【導(dǎo)讀】水平的制約,在上世紀(jì)80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。才真正得到應(yīng)用。PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單,靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的。隨著電力電子技術(shù),微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種。PWM技術(shù)的無(wú)級(jí)調(diào)速，軟啟動(dòng)，恒轉(zhuǎn)矩輸。出極大的滿(mǎn)足了機(jī)械加工設(shè)備對(duì)恒速度，恒轉(zhuǎn)矩的要求?；蚪涣髦鬏S電機(jī)。內(nèi)的減速齒輪帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。范圍廣，又可無(wú)級(jí)調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。器在數(shù)控系統(tǒng)中的運(yùn)用，具有十分重要的意義。方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)。模擬信號(hào)的值可以連續(xù)變化，其時(shí)間和幅度的分辨率都沒(méi)有限制?；⒖扇∪魏螌?shí)數(shù)值。與此類(lèi)似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取。模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預(yù)先確定。的可能取值集合之內(nèi)，例如在{0V,5V}這一集合中取值。簡(jiǎn)單的模擬收音機(jī)中，音量旋鈕被連接到一個(gè)可變電阻。擰動(dòng)旋鈕時(shí)，電阻值變

　　

【正文】 線(xiàn)框，在實(shí)際系統(tǒng)中，通常為集成一體的專(zhuān)用大規(guī)模集成電路。在 FANUC 常見(jiàn)的交流伺服驅(qū)動(dòng)中，其中一片型號(hào)為 AF20，它包括兩個(gè)乘法器和一個(gè)轉(zhuǎn)子位置計(jì)算回路；另一片型號(hào)為 MB63137，它包括 PWM控制回路和脈沖編碼器的接收回路。圖 45為交流模擬伺服系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖。 圖 45 交流模擬伺服系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖 數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)是隨著交流伺服控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技 術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的新穎交流伺服系統(tǒng)，它所用的元器件更少，通常只要一片專(zhuān)用大規(guī)模集成電路，如 FANUC 公司通常采用的是 MB651105, 專(zhuān)用大規(guī)模集成電路，這種結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)： 1）通過(guò)總線(xiàn)與調(diào)度，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的 CPU和信號(hào)處理器可以共用 RAM。 2）具有 A/D 變換控制功能，可將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。 3）系統(tǒng)同時(shí)具有電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制的功能，以適應(yīng)不同的控制要求。 4）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) CPU可與主 CPU之間進(jìn)行通信，容易采用總線(xiàn)控制方式。 5）可以方便地產(chǎn)生 PWM信號(hào)，控制電動(dòng)機(jī)調(diào)速。 6）可以進(jìn)行位置檢測(cè) 信號(hào)（如：脈沖編碼器信號(hào)）處理。 此外，在數(shù)字式伺服系統(tǒng)中，還可以采用絕對(duì)脈沖編碼器作為位置檢測(cè)器件，在數(shù)控系統(tǒng)停電后，仍能記憶機(jī)床的實(shí)際位置；因此，機(jī)床開(kāi)機(jī)時(shí)可以不進(jìn)行手動(dòng) “ 回參考點(diǎn) ” 操作。 數(shù)字式伺服系統(tǒng)的框圖如圖 46 所示。通過(guò)比較圖 46 與圖 46 可以看出，與模擬式交流伺服系統(tǒng)相比，數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)具有下述明顯的優(yōu)點(diǎn)： 1）系統(tǒng)精度不受電子器件的溫度漂移影響；系統(tǒng)不需要采用自動(dòng)漂移補(bǔ)償電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度高 . 2）系統(tǒng)控制精度高，定位精度可達(dá)到 。 3）系統(tǒng)所用的元器件少，可靠性高。 4） 功能上可擴(kuò)充性好，如可以對(duì)系統(tǒng)的非線(xiàn)性、干擾轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行補(bǔ)償，提高系統(tǒng)的精度。 5）維修方便，系統(tǒng)的診斷、監(jiān)視功能比模擬伺服更強(qiáng)。 6）對(duì)位置、速度、轉(zhuǎn)矩、電流等信息進(jìn)行了集中管理、控制，可以避免機(jī)械共振。 7）系統(tǒng)的參數(shù)的設(shè)定與調(diào)節(jié)可以通過(guò)數(shù)字量進(jìn)行，較模擬式伺服的電位器調(diào)節(jié)更加準(zhǔn)確，更簡(jiǎn)單、容易。 圖 46 數(shù)字伺服系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖 直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 從原理上說(shuō)，直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與通常的直流調(diào)速系統(tǒng)無(wú)本質(zhì)的區(qū)別，但因?yàn)閿?shù)控機(jī)床高速、高效、高精度的要求，決定了直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)： 1）調(diào)速 范圍寬。采用直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床通常只設(shè)置高、低兩級(jí)速度的機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由主軸驅(qū)動(dòng)器控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，因此，它必須具有較寬的調(diào)速范圍。 2）直流主軸電動(dòng)機(jī)通常采用全封閉的結(jié)構(gòu)形式，可以在有塵埃和切削液飛濺的工業(yè)環(huán)境中使用。 3）主軸電動(dòng)機(jī)通常采用特殊的熱管冷卻系統(tǒng)，能將轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量迅速向外界發(fā)散。此外，為了使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱最小，定子往往采用獨(dú)特附加磁極，以減小損耗，提高效率。 4）直流主軸驅(qū)動(dòng)器主回路一般采用晶閘管三相全波整流，以實(shí)現(xiàn)四象限的運(yùn)行。 5）主軸控制性能好。為了便于與數(shù)控系統(tǒng)的 配合，主軸伺服器一般都帶有D/A 轉(zhuǎn)換器、使能 ” 信號(hào)輸入、準(zhǔn)備好 ” 輸出、速度 /轉(zhuǎn)矩顯示輸出等信號(hào)接口。 6）純電氣主軸定向準(zhǔn)?？刂乒δ?。由于換刀、精密?？住⒙菁y加工等需要，數(shù)控機(jī)床的主軸應(yīng)具有定向準(zhǔn)?？刂乒δ?，而且應(yīng)由電氣控制系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，以進(jìn)一步縮短定位時(shí)間，提高機(jī)床效率。 數(shù)控機(jī)床常用的直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理框圖如圖 47 所示。 由圖可見(jiàn)，主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)類(lèi)似于直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)，它也是由速度環(huán)和電流 環(huán)構(gòu)成的雙環(huán)速度控制系統(tǒng)，通過(guò)控制直流主軸電動(dòng)機(jī)的電樞電壓實(shí)現(xiàn)變速?？刂葡到y(tǒng)的主回路一般采用晶閘管反并聯(lián)可逆整流 電路。系統(tǒng)的工作原理可參閱直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)部分，在此不再贅述 。 圖 47 直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖 圖 47 的上半部分為勵(lì)磁控制回路，由于主軸電動(dòng)機(jī)功率通常較大，且要求恒功率調(diào)速范圍盡可能大，因此，一般采用他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，勵(lì)磁繞組與電樞繞組相互獨(dú)立，并由單獨(dú)的可調(diào)直流電源供電。 圖中，磁控制回路的電流給定、電樞電壓反饋、勵(lì)磁電流反饋三組信號(hào)經(jīng)比較之后輸入至比例一積分調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過(guò)電壓 /相位轉(zhuǎn)換器，控制晶閘管觸發(fā)脈沖的相位，調(diào)節(jié)勵(lì)磁繞組的電流大小，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的恒功率弱磁調(diào)速。主軸定向準(zhǔn)?？刂频淖饔檬?將主軸準(zhǔn)確停在某一固定的角度上，以進(jìn)行換刀等動(dòng)作。主軸定向準(zhǔn)停的位置檢測(cè)，可以利用裝在主軸上的位置編碼器或磁性傳感器進(jìn)行，通過(guò)位置閉環(huán)，使主軸準(zhǔn)確定位在規(guī)定的位置上。 圖 48 為主軸定向準(zhǔn)?？刂剖疽鈭D，當(dāng)采用位置編碼器作為位置檢測(cè)器件時(shí)，為了控制主軸位置，主軸與編碼器之間必須是 1： 1傳動(dòng)或?qū)⒕幋a器直接安裝在主軸軸端。 當(dāng)采用磁性傳感器作為位置檢測(cè)器件時(shí)，磁性器件應(yīng)直接安裝在主軸上，而磁性傳感頭則應(yīng)固定在主軸箱體上。 采用編碼器的方式與使用磁性傳感器的方式相比，具有定位點(diǎn)在 0360176。 范圍內(nèi)靈活可調(diào)，定位精 度高，定位速度快等優(yōu)點(diǎn)，而且還可以作為主軸同步進(jìn)給的位置檢測(cè)器件，因此其使用較廣。 圖 48 交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 與交流伺服驅(qū)動(dòng)一樣，交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也有模擬和數(shù)字式兩種型式，交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，具有如下特點(diǎn)： 1）由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須采用微處理器和現(xiàn)代控制理論進(jìn)行控制，因此其運(yùn)行平穩(wěn)、振動(dòng)和噪聲小。 2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般都具有再生制動(dòng)功能，在制動(dòng)時(shí) 既可將電動(dòng)機(jī)能量反饋回電網(wǎng)，起到節(jié)能的效果，又可以加快起制動(dòng)速度。 3）特別是對(duì)于全數(shù)字式主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)器可直接使用 CNC 的數(shù)字量輸出信號(hào)進(jìn)行控制，不要經(jīng)過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)速控制精度得到了提高。 4）與數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)一樣，在數(shù)字式主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，還可采用參數(shù)設(shè)定方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)調(diào)整與動(dòng)態(tài)優(yōu)化，系統(tǒng)設(shè)定靈活、調(diào)整準(zhǔn)確。 5）由于交流主軸電動(dòng)機(jī)無(wú)換向器，主軸電動(dòng)機(jī)通常不需要進(jìn)行維修 。 6）主軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高不受換向器的限制，最高轉(zhuǎn)速通常比直流主軸電動(dòng)機(jī)更高，可達(dá)到數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)。 交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理如圖 49 所示。其工作過(guò)程如下： 圖 49 交流主軸伺服系統(tǒng)原理框圖 由 CNC來(lái)的轉(zhuǎn)速給定指令 1在比較器中與測(cè)速反饋信號(hào) 2比較后產(chǎn)生轉(zhuǎn)速誤差信號(hào)，這一轉(zhuǎn)速誤差經(jīng)比例積分調(diào)節(jié)器 3放大后，作為轉(zhuǎn)矩給定指令電壓輸出。轉(zhuǎn)矩給定指令經(jīng)絕對(duì)值回路 4將轉(zhuǎn)矩給定指令電壓轉(zhuǎn)化為單極性信號(hào)。然后經(jīng)函數(shù)發(fā)生器 V/F轉(zhuǎn)換器 7，轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩給定脈沖信號(hào)。 轉(zhuǎn)矩給定脈沖信號(hào)在微處理器 8中與四倍頻回路 17輸出的速度反饋脈沖進(jìn)行運(yùn)算。同時(shí)，預(yù)先存儲(chǔ)在微處理器 ROM 中的信息給出幅值和相位信號(hào)，分別送到DA振幅器 10 和 DA 強(qiáng)勵(lì)磁 9。 DA 振幅器用于產(chǎn)生與轉(zhuǎn)矩指令相對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)定子電流的幅值，而 DA 勵(lì)磁強(qiáng)化回路用于控制增加定子電流的幅值。兩者輸出經(jīng)乘法器 11 處理后，形成定子電流的幅值給定。 另一方面，從微處理器輸出的 U、 V相位信號(hào)分別送到 U 相和 V相的電流指令回路 12 并在電流指令回路中與幅值給定相乘后產(chǎn)生 U 相和 V相的電流給定指令。 電流給定指令與電流反饋信號(hào)比較之后的誤差，經(jīng)放大送到 PWM 控制回路 14變 成固定頻率的脈寬調(diào)制信號(hào)，其中 W 相信號(hào)由 Iu、 Iv兩信號(hào)合成產(chǎn)生。 上述脈寬調(diào)制信號(hào)經(jīng) PWM 轉(zhuǎn)換器 15,最終控制電動(dòng)機(jī)的三相電流。 作為檢測(cè)器件的脈沖編碼器產(chǎn)生每轉(zhuǎn)固定的脈沖。這一脈沖經(jīng)四倍頻回路17進(jìn)行倍頻后，經(jīng) F/V 轉(zhuǎn)換器 19 轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，提供速度反饋電 壓。 由于低速時(shí) F/V 轉(zhuǎn)換器的線(xiàn)性度較差，速度反饋信號(hào)一般還需要在微分電路18和同步整流電路 20 中作相應(yīng)的處理。 交流主軸驅(qū)動(dòng)中采用的主軸定向難停控制方式與直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相同。 五 、結(jié)論 一般采用多電機(jī)拖動(dòng)，主軸和各進(jìn)給系統(tǒng)分別由各自的電機(jī)來(lái)拖動(dòng)。由于機(jī)床加工范圍較廣，不同的工件，不同的工序，使用不同的刀具，要求機(jī)床執(zhí)行部件具有不同的運(yùn)動(dòng)速度，因此機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)應(yīng)能進(jìn)行調(diào)速，主軸調(diào)速系統(tǒng)一般采用交流主軸系統(tǒng)，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的主軸的交流拖動(dòng)，同樣能夠很好滿(mǎn)足需要。主驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)主軸旋 轉(zhuǎn)，或通過(guò)皮帶傳動(dòng)和主軸箱內(nèi)的減速齒輪（以獲得更大的轉(zhuǎn)矩）帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。由于主軸電機(jī)調(diào)速范圍廣，又可無(wú)級(jí)調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化 。 變頻器以其獨(dú)特的性能（啟動(dòng)電流小、調(diào)速平滑、調(diào)速范圍大、節(jié)能環(huán)保、運(yùn)行穩(wěn)定、精度高、低頻轉(zhuǎn)矩大、保護(hù)功能齊全、可靠性高、操作維護(hù)簡(jiǎn)便等）和優(yōu)越的性?xún)r(jià)比，在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用上迅速崛起 。 參考文獻(xiàn) 1 孫立志 編 PWM 與數(shù)字化電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)運(yùn)用 中國(guó)電力出版社 2020 2 張祟巍 編 PWM技術(shù)及其運(yùn)用 機(jī)械工業(yè)出版社 2020 3 夏伯雄 編 數(shù)控技術(shù) 水利水電出版社 2020 4 顏嘉男 編 伺服電機(jī)運(yùn)用技術(shù) 科學(xué)出版社 2020 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)教師意見(jiàn)書(shū) 系別： 填表日期： 年 月 日 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 班級(jí) 設(shè)計(jì)（論文）題目 意 見(jiàn)： 指導(dǎo)教師 職稱(chēng) 工作單位 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ) 系別： 填表日期： 年 月 日 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 班級(jí) （論文）題目 答辯成績(jī) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)成員簽字 姓 名 職 稱(chēng) 工作單位 簽 字