1、xx 学院毕业设计（论文）1第1章 绪论1-1 选题背景与意义数 控 技 术 也 叫 计 算 机 数 控 技 术 （ CNC， Compute Numerical Control） ， 目 前 它 是 采用 计 算 机 实 现 数 字 程 序 控 制 的 技 术 。数 控 技 术 是 机 械 加 工 自 动 化 的 基 础 ， 是 数 控 机 床 的 核 心 技 术 ， 其 水 平 高 低 关 系 到国 家 战 略 地 位 和 体 现 国 家 综 合 国 力 的 水 平 ， 数 控 技 术 的 广 泛 应 用 给 传 统 的 制 造 业 的 生产 方 式 ， 产 品 结 构 带 来 了 深 刻
2、 的 变 化 。 也 给 传 统 的 机 械 ， 机 电 专 业 的 人 才 带 来 新 的 机遇 和 挑 战 。 我 国 经 济 全 面 与 国 际 接 轨 ， 并 逐 步 成 为 全 球 制 造 中 心 ， 我 国 企 业 广 泛 应 用现 代 化 数 控 技 术 参 与 国 际 竞 争 。 数 控 技 术 是 制 造 实 现 自 动 化 ， 集 成 化 的 基 础 ， 是 提 高产 品 质 量 ， 提 高 劳 动 生 产 率 不 可 少 的 物 资 手 段 。数 控 机 床 的 伺 服 驱 动 系 统 作 为 一 种 实 现 切 削 刀 具 与 工 件 间 运 动 的 进 给 驱 动 和
3、 执 行机 构 ， 是 数 控 机 床 的 一 个 重 要 组 成 部 分 ， 它 在 很 大 程 度 上 决 定 了 数 控 机 床 的 性 能 ， 如数 控 机 床 的 最 高 移 动 速 度 、 跟 踪 精 度 、 定 位 精 度 等 一 系 列 重 要 指 标 取 决 于 伺 服 驱 动 系统 性 能 的 优 劣 。 因 此 ， 随 着 数 控 机 床 的 发 展 ， 研 究 和 开 发 高 性 能 的 伺 服 驱 动 系 统 ， 一直 是 现 代 数 控 机 床 研 究 的 关 键 技 术 之 一 。在 数 控 机 床 中 ， 伺 服 系 统 是 数 控 机 床 里 的 一 个 非
4、常 重 的 部 分 ， 对 于 它 的 控 制 的 好坏 一 定 程 度 上 反 应 一 个 机 床 的 控 制 柔 性 的 程 度 。 步 进 电 机 驱 动 系 统 控 制 数 控 车 床 进 给运 动 ， 为 车 床 主 轴 提 供 驱 动 功 率 以 及 所 需 的 切 削 力 。 目 前 在 数 控 车 床 开 环 系 统 中 ， 进给 驱 动 常 使 用 伺 服 步 进 电 机 ， 由 于 直 流 伺 服 电 动 机 存 在 着 一 些 的 固 有 的 缺 点 （ 比 如 ，有 电 刷 ， 限 制 了 转 速 的 提 高 ， 而 且 结 构 复 杂 ， 价 格 较 贵 。 ） ，
5、使 其 应 用 环 境 受 到 限 制 。交 流 伺 服 电 动 机 没 有 这 些 缺 点 ， 且 转 子 惯 量 比 直 流 电 动 机 小 ， 使 得 动 态 响 应 好 。 另 外在 同 样 体 积 下 ， 交 流 电 动 机 的 输 出 功 率 可 比 直 流 电 动 机 提 高 10 70 ； 其 容 量 也 可以 比 直 流 电 动 机 造 得 大 ， 达 到 更 高 的 电 压 和 转 速 。 因 此 ， 交 流 伺 服 系 统 得 到 了 迅 速 发展 ， 已 经 形 成 潮 流 。 从 20 世 纪 80 年 代 后 期 开 始 ， 大 量 使 用 交 流 伺 服 系 统
6、， 目 前 ， 已基 本 取 代 了 直 流 电 动 机 ， 直 流 电 动 机 已 逐 渐 被 淘 汰 ， 在 数 控 机 床 的 主 轴 驱 动 中 ， 均 采用 笼 型 异 步 电 动 机 。 为 了 获 得 良 好 的 主 轴 特 性 ， 主 轴 驱 动 系 统 中 采 用 矢 量 变 频 控 制 的交 流 主 轴 电 动 机 ， 矢 量 控 制 分 无 速 度 传 感 器 和 有 速 度 传 感 器 两 种 方 式 ， 后 者 具 有 更 高的 速 度 控 制 精 度 ， 在 数 控 车 床 中 无 速 度 传 感 器 的 矢 量 变 频 器 已 符 合 控 制 要 求 ， 而 在
7、进给 驱 动 系 统 中 一 般 都 采 用 永 磁 同 步 电 机 ， 1964 年 德 国 人 率 先 提 出 脉 宽 调 制 变 频 思 想 ，xx 学院毕业设计（论文）2把 通 讯 系 统 中 的 调 制 技 术 应 用 于 交 流 变 频 器 。 调 制 方 法 很 多 ， 目 前 用 得 最 多 的 是 正 弦脉 宽 调 制 1。1-2 数 控 机 床 对 伺 服 系 统 的 要 求伺 服 系 统 是 数 控 机 床 中 及 其 重 要 的 一 部 分 ， 伺 服 系 统 的 性 能 直 接 影 响 到 机 床 的 加工 精 度 ， 面 对 国 内 外 伺 服 系 统 的 发 展
8、趋 势 对 伺 服 驱 动 系 统 有 下 几 点 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 。 包 括 定 位 精度 和 轮 廓 加 工 精 度 。为 了 保 证 数 控 机 床 的 加 工 精 度 ， 除 了 要 求 数 控 系 统 精 度 和 机 床 机 械 精 度 有 足 够 高以 外 ， 还 要 求 具 有 足 够 高 的 伺 服 系 统 定 位 精 度 和 进 给 跟 踪 精 度 ， 并 且 还 起 着 主 要 作 用 。一 般 要 求 定 位 精 度 为 0.01-0.001m； 而 高 档
9、 设 备 的 定 位 精 度 还 应 在 0-1m 以 内 。2） 稳 定 性 好 。 稳 定 是 指 系 统 在 给 定 输 入 或 外 界 干 扰 作 用 下 ， 能 在 短 暂 的 调 节 过程 后 ， 达 到 新 的 或 者 恢 复 到 原 来 的 平 衡 状 态 。 直 接 影 响 数 控 加 工 的 精 度 和 表 面 粗 糙 度 。要 求 伺 服 系 统 有 较 高 的 可 靠 性 、 稳 定 性 ， 并 且 受 电 源 、 环 境 、 负 载 等 的 影 响 要 小 。还 要 具 有 足 够 的 传 动 刚 性 和 速 度 稳 定 性 。 也 就 是 说 伺 服 系 统 在 负
10、 载 或 切 削 条 件 发 生 变化 时 ， 应 使 进 给 速 度 保 持 恒 定 。 刚 性 良 好 的 系 统 ， 负 载 力 矩 的 变 化 对 进 给 速 度 的 影 响很 小 。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 加 工 表 面 粗 糙 度 ， 要 求 伺 服 系 统 除 了 要 有 较 高 的定 位 精 度 外 ， 还 要 有 良 好 的 快 速 响 应 特 性 ， 也 就 是 要 求 伺 服 电 动 机 起 、 停
11、 的 升 降 速 过程 要 短 ， 要 有 较 高 的 加 速 度 。 电 动 机 转 速 从 0 升 至 1500r/min 的 时 间 控 制 在 0-2s 以 内 。4） 调 速 范 围 宽 。 调 速 范 围 是 指 生 产 机 械 要 求 电 机 能 提 供 的 最 高 转 速 和 最 低 转 速之 比 。 0 24m / min2 。 为 适 应 不 同 的 加 工 条 件 ， 例 如 加 工 零 件 的 材 料 、 尺 寸 、 部 位 以 及 刀 具 的 种 类 和 冷却 方 式 等 不 同 ， 数 控 机 床 的 进 给 速 度 需 要 在 很 宽 的 范 围 内 无 级 变
12、化 。 这 就 要 求 伺 服 电机 要 有 很 宽 的 调 速 范 围 和 优 异 的 调 速 特 性 。 一 般 数 控 机 床 进 给 伺 服 系 统 的 调 速 范 围 都在 0 30m/min， 高 的 可 达 240 m/min。xx 学院毕业设计（论文）35） 低 速 大 转 矩 。 由 于 机 床 在 低 速 切 削 时 ， 切 深 和 进 给 都 比 较 大 ， 也 就 是 说 吃 刀 抗力 较 大 ， 这 就 要 求 主 轴 电 动 机 输 出 的 转 矩 也 应 该 较 大 。 现 代 数 控 机 床 的 伺 服 电 动 机 通常 都 是 与 丝 杠 直 接 相 连 ，
13、中 间 没 有 减 速 齿 轮 ， 这 就 要 求 进 给 电 动 机 能 输 出 较 大 的 转 矩 。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 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 。除 上 面 的 一 般 要 求 之 外 ， 还 具 有 下 面 的 控 制 功 能 ：1)准 停 控 制 为 了 自 动 换 刀 ， 要 求 主 轴 能 进 行 高
14、 精 度 的 准 确 位 置 停 止 。 2)角 度 分 析 控 制 分 度 有 两 种 ： 一 是 固 定 的 等 分 角 位 置 控 制 。 二 是 连 续 的 任 意角 度 控 制 。 （ 作 特 殊 加 工 时 ， 主 轴 坐 标 有 了 进 给 坐 标 的 功 能 ， 称 为 “C”轴 控 制 。 ） 为了 满 足 对 伺 服 系 统 的 要 求 ， 对 伺 服 系 统 的 执 行 元 件 伺 服 电 机 也 相 应 提 出 高 精 度 、快 反 映 、 宽 调 速 和 大 转 矩 的 要 求 ， 一 般 具 备 小 惯 量 大 转 矩 的 具 体 特 征 。 最 低 进 给 速 度
15、到 最 高 进 给 速 度 范 围 都 能 稳 定 运 行 平 滑 过 度 。 进 给 电 机 应 具 有 大 的 较 长 时 间 的 过 载 能力 ， 一 般 能 过 载 4-5 倍 左 右 ， 持 续 时 间 达 10 分 钟 以 上 ， 转 动 惯 量 要 小 ， 满 足 快 速 响 应的 要 求 ， 一 般 进 给 伺 服 电 机 做 成 细 长 ， 高 档 进 给 具 备 400rad/s2 以 上 的 加 速 度 ， 保 证 电机 在 0.2s 以 内 从 静 止 起 动 到 1500rad/min。 电 机 应 能 承 受 频 繁 的 起 动 制 动 和 反 转 ， 20次 /m
16、in 以 上 。1-3 数 控 机 床 伺 服 驱 动 系 统 设 计 的 总 体 方 案数 控 机 床 （ CNC machinery） 集 计 算 机 技 术 、 电 子 技 术 、 自 动 控 制 、 传 感 测 量 、机 械 制 造 、 网 络 通 信 技 术 于 一 体 ， 是 典 型 的 机 电 一 体 化 产 品 , 具 有 模 块 化 特 点 。 因 此数 控 机 床 在 控 制 设 计 上 具 有 很 大 的 灵 活 与 实 际 应 用 性 。 本 文 设 计 的 根 据 现 代 化 发 展 的趋 势 ， 通 过 各 类 伺 服 驱 动 系 统 的 介 绍 ， 进 而 用 步
17、 进 电 机 的 伺 服 驱 动 系 统 与 交 流 伺 服 驱动 系 统 进 行 多 反 面 比 较 ， 无 论 从 起 结 构 方 式 ， 应 用 范 围 ， 得 出 交 流 伺 服 驱 动 系 统 的 优越 性 ， 进 而 对 交 流 伺 服 系 统 的 典 型 系 统 （ 永 磁 同 步 伺 服 系 统 ） 进 行 基 于 DSP 的 永 磁 同步 伺 服 系 统 设 计 。xx 学院毕业设计（论文）4第 二 章 伺 服 驱 动 系 统 的 基 本 组 成 和 工 作 原 理2-1 伺 服 驱 动 系 统 的 基 本 结 构伺 服 系 统 是 数 控 机 床 的 重 要 组 成 部 分
18、 。 伺 服 系 统 位 于 数 控 机 床 数 控 系 统 与 机 床 主体 之 间 ， 伺 服 系 统 是 数 控 装 置 (计 算 机 )和 机 床 的 联 系 环 节 。 数 控 装 置 发 出 的 控 制 信 息 ，通 过 伺 服 驱 动 系 统 转 换 成 坐 标 轴 的 运 动 ， 完 成 程 序 所 规 定 的 操 作 。 伺 服 系 统 又 称 为 位置 随 动 系 统 、 驱 动 系 统 或 伺 服 单 元 。 伺 服 系 统 的 主 要 功 能 就 是 从 数 控 系 统 接 收 微 小 的电 控 信 号 （ 5V 左 右 ， mA 级 ） ， 放 大 成 强 电 的 驱
19、 动 信 号 （ 几 十 、 上 百 伏 、 安 培 级 ）， 用以 驱 动 伺 服 系 统 的 执 行 元 件 伺 服 电 动 机 ， 将 电 控 信 号 的 变 化 ， 转 换 成 电 动 机 输 出轴 的 角 位 移 或 角 速 度 的 变 化 ， 从 而 带 动 机 床 主 体 部 件 （ 如 工 作 台 、 主 轴 或 刀 具 进 给 等 ）运 动 ， 实 现 对 机 床 主 体 运 动 的 速 度 控 制 和 位 置 控 制 ,达 到 加 工 出 工 件 的 外 形 和 尺 寸 的 最终 目 标 3。 其 基 本 组 成 如 图 2-1 所 示 。图 2-1 伺服系统的基本组成2-
20、2 数 控 机 床 的 伺 服 系 统 的 组 成数 控 机 床 伺 服 驱 动 系 统 由 驱 动 信 号 控 制 转 换 电 路 ， 电 子 电 力 驱 动 放 大 模 块 ， 速 度xx 学院毕业设计（论文）5调 节 单 元 ， 电 流 调 节 单 元 ， 检 测 装 置 。一 般 闭 环 系 统 为 三 环 结 构 ： 位 置 环 、 速 度 环 、 电 流 环 。 位 置 、 速 度 和 电 流 环 均 由 ：调 节 控 制 模 块 、 检 测 和 反 馈 部 分 组 成 。 电 力 电 子 驱 动 装 置 由 驱 动 信 号 产 生 电 路 和 功 率放 大 器 组 成 。 严 格
21、 来 说 ： 位 置 控 制 包 括 位 置 、 速 度 和 电 流 控 制 ； 速 度 控 制 包 括 速 度 和电 流 控 制 。 速 度 控 制 单 元 ： 用 来 控 制 电 机 转 速 ， 是 速 度 控 制 系 统 的 核 心 。 速 度 检 测 装置 ： 测 速 发 电 机 、 脉 冲 编 码 器 等 。 速 度 环 控 制 在 进 给 驱 动 装 置 内 完 成 ， 位 置 环 由 数 控装 置 来 完 成 。 特 点 ： 外 部 看 ： 以 位 置 指 令 输 入 和 位 置 控 制 为 输 出 的 位 置 闭 环 控 制 系 统 。从 内 部 的 实 际 工 作 来 看 ，
22、 它 是 先 把 位 置 控 制 指 令 转 换 成 相 应 的 速 度 信 号 后 ， 通 过 调 速系 统 驱 动 伺 服 电 机 ， 实 现 实 际 位 移 的 。2-3 数 控 伺 服 系 统 的 分 类数 控 机 床 伺 服 系 统 种 类 繁 多 ， 按 照 不 同 参 照 可 分 如 下 几 类1） 按 控 制 原 理 和 有 无 位 置 反 馈 装 置 分 ： 开 环 和 闭 环 伺 服 系 统 ；2） 按 用 途 和 功 能 分 ： 进 给 驱 动 和 主 轴 驱 动 系 统 ；3） 按 驱 动 执 行 元 件 的 动 作 原 理 分 ： 电 液 伺 服 驱 动 系 统 和
23、电 气 伺 服 驱 动 系 统 。开 环 数 控 系 统 没 有 位 置 测 量 装 置 ， 信 号 流 是 单 向 的 （ 数 控 装 置 进 给 系 统 ） ， 故 系统 稳 定 性 好 。 无 位 置 反 馈 ， 精 度 相 对 闭 环 系 统 来 讲 不 高 ， 其 精 度 主 要 取 决 于 伺 服 驱 动系 统 和 机 械 传 动 机 构 的 性 能 和 精 度 。 一 般 以 功 率 步 进 电 机 作 为 伺 服 驱 动 元 件 。这 类 系 统 具 有 结 构 简 单 、 工 作 稳 定 、 调 试 方 便 、 维 修 简 单 、 价 格 低 廉 等 优 点 ， 在精 度 和
24、 速 度 要 求 不 高 、 驱 动 力 矩 不 大 的 场 合 得 到 广 泛 应 用 。 一 般 用 于 经 济 型 数 控 机 床 ，如 图 2-2 所 示 。xx 学院毕业设计（论文）6图 2-2 开环伺服系统半 闭 环 数 控 系 统 。 半 闭 环 数 控 系 统 的 位 置 采 样 点 如 图 2-3 所 示 ， 是 从 驱 动 装 置 (常用 伺 服 电 机 )或 丝 杠 引 出 ， 采 样 旋 转 角 度 进 行 检 测 ， 不 是 直 接 检 测 运 动 部 件 的 实 际 位 置 。半 闭 环 环 路 内 不 包 括 或 只 包 括 少 量 机 械 传 动 环 节 ， 因
25、 此 可 获 得 稳 定 的 控 制 性 能 ， 其 系统 的 稳 定 性 虽 不 如 开 环 系 统 ， 但 比 闭 环 要 好 。由 于 丝 杠 的 螺 距 误 差 和 齿 轮 间 隙 引 起 的 运 动 误 差 难 以 消 除 。 因 此 ， 其 精 度 较 闭 环差 ， 较 开 环 好 。 但 可 对 这 类 误 差 进 行 补 偿 ， 因 而 仍 可 获 得 满 意 的 精 度 。半 闭 环 数 控 系 统 结 构 简 单 、 调 试 方 便 、 精 度 也 较 高 ， 因 而 在 现 代 CNC 机 床 中 得 到了 广 泛 应 用 。图 2-3 半闭环伺服系统 全 闭 环 数 控
26、 系 统 。 全 闭 环 数 控 系 统 的 位 置 采 样 点 如 图 2-4 的 虚 线 所 示 ， 直 接 对 运动 部 件 的 实 际 位 置 进 行 检 测 。从 理 论 上 讲 ， 可 以 消 除 整 个 驱 动 和 传 动 环 节 的 误 差 、 间 隙 和 失 动 量 。 具 有 很 高 的位 置 控 制 精 度 。 由 于 位 置 环 内 的 许 多 机 械 传 动 环 节 的 摩 擦 特 性 、 刚 性 和 间 隙 都 是 非线 性 的 ， 故 很 容 易 造 成 系 统 的 不 稳 定 ， 使 闭 环 系 统 的 设 计 、 安 装 和 调 试 都 相 当 困 难 。该
27、系 统 主 要 用 于 精 度 要 求 很 高 的 镗 铣 床 、 超 精 车 床 、 超 精 磨 床 以 及 较 大 型 的 数 控xx 学院毕业设计（论文）7机 床 等 4。图 2-4 全闭环伺服系第 三 章 伺 服 驱 动 系 统 方 案 的 选 择伺 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 驱 动 元 件 伺 服 电 机 ：1） 直 流 伺 服 电 机 （ 调 速 性 能 良 好 ）2） 交 流 伺 服 电 机 （ 主 要 使 用 的 电 机 ）3） 步 进 电 机
28、 （ 适 于 轻 载 、 负 荷 变 动 不 大 ）4） 直 线 电 机 （ 高 速 、 高 精 度 ）电 机 控 制 系 统 按 照 驱 动 电 机 的 类 型 主 要 分 为 直 流 传 动 系 统 和 交 流 传 动 系 统 以 及 步 进 电机 伺 服 驱 动 系 统 。 在 70 年 代 直 流 伺 服 电 机 己 经 实 用 化 了 ， 在 各 类 机 电 一 体 化 产 品 中 ，大 量 使 用 着 各 种 结 构 的 直 流 伺 服 电 动 机 。 传 统 直 流 电 动 机 采 用 的 是 机 械 式 换 向 且 存 在电 刷 ， 使 其 在 应 用 过 程 中 面 临 着
29、以 下 一 些 难 以 克 服 的 缺 点 : 1） 维 护 工 作 量 大 、 维 护 成 本 高 ； 2) 使 用 寿 命 短 、 可 靠 性 低 ； 3) 结 构 复 杂 、 体 积 大 、 转 动 惯 量 大 、 响 应 速 度 慢 ； xx 学院毕业设计（论文）84) 易 对 其 它 设 备 产 生 干 扰 、 现 场 环 境 适 应 能 力 差 ； 从 而 极 大 地 限 制 了 其 在 高 精 度 、 高 性 能 要 求 的 伺 服 驱 动 场 合 的 应 用 。 而 交 流 传 动 系 统的 执 行 机 构 一 般 采 用 感 应 电 机 和 同 步 电 机 。 感 应 电 动
30、 机 ， 特 别 是 鼠 笼 型 异 步 电 动 机 一直 是 传 统 驱 动 系 统 的 执 行 元 件 ， 其 结 构 简 单 、 价 格 便 宜 、 效 率 较 高 ， 但 存 在 着 散 热 和参 数 容 易 波 动 等 问 题 。 感 应 式 异 步 伺 服 电 动 机 制 造 容 易 、 价 格 低 ， 不 需 要 特 殊 维 护 。但 控 制 上 采 用 矢 量 变 换 控 制 ， 因 而 系 统 比 较 复 杂 。 转 子 电 阻 随 温 度 变 化 而 影 响 磁 场 定向 的 准 确 性 。 同 时 ， 低 速 运 行 时 发 热 比 较 严 重 ， 而 低 速 运 行 又
31、 往 往 是 机 床 进 给 机 构 经常 所 处 的 运 行 状 态 。 这 种 类 型 的 交 流 伺 服 系 统 容 易 进 行 弱 磁 控 制 ， 实 现 高 速 运 行 ，这 是 一 个 显 著 的 特 点 。 在 交 流 伺 服 系 统 的 发 展 初 期 ， 感 应 式 异 步 电 动 机 交 流 伺 服 系 统曾 一 度 得 到 发 展 和 应 用 ， 但 由 于 存 在 上 述 一 些 问 题 ， 这 种 系 统 在 机 床 的 进 给 机 构 驱 动中 并 未 得 到 普 遍 的 应 用 。 与 感 应 电 机 相 比 ， 由 于 永 磁 同 步 电 机 具 有 结 构 简
32、 单 、 体 积 小 、 效 率 高 、 功 率 因 数 高 、转 矩 电 流 比 高 、 转 动 惯 量 低 、 易 于 散 热 及 维 护 保 养 等 优 点 特 别 是 随 着 永 磁 材 料 价 格 的下 降 、 材 料 磁 性 能 的 提 高 ， 以 及 新 型 永 磁 材 料 的 出 现 ， 在 中 小 功 率 、 高 精 度 、 高 可 靠性 、 宽 调 速 范 围 的 伺 服 系 统 中 以 永 磁 同 步 电 机 作 为 执 行 机 构 是 越 来 越 多 ， 其 应 用 领 域逐 步 推 广 ， 尤 其 在 航 空 、 航 大 、 数 控 机 床 、 加 工 中 心 、 机
33、 器 人 等 场 合 已 获 得 广 泛 的 应用 。 而 步 进 电 机 的 伺 服 系 统 随着新材料、新技术的发展及电子技术和计算机的应用, 步进电动机及驱动器的研制和发展进入了新阶段。步进电机除了结构简单、使用维护方便、工作可靠, 在精度高等特点。还有下列优点:步距值不受各种干扰因素的影响。转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率。转子运动的总位移量则取决于总的脉冲信号数。误差不积累。步进电动机每走一步所转过的角度与理论步距值之间总有一定的误差, 走任意步数以后, 也总有一定的误差。但每转一圈的累积误差为零, 所以步距的误差不积累。控制性能好。起动、转向及其他任何运行方式的改变, 都在少
34、数脉冲内完成。在一定的频率范围内运行时, 任何运行方式都不会丢一步的。 由于步进电动机有上述特点和优点而广泛应用在机械、治金、电力、纺织、电信、电子、仪表、化工、轻工、办公自动化设备、医疗、印刷以及航空航天、船舶、兵器、核工业等国防工业等领域。综上所述，步进电机的伺服驱动系统和交流伺服驱动系统都在各个领域有着很xx 学院毕业设计（论文）9强大的占有空间，面对市场的需求以及伺服系统的发展，步进电机和交流伺服电机有着个字的特点，但哪种伺服系统能够更优越的应用在数控机床中。下面通过两种驱动系统的比较来进行伺服驱动系统的选择。3-1 步 进 电 机 工 作 原 理步 进 电 动 机 是 一 种 将 电
35、 脉 冲 信 号 转 换 成 机 械 角 位 移 的 电 磁 机 械 装 置 。 由 于 所 用 的电 源 是 脉 冲 电 源 ， 所 以 又 称 为 脉 冲 马 达 。 步 进 电 机 用 于 与 控 制 脉 冲 组 成 的 开 环 系 统 中 。步 进 电 机 是 一 种 特 殊 的 电 动 机 ， 一 般 电 动 机 通 电 后 连 续 旋 转 ， 但 步 进 电 动 机 却 是跟 随 输 入 脉 冲 按 节 拍 一 步 一 步 地 转 动 。步 进 电 动 机 的 转 动 ， 是 由 电 动 机 绕 组 的 脉 冲 电 流 控 制 的 ， 也 就 是 说 由 指 令 脉 冲 决定 的
36、。指 令 脉 冲 数 决 定 它 的 转 动 步 数 ， 即 角 位 移 的 大 小 ， 对 步 进 电 动 机 施 加 一 个 电 脉 冲信 号 时 ， 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 ； 指 令 脉 冲 频 率 决 定 它 的 转 动 速 度 。 只 要 改 变 指 令 脉 冲 频 率 ， 就 可 以 使 步 进 电 动机 的 旋 转 速 度 在 很 宽 的 范 围 内 连 续 调 节 。 改 变 绕 组 的 通 电 顺 序 ， 就 可 以 改 变 它 的 旋 转方 向 。 在 无 脉
37、 冲 输 入 时 ， 在 绕 组 电 源 激 励 下 ， 气 隙 磁 场 能 使 转 子 保 持 原 有 位 置 而 处 于定 位 状 态 。目 前 ， 我 国 使 用 的 步 进 电 机 多 为 反 应 式 步 进 电 机 。 通常步进电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。反 应 式 步 进 电 机 在 定 子 的 每 个 磁极 上
38、面 向 转 子 的 部 分 ， 均 匀 分 布 着 5个 小 齿 ， 齿 槽 等 宽 ， 齿 间 夹 角 为 9 度 。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xx 学院毕业设计（论文）10相 同 ， 并 与 之 相 差 1/3 齿 距 。 如 图 3-1 所 示 。步 进 电 机 的 工 作 原 理 实 际 上 是 电 磁 铁 的 作 用 原 理 。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”) ，它的旋转是以
39、固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为 100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR） 、永磁式步进电机（PM ） 、混合式步进电机（HB ）和单相式步进电机等。现以 三 相 反 应 式 步 进 电 动 机 图 示 3-2 为 例 说 明 。当 A 相 通 电 时 ， 电 动 机 铁 芯 AA 方 向 产 一 磁 通 ， 在 磁 拉 力 作 用 下 ， 转 子 1、
40、 3 齿 与A 相 磁 极 对 齐 。 2、 4 两 齿 与 B、 C 两 磁 极 相 对 错 开 30。当 B 相 通 电 时 ， 电 动 机 铁 芯 BB 方 向 产 生 磁 通 ， 在 磁 拉 力 作 用 下 ， 转 子 沿 逆 时 针方 向 旋 转 30， 转 子 2、 4 齿 与 B 相 磁 极 对 齐 1、 3 两 齿 与 A、 C 两 磁 极 相 对 错 开 30。当 C 相 通 电 时 ， 电 动 机 铁 芯 CC 方 向 产 生 磁 通 ， 在 磁 拉 力 作 用 下 ， 转 子 没 逆 时 针方 向 旋 转 ， 转 子 1、 3 齿 与 C 相 磁 极 对 齐 。 2、 4
41、 两 齿 与 A、 B 两 磁 极 相 对 错 开 30。图 3-2 步 进 电 机 的 通 电 示 意 图若 按 A-B-C-A 通 电 相 序 连 续 通 电 ， 则 步 进 电 机 就 连 续 地 沿 逆 时 针 方 向 旋 转 ， 每换 接 一 次 通 电 相 序 ， 步 进 电 机 沿 逆 时 针 方 向 转 过 30， 即 步 距 角 为 30。 反 之 则 为 顺时 针 方 向 旋 转 。若 通 电 脉 冲 的 次 序 为 A、 B、 C、 A， 则 不 难 推 出 ， 转 子 将 以 顺 时 针 方 向 一 步步 地 旋 转 。 这 样 ， 用 不 同 的 脉 冲 通 入 次
42、序 方 式 就 可 以 实 观 对 步 进 电 动 机 的 控 制 。脉 冲 的 数 量 控 制 电 机 的 转 角 ； 脉 冲 的 频 率 控 制 机 的 转 速 ； 脉 冲 的 通 入 次 序 控 制 电xx 学院毕业设计（论文）11ZNa=360min/60rZfns机 的 方 向 。 定 子 绕 组 每 改 变 一 次 通 电 方 式 ， 称 为 一 拍 。 上 述 的 通 电 方 式 称 为 三 相 单 三拍 。 所 谓 “单 ”是 指 每 次 只 有 一 相 绕 组 通 电 ； 所 谓 “三 拍 ”是 指 经 过 三 次 切 换 控 制 绕组 的 通 电 状 态 为 一 个 循 环
43、 。 若 通 电 脉 冲 次 序 为 AB、 BC、 CA、 AB， 每 次 两 相 同 时 通电 ， 此 为 三 相 双 三 拍 ， 若 按 A、 AB、 B、 BC、 C、 AB此 方 式 为 三 相 六 拍 5。 步 进 电 机 的 主 要 特 性 。 步 进 机 通 过 一 个 电 脉 冲 转 子 转 过 的 角 度 ,称 为 步 距 角 ， 符 号， 步 进 电 机 输 出 的 角 位 移 量 与 输 入 的 指 令 脉 冲 数 成 正 比 ， 在 时 间 上 与 输 入 的 脉 冲同 步 ； 而 步 进 电 机 的 转 速 与 指 令 脉 冲 频 率 成 正 比 。在 步 进 电
44、机 负 载 能 力 允 许 的 情 况 下 ， 这 种 线 性 关 系 不 会 因 为 负 载 的 变 化 等 因 素 而变 化 ， 所 以 可 以 在 较 宽 的 范 围 内 ， 通 过 对 指 令 脉 冲 频 率 和 数 量 的 控 制 ， 实 现 对 机 床 运动 速 度 和 位 置 的 控 制 。 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 取 决 于 电 机 结 构 和 控 制 方 式 。 步 距 角 可 由 下 式 计 算 ： 式 中 ： Z 是 转 子 的 齿 数 ； N
45、 一 个 周 期 的 运 行 拍 数 。 若 步 进 电 动 机 通 电 的 脉 冲 频 率为 f， 则 步 进 电 动 机 的 转 速 ns 公 式 为 ：式 中 ： Z 是 转 子 的 齿 数 ； N 一 个 周 期 的 运 行 拍 数 。步 进 电 动 机 具 有 自 身 的 特 点 ， 归 纳 起 来 有 ： 1） 可 以 用 数 字 信 号 直 接 进 行 开 环 控制 ， 整 个 系 统 造 价 低 ； 2） 位 移 与 输 入 脉 冲 信 号 树 相 对 应 ， 步 距 误 差 不 长 期 积 累 ， 可以 组 成 结 构 较 为 简 单 而 又 具 有 一 定 精 度 的 开
46、环 控 制 系 统 ， 也 可 以 在 要 求 高 精 度 时 组 成闭 环 控 制 系 统 ； 3） 无 刷 ， 电 动 机 本 体 部 件 少 ， 可 靠 性 高 ； 4） 易 于 起 动 ， 停 止 ， 正 反转 及 变 转 ； 5） 停 止 时 ， 可 以 通 电 自 锁 ； 6） 速 度 可 在 相 当 宽 的 范 围 内 平 滑 调 节 ， 同 时用 一 台 控 制 器 控 制 几 步 电 动 机 ， 可 使 它 们 完 全 同 步 运 行 ； 7） 步 进 电 动 机 带 惯 性 负 载 能力 差 ； 8） 由 于 存 在 失 步 和 低 频 共 振 ， 因 此 步 进 电 动
47、机 的 加 减 方 法 根 据 利 应 用 状 态 的不 同 而 复 杂 化 6。3-2 步 进 电 动 机 驱 动 控 制 器 的 构 成1 工 作 台 位 移 量 的 控 制进 给 脉 冲 数 N 定 子 绕 组 通 电 状 态 变 化 次 数 N 步 进 电 机 转 子 的 转 角 工 作 台 位xx 学院毕业设计（论文）12移 量 L。2 工 作 台 进 给 速 度 的 控 制进 给 脉 冲 的 频 率 f 定 子 绕 组 通 电 状 态 的 变 化 频 率 f 步 进 电 机 转 子 的 转 速 工 作台 进 给 速 度 v。3 工 作 台 运 动 方 向 的 控 制 步 进 电 机
48、 定 子 绕 组 的 通 电 顺 序 步 进 电 机 正 转 或 反 转 工 作 台 的 进 给 方 向 步 进 电机 的 驱 动 控 制 线 路 。伺 服 驱 动 系 统 对 驱 动 电 源 的 基 本 要 求 ： 驱 动 电 源 的 相 数 、 通 电 方 式 和 电 压 、 电 流都 满 足 步 进 电 动 机 的 需 要 ； 要 满 足 步 进 电 动 机 的 起 动 频 率 和 运 行 频 率 的 要 求 ； 能 最 大限 度 地 抑 制 步 进 电 动 机 的 振 荡 ； 工 作 可 靠 ， 抗 干 扰 能 力 强 ； 成 本 低 、 效 率 高 、 安 装 和维 护 方 便 。
49、其 驱 动 控 制 如 图 3-3 所 示 。图 3-3 步 进 电 机 驱 动 控 制 方 框 图CNC 装 置 发 出 脉 冲 指 令 ， 经 过 脉 冲 电 路 至 加 减 脉 冲 分 配 电 路 ， 再 到 环 形 分 配 器 ，经 功 率 放 大 器 驱 动 伺 服 电 机 运 转 。脉 冲 混 合 电 路 的 作 用 。 无 论 是 来 自 于 数 控 系 统 的 插 补 信 号 ， 还 是 各 种 类 型 的 误 差补 偿 信 号 ， 手 动 进 给 信 号 、 手 动 回 原 点 信 号 ， 它 的 目 的 无 非 是 使 工 作 台 做 正 向 进 给 运动 或 者 是 负 向 进 给 运 动 ， 通 过 混 合 脉 冲 电 路 可 以 将 上 述 各 类 型 号 混 合 为 使 工 作 台 正 向进 给 的 “正 向 进 给 ”信 号 或 者 是 使 工 作 台 做 负 向 运 动 的 “负 向 进 给 ”信 号 。加 减 脉 冲 分 配 电 路 。 当 数 控 机 床 正 在 沿 着 正 向 进 给 的 脉
