數控機床伺服系統機械工程-鄭佳文學號：1508520102機械工程學院主要內容概述開環式控制系統與步進電機驅動電路閉環伺服系統與反饋比較形式直流伺服電機與調速系統交流伺服電機與主軸驅動系統機械工程學院一二三四五機械工程學院一、概述概述伺服系統接收來自CNC（ComputerNumericalControl）裝置的進給脈沖，經變換和放大，然后驅動各加工坐標軸按指令脈沖進行運動。這些軸有些帶動工作臺，有些帶動刀架，通過一個或者多個坐標軸的綜合聯動，涉及各軸上運動速度的調節，以一定的加減速曲線來進行運動，使刀具相對工件產生各種復雜的機械運動，加工出所要求的復雜形狀工件。進給伺服系統是數控裝置和數控機床的傳動部件之間的聯系環節，是數控機床的重要組成部分。它包含機械、電子、電動機等各種部件，并涉及強電與弱電控制，是一個復雜的控制系統。機械工程學院1.伺服系統的作用和組成在自動控制中，是輸出量能以一定準確度跟隨輸入量的變化而變化的系統稱為隨動系統，亦稱為伺服系統。數控機床的伺服系統是指以機床移動部件的位置和速度作為控制量的自動系統。機械工程學院伺服系統的作用:接受CNC裝置發出的插補結果(指令脈沖等)，作一定的轉換和放大后，經伺服電機（直流、交流伺服電機、步進電機等）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。數控機床的“大腦”數控機床的“四肢”，是執行“命令”的機構，它是一個不折不扣的跟隨者。機械工程學院

伺服系統結構圖伺服系統的組成機械工程學院組成伺服電機驅動信號控制轉換電路電子電力驅動放大模塊位置調節單元速度調節單元電流調節單元檢測裝置一般閉環系統為三環結構：位置環、速度環、電流環。伺服系統組成單元2.伺服系統的分類（1）按調節理論分類機械工程學院（2）按驅動部件的動作原理分類電液伺服系統電氣伺服系統機械工程學院（3）按被控對象分類進給伺服系統主軸伺服系統3.伺服系統的基本要求機械工程學院高精度（輸出量能復現輸入量的精確程度）穩定性好（抗干擾能力）快速響應、無超調（系統跟蹤精度）低速大轉矩調速范圍寬調速范圍寬可靠性高(對環境的適應性)二、開環數控系統與步進電機驅動電路機械工程學院電機機械執行部件CNC插補指令驅動控制單元1.開環數控系統組成一般定位精度：±0.02mm采用螺距補償和傳動間隙補償：±0.01mm進給速度受限脈沖當量為.01mm時，不超過5m/min2.步進電機機械工程學院步進電機是一種脈沖控制的執行元件，可將輸入脈沖轉換為機械角位移。每給步進電機輸入一個脈沖，其轉軸就轉過一個角度，稱為步距角。機械執行部件A相B相C相…f、nCNC插補指令脈沖頻率f脈沖個數n換算脈沖環形分配變換功率放大步進電機脈沖數量----位移量；脈沖頻率---電機轉速；脈沖順序----方向。對應關系機械工程學院運動方式旋轉運動直線運動平面運動滾切運動工作原理反應式電磁式永磁式永磁感應式工作方式功率式控制式結構單段式（徑向式）多段式（軸向式）印刷繞組式相數三相式四相式五相式頻率高頻式低頻式2.1步進電機的分類、結構和工作原理（1）分類機械工程學院（2）結構機械工程學院步進電動機的結構分為定子和轉子兩大部分。定子由硅鋼片疊成，裝上一定相數的控制繞組，由環形分配器送來的電脈沖對多相定子繞組輪流進行勵磁。轉子用硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸極結構；轉子本身沒有勵磁繞組的叫做“反應式步進電動機”；用永久磁鐵做轉子叫做“永磁式步進電動機”。機械工程學院機械工程學院（2）結構機械工程學院（3）工作原理機械工程學院按電磁吸引原理工作（以反應式步進電機為例）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，有周向均布的齒，依靠磁極對齒的吸合工作。定子轉子定子繞組機械工程學院兩個相對的磁極組成一相AB定子轉子IAIBIC機械工程學院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：（1）三相繞組聯接方式：Y型（2）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

機械工程學院主要內容B'A'CC'BA3412A相通電使轉子1、3齒和AA'對齊CB相通電，轉子2、4齒和B相軸線對齊C相通電，轉子1、3齒和C相軸線對齊BB'A'C'A3412B'A'CC'BA3412機械工程學院三相單三拍的特點：（1）每來一個電脈沖，轉子轉過30。（2）轉子的旋轉方向取決于三相線圈通電的順序。（3）每次定子繞組只有一相通電，在切換瞬間失去自鎖轉矩，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。通電順序為：AABBBCCCAA

六拍。2）三相六拍工作方式機械工程學院7.2步進電機及其驅動控制系統B'A'CC'BA3412B'A'CC'BA3412B'A'CC'BA3412B'A'CC'BA3412B'A'CC'BA3412B'A'CC'BA3412A通電AB通電B通電BC通電CA通電C通電機械工程學院A→AB→B→BC→C→CA→A…（逆時針）A→AC→C→BC→B→BA→A…（順時針）每步轉過15°，步距角是三相三拍工作方式的一半特點：電機運轉中始終有一相定子繞組通電，運轉比較平穩。

通電順序3)雙三拍工作方式定子繞組通電順序為AB→BC→CA→AB…（轉子逆時針旋轉）AC→CB→BA→…（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°。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機械工程學院實際上步進電機轉子齒數很多，齒數與步距角關系？例如：轉子40個齒，定子仍是3對磁極，三相六拍。問步距角是多少？機械工程學院2.2步進電機的主要特性（1）步距角α和靜態步距誤差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。

每給一個脈沖信號，電機轉子轉過角度的理論值。α一般很小，如：3°／1.5°，1.5°／0.75°，0.72°／0.36°等不同的應用場合，對步距角的要求不同。一般情況下：

機械工程學院步距角也可用分辨率表示式中：i——傳動比——每個脈沖對應的負載軸的位移增量即表示每轉步進了多少（2）最大靜轉矩機械工程學院靜態特性穩定狀態靜轉矩距角特性靜態穩定區（3）矩頻特性機械工程學院步進電機連續穩定運行時輸出電磁轉矩T與連續運行頻率f之間的關系。（衡量電機運轉時承載能力的動態性指標）。運行矩頻特性f繞組感抗電流波形穩定值T（4）啟動頻率和連續運行頻率機械工程學院啟動頻率fst是指在一定負載轉矩下能夠不丟步地啟動的最高脈沖頻率。它的大小和驅動電路和負載大小有關，步距角越小，負載越小，啟動頻率越高。連續運行頻率fc

步進電機啟動后，當控制脈沖頻率連續上升時，能不丟步運行的最高頻率。它的值與負載有關。（5）步進電機技術指標實例機械工程學院步進電機的型號表示方法舉例反應式步進電機（如150BF003）

XXX

BF

XX勵磁繞組相數或代號反應式步進電機電動機外徑（mm）BYG混合式步進電機BY永磁式步進電機2.3步進電機驅動控制線路機械工程學院功能：將具有一定頻率f、一定數量N和方向的進給脈沖轉換成控制步進電機各相定子繞組通電、斷電的電平信號變化頻率、變化次數和通斷電順序。驅動控制器主要由環形脈沖分配器和功率放大器組成。（1）環形分配器機械工程學院功能將進給脈沖指令轉換成步進電機定子繞組通、斷電的電平信號，電平信號狀態的改變次數及順序與進給脈沖的個數與方向對應。即將數控裝置的插補脈沖，按步進電機所要求的規律分配給步進電機的各相輸入端，以控制勵磁繞組的通、斷電。分類硬件環形分配器：步進電機驅動裝置本身帶有環形分配器。軟件環形分配器：驅動裝置本身無環形分配器，環形分配需要軟件完成。混合環形分配器環形分配器機械工程學院特點：需要專用硬件資源，運行效率高。軟件環形分配器是指完全用軟件的方式進行脈沖分配，按照給定的通電換相順序，通過單片機的I/O口向驅動電路發出控制脈沖的分配器。采用不同的計算機及接口器件有不同的形式。機械工程學院（2）功率放大器機械工程學院對驅動電路核心要求提高快速性提高平穩性功率放大器的輸出直接驅動電機繞組，它對步進電機的運行狀態有很大影響目前國內步進電機驅動電路.單電壓恒流功率放大電路.高低電壓（雙電壓）功率放大電路斬波驅動電路.調頻調壓功率放大電路1）單電壓恒流功率放大電路機械工程學院提速（限流）電阻Rc：改變時間常數，提高響應速度續流二極管D：用于功率晶體管的過電壓保護特點：結構簡單、效率低、能耗高，發熱大、工作穩定性差。應用：小功率步進電機驅動這種驅動電路供給步進電動機繞組的電壓有兩種：一種是高電壓U1，電壓約為80~150V。另一種是低壓U2大約為5~20V見圖。2）高低電壓（雙電壓）功率放大電路機械工程學院在相序輸入信號IN、IL到來時，VT1、VT2同時導通，給繞組加上高壓U1，以提高繞組中電流上升率，當電流達到規定值時，VT1關斷、VT2仍然導通（tN的脈寬小于tL），則自動切換到低壓U2該電路的優點是在較寬的頻率范圍內有較大的平均電流，能產生較大且穩定的平均轉距，其缺點是電流波形有谷點，波形如圖。3）斬波型功率放大機械工程學院由于雙電壓驅動電路存在著電流在高低壓連接處出現谷點，造成高頻輸出轉矩在谷點下降。為了使勵磁繞組中的電流維持在額定值附近，提高步進電動機的轉矩和效率，所以需要采用斬波驅動電路。輸入信號若為正脈沖，則VT1、VT2同時導通，由于U1電壓較高，繞組回路中又沒串電阻，所以繞組中電流迅速上升，當電流達到規定值時，由于采樣電阻Re的反饋作用，經整形、放大后送至VT1基極，使VT1截止。接著繞組由U2供電，繞組中電流迅速下降，但剛降到額定值以下時，由于采樣電阻Re的反饋作用，使整形電路無信號輸出，此時高壓前置放大電路又使VT1導通，電流又上升。如此反復進行，形成一個在額定電流值上下波動呈鋸齒狀的繞組電流波形，近似恒流，其電流波形如圖。4）調頻調壓功率放大電路機械工程學院一般把步進電機的工作頻率分為幾段，每段電壓不同。在理想條件下，保持電動機的力矩不變，則電源電壓應隨工作頻率的升高而升高，隨工作頻率的降低而降低。2.4提高開環進給控制系統精度的措施機械工程學院1.傳動間隙補償齒輪絲杠提高裝配精度并采取消隙措施傳動鏈換向時產生間隙先將間隙轉換成脈沖值，從而越過傳動間隙，然后再按指令脈沖動作機械工程學院傳動間隙補償示意圖（2）螺距誤差補償三、閉環伺服系統與反饋比較形式機械工程學院較開環系統，閉環系統增加檢測裝置和反饋環節分為閉環伺服進給系統半閉環伺服進給系統1.閉環伺服系統與半閉環伺服系統機械工程學院（1）全閉環數控系統位置控制調節器速度控制調節與驅動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋閉環系統通常使用直流伺服電動機或交流伺服電動機。全閉環數控系統的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進行檢測。在閉環伺服系統中，由速度檢測元件來測量電動機的速度，由位置檢測元件來測量工作臺的位置，由速度和位置反饋信號來調節伺服電動機的速度和工作臺的位置。因此從理論上講，可以消除整個驅動和傳動環節的誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。其定位精度一般為0.001～0.003mm。由于位置環內的許多機械傳動環節的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統的不穩定，使閉環系統的設計、安裝和調試都相當困難。該系統主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數控機床等。機械工程學院（2）半閉環數控系統位置控制調節器速度控制調節與驅動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋半閉環數控系統的位置采樣點是從驅動裝置(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置，而是由位置檢測元件間接測量工作臺的位置。由位置反饋信號來調節伺服電動機的速度。半閉環環路內不包括或只包括少量機械傳動環節，因此可獲得穩定的控制性能，其系統的穩定性雖不如開環系統，但比閉環要好。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除。因此，其精度較閉環差，較開環好。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。半閉環數控系統結構簡單、調試方便、精度也較高，因而在現代CNC機床中得到了廣泛應用。結構較簡單，常用光電編碼器、光柵作位置檢測裝置，以半閉環的控制結構形式較為普遍。特點：指令脈沖信號與位置檢測裝置的反饋脈沖信號在比較器中以脈沖數字的形式進行比較。2.數字脈沖比較伺服系統機械工程學院指令信號反饋測量信號比較器轉換器驅動執行元件（1）脈沖比較式伺服系統的組成

主要由以下幾部分構成圖所示機械工程學院數字脈沖比較系統構成圖（2）脈沖比較式伺服系統工作原理

下面以采用光電脈沖編碼器為測量元件的系統為例說明數字脈沖比較伺服系統的工作原理。機械工程學院反饋脈沖數/模轉換器脈沖處理伺服電機工作臺位置檢測裝置（光電編碼器）伺服放大器位置檢測信息Pf指令脈沖Pc比較器Pe光電編碼器Pf指令脈沖PcPe=0Pe>0Pe<0偏差Pe=Pc-Pf保持不動正向移動反向進給（3）主要工作部件[1].數字脈沖-數碼轉換器數字脈沖轉換為數碼對于數字脈沖轉化為數碼，其最簡單的實現方法就是采用一個可逆計數器，它將輸入的脈沖進行計數，以數碼值輸出。圖所示是由兩個二—十進制計數器組成的數字脈沖—數碼轉換器。機械工程學院1）數字數碼轉換為脈沖方法一：對于數碼轉化為數字脈沖，常用的有兩種方法。第一種方法是采用減法計數器組成的線路，如圖3.36所示，機械工程學院方法二：用一個脈沖乘法器，數字脈沖乘法器實質上就是將輸入的二進制數碼轉化為等值的脈沖數輸出，其示意圖如圖3.37所示。數碼轉換為數字脈沖線路一數碼轉換為數字脈沖線路二2）比較器機械工程學院比較器分類數碼比較器數字脈沖比較器數碼比較器中，比較的是兩個數碼信號，而輸出可以是定性的，只指出誰大誰小，也可以是定量的，指出誰大多少，小多少。在通用的大規模芯片可以完成這個任務，特別是用軟件實現很方便。機械工程學院數字脈沖比較器的構成原理總結具有脈沖分離功能，加減脈沖先后到來時，按預先的要求經加法計數端或減法計數端進入可逆計數器；若加、減脈沖同時到來，先做加法計數，而后經過幾個始終延遲再做減法計數，保證兩路計數脈沖均布丟失。3.相位比較伺服系統機械工程學院鑒相式伺服系統是數控機床中使用較多的一種位置控制系統，它是采用相位比較方式實現閉環（及半閉環）控制的伺服系統。鑒相式伺服系統具有工作可靠、抗干擾性強、精度高等優點，但由于增加了位置檢測、反饋、比較等元件，與步進式伺服系統相比，它的結構比較復雜，調試也比較困難。（1）鑒相式伺服系統的組成

下圖所示是鑒相式伺服系統方框圖，它主要由基準信號發生器、脈沖調相器、檢測元件及信號處理線路、鑒相器、驅動線路和執行元件等組成。機械工程學院相位比較伺服系統的方框圖（2）工作原理機械工程學院將脈沖信號轉換成相位信號φ將工作臺的位置轉換成相位信號θ比較θ與φ來判斷是

否運動Φ-θ不為零，機床運動Φ-θ為零，停止運動（3）脈沖調相器脈沖調相器的功能是按照所輸入指令脈沖的要求對載波信號進行相位調整。如圖3.21所示為脈沖調相器組成原理框圖。機械工程學院1）脈沖—相位變換的原理

假設時鐘脈沖頻率為F，計數器（當分頻器用）的容量為N，則這兩個計數器的最后一級輸出頻率f為：f=F/N。如果在時鐘脈沖觸發兩計數器以前，先向其中一個計數器（如x計數器）輸入一定數量脈沖Δx，則當時鐘脈沖觸發兩計數器以后，兩計數器輸出信號頻率仍相同，但相位不同。N個時鐘脈沖使標準計數器的輸出變化一個周期，即360°，N+Δx個脈沖使x計數器的輸出在變化一個周期（360°）后，又變化φ=·Δx，即超前標準計數器一個相位角φ。以后每來N個時鐘脈沖，兩計數器都變化一個周期，其原理圖和波形如圖3.22a、b所示。機械工程學院若在時鐘脈沖觸發兩計數器的過程中，加入一定數量的脈沖+Δx給x計數器，這樣就會使輸入給x計數器的脈沖總數比給標準計數器的計數脈沖多了Δx個，結果使x計數器輸出的信號相位超前φ=（+Δx/N）360°，如圖3.22c所示。機械工程學院機械工程學院假如在時鐘脈沖不斷觸發兩計數器過程中，加入一定數量的-Δx脈沖給x計數器，使加入的-Δx個脈沖抵消了進入x計數器的Δx個時鐘脈沖，則在兩計數器的最末一級輸出端將出現x計數器的相位滯后標準計數器一個相位φ，φ=(－Δx/N)360°，如圖3.23a、b所示。（4）鑒相器

機械工程學院二極管鑒相器可以用來鑒別正弦信號之間的相位差。觸發器/門電路鑒相器可以對方波信號之間的相位差進行鑒別。（4）鑒相器機械工程學院鑒相器又稱相位比較器，它的作用是鑒別指令信號與反饋信號的相位，判別兩者之間的相位差，將其變成一個帶極性的誤差電壓信號，作為速度單元的輸入信號。1）鑒相器工作原理機械工程學院觸發器鑒相器4.鑒幅式伺服系統機械工程學院鑒幅式伺服系統是以位置檢測信號的幅值大小來反映機械位移的數值，并以此作為位置反饋信號與指令信號進行比較構成的閉環控制系統。它的測量元件是以鑒幅式工作狀態進行工作的，可用于鑒幅式伺服系統的測量元件有旋轉變壓器和感應同步器。比較器所比較的是數字脈沖量，故在鑒幅式伺服系統中，不需要基準信號，兩數字脈沖量可直接在比較器中進行脈沖數量的比較。它與鑒相式伺服系統的主要區別（1）鑒幅式伺服系統的組成

該系統由測量元件及信號處理線路、數模轉換器、比較器、放大環節和執行元件五部分組成機械工程學院（2）鑒幅式伺服系統的工作原理

機械工程學院指令脈沖信號反饋脈沖指令信號比較器實時比較二者不等等二者相等工作臺到位停止進給工作臺繼續移動直至相等（3）測量元件及信號處理電路

圖3.27所示為測量元件及信號處理線路框圖，它主要由測量元件、解調電路、電壓—頻率轉換器和sin/cos發生器組成。機械工程學院1）解調線路

解調線路就是鑒幅器，如圖3.28所示是解調線路圖，它由低通濾波器、放大器和檢波器三部分組成。機械工程學院檢波器的作用是將濾波后的基波正弦信號轉變為直流電壓。1）解調線路低通濾波器輸出信號的幅值和功率較小，經過一級放大之后送到檢波器。放大器是集成元件，放大器的參數可根據低通濾波器輸出信號的幅值和檢波器對它的要求選定。

檢波器的作用是將濾波后的基波正弦信號轉變為直流電壓。

如下圖所示是一種檢波器線路圖，它是一個帶放大器和反相器的電子開關電路。機械工程學院機械工程學院

2）電壓—頻率轉換器電壓—頻率轉換器的作用是把檢波后輸出的模擬電壓VF變成相應的脈沖序列，VF為正時，輸出正向脈沖；VF為負時，輸出反向脈沖。脈沖的方向用符號寄存器的輸出表示。VF為零時，不產生任何脈沖。隨著輸入電壓信號幅值的增加，電壓頻率轉換器的輸出開始出現脈沖。如圖3.31所示是一種電壓—頻率轉換器線路圖。機械工程學院機械工程學院（4）比較器比較器的作用是對指令脈沖信號和反饋脈沖信號進行比較。一般來說，來自數控裝置的指令脈沖信號可以是兩種形式，一種是用一條線路傳送進給方向信號，一條線路傳送進給脈沖信號；另一種是用一條線路傳送正向進給脈沖，一條線路傳送反向進給脈沖。來自測量元件及信號處理線路的反饋信號是采用第一種形式表示的。

圖3.33所示是指令脈沖為第一種形式時的一種比較器結構。在該比較器中，反饋脈沖一定不能與指令脈沖同時出現。

機械工程學院（5）sin/cos發生器

sin/cos發生器的任務是根據電壓－頻率轉換器輸出脈沖的多少和方向，生成測量元件的激磁信號VS和VK，即VS=VmsinαsinωtVK=Vmcosαsinωt

式中，α的大小由脈沖的多少和方向決定；VS和VK的頻率和周期根據要求可用基準信號的頻率和計數器的位數調整、控制。機械工程學院（6）數模（D/A）轉換器

數模轉換器也稱脈寬調制器，其任務是把比較器的數字量轉變為電壓信號。目前，已有許多不同精度、不同形式的數模（D/A）轉換器，只要滿足伺服系統對它的輸入輸出要求，就可以直接選用。機械工程學院5.CNC數字伺服系統

CNC數字伺服系統是指用于高精度CNC機床上的伺服系統，它與前面介紹的伺服系統相比，具有精度高、穩定性好等優點。CNC數字伺服系統可分成軟件部分和硬件部分。軟件部分主要完成跟隨誤差的計算，即指令信號和反饋信號的比較計算；硬件部分主要由位置檢測組件和位置控制輸出組件組成。CNC數字伺服系統的結構框圖如圖3.39所示。機械工程學院在CNC數字伺服系統中，由于用計算機充當了指令信號和反饋信號的比較環節，故反饋信號必須是數碼形式或數字脈沖形式，否則，將增加計算機的接口線路，使系統變得復雜。常見CNC數字伺服系統有以鑒幅方式工作的旋轉變壓器、感應同步器為測量元件的伺服系統和以光柵、編碼盤為測量元件的伺服系統。下圖所示是以旋轉變壓器為測量元件的CNC數字伺服系統框圖。下面以旋轉變壓器為測量元件的CNC數字伺服系統為例介紹其工作原理。機械工程學院以旋轉變壓器為測量元件的CNC數字伺服系統機械工程學院四、直流伺服電機及其速度控制

常用的直流電機有：永磁式直流電機（有槽、無槽、杯型、印刷繞組）勵磁式直流電機-主軸驅動混合式直流電機無刷直流電機直流力矩電機機械工程學院1.結構是由定子、轉子、電刷和換向片等組成機械工程學院伺服電動機外形圖直流伺服電動機結構圖2.永磁直流伺服電機的工作原理和特性

它的工作原理與一般直流電動機基本相同，但磁場的建立是由永久磁鐵實現的，當電流通過電樞繞組時，電流與磁場相互作用，產生感應電動勢、電磁力和電磁轉矩，使電樞旋轉機械工程學院直流伺服電動機的接線圖（一定）機械工程學院原理圖等效圖式中，Ua為電樞電壓Ia為電樞電流，Ea為電樞感應電動勢，T為電磁轉矩，TL為負載轉矩，T2為輸出轉矩，T0為自身損耗，Cl為轉矩常數，Ce為電動勢常數，為勵磁磁通。調節電樞電壓Ua調節電樞電阻Ra調節磁通Φ直流電機轉速與轉矩的關系n=f(T)稱機械特性（靜態特性）機械工程學院電機轉速與理想轉速的差Δn，反映了電機機械特性硬度，Δn越小（轉矩對轉速變化的影響程度越小），機械特性越硬。主要內容TTnn機械工程學院電樞電阻調速很少采用，缺點：不經濟：要得到低速，R很大，則消耗大量電能；低速，特性很軟，運轉穩定性很差；調節平滑性差，操作費力。主要內容Tnn0R0R2R1機械工程學院調節電樞電壓（調壓調速）時，直流電機機械特性為一組平行線，只改變電機的理想轉速n0

，保持了原有較硬的機械特性，所以調壓調速主要用于伺服進給驅動系統電機的調速如果Δn值較大，不可能實現寬范圍的調速。永磁式直流伺服電機的Δn值較小，因此，進給系統常采用永磁式直流電機。

機械工程學院調節磁通（調磁調速）不但改變了電機的理想轉速，而且使直流電機機械特性變軟，所以調磁調速主要用于機床主軸電機調速。3.直流伺服電機速度控制單元的調速控制方式

調速的概念有兩個方面的含義:1)改變電機轉速：當指令速度變化時,電機的速度隨之變化,并希望以最快的加減速達到新的指令速度值；2)當指令速度不變化時,電機的速度保持穩定不變。為調節電機轉速和方向，需對直流電壓的大小和方向進行控制，如何控制？機械工程學院直流伺服電機速度控制單元的作用：將轉速指令信號轉換成電樞的電壓值，達到速度調節的目的。直流電機速度控制單元常采用的調速方法：晶閘管（可控硅）調速系統

晶體管脈寬調制（PWM）調速系統。

機械工程學院（1）晶閘管調速系統

機械工程學院常用于大功率及要求不很高的直流伺服電機調速控制。主要內容速度調節器電流調節器觸發脈沖發生器可控硅整流器電流反饋速度反饋電流檢測編碼器電機U*n+-UnInI*n+-US

控制回路主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驅動，使電機轉動。速度環（PI）：速度調節，作用：好的靜態、動態特性。電流環（P或PI）：電流調節，作用：系統快速性、穩定性改善。觸發脈沖發生器：產生移相脈沖，使可控硅觸發角前移或后移。主回路由大功率晶閘管構成的三相全控橋式反并接可逆電路，分成二大部分（Ⅰ和Ⅱ），每部分內按三相橋式連接，二組反并接，分別實現正轉和反轉。機械工程學院462791113581210ABCMⅠⅡUMUDKMKM+-各有一個可控硅同時導通，形成回路。機械工程學院1、3、5在正半周導通，2、4、6在負半周導通。每組內（即二相間）觸發脈沖相位相差120o，觸發脈沖的順序：1-2-3-4-5-6，相鄰之間相位差60o。為保證合閘后兩個串聯可控硅能同時導通，或已截止的相再次導通，采用雙脈沖控制。即每個觸發脈沖在導通60o后，再補發一個輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，寬度大于60o，小于120o。機械工程學院

只要改變可控硅觸發角（即改變導通角），就能改變可控硅的整流輸出電壓，從而改變直流伺服電機的轉速。

觸發脈沖提前，增大整流輸出電壓；觸發脈沖延后，減小整流輸出電壓。uacbcaba)b)c)d)135

①②③④⑤⑥ωtub246bcaωtωtωtωt11335511336224466224135246120°120°180°60°132460°60°56α機械工程學院同步信號方波信號矩齒波矩齒波與直流電壓疊加信號尖脈沖直流電壓控制回路分析機械工程學院1）系統組成：速度調節器電流調節器脈寬調節振蕩器脈寬調節MG電流反饋（2）晶體管脈寬調制（PWM）調速系統機械工程學院控制回路：

速度調節器；電流調節器；固定頻率振蕩器及三角波發生器；脈寬調制器和基極驅動電路。區別：與晶閘管調速系統比較，速度調節器和電流調節器原理一樣。不同的是脈寬調制器和功率放大器。

脈寬調制器作用：將電壓量轉換成可由控制信號調節的矩形脈沖，為功率晶體管的基極提供一個寬度可由速度指令信號調節的脈寬電壓。組成：調制信號發生器（三角波和鋸齒波兩種）和比較放大器。原理：以三角波發生器為例介紹機械工程學院

2）脈寬調制器工作原理

利用大功率晶體管的開關作用，將直流電壓轉換成一定頻率的方波電壓，加到直流電動機的電樞上；通過調整控制方波脈沖寬度來改變電樞的平均電壓，從而調節電機的轉速。直流脈寬調調制的基本原理機械工程學院周期不變脈寬脈寬脈寬脈寬平均直流電壓Uωt周期不變脈沖寬度正比代表速度F值的直流電壓機械工程學院R1+12VUSCR1R3R2+-12VUSrU△-USr

–速度指令轉化過來的直流電壓U△-三角波USC-脈寬調制器的輸出（USr+U△）調制波形圖ttUSr+U△+U

Sroo-U

SrttUSr為正時USr為負時USr+U△ttUSr為0時調制出正負脈寬一樣方波平均電壓為0調制出脈寬較寬的波形平均電壓為正調制出脈寬較窄的波形平均電壓為負機械工程學院結構：有兩種形式：H型（橋式）、T型。每種電路又有單極性工作方式和雙極性工作方式，各種不同的工作方式又可組成可逆開關放大電路和不可逆開關放大電路

。3）開關功率放大器機械工程學院3）開關功率放大器主回路：可逆H型雙極式PWM

開關功率放大器電路圖:

由四個大功率晶體管（GTR）T1、T2、T3、T4

及四個續流二極管組成的橋式電路。H型：

又分為雙極式、單極式和受限單極式三種。Ub1、

Ub2、Ub3、Ub4–為調制器輸出，經脈沖分配、基極驅動轉換過來的脈沖電壓。分別加到T1

、T2、T3

、T4的基極。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS-USUdUABOtUb1Ub4Ub2Ub3OOttt1Tidid1id2id1id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub4Ub2、Ub3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2機械工程學院工作原理：

T1

和T4同時導通和關斷，其基極驅動電壓Ub1=Ub4。T2和T3同時導通和關斷，基極驅動電壓Ub2=Ub3

=

–Ub1。以正脈沖較寬為例，既正轉時。負載較重時：①電動狀態：當0≤t≤t1時，Ub1、Ub4為正，T1

和T4導通；Ub2、Ub3

為負，T2和T3截止。電機端電壓UAB=US，電樞電流id=id1，由US→T1→T4→

地。②續流維持電動狀態：在t1≤t≤T時，Ub1、Ub4為負，T1

和T4截止；

Ub2、Ub3

變正，但T2和T3并不能立即導通，因為在電樞電感儲能的作用下，電樞電流id=id2，由D2→D3續流，在D2、

D3

上的壓降使T2

、T3的c-e極承受反壓不能導通。UAB=-US。接著再變到電動狀態、續流維持電動狀態反復進行，如上面左圖。負載較輕時：③反接制動狀態，電流反向：②狀態中，在負載較輕時，則id小，續流電流很快衰減到零，即t=t2時（見上面右圖），id=0。在t2～

T區段，

T2

、T3

在US

和反電動勢E的共同作用下導通，電樞電流反向，id=id3

由US→T3→T2→

地。電機處于反接制動狀態。④電樞電感儲能維持電流反向：在T

～t3區段時，驅動脈沖極性改變，

T2

、T3截止，因電樞電感維持電流，id=id4，由D4→D1。機械工程學院⑤電機正轉、反轉、停止：

由正、負驅動電壓脈沖寬窄而定。當正脈沖較寬時，既t1>

T/2，平均電壓為正，電機正轉；

當正脈沖較窄時，既t1<T/2，平均電壓為負，電機反轉；如果正、負脈沖寬度相等，t1=T/2，平均電壓為零，電機停轉。⑥電機速度的改變：電樞上的平均電壓UAB越大，轉速越高。它是由驅動電壓脈沖寬度決定的。⑦雙極性：由以上分析表明：可逆H型雙極式PWM開關功率放大器，無論負載是重還是輕、電機是正轉還是反轉，加在電樞上的電壓極性在一個開關周期內，都在US和

–US之間變換一次，故稱為雙極性。

機械工程學院4）PWM調速系統的特點①頻帶寬、頻率高:

晶體管“結電容”小，開關頻率遠高于可控（50Hz)，可達2-10KHz。快速性好②電流脈動小由于PWM調制頻率高，電機負載成感性對電流脈動由平滑作用，波形系數接近于1。③電源的功率因數高:SCR系統由于導通角的影響，使交流電源的波形畸變、高次諧波的干擾，降低了電源功率因數。PWM系統的直流電源為不受控的整流輸出，功率因數高。④動態硬度好校正瞬態負載擾動能力強，頻帶寬，動態硬度高。機械工程學院近年來交流電機飛速發展，克服了直流電機結構上的缺點，充分發揮了堅固耐用、經濟可靠、動態響應好，輸出功率大等優點。因此，某些場合交流伺服電機已逐漸取代直流伺服電機。

1電刷和換向有磨損，有時會產生火花2換向器由多種材料制成，制作工藝復雜3電機最高速度受限制4結構復雜，成本較高6）直流電機缺點：機械工程學院五、交流伺服電機與主軸驅動系統永磁同步型（SM型）異步感應型（IM型）AC伺服電機本身結構簡單，堅固耐用，體積較小，重量較輕，沒有整流子機械換向，所以遠比DC伺服電機便于維護。但速度的控制方法比DC伺服電機要復雜的多，對控制元件的容量及速度的要求也很高。交流伺服電機用三相正弦電流驅動機械工程學院永磁式同步電機：優點：結構簡單、運行可靠效率高；缺點：體積大、啟動特性欠佳。與直流電機比：外形尺寸、重量、轉子慣量大幅減小與異步交流伺服電機相比：效率高、體積小。故數控機床進給驅動系統多采用永磁式同步電機。異步型交流伺服電機與同容量的直流電機相比：優點：重量輕，價格便宜；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，故異步型交流伺服電機用在主軸驅動系統中。機械工程學院VSVS脈沖編碼器轉子定子接線盒定子三相繞組1．永磁式交流同步電機結構：電機由定子、轉子和檢測元件組成機械工程學院機械工程學院2.永磁式交流同步電機工作原理和性能nr＝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永磁交流同步伺服電機的性能

與直流伺服電機一樣，也用特性曲線和數據來表示。最主要的是轉矩-速度特性曲線。在連續工作區（Ⅰ區），速度和轉矩的任何組合，都可連續工作。但連續工作區的劃分受到一定條件的限制。連續工作區劃定的條件有兩個：一是供給電機的電流是理想的正弦波；二是電機工作在某一特定溫度下。斷續工作區（Ⅱ區）的范圍更大，尤其在高速區，這有利于提高電機的加、減速能力。機械工程學院T（N-cm）

120001000080006000400020000100020003000Ⅰ

Ⅱ

特性曲線機械工程學院主要內容（1）交流主軸電機

定子三相繞組通三相交流電，產生旋轉磁場，磁場切割轉子中的導體，導體感應電流與定子磁場相作用產生電磁轉矩，推動轉子轉動，轉速nr為

ns—同步轉速f1—交流電源頻率（定子供電頻率）s—轉差率，s=(ns－nr)/nsp—極對數異步電機

變頻–

用于籠型電機調壓（定子電壓）電磁磚差離合器調阻（轉子電組）

串級調速

交–直–交交–交變轉差率變頻變極對數同步電機交流電動機由此可知調速方法：機械工程學院整流器:把交流電變為固定的或可調的直流電;逆變器:把固定的直流電變為固定的或可調的交流電;斬波器:把固定的直流電壓變為可調的直流電壓.利