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1、YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分4.3 数控机床的伺服驱动系统 伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，而在数控机床中，伺服系统主要指各坐自动控制系统，而在数控机床中，伺服系统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统，它由执行组件（如步进标轴进给驱动的位置控制系统，它由执行组件（如步进电机、交直流电动机等）和相应的控制电路组成，包括电机、
2、交直流电动机等）和相应的控制电路组成，包括主驱动和进给驱动。伺服系统接收来自主驱动和进给驱动。伺服系统接收来自CNC装置的进装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉给脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有的带动刀架，通过冲运动。这些轴有的带动工作台，有的带动刀架，通过几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。杂的机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动
3、系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分4.3.1 伺服系统的性能伺服系统的性能 由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面。括为以下几方面。调速范围宽调速范围宽 要求伺服电动机有很宽的调速范围要求伺服电动机有很宽的调速范围和优良的调速特性，不仅要满足低速切削的要求，和优良的调速特性，不仅要满足低速切削的要求，如如5mmmin，还要能满足高速进给的要求，如
4、还要能满足高速进给的要求，如1000mmmin，甚至更大的范围。甚至更大的范围。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分快速响应并无超调快速响应并无超调位置伺服系统要有良好的快位置伺服系统要有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。这就速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。这就对伺服系统的动态性能提出两方面的要求。一般要求对伺服系统的动态性能提出两方面的要求。一般要求电机速度由零到最大
5、，或从最大减少到零，时间应控电机速度由零到最大，或从最大减少到零，时间应控制在制在200ms以下，甚至少于几十以下，甚至少于几十ms，且速度变化时不且速度变化时不应有超调。另一方面当负载突变时，过渡过程前沿要应有超调。另一方面当负载突变时，过渡过程前沿要陡，恢复时间要短，且无震荡，这样才能得到光滑的陡，恢复时间要短，且无震荡，这样才能得到光滑的加工表面。加工表面。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成
6、部分高精度高精度为了满足数控加工精度的要求，关键是为了满足数控加工精度的要求，关键是保证数控机床的定位精度和进给跟踪精度。位置伺服保证数控机床的定位精度和进给跟踪精度。位置伺服系统的定位精度一般要求能达到系统的定位精度一般要求能达到0.010.001mm，高高的可达到的可达到0.1m。相应地，对伺服系统的分辨率也提相应地，对伺服系统的分辨率也提出了要求。当伺服系统接受出了要求。当伺服系统接受CNC送来的一个脉冲时，送来的一个脉冲时，工作台相应移动的单位距离叫分辨率。目前的闭环伺工作台相应移动的单位距离叫分辨率。目前的闭环伺服系统都能达到服系统都能达到1m的分辨率。高精度数控机床也可的分辨率。高
7、精度数控机床也可达到达到0.1m的分辨率，甚至更小。的分辨率，甚至更小。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分低速大转矩低速大转矩机床在低速切削时，切深和进给机床在低速切削时，切深和进给都较大。现代数控机床通常是伺服电动机与丝杠直都较大。现代数控机床通常是伺服电动机与丝杠直连，没有降速齿轮，这就要求主轴电动机输出较大连，没有降速齿轮，这就要求主轴电动机输出较大转矩，即在低速时进给驱动要有大的转矩
8、输出。转矩，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。较高的工作稳定性较高的工作稳定性伺服系统的工作稳定性要伺服系统的工作稳定性要好，并具有较强的抗干扰的能力，保证进给速度均好，并具有较强的抗干扰的能力，保证进给速度均匀、平稳，才能加工出高表面质量的零件。匀、平稳，才能加工出高表面质量的零件。较强的过载能力较强的过载能力由于电动机加减速时要求有由于电动机加减速时要求有很快的响应速度，而使电动机可能在过载条件下工很快的响应速度，而使电动机可能在过载条件下工作。这就要求电动机有较强的抗过载能力。通常要作。这就要求电动机有较强的抗过载能力。通常要求在数分钟内过载求在数分钟内过载46倍而不损坏。倍而不损坏。
9、YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分 4.3.2 伺服系统的执行组件伺服系统的执行组件伺服系统的执行组件主要有功率步进电动机、伺服系统的执行组件主要有功率步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等。其作用是将直流伺服电动机和交流伺服电动机等。其作用是将电控信号的变化，转换成电动机输出轴的角速度和电控信号的变化，转换成电动机输出轴的角速度和角位移的变化，从而带动机床的机械部件作相应的角位移的变化
10、，从而带动机床的机械部件作相应的进给运动。进给运动。伺服系统对执行组件的基本要求是：伺服系统对执行组件的基本要求是：（1）控制简单，并具有较宽的调速范围；）控制简单，并具有较宽的调速范围；（2）动作迅速，时间常数小；）动作迅速，时间常数小；YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分（3）具有稳定的机械特性；）具有稳定的机械特性；（4）工作可靠，无自转现象（当输入信号为零）工作可靠，无自转现象（当输入信
11、号为零时，伺服电动机应立即停止转动）。时，伺服电动机应立即停止转动）。4.3.2.1 步进电动机步进电动机 普通电动机是连续运转的。步进电动机是在外普通电动机是连续运转的。步进电动机是在外加电脉冲信号的作用下一步一步的运转，正因为它加电脉冲信号的作用下一步一步的运转，正因为它的运动形式是步进式的，故称为步进电动机。步进的运动形式是步进式的，故称为步进电动机。步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移或线电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移或线位移的电磁装置。位移的电磁装置。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主
12、接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分由于步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严由于步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组的通电顺序，便可输入脉冲的数量、频率及电机绕组的通电顺序，便可获得所需的转角、转速和转动方向。无脉冲输入时，获得所需的转角、转速和转动方向。无脉冲输入时，在绕组电源的激励下，气隙磁场使转子保持原有的位在绕组电源的激励下，气隙磁场使转子保持原有的位置处于定位状态。步进电机
13、具有独特的优点，作为伺置处于定位状态。步进电机具有独特的优点，作为伺服电动机应用于控制系统时，可以使系统简化、工作服电动机应用于控制系统时，可以使系统简化、工作可靠，而且可获得较高的控制精度。因而在工业上大可靠，而且可获得较高的控制精度。因而在工业上大量用作状态伺服组件、状态指示组件、位置控制和速量用作状态伺服组件、状态指示组件、位置控制和速度控制组件。度控制组件。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组
14、成部分（1）步进电动机的分类）步进电动机的分类按工作原理按工作原理激磁式激磁式 定子和转子均有绕组，靠电磁力矩使转定子和转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动子转动反应式反应式 转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动力矩，使转子转动混合式混合式 与反应式的主要区别是转子上置有磁钢与反应式的主要区别是转子上置有磁钢按输出转矩大小按输出转矩大小快速步进电机快速步进电机 输出扭矩一般为输出扭矩一般为0.074Nm功率步进电机功率步进电机 输出扭矩一般为输出扭矩一般为540NmYXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机
15、床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分按定子排列方式按定子排列方式多段式（轴向式）定子各相按轴向依次排列多段式（轴向式）定子各相按轴向依次排列单段式（径向式）定子各相在圆周依次排列单段式（径向式）定子各相在圆周依次排列按励磁相数不同按励磁相数不同分为三相、四相、五相、六相等。相数越多步分为三相、四相、五相、六相等。相数越多步距角越小，但结构越复杂。距角越小，但结构越复杂。（2）步进电动机的工作原理）步进电动机的工作原理图图4-18所示为数控机床中广泛应用的反应式步所示为数控机床中
16、广泛应用的反应式步进电动机工作原理示意图。进电动机工作原理示意图。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分当当U、V、W三对磁极的绕组依次轮流通直流电，三对磁极的绕组依次轮流通直流电，依次轮流产生磁场吸引转子转动。依次轮流产生磁场吸引转子转动。U相相转子转子1、3两齿被磁极两齿被磁极U吸引，如图（吸引，如图（a）。）。定子定子六个磁极六个磁极激磁线圈激磁线圈每两个相对的磁极为一相，每两个相对的磁极
17、为一相，有有U、V、W三相三相转子转子带等距齿的铁心带等距齿的铁心U相相，V相相磁场磁场吸引最近的吸引最近的2、4齿，转齿，转子逆时针转了子逆时针转了30，如，如图（图（b）。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分V相相，W相相磁场吸引最近的磁场吸引最近的1、3齿，转子齿，转子逆时针又转了逆时针又转了30，如图（，如图（c）。这样按这样按U-V-W-U-V-W的次序通电，步进电机就的次序通电，步进
18、电机就一步一步地按逆时针方向转动一步一步地按逆时针方向转动30。 步进电机每步步进电机每步转过的角度称为转过的角度称为“步距角步距角” 。如 果 通 电如 果 通 电相序改为相序改为U-W-V-U-W-V，步进步进电动机将按顺时电动机将按顺时针方向旋转。针方向旋转。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分（3）三相步进电动机的通电方式及步距角三相步进电动机的通电方式及步距角 三相单三拍三相单三拍 其
19、通电顺序为其通电顺序为U-V-W-U。“三相三相”是指三相步进电机是指三相步进电机“单单”是指每次只有一相绕组通电是指每次只有一相绕组通电 “三拍三拍”是指三种通电状态为一个循环是指三种通电状态为一个循环这种方式每次只有一相通电，容易使转子在平这种方式每次只有一相通电，容易使转子在平衡位置上发生振荡，稳定性不好。而且在转换时，衡位置上发生振荡，稳定性不好。而且在转换时，由于一相断电时，另一相刚开始通电，容易由于一相断电时，另一相刚开始通电，容易“失步失步”（指不能严格地对应一个脉冲转一步），因而不常（指不能严格地对应一个脉冲转一步），因而不常采用这种通电方式。采用这种通电方式。YXSH现代电气
20、自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分三相双三拍三相双三拍 其通电顺序为其通电顺序为UV-VW-WU-UV。两相两相同时通电，转子受到的感应力矩大，静态误差小，定位同时通电，转子受到的感应力矩大，静态误差小，定位精度高，而且切换时始终有一相通电，所以工作稳定，精度高，而且切换时始终有一相通电，所以工作稳定，不易失步。双三拍通电方式运行时，步距角与单三拍通不易失步。双三拍通电方式运行时，步距角与单三拍通电方式相同。
21、电方式相同。三相六拍三相六拍 其通电顺序为其通电顺序为U-UV-V-VW-W-WU-U。单、双相轮流通电的方式，它具有双三拍的特点，由于单、双相轮流通电的方式，它具有双三拍的特点，由于通电状态数增加一倍，而使步距角减少一倍。且切换时通电状态数增加一倍，而使步距角减少一倍。且切换时始终有一相通电，工作比较稳定。这种控制方式增大了始终有一相通电，工作比较稳定。这种控制方式增大了步进电动机的稳定区域，改善了步进电动机的性能，故步进电动机的稳定区域，改善了步进电动机的性能，故多采用这种控制方式。多采用这种控制方式。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的
22、伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分从上面的分析可以看出，步进电动机转动的角度从上面的分析可以看出，步进电动机转动的角度取决于定子绕组的相数、转子齿数及供电的逻辑状态。取决于定子绕组的相数、转子齿数及供电的逻辑状态。若以若以b表示步距角，则有表示步距角，则有mzKb3 36 60 0=（4-12）式中式中m步进电动机相数；步进电动机相数；z转子齿数；转子齿数；K由步由步进电动机控制方式确定的拍数和相数的比例系数，如进电动机控制方式确定的拍数和相数的比例系数，如三相三拍时，三相三拍时
23、，K；而三相六拍制时，而三相六拍制时，K。 为了提高加工精度，一般要求步距角很小，数为了提高加工精度，一般要求步距角很小，数控机床中常用的步进电动机步距角为控机床中常用的步进电动机步距角为0.363YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分图图4-18中的步进电动机模型，转子仅有个齿，中的步进电动机模型，转子仅有个齿，步距角较大。在实际应由中要求步距角小得多，为步距角较大。在实际应由中要求步距角小得多
24、，为此可以增大转子齿数。此可以增大转子齿数。图图4-19所示是目前广泛应用的一种三相六极步进所示是目前广泛应用的一种三相六极步进电动机结构图。每个定子磁极上电动机结构图。每个定子磁极上有有5个齿。转子上共有个齿。转子上共有40个齿和个齿和定子磁极上的齿宽相等。因此定定子磁极上的齿宽相等。因此定转子的齿距都为转子的齿距都为360/409。在单三拍时，步距角为在单三拍时，步距角为3，在三，在三相六拍时，步距角为相六拍时，步距角为1.5。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相
25、连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分（4）步进电动机的主要特点）步进电动机的主要特点 步进电动机受脉冲信号的控制，每输入一个步进电动机受脉冲信号的控制，每输入一个脉冲，就变换一次绕组的通电状态，电动机就相应脉冲，就变换一次绕组的通电状态，电动机就相应转动一步。因此角位移与输入脉冲个数成严格的比转动一步。因此角位移与输入脉冲个数成严格的比例关系。例关系。 一旦停止送入控制脉冲，只要维持控制绕组一旦停止送入控制脉冲，只要维持控制绕组电流不变，电动机可以保持在其固定的位置上，不电流不变，电动机可以保持在其固定的位置上，不需要机械制动装置。需要机械制动装置。 输
26、出转角精度高，虽有相邻齿距误差；但无输出转角精度高，虽有相邻齿距误差；但无积累误差。积累误差。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分 改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变。的旋转方向随之改变。 步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度就越快，即通电状态的变化频快，其转子旋转的速度就越快
27、，即通电状态的变化频率越高，转子的转速就越高。率越高，转子的转速就越高。步进电动机的主要缺点是效率较低，输入功率步进电动机的主要缺点是效率较低，输入功率的大部分转为热能耗散；另外，步进电动机没有过载的大部分转为热能耗散；另外，步进电动机没有过载能力，只有在规定范围内，才能获得好的步进性能。能力，只有在规定范围内，才能获得好的步进性能。（5）步进电动机的性能）步进电动机的性能步距误差步距误差 步进电动机运行时，转子每一步实际步进电动机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差称为步距误差。转过的角度与理论步距角之差称为步距误差。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控
28、机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分连续走若干步时，上述步距误差的累积值称为连续走若干步时，上述步距误差的累积值称为步距的累积误差。由于步进电动机转过一圈后，将步距的累积误差。由于步进电动机转过一圈后，将重复上一圈的稳定位置，即步进电动机的步距累积重复上一圈的稳定位置，即步进电动机的步距累积误差将以一圈为周期重复出现。所以步距的累积误误差将以一圈为周期重复出现。所以步距的累积误差最大值可以在一圈范围内测出。影响步进电动机差最大值可以在一圈范围内测出。影响
29、步进电动机的步距误差和累积误差的主要因素有齿和磁极的机的步距误差和累积误差的主要因素有齿和磁极的机械加工及装配精度、各相矩角特性之间的差别等。械加工及装配精度、各相矩角特性之间的差别等。矩角特性、最大静态转矩矩角特性、最大静态转矩 当步进电动机在某当步进电动机在某相通电时，转子处于不动状态。相通电时，转子处于不动状态。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分 这时，在电动机轴上加一个负载转矩，转子就
30、这时，在电动机轴上加一个负载转矩，转子就按一定方向转过一个角度按一定方向转过一个角度，此时转子所受的电磁转此时转子所受的电磁转矩矩T称为静态转矩，角度称为静态转矩，角度称为失调角。称为失调角。T和和的关系的关系叫矩角特性，如图叫矩角特性，如图4-20所示，该特性上的电磁转矩最所示，该特性上的电磁转矩最大值称为最大静转矩。在一定范围内，外加转矩越大值称为最大静转矩。在一定范围内，外加转矩越大，转子偏离稳定平衡的距离越远。在静态稳定区大，转子偏离稳定平衡的距离越远。在静态稳定区内，外加转矩除内，外加转矩除去时，转子在电磁转去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置。稳定平
31、衡点位置。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分起动频率起动频率 空载时，由静止状态起动，达到不空载时，由静止状态起动，达到不失步的正常运行的最高频率，称为起动频率。起动时失步的正常运行的最高频率，称为起动频率。起动时指令脉冲频率应小于起动频率，否则将产生失步。步指令脉冲频率应小于起动频率，否则将产生失步。步进电动机在带负载下的起动频率比空载要低。进电动机在带负载下的起动频率比空载要低。连续运行
32、频率连续运行频率 起动后，不失步工作的最高工作起动后，不失步工作的最高工作频率，称为连续运行频率。通常是起动频率的频率，称为连续运行频率。通常是起动频率的410倍。随着运行频率增加，其输出转矩相应下降，所以倍。随着运行频率增加，其输出转矩相应下降，所以运行频率也受所带负载转矩的影响。对于某特定步进运行频率也受所带负载转矩的影响。对于某特定步进电动机，单拍工作频率要比双拍工作时低。好的驱动电动机，单拍工作频率要比双拍工作时低。好的驱动方式和功率驱动电源可以提高起动频率和运行频率。方式和功率驱动电源可以提高起动频率和运行频率。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱
33、动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分加减速特性加减速特性 步进电动机的加减速特性是描述步步进电动机的加减速特性是描述步进电动机由静止到工作频率和由工作频率到静止的进电动机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。步进电动机起动和停止时，加减速时间间的关系。步进电动机起动和停止时，加减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。步进电动机的不能过小，否则会出现失步或超步。步进电动机的
34、升速和降速特性用加速时间常数升速和降速特性用加速时间常数Ta和减速时间常数和减速时间常数Td来描述。为了保证运动部件的平稳和准确定位，来描述。为了保证运动部件的平稳和准确定位，根据步进电动机的加减速特性，在起动和停止时应根据步进电动机的加减速特性，在起动和停止时应进行加减速控制。进行加减速控制。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分4.3.2.2 直流伺服电动机直流伺服电动机直流伺服电动机是数控机
35、床伺服系统中应用最直流伺服电动机是数控机床伺服系统中应用最早的，也是使用最广泛的执行组件。直流伺服电动早的，也是使用最广泛的执行组件。直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种结构类型。随着磁性材料机有永磁式和电磁式两种结构类型。随着磁性材料的发展，用稀土材料制作的永磁式直流伺服电动机的发展，用稀土材料制作的永磁式直流伺服电动机的性能超过了电磁式直流伺服电动机，目前广泛应的性能超过了电磁式直流伺服电动机，目前广泛应用于机床进给驱动。直流伺服电动机的工作原理与用于机床进给驱动。直流伺服电动机的工作原理与普通直流电动机完全相同，但工作状态和性能差别普通直流电动机完全相同，但工作状态和性能差别很大。机床进给
36、伺服系统中使用的多为大功率直流很大。机床进给伺服系统中使用的多为大功率直流伺服电动机，如低惯量电动机和宽调速电动机等。伺服电动机，如低惯量电动机和宽调速电动机等。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分（1）永磁式直流伺服电动机的结构和工作原理）永磁式直流伺服电动机的结构和工作原理一般永磁式直流伺服电动机本体由三部分组成：一般永磁式直流伺服电动机本体由三部分组成：机壳、定子磁极和转子电枢。它还具有
37、一定的伺服特性机壳、定子磁极和转子电枢。它还具有一定的伺服特性和快速响应能力结构上往往与反馈部件做成一体。其定和快速响应能力结构上往往与反馈部件做成一体。其定子磁极是个永久磁体，一般采用铝镍钴合金、铁氧体、子磁极是个永久磁体，一般采用铝镍钴合金、铁氧体、稀土钴等材料，它们的矫顽力很高，可以产生极大的峰稀土钴等材料，它们的矫顽力很高，可以产生极大的峰值转矩；而且在较高的磁通密度下保持性能稳定（即不值转矩；而且在较高的磁通密度下保持性能稳定（即不出现退磁）。这种电机的电枢铁心上槽数较多，且在一出现退磁）。这种电机的电枢铁心上槽数较多，且在一个槽内分布几个虚槽即减少转矩波动。个槽内分布几个虚槽即减少
38、转矩波动。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分这种电动机的工作原理与一般直流电动机相同。这种电动机的工作原理与一般直流电动机相同。用永久磁铁代替普通直流电动机的励磁绕组和铁心，用永久磁铁代替普通直流电动机的励磁绕组和铁心，在电机的气隙中建立主磁通，产生感应电势和电磁在电机的气隙中建立主磁通，产生感应电势和电磁转矩。转矩。直流电机电枢电路的电压平衡方程为直流电机电枢电路的电压平衡方程为ddadRI
39、EU+=nCEea=（4-13）感应电势为感应电势为（4-14）YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分edddKRIUn-=由以上两式可得电动机转速特性由以上两式可得电动机转速特性（4-15）式中式中Ud、Id、Rd 分别为电枢回路的电压、电流分别为电枢回路的电压、电流和电阻；和电阻； Ke 电势系数（电势系数（Ke=Ce）；）； 气隙磁通量。气隙磁通量。电动机的电磁转矩为电动机的电磁转矩为 dm
40、dICT =（4-16）YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分 由式（由式（4-17）可见，直流电动机的调速方法主）可见，直流电动机的调速方法主要采用改变电枢电压和改变气隙磁通量两种方法。改要采用改变电枢电压和改变气隙磁通量两种方法。改变电压的调速性能可满足数控机床的需要，其特点是变电压的调速性能可满足数控机床的需要，其特点是具有恒转矩的调速性能，机械特性和经济性能好。具有恒转矩的调速性能，机械特
41、性和经济性能好。 dmededTCCRCUn2-=因此可得电动机机械特性方程为因此可得电动机机械特性方程为（4-17）式中式中Cm转矩系数。转矩系数。YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分（2）低惯量直流伺服电动机）低惯量直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机结构上与一般直流电动低惯量直流伺服电动机结构上与一般直流电动机的差别和特点是：电枢铁心是光滑无槽的圆柱体，机的差别和特点是：电枢铁心是光滑无槽的
42、圆柱体，电枢绕组用环氧树脂固化成型并粘接在电枢铁心表电枢绕组用环氧树脂固化成型并粘接在电枢铁心表面上，电枢的长度与外径之比在面上，电枢的长度与外径之比在5倍以上，气隙尺倍以上，气隙尺寸比一般直流电动机大寸比一般直流电动机大10倍以上。由于结构上这些倍以上。由于结构上这些特点，使其性能具有以下优点。特点，使其性能具有以下优点。 由于转子长而细，大大减小了电动机的转动由于转子长而细，大大减小了电动机的转动惯量，其转动惯量约为一般直流电动机的惯量，其转动惯量约为一般直流电动机的110。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主
43、接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分 由于气隙较大，限制了电枢反应，换向性能好，由于气隙较大，限制了电枢反应，换向性能好，电动机时间常数为电动机时间常数为5l0ms。 由于电枢表面无槽，大大减小了低速时电磁转由于电枢表面无槽，大大减小了低速时电磁转矩的波动和不稳定性，保证了低速运转稳定而均匀，矩的波动和不稳定性，保证了低速运转稳定而均匀，在转速低达在转速低达10rpm时，无爬行现象。时，无爬行现象。 由于不存在齿部磁饱和的问题，气隙磁密可达由于不存在齿部磁饱和的问题，气隙磁密可达1T以上，为一般直流电动机的
44、以上，为一般直流电动机的1.5倍。电气性能良好，倍。电气性能良好，过载能力强，最大电磁转矩可达额定值的过载能力强，最大电磁转矩可达额定值的10倍。倍。目前，这种电动机的输出功率在几十目前，这种电动机的输出功率在几十W至十至十KW以内，主要用于要求快速动作、功率较大的系统，如以内，主要用于要求快速动作、功率较大的系统，如数控加工中心和数控车床、磨床等。数控加工中心和数控车床、磨床等。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接
45、线组成中一个重要组成部分（3）宽调速直流力矩电动机）宽调速直流力矩电动机 低惯量直流伺服电动机必须经齿轮减速才能与低惯量直流伺服电动机必须经齿轮减速才能与大惯量的机床相连接，因此其精度、低速性能都与齿大惯量的机床相连接，因此其精度、低速性能都与齿轮相关，而且带来齿轮噪声。而宽调速直流力矩电动轮相关，而且带来齿轮噪声。而宽调速直流力矩电动机是用提高转矩的方法来改善其动态特性，所以其负机是用提高转矩的方法来改善其动态特性，所以其负载能力强，可与丝杠直接连接，其精度、低速性能不载能力强，可与丝杠直接连接，其精度、低速性能不受齿轮等传动装置的影响，因此在闭环伺服系统中得受齿轮等传动装置的影响，因此在闭
46、环伺服系统中得到广泛应用。宽调速直流力矩电动机的结构形式与一到广泛应用。宽调速直流力矩电动机的结构形式与一般直流电动机相似，通常采用他激式，目前几乎都用般直流电动机相似，通常采用他激式，目前几乎都用永磁式电枢控制，它具有下列特点。永磁式电枢控制，它具有下列特点。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分 转矩大转矩大 这种电机采用增加极对数和电枢导体这种电机采用增加极对数和电枢导体数等办法，以提高电
47、动机的电磁转矩，增大电动机数等办法，以提高电动机的电磁转矩，增大电动机的转矩与惯量的比值，从而使电动机的加速性能和的转矩与惯量的比值，从而使电动机的加速性能和动态响应都有明显改善。动态响应都有明显改善。 调速范围宽调速范围宽 它采用增加槽数和换向片数、齿它采用增加槽数和换向片数、齿槽分度均匀、极弧宽度与齿槽配合合理以及斜槽等槽分度均匀、极弧宽度与齿槽配合合理以及斜槽等措施，减小电动机转矩的波动，提高低速转动的精措施，减小电动机转矩的波动，提高低速转动的精度，从而大大扩大了调速范围。它不但在低速时能度，从而大大扩大了调速范围。它不但在低速时能提供足够的转矩，在高速时也能提供所需的功率。提供足够的
48、转矩，在高速时也能提供所需的功率。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分 动态响应好动态响应好 由于永磁式定子采用矫顽力很由于永磁式定子采用矫顽力很高的铁氧体永磁材料，在电动机电流过载高的铁氧体永磁材料，在电动机电流过载10倍的情倍的情况下也不会去磁，这就大大提高了电动机的瞬时加况下也不会去磁，这就大大提高了电动机的瞬时加速转矩，改善了动态响应。速转矩，改善了动态响应。 过载能力强由于采用高级的
49、绝缘材料，转过载能力强由于采用高级的绝缘材料，转子惯性又不太大，允许过载转矩达子惯性又不太大，允许过载转矩达510倍，而且在倍，而且在密闭的自然空冷条件下，可以长时间超负荷运转。密闭的自然空冷条件下，可以长时间超负荷运转。 易于调试易于调试 由于电动机转子惯量接近于普通由于电动机转子惯量接近于普通电动机，负载惯量对伺服系统的影响较小，在调试电动机，负载惯量对伺服系统的影响较小，在调试时可以不加负载预调，联机后再作少量调整即可。时可以不加负载预调，联机后再作少量调整即可。 YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术4.3 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 变电站电气主接线是指变
50、电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分 这种电动机在特性上能很好地满足机床传动要这种电动机在特性上能很好地满足机床传动要求，同时又能以极高的精度实现机床的无齿轮驱动。求，同时又能以极高的精度实现机床的无齿轮驱动。因此，近来被广泛应用于机床的进给系统中。因此，近来被广泛应用于机床的进给系统中。4.3.2.3交流伺服电动机交流伺服电动机由于直流电机具有优良的调速性能，长期以来，由于直流电机具有优良的调速性能，长期以来，在要求调速性能较高的场合，直流电机调速系统一直在要求调速性能较高的场合，直流电机调速系统一直占据主导地位。