数控机床的伺服系统课件.ppt

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1、第六章 数控机床的伺服系统 第一节 概述 一 、 伺服系统的组成 数控机床的伺服系统按其功能可分为：进 给伺服系统和主轴伺服系统 。 主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动 。 进给伺服系统是以机床移动部件 （ 如工作 台 ） 的位置和速度作为控制量的自动控制系统 ， 通常由伺服驱动装置 、 伺服电机 、 机械传动机 构及执行部件组成 。 返回课件首页 进给伺服系统的作用：接受数控装置发出 的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置 作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、 交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动 机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作 进给或快速运动。 数控机床的进给伺服系统能

2、根据指令信号 精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及 几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨 迹。如果把数控装置比作数控机床的“大脑”， 是发布“命令”的指挥机构，那么伺服系统就 是数控机床的“四肢”，是执行“命令”的机 构，它是一个不折不扣的跟随者。 数控机床闭环进给系统的一般结构如图 6-1所示， 这是一个双闭环系统，内环为速度环，外环为位置环。 速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速度 控制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机 转速的，是速度控制系统的核心。速度检测装置有测 速发电机、脉冲编码器等。位置环是由 CNC装置中的 位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制

3、 等部分组成。由速度检测装置提供速度反馈值的速度 环控制在进给驱动装置内完成，而装在电动机轴上或 机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈值构成的 位置环由数控装置来完成。伺服系统从外部来看，是 一个以位置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控 制系统。但从内部的实际工作来看，它是先把位置控 制指令转换成相应的速度信号后，通过调速系统驱动 伺服电机，才实现实际位移的。 位置控制模 块 速度控制单 元 伺服电 机 工作台 位置检测 测量反 馈 速度环 速度检测 位置环 图 6-1 闭环进给伺服系统结构 指令 伺服驱动装置 二 、 对伺服系统的基本要求 1. 位移精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现

4、输入量的 精确程度 。 伺服系统的位移精度是指指令脉冲 要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经 伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合 程度 。 两者误差愈小 ， 位移精度愈高 。 2. 稳定性好 稳定性是指系统在给定外界干扰作用下， 能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到 原来平衡状态的能力。要求伺服系统具有较强 的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳 定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。 3. 快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标 ， 它反映了系统跟踪精度 。 机床进给伺服系统实 际上就是一种高精度的位置随动系统 ， 为保证 轮廓切削形状精度和低的表面粗糙度 ， 要求伺

5、 服系统跟踪指令信号的响应要快 ， 跟随误差小 。 4. 调速范围宽 调速范围是指生产机械要求电机能提供的 最高转速和最低转速之比。在数控机床中，由 于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同， 为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件， 就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。 5. 低速大扭矩 要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功 率 。 机床加工的特点是 ， 在低速时进行重切削 。 因此 ， 伺服系统在低速时要求有大的转矩输出 。 三 、 伺服系统的分类 数控机床的伺服系统按其控制原理和有无位 置反馈装置分为开环和闭环伺服系统；按其用 途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统； 按其驱动执行元件的

6、动作原理分为电液伺服驱 动系统和电气伺服驱动系统 。 电气伺服驱动系 统又分为直流伺服驱动系统 、 交流伺服驱动系 统及直线电动机伺服系统 。 （ 一 ） 开环和闭环伺服系统 开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件 ， 它没有 位置反馈回路和速度反馈回路 ， 因此设备投资低 ， 调 试维修方便 ， 但精度差 ， 高速扭矩小 ， 被用于中 、 低 档数控机床及普通机床改造 。 如图 6-2为开环伺服系统 简图 ， 步进电机转过的角度与指令脉冲个数成正比 ， 其速度由进给脉冲的频率决定 。 齿轮箱 步进电机 指令脉冲 图 6-2开环伺服系统简图 工作台 驱动控制 线路 闭环伺服系统又可进一步分为闭环

7、和半闭环伺服系 统 。 闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作 台上 （ 图 6-1） ， 检测装置测出实际位移量或者实际所 处位置 ， 并将测量值反馈给 CNC装置 ， 与指令进行比 较 ， 求得差值 ， 依此构成闭环位置控制 。 闭环方式被 大量用在精度要求较高的大型数控机床上 。 半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在电动机 轴上 ， 用以精确控制电机的角度 ， 然后通过滚珠丝杠 等传动部件 ， 将角度转换成工作台的位移 ， 为间接测 量 (图 6-3)。 即坐标运动的传动链有一部分在位置闭环 以外 ， 其传动误差没有得到系统的补偿 ， 因而半闭环 伺服系统的精度低于闭环系统 。 目

8、前在精度要求适中 的中小型数控机床上 ， 使用半闭环系统较多 。 指令 + - 速度反馈 位置反馈 图 6-3 半闭环伺服系统简图 位置比 较 速度控 制 工作台 伺服电 机 （ 二 ） 进给驱动与主轴驱动 进给伺服系统包括速度控制环和位置控制环 ， 用于 数控机床工作台或刀架坐标的控制系统 ， 控制机床各 坐标轴的切削进给运动 ， 并提供切削过程所需转矩 。 主轴伺服系统只是一个速度控制系统 ， 控制机床主轴 的旋转运动 ， 为机床主轴提供驱动功率和所需的切削 力 ， 且保证任意转速的调节 。 （ 三 ） 直流伺服系统 、 交流伺服系统与直线电 动机伺服系统 直流伺服系统就是控制直流电机的系

9、统 。 目前使用 比较多的是永磁式直流伺服电机 。 永磁直流伺服电机 （ 也称为大惯量宽调速直流伺服电机 ） ， 调速范围宽 ， 输出转矩大 ， 过载能力强 ， 而且电机转动惯量较大 ， 应用较方便 但直流电机有电刷 ， 限制了转速的提高 ， 而且 结构复杂 ， 价格也高 。 进入 80年代后 ， 由于交 流电机调速技术的突破 ， 交流伺服驱动系统进 入电气传动调速控制的各个领域 。 交流伺服电 机 ， 转子惯量比直流电机小 ， 动态响应好 。 而 且容易维修 ， 制造简单 ， 适合于在较恶劣环境 中使用 ， 易于向大容量 、 高速度方向发展 ， 其 性能更加优异 ， 已达到或超过直流伺服系统

10、 ， 交流伺服电机已在数控机床中得到广泛应用 。 直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向 剖开，然后拉直演变而成，利用电磁作用原理， 将电能直接转换成直线运动动能的一种推力装 置，是一种较为理想的驱动装置。在机床进给 系统中，采用直线电动机直接驱动与旋转电动 机的最大区别是取消了从电动机到工作台之间 的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩 短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电 动机驱动方式无法达到的性能指标和优点。由 于直线电动机在机床中的应用目前还处于初级 阶段，还有待进一步研究和改进。随着各相关 配套技术的发展和直线电动机制造工艺的完善， 相信用直线电动机作进给驱动的机床会得到广 泛应

11、用。 第一 节 步进电机及其驱动装置 一 、 步进电机工作原理 步进电机伺服系统是典型的开环控制系统， 在此系统中，步进电机受驱动线路控制，将进 给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速 度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工 作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度， 脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步 进电机的各相通电顺序来决定，并且保持电机 各相通电状态就能使电机自锁。但由于该系统 没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来 决定，速度也受到步进电机性能的限制。 步进电机在结构上分为定子和转子两部分 ， 现以图 6-4所示的反应式三相步进电机为例加以 说明 。 定子上有六个磁极 ，

12、每个磁极上绕有励 磁绕组 ， 每相对的两个磁极组成一相 ， 分成 A、 B、 C三相 。 转子无绕组 ， 它是由带齿的铁心做 成的 。 步进电机是按电磁吸引的原理进行工作 的 。 当定子绕组按顺序轮流通电时 ， A、 B、 C 三对磁极就依次产生磁场 ， 并每次对转子的某 一对齿产生电磁引力 ， 将其吸引过来 ， 而使转 子一步步转动 。 每当转子某一对齿的中心线与 定子磁极中心线对齐时 ， 磁阻最小 ， 转矩为零 。 如果控制线路不停地按一定方向切换定子绕组 各相电流 ， 转子便按一定方向不停地转动 。 步 进电机每次转过的角度称为步距角 。 图 6-4 三相反应式步进电机结构 为进一步了解

13、步进电机的工作原理 ， 以图 6-5为例来 说明其转动的整个过程 ， 假设转子上有四个齿 ， 相邻 两齿间夹角 （ 齿距角 ） 为 900。 当 A相通电时 ， 转子 1、 3齿被磁极 A产生的电磁引力吸引过去 ， 使 1、 3齿与 A 相磁极对齐 。 接着 B相通电 ， A相断电 ， 磁极 B又把距 它最近的一对齿 2、 4吸引过来 ， 使转子按逆时针方向 转动 30o。 然后 C相通电 ， B相断电 ， 转子又逆时针旋转 30o， 依次类推 ， 定子按 ABCA 顺序通电 ， 转子 就一步步地按逆时针方向转动 ， 每步转 30o。 若改变通 电顺序 ， 按 ACBA 使定子绕组通电 ， 步

14、进电机 就按顺时针方向转动 ， 同样每步转 30o。 这种控制方式 叫三相单三拍方式 ， “ 单 ” 是指每次只有一相绕组通 电 ， “ 三拍 ” 是指每三次换接为一个循环 。 由于每次 只有一相绕组通电 ， 在切换瞬间将失去自锁转矩 ， 容 易失步 ， 另外 ， 只有一相绕组通电 ， 易在平衡位置附 近产生振荡 ， 稳定性不佳 ， 故实际应用中不采用单三 拍工作方式 。 采用三相双三拍控制方式 ， 即通电顺序按 ABBCCAAB （ 逆 时 针 方 向 ） 或 ACCBBAAC （ 顺时针方向 ） 进行 ， 其步距角仍 为 300。 由于双三拍控制每次有二相绕组通电 ， 而且切 换时总保持一

15、相绕组通电 ， 所以工作比较稳定 。 如果 按 AABBBCCCAA 顺序通电 ， 即首先 A相 通电 ， 然后 A相不断电 ， B相再通电 ， 即 A、 B两相同 时通电 ， 接着 A相断电而 B相保持通电状态 ， 然后再使 B、 C两相通电 ， 依次类推 ， 每切换一次 ， 步进电机逆 时针转过 15 。 如 通 电 顺 序 改 为 AACCCBBBAA ， 则步进电机以步距角 15 顺时针旋转 。 这种控制方式为三相六拍 ， 它比三 相三拍控制方式步距角小一半 ， 因而精度更高 ， 且转 换过程中始终保证有一个绕组通电 ， 工作稳定 ， 因此 这种方式被大量采用 。 实际应用的步进电机如

16、图 6-4所示 ， 转子铁心和定子 磁极上均有齿距相等的小齿 ， 且齿数要有一定比例的 配合 。 图 6-5 步进电机工作原理 二 、 步进电机的主要性能指标 1. 步距角和步距误差 步距角和步进电机的相数 、 通电方式及电机转子齿 数的关系如下： (6-1) 式中 步进电机的步距角； m 电机相数； Z 转子齿数； K 系数 ， 相邻两次通电相数相同 ， K 1； 相邻两次通电相数不同 ， K 2。 同一相数的步进电机可有两种步距角 ， 通常为 1.2/0.6、 1.5/0.75、 1.8/0.9、 3/1.5度等 。 步距误差是指 步进电机运行时 ， 转子每一步实际转过的角度与理论 步距角

17、之差值 。 连续走若干步时 ， 上述步距误差的累 积值称为步距的累积误差 。 由于步进电机转过一转后 ， 将重复上一转的稳定位置 ， 即步进电机的步距累积误 差将以一转为周期重复出现 。 KmZ 360 2. 静态转矩与矩角特性 当步进电机上某相定子绕组通电之后 ， 转子 齿将力求与定子齿对齐 ， 使磁路中的磁阻最小 ， 转子处在平衡位置不动 （ 0） 。 如果在电机 轴上外加一个负载转矩 Mz， 转子会偏离平衡位 置向负载转矩方向转过一个角度 ， 角度 称为 失调角 。 有失调角之后 ， 步进电机就产生一个 静态转矩 （ 也称为电磁转矩 ） ， 这时静态转矩 等于负载转矩 。 静态转矩与失调

18、角 的关系叫 矩角特性 ， 如图 6-6所示 ， 近似为正弦曲线 。 该 矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩 。 在静态稳定区内 ， 当外加负载转矩除去时 ， 转 子在电磁转矩作用下 ， 仍能回到稳定平衡点位 置 （ 0） 。 图 6-6 静态矩角特性 3. 最大启动转矩 图 6-7为三相单三拍矩角特性曲线 ， 图中的 A、 B分别是相邻 A相和 B相的静态矩角特性曲线 ， 它们的交点所对应的转矩是步进电机的最大启 动转矩 。 如果外加负载转矩大于 ， 电机就不能 启动 。 如图 6-7所示 ,当 A相通电时 ， 若外加负载 转矩 ， 对应的失调角为 ， 当励磁电流由 A相切 换到 B相

19、时 ， 对应角 ， B相的静转矩为 。 从图中 看出 ,电机不能带动负载做步进运动 ， 因而启动 转矩是电机能带动负载转动的极限转矩 。 a b A B C 图 6-7 步进电机的启动转矩 4. 启动频率 空载时 ， 步进电机由静止状态突然起动 ， 并 进入不失步的正常运行的最高频率 ， 称为启动 频率或突跳频率 ， 加给步进电机的指令脉冲频 率如大于启动频率 ， 就不能正常工作 。 步进电 机在带负载 （ 尤其是惯性负载 ） 下的启动频率 比空载要低 。 而且 ， 随着负载加大 （ 在允许范 围内 ） ， 启动频率会进一步降低 。 5. 连续运行频率 步进电机起动后 ， 其运行速度能根据指令

20、脉 冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率 ， 称 为连续运行频率 。 其值远大于启动频率 ， 它也 随着电机所带负载的性质和大小而异 ， 与驱动 电源也有很大关系 。 6. 矩频特性与动态转矩 矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输 出转矩与连续运行频率之间的关系 （ 见图 6-8） ， 该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩 。 当步进电机正常运行时 ， 若输入脉冲频率逐渐 增加 ， 则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降 。 在使用时 ， 一定要考虑动态转矩随连续运行频 率的上升而下降的特点 。 M f 图 6-8 矩频特性 三 步进电机功率驱动 步进电机驱动线路完成由弱电到强电的转换 和放

21、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脉冲信号。驱动 控制电路由环形分配器和功率放大器组成。环 形分配器是用于控制步进电机的通电方式的， 其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按 照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上， 控制各相绕组的通电、断电。环形分配器功能 可由硬件或软件产生，硬件环形分配器是根据 步进电机的相数和控制方式设计的，数控机床 上常用三相、四相、五相及六相步进电机。现 介绍三相六拍步进电机环形分配器的工作原理。 硬件环形分配器是根据真值表或逻辑关系式采用逻 辑门电路和触发器来实现 ， 如图 6-9所示 ， 该线路由与 非门和 J K触发器组成 。 指

22、令脉冲加到三个触发器的 时钟输入端 CP， 旋转方向由正 、 反控制端的状态决定 。 为三个触发器的 端输出 ， 连到 A、 B、 C三相功率放 大器 。 若 “ 1”表示通电 ， “ 0”表示断电 ， 对于三相六 拍步进电机正向旋转 ， 正向控制端状态置 “ 1”， 反向 控制端状态置 “ 0”。 初始时 ， 在预置端加上预置脉冲 ， 将三个触发器置为 100状态 。 当在 CP端送入一个脉冲 时 ， 环形分配器就由 100状态变为 110状态 ， 随着指令 脉冲的不断到来 ， 各相通电状态不断变化 ， 按照 100 110 010 011 001 101 即 AABBBCCCA 次序通电

23、。 步进电机反转时 ， 由反向控制信号 “ 1”状态控制 （ 正向控制为 “ 0”） ， 通电次序为 ACACCBBBAA 。 CBA QQQ 、 Q S A相 B相 R C相 R 正 反 置零 CP指令脉冲 图 6-9 三相六拍环形分配器 JA KA JB KB JC KC 软件环形分配器实现较为简单 、 方便 。 计算 机控制的步进电机驱动系统中 ， 使用软件实现 脉冲分配 ， 常用的是查表法 。 例如对于三相六 拍环形分配器 ， 每当接收到一个进给脉冲指令 ， 环形分配器软件根据表 6-1所示真值表 ， 按顺序 及方向控制输出接口将 A、 B、 C的值输出即可 。 如果上一个进给脉冲到来

24、时 ， 控制输出接口输 出的 A、 B、 C的值是 100， 则对于下一个正向 进给脉冲指令 ， 控制输出接口输出的值是 110， 再下一个正向进给脉冲 ， 应是 010， 而使步进 电机正向地旋转起来 。 表 6-1三相六拍环形分配器真值表 序号 A B C 方向 1 1 0 0 2 1 1 0 3 0 1 0 4 0 1 1 5 0 0 1 6 1 0 1 反转 正转 功率放大器的作用是将环形分配器发出的电平信号放 大至几安培到几十安培的电流送至步进电机各绕组 ， 每一相绕组分别有一组功率放大电路 。 以下介绍三种 典型的驱动电路：单电压简单驱动 、 高低压驱动和恒 流斩波驱动 。 图 6

25、-10为单电压功放电路 ， L为步进电机 励磁绕组的电感 ， Ra为绕组电阻 ， Rc为外接电阻 ， 电 阻 Rc并联一电容 C， 可以提高负载瞬间电流的上升率 ， 从而提高电动机快速响应能力和启动性能 。 环形分配 器输出为高电平时 ， T饱和导通 ， 绕组电流按指数曲线 上升 ， 电路时间常数 =L/(Ra+Rc)， 它表示功放电路在 导通时允许步进电机绕组电流上升的速率 。 串联电阻 Rc可以使电流上升时间减小 ， 改善带负载能力 。 但电 阻消耗了一部分功率 ， 降低了效率 。 当环形分配器输 出为低电平时 ， T截止 ， 绕组断电 ， 因步进电机的绕组 是电感性负载 ， 当 T管从饱

26、和到突然截止的瞬间 ， 将产 生一较大反电势 ， 此反电势与电源电压叠加在一起加 在 T管的集电极上 ， 可能会使 T管击穿 。 因此 ， 续流二极管 D和电阻 Rd接在 T管集电极和电源 之间 ， 组成放电回路 ， 使 T管截止瞬间电机产生的反电 势通过二极管 D续流作用而衰减掉 ， 从而保护晶体管不 受损坏 。 图 6-11为电流波形 ， 可见电流波形前沿不陡 ， 绕组电流缓慢增加 ， 而使电机带负载能力下降 。 单电 压驱动电路的优点是线路简单 ， 缺点是电流上升不够 快 ， 高频时带负载能力低 。 U Ra L D C Rc Rd 输入 图 6-10 单电压驱动电路原理图 前置放大 图

27、 6-11 三种电路电流波形 图 6-12所示为高低压电路 ， 这种电路特点是高压充电 ， 低压维持 。 当环形分配器输出高电平时 ， 两只功率放 大管 T1， T2同时导通 ， 电机绕组以 80V高压供电 ， 绕 组电流快速上升 ， 前沿很陡 ， 当接近额定电流时 ， 单 稳延时时间到 ， T1管截止 ， 改由低压 12V供电 ， 维持 绕组额定电流 。 若高低压之比为 U1/U2， 则电流上升也 提高 U1/U2倍 ， 上升时间明显减小 。 当低压断开时 ， 电 感中储能通过构成的放电回路放电 ， 因此也加快了放 电过程 。 这种供电线路由于加快了绕组电流的上升和 下降过程 ， 有利于提高

28、步进电机的启动频率和最高连 续工作频率 。 由于额定电流是由低压维持的 ， 只需较 小的限流电阻 ， 功耗小 。 该电路能在较宽的频率范围 内有较大的平均电流 ， 能产生较大且较稳定的电磁转 矩 ， 缺点是高低压电路波形连接处有凹形 U1 80V V1 U2 12V t1 VD2 R2 VD1 L R1 t2 V2 图 6-12 高低压驱动电路原理图 单稳 延时 前置放大 前置放大 恒流斩波驱动电路的原理图见图 6-15， 其工 作原理是：环形分配器输出的正脉冲将 T1， T2 导通 ， 由于 U1电压较高 ， 绕组回路又没串电阻 ， 所以绕组电流迅速上升 ， 当绕组电流上升到额 定值以上的某

29、一数值时 ， 由于采样电阻 Re的反 馈作用 ， 经整形 、 放大后送自 T1的基极 ， 使 T1 管截止 。 接着绕组由 U2低压供电 ， 绕组中的电 流立即下降 ， 但刚降到额定值以下时 ， 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 T1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 （ 见图 6-14） ， 近似恒流 。 U1 V1 VD1 VD2 U2 R L Ra V2 输入 Re 图 6-13 恒流斩波驱动电路原理图 高压前置放大 低压前置放大 控制门 整形 四 、 开环控制步进式伺服

30、系统的工作原理 1. 工作台位移量的控制 数控装置发出 N个脉冲 ， 经驱动线路放大后 ， 使步 进电机定子绕组通电状态变化 N次 ， 如果一个脉冲使步 进电机转过的角度为 ， 则步进电机转过的角位移量 N， 再经减速齿轮 、 丝杠 、 螺母之后转变为工作台 的位移量 L， 即进给脉冲数决定了工作台的直线位移量 L。 2. 工作台进给速度的控制 数控装置发出的进给脉冲频率为 f， 经驱动控制线路 ， 表现为控制步进电机定子绕组的通电 、 断电状态的电 平信号变化频率 ， 定子绕组通电状态变化频率决定步 进电机的转速 ， 该转速经过减速齿轮及丝杠 、 螺母之 后 ， 体现为工作台的进给速度 V，

31、 即进给脉冲的频率决 定了工作台的进给速度 。 3. 工作台运动方向的控制 改变步进电机输入脉冲信号的循环顺 序方向 ， 就可改变定子绕组中电流的通 断循环顺序 ， 从而使步进电机实现正转 和反转 ， 相应的工作台进给方向就被改 变 。 第四节 交流伺服系统 一 、 数控机床用交流电机 在交流伺服系统中 ， 按电机种类可分为同步型和异 步型 （ 感应电机 ） 两种 。 数控机床进给伺服系统中多 采用永磁式同步电机 ， 同步电机的转速是由供电频率 所决定的 ， 即在电源电压和频率固定不变时 ， 它的转 速是稳定不变的 。 由变频电源供电给同步电机时 ， 能 方便地获得与频率成正比的可变速度 ，

32、可以得到非常 硬的机械特性及宽的调速范围 。 交流主轴电机多采用交流异步电机 ， 很少采用永磁 同步电机 ， 主要因为永磁同步电机的容量做得不够大 ， 且电机成本较高 。 另外主轴驱动系统不象进给系统那 样要求很高的性能 ， 调速范围也不要太大 。 因此 ， 采 用异步电机完全可以满足数控机床主轴的要求 ， 笼型 异步电机多用在主轴驱动系统中 。 二 、 交流电机的速度控制 (一 )交流电机的调速 据电机学知 ， 交流异步电机的转速表达式为： （ r/min） (6-7) 式中 f1 定子电源频率 （ Hz） ； p 磁极对数； s 转差率 。 由式 (6-7)可知异步电机的调速方法 ， 可以

33、有变转差 率 、 变极对数及变频三种 。 靠改变转差率对异步电机 进行调速时 ， 低速时转差率大 ， 转差损耗功率也大 ， 效率低 。 变极调速只能产生二种或三种转速 ， 不可能 做成无级调速 ， 应用范围较窄 。 变频调速是从高速到 低速都可以保持有限的转差率 ， 故它具有高效率 、 宽 范围和高精度的调速性能 ， 可以认为是一种理想的调 速方法 。 sp fn 160 1 由上述分析可知改变频率 f1， 可平滑调节同步转速 。 但在实际调速时 ， 只改变频率是不够的 ， 现在来看一 下变频时电动机的机械特性的变化情况 ， 由电机学知： (6-8) 式中 E1 感应电势； Kr1 基波绕组系

34、数； N1 定子每相绕组串联匝数； m 每极气隙磁通量 。 当略去定子阻抗压降时 ， 定子相电压 U1为 (6-9) 式中 KE 电势系数 ， KE 4.44Kr1 N1。 mr NfKE 1111 44.4 mE fKEU 111 由式 (6-9)可见 ， 定子电压不变时 ， 随 f1的上升 ， 气隙 磁通 m将减小 。 又从转矩公式 (6-10) 式中 CT 转矩常数； I2 折算到定子上的转子电流； cos 转子电路功率因数 。 可以看出 ， m减小导致电机允许输出转矩 T下降 ， 则 电机利用率下降 ， 电机的最大转矩也将降低 ， 严重时 可能发生负载转矩超过最大转矩 ， 电机就带不动

35、了 ， 即所谓堵转现象 。 又当电压 U1不变 ， 减小 f1时 ， m上升 会造成磁路饱合 ， 激磁电流会上升 ， 铁心过热 ， 功率 因数下降 ， 电机带负载能力降低 。 故在调频调速中 ， 要求在变频的同时改变定子电压 U1， 以维持 m接近不 变 ， 由 U1， f1不同的相互关系 ,而得出不同的变频调速 方式 、 不同的调速机械特性 。 22 c o s ICT mT 2 1. 恒转矩调速 由转子电流与主磁通作用而产生的电磁转矩公式 (6-10)可知 ， T与 m、 I2成正比 。 要保持 T不变 ， 即要求 U1/f1为常数 ， 可以近似地维持 m恒定 。 此时的机械特性 曲线族如

36、图 6-24所示 。 由图可见 ， 保持 U1/f1为常数进 行变频调速时 ， 这些特性曲线的线性段基本平行 ， 类 似直流电机的调压特性 。 但最大转矩 Tm随着 f1下降而减 小 。 这是因为 f1高时 ， E1数值较大 ， 此时定子漏阻抗压 降在 U1中所占比例较小 ， 可以认为 U1近似于定子绕组 中感应电势 E1。 而当 f1相对很较低时 ， E1数值变小 ， U1 值也变小 ， 此时定子漏阻抗压降在 U1中所占比例增大 ， E1与 U1相差很大 ， 所以 m减小 ， 从而使 Tm下降 。 2. 恒最大转矩 （ Tm） 调速 为了在低速时保持最大转矩 Tm不变 ， 就必须采取 E1/

37、f1=常数的协调控制 ， 显然 ， 这是一种理想的保持磁 通恒定的控制方法 。 恒 Tm调速的机械特性见图 6-25所 示 ， 对应于同一转矩 ， 转速降基本不变 ， 即直线部分 斜率不变 ， 机械特性平行地移动 。 3. 恒功率调速 为了扩大调速范围 ， 可以在额定频率以上进行调 速 。 因电机绕组是按额定电压等级设计的 ， 超过额定 电压运行将受到绕组绝缘强度的限制 ， 因此定子电压 不可能与频率成正比地提高 。 若频率上升 ， 额定电压 不变 ， 那么气隙磁通 m将随着 f1的升高而降低 。 这时 ， 相当于额定电流时的转矩也减小 ， 特性变软 。 如图 6- 26所示 ， 随着频率增加

38、 ， 转矩减少 ， 而转速增加 ， 可 得近似恒功率的调速特性 。 图 6-24 恒转矩调速特性曲线 图 6-25 恒 Tm调速特性曲线 图 6-26 恒功率调速特性曲线 （ 二）交流感应电机矢量控制原理 矢量控制理论最先是在 1971年由德国学者 F.Blachke提 出的。在伺服系统中，直流伺服电机能获得优良的动 态与静态性能，其根本原因是被控制量只有电机磁场 和电枢电流 Ia， 且这两个量是独立的。此外，电磁转矩 （ ）与磁通 和电枢电流 Ia分别成正比关系。 因此，控制简单，性能为线性。如果能够模拟直流电 机，求出交流电机与之对应的磁场与电枢电流，分别 而独立地加以控制，就会使交流电机

39、具有与直流电机 近似的优良特性。为此，必须将三相交变量（矢量） 转换为与之等效的直流量（标量），建立起交流电机 的等效模型，然后按直流电机的控制方法对其进行控 制。 aTM IKT 图 6-27a所示三相异步交流电机在空间上产 生一个角速度为 0的旋转磁场 。如果用图 6- 27b中的两套空间相差 900的绕组 和 来代替， 并通以两相在时间上相差 900的交流电流，使其 也产生角速度为 0的旋转磁场 ，则可以认为 图 6-27a和图 6-27b中的两套绕组是等效的。若 给图 6-27c所示模型上两个互相垂直绕组 d和 q， 分别通以直流电流 和 ，则将产生位置固 定的磁场 ，如果再使绕组以角

40、速度 0旋转， 则所建立的磁场也是旋转磁场，其幅值和转速 也与图 6-27a一样。 di qi 1. 三相 A、 B、 C系统变换到两相 、 系统 图 6-27 交流电机三相 /二相直流电机变换 这种变换是将三相交流电机变为等效的二相交流电机。 图 6-27a所示的三相异步电机的定子三相绕组，彼此相 差 1200空间角度，当通以三相平衡交流电流 时，在定子上产生以同步角速度旋转的磁场矢量 。三相 绕组的作用，完全可以用在空间上互相垂直的两个静 止的 、 绕组代替，并通以两相在时间上相差 900的交 流平衡电流 和 ，使其产生的旋转磁场的幅值和角速 度也分别 和 0，则可以认为图 6-27a、

41、b中的两套绕组 是等效的。 应用三相 /二相的数学变换公式，将其化为二相交流 绕组的等效交流磁场。则产生的空间旋转磁场与三相 A、 B、 C绕组产生的旋转磁场一致。令三相绕组中的 A相 绕组的轴线与 坐标轴重合，其磁势为（见图 6-28a）。 i CBA iii 、 ii (6-11) 按照磁势与电流成正比关系 ， 可求得对应的电流值 和 (6-12) 除磁势的变换外 ， 变换中用到的其它物理量 ， 只要是三 相平衡量与二相平衡量 ， 则转换方式相同 。 这样就将三 相电机转换为二相电机 ， 如图 6-27b。 CBCB CBACBA FFFFF FFFFFFF 2 3 2 360s i n6

42、0s i n 2 1 2 160c o s60c o s CB CBA iii iiii 2 3 2 3 2 1 2 1 i i FB F i 600 FA i1 iq 600 F id i FC a） b) 图 6-28 三相磁动势的变换 2. 矢量旋转变换 将三相电机转化为二相电机后 ， 还需将二相交流电机 变换为等效的直流电机 ， 见图 6-27c。 若设图 6-27c中 d 为激磁绕组 ， 通以激磁电流 ， q为电枢绕组 ， 通以电 枢电流 ， 则产生固定幅度的磁场 ， 在定子上以角速 度 旋转 。 这样就可看成是直流电机了 。 将二相交流电 机转化为直流电机的变换 ， 实质就是矢量向

43、标量的转 换 ， 是静止的直角坐标系向旋转的直角坐标系之间的 转换 。 这里 ， 就是把 、 转化为 、 ， 转化条件是保 证合成磁场不变 。 在图 6-28b中 ， 和 的合成矢量是 ， 将其在 方向及垂直方向投影 ， 即可求得 与 。 与 在空间以角速度 旋转 。 转换公式为 (6-13) c oss in s inc os iii iii q d i i qi di qidi i i di qi 1i di qi 3. 直角坐标与极坐标的变换 矢量控制中 ， 还要用到直角坐标系与极坐标系的变 换 。 如图 6-28b中 ， 由 和 求 ， 其公式为 (6-14) 采用矢量变换的感应电机具

44、有和直流电机一样的控制 特点 ， 而且结构简单 、 可靠 ， 电机容量不受限制 ， 与 同等直流电机相比机械惯量小 ， 其前景非常可观 。 d q qd i i tg iii 22 1 di qi 1i （ 三 ） 交流电机的变频调速 交流电机调速种类很多 ， 应用最多的是变频调速 。 变频调速的主要环节是能为交流电机提供变频电源的 变频器 。 变频器的功用是 ， 将频率固定 （ 电网频率为 50Hz） 的交流电 ， 变换成频率连续可调 （ 0 400Hz） 的交流电 。 变频器可分为交 -直 -交变频器和交 -交变频 器两大类 。 交 -直 -交变频器是先将频率固定的交流电整 流成直流电 ，

45、 再把直流电逆变成频率可变的交流电 。 交 -交变频器不经过中间环节 ， 把频率固定的交流电直 接变换成频率连续可调的交流电 。 因只需一次电能转 换 ， 效率高 ， 工作可靠 ， 但是频率的变化范围有限 。 交 -直 -交变频器 ， 虽需两次电能的变换 ， 但频率变化范 围不受限制 ， 目前应用得比较广泛 ， 本书以这种变频 器为例做介绍 。 图 6-29是脉宽调制 （ Pulse Width Modulation简称 PWM） 变频器的主电路 。 它由担任交 -直变换的二极管 整流器和担任直 -交变换 、 同时完成调频和调压任务的 脉冲宽度调制逆变器组成 。 图中续流二极管 D1D6， 为

46、 负载的滞后电流提供一条反馈到电源的通路 ， 逆变管 （ 全控式功率开关器件 ） T1T6组成逆变桥 ， A、 B、 C 为逆变桥的输出端 。 电容器 Cd的功能是：滤平全波整 流后的电压波纹；当负载变化时 ， 使直流电压保持平 稳 。 交流电机变频调速系统中的关键部件之一就是逆 变器 ， 由于调速的要求 ， 逆变器必须具有频率连续可 调 、 以及输出电压连续可调 ， 并与频率保持一定比例 关系等功能 。 图 6-29 PWM变频器的主电路原理图 图 6-30 各逆变管的通断安排 图 6-31 三相逆变桥的输出电压 下面讨论逆变管 T1T6以怎样的顺序动作 （ 导通和关断 ） 才能将直流电变为

47、三相交流电 ？ 如图 6-30所示 ， 在 t1、 t2时间内 ， T1、 T6同 时导通 ， A为正 ， B为负 ， uAB为正 。 在 t4、 t5时 间内 ， T3、 T4同时导通 ， A为负 ， B为正 ， uAB 为负 。 在 t3、 t4时间内 ， T3、 T2同时导通 ， B为正 ， C为负 ， uBC为正 。 在 t6、 t1时间内 ， T5、 T6同时 导通 ， B为负 ， C为正 ， uBC为负 。 在 t5、 t6时间内 ， T5、 T4同时导通 ， C为正 ， A为负 ， uCA为正 。 在 t2、 t3时间内 ， T1、 T2同时 导通 ， C为负 ， A为正 ， u

48、CA为负 。 6-30所示为逆变管的工作情况 ， 图中阴影部分为各 逆变管的导通时间 ， 其余为关断状态 。 逆变桥输出的 线电压波形如图 6-31所示 ， 由图可见 ， 各相之间的相 位互差 1200， 它们的幅值都与直流电压 Ud相等 。 只要按照一定的规律来控制逆变管的导通与截止 ， 就可以把直流电逆变成三相交流电 。 改变逆变管导通 和关断时间 ， 即可得到不同的输出频率 。 利用脉冲宽度调制逆变器可实现变频也变压 。 如图 6-32所示 ， 因电压的平均值和占空比成正比 ， 所以在 调节频率时 ， 改变输出电压脉冲的占空比 ， 就能同时 实现变频和变压 。 与图 6-32a相比 ，

49、图 6-32b所示电压周 期增大 （ 频率降低 ） ， 而占空比减小 ， 故平均电压降 低 。 图 6-32 脉宽调制的输出电压 采用 PWM方法控制逆变管的通 、 断时 ， 可获得一 组幅值相等 、 宽度相同的矩形脉冲 ， 改变矩形脉冲的 宽度可控制其输出电压 ， 改变调制周期可控制其输出 频率 ， 同时实现变压和变频 。 因输出电压波形为矩形 波 ， 具有许多高次谐波成分 。 对电机来说 ， 有用的是 电压的基波 。 为了减少谐波影响 ， 提高电机的运行性 能 ， 应采用对称的三相正弦波电源为三相交流电机供 电 。 正弦波脉宽调制型逆变器 （ SPWM） 的输出端可 获一组等幅而不等宽的矩

50、形脉冲波形 ， 来近似等效于 正弦电压波 。 SPWM脉宽调制波形 ， 当正弦值为最大值时 ， 脉冲 的宽度也最大 ， 而脉冲的间隔则最小 。 反之 ， 当正弦 值较小时 ， 脉冲的宽度也小 ， 而脉冲的间隔则较大 ， 这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成 分大大减少 。 下面介绍用正弦波 （ 调制波 ） 控制 ， 三角波 （ 载波 ） 调制的采用模拟电路元件实现 SPWM（ 正弦波脉宽调 制 ） 控制的变频器的工作原理 。 如图 6-33所示 ， 首先由模拟元件构成的三角波和正 弦波发生器分别产生三角波信号 VT和正弦波信号 VS， 然后送入电压比较器 A， 产生 SPWM调制的矩

51、形脉冲 。 图 6-34a所示的数字位置为这二种波形交点 ， 决定了逆 变器某相元件的通断时间 （ 在此为 A相 ） ， 即 T1和 T4的 通断 ， 决定了 SPWM脉冲系列的宽度和脉冲间的间隔 宽度 。 当正弦波高于三角波时 ， 开关器件 T1导通 、 T4 关断 ， 使负载上得到的相电压为 uA= Ud/2；当正弦波 低于三角波时 ， 开关器件 T1关断 、 T4导通 ， 负载上的 相电压为 uA= Ud/2；调制波和载波的交点决定了逆变 桥输出相电压的脉冲系列 ， 调制出脉宽波形如图 6-34b。 由相电压合成为线电压时 ， 如 uAB=uA-uB， 可得逆变器 输出线电压脉冲系列 ，

52、 其脉冲幅值为 Ud和 Ud。 图 6-33 电路原理图 V VS VT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 14 t 10 11 12 13 u a) + Ud/2 t -Ud/2 b) 图 6-34 脉宽调制波的形成 改变调制波的频率时 ， 输出电压基波的频率也 随之改变；增加调制波的幅值时 ， 各段脉冲的 宽度都将变宽 ， 从而使输出电压基波的幅值也 相应变大 。 如果用这样的矩形脉冲作为逆变管的控制 信号 ， 则在逆变器输出端可以获得一组类似的 矩形脉冲 ， 其幅值就是直流侧的整流电压 Ud， 其宽度是按正弦规律变化的 。 采用模拟电路调制的优点是完成 VT与 VS信 号的比较和确定脉

53、冲宽度所用的时间短 ， 几乎 是瞬间完成的 。 然而 ， 这种方法的缺点是所需 要硬件较多 ， 而且不够灵活 ， 改变参数和调试 比较麻烦 。 采用数字电路的 SPWM逆变器 ， 可采用以软件为基础的 控制模式 。 优点是所需硬件少 ， 灵活性好和智能性强 。 缺点是需要通过计算确定 SPWM的脉冲宽度 ， 有一定的 延时和响应时间 。 然而 ， 随着高速度 、 高精度多功能微 处理器 、 微控制器和 SPWM专用芯片的发展 ， 采用微机 控制的数字化 SPWM技术已占当今 PWM逆变器的主导地 位 。 微机控制的 SPWM控制模式有多种 ， 以规则取样法 为例来介绍 。 微机是采用计算的办法

54、寻找三角波 VT与参 考正弦波 VS的交点从而确定 SPWM脉冲宽度的 。 VT和 VS 的交点 A1、 B1能准确求得 ， 从而确定脉冲宽度 t2， 但计算 工作量较大 。 为简化计算 ， 可采用近似的求 VT和 VS交点 的方法 。 通过两个三角波峰之间中线与 VS的交点 m作水平 线与两个三角波分别交于 A和 B点 ， 由交点 A和 B确定的 SPWM脉宽为 t2， 显然 ， t2与 t2数值相近 。 m ST STT t TU UTTt 2s i n 222 m ST STT T tTU UTTtTtt 2s i n 222 1)( 2 1 231 规则取样法就是用 VT和 VS近似交点 A和 B代替实际的交点 A1和 B1， 用以确定 SPWM脉冲信号的 。 这种方法虽然有一 定的误差 ， 但却大大减少了计算工作量 。 由图 6-35可很容 易地导出规则取样法的计算公式 。 设三角波和正弦波的周 期分别为 TT和 TS， 幅值分别为 UT和 US。 t1为在 TT时间内 ， 在脉冲发生以前 （ 即 A点以前 ） 的间歇时间 ， t2为 AB之间 的脉宽时间 ， t3为在 TT以内 B点以后的间隙时间 。 显然 TT=t1+t2+t3， t1、 t3及 t2可由下式计算 图 6-35 规则取样 SPWM调制模式 返回课件首页 返回本章首页