數(shù)控技術

華中科技大學機械科學與工程學院14.1概述4.2位置檢測裝置4.3進給電機及驅動4.4進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法第4章進給伺服驅動系統(tǒng)

24.3進給電機及驅動CNC裝置發(fā)出的位移指令信號，由伺服驅動裝置作一定的轉換和放大后，經(jīng)伺服電機和機械傳動機構，驅動機床的工作臺等執(zhí)行部件實現(xiàn)工作進給或快速運動.進給驅動系統(tǒng)的組成：

驅動器和電機。進給電機的類型：

步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機和直線電機。34.3.1步進電機及驅動

驅動器每向步進電機輸入一個電脈沖信號，步進電機轉動一個角度，稱為步距角，通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。步進式進給伺服驅動系統(tǒng)屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。步進電機轉過的角度與電脈沖信號個數(shù)成正比，轉動速度與電脈沖信號的頻率成正比。優(yōu)點：電機具有自鎖能力；

控制簡單。

缺點：

在大負載和速度較高的情況下容易失步，能耗較大。應用：步進電機的速度不高，在脈沖當量為1μm/脈沖時，最高移動速度為2m/min，主要用于速度和精度要求不太高的經(jīng)濟型數(shù)控機床和舊機床改造。4.3進給電機及驅動41.步進電機分類：常見的分類方式有按相數(shù)、按產(chǎn)生力矩的原理、按輸出力矩的大小和結構進行分類

按相數(shù)分：有三相、四相、五相、六相等。相數(shù)越多，步距角越小，輸出轉矩越大，但結構也越復雜。通電方式采用m相m拍、雙m拍和m相2m拍等。按力矩產(chǎn)生的原理分：有反應式、永磁反應式和混合式三類。按輸出力矩的大小分：快速步進電機（0.07Nm～4Nm）和功率步進電機（5Nm～50Nm）兩類。按結構分類：有軸向分相式（即多段式）和徑向分相式（即單段式）。4.3進給電機及驅動52.步進電機工作原理反應式步進電機的定子上有磁極，每個磁極上有激磁繞組，轉子無繞組，有周向均布的齒，依靠磁極對齒的吸合工作。定子轉子定子繞組4.3進給電機及驅動6AB定子轉子IAIBIC兩個相對的磁極組成一相。注意：這里的“相”和三相交流電中的“相”的概念不同。步進電機通的是電脈沖，主要是指線圖的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。4.3進給電機及驅動7步進電機的工作方式(通電順序)可分為：三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。1）三相單三拍：三相繞組聯(lián)接方式：Y型三相繞組中的通電順序為A相

B相

C相通電順序也可以為：

A相C相B相

4.3進給電機及驅動84.3進給電機及驅動9B'A'CC'BA3412A相通電B相通電C相通電BB'A'CC'A3412B'A'CC'BA3412CA4.3進給電機及驅動10三相單三拍的工作特點：每來一個電脈沖，轉子轉過30；轉子的旋轉方向取決于三相線圈通電的順序；每次定子繞組只有一相通電，在切換瞬間失去自鎖轉矩，容易產(chǎn)生失步；只有一相繞組產(chǎn)生力矩吸引轉子，在平衡位置易產(chǎn)生振蕩。4.3進給電機及驅動112）雙三拍工作方式定子繞組通電順序：AB→BC→CA→AB…（轉子逆時針旋轉）AC→BC→CA→…（轉子順時針旋轉）有兩對磁極同時對轉子的兩對齒進行吸引，每步仍旋轉30°。雙三拍工作特點：始終有一相定子繞組通電，工作比較平穩(wěn)。避免了單三拍通電方式的缺點。4.3進給電機及驅動3）三相六拍工作方式

通電順序為：A→AB→B→BC→C→CA→A…（逆時針）A→AC→C→BC→B→CA→A…（順時針）124.3進給電機及驅動三相六拍工作特點：每步轉過15°，步距角是三相三拍工作方式的一半，電機運轉中始終有一相定子繞組通電，運轉比較平穩(wěn)。133.步進電機實際結構：

轉子齒數(shù)很多，齒數(shù)越多，步距角越小。定子磁極上的齒的齒距與轉子的齒距相同，但各極的齒依次與轉子的齒錯開齒距的1／m（m電機相數(shù)）。每次定子繞組通電狀態(tài)改變時，轉子只轉過齒距的1／m（如三相三拍）或1／2m（如三相六拍）達到新的平衡位置。4.3進給電機及驅動14

若轉子40個齒，通電為三相三拍方式。當轉子齒與A相定子齒對齊時，轉子齒與B相定子齒相差（3°），與C相定子齒相差（6°）。4.3進給電機及驅動15每給一個脈沖信號，電機轉子轉過角度的理論值。4.步進電機的主要特性

1）步距角α

m—定子相數(shù)；z—轉子齒數(shù)；k—通電系數(shù)，

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進給電機及驅動16靜態(tài)：步進電機處于通電狀態(tài)，轉子處在不動狀態(tài)。靜態(tài)轉矩Mj

：在電機軸上施加一個負載轉矩M，轉子會在載荷方向上轉過一個角度θ（失調角），轉子因而受到一個電磁轉矩Mj的作用與負載平衡。2）靜態(tài)矩角特性矩角特性：步進電機單相通電的靜態(tài)轉矩Mj隨失調角θ的變化曲線。4.3進給電機及驅動*17步進電機驅動控制器主要由加減速控制器、環(huán)形分配器和功率放大器組成4.3進給電機及驅動5.步進電機的驅動控制器

加減

速控

制器

環(huán)形

分配

器

功率

放大

器

進給脈沖

步進電機繞組

*18環(huán)形分配器軟件算法:將“輸出字”以表格形式存放在指定的RAM或EPROM；當加減速控制器送來正向進給脈沖指令時，環(huán)形分配器軟件正序依次取出表格中的數(shù)據(jù)輸出，控制步進電機逆時針方向轉動；當加減速控制器送來負向脈沖時，環(huán)形分配器反序依次取出表格中的數(shù)據(jù)輸出，控制步進電機順時針方向轉動。4.3進給電機及驅動194.3.提2交流伺政服電機核及驅動伺服驅辟動的發(fā)茫展歷程禾：步進電機澤→直流伺完服電機→均交流伺服潛電機→…旋轉式吼電機→千直線電賓機→…理由：閉環(huán)提高量精度。直流伺旺服電機艦調速方籠便，90年代以蜂前大量按使用（聲交流在焰性能成礎本方面洋不占優(yōu)東）。但房誠直流伺打服電機允的容量引小、結剖構復雜啄、有電妥刷、體富積大和剖重量重家，因此高，其應炸用受到揭限制?；I隨著交雷流伺服挽驅動性之價比提括高，交排流伺服配驅動電職機已漸以漸取代防了直流哭伺服電凍機。4.3進給電奮機及驅井動201.交流伺服蟲電機的種齊類、結構倚及工作原朗理（1）交流伺服翁電機的種循類及特點交流伺乓服電機且有同步型和異步型兩大類賄。異步枕型交流塵電機指水的是交譜流感應刃電機。斥同步型壘交流電劍機按轉以子結構魄不同可飾分電磁慶式及非按電磁式勢兩大類蕩。非電堆磁式又廢分為磁竹滯式、舊永磁式交和反應剃式多種南。數(shù)控山機床中意多用永磁式同丟步電機。4.3進給電機斤及驅動21永磁式喜同步電召機：優(yōu)點：比直書流電機鴨結構簡倦單、運腰行可靠裁、體積細約小1/2，質量減裕輕60﹪，轉子替慣量可骨減小到1/5、效率挑高。缺點：啟動盜特性欠頸佳、控過制復雜應用：進給橫驅動異步型縮慧交流伺糧服電機：優(yōu)點：與同塑容量的疾直流電隸機相比蛇重量輕歷（1/2），價氏格便宜(1/3析)；缺點：轉速菌受負載粘的變化巷影響較資大，不斗能經(jīng)濟向地實現(xiàn)關范圍較蓋廣的平略滑調速裳，效率塵較低、炕功率因批數(shù)低應用：主軸驅勇動系統(tǒng)。4.3進給電酸機及驅悲動22VSVS脈沖編碼器轉子定子接線盒定子三相繞組（2）交流永下磁同步瘡電機的公工作原健理與特歇性結構：每電機由混定子、臨轉子和柜檢測元降件組成成。4.3進給電機緒及驅動23nr＝ns＝60f1／pns—同步轉紅速，θ—轉子磁極譜的軸線與發(fā)定子磁極迅的軸線夾廟角，nr—轉子旋值轉轉速安，f1—交流電源秀頻率（定稅子供電頻慌率），p—定子和轉度子的極對盲數(shù)nSNns

nr

θ

S通過調節(jié)哥頻率和極短對數(shù)實現(xiàn)靠調速。4.3進給電顆機及驅存動24U1—定子每罵相相電踏壓；E1—定子每真相繞組中感應電廚動勢；N1—定子每相輸繞組匝數(shù)簽；K1—定子每相縣繞組匝數(shù)素系數(shù)；—每極氣曉隙磁通予量；Tm—電機電奔磁轉矩灣；Ia附—轉子電樞瓜電流；—轉子電樞摧電流的相垮位角。2.交流同步沸電機的變易頻調速原買理交流電賊機的電菠動勢方斗程、轉清矩方程寇：4.3進給電運機及驅情動25在變頻證調速的宏同時，引要求供評電電壓瘦也隨之王變化，燙即滿足U1/f1為定值偶，以確互保磁通控量不變。因為變頻蠅調速時，革當U1不變，范增加頻閑率f1，則磁通增量減小，零導致電機壺輸出轉矩Tm下降，電閉機負載能地力降低；弟若減小頻壯率f1，磁通量旬增加，定壺子電流上蒜升，導致趁鐵損增加溉。變頻調縱速控制日方式：基頻以哭下調速——當電機在f1的額定參喝數(shù)下運行灘時，供電典頻率低于騾額定值?；l以上鏟調速——當電機柏在f1的額定須參數(shù)上捷運行時憤，供電泄頻率高悶于額定糾值。4.3進給電機存及驅動263．交流羽同步伺磁服電機牛的變頻谷器變頻器將挖交流恒壓槍恒頻的供涌電電源轉扁變?yōu)樽儔盒阕冾l的供勇電電源。（1）變頻酒器類型變頻器可客分為交—交變頻娃器（直接鋒變頻器御）和交—直—交變頻器（間接變嬸頻器）兩紅種。應鍋用最多的遙是交—直—交變頻香器。根據(jù)變頻探電源的性席質，又可莫分為電壓源變默頻器和電流源變順頻器。4.3進給電機謎及驅動27交—交變頻：利用可控企硅整流器澤直接將工注頻交流電涼（頻率50Hz）變成頻灑率較低的逢脈動交流犯電，正組圈輸出正脈呢沖，反組移輸出負脈好沖，脈動嫌交流電的桂基波就是邊所需的變林頻電壓。該方法某所得的液交流電勻波動比鈔較大，撒且最大腔頻率即憂為變頻邊器輸入標的工頻章電壓頻漿率。4.3進給電機客及驅動28交—直—交變頻辰：先將交問流電整鉗流成直龜流電，攜然后將劈燕直流電灘壓變成階矩形脈鐵沖波電虛壓，矩戀形脈沖魯波的基追波是所割需的變彩頻電壓弟。該調頻方糟式所得交豪流電的波第動小，調惱頻范圍比諸較寬，調棄節(jié)線性度壟好。4.3進給電機蛇及驅動29（2）正弦籠波脈沖后調制（SPW爆M）逆變器脈寬調莊制（PWM）變頻——是通過告脈沖信予號控制訴逆變器禾開關元養(yǎng)件的導裝通和關液斷時間悲比（即詠調節(jié)脈轉沖的寬缸度）來晴控制輸勵出電壓產(chǎn)的大小兄和頻率兩，從而睛實現(xiàn)調診速。uUUutttt4.3進給電守機及驅域動30正弦脈寬遭調制（SPWM）——是利用有彈正弦波特邁性的脈沖鄙信號去控犧制逆變器跟開關元件薄的通、斷玩時間比。相此時，變電頻器輸出蹈近似于正強弦波的電鄰流，使得咸電機電源齊近似為正鋒弦交流電詠。SPW繞M變頻器探是目前爭數(shù)控機恐床應用艙最廣泛照的變頻觸器。4.3進給電繼機及驅寺動31SPW叼M原理單相調杏制原理正弦脈寬扛調制（SPWM）波形:與正弦獎波等效虜?shù)囊幌当哿械确坏葘拤牡木匦吻勖}沖波阻。等效原理您：把正弦巾波分成n等分，梯每一區(qū)路間面積屬用與其神相等的買等幅不株等寬的澆矩形面穴積代替屠。正弦波的秘正負半周轉均如此處蒜理。uωtωtuOOa)b)4.3進給電拘機及驅迫動32整流器：將三相工用頻交流電光變成直流建電逆變器：將整流輸升出的直流藝電壓變成嘩三相交流益電三相SPW面M變頻器的及主回路結室構圖4.3進給電嫩機及驅匹動334.3戶.3直線電坑機及驅糟動直線電驢機直接傻驅動工匯件臺直絲式線運動牽。取消肝了從電殘機到工燃作臺（玩拖板）索之間的季機械中條間傳動掉環(huán)節(jié)，察即把機躲床進給且傳動鏈賄的長度刪縮短為彈零，故異這種傳探動方式母又稱為“直接扣驅動”，也稱“零傳輪動”。適用于進給驅耗動速度常高于60m安/mi撞n以上，迎加速度1g以上的筑高速數(shù)小控機床三。4.3進給電曬機及驅怕動34優(yōu)點：電機慣嫌量小，戴系統(tǒng)響院應快、兇速度高概，速度案和加速抓度都可快提高10倍以上紗（700用m/m講in，40G）。運動更加刮平穩(wěn)、噪辱聲低、傳皮動效率高餐，動態(tài)剛齊度高?？稍O計成揮均布對稱巖，工作臺絡運動時受室力均勻分疲布，運動酸推力平衡可無限凍延長定撐子的行顧程，運濃動的行賺程不受鳳限制缺點：沒有機械惱聯(lián)接或嚙棒合，垂直藥軸傳動需掘要外加一攝個平衡塊稻或制動器磁鐵對礦電機部脂件的吸毫力很大盡，需解藝決防護傲、隔磁譽問題4.3進給電失機及驅汗動35如果將寺旋轉電替機沿過嗓軸線的閱平面剖雙開，并計將定子卻、轉子蹈圓周展恢開成平險面，便尾形成了撥扁平形授直線電局機。固劇定不動符的部分搬稱為定子，動作正部分稱爬為動子。由感應式磁旋轉電機堵演變的直遍線電機稱感應式焰直線電甲機。由永磁式濫旋轉電機嘴演變的直住線電機稱永磁式直睛線電機。直線電機冠的類型和坐結構4.3進給電機滋及驅動36感應式直浴線電機的部演變：4.3進給電疑機及驅假動37永磁式直克線電機的甜演變：4.3進給電鋪機及驅閣動38旋轉電機具演變?yōu)閳A掠筒型直線付電機的過烘程4.3進給電動機及驅精動39弧型直線典電機圓盤型游直線電巖機4.3進給電機行及驅動402.直線電倆