1、第8章 伺服系統8.1概述8.2步進電動機進給驅動系統8.3直流伺服電機及其速度控制系統8.4交流伺服電機及其速度控制8.5數控機床位置檢測8.1概述 伺服系統也叫隨動系統，是數控機床的重要組成部分。它能夠嚴格按照CNC裝置的控制指令進行動作,并能獲得精確的位置、速度或力矩輸出的自動控制系統。它是一種“執行機構”,是CNC裝置和機床本體的聯結環節, 是數控機床的“四肢”。它及時而準確地執行CNC裝置發來的運動指令,準確地控制機床各運動部件的速度和位置,達到加工出所需工件的外形和尺寸的最終目的。伺服驅動系統的性能,在很大程度上決定了數控機床的性能,研究與開發高性能的伺服系統是現代數控機床發展的關

2、鍵技術之一。8.1.1數控機床伺服系統的組成數控機床進給伺服系統, 一般是由位置控制環和速度控制環組成。內環是速度控制環,外環是位置控制環。伺服系統的結構框圖如圖8-1所示。圖8-1 伺服系統結構框圖 8.1.2數控機床伺服系統的分類數控機床伺服系統的分類方法通常是按控制方式、伺服電機的類型、反饋比較控制、進給驅動和主軸驅動等方式進行分類的。1.按控制方式分類按控制方式分可分為開環伺服系統、閉環伺服系統和半閉環伺服系統。開環控制無位置檢測和反饋裝置,半閉環、閉環控制有位置檢測和反饋裝置。(1)開環伺服系統。開環伺服系統就是不需要位置檢測與反饋裝置的伺服系統(如圖8-2所示)。執行機構通常采用步

3、進電動機，系統位移正比于指令脈沖的個數,位移速度取決于指令脈沖的頻率。每一個進給脈沖驅動步進電動機旋轉一個步距角,再經過傳動系統轉換成工作臺的一個當量位移。步進電動機開環伺服系統的功率不大,所以電動機的轉速不能太高,一般正常工作轉速不要超過1000r/min。圖8-2 開環伺服系統結構示意圖 (2)閉環伺服系統閉環伺服系統有位置檢測裝置和反饋裝置，是誤差控制隨動系統。如圖8-3所示。CNC輸出的位置指令與位置檢測裝置反饋回來的機床坐標軸的實際位置相比較,形成位置誤差, 經變換得到速度給定電壓。在速度控制環,伺服驅動裝置根據速度給定電壓和速度檢測裝置反饋的實際轉速對伺服電機進行控制, 由此構成閉

4、環位置控制。 圖8-3 閉環伺服系統結構示意圖 (3)半閉環伺服系統半閉環和閉環系統的控制結構是一樣的, 區別是其位置檢測反饋裝置沒有直接安裝在進給坐標的最終運動部件上，如圖8-4所示, 而是將運動的傳動鏈有一部分在位置環以外，在環外的傳動誤差沒能得到系統的補償,使半閉環伺服系統的精度低于閉環系統。其性能介于開環和閉環伺服系統之間。 圖8-4 半閉環伺服系統結構示意圖 2.按伺服電機的類型分類可分為步進電動機伺服系統、直流伺服系統和交流伺服系統。(1)步進伺服系統步進伺服系統就是典型的開環伺服系統,它由步進電機及其驅動系統組成。步進伺服系統優點是結構簡單、使用維護方便、可靠性較高、制造成本低等

5、,所以廣泛的應用于小型數控機床和速度、精度要求不太高的場合。(2)直流伺服系統直流伺服系統通常用的伺服電機為小慣量直流伺服電機和永磁直流伺服電機(也稱為大慣量寬調速直流伺服電機)。小慣量直流伺服電機最大限度地減小了電樞的轉動慣量,它的快速性較好,在早期的數控機床上應用最多。(3)交流伺服系統交流伺服電機分為交流同步型伺服電機和交流異步型伺服電機兩種。由于交流伺服電機沒有直流伺服電機的缺點, 而且有較大的輸出功率、更高的電壓和轉速,交流異步型電動機一般用于主軸交流伺服系統,交流同步型伺服電機，一般用于進給伺服電機。目前,交流伺服電機的應用得到了迅速發展。3.按反饋比較控制方式分類在伺服系統中,因

6、采用的位置檢測元件不同,位置指令信號與反饋信號比較方式通常可分為脈沖比較、相位比較和幅值比較。伺服系統按反饋比較控制方式可分為脈沖數字比較伺服系統、相位比較伺服系統、幅值比較伺服系統和全數字伺服系統。 4.按進給驅動和主軸驅動分類數控機床伺服系統按驅動對象,可分為進給伺服系統和主軸伺服系統。 (1)進給伺服系統進給伺服系統是以機床移動部件的位置和速度為控制量, 它包括速度控制環和位置控制環。數控機床的進給伺服系統主要由伺服驅動控制系統與機床進給機械傳動機構兩大部分組成。 (2)主軸伺服系統主軸伺服系統控制只是一個速度控制, 與進給伺服系統基本相同,主要實現主軸的旋轉運動, 提供切削過程中的轉矩

7、和功率, 也是采用交流調速或直流調速,能在轉速范圍內實現無級變速。當要求機床有螺紋加工、準停和恒線速度加工等功能時,就要對主軸提出相應的位置控制要求。8.1.3對進給伺服系統的基本要求數控機床進給伺服系統的的高性能在很大程度上，主要是取決于進給伺服系統的高性能。為此,數控機床對進給伺服系統的位置控制、速度控制、伺服電機、機械傳動等方面都要求很高，可概括為以下幾個方面: 1.高精度伺服系統的精度指標主要有位移精度、定位精度、重復定位精度、分辨率和脈沖當量。 2.穩定性進給系統的穩定性是指系統在給定新的輸入指令信號或外界干擾作用下, 能在短暫的調節過程后,達到新的或者恢復到原來的穩定狀態。 3.

8、快速響應快速響應是伺服系統動態性能的一項重要性能指標,反映了系統的跟蹤精度,為確保輪廓切削加工精確度和表面的粗糙度，對進給伺服系統除要求有較高的定位精度外,還要求伺服系統跟蹤指令信號的響應要快。 4. 調速范圍寬調速范圍是指電動機所提供的最高進給速度與最低進給速度之比。數控加工過程中,被加工零件材質以及零件加工要求的變化范圍很廣, 為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件, 要求進給驅動系統具有足夠寬的調速范圍和良好的無級調速特性。 （1）進給速度在124 000 mm/min時, 即l:24 000調速范圍內, 要求運行均勻、平穩、無爬行,且速降小。（2）進給速度在1 mm/min以下時, 具

9、有一定的瞬時速度,且瞬時速度要低。（3）進給速度為零,即工作臺停止運動時, 要求電動機有電磁轉矩以維持定位精度, 即電動機處于伺服鎖定狀態，以確保定位精度不變。5.低速大轉矩數控機床加工特點較多，其中在低速時進行重切削。要求進給伺服系統在低速時，輸出的轉矩要大,才能滿足切削加工的要求。為了滿足進給伺服系統要求,對伺服電動機也提出相應要求,具體是:（1) 電動機從最低到最高轉速范圍內都能平滑地運轉, 轉矩波動要小, 尤其在低轉速時, 仍然保持平穩的速度而無爬行現象。（2) 電動機應具備較長時間工作下有較大的過載能力, 以滿足低速大轉矩的要求。（3) 為了滿足快速響應要求, 電動機必須具備小的轉動

10、慣量和較大的制動轉矩, 盡可能小的機電時間常數和起動電壓。（4) 電動機應具備能承受頻繁的正、反轉、制動。進給伺服電動機/i 系列/i系列直線電動機進給伺服放大器系列伺服放大器i 系列伺服放大器進給伺服電動機聯軸器滾珠絲杠進給伺服電動機及傳動機構8.1.4 對主軸伺服系統基本的要求數控機床主軸伺服系統與進給伺服系統不同的是主軸電動機的功率要求大,對轉速要求更高,但對調速性能的要求卻遠不如進給系統那樣高。數控機床對主傳動的要求，在很寬的范圍內轉速能連續可調,恒功率的范圍要寬, 具有四象限的驅動能力。為滿足自動換刀以及某些加工工藝的需要,要求主軸必須具有高精度的準停控制等。 1.對主軸伺服系統拖動

11、特性的要求 （1）調速范圍足夠大主軸驅動要求調速范圍足夠大,因為主軸變速是按指令自動進行的,要在較寬的轉速范圍內進行無級調速。一般要求在(1:100)(1:1000)的恒轉矩調速范圍, 1:10的恒功率調速范圍,能實現四象限驅動功能。但對中型以上的數控機床,要求調速范圍超過1:100。 (2)主軸輸出功率大 為了滿足生產率的需要, 主軸輸出功率必須要大， 要求主軸在整個速度范圍內均能提供切削所需要的功率,即恒功率范圍要寬。但由于主軸電動機及其驅動的限制,通常采用分段無級變速的方法, 使主軸電動機在低速段采用機械減速裝置,可提高輸出轉矩。2.對主軸驅動的控制要求主軸變速分為有級變速、無級變速和分

12、段無級變速三種形式,有級變速主要用于經濟型數控機床,大多數數控機床都采用無級變速或分段無級變速。(1)主軸定向準停控制為滿足數控機床的自動換刀以及某些加工工藝的需要, 對主軸除調速要求外, 還要求主軸具有高精度的準停控制。當CNC發出Ml9指令后, 經CPU處理后作為主軸的定位信號,經過磁性傳感器,可檢測主軸的準確位置,從而控制主軸準確地停在規定的位置上。(2)主軸旋轉與坐標軸進給的同步控制主軸的轉速與坐標軸的進給量要保持一定的關系, 也就是說主軸每轉一圈時,沿工件的軸坐標必須按節矩進給相應的脈沖量。一般是將光電脈沖編碼器裝在主軸上, 構成主軸的脈沖發生器, 當主軸旋轉發出脈沖, 經CPU對節

13、矩計算后,去控制坐標軸位置伺服系統,從而使進給量與主軸轉速保持同步。通常采用的主軸脈沖發生器,每轉的脈沖數為1024。(3)加減速功能 現代數控機床,在主軸在正、反向轉動時, 都具備了四象限驅動功能和自動加減速功能, 并且加減速時間盡可能短。(4)恒線速切削根據車床和磨床進行端面切削時, 為確保加工端面的粗糙度Ra小于某值，要求被加工的零件與刀尖的接觸點的線速度為恒值。但隨著刀具的徑向進給,切削直徑的逐漸減小,必須不斷提高主軸轉速才能維持線速度為常值。 V=2nd模擬量主軸放大器（變頻器）主 軸 放 大 器串 行 主 軸 放 大 器主 軸 電 動 機普通型和變頻專用電動機串行數字主軸電動機帶傳

14、動（經過一級降速）經過一級齒輪的帶傳動主 軸 傳 動 機 構幾級降速齒輪傳動主 軸 傳 動 機 構內裝式電機主軸單元 （電主軸）8.2步進電動機進給驅動系統8.2.1步進電機結構和工作原理1.步進電機分類步進電機就是脈沖電動機、又叫電脈沖馬達,它是將電脈沖信號轉換成機械角位移的一種執行器件。步進電機按轉矩產生的原理,按轉矩產生的工作原理步進電機可分為 反應式: 數控機床上常用三至六相反應式步進電機, 這種步進電機的轉子無繞組,由被勵磁的定子繞組產生感應力矩實現步進運動。這種電動機結構簡單、步距角小。 永磁式：轉子鐵心上裝有多條永久磁鐵，轉子的轉動與定位是由定、轉子之間的電磁引力與磁鐵磁力共同作

15、用的。相同體積的永磁式步進電動機轉矩大，步距角也大。 混合式：綜合了反應式和永磁式步進電機的優點，采用永久磁鐵提高電動機的力矩，通過細密的極齒來減小步距角，(2)按勵磁組數可分為兩相、三相、四相、五相、六相甚至八相步進電機。2.步進電機結構目前，我國使用的步進電機通常為反應式步進電機, 如圖8-5所示為三相反應式步進電動機的結構圖。它是由轉子、定子及定子繞組所組成。定子上有六個均布的磁極,直徑方向相對的兩個極上的線圈串聯,構成電動機的一相控制繞組。圖8-5 三相反應式步進電機結構示意圖 8.2.2步進電機工作原理 1. 步進電機的工作原理 按步進電機繞組的通電方式，可分為三相單三拍（通電順序為

16、：ABCA）、三相六拍（通電順序為：AABBBCCCAA）和三相雙三拍（通電順序為：ABBCCAAB）。步進電機繞組的每一次通斷電稱為一拍,每拍中只有一相繞組接通電, 稱為三相單三拍通電方式。如果每拍中都有兩相繞組接通電 ,就稱為三相雙三拍通電方式。如果通電循環的各拍交替出現單、雙相通電狀態, 就稱為三相六拍通電方式或三相單雙相通電方式。 如圖8-6所示，說明步進電機的工作原理。步進電機定子上有6個磁極,分成A、B、C三相，轉子上有四個齒,轉子上無繞組,由帶齒的鐵心做成。如果先將A相通電, B、C相不加電脈沖, A相磁極便產生磁場,在磁場力矩作用下, 轉子1、3齒被磁極A產生的電磁轉矩吸引過去

17、,當1、3齒與A對齊時, 轉動停止；接著將電脈沖加到B相勵磁繞組,A、C相不加電脈沖,B相磁極便產生磁場，磁極B又把距它最近的一對齒2、4吸引過來,使轉子按逆時針方向旋轉30。再接著將電脈沖加到C相勵磁繞組, A、B相不加電脈沖,這時轉子1、3兩個齒與定子C相磁極靠得最近,轉子再沿逆時針方向旋轉300，使轉子1、3兩個齒與定子C相對齊。依此類推,定子按ABCA順序通電,轉子就一步步地按逆時針方向轉動,每步轉30。這種控制方式稱為單三拍方式。 采用雙三拍控制方式,即通電順序按ABBCCAAB(逆時針方向)或按ACCBBAAC(順時針方向)進行。由于雙三拍控制每次有兩相繞組通電,而且切換時總保持一

18、相繞組通電,所以工作較穩定。如果按AABBBCCCAA順序通電,則形成三相六拍工作方式。按這種工作方式每切換一次,步進電機按逆時針方向轉過的角度比三相三拍方式減小一半,為15。若按AACCCBBBAA順序通電,則步進電機每步按順時針方向轉過 圖8-6 三相反應式步進電動機工作原理圖 步進電機的步距角可按下式計算=3600/kmz式中：K-通電方式系數,采用單相或雙相通電方式時,K=1,采用單雙相輪流通電方式時,K=2； -步距角，Z-步進電機轉子齒數，m-步進電機的相數。若定子齒數為24, 則每一拍電機轉過的角度（步距角）為=360/kmz=3600/1*3*24=50 （三相三拍）=360/

19、kmz=3600/1*6*24=2.50（三相六拍）2.步進電動機的特點步進電動機具有以下幾個基本特點:(1) 步進電動機受數字脈沖信號控制, 控制步進電動機的通電順序,將脈沖信號變為轉角, 輸出轉角與輸入的脈沖個數成嚴格的比例關系，沒有累積誤差，只要控制輸入步進電動機的脈沖個數就能控制位移量。(2)步進電動機的轉速與控制脈沖頻率成正比, 通過控制脈沖頻率可實現寬范圍內調節步進電動機的轉速。 （3)改變定子繞組的通電順序,實現電動機正反轉控制。（4)步進電動機具有自鎖能力, 當沒有控制脈沖輸入時，只要維持繞組內電流不變，電動機就可以保持在該固定位置上。 （5)步進電動機的工作狀態不隨外界電源及

20、溫度的變化而改變。 （6)步進電動機的步距角會有誤差,轉子轉過一定步數后也會出現累積誤差,但當轉子轉過一轉以后,而累積誤差為“零”,所以不會長期積累。 3.步進電動機的主要特性(1) 步距角的步距誤差(2)靜態矩角特性(3) 起動慣頻特性(4) 連續運行頻率(5) 矩頻特性 8.2.3、步進電機驅動裝置及其應用步進電機已在各方面得到了廣泛的應用, 步進電機的驅動裝置的電子電路已集成化、系列化、模塊化, 提高了可靠性。圖8-7 為步進電機驅動器的外形及接口圖 圖8-8 撥動開關示意圖圖89 步進電機動裝置典型的接線圖 8.3直流伺服電機及其速度控制系統 8.3.l概述直流電動機調速簡單方便,尤其

21、是他勵直流電機又具有較硬的機械特性,所以在20世紀70、80年代的數控機床上起主導作用, 但由于數控機床對伺服系統的要求高（如：精度高、調速范圍寬、低速大轉矩、穩定性好和響應速度快等），而且直流伺服系統的結構比較復雜 ,所以逐漸被交流伺服電動機取代。但近年來又開發了多種大功率直流伺服電動機,并且已在閉環和半閉環伺服系統中得到應用。1.直流伺服電動機特點如下:（1） 無自轉現象: 在無控制信號時，伺服電動機轉子靜止不動；當控制信號到來之后，轉子迅速轉動；當控制信號消失時，伺服電動機的轉子會立即停止轉動。（2） 空載始動電壓低: 始動電壓越小表示電動機的靈敏度就越高。（3） 機械特性和調節特性的線

22、性度好， 具有下降的機械性,能在較寬的速度范圍內平滑穩定地調速。轉速從每分鐘通常在2000-6000 r/min之間。（4) 快速響應性好，直流伺服電動機具有較大的起動轉矩和小的轉動慣量。可控性好，時間常數小于0.03。（5)轉矩大，直流伺服電動機廣泛應用在寬調速系統和精確位置控制系統上,輸出功率從1瓦至數百瓦,甚至可達數千瓦。2、 結構和工作原理直流伺服電動機與他勵直流電動機結構相似，是由固定的磁極、電樞和換向器(包括換向片和電刷)組成。 直流伺服電動機工作原理與普通直流電動機是完全相同的。當勵磁繞組流過勵磁電流時，產生的氣隙磁通與電樞電流相互作用而產生電磁轉矩，使伺服電動機運行。分析直流伺

23、服電動機控制系統可以從直流電動機的電路原理入手。8.3.2直流主軸電動機及其驅動控制數控機床主軸驅動和進給差別很大,對主軸伺服電動機要求有很寬的調速范圍，能提供大的功率和轉矩。為滿足數控機床對主軸驅動的要求,主軸電動機必須具備滿足以下功能:1.輸出功率要大；2.電動機溫升要低；3.加、減速時間要短；4.振動、噪聲要小；5.在斷續負載下電動機轉速波動要小,過載能力要強；6.在整個調速范圍內速度平穩,恒功率范圍要寬；7.電動機可靠性要高、壽命長、維護方便；8.體積小、重量輕。8.3.3直流主軸驅動控制系統對于已經給定的直流電動機,要改變它的轉速,通常采用三種辦法:改變電動機電樞回路外加電壓,即改變

24、電樞電壓。可得到調速范圍較寬的恒轉矩特性,用于進給驅動及主軸驅動的低速段。改變氣隙磁通量。可得到恒功率特性,用于主軸電動機的高速段。改變電樞電路的電阻值。但得到的機械特性較軟,在數控機床上很少采用。1.調磁調速回路主軸電動機功率通常較大,且要求恒功率調速范圍盡可能大些,所以一般采用他勵電動機,勵磁繞組與電樞繞組相互獨立,由單獨的可調直流電源供電。當勵磁控制回路的電流給定、電樞電壓反饋、勵磁電流反饋三組信號經比較之后輸入至PI調節器,調節器的輸出經過電壓/相位轉換器,控制晶閘管觸發脈沖的相位,調節勵磁繞組的電流大小,實現電動機的恒功率弱磁調速。 2.調壓調速回路 調壓調速路回,類似于直流進給伺服

25、系統,也是由速度外環和電流內環構成的雙閉環調速度控制系統, 具有良好的靜態和動態指標, 可最大限度地利用電動機的過載能力,使過渡過程最短。通過控制直流主軸電動機的電樞電壓實現變速。 3.主回路電路及其工作原理 數控機床加工零件時，要求主軸正、反轉切削功率應盡可能大,停止和改變轉向要迅速。 主軸直流電動機驅動裝置是采用三相橋式反并聯邏輯無環流可逆調速系統, 主回路電路如圖810所示。 由圖810可知,主回路有12只晶閘管組成,它們分成V1、V2兩組, 其中V1為正組晶閘管,V2為反組晶閘管，如圖8-10(b)所示。每組按三相橋式連接形成變流橋,兩組變流橋為反極性并聯, 由一個交流電源供電,反極性

26、并聯線路能實現電動機正反向的電動和回饋發電制動,為保證在任何時間內只允許一組橋路工作,另一組橋路阻斷,采用邏輯控制電路(它包括方向控制、邏輯判斷及輸出切換等環節)。 三相橋式反并聯邏輯無環流可逆調速系統四象限運行示意圖如圖8-11所示。 當電動機正向運動時, V1管工作在整流狀態,提供正向直流電流;電動機反向運動時,則V2管工作在整流狀態,并提供反向直流電流;實現電動機在第一、三象限的起動、升降速度控制。 當電動機從正向運動狀態要轉到反向電動狀態時，速度指令從正變負, V1管進入逆變狀態, 這時電動機電樞回路中的電感儲能維持電流方向沒改變,電動機仍處于電動狀態,但電樞電流已逐漸減小。當電樞電流

27、減小到零后, 必須使V1管和V2管都處于封鎖狀態, 這時電動機在慣性作用下能自由轉動。經過安全延時后, V2管進入有源逆變狀態, 電動機工作在回饋發電制動狀態, 將機械能送回電網,轉速迅速下降, 當轉速到零后, V2管進入整流狀態,電動機反向起動,從而完成了從正轉到反轉的轉換過程,實現了從第一象限到第三象限的工作轉換。 只要改變VT1和VT2的控制相反，就改變了電動機從反轉到正轉的轉換過程。4.主電路控制要求為保證在任何時間內只允許一組橋路工作,另一組橋路阻斷, 采用邏輯控制電路(它包括方向控制、邏輯判斷及輸出切換等環節)。利用邏輯電路可檢測電樞電路的電流是否到達零值,并判斷出旋轉方向,提供V

28、1或V2的允許開通信號,使一組晶閘管在工作時,另一組晶閘管的觸發脈沖被封鎖,從而切斷正、反兩組晶閘管之間可能出現的電流通路。 8.4 交流伺服電機及其速度控制8.4.1交流伺服電動機的分類和特點 交流伺服電動機堅固耐用、經濟可靠且動態響應性好、輸出功率大、無電刷等特點，因而在數控機床上被廣泛應用并正逐步被交流伺服電機所取代。 交流伺服電機可分為異步型交流伺服電動機和同步型交流伺服電機機。這些電機具有相同的三相繞組的定子結構。（1)異步型交流伺服電動機 異步型交流伺服電動機有三相和單相之分,也有鼠籠式和線繞式之分。一般多用鼠籠式三相異步型交流伺服電動機,其結構簡單、 堅固、無刷、造價低、免維護，

29、對環境要求低，轉子的重量輕,慣性小,響應速度快。與同容量的直流電動機相比,重量約輕1/2,價格僅為直流電動機的1/3。它的缺點是不能實現較大范圍內地平滑調速,必須從電網吸收滯后的勵磁電流,造成電網功率因數降低。（2) 同步型交流伺服電動機三相同步型交流伺服電動機較三相異步型電動機復雜, 同步型交流伺服電動機按不同的轉子結構可分為電磁式及非電磁式兩類，非電磁式又分磁滯式、永磁式和反應式等。 同步型交流伺服電機的轉子磁極,要受到定子電路旋轉磁場的吸引,與旋轉磁場的轉速始終保持同步。當電源電壓和頻率不改變時, 同步型交流伺服電機的轉速是不會改變的。如果改由變頻電源供電,就可方便地獲得與頻率成正比的可

30、變轉速,從而得到非常硬的機械特性及較寬的調速范圍, 如圖8-12所示。圖8-12 交流伺服電機機械特性 8.4.2. 永磁式交流伺服電機工作原理當定子的三相繞組接通三相交流電流時,將產生一個旋轉磁場, 該旋轉磁場以同步轉速n旋轉的旋轉磁場, 轉子的永久磁場磁極被定子的旋轉磁極互相吸住, 帶動轉子一起同步旋轉。如圖813所示。當轉子加上負載轉矩之后,轉子軸線將落后定子旋轉磁場軸線一個Q角。當負載增大時,Q角隨著增大，當負載減小時,Q角隨著減小。一般只要不超過一定限度,轉子始終跟著定子的旋轉磁場以恒定的同步轉速n旋轉。但當負載超過一定限度之后,轉子不但不再按同步轉速旋轉,甚至可能不轉。這就是常說的

31、同步電動機的失步現象。 圖8-13 交流伺服電動機工作原理圖 永磁式同步型交流伺服電機結構如圖8-14所示, 定子鐵心1、轉子2、定子繞組3、位置檢測元件4和接線盒5等部件組成。永磁式同步型交流伺服電動機的主要優點有: 可靠性高,易維護保養; 轉子轉動慣量小,快速響應性好; 有寬的調速范圍,可高速轉動; 結構緊湊,在相同功率下有較小的質量和體積 散熱性能好。圖8-14 永磁式交流伺服電機結構1-定子鐵心、2-轉子、3-定子繞組、4-位置檢測元件 5-接線盒8.4.3 變頻控制器變頻控制器按變換環節分有：交交變頻器、交直交變頻器，按電壓的調制方式分有：PAM(脈幅調制)、PWM(脈寬調制)，按濾

32、波方式分有：電壓型變頻器、電流型變頻器，按輸入電源的相數分有：三進三出變頻器、單進三出變頻器，按控制方式分有：U/f控制變頻器、轉差頻率控制變頻器、矢量控制方式變頻器。 1.交一直一交變頻器交一直一交變頻器是將交流轉換為可調直流, 作為逆變器的直流供給電源。而逆變器是將可調直流電變為調頻調壓的交流電, 采用脈沖寬度調制(PWM)逆變器來完成, 逆變器有晶閘管逆變器和晶體管逆變器。目前，此種變頻器已得到普及。數控機床上的交流伺服系統大多采用交一直一交SPWM(正弦波調制)變頻控制器。交-直-交變頻器原理示意圖如圖9-15所示。9-15 交-直-交變頻器 2. SPWM變頻控制器（1）SPWM波形

33、與等效的正弦波如把一個正弦波分成n等分, 設n=12,如圖8-l6a所示。然后把每一等份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的等高矩形脈沖波所替代,這樣就得到n個等高不等寬的脈沖序列,并對應于一個正弦波的正半周,如圖8-16b所示。對于負半周,也可這樣處理。如果幅值改變,則各等高矩形脈沖的寬度也相應改變,這就是與正弦波等效的正弦脈寬調制波(SPWM)。 （a） (b) 圖8-16 等效的SPWM波形 （2）三相SPWM電路PWM是通過改變輸出脈沖的寬度和占空比來調節輸出電壓的一種方式，在調節過程中，逆變器負責調頻調壓。目前普遍應用的是脈寬按正弦規律變化的正弦脈寬調制SPWM方式。S

34、PWM調制的控制信號為幅值和頻率均可調的正弦波參考信號,載波信號為三角波。正弦波和三角波相交可得到一組矩形脈沖,其幅值不變,而脈沖寬度是按正弦規律變化的SPWM波形。對于三相SPWM,逆變器必須產生互差120的三相正弦波脈寬調制波。為了得到這三相調制波,三角波載頻信號可以共用,但是必須有一個三相正弦波發生器產生可變頻、可變幅且互差120的三相正弦波參考信號,并且將它們分別與三角波載波信號相比較后,產生三相脈寬調制波。圖817所示。圖8-17 三相正弦波與三角波相比后產生三相脈寬調制波 圖8-18 三相SPWM變頻器主電路結構簡圖 8.4.4變頻器在機床上的應用 變頻器即電壓頻率變換器，通常用于

35、主軸控制。是一種將固定頻率的交流電變換成頻率、電壓連續可調的交流電，提供給電動機運轉的電源裝置。一般SPWM正弦控制頻率變化范圍為0400Hz。 日本三菱FR-A500系列變頻器的系統組成及接口電路及原理框圖如圖8-19、8-20所示。在圖8-19中,為了減小輸入電流的高次諧波,主電路接入了交流電抗器, 接直流電抗器是用于功率因數校正,如果要想減小電動機的振動和噪聲,還可在變頻器和電動機之間接入降噪電抗器。交流伺服系統總體設備連線情況如圖8-21所示。圖8-19三菱FR-A500系列變頻器的系統組成 (a) 三菱FR-A500系列變頻器的系統接口電路 (b)三菱FR-A500系列變頻器原理框圖

36、圖8-20圖2-21 MINAS交流伺服系統總體設備連線情況 8.4.5、主軸分段無級調速及控制主軸無級調速主要有三種方式, 一是通過主軸輸出的模擬電壓接口,輸出010V模擬電壓至主軸驅動裝置, 二是輸出單極性010V模擬電壓至主軸驅動裝置,通過正轉與反轉開關量信號指定正反轉。三是選擇數控裝置輸出的二進制代碼或開關量信號至主軸驅動裝置,控制主軸的轉速。 數控機床常采用l4擋齒輪變速與電動機無級調速相結合,即分段無級變速控制。如圖8-22所示，通常數控系統均提供了2-4擋變速功能,而數控機床只需要2擋就可滿足要求。 圖8-22 有無齒輪減速主軸的T(n)、P(n)曲線 數控系統可設置參數M41-

37、M44四擋代碼對應的最高主軸轉速, 系統即可使用M41M44指令, 根據當前S指令值判斷檔位, 出相應的M41M44指令至PLC,控制齒輪自動變擋。然后數控裝置輸出相應的模擬電壓, 如圖823所示。下面以M41、M42為例： M41指令所對應的最高主軸轉速是1000r/min, M42指令所對應的最高主軸轉速是3500r/min, 而主軸電動機的最高轉速是3500r/min。當S指令在01000r/min范圍內變化時, M41指令所控制對應的齒輪嚙合:當S指令在10013500 r/min范圍內變化時,M42指令控制對應的齒輪嚙合。由此可見，M42對應的齒輪傳動比為1:1,M41對應的齒輪傳動

38、比為1:3.5,此時主軸輸出的最大轉矩為主軸電動機最大輸出轉矩的3.5倍。當然不同機床主軸變速的方式有所不同,但可通過編程控制器來具體實現。圖8-23 分段無級變速 8.4.6、主軸準停控制 1概述主軸準停功能又稱主軸定向功能。為滿足加工中心自動換刀以及某些加工工藝的需要, 當主軸停止時,要求主軸具有高精度的準停控制功能。如在自動換刀的鏜銑加工中心上,切削的轉矩是通過刀桿的端面鍵來傳遞的, 這就要求主軸具有準確定位于圓周上特定角度的徑向位置上。由圖8-24所示。當加工階梯孔或精鏜孔后退刀時,要防止刀具與小階梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面,因此必須先讓刀再退刀,在讓刀時刀具必須具有準停功能,如圖

39、8-25所示。圖8-24 主軸準停換刀圖 圖8-25 主軸準停鏜階梯孔示意圖 主軸準停可分為機械準停和電氣準停,它們的控制過程是一樣的,如圖8-26所示。機械方式是采用機械擋塊等來定位；電氣方式采用主軸定位,只要系統發出Ml9指令,主軸就能準確地定位。8-26 主軸準停控制過程框圖 2. 機械準停控制機械準停控制通常采用V形槽輪做定位盤準停結構,如圖8-27所示。帶有V形槽的定位盤與主軸端面應保持一定的關系,以便確定定位位置。當CNC執行準停控制指令Ml9時,首先使主軸減速至某一預先設定的低速轉動,當接近開關信號有效后,立即使主軸電動機停轉并斷開主軸傳動鏈, 這時主軸電動機與主軸傳動件依慣性繼

40、續在空轉,同時準停油缸定位銷伸出并壓向定位盤。當定位盤V形槽與定位銷正對時,由于油缸的壓力,定位銷插入V形槽中, 使LS2準停到位信號有效,準停動作完成。這里LS1為準停到位信號,LS2為準停到定位液壓缸位信號。控制邏輯信號可由系統所配的PLC來完成。圖8-27 機械準停原理示意圖 2.電氣準停控制大多數中高檔數控系統均采用電氣準停控制,電氣準停通常有磁傳感器準停、編碼器型主軸準停、數控系統準停3種方式。(1)磁傳感器準停 用磁傳感器準停控制時, 當CNC系統執行Ml9指令時, 向主軸驅動發出主軸準停啟動命令ORT。主軸驅動響應ORT命令會立即使主軸減速至預先設定的準停速度。當磁發體與磁傳感器

41、對準時, 主軸減速至某一爬行速度，然后當磁傳感器信號出現時,主軸驅動立即進入磁傳感器作為反饋元件的閉環控制,目標位置即為準停位置。準停完成后,主軸驅動裝置輸出準停完成ORE信號給CNC裝置,實現進行自動換刀(ATC)或其它動作。控制結構如圖8-28所示。圖8-28 磁傳感器準停控制系統構成 (2)編碼器型主軸準停編碼器型主軸準停與磁傳感器主軸準停不同的是,編碼器主軸準停的角度可任意設定, 其控制步驟與傳感器類似,所不同的是準停角度可由編碼設定,更加靈活方便。而磁傳感器準停的角度無法任意設定,要想調整準停位置,只有調整發磁體與磁傳感器的相對位置。編碼器主軸準停有兩種形式:一是采用主軸電動機內置的

42、編碼器信號，采用這種方式注意傳動鏈對主軸準停精度的影響。二是在主軸上直接安裝另一個編碼器。不管哪種方式,它們都具有主軸位置閉環控制功能。數控系統本身具有編碼器準停功能。編碼器主軸準停控制系統構成如圖829所示。圖8-29 編碼器主軸準停控制結構 (3)數控系統準停采用數控系統準停方式，這種方式是由數控系統自身完成的, 如圖8-30所示。為實現這種準停控制,要求:數控系統必須具有主軸閉環控制功能。具有較高的主軸傳動精度。主軸驅動具有伺服狀態。數控系統控制主軸準停時,準停角度由數控系統內部設定,因此更加方便靈活。如用Ml9指令，可在Ml9指令后用S值制定準停角度。圖8-30 數控系統控制主軸準停結

43、構 8.5數控機床位置檢測 8.5.1概述 數控機床的位置檢測裝置是數控機床的重要組成部分。在閉環控制中, 其定位精度和加工精度在很大的程度上取決于檢測裝置的精度。它的主要作用是檢測位移量, 是將系統發出的指令信號位置與實際反饋位置相比較,用其差值去控制進給電動機。 在數控伺服系統中,通常有兩種反饋系統:一種是速度反饋系統,用來測量和控制運動部件的進給速度;另外一種是位置反饋系統,用來測量和控制運動部件的位移量。而實際反饋位置的采集,則是由一些位置檢測裝置來完成的。這些檢測裝置有脈沖編碼器、光柵、感應同步器、旋轉變壓器等。電動機內裝位置和速度傳感器主軸位置與速度編碼器主軸位置和速度檢測裝置1.

44、閉環半閉環控制位置測量裝置對半閉環控制的數控機床,在閉環回路內是不包括機械傳動部分,它的位置檢測裝置通常采用旋轉變壓器或高分辨率的脈沖編碼器,并裝在進給電動機或絲杠的端頭,旋轉變壓器或脈沖編碼器每旋轉一定的角度,都必須嚴格地對應著工作臺所移動的距離。測量出電動機或絲杠的角位移,間接地測量出工作臺的直線位移。 對閉環控制系統的數控機床,采取直接測量工作臺的直線位移,使用感應同步器、光柵、磁柵等測量裝置。通過工作臺直接帶動感應同步器的滑動尺移動與裝在機床床身上的定尺配合,測出工作臺的實際位移值。 2檢測裝置的分類 伺服系統中采用的位置檢測裝置通常分為直線型和旋轉型兩大類。直線型位置檢測裝置是用來檢

45、測運動部件的直線位移量；旋轉型位置檢測裝置用來檢測回轉部件的轉動位移量。除此之外,伺服系統中往往還包括速度檢測單元,用以檢測和調節電動機的轉速，通常用的測速單元是測速發電機。常用的位置檢測裝置框圖如圖8-31所示。圖8-31 位置檢測裝置框圖 8.5.2脈沖編碼器 脈沖編碼器是一種旋轉式的脈沖發生器, 它能把機械轉角變成電脈沖,是數控機床上使用最多的角位移檢測傳感器。編碼器除了可以測量角位移外,還可以通過測量光電脈沖的頻率, 其工作示意圖如圖8-32所示。經過變換電路也可用于速度檢測,同時作為速度檢測裝置； 如果經過機械裝置,還可將直線位移轉變成角位移,可用來測量直線位移。 脈沖編碼器可分為光

46、電式、接觸式和電磁感應式三種。 1、光電式脈沖編碼器光電脈沖編碼器又可分為增量式脈沖編碼器和絕對式脈沖編碼器。伺服電動機內裝編碼器獨立型旋轉編碼器2.增量式脈沖編碼器(1)結構 增量式脈沖編碼器的結構原理圖如圖8-32所示. 它由光源、透明鏡、窄縫圓盤、檢測窄縫、光電變換器、A/D轉換線路及數字顯示裝置組成。其中,光電盤采用玻璃研磨拋光制成,玻璃表面在真空中鍍一層不透光的金屬薄膜鉻, 然后在上面制成圓周等距的透光與不透光相間的狹縫作透光用。狹縫的數量可為幾百條或幾千條。也可用精制的金屬圓盤, 在圓盤上再開出一定數量的等分圓槽縫,或在半徑的圓周上鉆出一定數量的孔,使圓盤產生明暗相間變化的區域。

47、(2)工作原理 窄縫圓盤裝在回轉軸上,由圖8-32可知,當窄縫電盤隨工作軸一起轉動時,每轉過一個縫隙就發生一次光線的明暗變化。經光敏元件構成一次電信號的強弱變化,經過整形電路、放大電路和微分電路處理后,得到脈沖輸出信號。脈沖個數就等于轉過的縫隙個數。如果將上述脈沖信號送入計數器中計數,則計數碼將反映出圓盤轉過的角度。（a） (b) 圖8-32 增量式脈沖編碼器的結構原理圖 為了區別旋轉方向,必須采用兩套光電轉換裝置, 使它們的相對位置能保證兩者產生的電信號在同一圓周上相差1/4節距。如圖8-33a所示為增量式脈沖編碼器辨向原理框圖,圖8-33b所示為其波形圖。 假定正轉時,光敏元件2比光敏元件

48、1先感光,將此兩光電元件的輸出經過放大電路整形后變成P1和P2兩個方波系列,P2比P1超前90,將P1微分后得到D1脈沖系列,P1經過反相后再微分得到D2脈沖系列,將P2、D1送入與門Y1,P2、D2送入與門Y2。由圖8-33b所示得可知, D1的正向脈沖可從Y1輸出,并使可逆計數器的加法母線置于高電位,而與門Y2則無輸出。 (a)增量式脈沖編碼器辨向原理框圖 (b)增量式脈沖編碼器辨向原理波形圖圖8-33 增量式脈沖編碼器辨向圖 3.絕對式脈沖編碼器 絕對式光電編碼器是是一種直接編碼式的測量元件,通過讀取編碼盤上的圖案確定軸的位置沒有積累誤差。編碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種。 圖834a

49、是絕對式光電編碼器的結構圖。圖8-34b 是一個四位二進制編碼盤,涂黑部分是導電的,其佘是絕緣的,碼盤上有四條碼道(通常把組成編碼的各圈稱為碼道)。四個碼道并排裝有四個電刷,電刷經電阻接到電源正極。碼盤最里面的一圈是電源負極。是照二進制數分布規律,把每條碼道加工成透明和不透明相間的樣式。碼盤的一側安裝光源,另一側安裝一排徑向排列的光電管,每個光電管對準一條碼道。當碼盤沿順時針方向轉動,就依次可得到0000、0001、0010、1111的二進制輸出。當光源照射碼盤時,如果是透明區,則光線被光電管接受,輸出為高電平“1”；如果是不透明區,光電管接受不到光線,輸出信號為低電平“0”。被測工作軸帶動碼

50、盤旋轉時,光電管輸出的信息就是代表了軸的對應位置。(a) 圖834 四位二進制編碼盤 3.混合式絕對值編碼器混合式絕對值編碼器是把增量制碼與絕對制碼同做在一碼盤上。圓盤的最外圈是高密度的增量制條紋(2000、2500、3 000脈沖/轉), 其中間分布在4圈圓環上有4個二進制位循環碼,每1/4圓由4位二進制循環碼分割成16個等分位置。在圓盤最里圈仍有發一轉信號的窄縫條。由循環碼讀出的416個位置/轉,代表了一圈的粗計角度檢測,它和交流伺服電機4對磁極的結構相對應,可實現對交流伺服電機的磁場位置進行有效的控制。8.5.3 其它位置檢測器位置傳感器除了脈沖編碼器外。常用的還有、旋轉變壓器、感應同步

51、器、有磁柵、接近開關、光柵傳感器等多種檢測器（即：傳感器）。 1.旋轉變壓器 旋轉變壓器結構簡單, 抗干擾能力強,工作可靠，動作靈敏,對環境沒有特殊要求, 輸出信號幅度大,維護也方便。所以廣泛應用在數控機床上。 旋轉變壓器是一種電磁式傳感器（或同步分解器）, 是利用電磁感應原理的一種角度位移測量元件,它將機械轉角轉換成與該轉角呈某一函數關系的電信號。工作原理和普通變壓器基本相似,區別在于普通變壓器的一次、二次繞組是相對固定的,輸出電壓和輸入電壓之比是常數,旋轉變壓器的一次、二次繞組是隨轉子的角位移發生相對位置的改變,所以其輸出電壓的大小也要隨之改變。旋轉變壓器在結構上保證定子和轉子之間空氣隙內磁通分布符合正弦規律, 當勵磁電壓加到定子繞組上時,通過電磁耦合,轉子繞組產生感應電動勢。旋轉變壓器工作原理如圖8-35所示。 U1=UMSint U1=