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1、第章 数控机床的伺服驱动系统,学习目标 31 伺服驱动系统概述 32 步进电动机及控制系统 33 直流伺服电动机及控制系统 34 交流伺服电动机及控制系统 本章小结 思考题,学习目标,掌握数控机床伺服驱动系统的组成、工作原理及特点，掌握对不同电动机的控制方法。,图3.1伺服系统结构图,图3.2三相反应式步进电机结构原理图,图3.4反应式步进电机工作原理示意图,图3.3三段式反应式步进电机的结构原理,图3.5永磁感应子式步进电机结构示意图,图3.6静态矩角特性,图3.7 90BF001步进电机的启动频矩特性,图3.8 90BF001步进电机的运行频矩特性,图3.9 CH250管脚图和三相六拍接线
2、图,图3.10两坐标伺服系统工作原理图,图3.11 软环形分配器的程序流程框图,图3.12程序流程框图,图3.13单电压驱动电路原理图,图3.14高低压驱动电路原理图,图3.15斩波驱动电路原理图,图3.16三种电路的波形,图3.17直流电机的机械特性,图3.18永磁直流伺服电机工作曲线,I连续工作区II间断工作区III瞬时加速区,图3.19负载工作周期曲线,图3.20三相桥式反并联整流电路,图3.21双环调速系统工作原理图,图3.22 H型脉冲功率放大器工作原理图,图3.23 H型双极性工作方式电压和电枢电流波形,图3.24微机PWM驱动系统的原理框图,图3.25永磁交流伺服电机结构示意图,
3、1定子2转子3定子三相绕组4编码器5出线盒,图3.26永磁式交流同步伺服电机的 工作原理图,图3.27交流伺服电机工作曲线,I连续工作区II断续工作区,图3.28 单相逆变电路,图3.29双极性SPWM通用型主回路（三相逆变电路）,图3.30载波（三角波）调制波 （正弦波）形成原理图,图3.31变频控制原理图,31 伺服驱动系统概述,3.1.1伺服驱动系统概念 3.1.2对伺服系统的基本要求 3.1.3伺服系统的分类 3.1.4伺服系统的组成和工作原理,3.1.1伺服驱动系统概念,数控机床伺服系统：以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服机构。 伺服系统分
4、类：位置伺服（工作台的位置和主轴的位置及起始角度）和速度伺服（工作台电动机转动的速度）。,3.1.2对伺服系统的基本要求,对伺服系统的基本要求 1、精度高 2、稳定性好 3、快速响应 4、调速范围宽 5、低速大转矩 6、对伺服电机的要求,3.1.3伺服系统的分类,1、按调节理论分类 开环伺服系统 闭环伺服系统 半闭环系统 2、按使用驱动元件分类 电液伺服系统 电气伺服系统 3、按使用直流伺服电机和交流伺服电机分类 直流伺服系统 交流伺服系统 4、按进给驱动和主轴驱动分类 进给伺服系统 主轴伺服系统 5、按反馈比较控制方式分类 脉冲、数字比较伺服系统 相位比较伺服系统 幅值比较伺服系统 全数字伺
5、服系统,3.1.4伺服系统的组成和工作原理,数控机床伺服系统组成：由速度环和位置环所组成 ，如图3.1所示。 速度环由速度控制单元、伺服电动机和速度检测装置组成。 位置环是由位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等各部分组成。 伺服系统工作原理：接收插补程序生成的进给脉冲或进给位移量，（接受反馈信号），经变换和放大，转化为移动部件的位移。,32 步进电动机及控制系统,3.2.1步进电机结构原理和分类 3.2.2步进电机驱动控制,3.2.1步进电机结构原理和分类,1、步进电机的分类 2、步进电机的工作原理 3、反应式步进电机主要技术性能指标,1、步进电机的分类,（1）按运动方式来分 旋转
6、运动、直线运动、平面运动和滚切运动式步进电机 （2）按工作原理来分 反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式、永磁感应子式步进电机 （3）按使用场合来分 功率步进电机和控制步进电机 （4）按结构来分 单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。 （5）按相数来分 三相、四相、五相、六相等。 （6）按使用频率来分 高频步进电机和低频步进电机,2、步进电机的工作原理,1）反应式步进电动机（VR） 2）永磁式步进电机 3）永磁感应子式步进电机,1）反应式步进电动机,（1）反应式步进电动机（VR）工作原理 （2）反应式步进电机的特点,（1）反应式步进电动机工作原理,反应式步进电机叫可变磁阻式步进电机，简称
7、步进电动机。 反应式步进电机种类：单段式（径向式）多段式（轴向式） 结构：单段式结构如图3.2所示，多段式如图3.3、图3.4所示。 单段式和多段式结构的制造工艺较复杂，适用于相数多的步进电机。目前大多数采用单段式结构，若相数较多时，也有采用径向、轴向分相相结合的混合式结构。 反应式步进电机的工作原理：磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩；带动转子转动。 定子绕组的供电方式： 单三拍供电方式： A-B-C-A- 双三拍工作方式： AB-BC-CA-AB-如图3.4所示,（2）反应式步进电机的特点,a、步进电机的控制十分方便 b、气隙小 c、步距角小 d、励磁电流较大 e、电机的内部阻尼
8、较小 f、带惯性负载能力差，尤其是在高速时容易失步 g、断电后无定位转矩,2）永磁式步进电机,（1）永磁式步进电机的结构 （2）永磁式步进电机的特点,（1）永磁式步进电机的结构,永磁感应子式步进电机结构，如图3.5所示。由定子和转子组成。 永磁式步进电机的转子或定子的某一方具有永久磁钢，另一方由软磁材料制成。绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩，使用转子旋转。,（2）永磁式步进电机的特点,a、步距角大。一般步距角为150、22.50、300、450、900等。这是因为在一个圆周上能形成的极对数受到极弧尺寸的限制，不能太多，所以它的步距角不能太小。 b、控制功率小，效率高
9、。 c、内阻尼较大，单步振荡时间短。 d、断电后具有一定的定位转矩。,3）永磁感应子式步进电机,（1）永磁感应子式步进电机结构 （2）永磁感应子式步进电机的特点,（1）永磁感应子式步进电机结构,永磁感应子式步进电机，从它的磁路内含有永久磁钢这点看，可以说它是永磁式步进电机。但因其结构的不同，使其作用原理以及性能方面，都与永磁式步进电机有明显的区别。从定子或转子的导磁体来看，又像反应式步进电机。它好像是反应式和永磁式步进电机的结合，所以常称其为混合式步进电机。 永磁感应子式步进电机的典型结构如图3.5所示。它的定子结构与反应式步进电机基本相同，即分成若干极，极上有齿和控制线圈。转子由环形磁钢及两
10、段铁心组成，环形磁钢在转子的中部，轴抽充磁，两段铁心分别装在磁钢的两端，转子铁心上也有像反应式步进电机那样的齿，但两段铁心上的小齿相互错开半个齿距，定转子齿的齿距通常相同,（2）永磁感应子式步进电机的特点,a、控制功率小，效率高。 b、步距角小。 c、运行频率高（几十千赫），用于数控系统中可将脉冲当量设计得很小，提高了系统的控制精度。 d、在相同输出转矩情况下，外径相对较小。 e、断电后具有一定的定位转矩。 f、永磁易去磁，则会有振荡点和失步区。 永磁感应子式步进电机是步进电机的最新发展。近年来国外步进电机的生产厂家相继推出它的系列化产品，具有较好的发展趋势。,3、反应式步进电机主要技术性能指
11、标,（1）步距角 （2）最大静转矩TJmax （3）空载起动（突跳）频率fq（步/s） （4）启动矩频特性 （5）空载运行频率fmax（步/s） （6）运行矩频特性,（1）步距角,步进电机每步的转角称为步距角，其计算公式如下 m步进电机相数，Z转子齿数，K控制方式系数，是拍数与相数的比例系数。 每种电机给出两种步距角，彼此相差一倍。大步距角指控制供电拍数与相数相等进的步距角；小步距角系指拍数是相数两倍时的步距角,（2）最大静转矩TJmax,当步进电机不改变通电状态时，转子处于不动状态，即静态。如果在电机轴上外加一个负载转矩，使转子按一定方向转过一个角度称为失调角。定子、转子间的电磁转矩随失调角
12、变化情况如图3.6（a）所示。描述静态时电磁转矩T与之间关系的曲线称为矩角特性如图3.6 （b）。矩角特性上的电磁转距最大值称为最大静态转矩TJmax在静态稳定区内，当外加转矩去除时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置。,（3）空载起动（突跳）频率,步进电机在空载时由静止突然启动，进入不丢步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率。 启动频率要比连续运行频率低得多，这是因为步进电机启动时，既要克服负载力矩，又要克服运转部分的惯性矩，电机的负担比连续运转时重。 步进电机带负载（尤其是惯性负载）的启动频率比空载的启动频率要低。,（4）启动矩频特性,当步进电机带着一定的负载转矩启动时，
13、作用在电机轴上的加速转矩为电磁转矩与负载转矩之差。负载转矩越大，加速转矩就越小，电机就不易转起来，只有当每步有较长的加速时间（采用较低的脉冲频率）时，电机才能启动。因此，其启动频率随着负载的增加而下降。 描述步进电机启动频率与负载力矩的关系曲线称作启动矩频特性，如图3.7所示。,（5）空载运行频率,步进电机在空载启动后，能不丢步连续运行的最高脉冲重复频率称作运行频率fmax。 fmax远大于fq，因为运行频率受转动惯量的影响比启动时大为减小，步进电机在高速下启动或高速下制动，需要采用自动升降速的控制。 运行频率fmax因所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。,（6）运行矩频特性,运
14、行矩频特性T=f（F）是描述步进电机连续稳定运行时，输出转矩与连续运行频率之间的关系，如图3.8所示。它是衡量步进电机运转时承载能力的动态性能指标。该特性上每一频率所对应的转矩称为动态转矩。从图3.8可以看出，随着连续运行频率的上升，输出转矩下降，承载能力下降。原因是，频率越高，电机绕组的感抗（XL=2fL）越大，使绕组中的电流波形变坏，幅值变小，从而使输出力矩下降。,3.2.2步进电机驱动控制,1、对驱动电源的要求 2、驱动电源,1、对驱动电源的要求,对驱动电源的基本要求如下： 1）电源的相数、通电方式、电压、电流应与步进电机的基本参数相适应。 2）能满足步进电机启动频率和运行频率的要求。
15、3）工作可靠，抗干扰能力强。 4）成本低，效率高，安装和维护方便。,2、驱动电源,驱动电源通常由环形分配器和功率放大器组成。 1）环形分配器 2）功率驱动器,1）环形分配器,环形分配器的主要功能：是将数控装置的插补脉冲，按步进电机所要求的规律分配给步进电机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的导通或关断。同时由于电机有正反转要求，所以环形分配器的输出是周期性的又是可逆的。 硬件环形分配器的种类：专用集成芯片或通用可编程逻辑器件组成的环形分配器。 CH250是三相反应式步进电机环形分配器专用集成电路芯片，管脚图和三相六拍工作时的接线图如图3.9所示。 以两坐标步进电动机伺服进给如图3.10所示为
16、例，设计三相反应式步进电动机的软环形分配器的软环形分配器的程序设计流程框图如图3.11所示,2）功率驱动器,功率驱动器或称功率放大电路。由于功放电路中的负载为步进电机的绕组，是感性负载，与一般功放不同点就由由此而产生，主要是较大电感影响快速性，感应电势带来的功率管保护等问题。 功率驱动器的种类： （1）单电压驱动电路 （2）高低压驱动电路 （3）斩波驱动电路 （4）调频调压电路 （5）细分驱动电路,（1）单电压驱动电路,单电压驱动电路的工作原理如图3.13所示，图3.13中L为步进电机励磁绕组的电感，Ra为绕组电阻并串接一个电阻Rc，为了减小回路的时间常数L/（Ra+Rc），电阻Rc并联一电容C（可提高负载瞬间电流的上升率），从而提高电机的快速响应能力和启动性能。续流二极管VD和阻容吸收回路Rc，是功率管VT的保护线路。 单电压驱动电路的优点是线路简单，缺点是电流上升不够快，高频时带负载能力低。,（2）高低压驱动电路,高低压驱动电路的特点是供给步进电机绕组有两种电压： 一种是高电压U1，由电机参数和晶体管特性决定，一般在80V至更高范围； 另一种是低
