工學(xué)091201第6章-機(jī)電一體化伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件

第6章機(jī)電一體化伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)——是帶有信號(hào)反饋并可自動(dòng)調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它比一般無伺服的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能要好得多。相當(dāng)于人的四肢。6.1伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述1第6章機(jī)電一體化伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)——是帶有6.1.1伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的概念伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（隨動(dòng)系統(tǒng)或自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)）——是指以機(jī)械參數(shù)作為控制對(duì)象，在控制指令的指揮下，控制執(zhí)行元件工作，使機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件按照控制命令的要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的一種自動(dòng)控制系統(tǒng)。所涉及的機(jī)械參量包括位移（位置）、速度、加速度、力和力矩等。伺服系統(tǒng)必須隨時(shí)跟蹤指定目標(biāo)。26.1.1伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的概念伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（隨動(dòng)系統(tǒng)或自動(dòng)6.1.2伺服系統(tǒng)的分類按控制原理：開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)等伺服系統(tǒng)；按信息傳遞：連續(xù)控制和采樣控制；按驅(qū)動(dòng)方式：電氣、液壓和氣動(dòng)等伺服系統(tǒng)；按被控量性質(zhì)：位置控制、速度控制或加速度控制、力或力矩控制、速度或位置的同步控制等伺服系統(tǒng)；按控制過程：點(diǎn)位控制和輪廓控制。36.1.2伺服系統(tǒng)的分類按控制原理：開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)等（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)——控制系統(tǒng)中沒有檢測(cè)反饋環(huán)節(jié)開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖缺點(diǎn)：精度低（定位精度±0.02mm~±0.01mm），速度有限；優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試、維修、使用方便，工作穩(wěn)定、可靠；應(yīng)用：一些精度要求不高的機(jī)電一體化系統(tǒng)，如線切割機(jī)、辦公自動(dòng)化設(shè)備、大多數(shù)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和老式機(jī)床的改造4（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)——控制系統(tǒng)中沒有檢測(cè)反饋（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖閉環(huán)系統(tǒng)——是誤差控制隨動(dòng)系統(tǒng)，位置檢測(cè)元件直接安裝在工作臺(tái)上

（雙閉環(huán)）內(nèi)環(huán)——速度環(huán)外環(huán)——位置環(huán)缺點(diǎn)：在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，穩(wěn)定性會(huì)要受到固有頻率、剛性、阻尼、間隙、摩擦等的影響，設(shè)計(jì)和調(diào)試復(fù)雜；優(yōu)點(diǎn)：控制精度高；應(yīng)用：主要用于高精密和大型的機(jī)電一體化設(shè)備5（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖閉環(huán)系統(tǒng)——是誤差控（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)位置檢測(cè)元件安裝在傳動(dòng)鏈的中間，間接測(cè)量工作臺(tái)的位置圖6-3半閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖位置檢測(cè)裝置——可以安裝在電動(dòng)機(jī)上或安裝在絲杠軸端的編碼器精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度要低，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，調(diào)整、維護(hù)也比較方便，穩(wěn)定性好，具有較高的性價(jià)比，被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)電一體化設(shè)備。6（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)位置檢測(cè)元件安裝在傳動(dòng)鏈的中間，間接測(cè)6.1.3對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求（1）穩(wěn)定性（2）精度（3）快速響應(yīng)，無超調(diào)（4）靈敏度76.1.3對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求（1）穩(wěn)定性76.2機(jī)電一體化系統(tǒng)常用伺服執(zhí)行元件6.2.1執(zhí)行元件的分類及特點(diǎn)最常用的分類方法是根據(jù)使用能量的不同，把伺服執(zhí)行元件分為液壓式、氣壓式和電氣式等主要類型86.2機(jī)電一體化系統(tǒng)常用伺服執(zhí)行元件6.2.1執(zhí)行元機(jī)電一體化系統(tǒng)執(zhí)行裝置的分類

9機(jī)電一體化系統(tǒng)執(zhí)行裝置的分類9常用執(zhí)行元件特點(diǎn)種類特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)電動(dòng)式可使用商用電源；信號(hào)與動(dòng)力的傳送方向相同；有交流和直流之分；應(yīng)特別注意電壓之大小操作簡(jiǎn)便；編程容易；能實(shí)現(xiàn)定位伺服；響應(yīng)快、易與微機(jī)相連接；體積小、動(dòng)力較大；無污染瞬時(shí)輸出功率大；過載能力差；特別是由于某種原因而堵轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)引起燒毀事故，易受外部噪聲影響液壓式對(duì)操作人員要求高；液壓源壓強(qiáng)為（20~80）×105Pa輸出功率大，速度快，動(dòng)作平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)定位伺服易與微機(jī)相連；響應(yīng)快設(shè)備難于小型化；對(duì)液壓源或液壓油要求嚴(yán)格（比如雜質(zhì)、溫度、油量、油質(zhì)）；易泄漏且有污染氣壓式對(duì)操作人員要求高；空氣源壓強(qiáng)為(5~7）×105Pa氣源方便、成本低；無泄漏、無污染；速度快；操作比較簡(jiǎn)單功率小，體積大，動(dòng)作不夠平穩(wěn)，不易于小型化；遠(yuǎn)距離傳輸困難；工作噪聲大、難于伺服10常用執(zhí)行元件特點(diǎn)種類特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)電可使用商用電源；信號(hào)與動(dòng)力6.2.2機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)伺服執(zhí)行元件的基本要求（1）體積小、重量輕、輸出功率大功率密度——執(zhí)行裝置單位重量所能達(dá)到的輸出功率(W/N)反映了電動(dòng)機(jī)單位重量的輸出功率，在電動(dòng)機(jī)起停頻率低，但要求運(yùn)行平穩(wěn)和扭矩脈動(dòng)小的場(chǎng)合可采用這一指標(biāo)比功率——功率的時(shí)間變化率，是衡量電動(dòng)機(jī)加速性能的一個(gè)指標(biāo)，具有高的比功率對(duì)于起停頻率高的機(jī)械是非常重要的116.2.2機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)伺服執(zhí)行元件的基本要求（1）（2）快速性能好——直線運(yùn)動(dòng)為質(zhì)量m，對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J

（3）宜于計(jì)算機(jī)控制（4）可靠性高、便于維修與安裝（5）有足夠有精確度，即實(shí)際的輸出與指令值之差要?。?）動(dòng)作平穩(wěn)、準(zhǔn)確度和分辨率高

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)12（2）快速性能好——直線運(yùn)動(dòng)為質(zhì)量m，對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量6.2.3交流伺服系統(tǒng)（1）交流伺服電動(dòng)分類及特點(diǎn)分類：同步交流伺服電動(dòng)機(jī)、異步交流伺服電動(dòng)機(jī)

特點(diǎn)：同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上裝有永久磁鐵或直流勵(lì)磁繞組；同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速嚴(yán)格的與電源頻率保持同步，而異步交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)低于同步轉(zhuǎn)速。異步交流伺服電動(dòng)機(jī)屬于交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，可分為鼠籠式和繞線式，鼠籠式異步交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容量大、成本低、適宜大功率傳動(dòng)。136.2.3交流伺服系統(tǒng)（1）交流伺服電動(dòng)分類及特點(diǎn)13（2）交流伺服電動(dòng)調(diào)速方法異步機(jī)的調(diào)速方法可分為變頻調(diào)速、變極對(duì)數(shù)調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。14（2）交流伺服電動(dòng)調(diào)速方法異步機(jī)的調(diào)速方法可分為變頻調(diào)速、變極對(duì)數(shù)調(diào)速：異步電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)一般不能隨意改，必須做成專門的雙速或多速異步電動(dòng)機(jī)，故變極對(duì)數(shù)調(diào)速為有級(jí)調(diào)速；變轉(zhuǎn)差率調(diào)速：可以通過調(diào)定子電壓、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)差電壓等方法來實(shí)現(xiàn)，變轉(zhuǎn)差率調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差損耗大、效率低；變頻調(diào)速：由于同步轉(zhuǎn)速隨頻率而改變，轉(zhuǎn)差變化小，調(diào)速性能好，故應(yīng)用廣

注意：同步電動(dòng)機(jī)不能采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差的方法，只能進(jìn)行變頻調(diào)速15變極對(duì)數(shù)調(diào)速：異步電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)一般不能隨意改，必須做成專門（3）交流伺服電動(dòng)變頻調(diào)速原理①V/f變頻調(diào)速原理氣隙磁通Φ減小，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電流I2也相應(yīng)減小，導(dǎo)致機(jī)的允許輸出轉(zhuǎn)矩M下降，嚴(yán)重時(shí)電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)；若相電壓U不變，隨著f1的減小，氣隙磁通Φ將增加，這會(huì)使磁路飽和，激磁電流上升，導(dǎo)致鐵耗劇增，功率因數(shù)下降。因此改變頻率f1進(jìn)行調(diào)速時(shí)，需要同時(shí)改變定子的相電壓U，以維持Φ值接近不變，從而使M也接近不變,這就是VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）16（3）交流伺服電動(dòng)變頻調(diào)速原理①V/f變頻調(diào)速原理16②變頻器交流伺服電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的關(guān)鍵問題是要獲得調(diào)頻調(diào)壓的交流電源頻率變換：交-直-交變頻器、交-交變頻器。交-交變頻器(直接變頻器或周波變頻器)——采用元器件的數(shù)量較多，其輸出的電壓波形是由電源波形的區(qū)段組成的，為了使波形畸變不至過大，輸出頻率不能高于電網(wǎng)頻率的1/3~1/2，通常用于大功率(500kW或1000kW以上)、低速(600r/min以下)的場(chǎng)合17②變頻器交流伺服電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的關(guān)鍵問題是要獲得調(diào)頻調(diào)壓的交-直-交變頻器結(jié)構(gòu)框圖18交-直-交變頻器結(jié)構(gòu)框圖18交-直-交變頻器（帶直流環(huán)節(jié)的間接變頻器）——這種型式的變頻器技術(shù)成熟，應(yīng)用較多，輸出交流電的頻率可高于電網(wǎng)的頻率19交-直-交變頻器（帶直流環(huán)節(jié)的間接變頻器）——這種型式的變頻③SPWM變頻器SPWM（正弦波脈沖寬度調(diào)制），其主要特點(diǎn)是在脈沖寬度調(diào)制時(shí)，采用三相正弦信作為調(diào)制波20③SPWM變頻器SPWM（正弦波脈沖寬度調(diào)制），其主要特點(diǎn)SPWM波生成原理21SPWM波生成原理21SPWM變頻器電路原理圖22SPWM變頻器電路原理圖22在SPWM逆變器中，載波電壓頻率ft與調(diào)制波電壓頻率fr（即逆變器的輸出頻率）這比N=ft/fr稱為載波比（調(diào)制比）。根據(jù)載波比的是否改變，SPWM調(diào)制方式可分為同步調(diào)制方式、異步調(diào)制方式和分段同步調(diào)制方式

④SPWM變頻器調(diào)制方式23在SPWM逆變器中，載波電壓頻率ft與調(diào)制波電壓頻率fr（即⑤SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)恒壓頻比（U1/f1=常數(shù)）的SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理如圖6-8所示。在需要恒速，但要求不高的場(chǎng)合常采用開環(huán)系統(tǒng)24⑤SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)恒壓頻比（U1/f1=常數(shù)）的SPW恒壓頻比SPWM變頻調(diào)速原理圖25恒壓頻比SPWM變頻調(diào)速原理圖25SA8282引腳圖SPWM信號(hào)可由單片機(jī)運(yùn)行軟件查表及必要的計(jì)算來生成。也可用專用的大規(guī)模集成電路芯片產(chǎn)生，如HEF4752、SLE4520、SA4828、SA828226SA8282引腳圖SPWM信號(hào)可由單片機(jī)運(yùn)行軟件查表及必要的微機(jī)控制SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖27微機(jī)控制SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖27（4）轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)依據(jù)——轉(zhuǎn)差率可以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)差角頻率ω可以通過速度反饋確定，轉(zhuǎn)差角頻率與異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩有比例關(guān)系，因此通過控制轉(zhuǎn)差頻率而控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，可以達(dá)到電動(dòng)機(jī)調(diào)速的目的。28（4）轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)依據(jù)——轉(zhuǎn)差率可以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差頻率調(diào)速的控制律可歸納為：①按滿足式的函數(shù)關(guān)系控制定子電流，以保持氣隙磁通Φ恒定；②在轉(zhuǎn)差頻率≤ωsmax的范圍內(nèi)，保證氣隙磁通Φ恒定，則轉(zhuǎn)矩基本上與ωs成正比。29轉(zhuǎn)差頻率調(diào)速的控制律可歸納為：①按滿足式轉(zhuǎn)差頻率控制的交流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖30轉(zhuǎn)差頻率控制的交流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖30轉(zhuǎn)差頻率控制同恒壓頻比控制一樣，轉(zhuǎn)差頻率控制所依賴的控制規(guī)律—不管是轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差的關(guān)系，還是保持恒磁通時(shí)定子電流與轉(zhuǎn)差的關(guān)系都是在穩(wěn)態(tài)條件下得出的，不能反映動(dòng)態(tài)特性，因而仍然不能保證最優(yōu)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。對(duì)于最優(yōu)的動(dòng)態(tài)性能，顯然希望控制的基本原理基于異步機(jī)的真實(shí)動(dòng)態(tài)模型。矢量控制就是這樣31轉(zhuǎn)差頻率控制同恒壓頻比控制一樣，轉(zhuǎn)差頻率控制所依賴的控制規(guī)律（5）交流伺服電動(dòng)機(jī)矢量控制交流電動(dòng)機(jī)矢量控制的作用是使得交流電動(dòng)機(jī)能像直流電動(dòng)機(jī)那樣，實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的單獨(dú)控制，使交流電動(dòng)機(jī)能夠獲得與直流電動(dòng)機(jī)同樣的控制靈活性和動(dòng)態(tài)特性。為此，必須將三相交流矢量轉(zhuǎn)換成與之等效的直流標(biāo)量，建立起交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)等效的數(shù)學(xué)模型，然后按直流電動(dòng)機(jī)的控制方法對(duì)其進(jìn)行控制。32（5）交流伺服電動(dòng)機(jī)矢量控制交流電動(dòng)機(jī)矢量控制的作用是使得交流電動(dòng)機(jī)三相繞組等效變換為兩相繞組33交流電動(dòng)機(jī)三相繞組等效變換為兩相繞組33交流電動(dòng)機(jī)繞組矢量變換34交流電動(dòng)機(jī)繞組矢量變換34矢量變換控制的基本原理由所要求的氣隙磁通ΦM確定電流IM，由氣隙磁通和所要求的轉(zhuǎn)矩T確定轉(zhuǎn)子電流IT。由此經(jīng)過IM、IT到iD、iQ再到iA、iB、iC的變換，就可以得三相電流iA、iB、iC的瞬時(shí)值，以此作為定子三相電流的給定值對(duì)三相交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。由于IM和IT可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，從而就調(diào)節(jié)了三相電流的瞬時(shí)給定值，這就使交流電動(dòng)機(jī)的控制具有直流電動(dòng)機(jī)同樣的控制靈活性，并且由于是瞬時(shí)值控制，所以有良好的動(dòng)態(tài)控制性能。35矢量變換控制的基本原理由所要求的氣隙磁通ΦM確定電流IM，由矢量控制系統(tǒng)分類矢量控制系統(tǒng)可分為磁通反饋式和磁通前饋式兩大類，其中反饋式矢量控制又可分為磁通直接測(cè)量和磁通仿真兩種。36矢量控制系統(tǒng)分類矢量控制系統(tǒng)可分為磁通反饋式和磁通前饋式兩大交流電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖37交流電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖37優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)動(dòng)可以連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，調(diào)速范圍寬。缺點(diǎn)：由于運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子參數(shù)常發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子磁鏈難以精確地觀測(cè)和定向，系統(tǒng)參數(shù)魯棒性差，并由于矢量運(yùn)算的復(fù)雜性，使得實(shí)際的控制效果很難與理論分析完全一致，控制器的參數(shù)很難在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)保證控制性能一致，控制參數(shù)的選擇需在線調(diào)整。變結(jié)構(gòu)控制和直接轉(zhuǎn)矩控制是交流電動(dòng)機(jī)的新型控制方法，它們力圖在控制方法魯棒性和控制方法的簡(jiǎn)單化方面進(jìn)行改進(jìn)。38優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)動(dòng)可以連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，調(diào)速范圍寬。變結(jié)構(gòu)控制和直接轉(zhuǎn)矩6.2.4直線電動(dòng)機(jī)直線電動(dòng)機(jī)（DirectDriveLinearMotor）——是直接驅(qū)動(dòng)的一種，取消了中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（拖板、工作臺(tái)主軸等），彈性環(huán)節(jié)減少，系統(tǒng)剛性提高，改善動(dòng)態(tài)性能，可實(shí)現(xiàn)高速、高加速度運(yùn)行396.2.4直線電動(dòng)機(jī)直線電動(dòng)機(jī)（DirectDrive（1）直線電動(dòng)機(jī)基本原理初級(jí)固定次級(jí)移動(dòng)、次級(jí)固定初級(jí)移動(dòng)40（1）直線電動(dòng)機(jī)基本原理初級(jí)固定次級(jí)移動(dòng)、次級(jí)固定初級(jí)移動(dòng)（2）直線電動(dòng)機(jī)的分類與特點(diǎn)分類：按工作原理——交流感應(yīng)式、交流同步式、直流式、步進(jìn)式、振蕩式和壓電式；按結(jié)構(gòu)型式——扁平型、圓筒型、圓盤型和圓弧型等特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要中間傳動(dòng)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，使系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化，提高動(dòng)態(tài)性能與可靠性，易于維護(hù)；②移動(dòng)速度高；③精度高，可達(dá)納米級(jí)；④安裝簡(jiǎn)單；⑤在低速時(shí)效率和功率因數(shù)下降較大。41（2）直線電動(dòng)機(jī)的分類與特點(diǎn)分類：按工作原理——交流感應(yīng)式6.3數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.3.1主軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主軸伺服驅(qū)動(dòng)含義：驅(qū)動(dòng)控制+定向控制。主軸的驅(qū)動(dòng)控制——主要是指主軸的速度、轉(zhuǎn)向控制；而主軸的定向控制——指某些數(shù)控機(jī)床要求在主軸停下?lián)Q刀等情況下，為了便于機(jī)械手操作必須停在某一角度，這樣就需要對(duì)主軸的位置進(jìn)行控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)+進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。主軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般都采用無級(jí)調(diào)速，以適應(yīng)各種加工方式的需要，保證加工時(shí)能選用合理的切削用量，從而獲得高的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量426.3數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.3.1主軸伺服驅(qū)動(dòng)（1）主軸伺服驅(qū)動(dòng)原理對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)特殊要求：①結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，降低成本、便于維護(hù)及提高可靠性；②轉(zhuǎn)速范圍也要很大?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床多采用電氣控制調(diào)速的辦法，使主軸能在大范圍內(nèi)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩?zé)o級(jí)調(diào)速；③在盡可能大的調(diào)速范圍內(nèi)保持恒功率的輸出；

④要求主軸能與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)實(shí)行同步控制；在加工中心上為了自動(dòng)換刀還要求主軸能進(jìn)行高精度停位控制，即主軸定向控制。有的數(shù)控機(jī)床還要求主軸具有角度分度控制的功能電主軸

43（1）主軸伺服驅(qū)動(dòng)原理對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)特殊要求：43（2）電主軸選擇以及與控制系統(tǒng)連接電主軸單元選取：據(jù)切削工藝計(jì)算所得轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率、電主軸轉(zhuǎn)矩、功率和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系來決定44（2）電主軸選擇以及與控制系統(tǒng)連接電主軸單元選?。簱?jù)切削工數(shù)控機(jī)床中完整的電主軸系統(tǒng)45數(shù)控機(jī)床中完整的電主軸系統(tǒng)456.3.2進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分:伺服驅(qū)動(dòng)電路、伺服驅(qū)動(dòng)裝置(電動(dòng)機(jī))、位置檢測(cè)裝置、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及執(zhí)行部件等部分。作用：接受數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給位移和速度指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)電路作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)裝置（直流、交流伺服電動(dòng)機(jī)、直線電動(dòng)機(jī)、功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、電液伺服閥—液壓馬達(dá)等）和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)、主軸頭架等執(zhí)行部件進(jìn)行工作進(jìn)給和快速進(jìn)給466.3.2進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分:（1）進(jìn)給伺服系統(tǒng)的技術(shù)要求①調(diào)速范圍寬(調(diào)速范圍是指最高進(jìn)給速度與最低進(jìn)給速度之比);②位移精度高;③穩(wěn)定性好,即負(fù)載特性要硬;

④動(dòng)態(tài)響應(yīng)快即有高的靈敏度，達(dá)到最大穩(wěn)態(tài)速度的時(shí)間要短47（1）進(jìn)給伺服系統(tǒng)的技術(shù)要求①調(diào)速范圍寬(調(diào)速范圍是指最（2）進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)選擇與相應(yīng)連線計(jì)算的電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速nj、額定轉(zhuǎn)矩TR以及電動(dòng)機(jī)慣量Jm等要求，選擇安川（yaskawa）公司Σ-II系列的SGMSH-30ACA3E型交流伺服電動(dòng)機(jī)，采用14bit增量式編碼器構(gòu)成半閉環(huán)系統(tǒng)。同時(shí)，選用與之配套的SGDM-30AD型伺服驅(qū)單元。48（2）進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)選擇與相應(yīng)連線計(jì)算的電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速njSGMSH-30ACA3E交流伺服電動(dòng)機(jī)特性參數(shù)項(xiàng)目額定功率（kW）額定電流(A)額定轉(zhuǎn)速(rpm)額定轉(zhuǎn)矩(N·m)峰值轉(zhuǎn)矩(N·m)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(10-4kg/m2)數(shù)值3.018.830009.829.49.149SGMSH-30ACA3E交流伺服電動(dòng)機(jī)特性參數(shù)項(xiàng)目額定功率圖6-18Σ-II系列伺服驅(qū)動(dòng)器的連接50圖6-18Σ-II系列伺服驅(qū)動(dòng)器的連接506.4機(jī)電一體化新執(zhí)行裝置6.4.1磁致伸縮執(zhí)行裝置

磁致伸縮現(xiàn)象——磁性體的外部一旦加上磁場(chǎng)，則磁性體的外形尺寸會(huì)發(fā)生變化(Jouleeffect，焦耳效應(yīng))，這種現(xiàn)象稱為

超磁致伸縮材料——特伏諾（Terfenol），這種材料具有超磁致伸縮特性，可用于開發(fā)磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器

516.4機(jī)電一體化新執(zhí)行裝置6.4.1磁致伸縮執(zhí)行裝置磁致伸縮驅(qū)動(dòng)原理52磁致伸縮驅(qū)動(dòng)原理526.4.2壓電執(zhí)行裝置壓電效應(yīng)——是指某些壓電材料在機(jī)械力的作用下發(fā)生變形，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在材料的某些表面產(chǎn)生極性相反的電荷；當(dāng)去掉外力后，電荷消失，這種現(xiàn)象就是壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)——是指對(duì)壓電陶瓷施加一直流電場(chǎng)，改變其表面的極性強(qiáng)度，從而使壓電陶瓷的形狀和尺寸發(fā)生改變。壓電執(zhí)行器——是利用壓電陶瓷（Piezoceramic）的逆壓電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)微量位移的執(zhí)行裝置。536.4.2壓電執(zhí)行裝置壓電效應(yīng)——是指某些壓電材料在機(jī)械分類壓電執(zhí)行裝置分類：雙壓電式和積層式兩大。雙電壓式壓電執(zhí)行裝置——以金屬彈性板為中心電極，兩邊貼合兩層壓電材料，當(dāng)驅(qū)動(dòng)元件加上電源時(shí)，則一層壓電材料伸長(zhǎng)，另一層發(fā)生收縮，發(fā)生與施加的電源波形相應(yīng)的彎曲變形；積層式壓電驅(qū)動(dòng)元件——與雙壓電式相比較，在變形量、輸出力、能量變換率和穩(wěn)定性方面有優(yōu)勢(shì)。壓電原理：54分類壓電執(zhí)行裝置分類：雙壓電式和積層式兩大。壓電原理：54積層式壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)原理特點(diǎn)：①能量變換率高(約50％)；②驅(qū)動(dòng)電壓低，75V（最大變形量為4μm時(shí)），150V（最大變形量為16μm時(shí)）；③輸出力大（3400N/cm2）；④響應(yīng)快（幾十微秒)；⑤穩(wěn)定性好；⑥超精度驅(qū)動(dòng)（1μm以下可達(dá)10nm）55積層式壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)原理特點(diǎn)：55壓電元件驅(qū)動(dòng)壓電元件驅(qū)動(dòng)：電壓控制、電流控制(a)電壓型驅(qū)動(dòng)電路(b)電流型驅(qū)動(dòng)電路56壓電元件驅(qū)動(dòng)壓電元件驅(qū)動(dòng)：電壓控制、電流控制(a)電壓型表6-3壓電執(zhí)行裝置的用途裝置名稱應(yīng)用舉例CDR、VDR計(jì)算機(jī)硬盤打印機(jī)繼電器、開關(guān)氣壓閥、油壓閥汽車機(jī)器人、精密加工機(jī)構(gòu)照相機(jī)、攝像機(jī)揚(yáng)聲器光頭的聚焦機(jī)構(gòu)、跟蹤調(diào)節(jié)磁頭的跟蹤調(diào)節(jié)、讀出機(jī)構(gòu)打印機(jī)的線驅(qū)動(dòng)元件接點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)元件噴嘴擋板的驅(qū)動(dòng)元件燃料噴嘴、制動(dòng)部件精密進(jìn)給機(jī)構(gòu)、高精度直線驅(qū)動(dòng)器測(cè)長(zhǎng)、調(diào)焦機(jī)構(gòu)振動(dòng)源壓力傳感器加速度傳感器CTR的選擇板地震儀、汽車的控制57表6-3壓電執(zhí)行裝置的用途裝置名稱應(yīng)用舉例CDR、VDR單軸微驅(qū)動(dòng)器的基本結(jié)構(gòu)杠桿58單軸微驅(qū)動(dòng)器的基本結(jié)構(gòu)杠桿586.4.3熱變形執(zhí)行裝置熱變形執(zhí)行裝置原理優(yōu)點(diǎn)：高剛度和無間隙的，并可通過控制加熱電流來獲得所需要的微量位移；缺點(diǎn)：只適用于行程較短、頻率不高的場(chǎng)合（熱慣性以及冷卻速度難以精確控制等）。596.4.3熱變形執(zhí)行裝置熱變形執(zhí)行裝置原理優(yōu)點(diǎn)：高剛度和6.4.4形裝記憶合金執(zhí)行裝置形狀記憶效應(yīng)——某些特殊的金屬材料在發(fā)生了塑性變形后，經(jīng)過加熱到某一溫度之后，仍能回復(fù)到變形前的形狀的現(xiàn)象；形狀記憶合金(SMA，ShapeMemoryAlloy)——具有形狀記憶效應(yīng)的金屬通常是由兩種以上金屬元素組成的合金：TiNi合金、AuAlNi合金、FeMnSi合金、Cu-Zn-Al合金……606.4.4形裝記憶合金執(zhí)行裝置形狀記憶效應(yīng)——某些特殊的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)小，重量輕;②動(dòng)作柔性好;③不易受到周圍環(huán)境（溫度除外）的影響。缺點(diǎn)：響應(yīng)速度較慢（靠加熱、冷卻使其運(yùn)動(dòng)的，而驅(qū)動(dòng)器本身具有一定的熱慣量）；性能還有待提高61優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：616.4.5靜電執(zhí)行裝置靜電步進(jìn)執(zhí)行裝置微型靜電驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、靜電步進(jìn)執(zhí)行裝置等626.4.5靜電執(zhí)行裝置靜電步進(jìn)執(zhí)行裝置微型靜電驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、靜電驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)①構(gòu)造簡(jiǎn)單、呈平面結(jié)構(gòu);②適宜于小型化、微型化(縮小空間有利于提高靜電作用力);③小型化時(shí)能量變換率高。63靜電驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)①構(gòu)造簡(jiǎn)單、呈平面結(jié)構(gòu);63思考與習(xí)題P1861、2、3、664思考與習(xí)題P18664第6章機(jī)電一體化伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)——是帶有信號(hào)反饋并可自動(dòng)調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它比一般無伺服的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能要好得多。相當(dāng)于人的四肢。6.1伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述65第6章機(jī)電一體化伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)——是帶有6.1.1伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的概念伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（隨動(dòng)系統(tǒng)或自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)）——是指以機(jī)械參數(shù)作為控制對(duì)象，在控制指令的指揮下，控制執(zhí)行元件工作，使機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件按照控制命令的要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的一種自動(dòng)控制系統(tǒng)。所涉及的機(jī)械參量包括位移（位置）、速度、加速度、力和力矩等。伺服系統(tǒng)必須隨時(shí)跟蹤指定目標(biāo)。666.1.1伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的概念伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（隨動(dòng)系統(tǒng)或自動(dòng)6.1.2伺服系統(tǒng)的分類按控制原理：開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)等伺服系統(tǒng)；按信息傳遞：連續(xù)控制和采樣控制；按驅(qū)動(dòng)方式：電氣、液壓和氣動(dòng)等伺服系統(tǒng)；按被控量性質(zhì)：位置控制、速度控制或加速度控制、力或力矩控制、速度或位置的同步控制等伺服系統(tǒng)；按控制過程：點(diǎn)位控制和輪廓控制。676.1.2伺服系統(tǒng)的分類按控制原理：開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)等（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)——控制系統(tǒng)中沒有檢測(cè)反饋環(huán)節(jié)開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖缺點(diǎn)：精度低（定位精度±0.02mm~±0.01mm），速度有限；優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試、維修、使用方便，工作穩(wěn)定、可靠；應(yīng)用：一些精度要求不高的機(jī)電一體化系統(tǒng)，如線切割機(jī)、辦公自動(dòng)化設(shè)備、大多數(shù)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和老式機(jī)床的改造68（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)——控制系統(tǒng)中沒有檢測(cè)反饋（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖閉環(huán)系統(tǒng)——是誤差控制隨動(dòng)系統(tǒng)，位置檢測(cè)元件直接安裝在工作臺(tái)上

（雙閉環(huán)）內(nèi)環(huán)——速度環(huán)外環(huán)——位置環(huán)缺點(diǎn)：在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，穩(wěn)定性會(huì)要受到固有頻率、剛性、阻尼、間隙、摩擦等的影響，設(shè)計(jì)和調(diào)試復(fù)雜；優(yōu)點(diǎn)：控制精度高；應(yīng)用：主要用于高精密和大型的機(jī)電一體化設(shè)備69（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖閉環(huán)系統(tǒng)——是誤差控（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)位置檢測(cè)元件安裝在傳動(dòng)鏈的中間，間接測(cè)量工作臺(tái)的位置圖6-3半閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖位置檢測(cè)裝置——可以安裝在電動(dòng)機(jī)上或安裝在絲杠軸端的編碼器精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度要低，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，調(diào)整、維護(hù)也比較方便，穩(wěn)定性好，具有較高的性價(jià)比，被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)電一體化設(shè)備。70（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)位置檢測(cè)元件安裝在傳動(dòng)鏈的中間，間接測(cè)6.1.3對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求（1）穩(wěn)定性（2）精度（3）快速響應(yīng)，無超調(diào)（4）靈敏度716.1.3對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求（1）穩(wěn)定性76.2機(jī)電一體化系統(tǒng)常用伺服執(zhí)行元件6.2.1執(zhí)行元件的分類及特點(diǎn)最常用的分類方法是根據(jù)使用能量的不同，把伺服執(zhí)行元件分為液壓式、氣壓式和電氣式等主要類型726.2機(jī)電一體化系統(tǒng)常用伺服執(zhí)行元件6.2.1執(zhí)行元機(jī)電一體化系統(tǒng)執(zhí)行裝置的分類

73機(jī)電一體化系統(tǒng)執(zhí)行裝置的分類9常用執(zhí)行元件特點(diǎn)種類特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)電動(dòng)式可使用商用電源；信號(hào)與動(dòng)力的傳送方向相同；有交流和直流之分；應(yīng)特別注意電壓之大小操作簡(jiǎn)便；編程容易；能實(shí)現(xiàn)定位伺服；響應(yīng)快、易與微機(jī)相連接；體積小、動(dòng)力較大；無污染瞬時(shí)輸出功率大；過載能力差；特別是由于某種原因而堵轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)引起燒毀事故，易受外部噪聲影響液壓式對(duì)操作人員要求高；液壓源壓強(qiáng)為（20~80）×105Pa輸出功率大，速度快，動(dòng)作平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)定位伺服易與微機(jī)相連；響應(yīng)快設(shè)備難于小型化；對(duì)液壓源或液壓油要求嚴(yán)格（比如雜質(zhì)、溫度、油量、油質(zhì)）；易泄漏且有污染氣壓式對(duì)操作人員要求高；空氣源壓強(qiáng)為(5~7）×105Pa氣源方便、成本低；無泄漏、無污染；速度快；操作比較簡(jiǎn)單功率小，體積大，動(dòng)作不夠平穩(wěn)，不易于小型化；遠(yuǎn)距離傳輸困難；工作噪聲大、難于伺服74常用執(zhí)行元件特點(diǎn)種類特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)電可使用商用電源；信號(hào)與動(dòng)力6.2.2機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)伺服執(zhí)行元件的基本要求（1）體積小、重量輕、輸出功率大功率密度——執(zhí)行裝置單位重量所能達(dá)到的輸出功率(W/N)反映了電動(dòng)機(jī)單位重量的輸出功率，在電動(dòng)機(jī)起停頻率低，但要求運(yùn)行平穩(wěn)和扭矩脈動(dòng)小的場(chǎng)合可采用這一指標(biāo)比功率——功率的時(shí)間變化率，是衡量電動(dòng)機(jī)加速性能的一個(gè)指標(biāo)，具有高的比功率對(duì)于起停頻率高的機(jī)械是非常重要的756.2.2機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)伺服執(zhí)行元件的基本要求（1）（2）快速性能好——直線運(yùn)動(dòng)為質(zhì)量m，對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J

（3）宜于計(jì)算機(jī)控制（4）可靠性高、便于維修與安裝（5）有足夠有精確度，即實(shí)際的輸出與指令值之差要?。?）動(dòng)作平穩(wěn)、準(zhǔn)確度和分辨率高

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)76（2）快速性能好——直線運(yùn)動(dòng)為質(zhì)量m，對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量6.2.3交流伺服系統(tǒng)（1）交流伺服電動(dòng)分類及特點(diǎn)分類：同步交流伺服電動(dòng)機(jī)、異步交流伺服電動(dòng)機(jī)

特點(diǎn)：同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上裝有永久磁鐵或直流勵(lì)磁繞組；同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速嚴(yán)格的與電源頻率保持同步，而異步交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)低于同步轉(zhuǎn)速。異步交流伺服電動(dòng)機(jī)屬于交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，可分為鼠籠式和繞線式，鼠籠式異步交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容量大、成本低、適宜大功率傳動(dòng)。776.2.3交流伺服系統(tǒng)（1）交流伺服電動(dòng)分類及特點(diǎn)13（2）交流伺服電動(dòng)調(diào)速方法異步機(jī)的調(diào)速方法可分為變頻調(diào)速、變極對(duì)數(shù)調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。78（2）交流伺服電動(dòng)調(diào)速方法異步機(jī)的調(diào)速方法可分為變頻調(diào)速、變極對(duì)數(shù)調(diào)速：異步電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)一般不能隨意改，必須做成專門的雙速或多速異步電動(dòng)機(jī)，故變極對(duì)數(shù)調(diào)速為有級(jí)調(diào)速；變轉(zhuǎn)差率調(diào)速：可以通過調(diào)定子電壓、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)差電壓等方法來實(shí)現(xiàn)，變轉(zhuǎn)差率調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差損耗大、效率低；變頻調(diào)速：由于同步轉(zhuǎn)速隨頻率而改變，轉(zhuǎn)差變化小，調(diào)速性能好，故應(yīng)用廣

注意：同步電動(dòng)機(jī)不能采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差的方法，只能進(jìn)行變頻調(diào)速79變極對(duì)數(shù)調(diào)速：異步電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)一般不能隨意改，必須做成專門（3）交流伺服電動(dòng)變頻調(diào)速原理①V/f變頻調(diào)速原理氣隙磁通Φ減小，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電流I2也相應(yīng)減小，導(dǎo)致機(jī)的允許輸出轉(zhuǎn)矩M下降，嚴(yán)重時(shí)電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)；若相電壓U不變，隨著f1的減小，氣隙磁通Φ將增加，這會(huì)使磁路飽和，激磁電流上升，導(dǎo)致鐵耗劇增，功率因數(shù)下降。因此改變頻率f1進(jìn)行調(diào)速時(shí)，需要同時(shí)改變定子的相電壓U，以維持Φ值接近不變，從而使M也接近不變,這就是VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）80（3）交流伺服電動(dòng)變頻調(diào)速原理①V/f變頻調(diào)速原理16②變頻器交流伺服電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的關(guān)鍵問題是要獲得調(diào)頻調(diào)壓的交流電源頻率變換：交-直-交變頻器、交-交變頻器。交-交變頻器(直接變頻器或周波變頻器)——采用元器件的數(shù)量較多，其輸出的電壓波形是由電源波形的區(qū)段組成的，為了使波形畸變不至過大，輸出頻率不能高于電網(wǎng)頻率的1/3~1/2，通常用于大功率(500kW或1000kW以上)、低速(600r/min以下)的場(chǎng)合81②變頻器交流伺服電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的關(guān)鍵問題是要獲得調(diào)頻調(diào)壓的交-直-交變頻器結(jié)構(gòu)框圖82交-直-交變頻器結(jié)構(gòu)框圖18交-直-交變頻器（帶直流環(huán)節(jié)的間接變頻器）——這種型式的變頻器技術(shù)成熟，應(yīng)用較多，輸出交流電的頻率可高于電網(wǎng)的頻率83交-直-交變頻器（帶直流環(huán)節(jié)的間接變頻器）——這種型式的變頻③SPWM變頻器SPWM（正弦波脈沖寬度調(diào)制），其主要特點(diǎn)是在脈沖寬度調(diào)制時(shí)，采用三相正弦信作為調(diào)制波84③SPWM變頻器SPWM（正弦波脈沖寬度調(diào)制），其主要特點(diǎn)SPWM波生成原理85SPWM波生成原理21SPWM變頻器電路原理圖86SPWM變頻器電路原理圖22在SPWM逆變器中，載波電壓頻率ft與調(diào)制波電壓頻率fr（即逆變器的輸出頻率）這比N=ft/fr稱為載波比（調(diào)制比）。根據(jù)載波比的是否改變，SPWM調(diào)制方式可分為同步調(diào)制方式、異步調(diào)制方式和分段同步調(diào)制方式

④SPWM變頻器調(diào)制方式87在SPWM逆變器中，載波電壓頻率ft與調(diào)制波電壓頻率fr（即⑤SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)恒壓頻比（U1/f1=常數(shù)）的SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理如圖6-8所示。在需要恒速，但要求不高的場(chǎng)合常采用開環(huán)系統(tǒng)88⑤SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)恒壓頻比（U1/f1=常數(shù)）的SPW恒壓頻比SPWM變頻調(diào)速原理圖89恒壓頻比SPWM變頻調(diào)速原理圖25SA8282引腳圖SPWM信號(hào)可由單片機(jī)運(yùn)行軟件查表及必要的計(jì)算來生成。也可用專用的大規(guī)模集成電路芯片產(chǎn)生，如HEF4752、SLE4520、SA4828、SA828290SA8282引腳圖SPWM信號(hào)可由單片機(jī)運(yùn)行軟件查表及必要的微機(jī)控制SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖91微機(jī)控制SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖27（4）轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)依據(jù)——轉(zhuǎn)差率可以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)差角頻率ω可以通過速度反饋確定，轉(zhuǎn)差角頻率與異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩有比例關(guān)系，因此通過控制轉(zhuǎn)差頻率而控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，可以達(dá)到電動(dòng)機(jī)調(diào)速的目的。92（4）轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)依據(jù)——轉(zhuǎn)差率可以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差頻率調(diào)速的控制律可歸納為：①按滿足式的函數(shù)關(guān)系控制定子電流，以保持氣隙磁通Φ恒定；②在轉(zhuǎn)差頻率≤ωsmax的范圍內(nèi)，保證氣隙磁通Φ恒定，則轉(zhuǎn)矩基本上與ωs成正比。93轉(zhuǎn)差頻率調(diào)速的控制律可歸納為：①按滿足式轉(zhuǎn)差頻率控制的交流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖94轉(zhuǎn)差頻率控制的交流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖30轉(zhuǎn)差頻率控制同恒壓頻比控制一樣，轉(zhuǎn)差頻率控制所依賴的控制規(guī)律—不管是轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差的關(guān)系，還是保持恒磁通時(shí)定子電流與轉(zhuǎn)差的關(guān)系都是在穩(wěn)態(tài)條件下得出的，不能反映動(dòng)態(tài)特性，因而仍然不能保證最優(yōu)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。對(duì)于最優(yōu)的動(dòng)態(tài)性能，顯然希望控制的基本原理基于異步機(jī)的真實(shí)動(dòng)態(tài)模型。矢量控制就是這樣95轉(zhuǎn)差頻率控制同恒壓頻比控制一樣，轉(zhuǎn)差頻率控制所依賴的控制規(guī)律（5）交流伺服電動(dòng)機(jī)矢量控制交流電動(dòng)機(jī)矢量控制的作用是使得交流電動(dòng)機(jī)能像直流電動(dòng)機(jī)那樣，實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的單獨(dú)控制，使交流電動(dòng)機(jī)能夠獲得與直流電動(dòng)機(jī)同樣的控制靈活性和動(dòng)態(tài)特性。為此，必須將三相交流矢量轉(zhuǎn)換成與之等效的直流標(biāo)量，建立起交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)等效的數(shù)學(xué)模型，然后按直流電動(dòng)機(jī)的控制方法對(duì)其進(jìn)行控制。96（5）交流伺服電動(dòng)機(jī)矢量控制交流電動(dòng)機(jī)矢量控制的作用是使得交流電動(dòng)機(jī)三相繞組等效變換為兩相繞組97交流電動(dòng)機(jī)三相繞組等效變換為兩相繞組33交流電動(dòng)機(jī)繞組矢量變換98交流電動(dòng)機(jī)繞組矢量變換34矢量變換控制的基本原理由所要求的氣隙磁通ΦM確定電流IM，由氣隙磁通和所要求的轉(zhuǎn)矩T確定轉(zhuǎn)子電流IT。由此經(jīng)過IM、IT到iD、iQ再到iA、iB、iC的變換，就可以得三相電流iA、iB、iC的瞬時(shí)值，以此作為定子三相電流的給定值對(duì)三相交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。由于IM和IT可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，從而就調(diào)節(jié)了三相電流的瞬時(shí)給定值，這就使交流電動(dòng)機(jī)的控制具有直流電動(dòng)機(jī)同樣的控制靈活性，并且由于是瞬時(shí)值控制，所以有良好的動(dòng)態(tài)控制性能。99矢量變換控制的基本原理由所要求的氣隙磁通ΦM確定電流IM，由矢量控制系統(tǒng)分類矢量控制系統(tǒng)可分為磁通反饋式和磁通前饋式兩大類，其中反饋式矢量控制又可分為磁通直接測(cè)量和磁通仿真兩種。100矢量控制系統(tǒng)分類矢量控制系統(tǒng)可分為磁通反饋式和磁通前饋式兩大交流電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖101交流電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖37優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)動(dòng)可以連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，調(diào)速范圍寬。缺點(diǎn)：由于運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子參數(shù)常發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子磁鏈難以精確地觀測(cè)和定向，系統(tǒng)參數(shù)魯棒性差，并由于矢量運(yùn)算的復(fù)雜性，使得實(shí)際的控制效果很難與理論分析完全一致，控制器的參數(shù)很難在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)保證控制性能一致，控制參數(shù)的選擇需在線調(diào)整。變結(jié)構(gòu)控制和直接轉(zhuǎn)矩控制是交流電動(dòng)機(jī)的新型控制方法，它們力圖在控制方法魯棒性和控制方法的簡(jiǎn)單化方面進(jìn)行改進(jìn)。102優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)動(dòng)可以連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，調(diào)速范圍寬。變結(jié)構(gòu)控制和直接轉(zhuǎn)矩6.2.4直線電動(dòng)機(jī)直線電動(dòng)機(jī)（DirectDriveLinearMotor）——是直接驅(qū)動(dòng)的一種，取消了中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（拖板、工作臺(tái)主軸等），彈性環(huán)節(jié)減少，系統(tǒng)剛性提高，改善動(dòng)態(tài)性能，可實(shí)現(xiàn)高速、高加速度運(yùn)行1036.2.4直線電動(dòng)機(jī)直線電動(dòng)機(jī)（DirectDrive（1）直線電動(dòng)機(jī)基本原理初級(jí)固定次級(jí)移動(dòng)、次級(jí)固定初級(jí)移動(dòng)104（1）直線電動(dòng)機(jī)基本原理初級(jí)固定次級(jí)移動(dòng)、次級(jí)固定初級(jí)移動(dòng)（2）直線電動(dòng)機(jī)的分類與特點(diǎn)分類：按工作原理——交流感應(yīng)式、交流同步式、直流式、步進(jìn)式、振蕩式和壓電式；按結(jié)構(gòu)型式——扁平型、圓筒型、圓盤型和圓弧型等特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要中間傳動(dòng)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，使系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化，提高動(dòng)態(tài)性能與可靠性，易于維護(hù)；②移動(dòng)速度高；③精度高，可達(dá)納米級(jí)；④安裝簡(jiǎn)單；⑤在低速時(shí)效率和功率因數(shù)下降較大。105（2）直線電動(dòng)機(jī)的分類與特點(diǎn)分類：按工作原理——交流感應(yīng)式6.3數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.3.1主軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主軸伺服驅(qū)動(dòng)含義：驅(qū)動(dòng)控制+定向控制。主軸的驅(qū)動(dòng)控制——主要是指主軸的速度、轉(zhuǎn)向控制；而主軸的定向控制——指某些數(shù)控機(jī)床要求在主軸停下?lián)Q刀等情況下，為了便于機(jī)械手操作必須停在某一角度，這樣就需要對(duì)主軸的位置進(jìn)行控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)+進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。主軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般都采用無級(jí)調(diào)速，以適應(yīng)各種加工方式的需要，保證加工時(shí)能選用合理的切削用量，從而獲得高的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量1066.3數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.3.1主軸伺服驅(qū)動(dòng)（1）主軸伺服驅(qū)動(dòng)原理對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)特殊要求：①結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，降低成本、便于維護(hù)及提高可靠性；②轉(zhuǎn)速范圍也要很大。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床多采用電氣控制調(diào)速的辦法，使主軸能在大范圍內(nèi)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩?zé)o級(jí)調(diào)速；③在盡可能大的調(diào)速范圍內(nèi)保持恒功率的輸出；

④要求主軸能與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)實(shí)行同步控制；在加工中心上為了自動(dòng)換刀還要求主軸能進(jìn)行高精度停位控制，即主軸定向控制。有的數(shù)控機(jī)床還要求主軸具有角度分度控制的功能電主軸

107（1）主軸伺服驅(qū)動(dòng)原理對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)特殊要求：43（2）電主軸選擇以及與控制系統(tǒng)連接電主軸單元選?。簱?jù)切削工藝計(jì)算所得轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率、電主軸轉(zhuǎn)矩、功率和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系來決定108（2）電主軸選擇以及與控制系統(tǒng)連接電主軸單元選?。簱?jù)切削工數(shù)控機(jī)床中完整的電主軸系統(tǒng)109數(shù)控機(jī)床中完整的電主軸系統(tǒng)456.3.2進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分:伺服驅(qū)動(dòng)電路、伺服驅(qū)動(dòng)裝置(電動(dòng)機(jī))、位置檢測(cè)裝置、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及執(zhí)行部件等部分。作用：接受數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給位移和速度指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)電路作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)裝置（直流、交流伺服電動(dòng)機(jī)、直線電動(dòng)機(jī)、功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、電液伺服閥—液壓馬達(dá)等）和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)、主軸頭架等執(zhí)行部件進(jìn)行工作進(jìn)給和快速進(jìn)給1106.3.2進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分:（1）進(jìn)給伺服系統(tǒng)的技術(shù)要求①調(diào)速范圍寬(調(diào)速范圍是指最高進(jìn)給速度與最低進(jìn)給速度之比);②位移精度高;③穩(wěn)定性好,即負(fù)載特性要硬;

④動(dòng)態(tài)響應(yīng)快即有高的靈敏度，達(dá)到最大穩(wěn)態(tài)速度的時(shí)間要短111（1）進(jìn)給伺服系統(tǒng)的技術(shù)要求①調(diào)速范圍寬(調(diào)速范圍是指最（2）進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)選擇與相應(yīng)連線計(jì)算的電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速nj、額定轉(zhuǎn)矩TR以及電動(dòng)機(jī)慣量Jm等要求，選擇安川（yaskawa）公司Σ-II系列的SGMSH-30ACA3E型交流伺服電動(dòng)機(jī)，采用14bit增量式編碼器構(gòu)成半閉環(huán)系統(tǒng)。同時(shí)，選用與之配套的SGDM-30AD型伺服驅(qū)單元。112（2）進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)選擇與相應(yīng)連線計(jì)算的電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速njSGMSH-30ACA3E交流伺服電動(dòng)機(jī)特性參數(shù)項(xiàng)目額定功率（kW）額定電流(A)額定轉(zhuǎn)速(rpm)額定轉(zhuǎn)矩(N·m)峰值轉(zhuǎn)矩(N·m)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(10-4kg/m2)數(shù)值3.018.830009.829.49.1113SGMSH-30ACA3E交流伺服電動(dòng)機(jī)特性參數(shù)項(xiàng)目額定功率圖6-18Σ-II系列伺服驅(qū)動(dòng)器的連接114圖6-18Σ-II系列伺服驅(qū)動(dòng)器的連接506.4機(jī)電一體化新執(zhí)行裝置6.4.1磁致