数控机床主轴控制系统PPT课件
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波是等效的。如果对正弦波的负半周也做同样处理，即可得到 相应的2N个脉冲，这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制波，如 图所示。
a)正弦波的正半波 b)等效的SPWM波形 与正弦波等效的SPWM波形
②产生SPWM波形的原理 SPWM波形可用计算机产生，即对给定的正弦波用计 算机算出相应脉冲的宽度，通过控制电路输出相应波 形，还可用专门集成电路产生，如产生三相SPWM波 形的专用集成电路芯片有HEF4752、SLE4520等；也 可用模拟电路产生，其方法是以正弦波为调制波，对 等腰三角
2.星--三角降压启动 特点：1)启动电流为全压启动电流的1/3； 2)适用于三角型运行、空载或轻载启动。(图5.3)
3.其它降压启动方式 1)定子绕组串电阻电(频敏电阻)降压启动； 2)定子绕组串电抗器； 3)自耦变压器降压启动。
5.2.2三相笼型感应电动机的制动
1.反接制动 特点：1)制动力矩大； 2)冲击电流和机械冲击力大； 3)工作时应与速度继电器配合使用。图5.4
波为载波的信号进行“调制”，原理如图所示。
采用模拟电路产生SPWM方法，就是用一个正弦 波发生器产生可以调频调幅的正弦波信号(调制波)， 用三角波发生器生成幅值恒定的三角波信号(载波)， 将它们在电压比较器中进行比较，输出SPWM调制电 压脉冲，图所示是调制SPWM脉冲的原理图。
SPWM调制脉冲原理图
1.感应式主轴电动机
特点 ：由变频器实施控制，可实现开环 或闭环控制。
2.永磁式伺服电动机
特点：由变频逆变器实现速度环的矢量 控制，动态响应好，但其输出恒功率范围 小。
为获得更好的主轴特性，采用矢量控制 技术的同时，现有数控机床专用感应式电 动机。
Байду номын сангаас
5.3.1三相笼型感应电动机的工作原理
5.3.2感应电动机开环调频调速及其特性
SPWM变频器属于交一直一交变频器，其原理 框图见图4.23b)。基本工作过程是先将50Hz交流电经 整流变压器变压得到所需电压，经二极管整流和电容 滤波，形成恒定直流电压，然后送入由大功率晶体管 构成的逆变器主电路，输出三相电压和频率均可调整 的等效于正弦波的脉宽调制波(SPWM波)，即可拖动 三相电机运转。这种变频器结构简单，电网功率因数 接近于1，系统动态响应快，输出波形好，因此，在数 控机床的交流驱动中广泛使用。
数控机床电气控制
武汉软件职业学院机电工程系 方占桥
第五章 数控机床主轴控制系统
本章要点 数控机床主轴控制系统的要求； 变频调速控制主轴的工作原理； 矢量控制和直接转矩控制； 主轴控制系统的接口和选型。
本章难点 变频调速控制
5.1概述
现代数控机床对主轴控制的要求 1.调速范围要宽
主轴在较宽范围在数控系统的指令下实现调 速。
主轴的调速分为：有级调速、无级调速、分段 无级调速。
变频器调速主要用于普及型，高档数控机床主要 用交流伺服型主轴。
2.恒功率范围要宽； 3.具有四象限驱动的能力； 4.具有位置控制能力。
5.2 普通主轴的控制
5.2.1三相笼型感应电动机的启动 直接启动
启动方式 降压启动
1.直接启动 特点：简单、方便、可靠性高。 对象：小功率电动机。(图5.2)
感应式电动机的转速为 n=(1－s)n1=60f1(1-s)/p
感应式电动机的转速与电源频率成正比。每相感应电动势 E1＝4.44f1N1Φm
即 Φm∝ U1/f1
正弦波脉宽调制(SPWM)变频器 1964年德国人率先提出脉宽调制变频思想，把通
讯系统中的调制技术应用于交流变频器。调制方法很 多，目前用得最多的是正弦脉宽调制。
分析：三角波电压和正弦波电压分别接在电压比较器的 “-”、“+’’输入端。当“u△﹤usin时，电压比较器输出 高电平；反之则输出低电平。SPWM脉冲宽度由三角波 和正弦波交点之间的距离决定，两者的交点随正弦波电
压的大小而改变。因此，在电压比较器输出端就输出幅 值相等而脉冲宽度不等的SPWM电压信号。图所示是 SPWM调制波示意图。
2.能耗(直流)制动 特点：1)制动力平稳、无冲击； 2)能耗低； 3)需要外加直流电源。 4)适用于频繁启、停的电动机制动。图5.5
3.双流制动 电路图5.6
制动时KM1断、KM2闭合，此时脉动电流可分解为直流分量和交流谐 波分量，其直流分量产生能耗制动，交流分量产生反接制动。
特点：制动力大、迅速、准确。
或主轴伺服驱动装置组成。
二、主轴驱动系统应具有以下功能 1.输出功率大； 2.在整个调速范围内速度稳定，且恒功率范围宽； 3.在断续负载下电动机转速波动小，过载能力强； 4.加、减速时间短； 5.电动机温升低； 6.振动小、噪声低； 7.电动机可靠性高、寿命长、易维护； 8.体积小、重量轻。
三、系统工作原理
SPWM逆变器的工作原理如下： ①SPWM波形与等效正弦波 在采样控制理论中有一个重要结论，冲量(窄脉冲的面积)
相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基 本相同。电动机就是一个惯性的环节，该结论是SPWM控制的 重要理论基础。
SPWM逆变器输出的是正弦脉宽调制波,如图4.24b)所示。 其工作原理是若把一个正弦半波分成N等分，然后把每一等分的 正弦曲线与横坐标轴所包围的面积，都用一个与此面积相等的 等高矩形脉冲来代替，这样可得到N个等高而不等宽的脉冲序列。 根据上述冲量相等效果相同的原理，该矩形脉冲序列与正弦半
③SPWM变频器的主电路 电路原理及输出线电压的波形如图4.28所示。图4.28a)中Vl～V6 为六只大功率晶体管，当然，也可以采用其它的功率器件。大功 率晶体管各有一个与之反并联的续流二极管。来自控制电路的 SPWM波形作为大功率晶体管基极控制电压，加在各功率管的基 极上。在电路图中，按相序要求和频率要求协调控制的三路正弦 波信号，与等腰三角波发生器来的载波信号一同送入电压比较器， 产生三路SPWM波形，经反相电路后，可得到六路SPWM信号， 加在Vl～V6六只功率晶体管的基极，作为驱动控制信号。当逆变 器工作于双极性工作方式时，可得到如图4.28b)所示的线电压波 形。
5.2.3普通主轴的调速
一、三相感应型电动机的调速方法 1..改变转差率s 2.改变定子磁极对数P 3.变频调速
二、注意事项 1.正反转控制应有互锁； 2.主电路应设有隔离开关； 3.反接制动应设有速度继电器。
5.3 数控机床变频调速主轴和伺服主轴的工作原理
一、组成与分类 主轴驱动系统由驱动器和主轴电动机组成。 主轴驱动系统分有直流和交流两大类 (直流驱动系统现在已很少使用) 交流主轴驱动系统由交流电动机和变频器
a)正弦波的正半波 b)等效的SPWM波形 与正弦波等效的SPWM波形
②产生SPWM波形的原理 SPWM波形可用计算机产生，即对给定的正弦波用计 算机算出相应脉冲的宽度，通过控制电路输出相应波 形，还可用专门集成电路产生，如产生三相SPWM波 形的专用集成电路芯片有HEF4752、SLE4520等；也 可用模拟电路产生，其方法是以正弦波为调制波，对 等腰三角
2.星--三角降压启动 特点：1)启动电流为全压启动电流的1/3； 2)适用于三角型运行、空载或轻载启动。(图5.3)
3.其它降压启动方式 1)定子绕组串电阻电(频敏电阻)降压启动； 2)定子绕组串电抗器； 3)自耦变压器降压启动。
5.2.2三相笼型感应电动机的制动
1.反接制动 特点：1)制动力矩大； 2)冲击电流和机械冲击力大； 3)工作时应与速度继电器配合使用。图5.4
波为载波的信号进行“调制”，原理如图所示。
采用模拟电路产生SPWM方法，就是用一个正弦 波发生器产生可以调频调幅的正弦波信号(调制波)， 用三角波发生器生成幅值恒定的三角波信号(载波)， 将它们在电压比较器中进行比较，输出SPWM调制电 压脉冲，图所示是调制SPWM脉冲的原理图。
SPWM调制脉冲原理图
1.感应式主轴电动机
特点 ：由变频器实施控制，可实现开环 或闭环控制。
2.永磁式伺服电动机
特点：由变频逆变器实现速度环的矢量 控制，动态响应好，但其输出恒功率范围 小。
为获得更好的主轴特性，采用矢量控制 技术的同时，现有数控机床专用感应式电 动机。
Байду номын сангаас
5.3.1三相笼型感应电动机的工作原理
5.3.2感应电动机开环调频调速及其特性
SPWM变频器属于交一直一交变频器，其原理 框图见图4.23b)。基本工作过程是先将50Hz交流电经 整流变压器变压得到所需电压，经二极管整流和电容 滤波，形成恒定直流电压，然后送入由大功率晶体管 构成的逆变器主电路，输出三相电压和频率均可调整 的等效于正弦波的脉宽调制波(SPWM波)，即可拖动 三相电机运转。这种变频器结构简单，电网功率因数 接近于1，系统动态响应快，输出波形好，因此，在数 控机床的交流驱动中广泛使用。
数控机床电气控制
武汉软件职业学院机电工程系 方占桥
第五章 数控机床主轴控制系统
本章要点 数控机床主轴控制系统的要求； 变频调速控制主轴的工作原理； 矢量控制和直接转矩控制； 主轴控制系统的接口和选型。
本章难点 变频调速控制
5.1概述
现代数控机床对主轴控制的要求 1.调速范围要宽
主轴在较宽范围在数控系统的指令下实现调 速。
主轴的调速分为：有级调速、无级调速、分段 无级调速。
变频器调速主要用于普及型，高档数控机床主要 用交流伺服型主轴。
2.恒功率范围要宽； 3.具有四象限驱动的能力； 4.具有位置控制能力。
5.2 普通主轴的控制
5.2.1三相笼型感应电动机的启动 直接启动
启动方式 降压启动
1.直接启动 特点：简单、方便、可靠性高。 对象：小功率电动机。(图5.2)
感应式电动机的转速为 n=(1－s)n1=60f1(1-s)/p
感应式电动机的转速与电源频率成正比。每相感应电动势 E1＝4.44f1N1Φm
即 Φm∝ U1/f1
正弦波脉宽调制(SPWM)变频器 1964年德国人率先提出脉宽调制变频思想，把通
讯系统中的调制技术应用于交流变频器。调制方法很 多，目前用得最多的是正弦脉宽调制。
分析：三角波电压和正弦波电压分别接在电压比较器的 “-”、“+’’输入端。当“u△﹤usin时，电压比较器输出 高电平；反之则输出低电平。SPWM脉冲宽度由三角波 和正弦波交点之间的距离决定，两者的交点随正弦波电
压的大小而改变。因此，在电压比较器输出端就输出幅 值相等而脉冲宽度不等的SPWM电压信号。图所示是 SPWM调制波示意图。
2.能耗(直流)制动 特点：1)制动力平稳、无冲击； 2)能耗低； 3)需要外加直流电源。 4)适用于频繁启、停的电动机制动。图5.5
3.双流制动 电路图5.6
制动时KM1断、KM2闭合，此时脉动电流可分解为直流分量和交流谐 波分量，其直流分量产生能耗制动，交流分量产生反接制动。
特点：制动力大、迅速、准确。
或主轴伺服驱动装置组成。
二、主轴驱动系统应具有以下功能 1.输出功率大； 2.在整个调速范围内速度稳定，且恒功率范围宽； 3.在断续负载下电动机转速波动小，过载能力强； 4.加、减速时间短； 5.电动机温升低； 6.振动小、噪声低； 7.电动机可靠性高、寿命长、易维护； 8.体积小、重量轻。
三、系统工作原理
SPWM逆变器的工作原理如下： ①SPWM波形与等效正弦波 在采样控制理论中有一个重要结论，冲量(窄脉冲的面积)
相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基 本相同。电动机就是一个惯性的环节，该结论是SPWM控制的 重要理论基础。
SPWM逆变器输出的是正弦脉宽调制波,如图4.24b)所示。 其工作原理是若把一个正弦半波分成N等分，然后把每一等分的 正弦曲线与横坐标轴所包围的面积，都用一个与此面积相等的 等高矩形脉冲来代替，这样可得到N个等高而不等宽的脉冲序列。 根据上述冲量相等效果相同的原理，该矩形脉冲序列与正弦半
③SPWM变频器的主电路 电路原理及输出线电压的波形如图4.28所示。图4.28a)中Vl～V6 为六只大功率晶体管，当然，也可以采用其它的功率器件。大功 率晶体管各有一个与之反并联的续流二极管。来自控制电路的 SPWM波形作为大功率晶体管基极控制电压，加在各功率管的基 极上。在电路图中，按相序要求和频率要求协调控制的三路正弦 波信号，与等腰三角波发生器来的载波信号一同送入电压比较器， 产生三路SPWM波形，经反相电路后，可得到六路SPWM信号， 加在Vl～V6六只功率晶体管的基极，作为驱动控制信号。当逆变 器工作于双极性工作方式时，可得到如图4.28b)所示的线电压波 形。
5.2.3普通主轴的调速
一、三相感应型电动机的调速方法 1..改变转差率s 2.改变定子磁极对数P 3.变频调速
二、注意事项 1.正反转控制应有互锁； 2.主电路应设有隔离开关； 3.反接制动应设有速度继电器。
5.3 数控机床变频调速主轴和伺服主轴的工作原理
一、组成与分类 主轴驱动系统由驱动器和主轴电动机组成。 主轴驱动系统分有直流和交流两大类 (直流驱动系统现在已很少使用) 交流主轴驱动系统由交流电动机和变频器