数控机床的伺服驱动系统

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1、4.3 数控机床的伺服驱动系统 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 ， 而 在 数 控 机 床 中 ， 伺 服 系 统 主 要 指 各 坐标 轴 进 给 驱 动 的 位 置 控 制 系 统 ， 它 由 执 行 组 件 （ 如 步 进电 机 、 交 直 流 电 动 机 等 ） 和 相 应 的 控 制 电 路 组 成 ， 包 括主 驱 动 和 进 给 驱 动 。 伺 服 系 统 接 收 来 自 CNC装 置 的 进给 脉 冲 ， 经 变 换 和 放 大 ， 再 驱 动 各 加 工 坐 标 轴 按 指 令 脉冲 运 动 。 这 些

2、 轴 有 的 带 动 工 作 台 ， 有 的 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 ， 加 工 出 所 要 求 的 复 杂 形 状 工 件 。 4.3.1 伺 服 系 统 的 性 能 由 于 各 种 数 控 机 床 所 完 成 的 加 工 任 务 不 同 ， 它们 对 进 给 伺 服 系 统 的 要 求 也 不 尽 相 同 ， 但 通 常 可 概括 为 以 下 几 方 面 。调 速 范 围 宽 要 求 伺 服 电 动 机 有 很 宽 的 调 速 范 围和 优 良 的 调 速 特 性 ， 不

3、 仅 要 满 足 低 速 切 削 的 要 求 ，如 5mm min， 还 要 能 满 足 高 速 进 给 的 要 求 ， 如1000mm min， 甚 至 更 大 的 范 围 。 快 速 响 应 并 无 超 调 位 置 伺 服 系 统 要 有 良 好 的 快速 响 应 特 性 ， 即 要 求 跟 踪 指 令 信 号 的 响 应 要 快 。 这 就对 伺 服 系 统 的 动 态 性 能 提 出 两 方 面 的 要 求 。 一 般 要 求电 机 速 度 由 零 到 最 大 ， 或 从 最 大 减 少 到 零 ， 时 间 应 控制 在 200ms以 下 ， 甚 至 少 于 几 十 ms， 且 速 度

4、 变 化 时 不应 有 超 调 。 另 一 方 面 当 负 载 突 变 时 ， 过 渡 过 程 前 沿 要陡 ， 恢 复 时 间 要 短 ， 且 无 震 荡 ， 这 样 才 能 得 到 光 滑 的加 工 表 面 。 高 精 度 为 了 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 踪 精 度 。 位 置 伺 服系 统 的 定 位 精 度 一 般 要 求 能 达 到 0.01 0.001mm， 高的 可 达 到 0.1m。 相 应 地 ， 对 伺 服 系 统 的 分 辨 率 也 提出 了 要 求 。 当 伺 服 系 统 接

5、受 CNC送 来 的 一 个 脉 冲 时 ，工 作 台 相 应 移 动 的 单 位 距 离 叫 分 辨 率 。 目 前 的 闭 环 伺服 系 统 都 能 达 到 1m的 分 辨 率 。 高 精 度 数 控 机 床 也 可达 到 0.1m的 分 辨 率 ， 甚 至 更 小 。 低 速 大 转 矩 机 床 在 低 速 切 削 时 ， 切 深 和 进 给都 较 大 。 现 代 数 控 机 床 通 常 是 伺 服 电 动 机 与 丝 杠 直连 ， 没 有 降 速 齿 轮 ， 这 就 要 求 主 轴 电 动 机 输 出 较 大转 矩 ， 即 在 低 速 时 进 给 驱 动 要 有 大 的 转 矩 输 出

6、 。较 高 的 工 作 稳 定 性 伺 服 系 统 的 工 作 稳 定 性 要好 ， 并 具 有 较 强 的 抗 干 扰 的 能 力 ， 保 证 进 给 速 度 均匀 、 平 稳 ， 才 能 加 工 出 高 表 面 质 量 的 零 件 。较 强 的 过 载 能 力 由 于 电 动 机 加 减 速 时 要 求 有很 快 的 响 应 速 度 ， 而 使 电 动 机 可 能 在 过 载 条 件 下 工作 。 这 就 要 求 电 动 机 有 较 强 的 抗 过 载 能 力 。 通 常 要求 在 数 分 钟 内 过 载 4 6倍 而 不 损 坏 。 4.3.2 伺 服 系 统 的 执 行 组 件伺 服

7、系 统 的 执 行 组 件 主 要 有 功 率 步 进 电 动 机 、直 流 伺 服 电 动 机 和 交 流 伺 服 电 动 机 等 。 其 作 用 是 将电 控 信 号 的 变 化 ， 转 换 成 电 动 机 输 出 轴 的 角 速 度 和角 位 移 的 变 化 ， 从 而 带 动 机 床 的 机 械 部 件 作 相 应 的进 给 运 动 。伺 服 系 统 对 执 行 组 件 的 基 本 要 求 是 ：（ 1） 控 制 简 单 ， 并 具 有 较 宽 的 调 速 范 围 ；（ 2） 动 作 迅 速 ， 时 间 常 数 小 ； （ 3） 具 有 稳 定 的 机 械 特 性 ；（ 4） 工 作

8、可 靠 ， 无 自 转 现 象 （ 当 输 入 信 号 为 零时 ， 伺 服 电 动 机 应 立 即 停 止 转 动 ） 。4.3.2.1 步进电动机 普 通 电 动 机 是 连 续 运 转 的 。 步 进 电 动 机 是 在 外加 电 脉 冲 信 号 的 作 用 下 一 步 一 步 的 运 转 ， 正 因 为 它的 运 动 形 式 是 步 进 式 的 ， 故 称 为 步 进 电 动 机 。 步 进电 动 机 是 一 种 将 脉 冲 信 号 变 换 成 相 应 的 角 位 移 或 线位 移 的 电 磁 装 置 。 由 于 步 进 电 动 机 的 角 位 移 量 和 输 入 脉 冲 的 个 数

9、严格 成 正 比 ， 在 时 间 上 与 输 入 脉 冲 同 步 ， 因 此 只 要 控 制输 入 脉 冲 的 数 量 、 频 率 及 电 机 绕 组 的 通 电 顺 序 ， 便 可获 得 所 需 的 转 角 、 转 速 和 转 动 方 向 。 无 脉 冲 输 入 时 ，在 绕 组 电 源 的 激 励 下 ， 气 隙 磁 场 使 转 子 保 持 原 有 的 位置 处 于 定 位 状 态 。 步 进 电 机 具 有 独 特 的 优 点 ， 作 为 伺服 电 动 机 应 用 于 控 制 系 统 时 ， 可 以 使 系 统 简 化 、 工 作可 靠 ， 而 且 可 获 得 较 高 的 控 制 精 度

10、 。 因 而 在 工 业 上 大量 用 作 状 态 伺 服 组 件 、 状 态 指 示 组 件 、 位 置 控 制 和 速度 控 制 组 件 。 （ 1） 步 进 电 动 机 的 分 类按 工 作 原 理激 磁 式 定 子 和 转 子 均 有 绕 组 ， 靠 电 磁 力 矩 使 转子 转 动反 应 式 转 子 无 绕 组 ， 定 子 绕 组 励 磁 后 产 生 反 应力 矩 ， 使 转 子 转 动混 合 式 与 反 应 式 的 主 要 区 别 是 转 子 上 置 有 磁 钢按 输 出 转 矩 大 小快 速 步 进 电 机 输 出 扭 矩 一 般 为 0.07 4Nm功 率 步 进 电 机 输

11、出 扭 矩 一 般 为 5 40Nm 按 定 子 排 列 方 式多 段 式 （ 轴 向 式 ） 定 子 各 相 按 轴 向 依 次 排 列单 段 式 （ 径 向 式 ） 定 子 各 相 在 圆 周 依 次 排 列按 励 磁 相 数 不 同分 为 三 相 、 四 相 、 五 相 、 六 相 等 。 相 数 越 多 步距 角 越 小 ， 但 结 构 越 复 杂 。（ 2） 步 进 电 动 机 的 工 作 原 理图 4-18所 示 为 数 控 机 床 中 广 泛 应 用 的 反 应 式 步进 电 动 机 工 作 原 理 示 意 图 。 当 U、 V、 W三 对 磁 极 的 绕 组 依 次 轮 流 通

12、 直 流 电 ，依 次 轮 流 产 生 磁 场 吸 引 转 子 转 动 。U相 转 子 1、 3两 齿 被 磁 极 U吸 引 ， 如 图 （ a） 。定 子 六 个 磁 极激 磁 线 圈 每 两 个 相 对 的 磁 极 为 一 相 ，有 U、 V、 W三 相转 子 带 等 距 齿 的 铁 心U相 ， V相 磁 场吸 引 最 近 的 2、 4齿 ， 转子 逆 时 针 转 了 30 ， 如图 （ b） 。 V相 ， W相 磁 场 吸 引 最 近 的 1、 3齿 ， 转 子逆 时 针 又 转 了 30 ， 如 图 （ c） 。这 样 按 U-V-W-U-V-W的 次 序 通 电 ， 步 进 电 机

13、就一 步 一 步 地 按 逆 时 针 方 向 转 动 30 。 步 进 电 机 每 步转 过 的 角 度 称 为 “ 步 距 角 ” 。如 果 通 电相 序 改 为 U-W-V-U-W-V， 步 进电 动 机 将 按 顺 时针 方 向 旋 转 。 （ 3） 三 相 步 进 电 动 机 的 通 电 方 式 及 步 距 角 三 相 单 三 拍 其 通 电 顺 序 为 U-V-W-U。“三 相 ” 是 指 三 相 步 进 电 机“ 单 ” 是 指 每 次 只 有 一 相 绕 组 通 电 “ 三 拍 ” 是 指 三 种 通 电 状 态 为 一 个 循 环这 种 方 式 每 次 只 有 一 相 通 电

14、， 容 易 使 转 子 在 平衡 位 置 上 发 生 振 荡 ， 稳 定 性 不 好 。 而 且 在 转 换 时 ，由 于 一 相 断 电 时 ， 另 一 相 刚 开 始 通 电 ， 容 易 “ 失 步 ”（ 指 不 能 严 格 地 对 应 一 个 脉 冲 转 一 步 ） ， 因 而 不 常采 用 这 种 通 电 方 式 。 三 相 双 三 拍 其 通 电 顺 序 为 UV-VW-WU-UV。 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 ， 而 且 切 换 时 始 终 有 一 相 通 电 ， 所 以 工 作 稳 定 ，不 易

15、失 步 。 双 三 拍 通 电 方 式 运 行 时 ， 步 距 角 与 单 三 拍 通电 方 式 相 同 。三 相 六 拍 其 通 电 顺 序 为 U-UV-V-VW-W-WU-U。单 、 双 相 轮 流 通 电 的 方 式 ， 它 具 有 双 三 拍 的 特 点 ， 由 于通 电 状 态 数 增 加 一 倍 ， 而 使 步 距 角 减 少 一 倍 。 且 切 换 时始 终 有 一 相 通 电 ， 工 作 比 较 稳 定 。 这 种 控 制 方 式 增 大 了步 进 电 动 机 的 稳 定 区 域 ， 改 善 了 步 进 电 动 机 的 性 能 ， 故多 采 用 这 种 控 制 方 式 。 从

16、 上 面 的 分 析 可 以 看 出 ， 步 进 电 动 机 转 动 的 角 度取 决 于 定 子 绕 组 的 相 数 、 转 子 齿 数 及 供 电 的 逻 辑 状 态 。若 以 b表 示 步 距 角 ， 则 有 mzKb 360= （ 4-12）式 中 m步 进 电 动 机 相 数 ； z转 子 齿 数 ； K由 步进 电 动 机 控 制 方 式 确 定 的 拍 数 和 相 数 的 比 例 系 数 ， 如三 相 三 拍 时 ， K ； 而 三 相 六 拍 制 时 ， K 。 为 了 提 高 加 工 精 度 ， 一 般 要 求 步 距 角 很 小 ， 数控 机 床 中 常 用 的 步 进 电

17、 动 机 步 距 角 为 0.36 3 图 4-18中 的 步 进 电 动 机 模 型 ， 转 子 仅 有 个 齿 ，步 距 角 较 大 。 在 实 际 应 由 中 要 求 步 距 角 小 得 多 ， 为此 可 以 增 大 转 子 齿 数 。图 4-19所 示 是 目 前 广 泛 应 用 的 一 种 三 相 六 极 步 进电 动 机 结 构 图 。 每 个 定 子 磁 极 上有 5个 齿 。 转 子 上 共 有 40个 齿 和定 子 磁 极 上 的 齿 宽 相 等 。 因 此 定转 子 的 齿 距 都 为 360 /40 9 。在 单 三 拍 时 ， 步 距 角 为 3 ， 在 三相 六 拍

18、时 ， 步 距 角 为 1.5 。 （ 4） 步 进 电 动 机 的 主 要 特 点 步 进 电 动 机 受 脉 冲 信 号 的 控 制 ， 每 输 入 一 个脉 冲 ， 就 变 换 一 次 绕 组 的 通 电 状 态 ， 电 动 机 就 相 应转 动 一 步 。 因 此 角 位 移 与 输 入 脉 冲 个 数 成 严 格 的 比例 关 系 。 一 旦 停 止 送 入 控 制 脉 冲 ， 只 要 维 持 控 制 绕 组电 流 不 变 ， 电 动 机 可 以 保 持 在 其 固 定 的 位 置 上 ， 不需 要 机 械 制 动 装 置 。 输 出 转 角 精 度 高 ， 虽 有 相 邻 齿 距

19、误 差 ； 但 无积 累 误 差 。 改 变 步 进 电 动 机 定 子 绕 组 的 通 电 顺 序 ， 转 子的 旋 转 方 向 随 之 改 变 。 步 进 电 动 机 定 子 绕 组 通 电 状 态 的 改 变 速 度 越快 ， 其 转 子 旋 转 的 速 度 就 越 快 ， 即 通 电 状 态 的 变 化 频率 越 高 ， 转 子 的 转 速 就 越 高 。步 进 电 动 机 的 主 要 缺 点 是 效 率 较 低 ， 输 入 功 率的 大 部 分 转 为 热 能 耗 散 ； 另 外 ， 步 进 电 动 机 没 有 过 载能 力 ， 只 有 在 规 定 范 围 内 ， 才 能 获 得 好

20、 的 步 进 性 能 。（ 5） 步 进 电 动 机 的 性 能步 距 误 差 步 进 电 动 机 运 行 时 ， 转 子 每 一 步 实 际转 过 的 角 度 与 理 论 步 距 角 之 差 称 为 步 距 误 差 。 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 动 机 转 过 一 圈 后 ， 将重 复 上 一 圈 的 稳 定 位 置 ， 即 步 进 电 动 机 的 步 距 累 积误 差 将 以 一 圈 为 周 期 重 复 出 现 。 所 以 步 距 的 累 积 误差 最 大 值 可 以 在 一 圈 范 围

21、 内 测 出 。 影 响 步 进 电 动 机的 步 距 误 差 和 累 积 误 差 的 主 要 因 素 有 齿 和 磁 极 的 机械 加 工 及 装 配 精 度 、 各 相 矩 角 特 性 之 间 的 差 别 等 。矩 角 特 性 、 最 大 静 态 转 矩 当 步 进 电 动 机 在 某相 通 电 时 ， 转 子 处 于 不 动 状 态 。 这 时 ， 在 电 动 机 轴 上 加 一 个 负 载 转 矩 ， 转 子 就按 一 定 方 向 转 过 一 个 角 度 ， 此 时 转 子 所 受 的 电 磁 转矩 T称 为 静 态 转 矩 ， 角 度 称 为 失 调 角 。 T和 的 关 系叫 矩

22、角 特 性 ， 如 图 4-20所 示 ， 该 特 性 上 的 电 磁 转 矩 最大 值 称 为 最 大 静 转 矩 。 在 一 定 范 围 内 ， 外 加 转 矩 越大 ， 转 子 偏 离 稳 定 平 衡 的 距 离 越 远 。 在 静 态 稳 定 区内 ， 外 加 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 。 起 动 频 率 空 载 时 ， 由 静 止 状 态 起 动 ， 达 到 不失 步 的 正 常 运 行 的 最 高 频 率 ， 称 为 起 动 频 率 。 起 动 时指 令 脉 冲 频 率 应 小 于 起 动 频 率 ，

23、否 则 将 产 生 失 步 。 步进 电 动 机 在 带 负 载 下 的 起 动 频 率 比 空 载 要 低 。连 续 运 行 频 率 起 动 后 ， 不 失 步 工 作 的 最 高 工 作频 率 ， 称 为 连 续 运 行 频 率 。 通 常 是 起 动 频 率 的 4 10倍 。 随 着 运 行 频 率 增 加 ， 其 输 出 转 矩 相 应 下 降 ， 所 以运 行 频 率 也 受 所 带 负 载 转 矩 的 影 响 。 对 于 某 特 定 步 进电 动 机 ， 单 拍 工 作 频 率 要 比 双 拍 工 作 时 低 。 好 的 驱 动方 式 和 功 率 驱 动 电 源 可 以 提 高

24、起 动 频 率 和 运 行 频 率 。 加 减 速 特 性 步 进 电 动 机 的 加 减 速 特 性 是 描 述 步进 电 动 机 由 静 止 到 工 作 频 率 和 由 工 作 频 率 到 静 止 的加 减 速 过 程 中 ， 定 子 绕 组 通 电 状 态 的 变 化 频 率 与 时间 的 关 系 。 步 进 电 动 机 起 动 和 停 止 时 ， 加 减 速 时 间不 能 过 小 ， 否 则 会 出 现 失 步 或 超 步 。 步 进 电 动 机 的升 速 和 降 速 特 性 用 加 速 时 间 常 数 Ta和 减 速 时 间 常 数Td来 描 述 。 为 了 保 证 运 动 部 件

25、的 平 稳 和 准 确 定 位 ，根 据 步 进 电 动 机 的 加 减 速 特 性 ， 在 起 动 和 停 止 时 应进 行 加 减 速 控 制 。 4.3.2.2 直流伺服电动机直 流 伺 服 电 动 机 是 数 控 机 床 伺 服 系 统 中 应 用 最早 的 ， 也 是 使 用 最 广 泛 的 执 行 组 件 。 直 流 伺 服 电 动机 有 永 磁 式 和 电 磁 式 两 种 结 构 类 型 。 随 着 磁 性 材 料的 发 展 ， 用 稀 土 材 料 制 作 的 永 磁 式 直 流 伺 服 电 动 机的 性 能 超 过 了 电 磁 式 直 流 伺 服 电 动 机 ， 目 前 广 泛

26、 应用 于 机 床 进 给 驱 动 。 直 流 伺 服 电 动 机 的 工 作 原 理 与普 通 直 流 电 动 机 完 全 相 同 ， 但 工 作 状 态 和 性 能 差 别很 大 。 机 床 进 给 伺 服 系 统 中 使 用 的 多 为 大 功 率 直 流伺 服 电 动 机 ， 如 低 惯 量 电 动 机 和 宽 调 速 电 动 机 等 。 （ 1） 永 磁 式 直 流 伺 服 电 动 机 的 结 构 和 工 作 原 理一 般 永 磁 式 直 流 伺 服 电 动 机 本 体 由 三 部 分 组 成 ：机 壳 、 定 子 磁 极 和 转 子 电 枢 。 它 还 具 有 一 定 的 伺 服

27、特 性和 快 速 响 应 能 力 结 构 上 往 往 与 反 馈 部 件 做 成 一 体 。 其 定子 磁 极 是 个 永 久 磁 体 ， 一 般 采 用 铝 镍 钴 合 金 、 铁 氧 体 、稀 土 钴 等 材 料 ， 它 们 的 矫 顽 力 很 高 ， 可 以 产 生 极 大 的 峰值 转 矩 ； 而 且 在 较 高 的 磁 通 密 度 下 保 持 性 能 稳 定 （ 即 不出 现 退 磁 ） 。 这 种 电 机 的 电 枢 铁 心 上 槽 数 较 多 ， 且 在 一个 槽 内 分 布 几 个 虚 槽 即 减 少 转 矩 波 动 。 这 种 电 动 机 的 工 作 原 理 与 一 般 直

28、流 电 动 机 相 同 。用 永 久 磁 铁 代 替 普 通 直 流 电 动 机 的 励 磁 绕 组 和 铁 心 ，在 电 机 的 气 隙 中 建 立 主 磁 通 ， 产 生 感 应 电 势 和 电 磁转 矩 。 直 流 电 机 电 枢 电 路 的 电 压 平 衡 方 程 为 ddad RIEU += nCE ea = （ 4-13）感 应 电 势 为 （ 4-14） e ddd K RIUn -=由 以 上 两 式 可 得 电 动 机 转 速 特 性 （ 4-15）式 中 Ud、 Id、 Rd 分 别 为 电 枢 回 路 的 电 压 、 电 流和 电 阻 ； Ke 电 势 系 数 （ Ke=

29、Ce） ； 气 隙 磁 通 量 。电 动 机 的 电 磁 转 矩 为 dmd ICT = （ 4-16） 由 式 （ 4-17） 可 见 ， 直 流 电 动 机 的 调 速 方 法 主要 采 用 改 变 电 枢 电 压 和 改 变 气 隙 磁 通 量 两 种 方 法 。 改变 电 压 的 调 速 性 能 可 满 足 数 控 机 床 的 需 要 ， 其 特 点 是具 有 恒 转 矩 的 调 速 性 能 ， 机 械 特 性 和 经 济 性 能 好 。 dme ded TCC RCUn 2-=因 此 可 得 电 动 机 机 械 特 性 方 程 为 （ 4-17）式 中 Cm转 矩 系 数 。 （ 2

30、） 低 惯 量 直 流 伺 服 电 动 机低 惯 量 直 流 伺 服 电 动 机 结 构 上 与 一 般 直 流 电 动机 的 差 别 和 特 点 是 ： 电 枢 铁 心 是 光 滑 无 槽 的 圆 柱 体 ，电 枢 绕 组 用 环 氧 树 脂 固 化 成 型 并 粘 接 在 电 枢 铁 心 表面 上 ， 电 枢 的 长 度 与 外 径 之 比 在 5倍 以 上 ， 气 隙 尺寸 比 一 般 直 流 电 动 机 大 10倍 以 上 。 由 于 结 构 上 这 些特 点 ， 使 其 性 能 具 有 以 下 优 点 。 由 于 转 子 长 而 细 ， 大 大 减 小 了 电 动 机 的 转 动惯

31、量 ， 其 转 动 惯 量 约 为 一 般 直 流 电 动 机 的 1 10。 由 于 气 隙 较 大 ， 限 制 了 电 枢 反 应 ， 换 向 性 能 好 ，电 动 机 时 间 常 数 为 5 l0ms。 由 于 电 枢 表 面 无 槽 ， 大 大 减 小 了 低 速 时 电 磁 转矩 的 波 动 和 不 稳 定 性 ， 保 证 了 低 速 运 转 稳 定 而 均 匀 ，在 转 速 低 达 10rpm时 ， 无 爬 行 现 象 。 由 于 不 存 在 齿 部 磁 饱 和 的 问 题 ， 气 隙 磁 密 可 达1T以 上 ， 为 一 般 直 流 电 动 机 的 1.5倍 。 电 气 性 能

32、良 好 ，过 载 能 力 强 ， 最 大 电 磁 转 矩 可 达 额 定 值 的 10倍 。目 前 ， 这 种 电 动 机 的 输 出 功 率 在 几 十 W至 十 K W以 内 ， 主 要 用 于 要 求 快 速 动 作 、 功 率 较 大 的 系 统 ， 如数 控 加 工 中 心 和 数 控 车 床 、 磨 床 等 。 （ 3） 宽 调 速 直 流 力 矩 电 动 机 低 惯 量 直 流 伺 服 电 动 机 必 须 经 齿 轮 减 速 才 能 与大 惯 量 的 机 床 相 连 接 ， 因 此 其 精 度 、 低 速 性 能 都 与 齿轮 相 关 ， 而 且 带 来 齿 轮 噪 声 。 而

33、宽 调 速 直 流 力 矩 电 动机 是 用 提 高 转 矩 的 方 法 来 改 善 其 动 态 特 性 ， 所 以 其 负载 能 力 强 ， 可 与 丝 杠 直 接 连 接 ， 其 精 度 、 低 速 性 能 不受 齿 轮 等 传 动 装 置 的 影 响 ， 因 此 在 闭 环 伺 服 系 统 中 得到 广 泛 应 用 。 宽 调 速 直 流 力 矩 电 动 机 的 结 构 形 式 与 一般 直 流 电 动 机 相 似 ， 通 常 采 用 他 激 式 ， 目 前 几 乎 都 用永 磁 式 电 枢 控 制 ， 它 具 有 下 列 特 点 。 转 矩 大 这 种 电 机 采 用 增 加 极 对

34、数 和 电 枢 导 体数 等 办 法 ， 以 提 高 电 动 机 的 电 磁 转 矩 ， 增 大 电 动 机的 转 矩 与 惯 量 的 比 值 ， 从 而 使 电 动 机 的 加 速 性 能 和动 态 响 应 都 有 明 显 改 善 。 调 速 范 围 宽 它 采 用 增 加 槽 数 和 换 向 片 数 、 齿槽 分 度 均 匀 、 极 弧 宽 度 与 齿 槽 配 合 合 理 以 及 斜 槽 等措 施 ， 减 小 电 动 机 转 矩 的 波 动 ， 提 高 低 速 转 动 的 精度 ， 从 而 大 大 扩 大 了 调 速 范 围 。 它 不 但 在 低 速 时 能提 供 足 够 的 转 矩 ，

35、 在 高 速 时 也 能 提 供 所 需 的 功 率 。 动 态 响 应 好 由 于 永 磁 式 定 子 采 用 矫 顽 力 很高 的 铁 氧 体 永 磁 材 料 ， 在 电 动 机 电 流 过 载 10倍 的 情况 下 也 不 会 去 磁 ， 这 就 大 大 提 高 了 电 动 机 的 瞬 时 加速 转 矩 ， 改 善 了 动 态 响 应 。 过 载 能 力 强 由 于 采 用 高 级 的 绝 缘 材 料 ， 转子 惯 性 又 不 太 大 ， 允 许 过 载 转 矩 达 5 10倍 ， 而 且 在密 闭 的 自 然 空 冷 条 件 下 ， 可 以 长 时 间 超 负 荷 运 转 。 易 于

36、调 试 由 于 电 动 机 转 子 惯 量 接 近 于 普 通电 动 机 ， 负 载 惯 量 对 伺 服 系 统 的 影 响 较 小 ， 在 调 试时 可 以 不 加 负 载 预 调 ， 联 机 后 再 作 少 量 调 整 即 可 。 这 种 电 动 机 在 特 性 上 能 很 好 地 满 足 机 床 传 动 要求 ， 同 时 又 能 以 极 高 的 精 度 实 现 机 床 的 无 齿 轮 驱 动 。因 此 ， 近 来 被 广 泛 应 用 于 机 床 的 进 给 系 统 中 。4.3.2.3交流伺服电动机由 于 直 流 电 机 具 有 优 良 的 调 速 性 能 ， 长 期 以 来 ，在 要

37、求 调 速 性 能 较 高 的 场 合 ， 直 流 电 机 调 速 系 统 一 直占 据 主 导 地 位 。 但 直 流 电 机 却 存 在 一 些 固 有 的 缺 点 ，如 电 刷 和 换 向 器 易 磨 损 ， 需 要 经 常 维 护 ； 换 向 器 换 向时 会 产 生 火 花 ， 使 电 机 的 最 高 转 速 受 到 限 制 ， 也 使 应用 环 境 受 到 限 制 ； 直 流 电 机 的 结 构 复 杂 ， 制 造 困 难 ，所 用 铜 铁 材 料 消 耗 大 ， 制 造 成 本 高 。 但 交 流 电 机 ， 特 别 是 感 应 电 机 则 无 上 述 缺 点 ，且 转 子 惯

38、量 较 直 流 电 机 小 ， 动 态 响 应 好 ， 一 般 来 说 ，在 同 样 体 积 下 ， 交 流 电 机 的 输 出 功 率 可 比 直 流 电 机提 高 10 70 。 另 外 ， 交 流 电 机 的 容 量 比 直 流 电机 要 大 ， 因 此 ， 人 们 一 直 在 寻 找 用 交 流 电 机 调 速 来代 替 直 流 电 机 调 速 方 案 。随 着 电 力 电 子 技 术 、 微 电 子 技 术 及 自 动 控 制 理论 的 发 展 ， 现 代 交 流 调 速 有 了 飞 速 发 展 ， 它 不 仅 克服 了 直 流 电 动 机 结 构 上 的 不 足 ， 而 且 发 挥

39、 了 交 流 电动 机 坚 固 耐 用 、 经 济 可 靠 等 优 点 ， 在 调 速 性 能 上 可与 直 流 拖 动 相 媲 美 ， 并 有 取 而 代 之 的 趋 势 。 交 流 伺 服 电 动 机 分 为 交 流 永 磁 式 伺 服 电 动 机 和交 流 感 应 式 伺 服 电 动 机 。 永 磁 式 相 当 于 交 流 同 步 电动 机 ， 常 用 于 进 给 系 统 ； 感 应 式 相 当 于 交 流 感 应 异步 电 动 机 ， 常 用 于 主 轴 伺 服 系 统 。 旋 转 机 理 都 是 由定 子 绕 组 产 生 旋 转 磁 场 使 转 子 运 转 。 不 同 点 是 交 流

40、永 磁 式 伺 服 电 动 机 的 转 速 和 外 加 电 源 频 率 存 在 严 格的 关 系 ； 而 交 流 感 应 式 伺 服 电 动 机 由 于 需 要 转 速 差才 能 在 转 子 上 产 生 感 应 磁 场 ， 所 以 转 速 比 其 同 步 转速 小 ， 外 加 负 载 越 大 ， 转 速 差 越 大 。 旋 转 磁 场 的 同步 速 度 由 交 流 电 的 频 率 来 决 定 ， 因 而 交 流 电 动 机 可以 用 改 变 供 电 频 率 的 方 法 来 调 速 。 交 流 伺 服 电 动 机 的 工 作 原 理 与 普 通 异 步 电 动 机相 似 ， 由 于 它 在 数

41、控 机 床 中 作 为 执 行 组 件 ， 将 交 流 电信 号 转 换 为 轴 上 的 角 位 移 或 角 速 度 ， 所 以 要 求 转 子 速度 的 快 慢 能 反 映 控 制 信 号 的 强 弱 ， 转 动 的 方 向 能 反 映控 制 信 号 的 相 位 ， 无 控 制 信 号 时 它 不 应 转 动 ， 特 别 是当 它 已 在 转 动 时 ， 如 果 控 制 信 号 消 失 ， 它 应 能 立 即 停止 转 动 。交 流 伺 服 电 动 机 的 调 速 方 法 根 据 电 机 学 理 论 ，交 流 异 步 电 动 机 的 转 速 可 由 下 式 表 示 ( )spfn -= 16

42、0式 中 f 定 子 电 源 频 率 ； s 转 差 率 ； p 极 对 数 。 （ 4-18）由 式 （ 4-18） 可 见 ， 改 变 交 流 电 动 机 的 转 速 有 三 种方 法 ， 即 变 频 调 速 、 变 极 对 数 调 速 和 变 转 差 率 调 速 。变 极 对 数 调 速 是 有 级 调 速 且 调 速 范 围 窄 ；变 转 差 率 调 速 可 以 通 过 在 转 子 绕 组 中 串 电 阻 和 改 变定 子 电 压 两 种 方 法 来 实 现 ， 但 这 两 种 改 变 转 差 率 的 方 法都 存 在 损 耗 大 的 缺 陷 ， 不 是 理 想 的 调 速 方 法 ；

43、 变 频 调 速 范 围 宽 、 平 滑 性 好 、 效 率 高 、 具 有 优良 的 静 态 和 动 态 特 性 。 目 前 高 性 能 的 交 流 调 速 系 统都 是 采 用 变 频 调 速 技 术 来 改 变 电 动 机 的 转 速 。在 异 步 电 动 机 中 ， 定 子 绕 组 的 反 电 势 为 KNfE 111444.=式 中 f1 定 子 电 源 频 率 ； N1 定 子 每 相 绕 组 匝 数 ； K 1 定 子 每 相 绕 组 等 效 匝 数 系 数 ； 每 极 气 隙 磁 通 量 。 （ 4-19）如 果 略 去 定 子 的 阻 抗 压 降 ， 则 定 子 绕 组 端

44、电 压 KNfEU 111444.= （ 4-20） 由 此 可 见 ， 若 端 电 压 不 变 ， 随 着 频 率 f1的 升高 ， 气 隙 磁 通 将 减 小 。电 动 机 转 矩 关 系 为 22 ICT m cos= 式 中 I2 转 子 电 流 ； 2 转 子 电 流 的 相 位 角 ； Cm 转 矩 常 数 ； （ 4-21） 由 式 （ 4-21） 可 以 看 出 ， 值 减 小 ， 转 子 感 应电 流 I2相 应 减 小 ， 必 然 使 得 电 机 的 输 出 转 矩 T和 最 大转 矩 下 降 。 因 而 在 变 频 调 速 时 ， 为 了 使 输 出 转 矩 保持 不 变

45、 ， 需 要 同 时 改 变 定 子 端 电 压 ， 以 使 气 隙 磁 通保 持 不 变 ， 进 而 使 输 出 转 矩 保 持 不 变 。 由 此 可 见 交流 伺 服 电 机 变 频 调 速 的 关 键 是 要 获 得 调 频 、 调 压 的交 流 电 源 。 22 ICT m cos= （ 4-21） 4.3.3 开 环 伺 服 系 统步 进 电 动 机 伺 服 系 统 是 典 型 的 开 环 伺 服 系 统 。在 开 环 伺 服 系 统 中 ， 执 行 组 件 是 步 进 电 动 机 。 步 进电 动 机 把 进 给 脉 冲 转 换 为 机 械 角 位 移 ， 并 由 传 动 丝杠

46、带 动 工 作 台 移 动 。 由 于 该 系 统 中 无 位 置 和 速 度 检测 环 节 ， 因 此 它 的 精 度 主 要 由 步 进 电 动 机 的 步 距 和与 之 相 连 的 丝 杠 等 传 动 机 构 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 步 进 电 动 机 开 环 伺 服 系 统 的 控 制 和 结 构 简 单 ，容 易 调 整 ， 在 速 度 和 精 度 要 求 不 太 高 的 场 合 有 一 定的 使 用 价 值 。 步 进 电

47、动 机 细 分 技 术 的 应 用 ， 使 步 进电 动 机 开 环 伺 服 系 统 的 定 位 精 度 明 显 提 高 ， 并 且 降低 了 步 进 电 动 机 的 低 速 振 动 ， 使 步 进 电 动 机 在 低 速场 合 的 开 环 伺 服 系 统 中 得 到 广 泛 应 用 。4.3.3.1 步进电动机的驱动系统 脉 冲 信 号 源 是 一 个 从 几 H Z到 20K H Z左 右 的 连 续可 调 信 号 发 生 器 ， 可 以 是 计 算 机 或 专 用 的 硬 件 电 路 ，按 照 一 定 的 规 律 （ 如 加 工 指 令 等 ） 输 出 各 种 数 字 脉 冲序 列 。环

48、 形 分 配 器 是 将 数 控 装 置 的 插 补 脉 冲 ， 按 步 进电 机 所 要 求 的 规 律 分 配 给 步 进 电 机 驱 动 电 源 的 各 相 输入 端 ， 以 控 制 励 磁 绕 组 的 导 通 或 关 断 。 环 形 分 配 器 的 功 能 可 由 硬 件 、 软 件 以 及 软 硬 件相 结 合 的 方 法 来 实 现 。 图 4-22为 由 触 发 器 组 成 的三 相 六 拍 通 电 方 式 分 配 器 示 意 图 ， 其 工 作 状 态 如 表4-4所 示 。 开 机 通 电 后 由 分 配 器 置 “ 0” 信 号 将 分 配器 置 成 “ 100” 状 态

49、， 为 初 始 的 锁 相 状 态 。 功 率 放 大 器 由 环 形 分 配 器 输 出 的 脉 冲 功 率 很 小 ，需 要 进 行 功 率 放 大 ， 才 足 以 驱 动 步 进 电 机 旋 转 。 由于 功 放 中 的 负 载 为 步 进 电 机 的 绕 组 ， 是 感 性 负 载 ，较 大 的 电 感 影 响 快 速 性 ， 另 外 感 应 电 势 也 带 来 的 功率 管 保 护 等 问 题 。 功 率 放 大 器 最 早 采 用 单 电 压 驱 动电 路 ， 后 来 出 现 了 双 电 压 （ 高 低 压 ） 驱 动 电 路 、 斩波 电 路 、 调 频 调 压 和 细 分 电

50、路 等 。 4.3.3.2 步进电动机的微机控制 微 机 控 制 步 进 电 动 机 的 驱 动 系 统 ， 不 仅 可 用 程序 代 替 可 变 频 率 脉 冲 源 和 环 形 分 配 器 等 硬 件 ， 还 很 容易 用 程 序 实 现 步 进 电 动 机 按 其 固 有 特 性 实 现 升 降 频 等功 能 。 现 以 MCS-51单 片 机 为 例 说 明 微 机 对 步 进 电 动机 的 控 制 。（ 1） 步 进 电 动 机 与 单 片 机 的 连 接步 进 电 动 机 与 单 片 机 的 联 接 一 般 有 两 种 形 式 ： 由硬 件 或 软 件 完 成 脉 冲 分 配 功 能

51、 。 硬 件 进 行 脉 冲 分 配 图 4-23所 示 为 原 理 框 图 ，环 形 分 配 器 、 驱 动 电 路 由 硬 件 完 成 。 单 片 机 只 提 供 步进 脉 冲 和 正 、 反 转 信 号 。 步 进 脉 冲 的 产 生 与 停 止 ， 步进 脉 冲 的 频 率 和 个 数 都 可 用 软 件 控 制 。 单 片 机 输 出 步进 脉 冲 后 ， 再 由 环 形 分 配 器 按 程 序 顺 序 控 制 各 相 的 通断 。 P1.0口 产 生 步 进 脉 冲 ， P1.1口 提 供 正 反 转 信 号 。用 软 件 控 制 P1.0口 为 “ 1” 或 “ 0” 的 次 序

52、 和 长 短 ，构成 了 脉 冲 序 列 。 脉 冲 序 列的 周 期 和 步 进 电 动 机 的 步距 有 关 。 硬 件 线 路 脉 冲 分 配 的 缺点 是 电 路 固 定 后 ， 步 进 电 动机 的 运 行 方 式 也 就 固 定 下 来 ，不 易 更 改 。软 件 进 行 脉 冲 分 配 用 软 件 完 成 脉 冲 分 配 的 优 点是 线 路 简 化 ， 成 本 下 降 ， 可 以 灵 活 地 改 变 步 进 电 动 机的 控 制 方 案 ， 而 驱 动 功 能 由 硬 件 完 成 。 图 4-24为 单 片机 直 接 带 动 步 进 电 动 机 的 一 种 接 口 方 法 。

53、单 片 机 P1口 的 低 三 位 被 设 成 输 出 位 ， P1.0控 制 U相 绕 组 通 断 ， P1.1控 制 V相 绕 组 通 断 ， P1.2控 制 W相 绕 组 通 断 。 以 U相 控 制 为 例 ： 当 P1.0输 出 为 “ 1” 时 ， 光 电耦 合 器 中 的 发 光 二 极 管 不 发 光 ， 故 其 中 的 光 敏 三 极 管截 止 ， U相 绕 组 通 电 ； 反 之 当 P1.0输 出 为 “ 0” 时 ， U相 绕 组 断 电 ， 光 电 耦 合 器 的 作 用 是 使 单 片 机 与 步 进 电动 机 隔 离 ， 以 免 两 者 之 间 产 生 共 地 干

54、 扰 。用 软 件 来 代 替 硬 件 的 环形 分 配 器 ， 是 用 软 件 改 变 P1口 低 三 位 的 输 出 值 ， 来 控 制三 相 绕 组 的 通 电 顺 序 和 方 式 。现 以 三 相 六 拍 方 式 来 说 明 。 三 相 六 拍 方 式 的 通 电 顺 序 为 U-UV-V-VW-W-WU-U-， 所 以 P1口 输 出 如 下 控 制 字 ：P1.2（ W） P1.1 （ V） P1.0 （ U）正 转 的 顺 序 为001 011 010 110 100 101 001 U UV V VW W WU U反 转 的 顺 序 为001 101 100 110 010 0

55、11 001 U UW W WV V VU U在 控 制 字 间 还 应 加 入 软 件 延 时 来 保 证 一 定 的 时间 间 隔 ， 例 如 要 求 时 间 间 隔 为 1ms， 控 制 电 动 机 按 三相 六 拍 方 式 正 转 的 程 序 框 图 如 图 4-25所 示 。 （ 2） 步 进 电 动 机 对 位 移 量 进 行 控 制在 数 控 机 床 上 进 刀 深 度 等 控 制 为 位 移 量 的 控 制 ，控 制 的 方 法 是 将 位 移 折 算 成 步 进 脉 冲 的 个 数 。 机 床上 步 进 电 动 机 大 都 与 丝 杠 结 合 使 用 ， 将 角 位 移 转

56、化为 直 线 位 移 。 如 丝 杠 每 转 一 周 相 当 于 4mm位 移 ， 当采 用 三 相 六 拍 步 进 电 动 机 工 作 方 式 ， 步 距 角 为 1.5时 ， 可 算 出 240个 步 进 脉 冲 才 能 使 丝 杠 转 一 周 ， 即 有4mm的 直 线 位 移 。 因 此 ， 要 想 平 移 20mm， 需 产 生1200个 步 进 脉 冲 ， 调 用 步 进 脉 冲 子 程 序 ， 可 编 出 位移 20mm的 控 制 程 序 。 如 果 要 求 间 断 地 完 成 几 段 位 移 ， 必 须 计 算 出 每 一段 位 移 所 对 应 的 脉 冲 个 数 ， 并 依

57、次 存 放 在 一 个 数 据 区中 。 程 序 执 行 时 ， 取 出 相 应 的 脉 冲 个 数 ， 控 制 循 环 程序 （ 取 脉 冲 ） 的 次 数 ， 以 实 现 所 要 求 的 位 移 。（ 3） 微 机 控 制 步 进 电 动 机 转 速 的 方 法某 些 数 控 系 统 ， 不 仅 要 求 精 确 地 控 制 位 移 ， 而 且要 求 在 规 定 的 时 间 内 完 成 规 定 的 位 移 ， 即 按 规 定 的 速度 运 行 。 仍 以 丝 杠 结 构 为 例 ， 假 设 要 求 实 现 在 2s内 走完 20mm。 因 为 20mm 2s相 当 于 2s发 出 1200个

58、 脉 冲 ，故 步 进 脉 冲 的 间 隔 为 1666s， 按 这 种 时 间 间 隔 发 出1200个 脉 冲 就 能 满 足 要 求 。 4.3.4 闭 环 伺 服 系 统 如 图 4-26所 示 ， 为 了 获 得 比 开 环 进 给 系 统 精 度更 高 、 速 度 更 快 、 驱 动 功 率 更 大 的 特 性 指 标 ， 数 控装 置 设 置 了 位 置 控 制 和 速 度 控 制 两 个 回 路 。 如 果 将 位 置 检 测 装 置 安 装 在 驱 动 电 机 的 端 部 ，或 安 装 在 传 动 丝 杠 的 端部 ， 间 接 测 量 实 际 位 置或 位 移 ， 就 是 半

59、 闭 环 伺服 系 统 。 如 图 4-27所 示 。 3.4.4.1 闭环伺服系统的反馈比较形式（ 1） 相 位 比 较 伺 服 系 统 结 构 形 式 与 所 用 的 位 置 检 测 组 件 有 关 ， 常 用 的 位置 检 测 组 件 有 旋 转 变 压 器 和 感 应 同 步 器 ， 并 且 工 作 在相 位 状 态 。 图 4-28为 相 位 比 较 伺 服 系 统 框 图 。基 准 信 号 发 生 器 ，输 出 一 系 列 有 一 定 频 率的 脉 冲 信 号 ， 其 作 用 是为 伺 服 系 统 提 供 一 个 相位 比 较 基 准 。1 脉 冲 调 相 器 又 称 为 数 字

60、相位 转 换 器 ， 是 将 进 给 脉 冲 信 号 ，转 换 为 相 位 信 号 ， 可 用 正 弦 信号 或 方 波 信 号 表 示 。检 测 组 件 及 信 号 处 理 线 路 ， 是 将 工 作 台 的 位 移量 检 测 出 来 ， 并 表 达 成 与 基 准 信 号 之 间 的 相 位 差 。鉴 相 器 将 来 自 脉 冲 调 相 器 的 指 令 信 号 和 实 际 位移 反 馈 信 号 进 行 比 较 ， 求 出 相 位 差 ， 输 出 与 此 相 位差 成 正 比 的 电 压 信 号 。电 压 和 功 率 放 大 ， 是 将 鉴 相 器 的 输 出 的 微 弱 信号 放 大 去

61、驱 动 执 行 组 件 。 （ 2） 幅 值 比 较 伺 服 系 统是 以 位 置 检 测 信 号 的 幅 值 大 小 来 反 映 机 械 位 移的 数 值 ， 并 以 此 作 为 位 置 反 馈 信 号 与 指 令 信 号 进 行比 较 构 成 的 闭 环 控 制 系 统 ， 所 用 的 位 置 检 测 组 件 为旋 转 变 压 器 或 感 应 同 步 器 ， 以 幅 值 工 作 方 式 工 作 。如 图 4-29所 示 。这 里 检 测 组 件 是 以 鉴 幅 方 式 工 作 的 ； 比 较 器 所 比较 的 是 数 字 脉 冲 量 ， 而 不 是 相 位 。 （ 3） 数 字 脉 冲 比

62、 较 伺 服 系 统 随 着 数 控 技 术 的 发 展 ， 在 位 置 控 制 伺 服 系 统 中 ，采 用 数 字 脉 冲 的 方 法 构 成 位 置 闭 环 控 制 ， 受 到 了 普遍 的 重 视 。 这 种 系 统 的 主 要 优 点 是 结 构 比 较 简 单 。数 字 脉 冲 的 方 法 构 成 的 伺 服 系 统 如 图 4-32所 示 。 4.3.4.2 直流伺服电机调速系统直 流 电 动 机 调 速 主 要 是 调 整 电 枢 电 压 。 早 期 的 直流 电 动 机 调 速 系 统 采 用 直 流 发 电 机 -直 流 电 动 机 机 组（ G -M） ， 此 方 法 因

63、 为 机 组 复 杂 ， 目 前 已 基 本 被 淘 汰 。后 来 发 展 了 一 种 晶 闸 管 整 流 器 -直 流 电 动 机 （ SCR-M） ，这 种 方 法 在 深 调 速 时 电 枢 电 流 的 波 形 很 差 ， 使 电 动 机 的工 作 情 况 恶 化 ， 限 制 了 调 速 范 围 的 进 一 步 提 高 。 目 前 使用 最 广 的 是 晶 体 管 脉 宽 调 制 器 -直 流 电 动 机 调 速 系 统PWM-M （ PWM为 Pulse Width Modulation） 。 由 于具 有 响 应 快 、 效 率 高 、 调 速 范 围 宽 、 噪 声 污 染 小 、

64、 简 单可 靠 等 优 点 ， 而 获 得 广 泛 应 用 。 （ 1） 直 流 伺 服 电 动 机 的 PWM调 速 系 统图 4-33为 原 理 框 图 。 为 一 转 速 电 流 双 闭 环 控 制系 统 ， 系 统 的 核 心 是 晶 体 管 脉 宽 放 大 器 。 电 流 控 制器 的 输 出 电 压 UC， 将 电 压 UT进 行 脉 宽 调 制 ， 得 到 调宽 的 脉 冲 电 压 作 为 控 制 信 号 输 送 到 晶 体 管 脉 宽 放 大器 各 相 关 晶 体 管 的 基 极 ， 使 脉 冲 电 压 得 到 放 大 ， 作为 直 流 伺 服 电 动 机 电 枢 的 输 入

65、电 压 。 （ 2） 直 流 电 动 机 的 脉 宽 调 速 原 理图 4-34所 示 为 脉 宽 调 速 原 理 示 意 图 。 一 个 固 定的 直 流 电 压 U经 过 以 一 定 频 率 开 关 S的 控 制 作 用 来 改变 加 到 电 枢 上 的 电 压 ， 假 定 开 闭 周 期 为 T， 每 次 闭 合的 时 间 为 ， 则 电 枢 两 端 的 平 均 电 压 为（ 4-22）rUUTU d =式 中 r 开 关 导 通 率 ，或 称 占 空 比 。 可 见 ， 当 T不 变 （ 频 率 固 定 ） 时 ， 只 要 改 变 接 通 时间 ， 就 可 改 变 电 枢 两 端 的

66、平 均 电 压 （ 如 图 1 2 ， 则UdlUd2） ， 从 而 改 变 电 动 机 的 转 速 。 一 般 T选 得 比 电 动机 的 时 间 常 数 小 得 多 ， 因 此 用 这 种 方 法 来 控 制 电 动 机 不会 引 起 转 速 脉 动 。 通 常 选 开 关 频 率 为 500rUUTUd = （ 4-22）2500H z， 频 率 太 低 ，电 枢 电 流 容 易 断 续 ，使 机 械 特 性 变 坏 ， 精确 度 降 低 ； 频 率 过 高 ， 三 极 管 单 位 时 间 内 转 换 次 数 太 多 ， 管耗 增 大 。 为 了 保 证 开 关 断 开 时 ， 电 枢 电 流 还 能 维 持 连续 ， 在 电 枢 两 端 并 联 一 个 续 流 二 极 管 ， 当 开 关 断 开 时 ，贮 存 在 电 枢 电 感 中 的 能 量 可 以 通 过 续 流 二 极 管 释 放 ，这 样 尽 管 电 压 呈 脉 冲 状 ， 电 流 仍 然 连 续 。图 4-34所 示 电 路 只 能 控 制 电 动 机 单 方 向 旋 转 。在 机 床 进 给 系 统 中 一 般是