【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 直流電機(jī)的系統(tǒng)。目前使用比較多的是永磁式直流伺服電機(jī)。 永磁直流伺服電機(jī) （也稱為大慣量寬調(diào)速直流伺服電機(jī)），調(diào)速范圍寬，輸出轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)，而且電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，應(yīng)用較方便。 但直流電機(jī)有電刷，限制了轉(zhuǎn)速的提高，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格也高。進(jìn)入 80年代后，由于交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的突破，交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入電氣傳動(dòng)調(diào)速控制的各個(gè)領(lǐng)域。交流伺服電機(jī)，轉(zhuǎn)子慣量比直流電機(jī)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。而且容易維修，制造簡(jiǎn)單，適合于在較惡劣環(huán)境中使用，易于向大容量、高速度方向發(fā)展，其性能更加優(yōu)異，已達(dá)到或超過(guò)直流伺服系統(tǒng)，交流伺服電機(jī)已在數(shù)控機(jī)床中得到廣泛應(yīng)用。 電動(dòng)機(jī) 直流 交流 其它 整流子，電刷 無(wú)整流子，電刷 電子電路切換 永磁式 繞線勵(lì)磁式 （電磁鐵） 并勵(lì) 串勵(lì) 復(fù)勵(lì) 無(wú)刷 步進(jìn) 直線 同步 異步感應(yīng) 超聲波 永磁式 永磁式 繞線式 磁阻式 鼠籠式 交流整流子式 混合 繞線式 電動(dòng)機(jī) 控制 功率 信號(hào) 伺服 步進(jìn) 力矩 開(kāi)關(guān)磁阻 無(wú)刷直流 永磁 磁阻 混合 直線電動(dòng)機(jī)的實(shí)質(zhì)是把旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)沿徑向剖開(kāi)，然后拉直演變而成，利用電磁作用原理，將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的一種推力裝置，是一種較為理想的驅(qū)動(dòng)裝置。 在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的最大區(qū)別是取消了從電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)之間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零。正由于這種傳動(dòng)方式，帶來(lái)了旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無(wú)法達(dá)到的性能指標(biāo)和優(yōu)點(diǎn) 由于直線電動(dòng)機(jī)在機(jī)床中的應(yīng)用目前還處于初級(jí)階段，還有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)。隨著各相關(guān)配套技術(shù)的發(fā)展和直線電動(dòng)機(jī)制造工藝的完善，相信用直線電動(dòng)機(jī)作進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的機(jī)床會(huì)得到廣泛應(yīng)用。 線性直線電機(jī) 磁懸浮列車(chē) 交流伺服系統(tǒng) 一、數(shù)控機(jī)床用交流電機(jī) 在 交流伺服系統(tǒng)中 ，按電機(jī)種類(lèi)可分為同步型和異步型（感應(yīng)電機(jī)）兩種。交流伺服同步電機(jī)有永磁式、磁阻式（反應(yīng)式）、磁滯式、繞組磁極式等。 數(shù)控機(jī)床 進(jìn)給伺服系統(tǒng)中多采用永磁式同步電機(jī) ，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由供電頻率所決定的，即在電源電壓和頻率固定不變時(shí)，它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變的。由變頻電源供電給同步電機(jī)時(shí)，能方便地獲得與頻率成正比的可變速度，可以得到非常硬的機(jī)械特性及寬的調(diào)速范圍。 交流主軸電機(jī)多采用交流異步電機(jī) ，很少采用永磁同步電機(jī)，主要因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)的容量做得不夠大，且電機(jī)成本較高。另外主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不象進(jìn)給系統(tǒng)那樣要求很高的性能，調(diào)速范圍也不要太大。因此，采用異步電機(jī)完全可以滿足數(shù)控機(jī)床主軸的要求，籠型異步電機(jī)多用在主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。 伺服電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)器 適合于各種加工中心的電主軸 二、交流電機(jī)的速度控制 (一 )交流電機(jī)的調(diào)速 據(jù)電機(jī)學(xué)知，交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為 (r/min)(67) 式中 f1— 定子電源頻率（ Hz）； p— 磁極對(duì)數(shù)； s— 轉(zhuǎn)差率。 由式 (67)可知異步電機(jī)的調(diào)速方法，可以有 變轉(zhuǎn)差率、變極對(duì)數(shù)及變頻三種?？扛淖冝D(zhuǎn)差率對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速時(shí)，低速時(shí)轉(zhuǎn)差率大，轉(zhuǎn)差損耗功率也大，效率低。變極調(diào)速只能產(chǎn)生二種或三種轉(zhuǎn)速，不可能做成無(wú)級(jí)調(diào)速，應(yīng)用范圍較窄。變頻調(diào)速是從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，故它具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能，可以認(rèn)為是一種理想的調(diào)速方法。 交流同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為 (r/min) 可知改變頻率 f1，可平滑調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速。但在實(shí)際調(diào)速時(shí)，只改變頻率是不夠的，現(xiàn)在來(lái)看一下變頻時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性的變化情況，由電機(jī)學(xué)知： (68) 式中 E1— 感應(yīng)電勢(shì)； Kr1— 基波繞組系數(shù)； N1— 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； Φ m— 每極氣隙磁通量。 當(dāng)略去定子阻抗壓降時(shí)，定子相電壓 U1為 (69) 可以看出 ， Φm減小導(dǎo)致電機(jī)允許輸出轉(zhuǎn)矩 T下降 ， 則電機(jī)利用率下降 ，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩也將降低 ， 嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過(guò)最大轉(zhuǎn)矩 ， 電機(jī)就帶不動(dòng)了 ， 即所謂堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象 。 又當(dāng)電壓 U1不變 ， 減小 f1時(shí) ， Φm上升會(huì)造成磁路飽合 ， 激磁電流會(huì)上升 ， 鐵心過(guò)熱 ， 功率因數(shù)下降 ， 電機(jī)帶負(fù)載能力降低 。故在調(diào)頻調(diào)速中 ， 要求 在變頻的同時(shí)改變定子電壓 U1， 以維持 Φm接近不變 ，由 U1， f1不同的相互關(guān)系 ,而得出不同的變頻調(diào)速方式 、 不同的調(diào)速機(jī)械特性 。 由式 (69)可見(jiàn)，定子電壓不變時(shí)，隨 f1的上升，氣隙磁通 Φ m將減小。 又從轉(zhuǎn)矩公式 (610) 式中 CT— 轉(zhuǎn)矩常數(shù)； I2— 折算到定子上的轉(zhuǎn)子電流； cosφ 2 — 轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)。 1. 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 (610) 方法： U1/f1=常數(shù)， 原理： φm近似恒定 , 因而扭矩 T近似恒定 優(yōu)點(diǎn)：特性曲線的線性段基本平行，扭矩恒定。 缺點(diǎn)：但最大轉(zhuǎn)矩 Tm隨著 f1下降而減小。 這是因?yàn)?f1高時(shí)， E1數(shù)值較大，此時(shí)定子漏阻抗壓降在 U1中所占比例較小，可以認(rèn)為 U1近似于定子繞組中感應(yīng)電勢(shì) E1。而當(dāng) f1相對(duì)很較低時(shí)， E1數(shù)值變小， U1值也變小，此時(shí)定子漏阻抗壓降在 U1中所占比例增大， E1與 U1相差很大，所以 φm減小，從而使 Tm下降。 (69) 圖恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性曲線 2. 恒最大轉(zhuǎn)矩 （ Tm） 調(diào)速 為了在低速時(shí)保持最大轉(zhuǎn)矩 Tm不變 ， 就必須采取 E1/f1=常數(shù)的協(xié)調(diào)控制 ， 顯然 ， 這是一種理想的保持磁通恒定的控制方法 。 恒 Tm調(diào)速的機(jī)械特性見(jiàn)圖 625所示 ， 對(duì)應(yīng)于同一轉(zhuǎn)矩 ， 轉(zhuǎn)速降基本不變 ， 即直線部分斜率不變 ， 機(jī)械特性平行地移動(dòng) 。 n T f 4 f 1 f 1 f 2 f 3 f 4 f 2 f 3 圖恒 Tm調(diào)速特性曲線 方法： E1/f1=常數(shù) 原理： 使 φm 精確恒定， Tm恒定。 優(yōu)點(diǎn)： 因而最大扭矩恒定 缺點(diǎn)： 實(shí)現(xiàn)困難 n T f 4 f 1 f 1 f 2 f 3 f 4 f 2 f 3 3. 恒功率調(diào)速 為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，可以在額定頻率以上進(jìn)行調(diào)速。因電機(jī)繞組是按額定電壓等級(jí)設(shè)計(jì)的，超過(guò)額定電壓運(yùn)行將受到繞組絕緣強(qiáng)度的限制，因此定子電壓不可能與頻率成正比地提高。若頻率上升，額定電壓不變，那么氣隙磁通 φm將隨著 f1的升高而降低。這時(shí)，相當(dāng)于額定電流時(shí)的轉(zhuǎn)矩也減小，特性變軟。如圖 626所示，隨著頻率增加，轉(zhuǎn)矩減少，而轉(zhuǎn)速增加，可得近似恒功率的調(diào)速特性。 圖恒功率調(diào)速特性曲線 方法：只改變 f1 優(yōu)點(diǎn)：調(diào)整方法簡(jiǎn)單 缺點(diǎn)：最大扭矩變化 （二）交流感應(yīng)電機(jī)矢量控制原理 矢量控制理論最先是在 1971年由德國(guó)學(xué)者 。在伺服系統(tǒng)中，直流伺服電機(jī)能獲得優(yōu)良的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能，其根本原因是被控制只有電機(jī)磁通 Ф和電樞電流 Ia， 且這兩個(gè)量是獨(dú)立的。此外，電磁轉(zhuǎn)矩（ Tm=KT Ф Ia）與磁通 Ф和電樞電流 Ia分別成正比關(guān)系。因此，控制簡(jiǎn)單，性能為線性。如果能夠模擬直流電機(jī)，求出交流電機(jī)與之對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)與電樞電流，分別而獨(dú)立地加以控制，就會(huì)使交流電機(jī)具有與直流電機(jī)近似的優(yōu)良特性。為此，必須將三相交變量（矢量）轉(zhuǎn)換為與之等效的直流量（標(biāo)量），建立起交流電機(jī)的等效模型，然后按直流電機(jī)的控制方法對(duì)其進(jìn)行控制。 圖所示三相異步交流電機(jī)在空間上產(chǎn)生一個(gè)角速度為 ω0的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) Φ。如果用的兩套空間相差 900的繞組 α和 β來(lái)代替，并通以兩相在時(shí)間上相差900的交流電流，使其也產(chǎn)生角速度為 ω0的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) Φ ， 則可以認(rèn)為圖和圖的兩套繞組是等效的。若給圖所示模型上兩個(gè)互相垂直繞組 d和 q，分別通以直流電流 id 和 iq ，則將產(chǎn)生位置固定的磁場(chǎng) Φ ，如果再使繞組以角速度 ω0旋轉(zhuǎn)，則所建立的磁場(chǎng)也是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其幅值和轉(zhuǎn)速也與一樣。 圖交流電機(jī)三相 /二相直流電機(jī)變換 ω0 ω0 ω0 Φ Φ Φ B C β α 1. 三相 A、 B、 C系統(tǒng)變換到兩相 α 、 β 系統(tǒng) ω0 ω0 ω0 Φ Φ Φ B C β α 這種變換是將三相交流電機(jī)變?yōu)榈刃У亩嘟涣麟姍C(jī)。圖 627a所示的三相異步電機(jī)的定子三相繞組，彼此相差 1200空間角度，當(dāng)通以三相平衡交流電流 iA, iB, iC 時(shí)，在定子上產(chǎn)生以同步角速度 ω 0旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)矢量 Φ 。三相繞組的作用，完全可以用在空間上互相垂直的兩個(gè)靜止的 α 、 β 繞組代替，并通以兩相在時(shí)間上相差 900的交流平衡電流 iα 和 iβ ，使其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的幅值和角速度也分別 Φ 和 ω 0，則可以認(rèn)為、 b中的兩套繞組是等效的。 應(yīng)用三相 /二相的數(shù)學(xué)變換公式，將其化為二相交流繞組的等效交流磁場(chǎng)。則產(chǎn)生的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與三相 A、 B、 C繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一致。令三相繞組中的 A相繞組的軸線與 α 坐標(biāo)軸重合，其磁勢(shì)為（見(jiàn)圖）。 FB Fβ 600 FA Fα FC 圖三相磁動(dòng)勢(shì)的變換 按照磁勢(shì)與電流成正比關(guān)系，可求得對(duì)應(yīng)的電流值 iα 和 iβ 除磁勢(shì)的變換外，變換中用到的其它物理量，只要是三相平衡量與二相平衡量，則轉(zhuǎn)換方式相同。這樣就將三相電機(jī)轉(zhuǎn)換為二相電機(jī)，如圖 627b。 2. 矢量旋轉(zhuǎn)變換 將三相電機(jī)轉(zhuǎn)化為二相電機(jī)后，還需將二相交流電機(jī)變換為等效的直流電機(jī)，若設(shè)圖