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数控机床伺服驱动及控制技术
控制方式
数控机床电机驱动主要指对机床的工作台和主轴的控制。其控制方式有三种，如 下表
方式 开环
1
位置传感器
特点 控制简单，精度 不高
半闭环
2
脉冲编码器，旋转变压器
控制方便，调试 简单，精度较高
闭环
3
直线传感器（感应同步器， 控制调试比较复 磁尺，直线光栅，激光） 杂，精度高 旋转变压器＋（感应同步器， 控制调试复杂， 磁尺，直线光栅，激光） 精度高，适合较 大型机床
数控机床伺服驱动及控制技术
伺服电机的控制原理（8）
只采用格雷码的编码器精度不高，每360 ∘电角度 很难保证电机的电流为平滑正弦波形。为此增加细分部分。 利用增量式脉冲编码器，比如每360 ∘电角度内有2000P脉冲，那么每格雷码为2000P/16＝215P，
细分原理
三相正弦电流的产生
数控机床伺服驱动及控制技术
测速机
旋变
比较器
数控机床伺服驱动及控制技术
伺服电机的控制原理（1）
直流电机的原理
N
S N
S
直流电机工作原理：根据弗来名左手定则，在磁场中通电导线产生运动。
线卷通电流，炭刷在几何中心线，产生的转子磁场与定子磁场相垂直。为了保持线卷的转向不变。 其中的电流交变。
数控机床伺服驱动及控制技术
伺服电机的控制原理（2） 交流电机的原理如下：
伺服电机的控制原理（2）
数控机床伺服驱动及控制技术
主轴电机的控制原理（3）
左图为目前数控系统中使用的控制图 共用一个电源和一个再生控制
数控机床伺服驱动及控制技术
伺服放大器的发展（1）
相位控制
70年代早期： 以低频响应和大的转子惯量 保证鲁棒性和稳定性
PWM控制
70年代末期： 采用PWM， 提高了响应性， 中低惯量的直流电机仍得到应用。
F/V为频率电压变换器
数控机床伺服驱动及控制技术
伺服电机的控制原理（7）
关于编码器：FANUC的交流伺服电机要求根据转子的位置旋转，由于编码器装在转子上，也就是利用转子的 位置控制定子的电流。使定子电流产生的磁势领前于转子磁势90∘ 。 其内装编码器分两部分：绝对值部分和增量部分。以下是绝对值部分，利用格雷码编码。提高了抗干扰的 能力。
混合式
4
数控机床伺服驱动及控制技术
开环控制
工作台
NC指令 步进电机驱动器 步进电机
数控机床伺服驱动及控制技术
半闭环控制
工作台
NC指令 位置控制 速度控制 电机
传感器
数控机床伺服驱动及控制技术
全闭环控制
工作台 NC指令 位置控制 速度控制 电机
测速发电机
数控机床伺服驱动及控制技术
混合式控制
工作台 NC指令 位置控制 速度控制 电机
特性
数控机床伺服驱动及控制技术
伺服电机的控制原理（4）
实际的FANUC伺 服电机结构图
纵剖面图 1，定子 2，磁铁 3，通风孔 4，轴 实际的FANUC伺服电机是8极的，其转速为N （ min-1 ）， N＝(2f/8)x60=15f, 例如，当f=80Hz, N=15x80=1200 （ min-1 ）;
数控机床伺服驱动及控制技术
主轴电机的控制原理（2）
主轴Fra Baidu bibliotek量控制原理：
根据矢量控制的原理，I0与I2之间要求正交 那么从上面的电路图可以看出： 1×M’×I0＝(r2’/s)×I2， 所以 s× 1＝(r2’/M’)×(I2/I0)=(r2/L2)×(I2/I0)
这就是矢量控制的条件。
数控机床伺服驱动及控制技术
数控机床伺服驱动及控制技术
伺服电机的控制原理（3） 直流电机与交流电机的区别
构造
DC 电机 AC 电机 定子为磁场部分，转子为旋转线卷部 定子为旋转线卷部分，转子为磁场部 分。 分， 靠机械换流 旋变，编码器，感应同步器等 测量转子位置，控制换流 绝对编码器
换流 传感器 工作原理
输出转矩大小决定于定子磁势与转子 输出转矩大小决定于定子磁势与转子 磁势的夹角，这夹角由炭刷的位置决 磁势的夹角，这夹角由转子位置决定 定 有火花，不易高速，机械换流容易损 无火花，高速可高转矩输出。可达到 坏，定期换炭刷。 无维修。
数控机床伺服驱动及控制技术
伺服放大器的发展（2）
伺服进给采用同步机 主轴压頻及滑差控制
80年代早期： 由于同步电机的高响应 及急仃时的动态制动而采用。 异步电机变频时具有宽的恒 功率调速范围而得到应用。
数控机床伺服驱动及控制技术
伺服放大器的发展（3）
矢量控制及采用DSP
80年代后期：由于矢量算法的解决； DSP在控制电机中的应用； 以及IGBT具有更好的特性 产生了数字伺服。
横剖面图 1，定子 2，磁铁 3，压板 4，绕组 5，编码器 6，出线
数控机床伺服驱动及控制技术
伺服电机的控制原理（5）
交流伺服速度控制原理
Torque
VCMD A 乘计算 SIN θ
R S
A A PWM IGBT
驱 动
乘计算 F/V
T
A
SIN（θ－240 ∘）
转子位置计算 三角波 θ PC M
A为放大器
伺服电机的控制原理（9）
PWM控制：如右图。利用 三角波的载波得到近似的正弦波 输出。其载波的频率为 1－3kHz。三相 伺服电机就是利用这种方波供电。因此 电压波形不是正弦，而电流却是正弦。
数控机床伺服驱动及控制技术
主轴电机的控制原理（1）
主轴矢量控制原理：
感应电动机的定子旋加1的三相交流电压，产生1旋转 的磁场。假设定子为相互正交以角速度1旋转的两绕组 1－1‘ 和 2－2 组成。 1－1 流过励磁电流分量 I0 产生 旋转磁通2，转子绕组 3－ 3感应电流，因而2－2 绕组 也感应电流I2；电机的转矩T为： T 2 I2 I0 I2 电机的等效电路如下：
R1 T2 S2‘ T2 R1 S2‘ T2 R1 S2‘
N
S1 R2
S
T1 S1 R2 T1 S1 R2 T1
（1）未通电流
（2）S 线卷通电流
（3）T 线卷通电流
根据上面的分析，交流伺服电机和同步电机的构造相似。根据弗来名左手定则，在磁场中通电 导线产生运动。它的控制是通过放大器把直流变成可变频的交流，它和一般异步机，同步机 不同，这种变频器的输出频率是受安装在同步机转子轴上的位置传感器所控制。每当电机转 过一对磁极，逆变器的交流电输出相应交变一个周期，这是一种“ 自控式变频器 ”，它保 证变频器的输出频率和电机的转速始终保持同步，而不失步。
控制方式
数控机床电机驱动主要指对机床的工作台和主轴的控制。其控制方式有三种，如 下表
方式 开环
1
位置传感器
特点 控制简单，精度 不高
半闭环
2
脉冲编码器，旋转变压器
控制方便，调试 简单，精度较高
闭环
3
直线传感器（感应同步器， 控制调试比较复 磁尺，直线光栅，激光） 杂，精度高 旋转变压器＋（感应同步器， 控制调试复杂， 磁尺，直线光栅，激光） 精度高，适合较 大型机床
数控机床伺服驱动及控制技术
伺服电机的控制原理（8）
只采用格雷码的编码器精度不高，每360 ∘电角度 很难保证电机的电流为平滑正弦波形。为此增加细分部分。 利用增量式脉冲编码器，比如每360 ∘电角度内有2000P脉冲，那么每格雷码为2000P/16＝215P，
细分原理
三相正弦电流的产生
数控机床伺服驱动及控制技术
测速机
旋变
比较器
数控机床伺服驱动及控制技术
伺服电机的控制原理（1）
直流电机的原理
N
S N
S
直流电机工作原理：根据弗来名左手定则，在磁场中通电导线产生运动。
线卷通电流，炭刷在几何中心线，产生的转子磁场与定子磁场相垂直。为了保持线卷的转向不变。 其中的电流交变。
数控机床伺服驱动及控制技术
伺服电机的控制原理（2） 交流电机的原理如下：
伺服电机的控制原理（2）
数控机床伺服驱动及控制技术
主轴电机的控制原理（3）
左图为目前数控系统中使用的控制图 共用一个电源和一个再生控制
数控机床伺服驱动及控制技术
伺服放大器的发展（1）
相位控制
70年代早期： 以低频响应和大的转子惯量 保证鲁棒性和稳定性
PWM控制
70年代末期： 采用PWM， 提高了响应性， 中低惯量的直流电机仍得到应用。
F/V为频率电压变换器
数控机床伺服驱动及控制技术
伺服电机的控制原理（7）
关于编码器：FANUC的交流伺服电机要求根据转子的位置旋转，由于编码器装在转子上，也就是利用转子的 位置控制定子的电流。使定子电流产生的磁势领前于转子磁势90∘ 。 其内装编码器分两部分：绝对值部分和增量部分。以下是绝对值部分，利用格雷码编码。提高了抗干扰的 能力。
混合式
4
数控机床伺服驱动及控制技术
开环控制
工作台
NC指令 步进电机驱动器 步进电机
数控机床伺服驱动及控制技术
半闭环控制
工作台
NC指令 位置控制 速度控制 电机
传感器
数控机床伺服驱动及控制技术
全闭环控制
工作台 NC指令 位置控制 速度控制 电机
测速发电机
数控机床伺服驱动及控制技术
混合式控制
工作台 NC指令 位置控制 速度控制 电机
特性
数控机床伺服驱动及控制技术
伺服电机的控制原理（4）
实际的FANUC伺 服电机结构图
纵剖面图 1，定子 2，磁铁 3，通风孔 4，轴 实际的FANUC伺服电机是8极的，其转速为N （ min-1 ）， N＝(2f/8)x60=15f, 例如，当f=80Hz, N=15x80=1200 （ min-1 ）;
数控机床伺服驱动及控制技术
主轴电机的控制原理（2）
主轴Fra Baidu bibliotek量控制原理：
根据矢量控制的原理，I0与I2之间要求正交 那么从上面的电路图可以看出： 1×M’×I0＝(r2’/s)×I2， 所以 s× 1＝(r2’/M’)×(I2/I0)=(r2/L2)×(I2/I0)
这就是矢量控制的条件。
数控机床伺服驱动及控制技术
数控机床伺服驱动及控制技术
伺服电机的控制原理（3） 直流电机与交流电机的区别
构造
DC 电机 AC 电机 定子为磁场部分，转子为旋转线卷部 定子为旋转线卷部分，转子为磁场部 分。 分， 靠机械换流 旋变，编码器，感应同步器等 测量转子位置，控制换流 绝对编码器
换流 传感器 工作原理
输出转矩大小决定于定子磁势与转子 输出转矩大小决定于定子磁势与转子 磁势的夹角，这夹角由炭刷的位置决 磁势的夹角，这夹角由转子位置决定 定 有火花，不易高速，机械换流容易损 无火花，高速可高转矩输出。可达到 坏，定期换炭刷。 无维修。
数控机床伺服驱动及控制技术
伺服放大器的发展（2）
伺服进给采用同步机 主轴压頻及滑差控制
80年代早期： 由于同步电机的高响应 及急仃时的动态制动而采用。 异步电机变频时具有宽的恒 功率调速范围而得到应用。
数控机床伺服驱动及控制技术
伺服放大器的发展（3）
矢量控制及采用DSP
80年代后期：由于矢量算法的解决； DSP在控制电机中的应用； 以及IGBT具有更好的特性 产生了数字伺服。
横剖面图 1，定子 2，磁铁 3，压板 4，绕组 5，编码器 6，出线
数控机床伺服驱动及控制技术
伺服电机的控制原理（5）
交流伺服速度控制原理
Torque
VCMD A 乘计算 SIN θ
R S
A A PWM IGBT
驱 动
乘计算 F/V
T
A
SIN（θ－240 ∘）
转子位置计算 三角波 θ PC M
A为放大器
伺服电机的控制原理（9）
PWM控制：如右图。利用 三角波的载波得到近似的正弦波 输出。其载波的频率为 1－3kHz。三相 伺服电机就是利用这种方波供电。因此 电压波形不是正弦，而电流却是正弦。
数控机床伺服驱动及控制技术
主轴电机的控制原理（1）
主轴矢量控制原理：
感应电动机的定子旋加1的三相交流电压，产生1旋转 的磁场。假设定子为相互正交以角速度1旋转的两绕组 1－1‘ 和 2－2 组成。 1－1 流过励磁电流分量 I0 产生 旋转磁通2，转子绕组 3－ 3感应电流，因而2－2 绕组 也感应电流I2；电机的转矩T为： T 2 I2 I0 I2 电机的等效电路如下：
R1 T2 S2‘ T2 R1 S2‘ T2 R1 S2‘
N
S1 R2
S
T1 S1 R2 T1 S1 R2 T1
（1）未通电流
（2）S 线卷通电流
（3）T 线卷通电流
根据上面的分析，交流伺服电机和同步电机的构造相似。根据弗来名左手定则，在磁场中通电 导线产生运动。它的控制是通过放大器把直流变成可变频的交流，它和一般异步机，同步机 不同，这种变频器的输出频率是受安装在同步机转子轴上的位置传感器所控制。每当电机转 过一对磁极，逆变器的交流电输出相应交变一个周期，这是一种“ 自控式变频器 ”，它保 证变频器的输出频率和电机的转速始终保持同步，而不失步。