第7章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)

1、第七章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng),數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述,伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接收數(shù)控單元的位移/速度控制指令,驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)/主軸按照控制指令的要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直接影響移動(dòng)速度、跟蹤精度、定位精度等一系列重要指標(biāo)，是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)。,,,數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)電路--信號(hào)的轉(zhuǎn)換（D/A）和放大；伺服電機(jī)--信號(hào)和能量的轉(zhuǎn)化輸出（電—機(jī)）；傳動(dòng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)--信號(hào)和能量的傳遞；,特點(diǎn)：能夠?qū)崿F(xiàn)位置和運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確控制。,組成：,1

2、. 按其控制對(duì)象和使用目的分類,進(jìn)給驅(qū)動(dòng)：控制機(jī)床各軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng), 含速度控制和位置控制，也是一般概念的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；主軸驅(qū)動(dòng)：控制主軸的旋轉(zhuǎn)和切削過(guò)程的轉(zhuǎn)矩和功率，要求有足夠的功率、寬的恒功率調(diào)節(jié)范圍及速度調(diào)節(jié)范圍；輔助驅(qū)動(dòng)：采用簡(jiǎn)易的位置控制，如控制刀庫(kù)的輔助系統(tǒng)。,,7.1 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分類,7.1.2 按調(diào)節(jié)理論分類,（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)：無(wú)檢測(cè)反饋控制通道，由步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控和老設(shè)備

3、改造。,,7.1 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分類,,工作原理：將指令數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)的角位移。,7.1.2 按調(diào)節(jié)理論分類,（1）開環(huán)伺服系統(tǒng),,7.1 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分類,特點(diǎn) 1）無(wú)位移檢測(cè)裝置，控制精度低； 2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于調(diào)整、成本低。主要技術(shù)指標(biāo) 1）定位精度可達(dá)±0.02mm； 2）脈沖當(dāng)量可達(dá)0.01mm； 3）快速進(jìn)給速度4-15m/min；應(yīng)用:經(jīng)

4、濟(jì)型數(shù)控機(jī)床及機(jī)床數(shù)控化改造,7.1.2 按調(diào)節(jié)理論分類,（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)：有位置檢測(cè)裝置（直線位移檢測(cè)元件），用位移指令與工作臺(tái)實(shí)際位移的差值作為控制量；由位置環(huán)和速度環(huán)組成；具有很高的跟隨精度和定位精度，安裝調(diào)試?yán)щy。,,7.1 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分類,,7.1.2 按調(diào)節(jié)理論分類,（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng),,7.1 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分類,,脈沖當(dāng)量0.001-0.0001mm，快進(jìn)速度24-100m/min。主要用于精密、大型數(shù)控

5、設(shè)備上。,7.1.2 按調(diào)節(jié)理論分類,（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)：采用角位移檢測(cè)元件對(duì)電機(jī)軸或滾珠絲杠的角位移進(jìn)行測(cè)量反饋，其精度處于開環(huán)與閉環(huán)之間，安裝調(diào)試方便。,,7.1 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分類,7.1.2 按調(diào)節(jié)理論分類,（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng),,7.1 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分類,脈沖當(dāng)量0.005-0.001mm，快進(jìn)速度15-24m/min。主要用于中檔數(shù)控機(jī)床上。,7.1.3 數(shù)控機(jī)床對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求,,1、精度高，定位誤差（重復(fù)定

6、位誤差）小，跟隨誤差小。 一般要求定位精度為0.001~0.01mm，高檔設(shè)備達(dá)到0.01μm以上。2、快速響應(yīng)特性好、無(wú)超調(diào)、無(wú)振蕩。 快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的標(biāo)志之一，反映系統(tǒng)的跟蹤精度。要求加、減速度足夠大，能頻繁啟、停和正、反向運(yùn)動(dòng)。,7.1 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分類,定位精度：移動(dòng)件到達(dá)指令位置的準(zhǔn)確度。重復(fù)定位精度：移動(dòng)件在任意定位點(diǎn)的定位一致性。,7.1.3 數(shù)控機(jī)床對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求,,3、調(diào)速范圍寬（

7、調(diào)速范圍：最低轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速的范圍-nmin/nmax ） 由于工件材料、刀具以及加工要求各不相同，要保證數(shù)控機(jī)床在任何情況下都能得到最佳切削條件，伺服系統(tǒng)就必須有足夠的調(diào)速范圍。這樣既能滿足高速加工要求，又能滿足低速進(jìn)給要求。4、低速切削時(shí)，要求系統(tǒng)能輸出大轉(zhuǎn)矩5、系統(tǒng)可靠性高 系統(tǒng)的可靠性常用發(fā)生故障時(shí)間間隔長(zhǎng)短的平均值作為依據(jù)，即平均無(wú)故障時(shí)間(MBTF)。這個(gè)時(shí)間越長(zhǎng)，可靠性越好。,7.1 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

8、分類,7.1.4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中常用的檢測(cè)裝置,,7.1 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分類,,7.2 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),主要用于開環(huán)伺服控制，系統(tǒng)由 “步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路” + “步進(jìn)電機(jī)” 組成，對(duì)工作臺(tái)位移、速度和運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行控制。,7.2.1 步進(jìn)電機(jī)（亦稱脈沖電機(jī)、電脈沖馬達(dá)）,,7.2 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),作用：將電脈沖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機(jī)械角位移或直線位移。,電脈沖數(shù)決定位移量；電脈沖頻率決定位移速度；電脈沖相序決定位移方向。,,7

9、.2 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),,（1） 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理,與步進(jìn)電機(jī)有關(guān)的幾個(gè)概念：“段” —指步進(jìn)電機(jī)的定子數(shù)目，分“單段式”、“多段式”；“相”、“相數(shù)” —產(chǎn)生不同對(duì)N、S極磁場(chǎng)的勵(lì)磁線圈對(duì)數(shù)；“拍” —指從一相通電切換成另一相通電的意思；“拍數(shù)”—完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)；“步”-對(duì)步進(jìn)電機(jī)輸入一個(gè)脈沖，則輸出一個(gè)位移（角位移或直線位移），稱為“一步”；“步距角”—對(duì)應(yīng)

10、一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移，用θ表示； “失步” —電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。,,（1） 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理,反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（可變磁阻式步進(jìn)電機(jī)、VR步進(jìn)電機(jī)）結(jié)構(gòu)；,工作原理：當(dāng)某相定子磁極勵(lì)磁后，吸引轉(zhuǎn)子使轉(zhuǎn)子的齒與該相定子磁極上的齒對(duì)齊（電磁吸引原理）。,,,（1） 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理,單段式（一個(gè)定子，也稱徑向式）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（圖7-4）：,,（1） 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理,多段式徑向磁

11、路的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)--由單段式演變而來(lái)，各相勵(lì)磁繞組沿軸向分段布置，每段之間的定子齒在徑向互相錯(cuò)開1／m齒距（m為相數(shù)）；,,（1） 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理,多段式軸向磁路的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)--勵(lì)磁繞組為環(huán)形繞組，定子齒數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)相等。每段之間定子齒在徑向依次錯(cuò)開1／m齒距（m為相數(shù)），轉(zhuǎn)子齒不錯(cuò)位；,,（1） 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理,三相單三拍通電方式工作原理： 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖通入A相時(shí)，磁通企圖沿著磁阻最小的路徑閉合，在此

12、磁場(chǎng)力的作用下，轉(zhuǎn)子的1、3齒要和A級(jí)對(duì)齊。當(dāng)下一個(gè)脈沖通入B相時(shí)，磁通同樣要按磁阻最小的路徑閉合，即2、4齒要和B級(jí)對(duì)齊，則轉(zhuǎn)子就相對(duì)定子沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)30°。,單段式三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理（假定每個(gè)定子磁極只有1個(gè)齒，齒距角=60°，轉(zhuǎn)子齒數(shù)假定只有4個(gè)齒）,,（1） 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理,若通電脈沖的次序?yàn)锳、 B 、 C 、A…，轉(zhuǎn)子將以逆時(shí)針?lè)较蛞徊讲降匦D(zhuǎn)。定子繞組每改變一次通電方式，稱為

13、一拍。上述的通電方式稱為三相單三拍。所謂“單”是指每次只有一相繞組通電；所謂“三拍”是指經(jīng)過(guò)三次切換控制繞組的通電狀態(tài)為一個(gè)循環(huán)。,單段式三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理（假定每個(gè)定子磁極只有1個(gè)齒，齒距角=60°，轉(zhuǎn)子齒數(shù)假定只有4個(gè)齒）,,（1） 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理,單段式三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理（假定每個(gè)定子磁極只有1個(gè)齒，齒距角=60°，轉(zhuǎn)子齒數(shù)假定只有4個(gè)齒）,步進(jìn)電機(jī)的通電方式：,三相雙三拍：(

14、逆轉(zhuǎn)) AB?BC?CA?AB (順轉(zhuǎn)) AC?CB?BA?AC,三相單雙六拍： (逆轉(zhuǎn)) A ? AB ? B ? BC ? C ? CA ? A (順轉(zhuǎn)) A ? AC ? C ? CB ? B ? BA ? A,三相單三拍：(逆轉(zhuǎn)) A?B?C?A (順轉(zhuǎn)) A?C?B?A,,（1） 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理,三種通電方式的特點(diǎn)

15、： 單三拍-每次一相通電,步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定性差，步距角30°； 雙三拍-每次同時(shí)兩相通電,切換瞬間仍有一相保持通電,運(yùn)行穩(wěn)定，步距角30°； 單雙六拍-步距角15°，切換瞬間仍有一相保持通電，運(yùn)行穩(wěn)定。,步進(jìn)電機(jī)定子繞阻通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度，稱為步進(jìn)電機(jī)的步距角；改變步進(jìn)電機(jī)定子繞阻的通電順序，其轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變;步進(jìn)電機(jī)定子繞阻通電狀態(tài)變化的頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高;

16、步距角與定子繞阻相數(shù)m、轉(zhuǎn)子齒數(shù)z、通電方式k有關(guān):,,（1） 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理,數(shù)控機(jī)床中的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的步距角一般為0.36°-3°。,,步距角α、相數(shù)m、轉(zhuǎn)子齒數(shù)z及通電方式K的計(jì)算公式： α=360/(mzK)當(dāng)拍數(shù)=相數(shù)時(shí)，K=1；拍數(shù)=2x相數(shù)時(shí)，K=2；脈沖當(dāng)量--步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)步距角所對(duì)應(yīng)的機(jī)床工作臺(tái)的移動(dòng)量即工作臺(tái)的最小運(yùn)動(dòng)單位（mm/脈沖）；絲杠

17、基本導(dǎo)程S（mm）、步進(jìn)電機(jī)步距角α（°）、脈沖當(dāng)量δ（mm/脈沖）、傳動(dòng)比λ四者的關(guān)系為： δ = Sα/(360λ),（1） 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理,公式： δ = Sα/(360λ)， 如何進(jìn)行推導(dǎo)？假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈時(shí)工作臺(tái)對(duì)應(yīng)的位移量為S1，則有：S1=360δ/α，λ=N電機(jī)/N絲杠=S/S1；即: λ=S/(360δ/α)=Sα/(360δ)整理后，得： δ=Sα/(360λ),

18、,（1） 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理,工作臺(tái)的進(jìn)給速度V(mm/min)、脈沖當(dāng)量δ(mm/脈沖)、進(jìn)給脈沖頻率f(Hz)三者的計(jì)算公式： V= 60δf;步進(jìn)電機(jī)的步距角越小，系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量越小，機(jī)床加工精度越高；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)--控制方便、步距角小、一轉(zhuǎn)中沒(méi)有累積誤差、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、自起動(dòng)能力強(qiáng)、角位移變化范圍寬、價(jià)格低廉；缺點(diǎn)-帶慣性負(fù)載能力差、低頻振蕩、高速時(shí)

19、易失步、斷電后無(wú)定位轉(zhuǎn)矩。,,（1） 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理,思考題：如圖所示的開環(huán)步進(jìn)電機(jī)位置控制系統(tǒng)，已知負(fù)載力F=2000N，工作臺(tái)長(zhǎng)L=400mm，定位精度為±0.02mm，絲杠導(dǎo)程6mm，直徑d＝32mm，步進(jìn)電機(jī)的步距角為α＝1.5°，試確定齒輪減速比λ。,,（2） 永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī),永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖,永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)（亦稱混合式步進(jìn)電機(jī)）特點(diǎn)： 轉(zhuǎn)子由環(huán)形磁鋼及兩段鐵心組成，軸

20、向充磁； 輸出轉(zhuǎn)矩高于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)；掉電情況下，仍具有一定的定位轉(zhuǎn)矩；制造困難，需正、負(fù)電源供電(或把單電源變成正、負(fù)電源)；有取代反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的趨勢(shì)。,,（2） 永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī),7.2.2 步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo),,步距角α： 步進(jìn)電機(jī)定子繞組每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的角度（范圍：0.36°～ 3°）。它決定控制精度，也是決定步進(jìn)式伺服系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的重

21、要參數(shù)；靜態(tài)步距角誤差△α ：以單脈沖輸入時(shí)，實(shí)際步距角與理論步距角之差；失調(diào)角與靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 ：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)不改變通電狀態(tài)、轉(zhuǎn)子處于不動(dòng)狀態(tài)下，在電動(dòng)機(jī)軸上加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按一定方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度θe ，該角度稱為失調(diào)角；這時(shí)轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩T稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。,7.2.2 步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo),,步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T與失調(diào)角θe ：步進(jìn)電機(jī)為空載即T=0，轉(zhuǎn)子在失調(diào)角θe=0處穩(wěn)定，此時(shí)通電相的定子齒與轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊；在靜態(tài)運(yùn)行情況

22、下，如有外力使轉(zhuǎn)子齒偏離定子齒，在-180°<θe < 180°范圍內(nèi)，則在外力消除后，轉(zhuǎn)子在靜轉(zhuǎn)矩的作用下仍能回到原來(lái)的穩(wěn)定平衡位置，故稱 -180°<θe < 180°為靜穩(wěn)定區(qū)；當(dāng)θe =±180°時(shí)，轉(zhuǎn)子齒左右兩邊所受的磁拉力相等而相互抵消，暫時(shí)有靜轉(zhuǎn)矩T=0，稱為不穩(wěn)定平衡點(diǎn)。,7.2.2 步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo),,距角特性和最大靜態(tài)轉(zhuǎn)距Tjm

23、ax；矩角特性：步進(jìn)電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩T與失調(diào)角θe 之間的關(guān)系。,矩角特性上的電磁轉(zhuǎn)矩的最大值稱為最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 Tjmax.,7.2.2 步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo),,啟動(dòng)矩頻特性 ： 描述步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)頻率與負(fù)載力矩的關(guān)系曲線稱為啟動(dòng)矩頻特性。它隨著負(fù)載的增加而下降；空載啟動(dòng)頻率或突跳頻率fq ：空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止突然啟動(dòng)，并進(jìn)入不失步的正常運(yùn)行所允許的最高頻率。步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)頻率要比它的空載起動(dòng)頻率低，要比連續(xù)運(yùn)行頻率低很多；連續(xù)運(yùn)

24、行的最高工作頻率：步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，保證不丟步運(yùn)行的極限頻率，它決定了步進(jìn)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速；運(yùn)行矩頻特性：描述步進(jìn)電機(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f之間的關(guān)系。一般步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩T隨著運(yùn)行頻率f的升高而下降，它是步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)承載能力的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。,7.2.3 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù),,步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)線路通常由脈沖混合電路、加減脈沖分配電路、加減速電路、環(huán)形分配器（脈沖分配器）和功率驅(qū)動(dòng)器（功率放大器）組成：,功能：將

25、一定頻率f、數(shù)量N和方向的進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電機(jī)定子各相繞組通斷電狀態(tài)變化的頻率、次數(shù)和順序的功率信號(hào)。,7.2.3 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù),,環(huán)形分配器的功能：將數(shù)控裝置的插補(bǔ)脈沖，按步進(jìn)電機(jī)所要求的規(guī)律分配給步進(jìn)電機(jī)的各相輸入端，來(lái)控制勵(lì)磁繞組的通、斷電和電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)狀態(tài)；,a.硬環(huán)形分配器：通過(guò)硬件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，由D觸發(fā)器或JK觸發(fā)器組成，也可是專用集成芯片或通用可編程邏輯器件。,b.軟環(huán)形分配器：通過(guò)軟件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，常用的

26、設(shè)計(jì)方法有查表法、比較法、位移寄存器法等。,環(huán)形分配器的分類：,7.2.3 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù),,功率驅(qū)動(dòng)器（功率放大器）的功能：將環(huán)形分配器輸出的脈沖信號(hào)放大，以用足夠的功率來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)；,a.單電壓驅(qū)動(dòng)電路（圖7-14）；,b.高低壓驅(qū)動(dòng)電路（圖7-15）；,功率驅(qū)動(dòng)器常用的驅(qū)動(dòng)電路：,c.斬波驅(qū)動(dòng)電路（圖7-16）；,d.調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)電路（圖7-18）；,e.細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路（圖7-20）；,1、傳動(dòng)計(jì)算,傳動(dòng)比,直線進(jìn)給,開

27、環(huán)控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用,,式中：α為步進(jìn)電機(jī)的步距角 δ 為系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量（°） i 為傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比,圓周進(jìn)給:,傳動(dòng)比：,,開環(huán)控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用,步進(jìn)電機(jī)的選用輸出轉(zhuǎn)距：通常取負(fù)載轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的比值為 TL/Tjmax=0.3～ 0.5步距角：步距角與系統(tǒng)應(yīng)匹配，即應(yīng)滿足脈沖頻率應(yīng)與系統(tǒng)要求的啟動(dòng)、連續(xù)運(yùn)行頻率匹配。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：應(yīng)滿足以下

28、匹配條件 式中：JM 為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； JL 為負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 脈沖頻率：所選步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率要滿足負(fù)載要求，即： 所選步進(jìn)電機(jī)的空載運(yùn)行頻率fmax要高于其負(fù)載下的連續(xù)運(yùn)行頻率；所選步進(jìn)電機(jī)的空載啟

29、動(dòng)頻率要高于負(fù)載下的啟動(dòng)頻率。,,開環(huán)控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用,7.3 直流伺服電機(jī)與速度控制,,直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)主要包括三大部分：（1）定子。定子磁極磁場(chǎng)由定子的磁極產(chǎn)生。根據(jù)產(chǎn)生磁場(chǎng)的方式，直流伺服電動(dòng)機(jī)可分為永磁式和他勵(lì)式。永磁式磁極由永磁材料制成，他勵(lì)式磁極由沖壓硅鋼片疊壓而成，外繞線圈通以直流電流便產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。（2）轉(zhuǎn)子。又稱為電樞，由硅鋼片疊壓而成，表面嵌有線圈，通以直流電時(shí)，在定子磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生帶動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)的電

30、磁轉(zhuǎn)矩。,（3）電刷與換向片。為使所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定方向，轉(zhuǎn)子能沿固定方向均勻的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，電刷與外加直流電源相接，換向片與電樞導(dǎo)體相接。,7.3 直流伺服電機(jī)與速度控制,,直流伺服系統(tǒng)：以直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件的伺服系統(tǒng)；,直流伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)為三閉環(huán)（電流、速度、位置）控制：,電樞電路的電勢(shì)平衡方程感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方程電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程 電機(jī)的機(jī)械特性方程,7.3 直流伺服電機(jī)與速度控制,,他勵(lì)直流伺服電機(jī)機(jī)械特性方程

31、的推導(dǎo)：,,,式中：n-電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min； U-電樞回路外加電壓，V； Ia-電樞回路電流，A； Ra-電樞回路內(nèi)阻，Ω； Rs-電樞回路串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻，Ω；φ-氣隙磁通量，wb； Ce-反電勢(shì)系數(shù)； Cm-轉(zhuǎn)矩系數(shù)。,直流電機(jī)的調(diào)速方法：（1）調(diào)壓恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速-改變電樞回路外加電壓U；（2）調(diào)磁恒功率調(diào)速-改變氣隙磁通量φ（ φ↑n↓T↑）；（3

32、）改變電樞回路中串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻Rs，從而改變電樞回路電 阻（Ra+Rs）。,7.3 直流伺服電機(jī)與速度控制,,數(shù)控機(jī)床的電機(jī)要求既能正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，又能快速制動(dòng)。因此數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)一般都是可逆系統(tǒng)，后兩種方法不能滿足數(shù)控機(jī)床的要求。因此，主要采用調(diào)整電樞電壓的方法來(lái)調(diào)節(jié)直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，它的供電系統(tǒng)能靈活地控制直流電壓的大小和方向。目前主要用晶閘管調(diào)速控制方式（即可控硅SCR）和晶體管脈寬調(diào)速控制方式（PWM）來(lái)提供可調(diào)的直流

33、電源。,直流電機(jī)的機(jī)械特性方程：,7.3 直流伺服電機(jī)與速度控制,,晶閘管（即可控硅SCR）調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速原理： 通過(guò)對(duì)晶閘管觸發(fā)角的控制來(lái)改變電機(jī)電樞電壓，以達(dá)到調(diào)速的目的。 晶體管脈寬調(diào)速（PWM）控制原理： 通過(guò)脈寬調(diào)制器將直流電壓轉(zhuǎn)換成方波電壓，通過(guò)對(duì)方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，以達(dá)到調(diào)速的目的。,7.3.1 晶閘管調(diào)速控制方式,,速度、電流調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器，且?guī)薹δ堋?雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng),PI

34、調(diào)節(jié)器-比例（Proportion）調(diào)節(jié)+積分（Integral）調(diào)節(jié),雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理,電流調(diào)節(jié)器ACR的調(diào)節(jié)作用：電流環(huán)為由ACR和電流負(fù)反饋組成的閉環(huán)，它的主要作用是穩(wěn)定電流。,穩(wěn)態(tài)時(shí)：,,上式的物理意義：,當(dāng)Usi為一定的情況下，由于電流調(diào)節(jié)器ACR的調(diào)節(jié)作用，整流裝置的電流將保持在Usi/β的數(shù)值上。,這種保持電流不變的特性，將使系統(tǒng)能： ①自動(dòng)限制最大電流； ②能有效抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響。,雙閉環(huán)調(diào)

35、速系統(tǒng)的工作原理,,速度調(diào)節(jié)器ASR的調(diào)節(jié)作用,速度環(huán)是由ASR和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的閉環(huán)，它的主要作用是保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，并最后消除轉(zhuǎn)速靜差。,穩(wěn)態(tài)時(shí)：,其物理意義：當(dāng)Usn為一定的情況下，由于速度調(diào)節(jié)器ASR的調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速n將穩(wěn)定在Usn/α的數(shù)值上。,雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理,,原理 ： 三相整流器，由二個(gè)半波整流電路組成。每部分內(nèi)又分成共陰極組（1、3、5）和共陽(yáng)極組（2、4、6）。為了構(gòu)成回路，這二組中必須各有一個(gè)可控硅同時(shí)導(dǎo)通

36、。 1、3、5在正半周導(dǎo)通， 2、4、6在負(fù)半周導(dǎo)通。每組內(nèi)（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差120º，每相內(nèi)二個(gè)觸發(fā)脈沖相差180º。按管號(hào)排列，觸發(fā)脈沖的順序：1-2-3-4-5-6，相鄰之間相位差60º。為保證合閘后兩個(gè)串聯(lián)可控硅能同時(shí)導(dǎo)通，或已截止的相再次導(dǎo)通， 采用雙脈沖控制。既每個(gè)觸發(fā)脈沖在導(dǎo)通60º后，在補(bǔ)發(fā)一個(gè)輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，寬度大于60º，小于120º

37、;。,三相橋式反并聯(lián)整流電路（圖7-23）,,只要改變晶閘管的觸發(fā)角（即改變導(dǎo)通角），就能改變晶閘管的整流輸出電壓，從而改變直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 觸發(fā)脈沖提前來(lái)，增大整流輸出電壓；觸發(fā)脈沖延后來(lái)，減小整流輸出電壓。,主回路波形圖,三相橋式反并聯(lián)整流電路,,晶閘管調(diào)速控制-適合于大功率及要求不高的直流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制（根據(jù)圖7-24來(lái)理解）： ①調(diào)速：當(dāng)給定的指令信號(hào)增大時(shí)，則有較大的偏差信號(hào)加到調(diào)節(jié)器的輸入端，產(chǎn)生前移的觸發(fā)

38、脈沖，晶閘管整流器輸出直流電壓提高，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升。此時(shí)測(cè)速反饋信號(hào)也增大，與大的速度給定相匹配達(dá)到新的平衡，電機(jī)以較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。 ②干擾：如負(fù)載增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，速度反饋電壓降低，則速度調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)增大，其輸出信號(hào)也增大，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器使觸發(fā)脈沖前移，晶閘管整流器輸出電壓升高，使電機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到干擾前的數(shù)值。 ③電網(wǎng)波動(dòng)：電流調(diào)節(jié)器通過(guò)電流反饋信號(hào)還起快速的維持和調(diào)節(jié)電流作用，如電網(wǎng)電壓突然短時(shí)下降，整流輸出電壓也隨之降

39、低，在電機(jī)轉(zhuǎn)速由于慣性還未變化之前，首先引起主回路電流的減小，立即使電流調(diào)節(jié)器的輸出增加，觸發(fā)脈沖前移，使整流器輸出電壓恢復(fù)到原來(lái)值，從而抑制了主回路電流的變化。 ④啟動(dòng)、制動(dòng)、加減速：電流調(diào)節(jié)器還能保證電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)的大轉(zhuǎn)矩、加減速的良好動(dòng)態(tài)性能。,,7.3.1 晶閘管調(diào)速控制方式,近年來(lái)，晶體管脈寬調(diào)制方式（PWM）在世界上得到了廣泛應(yīng)用，并且逐步取代晶閘管控制方式。,7.3.2 晶體管脈寬調(diào)速控制方式,,Ua=δT U

40、 其中δT＝τ/T 由上式可知： 當(dāng)T不變時(shí)，只要連續(xù)地改變?chǔ)樱?～T）就可使電樞電壓平均值連續(xù)地由0～U變化，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。如開關(guān)頻率是2000Hz，T＝l／2000s＝0.5ms。 圖中二極管為續(xù)流二極管，當(dāng)K斷開時(shí)，由于電樞電感的存在，電機(jī)電樞電流Ia可通過(guò)它形成回路而繼續(xù)流通。,7.3.2 晶體管脈寬調(diào)速控制方式,,7.3.2 晶體管脈寬調(diào)速控制方式,,脈寬調(diào)制（PWM—pulse width

41、modulation）方式的速度控制系統(tǒng)主要由脈沖寬度調(diào)制器和脈沖功率放大器兩部分組成：,-,脈寬調(diào)制： 功率放大器中的晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)下，開關(guān)頻率保持恒定，用調(diào)整開關(guān)周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通時(shí)間（即改變基極調(diào)制脈沖寬度）的方法來(lái)改變輸出，以使電機(jī)電樞兩端獲得脈寬受調(diào)制脈沖控制的電壓脈沖，由于頻率高及電感的作用則為波動(dòng)很小的直流電壓（平均電壓）。 脈寬的連續(xù)變化使電樞電壓的平均值隨著變化，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。,7.3

42、.2 晶體管脈寬調(diào)速控制方式,,①電動(dòng)機(jī)損耗和噪聲小； ②系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性好，響應(yīng)頻帶寬；③低速時(shí)電流脈動(dòng)和轉(zhuǎn)速脈動(dòng)小，穩(wěn)速精度高； ④功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小且控制方便；⑤響應(yīng)很快，電動(dòng)機(jī)既能驅(qū)動(dòng)負(fù)載，也能制動(dòng)負(fù)載；⑥功率晶體管承受高峰值電流的能力差。,7.3.2 晶體管脈寬調(diào)速控制方式,,晶體管脈寬調(diào)制的主要特點(diǎn)：,PWM方式廣泛應(yīng)用于：中、小功率的直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。,PWM的優(yōu)點(diǎn)：晶體管脈寬調(diào)制系統(tǒng)，因晶體管的開關(guān)

43、頻率很高，其輸出電流接近于純直流，使電機(jī)調(diào)速平穩(wěn)。另一方面，轉(zhuǎn)子也跟不上如此高的頻率變化，避開了機(jī)械諧振，使機(jī)械工作平穩(wěn)；這種方式還具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)硬度，電機(jī)既能驅(qū)動(dòng)負(fù)載，也能制動(dòng)負(fù)載，因而響應(yīng)很快。與晶閘管比較，在相同的輸出轉(zhuǎn)矩下（即平均電流相同）運(yùn)行效率高，發(fā)熱小，低速下限更小，調(diào)速范圍更寬。直流電機(jī)的缺點(diǎn)：它的電刷和換向器易磨損，換向時(shí)產(chǎn)生火花，使電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受限制，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。,7.3 直流伺服

44、電機(jī)與速度控制,,幾年來(lái)，由于交流伺服電機(jī)克服了直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)上的缺點(diǎn)，交流伺服系統(tǒng)正在逐步取代直流伺服系統(tǒng)。,交流伺服電機(jī)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、維護(hù)方便。種類：交流異步伺服電機(jī)和交流同步伺服電機(jī)。永磁式交流（同步）伺服電機(jī)特點(diǎn) 與直流伺服電機(jī)相比，同等功率下，電機(jī)外形尺寸減小1/2，重量減輕60%，轉(zhuǎn)子慣量減至1/5（減小4/5）感應(yīng)式交流伺服電機(jī)特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、過(guò)載能力強(qiáng)，與永磁式交流伺服電機(jī)

45、相比，效率低、體積大、轉(zhuǎn)子熱損耗大，轉(zhuǎn)子發(fā)熱直接影響系統(tǒng)性能。應(yīng)用：目前數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)多采用永磁式交流伺服電機(jī)。,7.4 交流伺服電機(jī)與速度控制,,1、永磁式交流（同步）伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)： 電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件組成。,,7.4.1 交流伺服電機(jī)的變頻調(diào)速,永磁交流伺服電機(jī)的變頻調(diào)速進(jìn)給系統(tǒng)常使用交流同步電機(jī)，該電機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)差率，電機(jī)轉(zhuǎn)速：式中：f – 定子電源頻率；p – 磁極對(duì)數(shù) S – 轉(zhuǎn)差率（交流

46、同步電機(jī)轉(zhuǎn)差率為0）調(diào)速方法：只能用變頻調(diào)速。主要環(huán)節(jié)：為交流電機(jī)提供變頻、變壓電源的變頻器。變頻器分為：交–直–交變頻器 （分電壓型和電流型） 交–交變頻器,7.4.1 交流伺服電機(jī)的變頻調(diào)速,,2、永磁交流（同步）伺服電機(jī)工作原理和性能,1）、正弦脈寬調(diào)制（SPWM）變頻器 調(diào)制原理（以單相為例）： 正弦脈寬調(diào)制 （SPWM）波形--與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波，如圖所示

47、。① 等效原理：把正弦分成 n 等分，每一區(qū)間的面積用與其相等的等幅不等寬的矩形面積代替。 正弦的正負(fù)半周均如此處理。,永磁交流伺服電機(jī)的變頻調(diào)速,,7.4.1 交流伺服電機(jī)的變頻調(diào)速,特點(diǎn)：等距、等幅、不等寬。,產(chǎn)生SPWM波形的原理及生成舉例:正弦波—三角波調(diào)制,雙極性SPWM主回路：,交流進(jìn)給伺服電機(jī)的速度控制系統(tǒng)組成框圖 系統(tǒng)組成：速度環(huán)、電流環(huán) 、SPWM電路、功放電路、檢測(cè)反饋電路。,7.4 交流伺

48、服電機(jī)與速度控制,,7.4.2 交流伺服電機(jī)的矢量控制調(diào)速,,交流電動(dòng)機(jī)的矢量控制理論：解決了交流異步/同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速問(wèn)題，使得交流電機(jī)的控制跟直流電機(jī)控制一樣方便可行，并且可以獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的動(dòng)態(tài)性能。,交流感應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制原理：在普通的三相交流感應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)上模擬直流電動(dòng)機(jī)，求出異步電動(dòng)機(jī)與之對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)與電樞電流，分別而獨(dú)立的加以控制，即將三相交變量（矢量）轉(zhuǎn)換為與之等效的直流量（標(biāo)量），按照直流電動(dòng)機(jī)的控制方式

49、對(duì)其進(jìn)行控制。,7.4.2 交流伺服電機(jī)的矢量控制調(diào)速,,交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制原理：在普通的三相交流永磁同步電動(dòng)機(jī)上模擬直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，通過(guò)建立永久磁鐵磁場(chǎng)、電樞磁動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，在調(diào)速過(guò)程中，通過(guò)控制電流（即對(duì)電動(dòng)機(jī)定子電流矢量的相位和幅值進(jìn)行控制）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制。,交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：交流異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，無(wú)直流伺服電機(jī)的缺點(diǎn)，而且轉(zhuǎn)子慣量較直流電機(jī)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好。交流電機(jī)容量也比直流電機(jī)容量大，

50、可達(dá)更高的電壓和轉(zhuǎn)速。一般在同樣體積下，交流電機(jī)的輸出功率比直流電機(jī)可以提高10％～70％。,7.4 交流伺服電機(jī)與速度控制-小結(jié),,永磁交流同步電機(jī)的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，效率高。通過(guò)在結(jié)構(gòu)上采取一些措施，可比直流電機(jī)在外形尺寸上減少約50％，重量上減輕近60％，轉(zhuǎn)子慣量減至20％，因而可得到比直流伺服電機(jī)更好的機(jī)械性能和更寬的調(diào)速范圍。,交流伺服系統(tǒng)的電機(jī)類型：交流異步電機(jī)和交流同步電機(jī)。在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中多采用永磁式交流

51、同步電機(jī)。,步驟：先將交流電機(jī)的三相繞組等效成二相繞組，再進(jìn)一步等效為兩個(gè)正交的直流繞組，構(gòu)成正交的坐標(biāo)系的兩個(gè)軸。一個(gè)相當(dāng)于直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組，一個(gè)相當(dāng)于直流電機(jī)的電樞繞組。在旋轉(zhuǎn)的正交坐標(biāo)系中，交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一樣的，從而使交流電機(jī)像直流電機(jī)一樣，能對(duì)其轉(zhuǎn)矩進(jìn)行有效控制。,,交流伺服電機(jī)的調(diào)速：目前用得較多的是用計(jì)算機(jī)對(duì)交流電機(jī)的磁場(chǎng)作矢量變換控制。它的基本原理是通過(guò)矢量變換，把交流電機(jī)等效為直流電機(jī)，其思路