第7章数控机床的驱动与控制系统课件

第7章数控机床的驱动与控制系统2022/10/30第7章数控机床的驱动与控制系统第7章数控机床的驱动与控制系统2022/10/22第7章数控1数控机床伺服驱动系统概述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。第7章数控机床的驱动与控制系统数控机床伺服驱动系统概述伺服驱动系统接收数控单元的位移/速度2数控机床的伺服驱动

驱动电路--信号的转换（D/A）和放大；伺服电机--信号和能量的转化输出（电—机）；传动及执行机构--信号和能量的传递；特点：能够实现位置和运动的准确控制。组成：第7章数控机床的驱动与控制系统数控机床的伺服驱动驱动电路--信号的转换（D/A）和放31.按其控制对象和使用目的分类进给驱动：控制机床各轴的切削进给运动,含速度控制和位置控制，也是一般概念的伺服驱动系统；主轴驱动：控制主轴的旋转和切削过程的转矩和功率，要求有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围；辅助驱动：采用简易的位置控制，如控制刀库的辅助系统。7.1数控机床的驱动系统分类第7章数控机床的驱动与控制系统1.按其控制对象和使用目的分类7.1数控机床的驱动系统分47.1.2按调节理论分类（1）开环伺服系统：无检测反馈控制通道，由步进电机、驱动电路、传动机构组成。用于经济型数控和老设备改造。7.1数控机床的驱动系统分类工作原理：将指令数字脉冲信号转换为电机的角位移。第7章数控机床的驱动与控制系统7.1.2按调节理论分类（1）开环伺服系统：无检测反馈控制57.1.2按调节理论分类（1）开环伺服系统7.1数控机床的驱动系统分类特点1）无位移检测装置，控制精度低；2）结构简单、易于调整、成本低。主要技术指标1）定位精度可达±0.02mm；2）脉冲当量可达0.01mm；3）快速进给速度4-15m/min；应用:经济型数控机床及机床数控化改造第7章数控机床的驱动与控制系统7.1.2按调节理论分类（1）开环伺服系统7.1数控机床67.1.2按调节理论分类（2）闭环伺服系统：有位置检测装置（直线位移检测元件），用位移指令与工作台实际位移的差值作为控制量；由位置环和速度环组成；具有很高的跟随精度和定位精度，安装调试困难。7.1数控机床的驱动系统分类第7章数控机床的驱动与控制系统7.1.2按调节理论分类（2）闭环伺服系统：有位置检测装置77.1.2按调节理论分类（2）闭环伺服系统7.1数控机床的驱动系统分类脉冲当量0.001-0.0001mm，快进速度24-100m/min。主要用于精密、大型数控设备上。第7章数控机床的驱动与控制系统7.1.2按调节理论分类（2）闭环伺服系统7.1数控机床87.1.2按调节理论分类（3）半闭环伺服系统：采用角位移检测元件对电机轴或滚珠丝杠的角位移进行测量反馈，其精度处于开环与闭环之间，安装调试方便。7.1数控机床的驱动系统分类第7章数控机床的驱动与控制系统7.1.2按调节理论分类（3）半闭环伺服系统：采用角位移检97.1.2按调节理论分类（3）半闭环伺服系统7.1数控机床的驱动系统分类脉冲当量0.005-0.001mm，快进速度15-24m/min。主要用于中档数控机床上。第7章数控机床的驱动与控制系统7.1.2按调节理论分类（3）半闭环伺服系统7.1数控机107.1.3数控机床对驱动系统的要求1、精度高，定位误差（重复定位误差）小，跟随误差小。一般要求定位精度为0.001~0.01mm，高档设备达到0.01μm以上。2、快速响应特性好、无超调、无振荡。快速响应是伺服系统动态品质的标志之一，反映系统的跟踪精度。要求加、减速度足够大，能频繁启、停和正、反向运动。7.1数控机床的驱动系统分类定位精度：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。第7章数控机床的驱动与控制系统7.1.3数控机床对驱动系统的要求1、精度高，定位误差（重117.1.3数控机床对驱动系统的要求3、调速范围宽（调速范围：最低转速到最高转速的范围-nmin/nmax

）由于工件材料、刀具以及加工要求各不相同，要保证数控机床在任何情况下都能得到最佳切削条件，伺服系统就必须有足够的调速范围。这样既能满足高速加工要求，又能满足低速进给要求。4、低速切削时，要求系统能输出大转矩5、系统可靠性高系统的可靠性常用发生故障时间间隔长短的平均值作为依据，即平均无故障时间(MBTF)。这个时间越长，可靠性越好。7.1数控机床的驱动系统分类第7章数控机床的驱动与控制系统7.1.3数控机床对驱动系统的要求3、调速范围宽（调速范围127.1.4驱动系统中常用的检测装置7.1数控机床的驱动系统分类第7章数控机床的驱动与控制系统7.1.4驱动系统中常用的检测装置7.1数控机床的驱动系137.2步进电机及其驱动系统主要用于开环伺服控制，系统由“步进电机驱动线路”+“步进电机”组成，对工作台位移、速度和运动方向进行控制。功率放大器环形分配器加减速电路脉冲混合电路加减脉冲分配电路进给脉冲至步进电机绕阻步进电机驱动线路步进电机机床进给指令第7章数控机床的驱动与控制系统7.2步进电机及其驱动系统主要用于开环伺服控制，系147.2.1步进电机（亦称脉冲电机、电脉冲马达）7.2步进电机及其驱动系统作用：将电脉冲转换成相应的机械角位移或直线位移。电脉冲数决定位移量；电脉冲频率决定位移速度；电脉冲相序决定位移方向。第7章数控机床的驱动与控制系统7.2.1步进电机（亦称脉冲电机、电脉冲马达）7.2步进15工作台丝杠编码器步进电机7.2步进电机及其驱动系统第7章数控机床的驱动与控制系统工作台丝杠编码器步进电机7.2步进电机及其驱动系统第7章数16（1）步进电机的结构与工作原理与步进电机有关的几个概念：“段”—指步进电机的定子数目，分“单段式”、“多段式”；“相”、“相数”

—产生不同对N、S极磁场的励磁线圈对数；“拍”—指从一相通电切换成另一相通电的意思；“拍数”—完成一个磁场周期性变化所需脉冲数，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数；“步”-对步进电机输入一个脉冲，则输出一个位移（角位移或直线位移），称为“一步”；“步距角”—对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移，用θ表示；

“失步”—电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。

第7章数控机床的驱动与控制系统（1）步进电机的结构与工作原理与步进电机有关的几个概念：第17（1）步进电机的结构与工作原理图7-4单段式三相反应式步进电机结构原理图7-5展开后的步进电机齿距NS反应式步进电机（可变磁阻式步进电机、VR步进电机）结构；工作原理：当某相定子磁极励磁后，吸引转子使转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐（电磁吸引原理）。第7章数控机床的驱动与控制系统（1）步进电机的结构与工作原理图7-4单段式三相反18（1）步进电机的结构与工作原理单段式（一个定子，也称径向式）反应式步进电机（图7-4）：第7章数控机床的驱动与控制系统（1）步进电机的结构与工作原理单段式（一个定子，也称径向式19（1）步进电机的结构与工作原理多段式径向磁路的反应式步进电机--由单段式演变而来，各相励磁绕组沿轴向分段布置，每段之间的定子齿在径向互相错开1／m齿距（m为相数）；三段式径向磁路反应式步进电动机结构示意图磁路沿径向第7章数控机床的驱动与控制系统（1）步进电机的结构与工作原理多段式径向磁路的反应20（1）步进电机的结构与工作原理多段式轴向磁路的反应式步进电机--励磁绕组为环形绕组，定子齿数和转子齿数相等。每段之间定子齿在径向依次错开1／m齿距（m为相数），转子齿不错位；五段式轴向磁路反应式步进电机结构示意图磁路沿轴向第7章数控机床的驱动与控制系统（1）步进电机的结构与工作原理多段式轴向磁路的反应21（1）步进电机的结构与工作原理三相单三拍通电方式工作原理：当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1、3齿要和A级对齐。当下一个脉冲通入B相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭合，即2、4齿要和B级对齐，则转子就相对定子沿逆时针方向转动30°。单段式三相反应式步进电机的工作原理（假定每个定子磁极只有1个齿，齿距角=60°，转子齿数假定只有4个齿）第7章数控机床的驱动与控制系统（1）步进电机的结构与工作原理三相单三拍通电方式工作原理：22（1）步进电机的结构与工作原理若通电脉冲的次序为A、B、C、A…，转子将以逆时针方向一步步地旋转。定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上述的通电方式称为三相单三拍。所谓“单”是指每次只有一相绕组通电；所谓“三拍”是指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。单段式三相反应式步进电机的工作原理（假定每个定子磁极只有1个齿，齿距角=60°，转子齿数假定只有4个齿）第7章数控机床的驱动与控制系统（1）步进电机的结构与工作原理若通电脉冲的次序为A、B23（1）步进电机的结构与工作原理三相单三拍通电：每拍只有一相绕组通电，在切换瞬间可能失去自锁力矩，易失步且易在平衡位置产生振荡；三相双三拍通电方式：ABBCCAAB……逆时针转动；三相单双六拍通电方式：AABBBCCCAA……逆时针转动；单段式三相反应式步进电机的工作原理（假定每个定子磁极只有1个齿，齿距角=60°，转子齿数假定只有4个齿）第7章数控机床的驱动与控制系统（1）步进电机的结构与工作原理三相单三拍通电：每拍只有一相24步进电机的通电方式：

三相双三拍：(逆转)ABBCCAAB(顺转)ACCBBAAC三相单双六拍：

(逆转)AABBBCCCAA(顺转)AACCCBBBAA三相单三拍：(逆转)ABCA(顺转)ACBA（1）步进电机的结构与工作原理三种通电方式的特点：单三拍-每次一相通电,步进电机稳定性差，步距角30°；双三拍-每次同时两相通电,切换瞬间仍有一相保持通电,运行稳定，步距角30°；单双六拍-步距角15°，切换瞬间仍有一相保持通电，运行稳定。第7章数控机床的驱动与控制系统步进电机的通电方式：25步进电机定子绕阻通电状态每改变一次，它的转子转过一个固定的角度，称为步进电机的步距角；改变步进电机定子绕阻的通电顺序，其转子的旋转方向随之改变;步进电机定子绕阻通电状态变化的频率越高，转子的转速越高;步距角与定子绕阻相数m、转子齿数z、通电方式k有关:（1）步进电机的结构与工作原理数控机床中的反应式步进电机的步距角一般为0.36°-3°。第7章数控机床的驱动与控制系统步进电机定子绕阻通电状态每改变一次，它的转子转过一个固定的角26步距角α、相数m、转子齿数z及通电方式K的计算公式：α=360/(mzK)当拍数=相数时，K=1；拍数=2x相数时，K=2；脉冲当量--步进电机的一个步距角所对应的机床工作台的移动量即工作台的最小运动单位（mm/脉冲）；丝杠基本导程S（mm）、步进电机步距角α（°）、脉冲当量δ（mm/脉冲）、传动比λ四者的关系为：δ

=Sα/(360λ)（1）步进电机的结构与工作原理第7章数控机床的驱动与控制系统步距角α、相数m、转子齿数z及通电方式K的计算公式：（1）27公式：δ

=Sα/(360λ)，如何进行推导？假设电机转一圈时工作台对应的位移量为S1，则有：S1=360δ/α，λ=N电机/N丝杠=S/S1；即:λ=S/(360δ/α)=Sα/(360δ)整理后，得：δ=Sα/(360λ)（1）步进电机的结构与工作原理第7章数控机床的驱动与控制系统公式：δ=Sα/(360λ)，如何进行推导？（1）28工作台的进给速度V(mm/min)、脉冲当量δ(mm/脉冲)、进给脉冲频率f(Hz)三者的计算公式：V=60δf;步进电机的步距角越小，系统的脉冲当量越小，机床加工精度越高；反应式步进电机的特点：优点--控制方便、步距角小、一转中没有累积误差、动态响应快、自起动能力强、角位移变化范围宽、价格低廉；缺点-带惯性负载能力差、低频振荡、高速时易失步、断电后无定位转矩。（1）步进电机的结构与工作原理第7章数控机床的驱动与控制系统工作台的进给速度V(mm/min)、脉冲当量δ(mm/脉冲)29思考题：如图所示的开环步进电机位置控制系统，已知负载力F=2000N，工作台长L=400mm，定位精度为±0.02mm，丝杠导程6mm，直径d＝32mm，步进电机的步距角为α＝1.5°，试确定齿轮减速比λ。第7章数控机床的驱动与控制系统思考题：如图所示的开环步进电机位置控制系统，已知负载力F=230（2）永磁感应子式步进电机永磁感应子式步进电机结构示意图转子内有永久磁铁,与定子绕组的磁场共同作用第7章数控机床的驱动与控制系统（2）永磁感应子式步进电机永磁感应子式步进电机结构示意图31永磁感应子式步进电机（亦称混合式步进电机）特点：转子由环形磁钢及两段铁心组成，轴向充磁；

输出转矩高于反应式步进电机；掉电情况下，仍具有一定的定位转矩；制造困难，需正、负电源供电(或把单电源变成正、负电源)；有取代反应式步进电机的趋势。（2）永磁感应子式步进电机第7章数控机床的驱动与控制系统永磁感应子式步进电机（亦称混合式步进电机）特点：（2）永327.2.2步进电机的主要性能指标步距角α：

步进电机定子绕组每改变一次通电状态，转子所转过的角度（范围：0.36°～3°）。它决定控制精度，也是决定步进式伺服系统脉冲当量的重要参数；静态步距角误差△α：以单脉冲输入时，实际步距角与理论步距角之差；失调角与静态转矩：当步进电机不改变通电状态、转子处于不动状态下，在电动机轴上加一个负载转矩，使转子按一定方向转过一个角度θe，该角度称为失调角；这时转子受到的电磁转矩T称为静态转矩。第7章数控机床的驱动与控制系统7.2.2步进电机的主要性能指标步距角α：步进电机定子绕337.2.2步进电机的主要性能指标步进电机的静态转矩T与失调角θe：步进电机为空载即T=0，转子在失调角θe=0处稳定，此时通电相的定子齿与转子齿对齐；在静态运行情况下，如有外力使转子齿偏离定子齿，在-180°<θe<180°范围内，则在外力消除后，转子在静转矩的作用下仍能回到原来的稳定平衡位置，故称-180°<θe<180°为静稳定区；当θe=±180°时，转子齿左右两边所受的磁拉力相等而相互抵消，暂时有静转矩T=0，称为不稳定平衡点。第7章数控机床的驱动与控制系统7.2.2步进电机的主要性能指标步进电机的静态转矩T与失调347.2.2步进电机的主要性能指标距角特性和最大静态转距Tjmax；矩角特性：步进电机的静转矩T与失调角θe之间的关系。矩角特性上的电磁转矩的最大值称为最大静态转矩Tjmax.第7章数控机床的驱动与控制系统7.2.2步进电机的主要性能指标距角特性和最大静态转距Tj357.2.2步进电机的主要性能指标启动矩频特性：

描述步进电机起动频率与负载力矩的关系曲线称为启动矩频特性。它随着负载的增加而下降；空载启动频率或突跳频率fq：空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不失步的正常运行所允许的最高频率。步进电机的起动频率要比它的空载起动频率低，要比连续运行频率低很多；连续运行的最高工作频率：步进电机连续运行时，保证不丢步运行的极限频率，它决定了步进电机的最高转速；运行矩频特性：描述步进电机连续稳定运行时，输出转矩T与连续运行频率f之间的关系。一般步进电机的输出转矩T随着运行频率f的升高而下降，它是步进电机运转时承载能力的动态指标。第7章数控机床的驱动与控制系统7.2.2步进电机的主要性能指标启动矩频特性：描述步进367.2.3步进电机的驱动和控制技术功率放大器环形分配器加减速电路脉冲混合电路加减脉冲分配电路进给脉冲至步进电机绕组步进电机的驱动线路通常由脉冲混合电路、加减脉冲分配电路、加减速电路、环形分配器（脉冲分配器）和功率驱动器（功率放大器）组成：功能：将一定频率f、数量N和方向的进给脉冲转换为控制步进电机定子各相绕组通断电状态变化的频率、次数和顺序的功率信号。第7章数控机床的驱动与控制系统7.2.3步进电机的驱动和控制技术功率环形加减脉冲加减进给377.2.3步进电机的驱动和控制技术环形分配器的功能：将数控装置的插补脉冲，按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端，来控制励磁绕组的通、断电和电机的正、反转状态；a.硬环形分配器：通过硬件方式来实现，由D触发器或JK触发器组成，也可是专用集成芯片或通用可编程逻辑器件。b.软环形分配器：通过软件方式来实现，常用的设计方法有查表法、比较法、位移寄存器法等。环形分配器的分类：第7章数控机床的驱动与控制系统7.2.3步进电机的驱动和控制技术环形分配器的功能：将数控387.2.3步进电机的驱动和控制技术功率驱动器（功率放大器）的功能：将环形分配器输出的脉冲信号放大，以用足够的功率来驱动步进电机；a.单电压驱动电路（图7-14）；b.高低压驱动电路（图7-15）；功率驱动器常用的驱动电路：c.斩波驱动电路（图7-16）；d.调频调压驱动电路（图7-18）；e.细分驱动电路（图7-20）；第7章数控机床的驱动与控制系统7.2.3步进电机的驱动和控制技术功率驱动器（功率放大器）391、传动计算传动比直线进给开环控制系统步进电机的计算和选用第7章数控机床的驱动与控制系统1、传动计算传动比直线进给开环控制系统步进电机的计算和选用第40式中：α为步进电机的步距角δ为系统的脉冲当量（°）i为传动系统的传动比圆周进给:传动比：开环控制系统步进电机的计算和选用第7章数控机床的驱动与控制系统式中：α为步进电机的步距角圆周进给:传动比：开环控制系统步41步进电机的选用输出转距：通常取负载转矩与最大静转矩的比值为TL/Tjmax=0.3～0.5步距角：步距角与系统应匹配，即应满足脉冲频率应与系统要求的启动、连续运行频率匹配。转动惯量：应满足以下匹配条件

式中：JM为步进电机的转动惯量；JL为负载转动惯量。脉冲频率：所选步进电机脉冲频率要满足负载要求，即：所选步进电机的空载运行频率fmax要高于其负载下的连续运行频率；所选步进电机的空载启动频率要高于负载下的启动频率。开环控制系统步进电机的计算和选用第7章数控机床的驱动与控制系统步进电机的选用开环控制系统步进电机的计算和选用第7章数控机床427.3直流伺服电机与速度控制直流伺服电机的结构主要包括三大部分：（1）定子。定子磁极磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式，直流伺服电动机可分为永磁式和他励式。永磁式磁极由永磁材料制成，他励式磁极由冲压硅钢片叠压而成，外绕线圈通以直流电流便产生恒定磁场。（2）转子。又称为电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。（3）电刷与换向片。为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀的连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。第7章数控机床的驱动与控制系统7.3直流伺服电机与速度控制直流伺服电机的结构主要包括三大437.3直流伺服电机与速度控制直流伺服系统：以直流伺服电机作为驱动元件的伺服系统；直流伺服系统的一般结构为三闭环（电流、速度、位置）控制：位置比较速度控制功率驱动直流伺服电机机床进给电流反馈电流环速度反馈位置反馈位置环速度环位置给定图7-22直流伺服系统的一般结构第7章数控机床的驱动与控制系统7.3直流伺服电机与速度控制直流伺服系统：以直流伺服电机作44电枢电路的电势平衡方程感应电动势方程电机电磁转矩方程电机的机械特性方程

7.3直流伺服电机与速度控制他励直流伺服电机机械特性方程的推导：式中：n-电机转速，r/min；U-电枢回路外加电压，V；Ia-电枢回路电流，A；Ra-电枢回路内阻，Ω；Rs-电枢回路串联调节电阻，Ω；φ-气隙磁通量，wb；Ce-反电势系数；Cm-转矩系数。第7章数控机床的驱动与控制系统电枢电路的电势平衡方程7.3直流伺服电机与速度控制他励直流45直流电机的调速方法：（1）调压恒转矩调速-改变电枢回路外加电压U；（2）调磁恒功率调速-改变气隙磁通量φ（φ↑n↓T↑）；（3）改变电枢回路中串联调节电阻Rs，从而改变电枢回路电阻（Ra+Rs）。7.3直流伺服电机与速度控制数控机床的电机要求既能正转、反转，又能快速制动。因此数控机床的伺服系统一般都是可逆系统，后两种方法不能满足数控机床的要求。因此，主要采用调整电枢电压的方法来调节直流伺服电机的转速，它的供电系统能灵活地控制直流电压的大小和方向。目前主要用晶闸管调速控制方式（即可控硅SCR）和晶体管脉宽调速控制方式（PWM）来提供可调的直流电源。直流电机的机械特性方程：第7章数控机床的驱动与控制系统直流电机的调速方法：7.3直流伺服电机与速度控制数467.3直流伺服电机与速度控制晶闸管（即可控硅SCR）调速系统调速原理：通过对晶闸管触发角的控制来改变电机电枢电压，以达到调速的目的。

晶体管脉宽调速（PWM）控制原理：通过脉宽调制器将直流电压转换成方波电压，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，以达到调速的目的。第7章数控机床的驱动与控制系统7.3直流伺服电机与速度控制晶闸管（即可控硅SCR）调速系477.3.1晶闸管调速控制方式两个环：电流环—内环；速度环—外环速度、电流调节器均采用PI调节器，且带限幅功能。双环调速系统PI调节器-比例（Proportion）调节+积分（Integral）调节第7章数控机床的驱动与控制系统7.3.1晶闸管调速控制方式两个环：电流环—内环；速度环—48双闭环调速系统的工作原理电流调节器ACR的调节作用：电流环为由ACR和电流负反馈组成的闭环，它的主要作用是稳定电流。

稳态时：第7章数控机床的驱动与控制系统双闭环调速系统的工作原理电流调节器ACR的调节作用：电流环为49上式的物理意义：当Usi为一定的情况下，由于电流调节器ACR的调节作用，整流装置的电流将保持在Usi/β的数值上。这种保持电流不变的特性，将使系统能：

①自动限制最大电流；

②能有效抑制电网电压波动的影响。双闭环调速系统的工作原理第7章数控机床的驱动与控制系统上式的物理意义：当Usi为一定的情况下，由于电流调节50速度调节器ASR的调节作用速度环是由ASR和转速负反馈组成的闭环，它的主要作用是保持转速稳定，并最后消除转速静差。稳态时：其物理意义：当Usn为一定的情况下，由于速度调节器ASR的调节作用，转速n将稳定在Usn/α的数值上。双闭环调速系统的工作原理第7章数控机床的驱动与控制系统速度调节器ASR的调节作用速度环是由ASR和转速负51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（1、3、5）和共阳极组（2、4、6）。为了构成回路，这二组中必须各有一个可控硅同时导通。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120º，每相内二个触发脉冲相差180º。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60º。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60º后，在补发一个辅助脉冲；也可以采用宽脉冲控制，宽度大于60º，小于120º。三相桥式反并联整流电路（图7-23）462791113581210ABCMⅠ、Ⅱ二组反并接，分别实现电机的正转和反转。UdRdbKM+-FU~U第7章数控机床的驱动与控制系统原理：三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部分内又52e)uacbcaba)b)c)d)135

①②③④⑤⑥ωtub246bcaωtωtωtωt11335511336224466224135246120°120°180°60°132460°60°56α

只要改变晶闸管的触发角（即改变导通角），就能改变晶闸管的整流输出电压，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。主回路波形图三相桥式反并联整流电路第7章数控机床的驱动与控制系统e)uacbcaba)b)c)d)135①②53

晶闸管调速控制-适合于大功率及要求不高的直流伺服电动机调速控制（根据图7-24来理解）：①调速：当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器的输入端，产生前移的触发脉冲，晶闸管整流器输出直流电压提高，电机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定相匹配达到新的平衡，电机以较高的转速运行。②干扰：如负载增加，电机转速下降，速度反馈电压降低，则速度调节器的输入偏差信号增大，其输出信号也增大，经电流调节器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使电机转速恢复到干扰前的数值。

③电网波动：电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电机转速由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使电流调节器的输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原来值，从而抑制了主回路电流的变化。

④启动、制动、加减速：电流调节器还能保证电机启动、制动时的大转矩、加减速的良好动态性能。7.3.1晶闸管调速控制方式第7章数控机床的驱动与控制系统晶闸管调速控制-适合于大功率及要求不高的直流伺服电动机调54近年来，晶体管脉宽调制方式（PWM）在世界上得到了广泛应用，并且逐步取代晶闸管控制方式。U．．．M．τ１Tτ2TtKUa如图所示,开关K周期性的开关,周期为T,接通时间为τ,外加电源电压U为常数，则加到电枢上的波形是一个高为U，宽为τ，周期为T的方波。则它的平均值为：Ua=∫Udt/T=τU/T=δTU其中δT＝τ/T0T7.3.2晶体管脉宽调速控制方式第7章数控机床的驱动与控制系统近年来，晶体管脉宽调制方式（PWM）在世界上得到55Ua=δTU其中δT＝τ/T由上式可知：当T不变时，只要连续地改变τ（0～T）就可使电枢电压平均值连续地由0～U变化，从而改变电机的转速。如开关频率是2000Hz，T＝l／2000s＝0.5ms。图中二极管为续流二极管，当K断开时，由于电枢电感的存在，电机电枢电流Ia可通过它形成回路而继续流通。U．．．M．τ１Tτ2TtKUa7.3.2晶体管脉宽调速控制方式第7章数控机床的驱动与控制系统Ua=δTU其中δT＝τ/TU．．．567.3.2晶体管脉宽调速控制方式脉宽调制（PWM—pulsewidthmodulation）方式的速度控制系统主要由脉冲宽度调制器和脉冲功率放大器两部分组成：-整流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GMUsrUsf

u~-+++-图7-25PWM系统组成原理第7章数控机床的驱动与控制系统7.3.2晶体管脉宽调速控制方式脉宽调制（PWM—57脉宽调制：功率放大器中的晶体管工作在开关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度）的方法来改变输出，以使电机电枢两端获得脉宽受调制脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用则为波动很小的直流电压（平均电压）。脉宽的连续变化使电枢电压的平均值随着变化，从而达到调节电机转速的目的。周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压Uωt周期不变7.3.2晶体管脉宽调速控制方式第7章数控机床的驱动与控制系统脉宽调制：周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压Uωt周期不变58①电动机损耗和噪声小；

②系统动态特性好，响应频带宽；③低速时电流脉动和转速脉动小，稳速精度高；

④功率晶体管工作在开关状态，损耗小且控制方便；⑤响应很快，电动机既能驱动负载，也能制动负载；⑥功率晶体管承受高峰值电流的能力差。7.3.2晶体管脉宽调速控制方式晶体管脉宽调制的主要特点：PWM方式广泛应用于：中、小功率的直流伺服驱动系统。第7章数控机床的驱动与控制系统①电动机损耗和噪声小；7.3.2晶体管脉宽调速控制方式晶59PWM的优点：晶体管脉宽调制系统，因晶体管的开关频率很高，其输出电流接近于纯直流，使电机调速平稳。另一方面，转子也跟不上如此高的频率变化，避开了机械谐振，使机械工作平稳；这种方式还具有优良的动态硬度，电机既能驱动负载，也能制动负载，因而响应很快。与晶闸管比较，在相同的输出转矩下（即平均电流相同）运行效率高，发热小，低速下限更小，调速范围更宽。直流电机的缺点：它的电刷和换向器易磨损，换向时产生火花，使电机的最高转速受到限制，也使应用环境受限制，其结构复杂，成本高。7.3直流伺服电机与速度控制几年来，由于交流伺服电机克服了直流伺服电机结构上的缺点，交流伺服系统正在逐步取代直流伺服系统。第7章数控机床的驱动与控制系统PWM的优点：晶体管脉宽调制系统，因晶体管的开关频率很高，其60交流伺服电机特点：结构简单、可靠性高、维护方便。种类：交流异步伺服电机和交流同步伺服电机。永磁式交流（同步）伺服电机特点

与直流伺服电机相比，同等功率下，电机外形尺寸减小1/2，重量减轻60%，转子惯量减至1/5（减小4/5）感应式交流伺服电机特点

结构简单、价格便宜、过载能力强，与永磁式交流伺服电机相比，效率低、体积大、转子热损耗大，转子发热直接影响系统性能。应用：目前数控机床进给系统多采用永磁式交流伺服电机。7.4交流伺服电机与速度控制第7章数控机床的驱动与控制系统交流伺服电机7.4交流伺服电机与速度控制第7章数控机床的驱611、永磁式交流（同步）伺服电动机的结构：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7.4.1交流伺服电机的变频调速第7章数控机床的驱动与控制系统1、永磁式交流（同步）伺服电动机的结构：VSVS脉冲编码器转62永磁交流伺服电机的变频调速进给系统常使用交流同步电机，该电机没有转差率，电机转速：式中：f–定子电源频率；p–磁极对数S–转差率（交流同步电机转差率为0）调速方法：只能用变频调速。主要环节：为交流电机提供变频、变压电源的变频器。变频器分为：交–直–交变频器（分电压型和电流型）交–交变频器7.4.1交流伺服电机的变频调速2、永磁交流（同步）伺服电机工作原理和性能第7章数控机床的驱动与控制系统永磁交流伺服电机的变频调速7.4.1交流伺服电机的变频调速631）、正弦脉宽调制（SPWM）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，如图所示。①等效原理：把正弦分成n等分，每一区间的面积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替。正弦的正负半周均如此处理。永磁交流伺服电机的变频调速uωtωtuOOa)b)7.4.1交流伺服电机的变频调速特点：等距、等幅、不等宽。第7章数控机床的驱动与控制系统1）、正弦脉宽调制（SPWM）变频器永磁交流伺服电机的变频调64基准正弦波(由速度指令转化过来的)方波发生器(带正反馈比较又有RC积分)三角波发生器(积分器)三角波与基准正弦波叠加（比较器）SPWM调制波VD1uutu1:调制波u0OOOttRFRR1R2R3R4R5R6R7VD2VD3VD4C1C2U0(ua、ub、uc)tO---+++tut:载波产生SPWM波形的原理及生成举例:正弦波—三角波调制第7章数控机床的驱动与控制系统基准正弦波方波发生器(带正反馈比较又有RC积分)三角波发生器65uAB50HzSPWMD1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12T1T2T3T4T5T6uauaububucucu1u2u3utu1utuduaω1tω1tω1tω1tω1tω1tuA0uB0uC0逆变器输出A相等效正弦脉宽电压波B相等效正弦脉宽电压波逆变器输出电压等效正弦脉宽电压波u1:由F转换来的ut改变调制波的频率、幅值，就可改变最终输出：变频变压的交流电压C相等效正弦脉宽电压波主回路：左半部：整流器右半部：逆变器双极性SPWM主回路：第7章数控机床的驱动与控制系统uAB50HzSPWMD1D2D3D4D5D6D7D8D9D66校正补偿乘法器SPWM功率放大速度反馈信号转子位置检测电路电流信号处理电路传感器信号处理电路传感器MS3~电流比较速度比较电流传感++--U(t)交流进给伺服电机的速度控制系统组成框图系统组成：速度环、电流环、SPWM电路、功放电路、检测反馈电路。7.4交流伺服电机与速度控制第7章数控机床的驱动与控制系统校正乘法器SPWM功率速度反转子位置电流信号传感器信号处理电677.4.2交流伺服电机的矢量控制调速交流电动机的矢量控制理论：解决了交流异步/同步电动机的调速问题，使得交流电机的控制跟直流电机控制一样方便可行，并且可以获得与直流调速系统相媲美的动态性能。交流感应异步电动机的矢量控制原理：在普通的三相交流感应异步电动机上模拟直流电动机，求出异步电动机与之对应的磁场与电枢电流，分别而独立的加以控制，即将三相交变量（矢量）转换为与之等效的直流量（标量），按照直流电动机的控制方式对其进行控制。调速加速度控制转矩控制第7章数控机床的驱动与控制系统7.4.2交流伺服电机的矢量控制调速交流电动机的矢量控制理687.4.2交流伺服电机的矢量控制调速交流永磁同步电动机的矢量控制原理：在普通的三相交流永磁同步电动机上模拟直流电动机转矩控制的规律，通过建立永久磁铁磁场、电枢磁动势和转矩的关系，在调速过程中，通过控制电流（即对电动机定子电流矢量的相位和幅值进行控制）来实现对转矩的控制。调速加速度控制转矩控制第7章数控机床的驱动与控制系统7.4.2交流伺服电机的矢量控制调速交流永磁同步电动机的矢69交流伺服系统的优点：交流异步电机结构简单，成本低廉，无直流伺服电机的缺点，而且转子惯量较直流电机小，动态响应更好。交流电机容量也比直流电机容量大，可达更高的电压和转速。一般在同样体积下，交流电机的输出功率比直流电机可以提高10％～70％。7.4交流伺服电机与速度控制-小结永磁交流同步电机的特点：结构简单，运行可靠，效率高。通过在结构上采取一些措施，可比直流电机在外形尺寸上减少约50％，重量上减轻近60％，转子惯量减至20％，因而可得到比直流伺服电机更好的机械性能和更宽的调速范围。交流伺服系统的电机类型：交流异步电机和交流同步电机。在数控机床进给伺服系统中多采用永磁式交流同步电机。第7章数控机床的驱动与控制系统交流伺服系统的优点：交流异步电机结构简单，成本低廉，无直流伺70演讲完毕，谢谢听讲!再见，seeyouagain3rew2022/10/30第7章数控机床的驱动与控制系统演讲完毕，谢谢听讲!再见，seeyouagain3rew71第7章数控机床的驱动与控制系统2022/10/30第7章数控机床的驱动与控制系统第7章数控机床的驱动与控制系统2022/10/22第7章数控72数控机床伺服驱动系统概述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。第7章数控机床的驱动与控制系统数控机床伺服驱动系统概述伺服驱动系统接收数控单元的位移/速度73数控机床的伺服驱动

驱动电路--信号的转换（D/A）和放大；伺服电机--信号和能量的转化输出（电—机）；传动及执行机构--信号和能量的传递；特点：能够实现位置和运动的准确控制。组成：第7章数控机床的驱动与控制系统数控机床的伺服驱动驱动电路--信号的转换（D/A）和放741.按其控制对象和使用目的分类进给驱动：控制机床各轴的切削进给运动,含速度控制和位置控制，也是一般概念的伺服驱动系统；主轴驱动：控制主轴的旋转和切削过程的转矩和功率，要求有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围；辅助驱动：采用简易的位置控制，如控制刀库的辅助系统。7.1数控机床的驱动系统分类第7章数控机床的驱动与控制系统1.按其控制对象和使用目的分类7.1数控机床的驱动系统分757.1.2按调节理论分类（1）开环伺服系统：无检测反馈控制通道，由步进电机、驱动电路、传动机构组成。用于经济型数控和老设备改造。7.1数控机床的驱动系统分类工作原理：将指令数字脉冲信号转换为电机的角位移。第7章数控机床的驱动与控制系统7.1.2按调节理论分类（1）开环伺服系统：无检测反馈控制767.1.2按调节理论分类（1）开环伺服系统7.1数控机床的驱动系统分类特点1）无位移检测装置，控制精度低；2）结构简单、易于调整、成本低。主要技术指标1）定位精度可达±0.02mm；2）脉冲当量可达0.01mm；3）快速进给速度4-15m/min；应用:经济型数控机床及机床数控化改造第7章数控机床的驱动与控制系统7.1.2按调节理论分类（1）开环伺服系统7.1数控机床777.1.2按调节理论分类（2）闭环伺服系统：有位置检测装置（直线位移检测元件），用位移指令与工作台实际位移的差值作为控制量；由位置环和速度环组成；具有很高的跟随精度和定位精度，安装调试困难。7.1数控机床的驱动系统分类第7章数控机床的驱动与控制系统7.1.2按调节理论分类（2）闭环伺服系统：有位置检测装置787.1.2按调节理论分类（2）闭环伺服系统7.1数控机床的驱动系统分类脉冲当量0.001-0.0001mm，快进速度24-100m/min。主要用于精密、大型数控设备上。第7章数控机床的驱动与控制系统7.1.2按调节理论分类（2）闭环伺服系统7.1数控机床797.1.2按调节理论分类（3）半闭环伺服系统：采用角位移检测元件对电机轴或滚珠丝杠的角位移进行测量反馈，其精度处于开环与闭环之间，安装调试方便。7.1数控机床的驱动系统分类第7章数控机床的驱动与控制系统7.1.2按调节理论分类（3）半闭环伺服系统：采用角位移检807.1.2按调节理论分类（3）半闭环伺服系统7.1数控机床的驱动系统分类脉冲当量0.005-0.001mm，快进速度15-24m/min。主要用于中档数控机床上。第7章数控机床的驱动与控制系统7.1.2按调节理论分类（3）半闭环伺服系统7.1数控机817.1.3数控机床对驱动系统的要求1、精度高，定位误差（重复定位误差）小，跟随误差小。一般要求定位精度为0.001~0.01mm，高档设备达到0.01μm以上。2、快速响应特性好、无超调、无振荡。快速响应是伺服系统动态品质的标志之一，反映系统的跟踪精度。要求加、减速度足够大，能频繁启、停和正、反向运动。7.1数控机床的驱动系统分类定位精度：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。第7章数控机床的驱动与控制系统7.1.3数控机床对驱动系统的要求1、精度高，定位误差（重827.1.3数控机床对驱动系统的要求3、调速范围宽（调速范围：最低转速到最高转速的范围-nmin/nmax

）由于工件材料、刀具以及加工要求各不相同，要保证数控机床在任何情况下都能得到最佳切削条件，伺服系统就必须有足够的调速范围。这样既能满足高速加工要求，又能满足低速进给要求。4、低速切削时，要求系统能输出大转矩5、系统可靠性高系统的可靠性常用发生故障时间间隔长短的平均值作为依据，即平均无故障时间(MBTF)。这个时间越长，可靠性越好。7.1数控机床的驱动系统分类第7章数控机床的驱动与控制系统7.1.3数控机床对驱动系统的要求3、调速范围宽（调速范围837.1.4驱动系统中常用的检测装置7.1数控机床的驱动系统分类第7章数控机床的驱动与控制系统7.1.4驱动系统中常用的检测装置7.1数控机床的驱动系847.2步进电机及其驱动系统主要用于开环伺服控制，系统由“步进电机驱动线路”+“步进电机”组成，对工作台位移、速度和运动方向进行控制。功率放大器环形分配器加减速电路脉冲混合电路加减脉冲分配电路进给脉冲至步进电机绕阻步进电机驱动线路步进电机机床进给指令第7章数控机床的驱动与控制系统7.2步进电机及其驱动系统主要用于开环伺服控制，系857.2.1步进电机（亦称脉冲电机、电脉冲马达）7.2步进电机及其驱动系统作用：将电脉冲转换成相应的机械角位移或直线位移。电脉冲数决定位移量；电脉冲频率决定位移速度；电脉冲相序决定位移方向。第7章数控机床的驱动与控制系统7.2.1步进电机（亦称脉冲电机、电脉冲马达）7.2步进86工作台丝杠编码器步进电机7.2步进电机及其驱动系统第7章数控机床的驱动与控制系统工作台丝杠编码器步进电机7.2步进电机及其驱动系统第7章数87（1）步进电机的结构与工作原理与步进电机有关的几个概念：“段”—指步进电机的定子数目，分“单段式”、“多段式”；“相”、“相数”

—产生不同对N、S极磁场的励磁线圈对数；“拍”—指从一相通电切换成另一相通电的意思；“拍数”—完成一个磁场周期性变化所需脉冲数，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数；“步”-对步进电机输入一个脉冲，则输出一个位移（角位移或直线位移），称为“一步”；“步距角”—对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移，用θ表示；

“失步”—电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。

第7章数控机床的驱动与控制系统（1）步进电机的结构与工作原理与步进电机有关的几个概念：第88（1）步进电机的结构与工作原理图7-4单段式三相反应式步进电机结构原理图7-5展开后的步进电机齿距NS反应式步进电机（可变磁阻式步进电机、VR步进电机）结构；工作原理：当某相定子磁极励磁后，吸引转子使转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐（电磁吸引原理）。第7章数控机床的驱动与控制系统（1）步进电机的结构与工作原理图7-4单段式三相反89（1）步进电机的结构与工作原理单段式（一个定子，也称径向式）反应式步进电机（图7-4）：第7章数控机床的驱动与控制系统（1）步进电机的结构与工作原理单段式（一个定子，也称径向式90（1）步进电机的结构与工作原理多段式径向磁路的反应式步进电机--由单段式演变而来，各相励磁绕组沿轴向分段布置，每段之间的定子齿在径向互相错开1／m齿距（m为相数）；三段式径向磁路反应式步进电动机结构示意图磁路沿径向第7章数控机床的驱动与控制系统（1）步进电机的结构与工作原理多段式径向磁路的反应91（1）步进电机的结构与工作原理多段式轴向磁路的反应式步进电机--励磁绕组为环形绕组，定子齿数和转子齿数相等。每段之间定子齿在径向依次错开1／m齿距（m为相数），转子齿不错位；五段式轴向磁路反应式步进电机结构示意图磁路沿轴向第7章数控机床的驱动与控制系统（1）步进电机的结构与工作原理多段式轴向磁路的反应92（1）步进电机的结构与工作原理三相单三拍通电方式工作原理：当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1、3齿要和A级对齐。当下一个脉冲通入B相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭合，即2、4齿要和B级对齐，则转子就相对定子沿逆时针方向转动30°。单段式三相反应式步进电机的工作原理（假定每个定子磁极只有1个齿，齿距角=60°，转子齿数假定只有4个齿）第7章数控机床的驱动与控制系统（1）步进电机的结构与工作原理三相单三拍通电方式工作原理：93（1）步进电机的结构与工作原理若通电脉冲的次序为A、B、C、A…，转子将以逆时针方向一步步地旋转。定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上述的通电方式称为三相单三拍。所谓“单”是指每次只有一相绕组通电；所谓“三拍”是指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。单段式三相反应式步进电机的工作原理（假定每个定子磁极只有1个齿，齿距角=60°，转子齿数假定只有4个齿）第7章数控机床的驱动与控制系统（1）步进电机的结构与工作原理若通电脉冲的次序为A、B94（1）步进电机的结构与工作原理三相单三拍通电：每拍只有一相绕组通电，在切换瞬间可能失去自锁力矩，易失步且易在平衡位置产生振荡；三相双三拍通电方式：ABBCCAAB……逆时针转动；三相单双六拍通电方式：AABBBCCCAA……逆时针转动；单段式三相反应式步进电机的工作原理（假定每个定子磁极只有1个齿，齿距角=60°，转子齿数假定只有4个齿）第7章数控机床的驱动与控制系统（1）步进电机的结构与工作原理三相单三拍通电：每拍只有一相95步进电机的通电方式：

三相双三拍：(逆转)ABBCCAAB(顺转)ACCBBAAC三相单双六拍：

(逆转)AABBBCCCAA(顺转)AACCCBBBAA三相单三拍：(逆转)ABCA(顺转)ACBA（1）步进电机的结构与工作原理三种通电方式的特点：单三拍-每次一相通电,步进电机稳定性差，步距角30°；双三拍-每次同时两相通电,切换瞬间仍有一相保持通电,运行稳定，步距角30°；单双六拍-步距角15°，切换瞬间仍有一相保持通电，运行稳定。第7章数控机床的驱动与控制系统步进电机的通电方式：96步进电机定子绕阻通电状态每改变一次，它的转子转过一个固定的角度，称为步进电机的步距角；改变步进电机定子绕阻的通电顺序，其转子的旋转方向随之改变;步进电机定子绕阻通电状态变化的频率越高，转子的转速越高;步距角与定子绕阻相数m、转子齿数z、通电方式k有关:（1）步进电机的结构与工作原理数控机床中的反应式步进电机的步距角一般为0.36°-3°。第7章数控机床的驱动与控制系统步进电机定子绕阻通电状态每改变一次，它的转子转过一个固定的角97步距角α、相数m、转子齿数z及通电方式K的计算公式：α=360/(mzK)当拍数=相数时，K=1；拍数=2x相数时，K=2；脉冲当量--步进电机的一个步距角所对应的机床工作台的移动量即工作台的最小运动单位（mm/脉冲）；丝杠基本导程S（mm）、步进电机步距角α（°）、脉冲当量δ（mm/脉冲）、传动比λ四者的关系为：δ

=Sα/(360λ)（1）步进电机的结构与工作原理第7章数控机床的驱动与控制系统步距角α、相数m、转子齿数z及通电方式K的计算公式：（1）98公式：δ

=Sα/(360λ)，如何进行推导？假设电机转一圈时工作台对应的位移量为S1，则有：S1=360δ/α，λ=N电机/N丝杠=S/S1；即:λ=S/(360δ/α)=Sα/(360δ)整理后，得：δ=Sα/(360λ)（1）步进电机的结构与工作原理第7章数控机床的驱动与控制系统公式：δ=Sα/(360λ)，如何进行推导？（1）99工作台的进给速度V(mm/min)、脉冲当量δ(mm/脉冲)、进给脉冲频率f(Hz)三者的计算公式：V=60δf;步进电机的步距角越小，系统的脉冲当量越小，机床加工精度越高；反应式步进电机的特点：优点--控制方便、步距角小、一转中没有累积误差、动态响应快、自起动能力强、角位移变化范围宽、价格低廉；缺点-带惯性负载能力差、低频振荡、高速时易失步、断电后无定位转矩。（1）步进电机的结构与工作原理第7章数控机床的驱动与控制系统工作台的进给速度V(mm/min)、脉冲当量δ(mm/脉冲)100思考题：如图所示的开环步进电机位置控制系统，已知负载力F=2000N，工作台长L=400mm，定位精度为±0.02mm，丝杠导程6mm，直径d＝32mm，步进电机的步距角为α＝1.5°，试确定齿轮减速比λ。第7章数控机床的驱动与控制系统思考题：如图所示的开环步进电机位置控制系统，已知负载力F=2101（2）永磁感应子式步进电机永磁感应子式步进电机结构示意图转子内有永久磁铁,与定子绕组的磁场共同作用第7章数控机床的驱动与控制系统（2）永磁感应子式步进电机永磁感应子式步进电机结构示意图102永磁感应子式步进电机（亦称混合式步进电机）特点：转子由环形磁钢及两段铁心组成，轴向充磁；

输出转矩高于反应式步进电机；掉电情况下，仍具有一定的定位转矩；制造困难，需正、负电源供电(或把单电源变成正、负电源)；有取代反应式步进电机的趋势。（2）永磁感应子式步进电机第7章数控机床的驱动与控制系统永磁感应子式步进电机（亦称混合式步进电机）特点：（2）永1037.2.2步进电机的主要性能指标步距角α：

步进电机定子绕组每改变一次通电状态，转子所转过的角度（范围：0.36°～3°）。它决定控制精度，也是决定步进式伺服系统脉冲当量的重要参数；静态步距角误差△α：以单脉冲输入时，实际步距角与理论步距角之差；失调角与静态转矩：当步进电机不改变通电状态、转子处于不动状态下，在电动机轴上加一个负载转矩，使转子按一定方向转过一个角度θe，该角度称为失调角；这时转子受到的电磁转矩T称为静态转矩。第7章数控机床的驱动与控制系统7.2.2步进电机的主要性能指标步距角α：步进电机定子绕1047.2.2步进电机的主要性能指标步进电机的静态转矩T与失调角θe：步进电机为空载即T=0，转子在失调角θe=0处稳定，此时通电相的定子齿与转子齿对齐；在静态运行情况下，如有外力使转子齿偏离定子齿，在-180°<θe<180°范围内，则在外力消除后，转子在静转矩的作用下仍能回到原来的稳定平衡位置，故称-180°<θe<180°为静稳定区；当θe=±180°时，转子齿左右两边所受的磁拉力相等而相互抵消，暂时有静转矩T=0，称为不稳定平衡点。第7章数控机床的驱动与控制系统7.2.2步进电机的主要性能指标步进电机的静态转矩T与失调1057.2.2步进电机的主要性能指标距角特性和最大静态转距Tjmax；矩角特性：步进电机的静转矩T与失调角θe之间的关系。矩角特性上的电磁转矩的最大值称为最大静态转矩Tjmax.第7章数控机床的驱动与控制系统7.2.2步进电机的主要性能指标距角特性和最大静态转距Tj1067.2.2步进电机的主要性能指标启动矩频特性：

描述步进电机起动频率与负载力矩的关系曲线称为启动矩频特性。它随着负载的增加而下降；空载启动频率或突跳频率fq：空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不失步的正常运行所允许的最高频率。步进电机的起动频率要比它的空载起动频率低，要比连续运行频率低很多；连续运行的最高工作频率：步进电机连续运行时，保证不丢步运行的极限频率，它决定了步进电机的最高转速；运行矩频特性：描述步进电机连续稳定运行时，输出转矩T与连续运行频率f之间的关系。一般步进电机的输出转矩T随着运行频率f的升高而下降，它是步进电机运转时承载能力的动态指标。第7章数控机床的驱动与控制系统7.2.2步进电机的主要性能指标启动矩频特性：描述步进1077.2.3步进电机的驱动和控制技术功率放大器环形分配器加减速电路脉冲混合电路加减脉冲分配电路进给脉冲至步进电机绕组步进电机的驱动线路通常由脉冲混合电路、加减脉冲分配电路、加减速电路、环形分配器（脉冲分配器）和功率驱动器（功率放大器）组成：功能：将一定频率f、数量N和方向的进给脉冲转换为控制步进电机定子各相绕组通断电状态变化的频率、次数和顺序的功率信号。第7章数控机床的驱动与控制系统7.2.3步进电机的驱动和控制技术功率环形加减脉冲加减进给1087.2.3步进电机的驱动和控制技术环形分配器的功能：将数控装置的插补脉冲，按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端，来控制励磁绕组的通、断电和电机的正、反转状态；a.硬环形分配器：通过硬件方式来实现，由D触发器或JK触发器组成，也可是专用集成芯片或通用可编程逻辑器件。b.软环形分配器：通过软件方式来实现，常用的设计方法有查表法、比较法、位移寄存器法等。环形分配器的分类：第7章数控机床的驱动与控制系统7.2.3步进电机的驱动和控制技术环形分配器的功能：将数控1097.2.3步进电机的驱动和控制技术功率驱动器（功率放大器）的功能：将环形分配器输出的脉冲信号放大，以用足够的功率来驱动步进电机；a.单电压驱动电路（图7-14）；b.高低压驱动电路（图7-15）；功率驱动器常用的驱动电路：c.斩波驱动电路（图7-16）；d.调频调压驱动电路（图7-18）；e.细分驱动电路（图7-20）；第7章数控机床的驱动与控制系统7.2.3步进电机的驱动和控制技术功率驱动器（功率放大器）1101、传动计算传动比直线进给开环控制系统步进电机的计算和选用第7章数控机床的驱动与控制系统1、传动计算传动比直线进给开环控制系统步进电机的计算和选用第111式中：α为步进电机的步距角δ为系统的脉冲当量（°）i为传动系统的传动比圆周进给:传动比：开环控制系统步进电机的计算和选用第7章数控机床的驱动与控制系统式中：α为步进电机的步距角圆周进给:传动比：开环控制系统步112步进电机的选用输出转距：通常取负载转矩与最大静转矩的比值为TL/Tjmax=0.3～0.5步距角：步距角与系统应匹配，即应满足脉冲频率应与系统要求的启动、连续运行频率匹配。转动惯量：应满足以下匹配条件

式中：JM为步进电机的转动惯量；JL为负载转动惯量。脉冲频率：所选步进电机脉冲频率要满足负载要求，即：所选步进电机的空载运行频率fmax要高于其负载下的连续运行频率；所选步进电机的空载启动频率要高于负载下的启动频率。开环控制系统步进电机的计算和选用第7章数控机床的驱动与控制系统步进电机的选用开环控制系统步进电机的计算和选用第7章数控机床1137.3直流伺服电机与速度控制直流伺服电机的结构主要包括三大部分：（1）定子。定子磁极磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式，直流伺服电动机可分为永磁式和他励式。永磁式磁极由永磁材料制成，他励式磁极由冲压硅钢片叠压而成，外绕线圈通以直流电流便产生恒定磁场。（2）转子。又称为电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。（3）电刷与换向片。为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀的连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。第7章数控机床的驱动与控制系统7.3直流伺服电机与速度控制直流伺服电机的结构主要包括三大1147.3直流伺服电机与速度控制直流伺服系统：以直流伺服电机作为驱动元件的伺服系统；直流伺服系统的一般结构为三闭环（电流、速度、位置）控制：位置比较速度控制功率驱动直流伺服电机机床进给电流反馈电流环速度反馈位置反馈位置环速度环位置给定图7-22直流伺服系统的一般结构第7章数控机床的驱动与控制系统7.3直流伺服电机与速度控制直流伺服系统：以直流伺服电机作115电枢电路的电势平衡方程感应电动势方程电机电磁转矩方程电机的机械特性方程

7.3直流伺服电机与速度控制他励直流伺服电机机械特性方程的推导：式中：n-电机转速，r/min；U-电枢回路外加电压，V；Ia-电枢回路电流，A；Ra-电枢回路内阻，Ω；Rs-电枢回路串联调节电阻，Ω；φ-气隙磁通量，wb；Ce-反电势系数；Cm-转矩系数。第7章数控机床的驱动与控制系统电枢电路的电势平衡方程7.3直流伺服电机与速度控制他励直流116直流电机的调速方法：（1）调压恒转矩调速-改变电枢回路外加电压U；（2）调磁恒功率调速-改变气隙磁通量φ（φ↑n↓T↑）；（3）改变电枢回路中串联调节电阻Rs，从而改变电枢回路电阻（Ra+Rs）。7.3直流伺服电机与速度控制数控机床的电机要求既能正转、反转，又能快速制动。因此数控机床的伺服系统一般都是可逆系统，后两种方法不能满足数控机床的要求。因此，主要采用调整电枢电压的方法来调节直流伺服电机的转速，它的供电系统能灵活地控制直流电压的大小和方向。目前主要用晶闸管调速控制方式（即可控硅SCR）和晶体管脉宽调速控制方式（PW