第2章 数控机床电气控制基础

第2章数控机床电气控制基础广东省科学技术职业技术学院帅旗学习导论本章主要介绍数控机床的发展过程和趋势，数控机床的基本概念，数控机床的组成、工作原理及分类，数控加工的特点。重点掌握数控机床的组成及工作原理；点位控制、点位直线控制、轮廓控制数控机床的特点。目录项目1数控机床电气控制及基本回路项目2数控机床用可编程控制器项目3步进电机驱动装置项目4直流伺服驱动装置项目5交流伺服驱动装置项目6数控机床主轴驱动装置项目九数控机床典型驱动装置及接口技术项目1数控机床电气控制及基本回路一、数控机床常用控制电器简介1．主电路中常用低压电器（1）熔断器（2）低压断路器（3）接触器（4）热继电器第五章数控机床I/O控制的故障瓷插式熔断器熔断器有填料式熔断器第五节熔断器熔断器系统DC24V输入电路的熔断器。(7.5A)。发那科熔断器太贵，最好自作一个采用玻璃管熔断器，从原来发那科保险焊出两根线替代。万能式低压断路器结构图塑壳式低压断路器原理图1．主触头2．自由脱扣器3．过电流脱扣器4．分励脱扣器5．热脱扣器6．失压脱扣器

7．按钮一、刀开关1.开关板用刀开关（不带熔断器式刀开关）

作用：不频繁地手动接通、断开电路和隔离电源用。

结构图和符号：QS触头系统：主触头、辅助触头

常开触头（动合触头）常闭触头（动断触头）电磁系统：动、静铁芯，吸引线圈和反作用弹簧灭弧系统：灭弧罩及灭弧栅片灭弧接触器1．结构

一、交流接触器

接触器交流接触器结构图主触头常闭辅助触头常开辅助触头静铁心动铁心吸引线圈灭弧装置用途：远距离通断直流电路或控制直流电动机的频繁起停。结构：电磁机构、触头系统和灭弧装置。工作原理：与交流接触器基本相同。二、直流接触器

额定电压

交流接触器：127、220、380、500V直流接触器：110、220、440V交流接触器：5、10、20、40、60、100、150、250、400、600A

直流接触器：40、80、100、150、250、400、600A额定电流

吸引线圈额定电压交流接触器：36、110（127）、220、380V直流接触器：24、48、220、440V四、接触器的主要技术指标

作用：控制、放大、联锁、保护和调节分类：按用途分：控制和保护继电器按动作原理分：电磁式、感应式、电动式、电子式、机械式按输入量分：电流、电压、时间、速度、压力按动作时间分：瞬时、延时继电器特点：额定电流不大于5A继电器热继电器结构示意图热继电器的图形符号作用：电动机的过载保护利用双金属片受热弯曲去推动杠杆使触头动作利用电阻值随温度变化而变化的特性制成利用过载电流发热使易熔合金熔化而使继电器动作热继电器型式：双金属片式热敏电阻式易熔合金式结构：由发热元件、双金属片和触头及动作机构等部分组成。一、电流继电器特点：线圈串接于电路中，导线粗、匝数少、阻抗小。分类：过电流继电器、欠电流继电器过流电流继电器欠流电流继电器欠电流继电器KAI<KAKA过电流继电器>IKAKAKA一、电流继电器继电器如果线圈在额定电流下工作时街铁释放，当电流超过某个额定值时街铁吸合，这样的继电器称为过电流继电器。若线圈在额定条件下工作时街铁吸合，只有当电流低于某个额定值时衔铁才释放的继电器称为欠电流继电器。正常电流时欠电流继电器的衔铁是被吸合的，而过电流继电器的衔铁则处于释放状态。它是在输入电路内电流的作用下，由机械部件的相对运动产生预定响应的一种继电器。包括直流电磁继电器、交流电磁继电器等、作用：按整定时间长短通断电路分类：按构成原理分：电磁式电动式空气阻尼式晶体管式数字式按延时方式分：通电延时型断电延时型

(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(a)线圈一般符号(b)通电延时线圈(c)断电延时线圈(d)通电延时闭合动合（常开）触点(e)通电延时断开动断（常闭）触点（f）断电延时断开动合（常开）触点（g）断电延时闭合动断（常闭）触点（h）瞬动触点时间继电器符号作用：发送控制命令或信号的电器分类：控制按钮万能转换开关主令控制器行程开关接近开关主令电器控制按钮万能转换开关第六节主令电器一、输入元件1.控制开关（按钮、）①用于主轴、冷却、润滑及换刀等控制的按钮，这些按钮往往内装有信号灯，一般绿色用于起动，红色用于停止。②用于程序保护，钥匙插入方可旋转换作的旋钮式可锁开关。③用于紧急停止，装有突出蘑菇形钮帽的红色紧停开关。④用于坐标轴选择、工作方式选择和倍率选择等，手动旋转操作的转换开关。⑤在数控车床中，用于控制卡盘夹紧、放松，尾架顶尖前进、后退的脚踏开关等。

行程开关行程开关行程开关又称限位开关，它将机械位移转变为电信号，以控制机械运动。按结构可分为直动式、滚动式和微动式。滚动式行程开关滚动式行程开关a)结构示意图b)外形图1一滚轮2一上转臂3一盘形弹篱4一推扦5—滚轮6—擒纵件7一弹簧(1)8一动断触点9--动合触点l0一动触点11一压缩弹簧12一弹簧(2)

接近开关

这是一种在一定的距离(几毫米至十几毫米)内检测物体有无的传感器。它给出的是高电平或低电平的开关信号，有的还具有较大的负载能力，可直接驱动继电器工作。具有灵敏度高、频率响应快、重复定位精度高、工作稳定可靠及使用寿命长等优点1电感式接近开关电感式接近开关内部大多由一个高频振荡器和一个整形放大器组成。振荡器振荡后，在开关的感应面上产生交变磁场，当金属物体接近感应面时，金属体产生涡流，吸收了振荡器的能量，使振荡减弱以致停振。振荡和停振两种不同的状态，由整形放大器转换成开关信号，从而达到检测位置的目的。

图电感式接近开关

a)外形图b)位置检测示意图c)接近开关图形符号

l-测头2-纹3—螺母4—指示灯5一信号输出及电源电缆6一运动部件7--感应块8一电感式接近开关9—安装支架10-轮轴感应盘电式接近开关图所示的光电式接近开关是一种遮断型的光电开关，又称光电断续器。当被测物4从发射器I和接收器3中间槽通过时，红外光束2被遮断，接收器接收不到红外线，而产生一个电脉冲信号。

图光电式接近开关a)光电断续器外形及结构b)遮断型光电开关外形c)反射型光电开关外形及结构1—发光二极管2一红外光3一光敏元件4一被测物5一发射器6一接收器霍尔式接近开关霍尔式接近开关是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器和OC门等电路做在同—个芯片上的集成电路，因此，有时称霍尔式接近开关为霍尔集成电路。刀位信号是靠霍尔式接近开关和磁铁的检测获得的，刀架定轴上端装有4个霍尔接近开关，分别为4个刀位的位置，当刀台旋转时，带动磁铁一起旋转，到达规定刀位时，通过霍尔接近开关输出到位信号。如果某个刀位上的霍尔接近开关断路或损坏，就会造成刀台定位时不到位或过冲太大的现象。

1-罩壳2-定轴3-霍尔集成电路4-磁钢5-刀台6-刀架座3．变压器及直流稳压电源（1）机床变压器

（2）直流稳压电源一.电子装置中对直流电源的要求要求：是直流电源的稳定性好影响因素：电网电压的变化负载的变化二.直流稳压电源系统的组成１.小功率直流稳压系统由电源变压器，整流电路，滤波电路，稳压电路组成．一.稳压电路及稳压原理1.硅稳压管稳压电路桥式整流

常用滤波电路(a)电容滤波；(b)电感电容Γ型滤波；(c)电阻电容Π型滤波二、电气控制基本回路1．自锁控制回路2．互锁控制回路

3．顺序控制回路4.自动循环控制回路5．点动与长动控制回路6．联合控制与分别控制回路自锁控制回路工作原理互锁控制回路接触器联锁正反转控制电路工作台自动往返控制三、典型控制回路1．异步电动机典型控制回路（1）异步电动机降压启动控制回路

（2）异步电动机的正反转控制回路（3）异步电动机的制动控制回路2．直流电动机典型控制控制回路（1）直流电动机单向运转启动控制回路（2）直流电动机正反转控制回路（3）直流电动机制动控制回路三相异步电动机星型接法三相异步电动机三角型接法负载星形（Y形）连接的

三相对称电路iBiCiNiAN

三相交流电动机N各负载的相电压等于电源的相电压负载三角形（△形）连接的

三相对称电路iCABCiBiAiCAiBCiAB–

+uAB–

+uBC–

+uCA线、相电压对应相等负载线、相电压之间的关系异步电动机降压启动控制回路合上电源开关按下按钮SB2KM1、KT线圈通电M串电阻降压启动KT延时KM2线圈通电，KM1、KT线圈断电M全压运行Y—△降压启动控制1.单向反接制动的控制反接制动控制电气原理图：速度继电器

关键是电动机电源相序的改变，且当转速下降接近于零时，能自动将电源切除。

单向运转启动控制－－串二级电阻按时间原则启动控制D6工作原理：合上Q1和Q2KT1通电KT1常闭触点断开切断KM2、KM3电路按下按钮SB2KM1通电KM1Z主触点闭合M串电阻启动KM1常开触点闭合自锁KT1断电延时KM2通电短接R1KT2断电延时短接R2M全压运行3.注意事项直流电动机在起动和工作时，励磁电路一定要接通,不能让它断开,而且起动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生事故：(1)如果电动机是静止的，由于转矩太小(T=KT

Ia),

电机将不能起动，这时反电动势为零，电枢电流很大，电枢绕组有被烧坏的危险。(2)如果电动机在有载运行时断开励磁回路，反电动势

E立即减小而使电枢电流增大，同时由于所产生的转矩不满足负载的需要，电动机必将减速而停转，更加促使电枢电流的增大，以至烧毁电枢绕组和换向器。(3)如果电机在空载运行，可能造成飞车，使电机遭受严重的机械损伤，而且因电枢电流过大而将绕组烧坏。1、单向运转启动控制－－串二级电阻按时间原则启动控制D65电气原理图：过电流继电器欠电流继电器电枢绕组励磁绕组断电延时时间继电器放电电阻启动接触器短接电阻接触器启动电阻改变直流电动机转动方向：直流电动机的转动方向：二、直流电动机正反转控制取决于电磁转矩M=CMφI的方向改变电枢两端电压的方向改变励磁电流的方向电气原理图二、直流电动机正反转控制短路保护反转接触器正转接触器短接电阻接触器四.数控机床典型控制线路1．数控铣床电气控制线路X25K型铣床电气控制（1）电源线路分析（2）主轴及X、Y、Z轴伺服驱动控制线路分析2．数控车床电气控制线路

机床电气控制系统分析

C650型普通车床的电气控制系统电路如图所示。图C650车床控制电路电源引起的故障1.系统上电后，系统没有反应，电源不能接通：原因：

1）外部电源没有提供，缺相或外部形成了短路

2）电源的保护装置跳闸形成了电源开路

3）PLC的地址错误或者互锁装置使电源不能正常接通

4）系统上电按钮接触不良或脱落

5）元气件的损坏引起的故障 （熔断器熔断、浪涌吸收器的短路等）2.电源模块故障分析：原因：

1）整流桥损坏引起电源短路

2）续流二极管损坏引起的短路

3）电源模块外部电源短路

4）滤波电容损坏引起的故障

5）供电电源功率不足使电源模块不能正常工作3.强电部分接通后，马上跳闸

原因1： 机床设计时选择的空气开关容量过小，或空气开关的电流选择拨码开关选择了一个较小的电流原因2： 机床上使用了较大功率的变频器或伺服驱动，并且在变频器或伺服驱动的电源进线前没有使用隔离变压器或电感器，变频器或伺服驱动在上强电时电流有较大的波动，超过了空气开关的限定电流，引起跳闸。项目2数控机床用可编程控制器数控机床的控制除了对坐标轴的进给进行位置伺服控制外，还需要对机床的主轴、刀具和各种开关信号进行控制。如主轴的正、反转，起动和停止，刀具交换，工件夹紧、松开，工作台交换以及切削液的开、关和润滑系统的启动等进行顺序控制。顺序控制的信息主要是开关量信号，如控制开关、行程开关、压力开关和温度开关等输入元件输入的信号和继电器、接触器、电磁阀等输出元件所需要的输出信号。在数控机床上用可编程控制器完成这一控制任务。FANUC–Oi系统PMC的性能和规格一、可编程控制器的基本结构及工作原理1．基本结构可编程控制器种类繁多，但基本结构结构和工作原理基本相同。如图2-33所示，可编程控制器PLC的基本结构有中央处理单元(CPU)，存储器、I／O接口，电源，扩展接口，通信接口，编程工具，智能I／O接口等组成。图2-332．工作原理用户程序通过编程器输入到用户存储器，CPU对用户程序循环扫描并顺序执行，这是PLC的基本工作原理。所谓扫描与顺序执行是指，只要PLC接通电源，CPU就对用户存储器的程序进行扫描，即从第一条用户程序开始顺序执行，直到用户程序最后一条，形成一个扫描周期，周而复始。用梯形图形象地说就是从上至下，从左至右，逐行扫描执行梯形图所描述的逻辑功能。PLC对用户程序的扫描执行过程可分为三个阶段，即输入采样、程序执行和输出刷新，如图2-36所示。图2-36二、数控机床用可编程控制器类型及实现功能1．类型数控机床中所用的PLC可分为两类：一类是专为实现数控机床顺序控制而设计制造的内装型PLC；另一类是那些输入输出技术规范，输入输出点数、程序存储容量以及运算和控制功能等均能满足数控机床控制要求的独立型PLC。（1）内装型PLC内装型PLC从属于CNC装置，PLC与CNC之间信号传送在CNC装置内部就可完成，而PLC与机床侧的信息传送则要通过输入输出接口来完成。（2）独立型PLC独立型PLC又称通用型PLC。独立型PLC独立于CNC装置，具有完备的硬件和软件，能独立完成规定控制任务的装置。图为内装式PLC输入/输出信息示意图项目四可编程控制器及接口技术2.独立型PLCCNC输入/输出电路输入/输出电路PLC输入/输出电路PLC装置CNC装置机床电器柜位置检测CRT/MDI面板机床操作面板强电、气动、液压控制电路刀库伺服单元主轴伺服单元进给伺服单元PLC在机床中的配置方式CNC

机床I/O接口PLCCNC接口机床CNCPLCI/O接口PLCn根线m根线m根线m+n个点一根电缆线M个点，易于维护，成本低数控装置、可编程控制器、机床之间的关系图

CNC系统数控装置可编程控制器操作面板主轴控制辅助动作换刀动作冷却排屑PLC在数控系统中的应用、概述二、数控机床PLC的功能1.机床操作面板控制

将机床操作面板上的控制信号直接送入PLC，以控制数控系统的运行。

2.机床外部开关输入信号控制

将机床侧的开关信号送人PLC，经逻辑运算后，输出给控制对象。这些控制开关包括各类控制开关、行程开关、接近开关、压力开关和温控开关等。3.输出信号控制

PLC输出的信号经强电柜中的继电器、接触器，通过机床侧的液压或气动电磁阎，对刀库、机械手和回转工作台等装置进行控制，另外还对冷却来电动机、润滑泵电动机及电磁制动器等进行控制。4.伺服控制（主轴和伺服驱动装置的使能控制）

控制主轴和伺服进给驱动装置的使能信号，以满足伺服驱动的条件，通过驱动装置，驱动主轴电动机、伺服进给电动机和刀库电动机等。5.报警处理控制

PLC收集强电柜、机床测和伺服驱动装置的故障信号，将报警标志区中的相应报答标志位置位，数控系统便显示报警号及报警文本以方便故障诊断。6.转换控制有些加工中心的主轴可以立/卧转换，当进行立/卧转换时，PLC完成下述工作：①切换主轴控制接触器。②通过PLC的内部功能，在线自动修改有关机床数据位。③切换伺服系统进给模块，并切换用于坐标轴控制的各种开关、按键等。3．PLC与外部的信息交换及地址分配如图2-40所示为FANUC系统PLC与外部的信息交换流程图。X信号为机床到PLC的信号；Y为PLC到机床的信号；G为PLC到CNC系统的信号；F为CNC系统到PLC的信号。（1）机床至PLC（MT→PLC）（2）PLC至机床（PLC→MT）（3）CNC至PLC（CNC→PLC）（4）PLC至CNC（PLC→CNC）PLC与PMC区别PLC是最基本的逻辑控制，机床叫的PLC叫PMC，M就是MACHINE，他体现出了区别，首先PLC对外只有INPUT,OUTPUT的概念，而PMC增加了与数控系统的专用接口,FANUC用F和G地址来区分，SIEMENS用DB来区分，比如主轴旋转指令，PLC处理时先有主轴旋转指令输入信号，然后根据逻辑要求处理完后直接输出由外围设备直接执行，而PMC有输入信号后，有可能要先传送到PMC处理互锁信号（如卡盘夹紧，刀具锁紧，防护门关闭）然后PMC再将处理结果传送到数控系统专用地址，然后数控系统将指令发给伺服系统执行，数控系统如果执行或没有执行都要将信号在传送给PMC，PMC再处理相应输出。FANUC的PMC是属于专用的PLC，地址有详细的划分，不能独立出来使用。SIEMENS的PLC是以标准S7-300为基础的，他将一些必要的动作已经编辑好了标准功能块，如FC8是刀具管理，FC9同步子程序控制。FC13手轮单元控制，FC15是PMC控制轴定位等等功能。FANUC的报警可以分成两大类。一类我们可以称之为内部报警。它主要是FANUC系统根据它所控制的对象，如：伺服放大器、串行主轴放大器、NC本体等的运行状态来产生相应的报警文本。这类报警是系统本身所固有的。另一类我们可以称之为外部报警，它主要机床厂针对所设计的机床外围的不减的运行状态通过I/O单元来产生相应的报警文本。外部报警根据报警序号的排列可以分三种.,1)1000~1999：此类报警会中断当前的操作，同时将报警文本显示在系统的报警画面。2)2000~2999：此类报警不会中断当前操作，同时将报警文本显示在系统的操作信息画面。此类报警可以用来做机床的相关的警告和操作提示。3)3000~3200：宏程序报警。机床厂可以根据一些加工中产生的机床状态，在执行专用宏程序当中通过专用语句产生相应的报警提示，同时中断当前的操作。对于前两种的报警信息是通过PMC中报警寄存器A来启动的，因此在维修过程中如果发生相应的报警，我们可以通过查找具体的报警寄存器回路来分析故障原因。

X1000.2为过载常闭开关（如热保护等）发生过载时，X1000.2断开，则X1000.2常闭点为

延时5秒仍断开，此时R50.0得电，则A0.1得电为1，显示A0.1对应的报警信息。3．FANUC-PLC功能指令功能指令都是一些子程序，应用功能指令就是调用相应的子程序。FANUC-PLC的功能指令数目视型号不同而不同，其中PMC-L为35条，PMC-SA3为66条。功能指令的格式如图2-46所示。包括控制条件、指令标号、参数和输出几个部分。

PMC-L基本指令表.典型PLC的指令和程序编制FANUC系统

PMC的功能指令

定时器指令（TMR、TMRB）可变定时器TMR:TMR指令的定时时间可通过PMC参数进行更改。

固定定时器TMR:TMRB的设定时间编在梯形图中，在指令和定时器号的后面加上一项参数预设定时间，与顺序程序一起被写入FROM中，所以定时器的时间不能用PMC参数改写。

FANUC系统

PMC的功能指令

3.计数器指令（CTR）计数器主要功能是进行计数，可以是加计数，也可以是减计数。计数器的预置值形式是BCD代码还是二进制代码形式由PMC的参数设定（一般为二进制代码）。

FANUC系统

PMC的功能指令

8.旋转指令（ROT、ROTB）

①此指令用来判别回转体的下一步旋转方向。②计算出回转体从当前位置到目标位置的步数。③计算出回转体从当前位置到(目前刀库上处于换刀位置的刀套号)目标位置(在加工程序中要换的刀具所在的刀套号

)前一位置的位置数。⑴指定起始位置数：RNO=0,旋转起始位置为0RNO=1,旋转起始位置为1⑵指定要处理数据的位数：BYT=0,指定两位BCD码

BYT=1,指定四位BCD码⑶选择最短路径的选择方向：DIR=0,不选择按正向

DIR=1，选择最短路径⑷指定操作条件：POS=0,计算现在位置与目标位置的步距数

POS=1,计算现在位置与目标位置的前一个位置的步距数⑸指定位置或步距数：INC=0,计算目标位置号（表内号）

INC=1,计算到达目标位置步数⑹控制条件：ACT=0,不执行ROT指令，W1不变化

ACT=1.执行ROT指令，并有旋转方向给出⑺旋转方向输出:选用最短路径方式中有旋转方向控制信号，该信号输出到W1W1=0,旋转方向为正（FOR）

W1=1,旋转方向为负（REV）所谓正转是指转子的位置数递增所谓反转是指转子的位置数递减1.DSCH指令(找刀套或称为找刀座)数据表容量应

数据表开头地址存放要选的刀的刀号存放的要选的刀所在的刀套号

1.COIN指令（一致性检测指令）（判别指令）：此指令用来检查参考值与比较值是否一致，可用于检查刀库，转台等旋转体是否到达目标位置等。

如果两者相等，说明刀套已经在换刀侧

宏程序中最重要的概念：由G□□设定#1000-#1015，称为宏程序输入信号由#1100-#1115设定F□□,称为宏程序输出信号详细讲解之：宏程序输入信号，通常在梯形图中设定G54.0-G55.7的值，对应于#1000-#1015。变量#1032用于一次性读取16位信号，即读取一个字。在梯形图中将G54.0-G54.7,G55.0-G55.7的每一位置0或1，相当于#1000-#1007，#1008-#1015的对应位置0或置1，两者是一一对应的，是等价的，又是单向的，只能通过设定G代码，去控制#1000-#1015，不能通过#1000-#1015反过来控制G指令，这样就可以在宏程序中引用#1000-#1015了，即可以在宏程序引用G指令状态，将宏程序和梯形图联系起来，宏程序可以读取梯形图状态。宏程序输出信号在编写宏程序中将宏变量#1100-#1115赋值，设为1或0，相当于将梯形图中F54.0-F55.7相对应的位触点接通或断开。两者是一一对应的，又是单向的，是通过宏变量#1100-#1115去控制F54.0-F54.7信号。将宏程序和梯形图联系起来。斗笠式换刀过程（流程图）

MO6调用宏程序O9001宏程序（O9001）

#4003为“0”时，执行G90(绝对坐标)

为“1”时，执行G91(相对坐标)#4006为“0”时，执行G20(英寸输入)

为“1”时，执行G21（毫米输入）O9001;M05;主轴停；G04X0.2;延时0.2秒；IF(#1000EQ1)GOTO100;刀在主轴上（PMC中G54.0有对应）,跳出；#23=#4003；记录主程序中的模态，以便子程序结束时可恢复；（绝对，相对，英制，公制）#26=#4006；G21G91G30Z0M19;回换刀点，主轴定向

M81；刀盘进G4X1;延时1秒M71;主轴松刀G21G91G28Z0;主轴上提至原点M79;刀盘旋转，找刀G21G91G30Z0;回换刀点M72;主轴紧刀M82;刀盘退G#23;G#26;恢复主程序中模态（英制，公制，相对，绝对）M05;主轴停N100M99;子程序返回FANUC系统

PMC的功能指令

译码指令（DEC、DECB）DEC指令的功能是：当两位BCD代码与给定值一致时，输出为“1”；不一致时，输出为“0”，主要用于数控机床的M码、T码的译码。一条DEC译码指令只能译一个M代码。

项目四可编程控制器及接口技术2.操作方式选择、M代码译码HS

M：手动操作开关

AS

M：自动操作开关MF:M功能选通DEC:M功能译码系统PMC计数器画面

系统PMC的定时器画面

3.PMC参数画面（PMCPRM）

系统PMC保持型继电器画面（KEEPRL）

K00—K15为用户使用，机床厂家可根据机床的具体要求来设定，如机床是否使用第4轴控制、机床自动排削功能的选择等控制。K16—K19为系统专用区，用户不能作为他用，如K17.0为系统梯形图显示选择(设定为0时，表示显示系统梯形图)，K17.1为系统内装编辑功能是否有效(设定为1时,表示有效)。FANUC—0iB/0iC系统采用SB7类型PMC时，保持型继电器K900以上为系统专用区

。一、电动机的连续运转I/O接线图启动按钮SB1－X1停止按钮SB2－X2SB1KM1SB2COM1Y1COMX1X2FR运行接触器KM－Y1FRX3热继电器的常闭触点可以作为输入信号进行过载保护，也可以在输出进行保护热继电器电源KMKMSB1SB2电动机的连续运转X2X1SB1SB2COM一、电动机的连续运转常闭触点输入信号的处理电气原理图KMKMSB1SB2端子接线图X2X1SB1SB2COM常闭触点梯形图X1Y1Y0X2常开触点电动机的连续运转二、电动机的正反转控制FUKM1QS正转接触器反转接触器L1L2L3主电路KM2FRM3~注意调相二、电动机的正反转控制I/O接线图正转启动SB2-X0反转启动SB3-X1

停止SB1-X2KM2SB2KM1SB3SB1KM2KM1电源FR正转接触器KM1-YI反转接触器KM2-Y2正转互锁反转互锁Y1COMX0X1X2Y2COM1电动机的正反转控制二、电动机的正反转控制梯形图指令表

0LDX11ORY12ANIX23

ANI

X14ANI

Y25OUTY16LDX17ORY28ANIX29ANI

X010ANI

Y111OUTY212END正转反转X0Y1Y1X2Y2X1X1Y2Y2X2Y1X0END数控机床PLC典型应用程序一、主轴定向控制

项目四可编程控制器及接口技术初始状态AUTOM19M06RSTORCMORCMORARTMR203T1T1R14.5sORCM:主轴定向继电器ORAR:定向到位信号项目四可编程控制器及接口技术三、润滑系统自动控制

1.润滑系统电气控制接线图项目四可编程控制器及接口技术三、润滑系统自动控制

2.梯形图项目3步进电机驱动装置步进电动机常用于开环控制系统，数控机床用驱动步进电机主要有两种类型：反应式步进电机和混合式步进电机。一、反应式步进电动机1．基本构成步进电动机的结构型式有多种，这里介绍常用的单定子反应式步进电动机的结构。同样是由定子和转子组成，如图2-62所示。

2．工作原理（1）单三拍步进电动机步进电机的工作原理和一般电机的原理是不同的。它是利用电磁铁作用的原理使步进电动机旋转的，步进电机的工作原理如图2-63所示。（2）单、双六拍步进电动机如果电机的定子绕组的通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A……即首先A相通电，然后AB两相通电，再使A相断电而使B相保持通电状态，接着BC两相同时通电，依此类推，每切换一次，步进电动机将逆时针方向转动15ο，形成三相六拍工作方式。此时电动机的步距角比三拍时小一半。步距角θ为：图2-63a）b）c）二、多段反应式步进电动机1．结构特点有一种反应式步进电动机是按轴向分相的，这种步进电动机也称为多段反应式步进电动机。如图2-64所示的是多段反应式步进电动机的剖面图。多段反应式步进电动机沿着它的轴向长度分成磁性能上独立的几段，每一段都用一组绕组励磁，形成一相。因此，三相电动机有三段。图2-64三段反应式步进电动机剖面图

电动机的每一段都有一个定子，它们固定在外壳上。转子制成一体，由电动机两端的轴承支承。每段定子上都有许多磁极，相绕组绕在这些极上。2．工作原理沿电动机的轴向长度看，每段的转子齿都是排齐的，但不同段所对应的定子齿之间有不同的相对位置，因此，A段定子齿和转子齿是对齐的，B段和C段里的定子齿和转子齿则对不齐。若从A相通电变化到B相通电，则为了使B段里的定子齿和转子齿对齐，转子需要转动一步。B相断开，C相通电，则电动机转子以同一方向再走一步。再使A相单独通电，则转子再走一步，A段里的定子齿和转子齿再一次完全对齐。通电状态的三次变化使转子转动三步或一个齿距：不断按序改变通电状态，电动机就可连续旋转。这就是多段电机的基本工作原理。三、混合式步进电动机1．基本构成与反应式步进电动机一样，混合式步进电动机也由定子和转子两部分组成。混合式步进电动机的定子绕组一般有两相、四相或五相。2．工作原理图2-67是混合式步进电动机工作原理图，这是四相混合式步进电动机以圆周展开的剖面模型。

转子磁钢产生的磁通回路

步进电动机及其驱动电路的线路连接混合式步进电动机剖面图

a）b）四、步进电动机的细分步进电动机的细分是将脉冲拍数进行细分或将旋转磁场进行数字化处理。当步进电动机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分的方法来驱动步进电机。1．步进电机细分基本思想2．步距角细分原理五、步进电机的使用及几种步进电机的比较磁阻式步进电动机(反应式)

是一种将电脉冲信号转换成角位移的执行元件，定转子磁路均由软磁材料制成，只有控制绕组，基于磁导变化而产生转矩，其性能特点是步距角小，起动和运行频率较高，断电时无定位转矩，消耗功率较大感应子式永磁步进电动机转子为感应子式结构型式，也称混合式，兼顾永磁式和磁阻式两类电机优点，它具有步距角小，有较高的起动和运行频率的特点。需要正负脉冲供电，消耗功率较小，有定位转矩永磁式步进电动机凡在结构上采用永久磁钢的步进电动机，其特点是控制功率小，电磁阻尼大，步距角大，起动频率低，需要正、负脉冲供电，有定位转矩六、步进电机的控制1．步进电动机的工作方式步进电动机的工作方式和一般电动机的不同，是采用脉冲控制方式工作的。只有按一定规律对各相绕组轮流通电，步进电动机才能实现转动。数控机床中采用的功率步进电机有三相、四相、五相和六相等。2．步进电机的控制步进电机由于采用脉冲方式工作，且各相需按一定规律分配脉冲，因此，在步进电机控制系统中，需要脉冲分配逻辑和脉冲产生逻辑。图2-71七、晶体三极管简介1．晶体三极管基本结构2．电流分配和放大原理3．特性曲线八、步进电动机驱动电路步进电机驱动电源的形式多种多样。按所使用的功率开关元件来分，有晶闸管驱动电源和晶体管驱动电源；按供电方式来分，有单电压供电和双电压供电(高低压供电)；按控制方式来分，有高低压定时控制、恒流斩波控制、脉宽控制、调频调压控制及细分、平滑控制等，下面将介绍几种控制原理。1．单电压驱动电源2．双电压驱动电源一、步进电机的驱动1.单电压驱动单电源串电阻驱动电路，脉冲分配器输出脉冲到控制信号端后，通过脉冲放大器放大，加到晶体管的基极，使其导通，在稳态时，串联电阻R起限流作用。在换相时，晶体管截止，利用二极管VD的续流作用，防止绕组电感电流不能突变。这种电路适用于小型步进电动机，且性能要求不高的场合。细分控制驱动电路在实际应用中，为了进一步提高进给运动的分辨率，在不改变步进电机结构的前提下，要求对步距角进一步细分。为了达到这一目的，可将绕组电流以阶梯波的方式输入，这时，电流分成多少个阶梯，则转子就以同样的步数转过一个步距角。这样将一个步距角细分成若干步的驱动方法称为细分驱动电路。二、脉冲分配器1.基本工作原理脉冲分配器用来控制步进电动机的运行通电方式。将数控装置送来的一串指令脉冲，按照运行通电方式所要求的顺序和分配规律，分配到各相驱动电路输入端，用以控制各相绕组中电流的开通和关断。由于步进电机有正反转要求，所以脉冲分配器的输出既是周期性的，又是可逆的，因此又叫环形脉冲分配器。脉冲分配器有硬件和软件两种实现形式。项目4直流伺服驱动装置一、集成运算放大器简介集成电路是相对于分立电路而言的，就是把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分割的整体。1．集成运算放大器的特点2．集成运算放大器结构框图3．运算放大器的管脚用途4．理想运算放大器特点及分析依据5．比例放大运算器6．积分运算器7．比例-积分运算器二、直流伺服电动机直流伺服电机具有良好的启动、制动和调速特性，可以方便地在宽范围内实现平滑无级调速。1．直流电机的构成2．直流电动机的工作原理

3．直流电动机的分类4．电磁式直流伺服电动机直流电机的构成1.电磁式直流电动机电磁式直流电动机由定子磁极、转子(电枢)、换向器(俗称整流子)、电刷、机壳、轴承等构成，

电磁式直流电动机的定子磁极(主磁极)由铁心和励磁绕组构成。根据其励磁(旧标准称为激磁)方式的不同又可分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。因励磁方式不同，定子磁极磁通(由定子磁极的励磁线圈通电后产生)的规律也不同。

图直流电动机的结构

1．定子

图7-3直流电动机的定子

2．转子直流电动机的转子主要由转子铁芯、转子绕组和换向器组成，此外，还包括转轴和风扇等部分，转子的铁心采用硅钢片叠压而成，一般为12槽，内嵌12组电枢绕组，各绕组间串联接后，再分别与12片换向片连接。图7-4直流电动机的转子

3．换向器

换向器由许多彼此绝缘的钢质换向片组成一个圆柱体，装在转子转轴的一端。转子绕组的每一个绕组线圈分别接在两个与转轴对称的换向片上。换向片通过和电刷的滑动接触与外加直流电源相连通。当转子转轴每旋转180°时，接在相应换向片上的直流电改变一次极性，相当于每个转子绕组线圈中接的是交流电，保证了形成固定方向的电磁转矩。换向器是直流电动机的标志性部件，它将加于电刷之间固定极性的直流电流变成转子绕组内部的交流电流。电刷与换向器滑动接触，为转子绕组提供电枢电流。电磁式直流电动机的电刷一般采用金属石墨电刷或电化石墨电刷。U–+EETnSbNdFFacII换向片电刷直流电动机的工作原理

图直流电动机的转动模型正、反转直流电动机的反转也有两种方法，如图所示。图直流电动机的正、反转电机电枢电路的电压平衡方程式为

(1)感应电动势为

(2)由以上两个方程可得电动机转速特性

(3)式中U为电动机电枢回路外加电压；Rd为电枢回路电阻；Id为电枢回路电流；Ce为反电动势系数；Kv为反电动势常数；为气隙磁通量。

电动机的电磁转矩为

(4)因此可得电动机机械特性方程式为

(5)式中Cm为转矩系数。

他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。M他励UfIfIaUM并励UIfM串励UM复励U2）并励式直流电动机 如图所示，励磁绕组与转子绕组并联后由一个直流电源供电。直流电源提供的总电流等于励磁电流和转子电流之和，即I=If+Ia。一般If很小，仅为Ia的1%~5%。这种直流电动机的特性与他励式直流电动机的基本相同，其励磁绕组匝数多、电阻大、损耗小，还可节省一个直流电源，因此得到广泛应用。3）串励式直流电动机如图所示，励磁绕组与转子绕组串联后接直流电源，两绕组中的电流相等，If=Ia。这种直流电动机由于转子电流较大，励磁电流也较大，因此，励磁绕组的导线较粗、匝数较少，相应的电阻也较小。其特性与并励式直流电动机的不同。另外，当负载变化时转子电流Ia变化，励磁电流If和主磁通Φ也跟着变化。这种直流电动机一般用于电气机车和起重设备中。4）复励式直流电动机如图所示，产生主磁通的主磁极上有两个励磁绕组，一个与转子绕组串联，另一个与转子绕组并联，它们分别称为串励绕组和并励绕组。主磁通是由这两个绕组产生的磁通叠加而成的。如果两个绕组产生的磁通方向相同则称为和复励或积复励，主磁通将随着转子电流的增加而加强；若两绕组产生的磁通方向相反则称为差复励，主磁通将随着转子电流的增加而减小。这种电动机兼有并励式和串励式直流电动机的共同特点。的转矩-转速特性复励串励并励2.起动方法3.注意事项(1)电枢串电阻起动法(2)降压起动法：

直流电动机在起动和工作时，励磁电路一定要接通,不能让它断开,而且起动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生事故：在满磁下将Rst置最大处，逐渐减小Rst使n升高。3.注意事项直流电动机在起动和工作时，励磁电路一定要接通,不能让它断开,而且起动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生事故：(1)如果电动机是静止的，由于转矩太小(T=KT

Ia),

电机将不能起动，这时反电动势为零，电枢电流很大，电枢绕组有被烧坏的危险。(2)如果电动机在有载运行时断开励磁回路，反电动势

E立即减小而使电枢电流增大，同时由于所产生的转矩不满足负载的需要，电动机必将减速而停转，更加促使电枢电流的增大，以至烧毁电枢绕组和换向器。(3)如果电机在空载运行，可能造成飞车，使电机遭受严重的机械损伤，而且因电枢电流过大而将绕组烧坏。2.永磁式直流电动机永磁式直流电动机也由定子磁极、转子、电刷、外壳等组成，

定子磁极采用永磁体(永久磁钢)，有铁氧体、铝镍钴、钕铁硼等材料。转子一般采用硅钢片叠压而成，较电磁式直流电动机转子的槽数少直流电机的基本特性_1理想转速转速降IaK值的大小反映了什么？KM也被称为转速降△n，其物理意义是负栽对转速的影响机械特性曲线直流伺服电动机的工作曲线

图（a）是直流电动机正转时，转子电流Ia、定子电流If和主磁通Φ的方向。图（b）、（c）是直流电动机反转时，转子电流Ia、定子电流If和主磁通Φ的方向。 如图（b）所示，将转子电源电压U的极性对调，转子电流Ia

的方向就改变了，这时电磁转矩M的方向也跟着改变了，电动机从正转（顺时针方向旋转）变成了反转（逆时针方向旋转）。如图（c）所示，将定子电源的极性对调，改变定子绕组电流If的方向，从而改变主磁通Φ的方向，使电磁转矩反向，电动机也从正转变成了反转。两种实现直流电动机反转的方法中，一般采用改变转子电流方向的方法，而改变主磁通Φ的方法较少采用。三、晶闸管-电动机直流自动调速系统1．调速的定义所谓调速，是指在某一具体负载条件下，通过改变电动机或电源参数的方法，使机械特性得以改变，从而使电动机的转速发生变化或保持不变。由此看来，调速具有两个方面的含义：1）能在一定范围内“变速”。电动机负载不变时，转速可在所允许的范围内变化，即“变速”调速。2）“恒速”。为了保证工作速度不受外界干扰(如负载变化)的影响，也可进行调速。例如，由于负载的增加，电动机的转速就会降低。为维持转速的恒定，就得调整电动机的转速，使其回升，并等于或接近于原来的转速。晶闸管是硅晶体闸流管的简称，俗称可控硅（SCR），晶闸管在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。晶闸管的工作条件：1.晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。2.晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。3.晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。4.晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。电机调速系统实例_1(D)控制驱动电源电源电机CNC系统与速度控制单元的连接信号有：

1)VCMD信号为CNC至速度控制单元用来控制伺服电动机转速的模拟电压控制信号。

2)TSA、TSB信号为CNC至速度控制单元的伺服电动机转速的反馈信号。

3)PRDY1、PRDY2信号为位置准备好控制信号。当PRDY1和PMY2短接时，速度控制单元主回路接通。

4)ENBL1、ENBL2信号为能使控制信号。当ENBLl和ENBL2短接时，速度控制单元开始正常工作，并接受VCMD信号的控制。

5)VRDY1、VRDY2信号为速度控制单元通知CNC其正常工作的触点信号。当速度控制单元出现报警时，VRDYl和VRDY2立即断开，系统封闭。6)OVLl、OVL2信号为过载信号。当速度控制单中的过载继电器MOL或变压器内的热控开关TOH动作时，通知CNC产生过热报警。一、直流主轴驱动装置1．直流主轴驱动的工作原理2．直流主轴驱动器的主回路分析3．直流主轴驱动装置的保护4．直流主轴驱动装置控制板卡介绍图2-154

数控机床直流主轴电动机由于功率较大，是要求正、反转及停止迅速，故驱动装置往往采用三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统，这样在制动时，除了缩短制动时间外，还能将主轴旋转的机械能转换成电能送回电网。逻辑无环流可逆系统是利用逻辑电路，使一组晶间管在工作时，另一组晶闸管的触发脉冲被封锁，从而切断正、反两组晶闸管之间流通的电流(简称环流)。在图中，正组晶闸管VT1提供电动机顺时针驱动(正转)的电枢电流Id，若速度指令由正变负，即电动机由正转到反转过程中，正组晶闸管进入有源逆变状态，将电感储能逆变回送电网。由于此时逆变是发生在原来工作着的桥路，故称为本桥逆变，此时仍处于电动机运行状态，因而电枢电流迅速衰减。当Id回到零时，命今级电路使正组晶闸管VT1完全封锁，此时正、反组晶闸管均被封锁，电动机作惯性运转。在一个安全周朗和后，反组晶闸管VT2接通，进入有源逆变状态，电动势E大于电枢电压Ud

，通过反组晶闸管VT2，机械能由电动机送回电网，电动机运行在发电制动状态，转速很快下降至零。由于此时逆变发生在原来封锁的桥路，因而称为他桥逆变。

逻辑电路必须保证系统满足下述条件：①只允许向一组晶闸管提供触发脉冲。②只和当原先工作的那一组晶闸管完全关断后，才能向另一组晶闸管提供触发脉冲，以防止出现过大的电流③任何一组晶闸管导通时，要防止晶闸管输出电压与电动机电动势方向一致，导致电压相加，使瞬时电流过大。逻辑无环流可逆调速系统除了用在数控机床直流主轴电动机的驱动外，还可用在功率较大的直流进给伺服电动机上。

例：某加工中心采用直流主轴电动机、逻辑无环可逆调速系统。当用M03指令起动时有“咔、咔”的冲击声，电动机换向片上有轻微的火花，起动后无明显的异常现象；用M05指令使主轴停止时，换向片上出现强烈的火花，同时伴有“叭、叭”的放电声，随即交流回路的保险丝熔断。火花的强烈程度和电动机的转速成正比。但若用急停方式停止主轴，换向片上没有任何火花。分析诊断：急停（电阻能耗制动）；正常停机（回馈制动）。在任何时候不允许正、反两组同时工作，有火花说明逆变电路有故障。2．调速性能指标（1）静态调速指标1）调速范围2）静差率（2）动态调速指标3．晶闸管-直流电动机的开环控制系统开环控制系统，就是只有控制量(输入量)对被控制量(输出量)单向控制作用，而被控制量对控制量没有任何影响和联系的控制系统

4．晶闸管一直流电动机的闭环控制系统（1）闭环控制系统的定义所谓闭环控制系统，就是反馈控制系统。它将被测变量值与工艺上需要保持的参数给定值进行比较，得出偏差。根据这个偏差的大小及变化趋势，按预先设计的运算规律进行运算。（2）闭环控制系统框图（3）速度负反馈单闭环有静差调速系统PID控制器是通加对误差信号e(t)进行比例、积分和微分运算，其结果的加权，得到控制器的输出u(t)，该值就是控制对象的控制值。PID控制器的数学描述为：

1、单独的P（比例）就是将差值进行成比例的运算，它的显著特点就是有差调节，有差的意义就是调节过程结束后，被调量不可能与设定值准确相等，它们之间一定有残差，残差具体值您可以通过比例关系计算出。增加比例将会有效减小残差并增加系统响应，但容易导致系统激烈震荡甚至不稳定。

2、单独的I（积分）就是使调节器的输出信号的变化速度与差值信号成正比，大家不难理解，如果差值大，则积分环节的变化速度大，这个环节的正比常数的比例倒数我们在伺服系统里通常叫它为积分时间常数，积分时间常数越小意味着系统的变化速度越快，所以同样如果增大积分速度（也就是减小积分时间常数）将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的震荡过程，这个环节最大的好处就是被调量最后是没有残差的。

3、PI（比例积分）就是综合P和I的优点，利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差。

直流主轴驱动系统常见故障

1.

主轴速度不正常或不稳定

可能原因检查步骤排除措施电动机负载过重

重新考虑负载条件，减轻负载速度指令电压不良或错误测量从数控装置主轴接口输出过来的信号确保主轴控制信号正常反馈线断线或不良测量反馈信号确保接线正确反馈装置损坏更换反馈装置电动机故障，如：励磁丧失等采用交换法，可以判断是否出了故障更换电动机驱动器故障更换驱动器印刷线路板太脏打开驱动器，定期给电路板作出清洁保持电路板的清洁或更换放大器2.

电动机速度达到一定值就上不去了。

可能原因检查步骤排除措施驱动器电流极限设定错误。检查设定参数依照参数说明书，设置好参数主轴负载过大，或机械故障检查是否机械卡住，在停机状态下用手盘主轴，应该非常灵活确保主轴无机械异常，如果负载过大，重新考虑机床负载条件检查直流主轴电机的线圈电阻不正常，换向器太脏检查直流主轴电机的线圈电阻是否正常，换向器是否太脏确保电阻正常，用干燥的压缩空气吹干净驱动器的控制励磁电源存在故障检查励磁线连接是否不牢固、检查励磁电压是否正常拧紧励磁线、更换驱动器

电动机故障，如：电枢线圈内部存在局部短路采用交换法，可判断出它们是否有故障更换电动机驱动器故障如：同步触发脉冲不正确更换驱动器3.

过热或过载报警

可能原因检查步骤排除措施长期负载过大，电动机太热用手触摸电动机，感觉是否发热厉害，如果温度很烫手，等冷却后再开机，看是否仍有报警改善切削条件，调整切削参数，降低负载电动机或反馈线断线或短路用万用表测量其输出端子，是否接通状况良好确保连线正确电动机故障采用交换法，确定电动机是否有故障更换电动机4.发生过流报警

·可能原因检查步骤排除措施

主轴负载过大，或机械故障检查是否机械卡住，在停机状态下用手盘主轴，应该非常灵活确保主轴无机械异常，如果负载过大，重新考虑机床负载条件

励磁线连接不牢固检查励磁线连接是否不牢固拧紧励磁线

驱动器的控制励磁电源存在故障也就是检查励磁电压是否正常

驱动器故障如：同步触发脉冲不正确采用交换法，可判断出它们是否有故障更换驱动器

电枢线短路电枢线短路、电枢绕组短路或局部短路，电枢线对地短路排除短路故障主回路故障用万用表检查所有主回路的可控硅是否有短路更换相应坏的可控硅输入电压太高用万用表测量输入电压控制电压在-10～15%范围内5.

电动机不转

·可能原因检查步骤排除措施机械卡死在不通电的情况下，机械轴应该能自由活动消除机械故障，减轻负载负载特别大在负载特别重的外界情况下，重新考虑机床负载能力机械连接脱落，如高/低档齿轮切换用的力和齿啮合不良检查机械连接情况重新调整机械连接电动机动力线不良用万用表测量各连线端子的接通情况

确保各连接线正常R、S、T线不正常电动机励磁回路或主回路组织不正常检查励磁回路是否有阻值，或者阻值很大？如果没阻值或阻值很大，更换电动机触发脉冲电路故障，晶闸管无触发脉冲产生属驱动器故障，采用交换法判断是否有故障更换驱动器7.

主轴定向不停止

·可能原因检查步骤排除措施主轴没接收到编码器信号编码器故障，没有输出零位信号更换编码器反馈回路故障，没有传入到系统消除反馈信号传输中的断路磁性传感器故障如果采用此行传感器定位，检查相关的指示灯是否点亮如果没亮，有故障，更换磁性传感器定向板上的继电器损坏如果主轴停在准停位，仍有报警，则说明定向板上的继电器损坏更换相应继电器四、晶体管-直流脉宽（PWM）调制自动控制系统直流脉宽调制PWM是PulseWidthModulation的缩写1．直流PWM伺服驱动装置的工作原理2．PWM驱动装置控制原理框图3．PWM驱动装置特点：4．不可逆PWM变换器5．可逆PWM变换器四、进给驱动的故障诊断驱动方式—直流PWM和晶闸管驱动方式、交流变频控制方式、步进电机驱动方式1.直流进给驱动

PWM调速是利用脉宽调制器对大功率晶体管的开关时间进行控制。将速度控制信号转换成一定频率的电压，加到直流伺服电机电枢的两端，通过对方波宽度的控制改变电枢两端的平均电压，从而达到控制电枢电流，进而控制伺服电动机转速的目的。直流斩波器的基本结构与工作原理1.直流斩波器的基本结构

直流斩波器－－电动机系统原理图和电压波形2.斩波器的基本工作原理

在原理图中，VT表示电力电子开关器件，VD表示续流二极管。当VT导通时，直流电源电压Us加到电动机上；当VT关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢电流经VD续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图，好像是电源电压Us在ton时间内被接上，又在T–ton时间内被斩断，故称“斩波”。3.输出电压计算电动机得到的平均电压为：几种典型PWM变换器的基本结构及工作原理PWM驱动装置控制原理图

1.不可逆PWM变换器工作状态与波形（2）有制动的不可逆PWM变换器工作状态与波形2）制动状态3）轻载电动状态二象限不可逆PWM变换器在不同工作状态下的导通器件和电流回路与方向

2.可逆PWM变换器工作状态与波形相关方程：性能评价（2）单极式可逆PWM变换器四、进给驱动的故障诊断1.直流进给驱动—晶闸管调速是利用速度调节器对晶闸管的导通角进行控制，通过改变导通角的大小来改变电枢两端的电压，从而达到调速的目的PWM速度控制系统

PWM速度控制系统是通过脉宽调制器对大功率晶体管的开关时间进行控制，将直流电压转换成某种频率的方波电压，并通过对脉冲宽度的控制，改变输出直流平均电压的自动调速系统。PWM驱动装置在中小功率场合，有着晶闸管驱动装置无法比拟的优点，例如：调速范围宽、快速性好、电流波形系数好、功率因数好等。图4-15直流脉宽调速系统框图

项目5交流伺服驱动装置一、交流伺服电动机1．交流伺服电动机的分类（1）异步型交流伺服电动机(IM)（2）同步型交流伺服电动机(SM)2．三相感应异步电动机（1）三相感应异步电动机的结构（2）三相感应异步电动机的工作原理3．永磁交流伺服电动机（1）永磁交流伺服电动机结构（2）永磁式交流伺服电动机的工作原理（3）永磁式交流伺服电动机的启动性能（4）永磁式交流伺服电动机的机械性能4.4交流伺服电动机及其速度控制

4.4.1交流伺服电动机概述

1.交流伺服电机的分类和特点交流感应电机按所用电源种类可以分为三相和单相两种。其结构是定子上装有对称三相绕组，而在圆柱体的转子铁芯上嵌有均匀分布的导条，导条两端分别用金属环连成一个整体(称笼式转子)，因此这种电机也称笼式电机。当对称三相绕组接三相电源后，由电源提供励磁电流，在定子和转子之间的气隙内建立起同步转速的旋转磁场，依靠电磁感应作用，在转子导条内产生感应电势，因为转子上的导条已构成闭合回路，转子导条中就有电流流过，从而产生电磁转矩，实现由电能转变成机械能的能量变换。

交流同步电机与感应电机的最大差别是同步电机的转速与电源的频率之间存在严格的关系，即在电源电压和频率固定不变时，其转速保持稳定不变。因此，由变频电源供电给同步电机时，便可获得与频率成正比的可变转速，调速范围宽，机械特性硬。交流同步电机的定子结构与感应电机一样，而转子结构不一样。在数控机床进给驱动中常采用永磁式同步电机，即转子用永磁式结构。永磁式的优点是结构简单，运行可靠，效率较高。若永磁式转子采用高剩磁感应、高矫顽力的稀土类磁铁等，可比直流电机的外形尺寸约减小1/2，重量减轻60%，转子惯量减到原来惯量的1/5。与异步电机相比，由于采用永磁铁励磁消除了励磁损耗和杂散损耗，所以效率高。通常永磁交流伺服电机是指永磁同步电机。

2.永磁交流伺服电机的结构及工作原理永磁交流伺服电机结构示意如图所示。由图可见，永磁交流伺服电机主要由三部分组成：定子、转子和检测元件。其中定子具有齿槽，内有三相绕组，形状与普通感应电机的定子相同。但其外部表面呈多边形，并且无外壳，这有利于散热，可以避免电机发热对机床精度的影响。转子由多块永久磁铁等组成，这种结构的优点是气隙磁密较高，极数较多。

图4-16永磁交流伺服电机

图4-17异步及永磁交流伺服电机工作原理图

4．交流伺服电动机的调速原理（1）调速方法1）改变磁极对数p。2）改变转差率调速。3）变频调速。（2）交流变频调速系统基本分析4.交流伺服电动机调速原理根据交流电动机的工作原理，当电机定子三相绕组通三相交流正弦电源时，将建立旋转磁场，其主磁通Φm的空间转速称为同步转速n0。其值为

若电机的实际转速为n，则电机的转差率为

故

式中f为电源电压频率；p为电机磁极对数。

(1)改变磁极对数p调速。磁极对数可变的交流电动机称为多速电动机。通常磁极对数设计成4/2、8/4、6/4、8/6/4等几种。显然，磁极对数只能成对地改变，转速只能成倍地变化。

(2)改变转差率s调速。这种方法只能在绕线式异步电动机中使用。在转子绕组回路中串入电阻，通过改变电阻值的大小，可以改变转差率的大小。串入电阻值大，转差率大，转速低；串入电阻值小，转差率小，转速高。调速系统的调速范围为3∶1。

(3)改变频率f调速。如果电源频率能平滑调节，电机转速也就可以平滑改变。目前，高性能交流电动机伺服驱动系统都采用改变频率调速方法，这是一种先进的调速方法，电机从高速到低速其转差率都很小，因而变频调速的效率和功率因数都很高。

旋转磁场的产生AYCBZ异步机中,旋转磁场代替了旋转磁极(•)电流出(

)电流入XXBZAYCAXYCBZAXYCBZ同理分析，可得其它电流角度下的磁场方向：二、变频调速技术简介1．变频器的分类2．常用变频器结构框图及基本特点3．交一直—交电压型变频器结构形式及其分析4．交一直—交电流型变频器结构形式及其分析5．逆变器的基本工作原理变频调速技术对交流电动机实现变频调速的装置叫变频器，其功能是将电网电压提供的恒压恒频(CVCF，ConstantVoltageConstantFrequency)交流电变换为变压变频(VVVF，VariableVoltageVariableFrequency)交流电。变频器有交-交变频器与交-直-交变频器两大类