数 控 技 术 华中科技大学机械科学与工程学院.

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1 数 控 技 术 华中科技大学机械科学与工程学院

2 第4章 进给伺服驱动系统 4.1 概述 4.2 位置检测装置 4.3 进给电机及驱动 4.4 进给伺服系统的控制原理和方法

3 4.3 进给电机及驱动 CNC装置发出的位移指令信号，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. 进给驱动系统的组成： 驱动器和电机。 进给电机的类型： 步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机和直线电机。

4 4.3 进给电机及驱动 步进电机及驱动 驱动器每向步进电机输入一个电脉冲信号，步进电机转动一个角度，称为步距角，通过齿轮和丝杠带动工作台移动。 步进式进给伺服驱动系统属于开环控制系统。 步进电机转过的角度与电脉冲信号个数成正比，转动速度与电脉冲信号的频率成正比。 优点：电机具有自锁能力； 每转一周都有固定的步数，理论上说步距误差不会累积。 缺点： 在大负载和速度较高的情况下容易失步，能耗较大。 应用：步进电机的速度不高，在脉冲当量为1μm/脉冲时，最高移动速度为2m/min，主要用于速度和精度要求不太高的经济型数控机床和旧机床改造。

5 4.3 进给电机及驱动

6 4.3 进给电机及驱动 1. 步进电机分类：常见的分类方式有按相数、按产生力矩的原理、按输出力矩的大小和结构进行分类
4.3 进给电机及驱动 1. 步进电机分类：常见的分类方式有按相数、按产生力矩的原理、按输出力矩的大小和结构进行分类 按相数分：有三相、四相、五相、六相等。相数越多，步距角越小，输出转矩越大，但结构也越复杂。通电方式采用m相m拍、双m拍和m相2m拍等。 按力矩产生的原理分：有反应式、永磁反应式和混合式三类。 按输出力输出力矩的大小分：快速步进电机（0.07Nm～4Nm）和功率步进电机（5 Nm～50 Nm）两类。 按结构分类：有轴向分相式（即多段式）和径向分相式（即单段式）。

7 4.3 进给电机及驱动 2. 步进电机工作原理 反应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有激磁绕组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合工作。 定子 转子 定子绕组

8 4.3 进给电机及驱动 A IA 定子 B IB 转子 IC 两个相对的磁极组成一相。
4.3 进给电机及驱动 两个相对的磁极组成一相。 A B 定子 转子 IA IB IC 注意：这里的“相”和三相交流电中的“相”的概念不同。步进电机通的是电脉冲，主要是指线图的联接和组数的区别。

9 4.3 进给电机及驱动 步进电机的工作方式(通电顺序)可分为： 三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。 1）三相单三拍：
4.3 进给电机及驱动 步进电机的工作方式(通电顺序)可分为： 三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。 1）三相单三拍： 三相绕组联接方式：Y 型 三相绕组中的通电顺序为 A 相  B 相  C 相 通电顺序也可以为： A 相  C 相 B 相

10 4.3 进给电机及驱动 B' A' C C' B A 3 4 1 2 A 相通电 B相通电 C相通电 B '

11 7.2 步进电机及其驱动控制系统 4.3 进给电机及驱动 三相单三拍的工作特点： 每来一个电脉冲，转子转过 30；
4.3 进给电机及驱动 三相单三拍的工作特点： 每来一个电脉冲，转子转过 30； 转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序； 每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失去自锁转矩，容易产生失步； 只有一相绕组产生力矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡 。

12 4.3 进给电机及驱动 2）三相六拍工作方式 通电顺序为： A→AB→B→BC→C→CA→A…（逆时针）
4.3 进给电机及驱动 2）三相六拍工作方式 通电顺序为： A→AB→B→BC→C→CA→A…（逆时针） A→AC→C→BC→B→CA→A…（顺时针）

13 4.3 进给电机及驱动 三相六拍工作特点： 每步转过15°，步距角是三相三拍工作方式的一半，
4.3 进给电机及驱动 三相六拍工作特点： 每步转过15°，步距角是三相三拍工作方式的一半， 电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比较平稳。 3）双三拍工作方式 定子绕组通电顺序： AB→BC→CA→AB…（转子逆时针旋转） AC→BC→CA→…（转子顺时针旋转） 有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍旋转30°。 双三拍工作特点：始终有一相定子绕组通电，工作比较平稳。避免了单三拍通电方式的缺点。

14 4.3 进给电机及驱动 3. 步进电机实际结构： 转子齿数很多，齿数越多，步距角越小。定子磁极上的齿的齿距与转子的齿距相同，但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的1／m（m电机相数）。 每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距的1／m（如三相三拍）或1／2m（如三相六拍）达到新的平衡位置。

15 4.3 进给电机及驱动 若转子40个齿，通电为三相三拍方式。当转子齿与A相定子齿对齐时，转子齿与B相定子齿相差（3°），与C相定子齿相差（6°）。

16 4.3 进给电机及驱动 4. 步进电机的主要特性 1）步距角α 每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。
4.3 进给电机及驱动 4. 步进电机的主要特性 1）步距角α 每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。 m—定子相数；z—转子齿数；k—通电系数， m相m拍，k＝1；m相2m拍，k＝2。 α一般很小，如：3°／1.5°，1.5°／0.75°，0.72°／0.36°等

17 4.3 进给电机及驱动 2）静态矩角特性 静态：步进电机处于通电状态，转子处在不动状态。
4.3 进给电机及驱动 2）静态矩角特性 静态：步进电机处于通电状态，转子处在不动状态。 静态转矩Mj ：在电机轴上施加一个负载转矩M，转子会在载荷方向上转过一个角度θ（失调角），转子因而受到一个电磁转矩Mj的作用与负载平衡。 矩角特性：步进电机单相通电的静态转矩Mj随失调角θ的变化曲线。

18 4.3 进给电机及驱动 4.3.2 交流伺服电机及驱动 伺服驱动的发展历程： 步进电机→直流伺服电机→交流伺服电机→…
4.3 进给电机及驱动 4.3.2 交流伺服电机及驱动 伺服驱动的发展历程： 步进电机→直流伺服电机→交流伺服电机→… 旋转式电机→直线电机→… 理由：闭环提高精度。 直流伺服电机调速方便，90年代以前（交流在性能成本方面不占优）大量使用。但直流伺服电机的容量小、结构复杂、有电刷、体积大和重量重，因此，其应用受到限制。随着交流伺服驱动性价比提高，交流伺服驱动电机已渐渐取代了直流伺服电机。

19 4.3 进给电机及驱动 1. 交流伺服电机的种类、结构及工作原理 （1） 交流伺服电机的种类及特点
4.3 进给电机及驱动 1. 交流伺服电机的种类、结构及工作原理 （1） 交流伺服电机的种类及特点 交流伺服电机有同步型和异步型两大类。异步型交流电机指的是交流感应电机。同步型交流电机按转子结构不同可分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。数控机床中多用永磁式同步电机。

20 4.3 进给电机及驱动 异步型交流伺服电机： 优点：与同容量的直流电机相比重量轻（1/2），价格便宜(1/3)；
4.3 进给电机及驱动 异步型交流伺服电机： 优点：与同容量的直流电机相比重量轻（1/2），价格便宜(1/3)； 缺点：转速受负载的变化影响较大，不能经济地实现范围较广的平滑调速，效率较低、功率因数低 应用：主轴驱动系统。 永磁式同步电机： 优点：比直流电机结构简单、运行可靠、体积约小1/2，质量减轻60﹪，转子惯量可减小到1/5、 效率高。 缺点：启动特性欠佳、控制复杂 应用：进给驱动

21 4.3 进给电机及驱动 （2）交流永磁同步电机的工作原理与特性 结构：电机由定子、转子和检测元件组成。 脉冲编码器 转子 定子 接线盒
4.3 进给电机及驱动 （2）交流永磁同步电机的工作原理与特性 结构：电机由定子、转子和检测元件组成。 VS 脉冲编码器 转子 定子 接线盒 定子三相绕组

22 4.3 进给电机及驱动 nr＝ns＝60f1／p ns—同步转速， θ θ—转子磁极的轴线与定子磁极的轴线夹角， nr—转子旋转转速，
4.3 进给电机及驱动 nS N ns nr θ S nr＝ns＝60f1／p ns—同步转速， θ—转子磁极的轴线与定子磁极的轴线夹角， nr—转子旋转转速， f1—交流电源频率（定子供电频率）， p—定子和转子的极对数 通过调节频率和极对数实现调速。

23 4.3 进给电机及驱动 2. 交流同步电机的变频调速原理 交流电机的电动势方程、转矩方程：
4.3 进给电机及驱动 2. 交流同步电机的变频调速原理 交流电机的电动势方程、转矩方程： U1 —定子每相相电压；E1 —定子每相绕组感应电动势； N1 —定子每相绕组匝数； K1 —定子每相绕组匝数系数； —每极气隙磁通量；Tm—电机电磁转矩； Ia —转子电枢电流； —转子电枢电流的相位角。

24 7.4 交流伺服电机及其速度控制系统 4.3 进给电机及驱动
4.3 进给电机及驱动 在变频调速的同时，要求供电电压也随之变化，即满足U1/ f1为定值，以确保磁通量不变。 因为变频调速时，当U1不变，增加频率f1，则磁通量减小，导致电机输出转矩Tm下降。电机负载能力降低；若减小频率f1，磁通量增加，定子电流上升，导致铁损增加。 变频调速控制方式： 基频以下调速——当电机在f1的额定参数下运行时，供电频率低于额定值。 基频以上调速——当电机在f1的额定参数上运行时，供电频率高于额定值。

25 4.3 进给电机及驱动 3．交流同步伺服电机的变频器 变频器将交流恒压恒频的供电电源转变为变压变频的供电电源。 （1）变频器类型
4.3 进给电机及驱动 3．交流同步伺服电机的变频器 变频器将交流恒压恒频的供电电源转变为变压变频的供电电源。 （1）变频器类型 变频器可分为交—交变频器（直接变频器）和交—直—交变频器（间接变频器）两种。 应用最多的是交—直—交变频器。 根据变频电源的性质，又可分为电压源变频器和电流源变频器。

26 4.3 进给电机及驱动 交—交变频： 利用可控硅整流器直接将工频交流电（频率50Hz）变成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输出负脉冲，脉动交流电的基波就是所需的变频电压。 该方法所得的交流电波动比较大，且最大频率即为变频器输入的工频电压频率。

27 4.3 进给电机及驱动 交—直—交变频： 先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成矩形脉冲波电压，矩形脉冲波的基波是所需的变频电压。
4.3 进给电机及驱动 交—直—交变频： 先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成矩形脉冲波电压，矩形脉冲波的基波是所需的变频电压。 该调频方式所得交流电的波动小，调频范围比较宽，调节线性度好。

28 4.3 进给电机及驱动 （2）正弦波脉冲调制（SPWM）逆变器
4.3 进给电机及驱动 （2）正弦波脉冲调制（SPWM）逆变器 脉宽调制（PWM）变频——是通过脉冲信号控制逆变器开关元件的导通和关断时间比（即调节脉冲的宽度）来控制输出电压的大小和频率，从而实现调速。 u u t t U U t t

29 4.3 进给电机及驱动 正弦脉宽调制（SPWM）——是利用有正弦波特性的脉冲信号去控制逆变器开关元件的通、断时间比。此时，变频器输出近似于正弦波的电流，使得电机电源近似为正弦交流电。 SPWM变频器是目前数控机床应用最广泛的变频器。

30 4.3 进给电机及驱动 SPWM原理 单相调制原理 正弦脉宽调制（SPWM）波形:与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波。
4.3 进给电机及驱动 u ωt O a) b) SPWM原理 单相调制原理 正弦脉宽调制（SPWM）波形:与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波。 等效原理：把正弦波分成n等分，每一区间面积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替。 正弦波的正负半周均如此处理。

31 4.3 进给电机及驱动 三相SPWM变频器的主回路结构图 整流器：将三相工频交流电变成直流电 逆变器：将整流输出的直流电压变成三相交流电

32 4.3 进给电机及驱动 直线电机及驱动 直线电机直接驱动工件台直线运动。取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零，故这种传动方式又称为“直接驱动”，也称“零传动”。适用于进给驱动速度高于60m/min以上，加速度1g以上的高速数控机床。

33 4.3 进给电机及驱动 优点： 电机惯量小，系统响应快、速度高，速度和加速度都可提高10倍以上（700m/min，40G）。
4.3 进给电机及驱动 优点： 电机惯量小，系统响应快、速度高，速度和加速度都可提高10倍以上（700m/min，40G）。 运动更加平稳、噪声低、传动效率高，动态刚度高。 可设计成均布对称，工作台运动时受力均匀分布，运动推力平衡 可无限延长定子的行程，运动的行程不受限制 并可在全行程上安装使用多个工作台 缺点： 没有机械联接或啮合，垂直轴传动需要外加一个平衡块或制动器 磁铁对电机部件的吸力很大，需解决防护、隔磁问题

34 4.3 进给电机及驱动 直线电机的类型和结构 如果将旋转电机沿过轴线的平面剖开，并将定子、转子圆周展开成平面，便形成了扁平形直线电机。固定不动的部分称为定子，动作部分称为动子。 由感应式旋转电机演变的直线电机称感应式直线电机。 由永磁式旋转电机演变的直线电机称永磁式直线电机。

35 4.3 进给电机及驱动 感应式直线电机的演变：

36 4.3 进给电机及驱动 永磁式直线电机的演变：

37 4.3 进给电机及驱动 旋转电机演变为圆筒型直线电机的过程

38 4.3 进给电机及驱动 弧型直线电机 圆盘型直线电机

39 7.5直线电机及其在数控机床中的应用简介 4.3 进给电机及驱动 2.直线电机的基本工作原理
4.3 进给电机及驱动 2.直线电机的基本工作原理 直线电机不仅在结构上相当于是从旋转电机演变而来的，而且其工作原理也与旋转电机相似。 动子 定子 定子 光栅 动子

40 4.3 进给电机及驱动 同步线速度vs： 初级的运动速度： 直线电机的电磁推力公式： —初级的极距； f —电源频率 S—滑差率
4.3 进给电机及驱动 同步线速度vs： —初级的极距； f —电源频率 S—滑差率 初级的运动速度： 直线电机的电磁推力公式： 1-初级 次级 3-行波磁场

41 7.5直线电机及其在数控机床中的应用简介 4.3 进给电机及驱动 3. 直线电机伺服系统
4.3 进给电机及驱动 3. 直线电机伺服系统 原理与旋转型电机相同，只是在端部由于磁场不均匀，推力与电流呈非线性、且有波动，控制难度增加。

42 课后思考: 1. 步进伺服驱动系统、交流伺服驱动系统的组成，及各单元的功能； 2. 步进电机与交流同步电机调速方法；
3. 查阅关于直流电机相关资料，了解与掌握直线电机的特性及应用。

43 结束