合器 光电 偶合器 放大

27、 放大 X 向 步进电机 Z 向 步进电机 a b c A B C 6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 CNC6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 16进制进制 CNC 步进电机的速度控制步进电机的速度控制 进给脉冲频率进给脉冲频率f f 定子绕组通电定子绕组通电/ /断电状态变化断电状态变化 频率频率f f 步进电机转速步进电机转速 工作台的进给速度工作台的进给速度V V。 V=60fV=60f 6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 CNC 作用：作用： 是将环形分配器或微处理机送来的弱电信号变为是将环形分

28、配器或微处理机送来的弱电信号变为 强电信号，以得到步进电机控制绕组所需要的脉冲电强电信号，以得到步进电机控制绕组所需要的脉冲电 流及所需要的脉冲波形。流及所需要的脉冲波形。 6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 6.2.5 功率放大电路功率放大电路 CNC 6.2.5 功率放大电路功率放大电路 种类：种类： 就其采用的功率放大器件分，有中功率晶体管、大功就其采用的功率放大器件分，有中功率晶体管、大功 率晶体管、大功率达林顿晶体管、可控硅率晶体管、大功率达林顿晶体管、可控硅等；等； 就其工作原理分，有单电压驱动、高低电压驱动、恒就其工作原理分，有单电压驱动、高低电压驱

29、动、恒 流斩波、调频调压、细分电路等。流斩波、调频调压、细分电路等。 步进电机有几相，就需要几组功率放大电路。步进电机有几相，就需要几组功率放大电路。 6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 CNC 根据磁场产生方式分：他励式、永磁式、并励式、根据磁场产生方式分：他励式、永磁式、并励式、 串励式和复励式五种。串励式和复励式五种。 结构上：有一般电枢式、无槽电枢式、印刷电枢式、结构上：有一般电枢式、无槽电枢式、印刷电枢式、 绕线盘式和空心杯电枢式等。绕线盘式和空心杯电枢式等。 根据控制方式分：磁场控制方式、电枢控制方式。根据控制方式分：磁场控制方式、电枢控制方式。 6.

30、3.1 直流伺服电机的结构与分类直流伺服电机的结构与分类 6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 CNC 在数控机床中，进给系统常用的直流伺服电机有：在数控机床中，进给系统常用的直流伺服电机有： 1小惯性直流伺服电机小惯性直流伺服电机 因转动惯量小而得名。这类电机一般为永磁式。因转动惯量小而得名。这类电机一般为永磁式。 小惯量直流电机最大限度地减小电枢的转动惯量，小惯量直流电机最大限度地减小电枢的转动惯量， 所以能获得最快的响应速度。在早期的数控机床上所以能获得最快的响应速度。在早期的数控机床上 应用得比较多。应用得比较多。 6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直

31、流伺服电机及其速度控制 CNC 2大惯量宽调速直流伺服电机大惯量宽调速直流伺服电机（直流力矩电机）直流力矩电机） 转子直径较大，线圈绕组匝数增加，力矩大，转动转子直径较大，线圈绕组匝数增加，力矩大，转动 惯量大，能在较大过载转矩时长时间工作，因此可惯量大，能在较大过载转矩时长时间工作，因此可 直接与丝杠相连，不需中间传动装置。直接与丝杠相连，不需中间传动装置。 没有励磁回路的损耗，外型尺寸比类似的其他直流没有励磁回路的损耗，外型尺寸比类似的其他直流 伺服电机小。伺服电机小。 特点：能在较低转速下实现平稳运行，最低可达特点：能在较低转速下实现平稳运行，最低可达1r min，甚至，甚至0.1rmi

32、n。数控机床上应用广泛。数控机床上应用广泛。 6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 CNC 3无刷直流伺服电机（无整流子电机）无刷直流伺服电机（无整流子电机） 没有换向器，由同步电机和逆变器组成，逆变器没有换向器，由同步电机和逆变器组成，逆变器 由装在转子上的转子位置传感器控制。由装在转子上的转子位置传感器控制。 6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 CNC 6.3.2直流伺服电机的调速原理与方法直流伺服电机的调速原理与方法 组成：磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片组成：磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片 他励式直流伺服电机工

33、作原理：他励式直流伺服电机工作原理： 直流电源接在两电刷间，电流通入电枢线圈，切割磁直流电源接在两电刷间，电流通入电枢线圈，切割磁 力线，产生电磁转矩。力线，产生电磁转矩。 6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 aTm ICT CNC m TE a m TE a E a T CC R n T CC R C U n 2 0 2 CE电动势常数电动势常数 CT转矩常数转矩常数 n电机转速电机转速 n n0 0电机理想空载转速电机理想空载转速 E a C U n0 他励式直流伺服电机的转速公式他励式直流伺服电机的转速公式 Ra电机电枢回路总电阻电机电枢回路总电阻 TmTm

34、电机电磁转矩电机电磁转矩 Ua电机电枢端电压电机电枢端电压 励磁磁通励磁磁通 Ea电枢绕组感应电动势电枢绕组感应电动势 6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 负载转矩负载转矩Tm= 0,0,则有则有 CNC 直流电机转速与转矩的关系称机械特性直流电机转速与转矩的关系称机械特性 机械特性是电机的静态特性，机械特性是电机的静态特性， 是稳定运行时带动负载的性是稳定运行时带动负载的性 能，此时，电磁转矩与外负能，此时，电磁转矩与外负 载相等。载相等。 电机转速与理想转速的差电机转速与理想转速的差n， 反映了电机机械特性硬度，反映了电机机械特性硬度， n越小，机械特性越硬。

35、越小，机械特性越硬。 n0 T T n D D n 直流电机的基本调速方式有直流电机的基本调速方式有 三种三种: :调节电阻调节电阻Ra、调节电、调节电 枢电压枢电压Ua和调节磁通和调节磁通的值。的值。 6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 m TE a m TE a E a T CC R n T CC R C U n 2 0 2 CNC 电枢电阻调速不经济，调速范围有限，很少采用。电枢电阻调速不经济，调速范围有限，很少采用。 调节电枢电压（调压调速）时，直流电机机械特性调节电枢电压（调压调速）时，直流电机机械特性 为一组平行线，只改变电机的理想转速为一组平行线，只

36、改变电机的理想转速n n0 0 ，保持了，保持了 原有较硬的机械特性，所以调压调速主要用于伺服原有较硬的机械特性，所以调压调速主要用于伺服 进给驱动系统电机的调速进给驱动系统电机的调速 UaNUa1 Ua2 OTN n n0N n01 n02 nN n1 n2 Ua2 Ua1 UaN FN TN ?nN T F1 F2 T O n02 n01 n0N n2 n1 nN n FNF1F2 如果如果nn值较大，不值较大，不 可能实现宽范围的调可能实现宽范围的调 速。永磁式直流伺服速。永磁式直流伺服 电机的电机的nn值较小，值较小， 因此，进给系统常采因此，进给系统常采 用永磁式直流电机。用永磁式直

37、流电机。 6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 CNC 调节磁通（调磁调速）不但改变了电机的理想调节磁通（调磁调速）不但改变了电机的理想 转速，而且使直流电机机械特性变软，所以调转速，而且使直流电机机械特性变软，所以调 磁调速主要用于机床主轴电机调速。磁调速主要用于机床主轴电机调速。 UaNUa1 Ua2 OTN n n0N n01 n02 nN n1 n2 Ua2 Ua1 UaN FN TN ?nN T F1 F2 T O n02 n01 n0N n2 n1 nN n FNF1F2 6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 CNC 6.3.

38、3 直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式 直流电机速度控制单元常采用的调速方法：直流电机速度控制单元常采用的调速方法： 晶闸管（可控硅）调速系统晶闸管（可控硅）调速系统 晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWMPWM）调速系统。）调速系统。 6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 CNC 1 1晶闸管调速系统晶闸管调速系统 6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 控制 电路 晶闸管 主电路 交流电源 电动机 测速发电机 M TG U0 Ud * Un 速度控制电压速度控制电压 电枢电压电枢电压 CNC U

39、*n 速度 调节器 电流 调节器 触发脉冲 发生器 可控硅 整流器 电流反馈 速度反馈 电流检测 编码器 电机 + - Un In I*n + - US 直流双环直流双环调速系统调速系统 6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 CNC M U d S11S13S15 S14S16S12 S22S26S24 S25S23S21 A B C A B C UU 主回路：二组反并接，主回路：二组反并接， 分别实现正转和反转分别实现正转和反转 原理：三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部原理：三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部 分内又分成共阴极组（分内又分成共阴极组（1

40、111、1313、1515）和共阳极组）和共阳极组 （1212、1414、1616）。为构成回路，共阴极组和共阳极组）。为构成回路，共阴极组和共阳极组 中必须各有一个可控硅同时导通。只要改变可控硅触中必须各有一个可控硅同时导通。只要改变可控硅触 发角（即改变导通角），就能改变可控硅的整流输出发角（即改变导通角），就能改变可控硅的整流输出 电压，从而改变直流伺服电机的转速。电压，从而改变直流伺服电机的转速。 6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 CNC 2PWM调速控制系统调速控制系统 控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。控制电路简单，不需附加关断电路，开关特

41、性好。 广泛应用中、广泛应用中、 小功率直流伺服系统小功率直流伺服系统 周期不变 脉宽 脉宽 脉宽 脉宽 平均直流电压 U t 周期不变 6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 CNC M U t t t TonT Ea Ia U Ea UaVD Ia - + 直流电机电压的平均值直流电机电压的平均值: : a on T aa E T T E T U 0 1 T脉冲周期，脉冲周期， Ton导通时间导通时间 6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 CNC 脉宽调制（脉宽调制（PWMPWM）系统组成：）系统组成： 速度 调节器 电流反馈 脉宽 调

42、制 基极驱 动 功 放 振荡器 电流 调节器 M 速 度 指 令 三相交流电 整流 速度反馈 Usr U USC SC U U U Ub b 6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 CNC 脉宽调制器脉宽调制器 作用：将电压量转换成可由控制信号调节的矩形脉作用：将电压量转换成可由控制信号调节的矩形脉 冲，为功率晶体管的基极提供一个宽度可由速度指冲，为功率晶体管的基极提供一个宽度可由速度指 令信号调节的脉宽电压。令信号调节的脉宽电压。 组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和 比较放大器。比较放大器。 原理：以三角波发生器

43、为例介绍原理：以三角波发生器为例介绍 6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 CNC R1 +12V USC R1 R3R2 + -12V U S r U - U USr Sr 速度指令转化过 速度指令转化过 来的直流电压来的直流电压 U U - - 三角波三角波 U USC SC- - 脉宽调制器的输出（脉宽调制器的输出（U US r S r+ +U U） ） 调制波形图调制波形图 t t U S r +U +U S r oo -U S r t t US r为正时 USr为负时 U S r +U t t USr为0时 调制出正负脉宽一样 方波平均电压为0 调制出脉宽

44、较宽的 波形平均电压为正 调制出脉宽较窄的 波形平均电压为负 6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 CNC 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回路是脉宽调制速度单元的主回路 结构：有两种形式：结构：有两种形式：H型（桥式）、型（桥式）、T型。每种电路型。每种电路 又有单极性工作方式和双极性工作方式，各种不同又有单极性工作方式和双极性工作方式，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 关放大电路关放大电路 。 可逆可逆H H型双极式型双极式PWMPWM开关功率放大器为例开关功率放大器为例 6.

45、3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 CNC 可逆可逆H H型双极式型双极式PWMPWM开关功率放大器开关功率放大器 US AB D1 D2 D3 D4 M T1 T2T4 T3 Ud UAB Ub2 Ub3 O t t Ub1 Ub 4 O t1T US -US O t t id id1 id2 id1id2 O 6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 CNC US AB D1 D2 D3 D4 M T1 T2T4 T3 Ud UAB Ub2 Ub3 O t t Ub1 Ub 4 O t1T US -US O t t id id1 id2 i

46、d1id2 O 电机正转、反转、停止：电机正转、反转、停止： 由正、负驱动电压脉冲宽窄定。由正、负驱动电压脉冲宽窄定。 当正脉冲较宽时，即当正脉冲较宽时，即t t11T/2T/2，平均电压为正，电机正转；，平均电压为正，电机正转； 当正脉冲较窄时，当正脉冲较窄时，t t11T/2 T/2 ，平均电压为负，电机反转；，平均电压为负，电机反转； 正负脉冲宽度相等，正负脉冲宽度相等，t t1=1=T/2 T/2 ，平均电压为零，电机停转。，平均电压为零，电机停转。 电机速度的改变：电机速度的改变： 电枢平均电压电枢平均电压U UAB AB越大转速越高。 越大转速越高。U UAB AB由驱动电压脉冲宽

47、度决 由驱动电压脉冲宽度决 定。定。 6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 CNC 电刷和换向有磨损，有时会产生火花；电刷和换向有磨损，有时会产生火花； 换向器由多种材料制成，制作工艺复杂；换向器由多种材料制成，制作工艺复杂； 电机最高速度受限制；电机最高速度受限制； 结构复杂，成本较高，结构复杂，成本较高， 所以在使用上受到一定的限制。所以在使用上受到一定的限制。 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统 直流电机缺点：直流电机缺点： CNC 6.4.1 交流伺服电机的分类与特点交流伺服电机的分类与特点 数控机床上应用的交流电机一般都为三相

48、。数控机床上应用的交流电机一般都为三相。 分：异步型和同步型交流伺服电机。分：异步型和同步型交流伺服电机。 从建立所需气隙磁场的磁势源来说，同步型交流电从建立所需气隙磁场的磁势源来说，同步型交流电 机分：电磁式及非电磁式两大类。机分：电磁式及非电磁式两大类。 非电磁式有磁滞式、永磁式和反应式多种。非电磁式有磁滞式、永磁式和反应式多种。 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统 CNC 永磁式同步电机：永磁式同步电机： 优点：结构简单、运行可靠效率高；优点：结构简单、运行可靠效率高； 缺点：体积大、启动特性欠佳。缺点：体积大、启动特性欠佳。 与直流电机比：外形尺寸、重量、

49、转子惯量大幅减小与直流电机比：外形尺寸、重量、转子惯量大幅减小 与异步交流伺服电机相比：效率高、体积小。与异步交流伺服电机相比：效率高、体积小。 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统 CNC 异步型交流伺服电机与同容量的直流电机相比：异步型交流伺服电机与同容量的直流电机相比： 优点：重量轻，价格便宜；优点：重量轻，价格便宜； 缺点：转速受负载的变化影响较大，不能经济地实现缺点：转速受负载的变化影响较大，不能经济地实现 范围较广的平滑调速，范围较广的平滑调速， 故异步型交流伺服电机用在主轴驱动系统中。故异步型交流伺服电机用在主轴驱动系统中。 6.4 交流伺服电机及其速

50、度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统 CNC V S V S 脉冲编码器 转子定子 接线盒定子三相绕组 1永磁式交流同步电机永磁式交流同步电机 结构：电机由定子、转子和检测元件组成结构：电机由定子、转子和检测元件组成 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统 CNC 永磁式交流同步电机工作原理和性能永磁式交流同步电机工作原理和性能 nrns60f1p ns同步转速，同步转速， 转子磁极的轴线与转子磁极的轴线与 定子磁极的轴线夹角，定子磁极的轴线夹角， nr转子旋转转速，转子旋转转速， f1交流电源频率（定子交流电源频率（定子 供电频率），供电频率）， p定子和转子的极

51、对数定子和转子的极对数 nS N ns nr S 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统 CNC 2交流主轴电机交流主轴电机 定子三相绕组通三相交流电，产生旋转磁场，磁场切定子三相绕组通三相交流电，产生旋转磁场，磁场切 割转子中的导体，导体感应电流与定子磁场相作用产割转子中的导体，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，转速生电磁转矩，推动转子转动，转速nr为为 )1 ( 60 )1 ( 1 s p f snn sr ns同步转速，同步转速， f1交流电源频率（定子供电频率）交流电源频率（定子供电频率） s转差率，转差率，s=( ns nr)/ ns

52、， ， p极对数极对数 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统 CNC 6.4.3 交流伺服电机的变频调速交流伺服电机的变频调速 nrns60f1p 由上两式可见，只要改变交流伺服电机的由上两式可见，只要改变交流伺服电机的 供电频率供电频率f1 ，即可改变电机转速，所以交，即可改变电机转速，所以交 流伺服电机调速应用最多的是变频调速。流伺服电机调速应用最多的是变频调速。 变频调速的主要环节是：为交流电机提供变频调速的主要环节是：为交流电机提供 变频电源的变频器。变频电源的变频器。 变频器分：变频器分： 交交交交 变频变频 交交直直交交 变频变频 )1 ( 60 )1

53、( 1 s p f snn sr 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统 CNC 交交交变频：交变频： 利用可控硅整流器直接将工频交流电（频率利用可控硅整流器直接将工频交流电（频率50Hz）变）变 成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输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，脉动交流电的基波是所需的变频电压。出负脉冲，脉动交流电的基波是所需的变频电压。 该方法所得的交流电波动比较大，且最大频率即为变该方法所得的交流电波动比较大，且最大频率即为变 频器输入的工频电压频率。频器输入的工频电压频率。 M 负载 反组 滤波 逆变整流 正组 交流输入

54、+ + - - (a) (b) C VD U0 50Hz50Hz 交流电机 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统 CNC 交交直直交变频：交变频： 先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成矩形先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成矩形 脉冲波电压，矩形脉冲波的基波是所需的变频电压。脉冲波电压，矩形脉冲波的基波是所需的变频电压。 该调频方式所得交流电的波动小，调频范围比较宽，该调频方式所得交流电的波动小，调频范围比较宽， 调节线性度好。调节线性度好。 M 负载 反组 滤波 逆变整流 正组 交流输入 + + - - (a) (b) C VD U0 50Hz50Hz

55、 交流电机 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统 CNC 数控机床常采用交数控机床常采用交直直交变频调速。交变频调速。 在交在交直直交变频中：交变频中： 根据中间直流电压是否可调分：中间直流电压可调根据中间直流电压是否可调分：中间直流电压可调 PWM逆变器、中间直流电压固定的逆变器、中间直流电压固定的PWM逆变器；逆变器； 根据中间直流电路储能元件是大电容还是大电感分：根据中间直流电路储能元件是大电容还是大电感分： 电压型逆变器、电流型逆变器电压型逆变器、电流型逆变器 SPWMSPWM（正弦波（正弦波PWMPWM）变频器是目前应用最广、最基本）变频器是目前应用最广、

56、最基本 的一种交的一种交直直交型电压型变频器，在交流调速系交型电压型变频器，在交流调速系 统中获得广泛应用。统中获得广泛应用。 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统 CNC SPWMSPWM变压变频器变压变频器 调制原理（以单相为例）调制原理（以单相为例） 正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWMSPWM）波）波 形形: :与正弦波等效的一系列与正弦波等效的一系列 等幅不等宽的矩形脉冲波。等幅不等宽的矩形脉冲波。 等效原理：把正弦波分成等效原理：把正弦波分成n n 等分，每一区间面积用与等分，每一区间面积用与 其相等的等幅不等宽的矩其相等的等幅不等宽的矩 形面积代替。形

57、面积代替。 正弦波的正负半周均如此正弦波的正负半周均如此 处理处理。 u t t u O O a) b) 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统 CNC SPWMSPWM控制波的生成控制波的生成: :正弦波正弦波三角波调制三角波调制 Q Q：电压比较器：电压比较器 U UR R：由指令脉冲转换来的：由指令脉冲转换来的 U U ：三角波发生器 ：三角波发生器 Q + - UR U? UP 电路原理示意图电路原理示意图 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统 CNC 指令指令 脉冲脉冲 转换转换 来的来的 信号信号 三相三相SPWM控制电路框图控

58、制电路框图 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统 UA UB U0A U0B U0C 三相 正弦 控制 信号 三角波 发生器 SPWMA SPWMB SPWMC 驱动VT1VT6 + UC + + - - - 1 2 3 U? UB1 UB2 UB3 UB4 UB5 UB6 CNC Ld VT1 VT4 VT3VT5 VT6VT2 三相交流电 整流器逆变器 VD1VD3VD5 VD4VD6VD2 Cd M 3 整流器整流器将三相工频交流电变成直流电将三相工频交流电变成直流电 逆变器逆变器将整流电路输出的直流电压逆变成三相交流电，将整流电路输出的直流电压逆变成三相交流

59、电， 驱动电机运行驱动电机运行 主回路主回路 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统 CNC uAuBu t uC 50Hz D1 D2D3 D4 D5D6 D6D8D9 D10 D11 T1 T2T3 T4 T5T6 uB1 uB4 uB2 uB5 uB3 uB6 uA uP u0A u u uA A: :由指令脉冲转换来的由指令脉冲转换来的 指令脉冲转指令脉冲转 换来的信号换来的信号 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统 UA UB U0A U0B U0C 三相 正弦 控制 信号 三角波 发生器 SPWMA SPWMB SPWMC 驱动

60、VT1VT6 + UC + + - - - 1 2 3 U? UB1 UB2 UB3 UB4 UB5 UB6 CNC 6.4.4 交流伺服电机的矢量控制交流伺服电机的矢量控制 矢量控制矢量控制( (磁场定向控制磁场定向控制) )是德国是德国F FBlascheBlasche于于19711971 年提出的。年提出的。 交流伺服电机可以利用交流伺服电机可以利用SPWMSPWM进行矢量变频调速控制，进行矢量变频调速控制， 使得交流调速获得如同直流调速同样优良的理想性使得交流调速获得如同直流调速同样优良的理想性 能。能。 经过经过3030多年的工业实践的考验、改进和提高，目前多年的工业实践的考验、改进