【文章內(nèi)容簡介】 定子采用矯頑力很高的鐵氧體永磁材料 ， 在電動機電流過載 10倍的情況下也不會去磁 ， 這就大大提高了電動機的瞬時加速轉(zhuǎn)矩 ， 改善了動態(tài)響應(yīng) 。 ④ 過載能力強 由于采用高級的絕緣材料 ， 轉(zhuǎn)子慣性又不太大 ， 允許過載轉(zhuǎn)矩達 5～ 10倍 ， 而且在密閉的自然空冷條件下 ， 可以長時間超負荷運轉(zhuǎn) 。 ⑤ 易于調(diào)試 由于電動機轉(zhuǎn)子慣量接近于普通電動機 ， 負載慣量對伺服系統(tǒng)的影響較小 ， 在調(diào)試時可以不加負載預(yù)調(diào) ， 聯(lián)機后再作少量調(diào)整即可 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 這種電動機在特性上能很好地滿足機床傳動要求 ， 同時又能以極高的精度實現(xiàn)機床的無齒輪驅(qū)動 。因此 ， 近來被廣泛應(yīng)用于機床的進給系統(tǒng)中 。 交流伺服電動機 由于直流電機具有優(yōu)良的調(diào)速性能 ， 長期以來 ，在要求調(diào)速性能較高的場合 ， 直流電機調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)主導(dǎo)地位 。 但直流電機卻存在一些固有的缺點 ，如電刷和換向器易磨損 ， 需要經(jīng)常維護；換向器換向時會產(chǎn)生火花 ， 使電機的最高轉(zhuǎn)速受到限制 ， 也使應(yīng)用環(huán)境受到限制；直流電機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ， 制造困難 ，所用銅鐵材料消耗大 ， 制造成本高 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 但交流電機 ， 特別是感應(yīng)電機則無上述缺點 ，且轉(zhuǎn)子慣量較直流電機小 ， 動態(tài)響應(yīng)好 ， 一般來說 ，在同樣體積下 ， 交流電機的輸出功率可比直流電機提高 10％ ～ 70％ 。 另外 ， 交流電機的容量比直流電機要大 ， 因此 ， 人們一直在尋找用交流電機調(diào)速來代替直流電機調(diào)速方案 。 隨著電力電子技術(shù) 、 微電子技術(shù)及自動控制理論的發(fā)展 ， 現(xiàn)代交流調(diào)速有了飛速發(fā)展 ， 它不僅克服了直流電動機結(jié)構(gòu)上的不足 ， 而且發(fā)揮了交流電動機堅固耐用 、 經(jīng)濟可靠等優(yōu)點 ， 在調(diào)速性能上可與直流拖動相媲美 ， 并有取而代之的趨勢 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 交流伺服電動機分為交流永磁式伺服電動機和交流感應(yīng)式伺服電動機 。 永磁式相當(dāng)于交流同步電動機 ， 常用于進給系統(tǒng)；感應(yīng)式相當(dāng)于交流感應(yīng)異步電動機 ， 常用于主軸伺服系統(tǒng) 。 旋轉(zhuǎn)機理都是由定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場使轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn) 。 不同點是交流永磁式伺服電動機的轉(zhuǎn)速和外加電源頻率存在嚴格的關(guān)系；而交流感應(yīng)式伺服電動機由于需要轉(zhuǎn)速差才能在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生感應(yīng)磁場 ， 所以轉(zhuǎn)速比其同步轉(zhuǎn)速小 ， 外加負載越大 ， 轉(zhuǎn)速差越大 。 旋轉(zhuǎn)磁場的同步速度由交流電的頻率來決定 ， 因而交流電動機可以用改變供電頻率的方法來調(diào)速 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 交流伺服電動機的工作原理與普通異步電動機相似 ， 由于它在數(shù)控機床中作為執(zhí)行組件 ， 將交流電信號轉(zhuǎn)換為軸上的角位移或角速度 ， 所以要求轉(zhuǎn)子速度的快慢能反映控制信號的強弱 ， 轉(zhuǎn)動的方向能反映控制信號的相位 ， 無控制信號時它不應(yīng)轉(zhuǎn)動 ， 特別是當(dāng)它已在轉(zhuǎn)動時 ， 如果控制信號消失 ， 它應(yīng)能立即停止轉(zhuǎn)動 。 交流伺服電動機的調(diào)速方法 根據(jù)電機學(xué)理論 ，交流異步電動機的轉(zhuǎn)速可由下式表示 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) ( )sp fn = 160式中 f — 定子電源頻率； s — 轉(zhuǎn)差率； p — 極對數(shù)。 （ 418） 由式 （ 418） 可見 ， 改變交流電動機的轉(zhuǎn)速有三種方法 ， 即變頻調(diào)速 、 變極對數(shù)調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 。 變極對數(shù)調(diào)速是有級調(diào)速且調(diào)速范圍窄； 變轉(zhuǎn)差率調(diào)速可以通過在轉(zhuǎn)子繞組中串電阻和改變定子電壓兩種方法來實現(xiàn) ， 但這兩種改變轉(zhuǎn)差率的方法都存在損耗大的缺陷 ， 不是理想的調(diào)速方法； Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 變頻調(diào)速范圍寬 、 平滑性好 、 效率高 、 具有優(yōu)良的靜態(tài)和動態(tài)特性 。 目前高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)都是采用變頻調(diào)速技術(shù)來改變電動機的轉(zhuǎn)速 。 在異步電動機中 ， 定子繞組的反電勢為 ΦKNfE 111444 .=式中 f1 — 定子電源頻率； N1 — 定子每相繞組匝數(shù)； K1 — 定子每相繞組等效匝數(shù)系數(shù)； Φ — 每極氣隙磁通量。 （ 419） 如果略去定子的阻抗壓降 ， 則定子繞組端電壓 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) ΦKNfEU 111444 .=≈ （ 420） 由此可見 ， 若端電壓不變 ， 隨著頻率 f1的升高 ， 氣隙磁通 Φ 將減小 。 電動機轉(zhuǎn)矩關(guān)系為 22 φΦICT m c o s= 式中 I2 — 轉(zhuǎn)子電流； φ2 — 轉(zhuǎn)子電流的相位角； Cm — 轉(zhuǎn)矩常數(shù)； （ 421） Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 由式 （ 421） 可以看出 ， Φ 值減小 ， 轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流 I2相應(yīng)減小 ， 必然使得電機的輸出轉(zhuǎn)矩 T和最大轉(zhuǎn)矩下降 。 因而在變頻調(diào)速時 ， 為了使輸出轉(zhuǎn)矩保持不變 ， 需要同時改變定子端電壓 ， 以使氣隙磁通保持不變 ， 進而使輸出轉(zhuǎn)矩保持不變 。 由此可見交流伺服電機變頻調(diào)速的關(guān)鍵是要獲得調(diào)頻 、 調(diào)壓的交流電源 。 22 φΦICT m c o s=（ 421） Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 開環(huán)伺服系統(tǒng) 步進電動機伺服系統(tǒng)是典型的開環(huán)伺服系統(tǒng) 。在開環(huán)伺服系統(tǒng)中 ， 執(zhí)行組件是步進電動機 。 步進電動機把進給脈沖轉(zhuǎn)換為機械角位移 ， 并由傳動絲杠帶動工作臺移動 。 由于該系統(tǒng)中無位置和速度檢測環(huán)節(jié) ， 因此它的精度主要由步進電動機的步距和與之相連的絲杠等傳動機構(gòu)決定 。 步進電動機的最高極限速度通常要比伺服電動機低 ， 并且在低速時容易產(chǎn)生振動 ， 影響加工精度 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 但步進電動機開環(huán)伺服系統(tǒng)的控制和結(jié)構(gòu)簡單 ，容易調(diào)整 ， 在速度和精度要求不太高的場合有一定的使用價值 。 步進電動機細分技術(shù)的應(yīng)用 ， 使步進電動機開環(huán)伺服系統(tǒng)的定位精度明顯提高 ， 并且降低了步進電動機的低速振動 ， 使步進電動機在低速場合的開環(huán)伺服系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用 。 步進電動機的驅(qū)動系統(tǒng) Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 脈沖信號源 是一個從幾 HZ到 20KHZ左右的連續(xù)可調(diào)信號發(fā)生器 ， 可以是計算機或?qū)Ｓ玫挠布娐?，按照一定的規(guī)律 （ 如加工指令等 ） 輸出各種數(shù)字脈沖序列 。 環(huán)形分配器 是將數(shù)控裝置的插補脈沖 ， 按步進電機所要求的規(guī)律分配給步進電機驅(qū)動電源的各相輸入端 ， 以控制勵磁繞組的導(dǎo)通或關(guān)斷 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 環(huán)形分配器的功能可由硬件 、 軟件以及軟硬件相結(jié)合的方法來實現(xiàn) 。 圖 422為由Ｄ觸發(fā)器組成的三相六拍通電方式分配器示意圖 ， 其工作狀態(tài)如表44所示 。 開機通電后由分配器置 “ 0” 信號將分配器置成 “ 100” 狀態(tài) ， 為初始的鎖相狀態(tài) 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 功率放大器 由環(huán)形分配器輸出的脈沖功率很小 ，需要進行功率放大 ， 才足以驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn) 。 由于功放中的負載為步進電機的繞組 ， 是感性負載 ，較大的電感影響快速性 ， 另外感應(yīng)電勢也帶來的功率管保護等問題 。 功率放大器最早采用單電壓驅(qū)動電路 ， 后來出現(xiàn)了雙電壓 （ 高低壓 ） 驅(qū)動電路 、 斬波電路 、 調(diào)頻調(diào)壓和細分電路等 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 步進電動機的微機控制 微機控制步進電動機的驅(qū)動系統(tǒng) ， 不僅可用程序代替可變頻率脈沖源和環(huán)形分配器等硬件 ， 還很容易用程序?qū)崿F(xiàn)步進電動機按其固有特性實現(xiàn)升降頻等功能 。 現(xiàn)以 MCS51單片機為例說明微機對步進電動機的控制 。 （ 1） 步進電動機與單片機的連接 步進電動機與單片機的聯(lián)接一般有兩種形式：由硬件或軟件完成脈沖分配功能 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 硬件進行脈沖分配 圖 423所示為原理框圖 ，環(huán)形分配器 、 驅(qū)動電路由硬件完成 。 單片機只提供步進脈沖和正 、 反轉(zhuǎn)信號 。 步進脈沖的產(chǎn)生與停止 ， 步進脈沖的頻率和個數(shù)都可用軟件控制 。 單片機輸出步進脈沖后 ， 再由環(huán)形分配器按程序順序控制各相的通斷 。 ， 。 用軟件控制 “ 1” 或 “ 0” 的次序和長短 ，構(gòu) 成了脈沖序列 。 脈沖序列的周期和步進電動機的步距有關(guān) 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 硬件線路脈沖分配的缺點是電路固定后 ， 步進電動機的運行方式也就固定下來 ，不易更改 。