1、第3章 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)：以位置和速度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)接受數(shù)控裝置發(fā)來的進(jìn)給脈沖指令信號，經(jīng)過信號變換和電壓、功率放大由驅(qū)動元件將其轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?，以?qū)動數(shù)控設(shè)備各運(yùn)動部件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動。3.1 概 述1伺服系統(tǒng)，也稱為隨動系統(tǒng)，是一種能夠及時跟蹤輸入給定信號并產(chǎn)生動作，從而獲得精確的位置、速度等輸出的自動控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)的一類，它的輸出變量通常是機(jī)械或位置的運(yùn)動，它的根本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對給定指令的準(zhǔn)確跟蹤，即實(shí)現(xiàn)輸出變量的某種狀態(tài)能夠自動、連續(xù)、精確地復(fù)現(xiàn)輸入指令信號的變化規(guī)律。 一、伺服系統(tǒng)概念2數(shù)控機(jī)床對伺服系統(tǒng)的要求1. 數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給伺服系統(tǒng)

2、的要求（1）調(diào)速范圍大，低速轉(zhuǎn)矩大。調(diào)速范圍：機(jī)械裝置要求電機(jī)能提供的最高進(jìn)給速度相對于最低進(jìn)給速度之比。為保證所有加工條件下，均能得到最佳切削條件和加工質(zhì)量，就要求進(jìn)給速度在較大的范圍內(nèi)變化。低速切削要求電機(jī)輸出較大的轉(zhuǎn)矩，避免出現(xiàn)低速爬行現(xiàn)象。（2）精度高。精度：伺服系統(tǒng)的輸出量跟隨輸入量的精確程度。為保證數(shù)控加工精度要求，主要保證機(jī)床的定位精度和進(jìn)給跟蹤精度。3（3）快速響應(yīng)無超調(diào)?？焖夙憫?yīng)反映系統(tǒng)的跟蹤精度。（4）穩(wěn)定性好，可靠性高。穩(wěn)定性：系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能經(jīng)過短暫的調(diào)節(jié)達(dá)到新的或恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)。系統(tǒng)具有較好的抗干擾能力能保證進(jìn)給速度均勻、平穩(wěn)。（5）足夠的傳動剛

3、性，較強(qiáng)的過載能力，電機(jī)的慣量與移動部件的慣量相匹配，伺服電機(jī)能夠頻繁啟停和可逆運(yùn)行。42. 數(shù)控機(jī)床對主軸伺服系統(tǒng)的要求（1）足夠的輸出功率。主軸轉(zhuǎn)速高，輸出轉(zhuǎn)矩?。恢鬏S轉(zhuǎn)速低，輸出轉(zhuǎn)矩大。要求主軸驅(qū)動裝置具有恒功率性質(zhì)。（2）調(diào)速范圍寬。數(shù)控機(jī)床的變速依照指令自動執(zhí)行，要求能夠在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行無級調(diào)速，較少中間傳遞環(huán)節(jié)，簡化主軸箱。（3）定位準(zhǔn)停功能。為使得數(shù)控車床具有螺紋切削等功能，要求主軸能與進(jìn)給驅(qū)動實(shí)行同步控制。在加工中為自動換刀，要求主軸具有高精度的準(zhǔn)停功能。5數(shù)控機(jī)床對伺服系統(tǒng)的基本要求1）精度高伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。作為數(shù)控加工，對定位精度和輪廓

4、加工精度要求都比較高，定位精度一般允許的偏差為0.010.001mm，甚至0.1微米。輪廓加工精度與速度控制、聯(lián)動坐標(biāo)的協(xié)調(diào)一致控制有關(guān)。在速度控制中，要求較高的調(diào)速精度，具有比較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動能力，對靜態(tài)、動態(tài)精度要求都比較高。62）穩(wěn)定性好 穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)，對伺服系統(tǒng)要求有較強(qiáng)的抗干擾能力。穩(wěn)定性是保證數(shù)控機(jī)床正常工作的條件，直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。73）快速響應(yīng) 快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。為了保證輪廓切削形狀精度和低的加工表面粗糙度，要求伺服系統(tǒng)跟蹤指令信號的

5、響應(yīng)要快。一方面要求過渡過程（電機(jī)從靜止到額定轉(zhuǎn)速）的時間要短，一般在200ms以內(nèi)，甚至小于幾十毫秒；另一方面要求超調(diào)要小。這二方面的要求往往是矛盾的，實(shí)際應(yīng)用中要采取一定措施，按工藝加工要求做出一定的選擇。84）調(diào)速范圍寬 調(diào)速范圍是 指生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。通常表示為：在數(shù)控機(jī)床中，由于加工用刀具，被加工材質(zhì)及零件加工要求的不同，進(jìn)給伺服系統(tǒng)需要具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。目前較先進(jìn)的水平是，在分辨率為1的情況下，進(jìn)給速度范圍為0240m/min，且無級連續(xù)可調(diào)。但對于一般的數(shù)控機(jī)床而言，要求進(jìn)給伺服系統(tǒng)在024m/min進(jìn)給速度范圍內(nèi)都能工作就足夠了。95）低速大轉(zhuǎn)

6、矩 機(jī)床加工的特點(diǎn)是，在低速時進(jìn)行重切削。因此，要求伺服系統(tǒng)在低速時要有大的轉(zhuǎn)矩輸出。進(jìn)給坐標(biāo)的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個速度范圍內(nèi)都要保持這個轉(zhuǎn)矩；主軸坐標(biāo)的伺服控制在低速時為恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩；在高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。10伺服系統(tǒng)的分類1. 按照調(diào)節(jié)理論分類1）開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動電路組成，無位置檢測裝置。11數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令脈沖經(jīng)過驅(qū)動線路變換與放大，傳給步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)每接收一個指令脈沖，就旋轉(zhuǎn)一個角度，再通過齒輪副和絲杠螺母副帶動機(jī)床工作臺移動。指令脈沖的頻率決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而決定了工作臺的移動速度；指令脈沖的數(shù)量決定了

7、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度，進(jìn)而決定了工作臺的位移大小。開環(huán)伺服系統(tǒng)加工精度低。由于無位置檢測裝置，其精度取決于步進(jìn)電機(jī)的步距精度和工作頻率以及傳動機(jī)構(gòu)的傳動精度。結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，適用于對精度和速度要求不高的經(jīng)濟(jì)型、中小型數(shù)控系統(tǒng)。12（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)有位置檢測裝置，且裝在機(jī)床工作臺上，直接檢測工作臺的實(shí)際位移。利用CNC裝置的指令值與位置檢測裝置的檢測值的差值進(jìn)行位置控制。精度高，其運(yùn)動精度取決于檢測裝置的精度，與傳動鏈的誤差無關(guān)。適用于大型或比較精密的數(shù)控設(shè)備。（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)有位置檢測裝置，且裝在電機(jī)或絲杠的端頭，檢測角位移，間接獲得工作臺的位移。精度比閉環(huán)控制低，滾珠絲杠的精度影響位

8、置檢測的精度。適用于中小型數(shù)控機(jī)床。 132. 按使用的驅(qū)動元件分類（1）電液伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件：電液脈沖馬達(dá)或電液伺服馬達(dá)。驅(qū)動元件：液動機(jī)或液壓缸。優(yōu)點(diǎn)：低速高輸出力矩，剛性好，時間常數(shù)小，反 應(yīng)快，速度平穩(wěn)。缺點(diǎn)：需要供油系統(tǒng)，體積大，產(chǎn)生噪聲和漏油等 問題。（2）電氣伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件：伺服電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)、交流或直流伺服 電機(jī)）。驅(qū)動元件：電力電子器件。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床均采用電氣伺服系統(tǒng)。（經(jīng)歷了四個階段）143. 按被控對象分類（1）進(jìn)給伺服系統(tǒng)控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動，提供切削所需的轉(zhuǎn)矩。包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。（2）主軸伺服系統(tǒng)控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，提供所需的驅(qū)動功率和切削力

9、。15伺服系統(tǒng)的組成由控制器、功率驅(qū)動裝置、檢測反饋裝置和伺服電機(jī)組成。（1）控制器：由位置調(diào)解單元、速度調(diào)解單元和電流調(diào)解單元組成?？刂破髯疃鄻?gòu)成三閉環(huán)控制：外環(huán)為位置環(huán)，中環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。（2）功率驅(qū)動裝置：由驅(qū)動信號產(chǎn)生電路和功率放大器等組成。功能：一方面按控制量大小將電網(wǎng)中的電能作用到電機(jī)上，調(diào)節(jié)電機(jī)力矩的大?。涣硪环矫姘措姍C(jī)要求將恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需直流電或交流電。（3）位置檢測裝置：閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)有位置檢測裝置，其安裝位置不同；開環(huán)伺服系統(tǒng)無位置檢測裝置。（4）伺服電機(jī)：閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)采用交流或直流伺服電機(jī)；開環(huán)伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)。16伺服系統(tǒng)結(jié)

10、構(gòu)173.2 步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)：一種將電脈沖信號變換成相應(yīng)的角位移或直線位移的機(jī)電執(zhí)行元件。數(shù)控裝置輸出的進(jìn)給脈沖數(shù)量、頻率和方向經(jīng)過驅(qū)動控制電路達(dá)到步進(jìn)電機(jī)后，可以轉(zhuǎn)換為工作臺的位移量、進(jìn)給速度和方向。3.2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制線路步進(jìn)電機(jī)工作臺指令脈沖絲杠開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)組成框圖181. 步進(jìn)電機(jī)的類型分類方式具體類型轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理反應(yīng)式（磁阻式）；永磁式；永磁感應(yīng)式（混合式）。輸出力矩大小伺服式：輸出力矩在百分之幾至十分之幾（Nm），只能驅(qū)動較小的負(fù)載，要求與液壓扭矩放大器配用，才能驅(qū)動機(jī)床工作臺等較大的負(fù)載。 功率式：輸出力矩在5-50（Nm）以上，可以直接驅(qū)動機(jī)床工作臺等較

11、大的負(fù)載。 相數(shù)三相；四相；五相；六相。各相繞組分布徑向分相式：電機(jī)各相按圓周依次排列。 軸向分向式：電機(jī)各相按軸依次排列。 運(yùn)動方式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動式；直線運(yùn)動式；平面運(yùn)動式；滾動運(yùn)動式。定子數(shù)單定子式；雙定子式；三定子式；多定子式。192. 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)（1）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子分定子鐵芯和定子勵磁繞組。1定子繞組；2轉(zhuǎn)子鐵芯；3A相磁通；4定子鐵芯。定子鐵芯由電工硅鋼片疊壓而成，定子繞組是繞置在定子鐵芯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(gòu)成一相控制繞組。步進(jìn)電機(jī)可構(gòu)成A、B、C三相控制繞組，稱為三相步進(jìn)電機(jī)。若任一相繞組通電，就形成一

12、組定子磁極。203. 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)：基于電磁力的吸引和排斥產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。定子繞組所加電源要求是脈沖電流形式，也稱為脈沖電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，即送給步進(jìn)電機(jī)一個電流脈沖，其轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個確定的角度，即步距角；脈沖數(shù)增加，角位移也增加；無脈沖時，電機(jī)停止。改變步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向改變。步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度越快，即脈沖頻率越高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高；但脈沖頻率不能過高，否則產(chǎn)生失步或超步。214. 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)主要特征（1）步距角和靜態(tài)步距誤差步進(jìn)電機(jī)步距角與定子繞組的相數(shù)m、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z、通電方式k有關(guān)，即有：3

13、60/(mzk)。其中：m相m拍時，k1；m相2m拍時，k2，依此類推。例如，三相三拍，z40時，360/(3401)3。靜態(tài)步距誤差：在空載情況下，理論的步距角與實(shí)際的步距角之差，以分表示，一般在10之內(nèi)。步距誤差主要由步進(jìn)電機(jī)步距制造誤差，定子和轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻以及各相電磁轉(zhuǎn)矩不均勻等因素造成。22步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速計算：360o=n60f=6fo式中：n轉(zhuǎn)速（r/min);f脈沖頻率，即每秒輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)； 用度數(shù)表示的步距角。式中，當(dāng)轉(zhuǎn)子的步距角一定時，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入的脈沖頻率成正比。23（2）靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性靜態(tài)轉(zhuǎn)矩：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)某相通電時，轉(zhuǎn)子處于不動狀態(tài)，此時在電機(jī)軸上加一

14、個負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就按一定方向轉(zhuǎn)過一個角度（失調(diào)角），此時轉(zhuǎn)子所受的電磁轉(zhuǎn)矩M即為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。矩角特性：靜態(tài)轉(zhuǎn)矩M與的關(guān)系。24 (3) 最大靜轉(zhuǎn)矩和失調(diào)角 當(dāng)轉(zhuǎn)子帶有負(fù)載力矩通電時，轉(zhuǎn)子就不再能和定子上的某極對齊，而是相差一定的角度，該角度所形成的電磁轉(zhuǎn)矩正好和負(fù)載力矩相平衡。這個角度稱為失調(diào)角。 步進(jìn)電動機(jī)所能帶的靜轉(zhuǎn)矩是受到限制的，最大靜轉(zhuǎn)矩表示步進(jìn)電機(jī)的承受載荷的能力。25（3）啟動頻率啟動頻率：空載時，步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然啟動，并進(jìn)入不丟步的正常運(yùn)行的最高頻率。步進(jìn)電機(jī)帶負(fù)載下的啟動頻率要比空載啟動頻率低，并隨負(fù)載增加而進(jìn)一步降低。（4）連續(xù)運(yùn)行的最高工作頻率最高工作頻率：步進(jìn)電機(jī)啟動

15、后，保證連續(xù)不丟步運(yùn)行的最高工作頻率。決定了定子繞組通電狀態(tài)下最高變化的頻率，即決定了步進(jìn)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。（5）加減速特性加減速特性：步進(jìn)電機(jī)由靜止刀工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時間的關(guān)系。26（6）矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩矩頻特性：描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時輸出轉(zhuǎn)矩M與連續(xù)運(yùn)行頻率f之間的關(guān)系。動態(tài)轉(zhuǎn)矩：矩頻特性曲線上每個頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行時，動態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而下降。273.2.2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制器功能：將具有一定頻率f、一定數(shù)量N和方向的進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換成控制步進(jìn)電機(jī)各相定子繞組通電斷電的電平信號變化頻率、變化次數(shù)和通斷電順序。

16、 驅(qū)動控制器由環(huán)形脈沖分配器和功率放大器組成。281. 環(huán)形脈沖分配器功能：將邏輯電平信號（弱電）變換為電機(jī)繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號（強(qiáng)電）。即將數(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，以控制勵磁繞組的通、斷電。分類：硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器。硬件環(huán)形分配器：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動裝置本身帶有環(huán)形分配器。軟件環(huán)形分配器：驅(qū)動裝置本身無環(huán)形分配器，環(huán)形分配需要軟件完成。29硬件環(huán)形分配器輸入、輸出信號一般為TTL電平，輸出信號A、B、C為高電平時表示相應(yīng)繞組通電，低電平時表示相應(yīng)繞組失電。CLK為數(shù)控裝置發(fā)出的脈沖信號，每個脈沖信號的上升或下降沿到來時，輸出

17、改變一次繞組的通電狀態(tài)。DIR為數(shù)控裝置發(fā)出的方向信號，其電平高低對應(yīng)電機(jī)繞組通電順序的改變，即步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。FULL/HALF控制電機(jī)的整步或半步。30三相六拍環(huán)形脈沖分配器原理圖31脈沖分配采用小規(guī)模集成電路搭接而成的三相六拍環(huán)形脈沖分配器.圖中C1、C2、C3為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。這種方式靈活性很大，可搭接任意相任意通電順序的環(huán)形分配器，同時在工作時不占用計算機(jī)的工作時間。 32采用專用環(huán)形分配器器件，如市售的CH250即為一種三相步進(jìn)電動機(jī)專用分配器。它可以實(shí)現(xiàn)三相步進(jìn)電動機(jī)的各種環(huán)形分配，使用方便、接口簡單。圖5.28（a）所示為CH250的管腳，圖5.28（b）為三相六拍接線。其工

18、作狀態(tài)如表5.4所列。33軟件環(huán)形脈沖分配器軟件環(huán)形脈沖分配器的設(shè)計方法有查表法、比較法、移位寄存器法等。如圖所示，8031單片機(jī)的P1口的三個引腳經(jīng)過光電隔離、功率放大后分別與電機(jī)的A、B、C連接。采用三相六拍方式時，電機(jī)正轉(zhuǎn)的通電順序為AABBBCCCAA。電機(jī)反轉(zhuǎn)的通電順序為AACCCBBBAA。34軟件分配（提高系統(tǒng)的可靠性，降低制造成本）采用軟件實(shí)現(xiàn)。利用查表或計算來進(jìn)行脈沖的環(huán)形分配，簡稱軟環(huán)分。表5.3為三相六拍分配狀態(tài)，可將表中狀態(tài)代碼01H、03H、02H、06H、04H、05H列入程序數(shù)據(jù)表中，通過軟件可順次在數(shù)據(jù)表中提取數(shù)據(jù)并通過輸出接口輸出即可，通過正向順序讀取和反向順

19、序讀取可控制電動機(jī)進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)。通過控制讀取一次數(shù)據(jù)的時間間隔可控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。該方法能充分利用計算機(jī)軟件資源以降低硬件成本，尤其是對多相的脈沖分配具有更大的優(yōu)點(diǎn)。但由于軟環(huán)分占用計算機(jī)的運(yùn)行時間，故會使插補(bǔ)次的時間增加，從而影響步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行速度。35脈沖分配362. 功率放大器功能：將環(huán)形分配器輸出的脈沖信號放大，以用足夠的功率來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。（1）單電壓功率放大器37（2）高低電壓功率放大器38（3）斬波恒流功率放大器39（4）調(diào)頻調(diào)壓功率放大器40413.2.3 提高步進(jìn)伺服系統(tǒng)精度的措施1. 傳動間隙補(bǔ)償提高機(jī)床傳動元件的齒輪、絲杠制造裝配精度并采取消除傳動間隙的措施，只能減少不

20、能完全消除傳動間隙。機(jī)械傳動鏈在改變運(yùn)動或旋轉(zhuǎn)方向時，最初若干個指令脈沖只能起到消除間隙的作用，造成步進(jìn)電機(jī)的空走，而工作臺無實(shí)際移動，從而產(chǎn)生傳動誤差。補(bǔ)償方法：先測出并存儲間隙大小，接收反向位移指令時，先不向步進(jìn)電機(jī)輸出反向位移脈沖，而將間隙值轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)N，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，越過傳動間隙，然后按照指令脈沖動作。42傳動間隙補(bǔ)償示意圖432. 螺距誤差補(bǔ)償傳動鏈中滾珠絲杠螺距的制造誤差直接影響機(jī)床工作臺的位移精度。補(bǔ)償方法：設(shè)置若干個補(bǔ)償點(diǎn)，在每個補(bǔ)償點(diǎn)測量并記錄工作臺位移誤差，確定補(bǔ)償值并作為控制參數(shù)輸送給數(shù)控裝置。設(shè)備運(yùn)行時，工作臺每經(jīng)過一個補(bǔ)償點(diǎn)，CNC系統(tǒng)就加入補(bǔ)償量，補(bǔ)償螺距誤差

21、。443.3 直流伺服電機(jī)與速度控制7.3.1 直流伺服電機(jī)1. 直流伺服電機(jī)的類型按電樞的結(jié)構(gòu)和形狀分：平滑電樞型、空心電樞型和有槽電樞型等。按定子磁場產(chǎn)生方式分：永磁式和他勵式。按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量大小分：大慣量、中慣量和小慣量伺服電機(jī)。2. 直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)（1）定子：產(chǎn)生定子磁極磁場。（2）轉(zhuǎn)子：表面嵌有線圈，通直流電時，在定子磁場作用下產(chǎn)生帶負(fù)載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。（3）電刷與換向片：為使產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定的方向，保證轉(zhuǎn)子能沿著固定方向均勻地連續(xù)旋轉(zhuǎn)，將電刷與外加直流電源連接，換向片與電樞線圈連接。451 直流伺服電動機(jī)基本原理是主磁極的勵磁線圈在直流電源下產(chǎn)生恒定磁場，當(dāng)電樞繞組通入直

22、流電，在電樞線圈中有直流電流，因而電樞線圈在磁場的作用下受到電磁力矩而帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 46原理圖147NSNSUU電刷換向片484950加于直流電機(jī)的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電機(jī)電樞線圈流過的電流，方向是交變的，從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變，確保直流電機(jī)朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。定子：磁場永磁體轉(zhuǎn)子：電樞繞組換向：換向器與電刷51直流伺服電機(jī)的特點(diǎn) 過載倍數(shù)大，時間長； 具有大的轉(zhuǎn)矩/慣量比，電機(jī)的加速大，響應(yīng)快。 低速轉(zhuǎn)矩大，慣量大，可與絲桿直接相聯(lián)，省去了齒輪等傳動機(jī)構(gòu)?？商岣吡藱C(jī)床的加工精度。 調(diào)速范圍大，與高性能的速度控制單元組成速度控制系統(tǒng)時，調(diào)速范圍超過12

23、000。523. 直流伺服電機(jī)的工作原理永磁式直流電機(jī)工作原理直流電壓加在A、B兩電刷之間，電流從A流入，從B流出，導(dǎo)體ab和cd受到逆時針方向作用力，轉(zhuǎn)子在逆時針方向地電磁轉(zhuǎn)矩作用下旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)過90，電樞線圈處于磁極的中性面，電刷與換向片斷開，無電磁轉(zhuǎn)矩作用。在慣性作用下，電樞繼續(xù)轉(zhuǎn)動一個角度，當(dāng)電刷與換向片再次接觸時，導(dǎo)體ab和cd交換了位置，ab和cd中的電流也發(fā)生改變，從而保證電樞受到地電磁轉(zhuǎn)矩方向不變，因此，電樞可以連續(xù)轉(zhuǎn)動。533.3.2 直流進(jìn)給速度控制單元直流電機(jī)地機(jī)械特性公式公式中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，Ua為電樞外加電壓，Ce為反電動勢常數(shù)，為電機(jī)磁通量，Ra為電樞電阻，Cm為

24、轉(zhuǎn)矩常數(shù)，M為電磁轉(zhuǎn)矩。直流電機(jī)的三種調(diào)速方法。改變電樞外加電壓Ua。該方法可以得到調(diào)速范圍較寬的恒轉(zhuǎn)矩特性，機(jī)械特性好，適用于主軸驅(qū)動的低速段和進(jìn)給驅(qū)動。改變磁通量?？傻玫胶愎β侍匦?，適用于主軸驅(qū)動的高速段，不適合于進(jìn)給驅(qū)動。改變電樞電路的電阻Ra。該方法得到的機(jī)械特性較軟，不能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，也不適合于數(shù)控機(jī)床。54G控制極K 陰極G陽極 AP1P2N1N2四 層 半 導(dǎo) 體 晶閘管是具有三個PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu), 其外形、結(jié)構(gòu)及符號如圖。(b) 結(jié)構(gòu)K GA(a) 符號三 個PN 結(jié)晶閘管的結(jié)構(gòu)與符號55晶閘管導(dǎo)通的條件： 1. 晶閘管陽極電路(陽極與陰極之間)施加正向電壓。 2. 晶閘管控制

25、電路(控制極與陰極之間)加正向電壓或正向脈沖(正向觸發(fā)電壓)。 晶閘管導(dǎo)通后，控制極便失去作用。 依靠正反饋，晶閘管仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。晶閘管關(guān)斷的條件：1. 必須使可控硅陽極電流減小,直到正反饋效應(yīng)不能維持。2. 將陽極電源斷開或者在晶閘管的陽極和陰極間加反相電壓。晶閘管的特性小結(jié)56將交流電轉(zhuǎn)換成直流電的變換稱為整流。所謂可控整流是指整流輸出的直流電壓是可控制的。將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，這種對應(yīng)于整流的逆向過程稱為逆變。由此產(chǎn)生整流器、逆變器以及既能實(shí)現(xiàn)整流又能實(shí)現(xiàn)逆變的變換器。 二、晶閘管可控整流電路57單相半波可控整流電路u2為變壓器二次側(cè)電壓。ug為觸發(fā)脈沖。ud為輸出給負(fù)載的電壓，由于

26、是阻性負(fù)載，電流與電壓波形一致。uVT為晶閘管兩端電壓。從晶閘管承受正壓起到觸發(fā)導(dǎo)通之間的電角度稱為觸發(fā)角a而晶閘管在一個周期內(nèi)導(dǎo)通的電角度稱為導(dǎo)通角。改變a的大小，即改變觸發(fā)脈沖到來時刻稱為移相。58單相橋式全控整流電路單相橋式整流電路與單相半波整流電路相比，橋式整流把電源電壓的負(fù)半波也利用起來了，使輸出電壓在一個電源周期中由原來的只有一個脈波變成了有二個脈波，改善了波形，提高了輸出。591. 晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)三相全控橋式整流電路作為直流速度控制單元的主電路。兩組正負(fù)對接的晶閘管，一組用于提供正向電壓，供電機(jī)正轉(zhuǎn)。一組提供反向電壓，供電機(jī)反轉(zhuǎn)。通過對12個晶閘管觸發(fā)延遲角的控制，達(dá)到控制電

27、機(jī)電樞電壓，從而對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。60晶體管直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng) 自從全控型電力電子器件問世以后， 就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制（PWM） 的高頻開關(guān)控制方式; 將PWM應(yīng)用于直流調(diào)速，形成直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。 PWM變換器的作用是： 用PWM調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓， 調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列， 從而可以改變平均輸出電壓的大小， 以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。概述61（1）PWM系統(tǒng)的組成及工作原理脈寬調(diào)制：使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，調(diào)整開關(guān)周期內(nèi)的晶體管導(dǎo)通時間的辦法來改變輸出，從而使得電機(jī)電樞兩端獲得寬度隨時間變化的給定頻率的電壓脈沖。脈寬連續(xù)變化，使得

28、電樞電壓平均值連續(xù)變化，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速連續(xù)變化。62SPWM技術(shù)（Sinusodal Pulse Width Modulation）用直流電壓信號去調(diào)制三角波信號，得到一個脈沖序列。占空比由直流電壓幅值決定。63為全控型器件 若為晶閘管，須有輔助關(guān)斷電路。續(xù)流二極管1. PWM變換器64tttOOOTEuGEtontoffi0i1i2I10I20t1u0t2降壓斬波電路的原理圖及波形t=0時刻驅(qū)動V導(dǎo)通， 電源E向負(fù)載供電， 負(fù)載電壓uo=E， 負(fù)載電流io 按指數(shù)曲線上升。t=t1時控制V關(guān)斷， 二極管VD續(xù)流， 負(fù)載電壓uo近似為零， 負(fù)載電流 呈指數(shù)曲線下降。串大電感L使負(fù)載 電流連續(xù)

29、且脈動小。65tttOOOTEuGEtontoffi0i1i2I10I20t1u0t2降壓斬波電路的原理圖及波形負(fù)載電壓平均值ton V通的時間toff V斷的時間 導(dǎo)通占空比負(fù)載電流平均值66tttOOOTEuGEtontoffi0i1i2I10I20t1u0t2降壓斬波電路的原理圖及波形斬波電路改變占空比的方式三種方式 T不變，變ton 脈沖寬度調(diào)制(PWM ) ton不變，變T 頻率調(diào)制 ton和T都可調(diào)混合型672. 橋式可逆PWM變換器H形主電路結(jié)構(gòu)1324+UsVD1VD2VD3VD4ABM+MVT1VT2Ug1Ug2Ug4VT4VT3Ug3正向電動狀態(tài)“1” VT1 、VT4 導(dǎo)

30、通“2” VD2、VD3 續(xù)流反向電動狀態(tài)“3” VT2、VT3 導(dǎo)通“4” VD1、VD4 續(xù)流68反向電動狀態(tài)的電壓和電流波形正向電動狀態(tài)的電壓和電流波形U, iUdEid+UsttonT0-Us12121212VT1 VT4VD2 VD3U, iUdEid+UsttonT0-Us34343434VT2 VT3VD1 VD4H形主電路波形69直流伺服電機(jī)存在如下缺點(diǎn)： 它的電樞繞組在轉(zhuǎn)子上不利于散熱；由于繞組在轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)子慣量較大，不利于高速響應(yīng)；電刷和換向器易磨損需要經(jīng)常維護(hù)、限制電機(jī)速度、換向時會產(chǎn)生電火花限制了它的應(yīng)用環(huán)境。如果能將電刷和換向器去掉，再把電樞繞組移到定子上，就可克服這

31、些缺點(diǎn)。交流伺服電機(jī)就是這種結(jié)構(gòu)的電機(jī)。交流伺服電機(jī)有兩類： 同步電機(jī) 和 感應(yīng)電機(jī) 703.4 交流伺服電機(jī)與速度控制3.4.1 交流伺服電機(jī)1. 交流伺服電機(jī)的類型永磁式交流伺服電機(jī)和感應(yīng)式交流伺服電機(jī)共同點(diǎn)：工作原理均由定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場使得轉(zhuǎn)子跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場一起運(yùn)轉(zhuǎn)。不同點(diǎn)：永磁式伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與外加交流電源的頻率存在著嚴(yán)格的同步關(guān)系，即電機(jī)的轉(zhuǎn)速等于旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速；而感應(yīng)式伺服電機(jī)由于需要轉(zhuǎn)速差才能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，因此，電機(jī)的轉(zhuǎn)速低于磁場同步轉(zhuǎn)速，負(fù)載越大，轉(zhuǎn)速差越大。711. 分類722. 永磁交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理電機(jī)結(jié)構(gòu)：由定子、轉(zhuǎn)子和檢測元件組成，其中1定子；2轉(zhuǎn)子

32、；3壓板；4定子三相繞組；5脈沖編碼器；6接線盒。工作原理：定子三相繞組接上電源后，產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速n0旋轉(zhuǎn)；定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的永久磁鐵磁極相互吸引，并帶動轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速n0一起旋轉(zhuǎn)；當(dāng)轉(zhuǎn)子軸上加有負(fù)載轉(zhuǎn)矩后，造成定子磁場軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線不重合，相差一個角，負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時角也發(fā)生變化。只要不超過一定限度，轉(zhuǎn)子始終跟隨定子的旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速n0旋轉(zhuǎn)。73永磁同步電機(jī)（ PMSM ） （Permanent Magnet Synchronous Motor ） 1、結(jié)構(gòu)和工作原理74主要由定子、轉(zhuǎn)子及測量轉(zhuǎn)子位置的傳感器構(gòu)成。定子和一般的三相感應(yīng)電機(jī)類似，采用三相對稱

33、繞組結(jié)構(gòu)，它們的軸線在空間彼此相差120度。轉(zhuǎn)子上貼有磁性體，一般有兩對以上的磁極。位置傳感器一般為光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器 。75當(dāng)定子三相繞組接通對稱三相電源后，流過繞組的電流在定轉(zhuǎn)子氣隙中建立起旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速為: 式中f 電源頻率； p定子極對數(shù)。即磁場的轉(zhuǎn)速正比于電源頻率，反比于定子的極對數(shù)；磁場的旋轉(zhuǎn)方向取決于繞組電流的相序。76(1) 原理: 勵磁繞組WF接到電壓為的交流電網(wǎng)上，控制繞組接到控制電壓上，當(dāng)有控制信號輸入時，兩相繞組便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。該磁場與轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子跟著旋轉(zhuǎn)磁場以一定的轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)動起來，其旋轉(zhuǎn)速度為式中，f為交流電源頻率(Hz)；p為磁極對

34、數(shù)； n0為電動機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速(r/min)；s為轉(zhuǎn)差率 。 二、交流異步伺服電機(jī)77由于電磁感應(yīng)作用，閉合的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流。這個電流產(chǎn)生的磁場和定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而使轉(zhuǎn)子“跟著”定子磁場旋轉(zhuǎn)起來，其轉(zhuǎn)速為n。n總是低于ns（異步），否則就不會通過切割磁力線的作用在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流。 783.4.2 交流進(jìn)給速度控制單元交流伺服電機(jī)調(diào)速原理 同步型交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速：n=n0=60f/p; 異步型交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速：n=(60f/p)（1-s）.電機(jī)調(diào)速的三種方法：（1）改變磁極對數(shù)P：有級調(diào)速方法，通過對定子繞組接線的切換而改變磁極對數(shù)來實(shí)現(xiàn)。（2）改

35、變轉(zhuǎn)差率s：只適合于異步型交流電機(jī)的調(diào)速。（3）變頻調(diào)速：通過改變電機(jī)電源的頻率f而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。79 調(diào)頻調(diào)壓電源的分類可控硅整流器逆變器整流器逆變器電壓型變頻器方案示意圖80 三、交流電機(jī)的變頻調(diào)速變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是能為交流電機(jī)提供變頻電源的變頻器。變頻器的功用將頻率固定（電網(wǎng)頻率為50Hz）的交流電，變換成頻率連續(xù)可調(diào)（0400Hz）的交流電。變頻器可分為 交-直-交變頻器 交-交變頻器 81 電壓型變頻器工作原理LdUdT3T4T5T3T1T2CdUVWABC結(jié)論：變頻器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)壓的關(guān)鍵是逆變器控制端獲得要求控制波形（如SPWM波）。822. SPWM變頻調(diào)速 （1）SPWM調(diào)制

36、原理 （2）SPWM變頻器的功率放大電路 （3）SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)速度給定器：給定信號，控制頻率、電壓及正反轉(zhuǎn)。平穩(wěn)啟動回路：使啟動加、減速時間可隨機(jī)械負(fù)載設(shè)定，以達(dá)到軟啟動的目的。函數(shù)發(fā)生器：在輸出低頻信號時保持電機(jī)氣隙磁通一定，補(bǔ)償定子電壓降的影響。8384電壓頻率變壓器：將電壓轉(zhuǎn)換為頻率，經(jīng)分頻器、環(huán)形計數(shù)器產(chǎn)生方波，和經(jīng)三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波一起送入調(diào)制回路。電壓調(diào)節(jié)器：產(chǎn)生頻率和幅度可調(diào)的控制正弦波，送入調(diào)制回路，送入調(diào)制回路，在調(diào)制回路中進(jìn)行SPWM變換，產(chǎn)生三相的脈沖寬度調(diào)制信號。在基極回路中輸出信號至功率晶體管基極，即對SPWM的主回路進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對永磁交流伺服電機(jī)的變頻

37、調(diào)速。電流檢測器：過載保護(hù)。85SPWM技術(shù)（Sinusodal Pulse Width Modulation）用直流電壓信號去調(diào)制三角波信號，得到一個脈沖序列。占空比由直流電壓幅值決定。86用正弦波信號去調(diào)制三角波信號，會得到一個占空比按正弦規(guī)律變化的脈沖序列。脈沖的頻率由三角波頻率決定，脈沖的占空比由電壓幅值決定。脈沖序列可能包含各次諧波的頻譜成份，但其基波由調(diào)制波決定87887.5 直線電機(jī)伺服系統(tǒng)與傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中的“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)滾珠絲杠”不同，直線電機(jī)直接驅(qū)動機(jī)床工作臺，取消驅(qū)動電機(jī)和工作臺之間的一切中間傳動環(huán)節(jié)。7.5.1 直線電機(jī)分為交流和直流兩種，交流直線電機(jī)又分為感應(yīng)異

38、步式和永磁同步式。直線電機(jī)相當(dāng)于把旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿過軸線的平面剖開，并將定子、轉(zhuǎn)子圓周展開為平面和進(jìn)行一些演變形成。89感應(yīng)異步式直線電機(jī)演變過程90永磁同步式直線電機(jī)演變過程912. 直線電機(jī)的工作原理基本原理：利用電磁作用將電能轉(zhuǎn)換為動能。（1）感應(yīng)異步式直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理（2）永磁同步式直線電機(jī)工作原理3. 直線電機(jī)的特點(diǎn)調(diào)節(jié)速度方便。加速度大，響應(yīng)快。定位精度和跟蹤精度高。行程不受限制。927.5.2 直線電機(jī)伺服系統(tǒng)由執(zhí)行器、控制器和位置檢測裝置組成。執(zhí)行器：直線電機(jī)本體?？刂破鳎河蒀NC控制器和DDS數(shù)值控制模塊組成。位置檢測裝置：光柵、感應(yīng)同步尺等。93直線電機(jī)進(jìn)給控制系統(tǒng)雙環(huán)系

39、統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)。位置環(huán)：接收來自光柵尺的位置反饋信號及插補(bǔ)信號的比較信號，來控制速度環(huán)的指令速度，從而調(diào)節(jié)執(zhí)行件的位置始終與指令位置保持一致。速度環(huán)：根據(jù)位置環(huán)的指令速度快速而準(zhǔn)確控制電機(jī)，使得其不受負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小和方向的影響，并快速跟蹤指令速度的變化。947.5.3 直線電機(jī)對控制質(zhì)量的影響1. 路徑生成問題三個方面：加加速度、插補(bǔ)和對加工程序段的預(yù)處理。2. 直線電機(jī)對負(fù)載剛性的影響三個因素：速度控制環(huán)比例增益、積分時間和在沒有前饋控制情況下的位置控制環(huán)比例增益。3. 影響定位時間的因素四個因素：最大加速度、速度、加加速度和位置控制進(jìn)給前饋實(shí)際增益。4. 影響加工路徑精度的因

40、素三個因素：路徑生成最大加速度和位置控制進(jìn)給前饋實(shí)際增益。957.6 伺服系統(tǒng)的位置控制7.6.1 數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)將指令脈沖F與反饋脈沖Pf進(jìn)行比較，決定位置偏差e，再將位置偏差e放大后輸出給速度控制單元和電機(jī)執(zhí)行，以減少和消除位置偏差。半閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測元件多采用光電編碼器；閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測元件多采用光柵。工作過程：當(dāng)指令脈沖為正而反饋脈沖為負(fù)時，計數(shù)器作加法運(yùn)算；當(dāng)指令脈沖為負(fù)而反饋脈沖為正時，計數(shù)器作減法運(yùn)算。計數(shù)器的計算結(jié)果：當(dāng)eFPf0時，工作臺正向移動；當(dāng)eFPf0時，工作臺反向運(yùn)動；當(dāng)eFPf0時，工作臺靜止。96半閉環(huán)數(shù)值比較系統(tǒng)結(jié)構(gòu)977.6.2 相位比較伺服系統(tǒng)常用檢測元件是旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器。脈沖調(diào)相器（數(shù)字相位變化器）：