数控机床的驱动与控制系统.ppt

第四章数控机床的检测与驱动系统,数控技术,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,2,4.1数控机床的检测装置4.2数控机床的伺服驱动装置,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,3,位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环、半闭环控制系统中，它的主要作用是检测位移和速度，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制。,4.1 数控机床的位置检测装置,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,4,数控机床对位置检测装置的要求：（1）工作可靠，抗干扰能力强；（2）满足精度和速度的要求；（3）安装，维护方便，适合机床工作环境；（4）成本低。,4.1 数控机床的位置检测装置,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,5,位置检测装置分类：（一）直接测量和间接测量1.直接测量 直接测量是将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。,优点：准确性高、可靠性好；缺点：测量装置要和工作台行程等长；在大型数控机床上受到一定限制。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,6,2.间接测量 它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。优点：测量方便、无长度限制。,缺点：测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,7,（二）数字式测量和模拟式测量1.数字式测量 它是将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。信号抗干扰能力强、处理简单。2.模拟量测量 它是将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。它对信号处理的方法相对来说比较复杂。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,8,（三）增量式测量和绝对式测量 增量式测量 在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式测量只测相对位移量，其优点是测量装置较简单，对任何一个中间点都可以作为测量的起点，而位移是由测量信号计数累加所得，但一旦计数有误，以后测量所得结果完全错误。绝对式测量 绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量值。测量装置的结构较增量式复杂，如编码盘中，对应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。显然，分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求的二进制位数也愈多，结构就愈复杂。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,9,一、位移传感器 常见的位移传感器：旋转变压器，感应同步器，光栅测量装置，脉冲编码器等。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,10,1.旋转变压器,一、结构与工作原理 旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。,2,3,4,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,11,1.旋转变压器,旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压。转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压，只是其输出电压大小与转子位置有关。旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移。旋转变压器分为单极和多极形式，先分析一下单极工作情况。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,12,定子和转子各有一对磁极，设加到定子绕组励磁电压为，当转子绕组的磁轴自垂直位置转过一定角度时，转子绕组中产生的感应电压为当转子转过900，两磁轴平行，此时转子绕组中感应电压最大，即。,V1,V1,V1,定子,转子,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,13,二、应用 旋转变压器典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。鉴相式 是根据感应输出电压的相位来检测位移量；鉴幅式 是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,14,二、应用 1.鉴相工作方式 给定子两绕组分别通以幅值相同、频率相同、相位差900的交流励磁电压，即,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,15,这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感应电压，如上图所示，根据线性叠加原理，转子中的感应电压应为这两个电压的代数和：,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,16,2.鉴幅工作方式 给定子的两个绕组分别通以频率相同、相位相同、幅值分别按正弦和余弦变化的交流激磁电压，即,则转子上的叠加电压为,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,17,1）结构与工作原理 感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属模拟式测量，二者工作原理相同，其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。感应同步器按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种：直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量。旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。以直线式感应同步器为例，介绍其结构和工作原理。,2.感应同步器,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,18,结构：,定尺,滑尺,余弦绕组,正弦绕组,V2,Vs,Vc,2/4,2,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,19,定,尺,滑,A,尺,B,位,C,置,D,E,E,A,V,2,M,N,正弦绕组,余弦绕组,B,D,C,O,P,工作原理：,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,20,应用：工作方式：鉴相式和鉴幅式。特点：1）精度高；2）测量长度不受限制；3）对环境的适应性强；4）维护简单，寿命长。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,21,3.光栅,根据光线在光栅中是透射还是反射分为透射光栅和反射光栅，透射光栅分辨率较反射光栅高，其检测精度可达1m以上。从形状上看，又可分为圆光栅和直线光栅。圆光栅用于测量转角位移，直线光栅用于检测直线位移。两者工作原理基本相似，本节着重介绍一种应用比较广泛的透射式直线光栅。光栅尺的结构直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用，其中长的称为标尺光栅或长光栅，一般固定在机床移动部件上，要求与行程等长。短的为指示光栅或短光栅，装在机床固定部件上。两光栅尺是刻有均匀密集线纹的透明玻璃片，线纹密度为25、50、100、250条/mm等。线纹之间距离相等，该间距称为栅距，测量时它们相互平行放置，并保持0.050.1mm的间隙。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,22,22,原理：如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度，这样两块光栅的刻线相交，当平行光线垂直照射标尺光栅时，则在相交区域出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为摩尔条纹。当两光栅尺沿与刻线垂直的方向相对移动时，莫尔条纹沿刻线方向移动，当光栅尺移动一个栅距，莫尔条纹正好移动一个节距。这样只要通过光电元件检测出莫尔条纹移动的数目和方向，就可以知道光栅移过了多少个栅距和移动的方向。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,23,23,工作原理：,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,24,特点：1.放大作用 用W（mm）表示莫尔条纹的宽度，P(mm)表示栅距，(rad)为光栅线纹之间的夹角，如图所示则有 莫尔条纹宽度W与角成反比，越小，放大倍数越大。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,25,2.均化误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，例如，200条/mm的光栅，10mm宽的光栅就由2000条线纹组成，这样栅距之间的固有相邻误差就被平均化了，消除了栅距之间不均匀造成的误差。3.莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例 当光栅尺移动一个栅距P时，莫尔条纹也刚好移动了一个条纹宽度W。只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，就可知道光栅移动了多少个栅距，工作台移动的距离可以计算出来。若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,26,光栅测量系统：,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,27,27,编码器是一种旋转式测量元件，通常装在被检测轴上（或同步带联接）；随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。根据内部结构和检测方式，编码器可分为接触式、光电式和电磁式3种。其中，光电编码器在数控机床上应用较多，由霍尔效应构成的电磁编码器则可用作速度检测元件。,4.编码器,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,28,28,光电式编码器 光电式编码器是一种光电式转角检测装置。编码器用透明及不透明区域按一定编码构成，根据其编码方式不同，可分为增量式光电编码器和绝对式光电编码器。增量式光电编码器可通过光电转换将被测轴的角位移增量转换成相应的脉冲数字量，然后由微机数控系统或计数器计数得到角位移量和直线位移量。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,29,29,1-旋转轴 2-轴承 3-透光窄缝 4-光栅编码器5-光源 6-聚光镜 7-光澜板 8-光敏元件,增量式光电编码器,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,30,30,光电编码器需解决的两个问题：1、正反向辨别 2、掉电位置记忆,为了测量出转向，光澜板的两个窄缝距离比编码器两个窄缝之间的距离小1/4节距，使两个光敏元件的输出信号相差/2相位。如果将其输出的脉冲信号经频率电压变换后，得到与转轴转速成正比的电压信号，它就是速度反馈信号。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,31,31,在数控车床主轴末端通常就使用增量式光栅编码器，来检测主轴的位置，以保证切削螺纹时不会乱扣。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,32,32,它与接触式编码器结构相似，它与增量式编码器相比特点是：由于某种原因停机后再开机，还能找到正确位置，但因其结构的限制，分辨率不能做得很高。绝对式光栅编码器与增量式编码器的共同特点是：没有接触磨损，编码器寿命长，允许转速高，精度较高。,绝对式编码器,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,33,33,绝对式编码器,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,34,34,绝对式编码器,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,35,35,分类：线速度型 角速度型常用的速度传感器：测速发电机 脉冲编码器,二、速度传感器,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,36,36,特点：输出电压与转速严格成线性关系；输出电势与转速比的斜率大。结构与工作原理：,1.交流测速发电机,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,37,37,结构与工作原理：,2.直流测速发电机,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,38,38,位置检测元件与位移检测元件不同，它所测量的不是一段距离的变化量，而是通过检测，确定是否已到达某一位置。因此，它不需要产生连续变化的模拟量，只需要产生能反映某种状态的开关量即可。这种检测元件常用于数控机床更换刀具、工件或工作台到位或行程限制等辅助机能的信号检测。,三、位置检测元件,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,39,39,位置检测元件分为接触式和接近式两种。接触式位置检测元件必须与被测物接触才能产生信号，如微动开关、行程开关等，而接近式无需直接接触，检测元件与被测物之间通过光电、电磁或超声波等获得信号，如电磁式接近开关。接触式可靠性高、寿命有限，用于限位接近式无磨损、寿命长。,三、位置检测元件,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,40,40,数控机床常用的几种位置检测元件,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,41,41,4.2 伺服驱动装置,（一）概述 伺服系统是以机械位置或角度作为控制量的自动控制系统。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,42,42,4.2 伺服驱动装置,（一）概述 在数控机床中，CNC控制器经过插补运算生成的进给脉冲或进给位移量指令输入到伺服系统，由伺服驱动电路经变换和传递放大后，经伺服驱动装置和机械传动部件，驱动机床的工作台，主轴头架等执行部件实现工作进给和快速运动，转化为机床机械部件高精度运动。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,43,43,4.2 伺服驱动装置,（一）概述 伺服系统既是数控机床控制器与刀具、主轴间的信息传递环节又是能量放大与传递的环节，它的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。因此伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,44,44,（二）伺服系统的基本技术要求 1、精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。作为数控加工，对定位精度和轮廓加工精度要求都比较高，定位精度一般为，甚至0.1um。2、稳定性好 稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。对伺服系统要求有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,45,45,（二）伺服系统的基本技术要求3、能够快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。4、调速范围宽 不仅能满足低速切削进给要求，如5mm/min，还要求满足高速进给要求，如20000 mm/min。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,46,46,（三）伺服驱动系统的发展概况 在50年代，数控机床主要采用液压驱动，称为液压伺服系统，这种系统的优点是刚性好，时间常数小。60年代初，在日本首次推出了步进电机开环伺服驱动系统，这种系统的优点是结构简单，价格低廉，使用维修方便，所以在数控设备中被广泛采用.随着生产的发展，对伺服驱动系统的精度、速度等性能指标要求更高，输出功率要求更大，而步进电机开环伺服驱动系统不能满足要求。70年代，直流电机伺服系统采用闭环或半闭环控制，精度提高一个数量级，调速范围可达1：10000，运行速度提高到15-24m/min。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,47,47,（三）伺服驱动系统的发展概况 直流电机伺服系统的缺点是结构复杂，价格昂贵。在80年代以后，微机和微电子技术的迅速发展，为交流电机伺服系统的调速控制提供了条件，伺服系统发展的趋势是交流伺服驱动系统逐渐取代了直流伺服驱动系统。据国外资料统计：1975年，直流伺服驱动系统占80%，交流伺服驱动系统占20%；1985年，交流伺服驱动系统占80%，直流伺服驱动系统占20%。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,48,48,（四）数控机床对伺服电动机的要求 为了满足数控机床对伺服系统的要求，对电气伺服驱动系统的执行元件伺服电动机也必须有较高的要求；电动机从最低进给速度到最高进给速度范围内都能平滑地运转；转速波动要小，尤其在最低速度转速时，如0.1rmin或更低转速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。电动机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。例如，电动机能在数分钟内过载46倍而不损坏。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,49,49,（四）数控机床对伺服电动机的要求 为了满足快速响应的要求，即随着控制信号的变化，电动机应能在较短时间内完成必须的动作。快的反应速度直接影响到系统的品质。因此，要求电动机必须具有较小的转动惯量和大的堵转转矩，尽可能小的电动机时间常数和起动电压。电动机应能承受频繁的起动、制动和反转。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,50,主轴电机,带制动器伺服电机,伺服电机,刀库刀具定位电机,机械手旋转定位电机,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,51,51,（五）常用伺服电动机 常用的伺服执行元件主要有:直流伺服电动机交流伺服电动机步进电动机直接驱动电动机,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,52,52,1、步进电动机 步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁装置。由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲马达。步进电机是一种特殊的电机，一般电机通电后连续旋转，而步进电机则跟随输入脉冲按节拍一步一步地转动。对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就旋转一个固定的角度，称为一步。每一步所转过的角度叫做步距角。步进电机的角位移量和输入脉冲的个数严格地成正比例，在时间上与输入脉冲同步。因此，只需控制输入脉冲的数量、频率、及电机绕组通电相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,53,53,2、步进电动机的结构与工作原理 通过被励磁的定子的电磁力吸引转子偏转输出转矩。即电磁作用原理。例如：三相反应式步进电动机,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,54,54,实际的三相反应式步进电动机,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,55,55,优点：控制简单缺点：在换相时，失去自锁转矩，容易失步；转子易在平衡位置振动。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,56,56,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,57,结论,步进电动机转过的角度（或走的步数）与控制脉冲的个数成正比；步进电动机转速与控制脉冲的频率成正比；步进电动机转向由励磁绕组的通电顺序决定。,三相六拍：A-AB-B-BC-C-CA A-AC-C-CB-B-BA,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,58,58,3.步进电机的主要特性1）步距角和静态步距误差,m定子相数；Z转子齿数；Q拍数与相数之比 在一周内各步误差的最大值，被定为步距误差。它的大小是由制造精度、齿槽的分布和气隙等因素决定的。静态步距误差一般在10以内。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,59,2）矩角特性与最大静转矩,静转矩：是指步进电动机输出的转矩与外加转矩M相同时所输出的转矩；失调角：转子上作用外转矩时，转子齿轴线偏离初始平衡位置的电角度e；,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,60,2）矩角特性与最大静转矩,矩角特性：步进电动机的静转矩随失调角的变化规律。最大静转矩：矩角特性上的静态转矩最大值。它表示步进电动机承受负载的能力。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,61,3）空载启动频率（步/秒）,空载运行频率：步进电动机在空载启动后，连续提高脉冲频率至电动机不失步运行的最高频率。,4）空载运行频率（步/秒）,启动频率：步进电动机正常启动（不丢步）所能承受的最高控制频率。是衡量电机快速性能的重要技术数据。启动频率比运行频率小的多。在使用步进电动机时一般需要升降速控制。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,62,5）启动矩频特性,启动矩频特性：启动频率随负载转矩增大而减小的关系。,6）运行矩频特性,运行矩频特性：步进电动机在连续运行时，电机输出转矩与控制信号频率的关系。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,63,7）输出转距,指与步进电动机的各种转速相对应的输出扭矩。如施加超过输出扭矩的负载扭矩时，步进电动机就会失步或停转，因此，步进电动机的负载扭矩必须小于输出转矩。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,64,64,失步：由于某种原因，虽然给步进电动机施加了控制脉冲，但步进电动机没有走步。越步：由于某种原因，没有给步进电动机施加控制脉冲，但步进电动机有走步。何谓步进电动机的失步与越步？机电结合分析引起失步与越步的原因，指出使用和选用步进电动机时如何避免这种现象的发生？,？,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,65,8）步进运行和低频振荡,当控制脉冲的时间间隔大于步进电动机的过渡过程时间时，电机呈步进运行状态。步进电动机在运行中存在着振荡，它有一个固有频率，当控制脉冲频率等于固有频率时，就会产生振荡。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,66,66,4.步进电机开环进给的传动计算及电机选用1）传动计算,脉冲当量：数控系统发出一个指令脉冲，工作台所移动的距离。它决定了数控机床的加工精度和最高工作频率。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,67,67,2）步进电机的选用 首先，根据负载转矩确定步进电动机的最大静态转矩,Tjmax/TL=25；其次，根据脉冲当量计算步距角；第三，确定启停最高频率；最后，确定最高工作频率。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,68,68,5.步进电机的驱动 步进电机不能直接接到交流电源上工作，而必须使用专用设备步进电机驱动器。步进电机的运行性能是电动机和驱动器两者的综合效果。在数控机床中使用的驱动器有一轴一板型，也有一相一板型，前者维护方便，但稳定性差；后者集成度高，可靠性高，因此，得到了广泛的应用。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,69,69,5.步进电机的驱动 步进电动机驱动器由环形分配器、功率放大器及其他控制电路组成，数控装置发出脉冲信号通过环形分配器形成按一定顺序的脉冲，例如A-B-C-A-这些脉冲经功率放大后加到步进电动机的各相绕组上。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,70,70,1）环形分配器环形分配器：控制脉冲通过脉冲分配器控制步进电动机励磁绕组按一定顺序接通、断电，使电机绕组的通电按输入脉冲的控制而循环变化。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,71,71,硬件环形分配器,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,72,72,软件环形分配器（软环分）特点：硬件简单；占用CPU时间多，只用于速度要求不高，系统比较简单的系统。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,73,功率放大器（驱动电源）作用：将数控系统输出的弱电控制信号转换成能够驱动步进电机的强电信号。种类：单电压驱动电路 高低压驱动电路 恒流斩波驱动电路,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,74,74,2）步进电动机的驱动1、单电压驱动电路简单、工作频率不高,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,75,75,2、双电压驱动 启动转矩大、工作频率高,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,76,76,3、恒流斩波 启动转矩大、工作频率高，电源效率高。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,77,77,脉冲控制模式选择,控制信号输入,接电动机各相,接电源,接屏蔽地,整、半步选择选择,方向选择,自动试机运行,3）步进电动机驱动器实例,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,78,78,4）步进电动机驱动控制系统,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,79,79,6.步进电动机可分为三类：反应式步进电动机 永磁式步进电动机 永磁感应子式步进电动机,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,80,80,反应式步进电动机又叫做可变磁阻式步进电动机。特点：步距角小，因为反应式步进电动机定转子是采用软磁材料做成的，允许的最小步距情况下，转子的齿数可以做得很多;励磁电流较大，要求驱动电源功率较大;电动机的内部阻尼较小，当相数较少时，单相运行振荡时间较长;断电后无定位转矩。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,81,81,永磁式步进电动机永磁式步进电动机是转子或定子的某一方具有永久磁钢的步进电动机，另一方是由软磁材料制成。绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩。特点：步距角大，这是因为在一个圆周上能形成的磁极数受到极弧尺寸的限制;控制功率小，效率高;内阻尼较大单步振荡时间短;断电后具有一定的定位转矩。例如济南机床一厂生产的J1BNC320B数控机床上使用的110YG001就是永磁式步进电动机。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,82,82,永磁感应式步进电动机它是反应式和永磁式步进电动机的结合。所以常称此类电动机为混合式步进电动机。它可以做成像反应式步进电动机一样的小步距，也具有永磁式步进电动机控制功率小的优点。它常常也作为低速同步电动机运行。永磁感应子式步进电动机代表了步进电动机的最新发展。国外主流品种，国内也已大面积取代反应式步进电机成为市场热点。例如济南机床一厂生产的CK6132、CK6125数控机床上使用的BYG404就是混合式步进电动机。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,83,83,直流伺服电动机,采用直流伺服驱动器将交流电转变为可控制的直流电驱动直流伺服电动机。速度控制单元接受转速指令信号，改变相应的直流伺服电动机电枢电压，达到调速的目的。直流伺服驱动器较多的采用晶闸管调速系统和晶体管脉宽调制调速系统。,调压调速,调电阻调速,调励磁调速,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,84,84,调压调速的实现方法 发电机调压（G-M）可控硅调压（SCR）脉宽调制调压（PWM）,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,85,85,位置伺服工作原理,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,86,86,(1)永磁式直流伺服电动机 永磁式直流伺服电动机系指以永磁材料获得励磁磁场的一类直流电动机。永磁式直流电动机具有体积小、转矩大、转矩和电流成正比、伺服性能好、反应迅速、功率体积比大、功率质量比大、稳定性好等优点。永磁式直流电动机能在较大过载转距下长时间工作。它的转子惯量较大，可以直接与丝杠相连而不需中间传动装置。永磁式直流电动机的缺点是需要电刷，限制了电动机转速的提高，永磁直流电动机的结构同一般直流电动机相似，但电抠铁心长度对直径的比大些气隙较小，在相同功率的情况下，转子惯量较小。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,87,87,(2)小惯量直流电动机 小惯量直流伺服电动机具有较小的转动惯量，很适合于要求有快速响应的伺服系统，但其过载能力低，电枢惯量与机械传动系统匹配较差。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,88,(3)宽调速直流电动机,宽调速直流电动机是通过提高转矩来改善其性能的。特点：输出转矩大，可以直接与丝杠相连；过载能力强，过载转据可达510倍；动态响应性好，定子采用的是强磁材料，可使电流过载10倍而不去磁。加速转据较大。调速范围宽且运转平稳；易于调试。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,89,89,(三)交流伺服电动机 交流伺服电动机没有直流伺服电动机上述的缺点，而且转子惯量比直流伺服电动机小，使其动态响应好。在同样体积下，交流伺服电动机的输出功率可比直流伺服电动机提高1020。交流伺服电动机的容量可以做得比直流伺服电动机大达到更高的电压转速。从80年代后期开始，交流伺服电动机逐渐替代直流伺服电动机占据主要位置。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,90,90,(三)交流伺服电动机,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,91,91,采用改变交流伺服电动机的供电频率的方法来达到电动机调速的目的。对于永磁同步交流伺服电动机，由于其转速和电源频率保持同步关系，所以只要控制电源的频率即可控制电动机速度。而感应式异步交流伺服电动机是基于定子绕组的旋转磁场在鼠笼式转子短路绕组中感应出电流，再由此电流产生的磁场与定子绕组的旋转磁场产生旋转磁力而工作的。因此，速度和扭矩不能像直流电动机那样可独立控制，所以控制较为复杂，现在主要采用矢量控制原理。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,92,交流伺服电机与步进电动机的性能比较,启动平稳，不会失步；在低速运行和加减速运行都能保持平稳运行；转矩特性稳定，可达更高的运行速度；交流伺服广泛应用，步进电动机只在旧机床改造或精度要求较低的数控机床上使用。,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,93,93,伺服电动机与驱动器,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,94,94,适合于各种加工中心的电主轴,2023/10/1,第四章数控机床的检测与驱动系统,95,95,3、何谓步进电动机的失步与越步？机电结合分析引起失步与越步的原因，指出使用和选用步进电动 机时如何避免这种现象的发生？Tm-TL=Td=J 单轴系统Tm-TL=Td=J 多轴系统Tm=TL+J TL=TL/i;J=J/i2;=d/dtTm TL J,