第5章數控伺服系統(tǒng)第14、15、16、17講

1、1索 引n第14講n第15講n第16講n第17講2 數控伺服系統(tǒng)35.1 概 述 伺服系統(tǒng)是指以機械位置或角度作為控制對象的自伺服系統(tǒng)是指以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。它接受來自數控裝置的進給指令信號，動控制系統(tǒng)。它接受來自數控裝置的進給指令信號，經變換、調節(jié)和放大后驅動執(zhí)行件，轉化為直線或旋經變換、調節(jié)和放大后驅動執(zhí)行件，轉化為直線或旋轉運動。伺服系統(tǒng)是數控裝置轉運動。伺服系統(tǒng)是數控裝置( (計算機計算機) )和機床的聯(lián)系和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數控機床的重要組成部分。環(huán)節(jié)，是數控機床的重要組成部分。 數控機床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動系統(tǒng)、驅動系數控機床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動系統(tǒng)、驅

2、動系統(tǒng)、伺服機構或伺服單元。統(tǒng)、伺服機構或伺服單元。 該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，結構復雜，該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，結構復雜，綜合性強綜合性強。45.1 概 述 進給伺服系統(tǒng)是數控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說C裝置是數控系統(tǒng)的“大腦”，是發(fā)布“命令”的“指揮所”，那么進給伺服系統(tǒng)則是數控系統(tǒng)的“四肢”，是一種“執(zhí)行機構”。它忠實地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來的運動命令，精確控制執(zhí)行部件的運動方向，進給速度與位移量。565.1.1 伺服系統(tǒng)的組成 組成：組成：伺服電機伺服電機 驅動信號控制轉換電路驅動信號控制轉換電路 電子電力驅動放大模塊電子電力驅動放大模塊 位置調節(jié)單元位置調節(jié)單元 速度調節(jié)單

3、元速度調節(jié)單元 電流調節(jié)單元電流調節(jié)單元 檢測裝置檢測裝置一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結構一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結構：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。75.1.1 伺服系統(tǒng)的組成 位置調解位置調解速度調解速度調解電流調解電流調解轉換驅動轉換驅動工作臺工作臺電流反饋電流反饋速度反饋速度反饋位置反饋位置反饋MG 位置、速度和電流環(huán)均由：位置、速度和電流環(huán)均由：調節(jié)控制模塊調節(jié)控制模塊、檢測檢測和和反饋反饋部分組成。電力電子驅動裝置由部分組成。電力電子驅動裝置由驅動信號產生電路驅動信號產生電路和和功率功率放大器放大器組成。組成。 嚴格來說：位置控制包括位置、速度和電流控制；速度嚴格來說：位置控制

4、包括位置、速度和電流控制；速度控制包括速度和電流控制。控制包括速度和電流控制。81精度高 伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復現(xiàn)輸入量的精確程 度。包括定位精度和輪廓加工精度。2穩(wěn)定性好 穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調節(jié)過程后，達到新的或者恢復到原來的平衡狀態(tài)。直接影響數控加工的精度和表面粗糙度。5.1.2 對伺服系統(tǒng)的基本要求 93快速響應 快速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質的重要指標，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。4調速范圍寬 調速范圍是指生產機械要求電機能提供的最高轉速和最低轉速之比。024m / min。5低速大轉矩 進給坐標的伺服控制屬于恒轉矩控制，在整個速度范圍內都要保持這個轉矩；

5、主軸坐標的伺服控制在低速時為恒轉矩控制，能提供較大轉矩。在高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。10對伺服電機的要求：（1）調運范圍寬且有良好的穩(wěn)定性，低速時的速度平穩(wěn)性（2）電機應具有大的、較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。5.1.2 對伺服系統(tǒng)的基本要求 11（3）反應速度快，電機必須具有較小的轉動慣量、較大的轉矩、盡可能小的機電時間常數和很大的加速度 (400rad / s2以上)。（4）能承受頻繁的起動、制動和正反轉。12 1按調節(jié)理論分類按調節(jié)理論分類 （1）開環(huán)伺服系統(tǒng) （2）閉環(huán)伺服系統(tǒng) （3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)5.1.2 伺服系統(tǒng)的分類13（1）開環(huán)數控系統(tǒng)的特征沒有

6、位置測量裝置，信號流是單向的（數控裝置進給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。電機電機機械執(zhí)行部件機械執(zhí)行部件A相、相、B相相C相、相、f、nCNC插補指令插補指令脈沖頻率脈沖頻率f脈沖個數脈沖個數n換算換算脈沖環(huán)脈沖環(huán)形分配形分配變換變換功率功率放大放大14開環(huán)數控系統(tǒng)的特征無位置反饋，精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅動系統(tǒng)和機械傳動機構的性能和精度。一般以功率步進電機作為伺服驅動元件。這類系統(tǒng)具有結構簡單、工作穩(wěn)定、調試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高、驅動力矩不大的場合得到廣泛應用。一般用于經濟型數控機床。15 （2）半閉環(huán)數控系統(tǒng)的特征 半閉環(huán)數控系統(tǒng)的位置采樣

7、點如圖所示，半閉環(huán)數控系統(tǒng)的位置采樣點如圖所示，是是從驅動裝置從驅動裝置( (常用伺服電機常用伺服電機) )或絲杠引出，采或絲杠引出，采樣旋轉角度樣旋轉角度進行檢測，不是直接檢測運動部件進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。的實際位置。位置控制調位置控制調節(jié)器節(jié)器速度控制速度控制調節(jié)與驅動調節(jié)與驅動檢測與反饋單檢測與反饋單元元位置控制單元位置控制單元速度控制單元速度控制單元+-電機電機機械執(zhí)行部件機械執(zhí)行部件CNC插補插補指令指令實際實際位置位置反饋反饋實際實際速度速度反饋反饋16 半閉環(huán)數控系統(tǒng)的特征l半閉環(huán)環(huán)路內不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖

8、不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。l由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。l半閉環(huán)數控系統(tǒng)結構簡單、調試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機床中得到了廣泛應用。17 （3）全閉環(huán)數控系統(tǒng)的特征全閉環(huán)數控系統(tǒng)的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進行檢測。位置控制調位置控制調節(jié)器節(jié)器速度控制速度控制調節(jié)與驅動調節(jié)與驅動檢測與反饋檢測與反饋單元單元位置控制單元位置控制單元速度控制單元速度控制單元+-電機電機機械執(zhí)行部件機械執(zhí)行部件CNC插補插補指令指令實際實際位置位置反饋反饋實際實際速度速度反饋反

9、饋18 全閉環(huán)數控系統(tǒng)的特征l 從理論上講，可以消除整個驅動和傳動環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。 l 由于位置環(huán)內的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設計、安裝和調試都相當困難。l 該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數控機床等。192按使用的執(zhí)行元件分類 （1）電液伺服系統(tǒng) 電液脈沖馬達和電液伺服馬達。 優(yōu)點：在低速下可以得到很高的輸出力矩，剛性好，時間常數小、反應快和速度平穩(wěn)。 缺點：液壓系統(tǒng)需要供油系統(tǒng)，體積大。噪聲、漏油。（2）電氣伺服系統(tǒng) 伺服電機（步進電機、直流電機和交流電機）

10、 優(yōu)點：操作維護方便，可靠性高。 5.1.2 伺服系統(tǒng)的分類 201）直流伺服系統(tǒng) 進給運動系統(tǒng)采用大慣量寬調速永磁直流伺服電機和中小慣量直流伺服電機；主運動系統(tǒng)采用他激直流伺服電機。優(yōu)點：調速性能好。缺點：有電刷，速度不高。 2）交流伺服系統(tǒng) 交流感應異步伺服電機（一般用于主軸伺服系統(tǒng)）和永磁同步伺服電機（一般用于進給伺服系統(tǒng)）。 優(yōu)點：結構簡單、不需維護、適合于在惡劣環(huán)境下工作。動態(tài)響 應好、轉速高和容量大。213按被控對象分類 （1）進給伺服系統(tǒng) 指一般概念的位置伺服系統(tǒng)，包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。 （2）主軸伺服系統(tǒng) 只是一個速度控制系統(tǒng)。 C 軸控制功能。4按反饋比較控制方式分類

11、（1）脈沖、數字比較伺服系統(tǒng) （2）相位比較伺服系統(tǒng) （3）幅值比較伺服系統(tǒng) （4）全數字伺服系統(tǒng)225.2 步進電機步進電機5.2.1 步進電機工作原理步進電機工作原理 步進電機伺服系統(tǒng)是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，步進電機受驅動線路控制，將進給脈沖序列轉換成為具有一定方向、大小和速度的機械轉角位移，并通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。23l 進給脈沖的頻率代表了驅動速度，脈沖的數量代表了位移量，而運動方向是由步進電機的各相通電順序來決定，并且保持電機各相通電狀態(tài)就能使電機自鎖。但由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測環(huán)節(jié)，其精度主要由步進電機來決定，速度也受到步進電機性能的限制。24 步進電機在結構上分為

12、定子和轉子兩部分，現(xiàn)以圖5-4所示的反應式三相步進電機為例加以說明。定子上有六個磁極，每個磁極上繞有勵磁繞組，每相對的兩個磁極組成一相，分成A、B、C三相。轉子無繞組，它是由帶齒的鐵心做成的。步進電機在結構25 步進電機是按電磁吸引的原理進行工作的。當定子繞組按順序輪流通電時，A、B、C三對磁極就依次產生磁場，并每次對轉子的某一對齒產生電磁引力，將其吸引過來，而使轉子一步步轉動。每當轉子某一對齒的中心線與定子磁極中心線對齊時，磁阻最小，轉矩為零。如果控制線路不停地按一定方向切換定子繞組各相電流，轉子便按一定方向不停地轉動。步進電機每次轉過的角度稱為步距角。26 A A B B C C 定子 轉

13、子 繞組 27圖4-22 展開后的步進電機齒距28步進電機及其驅動裝置步進電機及其驅動裝置 為進一步了解步進電機的工作原理，以圖5-5為例來說明其轉動的整個過程，假設轉子上有四個齒，相鄰兩齒間夾角（齒距角）為900。當A相通電時，轉子1、3齒被磁極A產生的電磁引力吸引過去，使1、3齒與A相磁極對齊。接著B相通電，A相斷電，磁極B又把距它最近的一對齒2、4吸引過來，使轉子按逆時針方向轉動30o。然后C相通電，B相斷電，轉子又逆時針旋轉30o，依次類推，定子按ABCA順序通電，轉子就一步步地按逆時針方向轉動，每步轉30o。29 若改變通電順序，按ACBA使定子繞組通電，步進電機就按順時針方向轉動，

14、同樣每步轉30o。這種控制方式叫三相單三拍方式，“單”是指每次只有一相繞組通電，“三拍”是指每三次換接為一個循環(huán)。由于每次只有一相繞組通電，在切換瞬間將失去自鎖轉矩，容易失步，另外，只有一相繞組通電，易在平衡位置附近產生振蕩，穩(wěn)定性不佳，故實際應用中不采用單三拍工作方式。30 采用三相雙三拍控制方式，即通電順序采用三相雙三拍控制方式，即通電順序按按ABBCCAABABBCCAAB（逆時針方向）或（逆時針方向）或ACCBBAACACCBBAAC（順時針方向）進行，其（順時針方向）進行，其步距角仍為步距角仍為30300 0。由于雙三拍控制每次有二。由于雙三拍控制每次有二相繞組通電，而且切換時總保持

15、一相繞組相繞組通電，而且切換時總保持一相繞組通電，所以工作比較穩(wěn)定。通電，所以工作比較穩(wěn)定。31 如果按如果按AABBBCCCAA順序通順序通電，即首先電，即首先A相通電，然后相通電，然后A相不斷電，相不斷電，B相再通相再通電，即電，即A、B兩相同時通電，接著兩相同時通電，接著A相斷電而相斷電而B相相保持通電狀態(tài)，然后再使保持通電狀態(tài)，然后再使B、C兩相通電，依次類兩相通電，依次類推，每切換一次，步進電機逆時針轉過推，每切換一次，步進電機逆時針轉過15。如。如通電順序改為通電順序改為AACCCBBBAA，則，則步進電機以步距角步進電機以步距角15順時針旋轉。這種控制方順時針旋轉。這種控制方式為

16、三相六拍，它比三相三拍控制方式步距角小式為三相六拍，它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且轉換過程中始終保證有一半，因而精度更高，且轉換過程中始終保證有一個繞組通電，工作穩(wěn)定，因此這種方式被大量一個繞組通電，工作穩(wěn)定，因此這種方式被大量采用。采用。32 實際應用的步進電機如圖實際應用的步進電機如圖5-45-4所示，轉所示，轉子鐵心和定子磁極上均有齒距相等的小齒，子鐵心和定子磁極上均有齒距相等的小齒，且齒數要有一定比例的配合。且齒數要有一定比例的配合。 33AABBCCAABBCCAABBCC1112223333444逆時針轉 300逆時針轉 300逆時針轉 300345.2.2 步

17、進電機的主要性能指標步進電機的主要性能指標 1. 步距角和步距誤差 步距角和步進電機的相數、通電方式及電機轉子齒數的關系如下： (5-1)式中 步進電機的步距角；m電機相數； Z轉子齒數；k控制方式確定的拍數與相數的比例系數。例如三相三拍時，k=1，三相六拍時，k=2。KmZ36035 同一相數的步進電機可有兩種步距角，通常為1.2/0.5、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。 步距誤差是指步進電機運行時，轉子每一步實際轉過的角度與理論步距角之差值。連續(xù)走若干步時，上述步距誤差的累積值稱為步距的累積誤差。由于步進電機轉過一轉后，將重復上一轉的穩(wěn)定位置，即步進電機的步距累積誤差將以

18、一轉為周期重復出現(xiàn)。362. 2. 靜態(tài)轉矩與矩角特性靜態(tài)轉矩與矩角特性 當步進電機上某相定子繞組通電之后，當步進電機上某相定子繞組通電之后，轉子齒將力求與定子齒對齊，使磁路中的轉子齒將力求與定子齒對齊，使磁路中的磁阻最小，轉子處在平衡位置不動（磁阻最小，轉子處在平衡位置不動（0）。如果在電機軸上外加一個負載轉矩）。如果在電機軸上外加一個負載轉矩Mz，轉子會偏離平衡位置向負載轉矩方向轉過轉子會偏離平衡位置向負載轉矩方向轉過一個角度一個角度，角度，角度稱為失調角。有失調角稱為失調角。有失調角之后，步進電機就產生一個靜態(tài)轉矩（也之后，步進電機就產生一個靜態(tài)轉矩（也稱為電磁轉矩），這時靜態(tài)轉矩等于負

19、載稱為電磁轉矩），這時靜態(tài)轉矩等于負載轉矩。轉矩。37 靜態(tài)轉矩與失調角靜態(tài)轉矩與失調角的關系叫矩角特的關系叫矩角特性，如圖性，如圖5-55-5所示，近似為正弦曲線。該矩所示，近似為正弦曲線。該矩角特性上的靜態(tài)轉矩最大值稱為最大靜轉角特性上的靜態(tài)轉矩最大值稱為最大靜轉矩。在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內，當外加負載轉矩除矩。在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內，當外加負載轉矩除去時，轉子在電磁轉矩作用下，仍能回到去時，轉子在電磁轉矩作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點位置（穩(wěn)定平衡點位置（0 0）。）。38 O Mjm ax M 靜 態(tài) 穩(wěn) 定 區(qū) - -/2 /2 靜態(tài)矩角特性393. 最大啟動轉矩 圖5-7為三相單三拍矩角特性曲線，圖中的

20、A、B分別是相鄰A相和B相的靜態(tài)矩角特性曲線，它們的交點所對應的轉矩是步進電機的最大啟動轉矩Mq。如果外加負載轉矩大于Mq ，電機就不能啟動。如圖5-7所示,當A相通電時，若外加負載轉矩MaMq ，對應的失調角為a ，當勵磁電流由A相切換到B相時，對應角a ，B相的靜轉矩為Mb。從圖中看出,電機不能帶動負載做步進運動，因而啟動轉矩是電機能帶動負載轉動的極限轉矩。40圖5.9 步進電機的啟動轉矩414. 啟動頻率 空載時，步進電機由靜止狀態(tài)突然起動，并進入不失步的正常運行的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率，加給步進電機的指令脈沖頻率如大于啟動頻率，就不能正常工作。步進電機在帶負載（尤其是慣性負載

21、）下的啟動頻率比空載要低。而且，隨著負載加大（在允許范圍內），啟動頻率會進一步降低。 425. 連續(xù)運行頻率 步進電機起動后，其運行速度能根據指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運行頻率。其值遠大于啟動頻率，它也隨著電機所帶負載的性質和大小而異，與驅動電源也有很大關系。 435. 矩頻特性與動態(tài)轉矩 矩頻特性是描述步進電機連續(xù)穩(wěn)定運行時輸出轉矩與連續(xù)運行頻率之間的關系（見圖5-8），該特性上每一個頻率對應的轉矩稱為動態(tài)轉矩。在使用時，一定要考慮動態(tài)轉矩隨連續(xù)運行頻率的上升而下降的特點。圖圖5-8 矩頻特性矩頻特性44 步進電機驅動線路完成由弱電到強電的轉換和放大，也就是將邏輯電

22、平信號變換成電機繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號。驅動控制電路由環(huán)形分配器和功率放大器組成。5.2.3 步進電機功率驅動步進電機功率驅動45l環(huán)形分配器是用于控制步進電機的通電方式的，其作用是將數控裝置送來的一系列指令脈沖按照一定的順序和分配方式加到功率放大器上，控制各相繞組的通電、斷電。l環(huán)形分配器功能可由硬件或軟件產生，硬件環(huán)形分配器是根據步進電機的相數和控制方式設計的，數控機床上常用三相、四相、五相及六相步進電機。461、脈沖分配控制硬件（環(huán)形分配器）CNC裝置電源環(huán)形分配器A相驅動B相驅動C相驅動FULL/HALFDIRCLKM三相硬件環(huán)形分配器的驅動控制47 硬件環(huán)形分配器是根據

23、真值表或邏輯關系式采用邏輯門電路和觸發(fā)器來實現(xiàn)，如圖5-9所示，該線路由與非門和JK觸發(fā)器組成。指令脈沖加到三個觸發(fā)器的時鐘輸入端CP，旋轉方向由正、反控制端的狀態(tài)決定。 , , 為三個觸發(fā)器的輸出端，連到A、B、C三相功率放大器。若“1”表示通電，“0”表示斷電，對于三相六拍步進電機正向旋轉，正向控制端狀態(tài)置“1”，反向控制端狀態(tài)置“0”。BQCQAQ48 初始時，在預置端加上預置脈沖，將三個觸發(fā)器置為100狀態(tài) 。當在CP端送入一個脈沖時，環(huán)形分配器就由100狀態(tài)變?yōu)?10狀態(tài)，隨著指令脈沖的不斷到來，各相通 電 狀 態(tài) 不 斷 變 化 ， 按 照100110010011001101即AA

24、BBBCCCA次序通電。步進電機反轉時，由反向控制信號“1”狀態(tài)控制（ 正 向 控 制 為 “ 0 ” ） ， 通 電 次 序 為ACACCBBBAA。49圖4-25 三相六拍環(huán)行分配器的原理線路圖50 軟件環(huán)形分配器實現(xiàn)較為簡單、方便。計算機控制的步進電機驅動系統(tǒng)中，使用軟件實現(xiàn)脈沖分配，常用的是查表法。例如對于三相六拍環(huán)形分配器，每當接收到一個進給脈沖指令，環(huán)形分配器軟件根據表5-1所示真值表，按順序及方向控制輸出接口將A、B、C的值輸出即可。51圖4-27 兩坐標步進電機伺服進給系統(tǒng)框圖52表3-2 兩坐標步進電機環(huán)形分配的輸出狀態(tài)表X向步進電機向步進電機Z向步進電機向步進電機節(jié)拍節(jié)拍序

25、號序號CBA存貯單元存貯單元方方向向節(jié)拍節(jié)拍序號序號cba存貯單元存貯單元方方向向PA2PA1PA0地址地址內容內容PA5PA4PA3地址地址內容內容00012A00H01H反反轉轉正正轉轉00012A10H08H反反轉轉正正轉轉10112A01H03H10112A11H18H20102A02H02H20102A12H10H3l102A03H05H3l102A13H30H41002A04H04H41002A14H20H51012A05H05H51012A15H28H53序 號 A B C 方 向 1 1 0 0 2 1 1 0 3 0 1 0 4 0 1 1 5 0 0 1 6 1 0 1 反

26、 轉 正 轉 三相六拍環(huán)形分配器真值表步進電機及其驅動裝置步進電機及其驅動裝置54l功率放大器的作用是將環(huán)形分配器發(fā)出的電平信號放大至幾安培到幾十安培的電流送至步進電機各繞組，每一相繞組分別有一組功率放大電路。5.2.4 功率放大器55 L為步進電機勵磁繞組的電感，Ra為繞組電阻，Rc為外接電阻，電阻Rc并聯(lián)一電容C，可以提高負載瞬間電流的上升率，從而提高電動機快速響應能力和啟動性能。圖3-28 單電壓驅動電路的工作原理56l環(huán)形分配器輸出為高電平時，T飽和導通，繞組電流按指數曲線上升，電路時間常數=L/(Ra+Rc)，它表示功放電路在導通時允許步進電機繞組電流上升的速率。串聯(lián)電阻Rc可以使電

27、流上升時間減小，改善帶負載能力。但電阻消耗了一部分功率，降低了效率。57l當環(huán)形分配器輸出為低電平時，T截止，繞組斷電，因步進電機的繞組是電感性負載，當T管從飽和到突然截止的瞬間，將產生一較大反電勢，此反電勢與電源電壓疊加在一起加在T管的集電極上，可能會使T管擊穿。58圖3-31 三種驅動電路的電流波形(a)單電壓電路 (b) 高低壓電路 (c)斬波電路59圖3-29 高低壓驅動電路的原理圖60l 高低壓驅動電路是恒電壓驅動的改進型，它的特點是供給步進電機繞組兩種電壓，以改善電機啟動時的電流前沿特性。一種是高電壓U1，由電機參數和晶體管特性決定，一般在80V至更高范圍；另一種是低電壓，即步進電

28、機繞組額定電壓U2，般為幾伏至20V。61l在相序輸入信號到來時，IH、IL信號使VTl、VT2同時導通，給繞組加上高壓U1，以提高繞組中電流上升率，當電流達到規(guī)定值時，VT1關斷、VT2仍然導通(tH脈寬小于tL)，則自動切換到低壓U2。62 當低壓斷開時，電感中儲能通過構成的放電回路放電，因此也加快了放電過程。這種供電線路由于加快了繞組電流的上升和下降過程，有利于提高步進電機的啟動頻率和最高連續(xù)工作頻率。由于額定電流是由低壓維持的，只需較小的限流電阻，功耗小。63l該電路的優(yōu)點是在較寬的頻率范圍有較大的平均電流，能產生較大且穩(wěn)定的平均轉矩。l缺點是電流波形有凹陷，電路較復雜。64圖4-30

29、 斬波驅動電路原理圖65 恒流斬波驅動電路的工作原理是：環(huán)形恒流斬波驅動電路的工作原理是：環(huán)形分配器輸出的正脈沖將分配器輸出的正脈沖將T T1 1，T T2 2導通，由于導通，由于U U1 1電壓較高，繞組回路又沒串電阻，所以繞電壓較高，繞組回路又沒串電阻，所以繞組電流迅速上升，當繞組電流上升到額定組電流迅速上升，當繞組電流上升到額定值以上的某一數值時，由于采樣電阻值以上的某一數值時，由于采樣電阻R Re e的反的反饋作用，經整形、放大后送自饋作用，經整形、放大后送自T T1 1的基極，使的基極，使T T1 1管截止。管截止。66 接著繞組由接著繞組由U U2 2低壓供電，繞組中的電流低壓供電

30、，繞組中的電流立即下降，但剛降到額定值以下時，由于立即下降，但剛降到額定值以下時，由于采樣電阻采樣電阻R Re e的反饋作用，使整形電路無信號的反饋作用，使整形電路無信號輸出，此時高壓前置放大電路又使輸出，此時高壓前置放大電路又使T T1 1導通，導通，電流又上升。如此反復進行，形成一個在電流又上升。如此反復進行，形成一個在額定電流值上下波動呈鋸齒狀的繞組電流額定電流值上下波動呈鋸齒狀的繞組電流波形，近似恒流。波形，近似恒流。 67l(4)調頻調壓驅動電路l從上述驅動電路看，為了提高驅動器的快速響應，采用了提高供電電壓，加快電流上升沿的措施。但在低頻工作時，步進電機的振蕩加劇，甚至失步。從原理

31、上講，為了減小低頻振蕩，應使低頻時繞組中的電流上升沿較平緩，這樣才能使轉子在到達新的平衡位置時不產生過沖。而在高速時則應使電流前沿較陡峭，以產生足夠的繞組電流，才能提高步進電機的帶載能力。68l這就要求驅動電源對繞組提供電壓與電機運行頻率建立直接關系，即低頻時用較低的電壓供電，高頻時用較高的電壓供電。電壓隨頻率變化可由不同的方法實現(xiàn)，如分頻段來調壓、電壓隨頻率線性地變化等。l調頻調壓驅動方式結合了高低驅動和斬波驅動的優(yōu)點，是一種十分可取的步進電機驅動電路。69l(5)(5)細分驅動電路細分驅動電路l步進電機繞組中的電流為矩形波供電時，步進電機繞組中的電流為矩形波供電時，其步距角因供電控制方式不

32、同只有兩種其步距角因供電控制方式不同只有兩種( (整整步與半步步與半步) )。步距角雖已由步進電機結構確。步距角雖已由步進電機結構確定，但可用電的方法來進行細分。為此，定，但可用電的方法來進行細分。為此，繞組電流由矩形波供電改為梯形波供電。繞組電流由矩形波供電改為梯形波供電。70l 矩形波供電時，繞組中的電流基本上是從零值躍到額定值，或從額定值降至零值。而梯形波供電時，繞組中的電流經若干個階梯上升到額定值，或經若干個階梯下降至零值，也就是說，在每次輸入脈沖切換時，不是將繞組電流全部通入或切除，而是改變相應繞組中額定電流的一部分。電流分成多少個臺階，則轉子就以同樣的個數轉一個步距角。這種將一個步

33、距角細分成若干個步的驅動方法稱為細分驅動。細分驅動的優(yōu)點是使步距角減小，運行平穩(wěn)，提高勻速性，并能減弱或消除振蕩。7172第15講73 5.3 5.3 直流伺服電機直流伺服電機極靴極靴機殼機殼瓦狀永磁材料（定子）瓦狀永磁材料（定子）電樞（轉子）電樞（轉子）換向極換向極主磁極主磁極定子定子轉子轉子線圈線圈永磁直流伺服電機的結構永磁直流伺服電機的結構 直流主軸電機結構示意圖直流主軸電機結構示意圖 745.3.2 5.3.2 直流伺服電機的結構直流伺服電機的結構l(1)(1)定子定子 定子磁極磁場由定子的磁極產生。定子磁極磁場由定子的磁極產生。根據產生磁場的方式，直流伺服電機可分根據產生磁場的方式，

34、直流伺服電機可分為永磁式和他激式。永磁式磁極由永磁材為永磁式和他激式。永磁式磁極由永磁材料制成，他激式磁極由沖壓硅鋼片疊壓而料制成，他激式磁極由沖壓硅鋼片疊壓而成，外繞線圈，通以恒定直流電流便產生成，外繞線圈，通以恒定直流電流便產生恒定磁場。恒定磁場。75l(2)(2)轉子轉子 又稱電樞，由硅鋼片疊壓而成，又稱電樞，由硅鋼片疊壓而成，表面嵌有線圈，通以直流電時，在定子磁表面嵌有線圈，通以直流電時，在定子磁場作用下產生帶負載旋轉的電磁轉矩。場作用下產生帶負載旋轉的電磁轉矩。l(3)(3)電刷與換向片電刷與換向片 為使所產生的電磁轉矩為使所產生的電磁轉矩保持恒定方向，轉子能沿固定方向均勻的保持恒定

35、方向，轉子能沿固定方向均勻的連續(xù)旋轉，電刷與外加直流電源相接，換連續(xù)旋轉，電刷與外加直流電源相接，換向片與電樞導體相接。向片與電樞導體相接。 765.3.2 5.3.2 直流伺服電機的結構直流伺服電機的結構圖4-32 直流伺服電機的結構77 另一方面，就原理而言，一臺普通的直流電機也可認為就是一臺直流伺服電機。因為，當一臺直流電機加以恒定勵磁，若電樞(多相線圈)不加電壓，電機不會旋轉；當外加某一電樞電壓時，電機將以某一轉速旋轉，改變電樞兩端的電壓，即可改變電機轉速，這種控制叫電樞控制。78 當電樞加以恒定電流，改變勵磁電當電樞加以恒定電流，改變勵磁電壓時，同樣可達到上述的控制目的，這壓時，同樣

36、可達到上述的控制目的，這種方法叫磁場控制。如圖種方法叫磁場控制。如圖5.245.24所示。直所示。直流伺服電機一般都采用電樞控制。流伺服電機一般都采用電樞控制。79圖5.24 直流電機的控制原理805.3.4 直流伺服電機的分類l1按電機結構分類l2按轉速高低分類 l3按勵磁方式分類815.3.4 直流伺服電機的分類l按電機結構分：l(1)小慣量直流電機 l(2)改進型直流伺服電機 l(3)無刷直流電機l(4)永磁式直流伺服電機825.3.4 直流伺服電機的分類l按轉速高低分類：l(1)高速直流伺服電機l(2)低速大扭矩寬調速電機835.3.4 直流伺服電機的分類l按勵磁方式分類l(1)他勵直

37、流電機 適用于要求寬調速、對啟動制動特性要求較高的場合。l(2)并勵直流電機l(3)串勵直流電機 適用于啟動制動頻繁，較大啟動扭矩和恒功率調速的機械，如電車、牽引機車等。l(4)復勵直流電機 適用于負載變動較大、同時需要寬調速的場合。 845.3.4 直流伺服電機的調速l直流電機的調速原理：(公式4-5) 因此，直流電動機的基本調速方式有三種，即調節(jié)電阻R，調節(jié)電樞電壓U和調節(jié)磁通的值。02eetURnTnTKK K855.3.5 直流伺服電機的調速l1改變電樞回路電阻的調速l2改變電樞電壓的調速 l3改變勵磁磁通調速861改變電樞回路電阻的調速l 在電樞電路中的電阻R串聯(lián)一個變電阻Ra時，機

38、械特性（R越大，越大，n0不變） 圖3-38 改變電樞電路電阻的調速87l 直流電機的機械特性為一向下傾斜的直線，即隨著外負載的增加，其轉速線性地下降：當增大電樞電阻時，直流電機的空載理想轉速不變，但電機的機械特性變軟，即當電機外負載增加時，電機轉速相對理想轉速的下降值增加，穩(wěn)定轉速下降，輸出的機械功率下降。這是由于負載增加，電機的電流增加，電阻所消耗的功率比原來增加所至。因此，調節(jié)電樞電阻調速的方法是不經濟的。在實際伺服系統(tǒng)中應用少。 882改變電樞電壓的調速l 改變電樞電壓U時的機械特性（U越大，n0越大，不變）,由于電機絕緣耐壓強度的限制，電樞電壓只允許在其額定值以下調節(jié)。圖4-38 改

39、變電樞電壓的調速89l 這種調速方法有以下特點：l (1)當電源電壓連續(xù)變化時，轉速可以平滑無級調節(jié)，但一般只能在額定轉速以下調節(jié)；l (2)機械特性硬度不變（不變），調速的穩(wěn)定度較高，調速范圍較大；l (3)電樞電壓調速屬恒轉矩調速，適合于對恒轉矩型負載進行調速； 90 電樞電壓調速是數控機床伺服系統(tǒng)中用的最多的調速方法，后面將講到的晶閘管供電的速度控制和晶體管直流脈寬（PWM）調速系統(tǒng)都是電樞電壓調速原理的具體應用。913改變勵磁磁通調速 改變磁通時的機械特性（越大，n0越小，越小）由于勵磁線圈發(fā)熱和電機磁飽和限制，電機的勵磁電流和它對應的磁通只能在低于其額定值的范圍內調節(jié)。圖3-40 改

40、變磁通時的調速92l對于調磁調速，不但改變了電機的理想轉速，而且也使機械特性變軟，使電機抗負載變化的能力降低。93 因此，直流電機廣泛使用調節(jié)電樞電壓的調速方式。945.3.6 晶閘管調速控制系統(tǒng)l 只通過改變晶閘管觸發(fā)角，以達到對電機進行調速的范圍較小，為滿足數控機床的調速范圍要求，可采用帶有速度反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。為增加調速特性的硬度，充分利用電機過載能力，加快啟動過程，需要加一個電流反饋環(huán)節(jié)，實現(xiàn)雙閉環(huán)調速。 圖3-41 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)95l當給定的速度指令信號增大時，速度調節(jié)器輸入端會有較大的偏差信號，放大器的輸出信號隨之加大，觸發(fā)脈沖前移，整流器輸出電壓提高，電機轉速相應的上升；同時，測

41、速發(fā)電機輸出電壓增加，反饋到輸入端使偏差信號減小，電機轉速上升減慢，直到速度反饋值等于或接近給定值時系統(tǒng)達到新的平衡。96l當負載增加時，轉速會下降，測速發(fā)電機輸出電壓下降，使速度調節(jié)器輸入偏差信號增大，放大器輸出電壓增加，觸發(fā)脈沖前移，晶閘管整流器輸出電壓升高，從而使電機轉速上升，直到恢復原干擾前的轉速；電流調節(jié)器可對速度調節(jié)器電流反饋信號進行補償，使SCR整流器輸出電壓恢復到原值，抑制了主回路電流的變化。 97l當速度給定信號為階躍函數時，電流調節(jié)器輸入值很大，輸出值整定在最大的飽和值，電樞電流值最大。因而，電機在加速的過程中可始終保持在最大轉矩和最大加速度狀態(tài)，使啟動、制動過程最短。98

42、l晶閘管調速控制系統(tǒng)的特點: 雙環(huán)調速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)、動態(tài)指標，可最大限度地利用電機過載能力，實現(xiàn)過度過程最短。上述晶閘管調速的缺點在于低速輕載時，電樞電流出現(xiàn)斷續(xù)，機械特性變軟，總放大倍數下降，動態(tài)品質變壞?？刹捎秒姌须娏髯赃m應調節(jié)器或者增加一個電壓調節(jié)內環(huán)，組成三環(huán)來解決。995.3.7 晶體管脈寬調制(PWM)調速系統(tǒng)l晶體管直流脈寬調制（PWM）調速系統(tǒng)簡稱脈寬調速系統(tǒng)，是利用脈寬調制器對大功率晶體管開關時間進行控制，將直流電壓轉變成一系列某一頻率的單極性或雙極性方波電壓，加到直流電機電樞的兩端，通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均值，從而達到調整電機轉速的目的。100PWM調

43、速系統(tǒng)的特點 l1)電機損耗和噪聲小 晶體管開關頻率很高，遠比轉子所跟隨的頻率高，也即避開了機械的共振。由于開關頻率高，使得電樞電流僅靠電樞電感或附加較小的電抗器便可連續(xù)，所以電機耗損和發(fā)熱小。l2)晶體管的開關性能好，控制簡單 功率晶體管工作在開關狀態(tài)，其耗損小，且控制方便。只需在基極加以信號就可以控制其開關。101l 3)系統(tǒng)動態(tài)特性好，響應頻帶寬 晶體管的電容小，截止頻率高于可控硅，允許系統(tǒng)有較高的工作頻帶較寬的頻帶，可獲得好的系統(tǒng)動態(tài)性能，動態(tài)響應迅速，也可避免機床的共振區(qū)，使機床加工平穩(wěn)，從而可提高加工質量。l 4)電流脈動小，波形系數小 電機負載呈感性，電路的電感值與頻率成正比關系

44、，因此電流脈動的幅度隨頻率的升高而下降。PWM的高工作頻率使電流的脈動幅度大大的削弱，電流的波形系數接近于1，使得電機內部發(fā)熱少，輸出轉矩平穩(wěn)，對低速加工有利。102l5)電源的功率因數高 PWM系統(tǒng)的直流電源為不控整流輸出，相當于可控硅導通角為最大時的工作狀態(tài)，功率因數與輸出電壓無關，整個工作范圍內的功率因數可達90%，從而大大改善了電源的利用率。l5)功率晶體管承受高峰值電流的能力差。103(2)PWM系統(tǒng)的工作原理lPWM方式的速度控制系統(tǒng)主要由脈沖寬度調制器和脈沖功率放大器兩部分組成。lPWM調速系統(tǒng)可分為控制部分、晶體管開關式放大器和功率整流器三部分?？刂撇糠职ㄋ俣日{節(jié)器、電流調節(jié)

45、器、固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器、脈沖寬度調制器以及基極的驅動電路。脈寬調制（PWM）系統(tǒng)的工作原理如圖5.29所示。104圖5.29 脈寬調制（PWM）系統(tǒng)的工作原理105l 脈寬調制是使功率放大器中的晶體管開關工作，開關頻率保持恒定，用調整每周期內的導通時間的方法來改變功率晶體管的輸出，從而是電機電樞兩端獲得寬大隨時變化的確定頻率的電壓脈沖。脈寬的連續(xù)變化，使得電樞電壓的平均值也連續(xù)變化，因而使電機的轉速連續(xù)調整。脈寬調制器也是使電流調節(jié)器輸出的直流電壓電平（隨時間緩慢變化）與振蕩器產生的確定頻率的三角波疊加，然后利用線性組件產生寬度可變的矩形脈沖，經驅動回路放大后加到晶體管的基極，控制其

46、開關周期及導通的持續(xù)時間。 106(3)脈寬調制器 脈寬調制器的作用是將電壓量轉換成可由控制信號調節(jié)的矩形脈沖。在PWM調速系統(tǒng)中，電壓量為電流調節(jié)器輸出的直流電壓量，該電壓是由數控裝置插補器輸出的速度指令轉化而來。經過脈寬調制器變?yōu)橹芷诠潭ā⒚}寬可變的脈沖信號，脈沖寬度的變化隨著速度指令而變化。由于脈沖周期不變，脈沖寬度的改變將使脈沖平均電壓改變。107l脈沖寬度調制器的種類很多，但從結構上看，都是由兩部分組成，即 調制信號發(fā)生器調制信號發(fā)生器 比較放大器比較放大器 而調制信號發(fā)生器都是采用三角波發(fā)生器或鋸齒波發(fā)生器。 108圖5.30 脈寬調制器(a)三角波發(fā)生器；(b)、(c)比較放大器

47、109(4)開關功率放大器圖3-44 H形開關電路(a)單極性工作狀態(tài) (b)雙極性工作狀態(tài)1105.2.2 三相電壓型逆變電路l三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路l應用最廣的是三相橋式逆變電路三相橋式逆變電路圖5-9 三相電壓型橋式逆變電路111(4)開關功率放大器圖3-44 H形開關電路(a)單極性工作狀態(tài) (b)雙極性工作狀態(tài)112lH形雙極性開關電路如圖3-44(b)所示：比較圖3-44(a)、(b)可看出，這兩個圖的構成是一樣的，只是控制電壓不同。圖3-44(b)中的控制電壓的特點是ubl=ub4，ub2=ub3=-ubl。在0tt1時，VT1和VT4導通，此時電源+Ed加在電

48、機電樞AB兩端(即uAB=+Ed)。在t1tT時，VT2和VT3導通，此時電源+Ed加在電機電樞BA兩端(即uAB=-Ed)。在這種控制方式下，開關放大器的輸出電壓是在+Ed到-Ed之間變化的脈沖電壓，其電機電樞兩端電壓uAB的極性改變，因此稱它為雙極性工作方式。113l從圖3-43中的波形可知，主回路輸出電壓uAB是在0和+ Ed之間變化的脈沖電壓。因此，這時是采用了H形單極性開關電路工作方式。改變控制電壓的大小(如變小)，即可改變電樞兩端的電壓波形(如脈寬變窄)，從而改變了電樞電壓的平均值(如平均電壓變小)，達到調速的目的(如電機轉速變低)。 114第16講1155.4 交流電機伺服系統(tǒng)5

49、.4.1交流伺服電機的種類：交流伺服電機的種類：交流伺服電機可以分為：永磁式交流伺服電機 感應式交流伺服電機。 永磁式交流伺服電機轉速與電源的頻率有嚴格的對應關系，同步性較好，因此常用于進給伺服系統(tǒng)。116l永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較，主要優(yōu)點有：l無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低。l定子繞組散熱比較方便。l慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。l適應于高速大力矩工作狀態(tài)。l同功率下有較小的體積和重量。1175.4.2 永磁交流同步伺服電機的結構永磁交流同步伺服電機的結構圖5.33 永磁交流同步伺服電機結構118 （1 1）永磁交流同步伺服電機的發(fā)展）永磁交流同步伺服電機的

50、發(fā)展 新永磁材料的應用 釹鐵硼 永久磁鐵的結構改革 內裝永磁交流同步伺服電機 與機床部件一體化的電機 空心軸永磁交流同步伺服電機（2 2）交流主軸伺服電機的發(fā)展）交流主軸伺服電機的發(fā)展 輸出轉換型交流主軸電機 三角-星形切換，繞組數切換或二者組合切換。 液體冷卻電機 內裝式主軸電機 5.4.3、交流伺服電機的發(fā)展 1195.4.4 交流伺服電機的調速原理l 由電機學基本原理可知，交流電機的同步轉速為l 異步電機的轉速為: l 式中f定子電源頻率，Hz；l p電機定子繞組磁極對數；l S轉差率。60/minfnrp601fnSp120改變電機轉速的方法： l(1)改變磁極對數l(3)變頻調速l(

51、2)改變轉差率調速1215.4.5 交流伺服電機的速度控制單元l 永磁同步伺服電機的調速與異步型伺服電機的調速有不同之處異步型的，即不能用調節(jié)轉差率S的方法來調速，也不能用改變磁極對數 p來調速，而只能用變頻( f )方法調速才能滿足數控機床的要求，實現(xiàn)無級調速。122l永磁交流伺服系統(tǒng)按其工作原理、驅動電流波形和控制方式的不同，又可分為：矩形波電流驅動的永磁交流伺服系統(tǒng)和正弦波電流驅動的永磁交流伺服系統(tǒng)。前者的永磁交流伺服電機也稱為無刷直流伺服電動機，后者的也稱無刷交流伺服電動機。從發(fā)展趨勢看，正弦波驅動將成為主流。123l永磁交流伺服電機變頻調速控制單元中的關鍵部件之一是變頻器。變頻器又分

52、為交直交型和交交型變頻器，前者廣泛應用在數控機床的伺服系統(tǒng)中。通常交直交型變頻器中的交直變換是將交流變?yōu)橹绷麟?，而直交變換是將直流變?yōu)檎{頻、調壓的交流電，采用脈沖寬度調制逆變器來完成。124l 逆變器有晶閘管和晶體管逆變器之分，而數控機床上的交流伺服系統(tǒng)幾乎全部采用晶體管逆變器。125l1SPWM變頻器lSPWM變頻器，即正弦波PWM變頻器，屬于交直交靜止變頻裝置。它先將50Hz的工頻電源經整流變壓器變到所需的電壓后，經二極管整流和電容濾波，形成恒定直流電壓，再送人由大功率晶體管構成的逆變器主電路，輸出三相頻率和電壓均可調整的等效于正弦波的脈寬調制波(SPWM波)，去驅動交流伺服電動機運轉。

53、126l(1)SPWM波形與等效正弦波 SPWM逆變器是用來產生正弦脈寬調制波，即SPWM 波形。工作原理是把一個正弦半波分成N等分，然后把每一等分的正弦曲線與橫坐標所包圍的面積都用一個與此面積相等的矩形脈沖來代替，這樣可得到N個等高而不等寬的脈沖。這N個脈沖對應著一個正弦波的半周。對正弦波的負半周也采取同樣處理，得到相應的2N個脈沖，這就是與正弦波等效的正弦脈寬調制波，即SPWM波。 127圖3-49 與正弦波等效的矩形脈沖波形128(2)產生SPWM波形的原理l其方法是以正弦波為調制波對等腰三角波為載波的信號進行“調制”。調制電路一般采用電壓比較放大器，調制后輸出寬度受正弦調制波控制的脈沖

54、(SPWM波),因此,只需改變正弦調制波的頻率或幅值,就能調制輸出脈沖的寬度.129(2)產生SPWM波形的原理l調制原理與直流脈寬調速系統(tǒng)中的調制相似，所不同的是這里需要三相SPWM波形。130(2)產生SPWM波形的原理 l其原理圖如圖其原理圖如圖3-50所示。要獲得三相所示。要獲得三相SPWM脈寬調制波形，則需要三個互成脈寬調制波形，則需要三個互成 的控制電壓的控制電壓Ua、Ub、Uc分別與同一三角分別與同一三角波比較，獲得三路互成波比較，獲得三路互成 的的SPWM脈寬脈寬調制波調制波U0a、U0b、U0c。而三相控制電壓。而三相控制電壓Ua、Ub、Uc的幅值和頻率都是可調的。的幅值和頻

55、率都是可調的。三角波頻率為正弦頻率三角波頻率為正弦頻率3倍的整數倍，所以倍的整數倍，所以保證了三路脈沖調制波形保證了三路脈沖調制波形U0a、U0b、U0c和時間軸所組成的面積隨時間的變化互成和時間軸所組成的面積隨時間的變化互成 相位角。相位角。 01200120131圖4-52 調制波的形成132 SPWM控制波的生成控制波的生成:正弦波正弦波三角波調制三角波調制、方波、方波三角波調制。三角波調制。133圖3-50 三相SPWM控制電路原理134(3)SPWM變頻器的主電路 圖3-51 雙極性SPWM通用型主回路1352SPWM變頻調速系統(tǒng)圖3-53 SPWM變頻調速系統(tǒng)框圖136 SPWM變

56、壓變頻調速的優(yōu)點：1.主電路只有一個可控的功率環(huán)節(jié)，簡化了結構；2.采用了不可控整流器。使電網功率因數提高；3.逆變器同時調頻調壓，動態(tài)響應不受中間環(huán)節(jié)影響；4.可獲得更接近于正弦波的輸出電壓波形。1373交流伺服電機的矢量控制調速l交流伺服電機的矢量控制(Vector Control)，是既適用于異步型電機，也可用于同步型電機的一種調速控制方法。它是在PWM變頻異步電機調速的基礎上發(fā)展起來的。因為數控機床的主軸在工作時，為保證加工質量，對恒轉矩有更高的要求，所以主軸交流電機更廣泛地采用矢量控制調速方式。138l (1)矢量控制原理l 異步型交流電機矢量控制的基本原理是：他激直流伺服電機之所以

57、能獲得優(yōu)良的動態(tài)與靜態(tài)性能，其根本原因是被控量只有電機磁場和電樞電流IR，且這兩個量是相互獨立的。此外，電磁轉矩，T與、IR成比例關系。因此控制簡單，性能優(yōu)良。如果能夠模擬直流電機，求出異步電機與之對應的磁場與電樞電流，分別而獨立地加以控制，就會使異步電機具有與直流電機近似的優(yōu)良性能。139l為此，必須將三相交變量(矢量)轉換為與之等效的直流量(標量)。建立起異步電機的等效數學模型，然后按照直流電機的控制方式對其進行控制。所以，這種控制方法叫異步電機的矢量控制。140l根據交流電機理論中異步電機電磁轉矩關系可知，電磁轉矩與氣隙磁通和轉子電流I2成正比。在這里是矢量，它是由定子電流I1與轉子電流

58、I2合成電流I0產生的，并處于旋轉狀態(tài)。與直流電機相比，由于交流電機沒有獨立的激磁回路，可以把轉子電流I2比作直流電機電樞電流IR，則轉子電流I2時刻影響著氣隙磁通的變化，不再是獨立的變量。其次，交流電機輸入量的定子電壓和電流均是隨時間交變的量，而磁通是空間交變矢量。 141l如果僅僅控制定子電壓和頻率，其輸出特性n=f(T)顯然將不會是線性的。為此可利用等效概念，將三相交流輸入電流變?yōu)榈刃У闹绷麟姍C中彼此獨立的激磁電流If和電樞電流IR，然后和直流電機一樣，通過兩個量的反饋控制實現(xiàn)對電機的轉矩控制。再通過相反的變換，將被控制的等效的直流量還原為三相交流量，控制實際的三相交流電機。則三相交流電

59、機的調速性能就能完全體現(xiàn)出直流電機的調速性能，這就是矢量控制的基本思想。 142第17講143l5.5.1 相位比較伺服系統(tǒng)l5.5.2 幅值比較伺服系統(tǒng) l5.5.3 數字比較伺服系統(tǒng)5.5 伺服系統(tǒng)的位置控制伺服系統(tǒng)的位置控制1441相位比較伺服系統(tǒng)的組成 相位比較伺服系統(tǒng)是采用相位比較方法實現(xiàn)位置閉環(huán)(及半閉環(huán))控制的伺服系統(tǒng)，是數控機床中使用較多的一種位置控制系統(tǒng)。 主要由基準信號發(fā)生器、脈沖調相器、檢測元件、鑒相器、伺服放大器、伺服電機等。 1452相位比較伺服系統(tǒng)的工作原理l在該系統(tǒng)中，感應同步器在相位工作狀態(tài)，以定尺的相位檢測信號經過整形放大后所得的作為位置反饋信號。指令脈沖經脈

60、沖調相后，轉換成頻率為的脈沖信號。 、 為兩個同頻的脈沖信號。它們的相位差反映了指令位置與實際位置的偏差。)(Ap)(Bp1463相位比較伺服系統(tǒng)的控制線路l(1)脈沖調相器圖3-58 脈沖調相器組成原理框圖147l脈沖-相位變換的原理。 N個時鐘脈沖使標準計數器的輸出變化一個周期，即350，N+x個脈沖使x計數器的輸出在變化一個周期(350)后，又變化=(350/N)x，即超前標準計數器一個相位角。 148圖3-59 輸入+x前后的波形變化(a) 原理圖 (b)預加+x的波形 (c)輸入+x前后的波形149圖3-50 輸入-x前后的波形變化150脈沖加減器 圖3-51 脈沖加減器(a)原理圖