【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(jī)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(jī)的瞬時加速轉(zhuǎn)矩 ， 改善了動態(tài)響應(yīng) 。 ④ 過載能力強(qiáng) 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(dá) 5～ 10倍 ， 而且在密閉的自然空冷條件下 ， 可以長時間超負(fù)荷運轉(zhuǎn) 。 ⑤ 易于調(diào)試 由于電動機(jī)轉(zhuǎn)子慣量接近于普通電動機(jī) ， 負(fù)載慣量對伺服系統(tǒng)的影響較小 ， 在調(diào)試時可以不加負(fù)載預(yù)調(diào) ， 聯(lián)機(jī)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(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 這種電動機(jī)在特性上能很好地滿足機(jī)床傳動要求 ， 同時又能以極高的精度實現(xiàn)機(jī)床的無齒輪驅(qū)動 。因此 ， 近來被廣泛應(yīng)用于機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)中 。 交流伺服電動機(jī) 由于直流電機(jī)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)主導(dǎo)地位 。 但直流電機(jī)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(hù)；換向器換向時會產(chǎn)生火花 ， 使電機(jī)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(jī)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(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 但交流電機(jī) ， 特別是感應(yīng)電機(jī)則無上述缺點 ，且轉(zhuǎn)子慣量較直流電機(jī)小 ， 動態(tài)響應(yīng)好 ， 一般來說 ，在同樣體積下 ， 交流電機(jī)的輸出功率可比直流電機(jī)提高 10％ ～ 70％ 。 另外 ， 交流電機(jī)的容量比直流電機(jī)要大 ， 因此 ， 人們一直在尋找用交流電機(jī)調(diào)速來代替直流電機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)上的不足 ， 而且發(fā)揮了交流電動機(jī)堅固耐用 、 經(jīng)濟(jì)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(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 交流伺服電動機(jī)分為交流永磁式伺服電動機(jī)和交流感應(yīng)式伺服電動機(jī) 。 永磁式相當(dāng)于交流同步電動機(jī) ， 常用于進(jìn)給系統(tǒng)；感應(yīng)式相當(dāng)于交流感應(yīng)異步電動機(jī) ， 常用于主軸伺服系統(tǒng) 。 旋轉(zhuǎn)機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速和外加電源頻率存在嚴(yán)格的關(guān)系；而交流感應(yīng)式伺服電動機(jī)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(fù)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(jī)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(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 交流伺服電動機(jī)的工作原理與普通異步電動機(jī)相似 ， 由于它在數(shù)控機(jī)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(qiáng)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(jī)的調(diào)速方法 根據(jù)電機(jī)學(xué)理論 ，交流異步電動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速 。 在異步電動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)而使輸出轉(zhuǎn)矩保持不變 。 由此可見交流伺服電機(jī)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(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 開環(huán)伺服系統(tǒng) 步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī) 。 步進(jìn)電動機(jī)把進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換為機(jī)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(jìn)電動機(jī)的步距和與之相連的絲杠等傳動機(jī)構(gòu)決定 。 步進(jìn)電動機(jī)的最高極限速度通常要比伺服電動機(jī)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(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 但步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)細(xì)分技術(shù)的應(yīng)用 ， 使步進(jìn)電動機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)的定位精度明顯提高 ， 并且降低了步進(jìn)電動機(jī)的低速振動 ， 使步進(jìn)電動機(jī)在低速場合的開環(huán)伺服系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用 。 步進(jìn)電動機(jī)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(jī)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(jī)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(bǔ)脈沖 ， 按步進(jìn)電機(jī)所要求的規(guī)律分配給步進(jìn)電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)行功率放大 ， 才足以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn) 。 由于功放中的負(fù)載為步進(jìn)電機(jī)的繞組 ， 是感性負(fù)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(hù)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(xì)分電路等 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 步進(jìn)電動機(jī)的微機(jī)控制 微機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)按其固有特性實現(xiàn)升降頻等功能 。 現(xiàn)以 MCS51單片機(jī)為例說明微機(jī)對步進(jìn)電動機(jī)的控制 。 （ 1） 步進(jìn)電動機(jī)與單片機(jī)的連接 步進(jìn)電動機(jī)與單片機(jī)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(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 硬件進(jìn)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(jī)只提供步進(jìn)脈沖和正 、 反轉(zhuǎn)信號 。 步進(jìn)脈沖的產(chǎn)生與停止 ， 步進(jìn)脈沖的頻率和個數(shù)都可用軟件控制 。 單片機(jī)輸出步進(jìn)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(jìn)電動機(jī)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(jī)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(jìn)電動機(jī)的運行方式也就固定下來 ，不易更改 。