机床电气控制与PLC-伺服系统.pptx

高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院第第8章章 伺服系统伺服系统v 8.1 概述概述v 8.2 步进电动机进给驱动系统步进电动机进给驱动系统v 8.3 直流伺服电机及其速度控制系统直流伺服电机及其速度控制系统v 8.4 交流伺服电机及其速度控制交流伺服电机及其速度控制v 8.5 数控机床位置检测数控机床位置检测高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院8.1 概述概述 v 8.1.1 数控机床伺服系统的组成数控机床伺服系统的组成v 8.1.2 数控机床伺服系统的分类数控机床伺服系统的分类v 8.1.3 对进给伺服系统的基本要求对进给伺服系统的基本要求v 8.1.4 对主轴伺服系统基本的要求对主轴伺服系统基本的要求高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 伺服系统是数控机床的重要组成部分之一。它能够严格按照CNC装置的控制指令进行动作，并能获得精确的位置、速度或力矩输出的自动控制系统。它是一种“执行机构”，是CNC装置和机床本体的联结环节。它及时而准确地执行CNC装置发来的运动指令，准确地控制机床各运动部件的速度和位置，达到加工出所需工件的外形和尺寸的最终目的。伺服系统的性能，在很大程度上决定了数控机床的性能。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 8.1.1 数控机床伺服系统的组成数控机床伺服系统的组成v 数控机床进给伺服系统，一般是由位置控制环位置控制环和速度控制环组成和速度控制环组成。内环是速度控制环内环是速度控制环，外环是位外环是位置控制环置控制环。伺服系统的结构框图如图8-1所示。图8-1 伺服系统结构框图 高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 8.1.2 数控机床伺服系统的分类数控机床伺服系统的分类v 数控机床伺服系统的分类方法通常是按控制方式、伺服电机的类型、反馈比较控制、进给驱动和主轴驱动等方式进行分类的。v 1.按控制方式分类按控制方式分类v 按控制方式 可分为开环伺服系统开环伺服系统、闭环伺服系闭环伺服系统统和半闭环伺服系统半闭环伺服系统。v 按开环控制方式 可分为无位置检测和反馈装置无位置检测和反馈装置,半闭环半闭环、闭环控制闭环控制有位置检测和反馈装置。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v (1)开环伺服系统开环伺服系统v 开环伺服系统就是不需要位置检测与反馈装置的开环伺服系统就是不需要位置检测与反馈装置的伺服系统伺服系统。执行机构通常采用步进电动机，系统位移正比于指令脉冲的个数，位移速度取决于指令脉冲的频率。每一个进给脉冲驱动步进电动机旋转一个步距角，再经过传动系统转换成工作台的一个当量位移。如图8-2所示。图8-2 开环伺服系统结构示意图 高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v (2)闭环伺服系统闭环伺服系统v 闭环伺服系统有位置检测装置和反馈装置闭环伺服系统有位置检测装置和反馈装置，是误是误差控制随动系统。差控制随动系统。CNC输出的位置指令与位置检测装置反馈回来的机床坐标轴的实际位置相比较，形成位置误差，经变换得到速度给定电压。在速度控制环，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机进行控制，由此构成闭环位置控制。如图8-3所示。图8-3 闭环伺服系统结构示意图 高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v (3)半闭环伺服系统半闭环伺服系统v 半闭环半闭环和闭环闭环系统的控制结构是一样的，区别区别是其位置检测反馈装置没有直接安装在进给坐标的是其位置检测反馈装置没有直接安装在进给坐标的最终运动部件上，而是将运动的传动链有一部分在最终运动部件上，而是将运动的传动链有一部分在位置环以外，位置环以外，在环外的传动误差没能得到系统的补偿，使半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。其性能介于开环和闭环伺服系统之间。如图8-4所示。图8-4 半闭环伺服系统结构示意图 高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 2.按伺服电机的类型分类按伺服电机的类型分类v 可分为步进电动机伺服系统步进电动机伺服系统、直流伺服系统直流伺服系统和交流伺服系统交流伺服系统。v (1)步进伺服系统步进伺服系统v 步进伺服系统就是典型的开环伺服系统步进伺服系统就是典型的开环伺服系统，它由步进电机及其驱动系统组成。步进伺服系统优点是结步进伺服系统优点是结构简单、使用维护方便、可靠性较高、制造成本低构简单、使用维护方便、可靠性较高、制造成本低等等，所以广泛的应用于小型数控机床和速度、精度要求不太高的场合。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v (2)直流伺服系统直流伺服系统v直流伺服直流伺服系统通常用的伺服电机为小惯量直流通常用的伺服电机为小惯量直流伺服电机和永磁直流伺服电机伺服电机和永磁直流伺服电机。小惯量直流伺服电机最大限度地减小了电枢的转动惯量，它的快速性较好，在早期的数控机床上应用最多。v (3)交流伺服系统交流伺服系统v 交流伺服电机交流伺服电机分为交流同步型伺服电机和交流交流同步型伺服电机和交流异步型伺服电机异步型伺服电机两种。交流异步型电动机一般用于主轴交流伺服系统，交流同步型伺服电机，一般用于进给伺服电机。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 3.按反馈比较控制方式分类按反馈比较控制方式分类v 在伺服系统中，因采用的位置检测元件不同，位置指令信号与反馈信号比较方式通常可分为脉冲比脉冲比较较、相位比较相位比较和幅值比较幅值比较。v 伺服系统按反馈比较控制方式可分为脉冲数字比脉冲数字比较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统和全数字伺服系统。统和全数字伺服系统。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 4.按进给驱动和主轴驱动分类按进给驱动和主轴驱动分类v数控机床伺服系统可分为进给伺服系统和主轴伺服系统。v (1)进给伺服系统进给伺服系统v 进给伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量，它包括速度控制环和位置控制环。数控机数控机床的进给伺服系统主要由伺服驱动控制系统与机床床的进给伺服系统主要由伺服驱动控制系统与机床进给机械传动机构两大部分组成。进给机械传动机构两大部分组成。v (2)主轴伺服系统主轴伺服系统v 主轴伺服系统主轴伺服系统控制只是一个速度控制，与进给伺服系统基本相同，实现主轴的旋转运动实现主轴的旋转运动，提供切削过程中的转矩和功率，也是采用交流调速或直流调交流调速或直流调速速，能在转速范围内实现无级变速能在转速范围内实现无级变速。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 8.1.3 对进给伺服系统的基本要求对进给伺服系统的基本要求v 数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电机、机械传动等方面都要求很高，可概括为以下几个方面:v 1.高精度高精度v 伺服系统的精度指标主要有位移精度、定位精度、位移精度、定位精度、重复定位精度、分辨率和脉冲当量重复定位精度、分辨率和脉冲当量。v 2.稳定性稳定性v 进给系统的稳定性是指系统在给定新的输入指系统在给定新的输入指令信号或外界干扰作用下，令信号或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的稳定状态。达到新的或者恢复到原来的稳定状态。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 3.快速响应快速响应v 快速响应是伺服系统动态性能的一项重要性能指标，反映了系统的跟踪精度，为确保轮廓切削加工精确度和表面的粗糙度，对进给伺服系统除要求有较高的定位精度外，还要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 4.调速范围宽调速范围宽v 进给驱动系统进给驱动系统具有足够宽的调速范围足够宽的调速范围和良好的良好的无级调速特性无级调速特性。v 进给速度在124 000 mm/min时，即1：24 000调速范围内，要求运行均匀、平稳、无爬行，调速范围内，要求运行均匀、平稳、无爬行，且速降小。且速降小。v 进给速度在1 mm/min以下时，具有一定的瞬瞬时速度，且瞬时速度要低时速度，且瞬时速度要低。v 进给速度为零，即工作台停止运动时，要求电工作台停止运动时，要求电动机有电磁转矩以维持定位精度动机有电磁转矩以维持定位精度，即电动机处于伺服锁定状态，以确保定位精度不变。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 5.低速大转矩低速大转矩v数控机床加工，要求进给伺服系统在低速时，输出的转矩要大，才能满足切削加工的要求。具体是:v 电动机从最低到最高转速范围内都能平滑地电动机从最低到最高转速范围内都能平滑地运转运转,转矩波动要小，转矩波动要小，尤其在低转速时，仍然保持平稳的速度而无爬行现象。v 电动机应具备较长时间工作下有较大的过载能力，以满足低速大转矩的要求。v 为了满足快速响应要求，电动机必须具备小电动机必须具备小的转动惯量的转动惯量和较大的制动转矩较大的制动转矩，尽可能小的机电时小的机电时间常数和起动电压。间常数和起动电压。v 电动机应具备能承受频繁的正、反转、制动能承受频繁的正、反转、制动。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院进给伺服电动机进给伺服电动机/i 系列系列/i系列系列直线电动机直线电动机高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院进给伺服放大器进给伺服放大器系列伺服放大器系列伺服放大器i 系列伺服放大器系列伺服放大器高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院进给伺服电动机进给伺服电动机联轴器联轴器滚珠丝杠滚珠丝杠进给伺服电动机及传动机构进给伺服电动机及传动机构高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 8.1.4 对主轴伺服系统基本的要求对主轴伺服系统基本的要求v 数控机床对主传动的要求，在很宽的范围内转速能连续可调，恒功率的范围要宽，具有四象限的驱动能力。为满足自动换刀以及某些加工工艺的需要，要求主轴必须具有高精度的准停控制主轴必须具有高精度的准停控制等。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 1.对主轴伺服系统拖动特性的要求对主轴伺服系统拖动特性的要求v （1）调速范围足够大）调速范围足够大v 主轴驱动要求调速范围足够大，要在较宽的转速要在较宽的转速范围内进行无级调速范围内进行无级调速。一般要求在(1：100)(1：1000)的恒转矩调速范围，1：10的恒功率调速范围，能实现四象限驱动功能。对中型以上的数控机床，要求调速范围超过1：100。v (2)主轴输出功率大主轴输出功率大v 为了满足生产率的需要，主轴输出功率必须要大，要求主轴在整个速度范围内均能提供切削所需要的要求主轴在整个速度范围内均能提供切削所需要的功率，功率，即恒功率范围要宽。但由于主轴电动机及其驱动的限制，通常采用分段无级变速的方法，使主轴电动机在低速段采用机械减速装置，可提高输出转矩。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 2.对主轴驱动的控制要求对主轴驱动的控制要求v 主轴变速主轴变速分为有级变速有级变速、无级变速无级变速和分段无级变分段无级变速速三种形式，有级变速主要用于经济型数控机床，大多数数控机床都采用无级变速或分段无级变速。v (1)主轴定向准停控制主轴定向准停控制v 为满足数控机床的自动换刀以及某些加工工艺的需要，对主轴除调速要求外，还要求主轴具有高精主轴具有高精度的准停控制度的准停控制。当CNC发出M19指令后，经CPU处理后作为主轴的定位信号，经过磁性传感器，可检测主轴的准确位置，从而控制主轴准确地停在规定的位置上。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v (2)主轴旋转与坐标轴进给的同步控制主轴旋转与坐标轴进给的同步控制v 主轴的转速与坐标轴的进给量要保持一定的关主轴的转速与坐标轴的进给量要保持一定的关系，主轴每转一圈时，沿工件的轴坐标必须按节矩系，主轴每转一圈时，沿工件的轴坐标必须按节矩进给相应的脉冲量。当主轴旋转发出脉冲，经进给相应的脉冲量。当主轴旋转发出脉冲，经CPU对节矩计算后，去控制坐标轴位置伺服系统，从而对节矩计算后，去控制坐标轴位置伺服系统，从而使进给量与主轴转速保持同步。使进给量与主轴转速保持同步。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v (3)加减速功能加减速功能v 现代数控机床现代数控机床,在主轴在正、反向转动时，都具在主轴在正、反向转动时，都具备了四象限驱动功能和自动加减速功能，备了四象限驱动功能和自动加减速功能，并且加减速时间尽可能短。v (4)恒线速切削恒线速切削v根据车床和磨床进行端面切削时，为确保加工端面的粗糙度Ra小于某值，要求被加工的零件与刀尖的接触点的线速度为恒值。但随着刀具的径向进给，切削直径的逐渐减小，必须不断提高主轴转速才能维持线速度为常值。v V=2nd高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院模拟量主轴放大器（变频器）模拟量主轴放大器（变频器）主主 轴轴 放放 大大 器器串串 行行 主主 轴轴 放放 大大 器器高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院主主 轴轴 电电 动动 机机普通型和变频专用电动机普通型和变频专用电动机串行数字主轴电动机串行数字主轴电动机高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院带传动（经过一级降速）带传动（经过一级降速）经过一级齿轮的带传动经过一级齿轮的带传动主主 轴轴 传传 动动 机机 构构高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院几级降速齿轮传动几级降速齿轮传动主主 轴轴 传传 动动 机机 构构内装式电机主轴单元内装式电机主轴单元（电主轴）（电主轴）高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院8.2 步进电动机进给驱动系统步进电动机进给驱动系统v 8.2.1 步进电机结构和工作原理步进电机结构和工作原理v 8.2.2 步进电机工作原理步进电机工作原理v 8.2.3 步进电机驱动装置及其应用步进电机驱动装置及其应用高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 1.步进电机分类步进电机分类v (1)按转矩产生的原理分按转矩产生的原理分v 反应式反应式:数控机床上常用三至六相反应式步进电机，这种步进电机的转子无绕组，由被励磁的定子绕组产生感应力矩实现步进运动。v 永磁式永磁式：转子铁心上装有多条永久磁铁，转子的转动与定位是由定、转子之间的电磁引力与磁铁磁力共同作用的。v 混合式混合式：综合了反应式和永磁式步进电机的优点，采用永久磁铁提高电动机的力矩，通过细密的极齿来减小步距角，8.2.1 步进电机结构和工作原理步进电机结构和工作原理高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v (2)按励磁组数分按励磁组数分v 可分为两相、三相、四相、五相、六相甚至八相步进电机。v 2.步进电机结构步进电机结构v 我国使用的步进电机通常为反应式步进电机，如图8-5所示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。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院图8-5 三相反应式步进电机结构示意图 高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 1.步进电机的工作原理步进电机的工作原理v 按步进电机绕组的通电方式，可分为三相单三拍三相单三拍v(通电顺序为：UVWU）、三相六拍三相六拍（通电顺序为：UUVVVWWWUU）和三相双三拍三相双三拍（通电顺序为：UVVWWUUV）。v 步进电机绕组的每一次通断电称为一拍，每拍中只有一相绕组接通电，称为三相单三拍通电方式。如果每拍中都有两相绕组接通电，就称为三相双三拍通电方式。如果通电循环的各拍交替出现单、双相通电状态，就称为三相六拍通电方式或三相单双相通电方式。步进电机的工作原理如图8-6所示。8.2.2 步进电机工作原理步进电机工作原理高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院图8-6 三相反应式步进电动机工作原理图 高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 2.步进电动机的特点步进电动机的特点v 步进电动机具有以下几个基本特点：v 数字脉冲信号控制步进电动机的通电顺序，将脉冲信号变为转角，输出转角与输入的脉冲个数成严格的比例关系，没有累积误差没有累积误差，只要控制只要控制输入步进电动机的脉冲个数就能控制位移量。脉冲个数就能控制位移量。v 步进电动机的转速与控制脉冲频率成正比，通过控制脉冲频率可实现宽范围内调节步进电动机的转速。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 改变定子绕组的通电顺序，实现电动机正反改变定子绕组的通电顺序，实现电动机正反转控制。转控制。v 步进电动机具有自锁能力具有自锁能力，当没有控制脉冲输入时，只要维持绕组内电流不变，电动机就可以保持在该固定位置上。v 步进电动机的工作状态不随外界电源及温度的变化而改变。v 步进电动机的步距角会有误差，转子转过一定步数后也会出现累积误差,但当转子转过一转以后，而累积误差为累积误差为“零零”，所以不会长期积累。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 3.步进电动机的主要特性步进电动机的主要特性v (1)步距角的步距误差v (2)静态矩角特性v (3)起动惯频特性v (4)连续运行频率v (5)矩频特性 高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 步进电机已在各方面得到了广泛的应用,步进电机的驱动装置的电子电路已集成化、系列化、模块化,提高了可靠性。图8-7 为步进电机驱动器的外形及接口图 图8-8 拨动开关示意图 8.2.3 步进电机驱动装置及其应用步进电机驱动装置及其应用高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院图8-9 步进电机动装置典型的接线图 高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院8.3 直流伺服电机及其速度控制系统直流伺服电机及其速度控制系统 v 8.3.1 概述概述v 8.3.2 直流主轴电动机及其驱动控制直流主轴电动机及其驱动控制v 8.3.3 直流主轴驱动控制系统直流主轴驱动控制系统高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 数控机床对伺服系统的要求高数控机床对伺服系统的要求高（如：精度高、精度高、调速范围宽、低速大转矩、稳定性好和响应速度快调速范围宽、低速大转矩、稳定性好和响应速度快等），而且直流伺服系统的结构比较复杂，所以逐渐被交流伺服电动机取代。但近年来又开发了多种大功率直流伺服电动机，并且已在闭环和半闭环伺服系统中得到应用。8.3.1概述概述高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 1.直流伺服电动机特点如下直流伺服电动机特点如下:v 无自转现象无自转现象：在无控制信号时，伺服电动机转子静止不动；当控制信号到来之后，转子迅速转动；当控制信号消失时，伺服电动机的转子会立即停止转动。v 空载始动电压低空载始动电压低：始动电压越小表示电动机的灵敏度就越高。v 机械特性和调节特性的线性度好机械特性和调节特性的线性度好：能在较宽的速度范围内平滑稳定地调速。转速通常在2000-6000 r/min之间。v 快速响应性好快速响应性好：直流伺服电动机具有较大的起动转矩和小的转动惯量。可控性好，时间常数小。v 转矩大转矩大：直流伺服电动机广泛应用在宽调速系统和精确位置控制系统上，输出功率从1瓦至数百瓦，甚至可达数千瓦。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 2.结构和工作原理结构和工作原理v直流伺服电动机与他励直流电动机结构相似，是由固定的磁极、电枢和换向器组成。直流伺服电动机工作原理与普通直流电动机是完全相同的。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v主轴电动机必须具备满足以下功能:v 输出功率要大；v 电动机温升要低；v 加、减速时间要短；v 振动、噪声要小；v 在断续负载下电动机转速波动要小，过载能力要强；v 在整个调速范围内速度平稳，恒功率范围要宽；v 电动机可靠性要高、寿命长、维护方便；v 体积小、重量轻。8.3.2 直流主轴电动机及其驱动控制直流主轴电动机及其驱动控制高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 对于已经给定的直流电动机，要改变它的转速,通常采用三种办法:v改变电动机电枢回路外加电压改变电动机电枢回路外加电压。即改变电枢电压。可得到调速范围较宽的恒转矩特性,用于进给驱动及主轴驱动的低速段。v改变气隙磁通量改变气隙磁通量。可得到恒功率特性,用于主轴电动机的高速段。v改变电枢电路的电阻值改变电枢电路的电阻值。但得到的机械特性较软,在数控机床上很少采用。8.3.3 直流主轴驱动控制系统直流主轴驱动控制系统高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 1.调磁调速回路调磁调速回路v主轴电动机功率通常较大，且要求恒功率调速范围尽可能大些，一般采用他励电动机，励磁绕组与电枢绕组相互独立，由单独的可调直流电源供电。v当励磁控制回路的电流给定、电枢电压反馈、励磁电流反馈三组信号经比较之后输入至PI调节器，调节器的输出经过电压/相位转换器，控制晶闸管触发脉冲的相位，调节励磁绕组的电流大小，实现电动机的恒功率弱磁调速。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 2.调压调速回路调压调速回路v 调压调速路回，类似于直流进给伺服系统，也是由速度外环和电流内环构成的双闭环调速度控制系统，具有良好的静态和动态指标，可最大限度地利用电动机的过载能力，使过渡过程最短。通过控制直流主轴电动机的电枢电压实现变速。v 3.主回路电路及其工作原理主回路电路及其工作原理v 数控机床加工零件时，要求主轴正、反转切削功率应尽可能大，停止和改变转向要迅速。主轴直流电动机驱动装置是采用三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统，主回路电路如图8-10所示。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院 (a)主电路 (b)简图 图8-10可逆调速系统的主电路高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 由图8-10(a)可知，主回路有12只晶闸管组成，它们分成VT1、VT2两组,其中VT1为正组晶闸管，VT2为反组晶闸管，如图8-10(b)所示。每组按三相桥式连接形成变流桥，两组变流桥为反极性并联，由一个交流电源供电，反极性并联线路能实现电动机正反向的电动和回馈发电制动，为保证在任何时间内只允许一组桥路工作，另一组桥路阻断。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统四象限运行示意图如图8-11所示。v 当电动机正向运动时，VT1管工作在整流状态，提供正向直流电流；电动机反向运动时，则VT2管工作在整流状态，并提供反向直流电流；实现电动机在第一、三象限的起动、升降速度控制。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院图8-11 三相桥式反并联四象限运行示意图高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 4.主电路控制要求主电路控制要求v 对主电路控制要求对主电路控制要求如下:v 每个时刻只准向一组晶闸管提供触发信号每个时刻只准向一组晶闸管提供触发信号。v 只有当工作的那一组晶闸管电流为零以后，才只有当工作的那一组晶闸管电流为零以后，才能撤销触发信号，以防止当晶闸管逆变时，电流没能撤销触发信号，以防止当晶闸管逆变时，电流没有为零，撤销触发信号，有为零，撤销触发信号，造成逆变颠覆而出现故障造成逆变颠覆而出现故障。v 只有当工作的那一组晶闸管完全关断后，才可只有当工作的那一组晶闸管完全关断后，才可以向另一组晶闸管提供触发信号，以防止出现大的以向另一组晶闸管提供触发信号，以防止出现大的环流。环流。v 任何一组晶闸管导通时，要防止其输出电压任何一组晶闸管导通时，要防止其输出电压与电动机绕组产生的电动势方向一致，导致电流过与电动机绕组产生的电动势方向一致，导致电流过大。大。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院8.4 交流伺服电机及其速度控制交流伺服电机及其速度控制v 8.4.1 交流伺服电动机的分类和特点交流伺服电动机的分类和特点v 8.4.2 永磁式交流伺服电机工作原理永磁式交流伺服电机工作原理v 8.4.3 变频控制器变频控制器v 8.4.4 变频器在机床上的应用变频器在机床上的应用v 8.4.5 主轴分段无级调速及控制主轴分段无级调速及控制v 8.4.6 主轴准停控制主轴准停控制 高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 8.4.1 交流伺服电动机的分类和特点交流伺服电动机的分类和特点v 交流伺服电机可分为异步型交流伺服电动机和同步型交流伺服电机机。这些电机具有相同的三相绕组的定子结构。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v (1)异步型交流伺服电动机异步型交流伺服电动机 v 三相异步型交流伺服电动机，结构简单、坚固、无刷、造价低、转子的重量轻、惯性小、响应速度快。缺点是不能实现较大范围内地平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流，造成电网功率因数降低。v (2)同步型交流伺服电动机同步型交流伺服电动机v 同步型交流伺服电动机按不同的转子结构可分为电磁式及非电磁式两类，非电磁式又分磁滞式、永磁式和反应式等。同步型交流伺服电机的转子磁极，要受到定子电路旋转磁场的吸引，与旋转磁场的转速始终保持同步。当电源电压和频率不改变时，同步型交流伺服电机的转速是不会改变的。如图8-12所示。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院8.4.2 永磁式交流伺服电机工作原理永磁式交流伺服电机工作原理v 当定子的三相绕组接通三相交流电流时，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场以同步转速n旋转的旋转磁场，转子的永久磁场磁极被定子的旋转磁极互相吸住，带动转子一起同步旋转。如图8-13所示。当转子加上负载转矩之后，转子轴线将落后定子旋转磁场轴线一个Q角。当负载增大时，Q角随着增大，当负载减小时，Q角随着减小。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院图8-13 交流伺服电动机工作原理图 图8-14 永磁式交流伺服电动机的结构1一定子铁心;2一转子;3一定子绕组;4一位置检测元件;5一接线盒高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 永磁式同步型交流伺服电机结构如图8-14所示，定子铁心1、转子2、定子绕组3、位置检测元件4和接线盒5等部件组成。v永磁式同步型交流伺服电动机的主要优点有：v 可靠性高，易维护保养;v 转子转动惯量小，快速响应性好;v 有宽的调速范围，可高速转动;v 结构紧凑，在相同功率下有较小的质量和体积v 散热性能好。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 变频控制器按变换环节分有：交-交变频器、交-直-交变频器，按电压的调制方式分有：PAM(脉幅调制)、PWM(脉宽调制)，按滤波方式分有：电压型变频器、电流型变频器，按输入电源的相数分有：三进三出变频器、单进三出变频器，按控制方式分有：U/f控制变频器、转差频率控制变频器、矢量控制方式变频器。8.4.3 变频控制器变频控制器高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 1.交交-直直-交变频器交变频器v 交一直一交变频器是将交流转换为可调直流，作为逆变器的直流供给电源。而逆变器是将可调直流电变为调频调压的交流电，采用脉冲宽度调制(PWM)逆变器来完成，逆变器有晶闸管逆变器和晶体管逆变器。目前，此种变频器已得到普及。数控数控机床上的交流伺服系统大多采用交机床上的交流伺服系统大多采用交-直直-交交SPWM(正正弦波调制弦波调制)变频控制器变频控制器。交-直-交变频器原理示意图如图9-15所示。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院9-15 交-直-交变频器 高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v 2.SPWM变频控制器变频控制器v （1）SPWM波形与等效的正弦波波形与等效的正弦波v 如把一个正弦波分成n等分，设n=12，如图8-16a所示。然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲波所替代，这样就得到n个等高不等宽的脉冲序列，并对应于一个正弦波的正半周，如图8-16b所示。对于负半周，也可这样处理。如果幅值改变，则各等高矩形脉冲的宽度也相应改变，这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制波(SPWM)。高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院图8-16 等效的SPWM波形 图8-17三相正弦波与三角波相比较后产生的三相脉宽调制波高等教育出版社高等教育出版社第第8章章 伺服系统伺服系统机床电气控制与机床电气控制与PLC（第二版）（第二版）克拉玛依理工学院克拉玛依理工学院v （2）三相）三相SPWM电路电路v 目前普遍应用的是正弦脉宽调制SPWM方式。SPWM调制的控制信号为幅值和频率均可调的正弦波参考信号,载波信号为三角波。正弦波和三角波相交可得到一组矩形脉冲,其幅值不变,而脉冲宽度是按正弦规律变化的SPWM波形。v对于三相SPWM,逆变器必须产生互差120的三相正弦波脉宽调制波。为了得到这三相调制波,三角波载频信号可以共用,必须有一个三相正弦波发生器产生可变频、可变幅且互差120的三相正弦波参考信号