伺服电机在数控机床上的应用

数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术伺服电机在数控机床上的应用伺服电机在数控机床上的应用主轴电机主轴电机带制动器伺服电机带制动器伺服电机伺服电机伺服电机刀库刀具定位电机刀库刀具定位电机机械手旋转定位电机机械手旋转定位电机数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术控制方式控制方式数控机床电机驱动主要指对机床的工作台和主轴的控制。其控制方式有三种，如数控机床电机驱动主要指对机床的工作台和主轴的控制。其控制方式有三种，如下表下表方式方式位置传感器位置传感器特点特点1开环开环控制简单，精度控制简单，精度不高不高2半闭环半闭环脉冲编码器，旋转变压器脉冲编码器，旋转变压器控制方便，调试控制方便，调试简单，精度较高简单，精度较高3闭环闭环直线传感器直线传感器（感应同步器，（感应同步器，磁尺，直线光栅，激光）磁尺，直线光栅，激光）控制调试比较复控制调试比较复杂，精度高杂，精度高4混合式混合式旋转变压器旋转变压器（感应同步器，（感应同步器，磁尺，直线光栅，激光）磁尺，直线光栅，激光）控制调试复杂，控制调试复杂，精度高，适合较精度高，适合较大型机床大型机床数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术开环控制开环控制NC指令指令步进电机步进电机工作台工作台步进电机驱动器步进电机驱动器数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术半闭环控制半闭环控制NC指令指令位置控制位置控制速度控制速度控制电机电机工作台工作台传感器传感器数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术全闭环控制全闭环控制NC指令指令位置控制位置控制速度控制速度控制电机电机工作台工作台测速发电机测速发电机数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术混合式控制混合式控制NC指令指令位置控制位置控制速度控制速度控制电机电机工作台工作台比较器比较器测速机测速机旋变旋变NS NS数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术伺服电机的控制原理（伺服电机的控制原理（1）直流电机的原理直流电机的原理直流电机工作原理：根据弗来名左手定则，在磁场中通电导线产生运动。直流电机工作原理：根据弗来名左手定则，在磁场中通电导线产生运动。线卷通电流，炭刷在几何中心线，产生的转子磁场与定子磁场相垂直。为了保持线卷的转向不变。线卷通电流，炭刷在几何中心线，产生的转子磁场与定子磁场相垂直。为了保持线卷的转向不变。其中的电流交变。其中的电流交变。数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术伺服电机的控制原理（伺服电机的控制原理（2）交流电机的原理如下：交流电机的原理如下：（1）未通电流）未通电流 （2）S 线卷通电流线卷通电流 （3）T 线卷通电流线卷通电流 根据上面的分析，交流伺服电机和同步电机的构造相似。根据弗来名左手定则，在磁场中通电根据上面的分析，交流伺服电机和同步电机的构造相似。根据弗来名左手定则，在磁场中通电导线产生运动导线产生运动。它的控制是通过放大器把直流变成可变频的交流，它和一般异步机，同步机它的控制是通过放大器把直流变成可变频的交流，它和一般异步机，同步机不同，这种变频器的输出频率是受安装在同步机转子轴上的位置传感器所控制。每当电机转不同，这种变频器的输出频率是受安装在同步机转子轴上的位置传感器所控制。每当电机转过一对磁极，逆变器的交流电输出相应交变一个周期，这是一种过一对磁极，逆变器的交流电输出相应交变一个周期，这是一种“自控式变频器自控式变频器”，它保，它保证变频器的输出频率和电机的转速始终保持同步，而不失步。证变频器的输出频率和电机的转速始终保持同步，而不失步。T2S1R2S2T1R1NST2S1R2S2T1R1NST2S1R2S2T1R1NS数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术伺服电机的控制原理（伺服电机的控制原理（3）DCDC 电机电机ACAC 电机电机构造构造定子为磁场部分，转子为旋转线卷部定子为磁场部分，转子为旋转线卷部分。分。定子为旋转线卷部分，转子为磁场部定子为旋转线卷部分，转子为磁场部分，分，换流换流靠机械换流靠机械换流测量转子位置，控制换流测量转子位置，控制换流传感器传感器旋变，编码器，感应同步器等旋变，编码器，感应同步器等绝对编码器绝对编码器工作原理工作原理输出转矩大小决定于定子磁势与转子输出转矩大小决定于定子磁势与转子磁势的夹角，这夹角由炭刷的位置决磁势的夹角，这夹角由炭刷的位置决定定输出转矩大小决定于定子磁势与转子输出转矩大小决定于定子磁势与转子磁势的夹角，这夹角由转子位置决定磁势的夹角，这夹角由转子位置决定特性特性有火花，不易高速，机械换流容易损有火花，不易高速，机械换流容易损坏，定期换炭刷。坏，定期换炭刷。无火花，高速可高转矩输出。可达到无火花，高速可高转矩输出。可达到无维修。无维修。直流电机与交流电机的区别直流电机与交流电机的区别数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术伺服电机的控制原理（伺服电机的控制原理（4）实际的实际的FANUC伺伺 服电机结构图服电机结构图 纵剖面图纵剖面图 横剖面图横剖面图1，定子，定子 2，磁铁，磁铁 3，通风孔，通风孔 4，轴，轴 1，定子，定子 2，磁铁，磁铁 3，压板，压板 4，绕组，绕组实际的实际的FANUC伺服电机是伺服电机是8极的，其转速为极的，其转速为N（min-1），），5，编码器，编码器 6，出线，出线N(2f/8)x60=15f,例如，当例如，当f=80Hz,N=15x80=1200（min-1）;数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术伺服电机的控制原理（伺服电机的控制原理（5）交流伺服速度控制原理交流伺服速度控制原理 A为放大器为放大器 F/V为频率电压变换器为频率电压变换器 VCMD乘计算乘计算转子位置计算转子位置计算A乘计算乘计算AAA三角波三角波F/VPWM驱驱动动IGBTMPCTorque SIN SIN（240 ）RST数控机床伺数控机床伺服驱动及控制技术服驱动及控制技术伺服电机的控制原理（伺服电机的控制原理（7）关于编码器：关于编码器：FANUC的交流伺服电机要求根据转子的位置旋转，由于编码器装在转子上，也就是利用转子的的交流伺服电机要求根据转子的位置旋转，由于编码器装在转子上，也就是利用转子的位置控制定子的电流。使定子电流产生的磁势领前于转子磁势位置控制定子的电流。使定子电流产生的磁势领前于转子磁势90 。其内装其内装编码器分两部分：绝对值部分和增量部分。以下是绝对值部分，利用格雷码编码。提高了抗干扰编码器分两部分：绝对值部分和增量部分。以下是绝对值部分，利用格雷码编码。提高了抗干扰的能力。的能力。数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术伺服电机的控制原理（伺服电机的控制原理（8）只采用格雷码的编码器精度不高，每只采用格雷码的编码器精度不高，每360 电角度电角度 很难保证电机的电流为平滑正弦波形。为此增加细分部分。很难保证电机的电流为平滑正弦波形。为此增加细分部分。利用增量式脉冲编码器，比如每利用增量式脉冲编码器，比如每360 电角度内有电角度内有2000P脉冲，那么每格雷码为脉冲，那么每格雷码为2000P/16215P，细分原理细分原理 三相正弦电流的产生三相正弦电流的产生数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术伺服电机的控制原理（伺服电机的控制原理（9）PWM控制：如右图。利用控制：如右图。利用三角波的载波得到近似的正弦波三角波的载波得到近似的正弦波输出。其载波的频率为输出。其载波的频率为 13kHz。三相。三相伺服电机就是利用这种方波供电。因此伺服电机就是利用这种方波供电。因此电压波形不是正弦，而电流却是正弦。电压波形不是正弦，而电流却是正弦。数控机床伺数控机床伺服驱动及控制技术服驱动及控制技术主轴电机的控制原理（主轴电机的控制原理（1）主轴矢量控制原理：主轴矢量控制原理：感应电动机的定子旋加感应电动机的定子旋加 1的三相交流电压，产生的三相交流电压，产生 1旋转旋转 电机的等效电路如下：电机的等效电路如下：的磁场。假设定子为相互正交以角速度的磁场。假设定子为相互正交以角速度 1旋转的两绕组旋转的两绕组11 和和 22 组成。组成。11 流过励磁电流分量流过励磁电流分量 I0 产生产生旋转磁通旋转磁通 2，转子绕组，转子绕组 3 3 感应电流，因而感应电流，因而22 绕组绕组也感应电流也感应电流I2；电机的转矩；电机的转矩T为：为：T 2 I2 I0 I2数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术主轴电机的控制原理（主轴电机的控制原理（2）主轴矢量控制原理：主轴矢量控制原理：根据矢量控制的原理，根据矢量控制的原理，I0与与I2之间要求正交之间要求正交那么从上面的电路图可以看出：那么从上面的电路图可以看出：1MI0(r2/s)I2，所以所以 s 1(r2/M)(I2/I0)=(r2/L2)(I2/I0)这就是矢量控制的条件。这就是矢量控制的条件。数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术伺服电机的控制原理（伺服电机的控制原理（2）数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术主轴电机的控制原理（主轴电机的控制原理（3）左图为目前数控系统中使用的控制图左图为目前数控系统中使用的控制图共用一个电源和一个再生控制共用一个电源和一个再生控制数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术伺服放大器的发展（伺服放大器的发展（1）相位控制相位控制70年代早期：年代早期：以低频响应和大的转子惯量以低频响应和大的转子惯量保证鲁棒性和稳定性保证鲁棒性和稳定性PWM控制控制70年代末期：年代末期：采用采用PWM，提高了响应性，提高了响应性，中低惯量的直流电机仍得到应用。中低惯量的直流电机仍得到应用。数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术伺服放大器的发展（伺服放大器的发展（2）伺服进给采用同步机伺服进给采用同步机主轴压頻及滑差控制主轴压頻及滑差控制80年代早期：年代早期：由于同步电机的高响应由于同步电机的高响应及急仃时的动态制动而采用。及急仃时的动态制动而采用。异步电机变频时具有宽的恒异步电机变频时具有宽的恒功率调速范围而得到应用。功率调速范围而得到应用。数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术伺服放大器的发展（伺服放大器的发展（3）矢量控制及采用矢量控制及采用DSP80年代后期：由于矢量算法的解决；年代后期：由于矢量算法的解决；DSP在控制电机中的应用；在控制电机中的应用；以及以及IGBT具有更好的特性具有更好的特性产生了数字伺服。产生了数字伺服。数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术伺服放大器的发展（伺服放大器的发展（4）数字控制数字控制90年代：年代：数字伺服控制技术的改进，数字伺服控制技术的改进，以实现高速，高精加工。以实现高速，高精加工。前馈控制前馈控制 矢量控制矢量控制数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术伺服放大器的发展（伺服放大器的发展（5）采用数字伺服技术采用数字伺服技术 伺服控制越来越多采用数字伺服系统。伺服技术是伺服控制越来越多采用数字伺服系统。伺服技术是NC系统的系统的重要组成部分。广义上说，采用计算机控制，控制算法采用软件的重要组成部分。广义上说，采用计算机控制，控制算法采用软件的伺服装置称为伺服装置称为“数字伺服数字伺服”，有时也称为，有时也称为“软件伺服软件伺服”。它有以下。它有以下优点：（优点：（1）无温漂，稳定性好。（）无温漂，稳定性好。（2）基于数值计算，精度高。）基于数值计算，精度高。（3）通过参数对系统设定，调整减少。（）通过参数对系统设定，调整减少。（4）容易构成各种形式的）容易构成各种形式的P、I、D控制。（控制。（5）容易做成）容易做成ASIC电路电路。数控机床伺服数控机床伺服驱动及控制技术驱动及控制技术HRV控制原理（控制原理（1）