1、數控機床伺服驅動系統概數控機床伺服驅動系統概述述7.17.1 數控機床的驅動系統分類數控機床的驅動系統分類7.17.1 數控機床的驅動系統分類數控機床的驅動系統分類工作原理：將指令數字脈沖信號轉換為電機的角位移。工作原理：將指令數字脈沖信號轉換為電機的角位移。7.17.1 數控機床的驅動系統分類數控機床的驅動系統分類7.17.1 數控機床的驅動系統分類數控機床的驅動系統分類7.17.1 數控機床的驅動系統分類數控機床的驅動系統分類 脈沖當量0.001-0.0001mm，快進速度24-100m/min。主要用于精密、大型數控設備上。7.17.1 數控機床的驅動系統分類數控機床的驅動系統分類7.1

2、7.1 數控機床的驅動系統分類數控機床的驅動系統分類 脈沖當量0.005-0.001mm，快進速度15-24m/min。主要用于中檔數控機床上。7.17.1 數控機床的驅動系統分類數控機床的驅動系統分類調速范圍：最低轉速到最高轉速的范圍調速范圍：最低轉速到最高轉速的范圍- -n nmin/min/n nmaxmax 7.17.1 數控機床的驅動系統分類數控機床的驅動系統分類7.17.1 數控機床的驅動系統分類數控機床的驅動系統分類7.27.2 步進電機及其驅動系統步進電機及其驅動系統7.27.2 步進電機及其驅動系統步進電機及其驅動系統工作臺絲杠編碼器步進電機7.27.2 步進電機及其驅動系統

3、步進電機及其驅動系統（1 1） 步進電機的結構與工作原理步進電機的結構與工作原理 （1 1） 步進電機的結構與工作原理步進電機的結構與工作原理圖7-4 單段式三相反應式步進電機結構原理圖7-5 展開后的步進電機齒距NS（1 1） 步進電機的結構與工作原理步進電機的結構與工作原理單段式（一個定子，也稱徑向式）反應式步進電機（圖7-4）：（1 1） 步進電機的結構與工作原理步進電機的結構與工作原理三段式徑向磁路反應式步進電動機結構示意圖 磁路沿徑向磁路沿徑向（1 1） 步進電機的結構與工作原理步進電機的結構與工作原理五段式軸向磁路反應式步進電機結構示意圖磁路沿軸向磁路沿軸向（1 1） 步進電機的結

4、構與工作原理步進電機的結構與工作原理 三相單三拍通電方式工作原理：三相單三拍通電方式工作原理： 當第一個脈沖通入當第一個脈沖通入A A相時，磁通企圖沿著磁阻最小的相時，磁通企圖沿著磁阻最小的路徑閉合，在此磁場力的作用下，轉子的路徑閉合，在此磁場力的作用下，轉子的1 1、3 3齒要和齒要和A A級級對齊。當下一個脈沖通入對齊。當下一個脈沖通入B B相時，磁通同樣要按磁阻最小相時，磁通同樣要按磁阻最小的路徑閉合，即的路徑閉合，即2 2、4 4齒要和齒要和B B級對齊，則轉子就相對定子級對齊，則轉子就相對定子沿逆時針方向轉動沿逆時針方向轉動3030。 單段式三相反應單段式三相反應式步進電機的工式步進

5、電機的工作原理作原理（假定每個定子磁極（假定每個定子磁極只有只有1 1個齒，齒距角個齒，齒距角=60=60，轉子齒數假，轉子齒數假定只有定只有4 4個齒）個齒）（1 1） 步進電機的結構與工作原理步進電機的結構與工作原理 若通電脈沖的次序為若通電脈沖的次序為A、 B 、 C 、A，轉子將，轉子將以逆時針方向一步步地旋轉。以逆時針方向一步步地旋轉。 定子繞組每改變一次通電方式，稱為一拍。上述定子繞組每改變一次通電方式，稱為一拍。上述的通電方式稱為三相單三拍。所謂的通電方式稱為三相單三拍。所謂“單單”是指每是指每次只有一相繞組通電；所謂次只有一相繞組通電；所謂“三拍三拍”是指經過三是指經過三次切換

6、控制繞組的通電狀態為一個循環。次切換控制繞組的通電狀態為一個循環。 單段式三相反應單段式三相反應式步進電機的工式步進電機的工作原理作原理（假定每個定子磁極（假定每個定子磁極只有只有1 1個齒，齒距角個齒，齒距角=60=60，轉子齒數假，轉子齒數假定只有定只有4 4個齒）個齒）（1 1） 步進電機的結構與工作原理步進電機的結構與工作原理 三相單三拍通電：每拍只有一相繞組通電，在切換瞬間可能失三相單三拍通電：每拍只有一相繞組通電，在切換瞬間可能失去自鎖力矩，易失步且易在平衡位置產生振蕩；去自鎖力矩，易失步且易在平衡位置產生振蕩； 三相雙三拍通電方式：三相雙三拍通電方式：AB BC CA ABAB

7、BC CA AB逆時針轉動；逆時針轉動； 三相單雙六拍通電方式：三相單雙六拍通電方式： A AB B BC C CA AA AB B BC C CA A逆時針轉動；逆時針轉動； 單段式三相反應單段式三相反應式步進電機的工式步進電機的工作原理作原理（假定每個定子磁極（假定每個定子磁極只有只有1 1個齒，齒距角個齒，齒距角=60=60，轉子齒數假，轉子齒數假定只有定只有4 4個齒）個齒）步進電機的通電方式： 三相雙三拍：(逆轉) ABBCCAAB (順轉) ACCBBAAC 三相單雙六拍： (逆轉) A AB B BC C CA A (順轉) A AC C CB B BA A三相單三拍：(逆轉)

8、ABCA (順轉) ACBA（1 1） 步進電機的結構與工作原理步進電機的結構與工作原理三種通電方式的特點：三種通電方式的特點： 單三拍單三拍- -每次一相通電每次一相通電, ,步進電機穩定性差，步距角步進電機穩定性差，步距角3030； 雙三拍雙三拍- -每次同時兩相通電每次同時兩相通電, ,切換瞬間仍有一相保持通電切換瞬間仍有一相保持通電, ,運行穩運行穩定，步距角定，步距角3030； 單雙六拍單雙六拍- -步距角步距角1515，切換瞬間仍有一相保持通電，運行穩定。，切換瞬間仍有一相保持通電，運行穩定。)/(360mzk （1 1） 步進電機的結構與工作原理步進電機的結構與工作原理（1 1）

9、 步進電機的結構與工作原理步進電機的結構與工作原理（1 1） 步進電機的結構與工作原理步進電機的結構與工作原理（1 1） 步進電機的結構與工作原理步進電機的結構與工作原理思考題：如圖所示的開環步進電機位置控制系統，已思考題：如圖所示的開環步進電機位置控制系統，已知負載力知負載力F F=2000N=2000N，工作臺長，工作臺長L L=400mm=400mm，定位精度為，定位精度為0.02mm0.02mm，絲杠導程，絲杠導程6mm6mm，直徑，直徑d d32mm32mm，步進電機的，步進電機的步距角為步距角為1.51.5，試確定齒輪減速比，試確定齒輪減速比。（2 2） 永磁感應子式步進電機永磁感

10、應子式步進電機（2 2） 永磁感應子式步進電機永磁感應子式步進電機失調角失調角靜態轉矩靜態轉矩jmax一般步進電機的輸出轉矩一般步進電機的輸出轉矩T T隨著運行頻率隨著運行頻率f f的升高而的升高而下降，它是步進電機運轉時承載能力的動態指標下降，它是步進電機運轉時承載能力的動態指標1211221360ZiZS傳動比式中：為步進電機的步距角 為系統的脈沖當量（） i 為傳動系統的傳動比wkwZZZZnni211傳動比：2.步進電機的選用 輸出轉距輸出轉距：通常取負載轉矩與最大靜轉矩的比值為 TL/Tjmax=0.3 0.5步距角與系統應匹配，即應滿足脈沖頻率應與系統要求的啟動、連續運行頻率匹配。

11、：應滿足以下匹配條件 式中：JM 為步進電機的轉動慣量； JL 為負載轉動慣量。 ：所選步進電機脈沖頻率要滿足負載要求，即： 所選步進電機的空載運行頻率fmax要高于其負載下的連續運行頻率；所選步進電機的空載啟動頻率要高于負載下的啟動頻率。 114MLJJ直流伺服電機的結構主要包括三大部分：（1）定子。定子磁極磁場由定子的磁極產生。根據產生磁場的方式，直流伺服電動機可分為永磁式和他勵式。永磁式磁極由永磁材料制成，他勵式磁極由沖壓硅鋼片疊壓而成，外繞線圈通以直流電流便產生恒定磁場。（2）轉子。又稱為電樞，由硅鋼片疊壓而成，表面嵌有線圈，通以直流電時，在定子磁場作用下產生帶動負載旋轉的電磁轉矩。（

12、3）電刷與換向片。為使所產生的電磁轉矩保持恒定方向，轉子能沿固定方向均勻的連續旋轉，電刷與外加直流電源相接，換向片與電樞導體相接。位置比較速度控制功率驅動直流伺服電機機床進給電流反饋電流環速度反饋位置反饋位置環速度環位置給定2()aseemUUnRRCC CaeECn()aaasUEIRRmaTCI式中：n-電機轉速，r/min； U-電樞回路外加電壓，V； Ia-電樞回路電流，A； Ra-電樞回路內阻，； Rs-電樞回路串聯調節電阻，；-氣隙磁通量，wb； Ce-反電勢系數； Cm-轉矩系數。2()aseemUUnRRCC C兩個環：兩個環： 電流環電流環內環；內環； 速度環速度環外環外環速

13、度、電流調節器速度、電流調節器均采用均采用PIPI調節器，調節器，且帶限幅功能。且帶限幅功能。PI調節器-比例（Proportion）調節+積分（Integral）調節 電流環為由ACR和電流負反饋組成的閉環，它的主要作用是。穩態時：穩態時：0isifisidsidUUUUIUIdsidsifisiIUIUUUU0 速度環是由速度環是由ASRASR和轉和轉速負反饋組成的閉環，它速負反饋組成的閉環，它的主要作用是的主要作用是，并最后消除轉速靜差。，并最后消除轉速靜差。 穩態時：穩態時：0nsnfnsnsnUUUUnUn：當：當U Usnsn為一定的情況下，由于速度調節器為一定的情況下，由于速度調

14、節器ASRASR的調的調節作用，轉速節作用，轉速n n將穩定在將穩定在U Usnsn/的數值上。的數值上。原理原理 ： 三相整流器，由二個半波整流電路組成。每部分內又分成共三相整流器，由二個半波整流電路組成。每部分內又分成共陰極組（陰極組（1 1、3 3、5 5）和共陽極組（）和共陽極組（2 2、4 4、6 6）。為了構成回路，這二組中）。為了構成回路，這二組中必須各有一個可控硅同時導通。必須各有一個可控硅同時導通。 1 1、3 3、5 5在正半周導通，在正半周導通， 2 2、4 4、6 6在負在負半周導通。每組內（即二相間）觸發脈沖相位相差半周導通。每組內（即二相間）觸發脈沖相位相差1201

15、20，每相內二個觸，每相內二個觸發脈沖相差發脈沖相差180180。按管號排列，觸發脈沖的順序：。按管號排列，觸發脈沖的順序：1-2-3-4-5-61-2-3-4-5-6，相鄰之，相鄰之間相位差間相位差6060。為保證合閘后兩個串聯可控硅能同時導通，或已截止的相。為保證合閘后兩個串聯可控硅能同時導通，或已截止的相再次導通，再次導通， 采用雙脈沖控制。既每個觸發脈沖在導通采用雙脈沖控制。既每個觸發脈沖在導通6060后，在補發一后，在補發一個輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，寬度大于個輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，寬度大于6060，小于，小于120120。462791113581210ABCM、 二

16、組反并接， 分別實現電機的正轉和反轉。UdRdbKM+-FUUe)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 135246120120180601324606056 只要改變晶只要改變晶閘管的觸發角閘管的觸發角（即改變導通（即改變導通角），就能角），就能改變改變晶閘管的整流輸晶閘管的整流輸出電壓出電壓，從而改，從而改變直流伺服電機變直流伺服電機的轉速。的轉速。 觸發脈沖提前觸發脈沖提前來，增大整流輸來，增大整流輸出電壓；觸發脈出電壓；觸發脈沖延后來，減小沖延后來，減小整流輸出電壓。整流輸出電壓。

17、主回路波形圖 晶閘管調速控制晶閘管調速控制- -適合于大功率及要求不高的直流伺服電動適合于大功率及要求不高的直流伺服電動機調速控制機調速控制（根據圖根據圖7-247-24來理解來理解）：）： 調速調速：當給定的指令信號增大時，則有較大的偏差信號加到調節器：當給定的指令信號增大時，則有較大的偏差信號加到調節器的輸入端，產生前移的觸發脈沖，晶閘管整流器輸出直流電壓提高，的輸入端，產生前移的觸發脈沖，晶閘管整流器輸出直流電壓提高，電機轉速上升。此時測速反饋信號也增大，與大的速度給定相匹配達電機轉速上升。此時測速反饋信號也增大，與大的速度給定相匹配達到新的平衡，電機以較高的轉速運行。到新的平衡，電機以

18、較高的轉速運行。 干擾干擾：如負載增加，電機轉速下降，速度反饋電壓降低，則速度調：如負載增加，電機轉速下降，速度反饋電壓降低，則速度調節器的輸入偏差信號增大，其輸出信號也增大，經電流調節器使觸發節器的輸入偏差信號增大，其輸出信號也增大，經電流調節器使觸發脈沖前移，晶閘管整流器輸出電壓升高，使電機轉速恢復到干擾前的脈沖前移，晶閘管整流器輸出電壓升高，使電機轉速恢復到干擾前的數值。數值。 電網波動電網波動：電流調節器通過電流反饋信號還起快速的維持和調節電：電流調節器通過電流反饋信號還起快速的維持和調節電流作用，如電網電壓突然短時下降，整流輸出電壓也隨之降低，在電流作用，如電網電壓突然短時下降，整流

19、輸出電壓也隨之降低，在電機轉速由于慣性還未變化之前，首先引起主回路電流的減小，立即使機轉速由于慣性還未變化之前，首先引起主回路電流的減小，立即使電流調節器的輸出增加，觸發脈沖前移，使整流器輸出電壓恢復到原電流調節器的輸出增加，觸發脈沖前移，使整流器輸出電壓恢復到原來值，從而抑制了主回路電流的變化。來值，從而抑制了主回路電流的變化。 啟動、制動、加減速啟動、制動、加減速：電流調節器還能保證電機啟動、制動時的大轉：電流調節器還能保證電機啟動、制動時的大轉矩、加減速的良好動態性能。矩、加減速的良好動態性能。 近年來，在世界上得到了廣泛應用，并且逐步取代晶閘管控制方式。UMT2TtKUa如圖所示,開關

20、K周期性的開關,周期為T,接通時間為,外加電源電壓U為常數，則加到電樞上的波形是一個高為U，寬為，周期為T的方波。則它的平均值為：Ua= Udt/T= U/T=TU 其中T/T0TU Ua a=T T U U 其中其中T T/T/T 由上式可知：由上式可知： 當當T T不變時，只要連續地改變不變時，只要連續地改變（0 0T T）就可使電樞電壓平均值連續地由就可使電樞電壓平均值連續地由0 0U U變化，從而改變電機的變化，從而改變電機的轉速。轉速。如開關頻率是如開關頻率是2000Hz2000Hz，T Tl l2000s2000s0.5ms0.5ms。 圖中二極管為續流二極管，當圖中二極管為續流二

21、極管，當K K斷開時，由于電樞電感斷開時，由于電樞電感的存在，電機電樞電流的存在，電機電樞電流IaIa可通過它形成回路而繼續流通。可通過它形成回路而繼續流通。UMT2TtKUa-整流速度調節器電流反饋脈寬調制基極驅動功放振蕩器 電流調節器GMUsrUsf u -+-圖圖7-25 PWM系統組成原理系統組成原理脈寬調制：脈寬調制： 功率放大器中的晶體管工作在開關狀態下，開關頻率保功率放大器中的晶體管工作在開關狀態下，開關頻率保持恒定，持恒定，用調整開關周期內晶體管導通時間（即改變基極調用調整開關周期內晶體管導通時間（即改變基極調制脈沖寬度）的方法來改變輸出制脈沖寬度）的方法來改變輸出，以使電機電

22、樞兩端獲得脈，以使電機電樞兩端獲得脈寬受調制脈沖控制的電壓脈沖，由于頻率高及電感的作用則寬受調制脈沖控制的電壓脈沖，由于頻率高及電感的作用則為波動很小的直流電壓（平均電壓）。為波動很小的直流電壓（平均電壓）。 脈寬的連續變化使電樞電壓的平均值隨著變化，從而達脈寬的連續變化使電樞電壓的平均值隨著變化，從而達到調節電機轉速的目的。到調節電機轉速的目的。周期不變脈寬脈寬脈寬脈寬平均直流電壓Ut周期不變 ：晶體管脈寬調制系統，因晶體管的開關頻率很高，其輸出電流接近于純直流，使電機調速平穩。另一方面，轉子也跟不上如此高的頻率變化，避開了機械諧振，使機械工作平穩工作平穩；這種方式還具有優良的動態硬度具有優

23、良的動態硬度，電機既能驅動負載，也能制動負載，因而響應很快。與晶閘管比較，在相同的輸出轉矩下（即平均電流相同）運行效率高，發熱小，低速下限更小，調速范圍更寬。：它的電刷和換向器易磨損，換向時產生火花，使電機的最高轉速受到限制，也使應用環境受限制，其結構復雜，成本高。 幾年來，由于交流伺服電機克服了直流伺服電機結構上幾年來，由于交流伺服電機克服了直流伺服電機結構上的缺點，交流伺服系統正在逐步取代直流伺服系統。的缺點，交流伺服系統正在逐步取代直流伺服系統。 特點：特點：結構簡單、可靠性高、維護方便。 種類：種類：交流異步伺服電機和交流同步伺服電機。 永磁式交流（同步）伺服電機特點永磁式交流（同步）

24、伺服電機特點 與直流伺服電機相比，同等功率下，電機外形尺寸減小1/2，重量減輕60%，轉子慣量減至1/5（減小4/5） 感應式交流伺服電機特點感應式交流伺服電機特點 結構簡單、價格便宜、過載能力強，與永磁式交流伺服電機相比，效率低、體積大、轉子熱損耗大，轉子發熱直接影響系統性能。 應用：應用：目前數控機床進給系統多采用永磁式交流伺服電機永磁式交流伺服電機。1 1、永磁式交流（同步）伺服電動機的結構：、永磁式交流（同步）伺服電動機的結構： 電機由定子、轉子和檢測元件組成。電機由定子、轉子和檢測元件組成。VSVS脈沖編碼器轉子定子接線盒定子三相繞組 永磁交流伺服電機的變頻調速永磁交流伺服電機的變頻

25、調速進給系統常使用交流同步電機，該電機沒有轉差率，進給系統常使用交流同步電機，該電機沒有轉差率，電機轉速：電機轉速：式中：式中：f f 定子電源頻率；定子電源頻率；p p 磁極對數磁極對數 S S 轉差率（交流同步電機轉差率為轉差率（交流同步電機轉差率為0 0）調速方法：只能用調速方法：只能用變頻調速。變頻調速。主要環節：主要環節：為交流電機提供變頻、變壓電源的變頻器。為交流電機提供變頻、變壓電源的變頻器。變頻器分為：交變頻器分為：交直直交變頻器交變頻器 （分（分電壓型電壓型和電流型）和電流型） 交交交變頻器交變頻器 pfspfn60160 2 2、永磁交流（同步）伺服電機工作原理和性能、永磁

26、交流（同步）伺服電機工作原理和性能1 1）、正弦脈寬調制（）、正弦脈寬調制（SPWMSPWM）變頻器）變頻器 調制原理（以單相為例）：調制原理（以單相為例）： 正弦脈寬調制正弦脈寬調制 （SPWMSPWM）波形）波形-與正弦波等效的一系列等與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波，如圖所示。幅不等寬的矩形脈沖波，如圖所示。 等效原理：把正弦分等效原理：把正弦分成成 n n 等分，每一區間的面等分，每一區間的面積用與其相等的等幅不等積用與其相等的等幅不等寬的矩形面積代替。寬的矩形面積代替。 正弦的正負半周均如此正弦的正負半周均如此處理。處理。永磁交流伺服電機的變頻調速永磁交流伺服電機的變頻調速

27、uttuOOa)b)特點：等距、等幅、不等寬。特點：等距、等幅、不等寬。基準正弦波(由速度指令轉化過來的)方波發生器(帶正反饋比較又有RC積分)三角波發生器(積分器)三角波與基準正弦波疊加（比較器）SPWM調制波VD1uutu1:調制波u0OOOttRFRR1R2R3R4R5R6R7VD2VD3VD4C 1C 2U0 (ua、ub、 uc )tO-+tut:載波uAB50HzSPWMD1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12T1T2T3T4T5T6uauaububucucu1u2u3utu1utudua1t1t1t1t1t1tuA0uB0uC0逆變器輸出A相等效正弦脈寬電壓波B相等

28、效正弦脈寬電壓波逆變器輸出電壓等效正弦脈寬電壓波u1:由F轉換來的ut改變調制波的頻率、幅值，就可改變最終輸出：變頻變壓的交流電壓C相等效正弦脈寬電壓波主回路：左半部：整流器右半部：逆變器校正補償乘法器SPWM功率放大速度反饋信號轉子位置檢測電路電流信號處理電路傳感器信號處理電路傳感器MS3電流比較速度比較電流傳感+-U(t)交流進給伺服電機的速度控制系統組成框圖交流進給伺服電機的速度控制系統組成框圖 系統組成：速度環、電流環系統組成：速度環、電流環 、SPWMSPWM電路、功放電路、檢電路、功放電路、檢測反饋電路。測反饋電路。交流電動機的交流電動機的矢量控制理論矢量控制理論：解決了交流異步：

29、解決了交流異步/ /同步電同步電動機的調速問題，使得交流電機的控制跟直流電機控制一樣動機的調速問題，使得交流電機的控制跟直流電機控制一樣方便可行，并且可以獲得與直流調速系統相媲美的動態性能。方便可行，并且可以獲得與直流調速系統相媲美的動態性能。交流感應異步電動機的矢量控制原理交流感應異步電動機的矢量控制原理：在普通的三：在普通的三相交流感應異步電動機上模擬直流電動機，求出異步電動機相交流感應異步電動機上模擬直流電動機，求出異步電動機與之對應的磁場與電樞電流，分別而獨立的加以控制，即將與之對應的磁場與電樞電流，分別而獨立的加以控制，即將三相交變量（矢量）轉換為與之等效的直流量（標量），按三相交變

30、量（矢量）轉換為與之等效的直流量（標量），按照直流電動機的控制方式對其進行控制。照直流電動機的控制方式對其進行控制。調速調速 加速度控制加速度控制 轉矩控制轉矩控制交流永磁同步電動機的矢量控制原理交流永磁同步電動機的矢量控制原理：在普通的三相：在普通的三相交流永磁同步電動機上模擬直流電動機轉矩控制的規律，通交流永磁同步電動機上模擬直流電動機轉矩控制的規律，通過建立永久磁鐵磁場、電樞磁動勢和轉矩的關系，在調速過過建立永久磁鐵磁場、電樞磁動勢和轉矩的關系，在調速過程中，通過控制電流（程中，通過控制電流（即對電動機定子電流矢量的相位和幅即對電動機定子電流矢量的相位和幅值進行控制值進行控制）來實現對轉矩的控制。）來實現對轉矩的控制。調速調速 加速度控制加速度控制 轉矩控制轉矩控制