闭环及半闭环进给伺服系统动解读课件.ppt

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1、1 16.3 闭环及半闭环进给伺服系统动6.3.1 6.3.1 6.3.1 6.3.1 闭环进给伺服系统的组成及工作原理闭环进给伺服系统的组成及工作原理闭环进给伺服系统的组成及工作原理闭环进给伺服系统的组成及工作原理这是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。这是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。这是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。这是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。1 1 1 1闭环进给伺服系统的组成闭环进给伺服系统的组成闭环进给伺服系统的组成闭环进给伺服系统的组成 2 26.3 闭环及半闭环进给伺服系统动6.3.1 6.3.1 6.3.1 6.3.1

2、闭环进给伺服系统的组成及工作原理闭环进给伺服系统的组成及工作原理闭环进给伺服系统的组成及工作原理闭环进给伺服系统的组成及工作原理 由由由由CNCCNCCNCCNC插补得到的指令进给位移量插补得到的指令进给位移量插补得到的指令进给位移量插补得到的指令进给位移量F F F F与位置检测反馈的机床移与位置检测反馈的机床移与位置检测反馈的机床移与位置检测反馈的机床移动部件（如工作台）实际位移量动部件（如工作台）实际位移量动部件（如工作台）实际位移量动部件（如工作台）实际位移量PfPfPfPf进入位置控制模块的比较环节进入位置控制模块的比较环节进入位置控制模块的比较环节进入位置控制模块的比较环节后，可得

3、到位置偏差后，可得到位置偏差后，可得到位置偏差后，可得到位置偏差e e e e（e e e eF-PF-PF-PF-Pf f f f）。位置控制模块除了完成理论）。位置控制模块除了完成理论）。位置控制模块除了完成理论）。位置控制模块除了完成理论位置与反馈的实际位置相比较处，还要完成位置回路的增益调整位置与反馈的实际位置相比较处，还要完成位置回路的增益调整位置与反馈的实际位置相比较处，还要完成位置回路的增益调整位置与反馈的实际位置相比较处，还要完成位置回路的增益调整以及将位置偏差作为指令速度控制命令以及将位置偏差作为指令速度控制命令以及将位置偏差作为指令速度控制命令以及将位置偏差作为指令速度控制

4、命令V V V VCMDCMDCMDCMD发往速度控制单元。而发往速度控制单元。而发往速度控制单元。而发往速度控制单元。而速度控制单元的任务则是根据指令速度控制命令速度控制单元的任务则是根据指令速度控制命令速度控制单元的任务则是根据指令速度控制命令速度控制单元的任务则是根据指令速度控制命令V V V VCMDCMDCMDCMD值的大小，来值的大小，来值的大小，来值的大小，来控制伺服电动机转速的大小。控制伺服电动机转速的大小。控制伺服电动机转速的大小。控制伺服电动机转速的大小。2 2 2 2闭环进给伺服系统的工作原理闭环进给伺服系统的工作原理闭环进给伺服系统的工作原理闭环进给伺服系统的工作原理

5、3 36.3闭环及半闭环进给伺服系统动6.3.2 6.3.2 6.3.2 6.3.2 直流伺服电动机及速度控制单元直流伺服电动机及速度控制单元直流伺服电动机及速度控制单元直流伺服电动机及速度控制单元 电机的结构：电机的结构：电机的结构：电机的结构：（1 1）定子：）定子：）定子：）定子：产生定子磁极磁场。产生定子磁极磁场。（2 2）转子：）转子：）转子：）转子：表面嵌有线圈，通直流表面嵌有线圈，通直流电时，在定子磁场作用下产生带负电时，在定子磁场作用下产生带负载旋转的电磁转矩。载旋转的电磁转矩。（3 3）电刷与换向片：）电刷与换向片：）电刷与换向片：）电刷与换向片：为使产生的电为使产生的电磁转

6、矩保持恒定的方向，保证转子磁转矩保持恒定的方向，保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转，能沿着固定方向均匀地连续旋转，将电刷与外加直流电源连接，换向将电刷与外加直流电源连接，换向片与电枢线圈连接。片与电枢线圈连接。1 1 1 1直流伺服电动机的工作原理直流伺服电动机的工作原理直流伺服电动机的工作原理直流伺服电动机的工作原理 4 4（1 1）永磁式直流）永磁式直流）永磁式直流）永磁式直流电电机工作原理机工作原理机工作原理机工作原理直流直流电压电压加在加在A A、B B两两电电刷之刷之间间，电电流从流从A A流入，从流入，从B B流出，流出，导导体体abab和和cdcd受到逆受到逆时针时针方向作用力

7、，方向作用力，转转子在逆子在逆时针时针方向地方向地电电磁磁转转矩作用下旋矩作用下旋转转。当当电电枢枢转过转过9090，电电枢枢线线圈圈处处于磁极的中性面，于磁极的中性面，电电刷与刷与换换向片向片断开，无断开，无电电磁磁转转矩作用。矩作用。在惯性作用下，电枢继续转动一个角度，当电刷与换向片再次接触时，导体ab和cd交换了位置，ab和cd中的电流也发生改变，从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变，因此，电枢可以连续转动。5 56.3闭环及半闭环进给伺服系统动6.3.2 6.3.2 6.3.2 6.3.2 直流伺服电动机及速度控制单元直流伺服电动机及速度控制单元直流伺服电动机及速度控制单元直流伺服电动机

8、及速度控制单元 1 1 1 1直流伺服电动机的工作原理直流伺服电动机的工作原理直流伺服电动机的工作原理直流伺服电动机的工作原理 1.1.1.1.直流伺服电机的类型直流伺服电机的类型直流伺服电机的类型直流伺服电机的类型按电枢的按电枢的结构和形状结构和形状结构和形状结构和形状分：平滑电枢型、分：平滑电枢型、空心电枢型和有槽电枢型等。空心电枢型和有槽电枢型等。按按定子磁场产生方式定子磁场产生方式定子磁场产生方式定子磁场产生方式分：永磁式和他分：永磁式和他励式。励式。按按转子转动惯量大小转子转动惯量大小转子转动惯量大小转子转动惯量大小分：大惯量、中分：大惯量、中惯量和小惯量伺服电机。惯量和小惯量伺服电

9、机。6 6直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性UaUa电枢电压；电枢电压；电枢电压；电枢电压；CeCe反电动势常数；反电动势常数；反电动势常数；反电动势常数；电动机磁通量；电动机磁通量；电动机磁通量；电动机磁通量；nn电动机转速；电动机转速；电动机转速；电动机转速；MM电动机电磁力矩；电动机电磁力矩；电动机电磁力矩；电动机电磁力矩；C CMM电磁力矩常数。电磁力矩常数。电磁力矩常数。电磁力矩常数。当电动机所加电当电动机所加电当电动机所加电当电动机所加电压一定，随着负载压一定，随着负载压一定，随着负载压一定，随着负载力矩力矩力矩力矩M M M M的增大

10、，转的增大，转的增大，转的增大，转速有一定降落，在速有一定降落，在速有一定降落，在速有一定降落，在伺服装置中由于有伺服装置中由于有伺服装置中由于有伺服装置中由于有转速反馈回路，因转速反馈回路，因转速反馈回路，因转速反馈回路，因此这一降落可以得此这一降落可以得此这一降落可以得此这一降落可以得到克服。到克服。到克服。到克服。6.3.2 6.3.2 6.3.2 6.3.2 直流伺服电动机及速度控制单元直流伺服电动机及速度控制单元直流伺服电动机及速度控制单元直流伺服电动机及速度控制单元 6.3闭环及半闭环进给伺服系统动7 7n n n n （U U U Ua a a aI I I Ia a a aR

11、R R Ra a a a）/C/C/C/Ce e e eU U U Ua a a a/C/C/C/Ce e e eR R R Ra a a a M/CM/CM/CM/Ce e e e C C C CM M M M2 2 2 2 调速可有三种方法：调速可有三种方法：调速可有三种方法：调速可有三种方法：1 1 1 1）改变电动机电枢电压）改变电动机电枢电压）改变电动机电枢电压）改变电动机电枢电压U U U Ua a a a。2 2 2 2）改变电动机磁通量）改变电动机磁通量）改变电动机磁通量）改变电动机磁通量。3 3 3 3）改变电枢电路的电阻）改变电枢电路的电阻）改变电枢电路的电阻）改变电枢电路

12、的电阻R R R Ra a a a。由于后两种调速方法不能满足数控机床对进给伺服系统由于后两种调速方法不能满足数控机床对进给伺服系统由于后两种调速方法不能满足数控机床对进给伺服系统由于后两种调速方法不能满足数控机床对进给伺服系统的要求，实际均采用改变的要求，实际均采用改变的要求，实际均采用改变的要求，实际均采用改变电枢电压电枢电压电枢电压电枢电压U U U Ua a a a来调速的方法。来调速的方法。来调速的方法。来调速的方法。6.3.2 6.3.2 6.3.2 6.3.2 直流伺服电动机及速度控制单元直流伺服电动机及速度控制单元直流伺服电动机及速度控制单元直流伺服电动机及速度控制单元 6.3

13、闭环及半闭环进给伺服系统动8 82 2 2 2直流速度控制单元调速控制方式直流速度控制单元调速控制方式直流速度控制单元调速控制方式直流速度控制单元调速控制方式 晶闸管调速系统晶闸管调速系统晶闸管调速系统晶闸管调速系统中，多采用三相全控桥式整流电路作为直中，多采用三相全控桥式整流电路作为直中，多采用三相全控桥式整流电路作为直中，多采用三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主回路，通过对流速度控制单元的主回路，通过对流速度控制单元的主回路，通过对流速度控制单元的主回路，通过对12121212个晶闸管触发角的控制，个晶闸管触发角的控制，个晶闸管触发角的控制，个晶闸管触发角的控制，达到控制电动机电

14、枢电压的目的。而达到控制电动机电枢电压的目的。而达到控制电动机电枢电压的目的。而达到控制电动机电枢电压的目的。而脉宽调速系统脉宽调速系统脉宽调速系统脉宽调速系统是利用脉宽是利用脉宽是利用脉宽是利用脉宽调制器对大功率晶体管的开关时间进行控制，将直流电压转换调制器对大功率晶体管的开关时间进行控制，将直流电压转换调制器对大功率晶体管的开关时间进行控制，将直流电压转换调制器对大功率晶体管的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的方波电压，加到电动机电枢的两端，通过对方波成某一频率的方波电压，加到电动机电枢的两端，通过对方波成某一频率的方波电压，加到电动机电枢的两端，通过对方波成某一频率的方波电压，

15、加到电动机电枢的两端，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，从而达到控制电动机脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，从而达到控制电动机脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，从而达到控制电动机脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，从而达到控制电动机转速的目的。转速的目的。转速的目的。转速的目的。6.3.2 6.3.2 6.3.2 6.3.2 直流伺服电动机及速度控制单元直流伺服电动机及速度控制单元直流伺服电动机及速度控制单元直流伺服电动机及速度控制单元 6.3闭环及半闭环进给伺服系统动9 9（1 1）晶晶晶晶闸闸管直流管直流管直流管直流调调速系速系速系速系统统三相全控三相全控桥桥式整流式整流电

16、电路作路作为为直流速度控制直流速度控制单单元的主元的主电电路。路。两两组组正正负对负对接的晶接的晶闸闸管，一管，一组组用于提供正向用于提供正向电压电压，供，供电电机正机正转转。一一组组提供反向提供反向电压电压，供，供电电机反机反转转。1010双环调度系统双环调度系统速度速度调节调节器和器和电电流流调节调节器均是由器均是由线线性集成放大器和阻性集成放大器和阻容元件构成的容元件构成的PIPI调节调节器。器。速度速度环环起主起主导导作用，作用，电电流流环环的作用是在启的作用是在启动动和堵和堵转时转时限制最大限制最大电电枢枢电电流。流。1111（2 2）晶体管脉晶体管脉晶体管脉晶体管脉宽调宽调制（制（

17、制（制（PWMPWM）直流）直流）直流）直流调调速系速系速系速系统统 PWMPWM系系系系统统的的的的组组成及工作原理成及工作原理成及工作原理成及工作原理脉脉宽调宽调制：使功率放大器中的晶体管工作在开关状制：使功率放大器中的晶体管工作在开关状态态下，开关下，开关频频率保持恒定，用率保持恒定，用调调整开关周期内的晶体管整开关周期内的晶体管导导通通时间时间的的办办法来改法来改变变输输出，从而使得出，从而使得电电机机电电枢两端枢两端获获得得宽宽度随度随时间变时间变化的化的给给定定频频率的率的电压电压脉冲。脉冲。脉脉宽连续变宽连续变化，使得化，使得电电枢枢电压电压平均平均值连续变值连续变化，从而化，从

18、而导导致致电电机机转转速速连续变连续变化。化。12122.2.脉脉脉脉宽调宽调制器制器制器制器13132 2 2 2直流速度控制单元调速控制方式直流速度控制单元调速控制方式直流速度控制单元调速控制方式直流速度控制单元调速控制方式二者的区别：二者的区别：二者的区别：二者的区别：可控硅是直接对交流电进行控制；可控硅是直接对交流电进行控制；可控硅是直接对交流电进行控制；可控硅是直接对交流电进行控制；PWMPWMPWMPWM是先将交流整流成稳定的直流电压，再对直流电压是先将交流整流成稳定的直流电压，再对直流电压是先将交流整流成稳定的直流电压，再对直流电压是先将交流整流成稳定的直流电压，再对直流电压进行

19、开关控制，进行开关控制，进行开关控制，进行开关控制，PWMPWMPWMPWM由于频率高，所以电流脉动小。由于频率高，所以电流脉动小。由于频率高，所以电流脉动小。由于频率高，所以电流脉动小。中小功率的伺服驱动装置中，大多采用性能优异的中小功率的伺服驱动装置中，大多采用性能优异的中小功率的伺服驱动装置中，大多采用性能优异的中小功率的伺服驱动装置中，大多采用性能优异的PWMPWMPWMPWM，而在大功率场合中，则采用，而在大功率场合中，则采用，而在大功率场合中，则采用，而在大功率场合中，则采用SCRSCRSCRSCR。6.3闭环及半闭环进给伺服系统动6.3.2 6.3.2 6.3.2 6.3.2 直

20、流伺服电动机及速度控制单元直流伺服电动机及速度控制单元直流伺服电动机及速度控制单元直流伺服电动机及速度控制单元 14146.3.3 6.3.3 6.3.3 6.3.3 交流伺服电动机及速度控制单元交流伺服电动机及速度控制单元交流伺服电动机及速度控制单元交流伺服电动机及速度控制单元 直流电动机却存在一些故有的缺点：直流电动机却存在一些故有的缺点：直流电动机却存在一些故有的缺点：直流电动机却存在一些故有的缺点：1 1 1 1）直流电动机的电刷和换向器易磨损，需要经常维护。）直流电动机的电刷和换向器易磨损，需要经常维护。）直流电动机的电刷和换向器易磨损，需要经常维护。）直流电动机的电刷和换向器易磨损

21、，需要经常维护。2 2 2 2）直流电动机的换向器换向时会产生火花，使电动机的最）直流电动机的换向器换向时会产生火花，使电动机的最）直流电动机的换向器换向时会产生火花，使电动机的最）直流电动机的换向器换向时会产生火花，使电动机的最高转速受到限制，也使应用环境受到限制。高转速受到限制，也使应用环境受到限制。高转速受到限制，也使应用环境受到限制。高转速受到限制，也使应用环境受到限制。3 3 3 3）直流电动机的结构复杂，制造困难，所用铜材料消耗大，）直流电动机的结构复杂，制造困难，所用铜材料消耗大，）直流电动机的结构复杂，制造困难，所用铜材料消耗大，）直流电动机的结构复杂，制造困难，所用铜材料消耗

22、大，制造成本高。制造成本高。制造成本高。制造成本高。6.3闭环及半闭环进给伺服系统动1515交流伺服交流伺服交流伺服交流伺服电电机的机的机的机的类类型型型型永磁式交流伺服永磁式交流伺服电电机和感机和感应应式交流伺服式交流伺服电电机机共同点：工作原理均由定子共同点：工作原理均由定子绕组产绕组产生旋生旋转转磁磁场场使得使得转转子跟随子跟随定子旋定子旋转转磁磁场场一起运一起运转转。不同点：永磁式伺服不同点：永磁式伺服电电机的机的转转速与外加交流速与外加交流电电源的源的频频率存在率存在着着严严格的同步关系，即格的同步关系，即电电机的机的转转速等于旋速等于旋转转磁磁场场的同步的同步转转速；速；而感而感应

23、应式伺服式伺服电电机由于需要机由于需要转转速差速差才能才能产产生生电电磁磁转转矩，因此，矩，因此，电电机的机的转转速低于磁速低于磁场场同步同步转转速，速，负载负载越大，越大，转转速差越大。速差越大。16166.3.3 6.3.3 6.3.3 6.3.3 交流伺服电动机及速度控制单元交流伺服电动机及速度控制单元交流伺服电动机及速度控制单元交流伺服电动机及速度控制单元 1 1 1 1、结构：、结构：、结构：、结构：交流伺服电机也可称为同步电机交流伺服电机也可称为同步电机交流伺服电机也可称为同步电机交流伺服电机也可称为同步电机交流伺服电机的结构交流伺服电机的结构交流伺服电机的结构交流伺服电机的结构1

24、 1电机轴电机轴 2.2.前端盖前端盖 3.3.三相绕组线圈三相绕组线圈 4.4.压板压板 5.5.定子定子 6.6.磁钢磁钢 7.7.后压板后压板 8.8.动力线接头动力线接头 9.9.后端盖后端盖 10.10.反馈插头反馈插头 11.11.脉冲编码器脉冲编码器 12.12.电机后壳电机后壳 6.3闭环及半闭环进给伺服系统动17176.3.3 6.3.3 6.3.3 6.3.3 交流伺服电动机及速度控制单元交流伺服电动机及速度控制单元交流伺服电动机及速度控制单元交流伺服电动机及速度控制单元 2 2 2 2、永磁式交流同步伺服电动机工作原理、永磁式交流同步伺服电动机工作原理、永磁式交流同步伺服

25、电动机工作原理、永磁式交流同步伺服电动机工作原理1 1 1 1）给定子通过三相交流电流，由定子产生）给定子通过三相交流电流，由定子产生）给定子通过三相交流电流，由定子产生）给定子通过三相交流电流，由定子产生旋转磁场旋转磁场旋转磁场旋转磁场2 2 2 2）转子磁场和定子的磁场相吸引，在旋转）转子磁场和定子的磁场相吸引，在旋转）转子磁场和定子的磁场相吸引，在旋转）转子磁场和定子的磁场相吸引，在旋转磁场的带动下产生旋转。磁场的带动下产生旋转。磁场的带动下产生旋转。磁场的带动下产生旋转。3 3 3 3）通过转子位置的检测，系统保证旋转过）通过转子位置的检测，系统保证旋转过）通过转子位置的检测，系统保证

26、旋转过）通过转子位置的检测，系统保证旋转过程同步。程同步。程同步。程同步。6.3闭环及半闭环进给伺服系统动18186.3.3 6.3.3 6.3.3 6.3.3 交流伺服电动机及速度控制单元交流伺服电动机及速度控制单元交流伺服电动机及速度控制单元交流伺服电动机及速度控制单元 2 2 2 2、永磁式交流同步伺服电动机工作原理、永磁式交流同步伺服电动机工作原理、永磁式交流同步伺服电动机工作原理、永磁式交流同步伺服电动机工作原理交流异步电机的转速表达式为：交流异步电机的转速表达式为：交流异步电机的转速表达式为：交流异步电机的转速表达式为：式中式中式中式中 f f f f1 1 1 1定子电源频率（定

27、子电源频率（定子电源频率（定子电源频率（HzHzHzHz）；）；）；）；p p p p磁极对数；磁极对数；磁极对数；磁极对数；s s s s转差率。转差率。转差率。转差率。调速方法有调速方法有调速方法有调速方法有变转差率、变极对数及变频三种。变转差率、变极对数及变频三种。变转差率、变极对数及变频三种。变转差率、变极对数及变频三种。靠改变转差率靠改变转差率对异步电机进行调速时，低速时转差率大，转差损耗功率也大，对异步电机进行调速时，低速时转差率大，转差损耗功率也大，效率低。变极调速只能产生二种或三种转速，不可能做成无级调效率低。变极调速只能产生二种或三种转速，不可能做成无级调速，应用范围较窄。变

28、频器调速是从高速到低速都可以保持有限速，应用范围较窄。变频器调速是从高速到低速都可以保持有限的转差率，故它具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，可以的转差率，故它具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，可以认为是一种理想的调速方法。认为是一种理想的调速方法。6.3闭环及半闭环进给伺服系统动19196.3.3 6.3.3 6.3.3 6.3.3 交流伺服电动机及速度控制单元交流伺服电动机及速度控制单元交流伺服电动机及速度控制单元交流伺服电动机及速度控制单元 3 3 3 3、永磁式同步交流伺服电动机的速度控制单元、永磁式同步交流伺服电动机的速度控制单元、永磁式同步交流伺服电动机的速度控制单元、永磁式

29、同步交流伺服电动机的速度控制单元 交流伺服电机调速方法交流伺服电机调速方法：按其工作原理、驱动电流波形的控制方式不同，又可分为：按其工作原理、驱动电流波形的控制方式不同，又可分为：按其工作原理、驱动电流波形的控制方式不同，又可分为：按其工作原理、驱动电流波形的控制方式不同，又可分为：矩形波电流驱动矩形波电流驱动矩形波电流驱动矩形波电流驱动的永磁交流伺服系统和的永磁交流伺服系统和的永磁交流伺服系统和的永磁交流伺服系统和正弦波电流驱动正弦波电流驱动正弦波电流驱动正弦波电流驱动的永磁的永磁的永磁的永磁交流伺服系统。前者的永磁交流伺服电动机也称为交流伺服系统。前者的永磁交流伺服电动机也称为交流伺服系统

30、。前者的永磁交流伺服电动机也称为交流伺服系统。前者的永磁交流伺服电动机也称为无刷直流无刷直流无刷直流无刷直流伺伺伺伺服电动机，后者的也称为服电动机，后者的也称为服电动机，后者的也称为服电动机，后者的也称为无刷交流无刷交流无刷交流无刷交流伺服电动机。从发展趋势看，伺服电动机。从发展趋势看，伺服电动机。从发展趋势看，伺服电动机。从发展趋势看，正弦波（正弦波（正弦波（正弦波（SPWMSPWMSPWMSPWM）驱动将成为主流。）驱动将成为主流。）驱动将成为主流。）驱动将成为主流。6.3闭环及半闭环进给伺服系统动2020SPWMSPWM变频调速系统变频调速系统速度给定器：给定信号，控制频率、电压及正反转

31、。速度给定器：给定信号，控制频率、电压及正反转。平稳启动回路：使启动加、减速时间可随机械负载设定，以达平稳启动回路：使启动加、减速时间可随机械负载设定，以达到软启动的目的。到软启动的目的。函数发生器：在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定，补偿函数发生器：在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定，补偿定子电压降的影响。定子电压降的影响。2121n n电压频电压频率率变压变压器：将器：将电压转换为频电压转换为频率，率，经经分分频频器、器、环环形形计计数器数器产产生方波，和生方波，和经经三角波三角波发发生器生器产产生的三角波一起送入生的三角波一起送入调调制回路。制回路。n n电压调节电压调节器：器：产产

32、生生频频率和幅度可率和幅度可调调的控制正弦波，送入的控制正弦波，送入调调制回路，制回路，送入送入调调制回路，在制回路，在调调制回路中制回路中进进行行SPWMSPWM变换变换，产产生三相的脉冲生三相的脉冲宽宽度度调调制信号。在基极回路中制信号。在基极回路中输输出信号至功率晶体管基极，即出信号至功率晶体管基极，即对对SPWMSPWM的主回路的主回路进进行控制，行控制，实现对实现对永磁交流伺服永磁交流伺服电电机的机的变频调变频调速。速。n n电电流流检测检测器：器：过载过载保保护护。22226.3.4 直线电动机在数控机床进给驱动中的应用直线电动机在数控机床进给驱动中的应用 目前，由目前，由目前，由

33、目前，由“旋转伺服电动机滚珠丝杠旋转伺服电动机滚珠丝杠旋转伺服电动机滚珠丝杠旋转伺服电动机滚珠丝杠”构成的传统直线构成的传统直线构成的传统直线构成的传统直线运动进给方式已很难适应高速、高精的要求。运动进给方式已很难适应高速、高精的要求。运动进给方式已很难适应高速、高精的要求。运动进给方式已很难适应高速、高精的要求。结构：结构：结构：结构：1 1 1 1导轨；导轨；导轨；导轨；2 2 2 2次级；次级；次级；次级；3 3 3 3初级；初级；初级；初级；4 4 4 4检测系统检测系统检测系统检测系统6.3闭环及半闭环进给伺服系统动23236.3.4 直线电动机在数控机床进给驱动中的应用直线电动机在

34、数控机床进给驱动中的应用1 1 1 1、直线电动机工作原理、直线电动机工作原理、直线电动机工作原理、直线电动机工作原理 直线电动机的工作原理与旋转电动机相比，并没有本质的直线电动机的工作原理与旋转电动机相比，并没有本质的直线电动机的工作原理与旋转电动机相比，并没有本质的直线电动机的工作原理与旋转电动机相比，并没有本质的区别，就是将旋转电动机的转子、定子以及气隙分别沿轴线剖区别，就是将旋转电动机的转子、定子以及气隙分别沿轴线剖区别，就是将旋转电动机的转子、定子以及气隙分别沿轴线剖区别，就是将旋转电动机的转子、定子以及气隙分别沿轴线剖开，展成平面状，使电能直接转换成直线机械运动。对应于旋开，展成平

35、面状，使电能直接转换成直线机械运动。对应于旋开，展成平面状，使电能直接转换成直线机械运动。对应于旋开，展成平面状，使电能直接转换成直线机械运动。对应于旋转电动机的定子部分，称为直线电动机的初级。对应于旋转电转电动机的定子部分，称为直线电动机的初级。对应于旋转电转电动机的定子部分，称为直线电动机的初级。对应于旋转电转电动机的定子部分，称为直线电动机的初级。对应于旋转电动机的转子部分，称为直线电动机的次级。动机的转子部分，称为直线电动机的次级。动机的转子部分，称为直线电动机的次级。动机的转子部分，称为直线电动机的次级。6.3闭环及半闭环进给伺服系统动24246.3.4 直线电动机在数控机床进给驱动

36、中的应用直线电动机在数控机床进给驱动中的应用1 1 1 1、直线电动机工作原理、直线电动机工作原理、直线电动机工作原理、直线电动机工作原理直线电机的分类：直线电机的分类：直线电机的分类：直线电机的分类：分为交流和直流两种，交流直线电机又分为感应异步式和永分为交流和直流两种，交流直线电机又分为感应异步式和永 磁同步式。磁同步式。6.3闭环及半闭环进给伺服系统动25256.3.4 直线电动机在数控机床进给驱动中的应用直线电动机在数控机床进给驱动中的应用2 2 2 2、使用直线电动机的高速机床系统的特点、使用直线电动机的高速机床系统的特点、使用直线电动机的高速机床系统的特点、使用直线电动机的高速机床

37、系统的特点 1 1 1 1）速度高，可达）速度高，可达）速度高，可达）速度高，可达60606060200m/min200m/min200m/min200m/min。2 2 2 2）惯性小，加速度特性好，可达）惯性小，加速度特性好，可达）惯性小，加速度特性好，可达）惯性小，加速度特性好，可达1 1 1 12g2g2g2g，易于高速精定位。，易于高速精定位。，易于高速精定位。，易于高速精定位。3 3 3 3）直线伺服电动机没有机械滞后或齿节周期误差，精度完全取）直线伺服电动机没有机械滞后或齿节周期误差，精度完全取）直线伺服电动机没有机械滞后或齿节周期误差，精度完全取）直线伺服电动机没有机械滞后或齿

38、节周期误差，精度完全取决于反馈系统的检测精度。决于反馈系统的检测精度。决于反馈系统的检测精度。决于反馈系统的检测精度。4 4 4 4）直线电动机上装配全数字伺服系统，可以达到极好的伺服性）直线电动机上装配全数字伺服系统，可以达到极好的伺服性）直线电动机上装配全数字伺服系统，可以达到极好的伺服性）直线电动机上装配全数字伺服系统，可以达到极好的伺服性能。能。能。能。6.3闭环及半闭环进给伺服系统动26266.3.4 直线电动机在数控机床进给驱动中的应用直线电动机在数控机床进给驱动中的应用2 2 2 2、使用直线电动机的高速机床系统的特点、使用直线电动机的高速机床系统的特点、使用直线电动机的高速机床

39、系统的特点、使用直线电动机的高速机床系统的特点:(:(:(:(续续续续)5 5 5 5）无中间传动环节，不存在摩擦磨损、反向间隙等问题，可靠性）无中间传动环节，不存在摩擦磨损、反向间隙等问题，可靠性）无中间传动环节，不存在摩擦磨损、反向间隙等问题，可靠性）无中间传动环节，不存在摩擦磨损、反向间隙等问题，可靠性高，寿命长。高，寿命长。高，寿命长。高，寿命长。6 6 6 6）直线电动机系统在动力传动中由于没有低效率的中介传动部件）直线电动机系统在动力传动中由于没有低效率的中介传动部件）直线电动机系统在动力传动中由于没有低效率的中介传动部件）直线电动机系统在动力传动中由于没有低效率的中介传动部件而能

40、达到高效率，可获得很好的动态刚度。而能达到高效率，可获得很好的动态刚度。而能达到高效率，可获得很好的动态刚度。而能达到高效率，可获得很好的动态刚度。7 7 7 7）行程长度不受限制，并可在一个行程全长上安装使用多个工作）行程长度不受限制，并可在一个行程全长上安装使用多个工作）行程长度不受限制，并可在一个行程全长上安装使用多个工作）行程长度不受限制，并可在一个行程全长上安装使用多个工作台。台。台。台。8 8 8 8）由于直线电动机的动件（初级）已和机床的工作台合二为一，）由于直线电动机的动件（初级）已和机床的工作台合二为一，）由于直线电动机的动件（初级）已和机床的工作台合二为一，）由于直线电动机

41、的动件（初级）已和机床的工作台合二为一，因此，和滚珠丝杠进给单元不同，直线电动机进给单元只能采用全因此，和滚珠丝杠进给单元不同，直线电动机进给单元只能采用全因此，和滚珠丝杠进给单元不同，直线电动机进给单元只能采用全因此，和滚珠丝杠进给单元不同，直线电动机进给单元只能采用全闭环控制系统。闭环控制系统。闭环控制系统。闭环控制系统。6.3闭环及半闭环进给伺服系统动27276.3.4 直线电动机在数控机床进给驱动中的应用直线电动机在数控机床进给驱动中的应用3 3 3 3、直线电动机在机床上的应用也存在一些问题、直线电动机在机床上的应用也存在一些问题、直线电动机在机床上的应用也存在一些问题、直线电动机在

42、机床上的应用也存在一些问题 1 1 1 1）由于没有机械联接或啮合，因此垂直轴需要外加一个平衡块）由于没有机械联接或啮合，因此垂直轴需要外加一个平衡块）由于没有机械联接或啮合，因此垂直轴需要外加一个平衡块）由于没有机械联接或啮合，因此垂直轴需要外加一个平衡块或制动器。或制动器。或制动器。或制动器。2 2 2 2）当负荷变化大时，需要重新整定系统。目前，大多数现代控）当负荷变化大时，需要重新整定系统。目前，大多数现代控）当负荷变化大时，需要重新整定系统。目前，大多数现代控）当负荷变化大时，需要重新整定系统。目前，大多数现代控制装置具有自动整定功能，因此能快速调机。制装置具有自动整定功能，因此能快

43、速调机。制装置具有自动整定功能，因此能快速调机。制装置具有自动整定功能，因此能快速调机。3 3 3 3）磁铁（或线圈）对电动机部件的吸力很大，因此应注意选择）磁铁（或线圈）对电动机部件的吸力很大，因此应注意选择）磁铁（或线圈）对电动机部件的吸力很大，因此应注意选择）磁铁（或线圈）对电动机部件的吸力很大，因此应注意选择导轨和设计滑架结构，并注意解决磁铁吸引金属颗粒的问题。导轨和设计滑架结构，并注意解决磁铁吸引金属颗粒的问题。导轨和设计滑架结构，并注意解决磁铁吸引金属颗粒的问题。导轨和设计滑架结构，并注意解决磁铁吸引金属颗粒的问题。6.3闭环及半闭环进给伺服系统动28286.3.5 主轴驱动简介主

44、轴驱动简介机床主轴驱动和进给驱动有很大差别。机床主轴驱动和进给驱动有很大差别。机床主轴驱动和进给驱动有很大差别。机床主轴驱动和进给驱动有很大差别。6.3闭环及半闭环进给伺服系统动 主传动电动机应有主传动电动机应有主传动电动机应有主传动电动机应有2.22.22.22.2150kW150kW150kW150kW的功率范围，控机床主驱动的功率范围，控机床主驱动的功率范围，控机床主驱动的功率范围，控机床主驱动系统要求在系统要求在系统要求在系统要求在1:1001:1001:1001:1001:10001:10001:10001:1000范围内进行恒转矩和范围内进行恒转矩和范围内进行恒转矩和范围内进行恒转

45、矩和1:101:101:101:10的恒功率的恒功率的恒功率的恒功率调速，而且要求在主轴的两个转向中任一方向都可进行传动调速，而且要求在主轴的两个转向中任一方向都可进行传动调速，而且要求在主轴的两个转向中任一方向都可进行传动调速，而且要求在主轴的两个转向中任一方向都可进行传动和加减速，即要求有和加减速，即要求有和加减速，即要求有和加减速，即要求有4 4 4 4象限的驱动能力。象限的驱动能力。象限的驱动能力。象限的驱动能力。29296.3.5 主轴驱动简介主轴驱动简介机床主轴驱动和进给驱动有很大差别。（续）机床主轴驱动和进给驱动有很大差别。（续）机床主轴驱动和进给驱动有很大差别。（续）机床主轴驱

46、动和进给驱动有很大差别。（续）6.3闭环及半闭环进给伺服系统动直流主轴驱动系统，但由于直流电动机的换向限制，大多数直流主轴驱动系统，但由于直流电动机的换向限制，大多数直流主轴驱动系统，但由于直流电动机的换向限制，大多数直流主轴驱动系统，但由于直流电动机的换向限制，大多数系统恒功率调速范围都非常小。因此，它成了主轴直流电气系统恒功率调速范围都非常小。因此，它成了主轴直流电气系统恒功率调速范围都非常小。因此，它成了主轴直流电气系统恒功率调速范围都非常小。因此，它成了主轴直流电气传动的一个大问题。到了传动的一个大问题。到了传动的一个大问题。到了传动的一个大问题。到了20202020世纪世纪世纪世纪7

47、0707070年代末、年代末、年代末、年代末、80808080年代初开始采年代初开始采年代初开始采年代初开始采用交流驱动系统，现在国际上新生产的数控机床绝大部分采用交流驱动系统，现在国际上新生产的数控机床绝大部分采用交流驱动系统，现在国际上新生产的数控机床绝大部分采用交流驱动系统，现在国际上新生产的数控机床绝大部分采用交流主轴驱动系统。用交流主轴驱动系统。用交流主轴驱动系统。用交流主轴驱动系统。交流电主轴电动机是一种具有笼式转交流电主轴电动机是一种具有笼式转交流电主轴电动机是一种具有笼式转交流电主轴电动机是一种具有笼式转子的三相感应电动机，也称为三相异步电动机子的三相感应电动机，也称为三相异步

48、电动机子的三相感应电动机，也称为三相异步电动机子的三相感应电动机，也称为三相异步电动机。30306.3.5 主轴驱动简介主轴驱动简介机床主轴驱动和进给驱动有很大差别。机床主轴驱动和进给驱动有很大差别。机床主轴驱动和进给驱动有很大差别。机床主轴驱动和进给驱动有很大差别。6.3闭环及半闭环进给伺服系统动主轴电动机可以作为进给电动机在大约主轴电动机可以作为进给电动机在大约主轴电动机可以作为进给电动机在大约主轴电动机可以作为进给电动机在大约0.010.010.010.01300r/min300r/min300r/min300r/min的低的低的低的低速范围内工作，实现进给坐标控制，这称为速范围内工作，

49、实现进给坐标控制，这称为速范围内工作，实现进给坐标控制，这称为速范围内工作，实现进给坐标控制，这称为C C C C轴控制。轴控制。轴控制。轴控制。旋转磁场的转速称为同步转速，旋转磁场的转速称为同步转速，旋转磁场的转速称为同步转速，旋转磁场的转速称为同步转速，n n n n+60f60f60f60f1 1 1 1/p/p/p/p 转差率转差率转差率转差率s s s s如下如下如下如下s s s s（n n n n1 1 1 1-n-n-n-n2 2 2 2）/n/n/n/n1 1 1 1 。转子的转速转子的转速转子的转速转子的转速n n n n2 2 2 2n n n n1 1 1 1（1-s1-s1-s1-s）60f60f60f60f1 1 1 1（1-s1-s1-s1-s）/p/p/p/p目前大多数数控机床的交流主轴控制采用矢量控制。目前大多数数控机床的交流主轴控制采用矢量控制。目前大多数数控机床的交流主轴控制采用矢量控制。目前大多数数控机床的交流主轴控制采用矢量控制。