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1、第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.1伺服驱动系统的组成数控机床伺服驱动系统的基本组成如图4-1所示。数控机床的伺服驱动系统按有无反馈检测单元分为开环和闭环两种类型，这两种类型的伺服驱动系统的基本组成不完全相同。但不管是哪种类型，执行元件及其驱动控制单元都必不可少。驱动控制单元的作用是将进给指令转化为驱动执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.1伺服驱动系统的组成图4-1伺服驱动系统的基本组成第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.
2、1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.1伺服驱动系统的组成n开环伺服驱动系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。通常，执行元件选用步进电机。执行元件对系统的特性具有重要影响。n闭环伺服驱动系统由执行元件、驱动控制单元、机床，以及反馈检测单元、比较控制环节组成。反馈检测单元将工作台的实际位置检测后反馈给比较控制环节，比较控制环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差经驱动控制单元，驱动和控制执行元件带动工作台运动。n在CNC系统中，由于计算机的引入，比较控制环节的功能由软件完成，从而导致系统结构的一些改变，但基本上还是由执行元件、反馈检测单元、比较控制环节、驱动控制单元和
3、机床组成。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.2伺服驱动系统的工作原理n1.数控机床伺服进给系统n数控机床所采用的伺服进给系统按控制系统的结构可以分为开环控制、闭环控制、半闭环控制以及混合控制四种。n（1）开环控制系统n无位置反馈装置的伺服进给系统称为开环控制系统。使用步进电动机(包括电液脉冲马达)作为伺服执行元件，是其最明显的特点。在开环控制系统中，数控装置输出的脉冲，经过步进驱动器的环形分配器或脉冲分配软件的处理，在驱动电路中进行功率放大后控制步进电动机，最终控制了步进电动机的角位移。步进电动机再经过减速装置(或直接连接)带动了丝杠旋转，通过
4、丝杠将角位移转换为移动部件的直线位移。因此，控制步进电动机的转角与转速，就可以间接控制移动部件的移动速度与位移量。如图4-2所示开环控制伺服驱动系统的结构原理图。n采用开环控制系统的数控机床结构简单，制造成本较低，但是由于系统对移动部件的实际位移量不进行检测，因此无法通过反馈自动进行误差检测和校正。另外，步进电动机的步距角误差、齿轮与丝杠等部件的传动误差，最终都将影响被加工零件的精度；特别是在负载转矩超过电动机输出转矩时，将导致步进电动机的“失步”，使加工无法进行。因此，开环控制仅适用于加工精度要求不高，负载较轻且变化不大的简易、经济型数控机床上。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4
5、.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.2伺服驱动系统的工作原理图4-2开环控制伺服驱动系统的结构原理图第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.2伺服驱动系统的工作原理n（2）半闭环控制系统n半闭环控制数控机床的特点是：机床的传动丝杠或伺服电动机上装有角位移检测装置(如：光电编码器等)，通过它可以检测电动机或丝杠的转角，从而间接地检测了移动部件的位移。角位移信号被反馈到数控装置或伺服驱动中，实现了从位置给定到电动机输出转角间的闭环自动调节。同样，由于伺服电动机和丝杠相连，通过丝杠可以将旋转运动转换为移动部件的直线位移，因此间接地控制了移动部件的移动速度
6、与位移量。这种结构只对电动机或丝杠的角位移进行了闭环控制，没有实现对最终输出的直线位移的闭环控制，故称为“半闭环”控制系统，如图4-3所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.2伺服驱动系统的工作原理图4-3半闭环控制伺服驱动系统的结构原理图第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.2伺服驱动系统的工作原理采用半闭环控制系统的数控机床，电气控制与机械传动间有明显的分界，因此调试、维修与故障诊断较方便；且机械部分的间隙、摩擦死区、刚度等非线性环节都在闭环以外，因此系统的稳定性较好。伺服电动机和光电编码器通常
7、做成一体，电动机和丝杠间可以直接联接或通过减速装置联接；位置检测单位和实际最小移动单位间的匹配，可以通过数控系统的参数(通常被称为“电子齿轮比”)进行设置。它具有传动系统简单、结构紧凑、制造成本低、性能价格比高等特点，从而在数控机床上得到了广泛应用。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.2伺服驱动系统的工作原理图4-4半闭环控制伺服驱动系统的结构原理图第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.2伺服驱动系统的工作原理n如图4-3和如图4-4所示均为半闭环控制数控机床伺服驱动部分的结构原理图。如图4-3所示伺
8、服电动机内装编码器的情况，如图4-4所示编码器安装于丝杠上的情况。n（3）闭环控制系统n由于闭环控制系统的工作特点，它对机械结构以及传动系统的要求比半闭环更高，传动系统的刚度、间隙、导轨的爬行等各种非线性因素将直接影响系统的稳定性，严重时甚至产生振荡。解决以上问题的最佳途径是采用直线电动机作为驱动系统的执行器件。采用直线电动机驱动，可以完全取消传动系统中将旋转运动变为直线运动的环节，大大简化机械传动系统的结构，实现了所谓的“零传动”。它从根本上消除了传动环节对精度、刚度、快速性、稳定性的影响，故可以获得比传统进给驱动系统更高的定位精度、快进速度和加速度。n从原理上说，数控机床的伺服系统应包括从
9、位置指令脉冲给定到实际位置输出的全部环节，即包括位置控制、速度控制、驱动电动机、检测元器件等部分。但在很多系统中，为了制造方便，通常将伺服系统的位置控制部分与CNC装置制成一体，所以，习惯上所说的机床伺服进给系统，一般是指伺服进给系统的速度控制单元、伺服电动机、检测元器件部分，而不包括位置控制部分。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.2伺服驱动系统的工作原理n按伺服进给系统使用的伺服电动机类型，半闭环、闭环数控机床常用的伺服进给系统可以分直流伺服驱动和交流伺服驱动两大类。在20世纪70年代至80年代生产的数控机床上，一般均采用直流伺服驱动。从80
10、年代中、后期起，数控机床上多采用交流伺服驱动。n直流伺服驱动系统一般按其主回路采用的功率放大元器件类型，又分“晶闸管调速方式”(简称为SCR速度控制系统)和“晶体管脉宽调制调速方式”(简称PWM速度控制系统)两类。在控制上可以采用模拟量控制或数字量控制，因此，在某些场合还可以分为模拟式与数字式两种类型。n交流伺服系统一般均采用PWM调制信号控制功率晶体管进行驱动放大的主回路，并按其指令信号与控制型式，分为模拟式伺服与数字式伺服两类。初期的交流伺服系统一般是模拟式伺些系统，而目前使用的交流伺服通常都是采用数字量控制的全数字式交流伺服系统。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱
11、动系统伺服驱动系统4.1.2伺服驱动系统的工作原理闭环伺服系统如图4-5所示，这种系统由比较环节、驱动线路（位置控制和速度控制）、伺服电机、检测反馈单元等组成。安装在工作台的位置检测装置，将工作台的实际位移量测出并转换成电信号，经反馈线路与指令信号进行比较，并将其差值经伺服放大，控制伺服电机带动工作台移动，直至差值消除时才停止修正动作。该系统精度理论上仅取决于测量装置的精度，消除了放大和传动部分的误差，间隙误差等的直接影响。但系统较复杂，调试和维修较困难，对检测元件要求较高，且有一定的保护措施、成本高。适用于大型或比较精密的数控设备。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动
12、系统伺服驱动系统4.1.2伺服驱动系统的工作原理图4-5闭环控制伺服驱动系统的结构原理图第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型n1进给驱动用的伺服电机n（1）改进型直流电机n改进型直流电机与传统电机结构类似，其区别主要是改进型直流电机设汁成转动惯量较小、过载能力较强，且具有较好的换向性能。它的动态特性比普通直流电机好，如图4-6所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型图4-6改进型直流电第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱
13、动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型n（2）小惯量直流电机n小惯量直流电机分为无槽圆柱体电枢结构和带印制绕组的盘形结构。因为小惯量直流电机最大限度地减少电枢的转动惯量，所以获得较好的快速性。小惯量直流电机以其体积小、重量轻、效率高、惯量小和控制精度高等优点，同时还保留了普通直流电动机优良的机械特性，广泛应用于伺服控制、数控机床、机器人等领域，随着无刷直流电机应用领域的不断扩大，要求控制系统设计简易、成本低廉、控制算法合理、开发周期短。为此，建立无刷直流电机控制系统的仿真模型，可以有效的节省控制系统设计时间，及时验证施加于系统的控制算法，观察系统的控制输出；同时可以充分利用计算机仿真的优越性，人
14、为地改变系统的结构、加入不同的扰动和参数变化，以便考察系统在不同结构和不同工况下的动、静态特性，如图4-7所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型(a)(b)图4-7小惯量直流电机第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型n（3）步进电机n步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来
15、控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进电机混合了永磁式和反应式的优点，它又分为两相和五相，两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，如图4-8所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型图4-8步进电机第第4章章 数控伺
16、服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型n（4）永磁直流伺服电机n永磁直流伺服电机转动惯量小、启动电压低、空载电流小；其接触式换向系统，大大提高电机转速，最高转速高达100000rpm；无刷伺服电机在执行伺服控制时，无须编码器也可实现速度、位置、扭矩等的控制；不存在电刷磨损情况，除转速高之外，还具有寿命长、噪音低、无电磁干扰等特点。其特点是体积小、动作快反应快、过载能力大、调速范围宽；低速力矩大，波动小，运行平稳；低噪音，高效率；后端编码器反馈（选配）构成直流伺服等优点；直流伺服电机可应用在是数控机床、火花机、机械手、精确的机器等。可同时配置25
17、00P/R高分析度的标准编码器及测速器，更能加配减速箱、令机械设备带来可靠的准确性及高扭力。调速性好，单位重量和体积下，输出功率最高，大于交流电机，更远远超过步进电机。多级结构的力矩波动小，如图4-9所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型图4-9永磁直流伺服电机第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型n（5）无刷直流电机n无刷直流电机具有高效节能、运行平稳、低振低噪、过载能力强、免维护性好等特点，是各种应用领域的理想驱动、控制元件。它使有槽电机无槽化，从而
18、将电机的效率、过载能力以及功率体积比提高到一个令人惊喜的程度，同时它以机电一体化的创新结构，把使用无刷电机中的烦琐操作大大简化，使其和普通电机一样简单，又具有免维护等各种优点，如图4-10所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型图4-10无刷直流电机第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型n（6）交流调速电机n调速电机是一种可靠的调速装置。能在规定的范围内均匀地、连续地无级调速并能输出额定转距，速度变化低于3%。结构简单、使用方便、控制功率小、启动性能好、启
19、动转距大、启动平滑、调速范围广等特点，如图4-11所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型图4-11交流调速电机第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型n2主轴驱动电机n由于消费者多样化的需求和生产者降低成本的需要，各种具有高生产率和高灵活性的生产体系逐渐建立起来，其中自动换刀数控机床承担着核心任务，近来，对提高机床加工效率有了更进一步的高速、高精度、高效的要求，人们不断地对主轴、进给、刀具交换等各个系统进行技术开发，因此，相应地出现了如电主轴驱动单元、滚珠
20、丝杠、直线导轨等功能部件。机床主轴驱动可采用直流电机，也可采用交流电机。与进给驱动不同的是，主轴电机的功率要求更大，对转速要求更高，但对调速性能的要求却远不如进给驱动那样高。目前均使用交流电机，如图4-12所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型图4-12主轴驱动电机第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.4数控机床对伺服驱动系统的要求n数控机床以其高效率、高精度和高柔性而占据大部分市场，数控机床的进给伺服系统是数控机床技术水平的标志，因此进给伺服系统的速度控制、位置控制、伺服电
21、机控制都必须具有很高的质量控制要求，基于数控机床的各式加工任务，其对进给伺服系统的要求有一下几点。n1.随时可实现反转n实际加工工件的时候，要求机床执行部件要灵活地正反转运行，这些工作指令是随机的，而且是根据加工轨迹要求来完成的。n2.精度相对较高n数控机床的定位精度和进给跟踪精度是保证数控机床加工精度的重要内容，也是保证精度的关键。n3.传动刚性高且速度稳定性好n数控机床的伺服系统在负载发生变化或者切削条件产生波动时应保证进给速度恒定，这样就能使负载力矩变化对进给速度不影响或者影响很小。n4.可实现低转速大转矩n在低速大进给量加工零件时要求伺服系统进给驱动输出较大的转矩。第第4章章 数控伺服
22、驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.1步进电机驱动系统n步进电机及其驱动系统主要用于开环控制系统。它由步进电机驱动电源（又称步进电机驱动器）和步进电机组成。n步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环驱动元件。步进电机所用的电源与一般交、直流电机的电源也有区别，既不是正弦波，也不是恒定直流，而是脉冲电压、电流，所以有时也称为脉冲电机或电脉冲电机。在非超载的情况下，电机的转速、角位移只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在
23、速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常的简单、维修也较方便，而且为全数字化控制。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.1步进电机驱动系统n1.步进电机分类n步进电机的分类有多种方法。n（1）按输出扭矩的大小分n可分为快速步进电机与功率步进电机两种。n（2）按励磁相数n可分为三相、四相、五相甚至八相。n（3）按其运动方式分n可分为旋转式、直线式、平面运动式和滚切运动式四种。n（4）按结构分n可分为单段式（径向式）、多段式（轴向式）和印刷绕组式三种。n（5）按工作原理分n可分为反应式、电磁式、永磁式、永磁感应子式（混合式）步进电机，其中反
24、应式和混合式步进电机比较常用。不同类型的步进电机，其工作原理、驱动装置也不完全相同。n对给定的电机体积，混合式步进电机产生的转矩比反应式的大，加上混合式步进电机的步距角常做得很小，因此在工作空间受到限制而需要小步距角和大转矩的情况下，常选用混合式步进电机。反应式步进电机转子上没有永久磁钢，所以转子的机械惯量比混合式步进电机的转子惯量低，因此可以更快地加、减速。混合式步进电机转子有永久磁钢，所以在绕组未通电时，转子永久磁钢产生的磁通能产生自定位转矩，虽然这比绕组通电时产生的转矩小得多，但它确实是一种很有用的特性：使其在断电时，仍能保持转子的原来位置。反应式步进电机在断电时靠干摩擦负载转矩或靠专门
25、的磁定位或机械定位装置来实现定位。在实际应用中为提高加工精度，多采用小步距角的步进电机。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.1步进电机驱动系统n实际应用中，主要控制步进电机的角位移、转速和方向。步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角脉冲的频率决定着电机的转速，改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向也随之改变。n2.步进电动机的工作原理n由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面以三相反应式步进电机为例说明步进电机的工作原理。n（1）结构n电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻
26、，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开，如图4-13所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.1步进电机驱动系统图4-13步进电动机结构第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.1步进电机驱动系统第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.1步进电机驱动系统n3.术语n（1）相数n定子磁极对数，常用m表示。n（2）拍数n完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB
27、-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.n（3）步距角n对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.1步进电机驱动系统n（4）失步n电机运转时运转的步数不等于理论上的步数，称之为失步。n（5）失调角n转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调
28、角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。n（6）最大空载起动频率n电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。n（7）最大空载的运行频率n电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。n（8）运行矩频特性n电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据，如图4-14所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.1步进电机驱动系统图4-14矩频特性图第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2
29、 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.1步进电机驱动系统第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱动系统n直流电机也可精确地控制旋转速度或转矩。直流电机是通过两个磁场的互作用产生旋转。定子通过永磁体或受激励电磁铁产生一个固定磁场，转子由一系列电磁体构成，当电流通过其中一个绕组时会产生一个磁场。对有刷直流电机而言，转子上的换向器和定子的电刷在电机旋转时为每个绕组供给电能。通电转子绕组与定子磁体有相反极性，因而相互吸引，使转子转动至与定子磁场对准的位置。当转子到达对准位置时，电刷通过换向器为下一组绕组供电，从而使转子维持旋转运动。n
30、无刷直流电机基本上是一个同步电机，转子采用永磁体，定子使用绕组。定子绕组排列成三相Y型连接，具有不规则四边形的转矩特性。通电后的定子绕组会产生电磁极性，吸引转子，产生转矩。当在定子相位上施加适宜顺序的电压时，就可以在定子上建立并维持一个旋转磁场。定子电流必须与转子磁场同步才能产生转矩。大多数无刷直流电机采用霍尔效应传感器来读取电机的旋转位置，使控制器以合适的顺序切换三个绕组相位的通断，从而产生旋转运动。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱动系统图4-15导体ab处于N极下图4-16导体ab处于S极下第第4章章 数控伺服驱动系统
31、数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱动系统n直流电机工作过程：n如图4-15所示，则有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如图4-16所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理，如图4-17所示
32、。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动。n直流电动机的工作原理是将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过。这时电机内部有磁场存在，载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力f的作用（左手定则），所有导体将产生的电磁力作用于转子，使转子以转速n（r/min）旋转，以便拖动机械负载。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱动系统图4-17工作过程第第4章章 数
33、控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱动系统n当直流电动机电枢绕组接至电源上时，根据电磁力定律，载流导体在磁场中受电磁力的作用，产生了一个转矩，在转矩的作用下，电枢便按逆时针方向旋转起来。n交流电机驱动系统n长期以来，在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的是应用直流电动机的调速系统。但直流电动机存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护。换向器换向时会产生火花，使电动机的最高速度受到限制，也使应用环境受到限制，而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。而交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且
34、转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高1070，此外，交流电动机的容量比直流电动机的大，可达到更高的电压和转速。现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱动系统n异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机。它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量轻1/2，价格仅为直流电动机的1/3。缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速，必须从电网吸收滞后
35、的励磁电流，因而使电网功率因数降低。这种鼠笼式转子的异步型交流伺服电动机简称为异步型交流伺服电动机，用IM表示。n同步型交流伺服电动机虽比感应电动机复杂，但比直流电动机简单。它的定子与感应电动机一样，都是在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同，按不同的转子结构又分为电磁式和非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。数控机床中多用永磁式同步电动机。与电磁式相比，永磁式的优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积大、启动特性欠佳。但永磁式同步电动机采用高剩磁感应，高矫顽力的稀土类磁铁后，可比直流电动机的外
36、形尺寸约小1/2，质量减轻60，转子惯量减到直流电动机的1/5。它与异步电动机相比，由于采用了永磁铁励磁，消除了励磁损耗及有关的杂散损耗，所以效率高。又因为没有电磁式同步电动机所需的集电环和电刷等，其机械可靠性与感应（异步）电动机相同，而功率因数却大大高于异步电动机，从而使永磁同步电动机的体积比异步电动机小些。这是因为在低速时，感应（异步）电动机由于功率因数低，输出同样的有功功率时，它的视在功率却要大得多，而电动机主要尺寸是据视在功率而定的。本节将以永磁同步式直流伺服电机为例介绍其工作原理。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱
37、动系统n无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。n电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接收电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接收位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接收速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。n由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载
38、突变时产生振荡和失步。中小容量的无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能积的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱动系统电枢绕组是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。电枢绕组的构成，应能产生足够的感应电动势，并允许通过一定多的电枢电流，从而产生所需的电磁转矩和电磁功率。此外，还要节省有色金属和绝缘材料，结构简单，运行可靠。大的分类为环形和鼓形；环形绕组只曾在原始电机用过，由于容易理解故讲原理时也用此类绕组；现代直流
39、电机均用鼓形绕组，它又分为叠绕组、波绕组和蛙形绕组。鼓形绕组比环形绕组制造容易，又节省导线，运行较可靠，经济性好，故现在均用鼓形绕组。如图4-18所示的永磁直流无刷伺服电机工作原理图，它由永磁步进电机、功率逻辑开关单元和转子位置传感器组成。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱动系统图4-18 三相永磁直流无刷伺服电机工作原理图第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱动系统第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2
40、直流电机驱动系统图4-19 开关顺序及定子磁场旋转示图第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱动系统第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱动系统n4）位置传感器（含速度）n可分为旋转变压器、磁性编码器、光电编码器等。n（5）电源及能耗制动电路n（6）键盘及显示电路n（7）接口电路n包括模拟电压、数字I/O及串口通信电路。n（8）故障检测、保护电路n伺服驱动的控制技术主要包括：矢量控制技术、电流反馈跟踪技术、实时PWM技术（一般采用滞环法、次谐波法和空间矢量法）。第第
41、4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱动系统图4-20交流伺服系统组成第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统n近几年国产数控系统在引进消化国外数控技术的基础上有了很大的发展，已经生产出具有自主版权的数控系统和数控机床。西方禁锢中国多年的三轴以上联动技术也自行研制成功，从而一举打破国外的技术封锁和经济垄断，为振兴民族数控产业，加速工业现代化奠定了坚实的技术基础。目前，国产数控机床广泛应用的国产数控系统有华中、蓝天、航天、四开、凯恩帝、开通等品牌，主要以华中
42、数控为例介绍。n1.基于PC的数控系统硬件n华中数控系统采用了先进的技术路线，具有可靠的质量保证，现已成为既具有国际先进水平又有我国技术特色的数控产品。具体为：n（1）以通用工控计算机为基础的开放式和模块化体系结构。n（2）以WINDOWS操作系统为基础，体系结构开放。n（3）具有特点的数控软件技术和独创的曲面实时插补算法。n（4）具有友好的用户界面，便于用户学习和使用。n（5）搭载网络、通讯和集成功能。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统n2.开放体系结构数控装置的优点n（1）向未来技术开放n由于软硬件接口都遵
43、循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期。n（2）标准化的人机界面、标准化的编程语言n方便用户使用，降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。n（3）向用户特殊要求开放n更新产品、扩充能力、提供可供选择的硬软件产品的各种组合，以满足特殊应用要求，给用户提供一个方法，从低级控制器开始，逐步提高，直到达到所要求的性能为止。另外用户能方便地融入自身的技术诀窍，创造自己的名牌产品。n（4）高可靠性和低成本n可减少产品品种，便于批量生产、提高可靠性和降低成本，增强市场供应
44、能力和竞争能力。由于工业用CNC系统没有使用标准PC键盘，所以键盘画在虚线框外。n华中数控系统的位置单元接口根据使用伺服单元的不同而有不同的具体实现方法。当用步进电机作为驱动元件时，位置单元接口则用多功能NC接口板。当伺服单元为数字式交流伺服单元时，位置单元接口可采用标准RS232串口；当伺服单元为模拟式交流伺服单元时，位置单元接口则用位置环板。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统n数控装置与数控系统各个功能模块和机床之间的联系信息和控制信息，通过I/0接口电路连接起来，接口电路的主要任务有以下两个内容：n进行电
45、平转换和功率放大。因为一般数控装置的信号是TTL逻辑电路产生的电平，而控制机床的信号则不一定是TTL电平，且负载较大，因此，要进行必要的信号电平转换和功率放大。n提高数控装置的抗干扰性能，防止外界的电磁干扰噪声而引起误动作。接口采用了光耦合器件或继电器，避免信号的直接连接，如图4-21所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统图4-21华中数控系统体系结构第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统n3.硬件平台体系结构n华中数控系统的硬件
46、平台体系结构如图4-21所示。虚线框内为标准PC机配置，其中微处理器采用80486或80586，系统控制部件包括DMA控制器(外部设备如软盘等与内存进行高速数据传送)、中断控制器(作系统中断用)、定时器(作系统定时用)等，外存包括硬盘和软盘或者电子盘。由于工业用CNC系统没有使用标准PC键盘，故键盘画在虚线框外。系统连接如图4-22所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统图4-22系统连接示意图第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统
47、n4.华中世纪星HNC-21数控系统的连接n华中“世纪星HNC-21”数控系统，该系统采用了9.4寸真彩TFT液晶显示器（分辨率为640480，色彩256K色），具有高亮度、高对比度，色彩丰富，视角范围宽广等优点。适用于各种车、铣床加工中心等机床的控制，采用国际标准G代码编程，与各种流行的CAD/CAM自动编程系统兼容，结构牢靠，造型美观，体积小巧，具有极高的性能价格比。目前已广泛用于车、铣、磨、锻、齿轮、仿形、激光加工、纺织、医疗等设备。最大联动轴数为4轴。可选配各种类型的脉冲式（HSV-16系列全数字交流伺服驱动单元），模拟式交流伺服驱动单元或步进电机驱动单元以及HSV-11系列串行接口伺
48、服驱动单元。除标准机床控制面板外，配置40路开关量输入和32路开关量输出接口、手持单元接口、主轴控制与编码器接口。还可扩展远程128路输入/128路输出端子板。（1）世纪星HNC-21的数控设备的结构n世纪星HNC-21的数控设备的结构框图，如图4-23所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统图4-23结构框图采用HNC-21的数控设备的接线示意图，如图4-24所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统图4-24HNC-21的数控
49、设备的接线示意图第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统n2）华中世纪星HNC-21数控装置的接口nHNC-21数控装置的所有接口如图4-25所示图4-25HNC-21数控装置的所有接口电源接口:XS1，其管脚如图4-26所示，引脚分配如表4-1所示第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服
50、驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4