第四章数控机床的伺服系统 一、饲服驱动概述 同服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的白动控制系统。如果说NC装置是数 控系统的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给何服系统则是数控系统的“四肢”， 是一种“执行机构”。它忠实地执行由CC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运 动方向，进给速度与位移量，饲服系统接收米自数控装置的进给膝冲，经变换和救大，再型 动数挖机床各加工坐标轴运动。这些轴有的带动工作台，有的直接带动刀架，通过几个坐标 轴的综合联动，使刀具相树于工件产生各种复杂的机城运动，从而加工出所要求的零件形状， 1,同服系统的组成 数控机床同服系统一般由位置检测装置，位置控制核块，句服驱动装置，同服电动机及 机床进给传动鼓组成。〔如图4.1所示。) 用环何服系统的一般结构通常由位置环和速度环组成。速度环速度控制单元是一个鞋立 的单元部件，它由同服电动机，同服里动装置，测速装置及速度反演组成：位置环由数控系 统中的位置控制模块、位置检测装置及位置反馈组成。 在饲服系统位置控制中，来自数控装置插补运算得到的位置指令，与位置检测装置反馈 米的机床坐标拍的实际位置相比较。形成位置偏差。经变换为何服装置提优控制电压，驱动 工作台向误差减小的方向移动。在速度控制中，何服动装置根据速度给定电压和速度检测 装置反绩的实际转速对何服电动机进行拉制，以驱动机床进给传动部件， 之、数腔机床对进给问服系统的要求 数控机依进给同服系统的性能在很大程度上决定了数控机床的效率及精度的高低，为此 数控机床对进给同服系统的位置控制、速度控制、以及同服电动机，机械传动等方面都有很 高的要求。具体米说有这样一些要求： 1)可逆运行 在加工过程中，机床工作台根据加工轨迹的要求，随时都可能实现正向或反向运动。从 能量角度看，应该实现能量的可逆转换，即在加工运行时，电动机从电网吸收能量变为机械 能：在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能回馈给电网，以实现快速制动， 2)速度范围党 为适应不洞的加工条件，数控机床要求进给能在很宽的范围内无级变化。这就要求何服 电动机有很宽的调速范围和优异的调速特性.对一般数控机床商言，进给速度范围在0一24m 第1页共14页
第 1 页 共 14 页 第四章 数控机床的伺服系统 一、伺服驱动概述 伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。如果说 CNC 装置是数 控系统的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”， 是一种“执行机构”。它忠实地执行由 CNC 装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运 动方向，进给速度与位移量。伺服系统接收来自数控装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱 动数控机床各加工坐标轴运动。这些轴有的带动工作台，有的直接带动刀架，通过几个坐标 轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出所要求的零件形状。 1、伺服系统的组成 数控机床伺服系统一般由位置检测装置、位置控制模块、伺服驱动装置、伺服电动机及 机床进给传动链组成，（如图 4.1 所示。） 闭环伺服系统的一般结构通常由位置环和速度环组成。速度环速度控制单元是一个独立 的单元部件，它由伺服电动机、伺服驱动装置、测速装置及速度反馈组成；位置环由数控系 统中的位置控制模块、位置检测装置及位置反馈组成。 在伺服系统位置控制中，来自数控装置插补运算得到的位置指令，与位置检测装置反馈 来的机床坐标轴的实际位置相比较，形成位置偏差，经变换为伺服装置提供控制电压，驱动 工作台向误差减小的方向移动。在速度控制中，伺服驱动装置根据速度给定电压和速度检测 装置反馈的实际转速对伺服电动机进行控制，以驱动机床进给传动部件。 2、数控机床对进给伺服系统的要求 数控机床进给伺服系统的性能在很大程度上决定了数控机床的效率及精度的高低。为此 数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、以及伺服电动机、机械传动等方面都有很 高的要求。具体来说有这样一些要求： 1）可逆运行 在加工过程中，机床工作台根据加工轨迹的要求，随时都可能实现正向或反向运动。从 能量角度看，应该实现能量的可逆转换，即在加工运行时，电动机从电网吸收能量变为机械 能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能回馈给电网，以实现快速制动。 2）速度范围宽 为适应不同的加工条件，数控机床要求进给能在很宽的范围内无级变化。这就要求伺服 电动机有很宽的调速范围和优异的调速特性。对一般数控机床而言，进给速度范围在 0～24m
/min时，就可满足加工要求， 3)具有足够的传动刚性和高的速度稳定性 问服系统在不月的负载情况下或切制条件发生变化时，也就是工件重量发生变化或加工 时吃刀深度发生变化时，何服系统应使刀具进给速度保特恒定。刚性良好的同服系统系统， 速度受负载力矩变化的影响很小。通常情况，数控机宋要求承受的颜定力矩变化时，静志速 静态速降指的是何服系统带负载运行时的转速和理想空载转速之差)应小于5%，动态速 (动老速库指问服系统在承受突加负载时因电机轴力矩与承受的突加负载不相适应而造成 的短时速度鞋降超调暖象)应小于10%。 4)快速响应无超调 数控机床在加工时，为了保证轮事切削形状精度和提高零件表面光洁度，对位置何服系 统既要求有较高的定位精度，还要求有良好的快速响应特性，这就对同服系统的动态性能提 出两方而的要求：一方面，在同服系统处于频繁地启动、制动、如速、或速等动态过程中， 为了提高生产效率和保证加工质量，要求如速度、减速度是够大。以缩短过液过程时间，一 般电动机速度由零到最大，成从最大减少到零，过菱时间应控制在200ms以下，甚至少于 几十毫秒，面且速度变化时不应有超调（超过给定速度值）上另一方面，当负载突变时，过 夏过程族复时间要短且无振荡，这样才修阁到光滑的加工表面。 5)高精度 要满足数控加工精度的要求，关键是保正数控机床的定位精度和进给跟随精度，位置饲 服系统的定位精皮一般要求能达到1m甚至0,1单m,相应地。对问服系统的分辨力也提 出了要求，什么是问服系统的分辨力呢？就是当问服系统接受数控装置送来的一个账冲时， 工作台相应移动的单位距离叫分辨力，也称脉冲当量。系统分辨力取决干饲服系统稳定工作 性能和所使用的位置检测元件。目前的闭环句服系统都雀达到1μm的分湖力。高精度数控 机床可达到0.1■m的分辨力甚至更小。 6)低境大矩 数控机床的切削加工一般在工作台低速时进行，所以低速时进给驱动要有大的转矩输 出，以调足低速进给切刚的要求。 二、句服系统的分类 1、按执行机构的控制方式分类 按控制原理和有无检测反衡环分类：开环同服系统、闲环问服系统、半困环同服系统。 按使用的问服电动机类型分类：直流问根系统、交前何服系统： 第2页共14页
第 2 页 共 14 页 ／min 时，就可满足加工要求。 3）具有足够的传动刚性和高的速度稳定性 伺服系统在不同的负载情况下或切削条件发生变化时，也就是工件重量发生变化或加工 时吃刀深度发生变化时，伺服系统应使刀具进给速度保持恒定。刚性良好的伺服系统系统， 速度受负载力矩变化的影响很小。通常情况，数控机床要求承受的额定力矩变化时，静态速 降(静态速降指的是伺服系统带负载运行时的转速和理想空载转速之差)应小于 5％，动态速 降(动态速降指伺服系统在承受突加负载时因电机轴力矩与承受的突加负载不相适应而造成 的短时速度陡降超调现象)应小于 10％。 4）快速响应无超调 数控机床在加工时，为了保证轮廓切削形状精度和提高零件表面光洁度，对位置伺服系 统既要求有较高的定位精度，还要求有良好的快速响应特性。这就对伺服系统的动态性能提 出两方面的要求：一方面，在伺服系统处于频繁地启动、制动、加速、减速等动态过程中， 为了提高生产效率和保证加工质量，要求加速度、减速度足够大，以缩短过渡过程时间，一 般电动机速度由零到最大，或从最大减少到零，过渡时间应控制在 200ms 以下，甚至少于 几十毫秒，而且速度变化时不应有超调（超过给定速度值）；另一方面，当负载突变时，过 渡过程恢复时间要短且无振荡，这样才能得到光滑的加工表面。 5）高精度 要满足数控加工精度的要求，关键是保证数控机床的定位精度和进给跟随精度。位置伺 服系统的定位精度一般要求能达到 1μm 甚至 0.1μm，相应地，对伺服系统的分辨力也提 出了要求，什么是伺服系统的分辨力呢？就是当伺服系统接受数控装置送来的一个脉冲时， 工作台相应移动的单位距离叫分辨力，也称脉冲当量。系统分辨力取决于伺服系统稳定工作 性能和所使用的位置检测元件。目前的闭环伺服系统都能达到 1μm 的分辨力。高精度数控 机床可达到 0.1μm 的分辨力甚至更小。 6）低速大转矩 数控机床的切削加工一般在工作台低速时进行，所以低速时进给驱动要有大的转矩输 出，以满足低速进给切削的要求。 二、伺服系统的分类 1、按执行机构的控制方式分类 按控制原理和有无检测反馈环分类：开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环伺服系统。 按使用的伺服电动机类型分类：直流伺服系统、交流伺服系统
1)开环问服系饶 开环句服系统没有检测反馈装置，数控装置发出的指令信号流程是单向的。其精度主要 决定于里动元件和问服电机的性隆。开环同服系统所用的电动机主要是步进电动机。移动部 件的速度与位移是由输入肤冲的频率和脉冲数决定的，位移精度主要决定于该系统各有关零 部件的精度。 开环控制的优点是：结构简单，系统稳定、容易调试、成本低廉等。但是系统对移动部 件的误楚没有补偿和校正，所以精度低，位置精度通常为士0.01一士0.02mm。一般适用于 经济型数控机床。（图18所示为开环数控系统的示意图。） 2》闭环控制系饶 团环控制系统是指在机床的运动部件上安装位置测量装置，例如光儒、感应同步器和磁 桶等位置测量装置，（如图19所示，）在加工中，位置测量装置将测量到的工作台实际位置 反馈到数控装置中，与输入的指◆位移相比较，用比较的差值控制移动部件，直到差值为零， 即实现移动部件的最终精确定位。从理论上讲，闭环控制系统的控制精度主要取决于检测装 置的精度，它完全可以消除由干传动部件制违中存在的误差给工件加工带来的影响，所以这 种控制系统可以得到银高的加工精度，但是闭环控制系统的设计和调整都有较大的难度，它 主要用于一线精度要求很高的檬铣宋、超精车休和加工中心上。 3)半闭环控制系锐 半用环控制系统是在同服系统的丝杠上或进给电动机的拍上装有角位移检测装置（角位 移检测装置有圆光懦、光电编码图及能转式感应同步器等)。半阴环控制系统不是直接测量 工作台位移量，面是通过检测丝杠转角何接地测量工作台位移量，然后反馈给数控技置，（如 图110所示，)这种控制系统实际控制的是纶杠的传动，而批红的螺母别的传动误差无法测 量，只能靠制造保证。因面半闭环控制系统的精度低于闭环系统。但由干角位移检测装置比 直线位移检测装置结构简单，安装调试方便，因此配有精密滚珠丝杠和齿轮的半闭环系统正 在被广泛地采用。目前已逐步将角位移检测装置和何服电动机设计成一个部件，使系统变得 更如简单，安装调试更如方便，目前，中档数控机床广泛采用华阔环控制系统。 2、按使用的饲服电动机类型分类 1)直流同服系统 直流同服系统常用的直流何服电动机有小惯量直流同服电动机和水磁直流何服电动机 这两种。 小惯量同服电动机最大限度地减少了电枢的转动惯量，所以能铁得最好的快速性，在早 第3页共14页
第 3 页 共 14 页 1) 开环伺服系统 开环伺服系统没有检测反馈装置，数控装置发出的指令信号流程是单向的，其精度主要 决定于驱动元件和伺服电机的性能，开环伺服系统所用的电动机主要是步进电动机。移动部 件的速度与位移是由输入脉冲的频率和脉冲数决定的，位移精度主要决定于该系统各有关零 部件的精度。 开环控制的优点是：结构简单、系统稳定、容易调试、成本低廉等。但是系统对移动部 件的误差没有补偿和校正，所以精度低，位置精度通常为±0.01～±0.02mm。一般适用于 经济型数控机床。（图 1.8 所示为开环数控系统的示意图。) 2 ) 闭环控制系统 闭环控制系统是指在机床的运动部件上安装位置测量装置，例如光栅、感应同步器和磁 栅等位置测量装置，（如图 1.9 所示。）在加工中，位置测量装置将测量到的工作台实际位置 反馈到数控装置中，与输入的指令位移相比较，用比较的差值控制移动部件，直到差值为零， 即实现移动部件的最终精确定位。从理论上讲，闭环控制系统的控制精度主要取决于检测装 置的精度，它完全可以消除由于传动部件制造中存在的误差给工件加工带来的影响，所以这 种控制系统可以得到很高的加工精度。但是闭环控制系统的设计和调整都有较大的难度，它 主要用于一些精度要求很高的镗铣床、超精车床和加工中心上。 3）半闭环控制系统 半闭环控制系统是在伺服系统的丝杠上或进给电动机的轴上装有角位移检测装置(角位 移检测装置有圆光栅、光电编码器及旋转式感应同步器等）。半闭环控制系统不是直接测量 工作台位移量，而是通过检测丝杠转角间接地测量工作台位移量，然后反馈给数控装置，（如 图 1.10 所示。）这种控制系统实际控制的是丝杠的传动，而丝杠的螺母副的传动误差无法测 量，只能靠制造保证。因而半闭环控制系统的精度低于闭环系统。但由于角位移检测装置比 直线位移检测装置结构简单、安装调试方便，因此配有精密滚珠丝杠和齿轮的半闭环系统正 在被广泛地采用。目前已逐步将角位移检测装置和伺服电动机设计成一个部件，使系统变得 更加简单，安装调试更加方便，目前，中档数控机床广泛采用半闭环控制系统。 2、按使用的伺服电动机类型分类 1) 直流伺服系统 直流伺服系统常用的直流伺服电动机有小惯量直流伺服电动机和永磁直流伺服电动机 这两种。 小惯量伺服电动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。在早
期的数控机床上应用较多，现在也有应用。小惯量何服电动机一殿都具有高的酸定转速和低 的转动模量，所以应用时，要经过中间机械传京如齿轮才能与丝杠相连接。 水磁直流同服电动机的转子情量较大，能直接与筐杠相连而不需中问传动装置。此外： 它还有一个特点是可在低速下运转，如能在r/mn甚至在01r/mn下平稳地运转，因此， 自20世纪心年代至80年代中期，它在数控机床应用上占统治地位。水磁直流何服电动机 的缺点是有电刷，限制了转速的提高，一般额定转速为1000~1500/mn,而且站构复杂， 价格较贵。 2)交流饲服系统 交流饲服系烧可以使用交流异步何服电动机（一般用于主轴同服电动机）暖者水磁同步 同服电动机（一般用于进给何服电动机）。由于直流何服电动机存在着一些如上面所说的四有 的缺点（比如，有电刚，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格较贵。），使其应用环境 受到限制。交流同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%一0%：其容量也可 以此直流电动机迹得大，达到更高的电压和转速。因此，交流同服系统得到了迅速爱展，已 经形成湘流。从20世纪80年代后期开始，大量使川交流饲服系统。口前，己基本取代了直 流电动机。 三、步进电动机驱动系统 步进电动机是一种将电脉冲信号转换为机城角位移的机电执行元件，它同普通电动机一 样，由转子，定子和定子烧组组成。当给步进电动机定子饶组输入一个电脉冲。转子就会转 过一个相应的角度，并由传动数红带动工作台移动。由于步速电动机同服系统是典型的开环 控制系统，它没有任同反陵检测环节，其精度主要由步进电动机的步距角和与之相联系的性 杠等传动机构所诀定。步谜电动机的最高极限速度通常要比何服电动机低，并且在低速时容 易产生数动，影响加工精度，但是步进电动机开环饲服系统具有价格梗宜，结构简单，调整 容易，运行可章，无需积误差等优点，所以在速度和精度要求不高的场合仍有广泛的使用价 值。 1,步送电动机的工作源理 (图42)为三相反型式步进电动机的结构图。它是由转子，定子及定子绕组所组成。定 子上有六个均布的磁极，直径方向相对的两个极的线圈串展，构成电动机的一相控绕组。 (图42所示为反应式步进电动机工作原理示意图。定子、转子是用硅钢片等软磁材料 制成的，定子上有A、B,C三对延极，分别烧有A,B,C三相烧组。三对磁极在空间上 第4页共14页
第 4 页 共 14 页 期的数控机床上应用较多，现在也有应用。小惯量伺服电动机一般都具有高的额定转速和低 的转动惯量，所以应用时，要经过中间机械传动(如齿轮副)才能与丝杠相连接。 永磁直流伺服电动机的转子惯量较大，能直接与丝杠相连而不需中间传动装置。此外， 它还有一个特点是可在低速下运转，如能在 1r／min 甚至在 0.1r／min 下平稳地运转。因此， 自 20 世纪 70 年代至 80 年代中期，它在数控机床应用上占统治地位。永磁直流伺服电动机 的缺点是有电刷，限制了转速的提高，一般额定转速为 1000～1500r／min，而且结构复杂， 价格较贵。 2) 交流伺服系统 交流伺服系统可以使用交流异步伺服电动机(一般用于主轴伺服电动机)或者永磁同步 伺服电动机(一般用于进给伺服电动机)。由于直流伺服电动机存在着一些如上面所说的固有 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。 ），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，目前，已基本取代了直 流电动机。 三、步进电动机驱动系统 步进电动机是一种将电脉冲信号转换为机械角位移的机电执行元件,它同普通电动机一 样，由转子、定子和定子绕组组成。当给步进电动机定子绕组输入一个电脉冲，转子就会转 过一个相应的角度，并由传动丝杠带动工作台移动。由于步进电动机伺服系统是典型的开环 控制系统，它没有任何反馈检测环节，其精度主要由步进电动机的步距角和与之相联系的丝 杠等传动机构所决定。步进电动机的最高极限速度通常要比伺服电动机低，并且在低速时容 易产生振动，影响加工精度，但是步进电动机开环伺服系统具有价格便宜，结构简单，调整 容易，运行可靠，无累积误差等优点，所以在速度和精度要求不高的场合仍有广泛的使用价 值。 1、步进电动机的工作原理 （图 4.2a)为三相反应式步进电动机的结构图。它是由转子、定子及定子绕组所组成。定 子上有六个均布的磁极，直径方向相对的两个极的线圈串联，构成电动机的一相控制绕组。 （图 4.2b)所示为反应式步进电动机工作原理示意图。定子、转子是用硅钢片等软磁材料 制成的，定子上有 A、B、C 三对磁极，分别绕有 A、B、C 三相绕组。三对磁极在空间上
相互错开120°·转子上有4个齿，它在定子碰场中被化，被磁化减会星现磁极性。当定 子A相绕组通电时，形成以AA'为轴线的磁场，转子受磁场较力作用而产生转矩，使转 子的1、3两齿和定子的A-A’极对齐，（如图42b所示： 高A相断电.B相绕组通电时，以BB'为轴线的磁场使转子的2,4两齿和定子的BB 极对齐。转子将在空间逗到针转过30°角：当B相断电，C相饶组通电时，以C-C”为轴 线的磁场，使转子的1、3齿和定子的CC极对齐，转子将在空间又逆时针转过30°角， 如此循环按A一B一C·A的顺序通电，转子就会不斯地按逗时针方向转动：反过米，如A 一→C→B一A的顺序通电，转子就会不断地按顺时针方向转动。因此，步进电将会不断旋转。 从一相通电换到另一相通电，叫一拍：每一拍转子转动一步，每步转过角度叫步距角， 用a表示， 步进电机的通电方式有3种。现以三相步进电动机为例说明步透电动机的通电方式。 1)三相单三粕通电方式 通电顺序为A一BC一A,“三相”即是三相步进电动机，每次具有一相绕组通电。而 每一个循环只有三次通电，故称为三相单三拍运行。 单三拍通电方式每次只有一相控制绕组通电吸引转子，容易使转子在平衡位置附近产生 据荡，运行稳定性较差。另外，在切换时一相挖制绕组断电面另一相控制饶组开始通电，容 易违成失步，因而实际上很少采用这种通电方式 2)双三拍通电方式 通电顺序为AB一BC一CA一AB。这种通电方式由两相同时通电，转子受到的感应力矩 大，醇态误差小，定位精度高。另外，转换时始锋有一相的控制晓组通电，所以工作稳定， 不易失步 3)三相六拍通电方式 通电顺序为A一AB→B一BC一C一CA一A。这种通电方式是单、双相轮流通电。它具 有双三拍的转点，且通电状态增加一倍，而使步距角减少一半。 2、步适电动机的特点 1)步违电动帆受脉冲的控制，其转子的角位移量和转速严格地与输入味冲的数量和味冲频 率成正比，改变通电顺序可改变步进电动机的旋转方向：改变通电顿率可改变电动机的转建。 2)维持控制绕组的电流不变。电动机便停在某一位置上不动，即步进电动机有通电自领隆 力，不需要机城制动。 3)有一定的步距精度，没有累积误差。 第5页共14页
第 5 页 共 14 页 相互错开 120°。转子上有 4 个齿，它在定子磁场中被磁化，被磁化就会呈现磁极性。当定 子 A 相绕组通电时，形成以 A-A′为轴线的磁场，转子受磁场拉力作用而产生转矩，使转 子的 1、3 两齿和定子的 A-A’极对齐，（如图 4.2b)所示； 当 A 相断电、B 相绕组通电时，以 B-B′为轴线的磁场使转子的 2、4 两齿和定子的 B-B′ 极对齐，转子将在空间逆时针转过 30°角；当 B 相断电，C 相绕组通电时， 以 C-C′为轴 线的磁场，使转子的 1、3 齿和定子的 C-C′极对齐，转子将在空间又逆时针转过 30°角。 如此循环按 A→B→C→A 的顺序通电，转子就会不断地按逆时针方向转动；反过来，如 A →C→B→A 的顺序通电，转子就会不断地按顺时针方向转动。因此，步进电将会不断旋转。 从一相通电换到另一相通电，叫一拍；每一拍转子转动一步，每步转过角度叫步距角， 用α表示。 步进电机的通电方式有 3 种，现以三相步进电动机为例说明步进电动机的通电方式。 1）三相单三拍通电方式 通电顺序为 A→B→C→A。“三相”即是三相步进电动机，每次只有一相绕组通电，而 每一个循环只有三次通电，故称为三相单三拍运行。 单三拍通电方式每次只有一相控制绕组通电吸引转子，容易使转子在平衡位置附近产生 振荡，运行稳定性较差。另外，在切换时一相控制绕组断电而另一相控制绕组开始通电，容 易造成失步，因而实际上很少采用这种通电方式。 2）双三拍通电方式 通电顺序为 AB→BC→CA→AB。这种通电方式由两相同时通电，转子受到的感应力矩 大，静态误差小，定位精度高。另外，转换时始终有一相的控制绕组通电，所以工作稳定， 不易失步。 3）三相六拍通电方式 通电顺序为 A→AB→B→BC→C→CA→A。这种通电方式是单、双相轮流通电。它具 有双三拍的特点，且通电状态增加一倍，而使步距角减少一半。 2、步进电动机的特点： 1）步进电动机受脉冲的控制，其转子的角位移量和转速严格地与输入脉冲的数量和脉冲频 率成正比，改变通电顺序可改变步进电动机的旋转方向；改变通电频率可改变电动机的转速。 2）维持控制绕组的电流不变，电动机便停在某一位置上不动，即步进电动机有通电自锁能 力，不需要机械制动。 3）有一定的步距精度，没有累积误差
4)步法电动机的缺点是效率低，指动负我的隆力不大，球神当量山步距角)不能太大，调速 范围不宽，最高输入账冲频率一般不超过18kH 3、步遗电动机的墨动及控制 步进电机的运行性能。不仅与步进电机本身和负载有关，而且与配套的距动装置有着十 分密切的关系，步进电动机驱动装置由环形账冲分配器、功率放大驱动电路两大部分组成， 如4.5所示。其中，步进电动机驱动电路完成由露电到强电的转换和政大，也就是将逻辑 电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流信号。 四、交流何服系统 1,同步型交流问服电动机(SM0 同步型交流同服电动机与异步型交流何凰电动机最大的差异是：同步型交流同凰电动枫 的转速与所接电源频率有一种严格关系。目前，数控机床中广泛采用同步型交流饲服电动机 中的水磁式月步电动机。 交流同服电动机与直流何服电动机相比，水磁式同步电动机没有机械换向器和电刷，避 免了换向火花产生和机械磨损等，同时又可获得和直流问服电动机相同的调速性能。 和异步交流电动机相比，由于水磁式同步电动机转子有磁极，在根低的频率下也能运行， 因此在相同的条件下，同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。同时，同步电动机比异步 电动机对转矩扰动具有更强的承受力。能作出更快的响应。 2、交流同服电动机工作原理的和结构 1)水磁式同步型交流同服电动机的工作原理 如图420所示，交流何服电动机的转子是一个具有两个极的水磁构也可以是多极的) 按照电动机学原理，当电动机的定子三相绕组接通三相交流电源时，就会产生旋转磁场N S)以同步转速西逆时针方向旋转。根据两异性磁极相吸的原理，定子磁极N或Ss)紧紧吸 住转子。以月步转速s在空间旋转，即转子和定子磁场同步能转。 当转子加上负载转矩后，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线一个®夹角。转子的负载转 矩增大时，定子磁极轴线与转子磁极轴线阿的夹角8增大：当负载转矩减小时©角减小。但 只要负载不短过一定的限度，转子就始锋跟着定子旋转磁场同步转动。此时转子的转速只决 定于电源顿率和电动机的极对爱，而与负载大小无关。当负载转矩超过一定的限度，电动机 就会“丢步“，即不再按同步转速运行直至停转。这个最大限度的转矩称为最大同步转矩， 因此，使用水磁式同步电动机时，负载转矩不楚大于最大同步转矩。 2)水磁式同步电动机结构 第6页共14页
第 6 页 共 14 页 4）步进电动机的缺点是效率低，拖动负载的能力不大，脉冲当量(步距角)不能太大，调速 范围不宽，最高输入脉冲频率一般不超过 18kHz。 3、步进电动机的驱动及控制 步进电机的运行性能，不仅与步进电机本身和负载有关，而且与配套的驱动装置有着十 分密切的关系。步进电动机驱动装置由环形脉冲分配器、功率放大驱动电路两大部分组成， 如图 4.5 所示。其中，步进电动机驱动电路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑 电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流信号。 四、交流伺服系统 1、同步型交流伺服电动机(SM) 同步型交流伺服电动机与异步型交流伺服电动机最大的差异是：同步型交流伺服电动机 的转速与所接电源频率有一种严格关系。目前，数控机床中广泛采用同步型交流伺服电动机 中的永磁式同步电动机。 交流伺服电动机与直流伺服电动机相比，永磁式同步电动机没有机械换向器和电刷，避 免了换向火花产生和机械磨损等，同时又可获得和直流伺服电动机相同的调速性能。 和异步交流电动机相比，由于永磁式同步电动机转子有磁极，在很低的频率下也能运行， 因此在相同的条件下，同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。同时，同步电动机比异步 电动机对转矩扰动具有更强的承受力，能作出更快的响应。 2、交流伺服电动机工作原理的和结构 1) 永磁式同步型交流伺服电动机的工作原理 如图 4.20 所示，交流伺服电动机的转子是一个具有两个极的永磁体(也可以是多极的)。 按照电动机学原理，当电动机的定子三相绕组接通三相交流电源时，就会产生旋转磁场(Ns， Ss)以同步转速 ns 逆时针方向旋转。根据两异性磁极相吸的原理，定子磁极 Ns(或 Ss)紧紧吸 住转子，以同步转速 ns 在空间旋转，即转子和定子磁场同步旋转。 当转子加上负载转矩后，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线一个θ夹角。转子的负载转 矩增大时，定子磁极轴线与转子磁极轴线间的夹角θ增大；当负载转矩减小时θ角减小。但 只要负载不超过一定的限度，转子就始终跟着定子旋转磁场同步转动，此时转子的转速只决 定于电源频率和电动机的极对数，而与负载大小无关。当负载转矩超过一定的限度，电动机 就会“丢步”，即不再按同步转速运行直至停转。这个最大限度的转矩称为最大同步转矩， 因此，使用永磁式同步电动机时，负载转矩不能大于最大同步转矩。 2) 永磁式同步电动机结构
数控机床用于进给更动的交流何服电动机大多采用三相交流水酷同步电动机，如图4引 所示，水磁月步电动机主要由三部分组成：定子、转子和检测元位置传感器和测速发电 机)。其中定子有齿情。内有三相饶组。转子由多块水久磁铁和铁心组成。水慰材料的磁性 能对电动机外形尺寸、磁路尺寸和性能指标都有根大影响。 3、交流饲服电机塑动装置 1)交流电动机调速愿理 由电动机学基本原理可知，交流电动机的同步毕速0为 no-60fl/p 式中一定子供电频率，单位西 P一一电动机定子绕组磁极对数： 从上面的公式可以看出：平滑改变定子供电电压颜半1而使转速平滑变化，这就是变 類调连方法。这是交流电动机的一种理想调建方法。电动机从高速到低速其转差率都根小， 因而变频调速的效率和功率因数都银高。目前，数控机床主要采用变频调逸等先透交流调速 技术。 2)正弦被脉宽调制(SPWM变频器 1964年德国人率先提出脉宽调制变频思把，把通讯系统中的调制技术应用于交蓬变频 器。调制方法根多，目前用得最多的是正弦账宽调制。 SPWM变频器属于交一直一交变频器。其原理框图见图423b)小。基本工作过程是先将 Sz交流电经整流变压器麦压得到所需电压，轻二极管整流和电容浅被，形成征定直流电 压，然后送入由大功率品体管构成的逆变器主电路，输出三相电压和频率均可调整的等效于 正弦被的脉宽调制被SPWM波)，即可指动三相电机运转。这种变顿器结构简单，电网功率 因数接近于1，系统动态响应快，输出被形好，因此，在数控机床的交流是动中广泛使用。 SPWM通变器的工作源理如下： ①SPWM波形与等效正弦波 在采样控制理论中有一个重要结论，冲面窄脉冲的面积)相等而形状不同的窄脉冲如在 具有惯性的环节上时，其效果基本相同。电动机藏是一个领性的环节，该结论是SPWM控 制的重要理论基础。 sPWM逆变器输出的是正弦脉宽调制该，知图424b)所示。其工作原理是若把一个正兹 半波分成等分，然后把每一等分的正弦由线与横坐标触所包围的面凯，都用一个与此面 积相等的等高矩形体冲来代替，这样可得到N个等高而不等宽的脉冲序列。根据上述冲量 第7页共14页
第 7 页 共 14 页 数控机床用于进给驱动的交流伺服电动机大多采用三相交流永磁同步电动机，如图 4.21 所示，永磁同步电动机主要由三部分组成：定子、转子和检测元件(位置传感器和测速发电 机)。其中定子有齿槽，内有三相绕组。转子由多块永久磁铁和铁心组成。永磁材料的磁性 能对电动机外形尺寸、磁路尺寸和性能指标都有很大影响。 3、交流伺服电机驱动装置 1）交流电动机调速原理 由电动机学基本原理可知，交流电动机的同步转速 n0 为 n0＝ 60f1/p 式中 f1——定子供电频率，单位 Hz； P——电动机定子绕组磁极对数； 从上面的公式可以看出：平滑改变定子供电电压频率 f1 而使转速平滑变化，这就是变 频调速方法。这是交流电动机的一种理想调速方法。电动机从高速到低速其转差率都很小， 因而变频调速的效率和功率因数都很高。目前，数控机床主要采用变频调速等先进交流调速 技术。 2) 正弦波脉宽调制(SPWM)变频器 1964 年德国人率先提出脉宽调制变频思想，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。 SPWM 变频器属于交一直一交变频器，其原理框图见图 4.23b)。基本工作过程是先将 50Hz 交流电经整流变压器变压得到所需电压，经二极管整流和电容滤波，形成恒定直流电 压，然后送入由大功率晶体管构成的逆变器主电路，输出三相电压和频率均可调整的等效于 正弦波的脉宽调制波(SPWM 波)，即可拖动三相电机运转。这种变频器结构简单，电网功率 因数接近于 1，系统动态响应快，输出波形好，因此，在数控机床的交流驱动中广泛使用。 SPWM 逆变器的工作原理如下： ① SPWM 波形与等效正弦波 在采样控制理论中有一个重要结论，冲量(窄脉冲的面积)相等而形状不同的窄脉冲加在 具有惯性的环节上时，其效果基本相同。电动机就是一个惯性的环节，该结论是 SPWM 控 制的重要理论基础。 SPWM 逆变器输出的是正弦脉宽调制波,如图 4.24b)所示。其工作原理是若把一个正弦 半波分成 N 等分，然后把每一等分的正弦曲线与横坐标轴所包围的面积，都用一个与此面 积相等的等高矩形脉冲来代替，这样可得到 N 个等高而不等宽的脉冲序列。根据上述冲量
相等效果相月的原理，该矩形脉冲序列与正弦率波是等效的。如果对正弦被的矣率周也做同 样处理，即可得到相应的2N个脉冲，这瓷是与正弦波等效的正弦脉宽调制波，如图424 所示。 ②产生SPWM波形的原理 SPwM波形可用计算机产生，即对给定的正弦被用计算机算出相应味冲的宽度，通过 控制电路输出相应被形，还可用专门集成电路产生，如产生三相SWM波形的专用集成电 路艺片有H压F4752,S1E4520等：也可用棱氨电路产生，其方法是以正弦被为调制波，对 等腰三角 波为线波的信号进行“调制”，原理如图4.25所示. 采用横拟电路产生SPWM方法，。就是用一个正弦波发生器产生可以调频调幅的正弦波 信号（调制菠），用三角波发生器生成幅值恒定的三角波信号载波)，将它们在电压比较器中 进行比较，输出SPWM调制电压林冲，图4.26所示是调制SPWM脉冲的原理图. 具体米分析：三角波电压和正弦波电压分别接在电压比较器的“.”，“+”输入端。大 家从学过的电子技术课程中知道，当“u△《usn时。电压比较墨输出高电平，反之则输出 低电平。SPWM脉冲宽度由三角波和正弦波交点之创的距离决定，两者的交点随正弦波电 压的大小到政变。因此，在电压比较器输出端就输出解值相等面脉冲党度不等的SPWM电 压信号.图427所示是SPWM调波示意图. @SPWM变频器的主电路 电路原理及输出线电压的波形如图4.28所示.图428)中一V6为六具大功率品体管， 当然，也可以采用其它的功率墨作，大功率品体管各有一个与之反并联的续流二极管。来自 控制电路的SPWM被形作为大功率品体管基极控制电压，加在各功率管的基极上，在电路 图中，按相序要求和频率要求协调控制的三路正弦波信号，与等腰三角波发生器来的载波信 号一同送入电压比较器，产生三路SPWM波形，经反相电路后，可得到大路SPWM信号， 加在V一V6六只功率品体管的基极，作为平动控制信号。当逆变器工作于双极性工作方式 时，可得到如图428b)所示的线电压波形。 五、示例 1.简述何服系统的组成。 答，数控机床问服系统一般由位置检测装置，位置控制、同服驱动装置、问服电动机及机床 进给传动链组成。 2.步进电动机的转速和转月是如何控制的？ 第8页共14页
第 8 页 共 14 页 相等效果相同的原理，该矩形脉冲序列与正弦半波是等效的。如果对正弦波的负半周也做同 样处理，即可得到相应的 2N 个脉冲，这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制波，如图 4.24 所示。 ② 产生 SPWM 波形的原理 SPWM 波形可用计算机产生，即对给定的正弦波用计算机算出相应脉冲的宽度，通过 控制电路输出相应波形，还可用专门集成电路产生，如产生三相 SPWM 波形的专用集成电 路芯片有 HEF4752、SLE4520 等；也可用模拟电路产生，其方法是以正弦波为调制波，对 等腰三角 波为载波的信号进行“调制”，原理如图 4.25 所示。 采用模拟电路产生 SPWM 方法，就是用一个正弦波发生器产生可以调频调幅的正弦波 信号(调制波)，用三角波发生器生成幅值恒定的三角波信号(载波)，将它们在电压比较器中 进行比较，输出 SPWM 调制电压脉冲，图 4.26 所示是调制 SPWM 脉冲的原理图。 具体来分析：三角波电压和正弦波电压分别接在电压比较器的“-”、“+’’输入端。大 家从学过的电子技术课程中知道，当“u△﹤usin 时，电压比较器输出高电平；反之则输出 低电平。SPWM 脉冲宽度由三角波和正弦波交点之间的距离决定，两者的交点随正弦波电 压的大小而改变。因此，在电压比较器输出端就输出幅值相等而脉冲宽度不等的 SPWM 电 压信号。图 4.27 所示是 SPWM 调制波示意图。 ③ SPWM 变频器的主电路 电路原理及输出线电压的波形如图 4.28 所示。图 4.28a)中 Vl～V6 为六只大功率晶体管， 当然，也可以采用其它的功率器件。大功率晶体管各有一个与之反并联的续流二极管。来自 控制电路的 SPWM 波形作为大功率晶体管基极控制电压，加在各功率管的基极上。在电路 图中，按相序要求和频率要求协调控制的三路正弦波信号，与等腰三角波发生器来的载波信 号一同送入电压比较器，产生三路 SPWM 波形，经反相电路后，可得到六路 SPWM 信号， 加在 Vl～V6 六只功率晶体管的基极，作为驱动控制信号。当逆变器工作于双极性工作方式 时，可得到如图 4.28b)所示的线电压波形。 五、示例 1．简述伺服系统的组成。 答：数控机床伺服系统一般由位置检测装置、位置控制、伺服驱动装置、伺服电动机及机床 进给传动链组成。 2．步进电动机的转速和转向是如何控制的？
答，步进电动机受账冲的控制，其转子的角位移量和转速严格随与输入脉冲的数量和脉冲频 率成正比，改变通电顺序可改变步进电动机的旋转方向：改变通电频率可改变电动机的转速： 3。步遗电机驱动的环形脉神分配墨有何作用？它有螺些实现方式： 答，环形彩脉冲分配墨是用于控制步进电动机的通电方式的，其作用是将CNC装置送来的一 系列指令脉冲按鹏一定的循环规律候次分配给电动机的各相饶烟，控制各相饶组的通电和斯 电。环形脉冲分配可采用硬件和软件两种方法实现。 4。简述直流同服电动机的工作原理及其换向装置的作用。 答：直流电动机工作原理是建立在电磁力和电磁感应基础上的，是由于带电导体在磁场中受 到电慧力的作用。如图题4所示直流电动机树型，它包括三个部分固定的磁极、电枢，换 向片与电刷。当将直流电压加到A、B两电刷之间，电流从A到流人，从B刷流出，载流 导体b在磁场中受的作用力F拔左手定则指向逆时针方向.同理，载流导体©d受到的作用 力也是逆时针方向的。因此，转子在电磁转矩的作用下道时针方向能转起米。当电都恰好转 过9时，电松线圈处于中性面（此时线圈不切制@力线），电磁转矩为零。但由于惯性的作 用，电枢将继续转动，当电刷与换向片再次接触时，导体b和交换了位置。因此，导体 动和©对中的电流方向改变了，这就保证了电据可以连续转动： 从上面分析可知，要电@转矩方向不变，导体从N极转到S极时，导体中的电蓬方向必须 相应地改变，换向片与电刷即实现这一任务的机械式换向装置“”。 图题4直流电动机模型 5。变顿器分为哪两大类？各有什么特点？ 答：麦顿器有交一交变顿器、交一直一交变颜器两大类，如图423所示。交一交变颊器没 有明显的中阿滤波环节，电网提供的交流电被直接变成可调频率与电压的交流电，又称直接 变類器，交一直一交变類器是先把电网提供的交流电转换为直流电。经中间滤波后。再进行 第9页其14页
第 9 页 共 14 页 答：步进电动机受脉冲的控制，其转子的角位移量和转速严格地与输入脉冲的数量和脉冲频 率成正比，改变通电顺序可改变步进电动机的旋转方向；改变通电频率可改变电动机的转速。 3．步进电机驱动的环形脉冲分配器有何作用？它有哪些实现方式？ 答：环形脉冲分配器是用于控制步进电动机的通电方式的，其作用是将 CNC 装置送来的一 系列指令脉冲按照一定的循环规律依次分配给电动机的各相绕组，控制各相绕组的通电和断 电。环形脉冲分配可采用硬件和软件两种方法实现。 4．简述直流伺服电动机的工作原理及其换向装置的作用。 答：直流电动机工作原理是建立在电磁力和电磁感应基础上的，是由于带电导体在磁场中受 到电磁力的作用。如图题 4 所示直流电动机模型，它包括三个部分：固定的磁极、电枢、换 向片与电刷。当将直流电压加到 A、B 两电刷之间，电流从 A 刷流人，从 B 刷流出，载流 导体 ab 在磁场中受的作用力 F 按左手定则指向逆时针方向。同理，载流导体 cd 受到的作用 力也是逆时针方向的。因此，转子在电磁转矩的作用下逆时针方向旋转起来。当电枢恰好转 过 90°时，电枢线圈处于中性面(此时线圈不切割磁力线)，电磁转矩为零。但由于惯性的作 用，电枢将继续转动，当电刷与换向片再次接触时，导体 ab 和 cd 交换了位置。因此，导体 ab 和 cd 中的电流方向改变了，这就保证了电枢可以连续转动。 从上面分析可知，要电磁转矩方向不变，导体从 N 极转到 S 极时，导体中的电流方向必须 相应地改变，换向片与电刷即实现这一任务的机械式“换向装置”。 图题 4 直流电动机模型 5．变频器分为哪两大类？各有什么特点? 答：变频器有交一交变频器、交一直一交变频器两大类，如图 4.23 所示。交一交变频器没 有明显的中间滤波环节，电网提供的交流电被直接变成可调频率与电压的交流电，又称直接 变频器。交一直一交变频器是先把电网提供的交流电转换为直流电，经中间滤波后，再进行
逆变，而转变为变规变压的交流电，故称为间接变频器，直接变频器只需进行一次能量的变 换，所以变换的效率高，工作可靠，但顿率的变化范围有限，多用于低顿大容量的调速。间 接变频墨需进行两次电能的变换，所以变换效率低。但规率变换范围大。目腹一般采用间接 变频器： )交一交变频器b)交一直一交变频器 图题5两种类型的变频器 6.正弦波脉党调制(SPWM)变频器有什么特点？简述其工作原果。 答：正弦波融宽调镇SPWM变频器结构简单，电网功率因数接近于1，且不受逆变器负载 大小的影响，系统动态响应快，输出波形好，使电机可在近似于正弦被的交变电压下运行， 脉动转矩小，扩履了调速范围，提高了调速性能，因此，在数拉机床的交流塑动中广泛使用， 基本工作累理是先将52交流电经整流变压器变压得到所需电压，经二极管不可控整流和 电容滋波，形成板定直流电压，而后送入由大功率品体管构成的逆变器主电落，输出三相电 压和顿率均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波(SPWM波)，即可拖动三相电机运转， 7.何谓主蛙定向控制？简述其作用。 答：主轴定向控制又称主轴准停控制，即当主轴停止时能控制其停在四定位置。 其作用如下。 ①刀具交换 在加工中心中，当主轴停转选行刀具交换时，主轴雷停在一个固定不变的位置上，从而保证 主轴端而上的健也在一个因定的位置，这样，换刀机械手在交换刀具时，能保证刀柄上的健 棉对正主轴端而上的定位键。 ②撞孔是刀 在精幢孔退刀时，为了避免刀尖划伤已如工表面，深用主轴准停控制，使刀尖停在一个国定 位置(X轴或y轴上)，以便主轴偏移一定尺寸后，使刀尖离开工件表面进行退刀。 第0页共14页
第 10 页 共 14 页 逆变，而转变为变频变压的交流电，故称为间接变频器。直接变频器只需进行一次能量的变 换，所以变换的效率高，工作可靠，但频率的变化范围有限，多用于低频大容量的调速。间 接变频器需进行两次电能的变换，所以变换效率低，但频率变换范围大。目前一般采用间接 变频器。 a)交一交变频器 b)交一直一交变频器 图题 5 两种类型的变频器 6.正弦波脉宽调制(SPWM)变频器有什么特点？简述其工作原理。 答：正弦波脉宽调制(SPWM)变频器结构简单，电网功率因数接近于 1，且不受逆变器负载 大小的影响，系统动态响应快，输出波形好，使电机可在近似于正弦波的交变电压下运行， 脉动转矩小，扩展了调速范围，提高了调速性能，因此，在数控机床的交流驱动中广泛使用。 基本工作原理是先将 50Hz 交流电经整流变压器变压得到所需电压，经二极管不可控整流和 电容滤波，形成恒定直流电压，而后送入由大功率晶体管构成的逆变器主电路，输出三相电 压和频率均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波(SPWM 波)，即可拖动三相电机运转。 7.何谓主轴定向控制？简述其作用。 答：主轴定向控制又称主轴准停控制，即当主轴停止时能控制其停在固定位置。 其作用如下。 ①刀具交换 在加工中心中，当主轴停转进行刀具交换时，主轴需停在一个固定不变的位置上，从而保证 主轴端面上的键也在一个固定的位置，这样，换刀机械手在交换刀具时，能保证刀柄上的键 槽对正主轴端面上的定位键。 ②镗孔退刀 在精镗孔退刀时，为了避免刀尖划伤已加工表面，采用主轴准停控制，使刀尖停在一个固定 位置(X 轴或 y 轴上)，以便主轴偏移一定尺寸后，使刀尖离开工件表面进行退刀