4.1概述4.2位置檢測裝置4.3進給電機及驅動4.4進給伺服系統的控制原理和方法第4章進給伺服驅動系統

04.3進給電機及驅動CNC裝置發出的位移指令信號，由伺服驅動裝置作一定的轉換和放大后，經伺服電機和機械傳動機構，驅動機床的工作臺等執行部件實現工作進給或快速運動.進給驅動系統的組成：

驅動器和電機。進給電機的類型：

步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機和直線電機。14.3.1步進電機及驅動

驅動器每向步進電機輸入一個電脈沖信號，步進電機轉動一個角度，稱為步距角，通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。步進式進給伺服驅動系統屬于開環控制系統。步進電機轉過的角度與電脈沖信號個數成正比，轉動速度與電脈沖信號的頻率成正比。優點：電機具有自鎖能力；

每轉一周都有固定的步數，理論上說步距誤差不會累積。

缺點：

在大負載和速度較高的情況下容易失步，能耗較大。應用：步進電機的速度不高，在脈沖當量為1μm/脈沖時，最高移動速度為2m/min，主要用于速度和精度要求不太高的經濟型數控機床和舊機床改造。4.3進給電機及驅動24.3進給電機及驅動31.步進電機分類：常見的分類方式有按相數、按產生力矩的原理、按輸出力矩的大小和結構進行分類

按相數分：有三相、四相、五相、六相等。相數越多，步距角越小，輸出轉矩越大，但結構也越復雜。通電方式采用m相m拍、雙m拍和m相2m拍等。按力矩產生的原理分：有反應式、永磁反應式和混合式三類。按輸出力輸出力矩的大小分：快速步進電機（0.07Nm～4Nm）和功率步進電機（5Nm～50Nm）兩類。按結構分類：有軸向分相式（即多段式）和徑向分相式（即單段式）。4.3進給電機及驅動42.步進電機工作原理（反應式步進電機）反應式步進電機的定子上有磁極，每個磁極上有激磁繞組，轉子無繞組，由軟磁材料制成，周向均布的齒，依靠磁極對齒的吸合工作。定子轉子定子繞組4.3進給電機及驅動5AB定子轉子IAIBIC兩個相對的磁極組成一相。注意：這里的“相”和三相交流電中的“相”的概念不同。步進電機通的是電脈沖，主要是指線圖的聯接和組數的區別。4.3進給電機及驅動6步進電機的工作方式(通電順序)可分為：三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。1）三相單三拍：三相繞組聯接方式：Y型三相繞組中的通電順序為A相

B相

C相通電順序也可以為：

A相C相B相

4.3進給電機及驅動7定子繞組三相三拍，轉子兩個齒，步距角60°4.3進給電機及驅動8B'A'CC'BA3412A相通電B相通電C相通電BB'A'CC'A3412B'A'CC'BA3412CA4.3進給電機及驅動定子繞組三相三拍，轉子四個齒，步距角30°97.2步進電機及其驅動控制系統三相單三拍的工作特點：每來一個電脈沖，轉子轉過30；轉子的旋轉方向取決于三相線圈通電的順序；每次定子繞組只有一相通電，容易產生失步；只有一相繞組產生力矩吸引轉子，在平衡位置易產生振蕩。4.3進給電機及驅動10定子繞組三相六拍，轉子四個齒，步距角15°4.3進給電機及驅動112）三相六拍工作方式

通電順序為：A→AB→B→BC→C→CA→A…（逆時針、正）A→AC→C→BC→B→CA→A…（順時針、反）4.3進給電機及驅動12三相六拍工作特點：每步轉過15°（4齒），步距角是三相三拍工作方式的一半，電機運轉中始終有一相定子繞組通電，運轉比較平穩。4.3進給電機及驅動133）雙三拍工作方式定子繞組通電順序：AB→BC→CA→AB…（轉子逆時針旋轉）AC→BC→CA→…（轉子順時針旋轉）有兩對磁極同時對轉子的兩對齒進行吸引，每步仍旋轉30°。雙三拍工作特點：始終有一相定子繞組通電，工作比較平穩。避免了單三拍通電方式的缺點。4.3進給電機及驅動14步進電動機定子繞組的通電狀態每改變一次，它的轉子便轉過一個確定的角度，即步距角；改變步進電動機定子繞組的通電順序，轉子的旋轉方向隨之改變；步進電動機定子繞組通電狀態的改變速度越快，其轉子旋轉的速度越快，即通電狀態的變化頻率越高，轉子的轉速越高；步進電動機步距角與定子繞組的相數m、轉子的齒數z、通電方式k有關，可用下式表示：三相三拍時，k=1；三相六拍時，k=2m相m拍時，k=1；m相2m拍時，k=24.3進給電機及驅動153.步進電機實際結構：

轉子齒數很多，齒數越多，步距角越小。定子磁極上的齒的齒距與轉子的齒距相同，但各極的齒依次與轉子的齒錯開齒距的1／m（m電機相數）。每次定子繞組通電狀態改變時，轉子只轉過齒距的1／m（如三相三拍）或1／2m（如三相六拍）達到新的平衡位置。4.3進給電機及驅動16常見的三相步進電機，每個定子極上均布5個齒，齒槽距相等，齒間夾角9°。轉子上均布40個齒，齒槽距相等，齒間夾角9°。三相定子磁極和轉子上相應的齒依次錯開了1/3齒距，即3°。當A相磁極上的小齒與轉子上的小齒對齊時，B相磁極上的齒剛好超前（或滯后）轉子齒1/3齒距角，C相磁極齒超前（或滯后）轉子齒2/3齒距角。三相三拍通電方式，步距角為三相六拍通電方式，步距角為17

若轉子40個齒，通電為三相三拍方式。當轉子齒與A相定子齒對齊時，轉子齒與B相定子齒相差（3°），與C相定子齒相差（6°）。4.3進給電機及驅動18例：步進電機轉子有40個齒，采用五相十拍通電方式，步進電機直接經絲杠螺母傳動副驅動工作臺做直線運動，滾珠絲杠導程為6mm求：（1）步進電機的步距角；（2）工作臺的脈沖當量。

一個進給脈沖，使步進電機旋轉一個步距角α，工作臺走多少位移δ？（脈沖當量）4.3進給電機及驅動19例：步進電機轉子有40個齒，采用五相十拍通電方式，步進電機通過減速器減速后帶動絲杠螺母，從而驅動工作臺做直線運動，減速器傳動比i=0.5，滾珠絲杠導程為6mm求：（1）步進電機的步距角；（2）工作臺的脈沖當量。

一個進給脈沖，使步進電機旋轉一個步距角α，絲桿的轉角θ是多少？工作臺走多少位移δ？（脈沖當量）20每給一個脈沖信號，電機轉子轉過角度的理論值。4.步進電機的主要特性

1）步距角α

m—定子相數；z—轉子齒數；k—通電系數，

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4.3進給電機及驅動21靜態：步進電機處于通電狀態，但不改變通電狀態，轉子處在不動狀態。靜態轉矩Mj

：在電機軸上施加一個負載轉矩M，轉子會在載荷方向上轉過一個角度θ（失調角），轉子因而受到一個電磁轉矩Mj的作用與負載平衡。2）靜態矩角特性矩角特性：步進電機單相通電的靜態轉矩Mj隨失調角θ的變化曲線。4.3進給電機及驅動224.步進電機的主要特性

3）矩頻特性4.3進給電機及驅動輸出轉矩與連續運行頻率之間的關系，隨著連續運行頻率的上升，動態轉矩隨之下降。234.步進電機的主要特性

4）起動頻率4.3進給電機及驅動起動頻率空載時，步進電機由靜止狀態突然起動，并進入不丟步的正常運行的最高頻率，稱為起動頻率。起動時，加給步進電機的指令脈沖頻率如果大于起動頻率，會出現丟步現象，就不能正常工作。步進電機帶負載時的起動頻率比空載起動頻率低，隨著負載的加大，起動頻率會進一步降低。244.步進電機的主要特性

5）連續運行頻率4.3進給電機及驅動連續運行頻率步進電機起動以后，其運行速度能跟蹤指令脈沖頻率連續上升而不丟步的最高工作頻率稱為連續運行頻率。連續運行頻率的值遠大于起動頻率。254.步進電機的主要特性

6）加、減速特性4.3進給電機及驅動當步進電機運行頻率低于本身的起動頻率時，可以用運行頻率直接起動；需要停止時，可以從運行頻率直接降到零速。當步進電機運行頻率高于起動頻率時，若直接用運行頻率起動，由于頻率太高，步機電機會丟步；同樣突然停止時，步進電機會超步。所以需要采用升降頻控制。常采用的方法是指數曲線升降頻。264.3.2交流伺服電機及驅動

伺服驅動的發展歷程：步進電機→直流伺服電機→交流伺服電機→…旋轉式電機→直線電機→…理由：閉環提高精度。

直流伺服電機調速方便，90年代以前（交流在性能成本方面不占優）大量使用。但直流伺服電機的容量小、結構復雜、有電刷、體積大和重量重，因此，其應用受到限制。隨著交流伺服驅動性價比提高，交流伺服驅動電機已漸漸取代了直流伺服電機。4.3進給電機及驅動271.交流伺服電機的種類、結構及工作原理（1）交流伺服電機的種類及特點交流伺服電機有同步型和異步型兩大類。異步型交流電機指的是交流感應電機。同步型交流電機按轉子結構不同可分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應式多種。數控機床中多用永磁式同步電機。4.3進給電機及驅動28永磁式同步電機：優點：比直流電機結構簡單、運行可靠、體積約小1/2，質量減輕60﹪，轉子慣量可減小到1/5、效率高。缺點：啟動特性欠佳、控制復雜應用：進給驅動異步型交流伺服電機：優點：與同容量的直流電機相比重量輕（1/2），價格便宜(1/3)；缺點：轉速受負載的變化影響較大，不能經濟地實現范圍較廣的平滑調速，效率較低、功率因數低應用：主軸驅動系統。4.3進給電機及驅動29VSVS脈沖編碼器轉子定子接線盒定子三相繞組（2）交流永磁同步電機的工作原理與特性結構：電機由定子、轉子和檢測元件組成。4.3進給電機及驅動30nr＝ns＝60f1／p

ns—同步轉速，θ—轉子磁極的軸線與定子磁極的軸線夾角，nr—轉子旋轉轉速，f1—交流電源頻率（定子供電頻率），p—定子和轉子的極對數nSNns

nr

θ

S通過調節頻率和極對數實現調速。4.3進給電機及驅動31U1—定子每相相電壓；E1—定子每相繞組感應電動勢；N1—定子每相繞組匝數；K1—定子每相繞組匝數系數；

—每極氣隙磁通量；Tm—電機電磁轉矩；Ia—轉子電樞電流；—轉子電樞電流的相位角。2.交流同步電機的變頻調速原理交流電機的電動勢方程、轉矩方程：4.3進給電機及驅動32在變頻調速的同時，要求供電電壓也隨之變化，即滿足U1/f1為定值，以確保磁通量不變。

因為變頻調速時，當U1不變，增加頻率f1，則磁通量減小，導致電機輸出轉矩Tm下降。電機負載能力降低；若減小頻率f1，磁通量增加，定子電流上升，導致鐵損增加。7.4交流伺服電機及其速度控制系統變頻調速控制方式：基頻以下調速——當電機在f1的額定參數下運行時，供電頻率低于額定值。基頻以上調速——當電機在f1的額定參數上運行時，供電頻率高于額定值。4.3進給電機及驅動333．交流同步伺服電機的變頻器變頻器將交流恒壓恒頻的供電電源轉變為變壓變頻的供電電源。（1）變頻器類型

變頻器可分為交—交變頻器（直接變頻器）和交—直—交變頻器（間接變頻器）兩種。應用最多的是交—直—交變頻器。

根據變頻電源的性質，又可分為電壓源變頻器和電流源變頻器。4.3進給電機及驅動34交—交變頻：利用可控硅整流器直接將工頻交流電（頻率50Hz）變成頻率較低的脈動交流電，正組輸出正脈沖，反組輸出負脈沖，脈動交流電的基波就是所需的變頻電壓。該方法所得的交流電波動比較大，且最大頻率即為變頻器輸入的工頻電壓頻率。4.3進給電機及驅動35交—直—交變頻：先將交流電整流成直流電，然后將直流電壓變成矩形脈沖波電壓，矩形脈沖波的基波是所需的變頻電壓。該調頻方式所得交流電的波動小，調頻范圍比較寬，調節線性度好。4.3進給電機及驅動36（2）正弦波脈沖調制（SPWM）逆變器脈寬調制（PWM）變頻——是通過脈沖信號控制逆變器開關元件的導通和關斷時間比（即調節脈沖的寬度）來控制輸出電壓的大小和頻率，從而實現調速。uUUutttt4.3進給電機及驅動37正弦脈寬調制（SPWM）——是利用有正弦波特性的脈沖信號去控制逆變器開關元件的通、斷時間比。此時，變頻器輸出近似于正弦波的電流，使得電機電源近似為正弦交流電。SPWM變頻器是目前數控機床應用最廣泛的變頻器。4.3進給電機及驅動38SPWM原理單相調制原理正弦脈寬調制（SPWM）波形:與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波。等效原理：把正弦波分成n等分，每一區間面積用與其相等的等幅不等寬的矩形面積代替。正弦波的正負半周均如此處理。uωtωtuOOa)b)4.3進給電機及驅動39整流器：將三相工頻交流電變成直流電逆變器：將整流輸出的直流電壓變成三相交流電

三相SPWM變頻器的主回路結構圖4.3進給電機及驅動404.3.3直線電機及驅動直線電機直接驅動工件臺直線運動。取消了從電機到工作臺（拖板）之間的機械中間傳動環節，即把機床進給傳動鏈的長度縮短為零，故這種傳動方式又稱為“直接驅動”，也稱“零傳動”。適用于進給驅動速度高于60m/min以上，加速度1g以上的高速數控機床。4.3進給電機及驅動41優點：電機慣量小，系統響應快、速度高，速度和加速度都可提高10倍以上（700m/min，40G）。運動更加平穩、噪聲低、傳動效率高，動態剛度高。可設計成均布對稱，工作臺運動時受力均勻分布，運動推力平衡可無限延長定子的行程，運動的行程不受限制并可在全行程上安裝使用多個工作臺缺點：沒有機械聯接或嚙合，垂直軸傳動需要外加一個平衡塊或制動器磁鐵對電機部件的吸力很大，需解決防護、隔磁問題4.3進給電機