数控技术及其应用(第2版)第4章数控机床伺服课件.ppt

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1、数控技术及其应用数控技术及其应用第一章第一章 绪论绪论第四章 数控机床伺服 驱动系统 如果说CNC装置是数控机床的“大脑”，发布命令的指挥机构，那么，伺服系统就是数控机床的“四肢”，是一种执行机构，它忠实而准确地执行由CNC装置发来的运动命令。本章将简要介绍数控机床的伺服驱动系统，包括步进电机、直流电机和交流电机等不同电机所对应的伺服驱动系统的原理和控制方法等内容。4.1 概 述 数控机床伺服系统是以数控机床移动部件（如工作台、主轴或刀具等）的位置和速度为控制对象的自动控制系统，也称为随动系统、拖动系统或伺服机构。它接收CNC装置输出的插补指令，并将其转换为移动部件的机械运动（主要是转动和平动

2、）。伺服系统是数控机床的重要组成部分，是数控装置和机床本体的联系环节，其性能直接影响数控机床的精度、工作台的移动速度和跟踪精度等技术指标。4.1.1 数控机床伺服系统的概念及组成 常将伺服系统分为开环系统和闭环系统。开环系统通常主要以步进电动机作为控制对象，闭环系统通常以直流伺服电动机或交流伺服电动机作为控制对象。在开环系统中只有前向通路，无反馈回路，CNC装置生成的插补脉冲经功率放大后直接控制步进电动机的转动，脉冲频率决定了步进电动机的转速，进而控制工作台的运动速度，输出脉冲的数量控制工作台的位移，在步进电动机轴上（或工作台上）无速度或位置反馈信号。在闭环伺服系统中，以检测元件为核心组成反馈

3、回路，检测执行机构的速度和位置，由速度和位置反馈信号来调节伺服电动机的速度和位移，进而来控制执行机构的速度和位移。4.1.2 伺服系统应具有的基本性能1高精度2良好的稳定性3动态响应速度快4调速范围要宽，低速时能输出大转矩5高性能电动机4.1.3 位置控制系统和速度控制系统的主要技术指标 位置控制系统是伺服系统的重要组成部分，是保证位置精度的重要环节。一般的位置控制包括位置环和速度环，具有位置控制环节的系统才是真正的伺服系统。速度控制系统也是伺服系统的重要组成部分，它由速度控制单元、伺服电动机、速度检测装置等构成。速度控制系统的核心是速度控制单元，用来控制电动机转速。位置控制系统和速度控制系统

4、既有共同之处，又有不同之处。其共同之处是通过系统的执行元件直接或通过机械传动装置间接带动被控制对象，完成给定控制规律要求的动作。其不同之处可以用位移与速度之间的关系来理解。1位置控制系统的主要技术指标（1）系统静态误差（2）速度误差ev和正弦跟踪误差esin。（3）速度品质因数Kv和加速度品质因数Ka。（4）最大跟踪角速度max（或线速度vmax）、最低平滑角速度min（或线速度vmin）、最大角加速度max（或线加速度amax）。（5）振幅指标M和频带宽度。2速度控制系统的主要技术要求（1）被控对象的最高运行速度。如最高转速nmax、最高角速度max或最高线速度vmax（2）最低平滑速度。通

5、常用最低转速nmin、最低角速度min或最低线速度vmin来表示，也可用调速范围RN来表示。（3）速度调节的连续性和平滑性要求。（4）静差率s或转速降n。（5）对阶跃信号输入下系统的响应特性。（6）负载扰动下的系统响应特性。（7）对系统工作制（长期运行、间歇循环运行或短时运行）、平均无故障工作时间MTBF、可靠性以及使用寿命等要求。4.1.4 伺服系统的分类 1按照调节理论分类伺服系统可以分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。2按使用的驱动元件分类伺服系统可以分为电液伺服系统和电气伺服系统。3按反馈比较控制方式分类（1）脉冲、数字比较伺服系统。（2）相位比较伺服系统。（3）幅值比较伺

6、服系统。（4）全数字伺服系统。本章主要讲述以步进电动机构成的开环伺服系统、以直流伺服电动机或交流伺服电动机为控制对象的闭环伺服系统以及构成反馈控制的核心器件检测装置等内容。步进电动机按力矩产生的原理可分为反应式、电磁式、永磁式、混合式等；按电动机结构可分为径向式、轴向式、印刷绕组式；按使用场合或输出扭矩的大小可分为功率步进电动机和控制步进电动机；按励磁相数可分为三相、四相、五相、六相和八相步进电动机。随着电子技术和相关应用技术的发展，步进电动机在速度、功率及效率等方面都有了很大的改进和提高，目前在数控机床上仍被较多地被采用，尤其在我国经济型数控机床上用得较多。为进一步说明其工作原理，以图下图为

7、例来说明步进电动机转动的整个循环过程，为叙述简，单假设转子上只有4个齿，相邻两齿所对应的角度为齿矩角。齿矩角式中：转子齿数。=4时（a）A相通电；（b）B相通电；（c）C相通电步进电动机工作原理最简单的三相单三拍运行方式的工作过程如下。（1）当A相通电时，以AA为轴线的磁场对1、3齿产生磁拉力，使转子1、3两齿与定子A相磁极（AA轴线）对齐。（2）A相断电、B相通电时，产生以BB为轴线的磁场力，将使离B相磁极最近的2、4两齿与定子B相磁极（BB轴线）对齐，转子逆时针转过30。（3）当B相断电、C相通电时，以CC为轴线的磁场，使转子1、3两齿与定子C相磁极（CC轴线）对齐。如此按ABCA的顺序通

8、电，转子就会不断地按逆时针方向转动。绕组通电的顺序决定了旋转方向。若按ACBA的顺序通电，电动机就会按顺时针方向转动。在上述三相单三拍通电方式中，由于每次只有一相绕组通电，并且在绕组通电切换的瞬间，电动机将失去自锁转矩，因而稳定性差，在实际应用中常采用下述两种通电方式：三相双三拍通电顺序为：ABBCCAAB（系数K=1）三相六拍通电顺序为：AABBBCCCAA（系数K=2）同一种步进电动机采用不同的通电方式，其步距角也不同，三相六拍步距角为三相三拍步距角的一半。即脉冲当量也缩小一半，为提高分辨率，一般采用三相六拍通电方式。另外根据步进电动机相数不同，还常用四相八拍、五相十拍等腰三角形控制方式通

9、电。4.2.2 步进电动机的主要性能指标（1）步距角和步距误差（2）静态转矩与矩角特性（3）启动频率（4）连续运行频率（5）矩频特性与动态转矩静态矩角特性矩频特性 4.2.3 步进电动机的选用和有关参数核算 目前，数控机床上常用的步进电动机主要有反应式和混合式两种。反应式步进电动机价格低于混合式步进电动机，但其性能不如混合式步进电动机。反应式步进电动机常用型号有110BF、130BF、150BF等；混合式步进电动机常用型号有90BYG、110BYG、130BYG等。在选择步进电动机时，首先要根据控制要求，确定步进电动机的类型，并根据机床的加工精度要求，选择进给脉冲当量，如0.01 mm、0.0

10、5 mm或0.001 mm。步进电动机驱动工作台的典型结构选用步进电动机时通常进行下列有关参数的核算。1计算齿轮减速比 首先要根据所选步进电动机的步距角、丝杠的导程以及所要求的脉冲当量计算减速齿轮的降速比。采用减速齿轮具有如下特点。（1）便于配置出所要求的脉冲当量。（2）减小工作台以及丝杠折算到电动机轴上的惯量。（3）放大电动机输出扭矩，即增大工作台的推力。根据所要求的脉冲当量，计算齿轮减速比i如下步进电动机的步距角，度/脉冲；丝杠导程，mm；脉冲当量，mm/脉冲。2计算工作台、丝杠以及齿轮折算至电动机轴上的惯量Jt折算至电动机轴上的惯量，；、齿轮惯量，；丝杠惯量，；工作台重量，；丝杠导程，。

11、对闭环系统，应满足惯量匹配：负载惯量电动机惯量4和加速度要求；对开环系统要求折算至电动机轴上的负载惯量不得超过电动机允许的负载惯量。4负载启动频率估算 数控系统控制步进电动机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为式中：带载启动频率，Hz；空载启动频率，Hz；启动频率下由矩频特性决定的电动机输出力矩，。若负载参数无法精确确定，则可按 进行估算。5运行的最高频率与升速时间的计算6负载力矩与最大静转矩Mmax的核算4.2.4 步进电动机的控制方法 由步进电动机的工作原理知道，要使电动机正常地一步一步地运行，控制脉冲必须按一定的顺序分别供给电动机各相，例如三相单拍驱动方式，供给脉冲的顺序为

12、ABCA或ACBA，称为环形脉冲分配。脉冲分配有两种方式：一种是硬件脉冲分配（或称为脉冲分配器）；另一种是软件脉冲分配，是由计算机的软件完成的。1脉冲分配器 脉冲分配器可以用门电路及逻辑电路构成，提供符合步进电动机控制指令所需的顺序脉冲。目前已经有很多可靠性高、尺寸小、使用方便的集成电路脉冲分配器供选择。按其电路结构不同，可分为TTL集成电路和CMOS集成电路。目前市场上提供的国产TTL脉冲分配器有三相（YBO13）、四相（YBO14）、五相（YBO15）和六相（YBO16），均为18个管脚的直插式封装。CMOS集成脉冲分配器也有不同型号，例如CH250型用来驱动三相步进电动机，封装形式为16

13、脚直插式。4.2.5 步进电动机的驱动电源 步进电动机的矩频特性中表明，随着频率增大，电动机带负载能力会下降。其主要原因是电动机绕组电感L的影响，由于步进电动机绕组本身的直流电阻 很小，而绕组电感L较大，所以当频率 增大时，其绕组的阻抗 也很快增大，从而使得绕组电流 减小，即使输出力矩降低。为此，曾在过去的单电压驱动电路中串一外加电阻Rc，使得电路阻抗 随频率 的上升而下降较小，但该方案使功耗大大增加，而且外接电阻及。发热严重，后来改进采用了高低压供电方式。为使读者更好地理解，下面逐一介绍各种驱动电路的简单原理和特点。1单电压驱动电路单电压驱动电路的工作原理如图所示。图中L为步进电动机励磁绕组

14、的电感，Ra为绕组电阻，Rc为外接电阻，为了减小回路的时间常数L/（Ra+Rc），电阻Rc并联一电容C（可提高负载瞬间电流的上升率），从而提高电动机的快速响应能力和启动性能。续流二极管VD和阻容吸收回路RC，是功率管VT的保护电路。单电压驱动电路的优点是线路简单，缺点是电流上升不够快，高频时带负载能力低。单电压驱动电路原理图 该电路的优点是在较宽的频率范围内有较大的平均电流，能产生较大且稳定的平均转矩。其缺点是电流波顶有谷点。（a）单电压电路 （b）斩波电路 （c）高低压电路 3种驱动电路电流波形3斩波驱动电路 高低压驱动电路的电流在高低压连接处出现谷点，造成高频输出转矩在谷点下降，为了使励磁

15、绕组中的电流维持在额定值附近，需采用斩波驱动电路。斩波驱动电路的原理如图所示。斩波驱动电路原理图 它的工作原理是：环形分配器输出的脉冲作为输入信号，若为正脉冲，则VT1、VT2导通，由于U1电压较高，绕组回路又无串联电阻，所以绕组中的电流迅速上升，当绕组中的电流上升到额定值以上某个数值时，由于采样电阻Re的反馈作用，经整形、放大后送至VT1的基极，使VTl截止。接着绕组由U2低压供电，绕组中的电流立即下降，但刚降到额定值以下时，由于采样电阻Re的反馈作用，使整形电路无信号输出，此时高压前置放大电路又使VTl导通，电流又上升。如此反复进行，形成一个在额定电流值上下波动呈锯齿状的绕组电流波形，近似

16、恒流，所以斩波电路也称斩波恒流驱动电路。锯齿波的频率可通过调整采样电阻Re和整形电路的电位器来调整。4调频调压电路 从上述驱动电路来看，为了提高驱动系统的快速响应，采用了提高供电电压、加快电流上升的措施。但在低频工作时，步进电动机的振荡加剧，甚至失步。从原理上讲，为了减小低频振荡，应使低速时绕组中的电流上升沿较平缓，这样才能使转子在到达新的稳定平衡位置时不产生过冲。而在高速时则应使电流前沿陡，以产生足够的绕组电流，才能提高步进电动机的带负载能力。这就要求由驱动电源对绕组提供的电压与电动机运行频率相一致，即低频时用较低电压供电，高频时用较高电压供电。电压随频率变化可由不同的方法实现，如分频段来调

17、压、电压随频率线性地变化等。5细分驱动电路 在前述步进电动机工作原理中讲到步距角由步进电动机的齿距角及绕组相数等电动机结构所决定。在实际应用中，为了提高进给运动的分辨率，要求对步距角进一步细分。在不改变步进电动机结构的前提下，为了达到这一目的，将额定电流以阶梯波的方式输入，此时，电流分成多少个台阶，则转子就以同样的步数转过一个电动机的固有步矩角。这样将一个步矩角细分成若干步的驱动方法称为细分驱动，此电路波形如图所示。细分电路波形4.3 直流电动机伺服系统 伺服电动机是转速及方向都受控制电压信号控制的一类电动机，常在自动控制系统中用作执行元件。伺服电动机分为直流、交流两大类。直流伺服电动机在电枢

18、控制时具有良好的机械特性和调节特性。机电时间常数小，启动电压低。其缺点是由于有电刷和换向器，造成的摩擦转矩比较大，有火花干扰及维护不便。4.3.1 直流伺服电动机的结构和工作原理 直流伺服电动机的结构与一般的电动机结构相似，也是由定子、转子和电刷等部分组成，在定子上有励磁绕组和补偿绕组，转子绕组通过电刷供电。由于转子磁场和定子磁场始终正交，因而产生转矩使转子转动。由图可知，定子励磁电流产生定子电势Es，转子电枢电流 产生转子磁势为Er，Es和Er垂直正交，补偿磁阻与电枢绕组串联，电流 又产生补偿磁势Ec，Ec与Er方向相反，它的作用是抵消电枢磁场对定子磁场的扭斜，使电动机有良好的调速特性。直流

19、伺服电动机的结构和工作原理 永磁式直流伺服电动机的转子绕组是通过电刷供电，并在转子的尾部装有测速发电机和旋转变压器（或光电编码器），它的定子磁极是永久磁铁。我国稀土永磁材料有很大的磁能积和极大的矫顽力，把永磁材料用在电动机中不但可以节约能源，还可以降低电动机发热，减少电动机体积。永磁式直流伺服电动机与普通直流电动机相比有更高的过载能力，更大的转矩转动惯量比，调速范围大等优点。因此，永磁式直流伺服电动机曾广泛应用于数控机床进给伺服系统。由于近年来出现了性能更好的转子为永磁铁的交流伺服电动机，永磁直流电动机在数控机床上的应用才越来越少。4.3.2 直流伺服电动机的调速原理和常用的调速方法 由电工学

20、的知识可知：在转子磁场不饱和的情况下，改变电枢电压即可改变转子转速。直流电动机的转速和其他参量的关系可用下式表示式中：转速，r/min；U电枢电压，V；I电枢电流，A；R电枢回路总电阻，；励磁磁通，Wb；K由电动机结构决定的电动势常数。根据上述关系式，实现电动机调速时主要方法有3种。（1）调解电枢供电电压U。（2）减弱励磁磁通。（3）改变电枢回路电阻R来实现调速控制。要得到可调节的直流电压，常用的方法有以下3种。（1）旋转变流机组。（2）静止可控整流器。（3）斩波器和脉宽调制变换器。4.3.3 晶体管脉宽调制器式速度控制单元1PWM系统的主回路 由于功率晶体管较晶闸管具有优良的特性，因此在中、

21、小功率驱动系统中，功率晶体管已逐步取代晶闸管，并采用了目前应用广泛的脉宽调制方式进行驱动。开关型功率放大器的驱动回路有两种结构形式，一种是H型（也称桥式），另一种是T型，这里介绍常用的H型，其电路原理如图所示。其中，VDlVD4为续流二极管，用于保护功率晶体管VT1VT4，M是直流伺服电动机。H型双极模式PWM功率转换电路 H型电路在控制方式分为双极型和单极型，下面介绍双极型功率驱动电路的原理。4个功率晶体管分为两组，VT1和VT4为一组，VT2和VT3为另一组，同一组的两个晶体管同时导通或同时关断。一组导通另一组关断，两组交替导通和关断，不能同时导通。将一组控制方波加到一组大功率晶体管的基极

22、，同时将反向后该组的方波加到另一组的基极上就可实现上述目的。若加在 和 上正转；反之，则电动机反转。若方波电压的正负宽度相等，加在电枢的平均电压等于0，电动机不转，这时电枢回路中的电流仍然存在且是一个交变的电流，这个电流使电动机发生高频颤动，有利于减少静摩擦。2脉宽调制器 脉宽调制的任务是将连续控制信号变成方波脉冲信号，作为功率转换电路的基极输入信号，改变直流伺服电动机电枢两端的平均电压，从而控制直流伺服电动机的转速和转矩。方波脉冲信号可由脉宽调制器生成，也可由全数字软件生成。脉宽调制器是一个电压脉冲变换装置，由控制系统控制器输出的控制电压Uc进行控制，为PWM装置提供所需的脉冲信号，其脉冲宽

23、度与Uc成正比。常用的脉宽调节器可以分为模拟式脉宽调节器和数字式脉宽调节器，模拟式是用锯齿波、三角波作为调制信号的脉宽调节器，或用多谐振荡器和单稳态触发器组成的脉宽调节器。数字式脉宽调节器是用数字信号作为控制信号，从而改变输出脉冲序列的占空比。下面就以三角波脉宽调节器和数字式脉宽调节器为例，说明脉宽调制器的原理。三角波发生器及PWM脉宽调制原理图数字PWM控制系统（1）三角波脉宽调制器（2）数字式脉宽调制器4.3.4、直流调速系统的动态响应过程1直流调速系统的响应特性 直流伺服电动机的稳态特性如上所述，当电枢外加电压和负载突变时，电动机的响应过程是动态过程。电压和转矩的平衡方程为其中：La为电

24、枢电感，Te为负载转矩，E为电枢反电势，为转子角速度，J为折算到电动机轴上的总转动惯量。对上式进行拉普拉斯变换根据上式可以画出传递函数方框图，如图所示。当Te=0时，由上式可以得出电动机转速对电枢电压的传递函数由于电动机的角位移是转速的积分，即 ，所以电动机角位移对电枢的传递函数为直流伺服电动机传递函数方框图 由以上两式可以看出电动机的角速度对电枢电压是二阶系统；角位移对电枢电压是三阶系统，电枢电压变化会引起转速和转角变化。惯量J的变化也会引起转速和转角变化。引起惯量变化的因素主要是负载转矩，而负载转矩的变化又会引起电枢电流的变化，因此对转速和电流的检测可以测量电动机的速度是否稳定。2转速负反

25、馈单闭环无静差调速系统 调速的概念有两个方面的含义：第一是改变电动机的转速，当速度指令改变时，电动机的转速随着改变，并希望以最快的加减速达到新的指令速度值；第二是当速度指令不变时，希望电动机转速保持恒定不变。由于直流伺服电动机的机械特性较软，当外加电压不变时，电动机的转速随着负载的变化而变化。调速的重要任务是当负载变化时或电动机驱动电源电压波动时保持电动机的转速稳定不变。最基本的调速方法是转速负反馈单闭环无静差调速系统。该系统是利用测量元件测出电动机的转速，并将实测值反馈给控制端，若被控的速度出现偏差，系统就自动纠偏，保持速度稳定。所谓无静差调速是指稳定运行时，输入端的给定值与实测值的反馈值保

26、持相等，相差为0，当电动机的速度变化时，反馈值与实测值才不等，用两者的差值纠正速度偏差。用比例积分（PI）调节器可以实现闭环无静差调速，PI调节器输入端输入给定值和反馈值，当二者之差不等于0时，比例部分能够迅速响应控制作用，积分部分能够最终消除稳态偏差。转速负反馈单闭环调速系统简图3转速电流双闭环调速系统（1）突加给定值时的启动过程（2）抗负载扰动过程（3）抗电网电压扰动的过程转速电流双闭环无静差调速系统的原理图4全数字直流调速系统原理 全数字直流调速系统的最大特点是除功率放大元件和执行元件的输入信号与输出信号为模拟量外，其余的控制信号均为数字信号。由于计算机的计算速度很高，对速度检测值和电流

27、检测值的处理时间也很短。计算机能在几毫秒时间内计算出速度环和电流环的输入输出值及产生控制方波的数据，控制电动机的转速和转矩。（1）采样周期（2）数字PI调节器5直流伺服系统的位置控制 控制是紧密相连的，速度环的给定值就是来自位置控制环。在数控机床中，位置控制环的输入数据来自轮廓插补运算，在每个插补周期内CNC装置插补运算输出一组数据给位置控制环，位置控制环根据速度指令中的要求及各环节的放大倍数（或称为增益）对位置数据进行处理，再把处理的结果送给速度环，作为速度环的给定值。在模拟量控制的系统中，位置控制环把位置数据经数模转换变成模拟量送给速度环。位置控制伺服系统可分为开环、半闭环和闭环3种，其中

28、本节主要介绍闭环位置控制系统。闭环位置控制系统常用的有以下3种：数字比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统。（1）数字脉冲比较系统数字比较伺服系统的半闭环的结构框图（2）相位比较伺服系统（3）幅值比较伺服系统闭环相位比较伺服系统框图4.4 交流电动机伺服系统 交流电动机伺服系统由交流伺服电动机和伺服驱动器电源组成。近年来，交流调速有了飞速的发展，它不仅克服了直流伺服电动机结构上存在的电刷维护困难、换向器易磨损、造价高、寿命短、应用环境受到限制等缺点，同时又发挥了交流伺服电动机坚固耐用、经济可靠及动态响应性好等优点。所以，交流伺服系统发展迅速，并有取代直流伺服系统的趋势。根据电动机的类

29、型，目前常将交流伺服系统分为两大类，即同步型交流伺服系统和异步型交流伺服系统。通常，同步型交流伺服电动机在数控机床进给伺服中应用更为广泛。4.4.1 同步型交流伺服系统 同步型交流伺服电动机一般由永磁同步电动机、转子位置传感器、速度传感器组成。永磁交流伺服电动机和它的伺服驱动器组成一个伺服系统。典型的交流伺服系统是一个速度闭环系统，伺服驱动器从主控制系统接收电压变化范围为-UiUi的速度指令信号。电压从-Ui变化到Ui的过程中，伺服电动机可实现从反转最高速变化到0，然后再变化到正转最高速。同步型交流伺服系统按照驱动电流的波形及工作原理，又可分为矩形波电流驱动的同步型交流伺服系统和正弦波电流驱动

30、的同步型交流伺服系统。前者的永磁交流伺服电动机也称为无刷直流伺服电动机，后者的永磁交流伺服电动机也称无刷交流伺服电动机。从发展趋势看，正弦波驱动将成为主流。正弦波驱动方式要求三相绕组电流iu、iv、iw满足下列要求。（1）严格的三相对称正弦函数变化关系。（2）它们的相位分别与该相的反电动势相位同相或反相。（3）相电流幅值与速度调节器输出的电流指令信号成正比。交流伺服电动机运转必须有电动机转子位置传感器，它提供转子瞬时角位移信号。而直流伺服系统电流环控制则与电动机转子位置无关。交流伺服电动机的位置传感器信号进入交流伺服驱动器的电流环部分，实现对电动机各相绕组电流波形的控制。矩形波电流驱动的交流伺

31、服系统和正弦波电流驱动的交流伺服系统需要不同的位置传感器。通常，正弦波电流驱动的伺服系统中用到的位置传感器是高分辨率的，一般采用绝对方式光电编码器、磁编码器等。同时，伺服驱动器中的速度和位置，也都需要由速度传感器和位置传感器提供相应的反馈信号。4.4.2 异步型交流伺服系统 异步型交流伺服系统采用感应电动机。伺服系统中的感应电动机转子结构简单、坚固、价格便宜、过载能力强。但是感应电动机与相同输出转矩的永磁同步伺服电动机相比，效率低、体积大，转子也有较明显的损耗和发热。感应电动机的交流伺服系统，在机床进给驱动中应用的主要困难是控制系统过于复杂。感应电动机在进给系统中需采用矢量控制技术。1矢量控制

32、原理 它是分析直流电动机和异步电动机旋转原理不同而提出的一种控制方案。从电机学可知，直流电动机有一旋转的整流子式电枢和一个用来产生磁场的定子，磁极上的气隙磁通 是由磁极绕组中的电流 激励产生的，正比于 而与电枢电流 的大小无关。直流电动机的转矩M是由和 的相互作用产生的，即 转矩常数。感应电动机转子磁通（与转子绕组交链的磁通）和电流的矢量关系如图所示。定子电流 与 的同相分量 影响幅值，与 垂直的分量 对输出转矩M和滑差角频率 产生影响。、M及之间的关系可表示为：磁通与电流矢量L2转子自感；R2转子电阻；L定、转子间互感；T2转子时间常数,T2=L2/R2；拉普拉斯算子。拉普拉斯算子。2矢量控

33、制方法 根据得到位置的方法，则矢量控制可以分为磁通检测法和转差频率（sf）控制法。磁通检测法是由定子通过由霍尔元件等磁敏元件测得的定子磁通瞬时值，或由定子端电压和用检测线圈测得的感应电压等求得的磁通瞬时值，直接得到。此方法是直接检测磁通，所以与感应电动机的常数无关，这是此方法的优点。但是系统的性能取决于磁通检测精度，因此必须考虑在低速范围内由于槽脉动和磁饱和造成的磁通检测误差的影响。sf控制法是在滑差频率控制方法基础上发展起来的，它是由转子位置和滑差角进行加法运算得到。该方法可以采用标准结构的电动机，调速范围很广。通过坐标变换电路，和 被换成下式所表示的定子电流幅值指令 和对于 的相对相位角指

34、令矢量控制系统框图3矢量控制的前景 矢量控制不仅可以用于笼型感应电动机，也可用于绕线转子感应电动机。矢量控制是很有发展前途的一种控制方案，采用矢量变换的感应电动机具有和直流电动机一样的控制特点，而且结构简单、可靠，电动机容量不受限制以及与同等直流电动机相比机械惯量小等优点，因此有望取代直流电动机，如采用微处理器来完成坐标变换和控制功能，可大大降低成本，对今后机床传动系统设计必将产生重大影响。4.4.3 交流伺服驱动变频电源 1调频兼调压的要求交流电动机的转速n公式为定子供电频率；极对数；转差率。在异步电动机中已知如果略去定子阻抗压降，则从转矩公式 可以看出，的减小势必导致电动机允许输出转矩M下

35、降，使电动机的利用率降低。同时，电动机的最大转矩也将降低，严重时会使电动机堵转。若维持端电压U1不变，而减少，将增加。这就会使磁路饱和，励磁电流Im上升，导致铁损急剧增加，这也是不允许的。因此在许多场合，要求在调频的同时改变定子电压U1，以维持 接近不变。根据U1和 的不同比例关系，将有不同的变频调整方式。通过电机学有关公式推导，可知对于恒转矩负载（M=常数），要求 =常数。而对于恒功率负载（P=常数），要求 =常数，因此对交流电动机供电的变频器一般都要求同时有调频兼调压的功能，并且根据电动机所带负载的特性，来确定电压U1与频率 的关系。2变频器的类型 变频器可分为“交-交”型和“交-直-交”

36、型两大类。前者又称直接式变频器，后者又称带直流环节的间接式变频器。（1）交-交变频器P组N组U0RP组通N组通U0交-交变频器的原理图（2）交-直-交变频器 它由顺变器、中间环节和逆变器3部分组成。顺变器的作用是将交流转换为可调直流，作为逆变器的直流供电电源。因中间环节的不同而分为斩波器方式变频器、电压型变频器和电流型变频器等。而逆变器是将可调直流电变为调频、调压的交流电，采用脉冲宽度调制（PWM）逆变器来完成。逆变器有晶闸管逆变器和晶体管逆变器之分，目前，数控机床上的交流伺服系统较多地采用晶体管逆变器。脉冲宽度调制（PWM）的方法很多，其中正弦波调制（SPWM）方法应用最为广泛，为此，特介绍

37、工作原理如下。3SPWM逆变器的工作原理（1）SPWM波形与等效正弦波 SPWM逆变器产生正弦脉宽调制波即SPWM波形。其工作原理是，把1个正弦半波分成N等份，然后把每一等份的正弦曲线与横坐标轴所包围的面积都用1个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，这样可得到N个等高而不等宽的脉冲序列。它对应着1个正弦波的半周，对正负半周都这样处理，即可得到相应的2N个脉冲，这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制波，其波形如图所示。与正弦波等效的SPWM波形（2）产生SPWM波形的原理 SPWM波形可用计算机技术产生，即对给定的正弦波用计算机算出相应脉冲宽度，通过控制电路输出相应波形，或用专门的集成电路芯片产生，也可以采用模拟式电路以调制理论为依据产生，其方法是以正弦波为调制波对等腰三角波为载波的信号进行调制。调制电路仍可采用电压比较放大器，调制原理已在前述直流伺服系统中的脉冲宽度调制器中说明，所不同的是这里需要3路以产生三相SPWM波形，其原理框图如图所示。三相SPWM控制电路原理框图