數(shù)控機(jī)床電氣驅(qū)動

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1、 1. 數(shù) 控 機(jī) 床 伺 服 系 統(tǒng) 的 概 念 數(shù) 控 機(jī) 床 伺 服 系 統(tǒng) 是 以 數(shù) 控 機(jī) 床 移 動 部 件（ 如 工 作 臺 、 主 軸 或 刀 具 等 ） 的 位 置 和 速 度 為 控制 對 象 的 自 動 控 制 系 統(tǒng) ， 也 稱 為 隨 動 系 統(tǒng) 、 拖 動系 統(tǒng) 或 伺 服 機(jī) 構(gòu) 。 它 接 受 CNC裝 置 輸 出 的 插 補(bǔ) 指 令 ，并 將 其 轉(zhuǎn) 換 為 移 動 部 件 的 機(jī) 械 運(yùn) 動 （ 主 要 是 轉(zhuǎn) 動和 平 動 ） 。 伺 服 系 統(tǒng) 是 數(shù) 控 機(jī) 床 的 重 要 組 成 部 分 ，是 數(shù) 控 裝 置 和 機(jī) 床 本 體 的 聯(lián) 系 環(huán) 節(jié)

2、 ， 其 性 能 直 接影 響 數(shù) 控 機(jī) 床 的 精 度 、 工 作 臺 的 移 動 速 度 和 跟 蹤精 度 等 技 術(shù) 指 標(biāo) 。 通 常 將 伺 服 系 統(tǒng) 分 為 開 環(huán) 系 統(tǒng) 和 閉 環(huán) 系 統(tǒng) 。 開 環(huán) 系 統(tǒng)通 常 主 要 以 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 作 為 控 制 對 象 ， 閉 環(huán) 系 統(tǒng) 通 常 以 直流 伺 服 電 動 機(jī) 或 交 流 伺 服 電 動 機(jī) 作 為 控 制 對 象 。 速 度 環(huán) 由 速 度 調(diào) 節(jié) 器 、 電 流 調(diào) 節(jié) 器 及 功 率 驅(qū) 動放 大 器 等 部 分 組 成 ， 利 用 測 速 發(fā) 電 機(jī) 、 脈 沖 編 碼 器等 速 度 傳 感 元 件

3、 ， 作 為 速 度 反 饋 的 測 量 裝 置 。 位 置環(huán) 是 由 CNC裝 置 中 位 置 控 制 、 速 度 控 制 、 位 置 檢 測與 反 饋 控 制 等 環(huán) 節(jié) 組 成 ， 用 以 完 成 對 數(shù) 控 機(jī) 床 運(yùn) 動坐 標(biāo) 軸 的 控 制 。 數(shù) 控 機(jī) 床 運(yùn) 動 坐 標(biāo) 軸 的 控 制 不 僅 要完 成 單 個 軸 的 速 度 位 置 控 制 ， 而 且 在 多 軸 聯(lián) 動 時 ，要 求 各 移 動 軸 具 有 良 好 的 動 態(tài) 配 合 精 度 ， 這 樣 才 能保 證 加 工 精 度 、 表 面 粗 糙 度 和 加 工 效 率 。 (1)伺 服 系 統(tǒng) 的 作 用2)根

4、據(jù) CNC裝 置 發(fā) 出 的 控 制 信 息 對 機(jī) 床 移 動 部 件 的 位 置 和 速 度進(jìn) 行 控 制 。 1) 數(shù) 控 伺 服 系 統(tǒng) 具 有 放 大 控 制 信 號 的 能 力 。(2)數(shù) 控 機(jī) 床 對 伺 服 系 統(tǒng) 應(yīng) 具 有 的 基 本 性 能1)高 精 度 ： 伺 服 系 統(tǒng) 的 精 度 指 輸 出 量 能 夠 復(fù) 現(xiàn) 輸 入 量 的 精 確程 度 。 由 于 數(shù) 控 機(jī) 床 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 的 運(yùn) 動 是 由 伺 服 電 動 機(jī) 直 接 驅(qū)動 的 ， 為 了 保 證 移 動 部 件 的 定 位 精 度 和 零 件 輪 廓 的 加 工 精 度 ，要 求 伺 服 系 統(tǒng) 應(yīng)

5、 具 有 足 夠 高 的 定 位 精 度 和 聯(lián) 動 坐 標(biāo) 的 協(xié) 調(diào) 一致 精 度 。 一 般 的 數(shù) 控 機(jī) 床 要 求 的 定 位 精 度 為 0.010.001mm，高 檔 設(shè) 備 的 定 位 精 度 要 求 達(dá) 到 0.1m以 上 。 在 速 度 控 制 中 ， 要求 高 的 調(diào) 速 精 度 和 比 較 強(qiáng) 的 抗 負(fù) 載 擾 動 能 力 。 即 伺 服 系 統(tǒng) 應(yīng)具 有 比 較 好 的 動 、 靜 態(tài) 精 度 。 2)良 好 的 穩(wěn) 定 性 穩(wěn) 定 性 是 指 系 統(tǒng) 在 給 定 輸 入 作 用 下 ， 經(jīng) 過 短 時間 的 調(diào) 節(jié) 后 達(dá) 到 新 的 平 衡 狀 態(tài) ； 或 在

6、 外 界 干 擾 作 用 下 ， 經(jīng) 過 短時 間 的 調(diào) 節(jié) 后 重 新 恢 復(fù) 到 原 有 平 衡 狀 態(tài) 的 能 力 。 穩(wěn) 定 性 直 接 影響 數(shù) 控 加 工 的 精 度 和 表 面 粗 糙 度 ， 為 了 保 證 切 削 加 工 的 穩(wěn) 定 均勻 ， 數(shù) 控 機(jī) 床 的 伺 服 系 統(tǒng) 應(yīng) 具 有 良 好 的 抗 干 擾 能 力 ， 以 保 證 進(jìn)給 速 度 的 均 勻 、 平 穩(wěn) 。3 動 態(tài) 響 應(yīng) 速 度 快 動 態(tài) 響 應(yīng) 速 度 是 伺 服 系 統(tǒng) 動 態(tài) 品 質(zhì) 的 重 要指 標(biāo) ， 它 反 映 了 系 統(tǒng) 的 跟 蹤 精 度 。 目 前 數(shù) 控 機(jī) 床 的 插 補(bǔ) 時

7、 間 一般 在 20ms以 下 ， 在 如 此 短 的 時 間 內(nèi) 伺 服 系 統(tǒng) 要 快 速 跟 蹤 指 令 信號 ， 要 求 伺 服 電 動 機(jī) 能 夠 迅 速 加 減 速 ， 以 實(shí) 現(xiàn) 執(zhí) 行 部 件 的 加 減速 控 制 ， 并 且 要 求 很 小 的 超 調(diào) 量 。 4 調(diào) 速 范 圍 要 寬 ， 低 速 時 能 輸 出 大 轉(zhuǎn) 矩 。 機(jī) 床 的 調(diào) 速 范 圍RN是 指 機(jī) 床 要 求 電 動 機(jī) 能 夠 提 供 的 最 高 轉(zhuǎn) 速 nmax和 最 低 轉(zhuǎn)速 nmin之 比 ， 即 ： minmaxnnR N 車 床 的 主 軸 伺 服 系 統(tǒng) 一 般 是 速 度 控 制 系

8、統(tǒng) ， 除 了 一 般 要 求 之外 ， 還 要 求 主 軸 和 伺 服 驅(qū) 動 可 以 實(shí) 現(xiàn) 同 步 控 制 ， 以 實(shí) 現(xiàn) 螺 紋 切 削 的 加 工 要 求 。 有 的 車 床 要 求 主 軸 具 有 恒 線 速 功 能 。 機(jī) 床 的 加 工 特 點(diǎn) 是 低 速 時 進(jìn) 行 重 切 削 ， 因 此 要 求 伺 服系 統(tǒng) 應(yīng) 具 有 低 速 時 輸 出 大 轉(zhuǎn) 矩 的 特 性 ， 以 適 應(yīng) 低 速 重 切 削的 加 工 實(shí) 際 要 求 ， 同 時 具 有 較 寬 的 調(diào) 速 范 圍 以 簡 化 機(jī) 械 傳動 鏈 ， 進(jìn) 而 增 加 系 統(tǒng) 剛 度 ， 提 高 轉(zhuǎn) 動 精 度 。 一

9、般 情 況 下 ，進(jìn) 給 系 統(tǒng) 的 伺 服 控 制 屬 于 恒 轉(zhuǎn) 矩 控 制 ， 而 主 軸 坐 標(biāo) 的 伺 服控 制 在 低 速 時 為 恒 轉(zhuǎn) 矩 控 制 ， 高 速 時 為 恒 功 率 控 制 。 5)高 性 能 電 動 機(jī) 伺 服 電 動 機(jī) 是 伺 服 系 統(tǒng) 的 重 要 組 成 部 分 ，為 使 伺 服 系 統(tǒng) 具 有 良 好 的 性 能 ， 伺 服 電 動 機(jī) 也 應(yīng) 具 有 高 精 度 、快 響 應(yīng) 、 寬 調(diào) 速 和 大 轉(zhuǎn) 矩 的 性 能 。 具 體 是 ：（ 1） 電 動 機(jī) 從 最 低 速 到 最 高 速 的 調(diào) 速 范 圍 內(nèi) 能 夠 平 滑 運(yùn) 轉(zhuǎn) ，轉(zhuǎn) 矩 波

10、 動 要 小 ， 尤 其 是 在 低 速 時 要 無 爬 行 現(xiàn) 象 ；（ 2） 電 動 機(jī) 應(yīng) 具 有 大 的 、 長 時 間 的 過 載 能 力 ， 一 般 要 求 數(shù)分 鐘 內(nèi) 過 載 46倍 而 不 燒 毀 ；（ 3） 為 了 滿 足 快 速 響 應(yīng) 的 要 求 ， 即 隨 著 控 制 信 號 的 變 化 ，電 動 機(jī) 應(yīng) 能 在 較 短 的 時 間 內(nèi) 達(dá) 到 規(guī) 定 的 速 度 ；（ 4） 電 動 機(jī) 應(yīng) 能 承 受 頻 繁 啟 動 、 制 動 和 反 轉(zhuǎn) 的 要 求 。 2.伺 服 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 的 分 類 （ 1） 驅(qū) 動 方 式 分 類 液 壓 伺 服 系 統(tǒng) 、 氣 壓

11、伺 服系 統(tǒng) 和 電 氣 伺 服 系 統(tǒng) 伺 服 系 統(tǒng) 可 以 分 為 電 液 伺 服 系 統(tǒng) 和 電 氣 伺 服 系 統(tǒng) ， 電 液 伺服 系 統(tǒng) 的 執(zhí) 行 元 件 是 電 液 脈 沖 馬 達(dá) 和 電 液 伺 服 馬 達(dá) 。 但 由 于該 系 統(tǒng) 存 在 噪 音 、 漏 油 等 問 題 ， 其 逐 漸 被 電 氣 伺 服 系 統(tǒng) 所 取代 。 電 氣 伺 服 系 統(tǒng) 全 部 采 用 電 子 元 件 和 電 動 機(jī) 部 件 ， 操 作 方便 ， 可 靠 性 高 。 目 前 電 氣 伺 服 系 統(tǒng) 的 驅(qū) 動 元 件 主 要 有 步 進(jìn) 電動 機(jī) 、 直 流 伺 服 電 動 機(jī) 和 交 流

12、伺 服 電 動 機(jī) ， 有 關(guān) 這 些 驅(qū) 動 元件 的 工 作 原 理 可 以 參 閱 本 章 中 的 相 關(guān) 內(nèi) 容 。 （ 3） 按 有 無 檢 測 元 件 和 反 饋 環(huán) 節(jié) 分 類 ， 伺 服 系 統(tǒng) 可 以 分 為 開環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 、 閉 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 和 半 閉 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 。 開 環(huán) 伺 服系 統(tǒng) 與 閉 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 如 前 所 述 。 半 閉 環(huán) 與 閉 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 的結(jié) 構(gòu) 一 致 ， 只 是 位 置 檢 測 元 件 不 直 接 安 裝 在 最 終 運(yùn) 動 部 件上 （ 工 作 臺 ） ， 而 是 傳 動 裝 置 的 一 個 環(huán) 節(jié) 上

13、（ 如 絲 杠 或 傳動 軸 上 ） ， 由 于 傳 動 鏈 有 一 部 分 在 位 置 環(huán) 以 外 ， 在 位 置 環(huán)以 外 的 傳 動 精 度 得 不 到 系 統(tǒng) 的 補(bǔ) 償 ， 因 此 其 控 制 精 度 低 于閉 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 。 但 對 于 閉 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) ， 由 于 受 機(jī) 械 變 形 、溫 度 變 化 、 振 動 以 及 其 他 因 素 的 影 響 ， 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 性 較 差 。同 時 由 于 半 閉 環(huán) 的 反 饋 量 測 量 方 便 等 特 點(diǎn) ， 使 半 閉 環(huán) 伺 服系 統(tǒng) 也 得 到 廣 泛 應(yīng) 用 。 （ 2） 驅(qū) 動 執(zhí) 行 元 件 分 類 ，

14、 可 分 為 直 流 電 動 機(jī) 伺 服 系 統(tǒng) 、 交 流電 動 機(jī) 伺 服 系 統(tǒng) 、 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 伺 服 系 統(tǒng) 。（ 4） 按 輸 出 被 控 制 量 的 性 質(zhì) 分 類 ， 可 分 為 位 置 伺 服 系 統(tǒng) 、速 度 伺 服 系 統(tǒng) . 4.進(jìn) 給 伺 服 電 動 機(jī) 的 類 型 伺 服 電 動 機(jī) 為 數(shù) 控 伺 服 系 統(tǒng) 的 重 要 組 成 部 分 ， 是 速 度 和軌 跡 控 制 的 執(zhí) 行 元 件 。 數(shù) 控 機(jī) 床 中 常 用 的 伺 服 電 機(jī) ： 直 流 伺 服 電 機(jī) （ 調(diào) 速 性 能 良 好 ） 交 流 伺 服 電 機(jī) （ 主 要 使 用 的 電 機(jī)

15、） 步 進(jìn) 電 機(jī) （ 適 于 輕 載 、 負(fù) 荷 變 動 不 大 ） 直 線 電 機(jī) （ 高 速 、 高 精 度 ） 1.由 于 直 流 伺 服 電 動 機(jī) 使 用 機(jī) 械 (電 刷 、 換 向 器 )換 向 ， 因 此存 在 許 多 缺 點(diǎn) 。 而 直 流 伺 服 電 動 機(jī) 優(yōu) 良 的 調(diào) 速 特 性 正 是 通過 機(jī) 械 換 向 得 到 的 ， 因 而 這 些 缺 點(diǎn) 無 法 克 服 。 2.交 流 伺 服 電 動 機(jī) 與 直 流 伺 服 電 動 機(jī) 相 比 最 大 的 優(yōu) 點(diǎn) 在 于它 不 需 要 維 護(hù) ， 制 造 簡 單 ， 適 合 于 在 惡 劣 環(huán) 境 下 工 作 。 目前

16、， 國 外 的 交 流 伺 服 系 統(tǒng) 已 實(shí) 現(xiàn) 了 全 數(shù) 字 化 ， 即 在 伺 服 系統(tǒng) 中 ， 除 了 驅(qū) 動 級 外 ， 全 部 功 能 均 由 微 處 理 器 完 成 ， 可 高速 、 實(shí) 時 地 實(shí) 現(xiàn) 前 饋 控 制 、 補(bǔ) 償 、 最 優(yōu) 控 制 、 等 功 能 。 應(yīng)用 于 進(jìn) 給 驅(qū) 動 的 交 流 伺 服 電 動 機(jī) 有 交 流 同 步 電 動 機(jī) 與 異 步電 動 機(jī) 兩 大 類 。 由 于 數(shù) 控 機(jī) 床 進(jìn) 給 驅(qū) 動 的 功 率 一 般 不 大 (數(shù) 百 至 數(shù) 千 瓦 )，而 交 流 異 步 電 動 機(jī) 的 調(diào) 速 指 標(biāo) 一 般 不 如 交 流 同 步 電

17、 動 機(jī) ，因 此 大 多 數(shù) 進(jìn) 給 伺 服 系 統(tǒng) 采 用 永 磁 式 交 流 同 步 電 動 機(jī) 。 4.2 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 伺 服 系 統(tǒng) 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 伺 服 系 統(tǒng) 主 要 應(yīng) 用 于 開 環(huán) 位 置 控 制 中 ，該 系 統(tǒng) 由 環(huán) 形 分 配 器 、 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 、 驅(qū) 動 電 源 等 部分 組 成 。 這 種 系 統(tǒng) 簡 單 容 易 控 制 ， 維 修 方 便 且 控 制為 全 數(shù) 字 化 ， 比 較 適 應(yīng) 當(dāng) 前 計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 發(fā) 展 的 趨 勢 4.2.1步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的 工 作 原 理1. 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 分 類 步 進(jìn) 電 動 機(jī)

18、的 分 類 方 法 很 多 ， 根 據(jù) 不 同 的 分 類 方式 ， 可 將 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 分 為 多 種 類 型 ， 如 表 所 示 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 是 一 種 將 電 脈 沖 信 號 轉(zhuǎn) 換 為 機(jī) 械 角 位 移 的 電 磁機(jī) 械 裝 置 。 又 叫 脈 沖 馬 達(dá) 。 每 施 加 一 個 電 脈 沖 信 號 ， 步 進(jìn)電 動 機(jī) 就 旋 轉(zhuǎn) 一 個 固 定 的 角 度 ， 稱 為 一 步 ， 每 一 步 所 轉(zhuǎn) 過的 角 度 稱 為 步 距 角 。 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的 分 類分 類 方 式 具 體 類 型按 力 矩 產(chǎn) 生 的 原 理 （ 1） 反 應(yīng) 式 ： 轉(zhuǎn) 子 無

19、 繞 組 ， 由 被 激 磁 的 定 子 繞 組 產(chǎn) 生 反 應(yīng) 力 矩 實(shí)現(xiàn) 步 進(jìn) 運(yùn) 行（ 2） 激 磁 式 ： 定 、 轉(zhuǎn) 子 均 有 激 磁 繞 組 （ 或 轉(zhuǎn) 子 用 永 久 磁 鋼 ） ， 由電 磁 力 矩 實(shí) 現(xiàn) 步 進(jìn) 運(yùn) 行按 輸 出 力 矩 大 小 （ 1） 伺 服 式 ： 輸 出 力 矩 在 百 分 之 幾 到 十 分 之 幾 （ Nm） 只 能 驅(qū) 動 較 小 的 負(fù)載 ， 要 與 液 壓 扭 矩 放 大 器 配 用 ， 才 能 驅(qū) 動 機(jī) 床 工 作 臺 等 較 大 的 負(fù) 載 （ 2） 功 率 式 ： 輸 出 力 矩 在 550 Nm以 上 ， 可 以 直 接 驅(qū)

20、 動 機(jī) 床 工 作 臺 等 較 大的 負(fù) 載按 定 子 數(shù) （ 1） 單 定 子 式 ； （ 2） 雙 定 子 式 ； （ 3） 三 定 子 式 ； （ 4） 多 定 子式按 各 相 繞 組 分 布 （ 1） 徑 向 分 相 式 ： 電 機(jī) 各 相 按 圓 周 依 次 排 列（ 2） 軸 向 分 相 式 ： 電 機(jī) 各 相 按 軸 向 依 次 排 列 2 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的 結(jié) 構(gòu) 目 前 ， 我 國 使 用 的 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 多 為 反 應(yīng) 式 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 。 在反 應(yīng) 式 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 中 ， 有 軸 向 分 相 和 徑 向 分 相 兩 種 。 圖 所 示是 一

21、典 型 的 單 定 子 、 徑 向 分 相 、 反 應(yīng) 式 (轉(zhuǎn) 子 是 帶 齒 的 鐵 心(反 應(yīng) 式 )或 磁 鋼 (混 合 式 )， 無 繞 組 。 )伺 服 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的 結(jié) 構(gòu)原 理 圖 1-繞 組 2-定 子 鐵 心 3-轉(zhuǎn) 子 鐵 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 可 構(gòu) 成 A、 B、 C三 相 控 制 繞 組 ， 故 稱 三 相 步 進(jìn)電 動 機(jī) 。 若 任 一 相 繞 組 通 電 ，便 形 成 一 組 定 子 磁 極 ， 其 方 向即 圖 中 所 示 的 NS極 。 在 定 子 的每 個 磁 極 上 面 向 轉(zhuǎn) 子 的 部 分 ，又 均 勻 分 布 著 5個 小 齒 ， 這 些

22、 小齒 呈 梳 狀 排 列 ， 齒 槽 等 寬 ， 齒間 夾 角 為 。 轉(zhuǎn) 子 上 沒 有 繞 組 ，只 有 均 勻 分 布 的 40個 齒 ， 其 大小 和 間 距 與 定 子 上 的 完 全 相 同 。 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的 齒 距 三 相 定 子 磁 極 上 的 小 齒 在 空 間 位 置 上 依 次 錯 開 1/3齒 距 ，如 圖 所 示 。 當(dāng) A相 磁 極 上 的 小 齒 與 轉(zhuǎn) 子 上 的 小 齒 對 齊 時 ， B相 磁 極 上 的 齒 剛 好 超 前 （ 或 滯 后 ） 轉(zhuǎn) 子 齒 1/3齒 距 角 ， C相 磁極 齒 超 前 （ 或 滯 后 ） 轉(zhuǎn) 子 齒 2/3齒 距

23、 角 。 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 每 走 一步 所 轉(zhuǎn) 過 的 角 度 稱 為 步 距 角 ， 其 大 小 等 于 錯 齒 的 角 度 。 錯 齒角 度 的 大 小 取 決 于 轉(zhuǎn) 子 上 的 齒 數(shù) ， 磁 極 數(shù) 越 多 ， 轉(zhuǎn) 子 上 的 齒數(shù) 越 多 ， 步 距 角 越 小 ， 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的 位 置 精 度 越 高 ， 其 結(jié) 構(gòu)也 越 復(fù) 雜 。 軸 向 分 相 反 應(yīng) 式 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 結(jié) 構(gòu) 原 理 圖 各 段 定 子 鐵 心 形 如 內(nèi) 齒 輪 ， 由 硅 鋼 片 疊 成 。 轉(zhuǎn) 子 形 如 外 齒輪 ， 也 由 硅 鋼 片 疊 成 。 各 段 定 子 上 的 齒

24、在 圓 周 方 向 均 勻 分 布 ，彼 此 之 間 錯 開 1/5齒 距 ， 其 轉(zhuǎn) 子 齒 彼 此 不 錯 位 。 當(dāng) 設(shè) 置 在 定 子 鐵 心 環(huán) 形 槽 內(nèi) 的 定 子 繞 組 通 電 時 ， 形 成 一 相 環(huán) 形 繞 組 ， 構(gòu)成 圖 中 所 示 的 磁 力 線 。 3.步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的 工 作 原 理 當(dāng) A相 繞 組 通 電 時 ， 轉(zhuǎn) 子 的 齒 與 定 子 AA上 的 齒 對 齊 。 若 A相 斷 電 ， B相 通電 ， 由 于 磁 力 的 作 用 ， 轉(zhuǎn) 子 的 齒 與 定 子 BB上 的 齒 對 齊 ， 轉(zhuǎn) 子 沿 順 時 針 方 向 轉(zhuǎn)過 ， 如 果 控 制

25、線 路 不 停 地 按 A B C A 的 順 序 控 制 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 繞 組 的 通 斷電 ， 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 子 便 不 停 地 順 時 針 轉(zhuǎn) 動 。 若 通 電 順 序 改 為 A C B A ，步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 子 將 逆 時 針 轉(zhuǎn) 動 。 這 種 通 電 方 式 稱 為 三 相 三 拍 ， 而 通 常 的 通 電方 式 為 三 相 六 拍 ， 其 通 電 順 序 為 A AB B BC C CA A 及A AC C CB B BA A ， 相 應(yīng) 地 ， 定 子 繞 組 的 通 電 狀 態(tài) 每 改 變 一 次 ， 轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn) 過 。 因 此 在 本 例

26、 中 ， 三 相 三 拍 的 通 電 方 式 其 步 距 角 等 于 ， 三 相 六 拍 通 電 方式 其 步 距 角 等 于 綜 上 所 述 ， 可 以 得 到 如 下 結(jié) 論 ：（ 1） 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 定 子 繞 組 的 通 電 狀 態(tài) 每 改 變 一 次 ， 它 的 轉(zhuǎn) 子 便 轉(zhuǎn) 過 一 個 確 定 的角 度 ， 即 步 距 角 ；（ 2） 改 變 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 定 子 繞 組 的 通 電 順 序 ， 轉(zhuǎn) 子 的 旋 轉(zhuǎn) 方 向 隨 之 改 變 ；（ 3） 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 定 子 繞 組 通 電 狀 態(tài) 的 改 變 速 度 越 快 ， 其 轉(zhuǎn) 子 旋 轉(zhuǎn) 的 速 度 越

27、 快 ，即 通 電 狀 態(tài) 的 變 化 頻 率 越 高 ， 轉(zhuǎn) 子 的 轉(zhuǎn) 速 越 高 ；（ 4） 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 步 距 角 與 定 子 繞 組 的 相 數(shù) m、 轉(zhuǎn) 子 的 齒 數(shù) z、 通 電 方 式 k有 關(guān) ，可 用 下 式 表 示 ：式 中 m相 m拍 時 ， k=1； m相 2m拍 時 ， k=2。對 于 上 圖 所 示 的 單 定 子 、 徑 向 分 相 、 反 應(yīng) 式 步 進(jìn) 電 動 機(jī) ， 當(dāng) 它 以 三 相 三 拍 通 電方 式 工 作 時 ， 其 步 距 角 為 若 按 三 相 六 拍 通 電 方 式 工 作 ， 則 步 距 角 為 )/(360 mzk 3)140

28、3/(360)/(360 mzk 5.1)2403/(360)/(360 mzk 4 2 2 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的 驅(qū) 動 電 源 由 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的 工 作 原 理 知道 ， 要 使 電 動 機(jī) 正 常 的 一 步 一 步 地 運(yùn) 行 ， 控 制 脈 沖 必 須 按 一定 的 順 序 分 別 供 給 電 動 機(jī) 各 相 ， 例 如 三 相 單 拍 驅(qū) 動 方 式 ， 供給 脈 沖 的 順 序 為 A B C A或 A C B A， 稱 為 環(huán) 形 脈 沖 分配 。 脈 沖 分 配 有 兩 種 方 式 ： 一 種 是 硬 件 脈 沖 分 配 （ 或 稱 為 脈沖 分 配 器 ） ，

29、另 一 種 是 軟 件 脈 沖 分 配 ， 是 由 計(jì) 算 機(jī) 的 軟 件 完成 的 。 環(huán) 形 分 配 器 可 用 數(shù) 字 集 成 電 路 系 列 中 的 基 本 門 電 路 和 觸 發(fā)器 構(gòu) 成 ， 但 這 樣 構(gòu) 成 的 環(huán) 形 分 配 器 過 于 復(fù) 雜 。 實(shí) 用 的 環(huán) 形 分 配器 均 是 集 成 化 的 專 用 電 路 芯 片 ， 這 些 芯 片 通 常 還 包 括 除 脈 沖 分配 控 制 之 外 的 其 他 功 能 2 軟 件 脈 沖 分 配在 計(jì) 算 機(jī) 控 制 的 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 中 ， 可 以 采 用 軟 件 的 方 法 實(shí) 現(xiàn) 環(huán) 形脈 沖 分

30、配 。 軟 件 環(huán) 形 分 配 器 的 設(shè) 計(jì) 方 法 有 很 多 ， 如 查 表 法 、 比 較 法 、 移位 寄 存 器 法 等 ， 它 們 各 有 特 點(diǎn) ， 其 中 常 用 的 是 查 表 法 。8031P1.0P1.1P1.2 功 率 放 大 器光 電 耦 合 器光 電 耦 合 器 功 率 放 大 器 步 進(jìn)電 機(jī)ABC光 電 耦 合 器 功 率 放 大 器單 片 機(jī) 控 制 的 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 驅(qū) 動 電 路 框 圖 P1口 的 三 個 引 腳 經(jīng) 過 光 電 隔 離 、 功 率 放 大 之 后 ， 分 別 與 電 動 機(jī) 的 A、 B、 C三 相 連 接 。 當(dāng) 采用 三 相

31、 六 拍 方 式 時 ， 電 動 機(jī) 正 轉(zhuǎn) 的 通 電 順 序 為 A AB B BC C CA A； 電 動 機(jī) 反 轉(zhuǎn) 的 順序 為 A AC C CB B BA A。 它 們 的 環(huán) 形 分 配 如 表 6-2所 示 。 把 表 中 的 數(shù) 值 按 順 序 存 入 內(nèi)存 的 EPROM中 ， 并 分 別 設(shè) 定 表 頭 的 地 址 為 TAB0， ， 表 尾 的 地 址 為 TAB5。 計(jì) 算 機(jī) 的 P1口 按 從 表頭 開 始 逐 次 加 1的 順 序 變 化 ， 電 動 機(jī) 正 向 旋 轉(zhuǎn) 。 如 果 按 從 TAB5， 逐 次 減 1的 順 序 變 化 ， 電 動機(jī) 則 反 轉(zhuǎn)

32、 。 步 序 導(dǎo) 電 相 工 作 狀 態(tài) 數(shù) 值 （ 16進(jìn) 制 ） 程 序 的 數(shù) 據(jù)表正 轉(zhuǎn) 反 轉(zhuǎn) CBA TABA 0 0 1 01H TAB0 DB 01HAB 0 1 1 03H TAB1 DB 03HB 0 1 0 02H TAB 2 DB 02HBC 1 1 0 06H TAB3 DB 06HC 1 0 0 04H TAB4 DB 04HCA 1 0 1 05H TAB5 DB 05H計(jì) 算 機(jī) 的 三 相 六 拍 環(huán) 形 分 配 表 1)步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的 主 要 特 性(1)步 距 角 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 步 距 角 是 反 映 步 進(jìn) 電 機(jī) 定 子 繞 組的 通 電

33、 狀 態(tài) 每 改 變 一 次 ， 轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 過 的 角 度 ， 它 是 決 定 步進(jìn) 伺 服 系 統(tǒng) 脈 沖 當(dāng) 量 的 重 要 參 數(shù) 。 數(shù) 控 機(jī) 床 中 常 見 的 反應(yīng) 式 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 步 距 角 一 般 為 0.5 步 距 角 越小 ， 數(shù) 控 機(jī) 床 的 控 制 精 度 越 高 。 4.2.4步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的 主 要 特 性 及 選 用 2） 矩 角 特 性 、 最 大 靜 態(tài) 轉(zhuǎn) 矩 Mjmax 矩 角 特 性 是 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 一 個 重 要 特 性 ， 它 是 指 步 進(jìn) 電 機(jī) 產(chǎn) 生的 靜 態(tài) 轉(zhuǎn) 矩 與 失 調(diào) 角 的 變 化 規(guī) 律 。 空 載

34、 時 ， 若 步 進(jìn) 電 機(jī) 某 相 繞組 通 電 ， 根 據(jù) 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 工 作 原 理 ， 電 磁 力 矩 會 使 得 轉(zhuǎn) 子 齒 槽與 該 相 定 子 齒 槽 相 對 齊 ， 這 時 ， 轉(zhuǎn) 子 上 沒 有 力 矩 輸 出 。 如 果 在電 機(jī) 軸 上 加 一 逆 時 針 方 向 的 負(fù) 載 轉(zhuǎn) 矩 M， 則 步 進(jìn) 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 子 就 要 逆時 針 方 向 轉(zhuǎn) 過 一 個 角 度 才 能 重 新 穩(wěn) 定 下 來 ， 這 時 轉(zhuǎn) 子 上 受 到的 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 和 負(fù) 載 轉(zhuǎn) 矩 相 等 。 我 們 稱 為 靜 態(tài) 轉(zhuǎn) 矩 Mj ， e為 失調(diào) 角 。 不 斷 改 變 值 M，

35、 對 應(yīng) 的 就 有 值 及 角 e ， 得 到 與 的 函數(shù) 曲 線 ， 如 圖 所 示 。 我 們 稱 曲 線 Mj = f（ ） 為 轉(zhuǎn) 矩 失調(diào) 角 特 性 曲 線 ， 或 稱 為 矩 角 特 性 。 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 靜 態(tài) 矩 角 特 性 曲 線 3） 啟 動 轉(zhuǎn) 矩 q 圖 中 曲 線 A和 曲 線 B的 交 點(diǎn) 所 對 應(yīng) 的 力 矩 是 電 機(jī) 運(yùn) 行狀 態(tài) 的 最 大 啟 動 轉(zhuǎn) 矩 。 當(dāng) 負(fù) 載 力 矩 M f 小 于 q時 ， 電 機(jī) 才能 正 常 啟 動 運(yùn) 行 ， 否 則 ， 將 造 成 失 步 ， 電 機(jī) 也 不 能 正 常 啟動 。 一 般 地 ， 隨 著

36、電 機(jī) 相 數(shù) 的 增 加 ， 由 于 矩 角 特 性 曲 線 變密 ， 相 鄰 兩 矩 角 特 性 曲 線 的 交 點(diǎn) 上 移 ， Mq 會 使 增 加 ；改 變 m相 m拍 通 電 方 式 為 m相 2m拍 通 電 方 式 ， 同 樣 會 使 得 以提 高 。 3） 空 載 啟 動 頻 率 fq 空 載 時 ， 步 進(jìn) 電 機(jī) 由 靜 止突 然 啟 動 , 并 進(jìn) 入 不 丟 步 的 正 常 運(yùn) 行 所 允 許 的 最高 頻 率 ， 稱 為 啟 動 頻 率 或 突 跳 頻 率 。 若 啟 動 時 頻率 大 于 突 跳 頻 率 ， 步 進(jìn) 電 機(jī) 就 不 能 正 常 啟 動 。 空載 啟 動

37、 時 ， 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 定 子 繞 組 通 電 狀 態(tài) 變 化 的頻 率 不 能 高 于 該 突 跳 頻 率 。4） 連 續(xù) 運(yùn) 行 的 最 高 工 作 頻 率 fmax 步 進(jìn) 電 機(jī) 連 續(xù) 運(yùn) 行 時 ， 它 所 能 接 受 的 ， 即 保 證 不丟 步 運(yùn) 行 的 極 限 頻 率 ， 稱 為 最 高 工 作 頻 率 fmax。它 是 決 定 定 子 繞 組 通 電 狀 態(tài) 最 高 變 化 頻 率 的 參 數(shù) ，它 決 定 了 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 最 高 轉(zhuǎn) 速 。 5） 矩 頻 特 性 與 動 態(tài) 轉(zhuǎn)矩 矩 頻 特 性 Md=F(f) 所 描 述 的 是 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 連續(xù)

38、 穩(wěn) 定 運(yùn) 行 時 輸 出 轉(zhuǎn) 矩 與連 續(xù) 運(yùn) 行 頻 率 之 間 的 關(guān) 系 。如 圖 所 示 ， 該 特 性 曲 線 上每 一 頻 率 所 對 應(yīng) 的 轉(zhuǎn) 矩 為動 態(tài) 轉(zhuǎn) 矩 。 可 見 ， 動 態(tài) 轉(zhuǎn)矩 的 基 本 趨 勢 是 隨 連 續(xù) 運(yùn)行 頻 率 的 增 大 而 降 低 。 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的 矩 頻 特 性 曲 線 6） 加 減 速 特 性 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 加 減 速 特 性 是 描 述 步 進(jìn) 電機(jī) 由 靜 止 到 工 作 頻 率 和 由 工 作 頻 率 到 靜 止 的 加 減 速 過程 中 ， 定 子 繞 組 通 電 狀 態(tài) 的 變 化 頻 率 與 時 間 的

39、關(guān) 系 。當(dāng) 要 求 步 進(jìn) 電 機(jī) 啟 動 到 大 于 突 跳 頻 率 的 工 作 頻 率 時 ，變 化 速 度 必 須 逐 漸 上 升 ； 同 樣 ， 從 最 高 工 作 頻 率 或 高干 突 跳 頻 率 的 工 作 頻 率 停 止 時 ， 變 化 速 度 必 須 逐 漸 下降 。 逐 漸 上 升 和 下 降 的 加 速 時 間 、 減 速 時 間 不 能 過 小 ，否 則 會 出 現(xiàn) 失 步 或 超 步 。 我 們 用 加 速 時 間 常 數(shù) 和 減速 時 間 常 數(shù) 來 描 述 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 升 速 和 降 速 特 性 ， 2.步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的 選 擇 選 擇 步 進(jìn) 電

40、動 機(jī) 時 可 從 以 下 幾 個 方 面 考 慮 。(1)數(shù) 控 機(jī) 床 中 常 使 用 的 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 按 結(jié) 構(gòu) 可 分 為 反 應(yīng) 式 和 永磁 反 應(yīng) 式 步 進(jìn) 電 動 機(jī) ， 按 相 數(shù) 可 分 為 三 相 、 四 相 和 五 相 等步 進(jìn) 電 動 機(jī) ， 按 輸 出 力 矩 可 分 為 伺 服 式 (功 率 較 小 )和 功 率 式(功 率 較 大 )步 進(jìn) 電 動 機(jī) 。 數(shù) 控 機(jī) 床 上 大 多 使 用 功 率 式 步 進(jìn) 電動 機(jī) 。 反 應(yīng) 式 步 進(jìn) 電 動 機(jī) (如 110BF， 130BF， 150BF)的 價格 低 于 永 磁 反 應(yīng) 式 步 進(jìn) 電

41、動 機(jī) ， 但 性 能 上 不 如 永 磁 反 應(yīng) 式步 進(jìn) 電 動 機(jī) 。 在 選 擇 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 時 ， 首 先 要 確 定 步 進(jìn) 電 動機(jī) 的 類 型 。 (2)根 據(jù) 機(jī) 床 的 加 工 精 度 要 求 ， 選 擇 進(jìn) 給 軸 的 脈 沖 當(dāng) 量 ， 如0 01 nltn或 0 005mm。 (3)根 據(jù) 所 選 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的 步 距 角 、 絲 杠 的 螺 距 以 及 所 要 求 的脈 沖 當(dāng) 量 ， 計(jì) 算 減 速 齒 輪 的 降 速 比 。 采 用 減 速 齒 輪 具 有 如下 優(yōu) 點(diǎn) ： 容 易 配 置 出 所 要 求 的 脈 沖 當(dāng) 量 ； 減 小 工 作

42、 臺 和 絲 杠 折 算 到 電 動 機(jī) 軸 上 的 慣 量 ； 增 大 工 作 臺 的 推 力 。 但 采 用 減 速 齒 輪 會 帶 來 額 外 的 傳 動誤 差 ， 使 機(jī) 床 的 快 速 移 動 速 度 降 低 ， 而 且 它 自 身 又 引 入 附 加的 轉(zhuǎn) 動 慣 量 。 (4)電 動 機(jī) 在 最 快 移 動 速 度 時 ， 由 矩 頻 特 性 決 定 的 電 動 機(jī) 輸出 轉(zhuǎn) 矩 要 大 于 負(fù) 載 轉(zhuǎn) 矩 ， 并 留 有 余 量 。 通 常 負(fù) 載 轉(zhuǎn) 矩 應(yīng) 小于 0 2-0 3倍 的 電 動 機(jī) 最 大 靜 轉(zhuǎn) 矩 。(5)步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的 啟 動 頻 率 與 負(fù) 載

43、 轉(zhuǎn) 矩 和 慣 量 有 很 大 關(guān) 系 。通 常 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的 帶 載 啟 動 頻 率 應(yīng) 小 于 空 載 啟 動 頻 率的 一 半 。 提 高 步 進(jìn) 伺 服 系 統(tǒng) 精 度 的 措 施 （ 補(bǔ) ） 步 進(jìn) 式 伺 服 系 統(tǒng) 是 一 個 開 環(huán) 系 統(tǒng) ， 在 此 系 統(tǒng) 中 ， 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的質(zhì) 量 、 機(jī) 械 傳 動 部 分 的 結(jié) 構(gòu) 和 質(zhì) 量 以 及 控 制 電 路 的 完 善 與 否 ，均 影 響 到 系 統(tǒng) 的 工 作 精 度 。 要 提 高 系 統(tǒng) 的 工 作 精 度 ， 應(yīng) 從 這 幾個 方 面 考 慮 ： 如 改 善 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 性 能 ，

44、減 小 步 距 角 ； 采 用 精 密傳 動 副 ， 減 少 傳 動 鏈 中 傳 動 間 隙 等 。 但 這 些 因 素 往 往 由 于 結(jié) 構(gòu)和 工 藝 的 關(guān) 系 而 受 到 一 定 的 限 制 。 為 此 ， 需 要 從 控 制 方 法 上 采取 一 些 措 施 ， 彌 補(bǔ) 其 不 足 。 1 反 向 間 隙 補(bǔ) 償在 進(jìn) 給 傳 動 結(jié) 構(gòu) 中 ， 提 高 傳 動 元 件 的 制 造 精 度 并 采取 消 除 傳 動 間 隙 的 措 施 ， 可 以 減 小 但 不 能 完 全 消 除傳 動 間 隙 。 機(jī) 械 傳 動 鏈 在 改 變 轉(zhuǎn) 向 時 ， 由 于 間 隙 的存 在 ， 最 初

45、 的 若 干 個 指 令 脈 沖 只 能 起 到 消 除 間 隙 的作 用 ， 造 成 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的 空 走 ， 而 工 作 臺 無 實(shí) 際 移動 ， 因 此 產(chǎn) 生 了 傳 動 誤 差 。 反 向 間 隙 補(bǔ) 償 的 基 本 方法 是 ： 事 先 測 出 反 向 間 隙 的 大 小 并 存 儲 ， 設(shè) 為 Nd；每 當(dāng) 接 收 到 反 向 位 移 指 令 后 ， 在 改 變 后 的 方 向 上 增加 Nd個 進(jìn) 給 脈 沖 ， 使 步 進(jìn) 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 動 越 過 傳 動 間 隙 ，從 而 克 服 因 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的 空 走 而 造 成 的 反 向 間 隙 誤差 。 （ 3）

46、 當(dāng) 機(jī) 床 工 作 臺 移 動 時 ， 安 裝 在 機(jī) 床 上 的 微 動 開 關(guān) 每 與 擋塊 接 觸 一 次 ， 就 發(fā) 出 了 一 個 誤 差 補(bǔ) 償 信 號 ， 對 螺 距 誤 差 進(jìn) 行 補(bǔ)償 ， 以 消 除 螺 距 的 積 累 誤 差 。 2 螺 距 誤 差 補(bǔ) 償 在 步 進(jìn) 式 開 環(huán) 伺 服 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 中 ， 絲 杠 的 螺 距 累 積 誤 差 直 接 影 響 著工 作 臺 的 位 移 精 度 ， 若 想 提 高 開 環(huán) 伺 服 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 的 精 度 ， 就 必 須 予以 補(bǔ) 償 。 通 過 對 絲 杠 的 螺 距 進(jìn) 行 實(shí) 測 ， 得 到 絲 杠 全 程 的

47、 誤 差 分 布 曲線 。 誤 差 有 正 有 負(fù) ， 當(dāng) 誤 差 為 正 時 ， 表 明 實(shí) 際 的 移 動 距 離 大 于 理 論的 移 動 距 離 ， 應(yīng) 該 采 用 扣 除 進(jìn) 給 脈 沖 指 令 的 方 式 進(jìn) 行 誤 差 的 補(bǔ) 償 ，使 步 進(jìn) 電 機(jī) 少 走 一 步 ； 當(dāng) 誤 差 為 負(fù) 時 ， 表 明 實(shí) 際 的 移 動 距 離 小 于 理論 的 移 動 距 離 ， 應(yīng) 該 采 取 增 加 進(jìn) 給 脈 沖 指 令 的 方 式 進(jìn) 行 誤 差 的 補(bǔ) 償 ，使 步 進(jìn) 電 機(jī) 多 走 一 步 。 具 體 的 做 法 是 ：（ 1） 安 置 兩 個 補(bǔ) 償 桿 分 別 負(fù) 責(zé)

48、正 誤 差 和 負(fù) 誤 差 的 補(bǔ) 償 ；（ 2） 在 兩 個 補(bǔ) 償 桿 上 ， 根 據(jù) 絲 杠 全 程 的 誤 差 分 布 情 況 及 如 上所 述 螺 距 誤 差 的 補(bǔ) 償 原 理 ， 設(shè) 置 補(bǔ) 償 開 關(guān) 或 擋 塊 ； 伺 服 電 機(jī) 是 轉(zhuǎn) 速 及 方 向 都 受 控 制 電 壓 信 號 控 制 的 一 類 電 動 機(jī) ， 常 在 自 動 控 制 系統(tǒng) 用 作 執(zhí) 行 元 件 。 伺 服 電 機(jī) 分 為 直 流 、 交 流 兩 大 類 。 直 流 伺 服 電 機(jī) 在 電 樞 控 制 時 具 有 良 好 的 機(jī) 械 特 性 和 調(diào) 節(jié) 特 性 。 機(jī) 電 時 間 常 數(shù) 小 ，起

49、 動 電 壓 低 。 其 缺 點(diǎn) 是 由 于 有 電 刷 和 換 向 器 ， 造 成 的 摩 擦 轉(zhuǎn) 矩 比 較 大 ， 有 火 花 干擾 及 維 護(hù) 不 便 。 4.3 直 流 、 交 流 伺 服 電 動 機(jī)4.3.1 直 流 伺 服 電 動 機(jī) 及 工 作 特 性1.、 直 流 伺 服 電 動 機(jī) 的 結(jié) 構(gòu) 和 工 作 原 理(1)永 磁 式 直 流 伺 服 電 動 機(jī) 普 通 型 永 磁 式 直 流 伺 服 電 動 機(jī) 轉(zhuǎn) 子 的 慣 量 大 ， 調(diào) 速 范 圍 寬 ， 又 叫 大 慣量 寬 調(diào) 速 永 磁 式 直 流 伺 服 電 動 機(jī) 。 廣 泛 應(yīng) 用 在 進(jìn) 給 直 流 伺 服

50、 系 統(tǒng) 中 。 1 直 流 伺 服 電 機(jī) 的 結(jié) 構(gòu) 1） 普 通 型 直 流 伺 服 電 機(jī) 普 通 型 直 流 伺 服 電 機(jī) 的 結(jié) 構(gòu) 與 他 激 直 流 電 機(jī) 的 結(jié) 構(gòu) 相 同 ， 由 定 子 和 轉(zhuǎn) 子 兩 大 部 分 組 成 。 根 據(jù) 勵 磁 方 式 又 可 分 為 電 磁式 和 永 磁 式 兩 種 ， 電 磁 式 伺 服 電 機(jī) 的 定 子 磁 極 上 裝 有 勵 磁繞 組 ， 勵 磁 繞 組 接 勵 磁 控 制 電 壓 產(chǎn) 生 磁 通 ； 永 磁 式 伺 服電 機(jī) 的 磁 極 是 永 磁 鐵 ， 其 磁 通 是 不 可 控 的 。 與 普 通 直 流 電機(jī) 相 同

51、， 直 流 伺 服 電 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 子 一 般 由 硅 鋼 片 疊 壓 而 成 ， 轉(zhuǎn)子 外 圓 有 槽 ， 槽 內(nèi) 裝 有 電 樞 繞 組 ， 繞 組 通 過 換 向 器 和 電 刷與 外 邊 電 樞 控 制 電 路 相 連 接 。 為 了 提 高 控 制 精 度 和 響 應(yīng) 速度 ， 伺 服 電 機(jī) 的 電 樞 鐵 心 長 度 與 直 徑 之 比 比 普 通 直 流 電 機(jī)要 大 ， 氣 隙 也 較 小 。 當(dāng) 定 子 中 的 勵 磁 磁 通 和 轉(zhuǎn) 子 中 的 電 流 相 互 作 用 時 ， 就 會產(chǎn) 生 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 驅(qū) 動 電 樞 轉(zhuǎn) 動 ， 恰 當(dāng) 地 控 制 轉(zhuǎn) 子 中 電 樞

52、 電 流的 方 向 和 大 小 ， 就 可 以 控 制 伺 服 電 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 動 方 向 和 轉(zhuǎn) 動 速度 。 電 流 為 零 時 ， 伺 服 電 機(jī) 則 停 止 不 動 。 普 通 的 電 磁 式 和永 磁 式 直 流 伺 服 電 機(jī) 性 能 接 近 ， 它 們 的 慣 性 較 其 他 類 型 伺服 電 機(jī) 大 。 2） 盤 形 電 樞 直 流 伺 服 電 機(jī) 盤 形 電 樞 直 流 伺 服 電 機(jī) 的 定 子 由 永 久 磁 鐵 和 前 后 鐵 軛 共同 組 成 ， 磁 鐵 可 以 在 圓 盤 電 樞 的 一 側(cè) ， 也 可 在 其 兩 側(cè) 。 盤形 伺 服 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 子 電 樞 由

53、線 圈 沿 轉(zhuǎn) 軸 的 徑 向 圓 周 排 列 ， 并 用環(huán) 氧 樹 脂 澆 鑄 成 圓 盤 形 。 盤 形 繞 組 通 過 的 電 流 是 徑 向 電流 ， 而 磁 通 是 軸 向 的 ， 徑 向 電 流 與 軸 向 磁 通 相 互 作 用 產(chǎn) 生電 磁 轉(zhuǎn) 矩 ， 使 伺 服 電 機(jī) 旋 轉(zhuǎn) 。 3） 空 心 杯 電 樞 直 流 伺 服 電 機(jī) 空 心 杯 電 樞 直 流 伺 服 電 機(jī) 有 兩 個 定 子 ， 一 個 由 軟 磁 材 料構(gòu) 成 的 內(nèi) 定 子 和 一 個 由 永 磁 材 料 構(gòu) 成 的 外 定 子 ， 外 定 子 產(chǎn)生 磁 通 ， 內(nèi) 定 子 主 要 起 導(dǎo) 磁 作 用

54、。 空 心 杯 伺 服 電 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 子由 單 個 成 型 線 圈 沿 軸 向 排 列 成 空 心 杯 形 ， 并 用 環(huán) 氧 樹 脂 澆鑄 成 型 。 空 心 杯 電 樞 直 接 裝 在 轉(zhuǎn) 軸 上 ， 在 內(nèi) 外 定 子 間 的 氣隙 中 旋 轉(zhuǎn) 。 4） 無 槽 直 流 伺 服 電 機(jī) 無 槽 直 流 伺 服 電 機(jī) 與 普 通 伺 服 電 機(jī) 的 區(qū) 別 是 無 槽 直 流伺 服 電 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 子 鐵 心 上 不 開 元 件 槽 ， 電 樞 繞 組 元 件 直 接放 置 在 鐵 心 的 外 表 面 ， 然 后 用 環(huán) 氧 樹 脂 澆 鑄 成 型 。 圖 5-14為 無 槽 直 流

55、伺 服 電 機(jī) 的 結(jié) 構(gòu) 圖 。 后 三 種 伺 服 電 機(jī) 與 普 通 伺 服 電 機(jī) 相 比 ， 由 于 轉(zhuǎn) 動 慣 量小 ， 電 樞 等 效 電 感 小 ， 因 此 其 動 態(tài) 特 性 較 好 ， 適 用 于快 速 系 統(tǒng) 。 aaIREUa a 2 直 流 伺 服 電 機(jī) 的 運(yùn) 行 特 性在 忽 略 電 樞 反 應(yīng) 的 情 況 下 ， 直 流 伺 服 電 機(jī) 的 電 壓 平 衡 方 程 為 Ua 電 樞 上 的 外 加 電 壓 ； Ra 電 樞 電 阻 ； Ea 電 樞 反 電 勢 。當(dāng) 磁 通 恒 定 時 ， 電 樞 的 反 電 動 勢 為 nknCE ea e式 中 , ke為

56、 電 動 勢 常 數(shù) 。 ata IkICT Tem 直 流 伺 服 電 機(jī) 的 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 為 式 中 ,kt為 轉(zhuǎn) 矩 常 數(shù) 。 將 上 述 三 式 聯(lián) 立 求 解 可 得 直 流 伺 服 電 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 關(guān) 系 式 為 emte ae TkkRkUan 根 據(jù) 式 上 式 可 得 直 流 伺 服 電 機(jī) 的 機(jī) 械 特 性 和 調(diào) 節(jié) 特 性 。 em0 kTnn nknCE ea e 1） 機(jī) 械 特 性 機(jī) 械 特 性 是 指 在 控 制 電 樞 電 壓 保 持 不 變 的 情 況 下 ， 直 流 伺服 電 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 隨 轉(zhuǎn) 矩 變 化 的 關(guān) 系 。 當(dāng) 電 樞 電

57、 壓 為 常 值 時 ，由得 到 (2) 當(dāng) 轉(zhuǎn) 速 為 零 時 ， 電 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 矩 僅 與 電 樞 電 壓 有 關(guān) ， 此 時的 轉(zhuǎn) 矩 稱 為 堵 轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn) 矩 。 堵 轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn) 矩 與 電 樞 電 壓 成 正 比 ， 即 taD kRUT 電 樞 控 制 的 直 流 伺 服 電 機(jī) 的 機(jī) 械 特 性 2） 調(diào) 節(jié) 特 性 直 流 伺 服 電 機(jī) 的 調(diào) 節(jié) 特 性 是 指 負(fù) 載 轉(zhuǎn) 矩 恒 定 時 ， 電 機(jī) 轉(zhuǎn)速 與 電 樞 電 壓 的 關(guān) 系 。 當(dāng) 轉(zhuǎn) 矩 一 定 時 ， 轉(zhuǎn) 速 與 電 壓 的 關(guān) 系也 為 一 組 平 行 線 ， 如 圖 所 示 。 其 斜 率 為 1/ke

58、。 當(dāng) 轉(zhuǎn) 速 為 零時 ， 對 應(yīng) 不 同 的 負(fù) 載 轉(zhuǎn) 矩 可 得 到 不 同 的 啟 動 電 壓 U。 當(dāng) 電樞 電 壓 小 于 啟 動 電 壓 時 ， 伺 服 電 機(jī) 將 不 能 啟 動 。 直 流 伺 服 電 機(jī) 的 調(diào) 節(jié) 特 性 靜 態(tài) 特 性 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 由 下 式 表 示 : KT 轉(zhuǎn) 矩 常 數(shù) ； 磁 場 磁 通 ； Ia 電 樞 電 流 ； TM 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 。 電 樞 回 路 的 電 壓 平 衡 方 程 式 為 : Ua 電 樞 上 的 外 加 電 壓 ； Ra 電 樞 電 阻 ； Ea 電 樞 反 電 勢 。 電 樞 反 電 勢 與 轉(zhuǎn) 速 之 間 有 以

59、 下 關(guān) 系 ： K e 電 勢 常 數(shù) ； 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 （ 角 速 度 ） 。 根 據(jù) 以 上 各 式 可 以 求 得 ： aTM IKT aaaa ERIU ea KE M2Te aea TKK RKU 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 與 電 磁 力 距 的關(guān) 系 稱 為 機(jī) 械 特 性 當(dāng) 負(fù) 載 轉(zhuǎn) 矩 為 零 時 ： 理 想 空 載 轉(zhuǎn) 速 當(dāng) 轉(zhuǎn) 速 為 零 時 ： 啟 動 轉(zhuǎn) 矩 又 稱 為 堵 轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn) 距 當(dāng) 電 機(jī) 帶 動 某 一 負(fù) 載 TL時 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 與 理 想 空 載 轉(zhuǎn) 速 的 差 ea0 KU Tgas KRUT L2Te a TKK R O 直 流 電 機(jī) 的 機(jī) 械

60、 特 性 （ n） OO TS T TL 的 值 表 明 機(jī) 械 特 性 的 硬 度 ， 其 值越 小 ， 機(jī) 械 特 性 硬 度 越 高 。 動 態(tài) 特 性直 流 電 機(jī) 的 動 態(tài) 力 矩 平 衡 方 程 式 為 式 中 TM 電 機(jī) 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 ； TL 折 算 到 電 機(jī) 軸 上 的 負(fù) 載 轉(zhuǎn) 矩 ； 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 子 角 速 度 ； J 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 子 上 總 轉(zhuǎn) 動 慣 量 ； t 時 間 自 變 量 。 dtdJTT LM 在 動 態(tài) 過 程 中 ， 電 機(jī) 由 直 流 電 能 轉(zhuǎn) 換 來 的 電 磁 轉(zhuǎn) 距 T M ， 克 服 負(fù) 載 轉(zhuǎn)距 后 ， 其 剩 余 部 分 用

61、于 克 服 機(jī) 械 慣 量 ， 產(chǎn) 生 加 速 度 ， 以 使 電 機(jī) 由 一 種狀 態(tài) 過 度 到 另 一 種 狀 態(tài) 。 為 了 取 得 平 穩(wěn) 、 快 速 、 無 震 蕩 、 單 調(diào) 性 的 轉(zhuǎn)速 過 程 ， 要 減 小 過 度 時 間 。 為 此 ， 小 慣 量 電 機(jī) 采 用 從 結(jié) 構(gòu) 上 減 小 轉(zhuǎn) 子的 轉(zhuǎn) 動 慣 量 J， 大 慣 量 電 機(jī) 采 用 結(jié) 構(gòu) 上 起 動 力 距 TS； 3 永 磁 式 直 流 伺 服 電 機(jī) 的 工 作 原 理 及 特 性 (1) 永 磁 式 直 流 伺 服 電 機(jī) 的 性 能 特 點(diǎn) 1) 低 轉(zhuǎn) 速 大 慣 量 2) 轉(zhuǎn) 矩 大 3) 起

62、 動 力 矩 大 4) 調(diào) 速 泛 圍 大 ， 低 速 運(yùn) 行 平 穩(wěn) ， 力 矩 波 動 小 (2) 永 磁 直 流 伺 服 電 機(jī) 性 能 用 特 性 曲 線 和 數(shù) 據(jù) 表 描 述 1) 轉(zhuǎn) 矩 -速 度 特 性 曲 線 （ 工 作 曲 線 ） 2) 負(fù) 載 -工 作 周 期 曲 線 過 載 倍 數(shù) Tmd， 負(fù) 載 工 作 周 期 比 d。 3) 數(shù) 據(jù) 表 ： N、 T、 時 間 常 數(shù) 、 轉(zhuǎn) 動 慣 量 等 等 。 d% 80 110% 120% 60 130% 140% 40 160% d 180% 20 200% 0 1 3 tR 6 10 30 60 100 tR(min)

63、 負(fù) 載 -工 作 周 期 曲 線 M/（ N-cm） 轉(zhuǎn) 矩 極 限 12000 10000 瞬 時 換 向 極 限 8000 6000 換 向 極 限 速 度 極 限 4000 溫 度 極 限 2000 0 500 1000 1500 n 永 磁 直 流 伺 服 電 機(jī) 工 作 曲 線 區(qū) 為 連 續(xù) 工 作 區(qū) ； 區(qū) 為 斷 續(xù) 工 作 區(qū) ， 由 負(fù)載 -工 作 周 期 曲 線 決 定 工 作 時 間 ； 區(qū) 為 瞬 時 加減 速 區(qū) 根 上 述 關(guān) 系 式 ， 實(shí) 現(xiàn) 電 機(jī) 調(diào) 速 是 主 要 方 法 有 三 種 ：1 調(diào) 節(jié) 電 樞 供 電 電 壓 U： 電 動 機(jī) 加 以 恒

64、 定 勵 磁 ， 用 改 變 電 樞 兩 端 電 壓 U的方 式 來 實(shí) 現(xiàn) 調(diào) 速 控 制 ， 這 種 方 法 也 稱 為 電 樞 控 制 ；2 減 弱 勵 磁 磁 通 ： 電 樞 加 以 恒 定 電 壓 ， 用 改 變 勵 磁 磁 通 的 方 法 來 實(shí) 現(xiàn)調(diào) 速 控 制 ， 這 種 方 法 也 稱 為 磁 場 控 制 ；3 改 變 電 樞 回 路 電 阻 R來 實(shí) 現(xiàn) 調(diào) 速 控 制 ；對 于 要 求 在 一 定 范 圍 內(nèi) 無 級 平 滑 調(diào) 速 的 系 統(tǒng) 來 說 ， 以 改 變 電 樞 電 壓 的 方 式最 好 ； 改 變 電 樞 回 路 電 阻 只 能 實(shí) 現(xiàn) 有 級 調(diào) 速 ，

65、 調(diào) 速 平 滑 性 比 較 差 ； 減 弱 磁通 ， 雖 然 具 有 控 制 功 率 小 和 能 夠 平 滑 調(diào) 速 等 優(yōu) 點(diǎn) ， 但 調(diào) 速 范 圍 不 大 ， 往 往只 是 配 合 調(diào) 壓 方 案 ， 在 基 速 （ 即 電 機(jī) 額 定 轉(zhuǎn) 速 ） 以 上 作 小 范 圍 的 升 速 控 制 。因 此 ， 直 流 伺 服 電 機(jī) 的 調(diào) 速 主 要 以 電 樞 電 壓 調(diào) 速 為 主 。 要 得 到 可 調(diào) 節(jié) 的 直 流 電 壓 ， 常 用 的 方 法 有 以 下 3種 方 法 ：旋 轉(zhuǎn) 變 流 機(jī) 組 、 靜 止 可 控 整 流 器 波 器 和 脈 寬 調(diào) 制 變 換 器 2.交

66、流 伺 服 電 動 機(jī) 概 述 1)交 流 伺 服 電 機(jī) 的 分 類 和 特 點(diǎn) 交 流 感 應(yīng) 電 機(jī) 按 所 用 電 源 種 類 可 以 分 為 三 相 和 單 相 兩 種 。從 結(jié) 構(gòu) 上 可 分 為 帶 換 向 器 和 不 帶 換 向 器 的 兩 種 。 通 常 多 用 不帶 換 向 器 的 三 相 感 應(yīng) 電 機(jī) ， 其 結(jié) 構(gòu) 是 定 子 上 裝 有 對 稱 三 相 繞組 ， 而 在 圓 柱 體 的 轉(zhuǎn) 子 鐵 芯 上 嵌 有 均 勻 分 布 的 導(dǎo) 條 ， 導(dǎo) 條 兩端 分 別 用 金 屬 環(huán) 連 成 一 個 整 體 (稱 籠 式 轉(zhuǎn) 子 )， 因 此 這 種 電 機(jī)也 稱 籠 式 電 機(jī) 。 當(dāng) 對 稱 三 相 繞 組 接 三 相 電 源 后 ， 由 電 源 提 供勵 磁 電 流 ， 在 定 子 和 轉(zhuǎn) 子 之 間 的 氣 隙 內(nèi) 建 立 起 同 步 轉(zhuǎn) 速 的 旋轉(zhuǎn) 磁 場 ， 依 靠 電 磁 感 應(yīng) 作 用 ， 在 轉(zhuǎn) 子 導(dǎo) 條 內(nèi) 產(chǎn) 生 感 應(yīng) 電 勢 ，因 為 轉(zhuǎn) 子 上 的 導(dǎo) 條 已 構(gòu) 成 閉 合 回 路 ， 轉(zhuǎn) 子 導(dǎo) 條 中 就 有 電 流 流過