数控机床伺服驱动系统

流电动机工作原理示意图，N极与S极为电动机定子，其为永 久磁铁或激励绕组所形成的磁极，在A、B两电刷间加直流电 压时，电流便从B刷流人，从A刷流出。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
由公式 n = （Ua - Ia Ra）/ CeФ可以看到，调速可以 有三种方法：
1．改变电动机控制电压Ua，即改变电枢电压。 2．改变磁通Ф，即改变励磁回路电流Ij。 3．改变电枢电路的电阻。
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4.1 数控机床驱动系统的概念
5．可靠性高 数控机床，特别是自动生产线上的设备要求具有长时间连续
稳定工作的能力
三．伺服驱动系统的组成
一般闭环驱动系统主要由以下几个部分组成： 1．驱动装置 驱动电路接收CNC发出的指令，并将输入信号转换成电压信
号，经过功率放大后，驱动电动机旋转。 2．执行元件 可以是步进电动机、直流电动机，也可以是交流电动机。采
1．定子磁极是一个永磁体，永磁体材料有三类。 （1）铸造型铝镍和钼镍合金，这种材料有价格昂贵 加上性
能差和过载能力低的缺点。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
（2）各向异性铁氧体磁铁，铁氧体磁铁的矫顽力很高，有很强 的抗去磁能力；磁铁装配后不需要进行开路、短路、堵转或 反转等稳定性处理。
永磁同步交流伺服电机，气隙磁场由稀土永磁体产生，转矩 控制由调节电枢的电流实现，转矩的控制较感应电机简单
无刷直流伺服电机，其结构与永磁同步伺服电机相同，借助 较简单的位置传感器（如霍耳磁敏开关）的信号，控制电枢 绕组的换向，控制最为简单
都具有多种自动保护电路，一般常具有如下报警保护措施：
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4.2 数控机床的进驱动给系统
1．一般过载保护通过在主回路中串联热继电器，在电动机、 伺服变压器、散热片内埋入能对温度检测的热控开关来进行 过载保护。
2．过电流保护它包括当| I | > Imax时产生的报警，或当 电流的平均值大于Imax时产生的报警。
动，不丢步地进入正常运行状态所允许的最高启动频率，称 为启动频率或突跳频率，超过此值就不能正常启动。 （4）连续运行频率 步进电动机启动后，当控制的脉冲频率在连续上升时，能不 失步运行的最高脉冲重复频率称为连续运行频率。 （5）矩频特性
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4.2 数控机床的进驱动给系统
矩频特性是描述步进电动机在负载惯量一定且稳态运行时的 最大输出转矩与脉冲重复频率的关系曲线。
1．能承受的峰值电流和过载能力高（能产生额定力矩10倍 的瞬时转矩），以满足数控机床对其加减速的要求。
2．具有大的转矩／惯量比，快速性好。 3．低速时输出的转矩大。这种电动机能与丝杠直接相连，
省去了齿轮等传动机构，提高了机床的进给传动精度。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
4．调速范围大。与高性能伺服单元组成速度控制装置时，调速 范围1：1000
（3）稀土钴永磁合金，稀土钴永磁合金具有极大的矫顽力，是 铁氧体的2～3倍，具有很高的最大磁能积，是铁氧体的10 倍。
2．电枢结构在电枢方面，可以分为普通型和小惯量型两大类。 小惯量型电枢又要分为空心杯形电枢、无槽电枢和印刷绕组 电枢三类。
四．直流伺服驱动装置
目前，直流伺服驱动装置均采用晶闸管（俗称可控硅SCR） 调速系统或晶体管脉宽调制（即PWM）调速系统。
（2）小惯量直流电动机 这类电动机又分无槽圆柱体电枢结构和带印制绕组的盘形结
构两种。 （3）步进电动机 由于步进电动机制造容易，它所组成的开环进给驱动装置也
比较简单易调，在20世纪60年代至70年代初，这种电动机 在数控机床上曾风行一时。 （4）永磁直流伺服的电动机 （5）无刷直流电动机 无刷直流电动机也叫无换向器直流电动机。
第四章 数控机床伺服驱动系统
4.1 数控机床驱动系统的概念 4.2 数控机床的进驱动给系统 4.3 数控机床的主轴系统 4.4 位置检测装置
4.1 数控机床驱动系统的概念
一．伺服系统的概念
数控机床伺服系统是以机械位移为直接控制目标的自动控制 系统，也可称为位置随动系统，简称为伺服系统。
5．转子热容量大。电动机的过载性能好，一般能过载运行几十 分钟。
特性曲线主要有两种： （1）转矩—速度特性曲线，又叫工作曲线，如图4-14所示 （2）负载周期曲线。 负载周期曲线的使用方法如下： ①根据实际负载转矩，求出电动机过载倍数Tmd。 ②在负载周期曲线的水平轴上找到实际所需工作时间tR，并从
五．伺服驱动系统的工作原理
驱动系统分为开环和闭环控制两类，开环控制与闭环控制的 主要区别为是否采用了位置和速度检测反馈元件组成了反馈 系统。
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4.1 源自文库控机床驱动系统的概念
1．开环控制进给驱动系统 开环控制一般采用步进电动机作为驱动元件，如图4-1所示。 2．闭环控制进给驱动系统 闭环控制一般采用伺服电动机作为驱动元件，根据位置检测元
二．步进电动机工作原理及特性
1．步进电动机组成和工作原理 步进电机主要由转子和定子组成，其中转子上有绕组，根据
绕组的数量分为2相、3相和5相等步进电动机。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
改变上述两相电流的采样点数，可以在一个驱动器上实现多 种细分数，即获得多种不同的步距角。
在三相、五相步进电机中,定子极数随之增加，相应地增加了 通电循环的拍数，在一定的转子齿数下，可获得更小的步距 角。其结构原理与二相步进电机相似。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
晶闸管调速系统中，多采用三相全控桥式整流电路作为直流 速度控制单元的主回路，通过对12个晶闸管触发角的控制， 达到控制电动机电枢电压的目的。
采用晶体管脉宽调速系统与晶闸管控制方式相比具有如下主 要优点：
1．避开与机械的共振。 2．电枢电流脉动小。 3．动态特性好。 在实际的速度控制单元中，为了保证其能安全可靠地工作，
该点向上做垂线，与所要求的Tmd的那条曲线相交。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
三．永磁直流伺服电动机的结构
永磁直流电动机可分为驱动用永磁直流电动机和永磁直流伺 服电动机两大类。驱动用永磁直流电动机通常是指不带稳速 装置，没有伺服要求的电动机；而永磁直流伺服电动机则除 具有驱动用永磁直流电动机的性能外，还具有一定的伺服特 性和快速响应能力。
驱动系统的作用可归纳如下： （1）放大CNC装置的控制信号，具有功率输出的能力； （2）根据CNC装置发出的控制信号对机床移动部件的位置
和速度进行控制。
二．对伺服驱动系统的要求
1．调速范围要宽 调速范围是指进给电动机提供的最高转速和最低转速之比。
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4.1 数控机床驱动系统的概念
2．定位精度要高 使用数控机床主要是为了：保证加工质量的稳定性、一致性，
3．失控保护失控是指电动机在正常运转时．速度反馈突然 消失（如测速发电机断线），使得电动机转速突然急骤上升， 即所谓“飞车”。
4.2.3交流伺服电动机驱动的进给系统
交流伺服驱动因其无刷、响应快、过载能力强等优点，已全 面替代了直流驱动。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
感应式交流伺服电机，其转子电流由滑差电势产生，并与磁 场相互作用产生转矩
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4.2 数控机床的进驱动给系统
进给驱动系统的控制电机一般采用步进电动机、直流伺服电 动机、交流伺服电动机三类电机作为动力装置。
4.2.1步进电动机驱动的进给系统
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁机 械装置。对步进电动机施加一个电脉冲信号时，它就旋转一 个固定的角度，称为一步，每一步所转过的角度叫做步距角。
减少废品率；解决复杂曲面零件的加工问题；解决复杂零件 的加工精度问题，缩短制造周期等。 3．快速响应，无超调 为了提高生产率和保证加工质量，除了要求有较高的定位精 度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号 的响应要快。 4．低速大转矩，过载能力强 数控机床要求进给驱动系统有非常宽的调速范围，例如在加 工曲线和曲面时，拐角位置某轴的速度会逐渐降至零。
件所处在数控机床不同的位置，它可以分为半闭环、全闭环和 混合闭环三种。 六．伺服驱动系统电机类型 1．进给驱动用的伺服电动机主要有以下几类： （1）改进型直流电动机 这种电动机在结构上与传统的直流电动机没有区别，只是它没 汁成转动惯量较小，过载能力较强，且具有较好的换向性能。
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4.1 数控机床驱动系统的概念
一．步进电动机的分类 步进电动机的分类有如下分类： 1．按步进电动机输出转矩的大小，可分为快速步进电动机
和功率步进电动机。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
2．按转矩产生的工作原理步进电机分为可变磁阻式、永磁 式和混合式三种基本类型。 3．按励磁组数可分为两相、三相、四相、五相、六相甚至 八相步进电动机。 4．从电流的极性上可分为单极性和双极性步进电机； 5．从运动的型式上可分为旋转、直线、平面步进电机。
三．步进电动机驱动器的控制原理
步进电动机各励磁绕组是按一定节拍，依次轮流通电工作 的，为此，需将CNC发出的控制脉冲按步进电动机规定的 通电顺序分配到定子各励磁绕组中。完成脉冲分配的功能 元件称环形脉冲分配器。
环形分配器的功能可以由硬件完成（如D触发器组成的电 路），也可由软件产生，将每相绕组的控制信号定义为 I/O输出口之位，其状态输出可以用逻辑表达式或查表等 方式来实现，比逻辑电路要简单的多。
2．步进电动机的主要特性 （1）步距角的步距误差 步进电动机每走一步，转子实际的角位移与设计的步距角存
在有步距误差。 （2）静态矩角特性
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4.2 数控机床的进驱动给系统
所谓静态是指步进电动机不改变通电状态，转子不产生步进 运动的工作状态。
（3）启动惯频特性 在负载转矩ML=0的条件下，步进电动机由静止状态突然启
二．永磁直流伺服电动机
实际上大量采用的是永磁直流伺服电动机，其定子磁极是一 个永磁体，采用的是新型的稀士钴等永磁材料，具有极大的 矫顽力和很高的磁能积，凼此抗去磁能力大为提高，体积大 为缩小。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
宽调速直流伺服电动机又称大惯量电动机，是20世纪60年 代末70年代初在小惯量电动机和力矩电动机的基础上发展起 来的，能较好地满足进给驱动要求，很快得到了厂泛使用。 其具有下述优点；
电气伺服系统。
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4.1 数控机床驱动系统的概念
2．按执行元件的类别分类可分为直流电动机伺服系统、交 流电动机伺服驱动系统和步进电动机伺服系统。
3．按有无检'测元件和反馈环节分类可分为开环伺服系统、 闭环伺服系统和半闭环伺服系统。
4．按输出被控制量的性质分类可分为位置伺服系统、速度 伺服系统。
用步进电动机通常是开环控制。
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4.1 数控机床驱动系统的概念
3．传动机构 包括减速装置和滚珠丝杠等。若采用直线电动机作为执行元
件，则传动机构与执行元件为一体。 4．检测元件及反馈电路 包括速度反馈和位置反馈，有旋转变压器、光电编码器、光
栅等。
四．伺服驱动系统的分类
伺服系统有多种分类方法，简述如下： 1．按驱动方式分类可分为液压伺服系统、气压伺服系统和
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4.1 数控机床驱动系统的概念
（6）交流调速电动机 自20世纪80年代中期开始，异步电动机和永磁同步电动机
为基础的交流进给驱动电动机得到了迅速的发展，已经形成 了趋势，是数控机床进给驱动的一个方向。 （6）交流凋速电动机 自20世纪80年代中期开始，异步电动机和永磁同步电动机 为基础的交流进给驱动电动机得到了迅速的发展，已经形成 了趋势，是数控机床进给驱动的一个方向。 2．主轴驱动电机 数控机床丰轴驱动可采用直流电动机，也可采用交流电动机。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
4.2.2直流伺服进给驱动
由于数控机床对伺服驱动装置有较高的要求，而直流电动机 具有良好的调速特性，为一般交流电动机所不及，因此，以 数控机床半闭环、闭环控制伺服驱动均采用直流伺服电动机。
一．直流电动机的工作原理 如4-10所示为图为直流电动机结构示意，图4-11所示为直