第七章 数控机床的伺服系统.ppt

《第七章 数控机床的伺服系统.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第七章 数控机床的伺服系统.ppt（42页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、LOGOClick to add your text河北理工大学机械工程学院工程训练中心张好强第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统7-2 7-2 步进电机及驱动控制系统步进电机及驱动控制系统7-1 7-1 概述概述7-3 7-3 直流伺服系统直流伺服系统7-4 7-4 交流伺服系统交流伺服系统第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统一、一、伺服系统的组成伺服系统的组成 数控机床的伺服系统按其功能可分为：数控机床的伺服系统按其功能可分为：进给伺服系统进给伺服系统和主轴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。主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动。进给伺服系

2、统是以机床移动部件（如工作台）的位置和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。服电机、机械传动机构及执行部件组成。第一节第一节概述概述第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 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

3、，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动。驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。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成的运动轨迹。如果把数控装置比作数控机床的“大脑大脑”，是，是发布发布“命令命令”的指挥机构，那么伺服系统就是数控机床的的指挥机构，那么伺服系统就是数控机床的“四四肢肢”，是执行，是执行“

4、命令命令”的机构，它是一个不折不扣的跟随者。的机构，它是一个不折不扣的跟随者。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 数控机床闭环进给系统的一般结构如图数控机床闭环进给系统的一般结构如图7-17-1所示，这是一所示，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、速度检测装置等构成。速度控制单元是一个独立的控制单元、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。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

5、。位置环是由速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块、速度控制单元、位置检测及反馈控制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。由速度检测装置提供速度反馈值的速度环控制在等部分组成。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。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伺服系统从外部来看，是一个以位置指令输入

6、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，才实现实际位移的。服电机，才实现实际位移的。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统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 反馈速度环速度检测位置环图图7-1 7-1 闭环进给伺服系统结构闭环进给伺服系统结构指令指令伺服驱动装置第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统二、二、对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求1.

7、1.位移精度高位移精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。伺伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量服系统的位移精度是指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差愈小，位移精度愈高。程度。两者误差愈小，位移精度愈高。2.2.稳定性好稳定性好 稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。要求伺服过程后，达

8、到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。要求伺服系统具有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定系统具有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统3.3.快速响应快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统跟踪精度。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置随跟踪精度。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置随动系统，为保证轮廓切削形状精度和低的表面粗糙度，要求伺动系统，为保证轮廓切削形状精度和低的表

9、面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，跟随误差小。服系统跟踪指令信号的响应要快，跟随误差小。4.4.调速范围宽调速范围宽 调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。在数控机床中，由于所用刀具、加工材料及零件加转速之比。在数控机床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件，工要求的不同，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。就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统5.5.低速大扭矩低速大扭矩 要

10、求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。机床加工的要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，伺服系统在低速时要求特点是，在低速时进行重切削。因此，伺服系统在低速时要求有大的转矩输出。有大的转矩输出。三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类 数控机床的伺服系统按其控制原理和有无位置反馈装置分数控机床的伺服系统按其控制原理和有无位置反馈装置分为开环和闭环伺服系统；按其用途和功能分为进给驱动系统和为开环和闭环伺服系统；按其用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按其驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱主轴驱动系统；按其驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动系统和

11、电气伺服驱动系统。电气伺服驱动系统又分为直流伺动系统和电气伺服驱动系统。电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统及直线电动机伺服系统。服驱动系统、交流伺服驱动系统及直线电动机伺服系统。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统1.1.进给驱动与主轴驱动进给驱动与主轴驱动 进进给给伺伺服服系系统统包包括括速速度度控控制制环环和和位位置置控控制制环环，用用于于数数控控机机床床工工作作台台或或刀刀架架坐坐标标的的控控制制系系统统，控控制制机机床床各各坐坐标标轴轴的的切切削削进进给给运运动动，并并提提供供切切削削过过程程所所需需转转矩矩。主主轴轴伺伺服服系系统统只只是是一一个个

12、速速度度控控制制系系统统，控控制制机机床床主主轴轴的的旋旋转转运运动动，为为机机床床主主轴轴提提供供驱驱动动功率和所需的切削力，且保证任意转速的调节。功率和所需的切削力，且保证任意转速的调节。2.2.直流伺服系统、交流伺服系统与直线电动机伺服系统直流伺服系统、交流伺服系统与直线电动机伺服系统 直直流流伺伺服服系系统统就就是是控控制制直直流流电电机机的的系系统统。目目前前使使用用比比较较多多的的是是永永磁磁式式直直流流伺伺服服电电机机。永永磁磁直直流流伺伺服服电电机机（也也称称为为大大惯惯量量宽宽调调速速直直流流伺伺服服电电机机），调调速速范范围围宽宽，输输出出转转矩矩大大，过过载载能能力力强，

13、而且电机转动惯量较大，应用较方便。强，而且电机转动惯量较大，应用较方便。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格也高。进入价格也高。进入8080年代后，由于交流电机调速技术的突破，交年代后，由于交流电机调速技术的突破，交流伺服驱动系统进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服流伺服驱动系统进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服电机，转子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修，电机，转子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修，制造简单，适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量

14、、高速制造简单，适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速度方向发展，其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统，度方向发展，其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统，交流伺服电机已在数控机床中得到广泛应用。交流伺服电机已在数控机床中得到广泛应用。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 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。在机床进给能的一种推力装置，是一种较为理想的驱动

15、装置。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，把机床进给传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，带来了旋转电动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。由于直线电动机在机机驱动方式无法达到的性能指标和优点。由于直线电动机在机床中的应用目前还处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。床中的应用目前还处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。随着各相关配套技术的发展和直线电动机制造工艺

16、的完善，相随着各相关配套技术的发展和直线电动机制造工艺的完善，相信用直线电动机作进给驱动的机床会得到广泛应用。信用直线电动机作进给驱动的机床会得到广泛应用。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统四、常用驱动元件四、常用驱动元件 驱动元件是伺服系统的关键部件，对系统的特性有极大的影驱动元件是伺服系统的关键部件，对系统的特性有极大的影响，它的发展和进步是推动数控机床发展的重要因素。驱动元件响，它的发展和进步是推动数控机床发展的重要因素。驱动元件的发展大致分为以下几个阶段：的发展大致分为以下几个阶段：5050年代，采用步进电机。目前只应用于经济型数控机床。年代，采用步进电机。目前只应用于

17、经济型数控机床。60607070年代，采用步进电机和电液伺服电机。现已基本不用。年代，采用步进电机和电液伺服电机。现已基本不用。70708080年代，采用直流伺服电机，在我国广泛使用。年代，采用直流伺服电机，在我国广泛使用。8080年代以后，采用交流伺服电机，是比较理想的驱动元件。年代以后，采用交流伺服电机，是比较理想的驱动元件。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统一、步进电机的分类一、步进电机的分类按其运动方式分：有旋转式、直线运动式、平面运动式和滚切按其运动方式分：有旋转式、直线运动式、平面运动式和滚切运动式。运动式。按其励磁相数按其励磁相数 可分为三相、四相、五相、六相甚至

18、八相步进可分为三相、四相、五相、六相甚至八相步进电机等；电机等；按使用场合分：有功率步进电机和控制步进电机；按使用场合分：有功率步进电机和控制步进电机；按其工作原理分：有磁电式、反应式（磁阻式）、永磁感应式按其工作原理分：有磁电式、反应式（磁阻式）、永磁感应式步进电机等；步进电机等；按使用频率分：有高频步进电机和低频步进电机；按使用频率分：有高频步进电机和低频步进电机；按结构分：有单段式（径向式）、多段式（轴向式）等。按结构分：有单段式（径向式）、多段式（轴向式）等。第二节第二节步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统二、步进电机工作原

19、理二、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，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

20、于该系统没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。步进电机性能的限制。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 步步进进电电机机在在结结构构上上分分为为定定子子和和转转子子两两部部分分，现现以以图图7-47-4所所示示的的反反应应式式三三相相步步进进电电机机为为例例加加以以说说明明。定定子子上上有有六六个个磁磁极极，每每个个磁磁极极上上绕绕有有励励磁磁绕绕组组，每每相相对对的的两两个个磁磁极极组组成成一一相相，分分成成A A、B B、C C三三

21、相相。转转子子无无绕绕组组，它它是是由由带带齿齿的的铁铁心心做做成成的的。步步进进电电机机是是按按电电磁磁吸吸引引的的原原理理进进行行工工作作的的。当当定定子子绕绕组组按按顺顺序序轮轮流流通通电电时时，A A、B B、C C三三对对磁磁极极就就依依次次产产生生磁磁场场，并并每每次次对对转转子子的的某某一一对对齿齿产产生生电电磁磁引引力力，将将其其吸吸引引过过来来，而而使使转转子子一一步步步步转转动动。每每当当转转子子某某一一对对齿齿的的中中心心线线与与定定子子磁磁极极中中心心线线对对齐齐时时，磁磁阻阻最最小小，转转矩矩为为零零。如如果果控控制制线线路路不不停停地地按按一一定定方方向向切切换换定

22、定子子绕绕组组各各相相电电流流，转转子子便便按按一一定定方方向向不不停停地地转转动动。步步进进电电机机每每次次转转过过的的角角度称为步距角。度称为步距角。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统图图7-4 7-4 三相反应式步进电机结构三相反应式步进电机结构第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 为为进进一一步步了了解解步步进进电电机机的的工工作作原原理理，以以图图7-57-5为为例例来来说说明明其其转转动动的的整整个个过过程程，假假设设转转子子上上有有四四个个齿齿，相相邻邻两两齿齿间间夹夹角角（齿齿距距角角）为为90900 0。当当A A相相通通电电时时，转转子子1 1

23、、3 3齿齿被被磁磁极极A A产产生生的的电电磁磁引引力力吸吸引引过过去去，使使1 1、3 3齿齿与与A A相相磁磁极极对对齐齐。接接着着B B相相通通电电，A A相相断断电电，磁磁极极B B又又把把距距它它最最近近的的一一对对齿齿2 2、4 4吸吸引引过过来来，使使转转子子按按逆逆时时针针方方向向转转动动3030o o。然然后后C C相相通通电电，B B相相断断电电，转转子子又又逆逆时时针针旋旋转转3030o o，依依次次类类推推，定定子子按按ABCAABCA顺顺序序通通电电，转转子子就就一一步步步步地地按按逆逆时时针针方方向向转转动动，每每步步转转3030o o。若若改改变变通通电电顺顺序

24、序，按按ACBAACBA使使定定子子绕绕组组通通电电，步步进进电电机机就就按按顺顺时时针针方方向向转转动动，同同样样每每步步转转3030o o。这这种种控控制制方方式式叫叫三三相相单单三三拍拍方方式式，“单单”是是指指每每次次只只有有一一相相绕绕组组通通电电，“三三拍拍”是是指指每每三三次次换换接接为为一一个个循循环环。由由于于每每次次只只有有一一相相绕绕组组通通电电，在在切切换换瞬瞬间间将将失失去去自自锁锁转转矩矩，容容易易失失步步，另另外外，只只有有一一相相绕绕组组通通电电，易易在在平平衡衡位位置置附附近近产产生生振振荡荡，稳稳定定性性不不佳佳，故实际应用中不采用单三拍工作方式。故实际应用

25、中不采用单三拍工作方式。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 采采 用用 三三 相相 双双 三三 拍拍 控控 制制 方方 式式，即即 通通 电电 顺顺 序序 按按ABBCCAABABBCCAAB（逆逆时时针针方方向向）或或ACCBBAACACCBBAAC（顺顺时时针针方方向向）进进行行，其其步步距距角角仍仍为为30300 0。由由于于双双三三拍拍控控制制每每次次有有二二相相绕绕组组通通电电，而而且且切切换换时时总总保保持持一一相相绕绕组组通通电电，所所以以工工作作比比较较稳稳定定。如如果果按按AABBBCCCAAAABBBCCCAA顺顺序序通通电电，即即首首先先A A相相通通电电

26、，然然后后A A相相不不断断电电，B B相相再再通通电电，即即A A、B B两两相相同同时时通通电电，接接着着A A相相断断电电而而B B相相保保持持通通电电状状态态，然然后后再再使使B B、C C两两相相通通电电，依依次次类类推推，每每切切换换 一一 次次，步步 进进 电电 机机 逆逆 时时 针针 转转 过过 1515。如如 通通 电电 顺顺 序序 改改 为为AACCCBBBAAAACCCBBBAA，则则步步进进电电机机以以步步距距角角1515顺顺时时针针旋旋转转。这这种种控控制制方方式式为为三三相相六六拍拍，它它比比三三相相三三拍拍控控制制方方式式步步距距角角小小一一半半，因因而而精精度度

27、更更高高，且且转转换换过过程程中中始始终终保保证证有有一一个个绕绕组组通通电，工作稳定，因此这种方式被大量采用。电，工作稳定，因此这种方式被大量采用。实实际际应应用用的的步步进进电电机机如如图图7-47-4所所示示，转转子子铁铁心心和和定定子子磁磁极极上上均有齿距相等的小齿，且齿数要有一定比例的配合。均有齿距相等的小齿，且齿数要有一定比例的配合。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统图图7-5 7-5 步进电机工作原理步进电机工作原理第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统三、步进电机的主要性能指标三、步进电机的主要性能指标1.1.步距角和步距误差步距角和步距误差 步步距

28、距角角和和步步进进电电机机的的相相数数、通通电电方方式式及及电电机机转转子子齿齿数数的的关关系如下：系如下：(7-1)(7-1)式中式中 步进电机的步距角；步进电机的步距角；m m电机相数；电机相数；Z Z转子齿数；转子齿数；K K系数，相邻两次通电相数相同，系数，相邻两次通电相数相同，K K1 1；相邻两次通电相数不同，相邻两次通电相数不同，K K2 2。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 同同一一相相数数的的步步进进电电机机可可有有两两种种步步距距角角，通通常常为为1.2/0.61.2/0.6、1.5/0.751.5/0.75、1.8/0.91.8/0.9、3/1.53/1

29、.5度度等等。步步距距误误差差是是指指步步进进电电机机运运行行时时，转转子子每每一一步步实实际际转转过过的的角角度度与与理理论论步步距距角角之之差差值值。连连续续走走若若干干步步时时，上上述述步步距距误误差差的的累累积积值值称称为为步步距距的的累累积积误误差差。由由于于步步进进电电机机转转过过一一转转后后，将将重重复复上上一一转转的的稳稳定定位位置置，即即步步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统2.2.静态转矩与矩角特性静态转矩与矩角特性 当当步步进进电电机机上上某某相相定定子子绕绕组组通通电

30、电之之后后，转转子子齿齿将将力力求求与与定定子子齿齿对对齐齐，使使磁磁路路中中的的磁磁阻阻最最小小，转转子子处处在在平平衡衡位位置置不不动动（0 0）。如如果果在在电电机机轴轴上上外外加加一一个个负负载载转转矩矩M Mz z，转转子子会会偏偏离离平平衡衡位位置置向向负负载载转转矩矩方方向向转转过过一一个个角角度度，角角度度称称为为失失调调角角。有有失失调调角角之之后后，步步进进电电机机就就产产生生一一个个静静态态转转矩矩（也也称称为为电电磁磁转转矩矩），这这时时静静态态转转矩矩等等于于负负载载转转矩矩。静静态态转转矩矩与与失失调调角角的的关关系系叫叫矩矩角角特特性性，如如图图7-67-6所所示

31、示，近近似似为为正正弦弦曲曲线线。该该矩矩角角特特性性上上的的静静态态转转矩矩最最大大值值称称为为最最大大静静转转矩矩。在在静静态态稳稳定定区区内内，当当外外加加负负载载转转矩矩除除去去时时，转转子子在在电电磁磁转转矩矩作作用用下下，仍仍能能回回到到稳稳定定平平衡衡点点位位置（置（0 0）。）。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统图图7-6 7-6 静态矩角特性静态矩角特性第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统3.3.最大启动转矩最大启动转矩 图图7-77-7为为三三相相单单三三拍拍矩矩角角特特性性曲曲线线，图图中中的的A A、B B分分别别是是相相邻邻A A相相和和

32、B B相相的的静静态态矩矩角角特特性性曲曲线线，它它们们的的交交点点所所对对应应的的转转矩矩是是步步进进电电机机的的最最大大启启动动转转矩矩。如如果果外外加加负负载载转转矩矩大大于于，电电机机就就不不能能启启动动。如如图图7-77-7所所示示,当当A A相相通通电电时时，若若外外加加负负载载转转矩矩，对对应应的的失失调调角角为为，当当励励磁磁电电流流由由A A相相切切换换到到B B相相时时，对对应应角角，B B相相的的静静转转矩矩为为。从从图图中中看看出出,电电机机不不能能带带动动负负载载做做步步进进运运动动，因因而而启动转矩是电机能带动负载转动的极限转矩。启动转矩是电机能带动负载转动的极限转

33、矩。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统abA B C图图7-7 7-7 步进电机的启动转矩步进电机的启动转矩第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统4.4.启动频率启动频率 空空载载时时，步步进进电电机机由由静静止止状状态态突突然然起起动动，并并进进入入不不失失步步的的正正常常运运行行的的最最高高频频率率，称称为为启启动动频频率率或或突突跳跳频频率率，加加给给步步进进电电机机的的指指令令脉脉冲冲频频率率如如大大于于启启动动频频率率，就就不不能能正正常常工工作作。步步进进电电机机在在带带负负载载（尤尤其其是是惯惯性性负负载载）下下的的启启动动频频率率比比空空载载要要低低

34、。随随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。5.5.连续运行频率连续运行频率 步步进进电电机机起起动动后后，其其运运行行速速度度能能根根据据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，称称为为连连续续运运行行频频率率。其其值值远远大大于于启启动动频频率率，它它也也随随着着电电机机所所带带负负载载的的性性质质和和大大小小而而异异，与与驱驱动动电源也有很大关系。电源也有很大关系。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统Mf图图7-8 7-8 矩频特性矩频特性6.6.矩频特性与动态转矩矩

35、频特性与动态转矩 矩矩频频特特性性是是描描述述步步进进电电机机连连续续稳稳定定运运行行时时输输出出转转矩矩与与连连续续运运行行频频率率之之间间的的关关系系（见见图图7-87-8），该该特特性性上上每每一一个个频频率率对对应应的的转转矩矩称称为为动动态态转转矩矩。当当步步进进电电机机正正常常运运行行时时，若若输输入入脉脉冲冲频频率率逐逐渐渐增增加加，则则电电动动机机所所能能带带动动负负载载转转矩矩将将逐逐渐渐下下降降。在在使使用用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统四、步

36、进电机功率驱动四、步进电机功率驱动 步进电机驱动线路完成由弱电到强电的转换和放大，也就步进电机驱动线路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号。驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成。环脉冲信号。驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成。环形分配器是用于控制步进电机的通电方式的，其作用是将数控形分配器是用于控制步进电机的通电方式的，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上，控制各相绕组的通电、

37、断电。环形分配器功能可率放大器上，控制各相绕组的通电、断电。环形分配器功能可由硬件或软件产生，硬件环形分配器是根据步进电机的相数和由硬件或软件产生，硬件环形分配器是根据步进电机的相数和控制方式设计的，数控机床上常用三相、四相、五相及六相步控制方式设计的，数控机床上常用三相、四相、五相及六相步进电机。进电机。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 由于数控机床的自身特点，如位移精度高、调速范围广、由于数控机床的自身特点，如位移精度高、调速范围广、承载能力强、运动稳定性好、响应速度快等，对伺服电机的要承载能力强、运动稳定性好、响应速度快等，对伺服电机的要求较高，特别是要具有较大的转矩求

38、较高，特别是要具有较大的转矩惯量比。直流伺服电机惯量比。直流伺服电机具有较好的调速特性，尤其是直流电机具有较硬的机械特性，具有较好的调速特性，尤其是直流电机具有较硬的机械特性，因此直流电机在数控机床中使用较广泛。然而一般的直流电机因此直流电机在数控机床中使用较广泛。然而一般的直流电机因其转子转动惯量较大，其输出转矩相对小，动态特性不好，因其转子转动惯量较大，其输出转矩相对小，动态特性不好，不能满足机械加工的要求，特别是在低速运转条件下更是如此。不能满足机械加工的要求，特别是在低速运转条件下更是如此。因此，直流电机必须改进结构提高其特性，才能用于数控机床因此，直流电机必须改进结构提高其特性，才能

39、用于数控机床的伺服系统。的伺服系统。第三节第三节 直流伺服系统直流伺服系统第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统1 1小惯量直流伺服电机小惯量直流伺服电机 为使转子转动惯量尽可能的小，这种电机一般都做成细长为使转子转动惯量尽可能的小，这种电机一般都做成细长形，转子光滑无槽。其特形，转子光滑无槽。其特 点是转动惯量比一般直流电机小点是转动惯量比一般直流电机小一个数量级，机械时间常数小，加减速能力强，响应快，动一个数量级，机械时间常数小，加减速能力强，响应快，动态特性好。再加上其气隙尺寸大，采用高磁能永久磁铁，励态特性好。再加上其气隙尺寸大，采用高磁能永久磁铁，励磁绕组在铁心表面，因而

40、绕组自磁小，电枢电流可增大。所磁绕组在铁心表面，因而绕组自磁小，电枢电流可增大。所以其瞬时峰值转矩可为额定转矩的十倍以上，调速范围宽，以其瞬时峰值转矩可为额定转矩的十倍以上，调速范围宽，低速运转平稳。低速运转平稳。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 2 2 调速直流电机调速直流电机 小惯量直流电机是从减小转子的转动惯量来改善电机动态小惯量直流电机是从减小转子的转动惯量来改善电机动态特性的，然而正是因其惯量小，热容量也小，过载时间不能过特性的，然而正是因其惯量小，热容量也小，过载时间不能过长。其另一特点是转速高，惯量小，而机床的惯量大，两者之长。其另一特点是转速高，惯量小，而机床

41、的惯量大，两者之间必须使用齿轮减速才能很好地匹配。这在客观上就需要一种间必须使用齿轮减速才能很好地匹配。这在客观上就需要一种大转矩、低转速的电机。大转矩、低转速的电机。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 调速直流伺服电机是在维持一般直流电机转动惯量不变调速直流伺服电机是在维持一般直流电机转动惯量不变的前提下，通过提高转矩来改善其特性，电机定于采用矫顽的前提下，通过提高转矩来改善其特性，电机定于采用矫顽力强的永磁材料。这种材料可使电机电流过载力强的永磁材料。这种材料可使电机电流过载1010倍而不会去倍而不会去磁，因而提高了电机的瞬时加速力矩，改善了动态响应，因磁，因而提高了电机的

42、瞬时加速力矩，改善了动态响应，因此调速直流伺服电机具有以下特性：此调速直流伺服电机具有以下特性：（1 1）动态响应好）动态响应好 （2 2）过载能力强）过载能力强 （3 3）转矩大）转矩大 （4 4）调速范围宽）调速范围宽 调速范围可达调速范围可达0.10.12000r/min2000r/min。（5 5）可直接接有高精度检测元件可直接接有高精度检测元件 第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统3 3直流伺服电机的调速直流伺服电机的调速 对于直流电机的调速，在理论上有三种方法：对于直流电机的调速，在理论上有三种方法：改变电改变电枢回路电阻；枢回路电阻；改变气隙磁通量；改变气隙磁通量；

43、改变外加电压。用于数改变外加电压。用于数控机床的电机要求既能正转、反转，又能快速制动。因此数控机床的电机要求既能正转、反转，又能快速制动。因此数控机床的伺服系统一般都是可逆系统，但前两种方法不能满控机床的伺服系统一般都是可逆系统，但前两种方法不能满足数控机床的要求。因此，主要采用调整电枢电压的方法来足数控机床的要求。因此，主要采用调整电枢电压的方法来调节直流伺服电机的转速，它的供电系统能灵活地控制直流调节直流伺服电机的转速，它的供电系统能灵活地控制直流电压的大小和方向。目前主要用晶闸管控制方式（电压的大小和方向。目前主要用晶闸管控制方式（SCRSCRM M）和脉宽调制方式和脉宽调制方式 （PW

44、MPWMM M）来提供可调的直流电源。来提供可调的直流电源。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统（）晶闸管控制方式，用（）晶闸管控制方式，用 SCRSCR三相全控桥式整流，通过改变触三相全控桥式整流，通过改变触发角来改变电压，从而达到调节直流伺服电机的目的，此方法发角来改变电压，从而达到调节直流伺服电机的目的，此方法以前应用较广。缺点是其电枢电流脉动频率低，波形差，使电以前应用较广。缺点是其电枢电流脉动频率低，波形差，使电机的工作情况恶化，从而限制了调速范围的进一步扩大。机的工作情况恶化，从而限制了调速范围的进一步扩大。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统MKUaT

45、2TUt（）近近年年来来，晶晶体体管管脉脉宽宽调调制制方方式式在在世世界界上上得得到到了了广广泛泛应应用用，并且逐步取代晶闸管控制方式。并且逐步取代晶闸管控制方式。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 如图所示开关如图所示开关K K周期性的开关周期性的开关,周期为周期为T,T,接通时间为接通时间为,外外加电源电压加电源电压U U为常数，则加到电枢上的波形是一个高为为常数，则加到电枢上的波形是一个高为U U，宽为宽为，周期为周期为T T的方波。的方波。则它的则它的平均值平均值为：为：UaUa=UdtUdt/T=U/T=TU /T=U/T=TU 其中其中TT/T/T0T 由由上上式式

46、可可知知：当当T T不不变变时时，只只要要连连续续地地改改变变（0 0T T）就就可可使使电电枢枢电电压压平平均均值值连连续续地地由由0 0U U变变化化，从从而而改改变变电电机机的的转转速速。实实际际上上的的PWMPWM系系统统用用大大功功率率M M极极管管代代替替开开关关K K，其其开开关关频频率率是是2000Hz2000Hz，T Tl l2000s2000s0.5ms0.5ms。图图中中二二极极管管为为续续流流二二极极管管，当当K K断断开开时时，由由于于电电枢枢电电感感的的存存在在，电电机机电电枢枢电电流流IaIa可可通过它形成回路而继续流通。通过它形成回路而继续流通。第七章第七章 数

47、控机床的伺服系统数控机床的伺服系统直直流流电电机机的的优优点点：晶晶体体管管脉脉宽宽调调制制系系统统，因因晶晶体体管管的的开开关关频频率率很很高高，其其输输出出电电流流接接近近于于纯纯直直流流，使使电电机机调调速速平平稳稳。另另一一方方面面，转转子子也也跟跟不不上上如如此此高高的的频频率率变变化化，避避开开了了机机械械谐谐振振，使使机机械械工工作作平平稳稳。这这种种方方式式还还具具有有优优良良的的动动态态硬硬度度，电电机机既既能能驱驱动动负负载载，也也能能制制动动负负载载，因因而而响响应应很很快快。与与晶晶闸闸管管比比较较，在在相相同同的的输输出出转转矩矩下下（即即平平均均电电流流相相同同）运

48、运行行效效率率高高，发发热热小小，低速下限更小，调速范围更宽。低速下限更小，调速范围更宽。直直流流电电机机的的缺缺点点：它它的的电电刷刷和和换换向向器器易易磨磨损损，换换向向时时产产生生火火花花，使使电电机机的的最最高高转转速速受受到到限限制制，也也使使应应用用环环境境受受限限制制，其其结结构构复杂，成本高。复杂，成本高。第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 在在交交流流伺伺服服系系统统中中，按按电电机机种种类类可可分分为为同同步步型型和和异异步步型型（感感应应电电机机）两两种种。数数控控机机床床进进给给伺伺服服系系统统中中多多采采用用永永磁磁式式同同步步电电机机，同同步步电电机

49、机的的转转速速是是由由供供电电频频率率所所决决定定的的，即即在在电电源源电电压压和和频频率率固固定定不不变变时时，它它的的转转速速是是稳稳定定不不变变的的。由由变变频频电电源源供供电电给给同同步步电电机机时时，能能方方便便地地获获得得与与频频率率成成正正比比的的可可变变速速度度，可可以得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。以得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。第四节第四节交流伺服系统交流伺服系统第七章第七章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统.交流伺服系统的优点：交流伺服系统的优点：交交流流异异步步电电机机结结构构简简单单，成成本本低低廉廉，无无直直流流伺伺服服电电机机的的缺缺点点，而而且且转

50、转子子惯惯量量较较直直流流电电机机的的小小，这这意意味味着着动动态态响响应应更更好好。交交流流电电机机容容量量也也比比直直流流容容量量大大，可可达达更更高高的的电电压压和和转转速速。一一般般在在同同样样体体积积下下，交交流流电电机机的的输输出出功功率率比比直直流流电电机机可可以以提提高高10107070。是当前机床进给驱动系统的一个新动向。是当前机床进给驱动系统的一个新动向。交交流流主主轴轴电电机机多多采采用用交交流流异异步步电电机机，很很少少采采用用永永磁磁同同步步电电机机，主主要要因因为为永永磁磁同同步步电电机机的的容容量量做做得得不不够够大大，且且电电机机成成本本较较高高。另另外外主主轴