数控机床伺服系统-郑佳文

数控机床伺服系统机械工程-郑佳文学号：1508520102机械工程学院主要内容概述开环式控制系统与步进电机驱动电路闭环伺服系统与反馈比较形式直流伺服电机与调速系统交流伺服电机与主轴驱动系统机械工程学院一二三四五机械工程学院一、概述概述伺服系统接收来自CNC（ComputerNumericalControl）装置的进给脉冲，经变换和放大，然后驱动各加工坐标轴按指令脉冲进行运动。这些轴有些带动工作台，有些带动刀架，通过一个或者多个坐标轴的综合联动，涉及各轴上运动速度的调节，以一定的加减速曲线来进行运动，使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。进给伺服系统是数控装置和数控机床的传动部件之间的联系环节，是数控机床的重要组成部分。它包含机械、电子、电动机等各种部件，并涉及强电与弱电控制，是一个复杂的控制系统。机械工程学院1.伺服系统的作用和组成在自动控制中，是输出量能以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称为伺服系统。数控机床的伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动系统。机械工程学院伺服系统的作用:接受CNC装置发出的插补结果(指令脉冲等)，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“大脑”数控机床的“四肢”，是执行“命令”的机构，它是一个不折不扣的跟随者。机械工程学院

伺服系统结构图伺服系统的组成机械工程学院组成伺服电机驱动信号控制转换电路电子电力驱动放大模块位置调节单元速度调节单元电流调节单元检测装置一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环。伺服系统组成单元2.伺服系统的分类（1）按调节理论分类机械工程学院（2）按驱动部件的动作原理分类电液伺服系统电气伺服系统机械工程学院（3）按被控对象分类进给伺服系统主轴伺服系统3.伺服系统的基本要求机械工程学院高精度（输出量能复现输入量的精确程度）稳定性好（抗干扰能力）快速响应、无超调（系统跟踪精度）低速大转矩调速范围宽调速范围宽可靠性高(对环境的适应性)二、开环数控系统与步进电机驱动电路机械工程学院电机机械执行部件CNC插补指令驱动控制单元1.开环数控系统组成一般定位精度：±0.02mm采用螺距补偿和传动间隙补偿：±0.01mm进给速度受限脉冲当量为.01mm时，不超过5m/min2.步进电机机械工程学院步进电机是一种脉冲控制的执行元件，可将输入脉冲转换为机械角位移。每给步进电机输入一个脉冲，其转轴就转过一个角度，称为步距角。机械执行部件A相B相C相…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大步进电机脉冲数量----位移量；脉冲频率---电机转速；脉冲顺序----方向。对应关系机械工程学院运动方式旋转运动直线运动平面运动滚切运动工作原理反应式电磁式永磁式永磁感应式工作方式功率式控制式结构单段式（径向式）多段式（轴向式）印刷绕组式相数三相式四相式五相式频率高频式低频式2.1步进电机的分类、结构和工作原理（1）分类机械工程学院（2）结构机械工程学院步进电动机的结构分为定子和转子两大部分。定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组，由环形分配器送来的电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁。转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构；转子本身没有励磁绕组的叫做“反应式步进电动机”；用永久磁铁做转子叫做“永磁式步进电动机”。机械工程学院机械工程学院（2）结构机械工程学院（3）工作原理机械工程学院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。定子转子定子绕组机械工程学院两个相对的磁极组成一相AB定子转子IAIBIC机械工程学院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

机械工程学院主要内容B'A'CC'BA3412A相通电使转子1、3齿和AA'对齐CB相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐C相通电，转子1、3齿和C相轴线对齐BB'A'C'A3412B'A'CC'BA3412机械工程学院三相单三拍的特点：（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。通电顺序为：AABBBCCCAA

六拍。2）三相六拍工作方式机械工程学院7.2步进电机及其驱动控制系统B'A'CC'BA3412B'A'CC'BA3412B'A'CC'BA3412B'A'CC'BA3412B'A'CC'BA3412B'A'CC'BA3412A通电AB通电B通电BC通电CA通电C通电机械工程学院A→AB→B→BC→C→CA→A…（逆时针）A→AC→C→BC→B→BA→A…（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。

通电顺序3)双三拍工作方式定子绕组通电顺序为AB→BC→CA→AB…（转子逆时针旋转）AC→CB→BA→…（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机械工程学院实际上步进电机转子齿数很多，齿数与步距角关系？例如：转子40个齿，定子仍是3对磁极，三相六拍。问步距角是多少？机械工程学院2.2步进电机的主要特性（1）步距角α和静态步距误差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。

每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。α一般很小，如：3°／1.5°，1.5°／0.75°，0.72°／0.36°等不同的应用场合，对步距角的要求不同。一般情况下：

机械工程学院步距角也可用分辨率表示式中：i——传动比——每个脉冲对应的负载轴的位移增量即表示每转步进了多少（2）最大静转矩机械工程学院静态特性稳定状态静转矩距角特性静态稳定区（3）矩频特性机械工程学院步进电机连续稳定运行时输出电磁转矩T与连续运行频率f之间的关系。（衡量电机运转时承载能力的动态性指标）。运行矩频特性f绕组感抗电流波形稳定值T（4）启动频率和连续运行频率机械工程学院启动频率fst是指在一定负载转矩下能够不丢步地启动的最高脉冲频率。它的大小和驱动电路和负载大小有关，步距角越小，负载越小，启动频率越高。连续运行频率fc

步进电机启动后，当控制脉冲频率连续上升时，能不丢步运行的最高频率。它的值与负载有关。（5）步进电机技术指标实例机械工程学院步进电机的型号表示方法举例反应式步进电机（如150BF003）

XXX

BF

XX励磁绕组相数或代号反应式步进电机电动机外径（mm）BYG混合式步进电机BY永磁式步进电机2.3步进电机驱动控制线路机械工程学院功能：将具有一定频率f、一定数量N和方向的进给脉冲转换成控制步进电机各相定子绕组通电、断电的电平信号变化频率、变化次数和通断电顺序。驱动控制器主要由环形脉冲分配器和功率放大器组成。（1）环形分配器机械工程学院功能将进给脉冲指令转换成步进电机定子绕组通、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及顺序与进给脉冲的个数与方向对应。即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，以控制励磁绕组的通、断电。分类硬件环形分配器：步进电机驱动装置本身带有环形分配器。软件环形分配器：驱动装置本身无环形分配器，环形分配需要软件完成。混合环形分配器环形分配器机械工程学院特点：需要专用硬件资源，运行效率高。软件环形分配器是指完全用软件的方式进行脉冲分配，按照给定的通电换相顺序，通过单片机的I/O口向驱动电路发出控制脉冲的分配器。采用不同的计算机及接口器件有不同的形式。机械工程学院（2）功率放大器机械工程学院对驱动电路核心要求提高快速性提高平稳性功率放大器的输出直接驱动电机绕组，它对步进电机的运行状态有很大影响目前国内步进电机驱动电路.单电压恒流功率放大电路.高低电压（双电压）功率放大电路斩波驱动电路.调频调压功率放大电路1）单电压恒流功率放大电路机械工程学院提速（限流）电阻Rc：改变时间常数，提高响应速度续流二极管D：用于功率晶体管的过电压保护特点：结构简单、效率低、能耗高，发热大、工作稳定性差。应用：小功率步进电机驱动这种驱动电路供给步进电动机绕组的电压有两种：一种是高电压U1，电压约为80~150V。另一种是低压U2大约为5~20V见图。2）高低电压（双电压）功率放大电路机械工程学院在相序输入信号IN、IL到来时，VT1、VT2同时导通，给绕组加上高压U1，以提高绕组中电流上升率，当电流达到规定值时，VT1关断、VT2仍然导通（tN的脉宽小于tL），则自动切换到低压U2该电路的优点是在较宽的频率范围内有较大的平均电流，能产生较大且稳定的平均转距，其缺点是电流波形有谷点，波形如图。3）斩波型功率放大机械工程学院由于双电压驱动电路存在着电流在高低压连接处出现谷点，造成高频输出转矩在谷点下降。为了使励磁绕组中的电流维持在额定值附近，提高步进电动机的转矩和效率，所以需要采用斩波驱动电路。输入信号若为正脉冲，则VT1、VT2同时导通，由于U1电压较高，绕组回路中又没串电阻，所以绕组中电流迅速上升，当电流达到规定值时，由于采样电阻Re的反馈作用，经整形、放大后送至VT1基极，使VT1截止。接着绕组由U2供电，绕组中电流迅速下降，但刚降到额定值以下时，由于采样电阻Re的反馈作用，使整形电路无信号输出，此时高压前置放大电路又使VT1导通，电流又上升。如此反复进行，形成一个在额定电流值上下波动呈锯齿状的绕组电流波形，近似恒流，其电流波形如图。4）调频调压功率放大电路机械工程学院一般把步进电机的工作频率分为几段，每段电压不同。在理想条件下，保持电动机的力矩不变，则电源电压应随工作频率的升高而升高，随工作频率的降低而降低。2.4提高开环进给控制系统精度的措施机械工程学院1.传动间隙补偿齿轮丝杠提高装配精度并采取消隙措施传动链换向时产生间隙先将间隙转换成脉冲值，从而越过传动间隙，然后再按指令脉冲动作机械工程学院传动间隙补偿示意图（2）螺距误差补偿三、闭环伺服系统与反馈比较形式机械工程学院较开环系统，闭环系统增加检测装置和反馈环节分为闭环伺服进给系统半闭环伺服进给系统1.闭环伺服系统与半闭环伺服系统机械工程学院（1）全闭环数控系统位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈闭环系统通常使用直流伺服电动机或交流伺服电动机。全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。在闭环伺服系统中，由速度检测元件来测量电动机的速度，由位置检测元件来测量工作台的位置，由速度和位置反馈信号来调节伺服电动机的速度和工作台的位置。因此从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。其定位精度一般为0.001～0.003mm。由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。机械工程学院（2）半闭环数控系统位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈半闭环数控系统的位置采样点是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置，而是由位置检测元件间接测量工作台的位置。由位置反馈信号来调节伺服电动机的速度。半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。结构较简单，常用光电编码器、光栅作位置检测装置，以半闭环的控制结构形式较为普遍。特点：指令脉冲信号与位置检测装置的反馈脉冲信号在比较器中以脉冲数字的形式进行比较。2.数字脉冲比较伺服系统机械工程学院指令信号反馈测量信号比较器转换器驱动执行元件（1）脉冲比较式伺服系统的组成

主要由以下几部分构成图所示机械工程学院数字脉冲比较系统构成图（2）脉冲比较式伺服系统工作原理

下面以采用光电脉冲编码器为测量元件的系统为例说明数字脉冲比较伺服系统的工作原理。机械工程学院反馈脉冲数/模转换器脉冲处理伺服电机工作台位置检测装置（光电编码器）伺服放大器位置检测信息Pf指令脉冲Pc比较器Pe光电编码器Pf指令脉冲PcPe=0Pe>0Pe<0偏差Pe=Pc-Pf保持不动正向移动反向进给（3）主要工作部件[1].数字脉冲-数码转换器数字脉冲转换为数码对于数字脉冲转化为数码，其最简单的实现方法就是采用一个可逆计数器，它将输入的脉冲进行计数，以数码值输出。图所示是由两个二—十进制计数器组成的数字脉冲—数码转换器。机械工程学院1）数字数码转换为脉冲方法一：对于数码转化为数字脉冲，常用的有两种方法。第一种方法是采用减法计数器组成的线路，如图3.36所示，机械工程学院方法二：用一个脉冲乘法器，数字脉冲乘法器实质上就是将输入的二进制数码转化为等值的脉冲数输出，其示意图如图3.37所示。数码转换为数字脉冲线路一数码转换为数字脉冲线路二2）比较器机械工程学院比较器分类数码比较器数字脉冲比较器数码比较器中，比较的是两个数码信号，而输出可以是定性的，只指出谁大谁小，也可以是定量的，指出谁大多少，小多少。在通用的大规模芯片可以完成这个任务，特别是用软件实现很方便。机械工程学院数字脉冲比较器的构成原理总结具有脉冲分离功能，加减脉冲先后到来时，按预先的要求经加法计数端或减法计数端进入可逆计数器；若加、减脉冲同时到来，先做加法计数，而后经过几个始终延迟再做减法计数，保证两路计数脉冲均布丢失。3.相位比较伺服系统机械工程学院鉴相式伺服系统是数控机床中使用较多的一种位置控制系统，它是采用相位比较方式实现闭环（及半闭环）控制的伺服系统。鉴相式伺服系统具有工作可靠、抗干扰性强、精度高等优点，但由于增加了位置检测、反馈、比较等元件，与步进式伺服系统相比，它的结构比较复杂，调试也比较困难。（1）鉴相式伺服系统的组成

下图所示是鉴相式伺服系统方框图，它主要由基准信号发生器、脉冲调相器、检测元件及信号处理线路、鉴相器、驱动线路和执行元件等组成。机械工程学院相位比较伺服系统的方框图（2）工作原理机械工程学院将脉冲信号转换成相位信号φ将工作台的位置转换成相位信号θ比较θ与φ来判断是

否运动Φ-θ不为零，机床运动Φ-θ为零，停止运动（3）脉冲调相器脉冲调相器的功能是按照所输入指令脉冲的要求对载波信号进行相位调整。如图3.21所示为脉冲调相器组成原理框图。机械工程学院1）脉冲—相位变换的原理

假设时钟脉冲频率为F，计数器（当分频器用）的容量为N，则这两个计数器的最后一级输出频率f为：f=F/N。如果在时钟脉冲触发两计数器以前，先向其中一个计数器（如x计数器）输入一定数量脉冲Δx，则当时钟脉冲触发两计数器以后，两计数器输出信号频率仍相同，但相位不同。N个时钟脉冲使标准计数器的输出变化一个周期，即360°，N+Δx个脉冲使x计数器的输出在变化一个周期（360°）后，又变化φ=·Δx，即超前标准计数器一个相位角φ。以后每来N个时钟脉冲，两计数器都变化一个周期，其原理图和波形如图3.22a、b所示。机械工程学院若在时钟脉冲触发两计数器的过程中，加入一定数量的脉冲+Δx给x计数器，这样就会使输入给x计数器的脉冲总数比给标准计数器的计数脉冲多了Δx个，结果使x计数器输出的信号相位超前φ=（+Δx/N）360°，如图3.22c所示。机械工程学院机械工程学院假如在时钟脉冲不断触发两计数器过程中，加入一定数量的-Δx脉冲给x计数器，使加入的-Δx个脉冲抵消了进入x计数器的Δx个时钟脉冲，则在两计数器的最末一级输出端将出现x计数器的相位滞后标准计数器一个相位φ，φ=(－Δx/N)360°，如图3.23a、b所示。（4）鉴相器

机械工程学院二极管鉴相器可以用来鉴别正弦信号之间的相位差。触发器/门电路鉴相器可以对方波信号之间的相位差进行鉴别。（4）鉴相器机械工程学院鉴相器又称相位比较器，它的作用是鉴别指令信号与反馈信号的相位，判别两者之间的相位差，将其变成一个带极性的误差电压信号，作为速度单元的输入信号。1）鉴相器工作原理机械工程学院触发器鉴相器4.鉴幅式伺服系统机械工程学院鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较构成的闭环控制系统。它的测量元件是以鉴幅式工作状态进行工作的，可用于鉴幅式伺服系统的测量元件有旋转变压器和感应同步器。比较器所比较的是数字脉冲量，故在鉴幅式伺服系统中，不需要基准信号，两数字脉冲量可直接在比较器中进行脉冲数量的比较。它与鉴相式伺服系统的主要区别（1）鉴幅式伺服系统的组成

该系统由测量元件及信号处理线路、数模转换器、比较器、放大环节和执行元件五部分组成机械工程学院（2）鉴幅式伺服系统的工作原理

机械工程学院指令脉冲信号反馈脉冲指令信号比较器实时比较二者不等等二者相等工作台到位停止进给工作台继续移动直至相等（3）测量元件及信号处理电路

图3.27所示为测量元件及信号处理线路框图，它主要由测量元件、解调电路、电压—频率转换器和sin/cos发生器组成。机械工程学院1）解调线路

解调线路就是鉴幅器，如图3.28所示是解调线路图，它由低通滤波器、放大器和检波器三部分组成。机械工程学院检波器的作用是将滤波后的基波正弦信号转变为直流电压。1）解调线路低通滤波器输出信号的幅值和功率较小，经过一级放大之后送到检波器。放大器是集成元件，放大器的参数可根据低通滤波器输出信号的幅值和检波器对它的要求选定。

检波器的作用是将滤波后的基波正弦信号转变为直流电压。

如下图所示是一种检波器线路图，它是一个带放大器和反相器的电子开关电路。机械工程学院机械工程学院

2）电压—频率转换器电压—频率转换器的作用是把检波后输出的模拟电压VF变成相应的脉冲序列，VF为正时，输出正向脉冲；VF为负时，输出反向脉冲。脉冲的方向用符号寄存器的输出表示。VF为零时，不产生任何脉冲。随着输入电压信号幅值的增加，电压频率转换器的输出开始出现脉冲。如图3.31所示是一种电压—频率转换器线路图。机械工程学院机械工程学院（4）比较器比较器的作用是对指令脉冲信号和反馈脉冲信号进行比较。一般来说，来自数控装置的指令脉冲信号可以是两种形式，一种是用一条线路传送进给方向信号，一条线路传送进给脉冲信号；另一种是用一条线路传送正向进给脉冲，一条线路传送反向进给脉冲。来自测量元件及信号处理线路的反馈信号是采用第一种形式表示的。

图3.33所示是指令脉冲为第一种形式时的一种比较器结构。在该比较器中，反馈脉冲一定不能与指令脉冲同时出现。

机械工程学院（5）sin/cos发生器

sin/cos发生器的任务是根据电压－频率转换器输出脉冲的多少和方向，生成测量元件的激磁信号VS和VK，即VS=VmsinαsinωtVK=Vmcosαsinωt

式中，α的大小由脉冲的多少和方向决定；VS和VK的频率和周期根据要求可用基准信号的频率和计数器的位数调整、控制。机械工程学院（6）数模（D/A）转换器

数模转换器也称脉宽调制器，其任务是把比较器的数字量转变为电压信号。目前，已有许多不同精度、不同形式的数模（D/A）转换器，只要满足伺服系统对它的输入输出要求，就可以直接选用。机械工程学院5.CNC数字伺服系统

CNC数字伺服系统是指用于高精度CNC机床上的伺服系统，它与前面介绍的伺服系统相比，具有精度高、稳定性好等优点。CNC数字伺服系统可分成软件部分和硬件部分。软件部分主要完成跟随误差的计算，即指令信号和反馈信号的比较计算；硬件部分主要由位置检测组件和位置控制输出组件组成。CNC数字伺服系统的结构框图如图3.39所示。机械工程学院在CNC数字伺服系统中，由于用计算机充当了指令信号和反馈信号的比较环节，故反馈信号必须是数码形式或数字脉冲形式，否则，将增加计算机的接口线路，使系统变得复杂。常见CNC数字伺服系统有以鉴幅方式工作的旋转变压器、感应同步器为测量元件的伺服系统和以光栅、编码盘为测量元件的伺服系统。下图所示是以旋转变压器为测量元件的CNC数字伺服系统框图。下面以旋转变压器为测量元件的CNC数字伺服系统为例介绍其工作原理。机械工程学院以旋转变压器为测量元件的CNC数字伺服系统机械工程学院四、直流伺服电机及其速度控制

常用的直流电机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、印刷绕组）励磁式直流电机-主轴驱动混合式直流电机无刷直流电机直流力矩电机机械工程学院1.结构是由定子、转子、电刷和换向片等组成机械工程学院伺服电动机外形图直流伺服电动机结构图2.永磁直流伺服电机的工作原理和特性

它的工作原理与一般直流电动机基本相同，但磁场的建立是由永久磁铁实现的，当电流通过电枢绕组时，电流与磁场相互作用，产生感应电动势、电磁力和电磁转矩，使电枢旋转机械工程学院直流伺服电动机的接线图（一定）机械工程学院原理图等效图式中，Ua为电枢电压Ia为电枢电流，Ea为电枢感应电动势，T为电磁转矩，TL为负载转矩，T2为输出转矩，T0为自身损耗，Cl为转矩常数，Ce为电动势常数，为励磁磁通。调节电枢电压Ua调节电枢电阻Ra调节磁通Φ直流电机转速与转矩的关系n=f(T)称机械特性（静态特性）机械工程学院电机转速与理想转速的差Δn，反映了电机机械特性硬度，Δn越小（转矩对转速变化的影响程度越小），机械特性越硬。主要内容TTnn机械工程学院电枢电阻调速很少采用，缺点：不经济：要得到低速，R很大，则消耗大量电能；低速，特性很软，运转稳定性很差；调节平滑性差，操作费力。主要内容Tnn0R0R2R1机械工程学院调节电枢电压（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Δn值较大，不可能实现宽范围的调速。永磁式直流伺服电机的Δn值较小，因此，进给系统常采用永磁式直流电机。

机械工程学院调节磁通（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。3.直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式

调速的概念有两个方面的含义:1)改变电机转速：当指令速度变化时,电机的速度随之变化,并希望以最快的加减速达到新的指令速度值；2)当指令速度不变化时,电机的速度保持稳定不变。为调节电机转速和方向，需对直流电压的大小和方向进行控制，如何控制？机械工程学院直流伺服电机速度控制单元的作用：将转速指令信号转换成电枢的电压值，达到速度调节的目的。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。

机械工程学院（1）晶闸管调速系统

机械工程学院常用于大功率及要求不很高的直流伺服电机调速控制。主要内容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U*n+-UnInI*n+-US

控制回路主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。速度环（PI）：速度调节，作用：好的静态、动态特性。电流环（P或PI）：电流调节，作用：系统快速性、稳定性改善。触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。主回路由大功率晶闸管构成的三相全控桥式反并接可逆电路，分成二大部分（Ⅰ和Ⅱ），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，分别实现正转和反转。机械工程学院462791113581210ABCMⅠⅡUMUDKMKM+-各有一个可控硅同时导通，形成回路。机械工程学院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，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。即每个触发脉冲在导通60º后，再补发一个辅助脉冲；也可以采用宽脉冲控制，宽度大于60º，小于120º。机械工程学院

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。

触发脉冲提前，增大整流输出电压；触发脉冲延后，减小整流输出电压。uacbcaba)b)c)d)135

①②③④⑤⑥ωtub246bcaωtωtωtωt11335511336224466224135246120°120°180°60°132460°60°56α机械工程学院同步信号方波信号矩齿波矩齿波与直流电压叠加信号尖脉冲直流电压控制回路分析机械工程学院1）系统组成：速度调节器电流调节器脉宽调节振荡器脉宽调节MG电流反馈（2）晶体管脉宽调制（PWM）调速系统机械工程学院控制回路：

速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。区别：与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。

脉宽调制器作用：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机械工程学院

2）脉宽调制器工作原理

利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，加到直流电动机的电枢上；通过调整控制方波脉冲宽度来改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。直流脉宽调调制的基本原理机械工程学院周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压Uωt周期不变脉冲宽度正比代表速度F值的直流电压机械工程学院R1+12VUSCR1R3R2+-12VUSrU△-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（USr+U△）调制波形图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机械工程学院结构：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

。3）开关功率放大器机械工程学院3）开关功率放大器主回路：可逆H型双极式PWM

开关功率放大器电路图:

由四个大功率晶体管（GTR）T1、T2、T3、T4

及四个续流二极管组成的桥式电路。H型：

又分为双极式、单极式和受限单极式三种。Ub1、

Ub2、Ub3、Ub4–为调制器输出，经脉冲分配、基极驱动转换过来的脉冲电压。分别加到T1

、T2、T3

、T4的基极。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS-USUdUABOtUb1Ub4Ub2Ub3OOttt1Tidid1id2id1id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub4Ub2、Ub3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2机械工程学院工作原理：

T1

和T4同时导通和关断，其基极驱动电压Ub1=Ub4。T2和T3同时导通和关断，基极驱动电压Ub2=Ub3

=

–Ub1。以正脉冲较宽为例，既正转时。负载较重时：①电动状态：当0≤t≤t1时，Ub1、Ub4为正，T1

和T4导通；Ub2、Ub3

为负，T2和T3截止。电机端电压UAB=US，电枢电流id=id1，由US→T1→T4→

地。②续流维持电动状态：在t1≤t≤T时，Ub1、Ub4为负，T1

和T4截止；

Ub2、Ub3

变正，但T2和T3并不能立即导通，因为在电枢电感储能的作用下，电枢电流id=id2，由D2→D3续流，在D2、

D3

上的压降使T2

、T3的c-e极承受反压不能导通。UAB=-US。接着再变到电动状态、续流维持电动状态反复进行，如上面左图。负载较轻时：③反接制动状态，电流反向：②状态中，在负载较轻时，则id小，续流电流很快衰减到零，即t=t2时（见上面右图），id=0。在t2～

T区段，

T2

、T3

在US

和反电动势E的共同作用下导通，电枢电流反向，id=id3

由US→T3→T2→

地。电机处于反接制动状态。④电枢电感储能维持电流反向：在T

～t3区段时，驱动脉冲极性改变，

T2

、T3截止，因电枢电感维持电流，id=id4，由D4→D1。机械工程学院⑤电机正转、反转、停止：

由正、负驱动电压脉冲宽窄而定。当正脉冲较宽时，既t1>

T/2，平均电压为正，电机正转；

当正脉冲较窄时，既t1<T/2，平均电压为负，电机反转；如果正、负脉冲宽度相等，t1=T/2，平均电压为零，电机停转。⑥电机速度的改变：电枢上的平均电压UAB越大，转速越高。它是由驱动电压脉冲宽度决定的。⑦双极性：由以上分析表明：可逆H型双极式PWM开关功率放大器，无论负载是重还是轻、电机是正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都在US和

–US之间变换一次，故称为双极性。

机械工程学院4）PWM调速系统的特点①频带宽、频率高:

晶体管“结电容”小，开关频率远高于可控（50Hz)，可达2-10KHz。快速性好②电流脉动小由于PWM调制频率高，电机负载成感性对电流脉动由平滑作用，波形系数接近于1。③电源的功率因数高:SCR系统由于导通角的影响，使交流电源的波形畸变、高次谐波的干扰，降低了电源功率因数。PWM系统的直流电源为不受控的整流输出，功率因数高。④动态硬度好校正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高。机械工程学院近年来交流电机飞速发展，克服了直流电机结构上的缺点，充分发挥了坚固耐用、经济可靠、动态响应好，输出功率大等优点。因此，某些场合交流伺服电机已逐渐取代直流伺服电机。

1电刷和换向有磨损，有时会产生火花2换向器由多种材料制成，制作工艺复杂3电机最高速度受限制4结构复杂，成本较高6）直流电机缺点：机械工程学院五、交流伺服电机与主轴驱动系统永磁同步型（SM型）异步感应型（IM型）AC伺服电机本身结构简单，坚固耐用，体积较小，重量较轻，没有整流子机械换向，所以远比DC伺服电机便于维护。但速度的控制方法比DC伺服电机要复杂的多，对控制元件的容量及速度的要求也很高。交流伺服电机用三相正弦电流驱动机械工程学院永磁式同步电机：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。故数控机床进给驱动系统多采用永磁式同步电机。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。机械工程学院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机械工程学院机械工程学院2.永磁式交流同步电机工作原理和性能nr＝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永磁交流同步伺服电机的性能

与直流伺服电机一样，也用特性曲线和数据来表示。最主要的是转矩-速度特性曲线。在连续工作区（Ⅰ区），速度和转矩的任何组合，都可连续工作。但连续工作区的划分受到一定条件的限制。连续工作区划定的条件有两个：一是供给电机的电流是理想的正弦波；二是电机工作在某一特定温度下。断续工作区（Ⅱ区）的范围更大，尤其在高速区，这有利于提高电机的加、减速能力。机械工程学院T（N-cm）

120001000080006000400020000100020003000Ⅰ

Ⅱ

特性曲线机械工程学院主要内容（1）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=(ns－nr)/nsp—极对数异步电机

变频–

用于笼型电机调压（定子电压）电磁砖差离合器调阻（转子电组）

串级调速

交–直–交交–交变转差率变频变极对数同步电机交流电动机由此可知调速方法：机械工程学院整流器:把交流电变为固定的或可调的直流电;逆变器:把固定的直流电变为固定的或可调的交流电;斩波器:把固定的直流电压变为可调的直流电压.利