数控机床的驱动电气系统讲稿2

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概述数控机床的的伺服驱动动1概述Umrichter

SIMODRIVE611digitalmitCNC

SINUMERIK840DE/R-ModulNCULeistungsteilBedientafelfront

mitPCU20/50/70Drehstrom-

ServomotorenPeripherie

SIMATICS7-300Drehstrom-

Hauptspindelmotor1概述一、数控机机床对进给给伺服系统统的要求有有：1．高精度（输出量能复复现输入量量的精确程程度）2．稳定性性好（抗干扰能力力）3．响应速速度快（系统跟踪精精度）4．电机调调速范围宽宽（最高转速和和最低转速速比）5．低速大大转矩6．可靠性性高(对环境的适适应性)1概述二、伺服系系统的基本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。静态态转转矩矩Mj：在电电机机轴轴上上施施加加一一个个负负载载转转矩矩M，转转子子会会在在载载荷荷方方向向上上转转过过一一个个角角度度θ（失调调角角）），转转子子因因而而受受到到一一个个电电磁磁转转矩矩Mj的作作用用与与负负载载平平衡衡。。2．矩矩角角特特性性、、最最大大静静态态转转矩矩Mjmax和启启动动转转矩矩Mq2步步进进电电机机及及其其驱驱动动控控制制系系统统矩角角特特性性：：步进进电电机机单单相相通通电电的的静静态态转转矩矩Mj随失失调调角角θ的变变化化曲曲线线。。启动动频频率率或或突突跳跳频频率率fq：空载载时时，，步步进进电电机机由由静静止止突突然然启启动动并并进进入入不不丢丢步步的的正正常常运运行行状状态态所所允允许许的的最最高高频频率率。。高于于启启动动频频率率，，将将不不能能正正常常起起动动。。启动动时时的的惯惯频频特特性性：：是指指电电机机带带动动纯纯惯惯性性负负载载时时启启动动频频率率和和负负载载转转动动惯惯量量之之间间的的关关系系。。3．启启动动频频率率fq和启启动动时时的的惯惯频频特特性性2步步进进电电机机及及其其驱驱动动控控制制系系统统步进进电电机机在在带带负负载载（（尤尤其其是是惯惯性性负负载载））下下的的启启动动频频率率比比空空载载要要低低。。连续续运运行行频频率率：：步进进电电机机启启动动后后，，其其运运行行速速度度能能跟跟踪踪指指令令脉脉冲冲频频率率连连续续上上升升而而不不丢丢步步的的最最高高工工作作频频率率。。其值值远远大大于于启启动动频频率率。。运行行矩矩频频特特性性：：是描描述述步步进进电电机机在在连连续续运运行行时时，，输输出出转转矩矩与与连连续续运运行行频频率率之之间间的的关关系系。。4．运运行行矩矩频频特特性性2步步进进电电机机及及其其驱驱动动控控制制系系统统步进进电电机机的的加减减速速特特性性描述述步步进进电电机机由由静静止止到到工工作作频频率率和和由由工工作作频频率率到到静静止止的的加加、、减减速速过过程程中中，，定定子子绕绕组组通通电电状状态态的的变变化化频频率率与与时时间间的的关关系系。。当要要求求步步进进电电机机启启动动到到大大于于启启动动频频率率的的工工作作频频率率时时，，变变化化速速度度必必须须逐逐渐渐上上升升；；从从最最高高工工作作频频率率或或高高于于启启动动频频率率的的工工作作频频率率停停止止时时，，变变化化速速度度必必须须逐逐渐渐下下降降。。逐逐渐渐上上升升和和下下降降的的加加速速、、减减速速时时间间不不能能过过小小，，否否则则会会失步步或或超超步步。加、、减减速速特特性性2步步进进电电机机及及其其驱驱动动控控制制系系统统1．根根据据相相数数分分类类有三、、四四、、五五、、六六相相等，，相相数数越越多多，，步步距距角角越越小小，，通电电方方式式采采用用m相相m拍拍、、双双m拍拍和和m相相2m拍拍，，m相相m拍拍和和m相相2m拍拍通通电电方方式式中中，，可可采采用用一一/二二相相、、二二／／三三相相转转换换通通电电，，如五五相相步步进进电电机机，，五五相相十十拍拍的的二二／／三三相相转转换换方方式式：：AB→→ABC→→BC→→BCD→→CD→→CDE→→DE→→DEA→→EA→→EAB2.3步进进电电机机的的分分类类2步步进进电电机机及及其其驱驱动动控控制制系系统统根据据定定子子与与转转子子间间磁磁场场建建立立方方式式，，可可分分：：反反应应式式、、永永磁磁反反应应式式（（混混合合式式））两两类类。。反应应式式步步进进电电机机：定定子子有有多多相相磁磁极极，，其其上上有有励励磁磁绕绕组组，，转转子子无无绕绕组组，，用用软软磁磁材材料料制制成成，，由由被被励励磁磁的的定定子子绕绕组组产产生生反反应应力力矩矩实实现现步步进进运运行行永磁磁反反应应式式步步进进电电机机：定定子子结结构构与与反反应应式式相相似似，，转转子子用用永永磁磁材材料料制制成成或或有有励励磁磁绕绕组组、、由由电电磁磁力力矩矩实实现现步步进进运运行行。。2．根根据据产产生生力力矩矩的的原原理理分分类类2步步进进电电机机及及其其驱驱动动控控制制系系统统可将将步步进进电电机机分分两两类类：：伺伺服服步步进进电电机机功率率步步进进电电机机伺服服步步进进电电机机（快快速速步步进进电电机机）），，输输出出力力矩矩在在几几十十～～数数百百N··m，只只能能带带动动小小负负载载，，加加上上液液压压扭扭矩矩放放大大器器可可驱驱动动工工作作台台。。功率率步步进进电电机机输出出力力矩矩在在5～50N··m以上上，，能能直直接接驱驱动动工工作作台台。。3．根根据据输输出出力力矩矩的的大大小小分分类类2步步进进电电机机及及其其驱驱动动控控制制系系统统2步步进进电电机机及及其其驱驱动动控控制制系系统统4．根根据据结结构构分分类类步进进电电机机可可制制成成轴向向分分相相式式（（多多段段式式））径向向分分相相式式（（单单段段式式））步进进电电机机的的驱驱动动控控制制由由环形形分分配配器器和和功功率率放放大大器器组成成。。环形形分分配配器器的的主主要要功功能能：：将数数控控装装置置送送来来的的一一串串指指令令脉脉冲冲，，按按步步进进电电机机所所要要求求的的通通电电顺顺序序分分配配给给步步进进电电机机驱驱动动电电源源的的各各相相输输入入端端，，以以控控制制励励磁磁绕绕组组的的通通断断，，实实现现步步进进电电机机的的运运行行及及换换向向。。2.4步进电电机的的环形形分配配器2步步进电电机及及其驱驱动控控制系系统1．硬件件环形形分配配器可由D触发器器或JK触发器器构成成，亦亦可用用专用用集成成芯片片或通通用可可编程程逻辑辑器件件。CNC装置电源环形分配器A相驱动B相驱动C相驱动FULL/HALFDIRCLKM2步步进电电机及及其驱驱动控控制系系统硬件环环形分分配驱驱动与与数控控装置置的连连接CH250是国产产三相相反应应式步步进电电机环环形分分配器器专用用集成成电路路芯片片，通通过控控制端端的不不同接接法可可组成成三相相双三三拍和和三相相六拍拍的工工作方方式2步步进电电机及及其驱驱动控控制系系统三相六六拍接接线图图:2．软件件环形形分配配器由数控控装置置中的的软件件完成成环形形分配配，直直接驱驱动步步进电电机各各绕组组的通通、断断电。。用软件件环形形分配配器只只需编编制不不同的的环形形分配配程序序，可可使线线路简简化，，成本本下降降，可可灵活活地改改变步步进电电机的的控制制方案案。CNC装置电源A相驱动B相驱动C相驱动CBAM2步步进电电机及及其驱驱动控控制系系统步进电电机的的速度度控制制进给脉脉冲频频率f→→定定子绕绕组通通电/断电电状态态变化化频率率f→→步步进进电机机转速速→→工作作台的的进给给速度度V。。V=60δδf2步步进电电机及及其驱驱动控控制系系统作用：：是将环环形分分配器器或微微处理理机送送来的的弱电信信号变变为强强电信信号，以得得到步步进电电机控控制绕绕组所所需要要的脉冲电电流及及所需需要的的脉冲冲波形形。2步步进电电机及及其驱驱动控控制系系统2.5功功率放放大电电路2.5功率放放大电电路种类：：就其采采用的的功率率放大大器件件分，，有中中功率率晶体体管、、大功功率晶晶体管管、大大功率率达林林顿晶晶体管管、可可控硅硅…等等；就其工工作原原理分分，有有单电电压驱驱动、、高低低电压压驱动动、恒流斩斩波、、调频频调压压、细细分电电路等。步进电电机有有几相相，就就需要要几组组功率率放大大电路路。2步步进电电机及及其驱驱动控控制系系统根据磁场产产生方方式分：他他励式式、永永磁式式、并并励式式、串串励式式和复复励式式五种种。结构上上：有有一般般电枢枢式、、无槽槽电枢枢式、、印刷刷电枢枢式、、绕线线盘式式和空空心杯杯电枢枢式等等。为避免免电刷刷换向向器的的接触触，有有无刷刷直流流伺服服电机机。根据控制方方式分：磁磁场控控制方方式、、电枢枢控制制方式式。6.3.1直流伺伺服电电机的的结构构与分分类3直直流伺伺服电电机及及其速速度控控制NSNS数控机机床伺伺服驱动及及控制制技术术伺服电电机的的控制制原理理（1）直流电电机的的原理理直流电电机工工作原原理：：根据据弗来来名左左手定定则，，在磁磁场中中通电电导线线产生生运动动。线卷通通电流流，炭炭刷在在几何何中心心线，，产生生的转转子磁磁场与与定子子磁场场相垂垂直。。为了了保持持线卷卷的转转向不不变。。其中中的电电流交交变。。数控机机床伺伺服驱动及及控制制技术术伺服电电机的的控制制原理理（2）交流电电机的的原理理如下下：（1））未通通电流流（（2）S线卷通通电流流（（3）T线线卷通通电流流根据上上面的的分析析，交交流伺伺服电电机和和同步步电机机的构构造相相似。。根据据弗来来名左左手定定则，，在磁磁场中中通电电导线线产生生运动动。它的控控制是是通过过放大大器把把直流流变成成可变变频的的交流流，它它和一一般异异步机机，同同步机机不同同，这这种变变频器器的输输出频频率是是受安安装在在同步步机转转子轴轴上的的位置置传感感器所所控制制。每每当电电机转转过一一对磁磁极，，逆变变器的的交流流电输输出相相应交交变一一个周周期，，这是是一种种“自自控式式变频频器””，，它保保证变变频器器的输输出频频率和和电机机的转转速始始终保保持同同步，，而不不失步步。T2S1R2S2‘T1R1NST2S1R2S2‘T1R1NST2S1R2S2‘T1R1NS在数控控机床床中，，进给给系统统常用用的直直流伺伺服电电机有有：1．小惯惯性直直流伺伺服电电机因转动动惯量量小而而得名名。这这类电电机一一般为为永磁磁式。。小惯量量直流流电机机最大大限度度地减减小电电枢的的转动动惯量量，所所以能能获得得最快快的响响应速速度。。在早早期的的数控控机床床上应应用得得比较较多。。3直直流伺伺服电电机及及其速速度控控制2．大惯惯量宽宽调速速直流流伺服服电机机（直流力力矩电电机））转子直直径较较大，，线圈圈绕组组匝数数增加加，力力矩大大，转转动惯惯量大大，能能在较较大过过载转转矩时时长时时间工工作，，因此此可直直接与与丝杠杠相连连，不不需中中间传传动装装置。。没有励励磁回回路的的损耗耗，外外型尺尺寸比比类似似的其其他直直流伺伺服电电机小小。特点：：能在在较低低转速速下实实现平平稳运运行，，最低低可达达1r／min，甚至至0.1r／min。数控控机床床上应应用广广泛。。3直直流伺伺服电电机及及其速速度控控制3．无刷刷直流流伺服服电机机（无整流流子电电机））没有换换向器器，由由同步步电机机和逆逆变器器组成成，逆逆变器器由装装在转转子上上的转转子位位置传传感器器控制制。实质是是一种种交流流调速速电机机，调调速性性能可可达到到直流流伺服服发电电机的的水平平，又又取消消了换换向装装置和和电刷刷部件件，提提高了了电机机使用用寿命命。3直直流伺伺服电电机及及其速速度控控制3.2直流伺伺服电电机的的调速速原理理与方方法组成：：磁极极（定定子））、电电枢（（转子子）、、电刷刷与换换向片片他励式式直流流伺服服电机机工作作原理理：直流电电源接接在两两电刷刷间，，电流流通入入电枢枢线圈圈，切切割磁磁力线线，产产生电电磁转转矩。。3直直流伺伺服电电机及及其速速度控控制直流电电机及及调速速系统统从图中中可以以看出出，接接入直直流电电源以以后，，电刷刷A为为正极极性，，电刷刷B为为负极极性。。电流流从正正电刷刷A经经线圈圈ab、cd，，到负负电刷刷B流流出。。根据据电磁磁力定定律，，在载载流导导体与与磁力力线垂垂直的的条件件下，，线圈圈每一一个有有效边边将受受到一一电磁磁力的的作用用。电电磁力力的方方向可可用左左手定定则判判断，，伸开开左手手，掌掌心向向着N极，，4指指指向向电流流的方方向，，与4指垂垂直的的拇指指方向向就是是电磁磁力的的方向向。在在图示示瞬间间，导导线ab与与dc中所所受的的电磁磁力为为逆时时针方方向，，在这这个电电磁力力的作作用下下，转转子将将逆时时针旋旋转．．即图图中S的方方向。。直流电电机工工作原原理随着转转子的的转动动，线线圈边边位置置互换换，这这时要要使转转子连连续转转动．．则应应使线线圈边边中的的电流流方向向也加加以改改变．．要进进行换换向。。由于于换向向器与与静止止电刷刷的相相互配配合作作用，，线圈圈不论论转到到何处处，B刷h始终终与运运动到到N极极下的的线圈圈边相相接触触，而而电极极A始始终与与运动动到S极下下的线线圈边边相接接触．．这就就保证证了电电流总总是经经电刷刷经N极下下导体体流入入，再再沿S极导导体经经电刷刷B流流出。。因而而电磁磁力和和电磁磁转矩矩的方方向始始终保保持不不变，，使电电机沿沿逆时时针方方向连连续转转动。。直流电机机工作原原理永磁式直直流伺服服电机结结构直流伺服服电机构构成直流伺服服电机的的电源特特点直流伺服服电机的的类型CE—电动势常常数CT——转矩常数数n—电机转速速n0－电机理理想空载载转速他励式直直流伺服服电机的的转速公公式Ra—电机电枢枢回路总总电阻Tm—电机电磁磁转矩Ua—电机电枢枢端电压压ф—励磁磁通通Ea—电枢绕组组感应电电动势3直流流伺服电电机及其其速度控控制负载转矩矩Tm=0,则有有直流电机机转速与与转矩的的关系称称机械特性性机械特性性是电机机的静态态特性，，是稳定定运行时时带动负负载的性性能，此此时，电电磁转矩矩与外负负载相等等。电机转速速与理想想转速的的差Δn，反映了了电机机机械特性性硬度，，Δn越小，机机械特性性越硬。。n0TTnDn直流电机机的基本本调速方方式有三三种:调节电电阻Ra、调节电电枢电压压Ua和调节磁磁通Φ的的值。3直流流伺服电电机及其其速度控控制电枢电阻阻调速不经济，，调速范范围有限限，很少少采用。。调节电枢枢电压（调压调调速）时，直流流电机机机械特性性为一组组平行线线，只改改变电机机的理想想转速n0，保持了了原有较较硬的机机械特性性，所以以调压调速速主要用于于伺服进给给驱动系系统电机机的调速速如果Δn值较大大，不可可能实现现宽范围围的调速速。永磁磁式直流流伺服电电机的ΔΔn值较较小，因因此，进给系统统常采用用永磁式式直流电电机。3直流流伺服电电机及其其速度控控制调节磁通通（调磁调调速）不但改变变了电机机的理想想转速，，而且使使直流电电机机械械特性变变软，所所以调磁调速速主要用于于机床主轴轴电机调速。6.3直直流伺伺服电机机及其速速度控制制6.3.3直流伺服服电机速速度控制制单元的的调速控控制方式式直流电机机速度控控制单元元常采用用的调速速方法：：晶闸管（（可控硅硅）调速速系统晶体管脉脉宽调制制（PWM）调调速系统统。6.3直直流伺伺服电机机及其速速度控制制1．晶闸管管调速系系统6.3直直流伺伺服电机机及其速速度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直流双环环调速系统统6.3直直流伺伺服电机机及其速速度控制制主回路：二组反反并接，，分别别实现正正转和反反转原理：三相整整流器，，由二个个半波整整流电路路组成。。每部分分内又分分成共阴阴极组（（11、、13、、15））和共阳阳极组（（12、、14、、16））。为构构成回路路，共阴阴极组和和共阳极极组中必必须各有有一个可可控硅同同时导通通。只要要改变可可控硅触触发角（（即改变变导通角角），就就能改变变可控硅硅的整流流输出电电压，从从而改变变直流伺伺服电机机的转速速。6.3直直流伺伺服电机机及其速速度控制制2．PWM调速控制制系统控制电路路简单，，不需附附加关断断电路，，开关特特性好。。广泛泛应用中中、小功功率直流流伺服系系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直流流伺服电电机及其其速度控控制直流电机机电压的的平均值值:T—脉冲周期期，Ton—导通时间间6.3直直流伺伺服电机机及其速速度控制制脉宽调制制（PWM）系系统组成成：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直流流伺服电电机及其其速度控控制脉宽调制制器作用：将将电压量量转换成成可由控控制信号号调节的的矩形脉脉冲，为为功率晶晶体管的的基极提提供一个个宽度可可由速度度指令信信号调节节的脉宽宽电压。。组成：调调制信号号发生器器（三角角波和锯锯齿波两两种）和和比较放放大器。。原理：以以三角波波发生器器为例介介绍3直流流伺服电电机及其其速度控控制R1+12VUSCR1R3R2+-12VUSrU△-USr–速度指令令转化过过来的直流流电压U△-三角波USC-脉宽调制制器的输输出（USr+U△）调制波形形图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直流流伺服电电机及其其速度控控制开关功率率放大器器是脉宽调调制速度度单元的的主回路路结构：有有两种形形式：H型（桥式式）、T型。每种种电路又又有单极极性工作作方式和和双极性性工作方方式，各各种不同同的工作作方式又又可组成成可逆开开关放大大电路和和不可逆逆开关放放大电路路。可逆H型型双极式式PWM开关功功率放大大器为例例6.3直直流伺伺服电机机及其速速度控制制可逆H型型双极式式PWM开关功功率放大大器USABD1D2D3D4MT1T2T4T3UdUABUb2Ub3OttUb1Ub4Ot1TUS-USOttidid1id2id1id2O6.3直直流伺伺服电机机及其速速度控制制USABD1D2D3D4MT1T2T4T3UdUABUb2Ub3OttUb1Ub4Ot1TUS-USOttidid1id2id1id2O电机正转转、反转转、停止止：由正、负负驱动电压压脉冲宽宽窄定。。当正脉冲较宽宽时，即即t1>T/2，平均电电压为正正，电机机正转；；当正脉冲较窄窄时，t1<T/2，平均电电压为负负，电机机反转；；正负脉冲宽度度相等，，t1=T/2，平均电电压为零零，电机机停转。。电机速度度的改变变：电枢平均均电压UAB越大转速速越高。。UAB由驱动电压压脉冲宽宽度决定定。3直流流伺服电电机及其其速度控控制电刷和换换向有磨磨损，有有时会产产生火花花；换向器由由多种材材料制成成，制作作工艺复复杂；电机最高高速度受受限制；；结构复杂杂，成本本较高，，所以在使使用上受受到一定定的限制制。4交流伺服服电机及及其速度度控制系系统直流电机机缺点：：1交流伺服服电机的的分类与与特点数控机床床上应用用的交流流电机一一般都为为三相。。分：异步步型和同同步型交交流伺服服电机。。从建立所所需气隙隙磁场的的磁势源源来说，，同步型型交流电电机分：：电磁式式及非电电磁式两两大类。。非电磁式式有磁滞滞式、永永磁式和和反应式式多种。。4交流伺服服电机及及其速度度控制系系统1.1交流伺服服电动机机交流伺服服电动机机就是一一台两相交流流异步电电机。它它的定子子上装有有空间互互差90的两个绕组组：励磁磁绕组和和控制绕绕组，其其结构如如图所示示。励磁绕组组控制绕组组杯形转子子内定子交流伺服服电动机机结构图图放大器检测元件控制信号+–+–控制绕组励磁绕组+++–––1励磁绕组组串联电电容C,是为了产产生两相相旋转磁磁场。适当选择择电容的的大小，，可使通通入两个个绕组的的电流相相位差接接近90,从而产产生所需需的旋转转磁场。。交流伺服电动机的接线图和相量图(a）接线图1(b)相量图永磁式同同步电机机：优点：结结构简单单、运行行可靠效效率高；；缺点：体体积大、、启动特特性欠佳佳。与直流电电机比：：外形尺尺寸、重重量、转转子惯量量大幅减减小与异步交交流伺服服电机相相比：效效率高、、体积小小。4交流伺服服电机及及其速度度控制系系统异步型交交流伺服服电机与与同容量量的直流流电机相相比：优点：重重量轻，，价格便便宜；缺点：转转速受负负载的变变化影响响较大，，不能经经济地实实现范围围较广的的平滑调调速，故异步型交交流伺服服电机用用在主轴轴驱动系系统中。4交流伺服服电机及及其速度度控制系系统VSVS脉冲编码器转子定子接线盒定子三相绕组1．永磁式式交流同同步电机机结构：电电机由定定子、转转子和检检测元件件组成4交流伺服服电机及及其速度度控制系系统永磁式交交流同步步电机工工作原理理和性能能nr＝ns＝60f1／pns—同步转速速，θ—转子磁极极的轴线线与定子子磁极的的轴线夹夹角，nr—转子旋转转转速，，f1—交流电电源频率率（定子子供电频频率），，p—定子和转转子的极极对数nSNns

nr

θ

S4交流伺服服电机及及其速度度控制系系统2．交流主主轴电机机定子三相相绕组通通三相交交流电，，产生旋旋转磁场场，磁场场切割转转子中的的导体，，导体感感应电流流与定子子磁场相相作用产产生电磁磁转矩，，推动转转子转动动，转速速nr为ns—同步转速速，f1—交流电源源频率（（定子供供电频率率）s—转差率，，s=(ns－nr)/ns，p—极对数4交流伺服服电机及及其速度度控制系系统3交流伺服服电机的的变频调调速nr＝ns＝60f1／p由上两式式可见，，只要改改变交流流伺服电电机的供供电频率率f1，即可改改变电机机转速，，所以交交流伺服服电机调调速应用用最多的的是变频调速速。变频调速速的主要要环节是是：为交交流电机机提供变变频电源源的变频频器。变频器分分：交——交变频频交——直——交变频频4交流伺服服电机及及其速度度控制系系统交——交变频：利用可控控硅整流流器直接接将工频频交流电电（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30多多年的的工业业实践践的考考验、、改进进和提提高，，目前前广泛泛应用用工业业生产产实践践中。。4交流伺伺服电电机及及其速速度控控制系系统1．矢矢量控控制的的基本本原理理交流电电机矢矢量控控制的的基本本思想想：利用“等效”概念，，将三三相交交流电电机输输入的的电流流（矢矢量））变换换为等等效的的直流流电机机中彼彼此独独立的的励磁电电流和和电枢枢电流流（标量量），，建立立起交交流电电机的的等效效数学学模型型，然然后通通过对对这两两个量量的反反馈控控制，，实现现对电电机的的转矩矩控制制；再再通过过相反反的变变换，，将被被控制制的等等效直直流电电机还还原为为三相相交流流电机机，那那么三三相交交流电电机的的调速速性能能就完完全体体现了了直流流电机机的调调速性性能。。等效变变换的的准则则：变换前前后必必须产产生同同样的的旋转转磁场场。4交流伺伺服电电机及及其速速度控控制系系统2．矢量量控制制的等等效过过程（1））三相相/二二相变变换将三相相交流流电机机变换换为等等效的的二相相交流流电机机以及及与其其相反反的变变换。。采用的的方法法：把把异步步电动动机的的A、、B、、C三三相坐坐标系系的交交流量量变换换为αα-ββ两相相固定定坐标标系的的交流流量（2）矢量量旋转转变换换将二相相交流流电机机变换换为等等效的的直流流电机机。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伺伺服驱动及及控制制技术术伺服电电机的的控制制原理理（3）直流电电机与与交流流电机机的区区别6.5.1直线电电机的的特点点机床进进给系系统采采用直直线电电机直直接驱驱动，，与原原旋转转电机机传动动方式式的最最大区别是：取消了了从电电机到到工作作台（（拖板板）之之间的的机械械中间间传动动环节节，即即把机机床进进给传传动链链的长长度缩缩短为为零，，故这种种传动动方式式称为为“直接驱驱动”，也称称“零传动动”。直接驱驱动避避免了了丝杠杠传动动中的的反向向间隙隙、惯惯性、、摩擦擦力和和刚性性不足足等缺缺点。。5直线电电机及及其在在数控控机床床中的的应用用简介介5直线电电机及及其在在数控控机床床中的的应用用简介介6.5.2直线电电机的的基本本结构构和分分类感应式式旋转转电机机演变变为直直线电电机的的过程程5直线电电机及及其在在数控控机床床中的的应用用简介介由永磁磁旋转转电机机演变变为直直线电电机的的过程程5直线电电机及及其在在数控控机床床中的的应用用简介介旋转电电机演演变为为圆筒筒型直直线电电机的的过程程5直线电电机及及其在在数控控机床床中的的应用用简介介弧型直直线电电机圆盘型型直线线电机机5直线电电机及及其在在数控控机床床中的的应用用简介介§6.3数数控机机床的的检测测装置置检测元元件（（传感感器））信号处处理装装置(测量量线路路)实时测测量机机床执执行部部件的的位移移和速速度信信号，，并变变换成成位置置控制制单元元所要要求的的信号号形式式，从从而将将运动动部件件现实实位置置反馈馈到位位置控控制单单元，，以实实施闭闭环控控制，，提高高路径径控制制精度度。在设计计数控控机床床伺服服系统统，尤尤其是是高精精度进进给伺伺服系系统时时，必必须精精心选选择检检测装装置。。●检测装装置组成：：●检测装装置作作用：：一、概概述§6.3数数控机机床的的检测测装置置ⅱ分辨率率：位移检检测装装置能能够正正确检检测的的最小小位移移量。。例：1μm,2″●位移检检测装装置的的精度度指标标：ⅰ测量精精度：：在一定定的测测量长长度或或测量量转角角范围围内，，测量量的累累积误误差最最大值值。例：±0.002～～0.02㎜／／m,±10″／／360°°不同数数控机机床对对检测测装置置精度度、速速度要要求：：大型机机床：：速度度为主主；中小型型机床床、高高精度度机床床：精精度为为主。。一、概概述●数控机机床对对位置置测量量装置置的要要求:1.工作可可靠性性，抗抗干扰扰能力力强：：受温度度、湿湿度的的影响响小，，工作作可靠靠，精精度保保持性性好，，抗干干扰能能力强强；2.能满满足足精精度度和和速速度度的的要要求求:位置置检检测测装装置置分分辨辨率率应应高高于于数数控控机机床床的的分分辨辨率率（（一一个个数数量量级级）；；位置置检检测测装装置置最最高高允允许许的的检检测测速速度度应应数数控控机机床床的的最最高高运运行行速速度度。。3.使使用用维维护护方方便便，，适适应应机机床床工工作作环环境境；；4.成成本本低低。。§6.3数数控控机机床床的的检检测测装装置置一、、概概述述§6.3数数控控机机床床的的检检测测装装置置●半闭闭环环控控制制的的数数控控机机床床使使用用的的位置置测测量量装装置置：旋转转变变压压器器、、编编码码器器等等，，安安装装在在电电机机或或丝丝杠杠上上，，通通过过测测量量电电机机或或丝丝杠杠的的角角位位移移间间接接测测量量工工作作台台的的直直线线位位移移。。●闭环环控控制制系系统统的的数数控控机机床床使使用用的的位置置测测量量装装置置：感应应同同步步器器、、光光栅栅、、磁磁栅栅等等，，安安装装在在工工作作台台和和导导轨轨上上，，直直接接测测量量工工作作台台的的直直线线位位移移。。一、、概概述述光栅光栅栅尺身尺身安装孔

扫描头（与移动部件固定）可移动电缆光栅栅编码码器器安装装方方式式1、、和和伺伺服服电电机机同同轴轴联联接接，，编编码码器器在在进进给给传传动动链链前前端端；；安安装装方方便便。。2、、连连在在滚滚珠珠丝丝杠杠末末端端，，包包含含的的传传动动链链误误差差比比前前者者多多，，位位置置控控制制精精度度较较高高；；工作台丝杠编码器电机.感感应应同同步步器器：：•分类类：：直线线式式感感应应同步步器器：：旋转转式式感感应应同步步器器：：用于于测测量量直直线线位位移移用于于测测量量转转角角位位移移电磁磁式式的的位位移移检检测测传传感感器器§6.3数数控控机机床床的的检检测测装装置置（固固定定在在床床身身上上））（安安装装在在移移动动部部件件上上））平行行，，间间隙隙为为0.25~0.05mm节距距2τ（（2mm））绝缘粘结剂铜箔铝箔耐切削液涂层基板(钢、铜)定尺尺滑尺尺sincos滑尺尺节距距(0.5mm)感应应绕绕组组正弦弦励励磁磁绕绕组组余弦弦励励磁磁绕绕组组1.直直线线式式感感应应同步步器器的的结结构构：：.感感应应同同步步器器：：§6.3数数控控机机床床的的检检测测装装置置二.感感应应同同步步器器感应应同同步步器器的的工工作作原原理理：：电磁磁耦耦合合原原理理工作作时时，，在在滑滑尺尺上上的的绕绕组组上上通通励励磁磁电电压压由于于电电磁磁耦耦合合作作用用，，在在定定尺尺绕绕组组上上产产生生感感应应电电压压当滑滑尺尺和和定定尺尺之之间间发发生生相相对对位位移移时时由于于电电磁磁耦耦合合的的变变化化，，定定尺尺上上感感应应绕绕组组中中的的感感应应电电压压也也发发生生变变化化感应应电电压压的的变变化化与与相相对对位位移移之之间间有有一一定定的的关关系系通过过测测量量定定尺尺绕绕组组中中的的感感应应电电压压，，借借以以进进行行位位移移量量的的检检测测§6.3数数控控机机床床的的检检测测装装置置二.感感应应同同步步器器U0U0移动动距距离离USUSUSUSUS定尺尺滑尺尺感应应同同步步器器中中定定尺尺绕绕组组中中感感应应电电压压的的变变化化情情况况以滑滑尺尺上上正正弦弦励励磁磁绕绕组组为为例例：：§6.3数数控控机机床床的的检检测测装装置置二.感感应应同同步步器器§6.3数数控机机床的检测测装置二.感感应同步器器3.感应同同步器的信信号处理原原理当滑尺正旋旋绕组上加加激磁电压压us后，与之相相耦合的定定尺绕组上上的感应电电压为：uos=KuScosθK—电磁磁感应系数数θ—定尺绕组组上感应电电压的相位位角（空间间相位角））相位角θ与与相对位移移量x的的关系：2τ:2ππ=x:θ∴θ=xπ／／τ当滑尺余旋旋绕组上加加激磁电压压uc后，与之相相耦合的定定尺绕组上上的感应电电压为：uoc=Kuccos（θ+π/2）=－Kucsinθ§6.3数数控机机床的检测测装置二.感感应同步器器当滑尺正、、余旋绕组组上同时加加激磁电压压us、uc时，由于感应同步器器的磁路可可视为线性性的，根据据叠加原理理，则与之相耦合合的定尺绕绕组上的的总感应电电压为：uo=uos+uoc=KuScosθ－KucsinθK—电磁磁感应系数数θ—定尺绕组组上感应电电压的相位位角（空间间相位角））相位角θ与与相对位移移量x的的关系：θ=xπ／／τ由于相对位位移量x与相相位角θ