兰州交通大学：《数控技术及编程》课程教学资源（教案讲义）10.doc_大学文库

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程二、讲稿第三章数控机床的进给伺服系统第三节直流伺服驱动控制直流伺服电动机是用直流电信号控制的执行元件，它的功能是将输入的电压控制信号，快速转换为轴上的角位移或角速度输出。直流伺服电动机具有线性调速范围宽、信号响应迅速、无控制电压立即停转、堵转转矩大等特点，作为驱动元件被广泛应用于数控闭环或半闭环)进给系统中。以直流伺服电机作为驱动元件的伺服系统称为直流伺服系统。一、直流伺服电动机的工作原理及类型 1.工作原理直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，电磁力的大小与电机中的气隙磁场成正比。直流电机的工作原理如图3-12所示，位于磁场中的线圈abcd的a端和d 端分别连接于各自的换向片上，换向片又分别通过静止的电刷A和B与直流电源的两极相连。当电流通过线圈时，产生电磁力和电磁转矩，使线圈旋转，线圈转动的同时， abcd的两个相连的换向片的位置产生变化，从而改变了所接触的电源极性，维持线圈沿固定方向连续旋转。图3-12直流电机的工作原理图就原理而言，一台普通的直流电机也可认为就是一台直流伺服电机，因为当一台直流电机加以恒定励磁，若电枢（多相线圈）不加电压，电机不会旋转：当外加某一电枢电压时，电机将以某一转速旋转，改变电枢两端的电压，即可改变电机转速，这种控制叫电枢控制。当电枢加以恒定电流，改变励磁电压时，同样可达到上述控制目的，这种方法叫磁场控制。直流伺服电机一般都采用电枢控制。直流电机的种类很多，但它们的工作原理都是一样的，但是由于功用不同，在结构和工作性能上也有所区别。 2.直流伺服电机的分类直流电机按其励磁方式分为永磁式、励磁式（他励、并励、串励、复励、混合式（励兰州交通大学机电工程学院 2

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 2 二、讲稿第三章数控机床的进给伺服系统第三节直流伺服驱动控制直流伺服电动机是用直流电信号控制的执行元件，它的功能是将输入的电压控制信号，快速转换为轴上的角位移或角速度输出。直流伺服电动机具有线性调速范围宽、信号响应迅速、无控制电压立即停转、堵转转矩大等特点，作为驱动元件被广泛应用于数控闭环(或半闭环)进给系统中。以直流伺服电机作为驱动元件的伺服系统称为直流伺服系统。一、直流伺服电动机的工作原理及类型 1．工作原理直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，电磁力的大小与电机中的气隙磁场成正比。直流电机的工作原理如图 3–12 所示，位于磁场中的线圈 abcd 的 a 端和 d 端分别连接于各自的换向片上，换向片又分别通过静止的电刷 A 和 B 与直流电源的两极相连。当电流通过线圈时，产生电磁力和电磁转矩，使线圈旋转，线圈转动的同时， abcd 的两个相连的换向片的位置产生变化，从而改变了所接触的电源极性，维持线圈沿固定方向连续旋转。图 3–12 直流电机的工作原理图就原理而言，一台普通的直流电机也可认为就是一台直流伺服电机，因为当一台直流电机加以恒定励磁，若电枢(多相线圈)不加电压，电机不会旋转；当外加某一电枢电压时，电机将以某—转速旋转，改变电枢两端的电压，即可改变电机转速，这种控制叫电枢控制。当电枢加以恒定电流，改变励磁电压时，同样可达到上述控制目的，这种方法叫磁场控制。直流伺服电机一般都采用电枢控制。直流电机的种类很多，但它们的工作原理都是一样的，但是由于功用不同，在结构和工作性能上也有所区别。 2．直流伺服电机的分类直流电机按其励磁方式分为永磁式、励磁式(他励、并励、串励、复励)、混合式(励

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程磁和永磁合成)三种：按电枢结构分为有槽、无槽、印刷绕组、空心杯形等：按输出量分为位置、速度、转矩（或力）三种控制系统：按运动模式分为增量式和连续式：按性能特点及用途不同又有不同品种，二、常用直流伺服电动及特点永磁电机和他励电机适合于数控机床，而这类电机在实际应用中，习惯上按其性能特点又有小惯量直流伺服电机和宽调速直流伺服电机之分。 1.小惯量直流伺服电机顾名思义，小惯量直流伺服电机以电枢惯量小而得名，这类电机一般为永磁式，它的电枢结构多为无槽、印刷绕组或空心杯形三种。无槽电枢的电枢铁心上没有槽，为一光滑的由硅钢片叠成的圆柱体，电枢绕组为成型的线圈元件组成，用环氧树脂和玻璃布带直接固定在铁心表面上。印刷绕组电枢为多层薄片圆盘，以环氧树脂布胶板为基板，两侧胶合铜箔，用印刷电路法制成双面电枢绕组，电刷直接作用在印刷绕组上。空心杯形电枢是用漆包线编制成杯形，用环氧树脂将其固化成一整体，且无铁心以减小电枢直径，并增强其刚性。小惯量电机最大限度地减少了电枢的转动惯量，所以能获得最好的快速性，它的主要特点有： (1)转动惯量小，约为普通直流电机的110左右： (2)有良好的换向性能，电机时间常数小，只有几个毫秒： (3)电气机械均衡性好，在低速时运转稳定而均匀，如转速低达10rmi血仍无爬行现 (4)过载能力强，最大扭矩可达额定值的10倍(1秒以内)。 2.宽调速直流伺服电机小惯量电机是以减小电机电枢转动惯量来改善其工作特性，但由于电机的转动惯量小，机床惯量大，须经过齿轮传动，而且电刷易磨损，使用效果并不十分理想。而宽调速电机则是通过提高转矩来改善其性能，且具有过载能力强、调速范围宽、可与机床进给丝杠直接连接等优点，故在闭环伺服系统中得到较为广泛的应用。宽调速电机按励磁方法不同可分为励磁式和永磁式两种。励磁式的特点是励磁大小易于调整，便于设置补偿绕组和换向器，所以电机换向性能好，成本低，能在较宽的速度范围内得到恒转矩特性，但温升高。永磁式一般无换向极和补偿绕组，换向性能受到一定限制，但因不需要励磁功率，因而效率高且低速时输出转矩大，温升低，尺寸小。两者相比，后者在数控机床中的应用较多，所以一般讲永磁直流伺服电机亦指永磁式宽调速直流伺服电机。宽调速直流伺服电机主要特点如下： ()转矩大，低速性能好，转动惯量也大。可以和机床进给丝杠直接连接，省去了齿轮传动机构，从而避免了由于齿轮间隙所产生的噪声、振动及齿隙误差，提高工作精度。兰州交通大学机电工程学院

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 3 磁和永磁合成)三种；按电枢结构分为有槽、无槽、印刷绕组、空心杯形等；按输出量分为位置、速度、转矩(或力)三种控制系统；按运动模式分为增量式和连续式；按性能特点及用途不同又有不同品种。二、常用直流伺服电动及特点永磁电机和他励电机适合于数控机床，而这类电机在实际应用中，习惯上按其性能特点又有小惯量直流伺服电机和宽调速直流伺服电机之分。 1．小惯量直流伺服电机顾名思义，小惯量直流伺服电机以电枢惯量小而得名，这类电机一般为永磁式，它的电枢结构多为无槽、印刷绕组或空心杯形三种。无槽电枢的电枢铁心上没有槽，为一光滑的由硅钢片叠成的圆柱体，电枢绕组为成型的线圈元件组成，用环氧树脂和玻璃布带直接固定在铁心表面上。印刷绕组电枢为多层薄片圆盘，以环氧树脂布胶板为基板，两侧胶合铜箔，用印刷电路法制成双面电枢绕组，电刷直接作用在印刷绕组上。空心杯形电枢是用漆包线编制成杯形，用环氧树脂将其固化成一整体，且无铁心以减小电枢直径，并增强其刚性。小惯量电机最大限度地减少了电枢的转动惯量，所以能获得最好的快速性，它的主要特点有： (1) 转动惯量小，约为普通直流电机的 1/10 左右； (2) 有良好的换向性能，电机时间常数小，只有几个毫秒； (3) 电气机械均衡性好，在低速时运转稳定而均匀，如转速低达 10r/min 仍无爬行现象； (4) 过载能力强，最大扭矩可达额定值的 10 倍（1 秒以内）。 2．宽调速直流伺服电机小惯量电机是以减小电机电枢转动惯量来改善其工作特性，但由于电机的转动惯量小，机床惯量大，须经过齿轮传动，而且电刷易磨损，使用效果并不十分理想。而宽调速电机则是通过提高转矩来改善其性能，且具有过载能力强、调速范围宽、可与机床进给丝杠直接连接等优点，故在闭环伺服系统中得到较为广泛的应用。宽调速电机按励磁方法不同可分为励磁式和永磁式两种。励磁式的特点是励磁大小易于调整，便于设置补偿绕组和换向器，所以电机换向性能好，成本低，能在较宽的速度范围内得到恒转矩特性，但温升高。永磁式一般无换向极和补偿绕组，换向性能受到一定限制，但因不需要励磁功率，因而效率高且低速时输出转矩大，温升低，尺寸小。两者相比，后者在数控机床中的应用较多，所以一般讲永磁直流伺服电机亦指永磁式宽调速直流伺服电机。宽调速直流伺服电机主要特点如下： (1) 转矩大，低速性能好，转动惯量也大。可以和机床进给丝杠直接连接，省去了齿轮传动机构，从而避免了由于齿轮间隙所产生的噪声、振动及齿隙误差，提高工作精度

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程 (②)动态响应好，过载能力强。由于转子热容量大，因而热时间常数大，耐热性能好，又采用了耐高压的绝缘材料，所以允许过载转矩达5~10倍，显著地提高了电机瞬时加速力矩，改善了动态响应：同时由于无励磁绕组及励磁损耗，使电机温升下降。 (3)调速范围宽，运转平稳。 (④)宽调速电机还可以同时配装高精度的测速发电机和旋转变压器及制动器，以满足各类机床伺服工作的需要。永磁直流伺服电机与小惯量直流伺服电机相比，其优、缺点如下：优点：能承受的峰值电流和过载倍数高：低速时输出力矩大：转动惯量大，可与进给丝杠直连：起动力矩大：调速范围宽：具有高精度的检测元件。缺点：转子温升高，会影响机床的精度：转子惯量大，又要快速性好，需增大电源的容量和增强机械传动链的刚度。三、直流伺服电动机的速度控制 1.直流伺服电动机的工作特性 (1)静态特性直流伺服电动机的静态特性是指电动机在稳态情况下工作时其转速、电磁力矩和电枢控制电压三者之间的关系。一般直流电机（励磁式）的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，由励磁绕组和磁极建立磁场，通电导体（电枢）切割磁力线产生电磁转矩，转矩的大小正比于电机中气隙磁场和电枢电流。电磁转矩为 T=K,Φl 其中，K,为转矩常数，Φ为磁场磁通，1为电枢电流电枢回路的电压平衡方程式为 U=IR +E 其中，U为电枢上的外加电压，R,为电枢电阻，E为电枢反电势。电枢反电势与转速之间有以下关系 E。=KDo 其中，K,为电势常数，。为电机转速（角速度）根据以上各式可以得 o=K0KK,中令=总，k=是0，则有 R )=创。-kT 上式被称为电枢控制时，直流伺服电动机的静态特性方程。根据静态特性方程，可以得出直流伺服电动机有如下两种特殊运行状态： 1)当负载转矩为零时，电磁转矩也为零，这时可得兰州交通大学机电工程学院

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 4 (2) 动态响应好，过载能力强。由于转子热容量大，因而热时间常数大，耐热性能好，又采用了耐高压的绝缘材料，所以允许过载转矩达 5~10 倍，显著地提高了电机瞬时加速力矩，改善了动态响应；同时由于无励磁绕组及励磁损耗，使电机温升下降。 (3) 调速范围宽，运转平稳。 (4) 宽调速电机还可以同时配装高精度的测速发电机和旋转变压器及制动器，以满足各类机床伺服工作的需要。永磁直流伺服电机与小惯量直流伺服电机相比，其优、缺点如下：优点：能承受的峰值电流和过载倍数高；低速时输出力矩大；转动惯量大，可与进给丝杠直连；起动力矩大；调速范围宽；具有高精度的检测元件。缺点：转子温升高，会影响机床的精度；转子惯量大，又要快速性好，需增大电源的容量和增强机械传动链的刚度。三、直流伺服电动机的速度控制 1．直流伺服电动机的工作特性 (1) 静态特性直流伺服电动机的静态特性是指电动机在稳态情况下工作时其转速、电磁力矩和电枢控制电压三者之间的关系。一般直流电机(励磁式)的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，由励磁绕组和磁极建立磁场，通电导体(电枢)切割磁力线产生电磁转矩，转矩的大小正比于电机中气隙磁场和电枢电流。电磁转矩为 M T a T = K I 其中， KT 为转矩常数，  为磁场磁通， a I 为电枢电流。电枢回路的电压平衡方程式为 a aRa Ea U = I + 其中， Ua 为电枢上的外加电压， Ra 为电枢电阻， Ea 为电枢反电势。电枢反电势与转速之间有以下关系 Ea = Ke 其中， Ke 为电势常数，  为电机转速(角速度)。根据以上各式可以得 2  −  = e T a M e a K K R T K U  令  = e a K U 0 ， 2  = e T a K K R k ，则有  =0 − kTM 上式被称为电枢控制时，直流伺服电动机的静态特性方程。根据静态特性方程，可以得出直流伺服电动机有如下两种特殊运行状态： 1) 当负载转矩为零时，电磁转矩也为零，这时可得

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 5  = = e a K U  0 其中  0 为理想空载转速，可见其值与电枢电压成正比。 2) 当转速为零，即电机刚通电时的启动转矩 Td (又称为堵转转矩)为 = T  a a d K R U T 其中 Ua Ra 为启动时电流，一般直流电机该值很小，因此启动力矩不能满足要求。可见启动转矩 Td 与电枢电压成正比。在静态特性方程中，如果把角速度  看作是电磁转矩 TM 的函数，即  = f (TM ) ，则可得到直流伺服电动机的机械特性表达式 0 2  = − e T a M K K R T   机械特性是静态特性，是稳定运行时带动负载的性能，稳定运行时，电磁转矩与所带负载转矩相等。当电机带动某一负载 TL 时，直流伺服电动机的机械特性曲线如图 3–13 所示，此时电机转速与理想空载转速  会有一个差值 L e T T K K R 2   =   ， 的值表明了机械特性的硬度，  越小，机械特性越硬。  的大小与电机的调速有密切关系。  值大，不可能实现宽范围的调速，而进给系统要求很宽的调速范围，为此采用永磁直流伺服电机。图 3–13 直流电机的机械特性 (2) 动态特性电机处于过渡过程工作状态时，其动态特性直接影响着生产率、加工精度和表面质量。直流伺服电机有优良的动态品质，直流电机的动态力矩平衡方程式为 dt d T T J M L  − = 其中， TM 为电机电磁转矩， TL 为折算到电机轴上的负载转矩，  为电机转子角速度， J 为电机转子上总转动惯量， t 为时间自变量。该力矩平衡方程式表明动态过程中，电机由直流电能转换来的电磁转矩 TM ，克服负载转矩后，其剩余部分用来克服机械惯量，产生加速度，以便于电机由一种稳定状态过渡到另一种稳定状态。为了取得平稳的、快速的、无振荡的、单调上升的转速过渡过程

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程要减小过渡过程时间。为此，小惯量电机采取的措施是，从结构上减小其转子转动惯量 J:大惯量电机采取的措施是从结构上提高起动转矩T,。 2.直流伺服电机的调速由机械特性可知，对于己经给定的直流电机，要改变它的转速有三种方法：一是改变电枢回路电阻，这可通过调节凡，来实现：二是改变气隙磁通量Φ：三是改变外加电压。但前两种调速方法不能满足数控机床的要求，第三种调速方法是广泛应用的调速方法，因为它具有恒转速的调速待性、机械特性好、经济性能好等优点，他励直流电机大都采用这种方法。直流伺服电机速度控制的作用是将转速指令信号（多为电压值）变为相应的电枢电压值，并用晶闸管调速控制或晶体管脉宽调速控制方式来实现。 ()晶闸管调速控制方式晶闸管(Thyristor,原称可控硅，即SCR)直流调速的结构原理如图3-l4所示，由晶闸管组成的主电路在交流电源电压不变的情况下，通过控制电阻可方便的改变直流输出电压的大小，该电压作为直流伺服电动机的电枢电压U,即可达到直流伺服电动机调速的目的。电源入 TG) 图3-14晶闸管直流调速的原理框图下面以图3-15()所示的晶闸管单相全桥整流电路为例，说明晶闸管主电路的工作过程。在w,时刻，VT、VT4承受电源，正压，同时VT、VT4门极加触发脉冲，VT、 VT导通，此时把晶闸管从承受正压起到导通之间的电角度称为控制角α，电源4，加在负载上，形成直流伺服电动机的电枢电压U,及电枢电流，。当电源山，由零变为负值时由于电枢绕组上电感反动势的作用，通过VT、VT的维持电流继续流通，把晶闸管在一个周期内导通的电角度称为导通角，则VT、VT流通的导通角为9。直至下半周期同一控制角a所对应的时刻为m,时，触发VT2、VT导通，VT、VT4因承受反向电压而不再导通，电枢电流，改由VT、VT供给，工作时此过程周而复始。工作过程中的电源4，、控制电路的输出电压M,、电枢电压U,以及电枢电流，的变化如图3-15b) 所示。兰州交通大学机电工程学院 6

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 6 要减小过渡过程时间。为此，小惯量电机采取的措施是，从结构上减小其转子转动惯量 J ；大惯量电机采取的措施是从结构上提高起动转矩 TS 。 2．直流伺服电机的调速由机械特性可知，对于已经给定的直流电机，要改变它的转速有三种方法：一是改变电枢回路电阻，这可通过调节 Ra 来实现；二是改变气隙磁通量  ；三是改变外加电压。但前两种调速方法不能满足数控机床的要求，第三种调速方法是广泛应用的调速方法，因为它具有恒转速的调速待性、机械特性好、经济性能好等优点，他励直流电机大都采用这种方法。直流伺服电机速度控制的作用是将转速指令信号(多为电压值)变为相应的电枢电压值，并用晶闸管调速控制或晶体管脉宽调速控制方式来实现。 (1) 晶闸管调速控制方式晶闸管(Thyristor，原称可控硅，即 SCR)直流调速的结构原理如图 3–14 所示，由晶闸管组成的主电路在交流电源电压不变的情况下，通过控制电阻可方便的改变直流输出电压的大小，该电压作为直流伺服电动机的电枢电压 U d ，即可达到直流伺服电动机调速的目的。图 3–14 晶闸管直流调速的原理框图下面以图 3–15(a)所示的晶闸管单相全桥整流电路为例，说明晶闸管主电路的工作过程。在 1 t 时刻，VT1 、VT4 承受电源 u2 正压，同时 VT1 、VT4 门极加触发脉冲，VT1 、 VT4 导通，此时把晶闸管从承受正压起到导通之间的电角度称为控制角  ，电源 u2 加在负载上，形成直流伺服电动机的电枢电压 U d 及电枢电流 d i 。当电源 u2 由零变为负值时，由于电枢绕组上电感反动势的作用，通过 VT1 、VT4 的维持电流继续流通，把晶闸管在一个周期内导通的电角度称为导通角  ，则 VT1 、VT4 流通的导通角为  。直至下半周期同一控制角  所对应的时刻为 2 t 时，触发 VT2 、VT3 导通，VT1 、VT4 因承受反向电压而不再导通，电枢电流 d i 改由 VT2 、VT3 供给，工作时此过程周而复始。工作过程中的电源 u2 、控制电路的输出电压 g u 、电枢电压 U d 以及电枢电流 d i 的变化如图 3–15(b) 所示