第7章 数控机床伺服驱动系统.ppt

1、第7章 数控机床的伺服驱动系统,主要内容,主要内容,7.1 概述7.2 步进电机及其驱动控制系统 7.3 直流伺服电机及其速度控制 7.4 交流伺服电机及其速度控制系统 7.5 直线电机及其在数控机床中的应用简介 7.6 位置控制,第7章 数控机床的伺服驱动系统,主要内容,数控机床伺服系统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。,7.1 概述,伺服系统的作用:,接受CNC装置发出的插补结果(指令脉冲等)，作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。,数控机床的“大脑”,数控机床的“四肢”，是执行

2、“命令”的机构，它是一个不折不扣的跟随者。,主要内容,7.1 概述,伺服系统的分类:按控制原理和有无检测反馈装置：开环、半闭环、闭环 按被控对象：进给驱动、主轴驱动；按使用的执行元件：电液、电气伺服驱动（步进、直流、交流、直线电机）; 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，全数字伺服系统,7.1 概述,主要内容,7.1 概述,位置控制调节器,速度控制 调节与驱动,检测与反馈单元,位置控制单元,速度控制单元,+,+,-,-,电机,机械执行部件,CNC插补 指令,实际位置反馈,实际速度反馈,7.1 概述,主要内容,7.1 概述,数控机床对进给伺服系统

3、的要求有： 1高精度（输出量能复现输入量的精确程度） 2稳定性好（抗干扰能力） 3响应速度快（系统跟踪精度） 4电机调速范围宽（最高转速和最低转速比） 5低速大转矩 6可靠性高(对环境的适应性),主要内容,7.1 概述,对主轴伺服系统，还应满足: 1主轴与进给驱动的同步控制螺纹、螺旋槽加工等，主轴与进给驱动的同步控制。2准停控制在加工中心上，为了实现自动换刀，要求主轴能进行高精确位置的停止。,3角度分度控制 有两种类型：固定的等分角度控制连续的任意角度控制（称为“C”轴控制）,7.1 概述,闭环进给伺服系统组成,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。驱动装置由驱动信号产生电

4、路和功率放大器组成。严格来说：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。,7.1 概述,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。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）,主要内容,步进电机是一种脉冲控制的执行元件，可将输入脉冲转换为机械角位移。每给步进电机输入一个脉冲，其转轴就转过一个角度，称为步距角。 脉冲数量-位移量； 脉冲频率-电机转速； 脉冲顺序-方向。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,主要内容,7.2 步进电机及其驱动控制系统,优点：结

5、构简单，价格便宜，工作可靠； 缺点： 容易失步（尤其在高速、大负载时），影响定位精度； 在低速时容易产生振动； 细分技术的应用，明显提高了定位精度，降低了低速振动。 应用：要求一般的开环伺服驱动系统，如经济型数控机床的进给驱动。,主要内容,7.2 步进电机及其驱动控制系统,主要内容,按电磁吸引原理工作（以反应式步进电机为例） 反应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有激磁绕组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合工作。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,7.2.1步进电机工作原理,主要内容,7.2 步进电机及其驱动控制系统,两个相对的磁极组成一相,主要内容,7.2 步进电机及其驱动控

6、制系统,步进电机的工作方式(通电顺序)可分为： 三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。,1）三相单三拍：,（1）三相绕组联接方式：Y 型,主要内容,7.2 步进电机及其驱动控制系统,A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐,B,B,A,C,C,A,B 相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐,C 相通电，转子1、3齿和C 相轴线对齐,主要内容,7.2 步进电机及其驱动控制系统,三相单三拍的特点：,（1）每来一个电脉冲，转子转过 30。,（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。,（3）每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失去自锁转矩，容易产生失步，只有一相绕组产生力矩吸引转子，在平衡位置易产生振

7、荡 。,通电顺序为：AABBBCCCAA 六拍。,2）三相六拍工作方式,7.2 步进电机及其驱动控制系统,B,A,C,C,B,A,A通电,AB通电,B通电,BC通电,CA通电,C通电,主要内容,AABBBCCCAA（逆时针） AACCBCBBAA（顺时针） 每步转过15，步距角是三相三拍工作方式的一半， 特点：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比较平稳。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,通电顺序,主要内容,定子绕组通电顺序为 ABBCCAAB（转子逆时针旋转） ACCBBA（转子顺时针旋转） 有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步 仍旋转30。 特点：始终有一相定子绕组通电，工作比较

8、平稳。避免了单三拍通电方式的缺点,7.2 步进电机及其驱动控制系统,3)双三拍工作方式,主要内容,实际上步进电机转子齿数很多，齿数与步距角关系？,7.2 步进电机及其驱动控制系统,例如：转子40个齿，定子仍是 3对磁极，三相六拍。问步距角是多少？,主要内容,7.2.2 步进电机的主要特性,m定子相数；z转子齿数；k通电系数， m相m拍，k1；m相2m拍，k2。,每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。,一般很小，如：31.5，1.50.75，0.720.36等,7.2 步进电机及其驱动控制系统,1步距角,主要内容,2矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq,7.2 步进电机及其驱动控

9、制系统,静态：不改变步进电机通电状态，转子处在不动状态。 静态转矩Mj ：在电机轴上施加一个负载转矩M，转子会在载荷方向上转过一个角度（失调角），转子因而受到一个电磁转矩Mj的作用与负载平衡。,矩角特性：步进电机单相通电的静态转矩Mj随失调角的变化曲线。,主要内容,3启动频率fq和启动时的惯频特性,7.2 步进电机及其驱动控制系统,启动频率或突跳频率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状态所允许的最高频率。 高于启动频率，将不能正常起动。启动时的惯频特性：是指电机带动纯惯性负载时启动频率和负载转动惯量之间的关系。,步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。

10、,主要内容,4运行矩频特性,7.2 步进电机及其驱动控制系统,连续运行频率：步进电机启动后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率。其值远大于启动频率。 运行矩频特性：是描述步进电机在连续运行时，输出转矩与连续运行频率之间的关系。,主要内容,7.2.3 步进电机的分类,1根据相数分类 有三、四、五、六相等，相数越多，步距角越小。 通电方式采用m相m拍、双m拍和m相2m拍，m相m拍和m相2m拍通电方式中，可采用一/二相、二三相转换通电， 如五相步进电机，五相十拍的二三相转换方式：ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB,7.2 步进电机及其驱动控制系统,主要内容,2

11、根据产生力矩的原理分类,根据定子与转子间磁场建立方式，可分：反应式、永磁式、混合式。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,3根据结构分类,步进电机可制成轴向分相式（多段式）、径向分相式（单段式）,主要内容,7.2.4 步进电机的环形分配器,7.2 步进电机及其驱动控制系统,步进电机的驱动控制由环形分配器和功率放大器组成。,环形分配器,功率放大器,A,B,C,主要内容,7.2.4 步进电机的环形分配器,7.2 步进电机及其驱动控制系统,环形分配器的主要功能： 将数控装置送来的一串指令脉冲，按步进电机所要求的通电顺序分配给步进电机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的通断，实现步进电机的运行及换向。

12、环形分配的功能可由硬件或软件的方法来实现，分别称为硬件环形分配器和软件环形分配器。,主要内容,可由D触发器或JK触发器构成，亦可用专用集成芯片或通用可编程逻辑器件。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,硬件环形分配驱动与数控装置的连接,方向控制信号,1硬件环形分配器,主要内容,CH250是国产三相反应式步进电机环形分配器专用集成电路芯片，通过控制端的不同接法可组成三相双三拍和三相六拍的工作方式,7.2 步进电机及其驱动控制系统,三相六拍接线图,主要内容,7.2 步进电机及其驱动控制系统,编制不同的环形分配程序，直接驱动步进电机各绕组的通、断电。可使线路简化，成本下降，可灵活地改变步进电机的控制方

13、案。,2软件环形分配器,7.2 步进电机及其驱动控制系统,16进制,7.2 步进电机及其驱动控制系统,用mcs-51单片机控制某机床x 坐标工作台运动,。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,：MOV DPTR，#2A00HMOV R0，#00 LOOP：MOV A，R0MOVC A，A+DPTRMOV P1，ALCALL 1000INC R0CJNE R0，#06H，LOOPAJMP 2100 DB 01H，03H，02H，06H，04H，05H 1000：MOV R3，#FF DT1： MOV R4，#FF DT2： DJNZ R4，DT2DJNZ R3，DT1RET,主要内容,进给脉冲频率

14、f 定子绕组通电/断电状态变化频率f 步进电机转速 工作台的进给速度V。 硬件环分：控制CLK的频率，控制电机的速度。 软件环分：控制相邻两次软件环分状态之间的延时，可控制电机线圈通电状态的变化频率。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,步进电机的速度控制,主要内容,作用：是将环形分配器或微处理机送来的弱电信号变为强电信号，以得到步进电机控制绕组所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形。 种类：按采用的功率放大器件分：中功率晶体管、大功率晶体管、大功率达林顿晶体管、可控硅等；按工作原理分：单电压驱动、高低电压驱动、恒流斩波、调频调压、细分电路等。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,7.2.5 功率放大

15、电路,步进电机有几相，就需要几组功率放大电路。,主要内容,1高低电压切换驱动电路,7.2 步进电机及其驱动控制系统,2恒流斩波电路,特点：电流值降到下限设定值时，高压功率管导通，绕组电流上升，上升到上限设定值时，关断高压管。一个步进周期内，高压管多次通断，使电流在上、下限间波动，接近恒定值。,特点：高压充电，保证电流以较快的速度上升，低压供电，维持绕组中的电流为额定值。,主要内容,步进电机在低频段运行时，供电电压降低，在高频段运行时，供电电压升高。即供电电压随步进电机转速的增加而升高。既解决了低频振荡问题，也保证了高频运行时的输出转矩,7.2 步进电机及其驱动控制系统,3调频调压驱动电路,4细

16、分驱动电路 将绕组中的矩形电流波变成阶梯形电流波，控制电机各相绕组电流的大小和比例。,主要内容,7.3 直流伺服电机及其速度控制,常用的直流电机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、印刷绕组）-进给驱动励磁式直流电机-主轴驱动混合式直流电机无刷直流电机直流力矩电机,7.3.1 直流伺服电机分类,主要内容,组成：磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片 工作原理：直流电源接在两电刷间，电流通入电枢线圈，切割磁力线，产生电磁转矩。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,7.3.2 直流伺服电机的调速原理与方法,主要内容,7.3 直流伺服电机及其速度控制,（ 一定）,电枢回路电压平衡方程式,感应电势与转

17、速关系,电磁转矩,7.3.2 直流伺服电机的调速原理与方法,原理图,等效图,主要内容,他励式直流伺服电机的转速公式,7.3 直流伺服电机及其速度控制,电机转速与理想转速的差n，反映了电机机械特性硬度，n越小（转矩对转速变化的影响程度越小），机械特性越硬。,n0,直流电机转速与转矩的关系n=f(T)称机械特性（静态特性）,直流电机的基本调速方式有三种:调节电阻Ra、调节电枢电压Ua和调节磁通的值。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,电枢电阻调速很少采用，缺点： 不经济：要得到低速，R很大，则消耗大量电能； 低速，特性很软，运转稳定性很差； 调节平滑性差，操作费力。,7.3 直流伺服电机及其速度控

18、制,主要内容,调节电枢电压（调压调速）时，直流电机机械特性为一组平行线，只改变电机的理想转速n0 ，保持了原有较硬的机械特性，所以调压调速主要用于伺服进给驱动系统电机的调速,如果n值较大，不可能实现宽范围的调速。永磁式直流伺服电机的n值较小，因此，进给系统常采用永磁式直流电机。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主要内容,调节磁通（调磁调速）不但改变了电机的理想转速，而且使直流电机机械特性变软，所以调磁调速主要用于机床主轴电机调速。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主要内容,7.3.3 直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式 调速的概念有两个方面的含义: 1)改变电机转速：当指令速度变化时,

19、电机的速度随之变化,并希望以最快的加减速达到新的指令速度值； 2)当指令速度不变化时,电机的速度保持稳定不变。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主要内容,7.3.3 直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式 为调节电机转速和方向，需对直流电压的大小和方向进行控制，如何控制？ 直流伺服电机速度控制单元的作用：将转速指令信号转换成电枢的电压值，达到速度调节的目的。 直流电机速度控制单元常采用的调速方法：晶闸管（可控硅）调速系统晶体管脉宽调制（PWM）调速系统。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主要内容,1晶闸管调速系统 常用于大功率及要求不很高的直流伺服电机调速控制。,7.3 直流伺服电机及其速

20、度控制,控制 回路主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。,速度环（PI）：速度调节，作用：好的静态、动态特性。 电流环（P或PI）：电流调节，作用：系统快速性、稳定性改善。 触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主回路由大功率晶闸管构成的三相全控桥式反并接可逆电路，分成二大部分（ 和 ），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，分别实现正转 和反转。,各有一个可控硅同时导通，形成回路。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,1、3、5在正半周导通， 2、4、6在负半周导通。每组内（即二相间）触发脉冲相位相差120，触发脉冲的顺序：

21、1-2-3-4-5-6，相邻之间相位差60。为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通，或已截止的相再次导通，采用双脉冲控制。即每个触发脉冲在导通60后，再补发一个辅助脉冲；也可以采用宽脉冲控制，宽度大于60，小于120。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,只要改变可控硅触发角（即改变导通角），就能改变可控硅的整流输出电压，从而改变直流伺服电机的转速。触发脉冲提前，增大整流输出电压；触发脉冲延后，减小整流输出电压。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,控制回路分析,主要内容,2PWM调速控制系统 利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，加到直流电动机的电枢上；通过调整控制方波脉

22、冲宽度来改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。 控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。 广泛应用中、小功率直流伺服系统。,周期不变,脉宽,脉宽,脉宽,脉宽,平均直流电压,U,t,周期不变,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主要内容,直流电机电压的平均值:,T脉冲周期， Ton导通时间,7.3 直流伺服电机及其速度控制,脉宽调制（PWM）系统组成：,7.3 直流伺服电机及其速度控制,7.3 直流伺服电机及其速度控制,控制回路：速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。区别：与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率

23、放大器。,脉宽调制器作用：将电压量转换成可由控制信号调节的矩形脉冲，为功率晶体管的基极提供一个宽度可由速度指令信号调节的脉宽电压。组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放大器。原理：以三角波发生器为例介绍,7.3 直流伺服电机及其速度控制,USr 速度指令转化过来的直流电压 U- 三角波 USC- 脉宽调制器的输出（US r+U） 调制波形图,7.3 直流伺服电机及其速度控制,开关功率放大器 结构：有两种形式：H型（桥式）、T型。每种电路又有单极性工作方式和双极性工作方式，各种不同的工作方式又可组成可逆开关放大电路和不可逆开关放大电路 。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主回路：可

24、逆H型双极式PWM开关功率放大器 电路图: 4个大功率晶体管T1、T2、T3、T4及4个续流二极管组成桥式电路。 Ub1、Ub2、Ub3、Ub4为调制器输出的经脉冲分配、由基极驱动转换过来的脉冲电压。分别加到T1、T2、T3 、T4基极。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,US,A,B,D1,D2,D3,D4,M,T1,T2,T4,T3,Ud UAB,电机正转、反转、停止： 由正、负驱动电压脉冲宽窄定。 当正脉冲较宽时，即t1T/2，平均电压为正，电机正转； 当正脉冲较窄时，即t1T/2 ，平均电压为负，电机反转； 正负脉冲宽度相等，即t1=T/2 ，平均电压为零，电机停转。 电机速度的改变：

25、 电枢平均电压UAB越大转速越高。UAB由驱动电压脉冲宽度决定。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主要内容,直流电机缺点：电刷和换向有磨损，有时会产生火花；换向器由多种材料制成，制作工艺复杂；电机最高速度受限制；结构复杂，成本较高，所以在使用上受到一定的限制。 近年来交流电机飞速发展，克服了直流电机结构上的缺点，充分发挥了坚固耐用、经济可靠、动态响应好，输出功率大等优点。因此，某些场合交流伺服电机已逐渐取代直流伺服电机。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,7.4.1 交流伺服电机的分类与特点 数控机床上应用的交流电机一般都为三相。 分：异步型和

26、同步型交流伺服电机。 从建立所需气隙磁场的磁势源来说，同步型交流电机分：电磁式及非电磁式两大类。非电磁式有磁滞式、永磁式和反应式多种。磁滞式和反应式同步电机存在效率低、功率因数差、制造容量不大等缺点。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,永磁式同步电机： 优点：结构简单、运行可靠效率高； 缺点：体积大、启动特性欠佳。 与直流电机比：外形尺寸、重量、转子惯量大幅减小 与异步交流伺服电机相比：效率高、体积小。 故数控机床进给驱动系统多采用永磁式同步电机。 异步型交流伺服电机与同容量的直流电机相比： 优点：重量轻，价格便宜； 缺点：转速受负载的变化影响较大，不能经济地实现范围较广的平滑调

27、速， 故异步型交流伺服电机用在主轴驱动系统中。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,1永磁式交流同步电机 结构：电机由定子、转子和检测元件组成,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,永磁式交流同步电机工作原理和性能,nrns60f1p ns同步转速， 转子磁极的轴线与定子磁极的轴线夹角， nr转子旋转转速， f1交流电源频率（定子供电频率）， p定子和转子的极对数,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,2交流主轴电机 定子三相绕组通三相交流电，产生旋转磁场，磁场切割转子中的导体，导体感应电流与定子磁场相作用产生电磁

28、转矩，推动转子转动，转速nr为,ns同步转速 f1交流电源频率（定子供电频率） s转差率，s=( nsnr)/ ns p极对数,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,7.4.3 交流伺服电机的变频调速 nrns60f1p 只要改变交流伺服电机的供电频率f1 ，即可改变电机转速，所以交流伺服电机调速应用最多的是变频调速。 变频调速的主要环节是：为交流电机提供变频电源的变频器。 变频器分：交交变频交直交变频,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,整流器:把交流电变为固定的或可调的直流电;逆变器:把固定的直流电变为固定的或可调的交流电;斩波器:把固定的直流电压变为可调的直流电压.

29、,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,利用可控硅整流器直接将工频交流电（频率50Hz）变成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输出负脉冲，脉动交流电的基波是所需的变频电压。 该方法所得的交流电波动比较大，且最大频率即为变频器输入的工频电压频率。,交交变频：,主要内容,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,交直交变频： 先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成矩形脉冲波电压，矩形脉冲波的基波是所需的变频电压。 该调频方式所得交流电的波动小，调频范围比较宽，调节线性度好。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,数控机床常采用交直交变频调速。 在交直交变频中： 根据中间

30、直流电压是否可调分：中间直流电压可调PWM逆变器、中间直流电压固定的PWM逆变器； 根据中间直流电路储能元件是大电容还是大电感分：电压型逆变器、电流型逆变器 SPWM（正弦波PWM）变频器是目前应用最广、最基本的一种交直交型电压型变频器，在交流调速系统中获得广泛应用。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,SPWM变压变频器 调制原理（以单相为例） 正弦脉宽调制（SPWM）波形:与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波。 等效原理：把正弦波分成n等分，每一区间面积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替。 正弦波的正负半周均如此处理。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,S

31、PWM控制波的生成:正弦波三角波调制 Q：电压比较器 UR：由指令脉冲转换来的,正弦控制波。 U ：三角波发生器,电路原理示意图,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,整流器将三相工频交流电变成直流电 逆变器将直流电压逆变成三相交流电，驱动电机运行,主回路,指令脉冲转换来的信号,三相SPWM控制电路框图,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,指令脉冲转换来的信号,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,速度给定值Up*与测速发电机的反馈电压之差经PI或PID调节输出定子电流幅值,与正弦函数值a、c相乘后与电流反馈相减,经PI调节

32、后得Ua*、Uc*正弦信号。,主要内容,7.4.4 交流伺服电机的矢量控制 矢量控制(磁场定向控制)是德国FBlasche于1971年提出的。矢量控制是把交流电机模拟成直流电机,用对直流电机的控制方法控制交流电机，使得交流调速获得如同直流调速同样优良的理想性能。经过30多年的工业实践的考验、改进和提高，目前广泛应用工业生产实践中。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,1矢量控制的基本原理 基本思想： 利用“等效”概念，将三相交流电机输入的电流（矢量）变换为等效的直流电机中彼此独立的励磁电流和电枢电流（标量），建立起交流电机的等效数学模型，然后通过对这两个量的反馈控制，实现对电机的转

33、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，那么三相交流电机的调速性能就完全体现了直流电机的调速性能。等效变换的准则： 变换前后必须产生同样的旋转磁场。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,2矢量控制的等效过程 （1）三相/二相变换 将三相交流电机变换为等效的二相交流电机以及与其相反的变换。 采用的方法：把异步电动机的A、B、C三相坐标系的交流量变换为-两相固定坐标系的交流量 （2）矢量旋转变换 将二相交流电机变换为等效的直流电机。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,直线电机的特点： 机床进给系统采用直线电机直接驱动，与原旋转电机传动方式的最大

34、区别是： 取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零， 故这种传动方式称为“直接驱动”，也称“零传动”。 直接驱动避免了丝杠传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚性不足等缺点。,7.5直线电机及其在数控机床中的应用简介,主要内容,7.5直线电机及其在数控机床中的应用简介,主要内容,高速响应性、高精度性； 速度快、加减速过程短； 运行时噪声低； 效率高； 动态刚度高； 推力平稳； 行程长度不受限制； 采用全闭环控制系统。,7.5直线电机及其在数控机床中的应用简介,直线电机在机床上的应用也存在一些问题： 发热问题、隔磁与防护、负载干扰、垂直自重等。,优点：,主

35、要内容,直线电机的基本工作原理 直线电机不仅在结构上相当于是从旋转电机演变而来的，而且其工作原理也与旋转电机相似。,7.5直线电机及其在数控机床中的应用简介,主要内容,数控机床进给伺服系统是位置随动系统，需要对位置和速度进行精确控制，通过对位置环、速度环、电流环的控制来实现。,7.6 位置控制,主要内容,根据对位置环、速度环和电流环的控制是软件还是硬件来实现，可将伺服系统分为：混合式伺服系统和全数字式伺服系统。 混合式伺服系统通过软件实现位置环控制，通过硬件实现速度环和电流环的控制，是一种软硬结合、数字信号和模拟信号结合的混合系统。 对于混合式伺服系统，根据位置比较方式的不同，分为：数字脉冲比

36、较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统。,7.6 位置控制,全数字伺服系统用计算机软件实现数控系统中位置环、速度环和电流环的控制，即系统中的控制信息全用数字量处理。,主要内容,7.6.1 相位比较伺服系统 特点：将指令脉冲信号和位置检测反馈信号都转换为相应的同频率的某一载波的不同相位的脉冲信号，在位置控制单元进行相位比较，相位差反映了指令位置与实际位置的偏差。 相位比较伺服系统的位置检测元件采用旋转变压器、感应同步器或磁栅，这些装置工作在相位工作状态。,7.6 位置控制,相位比较的实质是脉冲相位之间超前或滞后关系的比较，相位比较由鉴相器实现。,主要内容,采用感应同步器作为位置检测元件的

37、相位比较伺服系统原理框图。,7.6 位置控制,主要内容,对基准脉冲f0进行分频，产生基准脉冲信号P0，由P0形成励磁信号Ps、Pc （与P0频率相同），感应电压Ud的相位f随工作台移动而相对于基准相位0有超前或滞后；通过对指令脉冲Fc的加、减，再通过分频产生相位超前或滞后于P0的指令相位脉冲Pc。,7.6 位置控制,脉冲调相器作用：,主要内容,数字移相的工作原理:设分频器由4个二进制计数触发器T0T3组成，分频数m2416，即每输入16个脉冲产生一个溢出脉冲信号。,7.6 位置控制,主要内容,7.6 位置控制,主要内容,7.6 位置控制,分频数m16，则每个指令脉冲产生了3601622.5的相

38、移；m2000，则每个指令脉冲产生了36020000.18的相移；,例如:0.001mm，感应同步器节距22mm，则单位脉冲所对应的相移角？,分频器输入的基准脉冲频率将是励磁频率的m倍。若本例感应同步器励磁频率取10kHz，分频系数2000，则基准频率,36020.00l36020.18,分频数,m3600.182000,f0200010kHz20MHz。,主要内容,基准分频通道输出两路频率和幅值相同、相位差90的电压信号，以供给感应同步器滑尺的正、余弦绕组励磁。 实现：最后一级触发器的输入脉冲相差180，经2分频后，输出的脉冲信号Ps、Pc相位互差90。,7.6 位置控制,主要内容,鉴相器（

39、相位比较器）作用： 鉴别指令信号与反馈信号的相位，判别两者之间的相位差及其相位超前、滞后的关系，并把它变成相应的误差电压信号作为速度单元的输入信号。 鉴相器的结构形式很多，根据信号波形的不同，常用的鉴相器有两种类型： 二极管型鉴相器（变压器型），可以鉴别正弦波信号之间的相位差； 门电路型鉴相器（触发器型鉴相器），可以鉴别方波信号之间的相位差。,7.6 位置控制,主要内容,7.6 位置控制,主要内容,鉴相器输出信号通常为脉宽调制波，需滤波、整流，变换为电压信号，以作为速度控制信号Un*。 同时，鉴相器判别出脉冲移相和位置检测所得的脉冲信号的超前、滞后的关系，使得速度控制信号在输入正向指令脉冲时为

40、正，反向指令时为负。,7.6 位置控制,主要内容,7.6.2 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，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较，构成半闭环控制系统，简称幅值伺服系统。 与相位伺服系统相比，最显著的区别： 位置检测元件工作在幅值工作方式，感应同步器、旋转变压器和磁栅等。 比较器比较的是数字脉冲量，不是相位信号，所以不需要基准信号。,7.6 位置控制,主要内容,7.6 位置控制,采用旋转变压器作为位置检测元件的幅值比较伺服系统原理框图,根据输入电压值产生相应的脉冲,对检测的电压信号进行滤波、放大、检波、整流，变成正、负与工作台移动方向相对应、幅值与工作台位移

41、成正比的直流电压信号。,主要内容,7.6 位置控制,采用感应同步器作为位置检测元件的幅值比较伺服系统原理框图,主要内容,7.6.3 数字脉冲比较伺服系统,7.6 位置控制,采用光电编码器作为位置检测装置的数字脉冲比较伺服系统的半闭环控制原理框图。,主要内容,7.6.4 全数字控制伺服系统 用软件实现：位置环、速度环和电流环的控制。CNC系统直接将插补运算得到的位置指令以数字信号的形式传送给伺服驱动单元，伺服驱动单元具有位置反馈和位置控制功能，速度环和电流环都具有数字化测量元件，速度控制和电流控制由专用CPU独立完成，对伺服电机的速度调节也是由微处理器完成。CNC与伺服驱动之间通过通讯联系，采用专用接口芯片。,7.6 位置控制,