【正文】 脈沖當(dāng)量為 360176。 交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。 、 176。 、 176。 。 1） 控制精度不同 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為 176。隨著 全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來(lái)越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。 REF 為速度基難； CC 為電流控制放大器；RD 為速度變化器； PWM 為脈寬調(diào)制器； SC 為速度控制放大器； IFG 為電流函數(shù)發(fā)生器 [14]。 SPWM 調(diào)制波經(jīng)功率放大才能驅(qū)動(dòng)電機(jī)。三相 SPWM 調(diào)制時(shí)，三角波共用，每相都有一個(gè)輸入正弦信號(hào)和SPWM 調(diào)制器其輸出調(diào)制波分別為 UA、 UB、 UC。大功率晶體管各有一個(gè)與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管。圖 314 所示是 SPWM 調(diào)制波示意圖 [12]。 具體來(lái)分析：三角波電壓和正弦波電壓分別接在電壓比較器的“ ”、“ +’’輸入端。則矩形脈沖所組成的波形就與正弦波等效。 逆變器由六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件組成，常采用大功率晶體管。還有空間電壓矢量 PWM、最優(yōu) PWM、預(yù)測(cè) PWM、隨機(jī) PWM、規(guī)則采樣數(shù)字化 PWM 等等。 變頻器的基本概念。 正弦脈寬調(diào)制（ SPWM）變壓變頻器的組成如圖 312 所示 ； 邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 圖 312 正弦脈寬變頻器主電路圖組成 二極管整流器，用于交 直變換；脈寬調(diào)制逆變器，用于直 交變換、同時(shí)完成調(diào)頻和調(diào)壓任務(wù)。這種調(diào)頻方式所得交流電的波動(dòng)小，調(diào)頻范圍比較寬，調(diào)節(jié)線性好。交 交變頻，利用可控硅整流器直接將工頻交流電變成頻率較低的脈動(dòng)交流電，正組輸出正脈沖，反組輸出負(fù)脈沖。電動(dòng)機(jī)從高速到低速其轉(zhuǎn)差率都很小，因而變頻調(diào)速的效率和功率因數(shù)都很高。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過(guò)一定的限度，電動(dòng)機(jī)就會(huì)“丟步”，即不再按同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行直至停轉(zhuǎn)。根據(jù)兩異性磁極相吸的原理，定子磁極 Ns(或 Ss)緊緊吸住轉(zhuǎn)子，以同步轉(zhuǎn)速 ns 在空間旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)子和定子磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)。 2）永磁式三相交流同步電機(jī)伺服 系統(tǒng)。交流伺服電機(jī)依據(jù)電機(jī)運(yùn)行原理不同，可分為永磁同步式、永磁直流無(wú)刷式、感應(yīng)式、磁阻同步式交流伺服電機(jī)。而異步伺服 電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、制造簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率場(chǎng)合得到重視。雖然采用功率 步進(jìn)電機(jī) 直接驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)曾經(jīng)在 90 年代的所謂經(jīng)濟(jì)型數(shù)控領(lǐng)域獲得廣泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。 進(jìn)入 21 世紀(jì)，在以多媒體和互聯(lián)網(wǎng)為特征的信息時(shí)代，電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)裝置繼續(xù)發(fā)揮支撐 作用，向節(jié)約資源、環(huán)境友好、高效節(jié)能運(yùn)行的方向發(fā)展。具體元器件如表 32 所示 . 表 32 電路中的元器件 元器件名 型號(hào) 數(shù)量 參數(shù) 環(huán)形分配器 CH250 1 可分配雙三拍，三相六拍 與門 74LS68 3 有 0 出 0，全 1 出 1 非門 NOT 6 取反 光電開(kāi)關(guān) OPTOCOUPLERNPN 6 上拉電阻 330 歐姆，電壓 5V 功率三 極管 IRG4BC10U 3 承載電流 4A、電壓 10KV，壓降 2V 二極管 DIODE、 1N5401 6 正向壓降 100V，導(dǎo)通電流 3A，壓降 2V 電壓比較器 TLC327 3 比較電壓為 邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 36 交流伺服系統(tǒng) 1）交流伺服電機(jī)概述。 圖使用三個(gè)與非門，用于對(duì)所給信號(hào)相與取反，實(shí)現(xiàn)對(duì) IGBT 的導(dǎo)通關(guān)斷的控制。 圖 310 斬波恒流驅(qū)動(dòng)電 當(dāng)輸入為脈沖為高電平時(shí)，信號(hào)分為兩路，第一路經(jīng)過(guò)非門 U7，輸出低電平，光電開(kāi)關(guān)正向?qū)?，開(kāi)始工作，觸發(fā)電壓使 IGBT 管 Q2 導(dǎo)通，另一路信號(hào)到與門 U8同比較器輸出信號(hào)相與，輸出高電平，經(jīng)非門 U2 取反，輸出低電平，光電開(kāi)關(guān) U4導(dǎo)通，觸發(fā)電壓使 IGBT 管 Q1 導(dǎo)通，電機(jī)繞組上的電流逐漸增大，當(dāng)電流增大到額定電流以上時(shí)，采 樣電阻 R7 上的電壓增大，反饋電壓增大，比較器輸出低電平，經(jīng)非門輸出高電平，光電開(kāi)關(guān) U4 停止工作， IGBTQ1 截止，電機(jī)繞組由 12V電源提供電流，電流逐漸減小，當(dāng)電流小于額定值時(shí)，采樣電阻反饋回的電壓減小，與非門輸邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 出低電平，光電開(kāi)關(guān) U4 工作， IGBT 管 Q1 接著工作，繞組電流又逐漸增大。特點(diǎn)：功率開(kāi)關(guān)管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，功耗很低，邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 但器件多、體積大。三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)線性細(xì)分后，原來(lái)一相的一個(gè)大脈沖由現(xiàn)在的 n 個(gè)階梯脈沖替。這就要求驅(qū)動(dòng)電源對(duì)繞組提供的電壓與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率建立直接聯(lián)系，即低 頻時(shí)用較低的電壓供電，高頻使用較高的電壓供電，調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)方式可以較好地滿足這一要求。 這種電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但它使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性、啟動(dòng)矩頻特性和慣頻特性都有明顯的提高，使繞組中的脈沖電流邊沿陡，快速響應(yīng)好，且無(wú)外接電阻，所以功耗下降很多，提高了效率，還保證了在很大的頻率范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)都能輸出恒定的轉(zhuǎn)矩。 （ a） （ b） 圖 36 高低壓功率放大電路 3） 斬波驅(qū)動(dòng)電路 由于雙電壓驅(qū)動(dòng)電路存在著電流在高低壓連接處出現(xiàn)谷點(diǎn)，造成高頻輸出轉(zhuǎn)矩在谷點(diǎn)下降。低 壓部分的 VMOS 管 VF2 柵極為低電平， VF2 截止。其特點(diǎn)：僅在脈沖開(kāi)始時(shí)接通高壓電源，其余時(shí)間僅接通低壓電源供電。 2) 高低電壓功率放大電路 這種驅(qū)動(dòng)電路供給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的電壓有兩種：一種是低電壓 U2，一般為 12V邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 或 24V；另一種是高電壓 U1，電壓為 80V 以上。當(dāng)脈沖 3 加到 A，B、 C 三個(gè)輸入端時(shí)，三組放大器分別驅(qū)動(dòng)不同繞組，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。過(guò)去采用單電壓驅(qū)動(dòng)電路，后來(lái)采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，現(xiàn)在則比較多的采用了恒流斬波、調(diào)頻調(diào)壓和細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路等形式的驅(qū)動(dòng)電 路。 CH250 環(huán)形脈沖分配器的功能關(guān)系如表 31 所列 [7]。 CL 端是時(shí)鐘脈沖輸入端， EN 是時(shí)鐘脈沖允許端，用以控制時(shí)鐘脈沖的允許與否。 圖 34（ b）為三相六拍接線圖。每個(gè)觸發(fā)器發(fā)出的脈沖就是一個(gè)序列脈沖，用來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)某相定子繞組的通、斷電。環(huán)形分配器的功能是把來(lái)自 CNC 的脈沖信號(hào)按一定的規(guī)律分配給各相功率放大器，來(lái)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的勵(lì)磁繞組，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按規(guī)定的方 式進(jìn)行工作。因此，需要對(duì)從環(huán)形分配器來(lái)的信號(hào)進(jìn)行功率放大，已提供幅邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 值足夠，前后沿較好的勵(lì)磁電流。 環(huán)形分配器。但由加減脈沖分配電路來(lái)的進(jìn)給脈沖頻率的變化是有躍變的。一般采用的方法是，通過(guò)加減脈沖分配電路從該進(jìn)給方向的進(jìn)給脈沖指令抵消相同數(shù)量的相反方向補(bǔ)充脈沖。當(dāng)數(shù)控機(jī)床正在沿著正向進(jìn)給的脈沖信號(hào)做正向進(jìn)給 運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于各種補(bǔ)償信號(hào)的存在，可能會(huì)出現(xiàn)極個(gè)別的負(fù)向脈沖信號(hào)，同樣，當(dāng)數(shù)控機(jī)床正在沿著負(fù)向向進(jìn)給的脈沖信號(hào)做負(fù)向向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于各種補(bǔ)償信號(hào)的存在，可能會(huì)出現(xiàn)極個(gè)別的正向脈沖信號(hào)。 圖 33 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方框圖 邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 CNC 裝置發(fā)出脈沖指令，經(jīng)過(guò)脈沖電路至加減脈沖分配電路，再到環(huán)形分配器，經(jīng)功率放大器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 2．工作臺(tái)進(jìn)給速度的控制 進(jìn)給脈沖的頻率 f→定 子繞組通電狀態(tài)的變化頻率 f→步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速→工作臺(tái)進(jìn)給速度 v。步距角 α可由下式計(jì)算： 式中： Z 是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)； N一個(gè)周期的運(yùn)行拍數(shù)。步進(jìn)機(jī)通過(guò)一個(gè)電脈沖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度 ,稱為步距角，符號(hào)α，步進(jìn)電機(jī)輸出的角位移量 α 與輸入的指令脈沖數(shù) Ｋ 成正比，在時(shí)間上與輸入的脈沖同步；而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 ｎ 與指令脈沖頻率 ｆ 成正比。上述的通電方式稱為三相單三拍。 若通電脈 沖的次序?yàn)?A、 B、 C、 A?，則不難推出，轉(zhuǎn)子將以順時(shí)針?lè)较蛞徊讲降匦D(zhuǎn)。 4 兩齒與 A、 B 兩磁極相對(duì)錯(cuò)開(kāi) 30176。 當(dāng) B相通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)鐵芯 BB 方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力作 用下，轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn) 30176。 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（ VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（ PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（ HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)在定子的每個(gè)磁極上面向轉(zhuǎn)子的部分，均勻分布著 5 個(gè)小齒，齒槽等寬，齒間夾角為 9 度。當(dāng)定子的矢量磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。在無(wú)脈沖輸入時(shí)，在繞組電源激勵(lì)下，氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置而處于定位狀態(tài)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，是由電動(dòng)機(jī)繞組的脈沖電流控制的，也就是說(shuō)由指令脈沖決定的。 31 步進(jìn)電機(jī)工作原理 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的電磁機(jī)械裝置。在一定的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí) , 任何運(yùn)行方式都不會(huì)丟一步的。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每走一步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度與理論步距值之間總有一定的誤差 , 走任意步數(shù)以后 , 也總有一定的誤差。還有下列優(yōu)點(diǎn) :步距值不受各種干擾因素的影響。在交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展初期，感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)曾一度得到發(fā)展和應(yīng)用，但由于存在上述一些問(wèn)題，這種系統(tǒng)在機(jī)床的進(jìn)給 機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)中并未得到普遍的應(yīng)用。但控制上采用矢量變換控制，因而系統(tǒng)比較復(fù)雜。傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)采用的是機(jī)械式換向且存在電刷，使其在應(yīng)用過(guò)程中面臨著以下一些難以克服的缺點(diǎn) : 1）維護(hù)工作量大、維護(hù)成本高； 2) 使用壽命短、可靠性低； 3) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、響應(yīng)速度慢； 4) 易對(duì)其它設(shè)備產(chǎn)生干擾、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)能力差； 從而極大地限制了其在高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合的應(yīng)用。 該系統(tǒng)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(shù)控機(jī)床等 [4]。 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖 24 的虛線所示，直接對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測(cè)。因此，其精度較閉環(huán)差，較開(kāi)環(huán)好。 圖 22 開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng) 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。無(wú)位置反饋，精度相對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)講不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和精度。特點(diǎn)：外部看：以位置指令輸入和位置控制為輸出的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)：位置控制包括位置、速度和電流控制；速度控制包括速度和電流控制。 圖 21 伺服系統(tǒng)的基本組成 22 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)的組成 數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制轉(zhuǎn)換電 路，電子電力驅(qū)動(dòng)放大模塊，速度調(diào)節(jié)單元，電流調(diào)節(jié)單元，檢測(cè)裝置。數(shù)控裝置發(fā)出的控制信息，通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)，完成程序所規(guī)定的操作。因此數(shù)控機(jī)床在控制設(shè)計(jì)上具有很大的靈活與實(shí)際應(yīng)用性。最低進(jìn)給速度到最高進(jìn)給速度范圍都能穩(wěn)定運(yùn)行平滑過(guò)度。 2)角度分析控制 分度有兩種：一是固定的等分角位置控制?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的伺服電動(dòng)機(jī)通常都是與絲杠直接相連，中間沒(méi)有減速齒輪，這就要求進(jìn)給電動(dòng)機(jī)能輸出較大的轉(zhuǎn)矩。這就要求伺服電機(jī)要有很寬的調(diào)速范圍和優(yōu)異的調(diào)速特性。 4）調(diào)速范圍寬。 3）快速響應(yīng)。 要求伺服系統(tǒng)有較高的可靠性、穩(wěn)定性，并且受電源、環(huán)境、負(fù)載等的影響要小。一般要求定位精度為 ；而高檔設(shè)備的定位精度還應(yīng)在 01μm以內(nèi)。 1）精度高。從 20 世紀(jì) 80 年代 后期開(kāi)始，大量使用交流伺服系統(tǒng)，目前，已基本取代了直流電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)已逐漸被淘汰，在數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)中，均采用籠型異步電動(dòng)機(jī)。 ），使其應(yīng)用環(huán)境受到限制。因此，隨著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，研究和開(kāi)發(fā)高性能的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，一直是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。也給傳統(tǒng)的機(jī)械，機(jī)電專業(yè)的人才帶來(lái)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。 數(shù)控技術(shù)是機(jī)械加工自動(dòng)化的基礎(chǔ)，是數(shù)控機(jī)床的核心技術(shù)，其水平高低關(guān)系到國(guó)家戰(zhàn)略地位和體現(xiàn)國(guó)家綜合國(guó)力的水平，數(shù)控技術(shù)的廣泛應(yīng)用給傳統(tǒng)的制造業(yè)的生產(chǎn)方式，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)帶來(lái)了深刻的變化。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為一種實(shí)現(xiàn)切削刀具與工件間運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要組成部分，它在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能，如數(shù)控機(jī)床的最高移動(dòng)速度、跟蹤精度、定位精度等一系列重要指標(biāo)取決于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。目前在數(shù)控車床開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)常使用伺服步進(jìn)電機(jī)，由于直流伺服電動(dòng)機(jī)存在著一些的固有的缺點(diǎn)（比如，有電刷，限制了轉(zhuǎn)速的提高，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴。因此，交流伺服系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展，已經(jīng)形成潮流。 12 數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的要求 伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床中及其重要的一部分，伺服系統(tǒng)的性能直接影響到機(jī)床的加工精度，面對(duì)國(guó)內(nèi)外伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有下幾點(diǎn)基本要求。 為了保證數(shù)控機(jī)床的加工精度，除了要求數(shù)控系統(tǒng)精度和機(jī)床機(jī)械精度有足夠高以外，還要求具有足夠高的伺服系統(tǒng)定位精度和進(jìn)給跟蹤精度，并且還