1、5.1概述 5.2步進驅動及開環(huán)進給控制 5.3直流伺服驅動系統(tǒng) 5.4交流伺服驅動系統(tǒng),5.1概述,5.1.1數控機床對進給伺服系統(tǒng)的要求 5.1.2進給伺服伺服系統(tǒng)的組成 5.1.3進給伺服系統(tǒng)的分類,返回章目錄,5.1.1 數控機床對進給伺服系統(tǒng)的要求,（1）調速范圍寬，進給速度范圍要大。 （2）位移精度要高。 為了保證零件加工質量和提高效率，就要求數控機床具 有很高的位移精度和加工精度。 （3）快速響應特性好，跟隨誤差要小，即伺服系統(tǒng)的速度響 應要快。 （4）工作穩(wěn)定性高，可靠性好。 （5）低速大轉矩 （6）高性能電動機,返回,5.1.2進給伺服伺服系統(tǒng)的組成,1.進給伺服系統(tǒng)的作用

2、進給伺服系統(tǒng)是以移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系 統(tǒng)。 伺服系統(tǒng)是數控裝置和機床主機的聯(lián)系環(huán)節(jié)，它用于接收數控裝置 插補器發(fā)出的進給脈沖或進給位移量信息，經過一定的信號轉換和電 壓、功率放大，由伺服電機和機械傳動機構驅動機床的工作臺等，最后 轉化為機床工作臺相對于刀具的直線位移或回轉位移。 2.進給伺服系統(tǒng)的組成 數控機床的伺服驅動系統(tǒng)按有無反饋檢測單元分為開環(huán)和閉環(huán)兩種 類型(見進給伺服系統(tǒng)分類)，這兩種類型的伺服驅動系統(tǒng)的基本組成不 完全相同。但不管是哪種類型，執(zhí)行元件及其驅動控制單元都必不可 少。驅動控制單元的作用是將進給指令轉化為驅動執(zhí)行元件所需要的信 號形式，執(zhí)行元件則將該

3、信號轉化為相應的機械位移。伺服系統(tǒng)一般由 位置控制單元、速度控制單元、驅動元件(電機)、檢測與反饋單元、機 械執(zhí)行部件等組成。例如圖5.3所示為典型閉環(huán)伺服系統(tǒng)的一般組成。,返回,1.按有無檢測元件和反饋環(huán)節(jié)分類 （1）開環(huán)伺服系統(tǒng) 開環(huán)伺服系統(tǒng)（如圖5.1所示）只有指令信號的前向控制 通道，沒有檢測反饋控制通道，其驅動元件主要是步進電機。 這種系統(tǒng)工作原理是將指令數字脈沖信號轉換為電機的角度位 移。實現(xiàn)運動和定位，主要靠驅動裝置（既驅動電路）和步進 電機本身保證。轉過的角度正比于指令脈沖的個數；運動速度 由進給脈沖的頻率決定。,5.1.3進給伺服系統(tǒng)的分類,繼續(xù),（2）半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 位置檢

4、測元件裝在電機軸端或絲杠軸端，如圖5.2所示。 半閉環(huán)系統(tǒng)通過角位移的測量間接計算出工作臺的實際位移 量。機械傳動部件不在控制環(huán)內，容易獲得穩(wěn)定的控制特性。 只要檢測元件分辨率高、精度高，并使機械傳動件具有相應的 精度，就會獲得較高精度和速度。半閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度介于 開環(huán)和全閉環(huán)系統(tǒng)之間。精度雖沒有閉環(huán)高，調試卻比全閉環(huán) 方便，因此是廣泛使用的一種數控伺服系統(tǒng)。,5.1.3進給伺服系統(tǒng)的分類,繼續(xù),（3）閉環(huán)伺服系統(tǒng) 閉環(huán)系統(tǒng)是誤差控制隨動系統(tǒng)。數控機床進給系統(tǒng)的控制量是CNC 輸出的位移指令和機床工作臺（或刀架等）實際位移的差值（誤差）。因 此需要有位置檢測裝置。該裝置放在工作臺上，測出各

5、坐標軸的實時位移 量或者實際所處位置，并將測量值反饋給CNC裝置，與指令進行比較，求 得誤差，CNC裝置控制機床向著消除誤差的方向運動。在閉環(huán)控制中還引 入了實際速度與給定速度比較調解的速度環(huán)（其內部有電流環(huán)），作用是 對電機運行狀態(tài)實時進行較正、控制，達到速度穩(wěn)定和變化平穩(wěn)的目的， 從而改善位置環(huán)的控制品質。這種既有指令的前向控制通道，又有測量輸 出的反饋控制通道，就構成了閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)，如圖5.3所示。,5.1.3進給伺服系統(tǒng)的分類,繼續(xù),2.按反饋比較控制方式分類 （1）脈沖、數字比較伺服系統(tǒng) 該系統(tǒng)是閉環(huán)伺服系統(tǒng)中的一種控制方式，它是將數控裝 置發(fā)出的數字（或脈沖）指令信號與檢測裝置

6、測得的數字（或 脈沖）形式的反饋信號直接進行比較，以產生位置誤差，實現(xiàn) 閉環(huán)控制。 （2）相位比較伺服系統(tǒng) 該系統(tǒng)中位置檢測元件采用相位工作方式，指令信號與反 饋信號都變成某個載波的相位，通過相位比較來獲得實際位置 與指令位置的偏差，實現(xiàn)閉環(huán)控制。 （3）幅值比較伺服系統(tǒng) 該系統(tǒng)是以位置檢測信號的幅值大小來反映機械位移的數 值，并以此信號作為位置反饋信號，與指令信號進行比較獲得 位置偏差信號構成閉環(huán)控制。,5.1.3進給伺服系統(tǒng)的分類,繼續(xù),（4）全數字伺服系統(tǒng) 隨著微電子技術、計算機技術和自動化技術的發(fā)展，數 控機床的伺服系統(tǒng)已開始采用高速、高精度的全數字伺服系 統(tǒng)，使伺服控制技術從模擬方式

7、、混合方式走向全數字方式。 由位置、速度和電流構成的三環(huán)反饋全部數字化，柔性好，使 用靈活。全數字控制使伺服系統(tǒng)的控制精度和控制品質大大提 高。隨著伺服系統(tǒng)控制的軟件化，伺服系統(tǒng)的控制性能得到了 很大的提高。 3.按使用的驅動元件分類 按使用的驅動元件，伺服系統(tǒng)可以分為電液伺服系統(tǒng)和電 氣伺服系統(tǒng)。電液伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件是電液脈沖馬達和電液 伺服馬達。但由于該系統(tǒng)存在噪音、漏油等問題，其逐漸被電 氣伺服系統(tǒng)所取代。電氣伺服系統(tǒng)全部采用電子元件和電動機 部件，操作方便，可靠性高。,5.1.3進給伺服系統(tǒng)的分類,返回,5.2步進驅動及開環(huán)進給控制,5.2.1步進電動機分類、結構及工作原理 5.2.

8、2步進電動機的驅動電源 5.2.3步進電動機的進給控制 5.2.4步進電動機的主要特性及其選擇,返回章目錄,5.2.1步進電動機分類、結構及工作原理,1.步進電動機的分類與結構 步進電動機：是一種將電脈沖信號轉換成機械角位移的驅動 元件。給一個電脈沖信號，步進電動機回轉一個固定的角 度，稱為一步，所以叫做步進電動機（也稱為脈沖電動 機）。 （1）步進電機的分類 1）按作用原理來分類 可分為有磁阻式(反應式)、永磁式和永磁感應式（混合 式）三大類。 反應式步進電機也叫感應式、磁滯式或磁阻式步進電機。 其轉子無繞組，定子和轉子均由軟磁材料制成，定子上均勻 分布的大磁極上裝有多相勵磁繞組，定、轉子周

9、邊均勻分布 小齒和槽，通電后利用磁導的變化產生轉矩。 永磁式步進電機轉子或定子的一方具有永久磁鋼，另一方,繼續(xù),5.2.1步進電動機分類、結構及工作原理,由軟磁材料制成。通常電機轉子由永磁材料制成，軟磁材料 制成的定子上有多相勵磁繞組，定、轉子周邊沒有小齒和 槽，通電后利用永磁體與定子電流磁場相互作用產生轉矩。 永磁反應式步進電機也叫做混合式、永磁感應式步進電 機，綜合了永磁式和反應式的優(yōu)點。其定子和四相反應式步 進電機沒有區(qū)別（但同一相的兩個磁極相對，且兩個磁極上 繞組產生的N、S極性必須相同），轉子結構較為復雜（轉 子內部為圓柱形永磁鐵，兩端外套軟磁材料，周邊有小齒和 槽）。 2）按輸出功

10、率和使用場合分類分類 可分為功率步進電機和控制步進電機。功率式步進電 機輸出轉矩較大，能直接帶動較大負載（一般使用反應式、 混合式步進電機）；伺服式步進電機輸出力矩在百分之幾之 幾至十分之幾（Nm ），輸出轉矩較小，只能帶動較小負,繼續(xù),5.2.1步進電動機分類、結構及工作原理,載（一般使用永磁式、混合式步進電機）。 3）按結構分類 分為徑向式(單段式)、軸向式(多段式)和印刷繞組式步 進電機。徑向分布式電機各相按圓周依次排列；軸向分布式 電機各相按軸向依次排列。 4）按相數分類 可分為三相、四相、五相、六相等。,繼續(xù),5.2.1步進電動機分類、結構及工作原理,（2）步進電動機的結構 步進電動

11、機都是由定子和轉子組成，但因類型不同，結 構也不完全一樣。磁阻式步進電機（以三相徑向式為例）結 構如圖5.4所示。 其中定子又分為定子鐵心和定子繞組。定子鐵心由電工 鋼片疊壓而成，定子繞組是繞制在定子鐵心6個均勻分布的 齒上的線圈，在直徑方向上相對的兩個齒上的線圈串聯(lián)在一 起，構成一相控制繞組。,繼續(xù),5.2.1步進電動機分類、結構及工作原理,圖5.4所示的步進電動機可構成A、B、C三相控制繞 組，故稱三相步進電動機。若任一相繞組通電，便形成一組 定子磁極。在定子的每個磁極上面向轉子的部分，又均勻分 布著5個小齒，這些小齒呈梳狀排列，齒槽等寬，齒間夾角 為9。轉子上沒有繞組，只有均勻分布的40

12、個齒，其大小 和間距與定子上的完全相同。此外，三相定子磁極上的小齒 在空間位置上依次錯開1/3齒距，如圖5.5所示。,繼續(xù),2.步進電機的工作原理 （1）三相單三拍控制（S=30） 三相：指定子有三相繞組A、B、C； 單：指每次只有一相繞組通電； 拍：指從一種通電狀態(tài)轉變?yōu)榱硪环N通電狀態(tài)； “三拍”是指每三次換接為一個循環(huán)。 （2）三相單、雙拍（六拍）控制（S=15） （3）三相雙三拍控制（S=30） 雙：指每次有兩相繞組通電。 通電順序為： 正轉：ABBCCAAB（逆時針方向） 反轉：ACCBBAAC（順時針方向）,當定子繞組按順序輪流通電時，A、B、C三對磁極就依次產生磁場，并每次對轉子的

13、某一對齒產生電磁引力，將其吸引過來，而使轉子一步步轉動。如果控制線路不停地按一定方向切換定子繞組各相電流，轉子便按一定方向不停地轉動。步進電機每次轉過的角度稱為步距角。 一般用S表示。,如AABBBCCCAA順序通電，即首先A相通電，然后A相不斷電，B相再通電，即A、B兩相同時通電，接著A相斷電而B相保持通電狀態(tài)，然后再使B、C兩相通電，依次類推，每切換一次，步進電機逆時針轉過15。如通電順序改為AACCCBBBAA，則步進電機以步距角15順時針旋轉。,當A相通電時，轉子1、3齒被磁極A產生的電磁引力吸引過去，使1、3齒與A相磁極對齊。接著B相通電，A相斷電，磁極B又把距它最近的一對齒2、4吸

14、引過來，使轉子按逆時針方向轉動30o。然后C相通電，B相斷電，轉子又逆時針旋轉30o，依次類推，定子按ABCA順序通電，轉子就一步步地按逆時針方向轉動，每步轉30o。若改變通電順序，按ACBA使定子繞組通電，步進電機就按順時針方向轉動，同樣每步轉30o。,（如圖所示）,5.2.1步進電動機分類、結構及工作原理,（如圖所示）,（如圖所示）,繼續(xù),齒距角（t）： 步距角（S）： 式中：m為電動機定子的相數，Zr為轉子的齒數，k為與通 電系數有關的參數，單拍或雙拍時k=1，單、雙拍時k=2。,5.2.1步進電動機分類、結構及工作原理,返回,30,30,30,A,A,B,B,C,C,（,a,）,A,相

15、通電,（,b,）,B,相通電,（,c,）,C,相通電,C,C,B,B,A,A,1,3,2,4,1,3,2,4,1,3,2,4,逆時針轉30,逆時針轉30,逆時針轉30,圖5.6 三相單三拍控制示意圖,A,A,B,B,C,C,5.2.1步進電動機分類、結構及工作原理,返回,A,A,B,B,C,C,5.2.1步進電動機分類、結構及工作原理,返回,A,A,B,B,C,C,5.2.1步進電動機分類、結構及工作原理,返回,5.2.2步進電動機的驅動電源,步進電動機應由專用的驅動電源來供電，由驅動電源和 步進電動機組成一套伺服裝置來驅動負載工作。脈沖分配器、 功率放大器以及其它控制線路的組合稱為步進電動機

16、的驅動 電源，其作用是發(fā)出一定功率的電脈沖信號，使定子勵磁繞 組順序通電，驅動電源是步進電動機工作不可缺少的一部分。 步進電動機、驅動電源和控制器構成步進電動機傳動控制系 統(tǒng)。如圖5.7所示。,繼續(xù),5.2.2步進電動機的驅動電源,1.脈沖分配控制 作用：將數控裝置送來的一系列指令脈沖按照一定的順序 和分配方式進行處理，控制各相繞組的通電、斷電。 （1）硬件脈沖分配：采用環(huán)形分配器（如圖5.8所示）,繼續(xù),CNC 裝置,電源,環(huán)形分配器,A相驅動,B相驅動,C相驅動,CLK,DIR,FULL/HALF,圖5.8三相硬件環(huán)形分配器的驅動控制,硬件脈沖分配由環(huán)形脈沖分配器來實現(xiàn)，環(huán)形脈沖分配器是由

17、門電路和雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的邏輯電路，常用的是專用集成心片或通用可編程邏輯器件組成的環(huán)形脈沖分配器。主要通過一個脈沖輸入端控制步進的速度；一個輸入端控制電動機的轉向；并有與步進電動機相數同數目的輸出端分別控制電動機的各相。,5.2.2步進電動機的驅動電源,假設用A、B、C分別代表步進電機的三相繞組，步進 電機的正、反轉可用控制端X來控制，X=1表示正轉，X=0 表示反轉，正、反轉時其脈沖分配電路狀態(tài)轉換如圖如圖 5.9所示。,繼續(xù),實現(xiàn)正轉的脈沖環(huán)行分配器邏輯圖如圖5.10所示，置位、復位端加“0”之后，則，A=1，B=0，C=0，輸入一個CP脈沖，則A=1，B=1，C=0，再輸入CP脈沖則 A

18、=0，B=1，C=0，依此下去即實現(xiàn)了步進電機的正轉狀態(tài)轉換關系。,5.2.2步進電動機的驅動電源,（2）軟件脈沖分配：以三相六拍為例 軟環(huán)分控制示意圖（如圖5.11 ） 用計算機實現(xiàn)軟環(huán)分控制（如圖5.12）,繼續(xù),CNC 裝置,電源,A相驅動,B相驅動,C相驅動,三相步進電動機驅動裝置,A,B,C,圖5.11軟環(huán)分驅動控制,、通電順序 電動機正轉的通電順序為：AAB B BC C CA A 電動機反轉的通電順序為：AAC C CB B BA A 、P1的某口為高電平時，相應的電動機相通電。 、把表5-1的數值按順序存入內存EPROM中，并分別設定表頭的地 址為TAB0,表尾 的地址為TAB

19、5。 計算機的P1口從表頭開始按逐步加1的順序變化，電動機正轉，從 表尾按逐步減1的順序變化，電動機反轉。,8031,光電耦合器,光電耦合器,光電耦合器,功率放大器,功率放大器,功率放大器,P1.0,P1.1,P1.2,圖5.12計算機控制的步進電機驅動電路框圖,5.2.2步進電動機的驅動電源,繼續(xù),表5-1 計算機的三相六拍環(huán)形分配表,5.2.2步進電動機的驅動電源,繼續(xù),2.功率驅動電路 （1）作用 從環(huán)形分配器來的進給控制信號的電流只有幾毫安，不能 直接驅動步進電動機，而步進電機的定子繞組需要幾安培的電 流，因此，在脈沖分配器后面都接有脈沖放大器作為功率驅動 （放大）電路，對從環(huán)形分配器

20、來的信號進行功率放大，經功 率放大后的電脈沖信號可直接輸出到定子各相繞組中去控制步 進電動機工作。 （2）要求 能提供前后沿較好（波形陡）的接近矩形波的勵磁電流。 驅動電路本身的功耗小、效率高。 成本較低且便于維修。 能穩(wěn)定可靠的運行。,5.2.2步進電動機的驅動電源,繼續(xù),（3）典型的驅動放大電路 單電源驅動電路 這種電路采用單一電源供電，結構簡單，成本低，但電流波形差，效率低，輸出力矩小，主要用于對速度要求不高的小型步進電動機的驅動,5.2.2步進電動機的驅動電源,繼續(xù),雙電源驅動電路 又稱高低壓驅動電路，采用高壓和低壓兩個電源供電。在步進電動機繞組剛接通時，通過高壓電源供電，以加快電流上

21、升速度，延遲一段時間后，切換到低壓電源供電。這種電路使電流波形、輸出轉矩及運行頻率等都有較大改善，如圖5.14所示。,5.2.2步進電動機的驅動電源,繼續(xù),斬波限流驅動電路 這種電路采用單一高壓電源供電，以加快電流上升速度，并通過對繞組電流的檢測，控制功放管的開和關，使電流在控制脈沖持續(xù)期間始終保持在規(guī)定值上下。這種電路功耗小，效率高，目前應用比較廣泛。圖5.17所示為一種斬波限流驅動電路原理圖。,5.2.2步進電動機的驅動電源,繼續(xù),細分控制 “細分”是針對“步距角”而言的。沒有細分狀態(tài)，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，步進電機就按照整步旋轉一個特定的角度，這是步進電機固有步距角。通過步進電機

22、驅動器設置細分狀態(tài)，步進電機將會按照細分的步距角旋轉位移角度，從而實現(xiàn)更為精密的定位。 步進電機驅動器采用細分功能，能夠消除步進電機的低頻共振（震蕩）現(xiàn)象，減少振動，降低工作噪音。隨著驅動器技術的不斷提高，當今，步進電機在低速工作時的噪音已經與直流電機相差無幾。低頻共振是步進電機（尤其是反應式電機）的固有特性，只有采用驅動器細分的辦法，才能減輕或消除。利用細分方法，又能夠提高步進電機的輸出轉矩。驅動器在細分狀態(tài)下，提供給步進電機的電流顯得“持續(xù)、強勁”，極大地減少步進電機旋轉時的反向電動勢，同時改善了步進電機工作的旋轉位移分辨率。,5.2.2步進電動機的驅動電源,返回,5.2.3步進電動機的進

23、給控制,1. 工作臺位移量的控制 數控裝置發(fā)出N個進給脈沖，經驅動電路放大后，使步 進電動機定于繞組的通電狀態(tài)變化N次，步進電動機轉過的 角位移量 = Ns (s為步距角)。該角位移經絲杠螺母副轉 化為工作臺的位移量 ，其進給脈沖數決定了工作臺的直線位 移量。 2.工作臺運動方向的控制 當數控裝置發(fā)出的進給脈沖是正向時，經驅動控制線路 之后，步進電動機的定子繞組按一定順序依次通電、斷電。 當進給脈沖是反向時,定子各相繞組則按相反的順序通電、斷 電。因此，改變進給脈沖信號的循環(huán)順序方向，可改變定子 繞組的通電順序，使步進電動機正轉或反轉，從而改變工作 臺的進給方向。 3.速度控制,繼續(xù),控制步進

24、電機相鄰兩種勵磁狀態(tài)之間的時間間隔，即可 實現(xiàn)步進電機轉速的控制。 控制關系為：進給脈沖頻率f定子繞組通電/斷電狀態(tài) 的變化頻率f步進電機的轉速工作臺的進給速度v。 v=60f（mm/min） 對于硬環(huán)分，只需控制CLK的頻率就可控制步進電動機 的速度。 對于軟環(huán)分，則需控制相鄰兩次軟件環(huán)分輸出狀態(tài)之間 的延時時間，即控制步進電機線圈通電狀態(tài)的變化頻率。,5.2.3步進電動機的進給控制,返回,5.2.4步進電動機的主要特性及其選擇,1.步進電動機的主要特性 （1）步距角及步距角誤差 步距角（s ）：步進電動機每步的轉角。 對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移即為s。 ，以常規(guī)二、四相，轉子齒

25、為50齒電機 為例。四拍運行時步距角 （俗稱整步），八拍 運行時步距角為 （俗稱半步）。 步距角誤差：理論步距角與實際步距角的差值。 該值直接影響數控機床工作臺的運動精度。 （2）靜態(tài)距角特性,繼續(xù),靜態(tài)：指的是當步進電機不改變通電狀態(tài)時，轉子處在不動狀態(tài)。 失調角：加載后轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度。 步進電動機的轉矩就是同步轉矩（即電磁轉矩），轉角就是通電相對應的定、轉子齒中心線間用電角度表示的夾角，如圖5.18所示。,5.2.4步進電動機的主要特性及其選擇,繼續(xù),距角特性：步進電動機輸出的力矩（靜轉矩）與失調角e 的 關系稱為距角特性，為正弦曲線。（如圖5.19） 最大靜轉矩：矩角特性

26、上，電磁轉矩的最大值稱為最大靜態(tài)轉矩Tmax，它表示步進電動機承受負載的能力，是步進電動機最主要的性能指標之一。,5.2.4步進電動機的主要特性及其選擇,繼續(xù),（3）啟動（突跳）頻率fq 步進電動機由靜止突然啟動，進入不失步正常運行的最 高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率。 啟動矩頻特性（如圖5.20（a） 當電動機帶有負載力矩M時，啟動頻率fq下降，該關系 稱為啟動矩頻特性。 啟動慣頻特性（如圖5.20（b） 當電動機帶有 慣量負載時，啟動 頻率fq明顯下降，該 關系稱為啟動慣頻 特性。,M/（N m）,fq/HZ,O,a)啟動矩頻特性,J/（kg m2/s2）,fq/HZ,O,b)啟動慣頻特性

27、,圖5.20啟動矩頻、慣頻特性,5.2.4步進電動機的主要特性及其選擇,繼續(xù),（4）連續(xù)運行頻率fmax 步進電動機啟動后，能逐漸不失步的連續(xù)升速到的最高 頻率，稱為連續(xù)運行頻率fmax。 由于采用自動升降速控制， fmax遠大于fq。 該值也是步進電動機的重要指標。 （5）運行矩頻特性（如圖5.21所示） 描述步進電動機連續(xù)、穩(wěn)定運行時輸出轉矩與頻率的關 系。 動態(tài)轉矩的大小直接影響 步進電機的動態(tài)性能及承載能 力。,f/HZ,Mq,M/（nm）,O,圖5.21 矩頻特性,5.2.4步進電動機的主要特性及其選擇,繼續(xù),（6）加減速特性 實現(xiàn)辦法 按直線規(guī)律或指數規(guī)律完成加減速控制。（如圖5.

28、22 ） 實現(xiàn)過程 升速段恒速段降速段 定時法和定步法 定時法：按一定的時間間隔 （t）改變步進電動機的運 行頻率，從而實現(xiàn)升降速控制。 定步法：按一定的步數間隔（p）改變步進電動機的運行 頻率，從而實現(xiàn)升降速控制。,數控機床在加工過程中，要求步進電機能夠實現(xiàn)平滑的啟動、停止或變速，這就要求對步進電機的控制脈沖頻率作相應的處理。同時，為了防止步進電機在變速過程中出現(xiàn)過沖或失步現(xiàn)象，步進電機的頻率不能突變。 這樣，當步進電機的速度變化較大時，必須按一定規(guī)律完成平滑的升速或降速過程。,O,f,t,恒速部分,指數升速,直線升速,直線降速,指數降速,圖5.22 直線與指數加減速控制,5.2.4步進電動

29、機的主要特性及其選擇,繼續(xù),2.步進電動機的選用 合理地選用步進電動機是相當重要的，步進電機的選用主要是滿足運動系統(tǒng)的轉矩、精度（脈沖當量）、速度等要求。這樣就要充分考慮步進電機的靜動態(tài)轉矩、起動頻率、連續(xù)運行頻率。當脈沖當量、轉矩不夠時、可加入降速傳動機構。通常希望步進電動機的輸出轉矩大，起動頻率和運行頻率高，步距誤差小，性能價格比高。但增大轉矩與快速運行存在一定矛盾，高性能與低成本存在矛盾，因此實際選用時，必須全面考慮。 綜上所述選擇電機一般應遵循以下步驟：,5.2.4步進電動機的主要特性及其選擇,返回,5.3直流伺服驅動系統(tǒng),5.3.1直流伺服電動機 5.3.2直流伺服驅動裝置,返回章目

30、錄,1.直流伺服電機的分類與特點 （1）按照定子磁場產生方式，直流伺服電動機可以分為 永磁式直流電機、勵磁式直流電機。勵磁式的磁場由勵磁繞 組產生,按照對勵磁繞組的勵磁方式不同，又可以分為他激式、 并激式、串激式、復激式 （2）按電樞的結構與形狀，直流伺服電動機可分為平滑 電樞型、空心電樞型和有槽電樞型等。 （3）按轉子轉動慣量的大小，直流伺服電動機還可分為 大慣量、中慣量和小慣量直流伺服電動機。,5.3.1直流伺服電動機,繼續(xù),2.直流伺服電機結構與工作原理 （1）直流伺服電機的結構,5.3.1直流伺服電動機,由定子、轉子（電樞）、電刷、換向器和機殼等組成。如下圖所示，N、S為定子上固定不動

31、的兩個主磁極，主磁極可以采用永久磁鐵，也可以采用電磁鐵，在電磁鐵的勵磁線圈上通以方向不變的直流電流，便形成一定極性的磁極。在兩個主磁極N、S之間裝有一個可以轉動的、由鐵磁材料制成的圓柱體，圓柱體表面嵌有一線圈（稱為電樞繞組），線圈首末兩端分別連接到兩個弧形鋼片（稱為換向片） 上。換向片之間用絕緣材料構成一整體，稱為換向 器，它固定在轉軸上（但與轉軸絕緣），隨轉軸一 起轉動，整個轉動部分稱為電樞。為了接通電樞內 電路和外電路，在定子上裝有兩個固定不動的電刷 A和B，并壓在換向器上，與其滑動接觸。,繼續(xù),（2）直流伺服電動機的工作原理 直流伺服電動機是在定子磁場的作用下，使通有直流電 的電樞（轉子

32、）受到電磁轉矩的驅使，帶動負載旋轉。通過 控制電樞繞組中電流的方向和大小，就可以控制直流伺服電 動機的旋轉方向和速度。當電樞繞組中電流為零時，伺服電 動機則靜止不動。,5.3.1直流伺服電動機,繼續(xù),3.直流伺服電機的工作特性 （1）工作原理 當電樞線圈通以直流電流時，就會 在定子磁場作用下，產生帶動負載旋轉 的的電轉矩。 （2）調速原理（如圖5.24所示） 當電動機處于穩(wěn)態(tài)運行時，回路中的電流Ia保持不變， 則電樞回路中的電壓平衡方程式為： 轉子在磁場中以角速度切割磁力線時，電樞反電動勢Ea 與角速度之間存在如下關系：,5.3.1直流伺服電動機,繼續(xù),由（5-1）、（5-2）得： 此外，電樞

33、電流切割磁場磁力線所產生的電磁轉矩，可 由下式表達。 也即 將（5-4）代入（5-3）并整理，可得到直流伺服電動機 運行特性的一般表達式 。,5.3.1直流伺服電動機,繼續(xù),該機械特性公式對應的 機械特性曲線如圖5.25所示。 由圖可知，當電動機電樞 所加電壓Ua一定時，隨著負載 力矩M的增大，轉速下降。 從而，直流電機調速可以有 三種方法： 改變電樞控制電壓； 改變磁通量，即改變勵磁回路電流； 改變電樞回路的電阻。 實際中均采用調壓調速。,Tm,O,圖5.25 直流電機的機械特性曲線,5.3.1直流伺服電動機,繼續(xù),4.永磁直流伺服電動機 數控機床大量采用的是永磁直流伺服電動機。按電樞慣 量

34、可分為小慣量與大慣量直流電動機。 （1）小慣量直流電動機 特點：電動機轉子的慣量小，響應快，調速范圍廣，運轉平 穩(wěn)，但過載能力低，自身慣量比機床相應部件慣量小很多。 但因為這種電機轉子的慣量小，因而過載能力低。再有這種 電機轉子慣量比機床移動部件的慣量小，兩者之間須使用齒 輪減速才能很好地匹配，從而增加了傳動鏈誤差。 應用：適用于頻繁啟動與制動，要求快速響應（如數控鉆 床、沖床等點位控制）的場合。,5.3.1直流伺服電動機,繼續(xù),（2）大慣量直流電動機（寬調速直流伺服電機） 寬調速直流伺服電機是在維持一般直流電機轉動慣量不 變的前提下，通過提高轉矩來改善其特性，具體措施是： 1）增加定子磁極對

35、數，并采用轎頑力強的永磁材料； 2）在同樣的轉子外徑和電樞電流的情況下，增加轉子上的 槽數和槽的截面積。從而提高了電機的瞬時加速力矩，改善 了其動態(tài)響應能力。 優(yōu)點: 缺點：這種電機的價格較貴，結構復雜，維修也較麻煩。,（1）能承受的峰值電流和過載能力 高，滿足數控機床加減速的要求； （2）具有大的力矩與慣量比，快速 性好； （3）低速時輸出的力矩大； （4）調速范圍大； （5）轉子熱容量大。,5.3.1直流伺服電動機,繼續(xù),5.永磁直流伺服電動機的特性曲線 轉矩速度特性曲線（工作曲線） 區(qū)為連續(xù)工作區(qū)，在該區(qū) 域里轉速和轉矩的任意組合都可 實現(xiàn)長期連續(xù)工作，適于長時額 定負載切削。 區(qū)為間斷

36、工作區(qū)，在該區(qū) 電動機間歇工作，適于短時低速 重載切削。 為加減速區(qū)，電動機加減 速時在該區(qū)工作，只能在該區(qū)工 作極短的一段時間。,n/(rmin-1),O,圖5.26直流電機的工作曲線,M/(Ncm),2000,4000,6000,8000,10000,12000,500,1000,1500,最大轉矩,最高轉速,瞬時換向極限,換向極限,溫度極限,5.3.1直流伺服電動機,繼續(xù),負載周期曲線（如圖5.27） 描述電動機過載運行的允許時間。 圖中給出了在滿足負載所 需轉矩，而又確保電機不過熱 的情況下，允許電動機的工作 時間。 過載倍數的百分比Tmd為： Tmd=（負載轉矩/電機額定轉矩） 10

37、0% 負載周期比d為： d= tR /（ tR + tF) tR為電動機工作時間， tF為電動機斷電時間。,圖5.27 直流電機的負載周期曲線,tR / min,d / %,110%,150%,200%,O,5.3.1直流伺服電動機,返回,5.3.2直流電動機的驅動控制,直流電動機伺服驅動系統(tǒng)為了達到速度和位置的控制，一般采用三閉環(huán)的控制方式。所謂三閉環(huán)指的是電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。電流環(huán)反饋元件一般采用取樣電阻以及傳感器；速度環(huán)反饋一般采用測速發(fā)電機等；而位置環(huán)反饋常采用光柵、直線感應同步器等檢測裝置。 由電工學的知識可知，在轉子磁場不飽和的情況下，改變電樞電壓即可改變轉子轉速。直流電機的轉

38、速和其它變量的關系可用式5-6表示： 根據上述關系式，實現(xiàn)電機調速主要方法有三種： （1）調節(jié)電樞供電電壓U：電動機加以恒定勵磁，用改變電樞兩端電壓U的方式來實現(xiàn)調速控制，這種方法也稱為電樞控制。 （2）減弱勵磁磁通：電樞加以恒定電壓，用改變勵磁磁通的方法來實現(xiàn)調速控制，這種方法也稱為磁場控制。 （3）改變電樞回路電阻R來實現(xiàn)調速控制。,繼續(xù),5.3.2直流電動機的驅動控制,1.脈寬調制的基本概念 脈寬調制：使功率放大器中的功率器件（大功率晶體管）工作在開關狀態(tài)下，開關頻率保持恒定，用調整開關周期內晶體管導通時間的方法改變輸出給電動機兩端的平均電壓，從而達到控制電 動機轉速的目的。 2.調速系

39、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節(jié)器、電流調節(jié)器和脈寬調制器（包括固定頻率振蕩器、調制信號發(fā)生器、脈寬調制及基極驅動電路）組成。系統(tǒng)的核心部分是主回路和脈寬調制器。,圖5.28 直流PWM系統(tǒng)原理框圖,繼續(xù),Ub1,Ub2,Ub3,Ub4,VT1,VT2,VT3,VT4,VD1,VD2,VD3,VD4,A,B,+US,1,2,3,4,圖5.29 H型驅動回路的工作原理圖,4個功率晶體管的基極電壓分為兩組： Ub1= Ub4，Ub2= Ub3，所加電壓的波形如圖4.24所示。,Ub1（ Ub4）,Ub2（ Ub3）,t,t1,T,t,t1,T,圖5.30

40、 H型驅動回路的工作電壓,若，0t t1時， Ub1= Ub4為正電壓， Ub2= Ub3為負電壓。從而，VT1和VT4飽和導通， VT2和VT3截止，加載電樞兩端的電壓UAB=Us，電樞電流Ia沿回路1流動。,當0t t1時， Ub1= Ub4為負電壓， Ub2= Ub3為正電壓。使VT1和VT4截止， 但VT2和VT3不能立即導通，電樞電流Ia需經VT2和VT3續(xù)流，沿回路2流通，此時 UAB= Us。,由于VD2和VD3的壓降使VT2和VT3承受反壓， VT2和VT3能否導通，取決于續(xù)流電流的大小。 若Ia較大，則VT2和VT3還沒來得及導通，下一個周期到來，又使VT1和VT4導通，電樞

41、電流又開始上升，維持在一個正值附近波動。,若Ia較小，在t1至T時間內，續(xù)流可能降到零，于是VT2和VT3導通， Ia沿回路3流通，方向反向，電動機處于反接制動狀態(tài)。直到下一個周期， VT1和VT4導通， Ia 才開始回升。,由此可知，（1）直流伺服電動機的轉向取 決于電樞兩端電壓平均值的正負。 當電樞平均電壓為零時，電動機靜止不動； 當電樞平均電壓大于零時，電動機正轉； 當電樞平均電壓小于零時，電動機反轉。 （2）平均值（或其絕對值）越大，電動機轉速越高。,為此，得出如下結論： 只要改變加在直流電動機功率放大器上的控制脈沖的寬度，就能控制電動機的轉向及速度。,3.晶體管脈寬調速的基本原理,5.3.2直流電動機的驅動控制,返回,5.4交流伺服驅動系統(tǒng),5.4.1永磁交流同步伺服電機的結構 5.4.2永磁交流同步伺服電機工作原理 5.4.3永磁交流同步伺服電機的特性,返回章目錄,5.4.1永磁交流同步伺服電機的結構,永磁交流伺服電動機主要由三部分組成，即定子、定子繞組、轉子和檢測元件和接線盒組成。定子具有齒槽，內有三相繞組，形狀與普通交流電動機的定子相同，但其外形多呈多邊形，且無外殼，利于散熱?？梢员苊怆妱訖C發(fā)熱對機床精度的影響。轉子由多塊永久磁鐵和沖片組成，如圖5.31所示。同一種沖片和相同的磁鐵塊數可以裝成不同的極數，如圖5.32所示（a）為8極，（b）為4極。,返回,5.