数控机床及应用课件第三章张立仁.ppt

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第章第章数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统nn学习目标学习目标nn3311伺服驱动系统概述伺服驱动系统概述nn3322步进电动机及控制系统步进电动机及控制系统nn3333直流伺服电动机及控制系统直流伺服电动机及控制系统nn3344交流伺服电动机及控制系统交流伺服电动机及控制系统nn本章小结本章小结nn思考题思考题学习目标学习目标nn掌握数控机床伺服驱动系统的组成、工作原理及特点，掌掌握数控机床伺服驱动系统的组成、工作原理及特点，掌握对不同电动机的控制方法。

握对不同电动机的控制方法。

图图3.1伺服系统结构图伺服系统结构图图图3.2三相反应式步进电机结构原理图三相反应式步进电机结构原理图图图3.4反应式步进电机工作原理示意图反应式步进电机工作原理示意图图图3.3三段式反应式步进电机的结构原理三段式反应式步进电机的结构原理图图3.5永磁感应子式步进电机结构示意图永磁感应子式步进电机结构示意图图图3.6静态矩角特性静态矩角特性图图3.790BF001步进电机的启动频矩特性步进电机的启动频矩特性图图3.890BF001步进电机的运行频矩特性步进电机的运行频矩特性图图3.9CH250管脚图和三相六拍接线图管脚图和三相六拍接线图图图3.10两坐标伺服系统工作原理图两坐标伺服系统工作原理图图图3.11软环形分配器的程序流程框图软环形分配器的程序流程框图图图3.12程序流程框图程序流程框图图图3.13单电压驱动电路原理图单电压驱动电路原理图图图3.14高低压驱动电路原理图高低压驱动电路原理图图图3.15斩波驱动电路原理图斩波驱动电路原理图图图3.16三种电路的波形三种电路的波形图图3.17直流电机的机械特性直流电机的机械特性图图3.18永磁直流伺服电机工作曲线永磁直流伺服电机工作曲线II连续工作区连续工作区连续工作区连续工作区IIII间断工作区间断工作区间断工作区间断工作区IIIIII瞬时加速区瞬时加速区瞬时加速区瞬时加速区图图3.19负载负载工作周期曲线工作周期曲线图图3.20三相桥式反并联整流电路三相桥式反并联整流电路图图3.21双环调速系统工作原理图双环调速系统工作原理图图图3.22H型脉冲功率放大器工作原理图型脉冲功率放大器工作原理图图图3.23H型双极性工作方式电压和电型双极性工作方式电压和电枢电流波形枢电流波形图图3.24微机微机PWM驱动系统的原理框图驱动系统的原理框图图图3.25永磁交流伺服电机结构示意图永磁交流伺服电机结构示意图nn11定子定子22转子转子33定子三相绕组定子三相绕组44编码器编码器55出线盒出线盒图图3.26永磁式交流同步伺服电机的永磁式交流同步伺服电机的工作原理图工作原理图图图3.27交流伺服电机工作曲线交流伺服电机工作曲线nnII连续工作区连续工作区IIII断续工作区断续工作区图图3.28单相逆变电路单相逆变电路图图3.29双极性双极性SPWM通用型主回路通用型主回路（三相逆变电路）（三相逆变电路）图图3.30载波（三角波）调制波载波（三角波）调制波（正弦波）形成原理图（正弦波）形成原理图图图3.31变频控制原理图变频控制原理图31伺服驱动系统概述伺服驱动系统概述nn3.1.1伺服驱动系统概念伺服驱动系统概念nn3.1.2对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求nn3.1.3伺服系统的分类伺服系统的分类nn3.1.4伺服系统的组成和工作原理伺服系统的组成和工作原理3.1.1伺服驱动系统概念nn数控机床伺服系统：

以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服机构。

nn伺服系统分类：

位置伺服（工作台的位置和主轴的位置及起始角度）和速度伺服（工作台电动机转动的速度）。

3.1.2对伺服系统的基本要求nn对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求nn1、精度高、精度高nn2、稳定性好、稳定性好nn3、快速响应、快速响应nn4、调速范围宽、调速范围宽nn5、低速大转矩、低速大转矩nn6、对伺服电机的要求、对伺服电机的要求3.1.3伺服系统的分类nn11、按调节理论分类、按调节理论分类nn开环伺服系统开环伺服系统闭环伺服系统闭环伺服系统半闭环系统半闭环系统nn22、按使用驱动元件分类、按使用驱动元件分类电液伺服系统电液伺服系统电气伺服系统电气伺服系统nn33、按使用直流伺服电机和交流伺服电机分类、按使用直流伺服电机和交流伺服电机分类nn直流伺服系统直流伺服系统交流伺服系统交流伺服系统nn44、按进给驱动和主轴驱动分类、按进给驱动和主轴驱动分类nn进给伺服系统进给伺服系统主轴伺服系统主轴伺服系统nn55、按反馈比较控制方式分类、按反馈比较控制方式分类nn脉冲、数字比较伺服系统脉冲、数字比较伺服系统相位比较伺服系统相位比较伺服系统幅值比幅值比较伺服系统较伺服系统全数字伺服系统全数字伺服系统3.1.4伺服系统的组成和工作原理nn数控机床伺服系统组成：

由速度环和位置环所组成数控机床伺服系统组成：

由速度环和位置环所组成，如图如图3.13.1所示。

所示。

nn速度环由速度控制单元、伺服电动机和速度检测装置组成。

速度环由速度控制单元、伺服电动机和速度检测装置组成。

nn位置环是由位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反位置环是由位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等各部分组成。

馈控制等各部分组成。

nn伺服系统工作原理：

接收插补程序生成的进给脉冲或进给伺服系统工作原理：

接收插补程序生成的进给脉冲或进给位移量，（接受反馈信号），经变换和放大，转化为移动位移量，（接受反馈信号），经变换和放大，转化为移动部件的位移。

部件的位移。

32步进电动机及控制系统步进电动机及控制系统nn3.2.1步进电机结构原理和分类步进电机结构原理和分类nn3.2.2步进电机驱动控制步进电机驱动控制3.2.1步进电机结构原理和分类nn11、步进电机的分类步进电机的分类步进电机的分类步进电机的分类nn22、步进电机的工作原理步进电机的工作原理步进电机的工作原理步进电机的工作原理nn33、反应式步进电机主要技术性能指标反应式步进电机主要技术性能指标反应式步进电机主要技术性能指标反应式步进电机主要技术性能指标1、步进电机的分类nn（11）按运动方式来分）按运动方式来分nn旋转运动、直线运动、平面运动和滚切运动式步进电机旋转运动、直线运动、平面运动和滚切运动式步进电机nn（22）按工作原理来分）按工作原理来分nn反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式、永磁感应子式步进电机反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式、永磁感应子式步进电机nn（33）按使用场合来分）按使用场合来分nn功率步进电机和控制步进电机功率步进电机和控制步进电机nn（44）按结构来分）按结构来分nn单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。

单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。

nn（55）按相数来分）按相数来分nn三相、四相、五相、六相等。

三相、四相、五相、六相等。

nn（66）按使用频率来分）按使用频率来分nn高频步进电机和低频步进电机高频步进电机和低频步进电机2、步进电机的工作原理nn11）反应式步进电动机（反应式步进电动机（反应式步进电动机（反应式步进电动机（VRVR）nn22）永磁式步进电机永磁式步进电机永磁式步进电机永磁式步进电机nn33）永磁感应子式步进电机永磁感应子式步进电机永磁感应子式步进电机永磁感应子式步进电机1）反应式步进电动机nn（11）反应式步进电动机（反应式步进电动机（反应式步进电动机（反应式步进电动机（VRVR）工作原理）工作原理）工作原理）工作原理nn（22）反应式步进电机的特点反应式步进电机的特点反应式步进电机的特点反应式步进电机的特点

（1）反应式步进电动机工作原理nn反应式步进电机叫可变磁阻式步进电机，简称步进电动机。

反应式步进电机叫可变磁阻式步进电机，简称步进电动机。

nn反应式步进电机种类：

单段式（径向式）多段式（轴向式）反应式步进电机种类：

单段式（径向式）多段式（轴向式）nn结构：

单段式结构结构：

单段式结构如图如图3.23.2所示，多段式所示，多段式如图如图3.33.3、图图3.43.4所示。

所示。

nn单段式和多段式结构的制造工艺较复杂，适用于相数多的步单段式和多段式结构的制造工艺较复杂，适用于相数多的步进电机。

目前大多数采用单段式结构，若相数较多时，也有进电机。

目前大多数采用单段式结构，若相数较多时，也有采用径向、轴向分相相结合的混合式结构。

采用径向、轴向分相相结合的混合式结构。

nn反应式步进电机的工作原理：

磁力线力图走磁阻最小的路径，反应式步进电机的工作原理：

磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩；带动转子转动。

从而产生反应力矩；带动转子转动。

nn定子绕组的供电方式：

定子绕组的供电方式：

nn单三拍供电方式：

单三拍供电方式：

A-B-C-A-A-B-C-A-nn双三拍工作方式：

双三拍工作方式：

AB-BC-CA-AB-AB-BC-CA-AB-如图如图3.43.4所示所示

（2）反应式步进电机的特点nnaa、步进电机的控制十分方便、步进电机的控制十分方便nnbb、气隙小、气隙小nncc、步距角小、步距角小nndd、励磁电流较大、励磁电流较大nnee、电机的内部阻尼较小、电机的内部阻尼较小nnff、带惯性负载能力差，尤其是在高速时容易失步、带惯性负载能力差，尤其是在高速时容易失步nngg、断电后无定位转矩、断电后无定位转矩2）永磁式步进电机nn

（1）永磁式步进电机的结构永磁式步进电机的结构nn

（2）永磁式步进电机的特点永磁式步进电机的特点

（1）永磁式步进电机的结构nn永磁感应子式步进电机结构，如图3.5所示。

由定子和转子组成。

nn永磁式步进电机的转子或定子的某一方具有永久磁钢，另一方由软磁材料制成。

绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩，使用转子旋转。

（2）永磁式步进电机的特点nnaa、步距角大。

一般步距角为、步距角大。

一般步距角为151500、22.522.500、303000、454500、909000等。

等。

这是因为在一个圆周上能形成的极对数受到极弧尺寸的限这是因为在一个圆周上能形成的极对数受到极弧尺寸的限制，不能太多，所以它的步距角不能太小。

制，不能太多，所以它的步距角不能太小。

nnbb、控制功率小，效率高。

、控制功率小，效率高。

nncc、内阻尼较大，单步振荡时间短。

、内阻尼较大，单步振荡时间短。

nndd、断电后具有一定的定位转矩。

、断电后具有一定的定位转矩。

3）永磁感应子式步进电机nn（11）永磁感应子式步进电机结构永磁感应子式步进电机结构永磁感应子式步进电机结构永磁感应子式步进电机结构nn（22）永磁感应子式步进电机的特点永磁感应子式步进电机的特点永磁感应子式步进电机的特点永磁感应子式步进电机的特点

（1）永磁感应子式步进电机结构nn永磁感应子式步进电机，从它的磁路内含有永久磁钢这点永磁感应子式步进电机，从它的磁路内含有永久磁钢这点看，可以说它是永磁式步进电机。

但因其结构的不同，使看，可以说它是永磁式步进电机。

但因其结构的不同，使其作用原理以及性能方面，都与永磁式步进电机有明显的其作用原理以及性能方面，都与永磁式步进电机有明显的区别。

从定子或转子的导磁体来看，又像反应式步进电机。

区别。

从定子或转子的导磁体来看，又像反应式步进电机。

它好像是反应式和永磁式步进电机的结合，所以常称其为它好像是反应式和永磁式步进电机的结合，所以常称其为混合式步进电机。

混合式步进电机。

nn永磁感应子式步进电机的典型结构永磁感应子式步进电机的典型结构如图如图3.53.5所示。

它的定子所示。

它的定子结构与反应式步进电机基本相同，即分成若干极，极上