第7章 数控机床伺服驱动系统.ppt

CNC第第7 7章章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 主要内容主要内容主要内容7.1 概述概述 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 7.4 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 7.5 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 7.6 位置控制位置控制CNC第第7 7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CNC主要内容数控机床数控机床伺服系统伺服系统是以机床移动部件的是以机床移动部件的位置和速度位置和速度为为控制量的自动控制系统。控制量的自动控制系统。7.1 概述概述伺服系统的作用伺服系统的作用:接受接受CNC装置装置发出的插补结果发出的插补结果(指令脉冲等指令脉冲等)，作一定的，作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、步转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。部件实现工作进给或快速运动。数控机床的数控机床的“大脑大脑”数控机床的数控机床的“四肢四肢”，是执行，是执行“命令命令”的机构，它是一个不的机构，它是一个不折不扣的跟随者。折不扣的跟随者。CNC主要内容7.1 概述概述伺服系统的分类伺服系统的分类:按控制原理和有无检测反馈装置按控制原理和有无检测反馈装置：开环、半闭环、闭环：开环、半闭环、闭环按被控对象按被控对象：进给驱动、主轴驱动；：进给驱动、主轴驱动；按使用的执行元件按使用的执行元件：电液、电气伺服驱动（步进、直流、：电液、电气伺服驱动（步进、直流、交流、直线电机）交流、直线电机）;按反馈比较控制方式分类按反馈比较控制方式分类：脉冲、数字比较伺服系统，：脉冲、数字比较伺服系统，相位比较伺服系统相位比较伺服系统，幅值比较伺服系统，全数字伺服系统，幅值比较伺服系统，全数字伺服系统CNC7.1 概述概述机械执行部件机械执行部件A相、相、B相相C相、相、f、nCNC插补指令插补指令脉冲频率脉冲频率f脉冲个数脉冲个数n换算换算脉冲环脉冲环形分配形分配变换变换功功率率放放大大CNC主要内容7.1 概述概述位置控制位置控制调节器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检测与反馈单元单元位位置置控控制制单元单元速速度度控控制制单元单元+-电电机机机机械械执执行行部件部件CNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈CNC7.1 概述概述主要内容位置控制位置控制调节器调节器速度控制速度控制调节与驱调节与驱动动检测与反馈检测与反馈单元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+-机机械械执执行行部部件件CNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈CNC主要内容7.1 概述概述数控机床对进给伺服系统的要求有：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)CNC主要内容7.1 概述概述对主轴伺服系统，还应满足对主轴伺服系统，还应满足:1主轴与进给驱动的同步控制主轴与进给驱动的同步控制 螺纹、螺旋槽加工等，主轴与进给驱动的同步控制。螺纹、螺旋槽加工等，主轴与进给驱动的同步控制。2准停控制准停控制 在在加加工工中中心心上上，为为了了实实现现自自动动换换刀刀，要要求求主主轴轴能能进进行行高精确位置的停止。高精确位置的停止。3角度分度控制角度分度控制有两种类型：固定的等分角度控制有两种类型：固定的等分角度控制 连续的任意角度控制（连续的任意角度控制（称为称为“C”轴控制轴控制）CNC7.1 概述概述闭环进给伺服系统组成闭环进给伺服系统组成位置控制位置控制单元单元速度控制速度控制单元单元电流控制电流控制单元单元转换驱动转换驱动工作台工作台电流反馈电流反馈速度反馈速度反馈位置反馈位置反馈MG 位置、速度和电流环均由：位置、速度和电流环均由：调节控制模块调节控制模块、检测和反馈检测和反馈部分部分组成。驱动装置由组成。驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器驱动信号产生电路和功率放大器组成。组成。严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。包括速度和电流控制。CNC7.1 概述概述 伺服电机伺服电机为数控伺服系统的重要组成部分，是速为数控伺服系统的重要组成部分，是速 度和轨迹控制的执行元件。度和轨迹控制的执行元件。数控机床中常用的伺服电机：数控机床中常用的伺服电机：直流伺服电机（直流伺服电机（调速性能良好调速性能良好）交流伺服电机（交流伺服电机（主要使用的电机主要使用的电机）步进电机（步进电机（适于轻载、负荷变动不大适于轻载、负荷变动不大）直线电机（直线电机（高速、高精度高速、高精度）CNC主要内容步步进进电电机机是是一一种种脉脉冲冲控控制制的的执执行行元元件件，可可将将输输入入脉脉冲冲转转换换为为机机械械角角位位移移。每每给给步步进进电电机机输输入入一一个个脉脉冲冲，其其转转轴轴就就转转过一个过一个角度角度，称为，称为步距角步距角。脉冲数量脉冲数量-位移量；位移量；脉冲频率脉冲频率-电机转速；电机转速；脉冲顺序脉冲顺序-方向。方向。7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统机机械械执执行行部部件件A相相B相相C相相f、nCNC插补指令插补指令脉冲频率脉冲频率f脉冲个数脉冲个数n换算换算脉冲环脉冲环形分配形分配变换变换功率功率放大放大CNC主要内容7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统优点：优点：结构简单，价格便宜，工作可靠；结构简单，价格便宜，工作可靠；缺点：缺点：容易失步（尤其在高速、大负载时），影响定容易失步（尤其在高速、大负载时），影响定位精度；位精度；在低速时容易产生振动；在低速时容易产生振动；细分技术的应用，明显提高了定位精度，降低细分技术的应用，明显提高了定位精度，降低了低速振动。了低速振动。应用：应用：要求一般的开环伺服驱动系统，如经济型数要求一般的开环伺服驱动系统，如经济型数控机床的进给驱动。控机床的进给驱动。CNC主要内容7.2 7.2 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主要内容按按电磁吸引电磁吸引原理工作（以反应式步进电机为例）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，依依靠靠磁磁极极对对齿齿的的吸吸合工作。合工作。7.2 7.2 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7.2.1步进电机工作原理步进电机工作原理CNC主要内容7.2 7.2 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两个相对的磁极组成两个相对的磁极组成一相一相CNC主要内容7.2 7.2 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 A 相相 B B 相相 C C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为：A A 相相 C C 相相 B B 相相 CNC主要内容7.2 7.2 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 A 相通电使转子相通电使转子1 1、3 3齿和齿和 AA AA 对齐对齐B ACCBA3412BBACCAB B 相通电，转子相通电，转子2 2、4 4齿和齿和B B相轴线对齐相轴线对齐C C 相通电，转子相通电，转子1 1、3 3齿和齿和C C 相轴线对齐相轴线对齐3412CNC主要内容7.2 7.2 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。通电顺序为：通电顺序为：AABBBCCCAA 六拍。六拍。2）三相六拍工作方式）三相六拍工作方式CNC7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统BACCBA3412BACCBA3412BACCBA3412BACCBA3412BACCBA3412BACCBA3412A A通电通电ABAB通电通电B通电通电BCBC通电通电CACA通电通电C C通电通电CNC主要内容AABBBCCCAA（逆时针逆时针）AACCBCBBAA（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。7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统通电顺序通电顺序CNC主要内容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）ACCBBA（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，每步有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍旋转仍旋转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7.2 7.2 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)双三拍工作方式双三拍工作方式CNC主要内容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，齿数与步距角关系？，齿数与步距角关系？7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统 例如：转子例如：转子40个齿个齿，定子仍是，定子仍是 3对磁极，三相六拍。问对磁极，三相六拍。问步距角是多少？步距角是多少？CNC主要内容7.2.2 步进电机的主要特性步进电机的主要特性 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。每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。一一 般般 很很 小小，如如：3 1.5，1.5 0.75，0.72 0.36等等7.2 7.2 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步距角步距角CNC主要内容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 7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统静态：静态：不改变步进电机通电状态，转子处在不动状态。不改变步进电机通电状态，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过一一个个角角度度（失失调调角角），转转子子因因而而受受到到一个一个电磁转矩电磁转矩Mj的作用与负载平衡。的作用与负载平衡。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化曲线。变化曲线。CNC主要内容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 7.2 7.2 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动并进入不丢步的正常运行状态所允许的最高频率。启动并进入不丢步的正常运行状态所允许的最高频率。高于启动频率，将不能正常起动。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频率和负载转动惯量之间的关系。率和负载转动惯量之间的关系。步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。空载要低。CNC主要内容4运行矩频特性运行矩频特性 7.2 7.2 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。其其值值远远大大于于启动频率。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，输输出出转转矩矩与连续运行频率之间的关系。与连续运行频率之间的关系。CNC主要内容7.2.3 步进电机的分类步进电机的分类 1根据相数分类根据相数分类有有三、四、五、六相等三、四、五、六相等，相数越多，步距角越小。，相数越多，步距角越小。通电方式采用通电方式采用m相相m拍、双拍、双m拍和拍和m相相2m拍，拍，m相相m拍和拍和m相相2m拍通电方式中，可采用一拍通电方式中，可采用一/二相、二三相转换二相、二三相转换通电，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 7.2 7.2 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主要内容2根据产生力矩的原理分类根据产生力矩的原理分类 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：反反应应式式、永永磁磁式、混合式。式、混合式。7.2 7.2 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根据结构分类根据结构分类 步进电机可制成轴向分相式（多段式）、径向分相式步进电机可制成轴向分相式（多段式）、径向分相式（单段式）（单段式）CNC主要内容7.2.4 步进电机的环形分配器步进电机的环形分配器 7.2 7.2 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功功率率放放大大器器ABCCNC主要内容7.2.4 步进电机的环形分配器步进电机的环形分配器 7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统环形分配器的主要功能：环形分配器的主要功能：将数控装置送来的将数控装置送来的一串指令脉冲一串指令脉冲，按步进电机所要求的，按步进电机所要求的通电顺序分配给步进电机驱动电源的通电顺序分配给步进电机驱动电源的各相输入端各相输入端，以控，以控制励磁绕组的通断，实现步进电机的运行及换向。制励磁绕组的通断，实现步进电机的运行及换向。环环形形分分配配的的功功能能可可由由硬硬件件或或软软件件的的方方法法来来实实现现，分分别别称称为硬件环形分配器和软件环形分配器。为硬件环形分配器和软件环形分配器。CNC主要内容可由可由D触发器或触发器或JK触发器构成，亦可用专用集成芯片或触发器构成，亦可用专用集成芯片或通用可编程逻辑器件。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/HALFDIRCLKM7.2 7.2 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方向控制信号方向控制信号1硬件环形分配器硬件环形分配器CNC主要内容CH250是国产三相反应式步进电机环形分配器专用集成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双三拍和电路芯片，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三相六拍的工作方式7.2 7.2 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CNC主要内容7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统编编制制不不同同的的环环形形分分配配程程序序，直直接接驱驱动动步步进进电电机机各各绕绕组组的的通通、断断电电。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改变变步步进进电电机机的控制方案。的控制方案。2软件环形分配器软件环形分配器PIOPA0PA1PA2PA3PA4PA5光电耦合器光电耦合器放大放大 X 向步进电机 Z 向步进电机abcABCCNC7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统16进制进制CNC7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统用用mcs-51mcs-51单片机控制某机单片机控制某机床床x x 坐标工作台运动坐标工作台运动已知技术条件：已知技术条件：通电方式为三相六拍通电方式为三相六拍P P1 1口口的的输输出出线线P1.xP1.x为为“1 1”时时，步步进进电电机机相相应应的的绕绕组组通通电电，P1.xP1.x为为“0 0”时，则相应绕组失电。（时，则相应绕组失电。（P P1 1口高口高4 4位值为位值为0 0）要要求求：列列出出X X坐坐标标步步进进电电机机绕绕组组通通电电顺顺序序表表；设设计计X正正向向走走步的软件环形分配程序。步的软件环形分配程序。CNC7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统2100：MOV DPTR，#2A00H MOV R0，#00LOOP：MOV A，R0 MOVC A，A+DPTR MOV P1，A LCALL 1000 INC R0 CJNE R0，#06H，LOOP AJMP 2100DB 01H，03H，02H，06H，04H，05H1000：MOV R3，#FFDT1：MOV R4，#FFDT2：DJNZ R4，DT2 DJNZ R3，DT1 RETCNC主要内容进给脉冲频率进给脉冲频率f 定子绕组通电定子绕组通电/断电状态变化频率断电状态变化频率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。硬件环分：控制硬件环分：控制CLK的频率，控制电机的速度。的频率，控制电机的速度。软件环分：控制相邻两次软件环分状态之间的软件环分：控制相邻两次软件环分状态之间的延时延时，可控制电机线圈通电状态的变化频率。可控制电机线圈通电状态的变化频率。7.2 7.2 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速度控制步进电机的速度控制CNC主要内容作作用用：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流及及所所需要的脉冲波形需要的脉冲波形。种类种类：按采用的功率放大器件分：中功率晶体管、大功率晶按采用的功率放大器件分：中功率晶体管、大功率晶体管、大功率达林顿晶体管、可控硅体管、大功率达林顿晶体管、可控硅等；等；按工作原理分：单电压驱动、高低电压驱动、按工作原理分：单电压驱动、高低电压驱动、恒流斩恒流斩波、调频调压、细分电路波、调频调压、细分电路等。等。7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统7.2.5 功率放大电路功率放大电路步进电机有几相，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。CNC主要内容1高低电压切换驱动电路高低电压切换驱动电路7.2 7.2 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恒流斩波电路恒流斩波电路特点：特点：电流值降到下限设定值时，高压功率管导通，电流值降到下限设定值时，高压功率管导通，绕组电流上升，上升到上限设定值时，关断高压管。绕组电流上升，上升到上限设定值时，关断高压管。一个步进周期内，高压管多次通断，使电流在上、下一个步进周期内，高压管多次通断，使电流在上、下限间波动，接近恒定值。限间波动，接近恒定值。特点：特点：高压充电高压充电，保证电流以较快的速度上升，保证电流以较快的速度上升，低压供电低压供电，维持绕组中的电流为额定值。，维持绕组中的电流为额定值。CNC主要内容步进电机在低频段运行时，供电电压降低，在高频段运步进电机在低频段运行时，供电电压降低，在高频段运行时，供电电压升高。即供电电压随步进电机转速的增行时，供电电压升高。即供电电压随步进电机转速的增加而升高。既解决了低频振荡问题，也保证了高频运行加而升高。既解决了低频振荡问题，也保证了高频运行时的输出转矩时的输出转矩7.2 7.2 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调频调压驱动电路调频调压驱动电路4细分驱动电路细分驱动电路将绕组中的矩形电流波变成阶梯形电流波，控制电机将绕组中的矩形电流波变成阶梯形电流波，控制电机各相绕组电流的大小和比例。各相绕组电流的大小和比例。CNC主要内容7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 常用的直流电机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、常用的直流电机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、印刷绕组）杯型、印刷绕组）-进给驱动进给驱动 励磁式直流电机励磁式直流电机-主轴驱动主轴驱动 混合式直流电机混合式直流电机 无刷直流电机无刷直流电机 直流力矩电机直流力矩电机7.3.1 直流伺服电机分类直流伺服电机分类CNC主要内容组成：组成：磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片工工作作原原理理：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，切割磁力线，产生电磁转矩。切割磁力线，产生电磁转矩。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制7.3.2 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CNC主要内容7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制（一定）一定）电枢回路电压平衡方程式电枢回路电压平衡方程式感应电势与转速关系感应电势与转速关系电磁转矩电磁转矩7.3.2 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原原理理图图等等效效图图CNC主要内容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7.3 7.3 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越越小小（转转矩矩对对转转速速变变化化的的影影响响程度越小），机械特性越硬。程度越小），机械特性越硬。n0主要内容TTn n直直流流电电机机转转速速与与转转矩矩的的关关系系n=n=f(Tf(T)称称机机械械特特性性（静静态态特特性）性）直流电机的基本调速方式有三种直流电机的基本调速方式有三种:调节电阻调节电阻Ra、调节电枢电压调节电枢电压Ua和调和调节磁通节磁通的值。的值。7.3 7.3 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电枢电阻调速很少采用，电枢电阻调速很少采用，缺点：缺点：不经济：要得到低速，不经济：要得到低速，R R很大，则消耗大量电能；很大，则消耗大量电能；低速，特性很软，运转稳定性很差；低速，特性很软，运转稳定性很差；调节平滑性差，操作费力。调节平滑性差，操作费力。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制主要内容Tnn0R0R2R1CNC主要内容调节电枢电压调节电枢电压（调压调速）（调压调速）时，直流电机机械特性为时，直流电机机械特性为一组平行线，只改变电机的理想转速一组平行线，只改变电机的理想转速n n0 0 ，保持了原，保持了原有较硬的机械特性，所以有较硬的机械特性，所以调压调速调压调速主要用于主要用于伺服进给伺服进给驱动系统电机的调速驱动系统电机的调速如如果果n n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n n值值较较小小，因因此此，进进给给系系统统常常采用永磁式直流电机。采用永磁式直流电机。7.3 7.3 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主要内容调调节节磁磁通通（调调磁磁调调速速）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，所所以以调调磁磁调调速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。7.3 7.3 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主要内容7.3.3 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调速的概念有两个方面的含义调速的概念有两个方面的含义:1)1)改变电机转速：当指令速度变化时改变电机转速：当指令速度变化时,电机的速度随之电机的速度随之变化变化,并希望以最快的加减速达到新的指令速度值；并希望以最快的加减速达到新的指令速度值；2)2)当指令速度不变化时当指令速度不变化时,电机的速度保持稳定不变。电机的速度保持稳定不变。7.3 7.3 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主要内容7.3.3 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为调节电机转速和方向，为调节电机转速和方向，需对直流电压的大小和方向需对直流电压的大小和方向进行控制，如何控制进行控制，如何控制？直流伺服电机速度控制单元的作用：直流伺服电机速度控制单元的作用：将转速指令信号将转速指令信号转换成电枢的电压值转换成电枢的电压值，达到速度调节的目的。，达到速度调节的目的。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。7.3 7.3 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主要内容1 1晶闸管调速系统晶闸管调速系统常用于大功率及要求不很高的直流伺服电机调速控制。常用于大功率及要求不很高的直流伺服电机调速控制。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制主要内容速度速度调节器调节器电流电流调节器调节器触发脉冲触发脉冲发生器发生器可控硅可控硅整流器整流器电流反馈电流反馈速度反馈速度反馈电流检测电流检测编码器编码器电机电机U*n+-UnInI*n+-US 控制控制回路回路主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。速度环（速度环（PIPI）：速度调节，作用：好的静态、动态特性。）：速度调节，作用：好的静态、动态特性。电流环（电流环（P P或或PIPI）：电流调节，作用：系统快速性、稳定）：电流调节，作用：系统快速性、稳定 性改善。性改善。触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。后移。CNC7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制462791113581210ABCMUMUDKMKM+-主回路主回路由大功率晶闸管构成的三相全控桥式反并接可逆电由大功率晶闸管构成的三相全控桥式反并接可逆电路，分成二大部分（路，分成二大部分（和和 ），每部分内按三相桥式连接，），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，分别实现正转二组反并接，分别实现正转 和反转。和反转。各有一个可控硅同时导通，形成回路。各有一个可控硅同时导通，形成回路。CNC7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制1、3、5在正半周导通，在正半周导通，2、4、6在负半周导通。每组在负半周导通。每组内（即二相间）触发脉冲相位相差内（即二相间）触发脉冲相位相差120，触发脉冲的，触发脉冲的顺序：顺序：1-2-3-4-5-6，相邻之间相位差，相邻之间相位差60。为保证合闸为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通后两个串联可控硅能同时导通，或已截止的相再次导或已截止的相再次导通通，采用双脉冲控制。即每个触发脉冲在导通，采用双脉冲控制。即每个触发脉冲在导通60后，后，再补发一个辅助脉冲；也可以采用宽脉冲控制，宽度再补发一个辅助脉冲；也可以采用宽脉冲控制，宽度大于大于60，小于，小于120。CNC7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 只要改变可控只要改变可控硅触发角（即改变硅触发角（即改变导通角），就能改导通角），就能改变可控硅的整流输变可控硅的整流输出电压，从而改变出电压，从而改变直流伺服电机的转直流伺服电机的转速。速。触发脉冲提前，触发脉冲提前，增大整流输出电压；增大整流输出电压；触发脉冲延后，减触发脉冲延后，减小整流输出电压。小整流输出电压。uacbcaba)b)c)d)135 tub246bcatttt1 1 3 3 5 5 1 1 3 3 6 2 2 4 4 6 6 2 2 4 135246120120180601324606056CNC7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制同步信号同步信号方波信号方波信号矩齿波矩齿波矩齿波与直矩齿波与直流电压叠加流电压叠加 信号信号尖脉冲尖脉冲直流电压直流电压控制回路分析CNC主要内容2PWM调速控制系统调速控制系统利利用用大大功功率率晶晶体体管管的的开开关关作作用用，将将直直流流电电压压转转换换成成一一定定频频率率的的方方波波电电压压，加加到到直直流流电电动动机机的的电电枢枢上上；通通过过调调整整控控制制方方波波脉脉冲冲宽宽度度来来改改变变电电枢枢的的平平均均电电压压，从从而而调调节节电电机机的的转转速。速。控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。广泛广泛应用中、小功率直流伺服系统。应用中、小功率直流伺服系统。周期不变周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压平均直流电压Ut周期不变周期不变7.3 7.3 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主要内容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7.3 7.3 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：主要内容主要内容速度速度调节器调节器电流反馈电流反馈脉宽脉宽调制调制基极基极驱动驱动功功放放振荡器振荡器 电流电流调节器调节器M M速速度度指指令令 三相交流电三相交流电整流整流速度反馈速度反馈U UsrsrU USCSCUUU Ub b7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 控制回路：控制回路：速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。区别：区别：与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节 器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。CNC脉宽调制器脉宽调制器作用：将作用：将电压量电压量转换成可由控制信号调节的转换成可由控制信号调节的矩形脉冲矩形脉冲，为，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。脉宽电压。组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放大器。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 7.3 7.3 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 US rS r+U U）调制波形图调制波形图ttU U S rS r+U +U+U S roo-U S rttU US rS r为正时为正时U USrSr为负时为负时U U S rS r+U +U ttU USrSr为为0 0时时调制出正负脉宽一样调制出正负脉宽一样方波平均电压为方波平均电压为0 0调制出脉宽较宽的调制出脉宽较宽的波形平均电压为正波形平均电压为正调制出脉宽较窄的调制出脉宽较窄的波形平均电压为负波形平均电压为负7.3 7.3 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。每种电路又有型。每种电路又有单极性工作方式和单极性工作方式和双极性工作方式双极性工作方式，各种不同的工作方式，各种不同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又可组成可逆开关放大电路和不可逆开关放大电路。7.3 7.3 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：可逆主回路：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电路图电路图:4:4个大功率晶体管个大功率晶体管T1T1、T2T2、T3T3、T4T4及及4 4个续流二极管组成桥个续流二极管组成桥式电路。式电路。Ub1Ub1、Ub2Ub2、Ub3Ub3、Ub4Ub4为调制器输出的经脉冲分配、由基为调制器输出的经脉冲分配、由基极驱动转换过来的脉冲电压。分别加到极驱动转换过来的脉冲电压。分别加到T1T1、T2T2、T3 T3、T4T4基极。基极。USABD1D2D3D4MT1T2T4T3UdUABUb2Ub3OttUb1Ub 4Ot1TUS-USOttidid1id2id1id2O7.3 7.3 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-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 t1 1 T/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，即脉冲较窄时，即t t1 1 T/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，即脉冲宽度相等，即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由由驱驱动动电电压压脉脉冲冲宽宽度度决决定。定。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制CNC7.3 7.3 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主要内容直流电机缺点：直流电机缺点：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。近年来交流电机飞速发展，克服了直流电机结构上的近年来交流电机飞速发展，克服了直流电机结构上的缺点，充分发挥了坚固耐用、经济可靠、动态响应好