6数控机床电气驱动教材课程

第四章进给运动控制4.1概述1.数控机床伺服系统的概念数控机床伺服系统是以数控机床移动部件（如工作台、主轴或刀具等）的位置和速度为控制对象的自动控制系统，也称为随动系统、拖动系统或伺服机构。它接受CNC装置输出的插补指令，并将其转换为移动部件的机械运动（主要是转动和平动）。伺服系统是数控机床的重要组成部分，是数控装置和机床本体的联系环节，其性能直接影响数控机床的精度、工作台的移动速度和跟踪精度等技术指标。通常将伺服系统分为开环系统和闭环系统。开环系统通常主要以步进电动机作为控制对象，闭环系统通常以直流伺服电动机或交流伺服电动机作为控制对象。(1)伺服系统的作用2)根据CNC装置发出的控制信息对机床移动部件的位置和速度进行控制。 1)数控伺服系统具有放大控制信号的能力。(2)数控机床对伺服系统应具有的基本性能1)高精度：伺服系统的精度指输出量能够复现输入量的精确程度。由于数控机床执行机构的运动是由伺服电动机直接驱动的，为了保证移动部件的定位精度和零件轮廓的加工精度，要求伺服系统应具有足够高的定位精度和联动坐标的协调一致精度。一般的数控机床要求的定位精度为0.01~0.001mm，高档设备的定位精度要求达到0.1μm以上。在速度控制中，要求高的调速精度和比较强的抗负载扰动能力。即伺服系统应具有比较好的动、静态精度。2)良好的稳定性稳定性是指系统在给定输入作用下，经过短时间的调节后达到新的平衡状态；或在外界干扰作用下，经过短时间的调节后重新恢复到原有平衡状态的能力。稳定性直接影响数控加工的精度和面粗糙度，为了保证切削加工的稳定均匀，数控机床的伺服系统应具有良好的抗干扰能力，以保证进给速度的均匀、平稳。3．动态响应速度快动态响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。目前数控机床的插补时间一般在20ms以下，在如此短的时间内伺服系统要快速跟踪指令信号，要求伺服电动机能够迅速加减速，以实现执行部件的加减速控制，并且要求很小的超调量。4．调速范围要宽，低速时能输出大转矩。机床的调速范围RN是指机床要求电动机能够提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比，即：车床的主轴伺服系统一般是速度控制系统，除了一般要求之外，还要求主轴和伺服驱动可以实现同步控制，以实现螺纹切削的加工要求。有的车床要求主轴具有恒线速功能。机床的加工特点是低速时进行重切削，因此要求伺服系统应具有低速时输出大转矩的特性，以适应低速重切削的加工实际要求，同时具有较宽的调速范围以简化机械传动链，进而增加系统刚度，提高转动精度。一般情况下，进给系统的伺服控制属于恒转矩控制，而主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，高速时为恒功率控制。5)高性能电动机伺服电动机是伺服系统的重要组成部分，为使伺服系统具有良好的性能，伺服电动机也应具有高精度、快响应、宽调速和大转矩的性能。具体是：（1）电动机从最低速到最高速的调速范围内能够平滑运转，转矩波动要小，尤其是在低速时要无爬行现象；（2）电动机应具有大的、长时间的过载能力，一般要求数分钟内过载4~6倍而不烧毁；（3）为了满足快速响应的要求，即随着控制信号的变化，电动机应能在较短的时间内达到规定的速度；（4）电动机应能承受频繁启动、制动和反转的要求。2.伺服驱动系统的分类（1）驱动方式分类液压伺服系统、气压伺服系统和电气伺服系统伺服系统可以分为电液伺服系统和电气伺服系统，电液伺服系统的执行元件是电液脉冲马达和电液伺服马达。但由于该系统存在噪音、漏油等问，其逐渐被电气伺服系统所取代。电气伺服系统全部采用电子元件和电动机部件，操作方便，可靠性高。目前电气伺服系统的驱动元件主要有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机，有关这些驱动元件的工作原理可以参阅本章中的相关内容。（3）按有无检测元件和反馈环节分类，伺服系统可以分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。开环伺服系统与闭环伺服系统如前所述。半闭环与闭环伺服系统的结构一致，只是位置检测元件不直接安装在最终运动部件上（工作台），而是传动装置的一个环节上（如丝杠或传动轴上），由于传动链有一部分在位置环以外，在位置环以外的传动精度得不到系统的补偿，因此其控制精度低于闭环伺服系统。但对于闭环伺服系统，由于受机械变形、温度变化、振动以及其他因素的影响，系统的稳定性较差。同时由于半闭环的反馈量测量方便等特点，使半闭环伺服系统也得到广泛应用。（2）驱动执行元件分类，可分为直流电动机伺服系统、交流电动机伺服系统、步进电动机伺服系统。（4）按输出被控制量的性质分类，可分为位置伺服系统、速度伺服系统.4.进给伺服电动机的类型伺服电动机为数控伺服系统的重要组成部分，是速度和轨迹控制的执行元件。数控机床中常用的伺服电机：直流伺服电机（调速性能良好）交流伺服电机（主要使用的电机）步进电机（适于轻载、负荷变动不大）直线电机（高速、高精度）1.由于直流伺服电动机使用机械(电刷、换向器)换向，因此存在许多缺点。而直流伺服电动机优良的调速特性正是通过机械换向得到的，因而这些缺点无法克服。2.交流伺服电动机与直流伺服电动机相比最大的优点在于它不需要维护，制造简单，适合于在恶劣环境下工作。目前，国外的交流伺服系统已实现了全数字化，即在伺服系统中，除了驱动级外，全部功能均由微处理器完成，可高速、实时地实现前馈控制、补偿、最优控制、等功能。应用于进给驱动的交流伺服电动机有交流同步电动机与异步电动机两大类。由于数控机床进给驱动的功率一般不大(数百至数千瓦)，而交流异步电动机的调速指标一般不如交流同步电动机，因此大多数进给伺服系统采用永磁式交流同步电动机。4.2步进电动机伺服系统步进电动机伺服系统主要应用于开环位置控制中，该系统由环形分配器、步进电动机、驱动电源等部分组成。这种系统简单容易控制，维修方便且控制为全数字化，比较适应当前计算机技术发展的趋势4.2.1步进电动机的工作原理1.步进电动机分类步进电动机的分类很多，根据不同的分类方式，可将步进电动机分为多种类型，如表所示步进电动机是一种将电脉冲信号转换为机械角位移的电磁机械装置。又叫脉冲马达。每施加一个电脉冲信号，步进电动机就旋转一个固定的角度，称为一步，每一步所转过的角度称为步距角。步进电动机的分类分类方式具体类型按力矩产生的原理（1）反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行（2）激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁钢），由电磁力矩实现步进运行按输出力矩大小（1）伺服式：输出力矩在百分之几到十分之几（N•m）只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大的负载（2）功率式：输出力矩在5~50N•m以上，可以直接驱动机床工作台等较大的负载按定子数（1）单定子式；（2）双定子式；（3）三定子式；（4）多定子式按各相绕组分布（1）径向分相式：电机各相按圆周依次排列（2）轴向分相式：电机各相按轴向依次排列 2．步进电动机的结构目前，我国使用的步进电动机多为反应式步进电动机。在反应式步进电动机中，有轴向分相和径向分相两种。图所示是一典型的单定子、径向分相、反应式(转子是带齿的铁心(反应式)或磁钢(混合式)，无绕组。)伺服步进电动机的结构原理图1-绕组2-定子铁心3-转子铁步进电动机可构成A、B、C三相控制绕组，故称三相步进电动机。若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极，其方向即图中所示的NS极。在定子的每个磁极上面向转子的部分，又均匀分布着5个小齿，这些小齿呈梳状排列，齿槽等宽，齿间夹角为。转子上没有绕组，只有均匀分布的40个齿，其大小和间距与定子上的完全相同。步进电动机的齿距三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距，如图所示。当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿1/3齿距角，C相磁极齿超前（或滞后）转子齿2/3齿距角。步进电动机每走一步所转过的角度称为步距角，其大小等于错齿的角度。错齿角度的大小取决于转子上的齿数，磁极数越多，转子上的齿数越多，步距角越小，步进电动机的位置精度越高，其结构也越复杂。轴向分相反应式步进电动机结构原理图各段定子铁心形如内齿轮，由硅钢片叠成。转子形如外齿轮，也由硅钢片叠成。各段定子上的齿在圆周方向均匀分布，彼此之间错开1/5齿距，其转子齿彼此不错位。当设置在定子铁心环形槽内的定子绕组通电时，形成一相环形绕组，构成图中所示的磁力线。3.步进电动机的工作原理当A相绕组通电时，转子的齿与定子AA上的齿对齐。若A相断电，B相通电，由于磁力的作用，转子的齿与定子BB上的齿对齐，转子沿顺时针方向转过，如果控制线路不停地按A→B→C→A…的顺序控制步进电动机绕组的通断电，步进电动机的转子便不停地顺时针转动。若通电顺序改为A→C→B→A…，步进电动机的转子将逆时针转动。这种通电方式称为三相三拍，而通常的通电方式为三相六拍，其通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A…及A→AC→C→CB→B→BA→A…，相应地，定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过。因此在本例中，三相三拍的通电方式其步距角等于，三相六拍通电方式其步距角θ等于１５°综上所述，可以得到如下结论：（1）步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步距角；（2）改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；（3）步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；（4）步进电动机步距角与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，可用下式表示：式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2。对于上图所示的单定子、径向分相、反应式步进电动机，当它以三相三拍通电方式工作时，其步距角为若按三相六拍通电方式工作，则步距角为4．2．2步进电动机的驱动电源由步进电动机的工作原理知道，要使电动机正常的一步一步地运行，控制脉冲必须按一定的顺序分别供给电动机各相，例如三相单拍驱动方式，供给脉冲的顺序为A→B→C→A或A→C→B→A，称为环形脉冲分配。脉冲分配有两种方式：一种是硬件脉冲分配（或称为脉冲分配器），另一种是软件脉冲分配，是由计算机的软件完成的。环形分配器可用数字集成电路系列中的基本门电路和触发器构成，但这样构成的环形分配器过于复杂。实用的环形分配器均是集成化的专用电路芯片，这些芯片通常还包括除脉冲分配控制之外的其他功能2．软件脉冲分配在计算机控制的步进电动机驱动系统中，可以采用软件的方法实现环形脉冲分配。软件环形分配器的设计方法有很多，如查表法、比较法、移位寄存器法等，它们各有特点，其中常用的是查表法。单片机控制的步进电动机驱动电路框图P1口的三个引脚经过光电隔离、功率放大之后，分别与电动机的A、B、C三相连接。当采用三相六拍方式时，电动机正转的通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A；电动机反转的顺序为A→AC→C→CB→B→BA→A。它们的环形分配如表6-2所示。把表中的数值按顺序存入内存的EPROM中，并分别设定表头的地址为TAB0，，表尾的地址为TAB5。计算机的P1口按从表头开始逐次加1的顺序变化，电动机正向旋转。如果按从TAB5，逐次减1的顺序变化，电动机则反转。步序导电相工作状态数值（16进制）程序的数据表正转反转 CBA TABA00101HTAB0DB01HAB01103HTAB1DB03HB01002HTAB2DB02HBC11006HTAB3DB06HC10004HTAB4DB04HCA10105HTAB5DB05H计算机的三相六拍环形分配表1)步进电动机的主要特性(1)步距角步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度，它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为0.5～３°步距角越小，数控机床的控制精度越高。4.2.4步进电动机的主要特性及选用2）矩角特性、最大静态转矩Mjmax矩角特性是步进电机的一个重要特性，它是指步进电机产生的静态转矩与失调角的变化规律。空载时，若步进电机某相绕组通电，根据步进电机的工作原理，电磁力矩会使得转子齿槽与该相定子齿槽相对齐，这时，转子上没有力矩输出。如果在电机轴上加一逆时针方向的负载转矩M，则步进电机转子就要逆时针方向转过一个角度θ才能重新稳定下来，这时转子上受到的电磁转矩和负载转矩相等。我们称为静态转矩Mj，θe为失调角。不断改变值M，对应的就有Ｍ值及角θe，得到与的曲线，如图所示。我们称曲线Mj=f（θ）为转矩—失调角特性曲线，或称为矩角特性。步进电动机静态矩角特性曲线3）启动转矩Ｍq图中曲线A和曲线B的交点所对应的力矩是电机运行状态的最大启动转矩。当负载力矩Mf小于Ｍq时，电机才能正常启动运行，否则，将造成失步，电机也不能正常启动。一般地，随着电机相数的增加，由于矩角特性曲线变密，相邻两矩角特性曲线的交点上移，Mq会使增加；改变m相m拍通电方式为m相2m拍通电方式，同样会使得以提高。3）空载启动频率fq空载时，步进电机由静止突然启动,并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。空载启动时，步进电动机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。4）连续运行的最高工作频率fmax步进电机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率，称为最高工作频率fmax。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决定了步进电机的最高转速。5）矩频特性与动态转矩矩频特性Md=F(f)所描述的是步进电动机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系。如图所示，该特性曲线上每一频率所对应的转矩为动态转矩。可见，动态转矩的基本趋势是随连续运行频率的增大而降低。步进电动机的矩频特性曲线6）加减速特性步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；同样，从最高工作频率或高干突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。我们用加速时间常数和减速时间常数来描述步进电机的升速和降速特性，2.步进电动机的选择选择步进电动机时可从以下几个方面考虑。(1)数控机床中常使用的步进电动机按结构可分为反应式和永磁反应式步进电动机，按相数可分为三相、四相和五相等步进电动机，按输出力矩可分为伺服式(功率较小)和功率式(功率较大)步进电动机。数控机床上大多使用功率式步进电动机。反应式步进电动机(如110BF，130BF，150BF)的价格低于永磁反应式步进电动机，但性能上不如永磁反应式步进电动机。在选择步进电动机时，首先要确定步进电动机的类型。(2)根据机床的加工精度要求，选择进给轴的脉冲当量，如0．01nltn或0．005mm。(3)根据所选步进电动机的步距角、丝杠的螺距以及所要求的脉冲当量，计算减速齿轮的降速比。采用减速齿轮具有如下优点：①容易配置出所要求的脉冲当量；②减小工作台和丝杠折算到电动机轴上的惯量；③增大工作台的推力。但采用减速齿轮会带来额外的传动误差，使机床的快速移动速度降低，而且它自身又引入附加的转动惯量。(4)电动机在最快移动速度时，由矩频特性决定的电动机输出转矩要大于负载转矩，并留有余量。通常负载转矩应小于0．2--0．3倍的电动机最大静转矩。(5)步进电动机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系。通常步进电动机的带载启动频率应小于空载启动频率的一半。提高步进伺服系统精度的措施（补）步进式伺服系统是一个开环系统，在此系统中，步进电动机的质量、机械传动部分的结构和质量以及控制电路的完善与否，均影响到系统的工作精度。要提高系统的工作精度，应从这几个方面考虑：如改善步进电机的性能，减小步距角；采用精密传动副，减少传动链中传动间隙等。但这些因素往往由于结构和工艺的关系而受到一定的限制。为此，需要从控制方法上采取一些措施，弥补其不足。1．反向间隙补偿在进给传动结构中，提高传动元件的制造精度并采取消除传动间隙的措施，可以减小但不能完全消除传动间隙。机械传动链在改变转向时，由于间隙的存在，最初的若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用，造成步进电动机的空走，而工作台无实际移动，因此产生了传动误差。反向间隙补偿的基本方法是：事先测出反向间隙的大小并存储，设为Nd；每当接收到反向位移指令后，在改变后的方向上增加Nd个进给脉冲，使步进电机转动越过传动间隙，从而克服因步进电动机的空走而造成的反向间隙误差。（3）当机床工作台移动时，安装在机床上的微动开关每与挡块接触一次，就发出了一个误差补偿信号，对螺距误差进行补偿，以消除螺距的积累误差。2．螺距误差补偿在步进式开环伺服驱动系统中，丝杠的螺距累积误差直接影响着工作台的位移精度，若想提高开环伺服驱动系统的精度，就必须予以补偿。通过对丝杠的螺距进行实测，得到丝杠全程的误差分布曲线。误差有正有负，当误差为正时，表明实际的移动距离大于理论的移动距离，应该采用扣除进给脉冲指令的方式进行误差的补偿，使步进电机少走一步；当误差为负时，表明实际的移动距离小于理论的移动距离，应该采取增加进给脉冲指令的方式进行误差的补偿，使步进电机多走一步。具体的做法是：（1）安置两个补偿杆分别负责正误差和负误差的补偿；（2）在两个补偿杆上，根据丝杠全程的误差分布情况及如上所述螺距误差的补偿原理，设置补偿开关或挡块；伺服电机是转速及方向都受控制电压信号控制的一类电动机，常在自动控制系统用作执行元件。伺服电机分为直流、交流两大类。   直流伺服电机在电枢控制时具有良好的机械特性和调节特性。机电时间常数小，起动电压低。其缺点是由于有电刷和换向器，造成的摩擦转矩比较大，有火花干扰及维护不便。4.3直流、交流伺服电动机4.3.1直流伺服电动机及工作特性1.、直流伺服电动机的结构和工作原理(1)永磁式直流伺服电动机普通型永磁式直流伺服电动机转子的惯量大，调速范围宽，又叫大惯量宽调速永磁式直流伺服电动机。广泛应用在进给直流伺服系统中。　1．直流伺服电机的结构1）普通型直流伺服电机普通型直流伺服电机的结构与他激直流电机的结构相同，由定子和转子两大部分组成。根据励磁方式又可分为电磁式和永磁式两种，电磁式伺服电机的定子磁极上装有励磁绕组，励磁绕组接励磁控制电压产生磁通；永磁式伺服电机的磁极是永磁铁，其磁通是不可控的。与普通直流电机相同，直流伺服电机的转子一般由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内装有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷与外边电枢控制电路相连接。为了提高控制精度和响应速度，伺服电机的电枢铁心长度与直径之比比普通直流电机要大，气隙也较小。当定子中的励磁磁通和转子中的电流相互作用时，就会产生电磁转矩驱动电枢转动，恰当地控制转子中电枢电流的方向和大小，就可以控制伺服电机的转动方向和转动速度。电流为零时，伺服电机则停止不动。普通的电磁式和永磁式直流伺服电机性能接近，它们的惯性较其他类型伺服电机大。2）盘形电枢直流伺服电机　　盘形电枢直流伺服电机的定子由永久磁铁和前后铁轭共同组成，磁铁可以在圆盘电枢的一侧，也可在其两侧。盘形伺服电机转子电枢由线圈沿转轴的径向圆周排列，并用环氧树脂浇铸成圆盘形。盘形绕组通过的电流是径向电流，而磁通是轴向的，径向电流与轴向磁通相互作用产生电磁转矩，使伺服电机旋转。3）空心杯电枢直流伺服电机　　空心杯电枢直流伺服电机有两个定子，一个由软磁材料构成的内定子和一个由永磁材料构成的外定子，外定子产生磁通，内定子主要起导磁作用。空心杯伺服电机的转子由单个成型线圈沿轴向排列成空心杯形，并用环氧树脂浇铸成型。空心杯电枢直接装在转轴上，在内外定子间的气隙中旋转。　4）无槽直流伺服电机　　无槽直流伺服电机与普通伺服电机的区别是无槽直流伺服电机的转子铁心上不开元件槽，电枢绕组元件直接放置在铁心的外表面，然后用环氧树脂浇铸成型。图5-14为无槽直流伺服电机的结构图。　　后三种伺服电机与普通伺服电机相比，由于转动惯量小，电枢等效电感小，因此其动态特性较好，适用于快速系统。2．直流伺服电机的运行特性在忽略电枢反应的情况下，直流伺服电机的电压平衡方程为Ua─电枢上的外加电压；Ra─电枢电阻；Ea─电枢反电势。当磁通恒定时，电枢的反电动势为式中,ke为电动势常数。直流伺服电机的电磁转矩为式中,kt为转矩常数。　　将上述三式联立求解可得直流伺服电机的转速关系式为根据式上式可得直流伺服电机的机械特性和调节特性。　　1）机械特性　　机械特性是指在控制电枢电压保持不变的情况下，直流伺服电机的转速随转矩变化的关系。当电枢电压为常值时，由得到　　(2)当转速为零时，电机的转矩仅与电枢电压有关，此时的转矩称为堵转转矩。堵转转矩与电枢电压成正比，即电枢控制的直流伺服电机的机械特性2）调节特性　　直流伺服电机的调节特性是指负载转矩恒定时，电机转速与电枢电压的关系。当转矩一定时，转速与电压的关系也为一组平行线，如图所示。其斜率为1/ke。当转速为零时，对应不同的负载转矩可得到不同的启动电压U。当电枢电压小于启动电压时，伺服电机将不能启动。直流伺服电机的调节特性⑴静态特性电磁转矩由下式表示:KT—转矩常数；Φ—磁场磁通；Ia—电枢电流；TM—电磁转矩。电枢回路的电压平衡方程式为:Ua─电枢上的外加电压；Ra─电枢电阻；Ea─电枢反电势。电枢反电势与转速之间有以下关系：Ke─电势常数；ω─电机转速（角速度）。根据以上各式可以求得：电机转速与电磁力距的关系称为机械特性当负载转矩为零时：理想空载转速当转速为零时：启动转矩又称为堵转转距当电机带动某一负载TL时电机转速与理想空载转速的差ωO△ω     直流电机的机械特性ω（n）ωOO△ωTSTTL△ω的值表明机械特性的硬度，其值越小，机械特性硬度越高。⑵动态特性直流电机的动态力矩平衡方程式为式中TM─电机电磁转矩；TL─折算到电机轴上的负载转矩；ω─电机转子角速度；J─电机转子上总转动惯量；t─时间自变量。在动态过程中，电机由直流电能转换来的电磁转距TM，克服负载转距后，其剩余部分用于克服机械惯量，产生加速度，以使电机由一种状态过度到另一种状态。为了取得平稳、快速、无震荡、单调性的转速过程，要减小过度时间。为此，小惯量电机采用从结构上减小转子的转动惯量J，大惯量电机采用结构上起动力距TS；3．永磁式直流伺服电机的工作原理及特性(1)永磁式直流伺服电机的性能特点1)低转速大惯量2)转矩大3)起动力矩大4)调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小(2)永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述1)转矩-速度特性曲线（工作曲线）2)负载-工作周期曲线过载倍数Tmd，负载工作周期比d。3)数据表：N、T、时间常数、转动惯量等等。d%80110%120%60130%140%40160%d180%20200%013tR6103060100tR(min)负载-工作周期曲线M/（N-cm）转矩极限1200010000瞬时换向极限8000Ⅲ6000Ⅱ换向极限速度极限4000温度极限2000Ⅰ050010001500n永磁直流伺服电机工作曲线Ⅰ区为连续工作区；Ⅱ区为断续工作区，由负载-工作周期曲线决定工作时间；Ⅲ区为瞬时加减速区根上述关系式，实现电机调速是主要方法有三种：1．调节电枢供电电压U：电动机加以恒定励磁，用改变电枢两端电压U的方式来实现调速控制，这种方法也称为电枢控制；2．减弱励磁磁通φ：电枢加以恒定电压，用改变励磁磁通的方法来实现调速控制，这种方法也称为磁场控制；3．改变电枢回路电阻R来实现调速控制；对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以改变电枢电压的方式最好；改变电枢回路电阻只能实现有级调速，调速平滑性比较差；减弱磁通，虽然具有控制功率小和能够平滑调速等优点，但调速范围不大，往往只是配合调压，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的升速控制。因此，直流伺服电机的调速主要以电枢电压调速为主。要得到可调节的直流电压，常用的方法有以下3种方法：旋转变流机组、静止可控整流器波器和脉宽调制变换器2.交流伺服电动机概述　　1)交流伺服电机的分类和特点　　交流感应电机按所用电源种类可以分为三相和单相两种。从结构上可分为带换向器和不带换向器的两种。通常多用不带换向器的三相感应电机，其结构是定子上装有对称三相绕组，而在圆柱体的转子铁芯上嵌有均匀分布的导条，导条两端分别用金属环连成一个整体(称笼式转子)，因此这种电机也称笼式电机。当对称三相绕组接三相电源后，由电源提供励磁电流，在定子和转子之间的气隙内建立起同步转速的旋转磁场，依靠电磁感应作用，在转子导条内产生感应电势，因为转子上的导条已构成闭合回路，转子导条中就有电流流过，从而产生电磁转矩，实现由电能转变成机械能的能量变换。交流同步电机与感应电机的最大差别是同步电机的转速与电源的频率之间存在严格的关系，即在电源电压和频率固定不变时，其转速保持稳定不变。因此，由变频电源供电给同步电机时，便可获得与频率成正比的可变转速，调速范围宽，机械特性硬。　　交流同步电机的定子结构与感应电机一样，而转子结构不一样。在数控机床进给驱动中常采用永磁式同步电机，即转子用永磁式结构。永磁式的优点是结构简单，运行可靠，效率较高。若永磁式转子采用高剩磁感应、高矫顽力的稀土类磁铁等，可比直流电机的外形尺寸约减小1/2，重量减轻60%，转子惯量减到原来惯量的1/5。与异步电机相比，由于采用永磁铁励磁消除了励磁损耗和杂散损耗，所以效率高。通常永磁交流伺服电机是指永磁同步电机。　　2)永磁交流伺服电机的结构及工作原理永磁交流伺服电机结构示意如图所示。由图可见，永磁交流伺服电机主要由三部分组成：定子、转子和检测元件。其中定子具有齿槽，内有三相绕组，形状与普通感应电机的定子相同。但其外部表面呈多边形，并且无外壳，这有利于散热，可以避免电机发热对机床精度的影响。转子由多块永久磁铁等组成，这种结构的优点是气隙磁密较高，极数较多。永磁交流伺服电机永磁交流伺服电机工作原理图3)交流伺服电动机调速原理根据交流电动机的工作原理，当电机定子三相绕组通三相交流正弦电源时，将建立旋转磁场，其主磁通Φm的空间转速称为同步转速n0。其值为若电机的实际转速为n，则电机的转差率为故式中f为电源电压频率；p为电机磁极对数。(1)改变磁极对数p调速。磁极对数可变的交流电动机称为多速电动机。通常磁极对数设计成4/2、8/4、6/4、8/6/4等几种。显然，磁极对数只能成对地改变，转速只能成倍地变化。(2)改变转差率s调速。这种方法只能在绕线式异步电动机中使用。在转子绕组回路中串入电阻，通过改变电阻值的大小，可以改变转差率的大小。串入电阻值大，转差率大，转速低；串入电阻值小，转差率小，转速高。调速系统的调速范围为3∶1。(3)改变频率f调速。如果电源频率能平滑调节，电机转速也就可以平滑改变。目前，高性能交流电动机伺服驱动系统都采用改变频率调速方法，这是一种先进的调速方法，电机从高速到低速其转差率都很小，因而变频调速的效率和功率因数都很高。4)变频调速技术　　对交流电动机实现变频调速的装置叫变频器，其功能是将电网电压提供的恒压恒频(CVCF，ConstantVoltageConstantFrequency)交流电变换为变压变频(VVVF，VariableVoltageVariableFrequency)交流电。变频器有交-交变频器与交-直-交变频器两大类，结构对比如图4-18所示，性能对比见表4-6。图4-18两种类型变频器(a)交-交变频器；(b)交-直-交变频器表4-6交-交变频器与交-直-交变频器的主要特点比较　　1.正弦波脉宽调制(SPWM)原理　正弦波脉宽调制(SPWM)变频器是使用最广泛的PWM调制方法，属于交-直-交变频装置，将50Hz交流电经整流变压器变压到所需电压，经二极管整流和电容滤波，形成直流电压，再送入6个大功率晶体管构成的逆变器主电路，输出三相频率和电压均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波(SPWM波).　　SPWM逆变器可产生正弦脉宽调制波(SPWM)波形，主要是通过一个正弦波得到2N个等高而不等宽的脉冲序列，与正弦波等效，如图所示。SPWM波的产生原理是将正弦波作为调制波对等腰三角波进行调制，经倒相后可得6路SPWM信号。图4-20与正弦波等效的矩形脉冲序列　　2.矢量变换控制的SPWM调速系统　　矢量控制是一种新型控制技术，这种技术的应用使交流调速系统的静、动态性能接近或达到了直流电机的高性能。在数控机床的主轴与进给驱动中，矢量控制应用日益广泛，并有取代直流驱动的趋势。　　直流电动机能获得优异的调速性能，其根本原因是与电机电磁转矩相关的是两个互相独立的变量磁通Φ和电流Id。然而，交流电动机却不一样，其定子与转子间存在着强烈的电磁耦合关系，不能形成像直流电机那样的独立变量，而是一个高阶、非线性、强耦合的多变量控制系统。矢量变换控制调速系统应用了适于处理多变量系统的现代控制理论及坐标变换和反变换等数学工具，能够建立起一个与交流电动机等效的直流电动机模型，通过对该模型的控制，可实现对交流电动机的控制，从而得到与直流电机相同的优异控制性能。　　如果利用“等效”的概念，将三相交流电机输入电流变换为等效的直流电机中彼此独立的电枢电流和励磁电流，然后和直流电机一样，通过对这两个量的反馈控制，实现对电机的转矩控制；再通过相反的变换，将被控制的等效直流电机还原为三相交流电机，那么，三相电机的调速性能就完全体现了直流电机的调速性能，这就是矢量控制的基本构思。　　矢量变换控制的SPWM调速系统，是将通过矢量变换得到相应的交流电动机的三相电压控制信号作为SPWM系统的给定基准正弦波，以实现对交流电动机的调速。该系统实现了转矩与磁通的独立控制，控制方式与直流电动机相同，可获得与直流电动机相同的调速控制特性，满足了数控机床进给驱动的恒转矩、宽调速的要求，也可以满足主轴驱动中恒功率调速的要求，在数控机床上得到了广泛应用。　　矢量变换调速系统的主要特性如下：　　(1)速度控制精度和过渡过程响应时间与直流电动机大致相同，调速精度可达±0.1%。　　(2)自动弱磁控制与直流电动机调速系统相同，弱磁调速范围为4∶1。　　(3)过载能力强，能承受冲击负载、突然加减速和突然可逆运行，能实现四象限运行。　　(4)性能良好的矢量控制的交流调速系统比直流系统效率高约2%，不存在直流电机换向火花问题。