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1、CNC第第3.13.1章章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 主要内容主要内容3.1.1 概述概述 3.1.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 3.1.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 3.1.4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统 3.1.5 直线电机及其在数控机床中的应用简介直线电机及其在数控机床中的应用简介 3.1.6 位置控制位置控制CNC数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术伺服电机在数控机床上的应用伺服电机在数控机床上的应用主轴电机主轴电机带制动器伺服电机带制动器伺服电机伺服电机伺服电机刀库刀具定
2、位电机刀库刀具定位电机机械手旋转定位电机机械手旋转定位电机CNC数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术控制方式控制方式数控机床电机驱动主要指对机床的工作台和主轴的控制。其控制方式有数控机床电机驱动主要指对机床的工作台和主轴的控制。其控制方式有三种，如下表三种，如下表CNC数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术开环控制开环控制NC指令指令步进电机步进电机工作台工作台步进电机驱动步进电机驱动器器CNC数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术半闭环控制半闭环控制NC指令指令位置控制位置控制速度控制速度控制电机电机工作台工作台传感器传感器CNC数控机床伺服数控机
3、床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术全闭环控制全闭环控制NC指令指令位置控制位置控制速度控制速度控制电机电机工作台工作台测速发电机测速发电机CNC数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术混合式控制混合式控制NC指令指令位置控制位置控制速度控制速度控制电机电机工作台工作台比较器比较器测速机测速机旋变旋变CNC1 概述概述伺服驱动系统的定义伺服驱动系统的定义:伺伺服服驱驱动动系系统统接接收收数数控控单单元元的的位位移移/速速度度控控制制指指令令,驱驱动动工工作作台台/主主轴轴按按照照控控制制指指令令的的要要求进行运动。求进行运动。伺伺服服驱驱动动系系统统直直接接影影响响移移动动速速度度、
4、跟跟踪踪精精度度、定定位位精精度度等等一一系系列列重重要要指指标标，是是数数控控机机床床的的关键技术。关键技术。CNC1 概述概述伺服驱动系统的作用伺服驱动系统的作用:接受接受CNC装置发出的位移指令信号，由伺装置发出的位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、步进电机等）和机机（直流、交流伺服电机、步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。现工作进给或快速运动。CNC数控机床的伺服驱动数控机床的伺服驱动1 概述概述CNC数控机床的伺服驱动
5、数控机床的伺服驱动1 概述概述UmrichterSIMODRIVE611digitalmitCNCSINUMERIK840DE/R-ModulNCULeistungsteilBedientafelfrontmitPCU20/50/70Drehstrom-ServomotorenPeripherieSIMATICS7-300Drehstrom-HauptspindelmotorCNC1 概述概述一、数控机床对进给伺服系统的要求有：一、数控机床对进给伺服系统的要求有：1高精度高精度（输出量能复现输入量的精确程度）输出量能复现输入量的精确程度）2 2稳定性好稳定性好（抗干扰能力）抗干扰能力）3 3响
6、应速度快响应速度快（系统跟踪精度）系统跟踪精度）4 4电机调速范围宽电机调速范围宽（最高转速和最低转速比）最高转速和最低转速比）5 5低速大转矩低速大转矩6 6可靠性高可靠性高(对环境的适应性对环境的适应性)CNC1 概述概述二、伺服系统的基本组成二、伺服系统的基本组成比较控制环节比较控制环节比较控制环节比较控制环节驱动控制单元驱动控制单元驱动控制单元驱动控制单元执行元件执行元件执行元件执行元件反馈检测单元反馈检测单元反馈检测单元反馈检测单元机机机机床床床床进进进进给给给给 指指指指令令令令CNC1 概述概述三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类按控制原理和有无检测反馈装置：开环和闭环伺按控制原
7、理和有无检测反馈装置：开环和闭环伺服系统；服系统；按其用途和功能：按其用途和功能：进给驱动系统进给驱动系统和主轴驱动系统；和主轴驱动系统；按其驱动执行元件的动作原理：电液伺服驱动系按其驱动执行元件的动作原理：电液伺服驱动系统、电气伺服驱动系统（直流伺服驱动系统、交流统、电气伺服驱动系统（直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统及直线电机伺服系统）伺服驱动系统及直线电机伺服系统）CNC1 概述概述CNC1 概述概述闭环进给伺服系统结构闭环进给伺服系统结构位置控制位置控制模块模块速度控制速度控制单元单元伺服伺服电机电机 工作台工作台 位置检测位置检测测量反馈测量反馈速度检测速度检测指令指令速度环速度环位
8、置环位置环CNC2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC2.1步进电机工作原理步进电机工作原理按电磁吸引原理工作（以反应式步进电机为例）按电磁吸引原理工作（以反应式步进电机为例）反反应应式式步步进进电电机机的的定定子子上上有有磁磁极极，每每个个磁磁极极上上有有激激磁磁绕绕组组，转转子子无无绕绕组组，有有周周向向均均布布的的齿齿，依依靠靠磁极对齿的吸合工作。磁极对齿的吸合工作。2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统定子定子转子转子定子绕组定子绕组CNC2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统AB定子定子转子转子IAIBIC两个相对的磁两个相
9、对的磁极组成极组成一相一相。注意：注意：这里的这里的“相相”和三相和三相交流电中的交流电中的“相相”的概念不的概念不同。步进电机同。步进电机通的是电脉冲，通的是电脉冲，主要是指线图主要是指线图的联接和组数的联接和组数的区别。的区别。CNC2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统步进电机的工作方式步进电机的工作方式(通电顺序通电顺序)可分为：可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。1 1）三相单三拍：）三相单三拍：（1 1）三相绕组联接方式：）三相绕组联接方式：Y 型型（2 2）三相绕组中的通电顺序为：）三相绕组中的通电顺序为：A
10、相相 B 相相 C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为：A 相相 C 相相 B 相相 CNC2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统1 1）三相单三拍工作方式：）三相单三拍工作方式：CNC2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统BACCBA3412A 相通电使相通电使转子转子1、3齿和齿和AA 对齐对齐B ACCBA3412BBACCAB相通电，相通电，转子转子2、4齿和齿和B相轴相轴线对齐线对齐CC相通电，相通电，转子转子1、3齿和齿和C相轴相轴线对齐线对齐3412ABC1324ABC1324ACNC2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统
11、三相单三拍的特点：三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过）每来一个电脉冲，转子转过 30。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。（3）每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失）每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失去自锁转矩，容易产生失步，只有一相绕组产生力去自锁转矩，容易产生失步，只有一相绕组产生力矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡。CNC2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统2)三相六拍工作方式三相六拍工作方式通电顺序为：通电顺序为：AABBBCCCAA 六拍。六拍。CNC通电顺序通电
12、顺序AABBBCCCAA（逆时针）（逆时针）AACCBCBCAA（顺时针）（顺时针）每步转过每步转过15，步距角是三相三拍工作方式的一半，步距角是三相三拍工作方式的一半，特点特点：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比较平稳。较平稳。2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC3)双三拍工作方式双三拍工作方式定子绕组通电顺序为定子绕组通电顺序为ABBCCAAB（转子逆时针旋转）（转子逆时针旋转）ACBCCA（转子顺时针旋转）（转子顺时针旋转）有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍旋转
13、旋转30。特点特点：始终有一相定子绕组通电，工作比较平稳。：始终有一相定子绕组通电，工作比较平稳。避免了单三拍通电方式的缺点避免了单三拍通电方式的缺点2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC 实际上步进电机实际上步进电机转子齿数很多转子齿数很多，齿数越多，步，齿数越多，步距角越小距角越小2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 为改善运行性能，为改善运行性能，定子磁极上的齿定子磁极上的齿的齿距与转子的的齿距与转子的齿距相同，但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的齿距相同，但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的1m（m电机相数）。电机相数）。每次定子绕组通电状态改变
14、时，每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距的转子只转过齿距的1m（如三相三拍）或（如三相三拍）或12m（如（如三相六拍）达到新的平衡位置。三相六拍）达到新的平衡位置。CNC2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统齿距的齿距的1m（m电机相数）电机相数）3600/ZCNC转子转子40个齿，若通电为三相三拍，当转子齿与个齿，若通电为三相三拍，当转子齿与A相定子齿对齐时，转子齿与相定子齿对齐时，转子齿与B相定子齿相差（相定子齿相差（3），），与与C相定子齿相差（相定子齿相差（6）。）。6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC每给一个脉冲信号，电机转子
15、转过角度的理论值。每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。2.2 步进电机的主要特性步进电机的主要特性1 1步距角步距角 m定子相数；定子相数；z转子齿数；转子齿数；k通电系数，通电系数，m相相m拍拍，k k1；m相相2 2m拍，拍，k2。一一 般般 很很 小小，如如：3 1.5，1.5 0.75，0.720.36等等2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC静态：静态：步进电机处于通电状态，转子处在不动状态。步进电机处于通电状态，转子处在不动状态。静静态态转转矩矩Mj ：在在电电机机轴轴上上施施加加一一个个负负载载转转矩矩M，转转子子会会在在载载荷荷方方向向上上转转过
16、过一一个个角角度度（失失调调角角），转转子子因因而受到一个电磁转矩而受到一个电磁转矩Mj的作用与负载平衡。的作用与负载平衡。2矩角特性、最大静态转矩矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩和启动转矩Mq 2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统矩矩角角特特性性：步步进进电电机机单单相相通通电电的的静静态态转转矩矩Mj随随失失调调角角的的变变化化曲线。曲线。CNC启启动动频频率率或或突突跳跳频频率率fq：空空载载时时，步步进进电电机机由由静静止止突突然然启启动动并并进进入入不不丢丢步步的的正正常常运运行行状状态态所所允允许许的的最最高高频频率。率。高于启动频率，将不能正常起动。
17、高于启动频率，将不能正常起动。启启动动时时的的惯惯频频特特性性：是是指指电电机机带带动动纯纯惯惯性性负负载载时时启启动动频率和负载转动惯量之间的关系。频率和负载转动惯量之间的关系。3启动频率启动频率fq和启动时的惯频特性和启动时的惯频特性 2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。率比空载要低。CNC连连续续运运行行频频率率：步步进进电电机机启启动动后后，其其运运行行速速度度能能跟跟踪踪指指令令脉脉冲冲频频率率连连续续上上升升而而不不丢丢步步的的最最高高工工作作频频率率。其其值远
18、大于启动频率。值远大于启动频率。运运行行矩矩频频特特性性：是是描描述述步步进进电电机机在在连连续续运运行行时时，输输出出转矩与连续运行频率之间的关系。转矩与连续运行频率之间的关系。4运行矩频特性运行矩频特性2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC 步进电机的步进电机的加减速特性加减速特性描述步进电机由静止到工描述步进电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间的关系。绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动到大于启动频率的工作频率当要求步进电机启动到大于启动频率的工作频
19、率时，变化速度必须逐渐上升；从最高工作频率或高于时，变化速度必须逐渐上升；从最高工作频率或高于启动频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。启动频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速、减速时间不能过小，否则会逐渐上升和下降的加速、减速时间不能过小，否则会失步或超步失步或超步。加、减速特性加、减速特性 2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC1 1根据相数分类根据相数分类有有三、四、五、六相三、四、五、六相等，相数越多，步距角越小，等，相数越多，步距角越小，通电方式采用通电方式采用m m相相m m拍、双拍、双m m拍和拍和m m相相2m2m拍，拍
20、，m m相相m m拍和拍和m m相相2m2m拍通电方式中，可采用一拍通电方式中，可采用一/二相、二三二相、二三相转换通电，相转换通电，如五相步进电机，五相十拍的二三相转换方式：如五相步进电机，五相十拍的二三相转换方式：ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB 2.3 步进电机的分类步进电机的分类 2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC 根根据据定定子子与与转转子子间间磁磁场场建建立立方方式式，可可分分：反反应应式、永磁反应式（混合式）两类。式、永磁反应式（混合式）两类。反应式步进电机反应式步进电机：定子有多相
21、磁极，其上有励磁绕：定子有多相磁极，其上有励磁绕组，转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定组，转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行子绕组产生反应力矩实现步进运行永磁反应式步进电机永磁反应式步进电机：定子结构与反应式相似，转：定子结构与反应式相似，转子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁力矩实现子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁力矩实现步进运行。步进运行。2根据产生力矩的原理分类根据产生力矩的原理分类2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC可将步进电机分两类：伺服步进电机可将步进电机分两类：伺服步进电机 功率步进电机功率步进电机伺服步进电
22、机伺服步进电机（快速步进电机），输出力矩在几（快速步进电机），输出力矩在几十数百十数百Nm，只能带动小负载，加上液压扭矩，只能带动小负载，加上液压扭矩放大器可驱动工作台。放大器可驱动工作台。功率步进电机功率步进电机输出力矩在输出力矩在550Nm以上，能直接以上，能直接驱动工作台。驱动工作台。3根据输出力矩的大小分类根据输出力矩的大小分类2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统4根据结构分类根据结构分类步进电机可制成步进电机可制成轴向分相式（多段式）轴向分相式（多段式）径向分相式（单段式）径向分相式（单段式）CNC步进
23、电机的驱动控制由步进电机的驱动控制由环形分配器和功率放大器环形分配器和功率放大器组成。组成。环环形形分分配配器器的的主主要要功功能能：将将数数控控装装置置送送来来的的一一串串指指令令脉脉冲冲，按按步步进进电电机机所所要要求求的的通通电电顺顺序序分分配配给给步步进进电电机机驱驱动动电电源源的的各各相相输输入入端端，以以控控制制励励磁磁绕绕组组的的通通断断，实现步进电机的运行及换向。实现步进电机的运行及换向。2.4 步进电机的环形分配器步进电机的环形分配器 2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC1硬件环形分配器硬件环形分配器可由可由D触发器或触发器或JK触发器构成，亦可用专
24、用集成芯片触发器构成，亦可用专用集成芯片或通用可编程逻辑器件。或通用可编程逻辑器件。CNC装置电源环形分配器A相驱动B相驱动C相驱动FULL/HALFDIRCLKM2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统硬件环形分配驱动与数控装置的连接硬件环形分配驱动与数控装置的连接CNCCH250是国产三相反应式步进电机环形分配器专用是国产三相反应式步进电机环形分配器专用集成电路芯片，通过控制端的不同接法可组成三相集成电路芯片，通过控制端的不同接法可组成三相双三拍和三相六拍的工作方式双三拍和三相六拍的工作方式2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统三相六拍接线图三相六拍接线图
25、:CNC2软件环形分配器软件环形分配器 由由数数控控装装置置中中的的软软件件完完成成环环形形分分配配，直直接接驱动步进电机各绕组的通、断电。驱动步进电机各绕组的通、断电。用用软软件件环环形形分分配配器器只只需需编编制制不不同同的的环环形形分分配配程程序序，可可使使线线路路简简化化，成成本本下下降降，可可灵灵活活地地改变步进电机的控制方案。改变步进电机的控制方案。CNC装置电源A相驱动B相驱动C相驱动CBAM2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC步进电机的速度控制步进电机的速度控制进给脉冲频率进给脉冲频率f f 定子绕组通电定子绕组通电/断电状态变化断电状态变化频率频率f
26、 f 步进电机转速步进电机转速 工作台的进给速度工作台的进给速度V V。V=60f V=60f2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC作用：作用：是是将将环环形形分分配配器器或或微微处处理理机机送送来来的的弱弱电电信信号号变变为为强强电电信信号号，以以得得到到步步进进电电机机控控制制绕绕组组所所需需要要的的脉脉冲冲电电流及所需要的脉冲波形流及所需要的脉冲波形。2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统2.5 功率放大电路功率放大电路CNC2.5 功率放大电路功率放大电路种类：种类：就其采用的功率放大器件分，有中功率晶体管、大功就其采用的功率放大器件分，有中功
27、率晶体管、大功率晶体管、大功率达林顿晶体管、可控硅率晶体管、大功率达林顿晶体管、可控硅等；等；就其工作原理分，有单电压驱动、高低电压驱动、就其工作原理分，有单电压驱动、高低电压驱动、恒恒流斩波、调频调压、细分电路流斩波、调频调压、细分电路等。等。步进电机有几相，就需要几组功率放大电路。步进电机有几相，就需要几组功率放大电路。2 2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC根根据据磁磁场场产产生生方方式式分分：他他励励式式、永永磁磁式式、并并励励式式、串励式和复励式五种。串励式和复励式五种。结结构构上上：有有一一般般电电枢枢式式、无无槽槽电电枢枢式式、印印刷刷电电枢枢式式、绕线盘式
28、和空心杯电枢式等。绕线盘式和空心杯电枢式等。为避免电刷换向器的接触，有无刷直流伺服电机。为避免电刷换向器的接触，有无刷直流伺服电机。根据根据控制方式控制方式分：磁场控制方式、电枢控制方式。分：磁场控制方式、电枢控制方式。6.3.1 直流伺服电机的结构与分类直流伺服电机的结构与分类3 3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNCNS NS数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术伺服电机的控制原理（伺服电机的控制原理（1）直流电机的原理直流电机的原理直流电机工作原理：根据弗来名左手定则，在磁场中通电导线产生运动。直流电机工作原理：根据弗来名左手定则，在磁场中通电导线产生运
29、动。线卷通电流，炭刷在几何中心线，产生的转子磁场与定子磁场相垂直。为了保持线卷的线卷通电流，炭刷在几何中心线，产生的转子磁场与定子磁场相垂直。为了保持线卷的转向不变。其中的电流交变。转向不变。其中的电流交变。CNC数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术伺服电机的控制原理（伺服电机的控制原理（2）交流电机的原理如下：交流电机的原理如下：（1）未通电流）未通电流（2）S线卷通电流线卷通电流（3）T线卷线卷通电流通电流根据上面的分析，交流伺服电机和同步电机的构造相似。根据弗来名左手定则，在磁根据上面的分析，交流伺服电机和同步电机的构造相似。根据弗来名左手定则，在磁场中通电导线产生运动场
30、中通电导线产生运动。它的控制是通过放大器把直流变成可变频的交流，它和它的控制是通过放大器把直流变成可变频的交流，它和一般异步机，同步机不同，这种变频器的输出频率是受安装在同步机转子轴上的一般异步机，同步机不同，这种变频器的输出频率是受安装在同步机转子轴上的位置传感器所控制。每当电机转过一对磁极，逆变器的交流电输出相应交变一个位置传感器所控制。每当电机转过一对磁极，逆变器的交流电输出相应交变一个周期，这是一种周期，这是一种“自控式变频器自控式变频器”，它保证变频器的输出频率和电机的转速始，它保证变频器的输出频率和电机的转速始终保持同步，而不失步。终保持同步，而不失步。T2S1R2S2T1R1NS
31、T2S1R2S2T1R1NST2S1R2S2T1R1NSCNC在数控机床中，进给系统常用的直流伺服电机有：在数控机床中，进给系统常用的直流伺服电机有：1小惯性直流伺服电机小惯性直流伺服电机因转动惯量小而得名。这类电机一般为永磁式。因转动惯量小而得名。这类电机一般为永磁式。小惯量直流电机最大限度地减小电枢的转动惯量，小惯量直流电机最大限度地减小电枢的转动惯量，所以能获得最快的响应速度。在早期的数控机床上所以能获得最快的响应速度。在早期的数控机床上应用得比较多。应用得比较多。3 3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC2大惯量宽调速直流伺服电机大惯量宽调速直流伺服电机（直流力矩电
32、机）直流力矩电机）转转子子直直径径较较大大，线线圈圈绕绕组组匝匝数数增增加加，力力矩矩大大，转转动动惯惯量量大大，能能在在较较大大过过载载转转矩矩时时长长时时间间工工作作，因因此此可可直直接接与丝杠相连，不需中间传动装置。与丝杠相连，不需中间传动装置。没没有有励励磁磁回回路路的的损损耗耗，外外型型尺尺寸寸比比类类似似的的其其他他直直流流伺伺服电机小。服电机小。特特点点：能能在在较较低低转转速速下下实实现现平平稳稳运运行行，最最低低可可达达1rmin，甚至，甚至0.1rmin。数控机床上应用广泛。数控机床上应用广泛。3 3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC3无刷直流伺服电机
33、（无刷直流伺服电机（无整流子电机）无整流子电机）没没有有换换向向器器，由由同同步步电电机机和和逆逆变变器器组组成成，逆逆变变器器由装在转子上的转子位置传感器控制。由装在转子上的转子位置传感器控制。实质是一种交流调速电机，调速性能可达到直流实质是一种交流调速电机，调速性能可达到直流伺服发电机的水平，又取消了换向装置和电刷部伺服发电机的水平，又取消了换向装置和电刷部件，提高了电机使用寿命。件，提高了电机使用寿命。3 3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC3.2直流伺服电机的调速原理与方法直流伺服电机的调速原理与方法组成：磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片组成：磁极（定子）
34、、电枢（转子）、电刷与换向片他励式直流伺服电机工作原理：他励式直流伺服电机工作原理：直直流流电电源源接接在在两两电电刷刷间间，电电流流通通入入电电枢枢线线圈圈，切切割割磁磁力线，产生电磁转矩。力线，产生电磁转矩。3 3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC直流电机及调速系统直流电机及调速系统CNC 从图中可以看出，接入直流电源以后，电刷A为正极性，电刷B为负极性。电流从正电刷A经线圈ab、cd，到负电刷B流出。根据电磁力定律，在载流导体与磁力线垂直的条件下，线圈每一个有效边将受到一电磁力的作用。电磁力的方向可用左手定则判断，伸开左手，掌心向着N极，4指指向电流的方向，与4指垂
35、直的拇指方向就是电磁力的方向。在图示瞬间，导线ab与dc中所受的电磁力为逆时针方向，在这个电磁力的作用下，转子将逆时针旋转即图中S的方向。直流电机工作原理直流电机工作原理CNC 随着转子的转动，线圈边位置互换，这时要使转子连续转动则应使线圈边中的电流方向也加以改变要进行换向。由于换向器与静止电刷的相互配合作用，线圈不论转到何处，B刷h始终与运动到N极下的线圈边相接触，而电极A始终与运动到S极下的线圈边相接触这就保证了电流总是经电刷经N极下导体流入，再沿S极导体经电刷B流出。因而电磁力和电磁转矩的方向始终保持不变，使电机沿逆时针方向连续转动。直流电机工作原理直流电机工作原理CNC永磁式直流伺服电
36、机结构永磁式直流伺服电机结构直流伺服电机构成直流伺服电机的电源特点直流伺服电机的类型CNCCE电动势常数电动势常数CT转矩常数转矩常数n电机转速电机转速n n0 0电机理想空载转速电机理想空载转速他励式直流伺服电机的转速公式他励式直流伺服电机的转速公式Ra电机电枢回路总电阻电机电枢回路总电阻TmTm电机电磁转矩电机电磁转矩Ua电机电枢端电压电机电枢端电压 励磁磁通励磁磁通Ea电枢绕组感应电动势电枢绕组感应电动势3 3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制负载转矩负载转矩Tm=0,0,则有则有 CNC直流电机转速与转矩的关系称直流电机转速与转矩的关系称机械特性机械特性机机械械特特性性
37、是是电电机机的的静静态态特特性性，是是稳稳定定运运行行时时带带动动负负载载的的性性能能，此此时时，电电磁磁转转矩矩与与外外负负载相等。载相等。电电机机转转速速与与理理想想转转速速的的差差n，反反映映了了电电机机机机械械特特性性硬硬度度，n越小，机械特性越硬。越小，机械特性越硬。n0TTnD D n直流电机的基本调速方式有直流电机的基本调速方式有三种三种:调节电阻调节电阻Ra、调节电、调节电枢电压枢电压Ua和调节磁通和调节磁通的值。的值。3 3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC电枢电阻调速电枢电阻调速不经济，调速范围有限，很少采用。不经济，调速范围有限，很少采用。调节电枢电
38、压调节电枢电压（调压调速）（调压调速）时，直流电机机械特性时，直流电机机械特性为一组平行线，只改变电机的理想转速为一组平行线，只改变电机的理想转速n n0 0 ，保持了，保持了原有较硬的机械特性，所以原有较硬的机械特性，所以调压调速调压调速主要用于主要用于伺服伺服进给驱动系统电机的调速进给驱动系统电机的调速如如果果nn值值较较大大，不不可可能能实实现现宽宽范范围围的的调调速速。永永磁磁式式直直流流伺伺服服电电机机的的nn值值较较小小，因因此此，进进给给系系统统常常采采用永磁式直流电机用永磁式直流电机。3 3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC调调节节磁磁通通（调调磁磁调调速
39、速）不不但但改改变变了了电电机机的的理理想想转转速速，而而且且使使直直流流电电机机机机械械特特性性变变软软，所所以以调调磁调速磁调速主要用于主要用于机床主轴电机机床主轴电机调速。调速。6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC6.3.3 直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式直流电机速度控制单元常采用的调速方法：直流电机速度控制单元常采用的调速方法：晶闸管（可控硅）调速系统晶闸管（可控硅）调速系统 晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWMPWM）调速系统。）调速系统。6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制
40、CNC1 1晶闸管调速系统晶闸管调速系统6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制速度控制电压速度控制电压电枢电压电枢电压CNCU*n速度调节器电流调节器触发脉冲发生器可控硅整流器电流反馈速度反馈电流检测编码器电机+-UnInI*n+-US直流双环直流双环调速系统调速系统6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC主回路主回路：二组反并接，：二组反并接，分别实现正转和反转分别实现正转和反转原理原理：三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部：三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部分内又分成共阴极组（分内又分成共阴极组（1111、1313、1515
41、）和共阳极组（）和共阳极组（1212、1414、1616）。为构成回路，共阴极组和共阳极组中必须）。为构成回路，共阴极组和共阳极组中必须各有一个可控硅同时导通。只要改变可控硅触发角各有一个可控硅同时导通。只要改变可控硅触发角（即改变导通角），就能改变可控硅的整流输出电压，（即改变导通角），就能改变可控硅的整流输出电压，从而改变直流伺服电机的转速。从而改变直流伺服电机的转速。6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC2PWM调速控制系统调速控制系统控控制制电电路路简简单单，不不需需附附加加关关断断电电路路，开开关关特特性性好好。广广泛泛应应用用中中、小功率直流伺服系统
42、小功率直流伺服系统周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压Ut周期不变3 3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC直流电机电压的平均值直流电机电压的平均值:T脉冲周期，脉冲周期，Ton导通时间导通时间6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC脉宽调制（脉宽调制（PWMPWM）系统组成：）系统组成：速度调节器电流反馈脉宽调制基极驱动功放振荡器 电流调节器M速度指令 三相交流电整流速度反馈UsrU USCSCUUU Ub b3 3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC脉宽调制器脉宽调制器作用：将电压量转换成可由控制信号调节的矩形脉作用：将
43、电压量转换成可由控制信号调节的矩形脉冲，为功率晶体管的基极提供一个宽度可由速度指冲，为功率晶体管的基极提供一个宽度可由速度指令信号调节的脉宽电压。令信号调节的脉宽电压。组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放大器。比较放大器。原理：以三角波发生器为例介绍原理：以三角波发生器为例介绍 3 3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNCR1+12VUSCR1R3R2+-12VU S rU-U USrSr 速度指令转化过速度指令转化过 来的直流电压来的直流电压U U-三角波三角波U USCSC-脉宽调制器的输出（脉宽调制器的输出（U
44、US rS r+U U）调制波形图调制波形图ttU S r+U+U S roo-U S rttUS r为正时USr为负时U S r+U ttUSr为0时调制出正负脉宽一样方波平均电压为0调制出脉宽较宽的波形平均电压为正调制出脉宽较窄的波形平均电压为负3 3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC开关功率放大器开关功率放大器是脉宽调制速度单元的主回路是脉宽调制速度单元的主回路结构：有两种形式：结构：有两种形式：H型（桥式）、型（桥式）、T型。每种电路型。每种电路又有单极性工作方式和双极性工作方式，各种不同又有单极性工作方式和双极性工作方式，各种不同的工作方式又可组成可逆开关放大电
45、路和不可逆开的工作方式又可组成可逆开关放大电路和不可逆开关放大电路关放大电路。可逆可逆H H型双极式型双极式PWMPWM开关功率放大器为例开关功率放大器为例6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC可逆可逆H H型双极式型双极式PWMPWM开关功率放大器开关功率放大器USABD1D2D3D4MT1T2T4T3UdUABUb2Ub3OttUb1Ub 4Ot1TUS-USOttidid1id2id1id2O6.3 6.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNCUSABD1D2D3D4MT1T2T4T3UdUABUb2Ub3OttUb1Ub 4Ot1TUS
46、-USOttidid1id2id1id2O电机正转、反转、停止：电机正转、反转、停止：由正、负由正、负驱动电压脉冲宽窄定。驱动电压脉冲宽窄定。当当正正脉冲较宽时，即脉冲较宽时，即t t11T/2T/2，平均电压为正，电机正转；，平均电压为正，电机正转；当当正正脉冲较窄时，脉冲较窄时，t t11T/2 T/2，平均电压为负，电机反转；，平均电压为负，电机反转；正负正负脉冲宽度相等，脉冲宽度相等，t t1=1=T/2 T/2，平均电压为零，电机停转。，平均电压为零，电机停转。电机速度的改变：电机速度的改变：电电枢枢平平均均电电压压U UABAB越越大大转转速速越越高高。U UABAB由由驱驱动动电
47、电压压脉脉冲冲宽宽度度决决定。定。3 3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC 电刷和换向有磨损，有时会产生火花；电刷和换向有磨损，有时会产生火花；换向器由多种材料制成，制作工艺复杂；换向器由多种材料制成，制作工艺复杂；电机最高速度受限制；电机最高速度受限制；结构复杂，成本较高，结构复杂，成本较高，所以在使用上受到一定的限制。所以在使用上受到一定的限制。4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统直流电机缺点：直流电机缺点：CNC1 交流伺服电机的分类与特点交流伺服电机的分类与特点数控机床上应用的交流电机一般都为三相。数控机床上应用的交流电机一般都为三相。分：
48、异步型和同步型交流伺服电机。分：异步型和同步型交流伺服电机。从从建建立立所所需需气气隙隙磁磁场场的的磁磁势势源源来来说说，同同步步型型交交流流电电机分：电磁式及非电磁式两大类。机分：电磁式及非电磁式两大类。非电磁式有磁滞式、永磁式和反应式多种。非电磁式有磁滞式、永磁式和反应式多种。4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统CNC1.1 交流伺服电动机交流伺服电动机 交流伺服电动机就是一台交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差它的定子上装有空间互差9090 的的两个绕组：励磁绕两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。组和控制绕组，
49、其结构如图所示。励磁绕组励磁绕组控制绕组控制绕组杯形转子杯形转子内定子内定子交流伺服电动机结构图交流伺服电动机结构图交流伺服电动机结构图交流伺服电动机结构图CNC放放大大器器检检测测元元件件控制信号控制信号控制信号控制信号+控制绕组控制绕组励磁绕组励磁绕组+1 1 励磁绕组串联电容励磁绕组串联电容C,是为了产生两相旋转磁场。是为了产生两相旋转磁场。适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近位差接近9090,从而产生所需的旋转磁场。从而产生所需的旋转磁场。交流伺服电动机的接线图和相量图交流伺服电动机的接线图和相量图交流伺服电动机的接线图和相量
50、图交流伺服电动机的接线图和相量图(a(a）接线图）接线图）接线图）接线图 1(b)(b)相量图相量图相量图相量图CNC永磁式同步电机永磁式同步电机：优点：结构简单、运行可靠效率高；优点：结构简单、运行可靠效率高；缺点：体积大、启动特性欠佳。缺点：体积大、启动特性欠佳。与直流电机比：外形尺寸、重量、转子惯量大幅减小与直流电机比：外形尺寸、重量、转子惯量大幅减小与异步交流伺服电机相比：效率高、体积小。与异步交流伺服电机相比：效率高、体积小。4 交流伺服电机及其速度控制系统交流伺服电机及其速度控制系统CNC异步型交流伺服电机与同容量的直流电机相比：异步型交流伺服电机与同容量的直流电机相比：优点：重量