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第六章数控机床的伺服驱动系统第1页，共48页，编辑于2022年，星期三6.1 概述概述6.1.1 数控机床伺服系统的概念及组成数控机床伺服系统的概念及组成 伺服驱动系统是数控装置和机床的联系环节。数控装置发出伺服驱动系统是数控装置和机床的联系环节。数控装置发出伺服驱动系统是数控装置和机床的联系环节。数控装置发出伺服驱动系统是数控装置和机床的联系环节。数控装置发出的控制信息，通过伺服驱动系统转换成坐标轴的运动，完成程的控制信息，通过伺服驱动系统转换成坐标轴的运动，完成程的控制信息，通过伺服驱动系统转换成坐标轴的运动，完成程的控制信息，通过伺服驱动系统转换成坐标轴的运动，完成程序所规定的操作。伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统或序所规定的操作。伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统或序所规定的操作。伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统或序所规定的操作。伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统或伺服单元。伺服单元。伺服单元。伺服单元。分类分类分类分类 按驱动方式：液压伺服系统，气压伺服系统，电气伺服系统按驱动方式：液压伺服系统，气压伺服系统，电气伺服系统按驱动方式：液压伺服系统，气压伺服系统，电气伺服系统按驱动方式：液压伺服系统，气压伺服系统，电气伺服系统 按执行元件的类别：步进电动机伺服系统，直流电动机伺服系统，按执行元件的类别：步进电动机伺服系统，直流电动机伺服系统，按执行元件的类别：步进电动机伺服系统，直流电动机伺服系统，按执行元件的类别：步进电动机伺服系统，直流电动机伺服系统，交流电动机伺服系统交流电动机伺服系统交流电动机伺服系统交流电动机伺服系统第2页，共48页，编辑于2022年，星期三 按按按按有无反馈检测元件有无反馈检测元件有无反馈检测元件有无反馈检测元件：开环伺服系统，闭环伺服系统，半闭：开环伺服系统，闭环伺服系统，半闭：开环伺服系统，闭环伺服系统，半闭：开环伺服系统，闭环伺服系统，半闭环伺服系统环伺服系统环伺服系统环伺服系统 按被控量的性质：位置伺服系统，速度伺服系统按被控量的性质：位置伺服系统，速度伺服系统按被控量的性质：位置伺服系统，速度伺服系统按被控量的性质：位置伺服系统，速度伺服系统位置控制调节器位置控制调节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈单元检测与反馈单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际位实际位置反馈置反馈实际速实际速度反馈度反馈 闭环伺服系统结构图闭环伺服系统结构图闭环伺服系统结构图闭环伺服系统结构图第3页，共48页，编辑于2022年，星期三位置控制模块速度控制单元伺服电机 工作台 位置检测测量反馈伺服驱动装置速度环速度检测位置环 数控机床闭环进给系统的一般结构如图，这是一个数控机床闭环进给系统的一般结构如图，这是一个数控机床闭环进给系统的一般结构如图，这是一个数控机床闭环进给系统的一般结构如图，这是一个双闭环系统双闭环系统双闭环系统双闭环系统，内环为速度环，外，内环为速度环，外，内环为速度环，外，内环为速度环，外环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速度控制单元是环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速度控制单元是环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速度控制单元是环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速度控制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度控制系统的核心。速一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度控制系统的核心。速一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度控制系统的核心。速一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度控制系统的核心。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由CNCCNC装置中的位置控制模装置中的位置控制模装置中的位置控制模装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。第4页，共48页，编辑于2022年，星期三6.1.2 数控机床对伺服系统的基本要求数控机床对伺服系统的基本要求（1 1）高精度）高精度）高精度）高精度 一般要求定位精度为一般要求定位精度为一般要求定位精度为一般要求定位精度为0.010.001mm0.010.001mm；高档设备的定位精度要求达到高档设备的定位精度要求达到高档设备的定位精度要求达到高档设备的定位精度要求达到0.1um0.1um以上。以上。以上。以上。（2 2）动态响应速度快：动态响应速度是伺服系统动态品质的重）动态响应速度快：动态响应速度是伺服系统动态品质的重）动态响应速度快：动态响应速度是伺服系统动态品质的重）动态响应速度快：动态响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，反映了系统的跟踪精度。要指标，反映了系统的跟踪精度。要指标，反映了系统的跟踪精度。要指标，反映了系统的跟踪精度。（3 3）调速范围宽）调速范围宽）调速范围宽）调速范围宽:调速范围指的是调速范围指的是调速范围指的是调速范围指的是:R:RN N=n=nmaxmax/n/nminmin 。进给伺服系统进给伺服系统进给伺服系统进给伺服系统:一般要求一般要求一般要求一般要求030m/min030m/min，有的已达到，有的已达到，有的已达到，有的已达到240m/min240m/min 主轴伺服系统主轴伺服系统主轴伺服系统主轴伺服系统:要求要求要求要求1:1001:10001:1001:1000恒转矩调速恒转矩调速恒转矩调速恒转矩调速 1:10 1:10以上的恒功率调速以上的恒功率调速以上的恒功率调速以上的恒功率调速第5页，共48页，编辑于2022年，星期三（4 4）良好的稳定性）良好的稳定性）良好的稳定性）良好的稳定性 稳定性是指系统在给定输入作用下，经过短时间的调节稳定性是指系统在给定输入作用下，经过短时间的调节稳定性是指系统在给定输入作用下，经过短时间的调节稳定性是指系统在给定输入作用下，经过短时间的调节后达到新的平衡状态；或在外界干扰作用下，经过短时间的后达到新的平衡状态；或在外界干扰作用下，经过短时间的后达到新的平衡状态；或在外界干扰作用下，经过短时间的后达到新的平衡状态；或在外界干扰作用下，经过短时间的调节后重新恢复到原来平衡状态的能力。调节后重新恢复到原来平衡状态的能力。调节后重新恢复到原来平衡状态的能力。调节后重新恢复到原来平衡状态的能力。稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度，为了保稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度，为了保稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度，为了保稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度，为了保证切削加工的稳定均匀，数控机床的伺服系统应具有良好的证切削加工的稳定均匀，数控机床的伺服系统应具有良好的证切削加工的稳定均匀，数控机床的伺服系统应具有良好的证切削加工的稳定均匀，数控机床的伺服系统应具有良好的抗干扰能力，以保证进给速度的均匀、平稳。抗干扰能力，以保证进给速度的均匀、平稳。抗干扰能力，以保证进给速度的均匀、平稳。抗干扰能力，以保证进给速度的均匀、平稳。（5 5）高性能电动机动）高性能电动机动）高性能电动机动）高性能电动机动 1 1）调速平滑运转，转矩波动小；）调速平滑运转，转矩波动小；）调速平滑运转，转矩波动小；）调速平滑运转，转矩波动小；2 2）具有大的、长时间的过载能力；）具有大的、长时间的过载能力；）具有大的、长时间的过载能力；）具有大的、长时间的过载能力；3 3）能在较短速度内达到规定的速度。）能在较短速度内达到规定的速度。）能在较短速度内达到规定的速度。）能在较短速度内达到规定的速度。第6页，共48页，编辑于2022年，星期三6.1.3 位置控制系统和速度控制系统的主要指标位置控制系统和速度控制系统的主要指标（一）位置控制系统的主要指标（一）位置控制系统的主要指标（一）位置控制系统的主要指标（一）位置控制系统的主要指标 1 1）系统静态误差）系统静态误差）系统静态误差）系统静态误差 2 2）速度误差）速度误差）速度误差）速度误差e ev v和正炫跟踪误差和正炫跟踪误差和正炫跟踪误差和正炫跟踪误差e esinsin 3 3）速度品质因数）速度品质因数）速度品质因数）速度品质因数KKv v和速度品质因数和速度品质因数和速度品质因数和速度品质因数KKa a 4 4）最大跟踪角速度）最大跟踪角速度）最大跟踪角速度）最大跟踪角速度maxmax（或线速度（或线速度（或线速度（或线速度maxmax ）、最低平滑角速度）、最低平滑角速度）、最低平滑角速度）、最低平滑角速度minmin（或线速度（或线速度（或线速度（或线速度minmin）、最大角加速度）、最大角加速度）、最大角加速度）、最大角加速度maxmax（或线加速度（或线加速度（或线加速度（或线加速度maxmax）5 5）振幅指标）振幅指标）振幅指标）振幅指标MM和频带宽度和频带宽度和频带宽度和频带宽度b b 6 6）系统对阶跃信号输入的响应特性）系统对阶跃信号输入的响应特性）系统对阶跃信号输入的响应特性）系统对阶跃信号输入的响应特性 7 7）等待跟踪状态下，负载扰动所造成的瞬时误差和过渡）等待跟踪状态下，负载扰动所造成的瞬时误差和过渡）等待跟踪状态下，负载扰动所造成的瞬时误差和过渡）等待跟踪状态下，负载扰动所造成的瞬时误差和过渡过程时间过程时间过程时间过程时间第7页，共48页，编辑于2022年，星期三（二）速度控制系统的主要指标（二）速度控制系统的主要指标（二）速度控制系统的主要指标（二）速度控制系统的主要指标 1 1）被控对象的最高运行速度）被控对象的最高运行速度）被控对象的最高运行速度）被控对象的最高运行速度 2 2）最低平滑速度）最低平滑速度）最低平滑速度）最低平滑速度 3 3）速度调节的连续性和平滑性要求）速度调节的连续性和平滑性要求）速度调节的连续性和平滑性要求）速度调节的连续性和平滑性要求 4 4）静差率）静差率）静差率）静差率s s或转速降或转速降或转速降或转速降n n（或（或（或（或、v v v v ）5 5）对阶跃信号输入下系统的响应特性）对阶跃信号输入下系统的响应特性）对阶跃信号输入下系统的响应特性）对阶跃信号输入下系统的响应特性 6 6）负载扰动下的系统响应特性）负载扰动下的系统响应特性）负载扰动下的系统响应特性）负载扰动下的系统响应特性 7 7）对系统工作制、平均无故障工作时间、可靠性以及使用寿）对系统工作制、平均无故障工作时间、可靠性以及使用寿）对系统工作制、平均无故障工作时间、可靠性以及使用寿）对系统工作制、平均无故障工作时间、可靠性以及使用寿命等的要求命等的要求命等的要求命等的要求第8页，共48页，编辑于2022年，星期三6.2 步进电动机伺服系统步进电动机伺服系统一、步进电机工作原理一、步进电机工作原理一、步进电机工作原理一、步进电机工作原理 步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系统中，步进电机步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系统中，步进电机步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系统中，步进电机步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系统中，步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序来决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。的各相通电顺序来决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。的各相通电顺序来决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。的各相通电顺序来决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。但由于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定，速度但由于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定，速度但由于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定，速度但由于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制。也受到步进电机性能的限制。也受到步进电机性能的限制。也受到步进电机性能的限制。第9页，共48页，编辑于2022年，星期三 工作台工作台驱驱 动动 控控 制制线路线路指令脉冲指令脉冲步进电机步进电机齿轮箱齿轮箱 开环伺服系统简图开环伺服系统简图开环伺服系统简图开环伺服系统简图第10页，共48页，编辑于2022年，星期三步进电机在结构上分为定子和转子两部分。步进电机在结构上分为定子和转子两部分。步进电机在结构上分为定子和转子两部分。步进电机在结构上分为定子和转子两部分。有永磁式有永磁式有永磁式有永磁式(PM,permanent magnet)(PM,permanent magnet)，磁阻式，磁阻式，磁阻式，磁阻式(VR,variable(VR,variable reluctance)reluctance)和混合式和混合式和混合式和混合式(HB,hybrid)(HB,hybrid)等。等。等。等。定子上有六个磁极，每个磁极上绕有励磁绕组，定子上有六个磁极，每个磁极上绕有励磁绕组，定子上有六个磁极，每个磁极上绕有励磁绕组，定子上有六个磁极，每个磁极上绕有励磁绕组，每相对的两个磁极组成一相，分成每相对的两个磁极组成一相，分成每相对的两个磁极组成一相，分成每相对的两个磁极组成一相，分成A A、B B、C C三相。转三相。转三相。转三相。转子无绕组，它是由带齿的铁心做成的。步进电机是按子无绕组，它是由带齿的铁心做成的。步进电机是按子无绕组，它是由带齿的铁心做成的。步进电机是按子无绕组，它是由带齿的铁心做成的。步进电机是按电磁吸引的原理进行工作的。当定子绕组按顺序轮流电磁吸引的原理进行工作的。当定子绕组按顺序轮流电磁吸引的原理进行工作的。当定子绕组按顺序轮流电磁吸引的原理进行工作的。当定子绕组按顺序轮流通电时，通电时，通电时，通电时，A A、B B、C C三对磁极就依次产生磁场，并三对磁极就依次产生磁场，并三对磁极就依次产生磁场，并三对磁极就依次产生磁场，并每次对转子的某一对齿产生电磁引力，将其吸每次对转子的某一对齿产生电磁引力，将其吸每次对转子的某一对齿产生电磁引力，将其吸每次对转子的某一对齿产生电磁引力，将其吸引过来，而使转子一步步转动。每当转子某一引过来，而使转子一步步转动。每当转子某一引过来，而使转子一步步转动。每当转子某一引过来，而使转子一步步转动。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零。如果控制线路不停地按一定最小，转矩为零。如果控制线路不停地按一定最小，转矩为零。如果控制线路不停地按一定最小，转矩为零。如果控制线路不停地按一定方向切换定子绕组各相电流，转子便按一定方方向切换定子绕组各相电流，转子便按一定方方向切换定子绕组各相电流，转子便按一定方方向切换定子绕组各相电流，转子便按一定方向不停地转动。步进电机每次转过的角度称为向不停地转动。步进电机每次转过的角度称为向不停地转动。步进电机每次转过的角度称为向不停地转动。步进电机每次转过的角度称为步距角。步距角。步距角。步距角。三相反应式步进电机结构三相反应式步进电机结构三相反应式步进电机结构三相反应式步进电机结构第11页，共48页，编辑于2022年，星期三1 1）三相单三拍）三相单三拍）三相单三拍）三相单三拍 A-B-CA-B-CAABBCC1234AABBCC1234AABBCC1234逆时针转30逆时针转30逆时针转30第12页，共48页，编辑于2022年，星期三 以上图为例来说明其转动的整个过程，假设转子上有四个齿，相邻两齿间以上图为例来说明其转动的整个过程，假设转子上有四个齿，相邻两齿间以上图为例来说明其转动的整个过程，假设转子上有四个齿，相邻两齿间以上图为例来说明其转动的整个过程，假设转子上有四个齿，相邻两齿间夹角（齿距角）为夹角（齿距角）为夹角（齿距角）为夹角（齿距角）为9090。当。当。当。当A A相通电时，转子相通电时，转子相通电时，转子相通电时，转子1 1、3 3齿被磁极齿被磁极齿被磁极齿被磁极A A产生的电磁引力吸引过产生的电磁引力吸引过产生的电磁引力吸引过产生的电磁引力吸引过去，使去，使去，使去，使1 1、3 3齿与齿与齿与齿与A A相磁极对齐。接着相磁极对齐。接着相磁极对齐。接着相磁极对齐。接着B B相通电，相通电，相通电，相通电，A A相断电，磁极相断电，磁极相断电，磁极相断电，磁极B B又把距它最近的一又把距它最近的一又把距它最近的一又把距它最近的一对齿对齿对齿对齿2 2、4 4吸引过来，使转子按逆时针方向转动吸引过来，使转子按逆时针方向转动吸引过来，使转子按逆时针方向转动吸引过来，使转子按逆时针方向转动3030。然后。然后。然后。然后C C相通电，相通电，相通电，相通电，B B相断电，转子相断电，转子相断电，转子相断电，转子又逆时针旋转又逆时针旋转又逆时针旋转又逆时针旋转3030，依次类推，定子按，依次类推，定子按，依次类推，定子按，依次类推，定子按ABCAABCA顺序通电，转子就一步步地顺序通电，转子就一步步地顺序通电，转子就一步步地顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步转按逆时针方向转动，每步转按逆时针方向转动，每步转按逆时针方向转动，每步转3030。若改变通电顺序，按。若改变通电顺序，按。若改变通电顺序，按。若改变通电顺序，按ACBAACBA使定子绕组使定子绕组使定子绕组使定子绕组通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转3030。这种控制方式叫三相单三拍方式，这种控制方式叫三相单三拍方式，这种控制方式叫三相单三拍方式，这种控制方式叫三相单三拍方式，“单单单单”是指每次只有一相绕组通电，是指每次只有一相绕组通电，是指每次只有一相绕组通电，是指每次只有一相绕组通电，“三拍三拍三拍三拍”是指每三次换接为一个循环。由于每次只有一相绕组通电，在切换瞬间是指每三次换接为一个循环。由于每次只有一相绕组通电，在切换瞬间是指每三次换接为一个循环。由于每次只有一相绕组通电，在切换瞬间是指每三次换接为一个循环。由于每次只有一相绕组通电，在切换瞬间将失去自锁转矩，容易失步，另外，只有一相绕组通电，易在平衡位置附近产将失去自锁转矩，容易失步，另外，只有一相绕组通电，易在平衡位置附近产将失去自锁转矩，容易失步，另外，只有一相绕组通电，易在平衡位置附近产将失去自锁转矩，容易失步，另外，只有一相绕组通电，易在平衡位置附近产生振荡，稳定性不佳，故实际应用中不采用单三拍工作方式。生振荡，稳定性不佳，故实际应用中不采用单三拍工作方式。生振荡，稳定性不佳，故实际应用中不采用单三拍工作方式。生振荡，稳定性不佳，故实际应用中不采用单三拍工作方式。第13页，共48页，编辑于2022年，星期三 采用三相双三拍控制方式，即通电顺序按采用三相双三拍控制方式，即通电顺序按采用三相双三拍控制方式，即通电顺序按采用三相双三拍控制方式，即通电顺序按ABBCCAABABBCCAAB（逆时针方向）或（逆时针方向）或（逆时针方向）或（逆时针方向）或ACCBBAACACCBBAAC（顺时针方向）进行，其步距角仍为（顺时针方向）进行，其步距角仍为（顺时针方向）进行，其步距角仍为（顺时针方向）进行，其步距角仍为3030。由于双三拍控制。由于双三拍控制。由于双三拍控制。由于双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作比较稳定。每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作比较稳定。每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作比较稳定。每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作比较稳定。如果按如果按如果按如果按AABBBCCCAAAABBBCCCAA顺序通电，即首先顺序通电，即首先顺序通电，即首先顺序通电，即首先A A相通电，然后相通电，然后相通电，然后相通电，然后A A相不相不相不相不断电，断电，断电，断电，B B相再通电，即相再通电，即相再通电，即相再通电，即A A、B B两相同时通电，接着两相同时通电，接着两相同时通电，接着两相同时通电，接着A A相断电而相断电而相断电而相断电而B B相保持通电状态，然相保持通电状态，然相保持通电状态，然相保持通电状态，然后再使后再使后再使后再使B B、C C两相通电，依次类推，每切换一次，步进电机逆时针转过两相通电，依次类推，每切换一次，步进电机逆时针转过两相通电，依次类推，每切换一次，步进电机逆时针转过两相通电，依次类推，每切换一次，步进电机逆时针转过1515。如通电。如通电。如通电。如通电顺序改为顺序改为顺序改为顺序改为AACCCBBBAAAACCCBBBAA，则步进电机以步距角，则步进电机以步距角，则步进电机以步距角，则步进电机以步距角1515顺时针旋转。顺时针旋转。顺时针旋转。顺时针旋转。这种控制方式为三相六拍，它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度这种控制方式为三相六拍，它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度这种控制方式为三相六拍，它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度这种控制方式为三相六拍，它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且转换过程中始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被更高，且转换过程中始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被更高，且转换过程中始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被更高，且转换过程中始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被大量采用。大量采用。大量采用。大量采用。第14页，共48页，编辑于2022年，星期三2 2）三相六拍）三相六拍）三相六拍）三相六拍 A-AB-B-BC-C-CAA-AB-B-BC-C-CA3 3）三相双拍）三相双拍）三相双拍）三相双拍 AB-BC-CAAB-BC-CA第15页，共48页，编辑于2022年，星期三实际应用的步进电机如图所示，实际应用的步进电机如图所示，实际应用的步进电机如图所示，实际应用的步进电机如图所示，转子铁心和定子磁极上均有齿距转子铁心和定子磁极上均有齿距转子铁心和定子磁极上均有齿距转子铁心和定子磁极上均有齿距相等的小齿，且齿数要有一定比相等的小齿，且齿数要有一定比相等的小齿，且齿数要有一定比相等的小齿，且齿数要有一定比例的配合。例的配合。例的配合。例的配合。第16页，共48页，编辑于2022年，星期三二、二、步进电机的主要性能指标步进电机的主要性能指标1.步距角和步距误差反应式步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下：(6-14)式中步进电机的步距角；,s步进电机的基本步距角；m电机相数；Z转子齿数；K系数，相邻两次通电相数相同，K1；相邻两次通电相数不同，K2。同一相数的步进电机可有两种步距角，通常为1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。步距误差是指步进电机运行时，转子每一步实际转第17页，共48页，编辑于2022年，星期三过的角度与理论步距角之差值。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。由于步进电机转过一转后，将重复上一转的稳定位置，即步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。2.静态转矩与矩角特性 当步进电机上某相定子绕组通电之后，转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（0）。如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度，角度称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角的关系叫矩角特性，如下图所示，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（0）。第18页，共48页，编辑于2022年，星期三最大静转矩最大静转矩（保持转矩）：通电时能够维持静止状态的最大转矩。静态矩角特性静态矩角特性静态矩角特性静态矩角特性第19页，共48页，编辑于2022年，星期三3.最大启动转矩Mq如下图为三相单三拍矩角特性曲线，图中的A、B分别是相邻A相和B相的静态矩角特性曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电机的最大启动转矩Mq。如果外加负载转矩大于Mq，电机就不能启动。如图6-7所示,当A相通电时，若外加负载转矩MaMq，对应的失调角为a，当励磁电流由A相切换到B相时，对应角，B相的静转矩为b。从图中看出Mbf2f3f4f2f3恒Tm调速特性曲线第34页，共48页，编辑于2022年，星期三3.恒功率调速为了扩大调速范围，可以在额定频率以上进行调速。因电机绕组是按额定电压等级设计的，超过额定电压运行将受到绕组绝缘强度的限制，因此定子电压不可能与频率成正比地提高。若频率上升，额定电压不变，那么气隙磁通m将随着f1的升高而降低。这时，相当于额定电流时的转矩也减小，特性变软。如图6-20所示，随着频率增加，转矩减少，而转速增加，可得近似恒功率的调速特性。nTf4f1f1f2f3f4f2f3恒功率调速特性曲线第35页，共48页，编辑于2022年，星期三6.3.3交流感应电机矢量控制原理矢量控制理论是在1971年由德国学者F.Blachke提出的。在伺服系统中，直流伺服电机能获得优良的动态与静态性能，其根本原因是被控制只有电机磁通和电枢电流Ia，且这两个量是独立的。此外，电磁转矩（Tm=KTIa）与磁通和电枢电流Ia分别成正比关系。因此，控制简单，性能为线性。如果能够模拟直流电机，求出交流电机与之对应的磁场与电枢电流，分别而独立地加以控制，就会使交流电机具有与直流电机近似的优良特性。为此，必须将三相交变量（矢量）转换为与之等效的直流量（标量），建立起交流电机的等效模型，然后按直流电机的控制方法对其进行控制。第36页，共48页，编辑于2022年，星期三如下图a所示三相异步交流电机在空间上产生一个角速度为0的旋转磁场。如果用图b中的两套空间相差900的绕组和来代替，并通以两相在时间上相差900的交流电流，使其也产生角速度为0的旋转磁场，则可以认为图a和图b中的两套绕组是等效的。若给图c所示模型上两个互相垂直绕组d和q，分别通以直流电流id和iq，则将产生位置固定的磁场，如果再使绕组以角速度0旋转，则所建立的磁场也是旋转磁场，其幅值和转速也与图a一样。000BC交流电机三相/二相直流电机变换第37页，共48页，编辑于2022年，星期三1.三相A、B、C系统变换到两相、系统000BC 这种变换是将三相交流电机变为等效的二相交流电机。上图a所示的三相异步电机的定子三相绕组，彼此相差1200空间角度，当通以三相平衡交流电流 iA,iB,iC 时，在定子上产生以同步角速度0旋转的磁场矢量。三相绕组的作用，完全可以用在空间上互相垂直的两个静止的、绕组代替，并通以两相在时间上相差900的交流平衡电流 i 和 i，使其产生的旋转磁场的幅值和角速度也分别和0，则可以认为上图a、b中的两套绕组是等效的。第38页，共48页，编辑于2022年，星期三 应用三相/二相的数学变换公式，将其化为二相交流绕组的等效交流磁场。则产生的空间旋转磁场与三相A、B、C绕组产生的旋转磁场一致。令三相绕组中的A相绕组的轴线与坐标轴重合，其磁势为（如下图所示）。FBF600FAFFC三相磁动势的变换按照磁势与电流成正比关系，可求得对应的电流值i 和 i 除磁势的变换外，变换中用到的其它物理量，只要是三相平衡量与二相平衡量，则转换方式相同。这样就将三相电机转换为二相电机，如图6-21b。第39页，共48页，编辑于2022年，星期三 2.矢量旋转变换 将三相电机转化为二相电机后，还需将二相交流电机变换为等效的直流电机，见图6-21c。若设图6-21c中d为激磁绕组，通以激磁电id，q为电枢绕组，通以电枢电流iq，则产生固定幅度的磁场，在定子上以角速度0旋转。这样就可看成是直流电机了。将二相交流电机转化为直流电机的变换，实质就是矢量向标量的转换，是静止的直角坐标系向旋转的直角坐标系之间的转换。这里，就是把i 和 i 转化为 id和 iq，转化条件是保证合成磁场不变。在图6-22b中，i 和 i的合成矢量是 i1，将其在方向及垂直方向投影，即可求得id和 iq。id和 iq 在空间以角速度0旋转。转换公式为i1idiq三相磁动势的变换第40页，共48页，编辑于2022年，星期三 3.直角坐标与极坐标的变换 矢量控制中，还要用到直角坐标系与极坐标系的变换。如图6-28b中，由id和 iq求i1，其公式为采用矢量变换的感应电机具有和直流电机一样的控制特点，而且结构简单、可靠，电机容量不受限制，与同等直流电机相比机械惯量小，其前景非常可观。第41页，共48页，编辑于2022年，星期三（三）交流电机的变频调速 交流电机调速种类很多，应用最多的是变频调速。变频调速的主要环节是能为交流电机提供变频电源的变频器。变频器的功用是，将频率固定（电网频率为50Hz）的交流电，变换成频率连续可调（0400Hz）的交流电。变频器可分为交-直-交变频器和交-交变频器两大类。交-直-交变频器是先将频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率可变的交流电。交-交变频器不经过中间环节，把频率固定的交流电直接变换成频率连续可调的交流电。因只需一次电能转换，效率高，工作可靠，但是频率的变化范围有限。交-直-交变频器，虽需两次电能的变换，但频率变化范围不受限制，目前应用得比较广泛，如下图。变频器基本组成，整流部分把恒压恒频的交流电压转换为直流电压，平波电路由电容器及电抗器组成（也称直流中间电路），逆变器把直流逆变为交流。控制电路通过来自外部的运行指令，经运算电路、驱动电路，向逆变器发出控制指令。第42页，共48页，编辑于2022年，星期三整流电路整流电路平波电路平波电路逆变电路逆变电路控制电路控制电路 逆变器逆变器输入恒电压，输入恒电压，恒频率恒频率输出可变电压，输出可变电压，可变频率可变频率变频器基本组成第43页，共48页，编辑于2022年，星期三ABC电源PWM变频器的主电路原理图 上图是脉宽调制（Pulse Width Modulation简称PWM）变频器的主电路。它由担任交-直变换的二极管整流器和担任直-交变换、同时完成调频和调压任务的脉冲宽度调制逆变器组成。图中续流二极管D1D6，为负载的滞后电流提供一条反馈到电源的通路，逆变管（全控式功率开关器件）T1T6组成逆变桥，A、B、C为逆变桥的输出端。电容器Cd的功能是：滤平全波整流后的电压波纹；当负载变化时，使直流电压保持平稳。交流电机变频调速系统中的关键部件之一就是逆变器，由于调速的要求，逆变器必须具有频率连续可调、以及输出电压连续可调，并与频率保持一定比例关系等功能。第44页，共48页，编辑于2022年，星期三6.4 直流电动机伺服系统直流电动机伺服系统 直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动演变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的一种推力装置，是一种较为理想的驱动装置。能的一种推力装置，是一种较为理想的驱动装置。第45页，共48页，编辑于2022年，星期三线性直线电机线性直线电机圆筒式直线电机圆筒式直线电机磁悬浮列车磁悬浮列车第46页，共48页，编辑于2022年，星期三 在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与旋转电动在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的最大区别是取消了从电动机到工作台之间的机械传动环节，机的最大区别是取消了从电动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零。正由于这种传动方式，带把机床进给传动链的长度缩短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和优点。来了旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和优点。第47页，共48页，编辑于2022年，星期三提高步进伺服系统精度的措施：提高步进伺服系统精度的措施：1.反向间隙补偿反向间隙补偿基本方法是：事先测出反向间隙的大小并存储，设为基本方法是：事先测出反向间隙的大小并存储，设为Nd；每当接收到反；每当接收到反向移动指令后，在改变后的方向上增加向移动指令后，在改变后的方向上增加Nd个进给脉冲，使步进电动机转个进给脉冲，使步进电动机转动越过传动间隙，从而克服因步进电动机的空走而造成的反向间隙误差。动越过传动间隙，从而克服因步进电动机的空走而造成的反向间隙误差。2.螺距误差补偿螺距误差补偿具体做法是：具体做法是：1）安置两个补偿杆分别负责正误差和负误差的补）安置两个补偿杆分别负责正误差和负误差的补偿；偿；2）在两个补偿杆上，根据丝杠全程的误差分布情况及螺距误差的补）在两个补偿杆上，根据丝杠全程的误差分布情况及螺距误差的补偿原理，设置补偿开关或者挡块；偿原理，设置补偿开关或者挡块；3）当机床工作台移动时，安装在机）当机床工作台移动时，安装在机床上的微动开关每与挡块接触一次，就发出一个误差补偿信号，对床上的微动开关每与挡块接触一次，就发出一个误差补偿信号，对螺距进行补偿，以消除螺距的累积误差。螺距进行补偿，以消除螺距的累积误差。第48页，共48页，编辑于2022年，星期三