数控技术第4章4.3节

4.1概述4.2位置检测装置4.3进给电机及驱动4.4进给伺服系统的控制原理和方法第4章进给伺服驱动系统

04.3进给电机及驱动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.进给驱动系统的组成：

驱动器和电机。进给电机的类型：

步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机和直线电机。14.3.1步进电机及驱动

驱动器每向步进电机输入一个电脉冲信号，步进电机转动一个角度，称为步距角，通过齿轮和丝杠带动工作台移动。步进式进给伺服驱动系统属于开环控制系统。步进电机转过的角度与电脉冲信号个数成正比，转动速度与电脉冲信号的频率成正比。优点：电机具有自锁能力；

每转一周都有固定的步数，理论上说步距误差不会累积。

缺点：

在大负载和速度较高的情况下容易失步，能耗较大。应用：步进电机的速度不高，在脉冲当量为1μm/脉冲时，最高移动速度为2m/min，主要用于速度和精度要求不太高的经济型数控机床和旧机床改造。4.3进给电机及驱动24.3进给电机及驱动31.步进电机分类：常见的分类方式有按相数、按产生力矩的原理、按输出力矩的大小和结构进行分类

按相数分：有三相、四相、五相、六相等。相数越多，步距角越小，输出转矩越大，但结构也越复杂。通电方式采用m相m拍、双m拍和m相2m拍等。按力矩产生的原理分：有反应式、永磁反应式和混合式三类。按输出力输出力矩的大小分：快速步进电机（0.07Nm～4Nm）和功率步进电机（5Nm～50Nm）两类。按结构分类：有轴向分相式（即多段式）和径向分相式（即单段式）。4.3进给电机及驱动42.步进电机工作原理（反应式步进电机）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，由软磁材料制成，周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合工作。定子转子定子绕组4.3进给电机及驱动5AB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。4.3进给电机及驱动6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：三相绕组联接方式：Y型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

4.3进给电机及驱动7定子绕组三相三拍，转子两个齿，步距角60°4.3进给电机及驱动8B'A'CC'BA3412A相通电B相通电C相通电BB'A'CC'A3412B'A'CC'BA3412CA4.3进给电机及驱动定子绕组三相三拍，转子四个齿，步距角30°97.2步进电机及其驱动控制系统三相单三拍的工作特点：每来一个电脉冲，转子转过30；转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序；每次定子绕组只有一相通电，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。4.3进给电机及驱动10定子绕组三相六拍，转子四个齿，步距角15°4.3进给电机及驱动112）三相六拍工作方式

通电顺序为：A→AB→B→BC→C→CA→A…（逆时针、正）A→AC→C→BC→B→CA→A…（顺时针、反）4.3进给电机及驱动12三相六拍工作特点：每步转过15°（4齿），步距角是三相三拍工作方式的一半，电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比较平稳。4.3进给电机及驱动133）双三拍工作方式定子绕组通电顺序：AB→BC→CA→AB…（转子逆时针旋转）AC→BC→CA→…（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°。双三拍工作特点：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。4.3进给电机及驱动14步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步距角；改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；步进电动机步距角与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，可用下式表示：三相三拍时，k=1；三相六拍时，k=2m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=24.3进给电机及驱动153.步进电机实际结构：

转子齿数很多，齿数越多，步距角越小。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距的1／m（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1／m（如三相三拍）或1／2m（如三相六拍）达到新的平衡位置。4.3进给电机及驱动16常见的三相步进电机，每个定子极上均布5个齿，齿槽距相等，齿间夹角9°。转子上均布40个齿，齿槽距相等，齿间夹角9°。三相定子磁极和转子上相应的齿依次错开了1/3齿距，即3°。当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿1/3齿距角，C相磁极齿超前（或滞后）转子齿2/3齿距角。三相三拍通电方式，步距角为三相六拍通电方式，步距角为17

若转子40个齿，通电为三相三拍方式。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°）。4.3进给电机及驱动18例：步进电机转子有40个齿，采用五相十拍通电方式，步进电机直接经丝杠螺母传动副驱动工作台做直线运动，滚珠丝杠导程为6mm求：（1）步进电机的步距角；（2）工作台的脉冲当量。

一个进给脉冲，使步进电机旋转一个步距角α，工作台走多少位移δ？（脉冲当量）4.3进给电机及驱动19例：步进电机转子有40个齿，采用五相十拍通电方式，步进电机通过减速器减速后带动丝杠螺母，从而驱动工作台做直线运动，减速器传动比i=0.5，滚珠丝杠导程为6mm求：（1）步进电机的步距角；（2）工作台的脉冲当量。

一个进给脉冲，使步进电机旋转一个步距角α，丝杆的转角θ是多少？工作台走多少位移δ？（脉冲当量）20每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。4.步进电机的主要特性

1）步距角α

m—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，如：3°／1.5°，1.5°／0.75°，0.72°／0.36°等4.3进给电机及驱动21静态：步进电机处于通电状态，但不改变通电状态，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θ（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）静态矩角特性矩角特性：步进电机单相通电的静态转矩Mj随失调角θ的变化曲线。4.3进给电机及驱动224.步进电机的主要特性

3）矩频特性4.3进给电机及驱动输出转矩与连续运行频率之间的关系，随着连续运行频率的上升，动态转矩随之下降。234.步进电机的主要特性

4）起动频率4.3进给电机及驱动起动频率空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不丢步的正常运行的最高频率，称为起动频率。起动时，加给步进电机的指令脉冲频率如果大于起动频率，会出现丢步现象，就不能正常工作。步进电机带负载时的起动频率比空载起动频率低，随着负载的加大，起动频率会进一步降低。244.步进电机的主要特性

5）连续运行频率4.3进给电机及驱动连续运行频率步进电机起动以后，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称为连续运行频率。连续运行频率的值远大于起动频率。254.步进电机的主要特性

6）加、减速特性4.3进给电机及驱动当步进电机运行频率低于本身的起动频率时，可以用运行频率直接起动；需要停止时，可以从运行频率直接降到零速。当步进电机运行频率高于起动频率时，若直接用运行频率起动，由于频率太高，步机电机会丢步；同样突然停止时，步进电机会超步。所以需要采用升降频控制。常采用的方法是指数曲线升降频。264.3.2交流伺服电机及驱动

伺服驱动的发展历程：步进电机→直流伺服电机→交流伺服电机→…旋转式电机→直线电机→…理由：闭环提高精度。

直流伺服电机调速方便，90年代以前（交流在性能成本方面不占优）大量使用。但直流伺服电机的容量小、结构复杂、有电刷、体积大和重量重，因此，其应用受到限制。随着交流伺服驱动性价比提高，交流伺服驱动电机已渐渐取代了直流伺服电机。4.3进给电机及驱动271.交流伺服电机的种类、结构及工作原理（1）交流伺服电机的种类及特点交流伺服电机有同步型和异步型两大类。异步型交流电机指的是交流感应电机。同步型交流电机按转子结构不同可分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。数控机床中多用永磁式同步电机。4.3进给电机及驱动28永磁式同步电机：优点：比直流电机结构简单、运行可靠、体积约小1/2，质量减轻60﹪，转子惯量可减小到1/5、效率高。缺点：启动特性欠佳、控制复杂应用：进给驱动异步型交流伺服电机：优点：与同容量的直流电机相比重量轻（1/2），价格便宜(1/3)；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，效率较低、功率因数低应用：主轴驱动系统。4.3进给电机及驱动29VSVS脉冲编码器转子定子接线盒定子三相绕组（2）交流永磁同步电机的工作原理与特性结构：电机由定子、转子和检测元件组成。4.3进给电机及驱动30nr＝ns＝60f1／p

ns—同步转速，θ—转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

θ

S通过调节频率和极对数实现调速。4.3进给电机及驱动31U1—定子每相相电压；E1—定子每相绕组感应电动势；N1—定子每相绕组匝数；K1—定子每相绕组匝数系数；

—每极气隙磁通量；Tm—电机电磁转矩；Ia—转子电枢电流；—转子电枢电流的相位角。2.交流同步电机的变频调速原理交流电机的电动势方程、转矩方程：4.3进给电机及驱动32在变频调速的同时，要求供电电压也随之变化，即满足U1/f1为定值，以确保磁通量不变。

因为变频调速时，当U1不变，增加频率f1，则磁通量减小，导致电机输出转矩Tm下降。电机负载能力降低；若减小频率f1，磁通量增加，定子电流上升，导致铁损增加。7.4交流伺服电机及其速度控制系统变频调速控制方式：基频以下调速——当电机在f1的额定参数下运行时，供电频率低于额定值。基频以上调速——当电机在f1的额定参数上运行时，供电频率高于额定值。4.3进给电机及驱动333．交流同步伺服电机的变频器变频器将交流恒压恒频的供电电源转变为变压变频的供电电源。（1）变频器类型

变频器可分为交—交变频器（直接变频器）和交—直—交变频器（间接变频器）两种。应用最多的是交—直—交变频器。

根据变频电源的性质，又可分为电压源变频器和电流源变频器。4.3进给电机及驱动34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，脉动交流电的基波就是所需的变频电压。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。4.3进给电机及驱动35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。4.3进给电机及驱动36（2）正弦波脉冲调制（SPWM）逆变器脉宽调制（PWM）变频——是通过脉冲信号控制逆变器开关元件的导通和关断时间比（即调节脉冲的宽度）来控制输出电压的大小和频率，从而实现调速。uUUutttt4.3进给电机及驱动37正弦脉宽调制（SPWM）——是利用有正弦波特性的脉冲信号去控制逆变器开关元件的通、断时间比。此时，变频器输出近似于正弦波的电流，使得电机电源近似为正弦交流电。SPWM变频器是目前数控机床应用最广泛的变频器。4.3进给电机及驱动38SPWM原理单相调制原理正弦脉宽调制（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。uωtωtuOOa)b)4.3进给电机及驱动39整流器：将三相工频交流电变成直流电逆变器：将整流输出的直流电压变成三相交流电

三相SPWM变频器的主回路结构图4.3进给电机及驱动404.3.3直线电机及驱动直线电机直接驱动工件台直线运动。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，故这种传动方式又称为“直接驱动”，也称“零传动”。适用于进给驱动速度高于60m/min以上，加速度1g以上的高速数控机床。4.3进给电机及驱动41优点：电机惯量小，系统响应快、速度高，速度和加速度都可提高10倍以上（700m/min，40G）。运动更加平稳、噪声低、传动效率高，动态刚度高。可设计成均布对称，工作台运动时受力均匀分布，运动推力平衡可无限延长定子的行程，运动的行程不受限制并可在全行程上安装使用多个工作台缺点：没有机械联接或啮合，垂直轴传动需要外加一个平衡块或制动器磁铁对电机部件的吸力很大，需解决防护、隔磁问题4.3进给电机