伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)用舉例

伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)用舉例第1頁(yè)/共119頁(yè)各種類型數(shù)控機(jī)床

牛牛文庫(kù)文檔分享第2頁(yè)/共119頁(yè)用數(shù)控機(jī)床加工一個(gè)零件的過(guò)程見(jiàn)圖

零件圖數(shù)控系統(tǒng)機(jī)床

數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)加工程序

用數(shù)控機(jī)床加工工件時(shí)，首先由編程人員按照零件的幾何形狀和加工工藝要求將加工過(guò)程編成加工程序。數(shù)控系統(tǒng)讀入加工程序后，將其翻譯成機(jī)器能夠理解的控制指令，再由伺服系統(tǒng)將其變換和放大后驅(qū)動(dòng)機(jī)床上的主軸電機(jī)和進(jìn)給伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程。數(shù)控系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是完成了手工加工中操作者的部分工作。

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基本概念：

數(shù)控系統(tǒng)（NCsystem）、數(shù)控裝置NCU和計(jì)算機(jī)數(shù)控CNC，數(shù)控系統(tǒng)的功能：讀入載體上的數(shù)字信息，經(jīng)過(guò)譯碼、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)運(yùn)算和位置控制，控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)。數(shù)控系統(tǒng)由數(shù)控裝置和伺服系統(tǒng)兩部分組成。

以計(jì)算機(jī)為數(shù)控裝置構(gòu)成的數(shù)控系統(tǒng)成為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。

牛牛文庫(kù)文檔分享第4頁(yè)/共119頁(yè)主軸伺服單元數(shù)控裝置輸出設(shè)備PLC進(jìn)給伺服單元主軸電機(jī)進(jìn)給電機(jī)位置檢測(cè)機(jī)床本體接口電路操作面板輸入設(shè)備

數(shù)控機(jī)床的邏輯組成

牛牛文庫(kù)文檔分享第5頁(yè)/共119頁(yè)主軸伺服單元數(shù)控裝置輸出設(shè)備PLC進(jìn)給伺服單元主軸電機(jī)進(jìn)給電機(jī)位置檢測(cè)機(jī)床本體接口電路操作面板輸入設(shè)備數(shù)控機(jī)床物理結(jié)構(gòu)與邏輯結(jié)構(gòu)比較

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同類型的加工中心與數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)布局相似，主要在刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)和位置上有區(qū)別，一般由床身、主軸箱、工作臺(tái)、底座、立柱、橫梁、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、自動(dòng)換刀裝置、輔助系統(tǒng)（氣液、潤(rùn)滑、冷卻）、控制系統(tǒng)等組成，如圖所示。

牛牛文庫(kù)文檔分享第7頁(yè)/共119頁(yè)（一）按控制軌跡的特點(diǎn)分類

1.點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床（進(jìn)給過(guò)程中不加工）

2.直線控制數(shù)控機(jī)床

（進(jìn)給過(guò)程中可以加工）3.輪廓控制數(shù)控機(jī)床（可以加工非直線輪廓）

牛牛文庫(kù)文檔分享第8頁(yè)/共119頁(yè)（二）按伺服系統(tǒng)的類型分類

1．開(kāi)環(huán)控制數(shù)控機(jī)床

牛牛文庫(kù)文檔分享第9頁(yè)/共119頁(yè)2．

閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床

牛牛文庫(kù)文檔分享第10頁(yè)/共119頁(yè)3．半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床

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性能類別CPU位數(shù)聯(lián)動(dòng)軸數(shù)分辨率(um)進(jìn)給速度(m/min)顯示高級(jí)型325<0.1>24三維動(dòng)態(tài)普及型2630.1~1010~24字符/圖形經(jīng)濟(jì)型8<3<10<10字符表1.1數(shù)控系統(tǒng)的功能分類（三）按功能水平分類

1.高級(jí)型數(shù)控系統(tǒng)

2.普及型數(shù)控系統(tǒng)

3.經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)

牛牛文庫(kù)文檔分享第12頁(yè)/共119頁(yè)智能化數(shù)控系統(tǒng)的智能化主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)

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（2）自動(dòng)編程技術(shù)

牛牛文庫(kù)文檔分享第14頁(yè)/共119頁(yè)（3）具有故障自動(dòng)診斷功能

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（4）應(yīng)用模式識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)建模

牛牛文庫(kù)文檔分享第16頁(yè)/共119頁(yè)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)

隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，暴露出許多自身固有的缺陷。最大的問(wèn)題是，這些數(shù)控系統(tǒng)都是專門設(shè)計(jì)的，它們具有不同的編程語(yǔ)言、非標(biāo)準(zhǔn)的人機(jī)接口、多種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、非標(biāo)準(zhǔn)的硬件接口等，這些缺陷造成了數(shù)控系統(tǒng)使用和維護(hù)的不便，也限制了數(shù)控技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。為了解決這些問(wèn)題，人們提出了“開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)”的概念。這個(gè)概念最早見(jiàn)于1987年美國(guó)的NGC(NextGenerationController)計(jì)劃，NGC控制技術(shù)通過(guò)實(shí)現(xiàn)基于相互操作和分級(jí)式的軟件模塊的“開(kāi)放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（SOSAS）”找到解決問(wèn)題的辦法。一個(gè)開(kāi)放式的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)能夠使供應(yīng)商為實(shí)現(xiàn)專門的最佳方案去定制控制系統(tǒng)。由于這樣一個(gè)富有哲理的概念作為NGC計(jì)劃的奠基石，NGC代表了下一代控制技術(shù)。

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牛牛文庫(kù)文檔分享第18頁(yè)/共119頁(yè)基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)主要是進(jìn)行通訊，共享信息。數(shù)控機(jī)床作為車間的基本設(shè)備，它的通訊范圍是：（1）數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的CNC裝置與數(shù)字伺服間的通信，主要通過(guò)SERCOS鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)字伺服控制信息；（2）數(shù)控系統(tǒng)與上級(jí)主計(jì)算機(jī)間的通信；（3）與車間現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及I/O裝置的通信，主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線，如PROFIBUS等進(jìn)行通訊；（4）通過(guò)因特網(wǎng)與服務(wù)中心的通信，傳遞維修數(shù)據(jù)；（5）通過(guò)因特網(wǎng)與另一個(gè)工廠交換制造數(shù)據(jù)。

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牛牛文庫(kù)文檔分享第20頁(yè)/共119頁(yè)提高數(shù)控系統(tǒng)的可靠性

可靠性是數(shù)控機(jī)床用戶最為關(guān)注的問(wèn)題，提高可靠性通?？刹扇∠铝幸恍┐胧?/p>

（1）提高線路的集成度。采用大規(guī)模集成電路、專用芯片及混合式集成電路，以減少元器件數(shù)量，精簡(jiǎn)外部連線和降低功耗。

（2）建立由設(shè)計(jì)、試制到生產(chǎn)的完整質(zhì)量保證體系。例如采取防電源干擾，輸入輸出隔離；使數(shù)控系統(tǒng)模塊化、通用化及標(biāo)準(zhǔn)化，以便組織批量生產(chǎn)和維修；在安裝制造時(shí)注意嚴(yán)格篩選元器件；對(duì)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行全面檢查考核等。

牛牛文庫(kù)文檔分享第21頁(yè)/共119頁(yè)（3）增強(qiáng)故障自診斷功能和保護(hù)功能。由于元器件失效、編程及人為操作失誤等原因，數(shù)控系統(tǒng)完全可能出現(xiàn)故障。數(shù)控系統(tǒng)一般具有故障預(yù)報(bào)和自恢復(fù)功能。此外，應(yīng)注意增強(qiáng)監(jiān)控和保護(hù)功能，例如有的系統(tǒng)設(shè)有刀具破損檢測(cè)、行程范圍保護(hù)和斷電保護(hù)等功能，以避免損壞機(jī)床或報(bào)廢工件。由于采用了各種有效的增強(qiáng)可靠性的措施，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間可達(dá)到MTBF=10000~36000小時(shí)。

牛牛文庫(kù)文檔分享第22頁(yè)/共119頁(yè)數(shù)控技術(shù)在自動(dòng)化制造系統(tǒng)中的地位公司級(jí)管理計(jì)算機(jī)工廠級(jí)管理計(jì)算機(jī)工廠級(jí)管理計(jì)算機(jī)車間級(jí)管理計(jì)算機(jī)車間級(jí)管理計(jì)算機(jī)

數(shù)據(jù)高速公路數(shù)控設(shè)備1數(shù)控設(shè)備NCRT監(jiān)視操作站通信控制

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MCS-51單片機(jī)是美國(guó)INTE公司于1980年推出的產(chǎn)品，MCS-51單片機(jī)可以算是相當(dāng)成功的產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在，MCS-51系列或其兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品，各高校及專業(yè)學(xué)校的培訓(xùn)教材仍與MCS-51單片機(jī)作為代表進(jìn)行理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。我們也以這一代表性的機(jī)型進(jìn)行系統(tǒng)的講解。

MCS-51系列單片機(jī)主要包括8031、8051和8751等通用產(chǎn)品，其典型系統(tǒng)有（廣州數(shù)控設(shè)備廠產(chǎn)品）：由單片機(jī)組成的數(shù)控裝置

數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

牛牛文庫(kù)文檔分享第25頁(yè)/共119頁(yè)CPU紙帶機(jī)接口RS232接口CRT/MDI接口手搖輪接口ROM接口RAM接口PLC接口位控單元位控單元位控單元主軸單元D/AD/AD/AD/A速度單元速度單元速度單元速度單元MMMMMST功能圖4-3單微處理機(jī)數(shù)控裝置的結(jié)構(gòu)圖二、單微處理機(jī)數(shù)控裝置

牛牛文庫(kù)文檔分享第26頁(yè)/共119頁(yè)數(shù)控裝置的物理結(jié)構(gòu)（FANUC-6MB）

牛牛文庫(kù)文檔分享第27頁(yè)/共119頁(yè)單微處理機(jī)數(shù)控裝置典型產(chǎn)品：右：FANUC150i-M系列下：華中世紀(jì)星

牛牛文庫(kù)文檔分享第28頁(yè)/共119頁(yè)三、基于PC的和網(wǎng)絡(luò)型數(shù)控裝置圖4-5基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

牛牛文庫(kù)文檔分享第29頁(yè)/共119頁(yè)位置檢測(cè)裝置返回課件首頁(yè)

位置檢測(cè)裝置是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。在閉環(huán)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測(cè)位移和速度，并發(fā)出反饋信號(hào)，構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)控制。數(shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測(cè)裝置的要求如下：（1）

工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)；（2）

滿足精度和速度的要求；（3）易于安裝，維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境；（4）

成本低。位置檢測(cè)裝置按工作條件和測(cè)量要求不同，有下面幾種分類方法：

牛牛文庫(kù)文檔分享第30頁(yè)/共119頁(yè)（一）

直接測(cè)量和間接測(cè)量

1.

直接測(cè)量

直接測(cè)量是將直線型檢測(cè)裝置安裝在移動(dòng)部件上，用來(lái)直接測(cè)量工作臺(tái)的直線位移，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號(hào)，而構(gòu)成位置閉環(huán)控制。其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確性高、可靠性好，缺點(diǎn)是測(cè)量裝置要和工作臺(tái)行程等長(zhǎng)，所以在大型數(shù)控機(jī)床上受到一定限制。2.

間接測(cè)量

它是將旋轉(zhuǎn)型檢測(cè)裝置安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸或滾珠絲杠上，通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)件的角位移來(lái)間接測(cè)量機(jī)床工作臺(tái)的直線位移，作為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用。優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量方便、無(wú)長(zhǎng)度限制。缺點(diǎn)是測(cè)量信號(hào)中增加了由回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈誤差，從而影響了測(cè)量精度。

牛牛文庫(kù)文檔分享第31頁(yè)/共119頁(yè)（二）數(shù)字式測(cè)量和模擬式測(cè)量

1.

數(shù)字式測(cè)量

它是將被測(cè)的量以數(shù)字形式來(lái)表示，測(cè)量信號(hào)一般為脈沖，可以直接把它送到數(shù)控裝置進(jìn)行比較、處理。信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)、處理簡(jiǎn)單。

2.

模擬量測(cè)量

它是將被測(cè)的量用連續(xù)變量來(lái)表示，如電壓變化、相位變化等。它對(duì)信號(hào)處理的方法相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜。

牛牛文庫(kù)文檔分享第32頁(yè)/共119頁(yè)（三）

增量式測(cè)量和絕對(duì)式測(cè)量

1.增量式測(cè)量

在輪廓控制數(shù)控機(jī)床上多采用這種測(cè)量方式，增量式測(cè)量只測(cè)相對(duì)位移量，如測(cè)量單位為0.001mm，則每移動(dòng)0.001mm就發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量裝置較簡(jiǎn)單，任何一個(gè)對(duì)中點(diǎn)都可以作為測(cè)量的起點(diǎn)，而移距是由測(cè)量信號(hào)計(jì)數(shù)累加所得，但一旦計(jì)數(shù)有誤，以后測(cè)量所得結(jié)果完全錯(cuò)誤。

2.絕對(duì)式測(cè)量

絕對(duì)式測(cè)量裝置對(duì)于被測(cè)量的任意一點(diǎn)位置均由固定的零點(diǎn)標(biāo)起，每一個(gè)被測(cè)點(diǎn)都有一個(gè)相應(yīng)的測(cè)量值。測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)較增量式復(fù)雜，如編碼盤中，對(duì)應(yīng)于碼盤的每一個(gè)角度位置便有一組二進(jìn)制位數(shù)。顯然，分辨精度要求愈高，量程愈大，則所要求的二進(jìn)制位數(shù)也愈多，結(jié)構(gòu)就愈復(fù)雜。

牛牛文庫(kù)文檔分享第33頁(yè)/共119頁(yè)旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)與工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器是輸出電壓信號(hào)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成一定函數(shù)關(guān)系的控制微電機(jī),旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角位移測(cè)量裝置，由定子和轉(zhuǎn)子組成。旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理與普通變壓器基本相似，其中定子繞組作為變壓器的一次側(cè)，接受勵(lì)磁電壓。轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的二次側(cè)，通過(guò)電磁耦合得到感應(yīng)電壓，只是其輸出電壓大小與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。旋轉(zhuǎn)變壓器通過(guò)測(cè)量電動(dòng)機(jī)或被測(cè)軸的轉(zhuǎn)角來(lái)間接測(cè)量工作臺(tái)的位移。旋轉(zhuǎn)變壓器分為單極和多極形式，先分析一下單極工作情況。

牛牛文庫(kù)文檔分享第34頁(yè)/共119頁(yè)感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)與工作原理感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器均為電磁式檢測(cè)裝置，屬模擬式測(cè)量，二者工作原理相同，其輸出電壓隨被測(cè)直線位移或角位移而改變。感應(yīng)同步器按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一般分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種：直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成，用于直線位移測(cè)量。旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成，用于角位移測(cè)量。以直線式感應(yīng)同步器為例，介紹其結(jié)構(gòu)和工作原理。

牛牛文庫(kù)文檔分享第35頁(yè)/共119頁(yè)脈沖編碼器

脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，能把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，是數(shù)控機(jī)床上使用很廣泛的位置檢測(cè)裝置。脈沖編碼器可分為增量式與絕對(duì)式兩類。

從產(chǎn)生元件上分，脈沖編碼器有光電式、接觸式、電磁感應(yīng)式三種，從精度和可靠性來(lái)看，光電式較好，數(shù)控機(jī)床上主要使用的是光電式脈沖編碼器。型號(hào)用脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)（p/r）分，常用的2000，2500，3000p/r,現(xiàn)在有10萬(wàn)p/r以上的產(chǎn)品。它可以用于角度檢測(cè)，也可用于速度檢測(cè)。通常它與電機(jī)做成一體，或安裝在非軸伸端。

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光電盤是用玻璃材料研磨拋光制成，玻璃表面在真空中鍍上一層不透光的鉻，然后用照相腐蝕法在上面制成向心透光窄縫。透光窄縫在圓周上等分，其數(shù)量從幾百條到幾千條不等。圓盤也用玻璃材料研磨拋光制成，其透光窄縫為兩條，每一條后面安裝有一只光電元件。光電盤與工作軸連在一起，光電盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)縫隙就發(fā)生一次光線的明暗變化，光電元件把通過(guò)光電盤和圓盤射來(lái)的忽明忽暗的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為近似正弦波的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)整形、放大、和微分處理后，輸出脈沖信號(hào)。通過(guò)記錄脈沖的數(shù)目，就可以測(cè)出轉(zhuǎn)角。測(cè)出脈沖的變化率，即單位時(shí)間脈沖的數(shù)目，就可以求出速度。

光電式脈沖編碼器，它由光源、聚光鏡、光電盤、圓盤、光電元件和信號(hào)處理電路等組成（如圖）。

牛牛文庫(kù)文檔分享第38頁(yè)/共119頁(yè)光柵結(jié)構(gòu)光柵種類較多。根據(jù)光線在光柵中是透射還是反射分為透射光柵和反射光柵，透射光柵分辨率較反射光柵高，其檢測(cè)精度可達(dá)1μm以上。從形狀上看，又可分為圓光柵和直線光柵。圓光柵用于測(cè)量轉(zhuǎn)角位移，直線光柵用于檢測(cè)直線位移。兩者工作原理基本相似，本節(jié)著重介紹一種應(yīng)用比較廣泛的透射式直線光柵。直線光柵通常包括一長(zhǎng)和一短兩塊配套使用，其中長(zhǎng)的稱為標(biāo)尺光柵或長(zhǎng)光柵，一般固定在機(jī)床移動(dòng)部件上，要求與行程等長(zhǎng)。短的為指示光柵或短光柵，裝在機(jī)床固定部件上。兩光柵尺是刻有均勻密集線紋的透明玻璃片，線紋密度為25、50、100、250條/mm等。線紋之間距離相等，該間距稱為柵距，測(cè)量時(shí)它們相互平行放置，并保持0.05~0.1mm的間隙。

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數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

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伺服系統(tǒng)的組成數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)按其功能可分為：進(jìn)給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)。主軸伺服系統(tǒng)用于控制機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)是以機(jī)床移動(dòng)部件（如工作臺(tái)）的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，通常由伺服驅(qū)動(dòng)裝置、伺服電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件組成。進(jìn)給伺服系統(tǒng)的作用：接受數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)裝置作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機(jī)（直流、交流伺服電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)等）和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給或快速運(yùn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)能根據(jù)指令信號(hào)精確地控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)速度與位置，以及幾個(gè)執(zhí)行部件按一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)所合成的運(yùn)動(dòng)軌跡。如果把數(shù)控裝置比作數(shù)控機(jī)床的“大腦”，是發(fā)布“命令”的指揮機(jī)構(gòu)，那么伺服系統(tǒng)就是數(shù)控機(jī)床的“四肢”，是執(zhí)行“命令”的機(jī)構(gòu)，它是一個(gè)不折不扣的跟隨者。

牛牛文庫(kù)文檔分享第41頁(yè)/共119頁(yè)圖6-1閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)位置控制模塊速度控制單元伺服電機(jī)

工作臺(tái)

位置檢測(cè)測(cè)量反饋

伺服驅(qū)動(dòng)裝置速度環(huán)速度檢測(cè)位置環(huán)

數(shù)控機(jī)床閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖，這是一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)。速度環(huán)由速度控制單元、速度檢測(cè)裝置等構(gòu)成。速度控制單元是一個(gè)獨(dú)立的單元部件，它是用來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的，是速度控制系統(tǒng)的核心。速度檢測(cè)裝置有測(cè)速發(fā)電機(jī)、脈沖編碼器等。位置環(huán)是由CNC裝置中的位置控制模塊、速度控制單元、位置檢測(cè)及反饋控制等部分組成。

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由速度檢測(cè)裝置提供速度反饋值的速度環(huán)控制在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)完成，而裝在電動(dòng)機(jī)軸上或機(jī)床工作臺(tái)上的位置反饋裝置提供位置反饋值構(gòu)成的位置環(huán)由數(shù)控裝置來(lái)完成。伺服系統(tǒng)從外部來(lái)看，是一個(gè)以位置指令輸入和位置控制為輸出的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。但從內(nèi)部的實(shí)際工作來(lái)看，它是先把位置控制指令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度信號(hào)后，通過(guò)調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，才實(shí)現(xiàn)實(shí)際位移的。

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對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求1.

位移精度高伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。伺服系統(tǒng)的位移精度是指指令脈沖要求機(jī)床工作臺(tái)進(jìn)給的位移量和該指令脈沖經(jīng)伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為工作臺(tái)實(shí)際位移量之間的符合程度。兩者誤差愈小，位移精度愈高。2.

穩(wěn)定性好穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在給定外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過(guò)程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來(lái)平衡狀態(tài)的能力。要求伺服系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，保證進(jìn)給速度均勻、平穩(wěn)。穩(wěn)定性直接影響數(shù)控加工精度和表面粗糙度。3.

快速響應(yīng)快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)跟蹤精度。機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)實(shí)際上就是一種高精度的位置隨動(dòng)系統(tǒng)，為保證輪廓切削形狀精度和低的表面粗糙度，要求伺服系統(tǒng)跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快，跟隨誤差小。4.

調(diào)速范圍寬調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。在數(shù)控機(jī)床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，為保證在各種情況下都能得到最佳切削條件，就要求伺服系統(tǒng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。

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低速大扭矩要求伺服系統(tǒng)有足夠的輸出扭矩或驅(qū)動(dòng)功率。機(jī)床加工的特點(diǎn)是，在低速時(shí)進(jìn)行重切削。因此，伺服系統(tǒng)在低速時(shí)要求有大的轉(zhuǎn)矩輸出三、伺服系統(tǒng)的分類數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)按其控制原理和有無(wú)位置反饋裝置分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)；按其用途和功能分為進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；按其驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的動(dòng)作原理分為電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)又分為直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及直線電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)。

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工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制線路（一）開(kāi)環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，它沒(méi)有位置反饋回路和速度反饋回路，因此設(shè)備投資低，調(diào)試維修方便，但精度差，高速扭矩小，被用于中、低檔數(shù)控機(jī)床及普通機(jī)床改造。如圖6-2為開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度與指令脈沖個(gè)數(shù)成正比，其速度由進(jìn)給脈沖的頻率決定。圖6-2開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)簡(jiǎn)圖指令脈沖步進(jìn)電機(jī)齒輪箱

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閉環(huán)伺服系統(tǒng)又可進(jìn)一步分為閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置檢測(cè)裝置安裝在機(jī)床的工作臺(tái)上（圖6-1），檢測(cè)裝置測(cè)出實(shí)際位移量或者實(shí)際所處位置，并將測(cè)量值反饋給CNC裝置，與指令進(jìn)行比較，求得差值，依此構(gòu)成閉環(huán)位置控制。閉環(huán)方式被大量用在精度要求較高的大型數(shù)控機(jī)床上。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)一般將位置檢測(cè)元件安裝在電動(dòng)機(jī)軸上，用以精確控制電機(jī)的角度，然后通過(guò)滾珠絲杠等傳動(dòng)部件，將角度轉(zhuǎn)換成工作臺(tái)的位移，為間接測(cè)量(圖6-3)。即坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈有一部分在位置閉環(huán)以外，其傳動(dòng)誤差沒(méi)有得到系統(tǒng)的補(bǔ)償，因而半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低于閉環(huán)系統(tǒng)。目前在精度要求適中的中小型數(shù)控機(jī)床上，使用半閉環(huán)系統(tǒng)較多。位置比較速度控制

工作臺(tái)伺服電機(jī)位置反饋速度反饋指令+圖6-3半閉環(huán)伺服系統(tǒng)簡(jiǎn)圖－

牛牛文庫(kù)文檔分享第47頁(yè)/共119頁(yè)（二）進(jìn)給驅(qū)動(dòng)與主軸驅(qū)動(dòng)進(jìn)給伺服系統(tǒng)包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)，用于數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)或刀架坐標(biāo)的控制系統(tǒng)，控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并提供切削過(guò)程所需轉(zhuǎn)矩。主軸伺服系統(tǒng)只是一個(gè)速度控制系統(tǒng)，控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為機(jī)床主軸提供驅(qū)動(dòng)功率和所需的切削力，且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

牛牛文庫(kù)文檔分享第48頁(yè)/共119頁(yè)（三）直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)與直線電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)就是控制直流電機(jī)的系統(tǒng)。目前使用比較多的是永磁式直流伺服電機(jī)。永磁直流伺服電機(jī)（也稱為大慣量寬調(diào)速直流伺服電機(jī)），調(diào)速范圍寬，輸出轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)，而且電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，應(yīng)用較方便。但直流電機(jī)有電刷，限制了轉(zhuǎn)速的提高，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格也高。進(jìn)入80年代后，由于交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的突破，交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入電氣傳動(dòng)調(diào)速控制的各個(gè)領(lǐng)域。交流伺服電機(jī)，轉(zhuǎn)子慣量比直流電機(jī)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。而且容易維修，制造簡(jiǎn)單，適合于在較惡劣環(huán)境中使用，易于向大容量、高速度方向發(fā)展，其性能更加優(yōu)異，已達(dá)到或超過(guò)直流伺服系統(tǒng)，交流伺服電機(jī)已在數(shù)控機(jī)床中得到廣泛應(yīng)用。

牛牛文庫(kù)文檔分享第49頁(yè)/共119頁(yè)電動(dòng)機(jī)直流交流其它整流子，電刷無(wú)整流子，電刷電子電路切換永磁式繞線勵(lì)磁式（電磁鐵）并勵(lì)串勵(lì)復(fù)勵(lì)無(wú)刷步進(jìn)直線同步異步感應(yīng)超聲波永磁式永磁式繞線式磁阻式鼠籠式交流整流子式混合繞線式電動(dòng)機(jī)控制功率信號(hào)伺服步進(jìn)力矩開(kāi)關(guān)磁阻無(wú)刷直流永磁磁阻混合

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直線電動(dòng)機(jī)的實(shí)質(zhì)是把旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)沿徑向剖開(kāi)，然后拉直演變而成，利用電磁作用原理，將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的一種推力裝置，是一種較為理想的驅(qū)動(dòng)裝置。在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的最大區(qū)別是取消了從電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)之間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零。正由于這種傳動(dòng)方式，帶來(lái)了旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無(wú)法達(dá)到的性能指標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)

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由于直線電動(dòng)機(jī)在機(jī)床中的應(yīng)用目前還處于初級(jí)階段，還有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)。隨著各相關(guān)配套技術(shù)的發(fā)展和直線電動(dòng)機(jī)制造工藝的完善，相信用直線電動(dòng)機(jī)作進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的機(jī)床會(huì)得到廣泛應(yīng)用。線性直線電機(jī)

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牛牛文庫(kù)文檔分享第53頁(yè)/共119頁(yè)磁懸浮列車

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交流伺服系統(tǒng)

一、數(shù)控機(jī)床用交流電機(jī)在交流伺服系統(tǒng)中，按電機(jī)種類可分為同步型和異步型（感應(yīng)電機(jī)）兩種。交流伺服同步電機(jī)有永磁式、磁阻式（反應(yīng)式）、磁滯式、繞組磁極式等。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中多采用永磁式同步電機(jī)，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由供電頻率所決定的，即在電源電壓和頻率固定不變時(shí)，它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變的。由變頻電源供電給同步電機(jī)時(shí)，能方便地獲得與頻率成正比的可變速度，可以得到非常硬的機(jī)械特性及寬的調(diào)速范圍。

交流主軸電機(jī)多采用交流異步電機(jī)，很少采用永磁同步電機(jī)，主要因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)的容量做得不夠大，且電機(jī)成本較高。另外主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不象進(jìn)給系統(tǒng)那樣要求很高的性能，調(diào)速范圍也不要太大。因此，采用異步電機(jī)完全可以滿足數(shù)控機(jī)床主軸的要求，籠型異步電機(jī)多用在主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。

牛牛文庫(kù)文檔分享第55頁(yè)/共119頁(yè)伺服電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)器

適合于各種加工中心的電主軸

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二、交流電機(jī)的速度控制

(一)交流電機(jī)的調(diào)速據(jù)電機(jī)學(xué)知，交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為

(r/min)(6-7)式中f1—定子電源頻率（Hz）；

p—磁極對(duì)數(shù)；

s—轉(zhuǎn)差率。由式(6-7)可知異步電機(jī)的調(diào)速方法，可以有變轉(zhuǎn)差率、變極對(duì)數(shù)及變頻三種。靠改變轉(zhuǎn)差率對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速時(shí)，低速時(shí)轉(zhuǎn)差率大，轉(zhuǎn)差損耗功率也大，效率低。變極調(diào)速只能產(chǎn)生二種或三種轉(zhuǎn)速，不可能做成無(wú)級(jí)調(diào)速，應(yīng)用范圍較窄。變頻調(diào)速是從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，故它具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能，可以認(rèn)為是一種理想的調(diào)速方法。交流同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為(r/min)

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可知改變頻率f1，可平滑調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速。但在實(shí)際調(diào)速時(shí)，只改變頻率是不夠的，現(xiàn)在來(lái)看一下變頻時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性的變化情況，由電機(jī)學(xué)知：(6-8)式中E1—感應(yīng)電勢(shì)；

Kr1—基波繞組系數(shù)；

N1—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；

Φm—每極氣隙磁通量。當(dāng)略去定子阻抗壓降時(shí)，定子相電壓U1為(6-9)

牛牛文庫(kù)文檔分享第58頁(yè)/共119頁(yè)可以看出，Φm減小導(dǎo)致電機(jī)允許輸出轉(zhuǎn)矩T下降，則電機(jī)利用率下降，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩也將降低，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過(guò)最大轉(zhuǎn)矩，電機(jī)就帶不動(dòng)了，即所謂堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。又當(dāng)電壓U1不變，減小f1時(shí)，Φm上升會(huì)造成磁路飽合，激磁電流會(huì)上升，鐵心過(guò)熱，功率因數(shù)下降，電機(jī)帶負(fù)載能力降低。故在調(diào)頻調(diào)速中，要求在變頻的同時(shí)改變定子電壓U1，以維持Φm接近不變，由U1，f1不同的相互關(guān)系,而得出不同的變頻調(diào)速方式、不同的調(diào)速機(jī)械特性。由式(6-9)可見(jiàn)，定子電壓不變時(shí)，隨f1的上升，氣隙磁通Φm將減小。又從轉(zhuǎn)矩公式(6-10)式中CT—轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

I2—折算到定子上的轉(zhuǎn)子電流；

cosφ2

—轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)。

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恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速

(6-10)方法：U1/f1=常數(shù)，原理：φm近似恒定,因而扭矩T近似恒定優(yōu)點(diǎn)：特性曲線的線性段基本平行，扭矩恒定。缺點(diǎn)：但最大轉(zhuǎn)矩Tm隨著f1下降而減小。這是因?yàn)閒1高時(shí)，E1數(shù)值較大，此時(shí)定子漏阻抗壓降在U1中所占比例較小，可以認(rèn)為U1近似于定子繞組中感應(yīng)電勢(shì)E1。而當(dāng)f1相對(duì)很較低時(shí)，E1數(shù)值變小，U1值也變小，此時(shí)定子漏阻抗壓降在U1中所占比例增大，E1與U1相差很大，所以φm減小，從而使Tm下降。(6-9)圖恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性曲線

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恒最大轉(zhuǎn)矩（Tm）調(diào)速為了在低速時(shí)保持最大轉(zhuǎn)矩Tm不變，就必須采取E1/f1=常數(shù)的協(xié)調(diào)控制，顯然，這是一種理想的保持磁通恒定的控制方法。恒Tm調(diào)速的機(jī)械特性見(jiàn)圖6-25所示，對(duì)應(yīng)于同一轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速降基本不變，即直線部分斜率不變，機(jī)械特性平行地移動(dòng)。

n

T

f4

f1

f1>f2>f3>f4

f2

f3

圖恒Tm調(diào)速特性曲線方法：E1/f1=常數(shù)原理：使φm精確恒定，Tm恒定。優(yōu)點(diǎn)：因而最大扭矩恒定缺點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)困難

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n

T

f4

f1

f1>f2>f3>f4

f2

f3

3.

恒功率調(diào)速為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，可以在額定頻率以上進(jìn)行調(diào)速。因電機(jī)繞組是按額定電壓等級(jí)設(shè)計(jì)的，超過(guò)額定電壓運(yùn)行將受到繞組絕緣強(qiáng)度的限制，因此定子電壓不可能與頻率成正比地提高。若頻率上升，額定電壓不變，那么氣隙磁通φm將隨著f1的升高而降低。這時(shí)，相當(dāng)于額定電流時(shí)的轉(zhuǎn)矩也減小，特性變軟。如圖6-26所示，隨著頻率增加，轉(zhuǎn)矩減少，而轉(zhuǎn)速增加，可得近似恒功率的調(diào)速特性。圖恒功率調(diào)速特性曲線方法：只改變f1優(yōu)點(diǎn)：調(diào)整方法簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：最大扭矩變化

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（二）交流感應(yīng)電機(jī)矢量控制原理矢量控制理論最先是在1971年由德國(guó)學(xué)者F.Blachke提出的。在伺服系統(tǒng)中，直流伺服電機(jī)能獲得優(yōu)良的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能，其根本原因是被控制只有電機(jī)磁通Ф和電樞電流Ia，且這兩個(gè)量是獨(dú)立的。此外，電磁轉(zhuǎn)矩（Tm=KTФ

Ia）與磁通Ф和電樞電流Ia分別成正比關(guān)系。因此，控制簡(jiǎn)單，性能為線性。如果能夠模擬直流電機(jī)，求出交流電機(jī)與之對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)與電樞電流，分別而獨(dú)立地加以控制，就會(huì)使交流電機(jī)具有與直流電機(jī)近似的優(yōu)良特性。為此，必須將三相交變量（矢量）轉(zhuǎn)換為與之等效的直流量（標(biāo)量），建立起交流電機(jī)的等效模型，然后按直流電機(jī)的控制方法對(duì)其進(jìn)行控制。

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圖所示三相異步交流電機(jī)在空間上產(chǎn)生一個(gè)角速度為ω0的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Φ。如果用的兩套空間相差900的繞組α和β來(lái)代替，并通以兩相在時(shí)間上相差900的交流電流，使其也產(chǎn)生角速度為ω0的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Φ

，則可以認(rèn)為圖和圖的兩套繞組是等效的。若給圖所示模型上兩個(gè)互相垂直繞組d和q，分別通以直流電流id

和iq

，則將產(chǎn)生位置固定的磁場(chǎng)Φ

，如果再使繞組以角速度ω0旋轉(zhuǎn)，則所建立的磁場(chǎng)也是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其幅值和轉(zhuǎn)速也與一樣。

圖交流電機(jī)三相/二相直流電機(jī)變換ω0ω0ω0ΦΦΦBCβα

牛牛文庫(kù)文檔分享第64頁(yè)/共119頁(yè)三相A、B、C系統(tǒng)變換到兩相α、β系統(tǒng)ω0ω0ω0ΦΦΦBCβα

這種變換是將三相交流電機(jī)變?yōu)榈刃У亩嘟涣麟姍C(jī)。圖6-27a所示的三相異步電機(jī)的定子三相繞組，彼此相差1200空間角度，當(dāng)通以三相平衡交流電流iA,iB,iC

時(shí)，在定子上產(chǎn)生以同步角速度ω0旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)矢量Φ。三相繞組的作用，完全可以用在空間上互相垂直的兩個(gè)靜止的α、β繞組代替，并通以兩相在時(shí)間上相差900的交流平衡電流iα和iβ

，使其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的幅值和角速度也分別Φ和ω0，則可以認(rèn)為、b中的兩套繞組是等效的。

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應(yīng)用三相/二相的數(shù)學(xué)變換公式，將其化為二相交流繞組的等效交流磁場(chǎng)。則產(chǎn)生的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與三相A、B、C繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一致。令三相繞組中的A相繞組的軸線與α坐標(biāo)軸重合，其磁勢(shì)為（見(jiàn)圖）。FBFβ600FAFαFC圖三相磁動(dòng)勢(shì)的變換按照磁勢(shì)與電流成正比關(guān)系，可求得對(duì)應(yīng)的電流值iα和iβ

除磁勢(shì)的變換外，變換中用到的其它物理量，只要是三相平衡量與二相平衡量，則轉(zhuǎn)換方式相同。這樣就將三相電機(jī)轉(zhuǎn)換為二相電機(jī)，如圖6-27b。

牛牛文庫(kù)文檔分享第66頁(yè)/共119頁(yè)2.矢量旋轉(zhuǎn)變換將三相電機(jī)轉(zhuǎn)化為二相電機(jī)后，還需將二相交流電機(jī)變換為等效的直流電機(jī)，若設(shè)圖d為激磁繞組，通以激磁電id，q為電樞繞組，通以電樞電流iq

，則產(chǎn)生固定幅度的磁場(chǎng)Φ，在定子上以角速度ω0旋轉(zhuǎn)。這樣就可看成是直流電機(jī)了。將二相交流電機(jī)轉(zhuǎn)化為直流電機(jī)的變換，實(shí)質(zhì)就是矢量向標(biāo)量的轉(zhuǎn)換，是靜止的直角坐標(biāo)系向旋轉(zhuǎn)的直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。這里，就是把iα和iβ

轉(zhuǎn)化為id和iq

，轉(zhuǎn)化條件是保證合成磁場(chǎng)不變。在圖b中，iα和iβ的合成矢量是i1，將其在Φ方向及垂直方向投影，即可求得id和iq

。id和iq

在空間以角速度ω0旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)換公式為

αβi1Φidiqθφ?qǐng)D6-28b三相磁動(dòng)勢(shì)的變換

牛牛文庫(kù)文檔分享第67頁(yè)/共119頁(yè)3.直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)的變換矢量控制中，還要用到直角坐標(biāo)系與極坐標(biāo)系的變換。如圖6-28b中，由id和iq求i1

，其公式為

采用矢量變換的感應(yīng)電機(jī)具有和直流電機(jī)一樣的控制特點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，電機(jī)容量不受限制，與同等直流電機(jī)相比機(jī)械慣量小，其前景非?？捎^。

牛牛文庫(kù)文檔分享第68頁(yè)/共119頁(yè)（三）交流電機(jī)的變頻調(diào)速裝置

整流電路平波電路逆變電路控制電路

逆變器輸入恒電壓，恒頻率輸出可變電壓，可變頻率變頻器基本組成ABC電源PWM變頻器的主電路原理圖

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圖中是脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation簡(jiǎn)稱PWM）變頻器的主電路。它由擔(dān)任交-直變換的二極管整流器和擔(dān)任直-交變換、同時(shí)完成調(diào)頻和調(diào)壓任務(wù)的脈沖寬度調(diào)制逆變器組成。圖中續(xù)流二極管D1~D6，為負(fù)載的滯后電流提供一條反饋到電源的通路，逆變管（全控式功率開(kāi)關(guān)器件）T1~T6組成逆變橋，A、B、C為逆變橋的輸出端。電容器Cd的功能是：濾平全波整流后的電壓波紋；當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，使直流電壓保持平穩(wěn)。交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一就是逆變器，由于調(diào)速的要求，逆變器必須具有頻率連續(xù)可調(diào)、以及輸出電壓連續(xù)可調(diào)，并與頻率保持一定比例關(guān)系等功能。ABC電源圖PWM變頻器的主電路原理圖

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T1

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T2

T3

T4

T6

t1

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下面討論逆變管T1~T6以怎樣的順序動(dòng)作（導(dǎo)通和關(guān)斷）才能將直流電變?yōu)槿嘟涣麟?？如圖6-30所示，在t1、t2時(shí)間內(nèi)，V1、V6同時(shí)導(dǎo)通，A為正，B為負(fù)，uAB為正。在t4、t5時(shí)間內(nèi)，V3、V4同時(shí)導(dǎo)通，A為負(fù)，B為正，uAB為負(fù)。在t3、t4時(shí)間內(nèi)，T3、T2同時(shí)導(dǎo)通，B為正，C為負(fù)，uBC為正。在t6、t1時(shí)間內(nèi)，T5、T6同時(shí)導(dǎo)通，B為負(fù)，C為正，uBC為負(fù)。在t5、t6時(shí)間內(nèi)，T5、T4同時(shí)導(dǎo)通，C為正，A為負(fù)，uCA為正。在t2、t3時(shí)間內(nèi)，T1、T2同時(shí)導(dǎo)通，C為負(fù)，A為正，uCA為負(fù)。

圖6-30各逆變管的通斷安排圖所示為逆變管的工作情況，圖中陰影部分為各逆變管的導(dǎo)通時(shí)間，其余為關(guān)斷狀態(tài)。

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3000

3000

3000

uAB

600

uBC

uCA

1200

1800

2400

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tw

tw

tw

圖6-31三相逆變橋的輸出電壓

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t1

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如圖所示，因電壓的平均值和占空比成正比，所以在調(diào)節(jié)頻率時(shí)，改變輸出電壓脈沖的占空比，就能同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻和變壓。與圖6-32a相比，圖6-32b所示電壓周期增大（頻率降低），而占空比減小，故平均電壓降低。

圖脈寬調(diào)制的輸出電壓

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采用PWM方法控制逆變管的通、斷時(shí)，可獲得一組幅值相等、寬度相同的矩形脈沖，改變矩形脈沖的寬度可控制其輸出電壓，改變調(diào)制周期可控制其輸出頻率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)變壓和變頻。因輸出電壓波形為矩形波，具有許多高次諧波成分。對(duì)電機(jī)來(lái)說(shuō)，有用的是電壓的基波。為了減少諧波影響，提高電機(jī)的運(yùn)行性能，應(yīng)采用對(duì)稱的三相正弦波電源為三相交流電機(jī)供電。正弦波脈寬調(diào)制型逆變器（SPWM）的輸出端可獲一組等幅而不等寬的矩形脈沖波形，來(lái)近似等效于正弦電壓波。

SPWM脈寬調(diào)制波形，當(dāng)正弦值為最大值時(shí)，脈沖的寬度也最大，而脈沖的間隔則最小。反之，當(dāng)正弦值較小時(shí)，脈沖的寬度也小，而脈沖的間隔則較大，這樣的電壓脈沖系列可以使負(fù)載電流中的高次諧波成分大大減少。

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下面介紹用正弦波（調(diào)制波）控制，三角波（載波）調(diào)制的采用模擬電路元件實(shí)現(xiàn)SPWM（正弦波脈寬調(diào)制）控制的變頻器的工作原理。如圖6-33所示，首先由模擬元件構(gòu)成的三角波和正弦波發(fā)生器分別產(chǎn)生三角波信號(hào)VT和正弦波信號(hào)VS，然后送入電壓比較器A，產(chǎn)生SPWM調(diào)制的矩形脈沖。

VT

Ud

VS

+

_

A

圖6-33電路原理圖

牛牛文庫(kù)文檔分享第75頁(yè)/共119頁(yè)圖脈寬調(diào)制波的形成12345a)1413u+Ud/2-Ud/2b)圖所示的數(shù)字位置為這二種波形交點(diǎn)，決定了逆變器某相元件的通斷時(shí)間（在此為A相），即V1和V4的通斷，決定了SPWM脈沖系列的寬度和脈沖間的間隔寬度。當(dāng)正弦波高于三角波時(shí)，開(kāi)關(guān)器件V1導(dǎo)通、V4關(guān)斷，使負(fù)載上得到的相電壓為uA=＋Ud/2；當(dāng)正弦波低于三角波時(shí)，開(kāi)關(guān)器件V1關(guān)斷、V4導(dǎo)通，負(fù)載上的相電壓為uA=－Ud/2；調(diào)制波和載波的交點(diǎn)決定了逆變橋輸出相電壓的脈沖系列，調(diào)制出脈寬波形如圖6-34b。由相電壓合成為線電壓時(shí)，如uAB=uA-uB，可得逆變器輸出線電壓脈沖系列，其脈沖幅值為＋Ud和－Ud。uA

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改變調(diào)制波的頻率時(shí)，輸出電壓基波的頻率也隨之改變；增加調(diào)制波的幅值時(shí)，各段脈沖的寬度都將變寬，從而使輸出電壓基波的幅值也相應(yīng)變大。如果用這樣的矩形脈沖作為逆變管的控制信號(hào)，則在逆變器輸出端可以獲得一組類似的矩形脈沖，其幅值就是直流側(cè)的整流電壓Ud，其寬度是按正弦規(guī)律變化的。采用模擬電路調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是完成VT與VS信號(hào)的比較和確定脈沖寬度所用的時(shí)間短，幾乎是瞬間完成的。然而，這種方法的缺點(diǎn)是所需要硬件較多，而且不夠靈活，改變參數(shù)和調(diào)試比較麻煩。

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采用數(shù)字電路的SPWM逆變器，可采用以軟件為基礎(chǔ)的控制模式。優(yōu)點(diǎn)是所需硬件少，靈活性好和智能性強(qiáng)。缺點(diǎn)是需要通過(guò)計(jì)算確定SPWM的脈沖寬度，有一定的延時(shí)和響應(yīng)時(shí)間。然而，隨著高速度、高精度多功能微處理器、微控制器和SPWM專用芯片的發(fā)展，采用微機(jī)控制的數(shù)字化SPWM技術(shù)已占當(dāng)今PWM逆變器的主導(dǎo)地位。微機(jī)控制的SPWM控制模式有多種，以規(guī)則取樣法為例來(lái)介紹。微機(jī)是采用計(jì)算的辦法尋找三角波VT與參考正弦波VS的交點(diǎn)從而確定SPWM脈沖寬度的。VT和VS的交點(diǎn)A1、B1能準(zhǔn)確求得，從而確定脈沖寬度t′2，但計(jì)算工作量較大。為簡(jiǎn)化計(jì)算，可采用近似的求VT和VS交點(diǎn)的方法。通過(guò)兩個(gè)三角波峰之間中線與VS的交點(diǎn)m作水平線與兩個(gè)三角波分別交于A和B點(diǎn)，由交點(diǎn)A和B確定的SPWM脈寬為t2，顯然，t2與t′2數(shù)值相近。

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規(guī)則取樣法就是用VT和VS近似交點(diǎn)A和B代替實(shí)際的交點(diǎn)A1和B1，用以確定SPWM脈沖信號(hào)的。這種方法雖然有一定的誤差，但卻大大減少了計(jì)算工作量。由圖6-35可很容易地導(dǎo)出規(guī)則取樣法的計(jì)算公式。設(shè)三角波和正弦波的周期分別為TT和TS，幅值分別為UT和US。t1為在TT時(shí)間內(nèi)，在脈沖發(fā)生以前（即A點(diǎn)以前）的間歇時(shí)間，t2為AB之間的脈寬時(shí)間，t3為在TT以內(nèi)B點(diǎn)以后的間隙時(shí)間。顯然TT=t1+t2+t3，t1、t3及t2可由下式計(jì)算圖規(guī)則取樣SPWM調(diào)制模式

牛牛文庫(kù)文檔分享第79頁(yè)/共119頁(yè)機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)一進(jìn)給電機(jī)的選擇（一）步進(jìn)電機(jī)的選擇1電機(jī)類型2相數(shù)3步距角4靜態(tài)扭矩5啟動(dòng)頻率6電機(jī)總扭矩（二）伺服電機(jī)的選擇1扭矩2負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的匹配

牛牛文庫(kù)文檔分享第80頁(yè)/共119頁(yè)機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)1.負(fù)載扭矩大、慣性大；2.調(diào)速范圍寬；進(jìn)給速度在0.5mm/min~10m/min之間3.可靠性要求高；4.響應(yīng)速度快。響應(yīng)時(shí)間在100ms之內(nèi),依機(jī)床大小而定。

牛牛文庫(kù)文檔分享第81頁(yè)/共119頁(yè)二、步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制線路圖6-2開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)簡(jiǎn)圖指令脈沖步進(jìn)電機(jī)齒輪箱1.步距角的選擇Si0.6,1.2,1.5,3……標(biāo)準(zhǔn)系列

牛牛文庫(kù)文檔分享第82頁(yè)/共119頁(yè)2.靜態(tài)扭矩的選擇

工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制線路圖6-2開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)簡(jiǎn)圖指令脈沖步進(jìn)電機(jī)齒輪箱SiFMz

牛牛文庫(kù)文檔分享第83頁(yè)/共119頁(yè)3.啟動(dòng)扭矩

工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制線路

工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制線路0(r/min)n(r/min)

牛牛文庫(kù)文檔分享第84頁(yè)/共119頁(yè)4.啟動(dòng)頻率

工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制線路

工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制線路0(r/min)n(r/min)fq0:空載啟動(dòng)頻率M:啟動(dòng)頻率下的輸出力矩（見(jiàn)矩頻特性曲線）

牛牛文庫(kù)文檔分享第85頁(yè)/共119頁(yè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的各種類型數(shù)控機(jī)械

牛牛文庫(kù)文檔分享第86頁(yè)/共119頁(yè)三、交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1.電機(jī)扭矩的選擇負(fù)載扭矩：加速度扭矩：伺服電機(jī)扭矩：

牛牛文庫(kù)文檔分享第87頁(yè)/共119頁(yè)2.伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的選擇(1)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算：轉(zhuǎn)動(dòng)物體:移動(dòng)物體:

牛牛文庫(kù)文檔分享第88頁(yè)/共119頁(yè)(2)折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1J2J3mJ2

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牛牛文庫(kù)文檔分享第93頁(yè)/共119頁(yè)2.跟隨誤差及其對(duì)加工精度的影響（1）數(shù)控系統(tǒng)的跟隨誤差

牛牛文庫(kù)文檔分享第94頁(yè)/共119頁(yè)（2）跟隨誤差對(duì)直線輪廓加工精度的影響

牛牛文庫(kù)文檔分享第95頁(yè)/共119頁(yè)

兩個(gè)方向的分速度：兩個(gè)方向的位置誤差：輪廓誤差：

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（3）跟隨誤差對(duì)圓弧輪廓加工精度的影響

牛牛文庫(kù)文檔分享第97頁(yè)/共119頁(yè)實(shí)際圓弧半徑：從中解出輪廓誤差：兩個(gè)方向剛度相同時(shí)：

牛牛文庫(kù)文檔分享第98頁(yè)/共119頁(yè)設(shè)計(jì)完成的兩自由度運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)：

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返回交流伺服電動(dòng)機(jī)

牛牛文庫(kù)文檔分享第100頁(yè)/共119頁(yè)基于DSP的永磁同步電機(jī)交流伺服

控制系統(tǒng)隨著現(xiàn)代化工業(yè)的不斷發(fā)展，交流伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而高性能的全數(shù)字化伺服控制系統(tǒng)是當(dāng)代交流伺服控制系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，這種系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在高精度數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、特種加工裝備和精細(xì)進(jìn)給系統(tǒng)中，因此對(duì)其性能的要求也越來(lái)越高，尤其是在軍用領(lǐng)域和機(jī)器人系統(tǒng)中，要求伺服控制系統(tǒng)具有高速度、高精度、高可靠性及高抗干擾能力。由于集高速運(yùn)算能力和面向電機(jī)的高效控制能力于一體的數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP的應(yīng)用，因此基于DSP的永磁同步電機(jī)交流伺服控制系統(tǒng)逐步成為交流伺服控制系統(tǒng)的主流。

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控制系統(tǒng)主電路交流伺服控制系統(tǒng)的主電路是交流伺服控制系統(tǒng)的主要部分，主電路的性能優(yōu)劣直接影響整個(gè)交流伺服控制系統(tǒng)的性能，因此對(duì)主電路的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

牛牛文庫(kù)文檔分享第102頁(yè)/共119頁(yè)圖1系統(tǒng)框圖主電路由三相整流電路、智能功率模塊、濾波電容、能耗制動(dòng)回路組成

牛牛文庫(kù)文檔分享第103頁(yè)/共119頁(yè)主電路工作原理及各部分設(shè)計(jì)工作原理：三相交流電經(jīng)三相全控橋整流電路整流后，再經(jīng)過(guò)濾波電容濾波，將其轉(zhuǎn)換為直流電，使加于逆變器橋臂的電壓為一恒壓源。R和T組成能耗制動(dòng)回路。智能功率模塊由三相六個(gè)橋臂構(gòu)成，把直流電變換成三相交流輸出，即變壓也變頻，輸?shù)诫妱?dòng)機(jī)的三相電壓和頻率都是同時(shí)變換的。實(shí)際應(yīng)用上經(jīng)電流反饋控制后，智能功率模塊輸出的三相電流為近似對(duì)稱的正弦交流電流，以使電動(dòng)機(jī)獲得圓形旋轉(zhuǎn)的氣隙磁場(chǎng)。

功率主電路的作用：直接驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)工作功率主電路的組成：三相整流電路、智能功率模塊、濾波電容、能耗制動(dòng)回路

牛牛文庫(kù)文檔分享第104頁(yè)/共119頁(yè)主電路的具體構(gòu)成圖2主電路原理圖

牛牛文庫(kù)文檔分享第105頁(yè)/共119頁(yè)三相整流電路整流電路采用富士公司的三相整流橋6R130G-1600，整流電路為三相橋式全波整流電路，耐壓高，可達(dá)1600V,輸入是三相交流電，三相輸入為220V，則經(jīng)整流后平均直流電壓為的=2.34×220=514.8V。三相橋式全波整流電路完成工頻電流到直流的轉(zhuǎn)換，經(jīng)整流器整流后的直流電存在脈動(dòng)。濾波電容起到穩(wěn)壓濾波的作用，濾波電容中的濾波電容值很大

牛牛文庫(kù)文檔分享第106頁(yè)/共119頁(yè)智能功率模塊功率變換部分是永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分，其功能是依據(jù)PWM控制信號(hào)將三相工頻交流電變換成頻率、