6.3 闭环及半闭环进给伺服系统动资料

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6.3.2 直流伺服电动机及速度控制单元 2．直流速度控制单元调速控制方式 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。而脉宽调速系统是利用脉宽调 制器对大功率晶体管的开关时间进行控制，将直流电压转换成 某一频率的方波电压，加到电动机电枢的两端，通过对方波脉
冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，从而达到控制电动机转
速的目的。
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（1） 晶闸管直流调速系统
三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路。 两组正负对接的晶闸管，一组用于提供正向电压，供电 机正转。 一组提供反向电压，供电机反转。
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双环调度系统
速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻
容元件构成的PI调节器。
速度环起主导作用，电流环的作用是在启动和堵转时 限制最大电枢电流。
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（2） 晶体管脉宽调制（PWM）直流调速系统 ①PWM系统的组成及工作原理 脉宽调制：使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下，开关频 率保持恒定，用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变 输出，从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的 电压脉冲。 脉宽连续变化，使得电枢电压平均值连续变化，从而导致电机转 速连续变化。
子的三相感应电动机，也称为三相异步电动机。
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6.3.5 主轴驱动简介
机床主轴驱动和进给驱动有很大差别。 主轴电动机可以作为进给电动机在大约0.01～300r/min的低
速范围内工作，实现进给坐标控制，这称为C轴控制。
旋转磁场的转速称为同步转速，n+＝60f1/p 转差率s如下 s＝（n1-n2）/n1 。 转子的转速 n2＝n1（1-s）＝60f1（1-s）/p 目前大多数数控机床的交流主轴控制采用矢量控制。
而在大功率场合中，则采用SCR。
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6.3.3 交流伺服电动机及速度控制单元
直流电动机却存在一些故有的缺点：
1）直流电动机的电刷和换向器易磨损，需要经常维护。 2）直流电动机的换向器换向时会产生火花，使电动机的最 高转速受到限制，也使应用环境受到限制。 3）直流电动机的结构复杂，制造困难，所用铜材料消耗大， 制造成本高。
而速度控制单元的任务则是根据指令速度控制命令VCMD值的大小，
来控制伺服电动机转速的大小。
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6.3.2 直流伺服电动机及速度控制单元
1．直流伺服电动机的工作原理 电机的结构： （1）定子：产生定子磁极磁场。 （2）转子：表面嵌有线圈，通直流 电时，在定子磁场作用下产生带负 载旋转的电磁转矩。 （3）电刷与换向片：为使产生的电 磁转矩保持恒定的方向，保证转子 能沿着固定方向均匀地连续旋转， 将电刷与外加直流电源连接，换向 片与电枢线圈连接。
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交流伺服电机的类型
永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点：工作原理均由定子绕组产生旋转磁场使得转子跟随
定子旋转磁场一起运转。
不同点：永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在 着严格的同步关系，即电机的转速等于旋转磁场的同步转速；
而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩，因此，
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（1）永磁式直流电机工作原理
直流电压加在A、B两电刷之间，电流从A流入，从B流出， 导体ab和cd受到逆时针方向作用力，转子在逆时针方向地电 磁转矩作用下旋转。 当电枢转过90°，电枢线圈处于磁极的中性面，电刷与换向片 断开，无电磁转矩作用。
在惯性作用下，电枢继续转动一个角度， 当电刷与换向片再次接触时，导体ab和 cd交换了位置，ab和cd中的电流也发生 改变，从而保证电枢受到地电磁转矩方 向不变，因此，电枢可以连续转动。
6.3.4 直线电动机在数控机床进给驱动中的应用
1、直线电动机工作原理
直线电机的分类： 分为交流和直流两种，交流直线电机又分为感应异步式和永 磁同步式。
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6.3.4 直线电动机在数控机床进给驱动中的应用
2、使用直线电动机的高速机床系统的特点
1）速度高，可达60～200m/min。 2）惯性小，加速度特性好，可达1～2g，易于高速精定位。 3）直线伺服电动机没有机械滞后或齿节周期误差，精度完全取 决于反馈系统的检测精度。 4）直线电动机上装配全数字伺服系统，可以达到极好的伺服性 能。
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2. 脉宽调制器
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6.3.2 直流伺服电动机及速度控制单元 2．直流速度控制单元调速控制方式 二者的区别： 可控硅是直接对交流电进行控制； PWM是先将交流整流成稳定的直流电压，再对直流电 压进行开关控制，PWM由于频率高，所以电流脉动小。
中小功率的伺服驱动装置中，大多采用性能优异的PWM，
Ua Ra n M Ce CeCm 2
直流电动机的机械特性
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6.3.2 直流伺服电动机及速度控制单元
n ＝ （Ua－IaRa）/Ceφ ＝Ua/Ceφ －Ra M/Ce CMφ 2
调速可有三种方法： 1）改变电动机电枢电压Ua。 2）改变电动机磁通量φ 。 3）改变电枢电路的电阻Ra。 由于后两种调速方法不能满足数控机床对进给伺服系统 的要求，实际均采用改变电枢电压Ua来调速的方法。
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6.3.4 直线电动机在数控机床进给驱动中的应用
目前，由“旋转伺服电动机＋滚珠丝杠”构成的传统直线运 动进给方式已很难适应高速、高精的要求。 结构：1—导轨；2—次级；3—初级； 4—检测系统
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6.3.4 直线电动机在数控机床进给驱动中的应用
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6.3.1 闭环进给伺服系统的组成及工作原理 1．闭环进给伺服系统的组成
这是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。
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6.3.1 闭环进给伺服系统的组成及工作原理 2．闭环进给伺服系统的工作原理 由CNC插补得到的指令进给位移量F与位置检测反馈的机床移 动部件（如工作台）实际位移量Pf进入位置控制模块的比较环节 后，可得到位置偏差e（e＝F-Pf）。位置控制模块除了完成理论 位置与反馈的实际位置相比较处，还要完成位置回路的增益调整 以及将位置偏差作为指令速度控制命令VCMD发往速度控制单元。
6.3.2 直流伺服电动机及速度控制单元
当电动机所加电 Ua——电枢电压； 压一定，随着负载 Ce——反电动势常数；力矩M的增大，转 φ——电动机磁通量； 速有一定降落，在 n——电动机转速； 伺服装置中由于有 M——电动机电磁力矩； 转速反馈回路，因 CM——电磁力矩常数。 此这一降落可以得 到克服。
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6.3.4 直线电动机在数控机床进给驱动中的应用
3、直线电动机在机床上的应用也存在一些问题
1）由于没有机械联接或啮合，因此垂直轴需要外加一个平衡
块或制动器。 2）当负荷变化大时，需要重新整定系统。目前，大多数现代 控制装置具有自动整定功能，因此能快速调机。 3）磁铁（或线圈）对电动机部件的吸力很大，因此应注意选 择导轨和设计滑架结构，并注意解决磁铁吸引金属颗粒的问题。
交流伺服电机的结构
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6.3.3 交流伺服电动机及速度控制单元
2、永磁式交流同步伺服电动机工作原理 1）给定子通过三相交流电流，由定子产生 旋转磁场 2）转子磁场和定子的磁场相吸引，在旋转 磁场的带动下产生旋转。 3）通过转子位置的检测，系统保证旋转过 程同步。
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6.3.3 交流伺服电动机及速度控制单元 3、永磁式同步交流伺服电动机的速度控制单元 ① 交流伺服电机调速方法：
按其工作原理、驱动电流波形的控制方式不同，又可分为：
矩形波电流驱动的永磁交流伺服系统和正弦波电流驱动的永磁 交流伺服系统。前者的永磁交流伺服电动机也称为无刷直流伺
电机的转速低于磁场同步转速，负载越大，转速差越大。
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6.3.3 交流伺服电动机及速度控制单元 1、结构：交流伺服电机也可称为同步电机 1．电机轴 2.前端盖 3.三相绕组线圈 4.压板 5.定子 6.磁钢 7.后压板 8.动力线接头 9.后端盖 10. 反馈插头 11.脉冲编码器 12.电机后壳
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6.3.2 直流伺服电动机及速度控制单元
1．直流伺服电动机的工作原理 1. 直流伺服电机的类型
按电枢的结构和形状分：平滑电枢型、 空心电枢型和有槽电枢型等。 按定子磁场产生方式分：永磁式和他 励式。 按转子转动惯量大小分：大惯量、中 惯量和小惯量伺服电机。
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服电动机，后者的也称为无刷交流伺服电动机。从发展趋势看，
正弦波（SPWM ）驱动将成为主流。
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②SPWM变频调速系统 速度给定器：给定信号，控制频率、电压及正反转。 平稳启动回路：使启动加、减速时间可随机械负载设定，以达 到软启动的目的。 函数发生器：在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定，补偿 定子电压降的影响。
1、直线电动机工作原理
直线电动机的工作原理与旋转电动机相比，并没有本质的区 别，就是将旋转电动机的转子、定子以及气隙分别沿轴线剖开， 展成平面状，使电能直接转换成直线机械运动。对应于旋转电 动机的定子部分，称为直线电动机的初级。对应于旋转电动机 的转子部分，称为直线电动机的次级。
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6.3.4 直线电动机在数控机床进给驱动中的应用
2、使用直线电动机的高速机床系统的特点:(续)
5）无中间传动环节，不存在摩擦磨损、反向间隙等问题，可靠性 高，寿命长。 6）直线电动机系统在动力传动中由于没有低效率的中介传动部件 而能达到高效率，可获得很好的动态刚度。 7）行程长度不受限制，并可在一个行程全长上安装使用多个工作 台。 8）由于直线电动机的动件（初级）已和机床的工作台合二为一， 因此，和滚珠丝杠进给单元不同，直线电动机进给单元只能采用全 26 闭环控制系统。
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电压频率变压器：将电压转换为频率，经分频器、环形计数器产 生方波，和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路。 电压调节器：产生频率和幅度可调的控制正弦波，送入调制回路， 送入调制回路，在调制回路中进行SPWM变换，产生三相的脉冲 宽度调制信号。在基极回路中输出信号至功率晶体管基极，即对 SPWM的主回路进行控制，实现对永磁交流伺服电机的变频调速。 电流检测器：过载保护。
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6.3.5 主轴驱动简介
机床主轴驱动和进给驱动有很大差别。（续）
直流主轴驱动系统，但由于直流电动机的换向限制，大多数
系统恒功率调速范围都非常小。因此，它成了主轴直流电气 传动的一个大问题。到了20世纪70年代末、80年代初开始采 用交流驱动系统，现在国际上新生产的数控机床绝大部分采 用交流主轴驱动系统。 交流电主轴电动机是一种具有笼式转
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6.3.5 主轴驱动简介
机床主轴驱动和进给驱动有很大差别。
主传动电动机应有2.2～150kW的功率范围，控机床主驱 动系统要求在1:100～1:1000范围内进行恒转矩和1:10的恒 功率调速，而且要求在主轴的两个转向中任一方向都可进行 传动和加减速，即要求有4象限的驱动能力。
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6.3.3 交流伺服电动机及速度控制单元
2、永磁式交流同步伺服电动机工作原理 交流异步电机的转速表达式为： 式中 f1—定子电源频率（Hz）； p—磁极对数； s—转差率。 调速方法有变转差率、变极对数及变频三种。靠改变转差率对
异步电机进行调速时，低速时转差率大，转差损耗功率也大，效 率低。变极调速只能产生二种或三种转速，不可能做成无级调速， 应用范围较窄。变频器调速是从高速到低速都可以保持有限的转 差率，故它具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，可以认为 是一种理想的调速方法。 18