数控技术伺服驱动系统.ppt

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第第6章章伺服驱动系统伺服驱动系统6.1数控机床对伺服驱动系统的数控机床对伺服驱动系统的要求要求n在数控机床运动中，主轴运动和伺服进给运动是机床的基本成型运动。

主轴运动控制一般主要满足主轴调速及正反转即可，但当要求机床有螺纹加工、准停和恒线速度加工等功能时，对主轴提出相应的位置控制要求。

n此时，主轴驱动控制系统也可称为主轴伺服驱动系统1.对机床进给伺服系统的要求对机床进给伺服系统的要求（11）精度高精度高

（2）稳定性好稳定性好（3）响应速度快，无超调）响应速度快，无超调（4）电动机电动机调速范围宽调速范围宽（5）低速大转矩低速大转矩（6）可靠性高）可靠性高2022/11/1212.对主轴伺服驱动系统的要求对主轴伺服驱动系统的要求

（1）对主轴伺服驱动系统，除上述要求外，还应满足如下要求：

（1）主轴与进给驱动的同步控制）主轴与进给驱动的同步控制该功能使数控机床具有螺纹和螺旋槽加工的能力。

（2）准停控制）准停控制在加工中心上，为了实现自动换刀，要求主轴能进行高精确位置的停止。

（3）角度分度控制）角度分度控制角度分度控制有两种类型：

一是固定的等分角度控制；二是连续的任意角度控制。

2022/11/1222.对主轴伺服驱动系统的要求对主轴伺服驱动系统的要求

（2）n任意角度控制是带有角位移反馈的位置伺服驱动系统，这种主轴坐标具有进给坐标的功能，称为“C”轴控制。

n“C”轴控制可以用一般主轴控制与“C”控制切换的方法实现，也可以用大功率的进给伺服驱动系统代替主轴系统。

6.2直流伺服直流伺服电动机电动机及其速度控制及其速度控制n以直流电动机作为驱动元件的伺服驱动系统称为直流伺服驱动系统。

n因为直流伺服电动机实现调速比较容易，尤其是他励和永磁直流伺服电动机，其机械特性比较硬，所以直流电动机自20世纪70年代以来，在数控机床上得到了广泛的应用。

2022/11/1236.2.1直流伺服直流伺服电动机电动机的结构与分类的结构与分类

（1）n根据磁场产生的方式，直流电动机可分为他激式、永磁式、并激式、串激式和复激式五种。

n根据结构的不同，直流伺服电动机为一般电枢式、无槽电枢式、印刷电枢式、绕线盘式和空心杯电枢式等。

n为避免电刷换向器的接触，还有无刷直流伺服电动机。

n根据控制方式，直流伺服电动机可分为磁场控制方式和电枢控制方式。

n永磁直流伺服电动机只能采用电枢控制方式，一般电磁式直流伺服电动机大多也用电枢控制方式。

2022/11/1246.2.1直流伺服直流伺服电动机电动机的结构与分类的结构与分类

（2）n在数控机床进给系统常用直流伺服电动机主要有以下几种：

（1）小惯性直流伺服电动机n这类电动机一般为永磁式，电枢绕组有无槽电枢式、印刷电枢式和空心杯电枢式三种。

因为小惯量直流电动机最大限度地减小了电枢的转动惯量，所以能获得最快的响应速度。

在早期的数控机床上，这类伺服电动机应用得比较多。

（2）直流力矩电动机n又称大大惯惯量量宽宽调调速速直直流流伺伺服服电电动动机机,由于转子直径较大，线圈绕组匝数增加，力矩大，转动惯量比较其它类型电动机大，且能够在较大过载转矩情况下长时间工作，因此可以直接与丝杠相连，不需要中间传动装置。

2022/11/1256.2.1直流伺服直流伺服电动机电动机的结构与分类的结构与分类（3）n由于它没有励磁回路的损耗，它的外型尺寸比类似的其它直流伺服电动机小。

还有一个突出的特点是能够在较低转速下实现平稳运行，最低转速可以达到1r/min，甚至0.1r/min。

这种伺服电动机在数控机床上得到了广泛地应用。

（3）无刷直流伺服电动机n又叫无整流子电动机，它没有换向器，由同步电动机和逆变器组成，逆变器由装在转子上的转子位置传感器控制。

它实质是一种交流调速电动机，由于其调速性能可达到直流伺服发电动机的水平，又取消了换向装置和电刷部件，大大地提高了电动机的使用寿命。

2022/11/1266.2.2直流伺服直流伺服电动机电动机的机械特性的机械特性

（1）2022/11/1276.2.2直流伺服直流伺服电动机电动机的机械特性的机械特性

（2）2022/11/1286.2.3直流伺服直流伺服电动机电动机的调速方法的调速方法

（1）n直流电动机的基本调速方式有三种，即调节电阻Ra，调节电枢电压Ua和调节磁通的值。

n电枢串电阻调速不经济，而且调速范围有限，很少采用。

n在调节电枢电压时，磁场磁通保持不变，而且运行过程中允许电枢电流达到额定值，由式（6-3）可知，电动机电磁转矩Tm保持不变，为额定值，因此称调压调速为恒转矩调速调压调速为恒转矩调速。

n调磁调速时，由励磁回路的电流不能超过额定值，减小励磁电流，使磁通下降，称为弱磁调速。

此时转矩下降，转速上升，输出功率基本维持不变，故又称为恒功率调速恒功率调速。

n直流电动机在调节电枢电压和调节磁通调速方式的调曲线如图6-3所示。

2022/11/1296.2.3直流伺服直流伺服电动机电动机的调速方法的调速方法

（2）n当调节电枢电压时，直流电动机的机械特性为一组平行线，即机械特性曲线的斜率不变，而只改变电动机的理想转速，保持了原有较硬的机械特性。

数控机床伺服进给动系统的调速采用调节电枢电压调速方式。

n调磁调速不但改变了电动机的理想转速，而且使直流电动机机械特性变软，弱磁调速主要用机床主轴电动机恒功率调速。

图6-3直流电动机的调速特性a）改变电枢电压时的机械特性b）改变磁通时的机特性6.3交流伺服交流伺服电动机电动机及其速度控制系统及其速度控制系统n直流电动机具有优良的调速性能，长期以来在调速性能要求较高的场合，直流电动机调速一直占据主导地位。

n但由于它的电刷和换向的磨损，有时会产生火花，电动机的最高速度受到限制，且直流电动机结构复杂，成本较高，所以在使用上受到一定的限制。

n近年来交流电动机的飞速发展，使得它不仅克服了直流电动机结构上存在整流子、电刷维护困难、造价高、寿命短、应用环境受限等缺点，而且又充分发挥了交流电动机坚固耐用、经济可靠、动态响应好，输出功率大等优点。

n因此，在某些场合交流伺服电动机已逐渐取代直流伺服电动机。

2022/11/12116.3.1交流伺服交流伺服电动机电动机的分类的分类

（1）n交流伺服电动机分为永永磁磁式式交交流流伺伺服服电电动动机机和感感应应式式交交流伺服流伺服电动机电动机。

n永永磁磁式式交交流流伺伺服服电电动动机机相当于交流同步电动机，常用于进给伺服驱动系统；n感感应应式式交交流流伺伺服服电电动动机机相当于交流感应异步电动机，常用于主轴伺服驱动系统。

n两种伺服电动机的工作原理都是由定子绕组产生旋转磁场，使转子跟随定子旋转磁场一起运行。

2022/11/12126.3.1交流伺服交流伺服电动机电动机的分类的分类

（2）n不同点是永永磁磁式式交交流流伺伺服服电电动动机机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系，即电动机的转速等于同步转速；n而感感应应式式交交流流伺伺服服电电动动机机由于需要转速差才能产生电磁转矩，所以电动机的转速低于同步转速，转速差随外负载的增大而增大。

n同步转速的大小等于交流电源的频率除以电动机极对数。

因而交流伺服电动机可以通过改变供电电源频率的方法来调节其转速。

2022/11/12136.3.1交流伺服交流伺服电动机电动机的分类的分类（3）

（1）永磁式交流伺服永磁式交流伺服电动机电动机1）工作原理）工作原理n永磁式交流同步电动机由定子、转子和检测元件三部分组成，其结构原理如图6-4所示。

2022/11/1214图6-4永磁同步交流伺服电动机的结构a）永磁交流同步伺服电动机横剖面b）永磁交流同步伺服电动机纵剖面1-定子2-永久磁铁3-轴向通风孔4-转轴5-转子6-压板7-定子三相绕组8-脉冲编码器9-出线盒6.3.1交流伺服交流伺服电动机电动机的分类的分类（4）2022/11/12156.3.1交流伺服交流伺服电动机电动机的分类的分类（5）2）永磁式交流伺服电动机的性能n永磁式交流伺服电动机的转速转矩曲线如图6-6所示。

2022/11/1216图6-6永磁交流伺服电动机工作特性曲线-连续工作区-断续工作区6.3.1交流伺服交流伺服电动机电动机的分类的分类（6）

（2）感应式交流主轴感应式交流主轴电动机电动机2022/11/12176.3.1交流伺服交流伺服电动机电动机的分类的分类（7）2022/11/1218图6-7液体冷却主轴电动机结构示意图1-电源接线端2-主轴电动机定子3-主轴电动机转子4-主轴箱5-主轴6，8-轴承7-冷却系统9-电动机反馈信号输出端6.3.2交流伺服交流伺服电动机电动机的变频调速与变频器的变频调速与变频器

（1）n对于交流伺服电动机，只要改变交流伺服电动机的供电频率，即可改变交流伺服电动机的转速，所以交流伺服电动机调速应用最多的是变频调速。

n变频调速的主要环节是为电动机提供频率可变电源的变频器。

变频器可分为交交变频和交直交变频两种。

n交交变频，利用可控硅整流器直接将工频交流电变成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输出负脉冲。

这个脉动交流电的基波就是所需的变频电压。

但这种方法所得到的交流电波动比较大，而且最大频率即为变频器输入的工频电压频率。

2022/11/12196.3.2交流伺服交流伺服电动机电动机的变频调速与变频器的变频调速与变频器

（2）n在直交直变频，它先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成脉冲波电压，这个矩形脉冲波的基波频率就是所需的变频电压。

这种调频方式所得交流电的波动小，调频范围比较宽，调节线性好。

n数控机床上常采用交直交变频调速。

在交直交变频中，根据中间直流电压是否可调，可分为中间直流电压可调PWM逆变器和中间直流电压固定的PWM逆变器；根据中间直流电路上的储能元件是大电容还是大电感，可分为电压型逆变器和电流型逆变器。

n在此以交直交型电压变频器为例说明变频工作原理。

2022/11/12206.3.2交流伺服交流伺服电动机电动机的变频调速与变频器的变频调速与变频器（3）n三相电压型变频器的电路如图6-8所示。

由两部分组成，即左侧的桥式整流电路和右侧的逆变器电路，逆变器是其核心。

桥式整流电路的作用是将三相工频交流电变成直流电；而逆变器的作用则是将整流电路输出的直流电压逆变成三相交流电，驱动电动机运行。

2022/11/1221图6-8三相电压变频器的电路6.3.2交流伺服交流伺服电动机电动机的变频调速与变频器的变频调速与变频器（4）n三相逆变电路由六只具有单向导电性的大功率开关管VT1VT6组成。

n每只功率开关上反并联一只续流二极管，即图中的VD1VD6，为负载的电流滞后提供一条反馈到电源的通路。

n六只功率开关管每隔60电角度通导一只，相邻两项的功率开关导通时间相差120，一个周期共换向六次，对应六个不同的工作状态（又称为六拍）。

n根据功率开关导通持续的时间不同，可以分为180导通型和120导通型两种工作方式。

2022/11/12226.3.2交流伺服交流伺服电动机电动机的变频调速与变频器的变频调速与变频器（5）n现以180导通型为例，说明逆变器的输出电压波形。

180导通型变器每只功率管的导通时间都是持续180，每个工作状态都有三只功率晶体管导通，而每个桥臂上都有一只功率管导通，形成三相负载同时供电，功率管的导通规律如表6-1。

表6-1180导通型逆变器功率开关导通规律2022/11/1223工作状态（拍）导通的功率管状态1（060）VT1VT5VT6状态2（60120）VT1VT2VT6状态3（120180）VT1VT2VT3状态4（180240）VT2VT3VT4状态5（240300）VT3VT4VT5状态6（300360）VT4VT5VT66.3.2交流伺服交流伺服电动机电动机的变频调速与变频器的变频调速与变频器（6）2022/11/12246.3.2交流伺服交流伺服电动机电动机的变频调速与变频器的变频调速与变频器（7）2022/11/12256.3.3交流伺服电动机控制方式（交流伺服电动机控制方式

（1）n