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第３章 数控机床的伺服驱动系统

第３章 数控机床的伺服驱动系统. 学习目标 3 ． 1 伺服驱动系统概述 3 ． 2 步进电动机及控制系统 3 ． 3 直流伺服电动机及控制系统 3 ． 4 交流伺服电动机及控制系统 本章小结 思考题. 学习目标. 掌握数控机床伺服驱动系统的组成、工作原理及特点，掌握对不同电动机的控制方法。. 图 3.1 伺服系统结构图. 图 3.2 三相反应式步进电机结构原理图. 图 3.4 反应式步进电机工作原理示意图. 图 3.3 三段式反应式步进电机的结构原理. 图 3.5 永磁感应子式步进电机结构示意图. 图 3.6 静态矩角特性.

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第３章 数控机床的伺服驱动系统

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  1. 第３章 数控机床的伺服驱动系统 • 学习目标 • 3．1伺服驱动系统概述 • 3．2步进电动机及控制系统 • 3．3直流伺服电动机及控制系统 • 3．4交流伺服电动机及控制系统 • 本章小结 • 思考题

  2. 学习目标 • 掌握数控机床伺服驱动系统的组成、工作原理及特点，掌握对不同电动机的控制方法。

  3. 图3.1伺服系统结构图

  4. 图3.2三相反应式步进电机结构原理图

  5. 图3.4反应式步进电机工作原理示意图

  6. 图3.3三段式反应式步进电机的结构原理

  7. 图3.5永磁感应子式步进电机结构示意图

  8. 图3.6静态矩角特性

  9. 图3.7 90BF001步进电机的启动频矩特性

  10. 图3.8 90BF001步进电机的运行频矩特性

  11. 图3.9 CH250管脚图和三相六拍接线图

  12. 图3.10两坐标伺服系统工作原理图

  13. 图3.11 软环形分配器的程序流程框图

  14. 图3.12程序流程框图

  15. 图3.13单电压驱动电路原理图

  16. 图3.14高低压驱动电路原理图

  17. 图3.15斩波驱动电路原理图

  18. 图3.16三种电路的波形

  19. 图3.17直流电机的机械特性

  20. 图3.18永磁直流伺服电机工作曲线 I连续工作区II间断工作区III瞬时加速区

  21. 图3.19负载—工作周期曲线

  22. 图3.20三相桥式反并联整流电路

  23. 图3.21双环调速系统工作原理图

  24. 图3.22 H型脉冲功率放大器工作原理图

  25. 图3.23 H型双极性工作方式电压和电枢电流波形

  26. 图3.24微机PWM驱动系统的原理框图

  27. 图3.25永磁交流伺服电机结构示意图 • 1定子2转子3定子三相绕组4编码器5出线盒

  28. 图3.26永磁式交流同步伺服电机的工作原理图

  29. 图3.27交流伺服电机工作曲线 • I连续工作区II断续工作区

  30. 图3.28 单相逆变电路

  31. 图3.29双极性SPWM通用型主回路（三相逆变电路）图3.29双极性SPWM通用型主回路（三相逆变电路）

  32. 图3.30载波（三角波）调制波（正弦波）形成原理图图3.30载波（三角波）调制波（正弦波）形成原理图

  33. 图3.31变频控制原理图

  34. 3．1 伺服驱动系统概述 • 3.1.1伺服驱动系统概念 • 3.1.2对伺服系统的基本要求 • 3.1.3伺服系统的分类 • 3.1.4伺服系统的组成和工作原理

  35. 3.1.1伺服驱动系统概念 • 数控机床伺服系统：以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服机构。 • 伺服系统分类：位置伺服（工作台的位置和主轴的位置及起始角度）和速度伺服（工作台电动机转动的速度）。

  36. 3.1.2对伺服系统的基本要求 • 对伺服系统的基本要求 • 1、精度高 • 2、稳定性好 • 3、快速响应 • 4、调速范围宽 • 5、低速大转矩 • 6、对伺服电机的要求

  37. 3.1.3伺服系统的分类 • 1、按调节理论分类 • 开环伺服系统 闭环伺服系统 半闭环系统 • 2、按使用驱动元件分类 电液伺服系统 电气伺服系统 • 3、按使用直流伺服电机和交流伺服电机分类 • 直流伺服系统 交流伺服系统 • 4、按进给驱动和主轴驱动分类 • 进给伺服系统 主轴伺服系统 • 5、按反馈比较控制方式分类 • 脉冲、数字比较伺服系统 相位比较伺服系统 幅值比较伺服系统 全数字伺服系统

  38. 3.1.4伺服系统的组成和工作原理 • 数控机床伺服系统组成：由速度环和位置环所组成 ，如图3.1所示。 • 速度环由速度控制单元、伺服电动机和速度检测装置组成。 • 位置环是由位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等各部分组成。 • 伺服系统工作原理：接收插补程序生成的进给脉冲或进给位移量，（接受反馈信号），经变换和放大，转化为移动部件的位移。

  39. 3．2 步进电动机及控制系统 • 3.2.1步进电机结构原理和分类 • 3.2.2步进电机驱动控制

  40. 3.2.1步进电机结构原理和分类 • 1、步进电机的分类 • 2、步进电机的工作原理 • 3、反应式步进电机主要技术性能指标

  41. 1、步进电机的分类 • （1）按运动方式来分 • 旋转运动、直线运动、平面运动和滚切运动式步进电机 • （2）按工作原理来分 • 反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式、永磁感应子式步进电机 • （3）按使用场合来分 • 功率步进电机和控制步进电机 • （4）按结构来分 • 单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。 • （5）按相数来分 • 三相、四相、五相、六相等。 • （6）按使用频率来分 • 高频步进电机和低频步进电机

  42. 2、步进电机的工作原理 • 1）反应式步进电动机（VR） • 2）永磁式步进电机 • 3）永磁感应子式步进电机

  43. 1）反应式步进电动机 • （1）反应式步进电动机（VR）工作原理 • （2）反应式步进电机的特点

  44. （1）反应式步进电动机工作原理 • 反应式步进电机叫可变磁阻式步进电机，简称步进电动机。 • 反应式步进电机种类：单段式（径向式）多段式（轴向式） • 结构：单段式结构如图3.2所示，多段式如图3.3、图3.4所示。 • 单段式和多段式结构的制造工艺较复杂，适用于相数多的步进电机。目前大多数采用单段式结构，若相数较多时，也有采用径向、轴向分相相结合的混合式结构。 • 反应式步进电机的工作原理：磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩；带动转子转动。 • 定子绕组的供电方式： • 单三拍供电方式： A-B-C-A--- • 双三拍工作方式： AB-BC-CA-AB-如图3.4所示

  45. （2）反应式步进电机的特点 • a、步进电机的控制十分方便 • b、气隙小 • c、步距角小 • d、励磁电流较大 • e、电机的内部阻尼较小 • f、带惯性负载能力差，尤其是在高速时容易失步 • g、断电后无定位转矩

  46. 2）永磁式步进电机 • （1）永磁式步进电机的结构 • （2）永磁式步进电机的特点

  47. （1）永磁式步进电机的结构 • 永磁感应子式步进电机结构，如图3.5所示。由定子和转子组成。 • 永磁式步进电机的转子或定子的某一方具有永久磁钢，另一方由软磁材料制成。绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩，使用转子旋转。

  48. （2）永磁式步进电机的特点 • a、步距角大。一般步距角为150、22.50、300、450、900等。这是因为在一个圆周上能形成的极对数受到极弧尺寸的限制，不能太多，所以它的步距角不能太小。 • b、控制功率小，效率高。 • c、内阻尼较大，单步振荡时间短。 • d、断电后具有一定的定位转矩。

  49. 3）永磁感应子式步进电机 • （1）永磁感应子式步进电机结构 • （2）永磁感应子式步进电机的特点

  50. （1）永磁感应子式步进电机结构 • 永磁感应子式步进电机，从它的磁路内含有永久磁钢这点看，可以说它是永磁式步进电机。但因其结构的不同，使其作用原理以及性能方面，都与永磁式步进电机有明显的区别。从定子或转子的导磁体来看，又像反应式步进电机。它好像是反应式和永磁式步进电机的结合，所以常称其为混合式步进电机。 • 永磁感应子式步进电机的典型结构如图3.5所示。它的定子结构与反应式步进电机基本相同，即分成若干极，极上有齿和控制线圈。转子由环形磁钢及两段铁心组成，环形磁钢在转子的中部，轴抽充磁，两段铁心分别装在磁钢的两端，转子铁心上也有像反应式步进电机那样的齿，但两段铁心上的小齿相互错开半个齿距，定转子齿的齿距通常相同

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