数控机床的电气驱动与电机

1、第六部分数控机床的电气驱动与电机1. 机床动力源机床动力源根据用途分为三种类型 : 提供切削速度的主轴驱动动力源，进给驱动动力源及辅助运动驱动动力源。数控机床中多使用电动机作为动力源。(1) 主轴驱动动力源 :为主轴提供能量和较高的速度， 因为电动机可以在很宽的工作范围内经济地提供足够的能量和速度，所以大部分数控机床的主运动由电动机驱动。一般不采用交流电动机直接驱动主轴。 在需要调速的场合， 通常使用直流电动机。直流电动机可以在无级调速时输出足够的功率。(2) 进给驱动动力源 :在普通机床中， 通常由主轴带动齿轮链驱动进给运动。在数控加工中， 进给运动就不能由主轴带动齿轮链驱动了。刀具或工件的

2、运动有两种独立的要求:a. 在切削加工时，刀具或工件的实际位置总是要尽可能接近参考信号的位置；b. 除了加工螺纹，进给速度不需要精确控制。与主轴驱动动力源相比， 进给驱动动力源的功率要小得多。 此外，进给运动的速度比切削运动慢得多。 尽管进给运动的速度不高， 但是，进给驱动动力源的控制精度和响应速度必须很高。(3) 辅助运动驱动动力源 :通常使用交流感应电动机作为辅助运动驱动动力源， 包括冷却泵， 除屑，驱动液压马达等，在这些应用场合，只需要进行开/ 关控制。2. 步进电动机步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制， 并将电脉冲信号转换成相应的角位移的电动机。步进电动机转动的角位移量和转速分别与电

3、脉冲数和电脉冲频率成正比。通过调节电脉冲数和电脉冲频率， 就可以控制步进电动机的角位移和转速。步进电动机在停机后还可以具有自锁能力。 步进电动机每转过一周都有固定的步数，从理论上说不会产生步距误差的累积， 步进电动机的最大缺点是容易失步 ( 失步 : 包括丢步和越步。 丢步是指转子前进的步数小于电脉冲数； 越步是指转子前进的步数多于电脉冲数 ), 特别是在大负载和转速较高时，更容易发生失步，同时步进电动机输出的功率也不太大。 目前，步进电动机主要用于经济型数控机床的进给驱动。(1) 步进电动机的分类 :步进电动机分反应式和混合式两大类。 反应式步进电动机又称磁阻式步进电动机，根据不同的分相结构

4、形式， 又分为单段反应式步进电动机和多段反应式步进电动机。以单段反应式步进电动机的使用最为广泛。与反应式步进电动机相比， 混合式步进电动机的转矩体积比大， 而且步距角容易做得比较小， 因此在工作空间受到限制， 同时又需要小步距角和大转矩的应用场合，常常选用混合式步进电动机。 此外，混合式步进电动机在绕组未通电时，转子永久磁钢能产生自动定位转矩， 但它能使断电时转子保持在原来的位置， 这是一种非常有用的特性。(2) 步进电动机的工作原理 :要求了解步进电动机的工作原理。以三相步进电动机为例，有三相单三拍、三相单双六拍和三相双三拍通电方式。同一台步进电动机通电方式不同，运行时步距角也不同。 采用单

5、一双拍通电方式时， 步距角要比单拍通电减少一半。在实际中，单三拍通电方式由于在切换时一相绕组断电而另一相绕组开始通电，容易造成失步且运行的稳定性较差，所以很少用。 通常用双三拍通电方式， 它的步距角和单三拍通电方式相同。反应式步进电动机的转子齿数 z基本上由步距角的要求所决定。转子的齿数就必须满足一定条件， 而不能为任意数值。 当定子的相邻极属于不同的相时， 在某一极下若定子和转子的齿对齐时， 则要求在相邻极下的定子和转子之间应错开转子齿距的 1/m, 即它们之间的空间位置上错开360 mzr 角。由此可得出转子齿数应符合的条件 :1zr2 p KmK =0,1,2,3,式中2 p 步进电动机

6、的定子极数；m 相数。步进电动机的步距角 s 由下式决定 :360smzrc式中 c 状态系数， 当采用单三拍或双三拍运行时取1, 采用六拍通电方式时取 2。若步进电动机通电的脉冲频率为f , 则步进电动机的转速 n (r/min) 为 :n60 fmzr c电动机的相数和齿数越多， 步距角s 就越小，又从上式可知， 这种步进电动机在一定的脉冲频率下， 转速亦越低。但相数越多，电源就越复杂，成本也越高。因此，步进电动机最多为6相。(3) 步进电动机的运行性能 :a. 静特性，主要指静态距角特性和最大静转矩特性。b. 动特性步进电动机的动特性直接影响系统的快速响应及工作的可靠性。 它与电动机的性

7、能和负载性质有关， 还和电源的特性及通电的方式有关， 其中有些因素还是属于非线性的。(a) 步进运行状态时的动特性若电动机绕组通电脉冲的时间间隔大于步进电动机机电过渡过程所需的时间，这时电动机为步进状态。(b) 连续运行状态时的动特性当控制绕组的电脉冲频率增高，相应的时间间隔也减小，以至小于电动机机电过渡过程所需的时间， 形成连续运行状态。 实际上，步进电动机大都是在连续运行状态下工作的。 在这样运行状态下电动机所产生的转矩称为动态转矩。步进电动机的最大动态转矩和脉冲频率的关系称为矩频特性。 步进电动机的最大动态转矩将小于最大静转矩， 并随着脉冲频率的升高而降低。 在步进电动机运行时，对应于某

8、一频率，只有当负载转矩小于它在该频率时的最大动态转矩，电动机才能正常运转。步进电动机的工作频率是指电动机按指令的要求进行正常工作时的最大脉冲频率。所谓正常工作就是说步进电动机不失步地工作， 即一个脉冲就移动一个步距角。步进电动机的起动频率是指它在一定的负载转矩下能够不失步地起动的最高频率。起动频率的大小是由许多因素决定的， 绕组的时间常数越小， 负载转矩和转动惯量越小，步距角越小，则起动频率越高。步进电动机的连续工作频率又称运行频率。 它是指步进电动机起动后， 当控制脉冲连续发出时， 能不失步运行的最高频率。 影响运行频率的因素与影响起动频率的因素基本上相同， 但是转动惯量对运行频率的影响不像

9、对起动频率的影响那么明显。它仅影响到频率连续上升的速度。(4) 步进电动机的驱动电源 :对步进电动机的各相按照一定的顺序通 / 断电，就可获得期望的角位移量。有些数控系统直接控制步进电动机各相的通 / 断电，步进电动机的每一相分别占用一个 I/O 端口。其缺点是控制软件计算量大， 占用 CPU时间长，要以很高的频率改变各 I/O 端口的电平，整个系统的可靠性较低。目前大部分数控系统是给出一个与步进电动机转速相对应的方波信号和一个电平信号表示旋向， 经硬件环形脉冲分配器电路产生所要求的各相顺序通 / 断电信号。方波信号的频率决定了步进电动机的转速， 而电平信号的高低代表旋向。 优点是无论是几相步

10、进电动机， 都仅占用两个 I/0 端口，由硬件电子线路产生对应于步进电动机各相的控制信号，步进电动机控制软件简单，占用数控系统 CPU的时间短，可靠性高。数控系统或硬件环形脉冲分配器输出的信号仅是数字逻辑控制信号， 一般是TTL电平，需经过功率放大后再接到步进电动机相应的相上带动步进电动机正常旋转。大部分步进电动机的控制都倾向于采用硬件环形脉冲分配器， 并常与功率放大电路集成在一起构成步进电动机驱动电源。常见的驱动电源主要有三种类型: 高低压双电源型、恒流斩波型和调频调压型。高低压双电源型是最基本的驱动放大器， 其电路比较简单， 成本低。但是它不能解决由反电动势所引起的绕组电流顶部凹陷的问题，

11、 从而导致电动机转矩下降。恒流斩波型是为了解决电动机绕组电流顶部凹陷的问题。 在电动机运行频率较低时应用效果是好的， 但在较高的频率运行时其效果变差， 且会导致电动机运行时的噪声有所增加。 调频调压型通过 低频低压，高频高压 的办法有效地提高了电动机较高频率运行时的转矩。 但采用这种方法时要求给绕组供电的电源有较高的电压，否则就会发生高频时电压调不上去的现象。3. 进给伺服电动机(1) 进给伺服电动机的负载计算 :数控机床进给系统的伺服电动机是根据负载条件来进行选择的。 加在电动机轴上的负载有两种 : 负载转矩和负载惯量。负载转矩包括切削转矩和摩擦转矩。本节要求重点掌握负载转矩的计算及进给伺服

12、电动机惯量与负载惯量的匹配。a. 计算转矩时应充分考虑的问题(a) 由于镶条、压板面所产生的摩擦转矩必须充分考虑。(b) 由于轴承和滚珠丝杠螺母的预加负载和丝杠的预紧力作用，滚动接触表面的摩擦转矩都不能忽略。(c) 摩擦转矩受进给速率的影响。(d) 同一台机床上，摩擦转矩也是随调整情况、环境温度和润滑条件而变化的。b. 当伺服电动机选好后， 电动机惯量与负载惯量的匹配应与快速移动速度相适应。如果负载转矩极大地超过额定转矩， 进给传动链各元件的使用寿命及精度将会大大受到影响 ( 特别是安装在电动机轴上的小齿轮的使用寿命 ) 。根据这个道理，负载惯量折算到电动机轴上的总和 J1与电动机转子惯量 J

13、m之间应有一定的关系，并保证小于或等于额定转矩 ( 或者计算转矩 ) 。这就是我们所说的电动机惯量与负载惯量的 匹配 。负载惯量与电动机惯量匹配的基本关系为 :J1ABJ mKA式中J m 电动机转子惯量 kg cm 2；J1 负载惯量并折算到电动机轴上的总和(kg cmzhk 伺服电动机堵转转矩系数，或称过电流系数； A 计算转矩系数；B 负载转矩系数， B A , 空载时为摩擦转矩系数。关于 K 、 A 、 B 几个系数的基本取值应该掌握。c. 选择伺服电动机应满足的条件。(a) 根据负载转矩选择电动机。负载转矩应等于或小于电动机额定转矩。(b) 负载转矩加加速转矩应等于所选择电动机的最大

14、转矩 ( 即由放大器限制的转矩)。(c) 加速转矩应考虑负载惯量和电动机惯量的匹配，还应考虑加速时间在允许范围内。(d) 在空载时，加速转矩应等于最大转矩减去摩擦转矩，其差值等于全部惯量 ( 电动机惯量 +负载惯量 ) 乘以角速度斜率。(2) 直流伺服电动机的特点与工作原理 :目前在数控机床进给驱动中采用的直流电动机主要是 70年代研制的大惯量宽调速直流伺服电动机。 分为电励磁和永久磁铁励磁两种， 占主导地位的是永磁式直流电动机。a. 永磁式宽调速直流电动机的特点(a) 能够承受高的峰值电流，以满足快的加减速要求；(b) 大惯量结构使其具有大的热容量，可以允许较长的过载工作时间；(c) 低速高

15、转矩特性和大惯量结构，使其可以与机床进给丝杠直接连接；(d) 在较大的加速度下仍具有良好的换相性能；(e) 绝缘等级高，从而保证电动机在反复过载的情况下仍有较长的寿命；(2) 在电动机轴上装有精密的速度和位置检测元器件，可以实现速度和位置的闭环控制。但是宽调速直流伺服电动机的控制不如步进电动机简单， 快速响应性能不如小惯量电动机。由于其转子耐温可达 150200，高温热量会通过转轴传到丝杠，若不采取措施，丝杠的热变形将影响传动精度。电动机电刷易磨损，维修、保养也存在问题。b. 直流伺服电动机的速度控制单元直流伺服电动机是在其速度控制单元的控制下运转的， 速度控制单元的性能直接决定了直流伺服电动

16、机的运行性能。 从直流伺服电动机速度控制单元主回路的类型来分，主要有晶闸管相控整流器和大功率晶体管斩波器两种。 从性能上来看，后者大大优于前者。采用大功率晶体管斩波器的速度控制单元，也称PWM调速单元，是脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)的缩写。(a) 直流 PWM调速的基本原理。 利用大功率晶体管作斩波器， 其电源为直流固定电压，开关频率也为常值，根据控制信号的大小改变每一周期内 接通 和 断开 的时间长短，即改变 接通 脉宽，使直流电动机电枢上电压的 占空比 改变，从而改变其平均电压，完成电动机转速控制，这就是直流 PWM调速的基本原理。直流电动机电枢两端电压是一

17、方波脉冲，幅值 U m 、周期 T是常数，脉冲宽度S可变。则转速 n 近似于与脉冲宽度 S成正比，可以写为 :nU m STCe式中C e 电动机电磁结构常数；励磁电通。(b) 速度控制单元的组成及其功用。速度调节器 得到电流调节器的给定输入信号。电流调节器 得到 PWM脉宽调制器的控制信号。PWM调制器产生 PWM脉冲，经驱动电路放大后驱动晶体管斩波器。由于该斩波器有四只大功率晶体管，所以需要四路基极驱动信号。驱动电路全称为大功率管 (GTR)的基极驱动电路，主要作用是将控制电路输出飞的 PWM脉冲放大到足以驱动功率晶体管。此外还有光隔离功能。晶体管直流斩波器直流 PWM速度控制单元的主回路

18、，作用是将直流电源电压变换成宽度可调的方波脉冲，加于电动机的电枢两端，以驱动电动机。直流伺服电动机及其速度检测元件速度检测元件发出的速度反馈信号给速度控制单元，用来控制电动机达到指令速度值。速度检测元件常用的有两种 : 一种是测速发电机，输出电压作为速度反馈信号。另一种是光电脉冲编码器。 光电脉冲编码器发出的是脉冲频率信号， 它与电动机的转速成正比。这一频率信号，必须经过 频率 / 电压变换器 (F/V 变换器 ) 之后，才能变为电压量，作为速度反馈信号。(c) 了解在实际的速度控制单元中经常采用的倍频式脉宽调制器的组成原理。(3) 直流伺服电动机的选用 :这里介绍的有些方法， 不仅对于选用直

19、流伺服电动机， 而且对于选用交流伺服电动机也是基本适用的。对于直流伺服电动机来说， 其负载转矩可以从其转矩转速曲线看出， 一般伺服电动机说明书中都给出了转矩转速曲线。 选用直流伺服电动机的原则主要有下面四条 :(a) 机床无切削运行时，在整个速度范围内，其负载转矩应在电动机连续额定转矩范围内。(b) 最大切削转矩的倍数设定应在电动机的载荷特性所规定的范围内。(c) 在加减速时，应当工作在加减速工作区内。在加减速时，总的转矩为负载转矩和惯性转矩之和，惯性转矩的大小取决于加速度的大小和负载惯量的大小，而加速度的大小又取决于希望的加速时间。(d) 负载惯量对电动机灵敏度和快速移动时间有很大影响，一般

20、来说，负载惯量必须不大于电动机转子惯量的三倍。(4) 交流伺服电动机的特点与工作原理 :直流进给伺服电动机和直流主轴电动机由于机械换向器和电刷的存在， 降低了电动机运行的可靠性， 增加了维护和保养的负担， 交流伺服电动机因此用得越来越广泛。a. 交流进给伺服电动机的基本结构和类型交流进给伺服电动机与直流进给伺服电动机相比较， 可理解为将定子与转子的位置互换，直流电动机的永磁的定子变成为交流电动机的永磁的转子， 而直流电动机的转子绕组变成了交流电动机的定子绕组。 这样就省去了机械换向器和电刷，代之以电子换向器或逆变器。事实上，按气隙磁场的分布方式的不同，交流进给伺服电动机可分为两种， 一种称为无

21、刷直流电动机， 另一种称为永磁同步电动机，无刷直流电动机其实也是交流电动机， 它的气隙磁场是按方波分布， 而永磁同步电动机的气隙磁场是按正弦波分布的。b. 无刷直流电动机及其速度控制单元(a) 无刷直流电动机在结构上相当于一台反装式的直流电动机。在无刷直流电动机的轴上装有转子位置检测器、 测速发电机和光电脉冲编码器。 测速发电机的输出信号用做速度反馈。 而光脉冲编码器的信号则送入 CNC装置用做位置反馈。转子位置检测器有限多种类型， 但是输出的信号是一样的， 电子换向器正是根据它的三路输出信号来对电动机进行换向的。(b) 无刷直流电动机的工作原理。无刷直流电动机相当于三个换向片的直流电动机，只

22、不过换向由晶体管来进行， 因结构上的限制电枢绕组及变流器静止不动，而磁极是旋转的。 其工作原理需要基本了解。 无刷直流电动机的定子绕组与电子换向器中的晶体管开关串联。 事实上，元刷直流电动机也采用脉冲宽度调制(PWM)的方式来调速，与电动机定子绕组相串联的晶体管既起到换向的作用，也要完成脉宽调制的任务。 从转子位置检测器发出的三路信号， 经过换向组合逻辑电路处理后，应得到六路换向脉冲波形。元刷直流电动机速度单元也采用转速、 电流双闭环的结构， 速度调节器和电流调节器均为比例积分型调节器。c. 正弦波永磁同步电动机及速度控制单元(a) 正弦波永磁同步电动机的基本结构。与无刷直流电动机一样，正弦波

23、永磁同步电动机的转子也是永磁体 ( 一般用稀土磁钢制成 ) 。定子上对称安装有三相绕组。但是永磁同步机的气隙磁场是按正弦波分布的， 因此定子绕组中具有正弦波反电动势。在正弦波永磁同步电动机的轴上装有测速发电机， 其输出信号可用做速度反馈。轴上还装有转子位置检测器， 但与装在无刷直流电动机上的检测器不同的是，这里的检测器应能测出电动机转子精确的绝对转角位置， 一般采用绝对式脉冲编码器或旋转变压器。 位置检测器的输出信号有两个用途 : 一是向 CNC装置中的位置控制器提供位置反馈信号 : 二是在速度控制单元中形成电流指令。(b) 正弦波永磁同步电动机的电磁转矩。直流伺服电动机中转矩是平稳的。在无刷

24、直流电动机中，定子磁势是脉动旋转的，故电动机的电磁转矩是脉动的。这一脉动对元刷直流电动机的性能产生不利的影响。 正弦波永磁同步电动机的电磁转矩也是靠定子磁场与转子磁场相互作用产生的。由于转子 ( 磁场 ) 是旋转的，所以定子磁场必须与转子同步旋转，才能产生平稳的电磁转矩。正弦波永磁同步电动机的电磁转矩 T可以简化为 :TK m I m式中K m 常数；I m 定子电流的幅值。它表明电磁转矩是与定子电流的幅值I 成正比的。正弦波永磁同步电动机速度控制单元的结构需要学生正确掌握。节器采用的是比例积分算法。它的速度调4. 数控机床主轴电动机主轴驱动与进给驱动相比有相当大的差别， 但就主轴驱动的速度控

25、制系统而言，无论交流调速或是直流调速，与进给驱动系统并无实质的差别。(1) 数控机床主轴驱动的特殊问题 : a. 主轴控制对主轴电动机的要求(a) 主轴输出大功率，因此对功率驱动电路提出了更高的要求。(b) 调速范围要足够大，一般要求能在 1:(1001000) 范围内恒转矩调速， 1:10恒功率调速，并能实现四象限驱动功能。早期的数控机床多采用晶闸管直流主轴驱动系统。 但由于直流电动机受换向限制，大多数系统恒功率调速范围都很小。 目前，交流驱动系统逐步应用到数控机床主轴驱动。交流驱动性能已达到直流驱动系统的水平，而噪声还有所降低，价格也不比直流驱动贵。b. 机床主传 . 动和工作运动是旋转运

26、动，无需丝杠和其他直线运动装置，实现主轴无级调速后就可省去主轴多级变速箱，大大简化机床的机械结构。 为满足数控机床对主叫驱动的要求，主轴电动机应具备:功率大，大调速范围内速度稳定且恒功率调速范围宽；断续负载下电动机转速波动小；加速、减速时间短；温升低，噪声小，振动小，可靠性高，寿命长，易维护，体积小，重量轻；电动机过载能力强等性能。c. 直流电动机作主轴电动机时不能用永磁式， 这样才能有大的输出功率。 直流电动机的过载能力一般约为 1.5 倍。恒转矩调速范围与恒功率调速范围之比为 1:2 。对交流主轴电动机均采用专门设计的鼠笼式感应电动机的形式。交流电动机恒转矩与恒功率调速范围之比约 1:3,

27、 过载能力约为 1.21.5 倍。过载时间从几分钟到半小时不等。主轴电动机轴上均装有测速发电机或光电脉冲发生器， 脉冲编码器等作为转速和主轴位置的检测元件。d. 对主轴除要求连续调速外， 还有主轴定向准停、 主轴的旋转与坐标轴进给的同步及恒线速切削等控制要求。(2) 直流主轴电动机及其控制单元 :直流主轴电动机为它励式直流电动机， 相对进给伺服电动机而言， 其功率一般较大，运行速度可以高于额定转速。直流主轴电动机的调速性制 J一般在额定转速以下时保持励磁绕组中励磁电流为额定值，通过改变电枢绕组的端电压的办法调速 ( 恒转矩调速 ) ；在额定转速以上时，则保持电枢端电压不变 ( 额定值 ), 通过改变励磁绕组中的励磁电流的办法调速 ( 恒功率调速 ) 。直流主轴电动机的调速方法是恒转矩调速与恒功率调速的结合。直流主轴电动机与直流进给电动机都存在换向的问题， 主轴电动机的转速较高，电枢电流较大， 所以换向要比