数控机床的驱动电气系统讲稿

1、第3.1章 数控机床的伺服驱动系统 主要内容3.1.1 概述 3.1.2 步进电机及其驱动控制系统 3.1.3 直流伺服电机及其速度控制 3.1.4 交流伺服电机及其速度控制系统 3.1.5 直线电机及其在数控机床中的应用简介 3.1.6 位置控制数控机床伺服驱动及控制技术伺服电机在数控机床上的应用主轴电机带制动器伺服电机伺服电机刀库刀具定位电机机械手旋转定位电机数控机床伺服驱动及控制技术控制方式数控机床电机驱动主要指对机床的工作台和主轴的控制。其控制方式有三种，如下表数控机床伺服驱动及控制技术开环控制NC指令步进电机工作台步进电机驱动器数控机床伺服驱动及控制技术半闭环控制NC指令位置控制速度

2、控制电机工作台传感器数控机床伺服驱动及控制技术全闭环控制NC指令位置控制速度控制电机工作台测速发电机数控机床伺服驱动及控制技术混合式控制NC指令位置控制速度控制电机工作台比较器测速机旋变1 概述伺服驱动系统的定义:伺服驱动系统接收数控单元的位移/速度控制指令,驱动工作台/主轴按照控制指令的要求进行运动。伺服驱动系统直接影响移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标，是数控机床的关键技术。1 概述伺服驱动系统的作用: 接受CNC装置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

3、。数控机床的伺服驱动1 概述数控机床的伺服驱动1 概述UmrichterSIMODRIVE 611 digital mit CNCSINUMERIK 840DE/R- ModulNCULeistungsteilBedientafelfront mit PCU 20/50/70Drehstrom-ServomotorenPeripherieSIMATIC S7-300Drehstrom-Hauptspindelmotor1 概述一、数控机床对进给伺服系统的要求有：1高精度（输出量能复现输入量的精确程度）2稳定性好（抗干扰能力）3响应速度快（系统跟踪精度）4电机调速范围宽（最高转速和最低转速比）5

4、低速大转矩6可靠性高(对环境的适应性)1 概述二、伺服系统的基本组成比较控制环节驱动控制单元执行元件反馈检测单元机床进给 指令1 概述三、伺服系统的分类 按控制原理和有无检测反馈装置：开环和闭环伺服系统； 按其用途和功能：进给驱动系统和主轴驱动系统； 按其驱动执行元件的动作原理：电液伺服驱动系统、电气伺服驱动系统（直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统及直线电机伺服系统）1 概述1 概述闭环进给伺服系统结构位置控制模块速度控制单元伺服电机 工作台 位置检测测量反馈速度检测指令 速度环位置环2 步进电机及其驱动控制系统2.1步进电机工作原理按电磁吸引原理工作（以反应式步进电机为例）反应式步进电机的定

5、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，依靠磁极对齿的吸合工作。2 步进电机及其驱动控制系统定子转子定子绕组2 步进电机及其驱动控制系统AB定子转子IAIBIC两个相对的磁极组成一相。注意：这里的“相”和三相交流电中的“相”的概念不同。步进电机通的是电脉冲，主要是指线图的联接和组数的区别。2 步进电机及其驱动控制系统步进电机的工作方式(通电顺序)可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。1）三相单三拍：（1）三相绕组联接方式：Y 型（2）三相绕组中的通电顺序为：A 相 B 相 C 相通电顺序也可以为： A 相 C 相 B 相 2 步进电机及其驱动控制系统1）三相单三

6、拍工作方式：2 步进电机及其驱动控制系统BACCBA3412A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐B ACCBA3412BBACCAB相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐CC相通电，转子1、3齿和C相轴线对齐3412ABC1324ABC1324A2 步进电机及其驱动控制系统三相单三拍的特点：（1）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。（3）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矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡 。2 步进电机及其驱动控制系统2)三相六拍工作方式通电顺序为：AABBBCCCAA 六拍。通电顺序AAB

7、BBCCCAA（逆时针）AACCBCBCAA（顺时针）每步转过15，步距角是三相三拍工作方式的一半，特点：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比较平稳。 2 步进电机及其驱动控制系统3)双三拍工作方式定子绕组通电顺序为ABBCCAAB（转子逆时针旋转）ACBCCA（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，每步仍旋转30。特点：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2 步进电机及其驱动控制系统 实际上步进电机转子齿数很多，齿数越多，步距角越小2 步进电机及其驱动控制系统 为改善运行性能，定子磁极上的齿的齿距与转子的齿距相同，但各极的齿依次与转子的齿错开齿

8、距的1m（m电机相数）。每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距的1m（如三相三拍）或12m（如三相六拍）达到新的平衡位置。2 步进电机及其驱动控制系统齿距的1m（m电机相数）3600/ Z 转子40个齿，若通电为三相三拍，当转子齿与A相定子齿对齐时，转子齿与B相定子齿相差（3），与C相定子齿相差（6）。6.2 步进电机及其驱动控制系统每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。2.2 步进电机的主要特性1步距角 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。 一般很小，如：31.5，1.50.75，0.720.36等2 步进电机及其驱动控制系统静态：步进电机处于通

9、电状态，转子处在不动状态。静态转矩Mj ：在电机轴上施加一个负载转矩M，转子会在载荷方向上转过一个角度（失调角），转子因而受到一个电磁转矩Mj的作用与负载平衡。2矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq 2 步进电机及其驱动控制系统矩角特性：步进电机单相通电的静态转矩Mj随失调角的变化曲线。启动频率或突跳频率fq：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所允许的最高频率。高于启动频率，将不能正常起动。启动时的惯频特性：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。3启动频率fq和启动时的惯频特性 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下

10、的启动频率比空载要低。连续运行频率：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。其值远大于启动频率。运行矩频特性：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。4运行矩频特性 2 步进电机及其驱动控制系统 步进电机的加减速特性描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加、减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。 当要求步进电机启动到大于启动频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；从最高工作频率或高于启动频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速、减速时间不能过小，否则会失步或超步。加、减速特性 2 步进电机

11、及其驱动控制系统1根据相数分类有三、四、五、六相等，相数越多，步距角越小， 通电方式采用m相m拍、双m拍和m相2m拍，m相m拍和m相2m拍通电方式中，可采用一/二相、二三相转换通电，如五相步进电机，五相十拍的二三相转换方式：ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB 2.3 步进电机的分类 2 步进电机及其驱动控制系统 根据定子与转子间磁场建立方式，可分：反应式、永磁反应式（混合式）两类。反应式步进电机：定子有多相磁极，其上有励磁绕组，转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行永磁反应式步进电机：定子结构与反应式相似，转子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁力

12、矩实现步进运行。2根据产生力矩的原理分类 2 步进电机及其驱动控制系统可将步进电机分两类：伺服步进电机 功率步进电机伺服步进电机（快速步进电机），输出力矩在几十数百Nm，只能带动小负载，加上液压扭矩放大器可驱动工作台。功率步进电机输出力矩在550Nm以上，能直接驱动工作台。 3根据输出力矩的大小分类 2 步进电机及其驱动控制系统2 步进电机及其驱动控制系统4根据结构分类 步进电机可制成轴向分相式（多段式）径向分相式（单段式） 步进电机的驱动控制由环形分配器和功率放大器组成。环形分配器的主要功能：将数控装置送来的一串指令脉冲，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各相输入端，以控制励

13、磁绕组的通断，实现步进电机的运行及换向。2.4 步进电机的环形分配器 2 步进电机及其驱动控制系统1硬件环形分配器可由D触发器或JK触发器构成，亦可用专用集成芯片或通用可编程逻辑器件。CNC装置电源环形分配器A相驱动B相驱动C相驱动FULL/HALFDIRCLKM2 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CH250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三相六拍的工作方式2 步进电机及其驱动控制系统三相六拍接线图:2软件环形分配器 由数控装置中的软件完成环形分配，直接驱动步进电机各绕组的通、断电。 用软件环形分配器只需编制不同

14、的环形分配程序，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。CNC装置电源A相驱动B相驱动C相驱动CBAM2 步进电机及其驱动控制系统步进电机的速度控制进给脉冲频率f 定子绕组通电/断电状态变化频率f 步进电机转速 工作台的进给速度V。 V=60f2 步进电机及其驱动控制系统作用： 是将环形分配器或微处理机送来的弱电信号变为强电信号，以得到步进电机控制绕组所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形。2 步进电机及其驱动控制系统2.5 功率放大电路2.5 功率放大电路种类：就其采用的功率放大器件分，有中功率晶体管、大功率晶体管、大功率达林顿晶体管、可控硅等；就其工作原理分，有单电压驱动、高低

15、电压驱动、恒流斩波、调频调压、细分电路等。 步进电机有几相，就需要几组功率放大电路。2 步进电机及其驱动控制系统根据磁场产生方式分：他励式、永磁式、并励式、串励式和复励式五种。结构上：有一般电枢式、无槽电枢式、印刷电枢式、绕线盘式和空心杯电枢式等。为避免电刷换向器的接触，有无刷直流伺服电机。根据控制方式分：磁场控制方式、电枢控制方式。6.3.1 直流伺服电机的结构与分类 3 直流伺服电机及其速度控制NS NS数控机床伺服驱动及控制技术伺服电机的控制原理（1）直流电机的原理直流电机工作原理：根据弗来名左手定则，在磁场中通电导线产生运动。线卷通电流，炭刷在几何中心线，产生的转子磁场与定子磁场相垂直

16、。为了保持线卷的转向不变。其中的电流交变。数控机床伺服驱动及控制技术伺服电机的控制原理（2）交流电机的原理如下： （1）未通电流 （2）S 线卷通电流 （3）T 线卷通电流 根据上面的分析，交流伺服电机和同步电机的构造相似。根据弗来名左手定则，在磁场中通电导线产生运动。它的控制是通过放大器把直流变成可变频的交流，它和一般异步机，同步机不同，这种变频器的输出频率是受安装在同步机转子轴上的位置传感器所控制。每当电机转过一对磁极，逆变器的交流电输出相应交变一个周期，这是一种“ 自控式变频器 ”，它保证变频器的输出频率和电机的转速始终保持同步，而不失步。T2S1R2S2T1R1NST2S1R2S2T1

17、R1NST2S1R2S2T1R1NS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因转动惯量小而得名。这类电机一般为永磁式。小惯量直流电机最大限度地减小电枢的转动惯量，所以能获得最快的响应速度。在早期的数控机床上应用得比较多。 3 直流伺服电机及其速度控制2大惯量宽调速直流伺服电机（直流力矩电机）转子直径较大，线圈绕组匝数增加，力矩大，转动惯量大，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。没有励磁回路的损耗，外型尺寸比类似的其他直流伺服电机小。特点：能在较低转速下实现平稳运行，最低可达1rmin，甚至0.1rmin。数控机床上应用广泛。 3 直流伺

18、服电机及其速度控制3无刷直流伺服电机（无整流子电机）没有换向器，由同步电机和逆变器组成，逆变器由装在转子上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。 3 直流伺服电机及其速度控制3.2直流伺服电机的调速原理与方法组成：磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片他励式直流伺服电机工作原理：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。3 直流伺服电机及其速度控制直流电机及调速系统 从图中可以看出，接入直流电源以后，电刷A为正极性，电刷B为负极性。电流从正电刷A经线圈ab、cd，到负电刷B流出

19、。根据电磁力定律，在载流导体与磁力线垂直的条件下，线圈每一个有效边将受到一电磁力的作用。电磁力的方向可用左手定则判断，伸开左手，掌心向着N极，4指指向电流的方向，与4指垂直的拇指方向就是电磁力的方向。在图示瞬间，导线ab与dc中所受的电磁力为逆时针方向，在这个电磁力的作用下，转子将逆时针旋转即图中S的方向。直流电机工作原理 随着转子的转动，线圈边位置互换，这时要使转子连续转动则应使线圈边中的电流方向也加以改变要进行换向。由于换向器与静止电刷的相互配合作用，线圈不论转到何处，B刷h始终与运动到N极下的线圈边相接触，而电极A始终与运动到S极下的线圈边相接触这就保证了电流总是经电刷经N极下导体流入，

20、再沿S极导体经电刷B流出。因而电磁力和电磁转矩的方向始终保持不变，使电机沿逆时针方向连续转动。 直流电机工作原理永磁式直流伺服电机结构直流伺服电机构成直流伺服电机的电源特点直流伺服电机的类型CE电动势常数CT转矩常数n电机转速n0电机理想空载转速他励式直流伺服电机的转速公式Ra电机电枢回路总电阻Tm电机电磁转矩Ua电机电枢端电压 励磁磁通Ea电枢绕组感应电动势 3 直流伺服电机及其速度控制负载转矩Tm= 0,则有 直流电机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。电机转速与理想转速的差n，反映了电机机械特性硬度，n越小，机械特性

21、越硬。n0TTnD n直流电机的基本调速方式有三种:调节电阻Ra、调节电枢电压Ua和调节磁通的值。3 直流伺服电机及其速度控制电枢电阻调速不经济，调速范围有限，很少采用。调节电枢电压（调压调速）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n0 ，保持了原有较硬的机械特性，所以调压调速主要用于伺服进给驱动系统电机的调速如果n值较大，不可能实现宽范围的调速。永磁式直流伺服电机的n值较小，因此，进给系统常采用永磁式直流电机。 3 直流伺服电机及其速度控制调节磁通（调磁调速）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，所以调磁调速主要用于机床主轴电机调速。 6.3 直流伺服电机及其

22、速度控制6.3.3 直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式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 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统。 6.3 直流伺服电机及其速度控制1晶闸管调速系统6.3 直流伺服电机及其速度控制速度控制电压电枢电压U*n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+-UnInI*n+-US直流双环调速系统6.3 直流伺服电机及其速度控制主回路：二组反并接， 分别实现正转和反转原理：三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部分内又分成共阴极组（11、13、15）和共阳极组（12、14、16）。为构成回路，共阴极组和共

23、阳极组中必须各有一个可控硅同时导通。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。6.3 直流伺服电机及其速度控制2PWM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。 广泛应用中、小功率直流伺服系统周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压Ut周期不变3 直流伺服电机及其速度控制直流电机电压的平均值: T脉冲周期， Ton导通时间6.3 直流伺服电机及其速度控制脉宽调制（PWM）系统组成：速度调节器电流反馈脉宽调制基极驱动功放振荡器 电流调节器M速度指令 三相交流电整流速度反馈UsrUSCUUb3 直流伺服电机及其速度控制脉宽调制器作用：

24、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。原理：以三角波发生器为例介绍 3 直流伺服电机及其速度控制R1+12VUSCR1R3R2+-12VU S rU -USr 速度指令转化过 来的直流电压U- 三角波USC- 脉宽调制器的输出（US r+U）调制波形图ttU S r +U +U S roo-U S rttUS r为正时USr为负时U S r +U ttUSr为0时调制出正负脉宽一样方波平均电压为0调制出脉宽较宽的波形平均电压为正调制出脉宽较窄的波形平均电压为负3 直流伺服电

25、机及其速度控制开关功率放大器是脉宽调制速度单元的主回路结构：有两种形式：H型（桥式）、T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 。可逆H型双极式PWM开关功率放大器为例6.3 直流伺服电机及其速度控制可逆H型双极式PWM开关功率放大器USABD1D2D3D4MT1T2T4T3UdUABUb2Ub3OttUb1Ub 4Ot1TUS -USOttidid1id2id1id2O6.3 直流伺服电机及其速度控制USABD1D2D3D4MT1T2T4T3UdUABUb2Ub3OttUb1Ub 4Ot1TUS -USOttidid1i

26、d2id1id2O电机正转、反转、停止：由正、负驱动电压脉冲宽窄定。当正脉冲较宽时，即t1T/2，平均电压为正，电机正转；当正脉冲较窄时，t1T/2 ，平均电压为负，电机反转；正负脉冲宽度相等，t1=T/2 ，平均电压为零，电机停转。电机速度的改变：电枢平均电压UAB越大转速越高。UAB由驱动电压脉冲宽度决定。3 直流伺服电机及其速度控制 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； 电机最高速度受限制； 结构复杂，成本较高， 所以在使用上受到一定的限制。4 交流伺服电机及其速度控制系统直流电机缺点：1 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。

27、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：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。4 交流伺服电机及其速度控制系统1.1 交流伺服电动机 交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差90的两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。励磁绕组控制绕组杯形转子内定子交流伺服电动机结构图放大器检测元件控制信号+控制绕组励磁绕组+1 励磁绕组串联电容C , 是为了产生两相旋转磁场。 适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近90,从而产生所需的旋转磁场。交流伺服电动机的接线图和相量图(a）接线图1(b) 相量图

28、永磁式同步电机：优点：结构简单、运行可靠效率高；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异步交流伺服电机相比：效率高、体积小。4 交流伺服电机及其速度控制系统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；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，故异步型交流伺服电机用在主轴驱动系统中。4 交流伺服电机及其速度控制系统VSVS脉冲编码器转子定子接线盒定子三相绕组1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4 交流伺服电机及其速度控制系统永磁式交流同步电机工作原理和性能nrns60f1p ns同步转速， 转

29、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定子和转子的极对数 nSNns nr S4 交流伺服电机及其速度控制系统2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nr为 ns同步转速，f1交流电源频率（定子供电频率）s转差率，s=( nsnr)/ ns，p极对数4 交流伺服电机及其速度控制系统3 交流伺服电机的变频调速nrns60f1p 由上两式可见，只要改变交流伺服电机的供电频率f1 ，即可改变电机转速，所以交流伺服电机调速应用最多的是变频调速。变频调速的主

30、要环节是：为交流电机提供变频电源的变频器。变频器分：交交 变频交直交 变频4 交流伺服电机及其速度控制系统交交变频：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输入的工频电压频率。4 交流伺服电机及其速度控制系统交直交变频：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。4 交流伺服电机及其速度控制系统数控机床常采用交直交变频调速。在交直交变频中：

31、Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制）， 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PWM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：电压型逆变器、电流型逆变器SPWM（正弦波PWM）变频器是目前应用最广、最基本的一种交直交型电压型变频器，在交流调速系统中获得广泛应用。 4 交流伺服电机及其速度控制系统SPWM变压变频器调制原理（以单相为例）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。uttu

32、OOa)b)4 交流伺服电机及其速度控制系统SPWM控制波的生成:正弦波三角波调制Q：电压比较器UR：由指令脉冲转换来的U ：三角波发生器电路原理示意图 4 交流伺服电机及其速度控制系统指令脉冲转换来的信号三相SPWM控制电路框图 4 交流伺服电机及其速度控制系统整流器将三相工频交流电变成直流电逆变器将整流电路输出的直流电压逆变成三相交流电，驱动电机运行 主回路4 交流伺服电机及其速度控制系统uAuBu tuC50HzD1D2D3D4D5D6D6D8D9D10D11T1T2T3T4T5T6uB1uB4uB2uB5uB3uB6uAuPu0Au uA:由指令脉冲转换来的指令脉冲转换来的信号 4 交

33、流伺服电机及其速度控制系统6.4.4 交流伺服电机的矢量控制矢量控制(磁场定向控制)是德国FBlasche于1971年提出的。交流伺服电机可以利用SPWM进行矢量变频调速控制，使得交流调速获得如同直流调速同样优良的理想性能。经过30多年的工业实践的考验、改进和提高，目前广泛应用工业生产实践中。 4 交流伺服电机及其速度控制系统1矢量控制的基本原理 交流电机矢量控制的基本思想：利用“等效”概念，将三相交流电机输入的电流（矢量）变换为等效的直流电机中彼此独立的励磁电流和电枢电流（标量），建立起交流电机的等效数学模型，然后通过对这两个量的反馈控制，实现对电机的转矩控制；再通过相反的变换，将被控制的等

34、效直流电机还原为三相交流电机，那么三相交流电机的调速性能就完全体现了直流电机的调速性能。等效变换的准则：变换前后必须产生同样的旋转磁场。 4 交流伺服电机及其速度控制系统2矢量控制的等效过程（1）三相/二相变换 将三相交流电机变换为等效的二相交流电机以及与其相反的变换。采用的方法：把异步电动机的A、B、C三相坐标系的交流量变换为-两相固定坐标系的交流量 （2）矢量旋转变换将二相交流电机变换为等效的直流电机。 4 交流伺服电机及其速度控制系统数控机床伺服驱动及控制技术伺服电机的控制原理（3）直流电机与交流电机的区别6.5.1 直线电机的特点机床进给系统采用直线电机直接驱动，与原旋转电机传动方式的

35、最大区别是：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，故这种传动方式称为“直接驱动”，也称“零传动”。直接驱动避免了丝杠传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚性不足等缺点。 5直线电机及其在数控机床中的应用简介 5直线电机及其在数控机床中的应用简介 6.5.2 直线电机的基本结构和分类感应式旋转电机演变为直线电机的过程 5直线电机及其在数控机床中的应用简介 由永磁旋转电机演变为直线电机的过程 5直线电机及其在数控机床中的应用简介 旋转电机演变为圆筒型直线电机的过程 5直线电机及其在数控机床中的应用简介 弧型直线电机 圆盘型直线电机 5直线电机及其在数控机

36、床中的应用简介 6.3 数控机床的检测装置 检测元件（传感器） 信号处理装置(测量线路)实时测量机床执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，从而将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制，提高路径控制精度。在设计数控机床伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择检测装置。检测装置组成：检测装置作用：一、概述6.3 数控机床的检测装置分辨率：位移检测装置能够正确检测的最小位移量。 例： 1m, 2位移检测装置的精度指标：测量精度：在一定的测量长度或测量转角范围内，测量的累积误差最大值。例： 0.0020.02m, 10360不同数控机床对检测装置精度、速

37、度要求： 大型机床：速度为主； 中小型机床、高精度机床：精度为主。一、概述数控机床对位置测量装置的要求:1.工作可靠性，抗干扰能力强：受温度、湿度的影响小，工作可靠，精度保持性好，抗干扰能力强；2.能满足精度和速度的要求:位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率（一个数量级）；位置检测装置最高允许的检测速度应数控机床的最高运行速度。3.使用维护方便，适应机床工作环境；4.成本低。6.3 数控机床的检测装置一、概述6.3 数控机床的检测装置半闭环控制的数控机床使用的位置测量装置：旋转变压器、编码器等，安装在电机或丝杠上，通过测量电机或丝杠的角位移间接测量工作台的直线位移。闭环控制系统的数控机床使

38、用的位置测量装置：感应同步器、光栅、磁栅等，安装在工作台和导轨上，直接测量工作台的直线位移。一、概述光栅光栅尺身尺身安装孔 扫描头 （与移动部件固定）可移动电缆光栅编码器安装方式1、和伺服电机同轴联接，编码器在进给传动链前端；安装方便。2、连在滚珠丝杠末端，包含的传动链误差比前者多，位置控制精度较高；工作台丝杠编码器电机. 感应同步器：分类 ：直线式感应同步器：旋转式感应同步器：用于测量直线位移用于测量转角位移电磁式的位移检测传感器6.3 数控机床的检测装置（固定在床身上）（安装在移动部件上）平行，间隙为0.250.05mm节距2（2mm）绝缘粘结剂铜箔铝箔耐切削液涂层基板(钢、铜)定尺滑尺s

39、incos滑尺节距(0.5mm)感应绕组正弦励磁绕组余弦励磁绕组1. 直线式感应同步器的结构：. 感应同步器：6.3 数控机床的检测装置二. 感应同步器 感应同步器的工作原理： 电磁耦合原理工作时，在滑尺上的绕组上通励磁电压由于电磁耦合作用，在定尺绕组上产生感应电压当滑尺和定尺之间发生相对位移时 由于电磁耦合的变化，定尺上感应绕组中的感应电压也发生变化感应电压的变化与相对位移之间有一定的关系通过测量定尺绕组中的感应电压，借以进行位移量的检测6.3 数控机床的检测装置二. 感应同步器U0U0移动距离USUSUSUSUS定尺滑尺感应同步器中 定尺绕组中感应电压的变化情况以滑尺上正弦励磁绕组为例：6

40、.3 数控机床的检测装置二. 感应同步器6.3 数控机床的检测装置二. 感应同步器3.感应同步器的信号处理原理当滑尺正旋绕组上加激磁电压us后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：uos= K uS cosK 电磁感应系数 定尺绕组上感应电压的相位角（空间相位角）相位角与相对位移量 x的关系：2:2= x: = x当滑尺余旋绕组上加激磁电压uc后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：uoc = K uc cos（+/2） =K ucsin6.3 数控机床的检测装置二. 感应同步器当滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压us 、 uc 时，由于感应同步器的磁路可视为线性的，根据叠加原理，则与之相耦合的

41、定尺 绕组上的总感应电压为：uo = uos + uoc = K uS cos K uc sinK 电磁感应系数 定尺绕组上感应电压的相位角（空间相位角）相位角与相对位移量 x的关系： = x由于相对位移量 x 与 相位角呈线性关系，只要能测出相位角，就可求得位移量 x 。 根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压us、 uc供电方式的不同和对输出电压检测方式的不同，感应同步器可有两种工作方式：鉴相工作方式、鉴幅工作方式。6.3 数控机床的检测装置二. 感应同步器4.感应同步器的鉴相工作方式在该种工作方式中，滑尺正、余旋绕组通以是频率相同、幅值相同，相位差为 /2的交流励磁电压。正旋绕组励磁电压: uS

42、 = Um sint余旋绕组励磁电压: uC = Um cost定尺 绕组上的总感应电压为：uo = uos + uos = K uS cos K uc sin= K Um sint cosK Um cost sin= K Um sin（t ）结论：在鉴相工作方式中, 通过测量感应电压uo与正旋绕组励磁电压uS相位差，就可求得滑尺与定尺相对位移量 x 。6.3 数控机床的检测装置二. 感应同步器 例如：定尺感应输出电压与滑尺励磁电压间的相位差为3.60，表明滑尺移动了多少mm？(0.02mm) 2mm6.3 数控机床的检测装置二. 感应同步器4.感应同步器的鉴幅工作方式在该种工作方式中，滑尺正

43、、余旋绕组通以是频率相同、相位相同，但幅值不同的交流励磁电压。正旋绕组励磁电压: uS = Um sin1 sint 余旋绕组励磁电压: uC = Um cos1 sint 电气相位角1 = x 1（ x 1是指令位移值） 定尺 绕组上的总感应电压为：uo = uos + uos = K uS cos K uc sin= K Um sin1sint cos K Um cos1 sint sin= K Um sin（1）sint令1 = = K Um sin sint当很小时， K Um sint而 = x / = K Um x / sint结论：在鉴幅工作方式中, 通过测量感应电压uo的幅值，

44、就可求得滑尺与定尺相对位移量 x 。6.3 数控机床的检测装置二. 感应同步器5.几点说明：* 感应同步器的测量周期为其绕组的节距2（2mm）*感应同步器的测量精度取决于测量电路对输出感应电压的细分精度。*现在商品化的感应同步器的输出大多是脉冲量，使其能方便 地采用现代的数字处理技术。*感应同步器的特点：精度高对环境的适应能力强：抗湿、温度、热变形影响的能力强；维护简单、寿命长：非接触测量，无磨损，精度保持性好。测量距离长：通过接长可满足大行程测量的要求。6.3 数控机床的检测装置二. 感应同步器*感应同步器的使用注意事项：在安装方面：保证安装精度（安装面的精度、定尺与滑尺的相对位置精度、接缝

45、的调整精度）加装防护装置（避免切屑、油污、灰尘的影响） 在电气方面：要保证激磁电压波形的对称性和保真性。对鉴相系统： 激磁电压的幅值、频率相等；相位差900对鉴幅系统： 对Um sin1、Um cos1调制的精确性当失真度大于2%时，将严重影响测量精度6.3 数控机床的检测装置二. 感应同步器三、脉冲编码器脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。根据内部结构和检测方式码盘可分为:接触式光电式电磁式: 在数控机床上应用较多: 由霍尔效应构成,可用作速度检测元件6.3 数控机床的检测装置. 光电式编

46、码器 结构及工作原理 abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光欄板节距m+/4信号处理装置6.3 数控机床的检测装置三、脉冲编码器光电码盘随被测轴一起转动，在光源的照射下，透过光电码盘和光栏板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电信号，通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出。输出的波形有六路：其中， 是 的取反信号。AB90Z码盘转一圈码盘及狭缝转轴光敏元件光栏板及辨向用的A组、B组狭缝光源零位标志C输出信号的作用及其处理:码盘每转过一个狭缝就发出一个脉冲信号根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移；根据脉冲的频率可得被测轴的转速； 根据A、B两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向。ABCP90O后续电路可利用A、B两相的90相位差进行细分处理(四倍频电路）。码盘