第五章伺服驅(qū)動系統(tǒng)

1、第五章第五章 伺服驅(qū)動系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng) 5-1 概述概述 5-2 檢測裝置檢測裝置 5-3 步進電動機及其驅(qū)動系統(tǒng)步進電動機及其驅(qū)動系統(tǒng) 5-4 直流伺服電動機及其速度控制直流伺服電動機及其速度控制 5-5 交流伺服電動機及其速度控制交流伺服電動機及其速度控制 5-6 主軸驅(qū)動主軸驅(qū)動 5-7 位置控制位置控制 5-1 概述概述主軸電機主軸電機伺服電機伺服電機刀庫刀具定位電機刀庫刀具定位電機機械手旋轉(zhuǎn)定位電機機械手旋轉(zhuǎn)定位電機帶制動器伺服電機帶制動器伺服電機加工中心加工中心伺服驅(qū)動系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng)（Servo System)CNC系統(tǒng)系統(tǒng)驅(qū)動電機驅(qū)動電機檢測裝置檢測裝置控制信號控制信號反饋信號

2、反饋信號光柵尺光柵尺一、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的定義一、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的定義 是一種以機械位置或角度作為控制對象是一種以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。的自動控制系統(tǒng)。 CNC裝置是數(shù)控機床的裝置是數(shù)控機床的“大腦大腦” ， “指揮機構(gòu)指揮機構(gòu)” 伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的“四肢四肢” ， “執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)”。 檢測裝置：感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器、光柵、脈沖編碼檢測裝置：感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器、光柵、脈沖編碼器等。器等。 驅(qū)動電機：步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電驅(qū)動電機：步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機動機二、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的分類二、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的分

3、類1、按伺服系統(tǒng)控制方式分、按伺服系統(tǒng)控制方式分開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng) 步進電機，無位置反饋，投資低，精度低步進電機，無位置反饋，投資低，精度低閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng) 直接測量實際位移進行反饋，精度高直接測量實際位移進行反饋，精度高半閉環(huán)系統(tǒng)半閉環(huán)系統(tǒng) 間接測量位移進行反饋，精度低于閉環(huán)間接測量位移進行反饋，精度低于閉環(huán)2、按控制對象和使用目的不同分、按控制對象和使用目的不同分進給伺服系統(tǒng)進給伺服系統(tǒng) 控制各坐標(biāo)軸的切削進給運動控制各坐標(biāo)軸的切削進給運動主軸驅(qū)動伺服系統(tǒng)主軸驅(qū)動伺服系統(tǒng) 控制主軸的旋轉(zhuǎn)運動控制主軸的旋轉(zhuǎn)運動輔助伺服系統(tǒng)輔助伺服系統(tǒng) 控制刀庫、料庫等輔助系統(tǒng)的運動，多采控制刀庫、料庫等輔助系

4、統(tǒng)的運動，多采用建議的位置控制。用建議的位置控制。二、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的分類（續(xù)）二、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的分類（續(xù)）3、按反饋比較控制方式分、按反饋比較控制方式分脈沖比較伺服系統(tǒng)脈沖比較伺服系統(tǒng)相位比較伺服系統(tǒng)相位比較伺服系統(tǒng)幅值比較伺服系統(tǒng)幅值比較伺服系統(tǒng)全數(shù)字伺服系統(tǒng)。全數(shù)字伺服系統(tǒng)。4、按所用驅(qū)動元件的類型分、按所用驅(qū)動元件的類型分步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)電動機驅(qū)動系統(tǒng)電動機驅(qū)動系統(tǒng) 5-2 檢測裝置檢測裝置l性能指標(biāo)性能指標(biāo) 系統(tǒng)精度：系統(tǒng)精度：是指在一定長度或轉(zhuǎn)角內(nèi)測量積累誤差的最大值，如是指在一定長度或轉(zhuǎn)角內(nèi)

5、測量積累誤差的最大值，如0.0020.02mm/m，10/360等。等。 系統(tǒng)分辨率：系統(tǒng)分辨率：是測量元件所能正確檢測的最小位移量，如目前直是測量元件所能正確檢測的最小位移量，如目前直線位移的分辨率為線位移的分辨率為0.0010.01mm。角位移分辨率為。角位移分辨率為2。 檢測裝置是伺服系統(tǒng)的重要組成部分。檢測裝置是伺服系統(tǒng)的重要組成部分。l作用作用 檢測位置和速度，發(fā)送反饋信號，構(gòu)成閉環(huán)或半檢測位置和速度，發(fā)送反饋信號，構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)，閉環(huán)， 對驅(qū)動裝置進行控制。對驅(qū)動裝置進行控制。l要求要求 工作可靠，抗干擾能力強工作可靠，抗干擾能力強 滿足精度、分辨率、測量范圍滿足精度、分辨率、測

6、量范圍 使用維修方便、成本低使用維修方便、成本低按檢測信號分：數(shù)字式、模擬式按檢測信號分：數(shù)字式、模擬式按測量基準(zhǔn)分：增量式、絕對式按測量基準(zhǔn)分：增量式、絕對式按安裝位置關(guān)系分：直接測量、間接測量按安裝位置關(guān)系分：直接測量、間接測量二、感應(yīng)二、感應(yīng)器器1.感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu) 由定子和轉(zhuǎn)子組成，用由定子和轉(zhuǎn)子組成，用于測量角位移于測量角位移 由定子和轉(zhuǎn)子組成，用由定子和轉(zhuǎn)子組成，用于測量直線位移于測量直線位移2. 直線感應(yīng)同直線感應(yīng)同 步器的結(jié)構(gòu)步器的結(jié)構(gòu) 利用兩個平面形利用兩個平面形印刷繞組，其間保印刷繞組，其間保持均勻氣隙約為持均勻氣隙約為(0.250.05)mm 作相對平行移

7、動，作相對平行移動，根據(jù)交變磁場和互根據(jù)交變磁場和互感原理而工作的。感原理而工作的。W2片寬a2間隔b2為連續(xù)繞組，節(jié)距為連續(xù)繞組，節(jié)距W22(a2b2)，其中，其中a2為導(dǎo)電片寬，為導(dǎo)電片寬，b2為片間為片間間隙，定尺節(jié)距即為檢測周期間隙，定尺節(jié)距即為檢測周期W，常取，常取W2mm?；呋邽榉侄卫@組，分為正弦和余弦繞組兩部分為分段繞組，分為正弦和余弦繞組兩部分, 兩繞組的節(jié)距都為兩繞組的節(jié)距都為W12(a1b1)，其中，其中a1為導(dǎo)電片寬，為導(dǎo)電片寬，b1為片間間隙，一般取為片間間隙，一般取W1W2或或W1W2/3。2121L1W1a1b1 滑尺上有正弦和余弦勵磁繞組，在空間位置上相差滑尺

8、上有正弦和余弦勵磁繞組，在空間位置上相差1/4節(jié)節(jié)距，定尺和滑尺繞組的節(jié)距相同。距，定尺和滑尺繞組的節(jié)距相同。若滑尺繞組加勵磁電壓，若滑尺繞組加勵磁電壓，則由于電磁感應(yīng)而在定尺繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，其大小取決則由于電磁感應(yīng)而在定尺繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，其大小取決于滑尺與定尺的相對位置。于滑尺與定尺的相對位置。2/2E定尺定尺正弦繞組正弦繞組滑尺滑尺余弦繞組余弦繞組VsVci1i2 根據(jù)交變磁場和互感原理而工作的。根據(jù)交變磁場和互感原理而工作的。W 可以看出：滑尺在移動一個節(jié)距的過程中，感應(yīng)電勢變化了一個周期。 若勵磁電壓uUmsint，那么在定尺繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢e為 ekUmcoscos t若勵

9、磁電壓 uUmsint則定尺繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢則定尺繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢e ekUmcoscos t式中 Um勵磁電壓幅值(V)； 勵磁電壓角頻率(rad/s)； k比例常數(shù)，其值與繞組間 最大互感系數(shù)有關(guān)； 滑尺相對定尺在空間的相 位角。 在一個節(jié)距W內(nèi)，位移位移x與與的的關(guān)系關(guān)系應(yīng)為 感應(yīng)同步器就是利用感應(yīng)電勢的變化，來檢測在一個節(jié)距W內(nèi)的位移量，為絕對式測量。 滑尺上的正弦、余弦滑尺上的正弦、余弦勵磁繞組提供同頻率、同幅勵磁繞組提供同頻率、同幅值、相位差值、相位差90的交流電的交流電壓，即壓，即 usUmsint ucUmcost us和和uc單獨勵磁，在單獨勵磁，在定尺繞組上感應(yīng)電勢分別

10、為定尺繞組上感應(yīng)電勢分別為 eskUmcoscost eckUmcos( /2)sint kUmsinsint3. 感應(yīng)同步器輸出信號的處理方式感應(yīng)同步器輸出信號的處理方式 常用的有鑒相方式和鑒幅方式常用的有鑒相方式和鑒幅方式（1）鑒相方式）鑒相方式根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來檢測位移量根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來檢測位移量根據(jù)疊加原理，定尺繞組上總輸出感應(yīng)電勢根據(jù)疊加原理，定尺繞組上總輸出感應(yīng)電勢e為為 eesec kUmcoscostkUmsinsint kUmcos(t) kUmcos(t 2x/W) 根據(jù)上式，通過鑒別定尺輸出的感應(yīng)電勢的相位，即可測根據(jù)上式，通過鑒別定尺輸出的感應(yīng)電勢的相位，

11、即可測量定尺和滑尺之間的相對位置。量定尺和滑尺之間的相對位置。 感應(yīng)同步器的鑒相方式用在相位比較伺服系統(tǒng)中。感應(yīng)同步器的鑒相方式用在相位比較伺服系統(tǒng)中。例：感應(yīng)電勢與勵磁電壓相位差例：感應(yīng)電勢與勵磁電壓相位差=1.8=1.8，節(jié)距，節(jié)距W=2mmW=2mm， 由由= 2x/W=0.01mm滑尺的正弦、余弦繞組勵磁電壓為同頻率、同相位，但不同幅值，即滑尺的正弦、余弦繞組勵磁電壓為同頻率、同相位，但不同幅值，即 usUmsindsint ucUmcosdsint式中式中 d勵磁電壓的給定相位角勵磁電壓的給定相位角 分別勵磁時，在定尺繞組上產(chǎn)生的輸出感應(yīng)電勢分別為分別勵磁時，在定尺繞組上產(chǎn)生的輸出感

12、應(yīng)電勢分別為 eskUmsindcoscost eckUmcosdcos(/2)cost kUm cosd sincost （2）鑒幅方式）鑒幅方式 根據(jù)定尺輸出的感應(yīng)電勢的振幅變化來檢測位移量。根據(jù)定尺輸出的感應(yīng)電勢的振幅變化來檢測位移量。根據(jù)疊加原理，定尺上輸出總感應(yīng)電勢為根據(jù)疊加原理，定尺上輸出總感應(yīng)電勢為 ees ec k Um (sind coscosd sin) cost k Um sin(d ) cost k Um sin(d 2x /W) cost 設(shè)初始狀態(tài)設(shè)初始狀態(tài)d，則，則e0。當(dāng)滑尺相對定尺有一位移。當(dāng)滑尺相對定尺有一位移，使，使變?yōu)樽優(yōu)椋瑒t感應(yīng)電勢增量為，則感應(yīng)電勢增

13、量為 e ek Um x cosx cost t式中式中= 2 x / W 由此可知，在由此可知，在x x較小的情況下，較小的情況下，e e與與x x成正比，也成正比，也就是鑒別就是鑒別e e幅值，即可測幅值，即可測x x大小。當(dāng)大小。當(dāng)x x較大時，通過改較大時，通過改變變d d，使，使d d,使使e e0 0，根據(jù)，根據(jù)d d可以確定可以確定，從而確定，從而確定位移量位移量x x。三、光柵三、光柵 光柵屬于光學(xué)元件，是一種高精度的位移傳感器。1. 光柵的種類透射光柵透射光柵反射光柵反射光柵物理物理光柵光柵計量計量光柵光柵圓光柵圓光柵直線光柵直線光柵主要介紹一下直線計量透射光柵。光柵檢測裝置

14、的結(jié)構(gòu)光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu)透射光柵透射光柵010,00,11,01,1反射光柵反射光柵光柵檢測裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖光柵檢測裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖 2. 2. 直線透射光柵直線透射光柵（1 1）組成）組成（2 2） 直線透射光柵的工作原理直線透射光柵的工作原理 由于擋光效應(yīng)和光的衍射，在與線紋幾乎垂直方向上，會出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗大條紋，稱為“莫爾條紋” 。莫爾條紋的特點莫爾條紋的特點 放大作用放大作用 莫爾條紋紋距B 與光柵節(jié)距w和傾角之間的關(guān)系： 光柵橫向移動一個節(jié)距w ，莫爾條紋正好沿刻線上下移動一個節(jié)距B，用光電元件檢測莫爾條紋信號的變化就可以測量光柵的位移。例：例：當(dāng) w = 0.01m

15、m， = 0.01 red， 則 B = 1mm，將柵距放大100倍的莫爾條紋寬度。由于很小，因此 22sin/qw=BqwB光柵尺橫向莫爾條紋及其參數(shù)光柵尺橫向莫爾條紋及其參數(shù) 22sin/qw=BB2B 均化誤差作用均化誤差作用 莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，柵距之莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，柵距之間的相鄰誤差被均化。短光柵的工作長度愈長間的相鄰誤差被均化。短光柵的工作長度愈長,這一這一均化誤差的作用愈顯著。均化誤差的作用愈顯著。 根據(jù)莫爾條紋的移動根據(jù)莫爾條紋的移動與柵距移動的對應(yīng)關(guān)系與柵距移動的對應(yīng)關(guān)系莫爾條紋的特點（續(xù)）：莫爾條紋的特點（續(xù)）： 光柵移動方向莫爾條紋

16、移動方向角的旋 轉(zhuǎn)方向（3） 辨向辨向 為了辨別運動方向，需配置兩個彼此錯開1/4紋距的光電元件，使輸出電信號彼此在相位上差90，若以其中的一個作為參考信號，則另一個信號將超前或滯后參考信號90，由此來確定運動方向。（4） 倍頻倍頻 倍頻又稱為細分，倍頻數(shù)就是指在莫爾條紋一個周期的范圍內(nèi)，等距離安裝的感光元件的數(shù)目，從而在一個周期內(nèi)產(chǎn)生若干個脈沖，達到細分的目的。 提高倍頻數(shù)可以提高光柵的最小讀數(shù)值，提高分辨率，精密機床的測量常采用高倍頻。例：例：柵距柵距 w = 0.01mm， 十倍頻后，最小讀數(shù)值1mm.四倍頻電路四倍頻電路（5 5）特點）特點 優(yōu)點：優(yōu)點： 1 1）精度高）精度高 測直線

17、：精度測直線：精度 0.5-3m0.5-3mm，分辨率，分辨率 0.1m mm 2 2）易實現(xiàn)動態(tài)測量和自動化測量）易實現(xiàn)動態(tài)測量和自動化測量 3 3）較強的抗干擾能力）較強的抗干擾能力 缺點：缺點： 1 1）對環(huán)境要求高，怕振動，怕油污）對環(huán)境要求高，怕振動，怕油污 2 2）高精度光柵制作成本高）高精度光柵制作成本高 目前多用于精密定位的數(shù)控機床，數(shù)顯機床中也目前多用于精密定位的數(shù)控機床，數(shù)顯機床中也應(yīng)用較多。應(yīng)用較多。四、編碼器四、編碼器 一種旋轉(zhuǎn)式的檢測角位移的傳感器。 將角位移用數(shù)字(脈沖)形式表示，故 又稱脈沖編碼器。廣泛應(yīng)用于NC機床的 位置檢測，也常用它作為速度檢測元件。 1、編

18、碼器分類、編碼器分類 按碼盤信號的讀取方式可分為：光電式、接觸式和電磁式 以光電式的精度和可靠性最好，NC機床常用光電式編碼器 按測量坐標(biāo)系又可分為：增量式和絕對式按每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)分為：高分辨率 20000-30000p/r 普通分辨率 2000-3000p/r2. 增量式光電脈沖編碼器增量式光電脈沖編碼器 （1）組成）組成 由光源、聚光鏡、光電盤、光欄板、光敏元件(光電管)、整形放大電路和數(shù)字顯示裝置等組成。光電編碼器在旋轉(zhuǎn)工作臺上的安裝光電編碼器在旋轉(zhuǎn)工作臺上的安裝（2） 工作原理工作原理 光電盤按裝在被測軸上，隨主軸一起轉(zhuǎn)動。光電盤轉(zhuǎn)動光電盤按裝在被測軸上，隨主軸一起轉(zhuǎn)動。光電盤轉(zhuǎn)動時

19、，光電元件把通過光電盤和光欄板射過來的忽明忽暗的光時，光電元件把通過光電盤和光欄板射過來的忽明忽暗的光信號信號(近似于正弦信號近似于正弦信號)轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)整形、放大等電路轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)整形、放大等電路的變換后變成脈沖信號，通過計算脈沖的數(shù)目，即可測出工的變換后變成脈沖信號，通過計算脈沖的數(shù)目，即可測出工作軸的轉(zhuǎn)角，并通過數(shù)顯裝置進行顯示。通過測定計數(shù)脈沖作軸的轉(zhuǎn)角，并通過數(shù)顯裝置進行顯示。通過測定計數(shù)脈沖的頻率，即可測出工作軸的轉(zhuǎn)速。的頻率，即可測出工作軸的轉(zhuǎn)速。（3）脈沖編碼器的辨向）脈沖編碼器的辨向 光欄板上兩條狹縫中的信號A和B(相位差90)，通過整形，成為兩相方波信號。根據(jù)先后順

20、序，即可判斷光電盤的正反轉(zhuǎn)。若A相超前于B相，對應(yīng)電動機正轉(zhuǎn)；若B相超前A相，對應(yīng)電動機反轉(zhuǎn)。若以該方波的前沿或后沿產(chǎn)生計數(shù)脈沖，可以形成代表正向位移和反向位移的脈沖序列。A相相B相相90A相相B相相90A相相B相相90A相相B相相90（4）提高光電脈沖編碼器分辨率的方法）提高光電脈沖編碼器分辨率的方法 提高光電盤圓周的等分狹縫的密度，實際上是使光電盤的 狹縫變成了圓光柵線紋。 增加光電盤的發(fā)信碼道，使盤上不僅只有一圈透光狹縫， 而且有若干大小不等的同心圓環(huán)狹縫(稱為碼道)，光電盤 回轉(zhuǎn)一周發(fā)出的脈沖信號數(shù)增多，使分辨率提高。3. 絕對式光電脈沖編碼器絕對式光電脈沖編碼器 （1）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu) 絕

21、對式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)與增量式相似，就是絕對式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)與增量式相似，就是在碼盤的每一轉(zhuǎn)角位置刻有表示該位置的唯一代碼，稱為在碼盤的每一轉(zhuǎn)角位置刻有表示該位置的唯一代碼，稱為絕對碼盤。絕對式脈沖編碼器是通過讀取編碼盤上的代碼絕對碼盤。絕對式脈沖編碼器是通過讀取編碼盤上的代碼(圖案圖案)來表示軸的位置。來表示軸的位置。 純二進制碼有一個純二進制碼有一個缺點：相鄰兩個二進制缺點：相鄰兩個二進制數(shù)可能有多位二進制碼數(shù)可能有多位二進制碼不同，當(dāng)數(shù)碼切換時有不同，當(dāng)數(shù)碼切換時有多個數(shù)位要進行切換，多個數(shù)位要進行切換，增大了誤讀的機率。增大了誤讀的機率。 而而碼則不同，相碼則不同，相鄰兩個二進制數(shù)碼只有鄰

22、兩個二進制數(shù)碼只有一個數(shù)位不同，因此兩一個數(shù)位不同，因此兩數(shù)切換時只在一位進行，數(shù)切換時只在一位進行，提高了讀數(shù)的可靠性。提高了讀數(shù)的可靠性。 （3）工作原理）工作原理 光源經(jīng)過柱面鏡，變成一束平行光照射在碼盤上，通過碼盤經(jīng)狹縫形成一束很窄的光束照射在光電元件上，光電元件的排列與碼道一一對應(yīng)，亮區(qū)輸出為“1”，暗區(qū)輸出為“0”，再經(jīng)信息處理電路，進行放大、整形、鎖存與譯碼，輸出自然二進制代碼，從而實現(xiàn)了角度的絕對值測量。（4）應(yīng)用）應(yīng)用 在實際應(yīng)用過程中，用絕對脈沖編碼器來檢測軸的位置在實際應(yīng)用過程中，用絕對脈沖編碼器來檢測軸的位置和速度時，當(dāng)編碼器旋轉(zhuǎn)超過一周時，讀出準(zhǔn)確數(shù)值的解和速度時，當(dāng)

23、編碼器旋轉(zhuǎn)超過一周時，讀出準(zhǔn)確數(shù)值的解決方法：決方法： 在旋轉(zhuǎn)軸上安裝多個碼盤，其中一些盤是專門用來計量在旋轉(zhuǎn)軸上安裝多個碼盤，其中一些盤是專門用來計量所轉(zhuǎn)過的圈數(shù)所轉(zhuǎn)過的圈數(shù)N，而另一部分碼盤是用來檢測一圈以內(nèi)的度，而另一部分碼盤是用來檢測一圈以內(nèi)的度數(shù)數(shù)。之后將兩個碼盤所檢測的進行。之后將兩個碼盤所檢測的進行(N360)的疊加的疊加。 在軟件設(shè)計時，設(shè)置一個專門的計數(shù)器，并規(guī)定碼盤上在軟件設(shè)計時，設(shè)置一個專門的計數(shù)器，并規(guī)定碼盤上的一個專門的代碼為的一個專門的代碼為“零零”代碼，當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)過代碼，當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)過“零零”代碼代碼時，計數(shù)器的值就被自動加一，這樣也可以實現(xiàn)即測圈數(shù)時，計數(shù)器的值就被自

24、動加一，這樣也可以實現(xiàn)即測圈數(shù)又測度數(shù)的目的。又測度數(shù)的目的。第五章第五章 伺服驅(qū)動系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng) 5-1 概述概述 5-2 檢測裝置檢測裝置 5-4 直流伺服電動機及其速度控制直流伺服電動機及其速度控制 5-5 交流伺服電動機及其速度控制交流伺服電動機及其速度控制 5-6 主軸驅(qū)動主軸驅(qū)動 5-7 位置控制位置控制伺服系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)（Servo System)CNC系統(tǒng)系統(tǒng)驅(qū)動電機驅(qū)動電機檢測裝置檢測裝置控制信號控制信號反饋信號反饋信號光柵尺光柵尺 步進電動機及其驅(qū)動系統(tǒng)步進電動機及其驅(qū)動系統(tǒng) 步進電動機主要用于開步進電動機主要用于開環(huán)位置控制系統(tǒng)。它由步進環(huán)位置控制系統(tǒng)。它由步進電動機驅(qū)

25、動電源和步進電動電動機驅(qū)動電源和步進電動機組成，沒有反饋環(huán)節(jié)。機組成，沒有反饋環(huán)節(jié)。 這種系統(tǒng)較簡單，控制較這種系統(tǒng)較簡單，控制較容易，維修也較方便，而且容易，維修也較方便，而且為全數(shù)字化控制。為全數(shù)字化控制。 由于開環(huán)系統(tǒng)精度不高，且步進電動機的功率和速度不由于開環(huán)系統(tǒng)精度不高，且步進電動機的功率和速度不高，因此步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)僅用于小容量、加工速度低高，因此步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)僅用于小容量、加工速度低、脈沖當(dāng)量和精度不太高的場合，如經(jīng)濟型數(shù)控機床和電、脈沖當(dāng)量和精度不太高的場合，如經(jīng)濟型數(shù)控機床和電加工機床、計算機的打印機、繪圖儀等設(shè)備。加工機床、計算機的打印機、繪圖儀等設(shè)備。一、步進電動

26、機一、步進電動機1. 步進電動機的分類步進電動機的分類(1) 按運動方式分：旋轉(zhuǎn)式、直線運動式、平面運動式和滾按運動方式分：旋轉(zhuǎn)式、直線運動式、平面運動式和滾 切運動式。切運動式。(2) 按工作原理分：反應(yīng)式按工作原理分：反應(yīng)式(磁阻式磁阻式)、電磁式、永磁式、永磁、電磁式、永磁式、永磁 感應(yīng)子式感應(yīng)子式(混合式混合式)。(3) 按結(jié)構(gòu)分：單段式按結(jié)構(gòu)分：單段式(徑向式徑向式)、多段式、多段式(軸向式軸向式)，印刷繞組式，印刷繞組式(4) 按相數(shù)分：三相、四相、五相、六相和八相等。按相數(shù)分：三相、四相、五相、六相和八相等。(5) 按使用頻率分：高頻步進電動機和低頻步進電動機。按使用頻率分：高頻

27、步進電動機和低頻步進電動機。2. 步進電動機的控制原理步進電動機的控制原理 步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電動機。位移的控制電動機。 位移量的控制位移量的控制 向步進電動機送一個控制脈沖，其轉(zhuǎn)軸就向步進電動機送一個控制脈沖，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個角度或移動一個直線位移，稱為一步；脈沖數(shù)增加，轉(zhuǎn)過一個角度或移動一個直線位移，稱為一步；脈沖數(shù)增加，角位移角位移(或線位移或線位移)隨之增加，即隨之增加，即脈沖數(shù)決定位移量。脈沖數(shù)決定位移量。 進給速度的控制進給速度的控制 脈沖頻率高，則步進電動機的旋轉(zhuǎn)速度就脈沖頻率高，則步進電

28、動機的旋轉(zhuǎn)速度就高，反之則低，即高，反之則低，即脈沖頻率決定進給速度。脈沖頻率決定進給速度。 運動方向的控制運動方向的控制 改變分配脈沖的相序，實現(xiàn)步進電動機的改變分配脈沖的相序，實現(xiàn)步進電動機的正、反轉(zhuǎn)，從而改變運動方向。正、反轉(zhuǎn)，從而改變運動方向。 與一般交流和直流電動機所不同的是，步進電動機定子與一般交流和直流電動機所不同的是，步進電動機定子繞組所加的電源形式為脈沖電壓，而不是正弦電壓或者恒繞組所加的電源形式為脈沖電壓，而不是正弦電壓或者恒定直流電壓。定直流電壓。3. 反應(yīng)式步進電動機反應(yīng)式步進電動機 極與極之間的夾角為極與極之間的夾角為60，每個定子磁極上均勻分布了五，每個定子磁極上均

29、勻分布了五個齒，齒槽距相等，齒距角為個齒，齒槽距相等，齒距角為9。轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心上無繞組，只有上無繞組，只有均勻分布的均勻分布的40個齒，齒槽距相等，齒距角為個齒，齒槽距相等，齒距角為360/409。繞組繞組定子鐵心定子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心（1）反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)）反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu) 單段式三相反單段式三相反應(yīng)式步進電動機應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)：的結(jié)構(gòu)： 定子鐵心定子鐵心上有上有六個均勻分布的六個均勻分布的磁極，沿直徑相磁極，沿直徑相對兩個極上的線對兩個極上的線圈串聯(lián)，構(gòu)成一圈串聯(lián)，構(gòu)成一相相勵磁繞組勵磁繞組。（2）反應(yīng)式步進電動機的工作原理）反應(yīng)式步進電動機的工作原理 按電磁吸引的原

30、理工作的。按電磁吸引的原理工作的。必須抓住兩點： 磁力線力圖走磁阻最小的路徑，從而產(chǎn)生反應(yīng)力矩磁力線力圖走磁阻最小的路徑，從而產(chǎn)生反應(yīng)力矩 各相定子齒之間彼此錯齒各相定子齒之間彼此錯齒1/m齒距，齒距，m為相數(shù)為相數(shù) 幾個概念的含義： “拍”定子相繞組每改變一次 通電狀態(tài)，稱為“一拍”。 “單”指只有一相繞組通電。 “雙”指有兩相繞組同時通電。 A A B B C C 定子 轉(zhuǎn)子 繞組 第一拍：第一拍：A相勵磁繞組通電，相勵磁繞組通電，B、C相勵磁繞組斷電。相勵磁繞組斷電。A相定子磁極的電相定子磁極的電磁力要使相鄰轉(zhuǎn)子齒與其對齊磁力要使相鄰轉(zhuǎn)子齒與其對齊(使磁阻最小使磁阻最小)，B相和相和C相

31、定、轉(zhuǎn)子錯齒分相定、轉(zhuǎn)子錯齒分別為別為1/3齒距齒距(3)和和2/3齒距齒距(6)。 第二拍：第二拍：B相繞組通電，相繞組通電，A、C相繞組斷電。電磁反應(yīng)力矩使轉(zhuǎn)子順時針相繞組斷電。電磁反應(yīng)力矩使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動方向轉(zhuǎn)動3，與，與B相的定子齒對齊，此時相的定子齒對齊，此時A、C相的定、轉(zhuǎn)子齒互相錯相的定、轉(zhuǎn)子齒互相錯開。開。 第三拍：第三拍：C相繞組通電，相繞組通電，A、B相繞組斷電。電磁反應(yīng)力距又使轉(zhuǎn)子順時相繞組斷電。電磁反應(yīng)力距又使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動了針方向轉(zhuǎn)動了3，與，與C相定子齒對齊，同時相定子齒對齊，同時A相、相、B相定、轉(zhuǎn)子齒錯開相定、轉(zhuǎn)子齒錯開 重復(fù)通電順序，重復(fù)通電順序，A

32、B C A 單三拍步進電動機的反轉(zhuǎn)單三拍步進電動機的反轉(zhuǎn) 若定子繞組通電順序為若定子繞組通電順序為A C B A ，則電動，則電動機轉(zhuǎn)子就逆時針方向旋轉(zhuǎn)起來，其步距角仍為機轉(zhuǎn)子就逆時針方向旋轉(zhuǎn)起來，其步距角仍為3。 單三拍步進電動機的步距角單三拍步進電動機的步距角 重復(fù)單三拍的通電順序，重復(fù)單三拍的通電順序，A B C A ，步進電，步進電機就順時針方向旋轉(zhuǎn)起來，對應(yīng)每個指令脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一機就順時針方向旋轉(zhuǎn)起來，對應(yīng)每個指令脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一固定角度固定角度3(步距角步距角) 。單三拍通電控制方式的缺點單三拍通電控制方式的缺點 由于每拍只有一相繞組通電，在切換瞬間可能失去自鎖由于每拍只有一相繞

33、組通電，在切換瞬間可能失去自鎖力矩，容易失步。而且，只有一相繞組通電吸引轉(zhuǎn)子，易在力矩，容易失步。而且，只有一相繞組通電吸引轉(zhuǎn)子，易在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩。因此，單三拍通電控制方式，工作平衡位置附近產(chǎn)生振蕩。因此，單三拍通電控制方式，工作穩(wěn)定性差，一般較少采用。穩(wěn)定性差，一般較少采用。若定子繞組的通電順序為若定子繞組的通電順序為AB BC CA AB ，則步進電動機的轉(zhuǎn)子就逆則步進電動機的轉(zhuǎn)子就逆時針方向轉(zhuǎn)動。時針方向轉(zhuǎn)動。 雙三拍工作方式雙三拍工作方式 采用雙三拍通電控制方式，能克服單三拍工作的缺點。采用雙三拍通電控制方式，能克服單三拍工作的缺點。 若定子繞組的通電順序為若定子繞組的通電順序

34、為 AB BC CA AB ，則步進電動機的轉(zhuǎn)子就順時針方向轉(zhuǎn)動，從一個磁場，則步進電動機的轉(zhuǎn)子就順時針方向轉(zhuǎn)動，從一個磁場最強處走到了另一個磁場最強處，故其步距角仍為最強處走到了另一個磁場最強處，故其步距角仍為3。 若通電順序為：若通電順序為：A AC C BC B AB A 則步進電動機的轉(zhuǎn)子就逆時針方向運動，步距角仍為則步進電動機的轉(zhuǎn)子就逆時針方向運動，步距角仍為1.5。 三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半；三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半；在切換時，保持一相繞組通電，工作穩(wěn)定，比雙三拍增大了在切換時，保持一相繞組通電，工作穩(wěn)定，比雙三拍增大了穩(wěn)定區(qū)。所以三相步

35、進電動機常采用這種控制方式。穩(wěn)定區(qū)。所以三相步進電動機常采用這種控制方式。三相六拍工作方式三相六拍工作方式 通電順序：通電順序：A AB B BC C CA A 每切換一次，步進電動機就順時針方向轉(zhuǎn)動每切換一次，步進電動機就順時針方向轉(zhuǎn)動1.5，步距，步距角減小一半。原因是：當(dāng)由角減小一半。原因是：當(dāng)由A相切換到相切換到AB相通電時，相通電時，A相定相定子磁極力圖不讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，而保持與其定子齒對齊，而子磁極力圖不讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，而保持與其定子齒對齊，而B相相定子磁極的電磁反應(yīng)力矩也力圖使其順時針轉(zhuǎn)動定子磁極的電磁反應(yīng)力矩也力圖使其順時針轉(zhuǎn)動3，與，與B相相定子齒對齊，此時，轉(zhuǎn)子齒與定子齒對齊，此時

36、，轉(zhuǎn)子齒與A相、相、B相定子齒均未對齊，相定子齒均未對齊，此位置是此位置是A相、相、B相定子合成磁場的最強方向，即轉(zhuǎn)子順時相定子合成磁場的最強方向，即轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動針方向轉(zhuǎn)動1.5。步進電動機步進電動機步進電動機步進電動機步進電動機步進電動機二、反應(yīng)式步進電動機主要性能指標(biāo)及選擇二、反應(yīng)式步進電動機主要性能指標(biāo)及選擇1.步距角步距角 步進電動機每步的轉(zhuǎn)角稱為步距角，計算公式： 式中 m步進電動機相數(shù) Z轉(zhuǎn)子齒數(shù) K控制方式系數(shù)， K=拍數(shù)p/相數(shù)m 廠家對于每種步進電動機給出兩種步距角，彼此相差一倍。大步距角系指控制供電拍數(shù)與相數(shù)相等時的步距角；小步距角系指供電拍數(shù)是相數(shù)兩倍時的步距角。3

37、60Z m K() 步距角的選擇：步距角的選擇： 根據(jù)總體方案要求，綜合考慮，通過下式進行： 式中 脈沖當(dāng)量 S絲杠螺距(mm) 步距角 電動機與絲杠間的齒輪傳動減速比360Siq (mm/脈沖) i 如果步進電動機的步距角和絲杠螺距S(基本導(dǎo)程)不能滿足脈沖當(dāng)量的要求時，應(yīng)在步進電動機與絲杠之間加入齒輪傳動，用減速比來滿足的要求。2. 最大靜轉(zhuǎn)距最大靜轉(zhuǎn)距 Tjmax (Nm) 靜態(tài)：靜態(tài)：當(dāng)步進電動機不改變通電狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子處在不動狀態(tài)。 靜態(tài)轉(zhuǎn)距：靜態(tài)轉(zhuǎn)距：如果在電動機軸上外加一個負載轉(zhuǎn)距，使轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)過一個角度e，這時轉(zhuǎn)子受的電磁轉(zhuǎn)距T。 矩角特性：矩角特性：描述靜態(tài)時電磁轉(zhuǎn)距T與e之間的

38、關(guān)系曲線。 在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，當(dāng)外加轉(zhuǎn)距去除時，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)距作用下，仍在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，當(dāng)外加轉(zhuǎn)距去除時，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)距作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點位置能回到穩(wěn)定平衡點位置(e0)。/20-/2靜穩(wěn)定區(qū)不穩(wěn)定平衡點穩(wěn)定平衡點不穩(wěn)定平衡點TeTjmax最大靜轉(zhuǎn)距最大靜轉(zhuǎn)距 Tjmax 的選擇的選擇 負載轉(zhuǎn)矩負載轉(zhuǎn)矩 F 切削力（切削力（N） w工作臺及工件重量工作臺及工件重量（kg） m摩擦系數(shù)摩擦系數(shù) h效率效率 i 減速比減速比 TF 應(yīng)滿足應(yīng)滿足 TF =（0.20.4） Tjmax 3()102FFw sTimh-=起動頻率起動頻率fq 的選擇的選擇 先計算電機軸上的等效負載轉(zhuǎn)動慣量：先計算

39、電機軸上的等效負載轉(zhuǎn)動慣量：式中式中 J1、J2齒輪的轉(zhuǎn)動慣量齒輪的轉(zhuǎn)動慣量(Nms2)；J3絲杠的轉(zhuǎn)動慣量絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 d d 沖當(dāng)量沖當(dāng)量(mm脈沖脈沖)。 然后進行負載啟動頻率然后進行負載啟動頻率fqF 的估算；的估算；式中式中 fq空載啟動頻率空載啟動頻率(Hz)，T由矩頻特性決定的力矩由矩頻特性決定的力矩(Nm) J電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量(Nms2)。 依照機床要求的啟動頻率依照機床要求的啟動頻率fqF ，可選擇，可選擇fq3. 空載起動頻率空載起動頻率fq （步（步/s） 空載時步進電動機由靜止突然起動，進入不丟步的正常運行的最高頻率空載時步進電動機由靜止突然起動，進入

40、不丟步的正常運行的最高頻率。是衡量步進電動機快速性能的重要技術(shù)數(shù)據(jù)。是衡量步進電動機快速性能的重要技術(shù)數(shù)據(jù)。 起動頻率要比連續(xù)運行頻率低得多，這是因為步進電動機起動時，既起動頻率要比連續(xù)運行頻率低得多，這是因為步進電動機起動時，既要克服負載力矩，又要克服運轉(zhuǎn)部分的慣性矩，電動機的負擔(dān)比連續(xù)運轉(zhuǎn)要克服負載力矩，又要克服運轉(zhuǎn)部分的慣性矩，電動機的負擔(dān)比連續(xù)運轉(zhuǎn)時重。步進電動機帶負載的起動頻率比空載的起動頻率要低。時重。步進電動機帶負載的起動頻率比空載的起動頻率要低。 4. 起動矩頻特性起動矩頻特性 描述步進電動機起動頻率與負載力矩的關(guān)系曲線。描述步進電動機起動頻率與負載力矩的關(guān)系曲線。 當(dāng)步進電動

41、機帶著一定的負載轉(zhuǎn)距起動時，作用在電當(dāng)步進電動機帶著一定的負載轉(zhuǎn)距起動時，作用在電動機軸上的加速轉(zhuǎn)矩為電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩之差。負載轉(zhuǎn)動機軸上的加速轉(zhuǎn)矩為電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩之差。負載轉(zhuǎn)矩越大，加速轉(zhuǎn)矩就越小，電動機就不易轉(zhuǎn)起來。因此，矩越大，加速轉(zhuǎn)矩就越小，電動機就不易轉(zhuǎn)起來。因此，其起動頻率隨著負載的增加而下降。其起動頻率隨著負載的增加而下降。Tf5. 空載運行頻率空載運行頻率fmax （步（步/s） 步進電動機在空載起動后，能不丟步連續(xù)運行的最高脈步進電動機在空載起動后，能不丟步連續(xù)運行的最高脈沖重復(fù)頻率稱做空載運行頻率沖重復(fù)頻率稱做空載運行頻率fmax。它也是步進電動機的重要。它也是步進電

42、動機的重要性能指標(biāo)，對于提高生產(chǎn)率和系統(tǒng)的快速性具有重要意義。性能指標(biāo)，對于提高生產(chǎn)率和系統(tǒng)的快速性具有重要意義。 fmax 應(yīng)能滿足機床工作臺最高運行速度。應(yīng)能滿足機床工作臺最高運行速度。6. 運行矩頻特性運行矩頻特性 運行矩頻特性運行矩頻特性Tf(F)是描述步是描述步進進 電動機連續(xù)穩(wěn)定運行時，輸出轉(zhuǎn)電動機連續(xù)穩(wěn)定運行時，輸出轉(zhuǎn)矩矩T與連續(xù)運行頻率之間的關(guān)系。它與連續(xù)運行頻率之間的關(guān)系。它是衡量步進電動機運轉(zhuǎn)時承載能力是衡量步進電動機運轉(zhuǎn)時承載能力的動態(tài)性能指標(biāo)。的動態(tài)性能指標(biāo)。Tf三、步進電動機驅(qū)動電源三、步進電動機驅(qū)動電源 1. 作用作用 發(fā)出一定功率的電脈沖信號，使定子勵發(fā)出一定功率

43、的電脈沖信號，使定子勵 磁繞組順序通電。磁繞組順序通電。 2. 基本要求基本要求 （1）電源的基本參數(shù)與電動機相適應(yīng)；）電源的基本參數(shù)與電動機相適應(yīng)； （2）滿足步進電動機起動頻率和運行頻率）滿足步進電動機起動頻率和運行頻率 的要求；的要求； （3）抗干擾能力強，工作可靠；）抗干擾能力強，工作可靠； （4）成本低，效率高，安裝維修方便。）成本低，效率高，安裝維修方便。 3. 組成組成 由環(huán)形分配器和功率放大器組成。（1） 環(huán)形分配器環(huán)形分配器 主要功能是將CNC裝置的插補脈沖，按 步進電動機所要求的規(guī)律分配給步進電動機驅(qū)動電源的各相輸入端，以控制勵磁繞組的導(dǎo)通或關(guān)斷。同時由于電動機有正反轉(zhuǎn)要求

44、，所以環(huán)形分配器的輸出是周期性的，又是可逆的。 硬件環(huán)形分配器硬件環(huán)形分配器 根據(jù)步進電機的相數(shù)和控制方式設(shè)計的真值表或邏輯關(guān)系式，采用邏輯門電路和觸發(fā)器來實現(xiàn)。一般由與非門和JK觸發(fā)器組成。常用的是專用集成芯片或通用可編程邏輯器件組成的環(huán)形分配器。 軟件環(huán)形分配器軟件環(huán)形分配器 按步進電動機的要求編制不同的軟環(huán)分程序，存入EPROM中。例：專用集成芯片例：專用集成芯片CH250兩坐標(biāo)步進電機伺服進給系統(tǒng)兩坐標(biāo)步進電機伺服進給系統(tǒng) x向和向和Z向步進電機的三相定子繞組分別為向步進電機的三相定子繞組分別為A、B、C相和相和abc相，分別經(jīng)各自的放大器、光電耦合器與計算機相，分別經(jīng)各自的放大器、光

45、電耦合器與計算機的的PIO(并行輸入輸出接口并行輸入輸出接口)的的PA0一一PA5相連。相連。（2）功率驅(qū)動器（）功率驅(qū)動器（功率放大電路） 將環(huán)形分配器輸出的脈沖信號放大，以用足夠的功率來驅(qū)動步進電動機。 最早的功率驅(qū)動器采用單電壓驅(qū)動電路，后來出現(xiàn)了雙電壓(高電壓)驅(qū)動電路、斬波電路、調(diào)頻調(diào)壓和細分電路等。高低壓驅(qū)動電路高低壓驅(qū)動電路 其特點是供給步進電機繞組有兩種電壓：一種是高電壓U1，由電機參數(shù)和晶體管特性決定，一般在80v至更高范圍，另一種是低電壓U2，即步進電機繞組額定電壓，一般為幾伏，不超過20v。 高壓U1 ，以提高繞組中電流上升率，當(dāng)電流達到規(guī)定值時、VT1關(guān)斷、VT2仍然導(dǎo)

46、通，則自動切換到低壓U2。 該電路的優(yōu)點是在較寬的頻率范圍有較大的平均電流，能產(chǎn)生較大且穩(wěn)定的平均轉(zhuǎn)矩，其缺點是電流波頂有凹陷，電路較復(fù)雜。斬波驅(qū)動電路斬波驅(qū)動電路 可以克服高低壓驅(qū)動電路的波頂?shù)陌枷菘梢钥朔叩蛪候?qū)動電路的波頂?shù)陌枷菰斐筛哳l輸出轉(zhuǎn)矩的下降，使勵磁繞組中的電流維持在額定造成高頻輸出轉(zhuǎn)矩的下降，使勵磁繞組中的電流維持在額定值附近。值附近。 工作原理：工作原理：環(huán)形分配器輸出的正脈沖將環(huán)形分配器輸出的正脈沖將VT1、VT2導(dǎo)通，由于導(dǎo)通，由于U1電壓較電壓較高，繞組回路又沒串電阻，所以繞組電流迅速上升，當(dāng)繞組電流上升到高，繞組回路又沒串電阻，所以繞組電流迅速上升，當(dāng)繞組電流上升到額

47、定值以上的某一數(shù)值時，由于采樣電阻額定值以上的某一數(shù)值時，由于采樣電阻Re的反饋作用，經(jīng)整形、放大的反饋作用，經(jīng)整形、放大后送至后送至VT1的基極，使的基極，使VT1管截止。接著繞組由管截止。接著繞組由U2低壓供電，繞組中的低壓供電，繞組中的電流立即下降，但剛降到額定電流立即下降，但剛降到額定 值以下時，由于采樣電阻值以下時，由于采樣電阻Re的反饋作用，使整形電路無信的反饋作用，使整形電路無信號輸出，此時高壓前置放大電號輸出，此時高壓前置放大電路又使路又使VT1導(dǎo)通，電流又上升導(dǎo)通，電流又上升。如此反復(fù)進行，形成一個在。如此反復(fù)進行，形成一個在額定電流值上下波動呈鋸齒狀額定電流值上下波動呈鋸齒

48、狀的繞組電流波形，近似恒流。的繞組電流波形，近似恒流。第五章第五章 伺服驅(qū)動系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng) 5-1 概述概述 5-2 檢測裝置檢測裝置 5-4 直流伺服電動機及其速度控制直流伺服電動機及其速度控制 5-5 交流伺服電動機及其速度控制交流伺服電動機及其速度控制 5-6 主軸驅(qū)動主軸驅(qū)動 5-7 位置控制位置控制伺服系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)（Servo System)CNC系統(tǒng)系統(tǒng)驅(qū)動電機驅(qū)動電機檢測裝置檢測裝置控制信號控制信號反饋信號反饋信號光柵尺光柵尺 5-4 直流伺服電動機及其速度控制直流伺服電動機及其速度控制一、直流伺服電動機一、直流伺服電動機 伺服電動機是指能夠精密地控伺服電動機是指能夠精密地控

49、制其位置的一種電動機。直流伺服制其位置的一種電動機。直流伺服電動機是伺服電動機的一種。電動機是伺服電動機的一種。1. 直流伺服電動機分類及結(jié)構(gòu)特點直流伺服電動機分類及結(jié)構(gòu)特點 永磁直流伺服電動機永磁直流伺服電動機無槽轉(zhuǎn)子直流伺服電動機無槽轉(zhuǎn)子直流伺服電動機空心杯轉(zhuǎn)子直流伺服電動機空心杯轉(zhuǎn)子直流伺服電動機印刷繞組直流伺服電動機印刷繞組直流伺服電動機后三種直流伺服電動機為小慣量直流伺服電動機。后三種直流伺服電動機為小慣量直流伺服電動機。直流伺服電動機的組成直流伺服電動機的組成 電動機本體電動機本體 主要由機殼、主要由機殼、 定子磁極和轉(zhuǎn)子組成。定子磁極和轉(zhuǎn)子組成。 檢測部件檢測部件 有高精度的測速

50、有高精度的測速 發(fā)電機、旋轉(zhuǎn)變壓器以及發(fā)電機、旋轉(zhuǎn)變壓器以及 脈沖編碼器等。脈沖編碼器等。特點特點l 小慣量直流伺服電動機小慣量直流伺服電動機 慣量小，響應(yīng)速度快，慣量小，響應(yīng)速度快， 但過載能力低。但過載能力低。l 永磁直流伺服電動機轉(zhuǎn)矩大，慣量大，穩(wěn)定性永磁直流伺服電動機轉(zhuǎn)矩大，慣量大，穩(wěn)定性 好，調(diào)速范圍寬。好，調(diào)速范圍寬。l 但有電刷，限制速度的提高（但有電刷，限制速度的提高（10001500r/min）。）。2. 直流伺服電動機的工作原理與調(diào)速方法直流伺服電動機的工作原理與調(diào)速方法 （1）工作原理）工作原理 與一般直流電動機的工作原理相同，是建立在電與一般直流電動機的工作原理相同，是

51、建立在電磁力和電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上的。磁力和電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上的。 如圖（如圖（a）所示，直流電流從電刷）所示，直流電流從電刷 A 流入，經(jīng)過線圈流入，經(jīng)過線圈abcd，從電刷，從電刷 B 流出，載流導(dǎo)體流出，載流導(dǎo)體ab和和cd受到電磁力的作用，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。受到電磁力的作用，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如圖（當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如圖（b）所示的位置，電刷）所示的位置，電刷 A 和換向片和換向片2接觸，電刷接觸，電刷 B 和換向片和換向片1接觸，直流電流從電刷接觸，直流電流從電刷 A 流入，在線圈中的流動方向是流入，在線圈中的流動方向是dcba，從電刷，從電刷 B 流出。此時載流導(dǎo)體流出。此時載流導(dǎo)體

52、ab和和cd受到電磁力的作用，它們產(chǎn)生受到電磁力的作用，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。 外加的電源是直流的，但外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。的。（2）直流伺服電機的速度控制原理）直流伺服電機的速度控制原理 MEaUuf 他勵直流電動機他勵直流電動機 轉(zhuǎn)子回路的電勢平衡方程：轉(zhuǎn)子回路的電勢平衡方程： EaURa Ia式中式中 Ra轉(zhuǎn)子回路電阻轉(zhuǎn)子回路電阻() I Ia轉(zhuǎn)子回路電流轉(zhuǎn)子回路電流(A)感應(yīng)電動勢感

53、應(yīng)電動勢Ea可由下式求得可由下式求得 EaCen 式中式中 Ce電機械常數(shù)電機械常數(shù) 勵磁磁通勵磁磁通(Wb) n電動機轉(zhuǎn)速電動機轉(zhuǎn)速(r/min)由上兩式由上兩式可得可得 eUCaaeRICn電動機的電磁轉(zhuǎn)矩電動機的電磁轉(zhuǎn)矩Te(Nm)為為 TeCTIa 式中式中 CT轉(zhuǎn)矩系數(shù)，是電動機的結(jié)構(gòu)常數(shù)。轉(zhuǎn)矩系數(shù)，是電動機的結(jié)構(gòu)常數(shù)。所以可得電動機轉(zhuǎn)速所以可得電動機轉(zhuǎn)速2eaeTRTC CeUCnn0n n 式中式中 n0理想空載轉(zhuǎn)速理想空載轉(zhuǎn)速 nn轉(zhuǎn)速降落轉(zhuǎn)速降落 根據(jù)上式可知，根據(jù)上式可知，他勵直流電動機有三種調(diào)速方法，即改他勵直流電動機有三種調(diào)速方法，即改變外加電壓、改變勵磁磁通及改變轉(zhuǎn)子

54、回路電阻調(diào)速。變外加電壓、改變勵磁磁通及改變轉(zhuǎn)子回路電阻調(diào)速。2eaeTRTC CeUCnn0n 根據(jù)上式：勵磁磁通不可變，只有二種調(diào)速方法，而改根據(jù)上式：勵磁磁通不可變，只有二種調(diào)速方法，而改變轉(zhuǎn)子回路電阻一般不能滿足要求，通常采用改變轉(zhuǎn)子回路變轉(zhuǎn)子回路電阻一般不能滿足要求，通常采用改變轉(zhuǎn)子回路外加電壓的調(diào)速方法。外加電壓的調(diào)速方法。 這種調(diào)速方法是從額定電壓往下降低轉(zhuǎn)子電壓，即從額這種調(diào)速方法是從額定電壓往下降低轉(zhuǎn)子電壓，即從額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)速。該種調(diào)速方法屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，機械特性是定轉(zhuǎn)速向下調(diào)速。該種調(diào)速方法屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，機械特性是一組斜率不變的平行直線，特性比較硬，且調(diào)速范圍寬。另一組斜率

55、不變的平行直線，特性比較硬，且調(diào)速范圍寬。另外，這種調(diào)速方法是用減小輸入功率來減小輸出功率的，所外，這種調(diào)速方法是用減小輸入功率來減小輸出功率的，所以具有比較好的經(jīng)濟性。以具有比較好的經(jīng)濟性。 永磁直流伺服電動機的調(diào)速方法永磁直流伺服電動機的調(diào)速方法3. 永磁直流伺服電機的工作特性永磁直流伺服電機的工作特性 對于永磁直流伺服電動機，由于其伺服系統(tǒng)的要求，已對于永磁直流伺服電動機，由于其伺服系統(tǒng)的要求，已經(jīng)不能簡單地用電壓、電流、轉(zhuǎn)數(shù)等參數(shù)描述其性能，而經(jīng)不能簡單地用電壓、電流、轉(zhuǎn)數(shù)等參數(shù)描述其性能，而需要用一些特性曲線對其性能做全面描述。需要用一些特性曲線對其性能做全面描述。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩速度特性曲

56、線速度特性曲線 從圖中可以得出，從圖中可以得出，伺服電動機的工作區(qū)伺服電動機的工作區(qū)域被溫度極限線、轉(zhuǎn)域被溫度極限線、轉(zhuǎn)速極限線、換向極限速極限線、換向極限線、轉(zhuǎn)矩極限線以及線、轉(zhuǎn)矩極限線以及瞬時換向極限線劃分瞬時換向極限線劃分成三個區(qū)域。成三個區(qū)域。瞬時換向瞬時換向極限線極限線轉(zhuǎn)速極限轉(zhuǎn)速極限線線轉(zhuǎn)矩極限線轉(zhuǎn)矩極限線換向極限線換向極限線溫度極限線溫度極限線05001000150020004000600080001000012000T/(Ncm)n/(r/min)瞬時換向瞬時換向極限線極限線轉(zhuǎn)速極限轉(zhuǎn)速極限線線轉(zhuǎn)矩極限線轉(zhuǎn)矩極限線換向極限線換向極限線溫度極限線溫度極限線050010001500

57、20004000600080001000012000T/(Ncm)n/(r/min) 區(qū)域為連續(xù)工作區(qū)。在該區(qū)域中，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的任意組合都可長期連續(xù)工作。 區(qū)域為斷續(xù)工作區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，電動機只能根據(jù)負載周期曲線所決定的允許工作時間 tR 和斷電時間 tF 作間歇工作。 區(qū)域為加速和減速區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，電動機只能用于加速或減速，工作一段極短的時間。 圖中各條曲線為不同的過載圖中各條曲線為不同的過載倍數(shù)曲線倍數(shù)曲線. 橫坐標(biāo)為工作時間橫坐標(biāo)為工作時間tR (min)，縱坐標(biāo)為加載周期比?？v坐標(biāo)為加載周期比。 dtR(tR十tF) () 過載倍數(shù)過載倍數(shù):tmd負載轉(zhuǎn)矩連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩負載轉(zhuǎn)矩連續(xù)額

58、定轉(zhuǎn)矩. 二、直流伺服電動機的速度控制二、直流伺服電動機的速度控制 常采用兩種速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)： 晶閘管調(diào)速系統(tǒng) 晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)。時的電樞電壓和電流波形時的電樞電壓和電流波形例例 典型的雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)工作原理典型的雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)工作原理 速度反饋的閉環(huán)系統(tǒng)速度反饋的閉環(huán)系統(tǒng) 由速度調(diào)節(jié)器對電動機的速度由速度調(diào)節(jié)器對電動機的速度 誤差進行調(diào)節(jié)誤差進行調(diào)節(jié) 電流反饋環(huán)節(jié)電流反饋環(huán)節(jié) 由電流調(diào)節(jié)器對電樞回路引起的滯后由電流調(diào)節(jié)器對電樞回路引起的滯后 進行補償，抑制主回路電流的變化進行補償，抑制主回路電流的變化2. PWM脈寬調(diào)制原理與系統(tǒng)脈寬調(diào)制原理與系統(tǒng) 晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系

59、統(tǒng)(PWM)的調(diào)速性能優(yōu)于晶閘管的調(diào)速性能優(yōu)于晶閘管調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能；而且，功率晶體管的功率、耐壓等都調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能；而且，功率晶體管的功率、耐壓等都已有很大提高，現(xiàn)代數(shù)控機床的直流進給伺服系統(tǒng)中多采用已有很大提高，現(xiàn)代數(shù)控機床的直流進給伺服系統(tǒng)中多采用晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)。晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)。原理：原理： 利用脈寬調(diào)制器，將直流電壓轉(zhuǎn)換成某一頻率的矩利用脈寬調(diào)制器，將直流電壓轉(zhuǎn)換成某一頻率的矩形波電壓，加到直流電動機的轉(zhuǎn)子回路兩端，通過對矩形波形波電壓，加到直流電動機的轉(zhuǎn)子回路兩端，通過對矩形波脈沖寬度的控制，改變轉(zhuǎn)子回路兩端的平均電壓，從而達到脈沖寬度的控制，改變轉(zhuǎn)子回路兩端的

60、平均電壓，從而達到調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的目的。調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的目的。調(diào)速系統(tǒng)的組成：調(diào)速系統(tǒng)的組成：由控制電路、主回路及功率整流電路三由控制電路、主回路及功率整流電路三部分組成。其中控制電路由速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器和脈寬部分組成。其中控制電路由速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器和脈寬調(diào)制器（包括固定頻率振蕩器、調(diào)制信號發(fā)生器、脈寬調(diào)制調(diào)制器（包括固定頻率振蕩器、調(diào)制信號發(fā)生器、脈寬調(diào)制及基極驅(qū)動電路）組成。及基極驅(qū)動電路）組成。系統(tǒng)的核心部分是主回路和脈寬調(diào)系統(tǒng)的核心部分是主回路和脈寬調(diào)制器制器。速度調(diào)節(jié)器速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制基極驅(qū)動基極驅(qū)動主主回回路路整流整流u-+振蕩器振蕩器電流反