数控技术及应用项目7数控机床伺服系统课件.ppt

数控系统机床结构编码器数控技术及应用主讲人：目 录1数控机床基础知识2数控机床机械结构3数控机床插补原理4计算机数控系统5数控机床加工工艺与编程6位置检测技术7数控机床伺服系统07数控机床伺服系统数控机床伺服系统项目导读 本项目任务是引导学生学习数控机床伺服系统及相应的伺服元件。分述伺服系统构成类型及要求；分述步进电动机的结构类型及工作原理；分述步进电动机的使用特性及控制技术；分述主轴电动机的结构和原理；分述伺服电机的使用特性及控制技术；通过学习使学生全面了解数控机床伺服系统的工作原理及相关的驱动元件。知识目标能力目标掌握数控系统的组成。掌握数控步进电动机的结构、工作原理及控制技术。掌握数控伺服电动机的结构、工作原理及控制技术。能识别步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。能识别晶闸管直流调速器模块和交流变频调速模块。能叙述开环系统、闭环系统、半闭环系统的结构组成及工作原理。任务浏览任务7.2 步进电动机驱动系统应用任务7.1 数控机床伺服系统概述任务7.3 直流伺服控制技术应用任务7.4 交流伺服控制技术应用7.1.1 伺服系统的作用任务任务7.1 7.1 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。该系统包括了大量的电力电子器件、结构复杂、综合性强。进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说C装置是数控系统的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向、进给速度与位移量。1.按调节理论分类3.按被控对象分类7.1.2 伺服系统的分类2.按使用的执行元件分类开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环伺服系统。任务任务7.1 7.1 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述4.按反馈比较控制方式分类电液伺服系统、电液脉冲马达、电液伺服马达。进给伺服系统（指一般概念的位置伺服系统，包括速度控制环和位置控制环）、主轴伺服系统（只是一个速度控制系统）。脉冲、数字比较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统。1.精度高3.快速响应7.1.3 数控机床对伺服系统的要求2.稳定性好伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。包括定位精度和轮廓加工精度。任务任务7.1 7.1 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述4.调速范围宽5.低速大转矩稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下能在短暂的调节过程后达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。快速响应是伺服系统动态品质的重要指标。它反映了系统的跟踪精度。调速范围是指生产机械要求电动机能提供的最高转速和最低转速之比。进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制在整个速度范围内都要保持这个转矩主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。伺服系统的执行机构是伺服电动机，对伺服电动机的要求：调运范围宽且有良好的稳定性，低速时的速度平稳性。电动机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。反应速度快，电动机必须具有较小的转动惯量、较大的转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度。能承受频繁的启动、制动和正反转。7.2.1 步进电动机的结构及工作原理任务任务7.2 7.2 步进电动机驱动系统应用步进电动机驱动系统应用常见的步进电动机结构如图7.2、图7.3所示。7.2.2 步进电动机的使用特性1.步进电动机的基本特点（以反应式步进电动机为例）角度控制：每输入一个脉冲，定子绕组换接一次，输出轴就转过一个角度，其步数与脉冲数一致，输出轴转动的角位移与输入脉冲数成正比。速度控制：各相绕组不断轮流通电，步进电动机就连续转动。反应式步进电动机转速只取决于脉冲频率f、转子齿数z和拍数，而与电压、负载、温度等因素无关。当步进电动机的通电方式选定后，其转速只与输入脉冲频率成正比，改变脉冲频率就可以改变转速，可进行无级调速，调速范围很宽。任务任务7.2 7.2 步进电动机驱动系统应用步进电动机驱动系统应用2.矩角特性矩角特性又称静态特性，指绕组中电流恒定，使转子处在各个不同位置且固定不动时电磁转矩随偏转角变化的关系。定子一相绕组通以直流电后，如果转子上没有负载转矩的作用，转子齿和通电相磁极上的小齿对齐，这个位置称为步进电动机的初始平衡位置。如图7.13所示。矩角特性曲线,如图7.14所示，达到/2 时，即在定子齿与转子齿顺时针或反时针错开1/4个齿距时，转矩T沿对应方向达到最大值，称为最大静转矩TSMAX，负载转矩必须小于最大静转矩，否则，根本带不动负载。为了能稳定运行，负载转矩一般只能是最大静转矩的 30%50%左右。因此，这一特性反映了步进电动机带负载的能力。7.2.2 步进电动机的使用特性3.单步运行特性单步运行：加一个控制脉冲改变一次通电状态，这个工作状态称为单步运行。运行区域：包括静稳定区和动稳定区。单步运行特性：转子空间转角随时间做减幅振荡衰减运动。4.连续脉冲运行特性（1）极低频条件下运行(T tb)控制脉冲周期T大于转子单步运行振荡衰减时间tb，当第二个脉冲到来之前，第一个脉冲使得转子运行已经结束。电动机处于欠阻尼状态，产生振荡，不会失步和越步。（2）低频条件下运行(1/tbf4f0)。转子的运行特点：在第一个脉冲作用下，转子产生的振荡还没达到最大振幅，第二个脉冲已经到来，改变通电状态。电动机往往会超出稳定区而失步。任务任务7.2 7.2 步进电动机驱动系统应用步进电动机驱动系统应用7.2.2 步进电动机的使用特性6.脉冲信号的频率对电动机运行的影响 当脉冲信号频率很低时，控制脉冲以矩形波输入，电流波形比较接近于理想的矩形波；随着脉冲信号频率增高，由于电动机绕组中的电感有阻止电流变化的作用，因此电流波形发生畸变，频率越高，畸变越严重。如果脉冲频率过高，电流还来不及上升到稳定值I 就开始下降，于是，电流的幅值降低(由I 下降到I)，因而产生的转矩减小，致使带负载的能力下降。故频率过高会使步进电动机启动不了或运行时失步而停下。因此，对脉冲信号频率是有限制的。如图7.15所示。任务任务7.2 7.2 步进电动机驱动系统应用步进电动机驱动系统应用1.PLC直接控制步进电动机3.PLC直接控制步进电动机的编程使用PLC直接控制步进电动机时，可使用PLC产生控制步进电动机所需要的各种时序的脉冲。例如三相步进电动机可采用三种工作方式：可根据步进电动机的工作方式以及所要求的频率（步进电动机的速度），画出A、B、C各相的时序图。并使用PLC产生各种时序的脉冲。任务任务7.2 7.2 步进电动机驱动系统应用步进电动机驱动系统应用7.2.3 步进电动机驱动及控制技术2.采用西门子S7-300PLC控制三相步进电动机的过程（1）使用定时器指令实现各种时序脉冲的要求使用定器产生不同工作方式下的工作脉冲，然后按照控制开关状态输出到各相对应的输出点控制步进电动机。例如：使用如7.19图所示的程序可以产生所需要的脉冲：M0.0作为总控制状态位，控制脉冲发生指令是否启动。一旦启动，采用T0、T1、T2以及它们的组合可以得到三相单三拍和三相双三拍的两种工作方式下，各相的脉冲信号如T0的状态为三相单三拍工作状态下A相的脉冲。同理可使用类似程序得到三相单六拍时各相所需的脉冲信号。（2）使用移位指令实现各相所需的脉冲信号例如在MW10中进行移位，每次移位的时间为1 s。如图为三相单六拍正向时序流程图，三相单三拍可利用相同的流程图，从M11.1开始移位，每次移两位，而三相双三拍从M11.2开始，每次移两位。如图7.20所示。在程序段1中，先产生周期为1 s的脉冲信号，如图7.21所示。变量约定如下：输入：启动按钮SB1：I0.0 停止按钮SB2：I0.2 三相双三拍方式选择SA3：I0.4 输出：A相加电压：Q0.0 C相加电压：Q0.2 三相单三拍运行方式：Q0.4 三相六拍运行方式：Q0.6 方向选择开关SA1：I0.1 三相单三拍方式选择SA2：I0.3 三相六拍方式选择SA4：I0.5 B相加电压：Q0.1启动指示灯：Q0.3三相双三拍运行方式：Q0.5输出脉冲显示灯：Q0.7三相单三拍正向的时序图如7.16所示：三相双三拍正向的时序图如7.17所示：三相单六拍正向的时序图如7.18所示：1.步进脉冲的调频方法3.软件实现任务任务7.2 7.2 步进电动机驱动系统应用步进电动机驱动系统应用7.2.4 步进电动机的正、反转控制和调速 2.升降频方法软件延时：通过调用标准的延时子程序来实现。假定控制器基AT89S52单片机，晶振频率为12 MHz，那么可以编制一个标准的延时。子程序如下：该子程序的入口为(0E)(0D)两个字节，若需要20 000 us的延时，则给(0E)(0D)两个字节赋值4E20H，即执行下面程序：硬件定时：假定控制器仍为AT89S52单片机，晶振频率为12 MHz，将AT89S52的TD作为定时器使用，设定T0工作在模式1(16位定时计数器)。今要求它能定时地发出步进脉冲，其定时中断产生的脉冲序列的周期(即步进电动机的脉冲间隔)假定为20 000 s，则可算出TD所对应的定时常数为B1E0H，CPU相应的程序如下：步进电动机常用的升降频控制方法有3种：直线升降频。如图7.22所示。这种方法是以恒定的加速度进行升降，平稳性好，适用于速度变化较大的快速定位方式。加速时间虽然长，但软件实现比较简单。指数曲线升降频。如图7.23所示，这种方法是从步进电动机的矩频特性出发，根据转矩随频率的变化规律推导出来的。它符合步进电动机加减速过程的运动规律，能充分利用步进电动机的有效转矩，快速响应性能较好，升降时间短。指数升降控制具有较强的跟踪能力，但当速度变化较大时平衡性较差，一般适用于跟踪响应要求较高的切削加工中。抛物线升降频。如图7.24所示，抛物线升降频将直线升降频和指数曲线升降频融为一体，充分利用步进电动机低速时的有效转矩，使升降速的时间大大缩短，同时又具有较强的跟踪能力，这是一种比较好的方法。步进电动机在升降频过程中，脉冲序列的产生，即两个脉冲时间间隔的软件确定，有2种方法：（1）递增递减一定值如线性升降频，两脉冲频率的差值f=|fi-fi-1|是相等的，其对应的时间增量f也是相等。时间的计算若采用软件延时的方法，可先设置一个基本的延时单元Te，不同频率的脉冲序列可由Te的不同倍数产生。设启动时所用频率对应的时间常数为tNe以后逐次递减t(设t=tM)，直到等于运行频率所对应的时间(tRe)为止。（2）查表法步进电动机的矩频特性如图7.25所示，转矩M 是频率f 的函数(即角加速度d/dt=M(f)J，J 为电动机的转动惯量)，它随着f的上升而下降，所以它呈软的特性。因此，根据步进电动机的矩频特性，可以看出：在步进电动机的升频过程中，应遵循“先快后慢”的原则。按此要求，从开始升频到升至fb之间，按最佳升频要求的频率取出f1，f2，f3，fn并将它们所对应的脉冲间隔时间t1，t2，tn，依次存于内存的一个数据区，见表7.1(称阶梯频率表)。根据最佳升降频控制规律，可推出步进电动机的“频率-步长”关系曲线，如图7.26所示。这样，升频时除需将阶梯频率表存于内存的一个数据区内外，还需建立另一个数据区，用来存放阶梯步长(表7.2)。在升频过程中，可用查表的方法，分别得到fi=(ti)和所对应的Li，实现升降频控制。软件上的具体做法是：将fi(ti)和Li在EPROM中交替存放(表7.3)，程序执行时按顺序取数，每次取出一个频率和该频率对应的步长。7.3.2 直流主轴电动机的结构和原理机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”，这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来的电主轴单元，俗称为“电主轴”。如图7.34所示。直流主轴电动机的结构和普通直流电动机的结构基本相同，其主要区别是：在主磁极上除了绕有主磁极绕阻外，还绕有补偿绕阻，以便抵消转子反应磁动势对气隙主磁通的影响，改善电动机的调速性能；直流主轴电动机都采用轴向强迫通风冷却或热管冷却，以改善冷却效果。直流主轴电动机在基本速度以下为恒转矩范围，在基本速度以上为恒功率范围。直流主轴电动机采用双域调速系统调速。如图7.35所示。任务任务7.3 7.3 直流伺服控制技术应用直流伺服控制技术应用1.直流电动机的调速方法 直流电动机的转速公式：由此可以看出，直流电动机有三种调速方法：（1）改变电枢电压Ud调节电枢供电电压 Ud，能够实现无级调速。（2）改变磁通减弱励磁磁通，能够平滑调速。（3）改变电枢回路电阻（串附加电阻）改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在额定转速以上作小范围的弱磁升速。7.3.3 晶闸管直流调速系统2.直流调速系统的供电方式任务任务7.3 7.3 直流伺服控制技术应用直流伺服控制技术应用 常用的可控直流电源有以下三种：旋转变流机组用交流电动机和直流发电动机组成机组，以获得可调的直流电压。静止式可控整流器用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。直流脉宽调制变换器用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。（1）旋转变流机组由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电动机 G 实现变流，由 G 给需要调速的直流电动机M供电，调节 G 的励磁电流 if 即可改变其输出电压 U，从而调节电动机的转速n。这样的调速系统简称G-M系统。如图7.36所示。（2）静止式可控整流器图7.36中的VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。这样的调速系统简称V-M系统。如图7.37所示。与G-M系统相比较,晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电动机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。（3）直流脉宽调制变换器如图7.38所示，VT 表示电力电子开关器件，VD 表示续流二极管。当VT 导通时，直流电源电压 Us 加到电动机上；当VT 关断时，直流电源与电动机脱开，电动机电枢经 VD 续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图7.38（b），好像是电源电压Us在ton 时间内被接上，又在 T-ton 时间内被斩断，故称“斩波”。这样的系统称为直流脉宽调速系统,简称为PWM系统。PWM系统的优点主电路线路简单，需用的功率器件少。开关频率高，电流容易连续，谐波少，电动机损耗及发热都较小。低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达110 000左右。若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。1.不可逆PWM变换器（1）简单的不可逆PWM变换器简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统主电路原理图如图7.39所示，功率开关器件可以是任意一种全控型开关器件，这样的电路又称直流降压斩波器。7.3.4 晶体管直流脉宽调速系统2.桥式可逆PWM变换器任务任务7.3 7.3 直流伺服控制技术应用直流伺服控制技术应用图中Us为直流电源电压，C为滤波电容器，VT为功率开关器件，VD为续流二极管，M 为直流电动机，VT 的栅极由脉宽可调的脉冲电压系列Ug驱动。工作状态与波形,在一个开关周期内，当0 t ton时，Ug为正，VT导通，电源电压通过VT加到电动机电枢两端；当ton t T 时，Ug为负，VT关断，电枢失去电源，经VD续流。输出电压方程:电动机两端得到的平均电压为：式中=ton/T 为 PWM 波形的占空比，改变（01）即可调节电动机的转速，若令=Ud/Us为PWM电压系数，则在不可逆 PWM 变换器（2）有制动的不可逆PWM变换器电路在简单的不可逆电路中电流不能反向，因而没有制动能力，只能作单象限运行。需要制动时，必须为反向电流提供通路，如图7.40所示的双管交替开关电路。当VT1 导通时，流过正向电流+id，VT2 导通时，流过-id。应注意，这个电路还是不可逆的，只能工作在第一、二象限，因为平均电压Ud并没有改变极性。工作状态与波形：一般电动状态,在一般电动状态中，始终为正值（其正方向如图7.40中所示）。设ton为VT1的导通时间，则一个工作周期有两个工作阶段：在0 t ton期间，Ug1为正，VT1导通，Ug2为负，VT2关断。此时，电源电压Us加到电枢两端，电流id沿图中的回路1流通。在 ton t T 期间，Ug1和Ug2都改变极性，VT1关断，但VT2却不能立即导通，因为id沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使它失去导通的可能。输出波形：一般电动状态的电压、电流波形与简单的不可逆电路波形完全一样，如图7.41所示。制动状态:在制动状态中，id为负值，VT2就发挥作用了。这种情况发生在电动运行过程中需要降速的时候。这时，先减小控制电压，使Ug1的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压Ud降低。但是，由于机电惯性，转速和反电动势E还来不及变化，因而造成EUd的局面，很快使电流id反向，VD2截止，VT2开始导通。制动状态的一个周期分为两个工作阶段：在 0 t ton期间，VT2关断，id沿回路 4 经 VD1 续流，向电源回馈制动，与此同时，VD1两端压降钳住VT1使它不能导通。在 ton t T期间，Ug2变正，于是VT2导通，反向电流 id 沿回路 3 流通，产生能耗制动作用。因此，在制动状态中，VT2和VD1轮流导通，而VT1始终是关断的，此时的电压和电流波形如图7.42所示。轻载电动状态：有一种特殊情况，即轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在关断后经续流时，还没有到达周期 T，电流已经衰减到零，此时，因两端电压也降为零，便提前导通了，使电流方向变动，产生局部时间的制动作用。轻载电动状态，一个周期分成四个阶段：第1阶段，VD1续流，电流-id沿回路4流通；第2阶段，VT1导通，电流id沿回路1流通；第3阶段，VD2续流，电流id沿回路2流通；第4阶段，VT2导通，电流-id沿回路3流通。在1、4阶段，电动机流过负方向电流，电动机工作在制动状态；在2、3阶段，电动机流过正方向电流，电动机工作在电动状态。因此，在轻载时，电流可在正负方向之间脉动，平均电流等于负载电流，其输出波形如图7.43所示。可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图7.44所示。这时，电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器。H形主电路结构双极式控制方式（1）正向运行(图7.45)第1阶段，在 0 t ton 期间，Ug1、Ug4为正，VT1、VT4导通，Ug2、Ug3为负，VT2、VT3截止，电流id沿回路1流通，电动机M两端电压UAB=+Us。第2阶段，在ton t T 期间，Ug1、Ug4为负，VT1、VT4截止，VD2、VD3续流，并钳位使VT2、VT3保持截止，电流 id 沿回路2流通，电动机M两端电压UAB=-Us。（2）反向运行第1阶段，在 0 t ton 期间，Ug2、Ug3为负，VT2、VT3截止，VD1、VD4 续流，并钳位使 VT1、VT4截止，电流-id 沿回路4流通，电动机M两端电压UAB=+Us。第2阶段，在ton t T 期间，Ug2、Ug3 为正，VT2、VT3导通，Ug1、Ug4为负，使VT1、VT4保持截止，电流-id 沿回路3流通，电动机M两端电压UAB=-Us。输出波形，如图7.45所示。输出平均电压：双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：电流一定连续。可使电动机在四象限运行。电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区。低速平稳性好，系统的调速范围可达120 000左右。低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。直流脉宽调速系统的机械特性：由于采用脉宽调制，严格地说，即使在稳态情况下，脉宽调速系统的转矩和转速也都是脉动的。所谓稳态，是指电动机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系。带制动的不可逆电路电压方程：对于带制动电流通路的不可逆电路，电压平衡方程式分两个阶段：对于双极式控制的可逆电路，只在第二个方程中电源电压由 0 改为-Us，其他均不变。于是，电压方程为:按电压方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式。平均电流和转矩分别用 Id 和 Te 表示，平均转速 n=E/Ce，而电枢电感压降的平均值 Ldid/db 在稳态时应为零。于是，无论是上述哪一组电压方程，其平均值方程都可写成：或用转矩表示:PWM调速系统机械特性如图7.46所示的机械曲线是电流连续时脉宽调速系统的稳态性能。图7.46中仅绘出了第一、二象限的机械特性，它适用于带制动作用的不可逆电路，双极式控制可逆电路的机械特性与此相仿，只是更扩展到第三、四象限了。对于电动机在同一方向旋转时电流不能反向的电路，轻载时会出现电流断续现象，把平均电压抬高，在理想空载时，Id=0，理想空载转速会达到n0sUs/Ce。7.4.1 交流伺服电动机伺服电动机的轴上带有被控制的机械负载(由于电动机转速较高，一般均通过减速齿轮再与负载相连接)，在电动机绕组的两端施加控制电信号Uk。当要求负载转动的电信号Uk一旦加到电动机的绕组上时，伺服电动机就要立刻带动负载以一定的转速转动；而当Uk为0时，电动机应立刻停止不动。Uk大，电动机要转得快；Uk小，电动机转得慢；当Uk反相时，电动机要随之反转。所以，伺服电动机是将控制电信号快速地转换为转轴转动的一个执行元件。由于交流伺服电动机在控制系统中主要作为执行元件，自动控制系统对它提出的要求主要有下列几点：转速和转向应方便地受控制信号的控制，调速范围要大。整个运行范围内的特性应具有线性关系，保证运行的稳定性。当控制信号消除时，伺服电动机应立即停转，也就是要求伺服电动机无“自转”现象。控制功率要小，启动转矩应大。机电时间常数要小，始动电压要低。当控制信号变化时，反应应快速灵敏。任务任务7.4 7.4 交流伺服控制技术应用交流伺服控制技术应用1.交流主轴电动机的种类和特点7.4.2 交流主轴电动机2.结构和工作原理（1）异步型交流主轴电动机异步交流主轴电动机是指交流异步电动机，它有三相和单相之分，也有笼型和绕线转子之分，通常多用笼型三相异步电动机。优点：结构简单，与同容量的直流电动机相比重量轻1/2，价格便宜1/3。缺点：转速受负载的变化影响较大，不能经济地实现范围较广的平滑调速，效率较低、功率因数低。应用：数控机床的主轴驱动系统。任务任务7.4 7.4 交流伺服控制技术应用交流伺服控制技术应用（2）同步型交流主轴电动机同步型交流主轴电动机比异步电动机复杂，但比直流电动机简单。它的定子与异步电动机一样，都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，同步型交流伺服电动机分为电磁式及非电磁式两大类。永磁式同步电动机的优点：结构简单、运行可靠、体积约小1/2、质量减轻60、转子惯量可减小到1/5、效率较高。缺点：启动特性欠佳、控制复杂。应用：数控机床的进给驱动系统。以永磁交流同步电动机的结构为例：电动机主要由定子、转子和检测元件组成。如图7.47所示。工作原理：永磁交流同步电动机工作原理，当定子三相绕组通上交流电源后，就产生了一个旋转磁场，该磁场以同步转速ns旋转。根据磁极同性相斥，异性相吸的原理，定子旋转磁极吸引转子永久磁极，并带动转子一起同步旋转。当转子加上负载旋转后，会造成定子磁场轴线与转子磁极轴线的不重合，如图中所示的角。随着负载的加大，角也加大，当负载减少时，角也会随着减少。只要不超过一定限度，转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步速度旋转。当负载超过一定极限，转子不再按同步转速旋转，也可能不转，此负载的极限被称为最大同步转矩。7.4.3 交流伺服电动机的变频调速技术1.交流伺服电动机原理和性能交流主轴电动机与普通感应式伺服电动机的工作原理相同。由电工学原理可知，在电动机定子三相绕组通以三相交流电时，会产生旋转磁场，这个磁场切割转子中的导体，导体感应电流与定子磁场相互作用产生电磁转矩，从而推动转子转动，其转速nr为：由以上两式可见，只要改变交流伺服电动机的供电频率f1，即可改变交流伺服电动机的转速，所以交流伺服电动机调速应用最多的是变频调速。变频调速的主要环节是：为电动机提供频率可变的电源变频器。任务任务7.4 7.4 交流伺服控制技术应用交流伺服控制技术应用7.4.3 交流伺服电动机的变频调速技术1.交流伺服电动机原理和性能变频器可分为：交交变频、交直交变频。交交变频方式是利用可控硅整流器直接将工频交流电（频率50 Hz）变成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输出反脉冲，这个脉动交流电的基波就是所需的交频电压。如图7.49所示。这种调频方式所得的交流电波动比较大，而且最大频率即为变频器输入的工频电压频率。交-直-交变频方式先将交流电整成直流电，然后将直流电压变成矩形脉冲波电压，这个矩形脉冲波的基波就是所需的变频电压。如图7.50所示。这种调频方式所得的交流电的波动小，调频范围比较宽，调节线性度好。数控机床上常采用交直交变频调速。任务任务7.4 7.4 交流伺服控制技术应用交流伺服控制技术应用1.三相二相变换7.4.4 交流伺服电动机的矢量控制调速技术2.矢量旋转变换任务任务7.4 7.4 交流伺服控制技术应用交流伺服控制技术应用等效条件是两相电流i、i与三相电流iA、iB、iC满足如下关系：二相/三相逆变换关系为：将二相交流电动机变换为等效的直流电动机。将三相交流电动机变换为二相交流电动机后，还需要将二相交流电动机变换为等效的直流电动机。方法是：静止/旋转变换是将-两相固定坐标系中的交流电流i、i变换为直流电动机的励磁电流id和电枢电流iq,即变换为以转子磁场定向的直角坐标系的直流量，变换的条件是保证合成磁场不变，i、i合成矢量是将其向一个旋转直角坐标系分解，坐标系旋转的同步角速度仍为1，旋转磁场的磁通仍为1。静止和旋转坐标系之间的夹角是转子位置角，可用安装在电动机上的编码器来获得。静止/旋转变换的矩阵表达式为：其逆变换矩阵为：以上所述的交流电动机的矢量控制的基本思想和控制过程可用图7.51、图7.52所示的框图来表达，根据矢量变换原理就可组成交流伺服电动机矢量控制变频调速系统。将三相交流电动机变化为等效的二相交流电动机以及与其相反的变化。采用的方法：把异步电动机的A、B、C三相坐标系的交流量变换为-两相固定坐标系的交流量在交流电动机三相定子绕组A、B、C上通以相位差为120的三相交流iA、iB、iC，因而产生同步角速度为1的旋转磁场，其磁通量为1,将这样的一个三相交流电动机等效成一个二相交流电动机，该二相交流电动机的两个定子绕组、在空间正交，分别通以两相交流电流i、i，产生的旋转磁场的同步角速度和磁通与三相交流电动机一致，则该二相交流电动机与三相交流电动机等效。7.4.5 矢量变换SPWM变频调速实例SPWM控制波的生成:正弦波三角波调制如图7.54所示。Q：电压比较器。UR：由指令脉冲转换来的,正弦控制波。U：三角波发生器。要获得三相SPWM脉冲宽度调制波形，则需要三个互成120的控制电压UA、UB、UC分别与同一三角波比较，获得三路互成120SPWM脉冲宽调制波U0A、U0B、U0C，如图为三相SPWM波的调制原理图，三相控制电压UA、UB、UC的幅值和频率都是可调的。三角波频率为正弦波频率3倍的整数倍，所以保证了三路脉冲调制波形U0A、U0B、U0C与时间轴所组成的面积随时间的变化互成120相位角。任务任务7.4 7.4 交流伺服控制技术应用交流伺服控制技术应用7.4.5 矢量变换SPWM变频调速实例三相电压型SPWM变频器的主回路有两部分组成，即左侧的桥式整流电路和右侧的逆变器电路，逆变器是其核心。如图7.55所示，桥式整流电路的作用是将三相工频交流电变成直流电；而逆变器的作用则是将整流电路输出的直流电压逆变成三相交流电，驱动电动机运行。三相逆变电路有6只具有单向导电性的大功率开关管VT1VT6组成。每支功率开关上反并联一支续流二极管，即图中VD1VD6，为负载电流滞后提供一条反馈到电源的通路。6支功率开关每隔60电角度导通一支，相邻的两支的功率开关导通时间相差120，一个周期共换向6次，对应6个不同的工作状态（又称为六拍）。根据功率开关导通持续的时间不同，可以分为180导通型和120导通型两种工作方式。导通方式不同，输出电压波形也不同。任务任务7.4 7.4 交流伺服控制技术应用交流伺服控制技术应用知识拓展直线电动机知识拓展直线电动机世界上第一台在展览会上展出的，采用直线电动机直接驱动的高速加工中心是德国Ex-Ce-II-O公司1993年9月在德国汉诺威欧洲机床博览会上展出的XHC240型加工中心，采用了德国Indrmat公司的感应式直线电动机，各轴的快速移动速度为80 mmin，加速度高达1 g，定位精度达0.005 mm，重复定位精度达0.002 5 mm。直线电动机是一种能将电信号直接转换成直线位移的电动机。由于直线电动机无须转换机构即可直接获得直线运动，所以它没有传动机械的磨损，并具有噪声低、结构简单、操作维护方便等优点，在生产实践中得到了广泛的应用。在数控设备中，直线电动机也已成为重要的驱动元件。1.1.直线电动机工作原理直线电动机工作原理直线电动机的工作原理与旋转电动机相比并没有本质的区别，就是将旋转电动机的转子、定子以及气隙分别沿轴线剖开，展成平面状，使电能直接转换成直线机械运动，如图7.57所示。对应于旋转电动机的定子部分，称为直线电动机的初级；对应于旋转电动机的转子部分，称为直线电动机的次级。当多相交变电流通入多相对称绕组时，就会在直线电动机初级和次级之间的气隙中产生一个行波磁场，从而使初级和次级之间相对移动。当然，两者之间也存在一个垂直力，可以是吸引力，也可以是排斥力。直线电动机可以分为直流直线电动机、步进直线电动机和交流直线电动机三大类。在机床上主要使用交流直线电动机。在结构上，可以有如图7.58所示的短次级和短初级两种形式。为了减小发热量和降低成本，高速机床用直线电动机一般采用如图7.58（）所示的短初级结构。在励磁方式上，交流直线电动机可以分为永磁（同步）式和感应（异步）式两种。永磁式知识拓展直线电动机1.1.直线电动机工作原理直线电动机工作原理线电动机在单位面积推力、效率和可控性等方面均优于感应式直线电动机，但其成本高，工艺复杂，而且给机床的安装、使用和维护带来不便。感应式直线电动机在不通电时是没有磁性的，有利于机床的安装、使用和维护。近年来，其性能不断改进，已接近永磁式直线电动机的水平，在机械行业十分受欢迎。知识拓展直线电动机1.1.直线电动机工作原理直线电动机工作原理2.2.使用直线电动机的高速机床系统的特点使用直线电动机的高速机床系统的特点速度高，可达60mmin。惯性小，加速度特性好，可达g，易于高速精确定位。使用直线伺服电动机，电磁力直接作用于运动体，即工作台上，而不用机械连接，因此，没有机械滞后或齿节周期误差，精度完全取决于反馈系统的检测精度。直线电动机上装配全数字伺服系统，可以达到极好的伺服性能。由于电动机和工作台之间无机械连接件，工作台对位置指令几乎是立即反应，电气时间常数约为1ms，使跟随误差减至最小，达到较高的精度。并且，在任何速度下都能实现非常平稳的进给运动。知识拓展直线电动机2.2.使用直线电动机的高速机床系统的特点使用直线电动机的高速机床系统的特点无中间传动环节，不存在摩擦、磨损、反向间隙等问题，可靠性高，寿命长。直线电动机系统在动力传动中，由于没有低效率的中介传动部件而能达到高效率，可获得很好的动态刚度。动态刚度即为在脉冲负荷作用下，伺服系统保持其位置的能力。行程长度不受限制，并可在一个行程全长上安装使用多个工作台。由于直线电动机的初级已和机床的工作台合二为一，因此，与滚珠丝杠进给单元不同，直线电动机进给单元只能采用闭环控制系统。3.3.直线电动机在机床应用存在的问题直线电动机在机床应用存在的问题由于没有机械连接或啮合，因此，垂直轴需要外加一个平衡块或制动器。当负荷变化大时，需要重新整定系统。目前，大多数现代控制装置具有自动整定功能，因此能快速调机。磁铁或线圈对电动机部件的吸力很大，因此，应注意选择导轨和设计滑架结构，并注意解决磁铁吸引金属颗粒的问题。数控系统机床结构编码器本项目学习结束THANKS