数控机床的伺服系统68691.ppt

1、数控机床的伺服系统,第一节 概述 第二节 速度控制 第三节 位置控制,第一节 概述,数控机床伺服系统是数控系统的重要组成部分，它是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。在数控机床中，伺服系统是数控装置和机床主机的联系环节，接收CNC装置插补器(由硬件或软件组成)发出的进给脉冲或进给位移量信息，经过变换和放大由伺服电机带动传动机构，最后转化为机床的直线或转动位移。 一、伺服系统的组成 二、对伺服系统的基本要求 三、伺服系统分类 四、伺服电动机,一、伺服系统的组成,数控伺服系统由伺服电机(M)、驱动信号控制转换电路、电力电子驱动放大模块、

2、电流调解单元、速度调解单元、位置调解单元和相应的检测装置(如光电脉冲编码器G)等组成。一般闭环伺服系统的结构如图所示。这是一个三环结构系统，外环是位置环，中环是速度环，内环为电流环。位置环由位置调节控制模块、位置检测和反馈控制部分组成。速度环由速度比较调节器、 速度反馈和速度检测装置(如测速电机、光电脉冲编码器等)组成。电流环由电流调节器、电流反馈和电流检测环节组成。位置控制主要用于进给运动坐标轴，对进给袖的控制是要求最高的位置控制，不仅对单个轴的运动速度和位置精度的控制有严格要求，而且在多轴联动时，还要求各进给运动轴有很好的动态配合，才能保证加工精度和表面质量。位置控制功能包括位置控制、速度

3、控制和电流控制。速度控制功能只包括速度控制和电流 控制，一般用于对主运动坐标轴的控制。,二、对伺服系统的基本要求,1精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。作为数控加工，对定 位精度和轮廓加工精度要求都比较高，定位精度一般允许的偏差为0.010.001mm，甚至 0.1um。轮廓加工精度与速度控制、联动坐标的协调一致控制有关。在速度控制中，要求较高的调速精度，具有比较强的抗负载扰动能力。即对静态、动态精度要求都比较高。,对伺服系统的基本要求,对伺服系统的基本要求,3快速响应 快速响应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。为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面租糙度

4、，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。一 方面要求过渡过程(电机从静止到额定转速)的时间要短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒，另一方面要求超调要小。这二方面的要求往往是矛盾的，实际应用中要采取一定措施， 按工艺加工要求做出一定的选择。,对伺服系统的基本要求,4调速范围宽 调速范围Rn是指生产机械要求电机能提供额定负载时的最高转速Nmax和最低转速 Nmin之比。由于加工用刀具，被加工材质及零件加工要求的不同，伺服系统需要具有足够宽的调速范围。目前，先进的水平是，在分辨率为1um的情况下。进给速度范围为0 240m/min，且无级连续可调。但对于一般的数控机床而言，要求进给伺服系统在02

5、4m/min 进给速度范围内都能工作就足够了。伺服控制系统的总体控制效果是由位置控制和速度控制一起决定的(也包括电流控制)。对速度控制不过分地追求像位置控制那么大的控制范围。否则，速度控制单元将会变得相当复杂。这将提高成本，又将降低可靠性。主轴伺服系统主要是速度控制，它要求低速(额定转速以下)恒转矩调速具有1：1001：1000 调速范围，高速(额定转速以上)恒功率调速具有1：10以上的调速范围。,对伺服系统的基本要求,5低速大转矩 机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制。在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺

6、服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控 制，具有足够大的输出功率。,三、伺服系统分类,1按调节理论分类 (1)开环伺服系统 开环伺服系统(见图62)只有指令信号的前向控制通道。没有检测反 馈控制通道，其驱动元件主要是步进电机。这种系统工作原理是将指令数字脉冲信号转换为电机的角度位移。实现运动和定位，主要靠驱动装置和步进电机本身来保证。转过的角度正比于指令脉冲的个数；运动速度由进给脉冲的频率决定。开环系统的结构简单，易于控制。一般来说。精度差、低速不平稳、高速扭矩小。主要用于轻载、负载变化不大或经济型数控机床上。,开环系统框图 1按调节理论分类,1按调节理论分类,(2)闭

7、环伺服系统 闭环系统是误差控制随动系统。数控机床进给系统的控制量是CNC 输出的位移指令和机床工作台(或刀架等)实际位移的差值(误差)。因此需要有位置检测装置。该装置放在工作台上，测出各坐标轴的实时位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给CNC装置，与指令进行比较，求得误差，CNC装置控制机床向着消除误差的方向运动。在闭环控制中还引入了实际速度与给定速度比较调解的速度环(其内部有电流环)，作用是对电机运行状态实时进行校正、控制，达到速度稳定和变化平稳的目的，从而改善位置环的控制品质。这种既有指令的前向控制通道，又有测量输出的反馈控制通道，构成了闭环伺服系统（见图63）。,闭环系统说明 1按调节

8、理论分类,从理论上讲，全闭环伺服系统(以下称闭环系统)的精度取决于测量装置的精度，反馈测量装置精度很高，环内各种机电误差都可以得到校正和补偿，从而使系统具有很高的跟随精度和定位精度。但这并不意味着可降低肘机床结构和传动装置的要求，其各种非线性(摩擦特性、刚性、间隙)都会影响调解品质。只有机械装置具有较高精度时，才能保证该系统的高精度、高速度。闭环系统的缺点是调试、维修较困难。主要用于精密、大型数控设备上。,1按调节理论分类,(3)半闭环系统 位置检测元件从最终运动部件(如工作台)移到电机轴端或丝杠轴端，见图6.4。半闭环系统通过角位移的测量间接计算出工作台的实际位移量。机械传动部件不在控制环内

9、，容易获得稳定的控制特性。只要检测元件分辨率高、精度高，并使机械传动件具有相应的精度，就会获得较高精度和速度。半闭环控制系统的精度介于开环和闭环系统之间。精度虽没有闭环高，调试却比闭环方便， 因此获得广泛使用。 图6.4中，光电脉冲编码器为检测元件(一般用于位置检测)。在这里，该器件既用来检测位移量，又用于检测速度量(经过转换)。这是半闭环中广泛使用的一种检测方案。,半闭环系统框图 1按调节理论分类,2按使用的执行元件分类,(1)电液伺服系统 电液伺服系统的执行元件通常为电液脉冲马达和电液伺服马达，其前 一级为电气元件，驱动元件为液动机和液压缸。数控机床发展的初期，多数采用电液伺服系 统，电液

10、伺服系统具有在低速下可以得到很高的输出力矩，以及刚性好、时间常数小、反应快 和速度平稳等优点。然而，液压系统需要油箱、油管等供油系统，体积大。此外，还有噪声、 漏油等问题。,2按使用的执行元件分类,(2)电气伺服系统 电气伺服系统的执行元件为伺服电机(步进电机、直流电机和交流电机)，驱动单元为电力电子器件，操作维护方便，可靠性高。现代数控机床均采用电气伺服系 统。 1)直流伺服系统 直流伺服系统的进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机。大惯量直流伺服电机具有良好的调速性能，输出转矩大，过载能力强。由于电机自身惯量较大，容易与机床传动部件进行惯量匹配，所构成的闭环系统

11、易于调 整。中小惯量直流伺服电机用减少电枢转动惯量的方法获得快速性。中小惯量电机般都设计 成有高的额定转速和低的惯量、应用时，要经过机械减速传动来达到增大转矩和与负载进行惯量匹配的目的。该系统的缺点是电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格较贵。,2按使用的执行元件分类,2)交流伺服系统 交流伺服系统使用交流异步伺服电机(一般用于主轴伺服系统)和 永磁同步伺服电机(一般用于进给伺服系统)。直流伺服电机使用机械(电刷、换向器)换向，存在着一些固有的缺点，使其应用受到限制。80年代以后，由于交流伺服电机的材料、结构、 控制理论和方法均有突破性的进展，电力电子器件的发展又为控制与方法的实现创

12、造了条件， 使得交流驱动装置发展很快，目前已取代了直流伺服系统。该系统的最大优点是电机结构简单、不需要维护、适合在恶劣环境下工作。此外，交流伺服电机还具有动态响应好、转速高和容量大等优点。 当今交流伺服系统已实现了全数字化，其性能更加优越。,3按被控对象分类,(1)进给伺服系统 进给伺服系统是指般概念的位置伺服系统，它包括速度控制环和位 置控制环。进给伺服系统控制机床各进给坐标轴的进给运动，具有定位和轮廓跟踪功能，是数 控机床中要求最高的伺服控制。,3按被控对象分类,(2)主轴伺服系统 一般的主轴伺服系统只是一个速度控制系统。控制主轴的旋转运动， 提供切削过程中的转矩和功率，完成在转速范围内的

13、无级变速和转速调节。当主轴伺服系统要 求有位置控制功能时(如数控车床类机床)，称为C轴控制功能。这时，主轴与进给伺服系统 一样，为一般概念的位置伺服控制系统。 此外，刀库的位置控制是为了在刀库的不同位置选择刀具，与进给坐标轴的位置控制相 比，性能要低得多，故称为简易位置伺服系统。,4按反馈比较控制方式分类,(1)脉冲、数字比较伺服系统 该系统是闭环伺服系统中的一种控制方式。它是将数控装 置发出的数字(或脉冲)指令信号与检测装置测得的以数字(或脉冲)形式表示的反馈信号直接进 行比较，以产生位置误差，达到闭环控制。 脉冲、数字比较伺服系统结构简单，容易实现，整机工作稳定应用十分普遍。,4按反馈比较

14、控制方式分类,(2)相位比较伺服系统 在该伺服系统中，位置检测装置采用相位工作方式。指令信号与 反馈信号都变成了某个载波的相位，通过两者相位的比较，获得实际位置与指令位置的偏差， 实现闭环控制。 相位比较伺服系统适用于感应式检测元件(如旋转变压器，感应同步器)的工作状态，可以 得到满意的精度o (3)幅值比较伺服系统 幅值比较伺服系统以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此信号作为位置反馈信号，一般还要进行幅值信号和数字信号的转换，进而获得位 置偏差构成闭环控制系统。,4按反馈比较控制方式分类,在以上三种伺服系统中，相位比较和幅值比较系统从结构上和安装维护上都比脉冲、数字 比较系统

15、复杂和要求高，所以一般情况下，脉冲、数字比较伺服系统应用广泛o (4)全数字伺服系统 随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的 伺服系统已采用高速、高精度的全数字伺服系统。即由位置、速度和电流构成的三环反馈控制 全部数字化，使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字化方式。该类伺服系统具有使 用灵活、柔性好的特点。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控 制精度和品质大大提高。,四 伺服电动机,伺服电动机(简称伺服电机)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。伺服系统的设计、调试与选用的电机及其特性有密切关系，直接影响伺服系统的静、动

16、态 品质。在数控机床中常用的伺服电机有；直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机和直线电机 等。,1直流伺服电机的结构和工作原理,(1)永磁直流伺服电机 普通型永磁直流伺服电机的转子惯量大，调速范围宽，所以也叫做大惯量宽调速永磁直流伺服电机，广泛用在进给直流伺服 系统中。永磁直流伺服电机(见图65)由机壳、磁极(定子)、电 枢(转子)和换向器等组成。,1直流伺服电机的结构和工作原理,反馈用的检测元件有测速发电机、旋 转变压器和光电脉冲编码器，这三种检测元件之一均可安装在电 机的尾部。定子磁极是一个永久滋体，由此建立磁场。高性能直 流电机采用稀土永磁材料。磁极的形状大都为瓦状结构，并加上极靴或磁轭，

17、以聚集气隙磁通；电枢由有槽铁芯和绕组两部分组成，属于转动部分，换向器由 电刷、换向片等组成，它的作用是将外加的直电流电源引向电枢绕组，完成换向工作。,1直流伺服电机的结构和工作原理,无槽永磁直流伺服电机的铁心为无槽平滑圆柱体。电枢绕组为成型的线圈元件组成，直接 绑扎分布在电枢铁心表面上，该电机转矩脉动小；杯型电枢永磁直流伺服电机的电枢由漆包线 编织成杯型(称为动圈转子)，这种电机非常轻巧，电气时间常数小；印刷绕组电枢水磁直流伺 服电机的名称起源于其电枢的制作应用一般印刷电路的制作方法，目前，该方法早已被先进的冲制技术所代替。该电机的电枢圆盘很轻、惯量很小。,(2)直流主轴伺服电机的结构,直流主

18、轴电机为他激式。其结构示意图如图66所示，直 流主轴电机由定子和转子两大部分组成。转子由电枢绕组和换向器组成。定子由主磁极和换向极组成。有的主袖电机在主磁极上不但有主 磁极绕组，还带有补偿绕组。这类电机在结构上的特点是，为 了改善换向性能，在电机结构上都有换向极；为缩小体积，改 善冷却效果，采用了轴向强迫通风冷却或“热管”冷却。电机 的主磁极和换向极都采用矽钢片叠成，以便在负荷变化或在加 速、减速时有良好的换向性能。,(2)直流主轴伺服电机的结构,（3）永磁直流伺服电机的性能特点,1)低转速大惯量 这种电机具有较大的惯量，电机的额定转速较低。可以直接和机床的进给传动丝杆相连，因而省掉了减速机构

19、。2)转矩大 该电机输出转矩比较大，特别是低速时转矩大。能满足数控机床在低速时， 进行大吃刀量加工的要求。加大力矩采取的措施：选用高导磁的磁性材料。 3)起动力矩大 具有很大的电流过载倍数，起动时，加速电流允许为额定电流的10倍， 因而快速性好。 4)调速范围大，低速运行平稳，力矩波动小该电机转子的槽数增多，并采用斜槽，使 低速运行平稳(如在0.1rmin的速度运行)。,2 交流伺服电机及工作特性,直流伺服电机具有优良的调速性能，但却存在一些固有的缺点。如它的电刷和换向器易磨 损。需要经常维护；由于换向器换向时会产生火花，使电机的最高转速受到限制，也使应用环 境受到限制；而且直流电机的结构复杂

20、，制造因难，所用铜铁材料消耗大，制造成本高。而交 流伺服电机没有上述缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应好。一般来说，在同样体积下，交流伺服电机的输出功率可比直流伺服电机提高l070。另外，交流伺服电机的 容量可比直流伺服电机造得大，可达到更高的电压和转速。20世纪80年代以来，交流伺服电机广泛用在数控机床上，并取代了直流伺服电机。在交流伺服系统中采用同步型交流伺服电机 和异步型交流感应伺服电机。,交流异步(感应)伺服电机结构简单，制造容量大。主要用在主轴驱动系统中。交流同步伺服电机可方便地获得与频率成正比的可变速度，可以得到非常好的机构特性和很宽的调运范 围，在电源电压和频度固定不变时

21、，它的转速是稳定不变的。主要用在进给驱动系统中。 交流同步伺服电机分为励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式等四种。前两种输出功率范围较宽，后两种输出功率小。各种交流同步伺服电机的结构均类似，都由定子和转子两个主要部分组成。四种电机的转子差别较大，励碰式同步伺服电机转子结构较复杂，其它三种同步伺服电机转子结构十分简单，滋阻式和磁滞式同步伺服电机效率低，功率因数差。永磁式交流同步伺服电机结构简单、运行可靠、效率高，所以在数控机床进结驱动系统中多数采用永磁交流同步 伺服电机。,(1)永磁交流同步伺服电机结构,永磁交流同步伺服电机由定子、转子和检测元件三部分组成。结构原理见图6.11。电枢在定子上，定子具有

22、齿槽，内有三相交流绕组，形状与普通交流感应电机的定子相同。但采取了许多改进措施，如非整数节距的绕组、奇数的齿槽等。这种结构优点是气隙滋密度较高，极数较多。电机外形呈多边形，且无外壳。转子由多块永磁铁和冲片组成，磁场波形为正弦波。转子结构中还有一类是星形转子，采用矩形磁铁或整体星形磁铁。检测元件(脉冲编码器或旋转变压器)安装在电机轴上，它的作用是检测出转子磁场相对于定子绕组的位置。,永磁交流同步伺服电机结构图,（2）工作原理,永磁交流同步伺服电机的工作原理 ，即转子磁场与定子磁场相互作用的原理。转子磁场由转子永久磁铁产生。永磁交流同步伺服电机的工作原理很简单，与励磁式交流同步电机类似，即转子磁场

23、与定 子磁场相互作用的原理。所不同的是，转子磁场不是由转子中激磁绕组产生，而是由转子永久 磁铁产生。具体是：当定子三相绕组通上交流电后，就产生一个旋转磁场，该旋转磁场以同步 转速n。旋转(见图612)。,（2）工作原理,根据磁极的同性相斥，异性相吸的原理，定子旋转磁极就要与转子 的永久磁铁磁极互相吸引住，并带着转子一起旋转。因此，转子也将以同步转数n。与定子旋 转磁场一起旋转。当转子轴上加有负载转矩之后，将造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不一致 (不重合)，相差一个角，负载转矩变化，角也变化。只要不超过一定界限，转子仍然跟着定子以同步转数旋转。,（2）工作原理,（2）工作原理,永磁交流同步电机有

24、一个问题是起动困难。这是由于转子本身的惯量以及定、转子磁场之 间转速相差太大，使在起动时，转子受到的平均转矩为零，因此不能自起动。解决这个问题不 用加起动绕组的办法，而是在设计中设法减低转子惯量，以及在速度控制单元中采取先低速后 高速的控制方法等来解决自起动问题。,（3）永磁交流同步伺服电机的性能,永磁交流同步伺服电机的性能同直流伺服电机一样，也用特性曲线和数据表来表示。当 然，最主要的是转矩速度特性曲线，如图613所示。在连续工作区(区)，速度和转矩的 任何组合，都可连续工作。但连续工作区的划分受到一定条件的限制。连续工作区划定的条件 有两个：一是供给电机的电流是理想的正弦波；二是电机工作在

25、某一特定温度下。断续工作区 (区)的范围更大，尤其在高速区，这有利于提高电机的加、减速能力。,（3）永磁交流同步伺服电机的性能,一 步进电动机的工作原理,步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的位移或线位移的电磁装置。其转子的转角（或位移）与输入的电脉冲数成正比，它的转速与单位时间内输入脉冲数成正比，而运动方向是由步进电机通电顺序决定的。,63 速度控制,速度控制系统是数控伺服系统中的重要组成部分，它由速度控制单元、伺服电机、速度检 测装置(由速度传感器、信号处理电路和软件组成)等构成。速度控制主要是完成对伺服电机的 调速和稳速。 数控机床的驱动系统由主运动和进给运动组成。进给驱动和主轴驱动有很

26、大差别。,进给运动驱动电机,进给运动驱动电机的功率与主运动电机的功率相比较小，但是数控机床上加工零件的尺寸 和形位精度主要靠进给运动的准确度来保证，进给运动系统不但有速度控制功能，还要有位置 控制功能。所以对进给运动系统要求更为严格。无论是进给运动还是主运动，都有调速的要 求。调速的方法很多，有机械的、液压的和电气的，但以电气方法调速最有利于实现自动化， 并可简化机械结构。,主运动的驱动电机,主运动的驱动电机在低速段能提供大的恒定扭矩，在高速段能提供大的恒定功率，即：具有 高速恒功率、低速恒转矩特性。在进给运动系统中，要求电机的转矩恒定，不随转速改变而变 化，而其功率是随转速增加而增加，所以对

27、进给电机调速应保证在整个速度范围内具有恒转矩 输出特性。 主运动系统中，传统的三相感应电机配上多级变速箱作为主轴驱动的方式巳不能满足要 求。对主轴驱动提出了更高的要求，除了包括主传动电机能输出大的功率和转短、主轴的两个 转向中任一方向都可进行传动和加减速外，还要求主轴伺服系统具有下面的控制功能：,(1)主轴与进给驱动的同步控制 该功能使数控机床具有螺纹(或螺旋槽)加工能力。 (2)准停控制 在加工中心上为了自动换刀，要求主轴能进行高精度的准确位置停止u (3)角度分度控制 角度分度有两种情况：一是固定的等分角位置控制，二是连续的任意 角度控制。任意角度控制属于带位置环的伺服系统控制，如在车床上

28、加工端面螺旋槽，在圆周 面加工螺旋槽等均褐连续的任意角度控制。这时主袖坐标具有了进给坐标的功能，称为“c， 轴控制功能。使主袖具有位置控制功能必需选用带有“c”轴控制的主轴控制系统，也可以用 大功率的进给伺服系统代替主轴伺服系统。 (4)恒线速度控制 为了保证端面加工的表面质量，要求主袖具有恒线速度切削功能。,631 直流进给运动的速度控制,1直流伺服电机的调速原理 他激直流伺服电机(永磁直流伺服电机是他激伺服电机的一种特例)调速方法有两种： (1)改变电枢外加电压 该调速方法是维持电机的激磁磁场恒定，改变加在电机电枢绕组的电压，对电机的转速进 行调节。永磁直流伺服电机的磁场是恒定的，故只能采

29、取这种调速方法。 调速时，由于绝缘材料耐压限制，在额定转数以下进行，改变电压Ua，上式中n0随Ua变化， n为常数，故机械特性是一组平行直线。,(2)改变气隙磁通量 在保持电枢电压恒定情况下，改变激磁绕组的电流，即可改变磁场( )，从而改变电机转 速。因为电机在额定远行条件下，磁场接近饱和，只能弱磁调节。当弱磁时，下降则0 (或n0)上升，即转速高于额定转速，向上调节。当转矩不变，降低，(或n)大大增加，使机械特性变软。一般调磁调速范围小于4：1。上述两种调速方法分别称为恒转矩调速和恒功率调速。调电枢电压时，磁场磁通为额定值，又运行时，允许电枢电流等于额定值则输出转矩TMKTIa为额定值，因此

30、称调电 枢电压为恒转矩调速。调磁控制时，为达到最大出力，可使电枢电流提高，允许达到额定值 但不能超过此值。当减弱磁场时，转矩TM下降，转速升高，维持功率不变，故称为恒功率调 速。,2直流速度控制单元调速控制方式,数控机床伺服系统中，速度按制已经成为一个独立、完整的模块称为速度控制单元。现 在直流速度控制单元较多的采用晶闸管，称为可控硅(SCR) 调速系统和晶体管脉宽调制(PWM)调速系统。这两种调速系统都可作为 永磁直流伺服电机调速的控制电路，调速方法是改变电机电枢电压。直流速度控制单元接收转 速指令信号(多为电压值)，通过速度控制电路变为电机的电枢电压，达到速度调节的目的。,(1)晶闸管调速

31、系统1)系统的组成 图623为晶闸管(可控硅)直流调速系统。该系统由内环一电流环、外环速度环和可控硅整流放大电路等组成。其中电流环的作用是，由电流调节器对惦记电枢回路的滞后进行补偿，使动态电流按所需的规律变化。电流环的指令值来自速度调节器的输出。电流的反馈值由电流传感器取自可控硅整流的主回路，即电动机的电枢回路。经过比较器得出电流误差。,速度环的作用：用速度调节器对电动机的速度误差进行调节，以实现所要求的动态特性。通常采用比例-积分调节器。速度的测量多采用两种元件：一种是测速电机可直接安装在电机轴上，其输出电压的大小即反映了电机的转速。另一种是光电脉冲编码器，也直接安装在电机轴上，编码器发出的

32、脉冲经过频压变换，其输出电压反应了电动机的转速。,2）可控硅整流电路由大功率多个晶闸管组成。整流电路可以是单相半控桥、单相全控桥、三相半波、三相半控桥、三相全控桥等。数控机床中，多采用三相全控桥式反并联可逆电路。三相全控桥晶闸管分两组，每组按三相桥式连接，两相反并联，分别实现正转和反转。每组晶闸管都有两种工作状态，整流和逆变。一组处于整流工作时，另一组处于逆变状态。电机降速时，逆变组工作。,(2)晶体管脉宽调制调速系统,由于大功率晶体管工艺上的成熟和高反压大电流的模块型功率晶体管的商品化，晶体管脉 宽调制型(PWM)的直流调速系统得到了广泛的应用。与可控硅相比，晶体管控制简单开关 特性好。克服

33、了可控硅调速系统的波形脉动，特别是轻载低速调速特性差的问题。,1)晶体管脉宽调制系统的组成原理及特点,上图为PWM调速系统组成原理框图。该系统由控制回路主回路构成，控制部分包括： 速度调节器、电流调节器、固定频率振荡器及三角波发生器、脉冲宽度调制器和基极驱动电路 等；主回路包括：晶体管开关式放大器和功率整流器等。控制部分的速度调节器和电流调节器 与可控硅调速系统一样，同样采用双环控制。不同的只是脉宽调制和功率放大器部分，它们是 PWM调速系统的核心。所谓脉宽调制就是使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下。开关频率保持恒定，用调整开关周期内晶体管导通时间的方法来改变其输出，从而使电动机电枢两 端

34、获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲。脉宽的连续变化，使电枢电压的平均值也连续变化，因而使电机的转速连续调整。 脉宽调制器的作用，就是使电流调节器输出的直流电压电平(按结定指令变化)与振荡器产生的固定频率三角波叠加，然后利用线性组件产生宽度可变的矩形脉冲，经基极的驱动回路放大后加到功率放大器晶体管的基极，控制其开关周期及导通的持续时间。,与可控硅调速系统相比，PWM调速系统的特点如下：,频带宽 晶体管的“结电容”小，因而截止频率高于可控硅，两者相差一个数量级。 元件的截止频率高，可允许系统有较高的工作频率。PWM系统的开关工作频率多数为2kHz， 有的也使用5KHz，这远大于可控硅系统，比转

35、子能跟随的频率高得多，避开了机械共振。 PWM系统与小惯量电机相配时，可以充分发挥系统的性能，获得很宽的频带。整个系统的快速响应好，能结出极快的定位速度和很高的定位精度，适合于起动频繁的场合。电流脉动小 电机负载成感性，电路的电感值与频率成正比关系，因此电流脉动的幅 度随频率的升高而下降。电流的波形系数接近于1。波形系数小(电流的有效峰值与平均值之比)电机内部发热小，输出转矩平稳，对低速加工有利。,电源的功率因数高 可控硅工作时，由于导通角的影响，使交流电源的电流波形发生 畸变，从而降低了电源的功率因数。另外，电流中的高次谐波还对电网造成干扰。随着导通角 的减小，这些情况就更严重。PWM系统的

36、直流电源为不受控制的整流输出，相当于可控硅导 通角最大时的工作状态，整个工作范围内的功率因数可达90。又由于晶体管漏电流小，使功率损耗很小。动态硬度好 PWM系统具有优良的动态硬度，其意思是指伺服系统校正瞬态负载扰动的能力。由于PWM系统的频带宽，系统的动态硬度就越高，而且PWM系统有良好的线性、尤其是接近于零点处的直线性好。,2)脉宽调制器,脉宽调制器的作用是将插补器输出的速度指令转换过来的直流电压量变成具有一定脉冲宽 度的脉冲电压，该脉冲电压随直流电压的变化而变化。在PWM调速系统中，直流电压量为电 流调节器的输出，经过脉宽调制器变为周期固定、脉宽可变的脉冲信号。由于脉冲周期不变， 脉冲宽

37、度改变将使脉冲平均电压改变。 脉冲宽度调制器的种类很多，但从构成来看，都是由两 部分组成，一是调制信号发生器，二是比较放大器。而调制信号发生器都是采用三角波发生器或是锯齿波发生器。,633 交流进给运动的速度控制,1交流伺服电机的调速方法 交流电机转速公式为： 式中：f1一定子电源频率 p一磁极对数；s一转差率。,由此可知交流电机调速方法分为： 对于主运动系统经常采用交流异步电机，上述各种调速方法中，靠改变转差串调速时，因低速转差率大，转差损耗功率也大，故效率低。而绕线电机的串极调速得到较好的应用。变极对数调速只能产生2种或3种速度，不可能做到无级。变频调速从高到低都可以保持有限的转差率，故具

38、有高效率、宽范围和高精度的调速特性。,变频调速的主要环节是为交流电机提供变频变压电源的变频器。变频器可分为交直交 变频器和交交变频器两大类。交直交变频器是先将电网电源输入到整流器，经整流后变 为直流，再经电容或电感或由两者组合的电路滤波后供给逆变器(直流变交流)，输出电压和频率都可变的交流电。交交变频器不经过中间环节，直接将一种频率的交流电变换为另一种频 率的交流电。 目前用得最多是交直交变频器。变频器中的逆变器可分为电压型和电流型两种。在电压型逆变器中，电路的作用是将直流电压切换成等效正弦的一串方波电压。所用的器件多为大 功率晶体管、或可关断晶闸管GTO和绝缘栅双极晶体管等。在PWM变 频器

39、中。通常采用二极管桥式整流器，其输出的直流电压是恒定的，然后经脉宽调制得到可调 的输出电压(变频、变压)。在电流型逆变器中，直流电流被切换成一串方波电流供给交流电机出于电感影响，功率元件一般采用晶闸管，适用于大功率场合。,2正弦脉宽调制(SPWM)变压变频器,正 弦脉宽调制(SPWM)是一种最基本的，应用最广的调速方法。图中给出了SPWM交直 交变压变频器的原理框图，图中整流器UR是不可控的，它的输出电压经电容滤波后形成恒 定幅值的直流电压，加在逆变器UI上。逆变器的功率开关器件采用全控器件(电力晶体管BJT 和绝缘栅双极晶体管IGBT)，按一定规律控制其导通或断开，使输出端获得一系列宽度不等

40、的 矩形脉冲电压波。通过改变脉冲宽度可以控制逆变器输出交流基波(正弦波)的幅值， 通过改变调制周期可以控制输出频率。,2正弦脉宽调制(SPWM)变压变频器,正 弦脉宽调制(SPWM)是一种最基本的，应用最广的调速方法。图中给出了SPWM交直 交变压变频器的原理框图，图中整流器UR是不可控的，它的输出电压经电容滤波后形成恒 定幅值的直流电压，加在逆变器UI上。逆变器的功率开关器件采用全控器件(电力晶体管BJT 和绝缘栅双极晶体管IGBT)，按一定规律控制其导通或断开，使输出端获得一系列宽度不等的 矩形脉冲电压波。通过改变脉冲宽度可以控制逆变器输出交流基波(正弦波)的幅值， 通过改变调制周期可以控

41、制输出频率。,SPWM正弦波变压变频器的特点是：(1)主电路只有一组可控的功率环节，简化了结构。 (2)采用了不可控整流器，使电网功率因数接近于l，且与输出电压无关。 (3)逆变器同时实现调频与调压，系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响。(4)可获得更接近于正弦波的输出电压波形。,6.3 位置控制,位置控制是伺服系统的重要组成部分，是保证位置精度的环节。位置控制按结构分为开环控制和闭环控制两类：按工作原理分为相位控制、幅值控制和数字控制等类。开环控制用于步进电机为执行元件的系统中，其位置精度由步进电机本身保证，相位控制和幅值控制是早期直流伺服系统中使用的控制方法，目前已经不再使用，主

42、要使用的是闭环数字伺服系统的位置控制。,6.4.1 位置控制的基本原理,位置控制环是伺服系统的外环，它接收数控装置插补器每个插补采样周期发出的指令，作为位置环的给定。同时还接收每个位置采样周期测量反馈装置测出的实际位置值，然后与位置给定值进行比较（给定值减去反馈值）得出位置误差，该误差作为速度环的 给定、反馈和误差信号还要进行处理。从完整意义来讲，位置控制包括的速度环和电流环的给定、反馈和误差信号也都需要处理。 作为现代的全数字伺服系统中，不进行D/A转换。位置环、速度环和电流环的给定信号、反馈信号、误差信号，以及增益和其它控制参数，均由系统中的微处理器进行数字处理。这样可以使控制参数达到最优

43、化，因而控制精度高，稳定性好。同时对实现前馈控制、自适应控制、智能控制等现代先进控制方法都十分有利。,6.4.2 数字脉冲比较位置控制伺服系统,1、数字脉冲比较位置控制系统的组成数字脉冲比较是构成闭环和半闭环位置控制的一种常用方法。在半闭环伺服系统中，经常采用由光电脉冲编码器等组成的位置检测装置；在闭环伺服系统中，多采用光栅及其电路作为位置检测装置。通过检测装置进行使置检测和反馈，实现脉冲比较。图649为数字脉冲比较位置控制的半闭环伺服系统。该系统中位置环包括：光电脉冲编码器、脉冲处理电路和比较器环节等。,2位置环的工作原理,位置环的工作按负反馈、误差原理工作。有误差就运动，没误差就停止。具体

44、如下：(1)静止状态时，指令脉冲F0，工作台不动，则反馈脉冲Pf为零，经比较器，得误差 (也称偏差)eFPf0 。即速度环(在图中伺服、放大器环节中)给定为零伺服电机不转， 工作台仍处于不动静止状态。,(2)指令为正向脉冲时，F0，工作台在没有移动之前，反馈脉冲Pf仍为零，经比较器 比较，e=F-Pf0，则速度控制系统驱动电机转动，使工作台向正向进给，随着电机的运转，检测出的反馈脉冲信号通过采样进入比较器，按负反馈原理，误差减小。如没有滞后，一个插补周期给定和反馈脉冲应该相等，但误差一定存在，有误差就运动。当误差为零时，工作台达到指令所规定的位置。如按插补周期不断地给指令，工作台就不断地运动。

45、误差为一个稳 定值时，工作台为恒速运动。加速时，指令值由零不断增加，误差也不断加大使工作台加速运动。减速时因误逐渐差减小，使工作台减速运动。,(3)指令为负向脉冲时，F0，其控制过程与指令为正向脉冲时类似。只是此时e F-Pf0，使工作台向反向进给。(4)比较器输出的位置偏差信号是一个数字量，对于模拟控制的速度环要进行DA变换， 才能变为模拟给定电压，使速度控制环工作。,643 全数字控制伺服系统,随着计算机技术、电子技术和现代控制理论的发展，数控伺服系统向着交流全数字化方向 发展。交流系统取代直流系统，数字控制取代模拟控制。全数字数控是用计算机软件实现数控 的各种功能，完成各种参数的控制。在

46、数控伺服系统中，主要表现在位置环、速度环和电流环 的数字控制。现在，不但位置环的控制数字化，而且速度环和电流环的控制也全部数字化。数 字化控制发展的关键是依靠控制理论及算法、检测传感器、电力电子器件和微处理器功能等的发展。,图为全数字控制伺服系统的原理图。图中，电流环、位置环均设有数字化测量传感器；速度环的测量也是数字化测量，它是通过位置测量传感器得出(这是一种常用方法，如使用脉冲编码器就能做到两用)。从图中还可以看到，速度控制和电流控制是由专用CPU(在图中 “进给控制”框)完成。位置反馈、比较等处理工作通过高速通讯总线由“位控CPU”完成。其位置偏差再由通讯总线传给速度环。此外，各种参数控制及调节也由微处理器实现，特别是正弦脉宽调制变频器的矢量变换控制更是由微处理器完成。,