第4章数拉机床的饲服驱动 中央电大工学院容良 一，闭环饲服系统的山哪两个环组成？ 容：闭环利取系统的一般结构通常由位置环和速度环组成。速度环建度控制单元是一个 独立的单元部件，它由句服电动机，问服驱动装置、测速装置及速度反澳组成：位置环由数 控系统中的位置控制、位置检测装置及位置反横组成。 二、试州述步进电动机的基本结构和工作原理 容：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作。 图4.2)为三相反应式步透电动机的结构图。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上的线圈串展，构成电动机的一相控制绕组。 下面我们分析步进电动机的工作原理： 图4.2b)所示为反应式步进电动机工作累理示意图。其定子、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 上相互排开120°，转子上有4个齿，无绕组，它在定子磁场中鼓磁化而呈现极性。当定子A 相饶组通电时。形成以A-A'为蛙线的延场。转子受延场拉力作用而产生转矩。使转子的1， 3齿和定子的A一A'极对齐，如图4b)所示，当A相断电，B相晓组通电时，以BB为轴 线的磁场使转子的2、4齿和定子的B-B极对齐，转子将在空间迎到针转过3°角：当B相 断电，C相烧组通电时，以CC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。如此按A一→B一C→A的顺序通电，转子就会不断地按逆时针 方向转动：如按AC一B→A的顺序通电。转子就会不斯地按顺时针方向转动。 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。 三、步进电动机的图动装置由哪两部分组成？ 答：步进电机的运行性能，不仅与步进电机本身和负载有关，面且与配套的型动装置有 着十分密切的关系。步进电动机驱动装置由脉冲分配器、功率做大电路两大部分组成，如图 4.5所示。其中，步进电动机功率放大玉动电路完成由蜀电到强电的转换和放大，也就是将 逐辑电平信号变换成电机绕组所雷的风有一定功率的电葡信号： 四、选给何服装置和主轴同康装置分别果用什么何服电动机？数控机床常用的位移执行 机构有哪些种类？
第 4 章数控机床的伺服驱动 中央电大工学院 谷良 一、闭环伺服系统的由哪两个环组成？ 答：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、位置检测装置及位置反馈组成。 二、试阐述步进电动机的基本结构和工作原理 答：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。 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上的线圈串联，构成电动机的一相控制绕组。 下面我们分析步进电动机的工作原理： 图 4.2b)所示为反应式步进电动机工作原理示意图。其定子、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，无绕组，它在定子磁场中被磁化而呈现极性。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 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 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；如按 A→C→B→A 的顺序通电，转子就会不断地按顺时针方向转动。 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。 三、步进电动机的驱动装置由哪两部分组成？ 答：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脉冲分配器、功率放大电路两大部分组成，如图 4.5 所示。其中，步进电动机功率放大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、进给伺服装置和主轴伺服装置分别采用什么伺服电动机？数控机床常用的位移执行 机构有哪些种类？
答：主轴同服装置一般采用交流异步同服电动机，进给问服装置一校深用永磁同步何服 电动机。 常用的位移执行机构有步进电机、直流同服电机和交流何服电机。 由于直流同服电动机存在着一些固有的缺点，（比如，有电刷，限制了转速的提高。面 且结构复象，价格贵)，使其应用环境受到限制。交道同服电动机没有这些缺点，且转子惯 量较直流电动机小，使得动态响应好，因此，交流问服系统得到了迅速发展，已经形成潮流， 从0世纪80年代后期开始。大量使用交流何服系饶，目前，己基本取代了直流电动机， 五，试闲述交流问服电动机的工作原理。并分析如图4.0所示的0夹角与负载转矩的 关系。 答：如图40所示，交流同服电动机的转子是一个具有两个极的水磁你也可以是多极 的)。按电动机学原理，当同步里电动机的定子三相饶组接通三相交流电题时，就会产生 旋转磁场N,Ss)以同步转速s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S)紧紧吸住转子，以同步转速s在空间能转，即转子和定子磁场同步旋转， 当转子加上负我转矩后，转子磁极轴线将落后定子磁场纯线一个：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间的夹角0增大：当负载转矩减小时©角减小。 六、交流同步电动机是如何进行变顿调速的？ 答：由电动机学基本原理可知。交流电动机的同步转速为 n0=60f1/p (r/min) 式中一定子供电顿率，单位H: 一电动机定子绕粗殛极对数 从上面的公式可以看出：平滑改变定子供电顿率而使转速平滑变化，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。目前，数控机床主要采用变规调速等先进交 流调速技术。 七、正弦波脉宽调SPWM变频器采用的重要理论基础是什么？并以此阐述正弦波脉 宽调桃SPWM逆变器的基本即理。 爷：在采样控制理论中有一个重要结论，冲窄味冲的面积相等而形状不洞的窄林冲 如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该如图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拍所包围的面积，都用一个与此面
答：主轴伺服装置一般采用交流异步伺服电动机，进给伺服装置一般采用永磁同步伺服 电动机。 常用的位移执行机构有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。 由于直流伺服电动机存在着一些固有的缺点，（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 量较直流电动机小，使得动态响应好，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。 五、试阐述交流伺服电动机的工作原理。并分析如图 4.20 所示的 θ 夹角与负载转矩的 关系。 答：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，当同步型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。 六、交流同步电动机是如何进行变频调速的？ 答：由电动机学基本原理可知，交流电动机的同步转速为 n0＝60f1/p (r/min) 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。目前，数控机床主要采用变频调速等先进交 流调速技术。 七、正弦波脉宽调制(SPWM)变频器采用的重要理论基础是什么？并以此阐述正弦波脉 宽调制(SPWM) 逆变器的基本原理。 答：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
积相等的等高矩形球种来代替，这样可得到N个等高而不等宽的脉冲序列。根据上运冲量 相等效果相同的爆理。该矩形脉冲序列与正弦华波是等效的，如果对正弦被的负华周也做同 样处理。即可得到相应的2个肤冲，这就是与正弦液等效的正弦脉宽调制波。如图4.24 所示，通过对等效的正弦融宽调制波的脉冲调制，就相当于调整了输出的正弦被频率
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。通过对等效的正弦脉宽调制波的脉冲调制，就相当于调整了输出的正弦波频率