数控系统位移与速度检测.ppt

数控机床与编程数控机床与编程宁波大学宁波大学机械学院机械学院二二0一一0年年第二章第二章 数控系统及工作原理数控系统及工作原理 第一节第一节 概述概述第二节第二节 数控插补原理数控插补原理第三节第三节 数控补偿原理数控补偿原理第四节第四节 位移与速度检测位移与速度检测第五节第五节 伺服驱动与控制伺服驱动与控制第六节第六节 CNCCNC装置装置第七节第七节 CNC系统中的可编程控制器（系统中的可编程控制器（PLC）第五节第五节 伺服驱动与控制伺服驱动与控制 数控机床伺服系统属位置随动系统，又称进给伺服数控机床伺服系统属位置随动系统，又称进给伺服数控机床伺服系统属位置随动系统，又称进给伺服数控机床伺服系统属位置随动系统，又称进给伺服系统。系统。系统。系统。以移动部件的直线或角位移为控制目标，以以移动部件的直线或角位移为控制目标，以以移动部件的直线或角位移为控制目标，以以移动部件的直线或角位移为控制目标，以CNCCNC装装装装置插补输出为指令，对工作台、主轴箱、刀架等执置插补输出为指令，对工作台、主轴箱、刀架等执置插补输出为指令，对工作台、主轴箱、刀架等执置插补输出为指令，对工作台、主轴箱、刀架等执行部件的坐标轴位移进行控制，最终获得要求的刀行部件的坐标轴位移进行控制，最终获得要求的刀行部件的坐标轴位移进行控制，最终获得要求的刀行部件的坐标轴位移进行控制，最终获得要求的刀具运动轨迹。具运动轨迹。具运动轨迹。具运动轨迹。进给伺服系统是数控机床的关键部件，其静、动态进给伺服系统是数控机床的关键部件，其静、动态进给伺服系统是数控机床的关键部件，其静、动态进给伺服系统是数控机床的关键部件，其静、动态性能决定了数控机床的精度、稳定性、可靠性和加性能决定了数控机床的精度、稳定性、可靠性和加性能决定了数控机床的精度、稳定性、可靠性和加性能决定了数控机床的精度、稳定性、可靠性和加工效率。工效率。工效率。工效率。一、概述一、概述 分类：分类：电液伺服系统电液伺服系统电液伺服系统电液伺服系统电气伺服系统；电气伺服系统；电气伺服系统；电气伺服系统；开环伺服系统开环伺服系统开环伺服系统开环伺服系统闭环伺服系统闭环伺服系统闭环伺服系统闭环伺服系统半闭环伺服系统；半闭环伺服系统；半闭环伺服系统；半闭环伺服系统；步进电动机伺服系统步进电动机伺服系统步进电动机伺服系统步进电动机伺服系统直流伺服系统直流伺服系统直流伺服系统直流伺服系统交流伺服系统交流伺服系统交流伺服系统交流伺服系统 相位伺服系统相位伺服系统相位伺服系统相位伺服系统幅值伺服系统幅值伺服系统幅值伺服系统幅值伺服系统数字脉冲比较伺服系统数字脉冲比较伺服系统数字脉冲比较伺服系统数字脉冲比较伺服系统全数字伺服系统全数字伺服系统全数字伺服系统全数字伺服系统 现代数控机床几乎都采用电气伺服系统。现代数控机床几乎都采用电气伺服系统。现代数控机床几乎都采用电气伺服系统。现代数控机床几乎都采用电气伺服系统。CNCCNC装置装置装置装置插补输出插补输出插补输出插补输出环形脉环形脉环形脉环形脉冲分配冲分配冲分配冲分配 功功功功 率率率率放放放放 大大大大 步进步进步进步进电动机电动机电动机电动机 传动与传动与传动与传动与执行部件执行部件执行部件执行部件步进电动机驱动器步进电动机驱动器步进电动机驱动器步进电动机驱动器 图图图图2-24 2-24 2-24 2-24 开环伺服系统构成框图开环伺服系统构成框图开环伺服系统构成框图开环伺服系统构成框图 开环伺服系统的优点是结构简单、运行稳定，成本低、开环伺服系统的优点是结构简单、运行稳定，成本低、开环伺服系统的优点是结构简单、运行稳定，成本低、开环伺服系统的优点是结构简单、运行稳定，成本低、使用和维护方便，缺点是精度低、低速不平稳、高速扭矩小，使用和维护方便，缺点是精度低、低速不平稳、高速扭矩小，使用和维护方便，缺点是精度低、低速不平稳、高速扭矩小，使用和维护方便，缺点是精度低、低速不平稳、高速扭矩小，主要用于轻载、负载变化不大或经济型数控机床上。主要用于轻载、负载变化不大或经济型数控机床上。主要用于轻载、负载变化不大或经济型数控机床上。主要用于轻载、负载变化不大或经济型数控机床上。闭环伺服系统是按误差控制的随动系统。闭环伺服系统是按误差控制的随动系统。闭环伺服系统是按误差控制的随动系统。闭环伺服系统是按误差控制的随动系统。三个控制环：电流环，速度环，位置环。三个控制环：电流环，速度环，位置环。三个控制环：电流环，速度环，位置环。三个控制环：电流环，速度环，位置环。理论上讲，闭环伺服系统反馈控制环内的各种机电误差都可理论上讲，闭环伺服系统反馈控制环内的各种机电误差都可理论上讲，闭环伺服系统反馈控制环内的各种机电误差都可理论上讲，闭环伺服系统反馈控制环内的各种机电误差都可以得到校正和补偿，系统的定位精度取决于检测装置的精度。以得到校正和补偿，系统的定位精度取决于检测装置的精度。以得到校正和补偿，系统的定位精度取决于检测装置的精度。以得到校正和补偿，系统的定位精度取决于检测装置的精度。但机床结构和机械传动机构的各种非线性（摩擦特性、刚性、但机床结构和机械传动机构的各种非线性（摩擦特性、刚性、但机床结构和机械传动机构的各种非线性（摩擦特性、刚性、但机床结构和机械传动机构的各种非线性（摩擦特性、刚性、间隙等）都会影响自动调解的品质。只有机械系统具有较高间隙等）都会影响自动调解的品质。只有机械系统具有较高间隙等）都会影响自动调解的品质。只有机械系统具有较高间隙等）都会影响自动调解的品质。只有机械系统具有较高精度和良好性能，才能保证系统的高精度和高速度。精度和良好性能，才能保证系统的高精度和高速度。精度和良好性能，才能保证系统的高精度和高速度。精度和良好性能，才能保证系统的高精度和高速度。闭环系统的缺点是调试、维修较困难，故主要用于精密、大闭环系统的缺点是调试、维修较困难，故主要用于精密、大闭环系统的缺点是调试、维修较困难，故主要用于精密、大闭环系统的缺点是调试、维修较困难，故主要用于精密、大型数控设备上。型数控设备上。型数控设备上。型数控设备上。半闭环伺服系统与闭环伺服系统工作原理相同，只是位置检半闭环伺服系统与闭环伺服系统工作原理相同，只是位置检半闭环伺服系统与闭环伺服系统工作原理相同，只是位置检半闭环伺服系统与闭环伺服系统工作原理相同，只是位置检测元件从执行件移到伺服电动机轴或机械传动机构的中间传测元件从执行件移到伺服电动机轴或机械传动机构的中间传测元件从执行件移到伺服电动机轴或机械传动机构的中间传测元件从执行件移到伺服电动机轴或机械传动机构的中间传动丝杠轴端，系统通过角位移的测量间接计算出末端执行部动丝杠轴端，系统通过角位移的测量间接计算出末端执行部动丝杠轴端，系统通过角位移的测量间接计算出末端执行部动丝杠轴端，系统通过角位移的测量间接计算出末端执行部件的实际位移量。件的实际位移量。件的实际位移量。件的实际位移量。半闭环控制系统的性能和复杂程度介于开环和闭环系统之间。半闭环控制系统的性能和复杂程度介于开环和闭环系统之间。半闭环控制系统的性能和复杂程度介于开环和闭环系统之间。半闭环控制系统的性能和复杂程度介于开环和闭环系统之间。二、开环伺服系统二、开环伺服系统 1 1步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理步进电动机由转子和定子两部分组成，转子和定子均由带齿步进电动机由转子和定子两部分组成，转子和定子均由带齿步进电动机由转子和定子两部分组成，转子和定子均由带齿步进电动机由转子和定子两部分组成，转子和定子均由带齿的硅钢片叠成。的硅钢片叠成。的硅钢片叠成。的硅钢片叠成。定子上均布有六个磁极及其绕组，在同一直径上的为一相，定子上均布有六个磁极及其绕组，在同一直径上的为一相，定子上均布有六个磁极及其绕组，在同一直径上的为一相，定子上均布有六个磁极及其绕组，在同一直径上的为一相，共有三相，分别记为共有三相，分别记为共有三相，分别记为共有三相，分别记为A A、B B、C C，每相磁极上有齿。每相磁极上有齿。每相磁极上有齿。每相磁极上有齿。转子上均匀分布着转子上均匀分布着转子上均匀分布着转子上均匀分布着40404040个齿，齿与齿槽宽度相等，齿间角（两个齿，齿与齿槽宽度相等，齿间角（两个齿，齿与齿槽宽度相等，齿间角（两个齿，齿与齿槽宽度相等，齿间角（两相邻齿间的夹角）为相邻齿间的夹角）为相邻齿间的夹角）为相邻齿间的夹角）为9999。定子磁极的齿间角与转子的齿间角相等。定子磁极的齿间角与转子的齿间角相等。定子磁极的齿间角与转子的齿间角相等。定子磁极的齿间角与转子的齿间角相等。如果如果如果如果A A A A相齿与转子齿中心线对齐，则相齿与转子齿中心线对齐，则相齿与转子齿中心线对齐，则相齿与转子齿中心线对齐，则B B B B相齿相对转子齿中心线相齿相对转子齿中心线相齿相对转子齿中心线相齿相对转子齿中心线逆时针方向相差逆时针方向相差逆时针方向相差逆时针方向相差1/31/31/31/3齿间角，齿间角，齿间角，齿间角，C C C C相齿相对转子齿中心线逆时针相齿相对转子齿中心线逆时针相齿相对转子齿中心线逆时针相齿相对转子齿中心线逆时针方向相差方向相差方向相差方向相差2/32/32/32/3齿间角。齿间角。齿间角。齿间角。（一）步进电动机（一）步进电动机 若按若按若按若按A-C-B-AA-C-B-A的顺序改变定子绕组通电状的顺序改变定子绕组通电状的顺序改变定子绕组通电状的顺序改变定子绕组通电状态，转子就逆时针旋转。上述两种通电方式称态，转子就逆时针旋转。上述两种通电方式称态，转子就逆时针旋转。上述两种通电方式称态，转子就逆时针旋转。上述两种通电方式称三相三拍或单三拍。三相三拍或单三拍。三相三拍或单三拍。三相三拍或单三拍。若按若按若按若按AAAAABABB BBCBCC CCACAAA或或或或A AACACC CCBCBB BBABAAA的顺序改变的顺序改变的顺序改变的顺序改变定子绕组通电状态，通电状态每改变一次，转定子绕组通电状态，通电状态每改变一次，转定子绕组通电状态，通电状态每改变一次，转定子绕组通电状态，通电状态每改变一次，转子顺时针或转逆时针过子顺时针或转逆时针过子顺时针或转逆时针过子顺时针或转逆时针过1.51.5。这种通电方式称。这种通电方式称。这种通电方式称。这种通电方式称三相六拍。三相六拍。三相六拍。三相六拍。若按若按若按若按ABABBCBCCACAABAB或或或或ACACCBCBBABAACAC的顺序改变定子绕组的顺序改变定子绕组的顺序改变定子绕组的顺序改变定子绕组通电状态，通电状态每改变一次，转子顺时针通电状态，通电状态每改变一次，转子顺时针通电状态，通电状态每改变一次，转子顺时针通电状态，通电状态每改变一次，转子顺时针或转逆时针过或转逆时针过或转逆时针过或转逆时针过33。这种通电方式称双三拍。这种通电方式称双三拍。这种通电方式称双三拍。这种通电方式称双三拍。2 2 2 2步进电动机的主要特性步进电动机的主要特性步进电动机的主要特性步进电动机的主要特性 （1）步距角和静态步距误差）步距角和静态步距误差 vv步距角是指步进电动机绕组通电状态改变一次步距角是指步进电动机绕组通电状态改变一次步距角是指步进电动机绕组通电状态改变一次步距角是指步进电动机绕组通电状态改变一次（每给一个指令脉冲），转子理论上应转过的角（每给一个指令脉冲），转子理论上应转过的角（每给一个指令脉冲），转子理论上应转过的角（每给一个指令脉冲），转子理论上应转过的角度。度。度。度。vv静态步距误差是指其实际步距角与理论步距角之静态步距误差是指其实际步距角与理论步距角之静态步距误差是指其实际步距角与理论步距角之静态步距误差是指其实际步距角与理论步距角之差。步进电动机静态步距角误差通常在差。步进电动机静态步距角误差通常在差。步进电动机静态步距角误差通常在差。步进电动机静态步距角误差通常在10101010以以以以内。内。内。内。mm是定子相数；是定子相数；是定子相数；是定子相数；z z是转子齿数；是转子齿数；是转子齿数；是转子齿数；k k是通电系数，由通是通电系数，由通是通电系数，由通是通电系数，由通电方式确定，电方式确定，电方式确定，电方式确定，mm相相相相mm拍，拍，拍，拍，k k1 1；mm相相相相2 2mm拍，拍，拍，拍，k k2 2。（2 2）静态矩角特性和最大静转矩）静态矩角特性和最大静转矩）静态矩角特性和最大静转矩）静态矩角特性和最大静转矩 矩角特性曲线上的电磁转矩的最大值称为最大静转矩矩角特性曲线上的电磁转矩的最大值称为最大静转矩矩角特性曲线上的电磁转矩的最大值称为最大静转矩矩角特性曲线上的电磁转矩的最大值称为最大静转矩T Tmaxmax。最大静转矩与通电状态和绕组通电电流有关。最大静转矩与通电状态和绕组通电电流有关。最大静转矩与通电状态和绕组通电电流有关。最大静转矩与通电状态和绕组通电电流有关。失失失失调调调调角角角角 （3 3 3 3）最高启动频率）最高启动频率）最高启动频率）最高启动频率 最最最最高高高高启启启启动动动动频频频频率率率率是是是是指指指指空空空空载载载载时时时时，步步步步进进进进电电电电动动动动机机机机由由由由静静静静止止止止突突突突然然然然启启启启动动动动并并并并不不不不丢丢丢丢步步步步地地地地进进进进入入入入正正正正常常常常运运运运行行行行状状状状态态态态所所所所允允允允许的最高指令脉冲频率。许的最高指令脉冲频率。许的最高指令脉冲频率。许的最高指令脉冲频率。（4 4 4 4）最高工作频率）最高工作频率）最高工作频率）最高工作频率 步步步步进进进进电电电电动动动动机机机机启启启启动动动动以以以以后后后后，在在在在连连连连续续续续运运运运行行行行时时时时所所所所能能能能接受的最高指令脉冲频率。接受的最高指令脉冲频率。接受的最高指令脉冲频率。接受的最高指令脉冲频率。（5 5 5 5）运行矩频特性）运行矩频特性）运行矩频特性）运行矩频特性 步步步步进进进进电电电电动动动动机机机机在在在在连连连连续续续续运运运运行行行行时时时时，输输输输出出出出转转转转矩矩矩矩与与与与连连连连续续续续运运运运行行行行频频频频率率率率之之之之间间间间的的的的关关关关系系系系，它它它它是是是是衡衡衡衡量量量量步步步步进进进进电电电电动动动动机机机机连连连连续运行时承载能力的动态指标。续运行时承载能力的动态指标。续运行时承载能力的动态指标。续运行时承载能力的动态指标。f fMMf fMM3步进电动机的类型步进电动机的类型 l l按相数分按相数分:l l按结构分按结构分:l l按工作原理分：按工作原理分：径向分相式径向分相式径向分相式径向分相式轴向分相式轴向分相式轴向分相式轴向分相式 。反应式反应式反应式反应式永磁式永磁式永磁式永磁式永磁感应子式（混合式永磁感应子式（混合式永磁感应子式（混合式永磁感应子式（混合式 ）三、四、五、六相等三、四、五、六相等三、四、五、六相等三、四、五、六相等（二）步进电动机驱动器（二）步进电动机驱动器 1 1环形脉冲分配器环形脉冲分配器环形脉冲分配器环形脉冲分配器 将将将将CNCCNC装置插补输出的进给指令脉冲，按步进电动机的装置插补输出的进给指令脉冲，按步进电动机的装置插补输出的进给指令脉冲，按步进电动机的装置插补输出的进给指令脉冲，按步进电动机的绕组通电方式，按规定的顺序分配给各绕组，作为绕组绕组通电方式，按规定的顺序分配给各绕组，作为绕组绕组通电方式，按规定的顺序分配给各绕组，作为绕组绕组通电方式，按规定的顺序分配给各绕组，作为绕组通电的控制脉冲。通电的控制脉冲。通电的控制脉冲。通电的控制脉冲。软件脉冲分配器：软件脉冲分配器：软件脉冲分配器：软件脉冲分配器：CNCCNC装置输出接口的一位对应步进电装置输出接口的一位对应步进电装置输出接口的一位对应步进电装置输出接口的一位对应步进电动机绕组的一相，通过对输出接口置动机绕组的一相，通过对输出接口置动机绕组的一相，通过对输出接口置动机绕组的一相，通过对输出接口置“1 1”和清和清和清和清“0 0”来来来来实现脉冲的输出，脉冲分配规律则通过软件逻辑实现。实现脉冲的输出，脉冲分配规律则通过软件逻辑实现。实现脉冲的输出，脉冲分配规律则通过软件逻辑实现。实现脉冲的输出，脉冲分配规律则通过软件逻辑实现。硬件脉冲分配器：硬件脉冲分配器：硬件脉冲分配器：硬件脉冲分配器：vv以以以以D D D D触发器或触发器或触发器或触发器或JKJKJKJK触发器为主加分立元件构成逻辑电路；触发器为主加分立元件构成逻辑电路；触发器为主加分立元件构成逻辑电路；触发器为主加分立元件构成逻辑电路；vv用专用的集成环形脉冲分配器，外配分立元件构成；用专用的集成环形脉冲分配器，外配分立元件构成；用专用的集成环形脉冲分配器，外配分立元件构成；用专用的集成环形脉冲分配器，外配分立元件构成；vv目前广泛采用集成环形脉冲分配器。目前广泛采用集成环形脉冲分配器。目前广泛采用集成环形脉冲分配器。目前广泛采用集成环形脉冲分配器。集成集成集成集成环形脉冲分配器集成度高、功能强、可靠性好、可编程。环形脉冲分配器集成度高、功能强、可靠性好、可编程。环形脉冲分配器集成度高、功能强、可靠性好、可编程。环形脉冲分配器集成度高、功能强、可靠性好、可编程。在启动和停止阶段应进行加减速控制，使控制步进电动机的脉在启动和停止阶段应进行加减速控制，使控制步进电动机的脉在启动和停止阶段应进行加减速控制，使控制步进电动机的脉在启动和停止阶段应进行加减速控制，使控制步进电动机的脉冲频率平滑上升或下降，以适应步进电动机的启、制动特性。冲频率平滑上升或下降，以适应步进电动机的启、制动特性。冲频率平滑上升或下降，以适应步进电动机的启、制动特性。冲频率平滑上升或下降，以适应步进电动机的启、制动特性。加减速控制的功能可由软件实现，也可以由硬件电路实现。加减速控制的功能可由软件实现，也可以由硬件电路实现。加减速控制的功能可由软件实现，也可以由硬件电路实现。加减速控制的功能可由软件实现，也可以由硬件电路实现。2功率放大器功率放大器 功用：将几毫安信号放大到几安至十几安培，功用：将几毫安信号放大到几安至十几安培，功用：将几毫安信号放大到几安至十几安培，功用：将几毫安信号放大到几安至十几安培，从而驱动步进电动机运转。从而驱动步进电动机运转。从而驱动步进电动机运转。从而驱动步进电动机运转。步进电动机所使用的功率放大器有电压型和电步进电动机所使用的功率放大器有电压型和电步进电动机所使用的功率放大器有电压型和电步进电动机所使用的功率放大器有电压型和电流型两种。流型两种。流型两种。流型两种。电压型：单电压型、双电压型电压型：单电压型、双电压型电压型：单电压型、双电压型电压型：单电压型、双电压型(高低压型高低压型高低压型高低压型)，电流型：恒流型、斩波恒流型等。电流型：恒流型、斩波恒流型等。电流型：恒流型、斩波恒流型等。电流型：恒流型、斩波恒流型等。三、闭环和半闭环伺服系统三、闭环和半闭环伺服系统 1 1永磁式直流伺服电动机永磁式直流伺服电动机永磁式直流伺服电动机永磁式直流伺服电动机 在数控机床的进给伺服系统中，主要使用永磁式直流伺服在数控机床的进给伺服系统中，主要使用永磁式直流伺服在数控机床的进给伺服系统中，主要使用永磁式直流伺服在数控机床的进给伺服系统中，主要使用永磁式直流伺服电动机电动机电动机电动机 ；主运动调速系统中，主要使用电磁式直流电动机；主运动调速系统中，主要使用电磁式直流电动机；主运动调速系统中，主要使用电磁式直流电动机；主运动调速系统中，主要使用电磁式直流电动机 。永磁式直流伺服电动机又称大惯量宽调速直流伺服电动机，永磁式直流伺服电动机又称大惯量宽调速直流伺服电动机，永磁式直流伺服电动机又称大惯量宽调速直流伺服电动机，永磁式直流伺服电动机又称大惯量宽调速直流伺服电动机，或直流力矩电动机，具有转矩大、转矩和电流成正比、伺或直流力矩电动机，具有转矩大、转矩和电流成正比、伺或直流力矩电动机，具有转矩大、转矩和电流成正比、伺或直流力矩电动机，具有转矩大、转矩和电流成正比、伺服性能好、反应迅速、体积小、功率体积比大、功率质量服性能好、反应迅速、体积小、功率体积比大、功率质量服性能好、反应迅速、体积小、功率体积比大、功率质量服性能好、反应迅速、体积小、功率体积比大、功率质量比大、稳定性好等优点，能在较大过载转矩下长时间工作，比大、稳定性好等优点，能在较大过载转矩下长时间工作，比大、稳定性好等优点，能在较大过载转矩下长时间工作，比大、稳定性好等优点，能在较大过载转矩下长时间工作，可直接与丝杠相连而不需中间传动装置。可直接与丝杠相连而不需中间传动装置。可直接与丝杠相连而不需中间传动装置。可直接与丝杠相连而不需中间传动装置。永磁式直流伺服电动机由定子、转子、电刷和换向器等部永磁式直流伺服电动机由定子、转子、电刷和换向器等部永磁式直流伺服电动机由定子、转子、电刷和换向器等部永磁式直流伺服电动机由定子、转子、电刷和换向器等部分构成。分构成。分构成。分构成。（一）直流伺服电动机及其速度控制（一）直流伺服电动机及其速度控制（一）直流伺服电动机及其速度控制（一）直流伺服电动机及其速度控制 伺服电动机伺服电动机伺服电动机伺服电动机直流伺服电动机都可以内装速度和位移直流伺服电动机都可以内装速度和位移检测元件，供用户选购。检测元件，供用户选购。速度检测元件一般采用低纹波（纹波系速度检测元件一般采用低纹波（纹波系数一般在数一般在2%以下）的测速发电机，其输以下）的测速发电机，其输出电压可作为速度环的反馈信号。出电压可作为速度环的反馈信号。位移检测元件一般采用旋转变压器或脉位移检测元件一般采用旋转变压器或脉冲编码器。冲编码器。2 2直流电动机的机械特性、调速原理和方法直流电动机的机械特性、调速原理和方法 机械特性方程机械特性方程机械特性方程机械特性方程 （2-182-18）式（式（式（式（2-182-18）描述了直流伺服电动机转速、电磁转矩与）描述了直流伺服电动机转速、电磁转矩与）描述了直流伺服电动机转速、电磁转矩与）描述了直流伺服电动机转速、电磁转矩与电枢电压、励磁磁通之间的关系。电枢电压、励磁磁通之间的关系。电枢电压、励磁磁通之间的关系。电枢电压、励磁磁通之间的关系。通过改变电枢电压进行调速的方法称调压调速。调压通过改变电枢电压进行调速的方法称调压调速。调压通过改变电枢电压进行调速的方法称调压调速。调压通过改变电枢电压进行调速的方法称调压调速。调压调速时，电枢回路的外加电压不高于电动机电枢额定调速时，电枢回路的外加电压不高于电动机电枢额定调速时，电枢回路的外加电压不高于电动机电枢额定调速时，电枢回路的外加电压不高于电动机电枢额定电压，从额定电压往下降低电枢电压，即从额定转速电压，从额定电压往下降低电枢电压，即从额定转速电压，从额定电压往下降低电枢电压，即从额定转速电压，从额定电压往下降低电枢电压，即从额定转速向下调速。调压调速属恒转矩调速，速调速范围较宽。向下调速。调压调速属恒转矩调速，速调速范围较宽。向下调速。调压调速属恒转矩调速，速调速范围较宽。向下调速。调压调速属恒转矩调速，速调速范围较宽。通过改变励磁磁通量进行调速的方法称调磁调速。励通过改变励磁磁通量进行调速的方法称调磁调速。励通过改变励磁磁通量进行调速的方法称调磁调速。励通过改变励磁磁通量进行调速的方法称调磁调速。励磁磁通量只能从额定值往下减弱，即从额定转速向上磁磁通量只能从额定值往下减弱，即从额定转速向上磁磁通量只能从额定值往下减弱，即从额定转速向上磁磁通量只能从额定值往下减弱，即从额定转速向上调速。调磁调速属恒功率调速，速调范围较窄，一般调速。调磁调速属恒功率调速，速调范围较窄，一般调速。调磁调速属恒功率调速，速调范围较窄，一般调速。调磁调速属恒功率调速，速调范围较窄，一般小于小于小于小于4 4。3 3晶体管脉宽调制调速系统晶体管脉宽调制调速系统 （1 1）PWMPWM系统的组成原理系统的组成原理系统的组成原理系统的组成原理 （2 2）脉宽调制调速系统主回路）脉宽调制调速系统主回路）脉宽调制调速系统主回路）脉宽调制调速系统主回路 （3 3）脉脉脉脉宽宽宽宽调调调调制制制制器器器器 （二）交流伺服电动机及其速度控制（二）交流伺服电动机及其速度控制 交流伺服电动机没有电刷和换向器等结构上的缺陷，交流伺服电动机没有电刷和换向器等结构上的缺陷，交流伺服电动机没有电刷和换向器等结构上的缺陷，交流伺服电动机没有电刷和换向器等结构上的缺陷，可以达到更高的转速和更大的容量，并且结构相对可以达到更高的转速和更大的容量，并且结构相对可以达到更高的转速和更大的容量，并且结构相对可以达到更高的转速和更大的容量，并且结构相对简单，同样体积下，功率可比直流伺服电动机提高简单，同样体积下，功率可比直流伺服电动机提高简单，同样体积下，功率可比直流伺服电动机提高简单，同样体积下，功率可比直流伺服电动机提高10107070 。随着功率开关器件、专用集成电路、计算机技术和随着功率开关器件、专用集成电路、计算机技术和随着功率开关器件、专用集成电路、计算机技术和随着功率开关器件、专用集成电路、计算机技术和控制算法、电动机制造技术等的发展，使得交流伺控制算法、电动机制造技术等的发展，使得交流伺控制算法、电动机制造技术等的发展，使得交流伺控制算法、电动机制造技术等的发展，使得交流伺服系统的性能优于直流伺服系统。服系统的性能优于直流伺服系统。服系统的性能优于直流伺服系统。服系统的性能优于直流伺服系统。现代数控机床进给驱动中普遍采用交流伺服系统，现代数控机床进给驱动中普遍采用交流伺服系统，现代数控机床进给驱动中普遍采用交流伺服系统，现代数控机床进给驱动中普遍采用交流伺服系统，直流伺服系统已基本被交流伺服系统所取代。直流伺服系统已基本被交流伺服系统所取代。直流伺服系统已基本被交流伺服系统所取代。直流伺服系统已基本被交流伺服系统所取代。1 1交流伺服电动机交流伺服电动机 l l同步交流伺服电动机：永磁式、励磁式、磁阻同步交流伺服电动机：永磁式、励磁式、磁阻同步交流伺服电动机：永磁式、励磁式、磁阻同步交流伺服电动机：永磁式、励磁式、磁阻式和磁滞式，式和磁滞式，式和磁滞式，式和磁滞式，数控机床进给伺服系统多采用永数控机床进给伺服系统多采用永数控机床进给伺服系统多采用永数控机床进给伺服系统多采用永磁同步交流伺服电动机磁同步交流伺服电动机磁同步交流伺服电动机磁同步交流伺服电动机，其优点是电动机结构，其优点是电动机结构，其优点是电动机结构，其优点是电动机结构简单、运行可靠、效率较高，尽管体积比其它简单、运行可靠、效率较高，尽管体积比其它简单、运行可靠、效率较高，尽管体积比其它简单、运行可靠、效率较高，尽管体积比其它同步交流伺服电动机稍大。同步交流伺服电动机稍大。同步交流伺服电动机稍大。同步交流伺服电动机稍大。l l异步交流伺服电动机异步交流伺服电动机异步交流伺服电动机异步交流伺服电动机 ：也称交流感应伺服电动也称交流感应伺服电动也称交流感应伺服电动也称交流感应伺服电动机，机，机，机，主要用于数控机床主运动的无级调速驱动主要用于数控机床主运动的无级调速驱动主要用于数控机床主运动的无级调速驱动主要用于数控机床主运动的无级调速驱动，具有结构简单、制造成本低、容量大等优点。具有结构简单、制造成本低、容量大等优点。具有结构简单、制造成本低、容量大等优点。具有结构简单、制造成本低、容量大等优点。（1）永磁同步交流伺服电动机结构）永磁同步交流伺服电动机结构 由定子、转子和速度检测元件三部分组成。由定子、转子和速度检测元件三部分组成。由定子、转子和速度检测元件三部分组成。由定子、转子和速度检测元件三部分组成。（2 2）永磁同步交流伺服电动机工作原理）永磁同步交流伺服电动机工作原理 当定子三相绕组通以三当定子三相绕组通以三当定子三相绕组通以三当定子三相绕组通以三相交流电后，产生一个旋转相交流电后，产生一个旋转相交流电后，产生一个旋转相交流电后，产生一个旋转磁场，该旋转磁场以同步转磁场，该旋转磁场以同步转磁场，该旋转磁场以同步转磁场，该旋转磁场以同步转速速速速n ns s旋转，该旋转磁场和转旋转，该旋转磁场和转旋转，该旋转磁场和转旋转，该旋转磁场和转子永久磁场相互作用，即定子永久磁场相互作用，即定子永久磁场相互作用，即定子永久磁场相互作用，即定子和转子异性磁极相互吸引，子和转子异性磁极相互吸引，子和转子异性磁极相互吸引，子和转子异性磁极相互吸引，使定子旋转磁场带动转子一使定子旋转磁场带动转子一使定子旋转磁场带动转子一使定子旋转磁场带动转子一起以同步转速起以同步转速起以同步转速起以同步转速n ns s旋转，如图旋转，如图旋转，如图旋转，如图2-372-37所示。所示。所示。所示。永磁同步交流伺服电动机的极对数永磁同步交流伺服电动机的极对数永磁同步交流伺服电动机的极对数永磁同步交流伺服电动机的极对数p p是固定的，则只能通过是固定的，则只能通过是固定的，则只能通过是固定的，则只能通过改变交流电频率改变交流电频率改变交流电频率改变交流电频率f f来可达到调速目的，这种调速方法称为变来可达到调速目的，这种调速方法称为变来可达到调速目的，这种调速方法称为变来可达到调速目的，这种调速方法称为变频调速。频调速。频调速。频调速。变频调速的主要环节是变频电源，又称变频器。变频器可变频调速的主要环节是变频电源，又称变频器。变频器可变频调速的主要环节是变频电源，又称变频器。变频器可变频调速的主要环节是变频电源，又称变频器。变频器可分为交分为交分为交分为交直直直直交变频器和交交变频器和交交变频器和交交变频器和交交变频器两大类。交变频器两大类。交变频器两大类。交变频器两大类。交交交交直直直直交变频器：先将电网电源输入到整流器，经整流交变频器：先将电网电源输入到整流器，经整流交变频器：先将电网电源输入到整流器，经整流交变频器：先将电网电源输入到整流器，经整流后变为直流，再经电容或电感或由两者组合的电路滤波后后变为直流，再经电容或电感或由两者组合的电路滤波后后变为直流，再经电容或电感或由两者组合的电路滤波后后变为直流，再经电容或电感或由两者组合的电路滤波后供给逆变器（直流变交流）部分，输出电压和频率可变的供给逆变器（直流变交流）部分，输出电压和频率可变的供给逆变器（直流变交流）部分，输出电压和频率可变的供给逆变器（直流变交流）部分，输出电压和频率可变的交流电。交流电。交流电。交流电。交交交交交变频器不经过中间环节，直接将一种频率的交流电交变频器不经过中间环节，直接将一种频率的交流电交变频器不经过中间环节，直接将一种频率的交流电交变频器不经过中间环节，直接将一种频率的交流电变换为另一种频率的交流电。变换为另一种频率的交流电。变换为另一种频率的交流电。变换为另一种频率的交流电。目前数控机床进给驱动上常用交目前数控机床进给驱动上常用交目前数控机床进给驱动上常用交目前数控机床进给驱动上常用交直直直直交变频器，采用交变频器，采用交变频器，采用交变频器，采用PWMPWMPWMPWM控制控制控制控制 。2交流伺服电动机的速度控制交流伺服电动机的速度控制 电流环电流环电流环电流环速度环速度环速度环速度环（1 1）PWMPWM变频器变频器 PWMPWM变频器是采用脉冲宽度调制方法来控变频器是采用脉冲宽度调制方法来控制交流电频率的。制交流电频率的。最基本、应用最广泛的是最基本、应用最广泛的是SPWMSPWM调制，即调制，即正弦波脉冲宽度调制正弦波脉冲宽度调制 SPWMSPWM变频器由变频器由U/fU/f变换器、变换器、SPWMSPWM调制器和调制器和功率放大器主回路三部分组成。功率放大器主回路三部分组成。（2 2）SPWMSPWM调制原理及调制器调制原理及调制器 功用是调制出与正功用是调制出与正功用是调制出与正功用是调制出与正弦波等效的一系列弦波等效的一系列弦波等效的一系列弦波等效的一系列等幅、不等宽的矩等幅、不等宽的矩等幅、不等宽的矩等幅、不等宽的矩形脉冲波形，如图形脉冲波形，如图形脉冲波形，如图形脉冲波形，如图2-392-39所示。所示。所示。所示。等效的原则是各矩等效的原则是各矩等效的原则是各矩等效的原则是各矩形脉冲的面积与正形脉冲的面积与正形脉冲的面积与正形脉冲的面积与正弦波下的面积相等弦波下的面积相等弦波下的面积相等弦波下的面积相等或成比例。或成比例。或成比例。或成比例。图图图图2-402-40为为为为一一一一种种种种单单单单相相相相双双双双极极极极性性性性SPWMSPWM调调调调制制制制器器器器的的的的电电电电路路路路原原原原理理理理图图图图。该该该该电电电电路路路路用用用用三三三三角角角角波波波波u ut t为为为为载载载载波波波波，用用用用正正正正弦弦弦弦波波波波u us s为为为为控控控控制制制制波波波波，进进进进行行行行脉脉脉脉冲冲冲冲宽宽宽宽度调制，得到调制波度调制，得到调制波度调制，得到调制波度调制，得到调制波u umm、u ut t、u us s、和和和和u umm的波形如图的波形如图的波形如图的波形如图2-422-42所示。所示。所示。所示。（3 3）SPWMSPWM变频器功率放大主回路变频器功率放大主回路 SPWM SPWM调制器输出的调制器输出的调制器输出的调制器输出的SPWMSPWM调制波经功率放大调制波经功率放大调制波经功率放大调制波经功率放大才能驱动交流伺服电动机，图才能驱动交流伺服电动机，图才能驱动交流伺服电动机，图才能驱动交流伺服电动机，图2-412-41为与上述为与上述为与上述为与上述SPWMSPWM调制器配套的双极性调制器配套的双极性调制器配套的双极性调制器配套的双极性SPWMSPWM功率放大主回路功率放大主回路功率放大主回路功率放大主回路 桥式整流器桥式整流器桥式整流器桥式整流器 逆变器逆变器逆变器逆变器 采用上述硬件电路实现采用上述硬件电路实现采用上述硬件电路实现采用上述硬件电路实现SPWMSPWMSPWMSPWM控制的方法，缺点是控制的方法，缺点是控制的方法，缺点是控制的方法，缺点是所需硬件比较多，而且不够灵活，改变参数和调所需硬件比较多，而且不够灵活，改变参数和调所需硬件比较多，而且不够灵活，改变参数和调所需硬件比较多，而且不够灵活，改变参数和调试比较麻烦。试比较麻烦。试比较麻烦。试比较麻烦。全数字伺服系统采用微处理器通过软件算法实现全数字伺服系统采用微处理器通过软件算法实现全数字伺服系统采用微处理器通过软件算法实现全数字伺服系统采用微处理器通过软件算法实现SPWMSPWM控制。在全数字伺服系统中，速度调节器、控制。在全数字伺服系统中，速度调节器、控制。在全数字伺服系统中，速度调节器、控制。在全数字伺服系统中，速度调节器、电流调节器等弱电控制功能都是由软件算法实现电流调节器等弱电控制功能都是由软件算法实现电流调节器等弱电控制功能都是由软件算法实现电流调节器等弱电控制功能都是由软件算法实现的，其优点是所需硬件少，灵活性好，智能性强。的，其优点是所需硬件少，灵活性好，智能性强。的，其优点是所需硬件少，灵活性好，智能性强。的，其优点是所需硬件少，灵活性好，智能性强。采用微机控制的数字化采用微机控制的数字化采用微机控制的数字化采用微机控制的数字化SPWMSPWM技术已占当今技术已占当今技术已占当今技术已占当今PWMPWM逆变器的主导地位。逆变器的主导地位。逆变器的主导地位。逆变器的主导地位。（三）位置控制（三）位置控制 位置控制是伺服系统位置环的任务，是伺服系统重位置控制是伺服系统位置环的任务，是伺服系统重位置控制是伺服系统位置环的任务，是伺服系统重位置控制是伺服系统位置环的任务，是伺服系统重要组成部分，是保证执行件位置精度的关键环节。要组成部分，是保证执行件位置精度的关键环节。要组成部分，是保证执行件位置精度的关键环节。要组成部分，是保证执行件位置精度的关键环节。实现位置控制的专用装置有全硬件伺服系统，也有实现位置控制的专用装置有全硬件伺服系统，也有实现位置控制的专用装置有全硬件伺服系统，也有实现位置控制的专用装置有全硬件伺服系统，也有全数字伺服系统