数控技术及应用第6章 数控机床的电气驱动-进给伺服电机

晶体管脉宽调制（ 晶体管脉宽调制（PWM）直流调速系统 ） （1）PWM系统的组成及工作原理 ） 系统的组成及工作原理
脉宽调制：使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下，开关频 率保持恒定，用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变 输出，从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的 电压脉冲。 脉宽连续变化，使得电枢电压平均值连续变化，进而导致电机转 速连续变化。
大惯量直流伺服电机的结构如下图所示：
优点： 1.能承受的峰值电流和过载倍数高。 2.具有较大的转矩/惯量比。 3.低速时输出的转矩大,转动惯量比较大。 4.调速范围大,基本在1:1000以上。 5.转子的热容量大,电机的过载性能好。 6.具有高精度的检测元件。 缺点：转子温度高;“里翻外” 。
目前用的最多的是永久磁铁励磁的永磁式直流电动机。 永磁式宽调速直流电动机的特点：
数控机床主轴电动机
主轴驱动与进给驱动相比有相当大的差别，但从驱动的速度 控制系统而言，无论交流或直流调速，与进给驱动系统并无 实质的差别。 数控机床主轴驱动的特殊问题：主轴控制涉及数控机床的 G/S/M/T G/S/M/T控制功能，故对主轴电机提出以下要求： （1）主轴输出大功率，为了满足生产率的要求，通常主传动 电动机应为2.5~250kw的功率范围，因此，对功率驱动电 路提出了更高的要求 （2）调速范围要足够大，一般要求能在1：（100~1000） 范围内的恒转速调速，1：10的恒功率调速，并能实现四象 限驱动功能。
速度控制单元
采用大功率晶体管斩波器的速度控制单元，也称为PWM调速 单元，即脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）的缩写。 直流PWM调速的基本原理 调速的基本原理：利用大功率晶体管（简称GTR) 直流 调速的基本原理 作为斩波器，其电源为直流固定电压，开关频率为常值，根 据控制信号的大小来改变每一周期内“接通”和“断开”的 时间长短，即改变“接通”脉宽，使直流电机电枢上电压的 “占空比”改变，从而改变其平均电压，完成电动机的转速 控制。 占空比（ ）：在一串理想的脉冲序列中（如方波）， 占空比（Duty Cycle）： ）： 正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。 例如：脉冲宽度1µs，信号周期4µs的脉冲序列占空比为0.25。 直流斩波是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为 直流斩波 DC/DC变换。 斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式，Ts（周期）不 斩波器的工作方式 变，改变Ton（通用，Ton为开关每次接通的时间），二是频 率调制方式，Ton不变，改变Ts（易产生干扰）。
交流伺服电机结构
永磁交流伺服电机结构与工作原理
工作原理：定子三相绕组接上电源后，产生一个旋转磁场， 该旋转磁场以同步转速n0旋转； 定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引，并带动转 子以同步转速n0一起旋转； 当转子轴上加有负载转矩后，造成定子磁场轴线与转子磁 极轴线不重合，相差一个θ角，负载转矩发生变化时， θ角 也发生变化。 只要不超过一定限度，转子始终跟随定子的旋转磁场以同 步转速n0旋转。
速度反馈
速度控制单元
晶体管直流斩波器：直流PWM速度控制单元的主回 晶体管直流斩波器 路就是大功率晶体管直流斩波器，它的作用是讲直 流电源电压Um变成宽度可调的方波脉冲，然后施 加到电动机电枢两端。直流PWM斩波器类型较多， 主要用的是倍频式斩波器，也称为桥式斩波器。用 倍频式斩波器时，电动机电枢电压频率是晶体管开 关频率的两倍。 脉冲宽度调制器：产生PWM脉冲的环节，它产生的 脉冲宽度调制器 PWM脉冲经驱动电路放大后，驱动主回路（晶体 管斩波器）中的大功率晶体管。经常采用倍频式脉 宽调制器，与倍频式斩波器对应使用。
直流进给速度控制单元
U = Ea + I a Ra Ea = Ceφn U − Ea U − Ceφn Ia = = Ra RA I a Ra U n= − Ceφ Ceφ S U = Um , T U m − 脉冲幅值，T − 周期，S − 脉冲宽度；
直流进给速度控制单元
直流电机的机械特性公式
Hale Waihona Puke 永磁式宽调速直流电动机的缺点：
1、控制不如步进电机简单，快速响应性能也不如小惯量电 动机； 2、由于转子采用了良好的绝缘，耐温可达150℃~200 ℃， 在如此高温下，热量会通过转轴传到丝杠，导致丝杠热变 形，影响传动精度。 3、电刷易磨损，需要维修和保养。
3. 直流伺服电机的工作原理 （1）永磁式直流电机工作原理
交流进给伺服电机可分为两种: （1）无刷直流电动机（BDCM)：定子放置三相对称 绕组，转子永磁体，气隙磁场按方波分布，其调速 方式也是采用脉冲宽度调制（PWM)，相当于三个 换向片的直流电动机，但换向由晶体管进行； （2）永磁同步电动机（PMSM)：定子放置三相对称 绕组，转子永磁体，气隙磁场按正弦波分布；永磁 同步电动机电流控制方法主要有两种，即滞环法和 同步开关法。
Ua Ra n= − M 2 Ceφ CeCmφ
公式中，n为电机转速，Ua为电枢外加电压，Ce为反电动势常数， Φ为电机磁通量，Ra为电枢电阻，Cm为转矩常数，M为电磁转 矩。
直流电机的三种调速方法。
(1)改变电枢外加电压Ua。该方法可以得到调速范围较宽的恒转矩 特性，机械特性好，适用于主轴驱动的低速段和进给驱动。 (2)改变磁通量Φ。可得到恒功率特性，适用于主轴驱动的高速段， 不适合于进给驱动。 (3)改变电枢电路的电阻Ra。该方法得到的机械特性较软，不能实 现无级调速，也不适合于数控机床。
（2）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕组和补偿绕组，转子绕组通过电刷供电。 转子磁场与定子磁场始终正交，产生转矩，转子旋转。
速度控制单元
直流伺服电机是在其速度控制单元的控制下 运转的，直流伺服电机的运行性能由速度控制单元 性能直接决定。 直流伺服电机速度控制单元分类（按主回路类型）： （1）晶闸管相控整流器； （2）大功率晶体管斩波器。性能大大由于前者。
η − 驱动系统的效率；
l −电机轴每转的机械位移量（cm） ; M f − 折算到电机轴上的滚珠丝杠、螺母部分、 轴承部分的摩擦转矩(N • cm） ，不包括η。
进给伺服电动机的负载计算
计算负载转矩，应充分考虑的问题： 计算负载转矩，应充分考虑的问题：
（1）由于镶条、压板面所产生的摩擦转矩必须充分考虑。 ）由于镶条、压板面所产生的摩擦转矩必须充分考虑 通常，根据滑块的重量和摩擦系数计算的转矩很小，但 是必须考虑由于镶条、压板面和导轨表面因摩擦力所产 生的摩擦转矩。 （2）由于轴承和滚珠丝杠螺母的预加负载和预紧力作用， ）由于轴承和滚珠丝杠螺母的预加负载和预紧力作用， 滚动接触表面的摩擦转矩都不能忽略。 滚动接触表面的摩擦转矩都不能忽略。 （3）摩擦转矩受进给速率的影响。 ）摩擦转矩受进给速率的影响。 （4）摩擦转矩随调整情况、环境温度和润滑条件而变化。 ）摩擦转矩随调整情况、环境温度和润滑条件而变化。
进给伺服电动机的负载计算
2、进给伺服电动机惯量与负载惯量的匹配 在设计数控机床进给系统时，给定最大 快速移动速度的前提下，系统惯量尽可能 减小，这要求选择合适电机和进行优化设 计。电机惯量与负载惯量应该与快速移动 速度想适应。
进给伺服电动机的负载计算
2、进给伺服电动机惯量与负载惯量的匹配
电机惯量与负载惯量匹配应该考虑下述因素： （1）加速转矩等于加速度乘以总惯量（电动机惯量+负 载惯量），即Ma=aJ。电机惯量与负载惯量匹配就要考 虑加速时间、加速转矩和总惯量之间关系。 （2）数控机床进给系统是由伺服电机通过齿轮副和滚珠 丝杠带动工作台和工件做往复直线运动。由伺服系统 产生的Ma一部分被负载惯量吸收（ Ma1 =aJ1），另一 部分被电动机转子吸收，其值为Mam=aJ1m,即： Ma= Ma1+Mam 必须保证负载转矩小于等于额定转矩。
直流伺服电机的选用
转矩百分比=负载转矩/连续额定转矩 选用直流伺服电机的原则： （1）当机床在无切削运行时，在整个速度范围内， 其负载转矩应在电动机连续额定转矩范围以内； （2）最大切削转矩的倍数设定（工作载荷百分比和 工作时间）应在电动机的载荷特性所规定的范围内。 （3）在加减速时，应当工作在加减速工作区内。 （在加减速时，总转矩=负载转矩+惯性转矩，惯 性转矩大小取决于加速度的大小和负载惯量的大小， 而加速度大小又取决于希望的加速时间。 （4）负载惯量对电动机灵敏度和快速移动时间有很 大影响，一般说，负载惯量必须不大于电动机转子 惯量的三倍。
交流伺服电机
直流进给伺服电机和直流主轴电机都用 明显弱点：机械换向器和电刷存在降低了电 机运行可靠性，增加维护和保养负担，因此 交流伺服电机应用越来越广泛。 交流进给伺服电机与直流进给伺服电机 相比较，就是把定子和转子的位置互换，这 样互换省去了机械换向器和电刷，代之以电 子换向器或逆变器。
交流伺服电机
1.高性能的铁氧体具有大的矫顽力和足够的厚度，能承受高的峰值电流， 以满足快的加减速要求； 2.大惯量结构使其具有打的热容量，可以允许较长的过载工作时间； 3.低速高转矩特性和大惯量结构，使其可以与机床进给丝杠直接连接； 4.通过仔细选择电刷材料和精心设计磁场分布，可以使其在较大加速度 下仍具有良好的换相性能； 5.绝缘等级高，从而保证电动机在往复过载的情况下仍有较长的寿命； 6. 在电动机轴上装有速度和位置检测器件，可以得到精密的速度和位置 检测信号，因此可以实现速度和位置的闭环控制。
第6章 数控机床的电气驱动 章
进给伺服电动机
进给伺服电动机
一、进给伺服电动机的负载计算 数控机床进给系统的伺服电机是根据负 载条件来进行选择的。 加在电机轴上的负载有两种：负载转矩 和负载惯量。负载转矩包括切削转矩和摩擦 转矩。
进给伺服电动机的负载计算
1、负载转矩计算
Fl M= +Mf 2πη 式中 : M − 加到电到电机轴上的负矩(N • cm） ； F − 轴向移动滑块所需的力（N）；