数控机床的驱动电气系统讲稿

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。数控机床的伺服驱动1概述数控机机床的的伺服服驱动动1概概述Umrichter

SIMODRIVE611digitalmitCNC

SINUMERIK840DE/R-ModulNCULeistungsteilBedientafelfront

mitPCU20/50/70Drehstrom-

ServomotorenPeripherie

SIMATICS7-300Drehstrom-

Hauptspindelmotor1概概述一、数数控机机床对对进给给伺服服系统统的要要求有有：1．高精精度（输出量量能复复现输输入量量的精精确程程度））2．稳稳定性性好（抗干扰扰能力力）3．响响应速速度快快（系统跟跟踪精精度））4．电电机调调速范范围宽宽（最高转转速和和最低低转速速比））5．低低速大大转矩矩6．可可靠性性高(对环境境的适适应性性)1概概述二、伺伺服系系统的的基本本组成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概概述三、伺服系系统的分类类按控制原理理和有无检检测反馈装装置：开环环和闭环伺伺服系统；；按其用途和和功能：进给驱动系系统和主轴驱动动系统；按其驱动执执行元件的的动作原理理：电液伺伺服驱动系系统、电气气伺服驱动动系统（直直流伺服驱驱动系统、、交流伺服服驱动系统统及直线电电机伺服系系统）1概述1概述闭环进给伺伺服系统结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步进电电机及其驱驱动控制系系统2.1步进电机工工作原理按电磁吸引引原理工作作（以反应应式步进电电机为例））反应式步进进电机的定定子上有磁磁极，每个个磁极上有有激磁绕组组，转子无无绕组，有有周向均布布的齿，依依靠磁极对对齿的吸合合工作。2步进电电机及其驱驱动控制系系统定子转子定子绕组2步进电电机及其驱驱动控制系系统AB定子转子IAIBIC两个相对的的磁极组成成一相。注意：这里的“相”和三相交流流电中的“相”的概念不同同。步进电电机通的是是电脉冲，，主要是指指线图的联联接和组数数的区别。。2步进电电机及其驱驱动控制系系统步进电机的的工作方式式(通电顺顺序)可分分为：三相单三拍拍、三相单单双六拍、、三相双三三拍等。1）三相单单三拍：（1）三相相绕组联接接方式：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步进电电机及其驱驱动控制系系统1）三相单单三拍工作作方式：2步进电电机及其驱驱动控制系系统B'A'CC'BA3412A相通电使转转子1、3齿和AA'对齐B'A'CC'BA3412BB'A'CC'AB相通电，转转子2、4齿和B相轴线对齐齐CC相通电，转转子1、3齿和C相轴线对齐齐3412ABC1324ABC1324A2步进电电机及其驱驱动控制系系统三相单三拍拍的特点：：（1）每来来一个电脉脉冲，转子子转过30°。（2）转子子的旋转方方向取决于于三相线圈圈通电的顺顺序。（3）每次次定子绕组组只有一相相通电，在在切换瞬间间失去自锁锁转矩，容容易产生失失步，只有有一相绕组组产生力矩矩吸引转子子，在平衡衡位置易产产生振荡。。2步进电电机及其驱驱动控制系系统2)三相六六拍工作方方式通电顺序为为：A®AB®B®BC®C®CA®A六拍。通电顺序A→AB→B→BC→C→CA→A…（逆时针））A→AC→C→BC→B→CA→A…（顺时针））每步转过15°，步距角角是三相三三拍工作方方式的一半半，特点：电机运转转中始终有有一相定子子绕组通电电，运转比比较平稳。。2步进电电机及其驱驱动控制系系统3)双三拍工工作方式定子绕组通通电顺序为为AB→BC→CA→AB…（转子逆时时针旋转））AC→BC→CA→…（转子顺时时针旋转））有两对磁极极同时对转转子的两对对齿进行吸吸引，每步步仍旋转30°。特点：始终有一一相定子绕绕组通电，，工作比较较平稳。避避免了单三三拍通电方方式的缺点点2步进电电机及其驱驱动控制系系统实际上步进进电机转子齿数很很多，齿数越多多，步距角角越小2步进电电机及其驱驱动控制系系统为改善运行行性能，定子磁极上上的齿的齿距与转转子的齿距距相同，但但各极的齿齿依次与转转子的齿错错开齿距的的1／m（（m电机相相数）。每次定子绕绕组通电状状态改变时时，转子只只转过齿距距的1／m（如三相相三拍）或或1／2m（如三相相六拍）达达到新的平平衡位置。。2步进电电机及其驱驱动控制系系统齿距的1／／m（m电电机相数））3600/Z转子40个个齿，若通通电为三相相三拍，当当转子齿与与A相定子子齿对齐时时，转子齿齿与B相定定子齿相差差（3°）），与C相相定子齿相相差（6°°）。6.2步步进电机及及其驱动控控制系统每给一个脉脉冲信号，，电机转子子转过角度度的理论值值。2.2步进电机的的主要特性性1．步距角角αm—定子相数；；z—转子齿数；；k—通电系数，，m相m拍，k＝1；m相2m拍，k＝＝2。α一般很小小，如：3°／1.5°，1.5°／0.75°，0.72°／0.36°等2步进电电机及其驱驱动控制系系统静态：步进电机处处于通电状状态，转子子处在不动动状态。静态转矩Mj：在电机轴上上施加一个个负载转矩矩M，转子会在在载荷方向向上转过一一个角度θ（失调角），转子因而而受到一个个电磁转矩矩Mj的作用与负负载平衡。。2．矩角特性性、最大静静态转矩Mjmax和启动转矩矩Mq2步进电电机及其驱驱动控制系系统矩角特性：：步进电机单单相通电的的静态转矩矩Mj随失调角θ的变化曲线线。启动频率或或突跳频率率fq：空载时，步步进电机由由静止突然然启动并进进入不丢步步的正常运运行状态所所允许的最最高频率。。高于启动频频率，将不不能正常起起动。启动时的惯惯频特性：：是指电机带带动纯惯性性负载时启启动频率和和负载转动动惯量之间间的关系。。3．启动频率率fq和启动时的的惯频特性性2步进电电机及其驱驱动控制系系统步进电机在在带负载（（尤其是惯惯性负载））下的启动动频率比空空载要低。。连续运行频频率：步进电机启启动后，其其运行速度度能跟踪指指令脉冲频频率连续上上升而不丢丢步的最高高工作频率率。其值远大于于启动频率率。运行矩频特特性：是描述步进进电机在连连续运行时时，输出转转矩与连续续运行频率率之间的关关系。4．运行矩频频特性2步进电电机及其驱驱动控制系系统步进电机的的加减速特性性描述步进电电机由静止止到工作频频率和由工工作频率到到静止的加加、减速过过程中，定定子绕组通通电状态的的变化频率率与时间的的关系。当要求步进进电机启动动到大于启启动频率的的工作频率率时，变化化速度必须须逐渐上升升；从最高高工作频率率或高于启启动频率的的工作频率率停止时，，变化速度度必须逐渐渐下降。逐逐渐上升和和下降的加加速、减速速时间不能能过小，否否则会失步或超步步。加、减速特特性2步进电电机及其驱驱动控制系系统1．根据相数数分类有三、四、五五、六相等，相数越越多，步距距角越小，，通电方式采采用m相m拍、双m拍和m相相2m拍，，m相m拍拍和m相2m拍通电电方式中，，可采用一一/二相、、二／三相相转换通电电，如五相步进进电机，五五相十拍的的二／三相相转换方式式：AB→→ABC→→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→→EAB2.3步进电机的的分类2步进电电机及其驱驱动控制系系统根据定子与与转子间磁磁场建立方方式，可分分：反应式式、永磁反反应式（混混合式）两两类。反应式步进进电机：定子有多多相磁极，，其上有励励磁绕组，，转子无绕绕组，用软软磁材料制制成，由被被励磁的定定子绕组产产生反应力力矩实现步步进运行永磁反应式式步进电机机：定子结构构与反应式式相似，转转子用永磁磁材料制成成或有励磁磁绕组、由由电磁力矩矩实现步进进运行。2．根据产生生力矩的原原理分类2步进电电机及其驱驱动控制系系统可将步进电电机分两类类：伺服步步进电机功率步进电电机伺服步进电电机（快速步进进电机），，输出力矩矩在几十～～数百N·m，只能带动动小负载，，加上液压压扭矩放大大器可驱动动工作台。。功率步进电电机输出力矩在在5～50N·m以上，能直直接驱动工工作台。3．根据输出出力矩的大大小分类2步进电电机及其驱驱动控制系系统2步进电电机及其驱驱动控制系系统4．根据结构构分类步进电机可可制成轴向分相式式（多段式式）径向分相式式（单段式式）步进电机的的驱动控制制由环形分配器器和功率放放大器组成。环形分配器器的主要功功能：将数控装置置送来的一一串指令脉脉冲，按步步进电机所所要求的通通电顺序分分配给步进进电机驱动动电源的各各相输入端端，以控制制励磁绕组组的通断，，实现步进进电机的运运行及换向向。2.4步进电机的的环形分配配器2步进电电机及其驱驱动控制系系统1．硬件环形分分配器可由D触发器或JK触发器构成，，亦可用专用用集成芯片或或通用可编程程逻辑器件。。CNC装置电源环形分配器A相驱动B相驱动C相驱动FULL/HALFDIRCLKM2步进电机机及其驱动控控制系统硬件环形分配配驱动与数控控装置的连接接CH250是国产三相反反应式步进电电机环形分配配器专用集成成电路芯片，，通过控制端端的不同接法法可组成三相相双三拍和三三相六拍的工工作方式2步进电机机及其驱动控控制系统三相六拍接线线图:2．软件环形分分配器由数控装置中中的软件完成成环形分配，，直接驱动步步进电机各绕绕组的通、断断电。用软件环形分分配器只需编编制不同的环环形分配程序序，可使线路路简化，成本本下降，可灵灵活地改变步步进电机的控控制方案。CNC装置电源A相驱动B相驱动C相驱动CBAM2步进电机机及其驱动控控制系统步进电机的速速度控制进给脉冲频率率f→定定子绕组通电电/断电状态态变化频率f→步进进电机转速→→工作台的的进给速度V。V=60δf2步进电机机及其驱动控控制系统作用：是将环形分配配器或微处理理机送来的弱电信号变为为强电信号，以得到步进进电机控制绕绕组所需要的的脉冲电流及所所需要的脉冲冲波形。2步进电机机及其驱动控控制系统2.5功率率放大电路2.5功率放大电路路种类：就其采用的功功率放大器件件分，有中功功率晶体管、、大功率晶体体管、大功率率达林顿晶体体管、可控硅硅…等；就其工作原理理分，有单电电压驱动、高高低电压驱动动、恒流斩波、调调频调压、细细分电路等。步进电机有几几相，就需要要几组功率放放大电路。2步进电机机及其驱动控控制系统根据磁场产生方式式分：他励式、、永磁式、并并励式、串励励式和复励式式五种。结构上：有一一般电枢式、、无槽电枢式式、印刷电枢枢式、绕线盘盘式和空心杯杯电枢式等。。为避免电刷换换向器的接触触，有无刷直直流伺服电机机。根据控制方式分：磁场控制制方式、电枢枢控制方式。。6.3.1直流伺服电机机的结构与分分类3直流伺服服电机及其速速度控制NSNS数控机床伺服服驱动及控制技技术伺服电机的控控制原理（1）直流电机的原原理直流电机工作作原理：根据据弗来名左手手定则，在磁磁场中通电导导线产生运动动。线卷通电流，，炭刷在几何何中心线，产产生的转子磁磁场与定子磁磁场相垂直。。为了保持线线卷的转向不不变。其中的的电流交变。。数控机床伺服服驱动及控制技技术伺服电机的控控制原理（2）交流电机的原原理如下：（1）未通电电流（（2）S线卷通电流（（3）T线卷卷通电流根据上面的分分析，交流伺伺服电机和同同步电机的构构造相似。根根据弗来名左左手定则，在在磁场中通电电导线产生运运动。它的控制是通通过放大器把把直流变成可可变频的交流流，它和一般般异步机，同同步机不同，，这种变频器器的输出频率率是受安装在在同步机转子子轴上的位置置传感器所控控制。每当电电机转过一对对磁极，逆变变器的交流电电输出相应交交变一个周期期，这是一种种“自控控式变频器””，它保证证变频器的输输出频率和电电机的转速始始终保持同步步，而不失步步。T2S1R2S2‘T1R1NST2S1R2S2‘T1R1NST2S1R2S2‘T1R1NS在数数控控机机床床中中，，进进给给系系统统常常用用的的直直流流伺伺服服电电机机有有：：1．小小惯惯性性直直流流伺伺服服电电机机因转转动动惯惯量量小小而而得得名名。。这这类类电电机机一一般般为为永永磁磁式式。。小惯惯量量直直流流电电机机最最大大限限度度地地减减小小电电枢枢的的转转动动惯惯量量，，所所以以能能获获得得最最快快的的响响应应速速度度。。在在早早期期的的数数控控机机床床上上应应用用得得比比较较多多。。3直直流流伺伺服服电电机机及及其其速速度度控控制制2．大大惯惯量量宽宽调调速速直直流流伺伺服服电电机机（直流流力力矩矩电电机机））转子子直直径径较较大大，，线线圈圈绕绕组组匝匝数数增增加加，，力力矩矩大大，，转转动动惯惯量量大大，，能能在在较较大大过过载载转转矩矩时时长长时时间间工工作作，，因因此此可可直直接接与与丝丝杠杠相相连连，，不不需需中中间间传传动动装装置置。。没有有励励磁磁回回路路的的损损耗耗，，外外型型尺尺寸寸比比类类似似的的其其他他直直流流伺伺服服电电机机小小。。特点点：：能能在在较较低低转转速速下下实实现现平平稳稳运运行行，，最最低低可可达达1r／min，甚甚至至0.1r／min。数数控控机机床床上上应应用用广广泛泛。。3直直流流伺伺服服电电机机及及其其速速度度控控制制3．无无刷刷直直流流伺伺服服电电机机（（无整整流流子子电电机机））没有有换换向向器器，，由由同同步步电电机机和和逆逆变变器器组组成成，，逆逆变变器器由由装装在在转转子子上上的的转转子子位位置置传传感感器器控控制制。。实质质是是一一种种交交流流调调速速电电机机，，调调速速性性能能可可达达到到直直流流伺伺服服发发电电机机的的水水平平，，又又取取消消了了换换向向装装置置和和电电刷刷部部件件，，提提高高了了电电机机使使用用寿寿命命。。3直直流流伺伺服服电电机机及及其其速速度度控控制制3.2直流流伺伺服服电电机机的的调调速速原原理理与与方方法法组成成：：磁磁极极（（定定子子））、、电电枢枢（（转转子子））、、电电刷刷与与换换向向片片他励励式式直直流流伺伺服服电电机机工工作作原原理理：：直流流电电源源接接在在两两电电刷刷间间，，电电流流通通入入电电枢枢线线圈圈，，切切割割磁磁力力线线，，产产生生电电磁磁转转矩矩。。3直直流流伺伺服服电电机机及及其其速速度度控控制制直流流电电机机及及调调速速系系统统从图图中中可可以以看看出出，，接接入入直直流流电电源源以以后后，，电电刷刷A为为正正极极性性，，电电刷刷B为为负负极极性性。。电电流流从从正正电电刷刷A经经线线圈圈ab、、cd，，到到负负电电刷刷B流流出出。。根根据据电电磁磁力力定定律律，，在在载载流流导导体体与与磁磁力力线线垂垂直直的的条条件件下下，，线线圈圈每每一一个个有有效效边边将将受受到到一一电电磁磁力力的的作作用用。。电电磁磁力力的的方方向向可可用用左左手手定定则则判判断断，，伸伸开开左左手手，，掌掌心心向向着着N极极，，4指指指指向向电电流流的的方方向向，，与与4指指垂垂直直的的拇拇指指方方向向就就是是电电磁磁力力的的方方向向。。在在图图示示瞬瞬间间，，导导线线ab与与dc中中所所受受的的电电磁磁力力为为逆逆时时针针方方向向，，在在这这个个电电磁磁力力的的作作用用下下，，转转子子将将逆逆时时针针旋旋转转．．即即图图中中S的的方方向向。。直流流电电机机工工作作原原理理随着着转转子子的的转转动动，，线线圈圈边边位位置置互互换换，，这这时时要要使使转转子子连连续续转转动动．．则则应应使使线线圈圈边边中中的的电电流流方方向向也也加加以以改改变变．．要要进进行行换换向向。。由由于于换换向向器器与与静静止止电电刷刷的的相相互互配配合合作作用用，，线线圈圈不不论论转转到到何何处处，，B刷刷h始始终终与与运运动动到到N极极下下的的线线圈圈边边相相接接触触，，而而电电极极A始始终终与与运运动动到到S极极下下的的线线圈圈边边相相接接触触．．这这就就保保证证了了电电流流总总是是经经电电刷刷经经N极极下下导导体体流流入入，，再再沿沿S极极导导体体经经电电刷刷B流流出出。。因因而而电电磁磁力力和和电电磁磁转转矩矩的的方方向向始始终终保保持持不不变变，，使使电电机机沿沿逆逆时时针针方方向向连连续续转转动动。。直流流电电机机工工作作原原理理永磁磁式式直直流流伺伺服服电电机机结结构构直流流伺伺服服电电机机构构成成直流流伺伺服服电电机机的的电电源源特特点点直流流伺伺服服电电机机的的类类型型CE—电动动势势常常数数CT———转矩矩常常数数n——电机机转转速速n0－电电机机理理想想空空载载转转速速他励励式式直直流流伺伺服服电电机机的的转转速速公公式式Ra—电机机电电枢枢回回路路总总电电阻阻Tm—电机机电电磁磁转转矩矩Ua—电机机电电枢枢端端电电压压ф——励磁磁磁磁通通Ea—电枢枢绕绕组组感感应应电电动动势势3直直流流伺伺服服电电机机及及其其速速度度控控制制负载载转转矩矩Tm=0,则则有有直流流电电机机转转速速与与转转矩矩的的关关系系称称机械械特特性性机械械特特性性是是电电机机的的静静态态特特性性，，是是稳稳定定运运行行时时带带动动负负载载的的性性能能，，此此时时，，电电磁磁转转矩矩与与外外负负载载相相等等。。电机机转转速速与与理理想想转转速速的的差差ΔΔn，反反映映了了电电机机机机械械特特性性硬硬度度，，ΔΔn越小小，，机机械械特特性性越越硬硬。。n0TTnDn直流流电电机机的的基基本本调调速速方方式式有有三三种种:调调节节电电阻阻Ra、调调节节电电枢枢电电压压Ua和调调节节磁磁通通ΦΦ的的值值。。3直直流流伺伺服服电电机机及及其其速速度度控控制制电枢枢电电阻阻调调速速不经经济济，，调调速速范范围围有有限限，，很很少少采采用用。。调节节电电枢枢电电压压（调调压压调调速速））时，，直直流流电电机机机机械械特特性性为为一一组组平平行行线线，，只只改改变变电电机机的的理理想想转转速速n0，保保持持了了原原有有较较硬硬的的机机械械特特性性，，所所以以调压压调调速速主要要用用于于伺服服进进给给驱驱动动系系统统电电机机的的调调速速如果果ΔΔn值值较较大大，，不不可可能能实实现现宽宽范范围围的的调调速速。。永永磁磁式式直直流流伺伺服服电电机机的的ΔΔn值值较较小小，，因因此此，，进给给系系统统常常采采用用永永磁磁式式直直流流电电机机。3直直流流伺伺服服电电机机及及其其速速度度控控制制调节节磁磁通通（调调磁磁调调速速））不但但改改变变了了电电机机的的理理想想转转速速，，而而且且使使直直流流电电机机机机械械特特性性变变软软，，所所以以调磁磁调调速速主要要用用于于机床床主主轴轴电电机机调速速。。6.3直直流流伺伺服服电电机机及及其其速速度度控控制制6.3.3直流流伺伺服服电电机机速速度度控控制制单单元元的的调调速速控控制制方方式式直流流电电机机速速度度控控制制单单元元常常采采用用的的调调速速方方法法：：晶闸闸管管（（可可控控硅硅））调调速速系系统统晶体体管管脉脉宽宽调调制制（（PWM））调调速速系系统统。。6.3直直流流伺伺服服电电机机及及其其速速度度控控制制1．晶晶闸闸管管调调速速系系统统6.3直直流流伺伺服服电电机机及及其其速速度度控控制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直流流双双环环调速速系系统统6.3直直流流伺伺服服电电机机及及其其速速度度控控制制主回回路路：二二组组反反并并接接，，分分别别实实现现正正转转和和反反转转原理理：三三相相整整流流器器，，由由二二个个半半波波整整流流电电路路组组成成。。每每部部分分内内又又分分成成共共阴阴极极组组（（11、、13、、15））和和共共阳阳极极组组（（12、、14、、16））。。为为构构成成回回路路，，共共阴阴极极组组和和共共阳阳极极组组中中必必须须各各有有一一个个可可控控硅硅同同时时导导通通。。只只要要改改变变可可控控硅硅触触发发角角（（即即改改变变导导通通角角）），，就就能能改改变变可可控控硅硅的的整整流流输输出出电电压压，，从从而而改改变变直直流流伺伺服服电电机机的的转转速速。。6.3直直流流伺伺服服电电机机及及其其速速度度控控制制2．PWM调速速控控制制系系统统控制制电电路路简简单单，，不不需需附附加加关关断断电电路路，，开开关关特特性性好好。。广广泛泛应应用用中中、、小小功功率率直直流流伺伺服服系系统统周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压Uωt周期不变3直直流流伺伺服服电电机机及及其其速速度度控控制制直流流电电机机电电压压的的平平均均值值:T—脉冲冲周周期期，，Ton—导通通时时间间6.3直直流流伺伺服服电电机机及及其其速速度度控控制制脉宽宽调调制制（（PWM））系系统统组组成成：：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UsrUSCU△Ub3直直流流伺伺服服电电机机及及其其速速度度控控制制脉宽宽调调制制器器作用用：：将将电电压压量量转转换换成成可可由由控控制制信信号号调调节节的的矩矩形形脉脉冲冲，，为为功功率率晶晶体体管管的的基基极极提提供供一一个个宽宽度度可可由由速速度度指指令令信信号号调调节节的的脉脉宽宽电电压压。。组成成：：调调制制信信号号发发生生器器（（三三角角波波和和锯锯齿齿波波两两种种））和和比比较较放放大大器器。。原理理：：以以三三角角波波发发生生器器为为例例介介绍绍3直直流流伺伺服服电电机机及及其其速速度度控控制制R1+12VUSCR1R3R2+-12VUSrU△-USr–速度度指指令令转转化化过过来的的直直流流电电压压U△-三角角波波USC-脉宽宽调调制制器器的的输输出出（（USr+U△）调制制波波形形图图ttUSr+U△+U

Sroo-U

SrttUSr为正时USr为负时USr+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直直流流伺伺服服电电机机及及其其速速度度控控制制开关关功功率率放放大大器器是脉脉宽宽调调制制速速度度单单元元的的主主回回路路结构构：：有有两两种种形形式式：：H型（（桥桥式式））、、T型。。每每种种电电路路又又有有单单极极性性工工作作方方式式和和双双极极性性工工作作方方式式，，各各种种不不同同的的工工作作方方式式又又可可组组成成可可逆逆开开关关放放大大电电路路和和不不可可逆逆开开关关放放大大电电路路。可逆逆H型型双双极极式式PWM开开关关功功率率放放大大器器为为例例6.3直直流流伺伺服服电电机机及及其其速速度度控控制制可逆逆H型型双双极极式式PWM开开关关功功率率放放大大器器USABD1D2D3D4MT1T2T4T3UdUABUb2Ub3OttUb1Ub4Ot1TUS-USOttidid1id2id1id2O6.3直直流伺服电电机及其速速度控制USABD1D2D3D4MT1T2T4T3UdUABUb2Ub3OttUb1Ub4Ot1TUS-USOttidid1id2id1id2O电机正转、、反转、停停止：由正、负驱动电压脉脉冲宽窄定定。当正脉冲较宽时时，即t1>T/2，平均电压压为正，电电机正转；；当正脉冲较窄时时，t1<T/2，平均电压压为负，电电机反转；；正负脉冲宽度相相等，t1=T/2，平均电压压为零，电电机停转。。电机速度的的改变：电枢平均电电压UAB越大转速越越高。UAB由驱动电压脉脉冲宽度决决定。3直流伺伺服电机及及其速度控控制电刷和换向向有磨损，，有时会产产生火花；；换向器由多多种材料制制成，制作作工艺复杂杂；电机最高速速度受限制制；结构复杂，，成本较高高，所以在在使用用上受受到一一定的的限制制。4交流伺伺服电电机及及其速速度控控制系系统直流电电机缺缺点：：1交流伺伺服电电机的的分类类与特特点数控机机床上上应用用的交交流电电机一一般都都为三三相。。分：异异步型型和同同步型型交流流伺服服电机机。从建立立所需需气隙隙磁场场的磁磁势源源来说说，同同步型型交流流电机机分：：电磁磁式及及非电电磁式式两大大类。。非电磁磁式有有磁滞滞式、、永磁磁式和和反应应式多多种。。4交流伺伺服电电机及及其速速度控控制系系统1.1交流伺伺服电电动机机交流伺伺服电电动机机就是是一台台两相交交流异异步电电机。。它的的定子子上装装有空空间互互差90的两个绕绕组：：励磁磁绕组组和控控制绕绕组，，其结结构如如图所所示。。励磁绕绕组控制绕绕组杯形转转子内定子子交流伺伺服电电动机机结构构图放大器检测元件控制信号+–+–控制绕组励磁绕组+++–––1励磁绕绕组串串联电电容C,是为了了产生生两相相旋转转磁场场。适当选选择电电容的的大小小，可可使通通入两两个绕绕组的的电流流相位位差接接近90,从而而产生生所需需的旋旋转磁磁场。。交流伺服电动机的接线图和相量图(a）接线图1(b)相量图永磁式式同步步电机机：优点：：结构构简单单、运运行可可靠效效率高高；缺点：：体积积大、、启动动特性性欠佳佳。与直流流电机机比：：外形形尺寸寸、重重量、、转子子惯量量大幅幅减小小与异步步交流流伺服服电机机相比比：效效率高高、体体积小小。4交流伺伺服电电机及及其速速度控控制系系统异步型型交流流伺服服电机机与同同容量量的直直流电电机相相比：：优点：：重量量轻，，价格格便宜宜；缺点：：转速速受负负载的的变化化影响响较大大，不不能经经济地地实现现范围围较广广的平平滑调调速，，故异步型型交流流伺服服电机机用在在主轴轴驱动动系统统中。4交流伺伺服电电机及及其速速度控控制系系统VSVS脉冲编码器转子定子接线盒定子三相绕组1．永磁磁式交交流同同步电电机结构：：电机机由定定子、、转子子和检检测元元件组组成4交流伺伺服电电机及及其速速度控控制系系统永磁式式交流流同步步电机机工作作原理理和性性能nr＝ns＝60f1／pns—同步转转速，，θ—转子磁磁极的的轴线线与定定子磁磁极的的轴线线夹角角，nr—转子旋旋转转转速，，f1—交流流电源源频率率（定定子供供电频频率）），p—定子和和转子子的极极对数数nSNns

nr

θ

S4交流伺伺服电电机及及其速速度控控制系系统2．交流流主轴轴电机机定子三三相绕绕组通通三相相交流流电，，产生生旋转转磁场场，磁磁场切切割转转子中中的导导体，，导体体感应应电流流与定定子磁磁场相相作用用产生生电磁磁转矩矩，推推动转转子转转动，，转速速nr为ns—同步转转速，，f1—交流电电源频频率（（定子子供电电频率率）s—转差率率，s=(ns－nr)/ns，p—极对数数4交流伺伺服电电机及及其速速度控控制系系统3交流伺伺服电电机的的变频频调速速nr＝ns＝60f1／p由上两两式可可见，，只要要改变变交流流伺服服电机机的供供电频频率f1，即可可改变变电机机转速速，所所以交交流伺伺服电电机调调速应应用最最多的的是变频调调速。变频调调速的的主要要环节节是：：为交交流电电机提提供变变频电电源的的变频频器。。变频器器分：：交——交变变频交——直——交变变频4交流伺伺服电电机及及其速速度控控制系系统交——交变频频：利用可可控硅硅整流流器直直接将将工频频交流流电（（频率率50Hz）变成成频率率较低低的脉脉动交交流电电，正正组输输出正正脉冲冲，反反组输输出负负脉冲冲，脉脉动交交流电电的基基波是是所需需的变变频电电压。。该方法法所得得的交交流电电波动动比较较大，，且最最大频频率即即为变变频器器输入入的工工频电电压频频率。。4交流伺伺服电电机及及其速速度控控制系系统交—直—交变频频：先将交交流电电整流流成直直流电电，然然后将将直流流电压压变成成矩形形脉冲冲波电电压，，矩形形脉冲冲波的的基波波是所所需的的变频频电压压。该调频频方式式所得得交流流电的的波动动小，，调频频范围围比较较宽，，调节节线性性度好好。4交流伺伺服电电机及及其速速度控控制系系统数控机机床常常采用用交—直—交变频频调速速。在交—直—交变频频中：：PulseWidthModulation（（脉冲宽宽度调调制），根据中中间直直流电电压是是否可可调分分：中中间直直流电电压可可调PWM逆变器器、中中间直直流电电压固固定的的PWM逆变器器；根据中中间直直流电电路储储能元元件是是大电电容还还是大大电感感分：：电压压型逆逆变器器、电电流型型逆变变器SPWM（（正弦弦波PWM）变变频器器是目前前应用用最广广、最最基本本的一一种交交—直—交型电电压型型变频频器，，在交流流调速速系统统中获获得广广泛应应用。4交流伺伺服电电机及及其速速度控控制系系统SPWM变变压变变频器器调制原原理（（以单单相为为例））正弦脉脉宽调调制（（SPWM）波波形:与正正弦波波等效效的一一系列列等幅幅不等等宽的的矩形形脉冲冲波。。等效原原理：：把正正弦波波分成成n等等分，，每一一区间间面积积用与与其相相等的的等幅幅不等等宽的的矩形形面积积代替替。正弦波波的正正负半半周均均如此此处理理。uωtωtuOOa)b)4交流伺伺服电电机及及其速速度控控制系系统SPWM控控制波波的生生成:正弦弦波—三角波波调制制Q：电电压比比较器器UR：由指指令脉脉冲转转换来来的UΔ：三角角波发发生器器电路原原理示示意图图4交流伺伺服电电机及及其速速度控控制系系统指令脉脉冲转转换来来的信信号三相SPWM控控制电电路框框图4交流伺伺服电电机及及其速速度控控制系系统整流器器将三相相工频频交流流电变变成直直流电电逆变器器将整流流电路路输出出的直直流电电压逆逆变成成三相相交流流电，，驱动动电机机运行行主回路路4交流伺伺服电电机及及其速速度控控制系系统uAuBuΔ

ωtuC50HzD1D2D3D4D5D6D6D8D9D10D11T1T2T3T4T5T6uB1uB4uB2uB5uB3uB6uAuPu0AuΔ

uA:由指令脉冲转换来的指令脉脉冲转转换来来的信信号①②③④4交流伺伺服电电机及及其速速度控控制系系统6.4.4交流伺伺服电电机的的矢量量控制制矢量控控制(磁场场定向向控制制)是是德国国F．．Blasche于于1971年提提出的的。交流伺伺服电电机可可以利利用SPWM进进行矢矢量变变频调调速控控制，，使得得交流流调速速获得得如同同直流流调速速同样样优良良的理理想性性能。。经过过30多多年年的的工工业业实实践践的的考考验验、、改改进进和和提提高高，，目目前前广广泛泛应应用用工工业业生生产产实实践践中中。。4交流流伺伺服服电电机机及及其其速速度度控控制制系系统统1．．矢矢量量控控制制的的基基本本原原理理交流流电电机机矢矢量量控控制制的的基基本本思思想想：：利用用“等效效”概念念，，将将三三相相交交流流电电机机输输入入的的电电流流（（矢矢量量））变变换换为为等等效效的的直直流流电电机机中中彼彼此此独独立立的的励磁磁电电流流和和电电枢枢电电流流（标标量量）），，建建立立起起交交流流电电机机的的等等效效数数学学模模型型，，然然后后通通过过对对这这两两个个量量的的反反馈馈控控制制，，实实现现对对电电机机的的转转矩矩控控制制；；再再通通过过相相反反的的变变换换，，将将被被控控制制的的等等效效直直流流电电机机还还原原为为三三相相交交流流电电机机，，那那么么三三相相交交流流电电机机的的调调速速性性能能就就完完全全体体现现了了直直流流电电机机的的调调速速性性能能。。等效效变变换换的的准准则则：：变换换前前后后必必须须产产生生同同样样的的旋旋转转磁磁场场。。4交流流伺伺服服电电机机及及其其速速度度控控制制系系统统2．矢矢量量控控制制的的等等效效过过程程（1））三三相相/二二相相变变换换将三三相相交交流流电电机机变变换换为为等等效效的的二二相相交交流流电电机机以以及及与与其其相相反反的的变变换换。。采用用的的方方法法：：把把异异步步电电动动机机的的A、、B、、C三三相相坐坐标标系系的的交交流流量量变变换换为为αα-ββ两两相相固固定定坐坐标标系系的的交交流流量量（2）矢矢量量旋旋转转变变换换将二二相相交交流流电电机机变变换换为为等等效效的的直直流流电电机机。。4交流流伺伺服服电电机机及及其其速速度度控控制制系系统统数控控机机床床伺伺服服驱动动及及控控制制技技术术伺服服电电机机的的控控制制原原理理（（3））直流流电电机机与与交交流流电电机机的的区区别别6.5.1直线线电电机机的的特特点点机床床进进给给系系统统采采用用直直线线电电机机直直接接驱驱动动，，与与原原旋旋转转电电机机传传动动方方式式的的最最大大区别别是：：取消消了了从从电电机机到到工工作作台台（（拖拖板板））之之间间的的机机械械中中间间传传动动环环节节，，即即把把机机床床进进给给传传动动链链的的长长度度缩缩短短为为零零，，故这这种种传传动动方方式式称称为为“直接接驱驱动动”，也也称称“零传传动动”。直接接驱驱动动避避免免了了丝丝杠杠传传动动中中的的反反向向间间隙隙、、惯惯性性、、摩摩擦擦力力和和刚刚性性不不足足等等缺缺点点。。5直线线电电机机及及其其在在数数控控机机床床中中的的应应用用简简介介5直线线电电机机及及其其在在数数控控机机床床中中的的应应用用简简介介6.5.2直线线电电机机的的基基本本结结构构和和分分类类感应应式式旋旋转转电电机机演演变变为为直直线线电电机机的的过过程程5直线线电电机机及及其其在在数数控控机机床床中中的的应应用用简简介介由永永磁磁旋旋转转电电机机演演变变为为直直线线电电机机的的过过程程5直线线电电机机及及其其在在数数控控机机床床中中的的应应用用简简介介旋转转电电机机演演变变为为圆圆筒筒型型直直线线电电机机的的过过程程5直线线电电机机及及其其在在数数控控机机床床中中的的应应用用简简介介弧型型直直线线电电机机圆盘盘型型直直线线电电机机5直线线电电机机及及其其在在数数控控机机床床中中的的应应用用简简介介§6.3数数控控机机床床的的检检测测装装置置检测测元元件件（（传传感感器器））信号号处处理理装装置置(测测量量线线路路)实时时测测量量机机床床执执行行部部件件的的位位移移和和速速度度信信号号，，并并变变换换成成位位置置控控制制单单元元所所要要求求的的信信号号形形式式，，从从而而将将运运动动部部件件现现实实位位置置反反馈馈到到位位置置控控制制单单元元，，以以实实施施闭闭环环控控制制，，提提高高路路径径控控制制精精度度。。在设设计计数数控控机机床床伺伺服服系系统统，，尤尤其其是是高高精精度度进进给给伺伺服服系系统统时时，，必必须须精精心心选选择择检检测测装装置置。。●检测测装装置置组成成：：●检测测装装置置作作用用：：一、、概概述述§6.3数数控控机机床床的的检检测测装装置置ⅱ分辨辨率率：：位移移检检测测装装置置能能够够正正确确检检测测的的最最小小位位移移量量。。例：：1μμm,2″″●位移移检检测测装装置置的的精精度度指指标标：：ⅰ测量量精精度度：：在一一定定的的测测量量长长度度或或测测量量转转角角范范围围内内，，测测量量的的累累积积误误差差最最大大值值。。例：：±0.002～～0.02㎜㎜／／m,±10″″／／360°°不同同数数控控机机床床对对检检测测装装置置精精度度、、速速度度要要求求：：大型型机机床床：：速速度度为为主主；；中小型机床、、高精度机床床：精度为主主。一、概述●数控机床对位位置测量装置置的要求:1.工作可靠性，，抗干扰能力力强：受温度、湿度度的影响小，，工作可靠，，精度保持性性好，抗干扰扰能力强；2.能满足精度和和速度的要求求:位置检测装置置分辨率应高高于数控机床床的分辨率（（一个数量级级）；位置检测装置置最高允许的的检测速度应应数控机床的的最高运行速速度。3.使用维护方方便，适应机机床工作环境境；4.成本低。。§6.3数数控机床的的检测装置一、概述§6.3数数控机床的的检测装置●半闭环控制的的数控机床使使用的位置测量装置置：旋转变压器、、编码器等，，安装在电机机或丝杠上，，通过测量电电机或丝杠的的角位移间接接测量工作台台的直线位移移。●闭环控制系统统的数控机床床使用的位置测量装置置：感应同步器、、光栅、磁栅栅等，安装在在工作台和导导轨上，直接接测量工作台台的直线位移移。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、和伺服电电机同轴联接接，编码器在在进给传动链链前端；安装装方便。2、连在滚珠珠丝杠末端，，包含的传动动链误差比前前者多，位置置控制精度较较高；工作台丝杠编码器电机.感应同同步器：•分类：直线式感应同步器：旋转式感应同步器：用于测量直线线位移用于测量转角角位移电磁式的位移移检测传感器器§6.3数数控机床的的检测装置（固定在床身身上）（安装在移动动部件上）平行，间隙为为0.25~0.05mm节距2τ（2mm））绝缘粘结剂铜箔铝箔耐切削液涂层基板(钢、铜)定尺滑尺sincos滑尺节距(0.5mm)感应绕组正弦励磁绕组组余弦励磁绕组组1.直线式式感应同步器的结构构：.感应同同步器：§6.3数数控机床的的检测装置二.感应应同步器感应同步器的的工作原理：：电磁耦合原理理工作时，在滑滑尺上的绕组组上通励磁电电压由于电磁耦合合作用，在定定尺绕组上产产生感应电压压当滑尺和定尺尺之间发生相相对位移时由于电磁耦合合的变化，定定尺上感应绕绕组中的感应应电压也发生生变化感应电压的变变化与相对位位移之间有一一定的关系通过测量定尺尺绕组中的感感应电压，借借以进行位移移量的检测§6.3数数控机床的的检测装置二.感应应同步器U0U0移动距离USUSUSUSUS定尺滑尺感应同步器中中定尺绕组组中感应电压压的变化情况况以滑尺上正弦弦励磁绕组为为例：§6.3数数控机床的的检测装置二.感应应同步器§6.3数数控机床的的检测装置二.感应应同步器3.感应同步步器的信号处处理原理当滑尺正旋绕绕组上加激磁磁电压us后，与之相耦耦合的定尺绕绕组上的感应应电压为：uos