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1、数 控 技 术,华中科技大学机械科学与工程学院,1,4.1 概述 4.2 位置检测装置 4.3 进给电机及驱动 4.4 进给伺服系统的控制原理和方法,第4章 进给伺服驱动系统,2,4.3 进给电机及驱动,CNC装置发出的位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动. 进给驱动系统的组成： 驱动器和电机。 进给电机的类型： 步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机和直线电机。,3,4.3.1 步进电机及驱动,驱动器每向步进电机输入一个电脉冲信号，步进电机转动一个角度，称为步距角，通过齿轮和丝杠带动工作台移动。 步进式进给
2、伺服驱动系统属于开环控制系统。 步进电机转过的角度与电脉冲信号个数成正比，转动速度与电脉冲信号的频率成正比。,优点：电机具有自锁能力； 控制简单。 缺点： 在大负载和速度较高的情况下容易失步，能耗较大。,应用：步进电机的速度不高，在脉冲当量为1m/脉冲时，最高移动速度为2m/min，主要用于速度和精度要求不太高的经济型数控机床和旧机床改造。,4.3 进给电机及驱动,4,1. 步进电机分类：常见的分类方式有按相数、按产生力矩的原理、按输出力矩的大小和结构进行分类,按相数分：有三相、四相、五相、六相等。相数越多，步距角越小，输出转矩越大，但结构也越复杂。通电方式采用m相m拍、双m拍和m相2m拍等。
3、 按力矩产生的原理分：有反应式、永磁反应式和混合式三类。 按输出力矩的大小分：快速步进电机（0.07Nm4Nm）和功率步进电机（5 Nm50 Nm）两类。 按结构分类：有轴向分相式（即多段式）和径向分相式（即单段式）。,4.3 进给电机及驱动,5,2. 步进电机工作原理 反应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有激磁绕组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合工作。,4.3 进给电机及驱动,6,两个相对的磁极组成一相。,注意：这里的“相”和三相交流电中的“相”的概念不同。步进电机通的是电脉冲，主要是指线图的联接和组数的区别。,4.3 进给电机及驱动,7,步进电机的工作方式(通电顺序)可
4、分为： 三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。,1）三相单三拍：,三相绕组联接方式：Y 型,4.3 进给电机及驱动,8,4.3 进给电机及驱动,9,4.3 进给电机及驱动,10,三相单三拍的工作特点：,每来一个电脉冲，转子转过 30； 转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序； 每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失去自锁转矩，容易产生失步； 只有一相绕组产生力矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡 。,4.3 进给电机及驱动,11,2）双三拍工作方式 定子绕组通电顺序： ABBCCAAB（转子逆时针旋转） ACBCCA（转子顺时针旋转） 有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍旋转30。 双三
5、拍工作特点：始终有一相定子绕组通电，工作比较平稳。避免了单三拍通电方式的缺点。,4.3 进给电机及驱动,3）三相六拍工作方式 通电顺序为： AABBBCCCAA（逆时针） AACCBCBCAA（顺时针）,12,4.3 进给电机及驱动,三相六拍工作特点： 每步转过15，步距角是三相三拍工作方式的一半， 电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比较平稳。,13,3. 步进电机实际结构： 转子齿数很多，齿数越多，步距角越小。定子磁极上的齿的齿距与转子的齿距相同，但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的1m（m电机相数）。,每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距的1m（如三相三拍）或12m（如三相六拍）达
6、到新的平衡位置。,4.3 进给电机及驱动,14,若转子40个齿，通电为三相三拍方式。当转子齿与A相定子齿对齐时，转子齿与B相定子齿相差（3），与C相定子齿相差（6）。,4.3 进给电机及驱动,15,每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。,4. 步进电机的主要特性 1）步距角,m定子相数；z转子齿数；k通电系数， m相m拍，k1；m相2m拍，k2。,一般很小，如：31.5，1.50.75，0.720.36等,4.3 进给电机及驱动,16,静态：步进电机处于通电状态，转子处在不动状态。 静态转矩Mj ：在电机轴上施加一个负载转矩M，转子会在载荷方向上转过一个角度（失调角），转子因而受到一个电
7、磁转矩Mj的作用与负载平衡。,2）静态矩角特性,矩角特性：步进电机单相通电的静态转矩Mj随失调角的变化曲线。,4.3 进给电机及驱动,*,17,步进电机驱动控制器主要由加减速控制器、环形分配器和功率放大器组成,4.3 进给电机及驱动,5. 步进电机的驱动控制器,*,18,环形分配器软件算法:,将“输出字” 以表格形式存放在指定的RAM或EPROM； 当加减速控制器送来正向进给脉冲指令时，环形分配器软件正序依次取出表格中的数据输出，控制步进电机逆时针方向转动； 当加减速控制器送来负向脉冲时，环形分配器反序依次取出表格中的数据输出，控制步进电机顺时针方向转动。,4.3 进给电机及驱动,19,4.3
8、.2 交流伺服电机及驱动,伺服驱动的发展历程： 步进电机直流伺服电机交流伺服电机 旋转式电机直线电机 理由：闭环提高精度。 直流伺服电机调速方便，90年代以前大量使用（交流在性能成本方面不占优）。但直流伺服电机的容量小、结构复杂、有电刷、体积大和重量重，因此，其应用受到限制。随着交流伺服驱动性价比提高，交流伺服驱动电机已渐渐取代了直流伺服电机。,4.3 进给电机及驱动,20,1. 交流伺服电机的种类、结构及工作原理,（1） 交流伺服电机的种类及特点 交流伺服电机有同步型和异步型两大类。异步型交流电机指的是交流感应电机。同步型交流电机按转子结构不同可分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式
9、、永磁式和反应式多种。数控机床中多用永磁式同步电机。,4.3 进给电机及驱动,21,永磁式同步电机： 优点：比直流电机结构简单、运行可靠、体积约小1/2，质量减轻60，转子惯量可减小到1/5、 效率高。 缺点：启动特性欠佳、控制复杂 应用：进给驱动,异步型交流伺服电机： 优点：与同容量的直流电机相比重量轻（1/2），价格便宜(1/3)； 缺点：转速受负载的变化影响较大，不能经济地实现范围较广的平滑调速，效率较低、功率因数低 应用：主轴驱动系统。,4.3 进给电机及驱动,22,（2）交流永磁同步电机的工作原理与特性,结构：电机由定子、转子和检测元件组成。,4.3 进给电机及驱动,23,nrns6
10、0f1p ns同步转速， 转子磁极的轴线与定子磁极的轴线夹角， nr转子旋转转速， f1交流电源频率（定子供电频率）， p定子和转子的极对数,通过调节频率和极对数实现调速。,4.3 进给电机及驱动,24,U1 定子每相相电压；E1 定子每相绕组感应电动势； N1 定子每相绕组匝数； K1 定子每相绕组匝数系数； 每极气隙磁通量；Tm电机电磁转矩； Ia 转子电枢电流； 转子电枢电流的相位角。,2. 交流同步电机的变频调速原理,交流电机的电动势方程、转矩方程：,4.3 进给电机及驱动,25,在变频调速的同时，要求供电电压也随之变化，即满足U1/ f1为定值，以确保磁通量不变。 因为变频调速时，当
11、U1不变，增加频率f1，则磁通量减小，导致电机输出转矩Tm下降，电机负载能力降低；若减小频率f1，磁通量增加，定子电流上升，导致铁损增加。,变频调速控制方式： 基频以下调速当电机在f1的额定参数下运行时，供电频率低于额定值。 基频以上调速当电机在f1的额定参数上运行时，供电频率高于额定值。,4.3 进给电机及驱动,26,3交流同步伺服电机的变频器 变频器将交流恒压恒频的供电电源转变为变压变频的供电电源。 （1）变频器类型 变频器可分为交交变频器（直接变频器）和交直交变频器（间接变频器）两种。 应用最多的是交直交变频器。 根据变频电源的性质，又可分为电压源变频器和电流源变频器。,4.3 进给电机
12、及驱动,27,交交变频： 利用可控硅整流器直接将工频交流电（频率50Hz）变成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输出负脉冲，脉动交流电的基波就是所需的变频电压。 该方法所得的交流电波动比较大，且最大频率即为变频器输入的工频电压频率。,4.3 进给电机及驱动,28,交直交变频： 先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成矩形脉冲波电压，矩形脉冲波的基波是所需的变频电压。 该调频方式所得交流电的波动小，调频范围比较宽，调节线性度好。,4.3 进给电机及驱动,29,（2）正弦波脉冲调制（SPWM）逆变器 脉宽调制（PWM）变频是通过脉冲信号控制逆变器开关元件的导通和关断时间比（即调节脉冲的宽
13、度）来控制输出电压的大小和频率，从而实现调速。,u,U,U,u,t,t,t,t,4.3 进给电机及驱动,30,正弦脉宽调制（SPWM）是利用有正弦波特性的脉冲信号去控制逆变器开关元件的通、断时间比。此时，变频器输出近似于正弦波的电流，使得电机电源近似为正弦交流电。,SPWM变频器是目前数控机床应用最广泛的变频器。,4.3 进给电机及驱动,31,SPWM原理 单相调制原理 正弦脉宽调制（SPWM）波形:与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波。 等效原理：把正弦波分成n等分，每一区间面积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替。 正弦波的正负半周均如此处理。,4.3 进给电机及驱动,32,整流器：
14、将三相工频交流电变成直流电 逆变器：将整流输出的直流电压变成三相交流电,三相SPWM变频器的主回路结构图,4.3 进给电机及驱动,33,4.3.3 直线电机及驱动,直线电机直接驱动工件台直线运动。取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零，故这种传动方式又称为“直接驱动”，也称“零传动”。适用于进给驱动速度高于60m/min以上，加速度1g以上的高速数控机床。,4.3 进给电机及驱动,34,优点： 电机惯量小，系统响应快、速度高，速度和加速度都可提高10倍以上（700m/min，40G）。 运动更加平稳、噪声低、传动效率高，动态刚度高。 可设计成均布对
15、称，工作台运动时受力均匀分布，运动推力平衡 可无限延长定子的行程，运动的行程不受限制 缺点： 没有机械联接或啮合，垂直轴传动需要外加一个平衡块或制动器 磁铁对电机部件的吸力很大，需解决防护、隔磁问题,4.3 进给电机及驱动,35,如果将旋转电机沿过轴线的平面剖开，并将定子、转子圆周展开成平面，便形成了扁平形直线电机。固定不动的部分称为定子，动作部分称为动子。 由感应式旋转电机演变的直线电机称感应式直线电机。 由永磁式旋转电机演变的直线电机称永磁式直线电机。,直线电机的类型和结构,4.3 进给电机及驱动,36,感应式直线电机的演变：,4.3 进给电机及驱动,37,永磁式直线电机的演变：,4.3
16、进给电机及驱动,38,旋转电机演变为圆筒型直线电机的过程,4.3 进给电机及驱动,39,弧型直线电机,圆盘型直线电机,4.3 进给电机及驱动,40,2.直线电机的基本工作原理 直线电机不仅在结构上相当于是从旋转电机演变而来的，而且其工作原理也与旋转电机相似。,定子,动子,4.3 进给电机及驱动,动子,定子,光栅,41,1-初级 2-次级 3-行波磁场,直线电机的电磁推力公式：,同步线速度vs：,动子的运动速度：,S滑差率,初级的极距； f 电源频率,4.3 进给电机及驱动,42,3. 直线电机伺服系统 原理与旋转型电机相同，只是在端部由于磁场不均匀，推力与电流呈非线性、且有波动，控制难度增加。,4.3 进给电机及驱动,43,课后思考:,1. 步进伺服驱动系统、交流伺服驱动系统的组成，及各单元的功能； 2. 步进电机与交流同步电机调速方法； 3. 查阅关于直流电机相关资料，了解与掌握直线电机的特性及应用。,结束,
