第四章进给与主轴

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1、第四章、进给系统及主轴系统4.1概述数控机床的进给伺服系统的主要任务是接收数控系统发出的速度和位置信号，通过对信号进行功率放大、变换与调节等处理，最终控制伺服电机的力、速度和移动位置，通过机械传动机构驱动机床坐标轴，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动。机床进给伺服系统由位置控制、速度控制、伺服电动机、检测部件以及机械传动机构五大部分组成。位置控制部分一般与数控装置集成在一起，因此，进给伺服系统主要指速度控制、伺服电动机和检测部件三部分，将速度控制部分称之为伺服单元或驱动器。从控制原理上伺服系统包括电流控制环、速度控制环和位置控制环三环控制的系统。电流环保证伺服系

2、统的电流具有最佳动态响应，稳定电机的力矩，是三环结构的内环，速度环和位置环完成对速度和位置的调节，使伺服按照控制系统的要求控制电机的速度和移动的位置。4.1.1伺服系统的特性为了满足数控机床的系统控制要求，进给伺服系统一般要具备以下技术特性：(1) 高精度为了保证零件加工质量和提高效率，要保证数控机床的定位精度和加工精度。因此，在位置控制中要求有高的定位精度；而在速度控制中，要求有高的调速精度、强的抗负载扰动的能力，即要求静态和动态速降尽可能小。快速响应为了保证轮廓切削形状精度和加工表面粗糙度，除了要求有较高的定位精度外，还要求系统有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快,位置跟踪误

3、差(位置跟踪精度)要小。宽调速范围它是指在额定负载时电动机能提供的最高转速与最低转速之比。对于一般的数控机床而言，要求进给伺服系统能在024m/min下都能正常工作。(2) 低速大转矩根据机床低速时进行重切削的加工特点，要求在低速时进给伺服系统有大的转矩输出。4.1.2伺服电机的特性：进给伺服系统的执行元件-伺服电动机也应具备以下特性来满足系统的要求：(1) 电动机在整个转速范围内都能平滑地运转，转矩波动要小，特别在低速时应仍有平稳的速度而无爬行现象。(2) 电动机应有一定的过载能力，以满足低速、大转矩的要求。(3) 为了满足快速响应的要求，电动机必须具有较小的转动惯量和大的堵转转矢尽可能小的

4、机电时间常数和起动电压。(4) 电动机应能承受频繁的起动、制动和反转4.1.3伺服系统的结构及分类伺服系统的电气结构主要由三部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。根据驱动电动机的类型，可将其分为步进伺服、直流伺服和交流伺服；根据控制器实现方法的不同，可将其分为模拟伺服和数字伺服；根据控制器中闭环的多少

5、，可将其分为开环控制系统、单环控制系统、双环控制系统和多环控制系统。4.1.4进给伺服系统的现状与展望目前，进给伺服可分为步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服。(1) 步进伺服系统步进伺服是一种用脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。其角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。如果停机后某些绕组仍保持通电状态，则系统还具有自锁能力。步进电动机每转一周都有固定的步数，如500步、1000步、50000步等等,从理论上讲其步距误差不会累计。步进伺服结构简单，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移动速度越低。特别是步进伺服易于失步，主要

6、用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。近年发展起来的恒斩波驱动、PW驱动、微步驱动、超微步驱动和混合伺服技术，使得步进电动机的高、低频特性得到了很大的提高。(2) 直流伺服系统直流伺服的工作原理是建立在电磁力定律基础上。与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流，它们分别控制励磁电流与电枢电流，可方便地进行转矩与转速控制。另一方面从控制角度看，直流伺服的控制是一个单输入单输出的单变量控制系统，经典控制理论完全适用于这种系统，因此，直流伺服系统控制简单，调速性能优异，在数控机床的进给驱动中曾占据着主导地位。然而，直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难

7、，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。(3) 交流伺服系统针对直流电动机的缺陷，仍按直流电机原理，结构上做“里翻外”的处理，即把电驱绕组装在定子、转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，就构成了永磁无刷电动机，同时随着矢量控制方法的实用化，使交流伺服系统具有良好的伺服特性。其宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，使其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。同时可实现弱

8、磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。目前，在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统，有三种类型：模拟形式、数字形式和软件形式。模拟伺服用途单一，只接收模拟信号，位置控制通常由上位机实现。数字伺服可实现一机多用，如做速度、力矩、位置控制。可接收模拟指令和脉冲指令，各种参数均以数字方式设定，稳定性好。具有较丰富的自诊断、报警功能。软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统。其将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电机的监控程序以软件实现。使用时可由用户设定代码与相关的数据即自动进入工作状态。配有数字接口，改变工作方式、更换电动机规格时，只需重设代码即可，故也称万能伺服。

9、交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。(4) 直线伺服系统直线伺服是高速高精数控机床的理想驱动模式，直线伺服系统采用的是一种直接驱动方式(DirectDrive),与传统的旋转传动方式相比，最大特点是取消了电动机到工作台间的一切机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零。这种“零传动”方式，带来了旋转驱动方式

10、无法达到的性能指标，如加速度可达3g以上，为传统驱动装置的1020倍,进给速度是传统的45倍。从电动机的工作原理来讲，直线电动机有直流、交流、步进、永磁、电磁、同步和异步等多种方式；而从结构来讲，又有动圈式、动铁式、平板型和圆筒型等形式。目前应用到数控机床上的主要有高精度高频响小行程直线电动机与大推力长行程高精度直线电动机两类。4.1.5主轴伺服系统的现状及展望主轴伺服提供加工各类工件所需的切削功率，因此，只需完成主轴调速及正反转功能。但当要求机床有螺纹加工、准停和恒线速加工等功能时，对主轴也提出了相应的位置控制要求，因此，要求其输出功率大，具有恒转矩段及恒功率段，有准停控制，主轴与进给联动。

11、与进给伺服一样，主轴伺服经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动。随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代。(1) 交流异步伺服系统交流异步伺服通过在三相异步电动机的定子绕组中产生幅值、频率可变的正弦电流，该正弦电流产生的旋转磁场与电动机转子所产生的感应电流相互作用，产生电磁转矩，从而实现电动机的旋转。其中，正弦电流的幅值可分解为给定励磁电流与等效转子力矩电流的矢量和；正弦电流的频率可分解为转子转速与转差之和，以实现矢量化控制。交流异步伺服通常有模拟式、数字式两种方式。与模拟式相比，数字式伺服加速特性近似直线，时间短，且可提高主轴定位控制时系统的刚性和精

12、度，操作方便，是机床主轴驱动采用的主要形式。然而交流异步伺服存在两个主要问题：一是转子发热，效率较低，转矩密度较小，体积较大；二是功率因数较低，因此，要获得较宽的恒功率调速范围，要求较大的逆变器容量。(2) 交流同步伺服系统近年来，随着高能低价永磁体的开发和性能的不断提高，使得采用永磁同步调速电动机的交流同步伺服系统的性能日益突出，为解决交流异步伺服存在的问题带来了希望。与采用矢量控制的异步伺服相比，永磁同步电动机转子温度低，轴向连接位置精度高，要求的冷却条件不高，对机床环境的温度影响小，容易达到极小的低限速度。即使在低限速度下，也可作恒转矩运行，特别适合强力切削加工。同时其转矩密度高，转动惯

13、量小，动态响应特性好,特别适合高生产率运行。较容易达到很高的调速比，允许同一机床主轴具有多种加工能力,既可以加工像铝一样的低硬度材料，也可以加工很硬很脆的合金，为机床进行最优切削创造了条件。(3) 电主轴电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，它将主轴电动机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，电动机的转子即为主轴的旋转部分，由于取消了齿轮变速箱与电动机的连接，实现了主轴系统的一体化、“零传动”。因此，其具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点，并可改善机床的动平衡，避免振动和噪声，在超高速切削机床上得到了广泛的应用。电主轴为一台高速电动机，其既可使用异步交流感应电动机，也可使用永磁同步电动

14、机。电主轴的驱动一般使用矢量控制的变频技术，通常内置一脉冲编码器，来实现相位控制及与进给的准确配合。由于电主轴的工作转速极高，对其散热、动平衡、润滑等提出了特殊的要求。4.2步进伺服系统4.2.1步进伺服系统：步进伺服系统属于开环系统，主要有步进电机和步进电机驱动单元。其方框图如下：工.作台固写环形分配幕电源图中给出的是一个轴的步进伺服控制系统的组成：数控装置的作用是按照指令的要求向伺服系统发出指令脉冲和方向信号，指令脉冲包括两方面的内容，移动的距离和运动的速度,发出脉冲的个数来反映移动的距离，发出脉冲的频率来代表运动的速度；环形分配器的作用根据指令方向，依次产生步进电机的各相的通电步骤，环形

15、分配器分为硬件环分、软件环分两种；放大电路：放大环形分配的各相指令，产生步进电机的各相的驱动电流；步进电机直接或通过齿轮箱带动丝杠，产生轴的直线运动。4.2.2步进电机(1) 步进电机的结构与工作原理步进电动机是一种将脉冲信号变换成角位移(或线位移)的电磁装置，步进电动机的角位移与输入脉冲个数成正比，在时间上与输入脉冲同步。因此只需控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。无脉冲输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于自锁状态。步进电动机按其输出扭矩的大小，可分为快速步进电动机与功率步进电动机；按其励磁相数可分为三相、四相、五相、六相

16、；按其工作原理可以分为磁电式和反应式两大类。下面介绍常用的反应式步进电动机的工作原理，现用图4-3来加以说明。缶梢1如也叫r相血itwc排诲也图a)A相通电b)A相断电，B相通电c)B断电，5目通电它的定子上有六个极，每极上都装有控制绕组，每两个相对的极组成一相。转子是四个均匀分布的齿，上面没有绕组。当Af绕组通电时，因磁通总是要沿着磁阻最小的路径闭合,将使转子齿1、3和定子极A相对齐，如图4-3a所示。A相断电，B相绕组通电时，转子将在空间转过a角，a=30,使转子齿2、4和定子极B相对齐，如图4-3b所示。如果再使晰电,5目绕组通电时，转子又将在空间转过30角，使转子齿1、3和定子极5目对

17、齐，图4-3c所小。如此循环往复，并按ABCA的顺序通电，电动机便按一定的方向转动。电动机的转速取决于绕组与电源接通或断开的变化频率。若按ACBA勺顺序通电，则电动机反向转动。电动机绕组与电源的接通或断开，通常是由电子逻辑电路来控制的。电动机定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。此时电动机转子转过的空间角度称为步距角a。上述通电方式称为三相单三拍。“单”是指每次通电时，只有一相绕组通电；“三拍”是指经过三次切换绕组的通电状态为一个循环，第四拍通电时就重复第一拍通电的情况。显然，在这种通电方式时，三相步进电动机的步距角a应为30。图a)A相通电b)A、B相通电c)B相通电d)B、c相通电三相步进

18、电动机除了单三拍通电方式外，还经常工作在三相六拍通电方式。这时通电顺序为：AABB(CC/AA,或为AA-C-CBBA。也就是说，先接通倚目绕组；以后再同时接通AB相绕组；然后断开对目绕组，使B相绕组单独接通；再同时接通B、C相绕组，依此进行。在这种通电方式时，定子三相绕组需经过六次切换才能完成一个循环，故称为“六拍”，而且在通电时，有时是单个绕组接通，有时又为两个绕组同时接通，因此亦称为三相单、双六拍”。在这种通电方式时，步进电动机的步距角与“单三拍时的情况不同，见图4-4。当AW绕组通电时，和单三拍运行的情况相同，转子齿1、3和定子极A相对齐，如图4-4a所示。当A、B相绕组同时通电时，转

19、子齿2、4又将在定子极B相的吸引下，使转子沿逆时针方向转动，直至转子齿l、3和定子极倚目之间的作用力被转子齿2、4和定子极轿目之间的作用力所平衡为止，如图4-4b所示。当断开倚目绕组而只有B相绕组接通电源时，转子将继续沿逆时针方向转过一个角度使转子齿2、4和定子极淅目对齐，如图4-4c所示。若继续按BbbCAA的顺序通电，那么步进电动机就按逆时针方向继续转动。如果通电改为AA(CCABBA时，电动机将按顺时针方向转动。在单三拍通电方式中，步进电动机每经过一拍，转子转过的步距角a=30。采用单、双六拍通电方式后，步进电动机由A相绕组单独通电到轿目绕组单独通电，中间还要经过A、B同时通电这个状态，

20、也就是说要经过二拍，转子才转过30。所以这种通电方式下，三相步进电动机的步距角为a=30/2=15同一台步进电动机通电方式不同，运行时的步距角也不同。采用单、双拍通电时，步距角要比单拍通电方式减少一半。实际使用中，单三拍通电方式由于在切换时一相绕组断电后另一相绕组开始通电容易造成失步。此外，由单一绕组通电吸引转子，也容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行稳定性较差，所以很少采用。通常采用“双三拍”通电方式，即按A4BbCIA-AB勺通电顺序运行，这时每个通电状态均为两相绕组同时通电。在双三拍通电方式下步进电动机的转子位置与单、双六拍通电方式时两个绕组同时通电的情况相同。所以步进电动机按双三拍通

21、电方式运行时，其步距角和单三拍通电方式相同，也是30。上述这种简单结构的反应式步进电动机的步距角较大，如在数控机床中应用就会影响到加工工件的精度。实际中采用的是小步距角的步进电动机。图4-5所示为五相五定子轴向分相反应式步进电机。定子和转子都分为5段，呈轴向布置。其上均有16个齿，故齿距为22.5,各相定子彼此径向错开1/5个齿的齿距(也可以由五段转子彼此径向错开1/5齿距)。如果按A-B-C-D-E-A-,的五相五拍通电，步距角为a=t/5=22.5/5=4.5。如果按AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB-AR-的十拍通32电，则步距角为2.25。图4-5五相

22、五定子轴向分相反应式步进电机步进(2) 步进电动机的主要特性l.步距角a每输入一个电脉冲信号，步进电动机转子所转过的角度称为步距角。电动机步距角可按下式计算式中m步进电动机的相数；z步进电动机转子的齿数；k与通电方式有关的系数。当通电方式为单拍时，k=1;双拍时，k=2。静态步距角误差a空载时，以单脉冲输入，步进电动机实际步距角与理论步距角之差称静态步距角误差。它随步进电动机的制造精度而变化。也一般控制在土10土30的范围内。.最大静转矩Tmax当步进电动机不改变通电状态转子不动时，在轴上加一负载转矩，定子与转子就有一个角位移。，。称为失调角，使转子刚刚离开平衡位置的极限转矩值称为最大静转矩，

23、用Tmax示。静转矩越大，电动机所能承受的外加转矩也越大，一般产品技术规格中给出的最大静转矩是指在额定电流及规定的通电方式下的静转矩。它代表步进电动机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。.启动(突跳)频率步进电动机由静止突然启动，进入不丢步正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率。由于步进电动机在启动时，要克服负载力矩与加速力矩、如果启动突跳频率过高，转子的速度就跟不上定子的磁场旋转速度，出现失步或振荡现象，因此，一般均采用较低的启动频率启动步进电动机，然后再逐渐升高脉冲频率，最后达到所要求的工作频率。这样所能达到的最高工作频率远高于启动频率。.连续运行频率步进电动机启动，能逐渐不失步地连续升

24、速至某一最高频率，称作连续运行频率fmax。它是步进电动机的重要指标。由于采用逐渐升、降频控制，因此fmax远大于fq。.矩频特性矩频特性描述步进电动机连续稳定运行时输出转矩与频率的关系，该特性曲线(见图4-9)上每一频率所对应的转矩称为动态转矩。一般来说，随着运行频率的增高，输出力矩下降，到某一频率后，步进电动机的输出力矩已变的很小，带不动负载或受到一个很小的干扰，就会发生振荡、失步或停转。因此，动态转矩的大小直接影响步进电动机的动态性能以及带负载能力。4.2.3步进电动机的驱动电路步进电动机的运行性能不仅与电动机本身的特性、负载有关，而且与其配套使用的驱动电源有着密切的关系。步进电动机的运

25、行性能是步进电动机和驱动电源的综合结果，选择性能良好的驱动电源对于发挥步进电动机的性能是十分重要的。步进电动机的驱动电源由环形分配器和功率放大器两部分组成。(1) .环形分配器环形分配器是用于控制步进电动机的通电运行方式的，其作用是将数控装置的插补脉冲,按步进电动机所要求的规律分配给步进电动机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的导通或关断。同时由于电动机有正反转要求，所以环形分配器的输出不仅是周期性的，又是可逆的。按由硬件或软件完成环形分配器的功能，可将环形分配器分成硬件环形分配器和软件环形分配器两类，下面分别加以介绍。1.硬件环形分配器：该种类很多，其中比较常用的是专用集成芯片或通用可编程

26、逻辑器件组成的环形分配器。CH25弟三相反应式步进电动机环形分配器的专用集成电路芯片，它采用CMOS艺，集成度高，可靠性好。它的管脚图和三相六拍工作时的接线图如图4-10所示。数控装置根据进给速度指令，通过译码与脉冲发生器（硬件或软件）产生与进给速度相对应的一定频率的指令脉冲，再经环行分配器，按步进电机的通电方式进行脉冲分配，并经功率放大后送给步进电机的各相绕组，以驱动步进电机旋转。图4-10CH250管脚图和三相六拍接线图CH25（&要管脚的作用：A、B、CA、B、胡目输出端。R、R*确定初始励磁相；若为“10”，则为Af;若为“0T，则为A、耕目。环形分配器工作时应为“00”状态。CL、E

27、-一进给脉冲输入端，若EN=l,进给脉冲接CL,脉冲上升沿使环形分配器工作；若CL=0,进给脉冲接EN脉冲下降沿使环形分配器工作。不符合上述规定则为环形分配器状态锁定（保持）。J3r、J3L、J6r、J6L分别为控制三拍、六拍工作的控制端。UDU-一电源端。图4-10b的接线图的功能是三相六拍工作方式；步进电动机的初始励磁相为A、轿目；进给脉冲C0勺上升沿有效；方向信号为l,贝U正转，为0,则反转。2.软件环形脉冲分配器：使用软件环形分配器只需根据步进电机的特性编制不同的软环分程序，将其存入数控装置的EPROMF即可。用软件环形分配器可以使线路简化，成本下降，并可灵活地改变步进电动机的控制方案

28、。软件环形脉冲分配器的工作原理：在微处理器系统中，专门安排一个输出寄存器作为步进电动机的控制寄存器（一般只用这个寄存器中的若干位），步进电动机的每一相绕组都与这个寄存器中的某一指定位相对应。寄存器中这一位为“T,对应着相应绕组的通电状态；这一位为“0”，对应着相应绕组的断电状态。微处理器按照程序中规定的顺序，循环地向寄存器中写入各控制字节，从而使步进电动机的绕组按固定的规律，循环地通电或断电，使步进电动机向某一方向转动。一般步进电动机的工作频率都不超过10kHz,因此，微处理器每两次向寄存器写入步进控制字节的时间间隔t,至少是0.1ms,而每次向寄存器写入控制字节所需要的执行程序的时间比0.1

29、ms小很多，所以微处理器完全有多余的能力执行别的任务，使用中断子程序控制电动机能使处理器的能力得到充分发挥。我们把这种中断称为环分中断，At是中断周期。根据上面的分析，我们知道At至少要大于0.1ms。(2) .功率放大器由环形分配器输出的脉冲功率很小，要进行功率放大，使脉冲电流达到110A,才足以驱动步进电机旋转。为了使步进电机有较大的高频转矩，还应该能获得较大的高频电流，为此发展了多种功率放大电路，常用的电路有以下两种。1.单电压供电功放器：图411(a)是三相步进电机单电压供电的功率放大器的一种线路，步进电机的每一相绕组都有一套这样的电路。图4-11步进电动机的功率放大器电路由光电隔离器

30、G盾日三极管VT电路组成。光电隔离器起隔离作用，使功率放大器对环形分配器的影响减小，第二级射极跟随器管V秘于放大区，用以改善功放器的动态特性。当环形分配器输出端输出脉冲信号Vsr为高电平时，光电隔离器GD勺二极管不导通，其三级管截止，VT包和导通，步进电机绕组L中的电流从零开始按指数规律上升到稳态值。当分配器输出端输出脉冲信号Vsr为低电平时，光电隔离器GD勺二极管导通，其三级管处与放大状态,VD1的正端电位为0V,VT的基极电位不可能使VW通，绕组LA断电。此时由于绕组的电感存在，将在绕组两端产生很大的感应电势，它和电源电压一起加到V布上，将造成过压击穿。因此，绕组L并联有续流二极管VD在绕

31、组L上串联电阻，用以限流和减小供电回路的时间常数。但是串人电阻R*,无功功耗增大，为保持稳态电流，相应的驱动电压较无串接电阻时也要大为提高，对晶体管的耐压要求更高，为了克服上述缺点，出现了双电压供电电路。2.双电压供电功放器：其电路如图411(b)所示，在环形分配器送来的脉冲使VTA管导通的同时，触发了单稳态触发器，单稳态触发器输出的窄脉冲使VTg管导通，80V的高压电源经限流电阻R给绕组L供电。由于VDl承受反压，因而切断了12V的低压电源。在高压供电下,绕组L的电流迅速上升，前沿很陡。当超过单稳态触发器输出的窄脉冲宽度时，VT管截止。这时VDl导通，12V低压向绕组供电以维持所需电流。当V

32、T管断电时，绕组L的自感电势使续流二极管VD2#通，电流继续流过绕组。续流回路中串接电阻可以减小时间常数和加快续流过程。采用以上措施大大提高了电机的工作频率。这种电路的特点是：开始由高压供电，使绕组中的冲击电流波形上升，前沿很陡，利于提高启动频率和最高连续工作频率，其后切断高压，由低压供电以维持额定稳态电流值，只造成高频输出转矩的需很小的限流电阻，因而功耗很低；当工作频率高，其周期小于单稳态触发器的延退周期时，变成纯高压供电，可获得较大的高频电流，具有较好的矩频特性。其缺点是电流波顶有凹陷，电路较复杂。斩波驱动电路高低压驱动电路的电流波形的波顶会出现凹形，下降，为了使励磁绕组中的电流维持在额定

33、值附近，需采用斩波驱动电路。斩波驱动电路的原理图如图4-12所示。它的工作原理是：环形分配器输出的脉冲作为输入信号，若为正脉冲，则VTl、VT2导通，由于U1电压较高，绕组回路又没串电阻，所以绕组中的电流迅速上升，当绕组中的电流上升到额定值以上某个数值时，由于采样电阻Re的反馈作用，经整形、放大后送至VT1的基极，使VTl截止。接着绕组由UN氐压供电，绕组中的电流立即下降，但刚降至额定值以下时，由于采样电阻Re的反馈作用，使整形电路无信号输出，此时高压前置放大电路又使VTl导通，电流又上升。如此反复进行，形成一个在额定电流值上下波动呈锯齿状的绕组电流波形，近似恒流，所以斩波电路也称斩波恒流驱动

34、电路。锯齿波的频率可通过调整采样电阻Re整形电路的电位器来调整。图4-12斩波驱动电路原理图斩波驱动电路虽然复杂，但它使数控系统与步进电动机的运行矩频特性、启动矩频特性和惯频特性都有明显提高；使绕组的脉冲电流边沿陡，快速响应好；该电路无外接电阻RC，而采样电阻Re又很小（一般为0.2Q左右），所以整个系统的功耗下降很多，相应地提高了效率。由于采样电阻Re的反馈作用，使绕组中的电流可以恒定在额定的数值上，而且不随步进电动机的转速而变化，从而保证在很大的频率范围内，步进电动机都能输出恒定的转矩O细分驱动电路步进电动机绕组中的电流为矩形波供电时，其步距角因供电控制方式不同只有两种（整步与半步）。步距

35、角虽已由步进电动机结构确定，但可用电的方法来进行细分。为此，绕组电流由矩形波供电改为梯形波供电。矩形波供电时，绕组中的电流基本上是从零值跃到额定值，或从额定值降至零值。而梯形波供电时，绕组中的电流经若干个阶梯上升到额定值，或经若干个阶梯下降至零值，也就是说，在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切除，而是改变相应绕组中额定电流的一部分。电流分成多少个台阶，则转子就以同样的个数转一个步距角。这种将一个步距角细分成若干步的驱动方法称为细分驱动。例如在五相十拍运行的步进电动机中，将原来的一步分为十小步实现细分，其方法是由ABOBCM,A相定子绕组中的电流不是由“1”立即降到“0”（这里的“T

36、应理解为电流的额定值I），而是按0.9I0.8I0.7I,r0.1Ir0逐步衰减下来。同理，当某相绕组接通时，电流也按0.1I0.2I0.3I,r0.9II的规律逐渐上升，电流的大小用脉冲宽度来控制。细分驱动的优点是使步距角减小，运行平稳，提高匀速性，并能减弱或消除振荡。4.2.4步进电动机的选用步进电动机选用的基本原则如下：（1）在选择步进电动机时，首先要确定步进电动机的类型。数控机床上大多使用功率式步进电动机，反应式步进电动机（如I10BF、130BF、150BF）其价格低于永磁反应式步进电动机，但性能上不如永磁反应式步进电动机。（2）根据机床的加工精度要求，选择进给轴的脉冲当量，如0.0

37、1m做0.005mm=（3）根据所选步进电动机的步距角、丝杠的螺距以及所要求的脉冲当量来计算减速齿轮的降速比。采用减速齿轮可较容易配置出所要求的脉冲当量、减小工作台以及丝杠折算到电动机轴上的惯量，同时增大工作台的推力。但采用减速齿轮会带来额外的传动误差，使机床的快速移动速度降低，并且其自身又引入附加的转动惯量。此外、还要综合考虑：最大静态转矩（MmaX、负载起动频率、运行的最高频率与升速时间等参数需要特别注意的是步进电动机的各种性能参数均与其配套的驱动电源有很大的关系，不同控制方式的驱动功率放大电路及其电压、电流等参数不同，都会使步进电动机的输出特性发生很大的变化。因此，步进电动机一定要与其配

38、套的驱动电源一起考虑来选择。4.2.5步进驱动系统的应用下图是广州数控设备厂的DF3系列步进电机驱动模块，其基本技术规格：电机最高转速不低于1300rpm；单高压恒流斩波半桥方式的驱动方式；4位DIP开关上电前设定1/5/10/20细分；输入脉冲方式可采用单脉冲方式CP+DIR（脉冲+方向）或双脉冲方式CW+CCWE转脉冲+反转脉冲）；脉冲频率不大于250KHZ（20细分时）；使能输入FREE/FREIW效时驱动器有电流输出、电机受控；保护功能包括过流、短路保护；过热保护；欠压保护；4JN/OUT01/105/1110/11.20/11234APHASEBPHASECPHASEHPOWERAL

39、ARMA-B+状态指示A+C-保险FUSE(3A)B-C+模块中各部分的功能：输入电源为源接ACINI220VACOUT220VFG步进电机驱动器广州数控设备厂制造220V交流电源，可通过ACOUT连接到下一模块；电机接口连接三相反应式步进电机;状态指示用于监控电源、报警及步进电机各相的通电情况;过选择开关对信号接口的使用进行定义；信号接口主要完成与CNC勺连接，即接收数控系统发出的位置和速度信号，典型连接图如下:DF3与980T(Nf|系统连接DF姗勃器|1:0-CP+DIR1-CW+CCW.2:DIR选I3.0.1011:CP/CW2:CP/CW3:DIR/CCW4:DIR/CCW1C?+

40、9CP-2Dir+10Dir-11V12+5V5Dahn14ov金属gX3DsZ32M1-i_i方向+方向l_lovrir1CP+2CP-3Dir*4Cir-9.了8+575金属外壳信号接口.5:FREE6:PH.OUT7:ALMOUT8:FREE9:OUTCOM4.3直流进给伺服系统直流伺服系统是建立在直流调速的理论基础上，由于直流调速在理论和实践上比较成熟,直流电机具有良好的启动制动特性、调速范围宽，所以早期的数控机床广泛地采用了直流伺服系统。4.3.1直流电机的结构：直流电机的结构：1一风扇；2一机座；3一电枢；4主磁极；5一电刷；6一换向器；7一接线板；8一出线盒；9一换向极；10-端

41、盖如图所示，直流伺服电机的结构主要包括三大部分：（1）定子。定子磁极磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式，直流伺服电动机可分为永磁式和他激式。永磁式磁极由永磁材料制成，他激式磁极由冲压硅钢片叠压而成，外绕线圈通以直流电流便产生恒定磁场。（2）转子。又称为电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，称为电枢绕组，电枢绕组属于闭合绕组，通过换向器被电刷分成若干个并联绕组，通以直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。（3）电刷与换向片。为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀的连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。直流电机利用通过电流的导体在磁场中受到电磁

42、力的作用而工作，原理图如下：励磁的磁场上端为N极，下端为湫（直流伺服电机的励磁为永磁体），在此磁场中，当给电机通电，电源通过电刷、换向器加到电枢的绕组上，电刷A连接电源负极，电刷B连接电源正极，电枢中的电流如图，根据左手定则，电枢导体收到的电磁力的方向为顺时针方向，电机顺时针旋转。由于在NBS极下的导线电流方向始终保持不变，所以电机的转矩和旋转方向始终保持不变。N4.3.2直流电机的调速原理(1)调速原理：在数控机床上采用的直流电机，主要是它励直流电机。进给伺服电机为永磁式直流电机，电机主要工作在恒转矩的工作状态；用在主轴上的直流电机为了增大转速范围，一般采用它励式的直流电机，励磁电压可调节。

43、根据直流电机的转速方程：其中：U为电枢电压，Ia为电枢的电流，Ra电枢回路的电阻，n为电机的转速，力为励磁磁通，Ce电机的电动势系数。通过对以上参量的调节，可以实现对直流电机的速度调节：调节电枢电压调速：从转速方程上，当磁通力和电阻一定时，改变电枢电压U,可以平滑的调节电机的转速，但电压的调节只能在低于电机额定电压范围内进行，电机的速度在额定转速以下调节。1 减弱励磁调速：从转速方程上，当U为额定电压时，转速到达额定转速，此时，减小励磁磁通，电机的转速将高于额定转速，和调压配合，扩大了电机的调速范围，有效利用了电机的容量。2 改变电枢的回路电阻调速：在电枢回路串联电阻，可以改变电机的转速，但是

44、串联电阻后损耗较大，且只能进行有级调速，电机的特性较软，所以这种方法很少使用。(2)直流伺服：虽然从原理上可以选择以上三种方案，但是在实际中，直流电机的调速控制主要是对电机电枢电压的调节，即改变电枢的电压来调速。直流电压的调节常用的直流电源为：可控硅整流装置和脉宽调制变换器。1可控硅整流装置：可控硅也称为晶闸管，它包括阴极、阳极和门极，可以理解为受控导通的二极管。通过对可控硅门极电流的控制，来控制晶闸管的导通；晶闸管-直流调速系统简称V-M系统，电机的转速是被调量，晶闸管可控整流器可以是单相、三相或多相，半波、全波、半控全控等类型。由于进给直流伺服电机在工作中，既有调速的要求又有变向的要求。所

45、以直流伺服的控制采用电枢反接可逆线路。即采用两组晶闸管装置组成可逆线路，两组晶闸管分别有两套触发器控制，当正组晶闸管向电机供电时提供正向电枢电流，电机正转，反组晶闸管装置工作时，向电机提供反向电枢电流，电机反转。图中是晶闸管调速的主电路，三相交流电源加到两组晶闸管电路上(两组分别时正组和反组)，K砺过载检测，Rb为制动电阻，R1电阻与电枢串联，进行电流检测。通过通过调节触发电路的移相电压，改变晶闸管的导通角来改变直流电压。-WPIJABCKR可控硅（晶闸管）直流调速系统中，为实现转速和电流两种反馈分别起作用，系统中设置了两个调节器，分别对转速和电流进行调节，两者之间实现串联联接。此系统主要由电

46、流调节回路（内环）、速度调节回路（外环）和可控硅整流放大器（主回路）等部分组成，如图4-5所示。来自数控装置的速度指令电压Ur,一般是010V的直流电压，与速度反馈电压U（由测速发电机或脉冲编码器检测并经变换而得）比较后，其偏差值送到速度调节器的输入端，速度调节器的输出就是电流指令信号Ir,I占电流反馈信号If比较后，经电流调节器输送到触发电路，产生主回路中晶闸管的触发脉冲，通过脉冲分配器去触发相应的晶闸管。当速度指令信号增大，Ur的电压值随之增大，使触发器的触发角a减小（即脉冲前移），整流放大器的输出直流电压提高，电机转速上升。反之，输出直流电压减低，电机转速下降。采用双环调节系统，可以使电

47、机的起动，制动过程最短，系统具有良好的静态和动态性能。2直流脉宽调制调速系统PWM这种调速系统的原理是将恒定的直流电压调制成极性可变大小可调的直流电压，用于实现对直流电机的电枢两端电压的调节，与晶闸管调速原理相比,它须先将三相交流电压整流成直流电压，再对直流电压进行脉宽调制。它具有以下优点：开关频率高，电流连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；系统频带宽，快速响应性好，动态抗干扰能力强；主电路元件工作在开关状态，到同损耗小；直流电源采用不控三相整流时电网功率因数高。晶体管脉宽调制的系统构成：a主回路：包括功率整流器，大功率晶体管开关放大器；功率整流器负责将输入交流电压整流成直流电压。大功率晶体管

48、，工作在开关状态，改变直流电压的占空比，改变输出的直流电压。b控制回路：包括速度调节器、电流调节器、固定频率振荡器及三角波发生器、脉宽调制器和基极驱动电路。速度调节和电流调节都是闭环系统，振荡器的作用是产生固定频率的脉冲,用于最终控制大功率三级管的开关频率，三角波发生器将振荡器产生的脉冲变成等频率的三角波，与电流调节器输出的电流指令比较，改变方波的占空比。3直流脉宽调制：功率放大器中的大功率晶体管工作在开关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度）的方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用则为波动很小的直流电压（

49、平均电压）脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化直流脉宽调调制的基本原理：图可逆H双极式PW酹关功率放大器，T1和T4同时导通和关断，其基极驱动电压Ub1=Ub4T2和T3同时导通和关断，基极驱动电压Ub2=Ub3=-Ub1。以正脉冲较宽为例，*1工负载较重时： 电动状态：当0tt1时，Ub1、Ub4为正，T1和T4导通；Ub2、Ub3为负，T2和T3截止。电机端电压UAB=U$电枢电流id=id1,由UAT1T4地。续流维持电动状态：在t1T/2,平均电压为正，电机正转；当正脉冲较窄时，既t1T/2,平均电压为负，电机反转;如果正、负脉冲宽度相等，t1=T/2,平均电压为零，电机停转。电机速

50、度的改变：电枢上的平均电压UAE大，转速越高。它是由驱动电压脉冲宽度决定的。 双极性：可逆H双极式PW肝关功率放大器，无论负载是重还是轻、电机是正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都在U+日-U*间变换一次，故称为双极性。4.3.3直流伺服系统的应用：以北京中宝伦自动化技术有限公司的PD倒服系统为例介绍直流伺服的应用：PDC系列直流伺服系统采用了智能型功率模块(IPM)及混合集成电路，其独特的电路设计可获得满意的动态及静态性能，与高性能直流伺服电机相配套，具有频带宽，响应速度快，调速范围宽，变流效率高，无噪音等特点。其主要技术指标如表：性能指标规格容量系列伺服单兀型号PDC06

51、PDC12PDC20PDC30PDC40适用电机功率KW0.20.40.81.11.42.53.5额定扭矩NM1.02.75.411.817.634.344.1最大扭矩NM6.0234794154309330额定转速rpm2000200020001500150010001000连续电流A6121220313045转动惯量kgmx10伺服变压器输入电源三相380V+10%,-15%50HZ+/-2HZ主电路智能功率模块控制方式PWM调制频率10KHZ性能频带宽度600rad/s调速范围1:10000速度指令电压7V/1000rpm检测元件编码器或测速机保护功能电机过载、电流过大、短路、欠压、电压

52、过高、反馈断线、放电等环境温度:0-55度相对湿度:95%以下(1) .PDC系列直流伺服系统的构成。PDC系列直流伺服系统主要由以下三部分构成：a.伺服变压器，b.伺服放大器，c.直流永磁伺服电机，如下图所示：伺服电机X轴原理如下：采用晶体管脉宽调制的直流控制系统，上半部分为强电部分，三相交流电源通过伺服变压器变压为：200VAC通过二极管桥式整流，在P涮产生300VDGDB1DB弛接外接制动电阻，三极管电路按照指令的要求对300V直流电压进行脉宽调制，产生可调节的直流电压。下部分为控制电路，包括速度环和电流环，速度反馈取自与电机同步的检测器，电力反馈取自与电机电枢串连的电阻(2) 、伺服系

53、统的连接及接口直流伺服系统从位置上处于数控系统和伺服电机之间，在其与数控之间完成数控指令控制指令的传递，速度及位置反馈的连接。在其与伺服电机之间完成电枢电压计速度反馈的连接。主要端子的信号是：R、S、T:来自伺服变压器副边的三相交流输入电源，供伺服单元主回路用，其电压及3U、V:容量根据伺服电机功率而定，详见下表。电机功率200W400W800W1.1KW1.5KW2.5KW3.5KWRST三相AC60V三相AC90V三相AC120V三相AC165V2220A、220B:来自伺服变压器的原边单相交流输入电源1力AC220V10%供伺服单元内部接触器线圈之用。伺服单元直流输出驱动电源，与电机相连

54、。请注意相序。18A、18比间应为AC3 18A、CT、18B:伺服单元内部控制电路用电源，由伺服变压器提供。36V,CT为18A、18B之间的公共抽头。连接器CN1言号说明(ML20LM)1 VCMD2 GND3 SG:速度指令信号，DC0土10V。控制回路接地信号。4ENBL1、ENBL2伺服单元使能信号，触点型，当此信号接通时，使PW输出电路工作屏蔽接地信号。SON1SON2伺服上电信号，触点型，若伺服无报警，当此信号接通时，伺服强电电路接通，伺服处于工作状态。VRDY1、VRDY2伺服准备好信号、触点型，当伺服无报警，处于正常工作状态时，贝U伺服单元输出此信号。A、A*、B、B*、Z、

55、Z*:伺服单元输出到外部的脉冲反馈信号，TTL电平。供CN(g上位机显示或计数之用。4 P15:输出到外部的+15羽制电源，最大50mA.5 N15:输出到外部的15羽制电源，最大50mA.(3) .连接CN2言号说明(MA20LF)1PCA、PCA*、PCBPCB*、PCZPCZ*:来自脉冲编码器的脉冲反馈信号，TTL电平。PCAPCA*090PCBPCB*PCZPCZ*1 MOH1、MOH2电机过热信号，触点型，常闭。当伺服电机由于长时间过载运行，其温度超过正常值时，此触点断开。2 +5V:输出到脉冲编码器的+5VDCT作电压。3 OV:检测元件与伺服单元控制回路的公共点。4.4交流伺服系

56、统的结构及工作原理4.4.1交流伺服电机与直流电机相比，交流电机具有免维护，低损耗，体积小的特点，在现代控制领域逐步取代直流伺服电机，开始广泛地应用在各个控制领域。以应用广泛的FANU伺服系统为例，FANUd80年代开始逐步引用交流伺服电机，目前主要是交流Alpha电机、Beita电机，经过更新，性能上得到提高，体积更小，特别是Alpha系列电机采用了磁性更强的材料，反馈使用高速高精度的串行位置编码器，可以适用于各种不同的丝杠，并且具有标准系列、小惯量系列、中惯量系列、经济型的A帝列和高压(380V)的HV(列。(1)交流伺服电机的结构目前，在控制领域中所采用的交流伺服电机称为永磁同步电机，（

57、无刷直流电机），主要有三部分组成：定子，转子和检测元件。其定子与普通的交流感应电机基本相同，其转子有多极的磁钢，定子冲片和轴组成，检测元件由安装在电机尾端的位置编码器构成，目前Alpha系列电机的编码器是串行脉冲编码器，由于电机的磁场必须和转子的磁极位置垂直，所以电机的位置反馈要能把电机的磁场位置反馈给伺服系统，用于产生交流伺服电机的磁场矢量控制交流伺服电机的工作原理与电磁式同步电机类似，只不过磁场不是由激磁绕组产生，而是由作为转子的永久磁铁产生，当定子三相绕组通上交流电源后，电机中就产生一个旋转的磁场，该磁场将以同步转速Ns旋转，根据电机原理定子的旋转磁场总是要和转子的旋转磁极相互吸引，并带

58、着转子一同旋转，使定子磁场的轴心线与转子磁场的轴心线保持一致，形成电机的同步转距。一旦有与负载的转距变化就会造成磁场的轴线和转子的轴线发生变化，但总是不超过一定的限度，所以电机的速度就会以Ns=60f/p由于电机的转子惯量、定子和转子之间的转速差等因素的影响，经常会造成电机起动时的失步，为了保证定子和转子之间保持同步，在FANU曲机的后面的编码器都增加了4位格林码绝对位置编码器用于确定转子位置。（见图3.4）电机结构图1电机轴2.前端盖3.三相绕组线圈4.压板5.定子6.磁钢7.后压板8.动力线接头9.后端盖10.反馈插头11.脉冲编码器12.电机后盖图3.44.4.2.交流伺服控制器原理（1

59、）位置环的控制原理位置环作为数控系统的主要控制之一，决定着系统进行位置控制性能的优劣。位置环作为伺服系统的外环以位置指令作为控制对象。在FANUC-0亲统中，位置环控制系统是在系统内部来完成的。为了提高系统的集成度和可靠性，FANU味用了大规模集成电路芯片，每一个控制轴一片。该芯片功能强大，包括了插补器、位置误差计数器、D/A转换器、参考讨数器、螺距误差补偿、反向间隙补偿、增益计算、脉冲编码器鉴相器、用于感应同步器的鉴相和正弦余弦发生器电路等。（见图3.5）系统的位置指令通过总线给LSI的插补器，插补器产生一系列的指令脉冲，该指令脉冲经过CMRI积后输出到位置误差寄存器中。而电机反馈的脉冲编码

60、器经过方向鉴别电路以后也处理成一系列脉冲，该脉冲经过检测倍乘比例系数以后，也输出到位置误差寄存器中。该位置误差寄存器为一双向计数器，该寄存器用于积分计算，当指令与反馈的差增大时，该寄存器的数值增大；当指令与反馈的差减小，该寄存器的数值减小。寄存器的差值与环增益的乘积即为速度环的速度指令。该指令经过D/A转换后，作为速度控制单元的速度指令模拟信号(VCMD。而实际上位置环的处理中包括了丝杠反向间隙和螺距误差补偿信号。在该位置LSI中也包括了用于栅格回零的参考计数器控制电路，该电路用于确定坐标的机械零点。在位置环控制中最关键的部分是误差寄存器，该寄存器的值会反映系统的指令和电机的运行情况，该值的大

61、小可以通过系统的诊断来观察。因为该寄存器的输出为速度环的指令，所以该值决定了电机的速度。除了位置控制的电路外，PRD佝服准备信号，VRD洞服准备完成信号和ENBLffl于系统监测和控制速度控制单元的状态，当系统电源打开后，系统在伺服的初始化过程中会发出PRDY信号，速度控制单元如工作正常则会发回一个VRDY一旦没有接收到VRDY则系统就会发生ALM40假警。(2)模拟交流速度控制单元交流速度控制单元包括了伺服控制的电流环和速度环的双环控制系统，它将位置环发出的VCM指令经过运算和放大后驱动三相变频桥组，从而产生与电机转子相对应的交流旋转磁场，该旋转磁场使电机的转子产生旋转转距，下图为速度控制单

62、元的基本结构。（见图3.6）在框图中，可以大致分为两部分，其中上半部分为速度单元，下半部分为速度控制单元的动力变频部分。在控制部分中最主要是由速度误差放大器、R/S相的电流指令发生电路、三相R/S/T电流环的调节电路。PWM宽调制电路、三极管的各相的隔离驱动电路以及编码器鉴相电路和三角波发生器电路组成。控制部分中，速度指令VCMD速度反馈信号TS储陆俞入到误差放大器当中，经过误差放大器的补偿后产生控制电机的电流（转矩）指令，由于交流伺服电机要根据转子的位置产生交流的旋转磁场，所以转子位置检测电路根据位置编码器来的信号（C1-C8）和PCAPCB产生R/T相的电流指令，该电流指令在和电机的动力线的R/T相电流的反馈信号相减后输出到电流环的调节器（电流指令），该部分即输出了三相的电流指令，该指令经过三角波调