数控机床的伺服系统.pdf

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1、第6章 数控机床的伺服系统 数控机床的伺服系统 数控机床的伺服系统 6.1 概述 一、 伺服系统的组成 6.1 概述 一、 伺服系统的组成 数控机床的伺服系统按其功能可分为：进给伺服系统和主轴伺服系 统。 主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动。 进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制 量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执 行部件组成。 进给伺服系统的作用：接受数控装置发出的进给速度和位移指令信 号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺 服电机、功率步进电机等）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

2、动。 数控机床的进给伺服系统能根据指令信号精确地控制执行部件的运动 速度与位置，以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。 如果把数控装置比作数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，那 么伺服系统就是数控机床的“四肢”，是执行“命令”的机构，它是一个不折不 扣的跟随者。 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 图6-1 闭环进给伺服系统结构 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，这是一个双闭环系统，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

3、 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。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是 由CNC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。 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 由速度检测装置提供速度反馈值的速度环控制在进给驱动装置内 完成，而装在电动机轴上或机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈 值构成的位置环由数控装置来完成。伺服系统从外部来看，是一个以位 置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控制系统。但从内部的实际工 作来看，它是先把位置控制指令转换成相应的速度信号后，通过调速系 统驱动伺服电机

4、，才实现实际位移的。 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 1. 调速范围宽 为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统 具有足够宽的调速范围。一般0-24m/min. 2. 可逆运行 3. 足够的传动刚度和高的速度稳定性 4. 快速响应和无超调 5高 精度 6 低速大转矩 7 对伺服电机的要求 速度变化平滑；过载、低速能力；小惯量高响应。 8 对主轴驱动的要求 高切削效率；调速宽；一定的恒转矩和恒功率 6.1.2 对伺服系统的基本要求6.1.2 对伺服系统的基本要求 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 一、步进电机工作原理一、步进电机工作原理

5、 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，速度也受到步进电机性能的限 制。 6.2 步进电机及其驱动装置步进电机及其驱动装置 工作台 驱 动 控 制 线路 图6-2开环伺服系统简图 指令脉冲 步进电机 齿轮箱 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统

6、步进电机在结构上分为定子和转子两部分。 有永磁式(PM,permanent magnet),磁阻式(VR,variable reluctance),和 混合式(HB,hybrid)等。 以图6-3所示反应式(磁阻式)三相步进电机. A A B B C C 定子 转子 绕组 图6-3 三相反应式步进电机结构 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A、B、C三相。转子无绕组，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 轮流通电时，A、B、C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，将其吸引过来，而使

7、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，转子便按一定方向不 停地转动。步进电机每次转过的角度称为 步距角。 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 图6-5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90。当A相通电时，转子1、3齿被磁极A产生的电磁引力吸引过 去，使1、3齿与A相磁极对齐。接着B相通电，A相断电，磁极B又把距它最近的 一对齿2、4吸引过来，使转子按逆时针方向转动30。然后C相通电，B相断电， 转子又逆时针旋转30，依次类推，定子

8、按ABCA顺序通电，转子就一步步 地按逆时针方向转动，每步转30。若改变通电顺序，按ACBA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30o。 这种控制方式叫三相单三拍方式，“单”是指每次只有一相绕组通电，“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。 A A B B C C 1 2 3 4 A A B B C C 1 2 3 4 A A B B C C 1 2 3 4 逆时针转30 逆时针转30 逆时针转30 www.91HMI

9、.com 第6章 数控机床的伺服系统 采用三相双三拍控制方式，即通电顺序按ABBCCAAB（逆时针 方向）或ACCBBAAC（顺时针方向）进行，其步距角仍为30。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。 如果按AABBBCCCAA顺序通电，即首先A相通电，然 后A相不断电，B相再通电，即A、B两相同时通电，接着A相断电而B相 保持通电状态，然后再使B、C两相通电，依次类推，每切换一次，步进 电机逆时针转过15。如通电顺序改为AACCCBBBAA，则 步进电机以步距角15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

10、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。 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 设设 A 相首先通电，转子齿与定子相首先通电，转子齿与定子 A 、 、 A 对齐（图 对齐（图 3a ）。然后在）。然后在 A 相继续通电 的情况下接通 相继续通电 的情况下接通 B 相。这时定子相。这时定子 B 、 B 极 对转子齿 极 对转子齿 2 、 4 产生磁拉力，使转子顺时针 方向转动，但是 产生磁拉力，使转子顺时针 方向转动，但是 A 、 A 极继续拉住齿 极继续拉住齿 1 、 3 ，因此，转子转到两个磁拉力平衡为 止。这时转子的位置如图 ，因此，

11、转子转到两个磁拉力平衡为 止。这时转子的位置如图 3b 所示，即转子 从图 所示，即转子 从图 (a) 位置顺时针转过了位置顺时针转过了 15 。接着 。接着 A 相断电，相断电， B 相继续通电。这时转子齿相继续通电。这时转子齿 2 、 4 和定子和定子 B 、 B 极对齐（图 极对齐（图 c ），转子从 图 ），转子从 图 (b) 的位置又转过了的位置又转过了 15 。其位置如图 。其位置如图 3d 所示。这样，如果按所示。这样，如果按 AA 、 、 BBB 、 CCC 、 AA 的顺序轮 流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转 动，步距角 的顺序轮 流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转

12、 动，步距角 15 。电流换接六次，磁场旋 转一周，转子前进了一个齿距角。如果按 。电流换接六次，磁场旋 转一周，转子前进了一个齿距角。如果按 AA 、 CCC 、 BBB 、 AA 的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。 这种通电方式称为六拍方式。 的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。 这种通电方式称为六拍方式。 a.)A 相通电 .A 、 B 相通电 .B 相通电 .B 、 C 相通电 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 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 相等的小齿，且齿数要有一定比 例的配合。 www.91HMI.com 第6章 数控机床的

13、伺服系统 KmZ 360 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。 6.2.2 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

14、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) mZ s 360 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 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， 如图6-5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

15、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）。 图 6 - 5 静态矩角特性 O Mjmax M 静态稳定区 - -/2 /2 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。 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 3. 最大启动转矩Mq 图6-7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Ma Mq ，对应的失调角为a ，当

16、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Mbf2f3f4 f2 f3 图6-18 恒转矩调速特性曲线 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 2. 恒最大转矩（Tm ）调速 为了在低速时保持最大转矩Tm 不变，就必须采取E1 /f1 =常数的协调控 制，显然，这是一种理想的保持磁通恒定的控制方法。恒Tm 调速的机械 特性见图6-19所示，对应于同一转矩，转速降基本不变，即直线部分斜率 不变，机械特性平行地移动。 n T f4 f1 f1f2f3f4 f2 f3 图6-19 恒Tm 调速特性曲线 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 n

17、 T f4 f1 f1f2f3f4 f2 f3 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。 图6-20 恒功率调速特性曲线 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 6.3.2 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.B

18、lachke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=KT Ia）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。 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 图6-21a所示三相异步交流电

19、机在空间上产生一个角速度为0 的旋转 磁场。如果用图6-21b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6-21a和图6-21b中的两套绕组是等效的。若给图6-21c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6-21a一样。 图6-21 交流电机三相/二相直流电机变换 0 0 0 B C www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 1. 三相A、B、C系统变换到两相

20、、系统 0 0 0 B C 这种变换是将三相交流电机变为等效的二相交流电机。图6-21a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 ，则可以认为图6-21a、b 中的两套绕组是等效的。 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 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

21、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（见图6-22a）。 FB F 600FA F FC 图6-22a 三相磁动势的变换 CBCB CBACBA FFFFF FFFFFFF 2 3 2 3 60sin60sin 2 1 2 1 60cos60cos 按照磁势与电流成正比关系，可求得对应的 电流值i 和 i (6-7) CB CBA iii iiii 2 3 2 3 2 1 2 1 (6-8) 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-

22、21b。 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 cossin sincos iii iii q d 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

23、 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 i1 id iq 图6-22b三相磁动势的变换 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 d q q d i i tg iii 22 1 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 (6-10) 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。 www.91HMI.com

24、第6章 数控机床的伺服系统 （ 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

25、不受限制，目前应用得比较广泛，本书以这种变频器为例做介绍。 整流电路平波电路逆变电路 控制电路 逆变器 输入恒电压， 恒频率 输出可变电压， 可变频率 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。 变频器基本组成 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 图6-23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

26、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D1 D6 ， 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）T1 T6 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。 A B C 电源 图6-23 PWM变频器的主电路原理图 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 T1 T5 T2 T3 T4 T6 t1t2t3t4t

27、5 t6 下面讨论逆变管T1 T6 以怎样的顺序动作（导通和关断）才能将直流电变为 三相交流电， 如图6-24所示， 在t1 、t2 时间内，V1 、V6 同时导通，A为正，B为负，uAB 为正。 在t4 、t5 时间内，V3 、V4 同时导通，A为负，B为正，uAB 为负。 在t3 、t4 时间内，T3 、T2 同时导通，B为正，C为负，uBC 为正。 在t6 、t1 时间内，T5 、T6 同时导通，B为负，C为正，uBC 为负。 在t5 、t6 时间内，T5 、T4 同时导通，C为正，A为负，uCA 为正。 在t2 、t3 时间内，T1 、T2 同时导通，C为负，A为正，uCA 为负。 图

28、6-24 各逆变管的通断安排 图所示为逆变管的工作情况，图中阴影 部分为各逆变管的导通时间，其余为关断 状态。 1.直流变交流 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 3000 3000 3000 uAB 600 uBC uCA 1200 180024003600 6001200 180024003600 6001200 1800 2400360000 00 00 t t t 图6-25 三相逆变桥的输出电压 逆变桥输出的线电 压波形如图6-25所示， 由图可见，各相之间的 相位互差1200 ，它们的 幅值都与直流电压Ud 相 等。 只要按照一定的规 律来控制逆变管的导通 与截

29、止，就可以把直流 电逆变成三相交流电。 改变逆变管导通和关断 时间，即可得到不同的 输出频率。 利用脉冲宽度调制 逆变器可实现变频也变 压。 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 2.PWM直流变交流 PWM调速原理 图6-26 PWM调速系统原理图 UU ii d q d 电枢平均电压： 脉冲的占空比： 22 21 1 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 1 2 O t a) u 1 2 T O t b) u T 图6-27 脉宽调制的输出电压 如图所示，因电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，改变输出电压脉 冲的占空比，就能同时实现变频和变压。

30、与图6-27a相比，图6-27b所示电压周期 增大（频率降低），而占空比减小，故平均电压降低。 如图所示，因电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，改变输出电压脉 冲的占空比，就能同时实现变频和变压。与图6-27a相比，图6-27b所示电压周期 增大（频率降低），而占空比减小，故平均电压降低。 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 采用PWM方法控制逆变管的通、断时，可获得一组幅值相 等、宽度相同的矩形脉冲，改变矩形脉冲的宽度可控制其输出电 压，改变调制周期可控制其输出频率，同时实现变压和变频。 因输出电压波形为矩形波，具有许多高次谐波成分。对电机来 说，有用的是电压的

31、基波。为了减少谐波影响，提高电机的运行性 能，应采用对称的三相正弦波电源为三相交流电机供电。 正弦波脉 宽调制型逆变器（SPWM）的输出端可获一组等幅而不等宽的矩形 脉冲波形，来近似等效于正弦电压波。 SPWM脉宽调制波形，当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最 大，而脉冲的间隔则最小。反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也 小，而脉冲的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中 的高次谐波成分大大减少。 3. SPWM www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 下面介绍用正弦波（调制波）控制，三角波（载波）调制的采用模 拟电路元件实现SPWM（正弦波脉宽调制）控制的变频器的工作原理

32、。 如图6-28所示，首先由模拟元件构成的三角波和正弦波发生器分别 产生三角波信号VT 和正弦波信号VS ，然后送入电压比较器A，产生SPWM调制 的矩形脉冲。 VT Ud VS+ _ A 图6-28电路原理图 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 图6-29 脉宽调制波的形成 1 2 3 4 5 a) 14 13 u + Ud /2 -Ud /2 b) 图6-29a所示的数字位置为这二种波形交点，决定了逆变器某相元件的通断时 间（在此为A相），即V1 和V4 的通断，决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲间的间 隔宽度。当正弦波高于三角波时，开关器件V1 导通、V4 关断，使负

33、载上得到的 相电压为uA =Ud /2；当正弦波低于三角波时，开关器件V1 关断、V4 导通，负载 上的相电压为uA =Ud /2；调制波和载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲 系列，调制出脉宽波形如图6-29b。由相电压合成为线电压时，如uAB =uA -uB ， 可得逆变器输出线电压脉冲系列，其脉冲幅值为Ud 和Ud 。 uA www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 改变调制波的频率时，输出电压基波的频率也随之改变；增加调 制波的幅值时，各段脉冲的宽度都将变宽，从而使输出电压基波的幅 值也相应变大。 如果用这样的矩形脉冲作为逆变管的控制信号，则在逆变器输出 端可以获得一组

34、类似的矩形脉冲，其幅值就是直流侧的整流电压Ud ， 其宽度是按正弦规律变化的。 采用模拟电路调制的优点是完成VT 与VS 信号的比较和确定脉冲宽 度所用的时间短，几乎是瞬间完成的。然而，这种方法的缺点是所需 要硬件较多，而且不够灵活，改变参数和调试比较麻烦。 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 采用数字电路的SPWM逆变器，可采用以软件为基础的控制模 式。优点是所需硬件少，灵活性好和智能性强。缺点是需要通过 计算确定SPWM的脉冲宽度，有一定的延时和响应时间。然而，随 着高速度、高精度多功能微处理器、微控制器和SPWM专用芯片的 发展，采用微机控制的数字化SPWM技术已占当

35、今PWM逆变器的主 导地位。 微机控制的SPWM控制模式有多种，以规则取样法为例来介 绍。微机是采用计算的办法寻找三角波VT 与参考正弦波VS 的交点 从而确定SPWM脉冲宽度的。VT 和VS 的交点A1 、B1 能准确求得，从 而确定脉冲宽度t2 ，但计算工作量较大。为简化计算，可采用 近似的求VT 和VS 交点的方法。通过两个三角波峰之间中线与VS 的 交点m作水平线与两个三角波分别交于A和B点，由交点A和B确定 的SPWM脉宽为t2 ，显然，t2 与t2 数值相近。 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 m ST STT t TU UTT t 2 sin 22 2 m

36、ST STT T t TU UTT tTtt 2 sin 222 1 )( 2 1 231 规则取样法就是用VT 和VS 近似交点A和B代替实际的交点A1 和B1 ，用以确定 SPWM脉冲信号的。这种方法虽然有一定的误差，但却大大减少了计算工作 量。由图6-30可很容易地导出规则取样法的计算公式。设三角波和正弦波的 周期分别为TT 和TS ，幅值分别为UT 和US 。t1 为在TT 时间内，在脉冲发生以前 （即A点以前）的间歇时间，t2 为AB之间的脉宽时间，t3 为在TT 以内B点以后的 间隙时间。显然TT =t1 +t2 +t3 ，t1 、t3 及t2 可由下式计算 B TT t2 t2

37、A t1 B1 A1 t3 VT VS m tm t V 图6-30 规则取样SPWM调制模式 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 * 直线电机伺服系统 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。 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 线性直线电机圆筒式直线电机 磁悬浮列车 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 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，把机床进 给

38、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 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 电动机 直流 交流 其它 整流子，电刷 无整流子，电刷 电子电路切换 永磁式 绕线励磁式 （电磁铁） 并励 串励 复励 无刷 步进 直线 同步 异步感应 超声波 永磁式 永磁式 绕线式 磁阻式 鼠笼式 交流整流子式 混合 绕线式 电动机 控制 功率 信号 伺服 步进 力矩 开关磁阻 无刷直流 永磁 磁阻 混合 * 电机综述 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 6.4 机床进给伺服系统设计 1.步进电机的选择 6.4.1 进给电

39、机的选择 （1）.步距角选择 （2）最大静态转矩的选择 s i 360 i SmgF M z 2 10)( 3 负载转矩： 最大静态转矩一般按下式 max 4 . 02 . 0 jz MM）（负载转矩： (单位：N.m) www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 （4）电机输出总转矩 （3）启动频率的选择 232 2 32 1 )10() 2 1 ( , 1 1 0 S i m i JJ JJ J J M M ff L m L z qq ：电机轴上等效负载惯量其中 za MMM ) 60 2 ( t n JJM Lma ）（其中： www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺

40、服系统 2.交流伺服电机的选择 回转运动惯量（回转轴为几何轴） fz M FL M 2 （1）负载转矩计算 n LDJ 1 4 ) 32 ( 2 ) 2 ( L mJ （2）负载惯性计算 直线运动惯量 回转运动惯量 2 mRJJ L ) 2 ()()( 2 2 2 2 1 1 L mJsJ z z JJ GGL 当量负载惯量 mLr JJJ 驱动系统总惯量 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 3.定位加速时的最大转矩计算 定位加速时的最大转矩 zmL a m m MJJ t n M)( 60 2 6.4.2 进给电机惯量与负载惯量的匹配 5 . 02 . 0 8 . 05

41、. 0 1 4 1 r L r m m L J J J J J J 或 或 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 6.4.3 伺服进给系统的固有频率 L J K 2 1 NRBRBcss KKKKKKK 1111111 21 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 6.5 伺服系统的性能对加工精度的影响 1. 跟随误差对加工精度的影响 v v K v 图6-35 恒速输入下的稳态误差 www.91HMI.com 第6章 数控机床的伺服系统 2. 跟随误差对加工直线轮廓的的影响 ) 11 ( 2 2sin sincos xy xy KK v 3. 跟随误差对加工圆弧轮廓的的影响 ) 11 ( 2 )2sin( )(2 ) cos () sin ( 222 yx yx KK v rR KK v www.91HMI.com