第7章数控机床驱动与控制系统

1、第7章数控机床驱动与控制系统第7章数控机床驱动与控制系统数控机床伺服驱动系统概述数控机床伺服驱动系统概述第7章数控机床驱动与控制系统第7章数控机床驱动与控制系统7.17.1 数控机床的驱动系统分类数控机床的驱动系统分类第7章数控机床驱动与控制系统7.17.1 数控机床的驱动系统分类数控机床的驱动系统分类工作原理：将指令数字脉冲信号转换为电机的角位移。工作原理：将指令数字脉冲信号转换为电机的角位移。第7章数控机床驱动与控制系统7.17.1 数控机床的驱动系统分类数控机床的驱动系统分类第7章数控机床驱动与控制系统7.17.1 数控机床的驱动系统分类数控机床的驱动系统分类第7章数控机床驱动与控制系统

2、7.17.1 数控机床的驱动系统分类数控机床的驱动系统分类 脉冲当量0.001-0.0001mm，快进速度24-100m/min。主要用于精密、大型数控设备上。第7章数控机床驱动与控制系统7.17.1 数控机床的驱动系统分类数控机床的驱动系统分类第7章数控机床驱动与控制系统7.17.1 数控机床的驱动系统分类数控机床的驱动系统分类 脉冲当量0.005-0.001mm，快进速度15-24m/min。主要用于中档数控机床上。第7章数控机床驱动与控制系统7.17.1 数控机床的驱动系统分类数控机床的驱动系统分类第7章数控机床驱动与控制系统调速范围：最低转速到最高转速的范围调速范围：最低转速到最高转速

3、的范围- -n nmin/min/n nmaxmax 7.17.1 数控机床的驱动系统分类数控机床的驱动系统分类第7章数控机床驱动与控制系统7.17.1 数控机床的驱动系统分类数控机床的驱动系统分类第7章数控机床驱动与控制系统7.27.2 步进电机及其驱动系统步进电机及其驱动系统第7章数控机床驱动与控制系统7.27.2 步进电机及其驱动系统步进电机及其驱动系统第7章数控机床驱动与控制系统工作台丝杠编码器步进电机7.27.2 步进电机及其驱动系统步进电机及其驱动系统第7章数控机床驱动与控制系统（1 1） 步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理 第7章数控机床驱动与控制系统（1 1） 步

4、进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理图7-4 单段式三相反应式步进电机结构原理图7-5 展开后的步进电机齿距NS第7章数控机床驱动与控制系统（1 1） 步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理单段式（一个定子，也称径向式）反应式步进电机（图7-4）：第7章数控机床驱动与控制系统（1 1） 步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理三段式径向磁路反应式步进电动机结构示意图 磁路沿径向磁路沿径向第7章数控机床驱动与控制系统（1 1） 步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理五段式轴向磁路反应式步进电机结构示意图磁路沿轴向磁路沿轴向第7章数控机床驱动与控制系统（1 1

5、） 步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理 三相单三拍通电方式工作原理：三相单三拍通电方式工作原理： 当第一个脉冲通入当第一个脉冲通入A A相时，磁通企图沿着磁阻最小的相时，磁通企图沿着磁阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1 1、3 3齿要和齿要和A A级级对齐。当下一个脉冲通入对齐。当下一个脉冲通入B B相时，磁通同样要按磁阻最小相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭合，即的路径闭合，即2 2、4 4齿要和齿要和B B级对齐，则转子就相对定子级对齐，则转子就相对定子沿逆时针方向转动沿逆时针方向转动3030。 单段式三相反应单段式三相反应式步

6、进电机的工式步进电机的工作原理作原理（假定每个定子磁极（假定每个定子磁极只有只有1 1个齿，齿距角个齿，齿距角=60=60，转子齿数假，转子齿数假定只有定只有4 4个齿）个齿）第7章数控机床驱动与控制系统（1 1） 步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理 若通电脉冲的次序为若通电脉冲的次序为A、 B 、 C 、A，转子将，转子将以逆时针方向一步步地旋转。以逆时针方向一步步地旋转。 定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上述定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上述的通电方式称为三相单三拍。所谓的通电方式称为三相单三拍。所谓“单单”是指每是指每次只有一相绕组通电；所谓次只有一相绕组通电

7、；所谓“三拍三拍”是指经过三是指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。次切换控制绕组的通电状态为一个循环。 单段式三相反应单段式三相反应式步进电机的工式步进电机的工作原理作原理（假定每个定子磁极（假定每个定子磁极只有只有1 1个齿，齿距角个齿，齿距角=60=60，转子齿数假，转子齿数假定只有定只有4 4个齿）个齿）第7章数控机床驱动与控制系统（1 1） 步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理 三相单三拍通电：每拍只有一相绕组通电，在切换瞬间可能失三相单三拍通电：每拍只有一相绕组通电，在切换瞬间可能失去自锁力矩，易失步且易在平衡位置产生振荡；去自锁力矩，易失步且易在平衡位置产生振荡

8、； 三相双三拍通电方式：三相双三拍通电方式：AB BC CA ABAB BC CA AB逆时针转动；逆时针转动； 三相单双六拍通电方式：三相单双六拍通电方式： A AB B BC C CA AA AB B BC C CA A逆时针转动；逆时针转动； 单段式三相反应单段式三相反应式步进电机的工式步进电机的工作原理作原理（假定每个定子磁极（假定每个定子磁极只有只有1 1个齿，齿距角个齿，齿距角=60=60，转子齿数假，转子齿数假定只有定只有4 4个齿）个齿）第7章数控机床驱动与控制系统步进电机的通电方式： 三相双三拍：(逆转) ABBCCAAB (顺转) ACCBBAAC 三相单双六拍： (逆转)

9、 A AB B BC C CA A (顺转) A AC C CB B BA A三相单三拍：(逆转) ABCA (顺转) ACBA（1 1） 步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理三种通电方式的特点：三种通电方式的特点： 单三拍单三拍- -每次一相通电每次一相通电, ,步进电机稳定性差，步距角步进电机稳定性差，步距角3030； 双三拍双三拍- -每次同时两相通电每次同时两相通电, ,切换瞬间仍有一相保持通电切换瞬间仍有一相保持通电, ,运行稳运行稳定，步距角定，步距角3030； 单双六拍单双六拍- -步距角步距角1515，切换瞬间仍有一相保持通电，运行稳定。，切换瞬间仍有一相保持通电，

10、运行稳定。第7章数控机床驱动与控制系统)/(360mzk （1 1） 步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理第7章数控机床驱动与控制系统（1 1） 步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理第7章数控机床驱动与控制系统（1 1） 步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理第7章数控机床驱动与控制系统（1 1） 步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理第7章数控机床驱动与控制系统思考题：如图所示的开环步进电机位置控制系统，已思考题：如图所示的开环步进电机位置控制系统，已知负载力知负载力F F=2000N=2000N，工作台长，工作台长L L=400mm=400mm，

11、定位精度为，定位精度为0.02mm0.02mm，丝杠导程，丝杠导程6mm6mm，直径，直径d d32mm32mm，步进电机的，步进电机的步距角为步距角为1.51.5，试确定齿轮减速比，试确定齿轮减速比。第7章数控机床驱动与控制系统（2 2） 永磁感应子式步进电机永磁感应子式步进电机第7章数控机床驱动与控制系统（2 2） 永磁感应子式步进电机永磁感应子式步进电机第7章数控机床驱动与控制系统失调角失调角静态转矩静态转矩第7章数控机床驱动与控制系统第7章数控机床驱动与控制系统jmax第7章数控机床驱动与控制系统一般步进电机的输出转矩一般步进电机的输出转矩T T随着运行频率随着运行频率f f的升高而的

12、升高而下降，它是步进电机运转时承载能力的动态指标下降，它是步进电机运转时承载能力的动态指标第7章数控机床驱动与控制系统第7章数控机床驱动与控制系统第7章数控机床驱动与控制系统第7章数控机床驱动与控制系统1211221360ZiZS传动比第7章数控机床驱动与控制系统式中：为步进电机的步距角 为系统的脉冲当量（） i 为传动系统的传动比wkwZZZZnni211传动比：第7章数控机床驱动与控制系统 步进电机的选用 输出转距输出转距：通常取负载转矩与最大静转矩的比值为 TL/Tjmax=0.3 0.5步距角与系统应匹配，即应满足脉冲频率应与系统要求的启动、连续运行频率匹配。：应满足以下匹配条件 式中

13、：JM 为步进电机的转动惯量； JL 为负载转动惯量。 ：所选步进电机脉冲频率要满足负载要求，即： 所选步进电机的空载运行频率fmax要高于其负载下的连续运行频率；所选步进电机的空载启动频率要高于负载下的启动频率。 114MLJJ第7章数控机床驱动与控制系统直流伺服电机的结构主要包括三大部分：（1）定子。定子磁极磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式，直流伺服电动机可分为永磁式和他励式。永磁式磁极由永磁材料制成，他励式磁极由冲压硅钢片叠压而成，外绕线圈通以直流电流便产生恒定磁场。（2）转子。又称为电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。

14、（3）电刷与换向片。为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀的连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。第7章数控机床驱动与控制系统位置比较速度控制功率驱动直流伺服电机机床进给电流反馈电流环速度反馈位置反馈位置环速度环位置给定第7章数控机床驱动与控制系统2()aseemUUnRRCC CaeECn()aaasUEIRRmaTCI式中：n-电机转速，r/min； U-电枢回路外加电压，V； Ia-电枢回路电流，A； Ra-电枢回路内阻，； Rs-电枢回路串联调节电阻，；-气隙磁通量，wb； Ce-反电势系数； Cm-转矩系数。第7章数控机床驱动与控制系统2()asee

15、mUUnRRCC C第7章数控机床驱动与控制系统第7章数控机床驱动与控制系统两个环：两个环： 电流环电流环内环；内环； 速度环速度环外环外环速度、电流调节器均采用速度、电流调节器均采用PIPI调节器，且带限幅功能。调节器，且带限幅功能。PI调节器-比例（Proportion）调节+积分（Integral）调节 第7章数控机床驱动与控制系统电流环为由ACR和电流负反馈组成的闭环，它的主要作用是。稳态时：稳态时：0isifisidsidUUUUIUI第7章数控机床驱动与控制系统dsidsifisiIUIUUUU0第7章数控机床驱动与控制系统 速度环是由速度环是由ASRASR和转和转速负反馈组成的闭

16、环，它速负反馈组成的闭环，它的主要作用是的主要作用是，并最后消除转速静差。，并最后消除转速静差。 稳态时：稳态时：0nsnfnsnsnUUUUnUn：当：当U Usnsn为一定的情况下，由于速度调节器为一定的情况下，由于速度调节器ASRASR的调的调节作用，转速节作用，转速n n将稳定在将稳定在U Usnsn/的数值上。的数值上。第7章数控机床驱动与控制系统原理原理 ： 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（阴极组（1 1、3 3、5 5）和共阳极组（）和共阳极组（2 2、4 4、6 6）。为了构成回路，这二组中）。为了

17、构成回路，这二组中必须各有一个可控硅同时导通。必须各有一个可控硅同时导通。 1 1、3 3、5 5在正半周导通，在正半周导通， 2 2、4 4、6 6在负在负半周导通。每组内（即二相间）触发脉冲相位相差半周导通。每组内（即二相间）触发脉冲相位相差120120，每相内二个触，每相内二个触发脉冲相差发脉冲相差180180。按管号排列，触发脉冲的顺序：。按管号排列，触发脉冲的顺序：1-2-3-4-5-61-2-3-4-5-6，相邻之，相邻之间相位差间相位差6060。为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通，或已截止的相。为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通，或已截止的相再次导通，再次导通， 采用双脉冲控

18、制。既每个触发脉冲在导通采用双脉冲控制。既每个触发脉冲在导通6060后，在补发一后，在补发一个辅助脉冲；也可以采用宽脉冲控制，宽度大于个辅助脉冲；也可以采用宽脉冲控制，宽度大于6060，小于，小于120120。462791113581210ABCM、 二组反并接， 分别实现电机的正转和反转。UdRdbKM+-FUU第7章数控机床驱动与控制系统e)uacbcaba)b)c)d)135 tub246bcatttt1 1 3 3 5 5 1 1 3 3 6 2 2 4 4 6 6 2 2 4 135246120120180601324606056 只要改变晶只要改变晶闸管的触发角闸管的触发角（即改变

19、导通（即改变导通角），就能改变角），就能改变晶闸管的整流输晶闸管的整流输出电压，从而改出电压，从而改变直流伺服电机变直流伺服电机的转速。的转速。 触发脉冲提前触发脉冲提前来，增大整流输来，增大整流输出电压；触发脉出电压；触发脉冲延后来，减小冲延后来，减小整流输出电压。整流输出电压。主回路波形图第7章数控机床驱动与控制系统 晶闸管调速控制晶闸管调速控制- -适合于大功率及要求不高的直流伺服电动适合于大功率及要求不高的直流伺服电动机调速控制（根据图机调速控制（根据图7-247-24来理解）：来理解）： 调速：当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器调速：当给定的指令信号增大时，则有较大

20、的偏差信号加到调节器的输入端，产生前移的触发脉冲，晶闸管整流器输出直流电压提高，的输入端，产生前移的触发脉冲，晶闸管整流器输出直流电压提高，电机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定相匹配达电机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定相匹配达到新的平衡，电机以较高的转速运行。到新的平衡，电机以较高的转速运行。 干扰：如负载增加，电机转速下降，速度反馈电压降低，则速度调干扰：如负载增加，电机转速下降，速度反馈电压降低，则速度调节器的输入偏差信号增大，其输出信号也增大，经电流调节器使触发节器的输入偏差信号增大，其输出信号也增大，经电流调节器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高

21、，使电机转速恢复到干扰前的脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使电机转速恢复到干扰前的数值。数值。 电网波动：电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电电网波动：电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电流作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电机转速由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使机转速由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使电流调节器的输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原电流调节器的输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原来值，从而抑制了主回路电

22、流的变化。来值，从而抑制了主回路电流的变化。 启动、制动、加减速：电流调节器还能保证电机启动、制动时的大转启动、制动、加减速：电流调节器还能保证电机启动、制动时的大转矩、加减速的良好动态性能。矩、加减速的良好动态性能。第7章数控机床驱动与控制系统 近年来，在世界上得到了广泛应用，并且逐步取代晶闸管控制方式。UMT2TtKUa如图所示,开关K周期性的开关,周期为T,接通时间为,外加电源电压U为常数，则加到电枢上的波形是一个高为U，宽为，周期为T的方波。则它的平均值为：Ua= Udt/T= U/T=TU 其中T/T0T第7章数控机床驱动与控制系统U Ua a=T T U U 其中其中T T/T/T

23、 由上式可知：由上式可知： 当当T T不变时，只要连续地改变不变时，只要连续地改变（0 0T T）就可使电枢电压平均值连续地由就可使电枢电压平均值连续地由0 0U U变化，从而改变电机的变化，从而改变电机的转速。如开关频率是转速。如开关频率是2000Hz2000Hz，T Tl l2000s2000s0.5ms0.5ms。 图中二极管为续流二极管，当图中二极管为续流二极管，当K K断开时，由于电枢电感断开时，由于电枢电感的存在，电机电枢电流的存在，电机电枢电流IaIa可通过它形成回路而继续流通。可通过它形成回路而继续流通。UMT2TtKUa第7章数控机床驱动与控制系统-整流速度调节器电流反馈脉宽

24、调制基极驱动功放振荡器 电流调节器GMUsrUsf u -+-图图7-25 PWM系统组成原理系统组成原理第7章数控机床驱动与控制系统脉宽调制：脉宽调制： 功率放大器中的晶体管工作在开关状态下，开关频率保功率放大器中的晶体管工作在开关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期内晶体管导通时间（即改变基极调持恒定，用调整开关周期内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度）的方法来改变输出，以使电机电枢两端获得脉制脉冲宽度）的方法来改变输出，以使电机电枢两端获得脉宽受调制脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用则宽受调制脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用则为波动很小的直流电压（平均电压）。为

25、波动很小的直流电压（平均电压）。 脉宽的连续变化使电枢电压的平均值随着变化，从而达脉宽的连续变化使电枢电压的平均值随着变化，从而达到调节电机转速的目的。到调节电机转速的目的。周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压Ut周期不变第7章数控机床驱动与控制系统 第7章数控机床驱动与控制系统：晶体管脉宽调制系统，因晶体管的开关频率很高，其输出电流接近于纯直流，使电机调速平稳。另一方面，转子也跟不上如此高的频率变化，避开了机械谐振，使机械工作平稳工作平稳；这种方式还具有优良的动态硬度具有优良的动态硬度，电机既能驱动负载，也能制动负载，因而响应很快。与晶闸管比较，在相同的输出转矩下（即平均电流相同）运行效率高

26、，发热小，低速下限更小，调速范围更宽。：它的电刷和换向器易磨损，换向时产生火花，使电机的最高转速受到限制，也使应用环境受限制，其结构复杂，成本高。 几年来，由于交流伺服电机克服了直流伺服电机结构上几年来，由于交流伺服电机克服了直流伺服电机结构上的缺点，交流伺服系统正在逐步取代直流伺服系统。的缺点，交流伺服系统正在逐步取代直流伺服系统。第7章数控机床驱动与控制系统 特点：特点：结构简单、可靠性高、维护方便。 种类：种类：交流异步伺服电机和交流同步伺服电机。 永磁式交流（同步）伺服电机特点永磁式交流（同步）伺服电机特点 与直流伺服电机相比，同等功率下，电机外形尺寸减小1/2，重量减轻60%，转子惯

27、量减至1/5（减小4/5） 感应式交流伺服电机特点感应式交流伺服电机特点 结构简单、价格便宜、过载能力强，与永磁式交流伺服电机相比，效率低、体积大、转子热损耗大，转子发热直接影响系统性能。 应用：应用：目前数控机床进给系统多采用永磁式交流伺服电机。永磁式交流伺服电机。第7章数控机床驱动与控制系统1 1、永磁式交流（同步）伺服电动机的结构：、永磁式交流（同步）伺服电动机的结构： 电机由定子、转子和检测元件组成。电机由定子、转子和检测元件组成。VSVS脉冲编码器转子定子接线盒定子三相绕组第7章数控机床驱动与控制系统 永磁交流伺服电机的变频调速永磁交流伺服电机的变频调速进给系统常使用交流同步电机，该

28、电机没有转差率，进给系统常使用交流同步电机，该电机没有转差率，电机转速：电机转速：式中：式中：f f 定子电源频率；定子电源频率；p p 磁极对数磁极对数 S S 转差率（交流同步电机转差率为转差率（交流同步电机转差率为0 0）调速方法：只能用变频调速。调速方法：只能用变频调速。主要环节：为交流电机提供变频、变压电源的变频器。主要环节：为交流电机提供变频、变压电源的变频器。变频器分为：交变频器分为：交直直交变频器交变频器 （分电压型和电流型）（分电压型和电流型） 交交交变频器交变频器 pfspfn60160 2 2、永磁交流（同步）伺服电机工作原理和性能、永磁交流（同步）伺服电机工作原理和性能

29、第7章数控机床驱动与控制系统1 1）、正弦脉宽调制（）、正弦脉宽调制（SPWMSPWM）变频器）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）波形）波形-与正弦波等效的一系列等与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波，如图所示。幅不等宽的矩形脉冲波，如图所示。 等效原理：把正弦分等效原理：把正弦分成成 n n 等分，每一区间的面等分，每一区间的面积用与其相等的等幅不等积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替。宽的矩形面积代替。 正弦的正负半周均如此正弦的正负半周均如此处理。处理。永磁交流伺服电机的变频调速永磁交流伺服电机的变频调速utt

30、uOOa)b)特点：等距、等幅、不等宽。特点：等距、等幅、不等宽。第7章数控机床驱动与控制系统基准正弦波(由速度指令转化过来的)方波发生器(带正反馈比较又有RC积分)三角波发生器(积分器)三角波与基准正弦波叠加（比较器）SPWM调制波VD1uutu1:调制波u0OOOttRFRR1R2R3R4R5R6R7VD2VD3VD4C 1C 2U0 (ua、ub、 uc )tO-+tut:载波第7章数控机床驱动与控制系统uAB50HzSPWMD1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12T1T2T3T4T5T6uauaububucucu1u2u3utu1utudua1t1t1t1t1t1tuA0

31、uB0uC0逆变器输出A相等效正弦脉宽电压波B相等效正弦脉宽电压波逆变器输出电压等效正弦脉宽电压波u1:由F转换来的ut改变调制波的频率、幅值，就可改变最终输出：变频变压的交流电压C相等效正弦脉宽电压波主回路：左半部：整流器右半部：逆变器第7章数控机床驱动与控制系统交流电动机的矢量控制理论交流电动机的矢量控制理论：解决了交流异步：解决了交流异步/ /同步电同步电动机的调速问题，使得交流电机的控制跟直流电机控制一样动机的调速问题，使得交流电机的控制跟直流电机控制一样方便可行，并且可以获得与直流调速系统相媲美的动态性能。方便可行，并且可以获得与直流调速系统相媲美的动态性能。交流感应异步电动机的矢量控制原理交流感应异步电动机的矢量控制原理：在普通的三相：在普通的三