数控机床的电气驱动与电机.doc

第六部分数控机床的电气驱动与电机

1.机床动力源

机床动力源根据用途分为三种类型:提供切削速度的主轴驱动动力源，进给驱动动力源及辅助运动驱动动力源。数控机床中多使用电动机作为动力源。

(1)主轴驱动动力源:

为主轴提供能量和较高的速度，因为电动机可以在很宽的工作范围内经济地提供足够的能量和速度，所以大部分数控机床的主运动由电动机驱动。

一般不采用交流电动机直接驱动主轴。在需要调速的场合，通常使用直流电动机。直流电动机可以在无级调速时输出足够的功率。

(2)进给驱动动力源:

在普通机床中，通常由主轴带动齿轮链驱动进给运动。在数控加工中，进给运动就不能由主轴带动齿轮链驱动了。刀具或工件的运动有两种独立的要求:

a.在切削加工时，刀具或工件的实际位置总是要尽可能接近参考信号的位置；

b.除了加工螺纹，进给速度不需要精确控制。

与主轴驱动动力源相比，进给驱动动力源的功率要小得多。此外，进给运动的速度比切削运动慢得多。尽管进给运动的速度不高，但是，进给驱动动力源的控制精度和响应速度必须很高。

(3)辅助运动驱动动力源:

通常使用交流感应电动机作为辅助运动驱动动力源，包括冷却泵，除屑，驱动液压马达等，在这些应用场合，只需要进行开/关控制。

2.步进电动机

步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移的电动机。步进电动机转动的角位移量和转速分别与电脉冲数和电脉冲频率成正比。通过调节电脉冲数和电脉冲频率，就可以控制步进电动机的角位移和转速。步进电动机在停机后还可以具有自锁能力。步进电动机每转过一周都有固定的步数，从理论上说不会产生步距误差的累积，步进电动机的最大缺点是容易失步(失步:包括丢步和越步。丢步是指转子前进的步数小于电脉冲数；越步是指转子前进的步数多于电脉冲数),特别是在大负载和转速较高时，更容易发生失步，同时步进电动机输出的功率也不太大。目前，步进电动机主要用于经济型数控机床的进给驱动。

(1)步进电动机的分类:

步进电动机分反应式和混合式两大类。反应式步进电动机又称磁阻式步进电动机，根据不同的分相结构形式，又分为单段反应式步进电动机和多段反应式步进电动机。以单段反应式步进电动机的使用最为广泛。

与反应式步进电动机相比，混合式步进电动机的转矩体积比大，而且步距角容易做得比较小，因此在工作空间受到限制，同时又需要小步距角和大转矩的应用场合，常常选用混合式步进电动机。此外，混合式步进电动机在绕组未通电时，转子永久磁钢能产生自动定位转矩，但它能使断电时转子保持在原来的位置，这是一种非常有用的特性。

(2)步进电动机的工作原理:

要求了解步进电动机的工作原理。以三相步进电动机为例，有三相单三拍、三相单—双六拍和三相双三拍通电方式。同一台步进电动机通电方式不同，运行时步距角也不同。采用单一双拍通电方式时，步距角要比单拍通电减少一半。在实际中，单三拍通电方式由于在切换时一相绕组断电而另一相绕组开始通电，容易造成失步且运行的稳定性较差，所以很少用。通常用双三拍通电方式，它的步距角和单三拍通电方式相同。

反应式步进电动机的转子齿数z 基本上由步距角的要求所决定。转子的齿数就必须满足一定条件，而不能为任意数值。当定子的相邻极属于不同的相时，在某一极下若定子和转子的齿对齐时，则要求在相邻极下的定子和转子之间应错开转子齿距的1/m,即它们之间的空间位置上错开r mz 360角。由此可得出转子齿数应符合的条件:

⎪⎭⎫ ⎝

⎛±=m K p z r 12 K =0,1,2,3,……

式中 p 2——步进电动机的定子极数；

m ——相数。

步进电动机的步距角s θ由下式决定:

c

mz r s ︒

=360θ 式中 c ——状态系数，当采用单三拍或双三拍运行时取1,采用六拍通电方式时取2。若步进电动机通电的脉冲频率为f ,则步进电动机的转速n (r/min)为: c

mz f n r 60= 电动机的相数和齿数越多，步距角s θ就越小，又从上式可知，这种步进电动机在一定的脉冲频率下，转速亦越低。但相数越多，电源就越复杂，成本也越高。因此，步进电动机最多为6相。

(3)步进电动机的运行性能:

a.静特性，主要指静态距角特性和最大静转矩特性。

b.动特性

步进电动机的动特性直接影响系统的快速响应及工作的可靠性。它与电动机的性能和负载性质有关，还和电源的特性及通电的方式有关，其中有些因素还是属于非线性的。

(a)步进运行状态时的动特性若电动机绕组通电脉冲的时间间隔大于步进电动机机电过渡过程所需的时间，这时电动机为步进状态。

(b)连续运行状态时的动特性当控制绕组的电脉冲频率增高，相应的时间间隔也减小，以至小于电动机机电过渡过程所需的时间，形成连续运行状态。实际

上，步进电动机大都是在连续运行状态下工作的。在这样运行状态下电动机所产生的转矩称为动态转矩。

步进电动机的最大动态转矩和脉冲频率的关系称为矩频特性。步进电动机的最大动态转矩将小于最大静转矩，并随着脉冲频率的升高而降低。在步进电动机运行时，对应于某一频率，只有当负载转矩小于它在该频率时的最大动态转矩，电动机才能正常运转。

步进电动机的工作频率是指电动机按指令的要求进行正常工作时的最大脉冲频率。所谓正常工作就是说步进电动机不失步地工作，即一个脉冲就移动一个步距角。

步进电动机的起动频率是指它在一定的负载转矩下能够不失步地起动的最高频率。起动频率的大小是由许多因素决定的，绕组的时间常数越小，负载转矩和转动惯量越小，步距角越小，则起动频率越高。

步进电动机的连续工作频率又称运行频率。它是指步进电动机起动后，当控制脉冲连续发出时，能不失步运行的最高频率。影响运行频率的因素与影响起动频率的因素基本上相同，但是转动惯量对运行频率的影响不像对起动频率的影响那么明显。它仅影响到频率连续上升的速度。

(4)步进电动机的驱动电源:

对步进电动机的各相按照一定的顺序通/断电，就可获得期望的角位移量。有些数控系统直接控制步进电动机各相的通/断电，步进电动机的每一相分别占用一个I/O端口。其缺点是控制软件计算量大，占用CPU时间长，要以很高的频率改变各I/O端口的电平，整个系统的可靠性较低。目前大部分数控系统是给出一个与步进电动机转速相对应的方波信号和一个电平信号表示旋向，经硬件环形脉冲分配器电路产生所要求的各相顺序通/断电信号。方波信号的频率决定了步进电动机的转速，而电平信号的高低代表旋向。优点是无论是几相步进电动机，都仅占用两个I/0端口，由硬件电子线路产生对应于步进电动机各相的控制信号，步进电动机控制软件简单，占用数控系统CPU的时间短，可靠性高。

数控系统或硬件环形脉冲分配器输出的信号仅是数字逻辑控制信号，一般是TTL电平，需经过功率放大后再接到步进电动机相应的相上带动步进电动机正常旋转。大部分步进电动机的控制都倾向于采用硬件环形脉冲分配器，并常与功率放大电路集成在一起构成步进电动机驱动电源。

常见的驱动电源主要有三种类型:高低压双电源型、恒流斩波型和调频调压型。

高低压双电源型是最基本的驱动放大器，其电路比较简单，成本低。但是它不能解决由反电动势所引起的绕组电流顶部凹陷的问题，从而导致电动机转矩下降。恒流斩波型是为了解决电动机绕组电流顶部凹陷的问题。在电动机运行频率较低时应用效果是好的，但在较高的频率运行时其效果变差，且会导致电动机运行时的噪声有所增加。调频调压型通过"低频低压，高频高压"的办法有效地提高了电动机较高频率运行时的转矩。但采用这种方法时要求给绕组供电的电源有较高的电压，否则就会发生高频时电压调不上去的现象。

3.进给伺服电动机

(1)进给伺服电动机的负载计算:

数控机床进给系统的伺服电动机是根据负载条件来进行选择的。加在电动机轴上的负载有两种:负载转矩和负载惯量。负载转矩包括切削转矩和摩擦转矩。