第6章 数控机床的伺服驱动系统

1、1第6章数控机床的伺服驱动系统2主要内容主要内容p 6.1 概述概述p 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p 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p 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p 6.5 主轴驱动主轴驱动36.1 概概 述述 定义：定义： 伺服系统伺服系统是以是以机械位置机械位置或或角度角度作为作为控制量控制量的的自动控制自动控制系统系统。 又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元，是元，是实现切削刀具与工件间运动的实现切削刀具与工件间运动的进给驱动和执行机构进

2、给驱动和执行机构。作用：作用：伺服系统伺服系统是是数控装置数控装置( (计算机计算机) )和和机床机床的的联系环节联系环节，是数，是数控机床的重要组成部分。控机床的重要组成部分。功能：功能：接收接收来自来自CNCCNC装置（插补装置或插补软件）的装置（插补装置或插补软件）的进给指进给指令脉冲令脉冲，经过，经过信号变换信号变换及电压、功率及电压、功率放大放大，驱动驱动各坐标轴按指各坐标轴按指令脉冲令脉冲运动运动，使，使刀具刀具相对于相对于工件工件产生各种复杂的机械产生各种复杂的机械运动运动，加，加工出所要求的工出所要求的复杂形状工件复杂形状工件。4 进给伺服系统是数控系统主要的子系统。进给伺服系

3、统是数控系统主要的子系统。如果说如果说C装置是数控系统的装置是数控系统的“大脑大脑”，是发布，是发布“命令命令”的的“指挥所指挥所”，那么进给伺服系统则，那么进给伺服系统则是数控系统的是数控系统的“四肢四肢”，是一种，是一种“执行机构执行机构”。它忠实地执行由它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。量。5p数控机床伺服驱动系统的基本组成数控机床伺服驱动系统的基本组成 6伺服系统（伺服系统（Servo System)CNC系统系统驱动电机驱动电机检测装置检测装置控制信号控制信号反馈信号反馈

4、信号光栅尺光栅尺789p 比较环节比较环节是将输入的是将输入的指令信号指令信号与系统的与系统的反馈信号反馈信号进行比较，进行比较，以获得以获得输出与输入间的偏差信号输出与输入间的偏差信号的的环节环节，通常由专门的电路，通常由专门的电路或计算机来实现。或计算机来实现。p 控制器控制器通常是计算机通常是计算机CNC或或PLC控制电路，其主要任务是对控制电路，其主要任务是对比较元件输出的比较元件输出的偏差信号偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。要求动作。p 执行环节执行环节的作用是按的作用是按控制信号的要求控制信号的要求，将输入的各种形式的，将输入的各种形式

5、的能量转化成机械能能量转化成机械能，驱动被控对象工作。一般指各种电机或，驱动被控对象工作。一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。液压、气动伺服机构等。10p伺服驱动元件又称为执行电机伺服驱动元件又称为执行电机，在输入电信号之，在输入电信号之前，转子静止不动；电信号到来之后，转子立即前，转子静止不动；电信号到来之后，转子立即转动，且转动，且转向、转速随电信号的方向和大小而改转向、转速随电信号的方向和大小而改变变，同时带动一定的负载运动；电信号一旦消失，同时带动一定的负载运动；电信号一旦消失，转子立即自行停转。转子立即自行停转。11驱动电机：驱动电机：是进给系统的是进给系统的动力部件动力部件，它提

6、供，它提供执行部执行部分运动所需的动力分运动所需的动力，在数控机床上，在数控机床上常用的电机常用的电机有：有： l步进电机步进电机 l直流伺服电机直流伺服电机l交流伺服电机交流伺服电机l直线电机。直线电机。 p检测装置：检测装置： 在闭环、半闭环控制系统中，它的主在闭环、半闭环控制系统中，它的主要作用是要作用是检测位移和速度，并发出反馈信号检测位移和速度，并发出反馈信号，构，构成闭环或半闭环控制成闭环或半闭环控制 ,对驱动装置进行控制。对驱动装置进行控制。常用的检测装置有：常用的检测装置有：感应同步器、旋转变压器、光感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码器等。栅、脉冲编码器等。12进给驱动系统

7、进给驱动系统l用途和功能用途和功能主轴驱动系统主轴驱动系统电液伺服系统电液伺服系统l驱动元驱动元件的类型件的类型直流伺服驱动系统直流伺服驱动系统电气驱动系统电气驱动系统交流伺服驱动系统交流伺服驱动系统开环系统开环系统l控制原理控制原理半闭环系统半闭环系统闭环系统闭环系统伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有以下伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有以下三种。三种。步进电机伺服驱动系统步进电机伺服驱动系统13主要内容开环控制开环控制 (Open-Loop Servo-Drive)电机电机机械执行部件机械执行部件A相、相、B相相C相、相、f、nCNC插 补插 补指令指令脉冲频率脉冲频率f脉冲个

8、数脉冲个数n换算换算 脉冲环脉冲环形分配形分配变换变换功率功率放大放大p按控制原理分类按控制原理分类采用步进电机作为驱动元件；采用步进电机作为驱动元件；无位置反馈，其精度主要取无位置反馈，其精度主要取 决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度 ；结构简单、结构简单、调试维修方便，调试维修方便，工作稳定、工作稳定、设备投资低，设备投资低，一般用于精度和速度要求不高、驱动力矩不大的经济一般用于精度和速度要求不高、驱动力矩不大的经济型数控机床。型数控机床。14步进电机步进电机步进电机步进电机15半闭环控制半闭环控制 (Half-Closed-Loop Se

9、rvo-Drive)速度控制速度控制电路电路工作台工作台伺服电机伺服电机位置比较位置比较电路电路指令脉冲指令脉冲速度反馈速度反馈位置反馈位置反馈检测元件检测元件半闭环数控系统的位置采样点是从驱动装置半闭环数控系统的位置采样点是从驱动装置(常用常用伺服电机伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。不是直接检测运动部件的实际位置。p按控制原理分类按控制原理分类16半闭环数控系统半闭环数控系统半闭环环路内不包括或只包括半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节少量机械传动环节，因，因此可获得此可获得稳定的控制性能稳定的控制性能，其系

10、统的稳定性虽不如开，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。环系统，但比闭环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其消除。因此，其精度较闭环差，较开环好精度较闭环差，较开环好。但。但可可对这对这类误差类误差进行补偿进行补偿，因而仍可获得满意的精度。，因而仍可获得满意的精度。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。机床中得到了广泛应用。17交流伺服交流伺服电机电机18主要内容闭环控制闭环控制 (Closed-Loop Se

11、rvo-Drive )位置反馈位置反馈速度控制速度控制电路电路工作台工作台伺服电机伺服电机位置比较位置比较电路电路指令脉冲指令脉冲速度反馈速度反馈p按控制原理分类按控制原理分类19从理论上讲从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。间隙和失动量。具有很高的位置控制精度具有很高的位置控制精度。 由于位置环内的许多由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的，故很容易造成系统的不稳不稳定定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。，使闭环系统的设计、安装和调试

12、都相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。超精磨床以及较大型的数控机床等。闭环控制闭环控制 (Closed-Loop Servo-Drive )20光栅尺光栅尺光栅尺光栅尺21p 按驱动电机的类型分：按驱动电机的类型分：22p 按驱动电机的类型分：按驱动电机的类型分：23p 按驱动电机的类型分：按驱动电机的类型分：24p 按驱动电机的类型分：按驱动电机的类型分：直线电机251. 精度要高精度要高l 数控机床伺服系统的数控机床伺服系统的精度精度是指是指机床工作的实际位置机床工作的实际位置复现复现插补器指

13、令信号的插补器指令信号的精确程度精确程度。 静态静态：定位精度和重复定位精度要高，即定位误差和重复定位精度和重复定位精度要高，即定位误差和重复定位误差要小。高档数控机床微米级定位误差要小。高档数控机床微米级 ，超精密机床亚微超精密机床亚微米级。米级。 （以保证尺寸精度）（以保证尺寸精度）动态动态：跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误差表示。跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误差表示。 （以保证轮廓精度）（以保证轮廓精度） 灵敏度要高灵敏度要高：有足够高的分辩率。有足够高的分辩率。 262. 工作稳定性好工作稳定性好 27加工过程中，进给伺服驱动系统加工过程中，进给伺服驱动系统跟踪指令信号的速度

14、要快，过渡跟踪指令信号的速度要快，过渡时间要短，且无超调，时间要短，且无超调，这样跟随这样跟随误差才小。误差才小。否则对机械部件不利，否则对机械部件不利，有害于加工质量。有害于加工质量。过渡过程一般应在几十毫秒以内过渡过程一般应在几十毫秒以内。 t F tp 3.响应速度快，无超调响应速度快，无超调 快速响应是伺服系统动态品质的一项重要指标，它反映快速响应是伺服系统动态品质的一项重要指标，它反映了系统对插补指令的跟踪精度。了系统对插补指令的跟踪精度。284. 4. 调速范围要宽调速范围要宽 调速范围是指电机在调速范围是指电机在额定负载额定负载时所能提供的时所能提供的最高转速最高转速和最低转速之

15、比和最低转速之比。为保证在任何切削条件下都能获得最为保证在任何切削条件下都能获得最佳的切削速度，要求进给伺服驱动系统必须提供较大的佳的切削速度，要求进给伺服驱动系统必须提供较大的调速范围，一般调速范围应达到调速范围，一般调速范围应达到12000。现有的高性能现有的高性能进给伺服系统已具备无级调速，且调速范围在进给伺服系统已具备无级调速，且调速范围在110000以上。以上。 295. 低速转矩要大低速转矩要大6. 能可逆运行和频繁灵活启停。能可逆运行和频繁灵活启停。7. 可靠性高可靠性高 30p对主轴伺服系统，还应满足如下要求：对主轴伺服系统，还应满足如下要求：1 1主轴与进给驱动的同步控制主轴

16、与进给驱动的同步控制 为使数控机床具有螺纹和螺旋槽加工的能力，要为使数控机床具有螺纹和螺旋槽加工的能力，要求主轴驱动与进给驱动实现同步控制。求主轴驱动与进给驱动实现同步控制。2准停控制准停控制 在加工中心上，为了实现自动换刀，要求主轴在加工中心上，为了实现自动换刀，要求主轴能进行高精确位置的停止。能进行高精确位置的停止。3角度分度控制角度分度控制 有两种类型：有两种类型： 一是固定的等分角度控制；一是固定的等分角度控制； 二是连续的任意角度控制二是连续的任意角度控制。（称为。（称为“C”轴控制）轴控制）316.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统p步进电动机步进电动机是一种将是

17、一种将电脉冲信号电脉冲信号转换成转换成相应的相应的角位移角位移或或线线位移位移的的控制电动机控制电动机。 步进电机和一般电机不同，步进电机和一般电机不同，一般电机通电后连续转动一般电机通电后连续转动，而而步进电机则随输入的脉冲按节拍一步一步地转动步进电机则随输入的脉冲按节拍一步一步地转动。l 对步进电机施加一个对步进电机施加一个电脉冲信号电脉冲信号时，步进电机就时，步进电机就旋转一个旋转一个固定的角度固定的角度，称为一步称为一步。每一步所转过的角度叫做。每一步所转过的角度叫做步距角步距角。例：步进电机每转例：步进电机每转400步，即步，即步距角步距角为：为： 9 . 0400360若丝杠的导程

18、为若丝杠的导程为1010mm，齿轮传动比是，齿轮传动比是1，系统的脉冲当量系统的脉冲当量为：为：)(025. 01013609 . 0360mmti32l步进电机步进电机的的角位移量角位移量和输入的和输入的电电脉冲数脉冲数成正比成正比。l步进电机步进电机的的转速转速与输入的与输入的电脉冲信号的电脉冲信号的频率频率成正比成正比l步进电机步进电机的的转动方向转动方向与与步进电机的步进电机的工作方式工作方式(通电通电顺序顺序)有关。有关。只需要控制只需要控制输入脉冲输入脉冲的的数量数量、频率频率及电机绕组及电机绕组通电通电相序相序，便可以获得所需要的便可以获得所需要的转角转角、转速转速及转动及转动方

19、向方向。 在无脉冲输入时，步进电机在绕组电源激励下，在无脉冲输入时，步进电机在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有的位置而处于气隙磁场能使转子保持原有的位置而处于定位状态定位状态。33p优点：优点：结构简单，价格便宜，工作可靠；结构简单，价格便宜，工作可靠；p缺点：缺点： 容易失步（尤其在高速、大负载时），影响定容易失步（尤其在高速、大负载时），影响定位精度；位精度； 在低速时容易产生振动；在低速时容易产生振动； 细分技术的应用，明显提高了定位精度，降低细分技术的应用，明显提高了定位精度，降低了低速振动。了低速振动。p应用：应用：要求一般的开环伺服驱动系统，如经济型要求一般的开环伺服驱动系

20、统，如经济型数控机床的进给驱动。数控机床的进给驱动。346.2.1 步进电机工作原理步进电机工作原理步进电机的步进电机的步距角步距角大小与那些因素有关？大小与那些因素有关？l定子励磁绕组相数定子励磁绕组相数、通电方式通电方式 和和 转子的齿数转子的齿数。计算公式为：计算公式为：m定子励磁绕组相数定子励磁绕组相数Z转子齿数转子齿数K通电方式通电方式，若连续两次通电相数相同为若连续两次通电相数相同为1，若不，若不同则为同则为2。m相m拍，k1；m相2m拍，k2。 p步距角越小所达到的位置精度越高步距角越小所达到的位置精度越高。实际使用的步进电机实际使用的步进电机转子齿数很多转子齿数很多k=拍数拍数

21、p/相数相数m3 6 0m z ka=35p 例如：转子例如：转子40个齿，定子仍是个齿，定子仍是3对磁极，三相六拍。问步对磁极，三相六拍。问步距角是多少？距角是多少？360mzka=3603601.53402mzka鞍=创36步进电机转速计算步进电机转速计算：式中，式中，当转子的步距角一定时，当转子的步距角一定时，步进电机的转速与输步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比入的脉冲频率成正比。603606fnfaa=鞍式中：式中： n转速（转速（r/min); f脉冲频率，即每秒输入步进电脉冲频率，即每秒输入步进电机的脉冲数；机的脉冲数； 用度数表示的步距角。用度数表示的步距角。37p 结论：结论

22、： 步进电机定子绕阻通电状态每改变一次，它的步进电机定子绕阻通电状态每改变一次，它的 转子转过转子转过一个固定的角度，即电机的步距角；一个固定的角度，即电机的步距角； 改变步进电机定子绕阻的通电顺序，其转子的改变步进电机定子绕阻的通电顺序，其转子的 旋转方向旋转方向随之改变；随之改变； 步进电机定子绕阻通电状态变化的频率越高，步进电机定子绕阻通电状态变化的频率越高， 转子的转转子的转速越高；速越高； 步距角与定子绕阻相数步距角与定子绕阻相数 m、转子齿数、转子齿数 z、通电方式、通电方式k有关：有关：360mzka=38 主要特性有主要特性有 ：l 步距角；步距角；l 矩角特性矩角特性、最大静

23、态转矩、最大静态转矩Mjmax和启动转矩和启动转矩Mql 矩频特性与动态转矩矩频特性与动态转矩.l 最大静转距最大静转距l 启动频率启动频率fq ；l 运行矩频特性运行矩频特性；l 加减速特性；加减速特性；6.2.2 步进电机的主要特性步进电机的主要特性396.2.3 步进电机的分类1根据相数分类根据相数分类 有三、四、五、六相等，有三、四、五、六相等，相数越多，步距角越小相数越多，步距角越小。p通电方式：通电方式：采用采用m相相m拍、双拍、双m拍拍和和m相相2m拍拍， 在在m相相m拍和拍和m相相2m拍通电方式中拍通电方式中，可采用一，可采用一/二相、二相、二二/三相转换通电，三相转换通电，如

24、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 402根据产生力矩的原理分类根据产生力矩的原理分类 根据定子与转子间磁场建立方式，可分：反应式、根据定子与转子间磁场建立方式，可分：反应式、永磁式、混合式。永磁式、混合式。p反应式步进电机反应式步进电机的定子有多相磁极，其上有励磁的定子有多相磁极，其上有励磁绕组，而绕组，而转子无绕组，用软磁材料制成转子无绕组，用软磁材料制成，由，由被励被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行。p永磁反应式步进电机永磁反应式步进电机的定子结构

25、与反应式相似，的定子结构与反应式相似，但但转子用永磁材料制成或有励磁绕组转子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁力由电磁力矩实现步进运行矩实现步进运行。这样可提高电机的输出转矩，。这样可提高电机的输出转矩，减少定子绕组的电流。减少定子绕组的电流。413根据输出力矩的大小分类根据输出力矩的大小分类根据根据输出力矩输出力矩的大小可将步进电机分为两类：的大小可将步进电机分为两类： 伺服步进电机伺服步进电机和和功率步进电机功率步进电机。l 伺服步进电机伺服步进电机又称为快速步进电机，输出力矩在又称为快速步进电机，输出力矩在几十到数百几十到数百mNm，只能带动小负载，只能带动小负载，加上液压加上液压扭矩放

26、大器可驱动工作台扭矩放大器可驱动工作台。l 功率步进电机功率步进电机输出力矩在输出力矩在550Nm以上，能直接以上，能直接驱动工作台。驱动工作台。424根据结构分类根据结构分类 步进电机可制成轴向分相式（多段式）、径向分步进电机可制成轴向分相式（多段式）、径向分相式（单段式）相式（单段式）436.3 6.3 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一、直流伺服电动机一、直流伺服电动机 伺服电动机是指能够精密地控伺服电动机是指能够精密地控制其位置的一种电动机。直流伺服制其位置的一种电动机。直流伺服电动机是伺服电动机的一种。电动机是伺服电动机的一种。1. 直流伺服电动机分类及结构特点直

27、流伺服电动机分类及结构特点 永磁直流伺服电动机永磁直流伺服电动机无槽转子直流伺服电动机无槽转子直流伺服电动机空心杯转子直流伺服电动机空心杯转子直流伺服电动机印刷绕组直流伺服电动机印刷绕组直流伺服电动机后三种直流伺服电动机为小惯量直流伺服电动机。后三种直流伺服电动机为小惯量直流伺服电动机。44 直流伺服电动机的组成直流伺服电动机的组成p 电动机本体电动机本体: : 主要由机壳、定子磁极和主要由机壳、定子磁极和转子组成。转子组成。p 检测部件检测部件 : : 有高精度的测速发电机、旋有高精度的测速发电机、旋转变压器以及脉冲编码器等。转变压器以及脉冲编码器等。特点特点l 小惯量直流伺服电动机小惯量直

28、流伺服电动机: 惯量小，响应速度快，惯量小，响应速度快， 但过载能力低。但过载能力低。l 永磁直流伺服电动机永磁直流伺服电动机:转矩大，惯量大，稳定性转矩大，惯量大，稳定性 好，调速范围宽。好，调速范围宽。l但有电刷，限制速度的提高（但有电刷，限制速度的提高（10001500r/min）。）。456.4 交流伺服电动机及其速度控制交流伺服电动机及其速度控制 直流伺服电动机具有优良的调速性能，但直流伺直流伺服电动机具有优良的调速性能，但直流伺服电动机的电刷和换向器容易磨损，需要经常维护；由服电动机的电刷和换向器容易磨损，需要经常维护；由于换向器换向时会产生火花而使最高转速受到限制，也于换向器换向

29、时会产生火花而使最高转速受到限制，也使应用环境受到限制；直流伺服电动机结构复杂、制造使应用环境受到限制；直流伺服电动机结构复杂、制造困难，成本高。困难，成本高。 自自20世纪世纪80年代中期以来，以交流伺服电动机作为年代中期以来，以交流伺服电动机作为驱动元件的交流伺服系统得到迅速发展，有逐渐代替直驱动元件的交流伺服系统得到迅速发展，有逐渐代替直流伺服电机的趋势。流伺服电机的趋势。46一、交流伺服电动机一、交流伺服电动机二、永磁同步交流伺服电动机的结构二、永磁同步交流伺服电动机的结构三、永磁同步交流伺服电动机的工作原理三、永磁同步交流伺服电动机的工作原理四、同步交流伺服电动机的变频调速四、同步交

30、流伺服电动机的变频调速47一、交流伺服电动机一、交流伺服电动机1. 交流伺服电动机分类交流伺服电动机分类 异步型异步型 同步型同步型 同步型交流伺服电动机又分为永磁式和励磁式。同步型交流伺服电动机又分为永磁式和励磁式。 数控机床进给伺服系统中多采用永磁同步交流伺服电动机。数控机床进给伺服系统中多采用永磁同步交流伺服电动机。2. 永磁同步交流伺服电动机的特点：永磁同步交流伺服电动机的特点： 结构简单，运行可靠，效率较高结构简单，运行可靠，效率较高 调速方便调速方便 由于它的转速与所接电源频率之间存在一种严格由于它的转速与所接电源频率之间存在一种严格关系，所以可获得与频率成正比的可变速度，并且可以

31、得到关系，所以可获得与频率成正比的可变速度，并且可以得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。非常硬的机械特性及宽的调速范围。 缺点缺点 体积较大，起动较困难体积较大，起动较困难48二、永磁同步交流伺服电动机的结构二、永磁同步交流伺服电动机的结构 组成：定子、转子和检测元件。组成：定子、转子和检测元件。 定子具有齿槽，内有三相绕组，形状与普通交流电动机的定定子具有齿槽，内有三相绕组，形状与普通交流电动机的定子相同，但其外形多呈多边形，且无外壳，利于散热。子相同，但其外形多呈多边形，且无外壳，利于散热。 转子由多块永久磁铁和冲片组成。这种结构的优点是气转子由多块永久磁铁和冲片组成。这种结构的优点是气隙

32、磁密较高，极数较多。隙磁密较高，极数较多。49三、永磁同步交流伺服电动机的工作原理三、永磁同步交流伺服电动机的工作原理 定子三相绕组接上交流电源后，就会产生一个旋转磁场，定子三相绕组接上交流电源后，就会产生一个旋转磁场，以同步转速以同步转速ns旋转。定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极互相旋转。定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极互相吸引，并带着转子一起旋转。使转子也以同步转速吸引，并带着转子一起旋转。使转子也以同步转速ns旋转。旋转。 当转子加上负载转矩之后，将造成定子磁场轴线与转子磁当转子加上负载转矩之后，将造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合，其夹角为极轴线不重合，其夹角为。若负载发生变化，。若

33、负载发生变化，角也跟着变化角也跟着变化，但只要不超过一定的限度，转子始，但只要不超过一定的限度，转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速速ns旋转。转子转速为旋转。转子转速为 nns60f/p (r/min)式中式中 f电源的频率电源的频率 p磁极对数磁极对数50四、同步交流伺服电动机的变频调速四、同步交流伺服电动机的变频调速1. 调速原理分析调速原理分析 根据永磁同步交流伺服电动机转子转速公式根据永磁同步交流伺服电动机转子转速公式 nns60f/p (r/min) 可以通过改变电动机电源频率可以通过改变电动机电源频率 f 来调节电动机的转速。来调节电动机的

34、转速。 此法可以实现无级调速，能够较好地满足数控机床的要求。此法可以实现无级调速，能够较好地满足数控机床的要求。变频调速的关键是设计能为电动机提供变频电源的变频器。变频调速的关键是设计能为电动机提供变频电源的变频器。2. 变频器变频器 交交交变频器交变频器 直接将固定频率的交流电变换为另一种频直接将固定频率的交流电变换为另一种频率的交流电。率的交流电。 交交直直交变频器交变频器 先将电网交流电通过整流变为直流，先将电网交流电通过整流变为直流，再经过电容或电感或电容、电感组合电路滤波后供给逆变器再经过电容或电感或电容、电感组合电路滤波后供给逆变器。逆变器输出的是电压和频率可调的交流电。逆变器输出

35、的是电压和频率可调的交流电。51五、直线电机五、直线电机1. 1. 直线电机的结构直线电机的结构 直线电机是指一种利用电磁作直线电机是指一种利用电磁作 用原理，将电能直接转换成直线用原理，将电能直接转换成直线 运动动能的驱动装置，是一种能运动动能的驱动装置，是一种能 实现往复直线运动的电动机。直实现往复直线运动的电动机。直 线电机是从旋转电机转化而来的。线电机是从旋转电机转化而来的。(1)(1)直线电机的结构直线电机的结构 可以认为直线电机是将旋转电可以认为直线电机是将旋转电 机沿其轴向剖开，然后将其定子机沿其轴向剖开，然后将其定子 和转子展开，变成如图所示的由和转子展开，变成如图所示的由 定

36、子和动子组成的直线电机。定子和动子组成的直线电机。52p 直线电动机的实质直线电动机的实质 把旋转电动机沿径向剖开，然把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换后拉直演变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的一种推力装置，是一种较为理想的驱成直线运动动能的一种推力装置，是一种较为理想的驱动装置。动装置。p 与旋转电动机的最大区别与旋转电动机的最大区别 在机床进给系统中，取消在机床进给系统中，取消了从电动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给了从电动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零。正由于这种传动方式，带来了传动链的长

37、度缩短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和优点。旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和优点。p 应用前景应用前景 由于直线电动机在机床中的应用目前还处于由于直线电动机在机床中的应用目前还处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。随着各相关配套初级阶段，还有待进一步研究和改进。随着各相关配套技术的发展和直线电动机制造工艺的完善，直线电动机技术的发展和直线电动机制造工艺的完善，直线电动机在机床进给驱动中将会得到广泛应用。在机床进给驱动中将会得到广泛应用。 536.5 主轴驱动主轴驱动 数控机床的主轴驱动不同于进给驱动，主轴的工作运动数控机床的主轴驱动不同于进给驱动，主

38、轴的工作运动通常为旋转运动。通常为旋转运动。主轴驱动的主要要求：主轴驱动的主要要求： 输出功率大输出功率大 2.2250kw，结构上不能采用永磁式，结构上不能采用永磁式 宽的调速范围宽的调速范围 1：1001000恒转矩，恒转矩，1：10恒功率调速恒功率调速 主轴既能正转、又能反转，且能快速制动主轴既能正转、又能反转，且能快速制动 特殊要求特殊要求 如：加工螺纹，要求主轴驱动与进给驱动实行如：加工螺纹，要求主轴驱动与进给驱动实行同步控制；为了保证端面加工的光洁度，要求主轴驱动系统同步控制；为了保证端面加工的光洁度，要求主轴驱动系统具有恒线速切削控制；在加工中心上，由于自动换刀的需要具有恒线速切削控制；在加工中心上，由于自动换刀的需要，要求主抽驱动系统具有高精度的停位控制；有的数控机床，要求主抽驱动系统具有