伺服电机在数控机床上的应用

伺服电机在数控机床上的应用第一页，共二十四页，2022年，8月28日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，如下表第二页，共二十四页，2022年，8月28日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第三页，共二十四页，2022年，8月28日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第四页，共二十四页，2022年，8月28日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第五页，共二十四页，2022年，8月28日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第六页，共二十四页，2022年，8月28日NSNS数控机床伺服驱动及控制技术

伺服电机的控制原理（1）直流电机的原理直流电机工作原理：根据弗来名左手定则，在磁场中通电导线产生运动。线卷通电流，炭刷在几何中心线，产生的转子磁场与定子磁场相垂直。为了保持线卷的转向不变。其中的电流交变。第七页，共二十四页，2022年，8月28日数控机床伺服驱动及控制技术

伺服电机的控制原理（2）交流电机的原理如下：

（1）未通电流（2）S线卷通电流（3）T线卷通电流

根据上面的分析，交流伺服电机和同步电机的构造相似。根据弗来名左手定则，在磁场中通电导线产生运动。它的控制是通过放大器把直流变成可变频的交流，它和一般异步机，同步机不同，这种变频器的输出频率是受安装在同步机转子轴上的位置传感器所控制。每当电机转过一对磁极，逆变器的交流电输出相应交变一个周期，这是一种“自控式变频器”，它保证变频器的输出频率和电机的转速始终保持同步，而不失步。T2S1R2S2‘T1R1NST2S1R2S2‘T1R1NST2S1R2S2‘T1R1NS第八页，共二十四页，2022年，8月28日数控机床伺服驱动及控制技术

伺服电机的控制原理（3）直流电机与交流电机的区别第九页，共二十四页，2022年，8月28日数控机床伺服驱动及控制技术

伺服电机的控制原理（4）

实际的FANUC伺服电机结构图

纵剖面图横剖面图1，定子2，磁铁3，通风孔4，轴1，定子2，磁铁3，压板4，绕组实际的FANUC伺服电机是8极的，其转速为N（min-1），5，编码器6，出线N＝(2f/8)x60=15f,例如，当f=80Hz,N=15x80=1200（min-1）;第十页，共二十四页，2022年，8月28日数控机床伺服驱动及控制技术

伺服电机的控制原理（5）交流伺服速度控制原理A为放大器F/V为频率电压变换器VCMD乘计算转子位置计算A乘计算AAA三角波F/VPWM驱动IGBTMPCTorqueSINθSIN（θ－240∘）θRST第十一页，共二十四页，2022年，8月28日数控机床伺服驱动及控制技术

伺服电机的控制原理（7）关于编码器：FANUC的交流伺服电机要求根据转子的位置旋转，由于编码器装在转子上，也就是利用转子的位置控制定子的电流。使定子电流产生的磁势领前于转子磁势90∘。其内装编码器分两部分：绝对值部分和增量部分。以下是绝对值部分，利用格雷码编码。提高了抗干扰的能力。第十二页，共二十四页，2022年，8月28日数控机床伺服驱动及控制技术

伺服电机的控制原理（8）只采用格雷码的编码器精度不高，每360∘电角度很难保证电机的电流为平滑正弦波形。为此增加细分部分。利用增量式脉冲编码器，比如每360∘电角度内有2000P脉冲，那么每格雷码为2000P/16＝215P，细分原理三相正弦电流的产生第十三页，共二十四页，2022年，8月28日数控机床伺服驱动及控制技术

伺服电机的控制原理（9）PWM控制：如右图。利用三角波的载波得到近似的正弦波输出。其载波的频率为1－3kHz。三相伺服电机就是利用这种方波供电。因此电压波形不是正弦，而电流却是正弦。第十四页，共二十四页，2022年，8月28日数控机床伺服驱动及控制技术

主轴电机的控制原理（1）主轴矢量控制原理：感应电动机的定子旋加1的三相交流电压，产生1旋转电机的等效电路如下：的磁场。假设定子为相互正交以角速度1旋转的两绕组1－1‘和2－2组成。1－1流过励磁电流分量I0产生旋转磁通2，转子绕组3－3感应电流，因而2－2绕组也感应电流I2；电机的转矩T为：T2I2I0I2第十五页，共二十四页，2022年，8月28日数控机床伺服驱动及控制技术

主轴电机的控制原理（2）主轴矢量控制原理：

根据矢量控制的原理，I0与I2之间要求正交那么从上面的电路图可以看出：

1×M’×I0＝(r2’/s)×I2，所以

s×1＝(r2’/M’)×(I2/I0)=(r2/L2)×(I2/I0)这就是矢量控制的条件。第十六页，共二十四页，2022年，8月28日数控机床伺服驱动及控制技术

伺服电机的控制原理（2）第十七页，共二十四页，2022年，8月28日数控机床伺服驱动及控制技术

主轴电机的控制原理（3）左图为目前数控系统中使用的控制图共用一个电源和一个再生控制第十八页，共二十四页，2022年，8月28日数控机床伺服驱动及控制技术

伺服放大器的发展（1）相位控制70年代早期：以低频响应和大的转子惯量保证鲁棒性和稳定性PWM控制70年代末期：采用PWM，提高了响应性，中低惯量的直流电机仍得到应用。第十九页，共二十四页，2022年，8月28日数控机床伺服驱动及控制技术

伺服放大器的发展（2）伺服进给采用同步机主轴压頻及滑差控制80年代早期：由于同步电机的高响应及急仃时的动态制动而采用。异步电机变频时具有宽的恒功率调速范围而得到应用。第二十页，共二十四页，2022年，8月28日数控机床伺服驱动及控制技术

伺服放大器的发展（3）矢量控制及采用DSP80年代后期：由于矢量算法的解决；DSP在控制电机中的应用；以及IGBT具有更好的特性产生了数字伺服。第二十一页，共二十四页，2022年，8月28日数控机床伺服驱动及控制技术

伺服放大器的发展（4）数字控制90年代：数字伺服控制技术的改进，以实现高速，高精加工。前馈控制矢量控制第二十二页，共二十四页，2022年，8月28日数控机床伺服驱动及控制技术

伺服放大器的发展（5）采用数字伺服技术伺服控制越来越多采用数字伺服系统。伺服技术是NC系统的重要组成部分。广义上说，采用计算机控制，控制算法采用