数控技术及应用清华版6数控机床的电气驱动

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1、2,第6章 数控机床的电气驱动,数控机床动力源的性能直接关系到数控机床的性能，本章主要介绍数控机床动力源普遍使用的电动机，包括作为进给驱动的步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机以及作为主轴驱动的交流感应电动机。,3,6.1 数控机床动力源的类型,机床的动力源可以是气动、液压或电动的，在数控机床中多使用电动机作为动力源。机床动力源根据用途可分为三种类型：提供切削速度的主轴驱动动力源，进给驱动动力源，以及辅助运动驱动动力源。,4,6.1.1 主轴驱动动力源,驱动主运动的动力源必须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，因此大部分数控机床的主运动

2、由电动机驱动，而不用液压马达驱动。 在20世纪80年代末期，已经出现了主轴转速高达20000r/min的车床，在这么高的转速下，主轴轴承采用特殊的陶瓷轴承。为了实现高速主轴的无接触支承，还致力于开发电磁轴承。主轴最高转速受电动机功率、所采用的轴承以及润滑系统等几个方面的限制。 交流感应电动机是最可靠、维护最简单、并且最经济的一种电动机，三相交流电动机改变转向也比较容易，如果使用极对数可变的电动机，还可以获得350，700，1400，2800r/min等四个转速等级。 自1984年以来，由于变频调速技术的发展，变频调速交流感应电动机的使用越来越多。在需要调速的场合，通常使用直流电动机。直流电动机

3、可以在无级调速时输出足够的功率。为了将交流电转换成直流电并且获得所需的速度，使用晶闸管进行可控整流。,5,6.1.2 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，由于需要使工件或刀具按一定的进给速度移动精确的距离，所以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： (1)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； (2)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，一般1kW就足够了。此外，进给运动的速度比切削运动慢得多，一般工进是5200mm/min，快进是5m/

4、min。,6,6.1.3 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，这些辅助运动包括冷却泵、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。,7,6.2 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。有的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

5、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。,8,6.2.1 步进电动机的分类,步进电动机分为反应式和混合式两大类 反应式步进电动机的转子是由一般铁磁性材料制作的，而混合式步进电动机的转子带有永久磁钢。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。单段反应式步进电动机是按径向分相的，而多段反应式步进电动机是按轴向分相的，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

6、电动机的转矩体积比大，而且混合式步进电动机的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，虽然这一转矩比绕组通电时产生的转矩小得多，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。对于反应式步进电动机而言，由于其转子上没有永久磁钢，所以转子的机械惯量比混合式步进电动机转子惯量低，可以更快地加、减速。,9,6.2.2 步进电动机的工作原理,图6.1为说明三相反应式步进电动机的工作原理示意图。它的定子上有六个极，每极上都装有控制绕组，每两个相对的极组成

7、一相。 转子上有四个均匀分布的齿。当A相绕组通电时，因磁通总是要沿着磁阻最小的路径闭合，使转子齿1、3和定子极A、A对齐，如图6.1(a)所示。 A相断电，B相绕组通电时，转子将在空间转过s角，s=30，使转子齿2、4和定子极B、B对齐，如图6.l(b)所示。 如果再使B相断电，C相绕组通电时，转子又将在空间转过30 角，使转子齿1、3和定子极C、C对齐，如图6.1(c)所示。 如此循环往复，并按ABCA的顺序通电，电动机便按一定的方向转动。,10,6.2.2 步进电动机的工作原理,三相步进电动机除了单三拍通电方式外，还经常工作在三相单、双六拍通电方式。这时通电顺序为：AABBBCCCAA，或

8、为AACCCBBBAA。 在这种通电方式时，步进电动机的步距角与“单三拍”时的情况有所不同，参见图6.2。 当A相绕组通电时，和单三拍运行的情况相同，转子齿1、3和定子极A、A对齐，如图6.2(a)所示。 当A、B相绕组同时通电时，转子齿2、4又将在定子极B、B的吸引下，使转子沿逆时针方向转动，直至转子齿1、3和定子A、A之间的作用力被转子齿2、4和定子极B、B之间的作用力所平衡为止(图6.2(b)。 当断开A相绕组而只有B相绕组接通电源时，转子将继续沿逆时针方向转过一个角度使转子齿2、4和定子极B、B对齐(图6.2(c)。,11,6.2.2 步进电动机的工作原理,图6.3为小步距角步进电动机

9、的展开图。其中定子有6个极，转子有40个齿。当A极下的定、转子齿对齐时，B极和C极下的齿就分别和转子齿相错三分之一的转子齿距。 反应式步进电动机的转子齿数zr基本上由步距角的要求所决定。但是为了能实现上述“自动错位”，转子的齿数就必须满足一定条件，而不能为任意数值。,12,6.2.3 步进电动机的运行性能,1. 静态特性 所谓静态是指步进电动机不改变通电状态，转子不动时的状态。步进电动机的静态特性主要指静态矩角特性和最大静态转矩特性。 2. 动态特性 步进电动机运行时总是在电气和机械过渡过程中进行的，因此对它的动态特性有很高的要求，步进电动机的动态特性将直接影响到系统的快速响应及工作的可靠性。

10、,13,6.2.4 步进电动机的驱动电源,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。这三种类型的驱动电源通过不同的方式来改善电动机绕组电流波形。 1. 高低压双电源型 高低压双电源型脉冲功率放大器的特点是：开始时先接通高压，以保证电动机绕组中有较大的冲击电流流过。然后再截断高压，由低压供电，以保证电动机绕组中稳态电流等于额定值，简单地说就是“高压建流，低压定流”。 2. 恒流斩波 步进电动机在运行的过程中，定子齿和转子齿相对位置不断发生变化，因而在绕组中产生了旋转电动势，这将导致绕组电流波形的顶部下凹。如图6.12所示。 3. 调频调压型 如果能设法使绕组的供电电压

11、随着运行频率的升高而一起升高，以维持绕组在不同频率的导电周期内电流平均值基本相同，这样也可以达到在高频运行时，动态转矩不明显下降的目的。 4. 三种脉冲功率放大器的比较 “高低压双电源型”脉冲功率放大器是一种最基本的驱动放大器，其电路比较简单，成本低。 采用“恒流斩波型”脉冲功率放大器是为了解决电动机绕组电流顶部凹陷的问题。在电动机的运行频率较低时，“恒流斩波型”脉冲功率放大器的应用效果是很好的，但是在电动机以较高的频率运行时，它的应用效果将变差。 “调频调压型”脉冲功率放大器通过“低频低压，高频高压”的办法来同时兼顾电动机在高、低运动频率时对电动机绕组电压的要求，这种脉冲功率放大器，有效地提

12、高了电动机在以较高频率运行时的转矩。,14,6.2.5 步进电动机的选用,首先，应考虑系统的精度和速度的要求。为了提高精度，希望脉冲当量小。但是脉冲当量越小，系统的运行速度越低。故应兼顾精度与速度的要求来选定系统的脉冲当量。在脉冲当量确定以后，又可以此为依据来选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。 步进电动机的步距角从理论上说是固定的，但实际上还是有误差的。另外，负载转矩也将引起步进电动机的定位误差。我们应将步进电动机的步距误差、负载引起的定位误差和传动机构的误差全部考虑在内，使总的误差小于数控机床允许的定位误差。 步进电动机有两条重要的特性曲线，即反映起动频率与负载转矩之间关系的曲线和反

13、映转矩与连续运行频率之间关系的曲线。这两条曲线是选用步进电动机的重要依据。一般将反映起动频率与负载转矩之间关系的曲线称为起动矩频特性，将反映转矩与连续运行频率之间关系的曲线称为工作矩频特性。,15,6.3 进给伺服电动机,6.3.1 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。 1. 负载转矩的计算 加到电动机轴上的负载转矩通常由下述方程式计算： 2. 进给伺服电动机惯量与负载惯量的匹配 (1) 加速转矩Ma等于加速度a乘以总惯量J(电动机惯量+负载惯量)，即Ma=aJ。 (2

14、) 数控机床进给系统是由伺服电动机通过齿轮传至滚珠丝杠(或其他末端传动元件)带动工作台和工件作往复直线运动，当物体起、制动时(作加、减速运动)，齿轮与齿轮接触面换向，这时加到各齿轮轴上的转矩为加速转矩，也可称为惯量转矩。,16,6.3.2 直流伺服电动机的特点与工作原理,永磁式宽调速直流电动机除了具有一般电动机的性能之外，还具有以下的特点： (1) 高性能的铁氧体具有大的矫顽力和足够的厚度，能够承受高的峰值电流，以满足快的加减速要求； (2) 大惯量结构使其具有大的热容量，可以允许较长的过载工作时间； (3) 低速高转矩特性和大惯量结构，使其可以与机床进给丝杠直接连接； (4) 一般没有换相极

15、和补偿绕组，通过仔细选择电刷材料和精心设计磁场分布，可以使其在较大的加速度下仍具有良好的换相性能； (5) 绝缘等级高，从而保证电动机在反复过载的情况下仍有较长的寿命； (6) 在电动机轴上装有精密的速度和位置检测元器件，可以得到精密的速度和位置检测信号，因此可以实现速度和位置的闭环控制。,17,6.3.2 直流伺服电动机的特点与工作原理,1. 直流PWM调速的基本原理 利用大功率晶体管(简称GTR)作为斩波器，其电源为直流固定电压，开关频率也为常值，根据控制信号的大小来改变每一周期内“接通”和“断开”的时间长短，即改变“接通”脉宽，使直流电动机电枢上电压的“占空比”改变，从而改变其平均电压，

16、完成电动机的转速控制，这就是直流PWM调速的基本原理。 如图6.14所示，直流电动机电枢两端电压u(t)是一串方波脉冲。 2. CNC系统与速度控制单元的联系信号 (1)位置环准备好信号PRDY。 (2)速度控制单元准备好信号VRDY。 (3)使能信号ENBL。 3. 速度控制单元的组成及其功用 图6.15为直流伺服电动机的速度控制单元电气回路组成框图。由图可见，速度控制单元由以下几部分组成： (1)速度调节器 (2)电流调节器 (3)PWM调制器 (4)驱动电路 (5)晶体管直流斩波器 (6)直流伺服电动机及其速度检测元件,18,6.3.2 直流伺服电动机的特点与工作原理,4. 晶体管直流斩波器 直流PWM速度控制单元的主回路就是大功率晶体管直流斩波器，它的作用是将 图6.14中的直流电源电压Um变成宽度可调的方波脉冲，然后施加到电动机电枢两端。 5. 脉冲宽度调制器 脉冲宽度调制器是产生PWM脉冲的环节，它产生的PWM脉冲经驱动电路放大后，驱动主回路(晶体管斩波器)中的大功率晶体管。这里介绍一种在实际的速度控制单元