第4章数控机床的伺服驱动系统2222--陈光明--2015

1、CNC 南京农业大学工学院南京农业大学工学院教材名称：数控技术及应用数控技术及应用课程名称：数控技术数控技术（32学时，2学分）主讲教师： 陈光明陈光明 副教授副教授 硕士生导师硕士生导师 CNC第第4 4章章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 主要内容主要内容主要内容4.1 概述概述 4.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 4.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 4.4 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 4.5 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 4.6 位置控制位置控制CNC主要内容数

2、控机床数控机床伺服系统伺服系统（随动系统、拖动系统或伺服机构）（随动系统、拖动系统或伺服机构）是以机床移动部件的是以机床移动部件的位置和速度位置和速度为控制量的自动控制为控制量的自动控制系统。系统。4.1 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装置装置发出的位移指令信号，由伺服驱动装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，经伺服电机（直流、交流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）和机械传动机构，驱动机床伺服电机、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现工作进给或快速运动。的工作台等执行部件实现工作进给或快速

3、运动。数控机床的数控机床的“大脑大脑”数控机床的数控机床的“四肢四肢”，是执行，是执行“命令命令”的机构，它是的机构，它是一个不折不扣的跟随者。一个不折不扣的跟随者。CNC主要内容4.1 概述概述伺服系统的分类伺服系统的分类: 按控制原理和有无检测反馈装置按控制原理和有无检测反馈装置：开环、半闭环、闭环：开环、半闭环、闭环伺服系统；伺服系统； 按其用途和功能按其用途和功能：进给驱动、主轴驱动系统；：进给驱动、主轴驱动系统； 按其驱动执行元件的动作原理按其驱动执行元件的动作原理：电液伺服驱动系统，电：电液伺服驱动系统，电气伺服驱动系统（直流伺服驱动、交流伺服驱动及直线电气伺服驱动系统（直流伺服驱

4、动、交流伺服驱动及直线电机伺服系统）机伺服系统）;按反馈比较控制方式分类按反馈比较控制方式分类：脉冲、数字比较伺服系统，：脉冲、数字比较伺服系统，相位比较伺服系统相位比较伺服系统 ，值比较伺服系统，全数字伺服系统，值比较伺服系统，全数字伺服系统本章主要讨论进给伺服系统。本章主要讨论进给伺服系统。 CNC主要内容4.1 概述概述数控机床对进给伺服系统的要求有：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

5、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) )CNC主要内容4.1 概述概述对主轴伺服系统，还应满足对主轴伺服系统，还应满足: :1主轴与进给驱动的同步控制主轴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，主轴驱动应为使数控机床具有螺纹和螺旋槽加工的能力，主轴驱动应与进给驱动实现同步控制。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，要求主轴能进行高精在加工中心上，为了实现自动换刀，要求主轴能进行高精确位置的停止。确位置的停止。3角度分度控制角度分度控制有两种

6、类型：固定的等分角度控制有两种类型：固定的等分角度控制 连续的任意角度控制（称为连续的任意角度控制（称为“C”轴控制。）轴控制。）CNC4.1 概述概述闭环进给伺服系统组成闭环进给伺服系统组成位置控制位置控制单元单元速度控制速度控制单元单元电流控制电流控制单元单元转换驱动转换驱动工作台工作台电流反馈电流反馈速度反馈速度反馈位置反馈位置反馈MG 位置、速度和电流环均由：位置、速度和电流环均由：调节控制模块调节控制模块、检测和反馈检测和反馈部分部分组成。驱动装置由组成。驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器驱动信号产生电路和功率放大器组成。组成。 严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控

7、制严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。包括速度和电流控制。CNC4.1 概述概述闭环进给伺服系统组成闭环进给伺服系统组成 伺服电机伺服电机为数控伺服系统的重要组成部分，是速为数控伺服系统的重要组成部分，是速 度和轨迹控制的执行元件。度和轨迹控制的执行元件。 数控机床中常用的伺服电机：数控机床中常用的伺服电机： 直流伺服电机（调速性能良好）直流伺服电机（调速性能良好） 交流伺服电机（主要使用的电机）交流伺服电机（主要使用的电机） 步进电机（适于轻载、负荷变动不大）步进电机（适于轻载、负荷变动不大） 直线电机（高速、高精度）直线电机（高速、高精度） CNC主要内

8、容4.2 4.2 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主要内容4.2 4.2 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主要内容步进电机步进电机是一种用电脉冲信号进行控制、并将电脉冲信号是一种用电脉冲信号进行控制、并将电脉冲信号转换成角位移的执行器。每给步进电机输入一个电脉冲信转换成角位移的执行器。每给步进电机输入一个电脉冲信号，其转轴就转过一个角度，称为号，其转轴就转过一个角度，称为步距角步距角。来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。改变脉冲顺序，改变方向。改变脉冲顺序，改变方向。4.2

9、4.2 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主要内容按按电磁吸引电磁吸引原理工作（以反应式步进电机为例）原理工作（以反应式步进电机为例）反应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有激磁绕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，依靠磁极对齿的吸组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合工作。合工作。4.2 4.2 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4.2.1步进电机工作原理步进电机工作原理CNC主要内容4.2 4.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统AB定子定子转子转子I

10、AIBIC两个相对的磁极组成两个相对的磁极组成一相一相注意：注意：这里的这里的“相相”和三相交流电中的和三相交流电中的“相相”的概念不同。的概念不同。步进电机通的是步进电机通的是电脉电脉冲冲，主要是指线图的，主要是指线图的联接和组数的区别。联接和组数的区别。CNC主要内容4.2 4.2 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

11、通电顺序为：）三相绕组中的通电顺序为：A A 相相 B B 相相 C C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为： A A 相相 C C 相相 B B 相相 CNC主要内容4.2 4.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统BACCBA3412A A 相通电使转子相通电使转子1 1、3 3齿和齿和 AA AA 对齐对齐B ACCBA3412BBACCAB B 相通电，转子相通电，转子2 2、4 4齿和齿和B B相轴线对齐相轴线对齐C C 相通电，转子相通电，转子1 1、3 3齿和齿和C C 相轴线对齐相轴线对齐3412CNC主要内容4.2 4.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及

12、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 。通电顺序为：通电顺序为：AABBBCCCAA 六拍。六拍。2）三相六拍工作方式）三相六拍工作方式CNC4.2 4.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱

13、动控制系统BACCBA3412BACCBA3412BACCBA3412BACCBA3412BACCBA3412BACCBA3412A A通电通电ABAB通电通电B通电通电BCBC通电通电CACA通电通电C C通电通电CNC主要内容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：特点：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比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。 4.2 4.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统通电顺序通电顺序CNC主要内容定子绕

14、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，每步有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍旋转仍旋转30。特点：特点：始终有一相定子绕组通电，工作比较平稳。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4.2 4.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统3)双三拍工作方式双三拍工作方式CNC主要内容实际上步进电机实际上步进电机转子齿数很多转子齿数很多，齿数与步距角关系？，齿数与步距角关系？4.2 4.2 步进电机及其驱动

15、控制系统步进电机及其驱动控制系统 例如：转子例如：转子40个齿个齿，定子仍是，定子仍是 3对磁极，但每个磁极上对磁极，但每个磁极上也有也有5个齿。问步距角是多少？个齿。问步距角是多少？CNC4.2 4.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统齿距的齿距的1m（m电机相数）电机相数）3600/ ZAACBSNSNCB绕 组定 子 铁 心转 子 铁 心A相 磁 通A相各 相 定 子9 3 6 顺 时 针 方 向转 子 齿 展 开B相C相CNC主要内容4.2.2 步进电机的主要特性步进电机的主要特性mzk360 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

16、拍拍，k k1；m相相2 2m拍，拍，k2。 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。一般很小一般很小，如：，如：31.5，1.50.75，0.720.36等等4.2 4.2 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步距角步距角CNC主要内容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 CBAOMjMjmaxMqa4.2 4.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统静态：静态：步进电机处于通电状态，转子处在不动状态。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

17、轴上施加一个在电机轴上施加一个负载转矩负载转矩M，转子会，转子会在载荷方向上转过一个角度在载荷方向上转过一个角度（失调角）失调角），转子因而受到，转子因而受到一个一个电磁转矩电磁转矩Mj的作用与负载平衡。的作用与负载平衡。矩角特性：矩角特性：步进电机单相通电的静态转矩步进电机单相通电的静态转矩Mj随失调角随失调角的的变化曲线。变化曲线。CNC主要内容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 4.2 4.2 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，步进电机由静止突然空载时，步进电机由静止突然启动并进入不丢步的正常运行状态

18、所允许的最高频率。启动并进入不丢步的正常运行状态所允许的最高频率。高于启动频率，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：启动时的惯频特性：是指电机带动纯惯性负载时启动频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。率和负载转动惯量之间的关系。步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。空载要低。CNC主要内容4运行矩频特性运行矩频特性 510154812141620T/(N?m)of/ kHz4.2 4.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统连续运行频率：连续运行频率：步进电机启动后

19、，其运行速度能跟踪指令步进电机启动后，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。脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率。其值远大于其值远大于启动频率。启动频率。运行矩频特性：运行矩频特性：是描述步进电机在连续运行时，输出转矩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。与连续运行频率之间的关系。CNC主要内容4.2.3 步进电机的分类步进电机的分类 1根据相数分类根据相数分类有有三、四、五、六相等三、四、五、六相等，相数越多，步距角越小。，相数越多，步距角越小。通电方式采用通电方式采用m相相m拍、双拍、双m拍和拍和m相相2m拍，拍，m相相m拍和拍和m相相2m拍

20、通电方式中，可采用一拍通电方式中，可采用一/二相、二三相转换二相、二三相转换通电，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 4.2 4.2 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主要内容2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、永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。磁式、混合式。4.2 4.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统3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

21、向分相式步进电机可制成轴向分相式（多段式）、径向分相式（单段式）（单段式） CNC主要内容4.2.4 步进电机的环形分配器步进电机的环形分配器 4.2 4.2 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驱动控制由步进电机的驱动控制由环形分配器和功率放大器环形分配器和功率放大器组成。组成。环环形形分分配配器器功功率率放放大大器器ABCCNC主要内容4.2.4 步进电机的环形分配器步进电机的环形分配器 4.2 4.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统环形分配器的主要功能：环形分配器的主要功能：将数控装置送来的将数控装置送来的一串指令脉冲一串指令脉冲，按步进电机所要求

22、的，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通电顺序分配给步进电机驱动电源的各相输入端各相输入端，以控，以控制励磁绕组的通断，实现步进电机的运行及换向。制励磁绕组的通断，实现步进电机的运行及换向。环形分配器的输出不仅是周期性的，又是可逆的。环形分配器的输出不仅是周期性的，又是可逆的。环形分配的功能可由硬件或软件的方法来实现，分别环形分配的功能可由硬件或软件的方法来实现，分别称为硬件环形分配器和软件环形分配器。称为硬件环形分配器和软件环形分配器。CNC主要内容可由可由D触发器或触发器或JK触发器构成，亦可用专用集成芯片或触发器构成，亦可用专用集成芯片或通用可编程逻辑器件。通用可编程逻辑

23、器件。CNC装置电源环形分配器A相驱动B相驱动C相驱动FULL/HALFDIRCLKM4.2 4.2 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方向控制信号方向控制信号1硬件环形分配器硬件环形分配器CNC主要内容CH250是国产三相反应式步进电机环形分配器专用集成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双三拍和电路芯片，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三相六拍的工作方式16151413121110912345678CH250CH250UDJ3LJ3rJ6rJ6

24、LABCR*CLENR*RJ6LJ6rABCJ3LJ3rUSUDCLEN91071214158131211616+12V1F100kCP1方向RUS4.2 4.2 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编制不同的环形分配程序，直接驱动步进电编制不同的环形分配程序，直接驱动步进电机各绕组的通、断电。可使线路简化，成本机各绕组的通、断电。可使线路简化，成本下降，可灵活地改变步进电机的控制方案。下降，可灵活地改变步进电机的控制方案。4.2 4.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统2软件环形分配器软件环形分配器CNC主要内容PIOPA0PA1

25、PA2PA3PA4PA5光电偶合器光电偶合器放大放大 X 向步进电机 Z 向步进电机abcABC4.2 4.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC4.2 4.2 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CNC4.2 4.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统用用mcs-51mcs-51单片机控制某机单片机控制某机床床x x 坐标工作台运动坐标工作台运动已知技术条件：已知技术条件：通电方式为三相六拍通电方式为三相六拍P P1 1口的输出线口的输出线P1.xP1.x为为“1”1”时，步进电机相应的绕组通时，步进电机相应的绕组通电，电，P1.xP

26、1.x为为“0”0”时，则相应绕组失电。（时，则相应绕组失电。（P P1 1口高口高4 4位值为位值为0 0）要求：要求：列出列出X X坐标步进电机绕组通电顺序表；坐标步进电机绕组通电顺序表；设计设计X正向正向走步的软件环形分配程序。走步的软件环形分配程序。 CNC4.2 4.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统：MOV DPTR，#2A00H MOV R0，#00LOOP：MOV A，R0 MOVC A，A+DPTR MOV P1，A LCALL 1000 INC R0 CJNE R0，#06H，LOOP AJMP 2100DB 01H，03H，02H，06H，04H，05H

27、1000：MOV R3，#FFDT1： MOV R4，#FFDT2： DJNZ R4，DT2 DJNZ R3，DT1 RETCNC主要内容进给脉冲频率进给脉冲频率f 定子绕组通电定子绕组通电/ /断电状态变化频率断电状态变化频率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=60f硬件环分：控制硬件环分：控制CLK的频率，控制电机的速度。的频率，控制电机的速度。软件环分：控制相邻两次软件环分状态之间的软件环分：控制相邻两次软件环分状态之间的延时延时，可控制电机线圈通电状态的变化频率。可控制电机线圈通电状态的变化频率。4.2 4.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱

28、动控制系统步进电机的速度控制步进电机的速度控制CNC主要内容作用作用：是将环形分配器或微处理机送来的是将环形分配器或微处理机送来的弱电信号变为强弱电信号变为强电信号电信号，以得到步进电机控制绕组所需要的，以得到步进电机控制绕组所需要的脉冲电流及所脉冲电流及所需要的脉冲波形需要的脉冲波形。种类种类： 按采用的功率放大器件分：中功率晶体管、大功率晶按采用的功率放大器件分：中功率晶体管、大功率晶体管、大功率达林顿晶体管、可控硅体管、大功率达林顿晶体管、可控硅等；等； 按工作原理分：单电压驱动、高低电压驱动、按工作原理分：单电压驱动、高低电压驱动、恒流斩恒流斩波、调频调压、细分电路波、调频调压、细分电

29、路等。等。 4.2 4.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统4.2.5 功率放大电路功率放大电路步进电机有几相，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。CNC主要内容1高低电压切换驱动电路高低电压切换驱动电路4.2 4.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统2恒流斩波电路恒流斩波电路特点：特点：电流值降到下限设定值时，高压功率管导通，电流值降到下限设定值时，高压功率管导通，绕组电流上升，上升到上限设定值时，关断高压管。绕组电流上升，上升到上限设定值时，关断高压管。一个步进周期内，高压管多次通断，使电流在上、下一个步进周期内，高压管多次通断，

30、使电流在上、下限间波动，接近恒定值。限间波动，接近恒定值。特点：特点：高压充电高压充电，保证电流以较快的速度上升，保证电流以较快的速度上升， 低压供电低压供电，维持绕组中的电流为额定值。，维持绕组中的电流为额定值。CNC主要内容步进电机在低频段运行时，供电电压降低，在高频段步进电机在低频段运行时，供电电压降低，在高频段运行时，供电电压升高。即供电电压随步进电机转速运行时，供电电压升高。即供电电压随步进电机转速的增加而升高。既解决了低频振荡问题，也保证了高的增加而升高。既解决了低频振荡问题，也保证了高频运行时的输出转矩频运行时的输出转矩4.2 4.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制

31、系统3调频调压驱动电路调频调压驱动电路4细分驱动电路细分驱动电路将绕组中的矩形电流波变成阶梯形电流波，控制电机将绕组中的矩形电流波变成阶梯形电流波，控制电机各相绕组电流的大小和比例。各相绕组电流的大小和比例。CNC主要内容4.3 4.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 常用的直流电机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、常用的直流电机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、 印刷绕组）印刷绕组） 励磁式直流电机励磁式直流电机 混合式直流电机混合式直流电机 无刷直流电机无刷直流电机 直流力矩电机直流力矩电机4.3.1 直流伺服电机分类直流伺服电机分类CNC主要内容在数控机床中，进

32、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，一般为永磁式。小惯量直流因转动惯量小而得名，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，所以能获得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应用得比较最快的响应速度。在早期的数控机床上应用得比较多。多。 4.3 4.3 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主要内容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转子直径较大，线圈绕组匝数增加，力矩大，转动惯转子直径较大，线圈绕组匝数增加，力矩大，转

33、动惯量大，能在较大过载转矩时长时间工作，因此可直接量大，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。与丝杠相连，不需中间传动装置。突出特点：突出特点：能在较低转速下实现平稳运行，最低可达能在较低转速下实现平稳运行，最低可达1rmin，甚至，甚至0.1rmin。数控机床上应用广泛。数控机床上应用广泛。 4.3 4.3 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主要内容3无刷直流伺服电机无刷直流伺服电机（无整流子电机）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

34、的转子位置传感器控制。实质是一种交流调速电机，调速性能可达到直流实质是一种交流调速电机，调速性能可达到直流伺服发电机的水平，又取消了换向装置和电刷部伺服发电机的水平，又取消了换向装置和电刷部件，提高了电机使用寿命。件，提高了电机使用寿命。 4.3 4.3 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主要内容组成：组成：磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片工作原理：工作原理：直流电源接在两电刷间，电流通入电枢线圈，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。切割磁力线，产生电磁转矩。4.3 4.3 直流伺服电机及其速度控

35、制直流伺服电机及其速度控制aTmICTnCEEa（ 一定）一定）aaaaRIEU电枢回路电压平衡方程式电枢回路电压平衡方程式感应电势与转速关系感应电势与转速关系电磁转矩电磁转矩4.3.2 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CNC主要内容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EaCUn0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mTEamTEaEaTCCRnTCCRCUn202Ra电机电枢回路总电阻电机电枢回路总电阻TmTm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

36、磁通Ea电枢绕组感应电动势电枢绕组感应电动势 4.3 4.3 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。越小，机械特性越硬。n0主要内容TTn n直流电机转速与转矩的关系称直流电机转速与转矩的关系称机械特性（静态特性）机械特性（静态特性）直流电机的基本调速方式有三直流电机的基本调速方式有三种种: :调节电阻调节电阻Ra、调节电枢电压调节电枢电压Ua和调节磁通和调节磁通的值。的值。4.3 4.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺

37、服电机及其速度控制mTEamTEaEaTCCRnTCCRCUn202CNC主要内容电枢电阻调速电枢电阻调速不经济，调速范围有限，很少采用。不经济，调速范围有限，很少采用。调节电枢电压调节电枢电压（调压调速）（调压调速）时，直流电机机械特性为时，直流电机机械特性为一组平行线，只改变电机的理想转速一组平行线，只改变电机的理想转速n n0 0 ，保持了原，保持了原有较硬的机械特性，所以有较硬的机械特性，所以调压调速调压调速主要用于主要用于伺服进给伺服进给驱动系统电机的调速驱动系统电机的调速UaNUa1 Ua2OTNnn0Nn01n02nNn1n2Ua2Ua1UaNNTN nNT12TOn02n01n

38、0Nn2n1nNnN12如果如果n n值较大，不可能值较大，不可能实现宽范围的调速。永磁实现宽范围的调速。永磁式直流伺服电机的式直流伺服电机的n n值值较小，因此，较小，因此，进给系统常进给系统常采用永磁式直流电机。采用永磁式直流电机。 4.3 4.3 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主要内容调节磁通调节磁通（调磁调速）（调磁调速）不但改变了电机的理想转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，所以速，而且使直流电机机械特性变软，所以调磁调调磁调速速主要用于主要用于机床主轴电机机床主轴电机调速。调速。 Ua N Ua 1 Ua 2OTNnn0 Nn0 1n0

39、2nNn1n2Ua 2Ua 1Ua NNTN nNT12TOn0 2n0 1n0 Nn2n1nNnN 1 24.3 4.3 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主要内容4.3.3 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为调节电机转速和方向，为调节电机转速和方向，需对直流电压的大小和方向需对直流电压的大小和方向进行控制，如何控制进行控制，如何控制？直流伺服电机速度控制单元的作用：将转速指令信号直流伺服电机速度控制单元的作用：将转速指令信号转换成电枢的电压值，达到速度调节的目的。转换成电枢的电压值，达到速度调节的目的。直流电机速度控制单元常采

40、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。 4.3 4.3 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主要内容1 1晶闸管调速系统晶闸管调速系统常用于大功率及要求不很高的直流伺服电机调速控制常用于大功率及要求不很高的直流伺服电机调速控制4.3 4.3 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MTGU0Ud*Un速度控制电压速度控制电压电枢电压电枢电压通过控制晶闸管触发角来控制通过控制晶闸管触发角来控制U

41、dCNC直流双环直流双环调速系统调速系统主要内容速度速度调节器调节器电流电流调节器调节器触发脉冲触发脉冲发生器发生器可控硅可控硅整流器整流器电流反馈电流反馈速度反馈速度反馈电流检测电流检测编码器编码器电机电机U*n+-UnInI*n+-US包括包括 控制回路：控制回路：主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。速度环：速度调节，作用：好的静态、动态特性。速度环：速度调节，作用：好的静态、动态特性。电流环：电流调节，作用：加快响应、启动、电流环：电流调节，作用：加快响应、启动、 低频稳定等。低频稳定等。触发脉冲发生器：产生移相

42、脉冲，使可控硅触发触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发 角前移或后移。角前移或后移。4.3 4.3 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主要内容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，开关特性好。 广泛广泛应用中、小功率直流伺服系统。应用中、小功率直流伺服系统。利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，加到直流电动机的电枢上；通过调整控制率的方波电压，加到直流电动机的电枢上；通过调整控制方波脉冲宽度来改变电枢的平均电压，从而调节电机

43、的转方波脉冲宽度来改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。速。周期不变周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压平均直流电压Ut周期不变周期不变4.3 4.3 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主要内容MUtttTonTEaIaUEaUaVDIa-+直流电机电压的平均值直流电机电压的平均值: : aonTaaETTETU01T脉冲周期，脉冲周期， Ton导通时间导通时间4.3 4.3 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：主要内容主要内容速度速度调节器调节器电流反馈电流反馈脉宽脉宽调制调制基极

44、基极驱动驱动功功放放振荡器振荡器 电流电流调节器调节器M M速速度度指指令令 三相交流电三相交流电整流整流速度反馈速度反馈U UsrsrU USCSCU UU Ub b4.3 4.3 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：将作用：将电压量电压量转换成可由控制信号调节的转换成可由控制信号调节的矩形脉冲矩形脉冲，为，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。脉宽电压。组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放大器。大器。原理：以三

45、角波发生器为例介绍原理：以三角波发生器为例介绍 4.3 4.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNCR1+12VUSCR1R3R2+-12VU S rU -U USrSr 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 USCSC- - 脉宽调制器的输出（脉宽调制器的输出（U US rS r+ +U U）调制波形图调制波形图ttU U S rS r +U +U +U S roo-U S rttU US rS r为正时为正时U USrSr为负时为负时U U S rS r +U +U ttU USrSr为为0 0时时调制出正负脉宽一样调制出正负

46、脉宽一样方波平均电压为方波平均电压为0 0调制出脉宽较宽的调制出脉宽较宽的波形平均电压为正波形平均电压为正调制出脉宽较窄的调制出脉宽较窄的波形平均电压为负波形平均电压为负4.3 4.3 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

47、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4.3 4.3 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主回路：可逆主回路：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电路图电路图: 4: 4个大功率晶体管个大功率晶体管T1T1、T2T2、T3T3、T4T4及及4 4个续流二极管组个续流二极管组成桥式电路。成桥式电路。 Ub1Ub1、Ub2Ub2、Ub3Ub3、Ub4Ub4为调制器输出、经脉冲分配、为调制器输出、经脉冲分配、基极驱动转换过来的脉冲电压。分别加到基极驱动转换过来的脉冲电压。分别加到T1T1、T2T2、T3

48、T3 、T4T4基极。基极。USABD1D2D3D4MT1T2T4T3UdUABUb2Ub3OttUb1Ub 4Ot1TUS -USOttidid1id2id1id2O4.3 4.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNCUSABD1D2D3D4MT1T2T4T3UdUABUb2Ub3OttUb1Ub 4Ot1TUS -USOttidid1id2id1id2O电机正转、反转、停止：电机正转、反转、停止：由正、负由正、负驱动电压脉冲宽窄定。驱动电压脉冲宽窄定。当当正正脉冲较宽时，即脉冲较宽时，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；当当正正脉冲

49、较窄时，即脉冲较窄时，即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；正负正负脉冲宽度相等，即脉冲宽度相等，即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 UABAB越大转速越高。越大转速越高。U UABAB由由驱动电压脉冲宽度决驱动电压脉冲宽度决定。定。4.3 4.3 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主要内容直流电机缺点：直流电机缺点： 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

50、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。近年来交流电机飞速发展，克服了直流电机结构上的近年来交流电机飞速发展，克服了直流电机结构上的缺点，充分发挥了坚固耐用、经济可靠、动态响应好，缺点，充分发挥了坚固耐用、经济可靠、动态响应好，输出功率大等优点。因此，某些场合交流伺服电机已输出功率大等优点。因此，某些场合交流伺服电机已逐渐取代直流伺服电机。逐渐取代直流伺服电机。 4.4 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主要内容4.4.1 交流伺服

51、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。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，同步型交流电机分：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。非电磁式有磁滞式、永磁式和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。磁滞式和反应式同步电机存在效率低、功率反应式多种。磁滞式和反应式同步电机存在效率低、功率因数差、制造容量不大等缺点。因数差、制造容量不大等缺点。4.4 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

52、CNC主要内容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、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。故数控机床进给驱动系统多采用永磁式同步电机。故数控机床进给驱动系统多采用永磁式同步电机。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

53、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。4.4 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主要内容V VS SV VS S脉冲编码器脉冲编码器转子转子定子定子接线盒接线盒定子三相绕组定子三相绕组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4.4 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主要内容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nrn

54、s60f1p ns同步转速，同步转速， 转子磁极的轴线与定子转子磁极的轴线与定子磁极的轴线夹角，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（定子供电交流电源频率（定子供电频率），频率），p定子和转子的极对数定子和转子的极对数 nSNns nr S4.4 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主要内容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，磁场切割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生电转子中的导体，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，转速磁转矩，

55、推动转子转动，转速nr为为 )1 (60)1 (1spfsnnsr 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=( nsnr)/ nsp极对数极对数4.4 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主要内容4.4.3 交流伺服电机的变频调速交流伺服电机的变频调速nrns60f1p 只要改变交流伺服电机的供电频率只要改变交流伺服电机的供电频率f1 ，即可改变电机转，即可改变电机转速，所以交流伺服电机调速应用最多的是速，所以交流伺服电机调速应用最多的是变频调速变频调速。变频调速的主要环节是：为交流电机提供变频电源的变频变

56、频调速的主要环节是：为交流电机提供变频电源的变频器。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 (1spfsnnsr4.4 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主要内容M负 载反 组滤 波逆 变整 流正 组交 流 输 入+-(a)(b)CV DU05 0H z5 0H z交 流 电 机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）变成）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。冲，脉动交流

57、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，且最大频率即为变频器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。输入的工频电压频率。4.4 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交交交变频：交变频：CNC主要内容M负载反组滤波逆变整流正组交流输入+-(a)(b)CVDU05 0Hz5 0Hz交流电机交交直直交变频：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

58、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。4.4 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主要内容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PWM

59、PWM）变频器）变频器是目前应用最广、最基本是目前应用最广、最基本的一种交的一种交直直交型电压型变频器，交型电压型变频器，在交流调速系在交流调速系统中获得广泛应用。统中获得广泛应用。 4.4 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主要内容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）波形）波形: :与正弦波等效的一系列等幅与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波。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，每一区间面积用与其等分，每一区间面积用与其相等的等幅

60、不等宽的矩形面相等的等幅不等宽的矩形面积代替。积代替。正弦波的正负半周均如此处正弦波的正负半周均如此处理理。uttuOOa)b)4.4 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主要内容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+-URUUP电路原理示意图电路原理示意图 4.4 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主要内容UAUBU0 AU0 BU0 C三 相正 弦控 制信 号三 角 波发 生