数控机床的驱动及位置控制

1、第五章 数控机床的驱动及位置控制6.1 概述26.2 步进电机及驱动46.3 直流伺服电机及驱动186.4 交流伺服电机及驱动296.5 直线电机35概述35第五章 数控系统的检测装置415.1 概述415.2 码盘435.3 光栅和磁栅515.4 旋转变压器605.5 感应同步器645.6 速度传感器695.7 位置传感器726.1 概述一、伺服的概念及组成 伺服驱动的发展历程： 步进电机直流伺服电机交流伺服电机旋转式电机直线电机 进给伺服系统组成:由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。作用是：接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服

2、驱动装置(直流、交流伺服电机，功率步进电机，电液脉冲马达等)和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件实现工作进给和快速运动。数控机床的进给伺服系统与一般机床的进给系统有本质上的差别，它能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。 如何选用伺服驱动系统，在实际中必须根据机床的要求来确定。各种数控机床所完成的加工任务不同，所以它们对进给驱动的要求也不尽相同，但大致可概括为以下几个方面：(1)精度要求高：包括定位精度、重复定位精度及轮廓加工精度。 (2)稳定性好:有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。(3)响应速度快且无超调：快

3、速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。(4)调速范围宽：要求有较宽的无级调速范围，既能满足高速加工要求，又能满足低速进给要求,且在低速时运行平稳无爬行。 (5)低速大转矩：要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出，防止出现低速爬行现象。注：定位精度：移动件到达指令位置的准确度；重复定位精度：移动件在任意定位点的定位一致性进给电机的类型：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机和直线电机。二、伺服系统的分类1、按其用途和功能分类2、按反馈比较控制方式分类数控进给伺服系统按有无位置检测和反馈进行分类，有以下两种。(1) 开环伺服系统图4-30是开环伺服系统原理图，它由步进电机及其驱动

4、线路等组成。其功能是每输入一个指令脉冲，步进电机就旋转一定角度，步进电机的旋转速度取决于指令脉冲的频率。转角的大小由指令脉冲数所决定。开环系统的精度较差，但由于结构简单、易于调整，在精度不太高的场合中仍得到较广泛的应用，如机床改造等。(2) 闭环伺服系统组成:它由伺服电机、检测装置、比较电路、伺服放大系统等部分组成。如图4-31，它根据来自检测装置的反馈信号与指令信号比较的结果来进行速度和位置的控制。 对部分数控机床来说，其检测反馈信号是从伺服电机轴或滚珠丝杠上取得的。对高精度或大型机床，直接从安装在工作台等移动部件上的检测装置中取得反馈信号。为区别两者，前者称之为半闭环系统。通过闭环系统直接

5、测量工作台等移动部件的位移从而实现精度高的反馈控制。但这种测量装置的价格较高，安装及调整都比较复杂且不易保养。相比之下，半闭环系统 中的转角测量就比较容易实现，但由于后继传动链传动误差的影响，测量补偿精度比闭环系统差。半闭环系统由于系统简单而且调整方便，现在已广泛地应用在数控机床上。3、按照调节理论分类三、对伺服驱动元件即伺服电动机的要求(1)电动机从最低转速到最高转速范围内应都能平滑地运转；转矩波动要小，尤其在最低转速时，仍要有平稳的速度而无爬行现象；(2)电动机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求；(3)电动机应可控性好、转动惯量小、响应速度快；(4)电动机应能承受频繁的

6、启动、制动和反转。6.2 步进电机及驱动驱动器每向步进电机输入一个电脉冲信号，步进电机转动一个角度，称为步距角，通过齿轮和丝杠带动工作台移动。 步进式进给伺服驱动系统属于开环控制系统。 步进电机转过的角度与电脉冲信号个数成正比，转动速度与电脉冲信号的频率成正比。优点：电机具有自锁能力； 每转一周都有固定的步数，理论上说步距误差不会累积。 缺点： 在大负载和速度较高的情况下容易失步，能耗较大。应用：步进电机的速度不高，在脉冲当量为1m/脉冲时，最高移动速度为2m/min，主要用于速度和精度要求不太高的经济型数控机床和旧机床改造。一、 步进电机分类常见的分类方式有按相数、按产生力矩的原理、按输出力

7、矩的大小和结构进行分类u 按相数分：有三相、四相、五相、六相等。相数越多，步距角越小，输出转矩越大，但结构也越复杂。通电方式采用m相m拍、双m拍和m相2m拍等。u 按力矩产生的原理分：有反应式、永磁反应式和混合式三类。u 按输出力输出力矩的大小分：快速步进电机（0.07Nm4Nm）和功率步进电机（5 Nm50 Nm）两类。u 按结构分类：有轴向分相式（即多段式）和径向分相式（即单段式）。二、步进电机工作原理 通过被励磁的定子的电磁力吸引转子偏转输出转矩。因此，它理论依据就是电磁作用原理。现以三相反应式步进电机为例加以说明。图4-32是反应式三相步进电机的工作原理图。定子上有6个磁极，分别为A、

8、B、C三相，每个磁极上绕有激磁绕组，并且电流产生的磁场方向一致。转子无绕组，它由带齿的铁芯做成的。当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极依次产生磁场，并每次对转子的某一对齿产生电磁转矩，使它转动。每当转子的某一对齿的中心线与定子磁极的中心对齐时，磁阻最小，转矩为零。按一定方式切换定子绕组各相电流，使转子按一定方向一步步转动。步进电机每步转过的角度称为步距角。在图4-32中，设A相通电，则转子的1、3 两齿被磁极A产生的电磁转矩吸引转动，当1、3齿与A对齐时，转动停止；此时，B相通电，A相断电，磁极B又把距它最近的一对齿2、4吸引转动，转子按逆时针方向转过；接着C相通电，B相断电，转子2

9、逆时针旋转。依次类推，定子按ABCA顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步转。若改变通电顺序，按ACBA顺序通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转。这种控制方式称为单三拍方式。由于每次只有一相绕组通电，在切换瞬间电机失去自锁转矩，容易失步；此外，只有一相绕组通电吸引转子，易在平衡位置附近产生振荡。因此实际中不采用单三拍控制方式，而采用双三拍控制方式，即通电顺序按ABBCCAAB(逆时针方向)或ACCBBAAC(顺时针方向)进行。由于双三拍控制方式每次有两相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作较稳定。如果通电顺序按AABBBCCCAA进行，就是三相六拍控制方式，每切换一

10、次，步进电机按逆时针方向转过。同样，若按AACCCBBBAA顺序通电，步进电机每步按顺时针方向转过。三相六拍控制方式比单三拍控制方式步距角小一半，同样在切换时保持一相绕组通电，工作稳定；与双三拍相比增大了稳定区，故在实践中常采用这种控制方式。步进电机的旋转方向和转速，由定子绕组的脉冲电流决定，即由指令脉冲决定。指令脉冲数就是电机的转动步数，即角位移的大小。指令脉冲频率决定它的旋转速度，只要改变指令脉冲频率，就可以使步进电机的旋转速度在很宽范围内连续调节。改变绕组的通电顺序，可以改变它的转向。由此可见，步进电机的控制是十分方便的。采用步进电机驱动的缺点是效率低，驱动惯量负载能力差，作告诉运动时容

11、易失步。三、步进电机的结构步进电机的类型很多，在此只介绍反应式步进电机的结构。 图4-34是一种典型的单定子径向分相的三相反应式步进电机的结构原理图。定子上有六个均布的磁极，在直径相对的两个极上的线圈串联，构成一相控制绕组。极与极之间的夹角为，每个定子磁极上均布5个齿，齿间夹角为。三相(A、B、C)定子磁极和转子上相应的齿依次错开1/3齿距。这样若按三相六拍方式给定子绕组通电，即可控制步进电机以才的步距角作正向或反向旋转。反应式步进电机的另一种结构形式是多定子轴向分相式。图4-34所示为这种步进电机的结构原理图。与径向分相式不同，它的各相磁极是沿轴向排列的，定子和转子都分成五段，每段一相，依次

12、排列为A、B、C、D、E，每相是独立的。定子铁芯由硅钢片叠成，转子由整块硅钢制成。定、转子各相有相同的齿形槽，按圆周分布。各相定子上的齿的相对位置依次径向错开1/5齿距，其控制方式与径向分相式相同。与径向分相式相比，轴向分相式结构的制造工艺比较复杂，目前大多数反应式步进电机采用径向分相式结构。但是，当相数较多时，也有采用径向和轴向分相相结合的混合式结构。四、步进电机的主要特性 步距角和静态步距误差步进电机每步的转角称为步距角。它取决于电机结构和控制方式，步距角可按下式计算: 式中,m定子相数；z转子齿数；k通电系数， m相m拍，k1；m相2m拍，k2。例如三相六拍控制方式的k=2，三相三拍控制

13、方式的k=1。一般很小，如：31.5，1.50.75，0.720.36等 步进电机每走一步的步距角，按理论设计是圆周的等分值。但是实际的步距角与理论值有误差。在一周内各步误差的最大值，被定为步距误差。它的大小是由制造精度、齿槽的分布和气隙等因素决定的。步进电机的静态误差一般在以内。 输出转距 是指与步进电动机的各种转速相对应的输出扭矩。如施加超过输出扭矩的负载扭矩时，步进电动机就会停转，因此，步进电动机的负载扭矩必须小于输出转矩。 最高启动、停止脉冲频率 步进电动机所能接受的正确启动停止的指令脉冲系列的最高频率。它随着加在电机轴上的负载惯量和负载转矩的大小而变化。 连续运行最高频率 步进电动机

14、连续运行时，所能接受的指令脉冲系列的最高频率。 步进运行和低频振荡 当控制脉冲的时间间隔大于步进电动机的过渡过程时间时，电机呈步进运行状态。步进电动机在运行中存在着振荡，它有一个固有频率，当控制脉冲频率等于固有频率时，就会产生振荡。例题：1、有一采用三相六拍驱动方式的步进电机，其转子有80个齿，经齿轮-丝杠螺母副驱动工作台作直线运动，丝杠的导程为7.2mm，齿轮的传动比iz1/z21/5。求：(1)步进电机的步距角； (2)工作台的脉冲当量；解：(1)360/mzk0.75(2)it/360=0.20.757.2/3600.00032、有一采用四相八拍驱动方式的步进电机，其转子有90个齿，经齿

15、轮-丝杠螺母副驱动工作台作直线运动，丝杠的导程为7.2mm，齿轮的传动比iz1/z21/5。求：(1)步进电机的步距角；(2)工作台的脉冲当量；(3) 测得运行频率为1200Hz时，其转速为多少？解：（1）360/mzk0.5（3分）(2) it/360=0.20.57.2/3600.002（3分）（3）（转/分）丝杠导程为5mm，工作台移动最大速度为6mm/s，求：（1）步进电机的步距角（2）工作台的脉冲当量（3）步进电机的最高工作频率f答 不约等于的话f=576Hz五、步进电机开环进给的传动计算及电机选用(1) 传动计算图4-35(a)所示的直线进给系统，进给系统的脉冲当量为(mm)，步进

16、电机的步距角为，齿轮传动链的传动比为，滚珠丝杠的导程为(mm)，他们之间的关系如下： (4-24)则有： (4-25)脉冲当量：数控系统发出一个指令脉冲，工作台所移动的距离。它决定了数控机床的加工精度和最高工作频率。对于图4-35(b)所示的圆周进给系统(如数控转台等)，设脉冲当量为，蜗杆为头，蜗轮为齿，则有 (4-26)步进电机开环进给系统的脉冲当量一般取为0.01mm或0.001度，也有选用0.0050.002mm或0.0050.002度的，这时脉冲位移的分辨率和精度较高，但是由于进给速度mm/min或，在同样的最高工作频率时越小则最大进给速度之值也越小。步进电机的进给系统使用齿轮传动，不

17、仅是为了求得必需的脉冲当量而且还有满足结构要求和增大转矩的作用。(2) 步进电机的选用首先必须保证步进电机的输出转矩大于负载所需的转矩，所以应先计算机械系统的负载转矩，并使所选电机的输出转矩有一定余量，以保证可靠运行。通常-0.5，其中为步进电机最大静态转矩，为负载转矩。其次应使步进电机的步距角与机械系统匹配，以得到机床所需的脉冲当量。最后应使被选电机与机械系统得负载惯量及机床要求的启停频率相匹配，并一定有余量。还应使其最高工作频率能满足机床移动部件快速移动的要求。六、步进电机的驱动步进电机不能直接接到交流电源上工作，而必须使用专用设备步进电机驱动器。步进电机的运行性能是电动机和驱动器两者的综

18、合效果。在数控机床中使用的驱动器有一轴一板型，也有一相一板型，前者维护方便，但稳定性差；后者集成度高，可靠性高，因此，得到了广泛的应用。 步进电动机驱动器由环形分配器、功率放大器及其他控制电路组成，数控装置发出脉冲信号通过环形分配器形成按一定顺序的脉冲，例如A-B-C-A-这些脉冲经功率放大后加到步进电动机的各相绕组上。1、环形分配器控制脉冲通过环形分配器控制步进电机电机励磁绕组按一定顺序接通、断电，使电机绕组的通电按输入脉冲的控制而循环变化。脉冲分配器又称为环形分配器(简称环分器)。环分器有软件环分器和硬件环形分器两种。（1）硬件环形分配器硬件环形分配器是根据真值表或逻辑关系式采用逻辑门电路

19、和触发器来实现。控制CLK的频率，可控制步进电机的速度。CNC装置电源环形分配器A相驱动B相驱动C相驱动FULL/HALFDIRCLKM三相硬件环形分配器的驱动控制【工程实例】国产CMOS型集成脉冲分配器CH250（2）软件环形分器是将通电顺序状态作一个表格存入计算机内存，由软件通过指针方式查表，并将状态数据输出以控制接口，实现步进电机的连续运转。步进电机的工作频率取决于软件循环查表和输出状态的时间，改变查表的方向，便可实现电机正、反转。图4-36是软件环分器的原理及结构图，图4-37是软件环分器的流程图，表4-1是软件环分器的环分表。优点：硬件简单；占用CPU时间多，只用于速度要求不高，系统

20、比较简单的系统。如电脑绣花机和绘图仪等。当软件任务多时，可用硬件实现软件功能，这就是硬件环分器。图4-38为三相六拍硬件环分器的原理图，表4-2是其工作状态表。运行时按复位键预置为100初始态。当为高电平时，为0，为1，由图得输入条件为：、，故电机正转；当为低电平时，为1，为0，由图得输入条件为：、，故电机反转。改变CP的频率，可以调速。2、步进电机的功率放大电路由环形分配器输出的脉冲功率很小，不能直接驱动步进电机，因此对它的输出信号要进行功率放大。使脉冲电流达到110A以上，才足以驱动步进电机旋转。下面介绍几种常用的驱动电路。单电压功率放大电路其原理图如图4-39，电路的电压V一般选择在10

21、100V左右。电压功率放大电路是步进电机中最简单的一种驱动电路。是步进电机某一相绕组的控制脉冲信号，它控制功率开关晶体管T的通断，L是步进电机的某一相绕组，是绕组电阻，是外接电阻(也是限流电阻)，D是续流二极管，电容C用于上电时加大绕组电流、提高步进电机的高频特性，电阻用以改善回路的放电时间常数。 单电压驱动电流波形单电压功率放大电路最大特点是结构简单；缺点是工作效率低，在高频工作状态时其效率尤差，它的外接电阻还会发热直接影响回路工作的正常稳定状态。所以，单电压功率放大电路一般只用于小功率步进电机驱动。双电压功率放大电路双电压功率放大电路是采用两种电源电压的功放电路。图4-40是双电压功率放大

22、电路的结构图。在图中有两个功率晶体管、，两个二极管、；一个外接电阻，还有步进电机绕组L及绕组电阻。是高电压电源的开关管；是功率驱动管；是低压电源的钳位二极管，它在导通时处于反向偏置，向电机的绕组提供高电压电源，当截止时，低压电源可以通过向电机绕组供电；是续流二极管，在、都截止时向绕组提供放电电路。双电压功率放大电路在高压供电时，必须在高压电源开关的基极上加上高压电源开关控制信号，同时在功率管的基极加上步进控制信号，使、导通。而且要求和的上升沿的上升时刻一致，同时有式中，高电压电源的开关控制信号的周期； 步进控制信号的周期。在一般的控制系统中，是由产生的，把通过一个微分电路后再整形可以得到，也可

23、以把通过一个单稳电路之后产生。在消失后，截止；在导通期间，绕组由低压供电，以维持额定稳态电流值。采用双电压功率放大电路，使绕组的电流注入波形前沿陡比单电压的好，高频特性好；但在低频时振荡严重，运行平稳性较差。双电压功率放大电路显著特点是：功耗较低，高频工作时有较大的转动力，所以较多用于中功率和大功率的步进电机中。 斩波恒流功放电路斩波恒流功放电路是利用斩波方法使电流恒定在额定值附近。典型的斩波恒流功放电路如图4-41所示。一方面，在正常工作过程中，点输入步进方波信号，这时晶体管导通，二极管中电路流过而发光，引起晶体管导通，进而使晶体管截止，晶体管、导通。另一方面，的信号使晶体管、导通。加在步进

24、电机绕组L上的电源U使绕组中的电流上升。当绕组中的电流上升到额定值以上时，从恒流采样电阻上产生的压降高于运算放大器OP1的正端输入的参考电压，运算放大器OP1输出低电平“0”,二极管导通。这就会使截止，截止，导通，、截止，也即是关闭了电源U。这样就在绕组L中产生反电动势。由于、仍导通，故这时反电动势有两个回路进行泄放。一个回路是L、，另一个回路是L、。由于是绕组电阻，是泄放电阻，两个泄放回路的并联电阻很小，所以泄放时间常数较大，绕组L中的电流泄放很慢，当电流降到额定值以下时，在恒定电流采样电阻上产生的压降低于运算放大器OP1的正端输入和参数电压，运算放大器OP1输出高电平“1”。二极管截止，晶

25、体管导通，并有导通，截止，、导通。电源U又加于绕组L，使其电流上升。上述过程在步进方波信号有效期间内不断重复。这样在绕组中的电流就保持一种在额定值山下似锯齿形的波形，如图4-42所示。调整电阻或的值都可以改变放大电路的额定值。而运算放大器OP1的开环增益对电流的平滑性有影响，增益越大，波动越小。在步进信号=0时，有、截止，导通，从而使、截止；同时有、截止，则绕组L中的电流就通过、回路泄放。这时相当于对绕组L加上一个负电源-U，使电流下降速率提高，故电流泄放时间较短。从提高高频工作频率和电源效率的角度上看，这是一种较好的功放电路。它可以用较高的电源电压，同时无需外接电阻(采样电阻阻值一般很小为0

26、.050.5)来限定额定电流和减小时间常数。但是由于电流波形顶部呈锯齿波波形，所以会产生较大的电磁噪声。【工程实例】集成斩波恒流功放芯片SLA7026M应用实例调频调压型功放电路3、细分驱动电路将一个步距角细分成若干点步的驱动方式称细分驱动。特点：在不改动电动机结构参数的情况下，使步距角减小。 要实现细分，需将绕组中的矩形电流波改成阶梯电流波。由于绕组电流均匀由小增到最大，或由最大均匀减到最小，避免了电流冲击，基本消除步进电动机低速振动，使步进电动机低速运转平稳，无噪声。 四相步进电动机正弦细分相电流时序图【工程实例】步进电动机正弦细分驱动实例4、提高步进电机伺服系统精度的措施存在的问题：无位

27、移检测元件，定位精度主要取决于传动精度改善措施 间隙补偿：在换向时通过附加脉冲进行补偿 螺距误差补偿：采用机械样板或附加脉冲进行补偿 反馈补偿：通过检测器进行系统误差检测，周期性地发出补偿脉冲。6.3 直流伺服电机及驱动前面介绍的步进电机多用于开环系统，系统精度较低。对于高精度的数控机床，必须采用闭环伺服驱动系统。目前数控机床闭环伺服驱动大都采用直流伺服电机和交流伺服电机驱动。一、直流伺服电机的分类与特点直流电机是伺服机构中常用的驱动元件，但一般的直流电机不能满足要求，近年来开发了多种大功率直流伺服电机，如小惯量电机及宽调速电机等。在闭环伺服数控系统中，这些电机已被广泛用作驱动元件。1、 小惯

28、量直流电机小惯量直流电机是由一般直流电机发展而来的。结构特点：转子为光滑无槽的铁芯，线圈由粘合剂粘结。长径比大、惯量小其主要特点是：转动惯量小，约为普通直流电机的1/10，快速响应性好。电枢反应小，换向性好，电机时间常数小 （只有几毫秒）。由于转子无槽，结构均衡性好，低速平稳性好。最大扭矩为额定值的10倍，过载能力强。小惯量直流电机的转子与一般直流电机的区别在于，其转子为无槽光滑的铁芯，用绝缘粘合剂直接把线圈粘在铁芯表面，如图4-43；小惯量直流电机定子结构如图4-44所示，采用方形，提高了激磁线圈放置的有效面积，但由于无槽结构，气隙较大，激磁和线圈安匝数较大，故损耗大，发热厉害。为此，采取措

29、施是在极间安放船型挡风板，使之带走较多热量。并且线圈外不包扎而成赤裸线圈。 2、宽调速直流电机小惯量直流电机是通过减少电机转动惯量来改善工作特性的，但正由于其惯量小，机床惯量大，必须通过齿轮传动，而且电刷磨损较快。而宽调速直流电机则是用提高转矩的方法来改善其性能，使之在闭环伺服系统中得到较为广泛的应用。宽调速直流电机按激磁方式可分为：电激磁和永久磁铁激磁两种。电激磁的特点是：激磁力大小易于调整，便于安排补偿绕组和换向器，所以电机换向性能好，成本低，可在较宽的范围内实现恒转矩调速。永久磁铁激磁一般无换向极和补偿绕组，其换向性能受到一定限制。但它由于不需激磁功率，因此效率较高，电机低速时输出扭矩大

30、，温升低，尺寸小，因而永久磁铁激磁结构用的较多。l-转子 2-定子(永磁体) 3-电刷 4-测速发电动机 大惯量宽调速永磁直流伺服电动机结构图宽调速直流电机具有下述特点输出转矩大 在相同的转子外径和电枢电流的情况下，产生的转矩较大，从而使电机加速性能和响应特性都有显著的改善。在低速时能输出较大的转矩，在数控机床上可以不经减速齿轮而直接驱动丝杠，从而避免了齿轮传动中的间隙所引起的噪声、振动及齿轮间隙造成的误差。过载能力强 由于转子热容量大、因此热时间常数大，又采用了耐高压的绝缘材料，所以允许过载转矩达510倍，但电机转矩/惯量比较大。动态响应好电机定子采用矫顽力很高的铁氧体永磁材料，可使电机电流

31、过载10倍而不会去磁。这就显著地提高了电机可供的瞬时加速转矩，改善了动态响应。又由于无激磁绕组，使电机发热和温升下降。调速范围宽且运转平稳 由于电机机械特性和调节特性的线性度好，低速时能输出较大的转矩，所以调速范围宽且运转平稳。易于调试 由于电机的转子惯量接近于普通电机，调试时，外界负载惯量对伺服系统的响应比较小，所以能在不加负载惯量的情况下预调。3、直流主轴电动机由于输出功率较大，结构上不做成永磁式，而与普通励磁直流电动机相同，为他励式。为了改善换向性能，在电动机结构上都有换向极；为缩小体积，改善冷却效果，采用了轴向强迫通风冷却或“热管”冷却。电动机外壳结构为密封式，以适应恶劣的机械加工车间

32、环境。用于主轴驱动。 l-换向极；2-主磁极； 3-定子；4-转子；5-线圈 直流主轴电机结构示意图 二、直流伺服电机的调速原理直流电动机的电源为直流电，可将其电能转换为机械能。当电枢在电磁转矩的作用下转动时，电枢导体切割磁力线，产生感应电动势。感应电动势的方向与电流方向相反，是一种反电动势，一般用表示，即=式中，电动机电势常数每极总磁通n电枢转速直流电动机的电路图，如图4-45所示。根据电路定律列出电枢回路电压平衡方程：移项后得到 (4-28)式中，电枢电流 电枢电阻式(4-28)称为直流电动机的电压平衡式。它表明外加电压与反电势及电枢回路电阻压降平衡。如果把式(4-27)代入式(4-28)

33、中，便可得电枢电流的表达式：= (4-29)式(4-29)说明电枢电流与转速有关。在其他条件不变的情况下，转速越高，电枢电流则越小。式(4-29)可以变换成 (4-30)根据式(4-30)可得出直流电动机的调速方法。常用的调速方法有两种：一种是改变电动机电枢两端电压的值，而保持激磁磁通和电枢回路电阻不变，可得到不同转速。电动机电枢所允许通过的电流是一定的，电动机所能发出的转矩也就一定，此法叫恒转矩调速法。式中，为转矩常数。另一种是保持电枢电压不变，为常数，通过改变磁通来改变电机转速。电机所允许的电流一定，减小时，n增加，转矩下降；增加时，n减小，转矩上升，输出功率基本不变。此法叫恒功率调速。选

34、用那种调速方法，除了考虑满足调速指标外，同时要考虑负载性质。直流电机的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，是稳定运行时带动负载的性能，此时，电磁转矩与外负载相等。当电机带动负载时，电机转速与理想转速产生转速差n，它反映了电机机械特性的硬度，n越小，表明机械特性越硬。(a)改变电枢电压时的机械特性 (b)改变磁通时的机械特性由图 (a)可见，当调节电枢电压时，直流电机的机械特性为一组平行线，即机械特性曲线的斜率不变，而只改变电机的理想转速，保持了原有较硬的机械特性，所以数控机床伺服进给动系统的调速采用调节电枢电压调速方式。由图 (b)可见，调磁调速不但改变了电机的理想转速，而且

35、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。 三、直流电机的调速系统以下介绍的调速方法均为改变电压来实现调速。(1)直流电机的可控硅调速通过对晶闸管触发角的控制来控制电机电枢电压，以达到调速的目的。 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UR+-UfIfIR+-ErUS晶闸管直流双环调速系统框图主回路主回路由大功率晶闸管构成的三相全控桥式反并接可逆电路，分成二大部分（ 和 ），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，分别实现正转和反转。1、3、5在正半周导通， 2、4、6在负半周导通。每组内（即二相间）触发脉冲相位相差120，每相内二个触

36、发脉冲相差180。按管号排列，触发脉冲的顺序：1-2-3-4-5-6，相邻之间相位差60。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， 采用双脉冲控制。既每个触发脉冲在导通60后，在补发一个辅助脉冲；也可以采用宽脉冲控制，宽度大于60，小于120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电压，从而改变直流伺服电机的转速。触发脉冲提前来，增大整流输出电压；触发脉冲延后来，减小整流输出电压。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 1352461201201

37、80601324606056主回路波形图用可控硅元件组成的调压装置，实际上是一种常用的直流伺服电机的调速电路。如图4-46所示为三相半波反并联可控硅调速电路，在电路中设置了两组整流电路，可控硅组ZZL控制电机的正向运转，FZL控制电机的反向运转。由于整流电压是脉动的，瞬时值并不相等，而有环路脉动电流出现，为了不使环流过大，在电路中串联了正抗器，正、反两组整流电路同时加上触发脉冲，当控制信号变化时，两组电压相对变化。电流的正、反向过渡是平滑的，没有死区，快速性好。但是加上电抗器后，电机时间常数增大。 由于有环流调速系统的问题较多，因此发展出各种无环流的调压调速系统。无环流可逆向系统在任何情况下都

38、是一组整流器在工作，因而不产生环流。无环流系统在电流改变方向时，应具备三个条件：有转矩(电流)反方向指令、原工作组电流已减小到零和必要的延迟。因此无环流系统在反向过程中有一段两组整流电路都不工作的时间死区，这就是它的缺点。但是这一死区可以缩小到3ms左右，所以符合使用要求。无环流系统不用环流电抗器，没有因环流产生的附加损耗，可靠性高，因而在数控机床上得到广泛应用。(2) 直流伺服电机脉冲宽度调速系统晶体管脉宽调制调速系统(简称PWM系统)是近几年来出现的一种调速系统。它利用开关频率较高的大功率晶体管作为开关元件，将整流后的恒压直流电源，转换成幅值不变、脉冲宽度(持续时间)可调的高频矩形波，给伺

39、服电机的电枢回路供电，通过改变脉冲宽度的方法来改变电枢回路的平均电压，达到电机调速的目的。PWM调速系统组成原理框图控制回路：速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。区别：与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。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。组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放大器。在PWM调速系统中有两个主要组成部分：其一是脉宽调制器，在输入信号(即速度指令电压)作用下，产程幅值恒定、宽度可变的矩形脉冲

40、信号，如图4-47所示；其二是工作在开关状态下的晶体管脉宽信号放大器，如图4-48所示。由脉宽调制器产生的矩形脉冲信号，经正、负电平鉴别器整形和负脉冲削波后，变成为占空比受输入电压控制的恒幅调宽矩形脉冲信号。再用此信号作为晶体管放大器、的输入信号，实现放大器输出电压，即电枢电压的控制。在晶体管、基极分别加上正、反转信号，可实现正、反转控制。PWM调速系统具有以下特点：开关频率高 其频率可达2kHz，比机械部件的固有频率高得多，可以避开机械部分的共振点，而不至于引起共振。波纹系数(波形因素)低(小) 即电流的有效值与平均值之比低，一般为1.0051.01，几乎接近1。电枢电路的电抗就足以将脉冲滤

41、平，接近于纯直流。这样以电流有效值计算的电机的发热量很小。如果同一台电动机，将可控硅系统改为PWM系统，能使电机的额定电流增大1.31.8倍而不至于过热。由于波纹系数小，电流接近于纯直流，因此电磁转矩恒定，电机运行平稳。频率较宽 即系统能够响应的频率范围较宽，因此，系统的动态特性好，有良好的线性度，尤其是接近于零点时线性度好。可在高峰值电流下工作 可控硅系统可以在高于额定电流510倍的峰值电流下工作。而晶体管不能承受如此大的峰值电流，其峰值电流必须限制在额定值得两倍之内，这是它的不足之处。但这样的安全峰值电流，可以保护永磁电机不至于退磁，延长电机电刷的寿命，减少电机发热。三、直流主轴控制单元1

42、.对主轴驱动系统的要求 恒功率范围要宽 宽调速范围 具有四象限驱动能力 具有位置控制能力 2.直流主轴控制单元直流主轴伺服系统一般没有位置控制，它只是一个速度控制系统，直流主轴速度单元是由速度环和电流环构成的双环速度控制系统，用控制主轴电机的电枢电压来进行恒转矩调速，如下图所示。主轴直流电机调速还包括恒功率调速，它由框图中上半部分的激磁控制回路完成，这部分恒功率调速是由控制励磁电路的励磁电流的大小来实现的。早期的数控机床多采用直流主轴驱动系统。直流主轴速度控制单元框图四、直流伺服电机闭环、半闭环进给系统图4-49所示为采用直流伺服电机的闭环进给系统的结构框图。图(a)为半闭环系统，图(b)为全

43、闭环系统。这种闭环控制系统包括位置控制单元等部分。位置检测单元测得执行部件的实际位置，位置控制单元将位置指令值与的差值乘增益常数，并经变换后，得到速度指令电压。将与测速发电机的反馈电压的差值乘增益常数，得到伺服电机的电枢电压，用它控制直流电机的旋转速度。当指令位置与实际位置相等时，即位置偏差值为零时，和均为零，执行部件到达指令所要求的位置。的物理概念如下：如图4-50(a)所示，当进给系统获得一个按恒速。而是从零逐渐上升到此值，以后就稳定在此速度上运行。在时刻，位置指令达到指令值时，指令速度下降至零，但是执行部件的实际速度只能逐渐下降到零。将指令位移量按脉冲当量换算成数字量，则以恒速进给的指令

44、位置的数字量值将按图4-50(b)所示的直线1变化，由零时刻的零位置到达时刻的位置。因为实际速度是逐渐上升至值的，所以按同一脉冲当量换算成数字量的实际位置值按另一条曲线2变化。实际位置总是滞后于指令位置。时刻的瞬时指令位置值与瞬时实际位置值之间的差值，称为该时刻的位置偏差。它由执行部件升速启动时的零值逐渐增大到某一瞬态值，这一稳态值就是所谓的速度误差或随动误差。当执行部件降速并停止时，它由稳态值逐渐减小到零。(b)图4-49直流伺服系统 (a)半闭环 (b) 全闭环以此再乘上就得到速度指令值，再将其变换成速度指令电压值，可见越大，则就越大，伺服电机的速度就越高。而且控制启动与停止位置指令值的大

45、小，从而可控制的大小，就可以控制升降速的快慢，即升降速时间的长短。6.4 交流伺服电机及驱动 直流伺服电机调速方便，90年代以前（交流在性能成本方面不占优）大量使用。但直流伺服电机的容量小、结构复杂、有电刷、体积大和重量重，因此，其应用受到限制。随着交流伺服驱动性价比提高，交流伺服驱动电机已渐渐取代了直流伺服电机。1. 交流伺服电机的种类、结构及工作原理（1） 交流伺服电机的种类及特点 交流伺服电机有同步型和异步型两大类。异步型交流电机指的是交流感应电机。同步型交流电机按转子结构不同可分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。数控机床中多用永磁式同步电机。 异步型交流

46、伺服电机：优点：与同容量的直流电机相比重量轻（1/2），价格便宜(1/3)；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，效率较低、功率因数低应用：主轴驱动系统。 永磁式同步电机：优点：比直流电机结构简单、运行可靠、体积约小1/2，质量减轻60，转子惯量可减小到1/5、 效率高。缺点：启动特性欠佳、控制复杂应用：进给驱动（2）交流永磁同步电机的工作原理与特性 结构：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nrns60f1p ns同步转速， 转子磁极的轴线与定子磁极的轴线夹角，nr转子旋转转速，f1交流电源频率（定子供电频率），p定子和转子

47、的极对数 nSNns nr S通过调节频率和极对数实现调速。2. 交流同步电机的变频调速原理 交流电机的电动势方程、转矩方程：U1 定子每相相电压；E1 定子每相绕组感应电动势； N1 定子每相绕组匝数；K1 定子每相绕组匝数系数； 每极气隙磁通量；Tm电机电磁转矩；Ia 转子电枢电流； 转子电枢电流的相位角。 在变频调速的同时，要求供电电压也随之变化，即满足U1/ f1为定值，以确保磁通量不变。 因为变频调速时，当U1不变，增加频率f1，则磁通量减小，导致电机输出转矩Tm下降。电机负载能力降低；若减小频率f1，磁通量增加，定子电流上升，导致铁损增加。 变频调速控制方式：基频以下调速当电机在f

48、1的额定参数下运行时，供电频率低于额定值。基频以上调速当电机在f1的额定参数上运行时，供电频率高于额定值。3交流同步伺服电机的变频器变频器将交流恒压恒频的供电电源转变为变压变频的供电电源。变频调速的主要环节：为交流电机提供变频电源的变频器。（1）变频器类型 变频器可分为交交变频器（直接变频器）和交直交变频器（间接变频器）两种。 应用最多的是交直交变频器。 根据变频电源的性质，又可分为电压源变频器和电流源变频器。交交变频： 利用可控硅整流器直接将工频交流电（频率50Hz）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，脉动交流电的基波就是所需的变频电压。 该方法所得的交流电波动比较大，

49、且最大频率即为变频器输入的工频电压频率。(a) 交交变频 (b) 交直交变频交直交变频： 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，调节线性度好。（2）正弦波脉冲调制（SPWM）逆变器 脉宽调制（PWM）变频是通过脉冲信号控制逆变器开关元件的导通和关断时间比（即调节脉冲的宽度）来控制输出电压的大小和频率，从而实现调速。正弦脉宽调制（SPWM）是利用有正弦波特性的脉冲信号去控制逆变器开关元件的通、断时间比。此时，变频器输出近似于正弦波的电流，使得电机电源近似为正弦交流电。SPWM变频器是目前数控机床

50、应用最广泛的变频器。SPWM原理 单相调制原理正弦脉宽调制（SPWM）波形:与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波。等效原理：把正弦波分成n等分，每一区间面积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替。正弦波的正负半周均如此处理。uttuOOa)b)三相SPWM变频器的主回路结构图整流器：将三相工频交流电变成直流电逆变器：将整流输出的直流电压变成三相交流电 (2)永磁同步交流伺服电机矢量控制变频调速系统矢量变换控制的基本思想实质上就是通过数学变换把三相交流电动机的定子电流分解为两个分量，一个用来产生旋转磁动势的励磁分量 id , 另个用来产生电磁转矩的转矩分量 iq 。 4、交流主轴电机控制单元

51、为了实现对交流主轴电动机的高精度和高性能的控制，目前大多数数控机床的交流主轴控制采用矢量控制变频调速的方法，正弦控制波可以由矢量变换控制原理来获得。(1)三相A、B、C系统变换到两相、系统这种变换是将三相交流电机变为等效的二相交流电机。(2)矢量旋转变换 将三相电机转化为二相电机后，还需将二相交流电机变换为等效的直流电机。其实质就是矢量向标量的转换，是静止的直角坐标系向旋转的直角坐标系的转换。 （3） 直角坐标与极坐标的变换 矢量控制中，还要用到直角坐标系与极坐标系的变换。(4)交流主轴电机的矢量控制交流主轴电动机矢量控制SPWM变频调速系统原理图6.5 直线电机概述直线电动机的实质是把旋转电

52、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。在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的最大区别是取消了从电动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零。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。直线电机直接驱动工件台直线运动。取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零，故这种传动方式又称为“直接驱动”，也称“零传动”。适用于进给驱动速度高于60m/min以上，加速度1g以上的高速数控机床。优点：l 电机惯量小，系统响应快、速度高，速度和加速度都可提高10倍以上（700m/min，40G）。l 运动更加平稳、噪声低、传动效率高，动态刚度高。l 可设计成均布对称，工作台运动时受力均匀分布，运动推力平衡l 可无限延长定子的行程，运动的行程不受限制l 并可在全行程上安装使用多个工作台缺点：l 没有机械联接或啮合，垂直轴传动需要外加一个平衡块或制动器l 磁铁对电机部件的吸力很大，需解决防护、隔磁问题感应式直线电机的演变： 永磁式直线电机的演变： 旋转电机演变为圆筒型直线电机的过程 弧型直线电机 圆盘型直线电机 2.直线电机的基本工作原理 直线电机不仅在结构上相当于是从旋转电机演变而来的，而且其工