【正文】 器。 2. 變頻器 ? 交 —交變頻器 直接將固定頻率的交流電變換為另一種頻率的交流電。 ? 交 —直 —交變頻器 先將電網(wǎng)交流電通過整流變?yōu)橹绷?，再?jīng)過電容或電感或電容、電感組合電路濾波后供給逆變器。逆變器輸出的是電壓和頻率可調(diào)的交流電。 目前應(yīng)用比較多的是交 —直 —交變頻器，交 —直 —交變頻器中的逆變器有多種類型。數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)中所用電動機的容量都比較小，一般采用 PWM逆變器。 PWM逆變器的關(guān)鍵技術(shù)是 PWM的調(diào)制方法?，F(xiàn)已研制出的調(diào)制方法有十余種之多，其中最基本、應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)制方法是 SPWM(正弦波脈寬調(diào)制 ) 3. SPWM（正弦波脈寬調(diào)制） （ 1）調(diào)制脈沖信號的形成： 三角波為載波，由三角波發(fā)生器生成 正弦波為調(diào)制波，有電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生，其頻率和幅值可調(diào) 兩波形交點決定逆變器 U相 VT VT4管的通斷時間，形成控制 VT VT4管基極的調(diào)制脈沖信號 電路原理圖 （ 2）變頻器的工作原理 ? 調(diào)制波為正半周，當(dāng)正弦波高于三角波時， VT1導(dǎo)通、 VT4關(guān)斷，使負載上得到的相電壓為 uA=＋ Ed/2；當(dāng)正弦波低于三角波時， VT1關(guān)斷、 VD4續(xù)流二極管釋放能量，負載上的相電壓為uA=－ Ed/2；實現(xiàn)雙極性調(diào)制。 ? 調(diào)制波為負半周， VT4導(dǎo) 通、 VT1關(guān)斷。 ? 逆變器輸出電壓為一組等 幅、等距，但不等寬的脈沖 系列，其脈寬按正弦分布 （等效正弦電壓波）。 ? 通過改變調(diào)制波的幅值，可 改變逆變器輸出電壓的幅值； ? 通過改變調(diào)制波的頻率，可 改變逆變器輸出基波的頻率。 4. SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng) 五、直線電機 1. 直線電機的結(jié)構(gòu)和工作原理 直線電機是指一種利用電磁作 用原理，將電能直接轉(zhuǎn)換成直線 運動動能的驅(qū)動裝置，是一種能 實現(xiàn)往復(fù)直線運動的電動機。直 線電機是從旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)化而來的。 (1)直線電機的結(jié)構(gòu) 可以認為直線電機是將旋轉(zhuǎn)電 機沿其軸向剖開，然后將其定子 和轉(zhuǎn)子展開，變成如圖所示的由 定子和動子組成的直線電機。 在數(shù)控機床上實際使用的直線電機如左圖所示。 (2)直線電機工作原理 在旋轉(zhuǎn)電機中，當(dāng)三相繞組中通入三相對稱正弦電流后，會在氣隙中產(chǎn)生按正弦分布的旋轉(zhuǎn)磁場。 與此類似，在直線電機中通入三相電流后，也會在氣隙中產(chǎn)生磁場，如果不考慮端部效應(yīng)，磁場在直線方向也呈正弦分布，只是這個磁場是平移而不是旋轉(zhuǎn)的，因此稱為行波磁場。行波磁場與次級相互作用便產(chǎn)生電磁推力，驅(qū)動動子沿定子作往復(fù)直線運動。這就是直線電機運行的基本原理。 2. 直線電機的分類及特點 (1) 直線電機的分類 ? 按工作原理分類 與旋轉(zhuǎn)電機相對應(yīng)，直線電機有：直線直流電機、直線感應(yīng)電機、直線同步電機、直線磁阻電機、直線壓電電機等。 ? 按結(jié)構(gòu)形式分類 根據(jù)不同的使用場合，直線電機的結(jié)構(gòu)形式可分為：平板式、 U 形、圓筒式。圖中紅色為動子，藍色為定子。 ?按性能參數(shù)分類 ①高推力（高推力、大位移）直線電機： 主要應(yīng)用在高速、高精數(shù)控機床、高速加工中心和并聯(lián)機床等；也可用于其他數(shù)控機械，如傳輸機械、冶金機械、紡織機械等；及其他高速、高精且需要高推力、大位移的場合，如飛行模擬器、彈射器，加速滑軌等。 ②高響應(yīng)（高頻響、小位移）直線電機： 主要應(yīng)用在往返頻率高、位移小、推力不高的各類精密機床，如非圓截面加工機床、高速磨床、電火花成型加工機床等；也可用于快速成形、圖像傳遞、光電醫(yī)療、激光加工等設(shè)備或裝置上的三維振鏡掃描動態(tài)聚焦系統(tǒng)；電子制造行業(yè)的裝備：插件機、線路板檢測和鉆孔、半導(dǎo)體行業(yè)：芯片加工、切片、連線、離子注入、光刻、芯片檢驗等裝備；計算機外圍驅(qū)備： XY繪圖機、高速打印機、掃描儀、數(shù)控坐標(biāo)測量儀、軟盤驅(qū)動設(shè)備等。 （ 2）直線電機的特點 ? 取消了從電動機到工作臺之間的機械傳動環(huán)節(jié)，沒有機械接觸，傳動力是在氣隙中產(chǎn)生的，除了導(dǎo)軌外沒有其它摩擦； ? 結(jié)構(gòu)簡單，體積小，以最少的零部件數(shù)量實現(xiàn)直線驅(qū)動，而且是只有一個運動的部件； ? 理論上行程不受限制，而且性能不會因為行程的改變而受到影響； ? 可以提供很寬的速度范圍，從每秒幾微米到數(shù)米，特別適于高速，加速度很大，最大可達 10g； ? 運動平穩(wěn)，這是因為除了起支撐作用的直線導(dǎo)軌或氣浮軸承外，沒有其它機械連接或轉(zhuǎn)換裝置的緣故； ? 精度和重復(fù)精度高，因為消除了影響精度的中間環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的精度取決于位置檢測元件，有合適的反饋裝置可達亞微米級； ? 維護簡單，由于部件少，運動時無機械接觸，從而大大降低了零部件的磨損，只需很少甚至無需維護，使用壽命更長。 ? 但端部磁場有畸變，控制難度大，安裝困難、需要隔磁、成本高等。 ? 直線電動機的實質(zhì) 把旋轉(zhuǎn)電動機沿徑向剖開，然后拉直演變而成，利用電磁作用原理，將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動動能的一種推力裝置，是一種較為理想的驅(qū)動裝置。 ?與旋轉(zhuǎn)電動機的最大區(qū)別 在機床進給系統(tǒng)中，取消了從電動機到工作臺之間的機械傳動環(huán)節(jié)，把機床進給傳動鏈的長度縮短為零。正由于這種傳動方式，帶來了旋轉(zhuǎn)電動機驅(qū)動方式無法達到的性能指標(biāo)和優(yōu)點。 ?應(yīng)用前景 由于直線電動機在機床中的應(yīng)用目前還處于初級階段，還有待進一步研究和改進。隨著各相關(guān)配套技術(shù)的發(fā)展和直線電動機制造工藝的完善，直線電動機在機床進給驅(qū)動中將會得到廣泛應(yīng)用。 3. 直線電機的應(yīng)用 167。 46 主軸驅(qū)動 數(shù)控機床的主軸驅(qū)動不同于進給驅(qū)動，主軸的工作運動通常為旋轉(zhuǎn)運動。 主軸驅(qū)動的主要要求： ? 輸出功率大 ~250kw，結(jié)構(gòu)上不能采用永磁式 ? 寬的調(diào)速范圍 1： 100~1000恒轉(zhuǎn)矩， 1： 10恒功率調(diào)速 ? 主軸既能正轉(zhuǎn)、又能反轉(zhuǎn)，且能快速制動 ? 特殊要求 如：加工螺紋，要求主軸驅(qū)動與進給驅(qū)動實行同步控制；為了保證端面加工的光潔度，要求主軸驅(qū)動系統(tǒng)具有恒線速切削控制；在加工中心上，由于自動換刀的需要，要求主抽驅(qū)動系統(tǒng)具有高精度的停位控制；有的數(shù)控機床還要求主軸驅(qū)動系統(tǒng)具有角度控制功能等。 分類 ? 直流主軸驅(qū)動系統(tǒng) 早期的數(shù)控機床多采用直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)。 ? 交流主軸驅(qū)動系統(tǒng) 自 20世紀(jì) 70年代末 80年代初，在數(shù)控機床主軸驅(qū)動中開始采用交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)。 現(xiàn)代數(shù)控機床多采用交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)。 一 、 直流主軸電動機及其速度控制 1. 直流伺服電動機的結(jié)構(gòu) 與一般直流電動機一樣 ， 只是為了減小轉(zhuǎn)動慣量而做得細長一些 。 它的勵磁繞組和電樞分別由兩個獨立電源供電 。 2. 特性曲線 基本速度以下： 恒轉(zhuǎn)矩范圍，用改變轉(zhuǎn)子繞組電壓調(diào)速。 基本速度以上： 恒功率范圍，用控制定子激磁來調(diào)速。 3. 速度控制 （ 直流他激伺服電動機） ? 定子磁動勢：由勵磁電流產(chǎn)生 ? 轉(zhuǎn)子反應(yīng)磁動勢：由轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生 ? 電磁轉(zhuǎn)矩： e T aT C I?= ? ? 由于被控制量電動機磁通 ? 和電樞電流 Ia， 互相獨立，其電磁轉(zhuǎn)矩與磁通和電樞電流分別成正比關(guān)系?？梢苑奖愕胤謩e進行調(diào)節(jié)，因此直流伺服 電機具有優(yōu)良的調(diào)速性能。 ? 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速： 用改變轉(zhuǎn)子繞組電壓調(diào)速。 ? 恒功率調(diào)速： 用控制定子激磁來調(diào)速。 二、交流主軸電動機及其速度控制 1. 交流主軸電動機的結(jié)構(gòu) 交流主軸電機多采用交流異步電機 ， 很少采用永磁同步電機 。主要因為永磁同步電機的容量做得不夠大 ， 且電機成本較高 。 另外主軸驅(qū)動系統(tǒng)不象進給系統(tǒng)那樣要求很高的性能 ， 調(diào)速范圍也不要太大 。 因此 ， 采用異步電機完全可以滿足數(shù)控機床主軸的要求 ， 籠型異步電機多用在主軸驅(qū)動系統(tǒng)中 。 交流主軸電機 普通交流 異步感應(yīng)電機 通風(fēng)孔 2. 交流主軸電動機的工作原理 與普通三相異步電動機同 。 據(jù)電機學(xué)知 ， 交流異步電機的轉(zhuǎn)速表達式為： （ r/min） 式中 f1—定子電源頻率 （ Hz） ； p—磁極對數(shù)； s—轉(zhuǎn)差率 。 由上式可知異步電機的調(diào)速方法 ， 可以有變轉(zhuǎn)差率 、 變極對數(shù)及變頻三種 。 靠改變轉(zhuǎn)差率對異步電機進行調(diào)速時 ， 低速時轉(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 ， 不可能做成無級調(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 ， 可以認為是一種理想的調(diào)速方法 。 ? ?sp fn = 160 1當(dāng)略去定子阻抗壓降時，定子相電壓 U1為 式中 KE—電勢系數(shù)， KE＝ N1。 3. 功率 —速度特性曲線 由上述分析可知改變頻率 f1， 可平滑調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速 。 但在實際調(diào)速時 ， 只改變頻率是不夠的 ， 現(xiàn)在來看一下變頻時電動機的機械特性的變化情況 ， 由電機學(xué)知： 式中 E1—感應(yīng)電勢； Kr1—基波繞組系數(shù)； N1—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； Φm—每極氣隙磁通量 。 mE fKEU ?111 =?mr NfKE ?1111 = 由上式可見 ， 定子電壓不變時 ， 隨 f1的上升 ， 氣隙磁通 ?m將減小 。 又從轉(zhuǎn)矩公式 式中 CT—轉(zhuǎn)矩常數(shù)； I2—折算到定子上的轉(zhuǎn)子電流； cos y 2 —轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù) 。 22 c o s y? ICT mTe = 可以看出， ? m減小導(dǎo)致電機允許輸出轉(zhuǎn)矩 Te下降，則電機利用率下降，電機的最大轉(zhuǎn)矩也將降低，嚴(yán)重時可能發(fā)生負載轉(zhuǎn)矩超過最大轉(zhuǎn)矩，電機就帶不動了，即所謂堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。 又當(dāng)電壓 U1不變，減小 f 1時， ?m 上升會造成磁路飽合，激磁電流會上升，鐵芯過熱，功率因數(shù)下降，電機帶負載能力降低。故在調(diào)頻調(diào)速中，要求在變頻的同時改變定子電壓 U1，以維持 ?m 接近不變，由 U1， f 1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)速機械特性。 mE fKEU ?111 =? (1) 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 由轉(zhuǎn)子電流與主磁通作用而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩公式可知 ， T與φ、 I2成正比 。 要保持 T不變 ， 即要求 U1/f1為常數(shù) ， 可以 近似 地維持 φ 恒定 。 此時的機械特性曲線族如圖所示 。 由圖可見 ， 保持 U1/f1為常數(shù)進行變頻調(diào)速時 ， 這些特性曲線的線性段基本平行 ， 類似直流電機的調(diào)壓特性 。 但最大轉(zhuǎn)矩 Tm隨著 f1下降而減小 。 這是因為 f1高時 ， E1數(shù)值較大 ， 此時定子漏阻抗壓降在 U1中所占比例較小 ， 可以認為 U1近似于定子繞組中感應(yīng)電勢 E1。 而當(dāng) f1相對很較低時 ， E1數(shù)值變小 ， U1值也變小 ， 此時定子漏阻抗壓降在 U1中 所占比例增大 ， E1與 U1相差 很大 ， 所以 φ 減小 ， 從而 使 Tm下降 。 22 co s y? ICT Te = (2) 恒最大轉(zhuǎn)矩 （ Tm） 調(diào)速 為了在低速時保持最大轉(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)速的機械特性如圖所示 。 對應(yīng)于同一轉(zhuǎn)矩 ， 轉(zhuǎn)速降基本不變 ， 即直線部分斜率不變 ， 機械特性平行地移動 。 （ 3） 恒功率調(diào)速 為了擴大調(diào)速范圍 ， 可以在額定頻率以上進行調(diào)速 。因電機繞組是按額定電壓等級設(shè)計的 ， 超過額定電壓運行將受到繞組絕緣強度的限制 ， 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 ， 相當(dāng)于額定電流時的轉(zhuǎn)矩也減小 ， 特性變軟 。 如圖所示 ， 隨著頻率增