第四章進(jìn)給伺服系統(tǒng)概述伺服電機(jī)及其調(diào)速位置檢測(cè)裝置典型進(jìn)給伺服系統(tǒng)1第7章數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

主要內(nèi)容2主要內(nèi)容數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)是以機(jī)床移動(dòng)部件的位置和速度為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。7.1概述伺服系統(tǒng)的作用:接受CNC裝置發(fā)出的插補(bǔ)結(jié)果(指令脈沖等)，作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機(jī)（直流、交流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等）和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給或快速運(yùn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床的“大腦”數(shù)控機(jī)床的“四肢”，是執(zhí)行“命令”的機(jī)構(gòu)，它是一個(gè)不折不扣的跟隨者。3一、數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的定義二、數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的分類三、數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的要求4.1概述4一、數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的定義

1.伺服系統(tǒng)：

是一種以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

CNC裝置是數(shù)控機(jī)床的“大腦”，“指揮機(jī)構(gòu)”伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的“四肢”，“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”。

2.伺服系統(tǒng)的組成：

檢測(cè)裝置：感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器、光柵、脈沖編碼器等。驅(qū)動(dòng)電機(jī)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)。4.1概述5二、數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的分類

1、按伺服系統(tǒng)控制方式分

開環(huán)系統(tǒng)：步進(jìn)電機(jī)，無(wú)位置反饋，投資低，精度低

閉環(huán)系統(tǒng)：直接測(cè)量實(shí)際位移進(jìn)行反饋，精度高

半閉環(huán)系統(tǒng)：間接測(cè)量位移進(jìn)行反饋，精度低于閉環(huán)

2、按控制對(duì)象和使用目的不同分

進(jìn)給伺服系統(tǒng)：控制各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)主軸驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)：控制主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)輔助伺服系統(tǒng)：控制刀庫(kù)、料庫(kù)等輔助系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，多采用位置控制4.1概述6開環(huán)與閉環(huán)開環(huán)負(fù)載變化時(shí)，速度也隨著變化，需人為修正結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，精度差，低速不平穩(wěn)，高速扭矩小用于輕負(fù)載且負(fù)載變化不大的場(chǎng)合閉環(huán)/半閉環(huán)不間斷的比較系統(tǒng)輸入與驅(qū)動(dòng)輸出閉環(huán)半閉環(huán)7開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件；沒(méi)有位置反饋回路和速度反饋回路；設(shè)備投資低，調(diào)試維修方便，但精度差，高速扭矩?。挥糜谥?、低檔數(shù)控機(jī)床及普通機(jī)床改造。

8閉環(huán)伺服系統(tǒng)

閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置檢測(cè)裝置安裝在機(jī)床的工作臺(tái)上；檢測(cè)裝置構(gòu)成閉環(huán)位置控制。閉環(huán)方式被大量用在精度要求較高的大型數(shù)控機(jī)床上。9半閉環(huán)伺服系統(tǒng)位置檢測(cè)元件安裝在電動(dòng)機(jī)軸上或絲杠上，用以精確控制電機(jī)的角度，為間接測(cè)量；坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈有一部分在位置閉環(huán)以外，其傳動(dòng)誤差沒(méi)有得到系統(tǒng)的補(bǔ)償；半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低于閉環(huán)系統(tǒng)。適用于精度要求適中的中小型數(shù)控機(jī)床。10二、數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的分類3、按所用驅(qū)動(dòng)元件的類型分步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4.1概述11三、數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的要求

1.高精度定位準(zhǔn)確(定位誤差持別是重復(fù)定位誤差要小)，跟隨精度高(跟隨誤差小)。一般定位精度要求達(dá)到mm級(jí)，高的達(dá)0.01~0.005mm。

2.靈敏度高，響應(yīng)快

提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量，一般電機(jī)升降速過(guò)渡過(guò)程，時(shí)間在0.2s以下。另外，當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，要求速度的恢復(fù)時(shí)間短，且無(wú)振蕩，這樣才能得到光滑的加工表面。

3.調(diào)速范圍寬

保證在任何情況下都能得到最佳切削條件和加工質(zhì)量，一般要求調(diào)速范圍：最低轉(zhuǎn)速/最高轉(zhuǎn)速=1/1000~1/10000，且通常是無(wú)級(jí)調(diào)速。

4.低速大轉(zhuǎn)矩

一般是在低速進(jìn)行重切削，所以在低速時(shí)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)要有大的轉(zhuǎn)矩輸出。

5.可靠性高

對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)。4.1概述12134.1概述4.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制原理4.3直流伺服電動(dòng)機(jī)及其控制原理4.4交流伺服電動(dòng)機(jī)及其控制原理13定義：是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。主要用于開環(huán)位置控制系統(tǒng)。組成：由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成，沒(méi)有反饋環(huán)節(jié)特點(diǎn)：系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，控制較容易，維修也較方便，而且為全數(shù)字化控制。但由于開環(huán)系統(tǒng)精度不高，且步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率和速度不高，因此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)僅用于小容量、加工速度低、脈沖當(dāng)量和精度不太高的場(chǎng)合，如經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和電加工機(jī)床、計(jì)算機(jī)的打印機(jī)、繪圖儀等設(shè)備。一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)4.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制原理14主要內(nèi)容7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)151.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類按工作原理分：反應(yīng)式(磁阻式)、電磁式、永磁式、永磁感應(yīng)子式(混合式)。按相數(shù)分：三相、四相、五相、六相和八相等。按使用頻率分：高頻步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和低頻步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。16(1)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

極與極之間的夾角為60°，每個(gè)定子磁極上均勻分布了五個(gè)齒，齒槽距相等，齒距角為9°。轉(zhuǎn)子鐵心上無(wú)繞組，只有均勻分布的40個(gè)齒，齒槽距相等，齒距角為360°/40＝9°。

單段式三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)：定子鐵心上有六個(gè)均勻分布的磁極，沿直徑相對(duì)兩個(gè)極上的線圈串聯(lián)，構(gòu)成一相勵(lì)磁繞組。特點(diǎn)：轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，定轉(zhuǎn)子開小齒、步距小。應(yīng)用最廣。17AB定子轉(zhuǎn)子IAIBIC18(2)永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理：轉(zhuǎn)子或定子的一方具有永久磁鋼，另一方有軟磁材料制成，由繞組輪流通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永久磁鋼相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。特點(diǎn)：不開小齒，步距角大，內(nèi)阻較大，效率高，斷電后有一定的定位轉(zhuǎn)矩。(3)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（永磁感應(yīng)子式）定子結(jié)構(gòu)與反應(yīng)式基本相同，轉(zhuǎn)子由環(huán)形磁鋼及兩段鐵心組成。兼有以上兩種的主要優(yōu)點(diǎn)，是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的新產(chǎn)品。192.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制原理各部分的作用：數(shù)控裝置：根據(jù)控制要求發(fā)出指令脈沖，每發(fā)出一個(gè)脈沖電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)特定的角度，即步距角環(huán)形分配：根據(jù)指令方向，依次產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的各相的通電步驟，分為硬件環(huán)分、軟件環(huán)分兩種。放大電路：放大環(huán)形分配的各相指令，產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的各相的驅(qū)動(dòng)電流20

位移量的控制向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)送一個(gè)控制脈沖，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度或移動(dòng)一個(gè)直線位移，稱為一步；脈沖數(shù)增加，角位移(或線位移)隨之增加，即脈沖數(shù)決定位移量。進(jìn)給速度的控制脈沖頻率高，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就高，反之則低，即脈沖頻率決定進(jìn)給速度。運(yùn)動(dòng)方向的控制改變分配脈沖的相序，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，從而改變運(yùn)動(dòng)方向。

與一般交流和直流電動(dòng)機(jī)所不同的是，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組所加的電源形式為脈沖電壓，而不是正弦電壓或者恒定直流電壓21

按電磁吸引的原理工作的。必須抓住兩點(diǎn)：磁力線力圖走磁阻最小的路徑，從而產(chǎn)生反應(yīng)力矩各相定子齒之間彼此錯(cuò)齒1/m齒距，m為相數(shù)幾個(gè)概念的含義：“拍”----定子相繞組每改變一次通電狀態(tài)，稱為“一拍”。“單”----指只有一相繞組通電?！半p”----指有兩相繞組同時(shí)通電。3.反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理

22步進(jìn)電機(jī)工作原理示意23(1)“單三拍”供電方式的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理第一拍：A相勵(lì)磁繞組通電，B、C相勵(lì)磁繞組斷電。A相定子磁極的電磁力要使相鄰轉(zhuǎn)子齒與其對(duì)齊(使磁阻最小)，B相和C相定、轉(zhuǎn)子錯(cuò)齒分別為1/3齒距(3°)和2/3齒距(6°)。第二拍：B相繞組通電，A、C相繞組斷電。電磁反應(yīng)力矩使轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)3°，與B相的定子齒對(duì)齊，此時(shí)A、C相的定、轉(zhuǎn)子齒互相錯(cuò)開。第三拍：C相繞組通電，A、B相繞組斷電。電磁反應(yīng)力距又使轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)了3°，與C相定子齒對(duì)齊，同時(shí)A相、B相定、轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開，重復(fù)通電順序：ABCA……24

單三拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)

若定子繞組通電順序?yàn)锳CBA

……，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子就順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)起來(lái)，其步距角仍為3°。

單三拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角

重復(fù)單三拍的通電順序，ABCA

……，步進(jìn)電機(jī)就逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)起來(lái)，對(duì)應(yīng)每個(gè)指令脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一固定角度3°(步距角)。

單三拍通電控制方式的缺點(diǎn)

由于每拍只有一相繞組通電，在切換瞬間可能失去自鎖力矩，容易失步。而且，只有一相繞組通電吸引轉(zhuǎn)子，易在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩。因此，單三拍通電控制方式，工作穩(wěn)定性差，一般較少采用。25步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相三拍制014213264213步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相三拍制02274213步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相三拍制03284213步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相三拍制04294213步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相三拍制05304213步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相三拍制06314213步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相三拍制07324213步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相三拍制08334213步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相三拍制09344213步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相三拍制10354213步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相三拍制11364213步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相三拍制1237步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相三拍制13421338

若定子繞組的通電順序?yàn)椋篈CCBBAAC……，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。(2)雙三拍工作方式采用雙三拍通電控制方式，能克服單三拍工作的缺點(diǎn)。若定子繞組的通電順序?yàn)锳BBCCAAB……，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，從一個(gè)磁場(chǎng)最強(qiáng)處走到了另一個(gè)磁場(chǎng)最強(qiáng)處，故其步距角仍為3°39

每切換一次，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)1.5°，步距角減小一半。原因是：當(dāng)由A相切換到AB相通電時(shí)，A相定子磁極力圖不讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，而保持與其定子齒對(duì)齊，而B相定子磁極的電磁反應(yīng)力矩也力圖使其逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)3°，與B相定子齒對(duì)齊，此時(shí)，轉(zhuǎn)子齒與A相、B相定子齒均未對(duì)齊，此位置是A相、B相定子合成磁場(chǎng)的最強(qiáng)方向，即轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)1.5°。

若通電順序?yàn)椋篈ACCBCBBAA……則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)，步距角仍為1.5°。三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半；在切換時(shí)，保持一相繞組通電，工作穩(wěn)定，比雙三拍增大了穩(wěn)定區(qū)。所以三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)常采用這種控制方式。(3)三相六拍工作方式通電順序：AABBBCCCAA……40步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相六拍制1421341步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相六拍制2421342步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相六拍制3421343步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相六拍制4421344步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相六拍制5421345步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相六拍制6421346步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相六拍制7421347二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要性能指標(biāo)及選擇1.步距角步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每步的轉(zhuǎn)角稱為步距角，計(jì)算公式：

式中m—步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相數(shù)

Z—轉(zhuǎn)子齒數(shù)

K—控制方式系數(shù)，K=拍數(shù)p/相數(shù)m

廠家對(duì)于每種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)給出兩種步距角，彼此相差一倍。大步距角系指控制供電拍數(shù)與相數(shù)相等時(shí)的步距角；小步距角系指供電拍數(shù)是相數(shù)兩倍時(shí)的步距角。48主要內(nèi)容7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)例如：轉(zhuǎn)子40個(gè)齒，定子仍是3對(duì)磁極，三相六拍。問(wèn)步距角是多少？49步距角的選擇：根據(jù)總體方案要求，綜合考慮，通過(guò)下式進(jìn)行：

式中δ—脈沖當(dāng)量

S—絲杠螺距(mm)

θ—步距角

i—電動(dòng)機(jī)與絲杠間的齒輪傳動(dòng)減速比

如果步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角θ和絲杠螺距S(基本導(dǎo)程)不能滿足脈沖當(dāng)量δ的要求時(shí)，應(yīng)在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與絲杠之間加入齒輪傳動(dòng)，用減速比來(lái)滿足δ的要求。50已知：求：傳動(dòng)比解一：又取51已知：求：傳動(dòng)比解二：取于是：522.最大靜轉(zhuǎn)距Tjmax(N·m)

靜態(tài)：當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不改變通電狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子處在不動(dòng)狀態(tài)

靜態(tài)轉(zhuǎn)距：如果在電動(dòng)機(jī)軸上外加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)距，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度θe，這時(shí)轉(zhuǎn)子受的電磁轉(zhuǎn)距T。

矩角特性：描述靜態(tài)時(shí)電磁轉(zhuǎn)距T與θe之間的關(guān)系曲線。在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，當(dāng)外加轉(zhuǎn)距去除時(shí)，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)距作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點(diǎn)位置(θe＝0)。ππ/20-π-π/2靜穩(wěn)定區(qū)不穩(wěn)定平衡點(diǎn)穩(wěn)定平衡點(diǎn)不穩(wěn)定平衡點(diǎn)TθeTjmax負(fù)載轉(zhuǎn)矩TF應(yīng)滿足TF

=（0.2~0.4）Tjmax

533.空載起動(dòng)頻率fq（步/s）空載時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止突然起動(dòng)，進(jìn)入不丟步的正常運(yùn)行的最高頻率。是衡量步進(jìn)電動(dòng)機(jī)快速性能的重要技術(shù)數(shù)據(jù)。對(duì)于提高生產(chǎn)率和系統(tǒng)的快速性具有重要意義。

fq應(yīng)能滿足機(jī)床工作臺(tái)最高運(yùn)行速度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)頻率要比連續(xù)運(yùn)行頻率低得多，帶負(fù)載的起動(dòng)頻率比空載的起動(dòng)頻率要低。這是因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，既要克服負(fù)載力矩，又要克服運(yùn)轉(zhuǎn)部分的慣性矩，電動(dòng)機(jī)的負(fù)擔(dān)比連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)重。54Tf4.起動(dòng)矩頻特性描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)頻率與負(fù)載力矩的關(guān)系曲線。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶著一定的負(fù)載轉(zhuǎn)距起動(dòng)時(shí)，作用在電動(dòng)機(jī)軸上的加速轉(zhuǎn)矩為電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之差。負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，加速轉(zhuǎn)矩就越小，電動(dòng)機(jī)就不易轉(zhuǎn)起來(lái)。因此，其起動(dòng)頻率隨著負(fù)載的增加而下降。55Tf5.運(yùn)行矩頻特性運(yùn)行矩頻特性T＝f(F)是描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩T與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系。它是衡量步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)承載能力的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。由圖可知，輸出轉(zhuǎn)矩T的基本趨勢(shì)是隨連續(xù)運(yùn)行頻率的增大而降低。56三、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制由環(huán)形分配器和功率放大器組成。環(huán)形分配器功率放大器ABC57主要內(nèi)容環(huán)形分配器的主要功能：將數(shù)控裝置送來(lái)的一串指令脈沖，按步進(jìn)電機(jī)所要求的通電順序分配給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的各相輸入端，以控制勵(lì)磁繞組的通斷，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行及換向。環(huán)形分配的功能可由硬件或軟件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，分別稱為硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器。58主要內(nèi)容可由D觸發(fā)器或JK觸發(fā)器構(gòu)成，亦可用專用集成芯片或通用可編程邏輯器件。CNC裝置電源環(huán)形分配器A相驅(qū)動(dòng)B相驅(qū)動(dòng)C相驅(qū)動(dòng)FULL/HALFDIRCLKM7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件環(huán)形分配驅(qū)動(dòng)與數(shù)控裝置的連接方向控制信號(hào)硬件環(huán)形分配器59軟件環(huán)形分配器舉例對(duì)于三相六拍環(huán)形分配器，每當(dāng)接收到一個(gè)進(jìn)給脈沖指令，環(huán)形分配器軟件根據(jù)下表所示真值表，按順序及方向控制輸出接口將A、B、C的值輸出即可。如果上一個(gè)進(jìn)給脈沖到來(lái)時(shí)，控制輸

三相六拍環(huán)形分配器真值表序號(hào)ABC方向1100

反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)21103010401150016101出接口輸出的A、B、C的值是100，則對(duì)于下一個(gè)正向進(jìn)給脈沖指令，控制輸出接口輸出的值是110，再下一個(gè)正向進(jìn)給脈沖，應(yīng)是010，而使步進(jìn)電機(jī)正向地旋轉(zhuǎn)起來(lái)。實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，靈活方便。60主要內(nèi)容作用：是將環(huán)形分配器或微處理機(jī)送來(lái)的弱電信號(hào)變?yōu)閺?qiáng)電信號(hào)，以得到步進(jìn)電機(jī)控制繞組所需要的脈沖電流及所需要的脈沖波形。功率放大電路步進(jìn)電機(jī)有幾相，就需要幾組功率放大電路。61624.1概述4.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制原理4.3直流伺服電動(dòng)機(jī)及其控制原理4.4交流伺服電動(dòng)機(jī)及其控制原理62直流伺服電動(dòng)機(jī)的組成

電動(dòng)機(jī)本體主要由機(jī)殼、定子磁極和轉(zhuǎn)子組成。

檢測(cè)部件

有高精度的測(cè)速發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器以及脈沖編碼器等

特點(diǎn)小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)慣量小，響應(yīng)速度快，但過(guò)載能力低

永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩大，慣量大，穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍寬。有電刷，限制速度的提高（1000~1500r/min）。4.3直流伺服電動(dòng)機(jī)及其控制原理632.直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與調(diào)速方法(1)工作原理

與一般直流電動(dòng)機(jī)的工作原理相同，是建立在電磁力和電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上的。如圖（a）所示，直流電流從電刷A流入，經(jīng)過(guò)線圈abcd，從電刷B

流出，載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用，使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如圖（b）所示的位置，電刷A和換向片2接觸，電刷B和換向片1接觸，直流電流從電刷A流入，在線圈中流動(dòng)方向是dcba，從電刷B流出。

外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過(guò)的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。64(2)直流伺服電機(jī)的速度控制原理MEaUФuf

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路的電勢(shì)平衡方程：

U＝Ea+Ra

Ia式中Ra—轉(zhuǎn)子回路電阻(Ω)

Ia—轉(zhuǎn)子回路電流(A)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea可由下式求得

Ea＝CeФn

式中Ce—電機(jī)械常數(shù)

Ф—?jiǎng)?lì)磁磁通(Wb)n—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)Te＝CtФ

Ia65電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te(N?m)為

Te＝CTФIa

式中CT—轉(zhuǎn)矩系數(shù)，是電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)。所以可得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速－n＝＝n0－Δn式中n0—理想空載轉(zhuǎn)速

Δn—轉(zhuǎn)速降落根據(jù)上式可知，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)有三種調(diào)速方法，即改變外加電壓、改變勵(lì)磁磁通及改變轉(zhuǎn)子回路電阻調(diào)速。66－n＝＝n0－Δn

根據(jù)上式：勵(lì)磁磁通不可變，只有二種調(diào)速方法，而改變轉(zhuǎn)子回路電阻一般不能滿足要求，通常采用改變轉(zhuǎn)子回路外加電壓的調(diào)速方法。這種調(diào)速方法是從額定電壓往下降低轉(zhuǎn)子電壓，即從額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)速。該種調(diào)速方法屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，機(jī)械特性是一組斜率不變的平行直線，特性比較硬，且調(diào)速范圍寬。另外，這種調(diào)速方法是用減小輸入功率來(lái)減小輸出功率的，所以具有比較好的經(jīng)濟(jì)性。

永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法67主要內(nèi)容3直流伺服電機(jī)速度控制單元的調(diào)速控制方式調(diào)速的概念有兩個(gè)方面的含義:1)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速：當(dāng)指令速度變化時(shí),電機(jī)的速度隨之變化,并希望以最快的加減速達(dá)到新的指令速度值；2)當(dāng)指令速度不變化時(shí),電機(jī)的速度保持穩(wěn)定不變。68主要內(nèi)容為調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向，需對(duì)直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制，如何控制？直流伺服電機(jī)速度控制單元的作用：將轉(zhuǎn)速指令信號(hào)轉(zhuǎn)換成電樞的電壓值，達(dá)到速度調(diào)節(jié)的目的。直流電機(jī)速度控制單元常采用的調(diào)速方法：晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng)

晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)。

691）晶閘管調(diào)速系統(tǒng)利用晶閘管的單向?qū)щ娍煽匦?，輸出可控制的電壓；利用可控硅整流器提供直流電源；通過(guò)改變晶閘管觸發(fā)角，改變外加電壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。702）PWM調(diào)速控制系統(tǒng)利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，加到直流電動(dòng)機(jī)的電樞上；通過(guò)調(diào)整控制方波脈沖寬度來(lái)改變電樞的平均電壓，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。控制電路簡(jiǎn)單，不需附加關(guān)斷電路，開關(guān)特性好。廣泛應(yīng)用中、小功率直流伺服系統(tǒng)。周期不變脈寬脈寬脈寬脈寬平均直流電壓Uωt周期不變71速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器脈寬調(diào)制基極驅(qū)動(dòng)主回路整流u-++振蕩器電流反饋-UsrTGUsf++-+MTGUsfPWM調(diào)速系統(tǒng)的組成：由控制電路、主回路及功率整流電路三部分組成。其中控制電路由速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器和脈寬調(diào)制器（包括固定頻率振蕩器、脈寬調(diào)制及基極驅(qū)動(dòng)電路）組成。724.永磁直流伺服電機(jī)的工作特性對(duì)于永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)，由于其伺服系統(tǒng)的要求，已經(jīng)不能簡(jiǎn)單地用電壓、電流、轉(zhuǎn)數(shù)等參數(shù)描述其性能，而需要用一些特性曲線對(duì)其性能做全面描述。轉(zhuǎn)矩—速度特性曲線從圖中可以得出，伺服電動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域被溫度極限線、轉(zhuǎn)速極限線、換向極限線、轉(zhuǎn)矩極限線以及瞬時(shí)換向極限線劃分成三個(gè)區(qū)域。瞬時(shí)換向極限線轉(zhuǎn)速極限線轉(zhuǎn)矩極限線換向極限線溫度極限線ⅡⅢⅠ05001000150020004000600080001000012000T/(N?cm)n/(r/min)73Ⅰ區(qū)域?yàn)檫B續(xù)工作區(qū),在該區(qū)域中，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的任意組合都可長(zhǎng)期連續(xù)工作。Ⅱ區(qū)域?yàn)閿嗬m(xù)工作區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，電動(dòng)機(jī)只能根據(jù)負(fù)載周期曲線所決定的允許工作時(shí)間tR

和斷電時(shí)間tF

作間歇工作。Ⅲ區(qū)域?yàn)榧铀俸蜏p速區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，電動(dòng)機(jī)只能用于加速或減速，工作一段極短的時(shí)間。瞬時(shí)換向極限線轉(zhuǎn)速極限線轉(zhuǎn)矩極限線換向極限線溫度極限線ⅡⅢⅠ05001000150020004000600080001000012000T/(N?cm)n/(r/min)74

負(fù)載周期曲線表示在滿足機(jī)械所需轉(zhuǎn)矩而又確保電動(dòng)機(jī)不過(guò)熱，允許電動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間.

圖中各條曲線為不同的過(guò)載倍數(shù)(=負(fù)載轉(zhuǎn)矩／連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩)曲線。

橫坐標(biāo)為工作時(shí)間tR(min)，縱坐標(biāo)d為過(guò)載周期比。

75選用直流伺服電動(dòng)機(jī)的原則：(1)當(dāng)機(jī)床在無(wú)切削運(yùn)行時(shí)，在整個(gè)速度范圍內(nèi)，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)在電動(dòng)機(jī)連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍以內(nèi)。(2)最大切削轉(zhuǎn)矩的倍數(shù)設(shè)定(工作載荷百分比和工作時(shí)間)應(yīng)在電動(dòng)機(jī)的載荷特性所規(guī)定的范圍內(nèi)。瞬時(shí)換向極限線轉(zhuǎn)速極限線轉(zhuǎn)矩極限線換向極限線溫度極限線ⅡⅢⅠ05001000150020004000600080001000012000T/(N?cm)n/(r/min)(3)在加減速時(shí)，應(yīng)當(dāng)工作在加減速工作區(qū)內(nèi)。在加減速時(shí)，慣性轉(zhuǎn)矩的大小取決于加速度的大小和負(fù)載慣量的大小，而加速度的大小又取決于希望的加速時(shí)間。(4)負(fù)載慣量對(duì)電動(dòng)機(jī)靈敏度和快速移動(dòng)時(shí)間有很大影響，負(fù)載慣量通常不大于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量的三倍。76774.1概述4.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制原理4.3直流伺服電動(dòng)機(jī)及其控制原理4.4交流伺服電動(dòng)機(jī)及其控制原理77一、交流伺服電動(dòng)機(jī)概述直流伺服電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，但直流伺服電動(dòng)機(jī)的電刷和換向器容易磨損，需要經(jīng)常維護(hù)；由于換向器換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花而使最高轉(zhuǎn)速受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受到限制；直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難，成本高。

自20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，以交流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件的交流伺服系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，有逐漸代替直流伺服電機(jī)的趨勢(shì)。78交流伺服電機(jī)分類

數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中多采用永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)，主軸伺服電機(jī)多采用異步交流電機(jī)。按電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式分異步型：同步型：永磁式和勵(lì)磁式按機(jī)床運(yùn)動(dòng)的類型分主軸伺服電機(jī)進(jìn)給伺服電機(jī)

主軸伺服電機(jī)和進(jìn)給伺服電機(jī)的功率扭矩特性不同，進(jìn)給伺服電機(jī)通常為恒扭輸出，而主軸電機(jī)通常為恒功率輸出。MPMPOnnjnminnmax

主運(yùn)動(dòng)的功率扭矩特性79VSVS脈沖編碼器轉(zhuǎn)子定子接線盒定子三相繞組1．永磁式交流同步電機(jī)結(jié)構(gòu)：電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件組成80主要內(nèi)容7.4交流伺服電機(jī)及其速度控制系統(tǒng)812.交流伺服電機(jī)的特點(diǎn)2)永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：體積小，效率高，運(yùn)行可靠。調(diào)速方便、機(jī)械特性好。調(diào)速范圍寬。建模難度大、控制算法復(fù)雜。1)異步交流伺服電機(jī)的特點(diǎn)：重量輕，價(jià)格便宜。轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化較大，低速時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性較差靜止時(shí)自鎖轉(zhuǎn)矩小。823.永磁同步交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)永磁伺服電機(jī)軸剖面示意圖1—定子；2—永磁體；3—通風(fēng)孔；4—轉(zhuǎn)子軸組成：定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件。83數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所

InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所

InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology定子：定子由硅鋼片疊壓而成，具有齒槽，內(nèi)有三相繞組，形狀與普通交流電動(dòng)機(jī)的定子相同，但其外形多呈多邊形，且無(wú)外殼，利于散熱。84轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子由多塊永久磁鐵和沖片組成。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是氣隙磁密較高，極數(shù)較多。85檢測(cè)元件：

早期的永磁同步交流伺服電機(jī)中，由測(cè)速發(fā)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)速度反饋，編碼器用來(lái)反饋轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)矢量的方向和位置，多采樣絕對(duì)式編碼器。

現(xiàn)代永磁同步電機(jī)采用全數(shù)字控制，速度反饋有位置對(duì)時(shí)間微分來(lái)實(shí)現(xiàn)，省掉了測(cè)速發(fā)電機(jī)，并開始采用增量式編碼器作為位置反饋元件，絕對(duì)式編碼器基本采用高速串行通信方式，大大提高了可靠性。864.交流伺服電機(jī)的工作方式扭矩控制方式；速度控制方式；位置控制方式。模擬量輸入；數(shù)字輸入（選擇8-16種內(nèi)部速度）；串行通信。脈沖輸入；串行通信。Dir+clkAB相正交脈沖。模擬量輸入；871）閉環(huán)速度控制/扭矩工作方式交流伺服驅(qū)動(dòng)器速度控制電流控制位置控制d/dtCNC位置反饋位置控制伺服電機(jī)工作臺(tái)模擬電壓882）脈沖位置控制工作方式交流伺服驅(qū)動(dòng)器速度控制電流控制位置控制d/dtCNC位置控制伺服電機(jī)工作臺(tái)

有些交流伺服驅(qū)動(dòng)器具有光柵反饋接口，可實(shí)現(xiàn)從伺服驅(qū)動(dòng)器到工作臺(tái)的全閉環(huán)控制，而CNC到伺服驅(qū)動(dòng)器則采用開環(huán)控制。89交流伺服電機(jī)步進(jìn)電機(jī)扭矩、功率大小位置分辨率高（1/262144）低（1/480）電子齒輪有無(wú)低速性能好振蕩價(jià)格貴便宜啟動(dòng)、工作頻率高低運(yùn)動(dòng)特性滯留脈沖丟步交流伺服電機(jī)脈沖位置控制工作方式與步進(jìn)電機(jī)的比較90二、永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理定子三相繞組接上交流電源后，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)。定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的永久磁鐵磁極互相吸引，并帶著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。使轉(zhuǎn)子也以同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子加上負(fù)載轉(zhuǎn)矩之后，將造成定子磁場(chǎng)軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線不重合，其夾角為θ。若負(fù)載發(fā)生變化，θ角也跟著變化，但只要不超過(guò)一定的限度，轉(zhuǎn)子始終跟著定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以恒定的同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為

ns＝60f/p(r/min)式中f—電源的頻率

p—磁極對(duì)數(shù)nSNns

nr

θ

S91永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)工作特性曲線：即轉(zhuǎn)矩—速度特性曲線T/Ncmn(r/min)特點(diǎn)：（與永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)相比）

Ⅰ為連續(xù)工作區(qū)

Ⅱ?yàn)閿嗬m(xù)工作區(qū)機(jī)械特性更硬，其直線更接近水平線。斷續(xù)工作區(qū)的范圍更大。92三、交流伺服電機(jī)調(diào)速原理?yè)?jù)電機(jī)學(xué)知，交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：式中 f—定子電源頻率（Hz）；

p—磁極對(duì)數(shù)；

s—轉(zhuǎn)差率（異步s≠0；同步s=0）。交流伺服電機(jī)變頻調(diào)速的關(guān)鍵：獲得調(diào)頻調(diào)壓的交流電流931.同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速調(diào)速原理

根據(jù)永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速公式

n＝ns＝60f/p(r/min)

可以通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電源頻率f來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

此法可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，能夠較好地滿足數(shù)控機(jī)床的要求。變頻調(diào)速的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)能為電動(dòng)機(jī)提供變頻電源的變頻器。交—交變頻器直接將固定頻率的交流電變換為另一種頻率的交流電。

交—直—交變頻器先將電網(wǎng)交流電通過(guò)整流變?yōu)橹绷鳎俳?jīng)過(guò)電容或電感或電容、電感組合電路濾波后供給逆變器。逆變器輸出的是電壓和頻率可調(diào)的交流電。94交—