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第三节　数控机床的伺服驱动系统

一、概述

伺服驱动系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。

对于数控机床，如果说CNC装置是数控机床的“大脑”，是发布“命令”的“指挥机构”，那么伺服系统便是数控机床的“四肢”，是一种“执行机构”，能够准确地执行由CNC装置发出的运动命令。

二、步进电动机及其驱动

(一)步进电动机(重点)

Ⅰ：原理：

步进电动机是一种同步电动机，是一种将电脉冲信号转换成角位移(或直线位移)的执行元件。这种电动机，每施加一个电脉冲，其转轴就转过一个角度，称为一步。脉冲数增加，角(或直线)位移随之增加;脉冲频率高，电动机旋转速度就快，反之则慢;分配脉冲的相序改变，电动机便反转。

步进电动机绕组所加电源既不是恒定直流，也不是正弦交流，而是脉冲电压，所以有时也称为脉冲电动机。

Ⅱ:反应式步进电动机

电动机定子有A、B、C三对磁极。在相应的磁极上绕有A、B、C三相控制绕组。

(1)当A、B、C三对磁极的绕组依次轮流通过直流电时，则A、B、C三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。

首先，当A相绕组通电，B、C两相断电时，转子的齿1、3分别被定子磁极A—A’吸引而对齐。

然后，A相断电，B相通电，于是转子的2、4两齿被定子磁极B—B’吸引，这时转子逆时针转了30，接下去B相断电，C相通电，转子1、3齿与定子磁极C-C′轴线对齐，转子又逆时针转过了30。

这种按A→B→C→A→B→C→A…顺序轮流通电的方式称为三相单三拍。“三相”是指定子有三相绕组A、B、C，“单”是指每次只有一相绕组单独通电，“三拍”是指经过三次经过切换控制绕组的通电状态为一个循环。每一拍，即输入一个脉冲信号，都使转子转过一个角度，称之为步距角θs。

(2)计算公式如下：

步距角　Θs=360/mkz

m ——步进电动机的相数;

k ——与通电方式有关的系数，如单拍或双拍是为1，单、双拍是为2;

z ­——不仅电动机转子的齿数。

(3)步进电动机也可以采用三相单、双拍通电方式，通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A……

转速：　n=60f/NZ (转/分)

N =mk —运行拍数

即步进电机转速取决于脉冲频率、转子齿数和运行拍数。

步进电动机的转子齿数多，步距角也就越小，位置精确度就越高。

三、直流伺服电动机及其速度控制

直流伺服电动机具有良好的调速性能，尤其是他励(永磁)直流伺服电动机，其机械特性比较硬，即负载增加时，电动机转速的降幅很小。

1.直流主轴电动机。直流主轴电动机的结构与普通直流电动机的结构基本相同。

在基本速度nj以下为恒转矩范围，在基本速度nj以上为恒功率范围。通常恒转矩速度范围与恒功率速度范围之比为1:2。

2.进给直流伺服电动机。在数控机床的直流进给伺服驱动系统中，多采用永磁直流伺服电动机作为驱动元件。

3.工作曲线：

伺服电动机的工作区域被温度极限线、转速极限线、换向极限线、转矩极限线以及瞬时换向极限线划分成三个区域：

Ⅰ 区为连续工作区，在该区域内转矩和转速的任意组合都可以长时间连续工作。

Ⅱ 区为断续工作区，在该区域内电动机只能按允许的工作时间和断电时间间歇工作。

Ⅲ 区为加速和减速区，在该区域内电动机只能作加速或减速，工作极短的时间。

四、交流伺服电动机及其速度控制

直流伺服电动机具有优良的调速性能，但结构复杂，制造困难，成本高。因此，20世纪80年代中期以来，交流伺服电动机得到飞速发展，交流伺服系统正在逐步取代直流伺服系统。

1.交流主轴电动机。

(1)是经过专门设计的鼠笼式三相异步电动机。

(2)特点：

没有外壳，定子铁芯直接暴露在空气中，而且有轴向通风孔，以利于电动机冷却、缩小电动机体积。

转子做成细长型，以便减小转子的转动惯量。

尾部都同轴安装有脉冲发生器(或脉冲编码器)。

(3)交流主轴电动机的功率一速度特性曲线与直流主轴电动机相类似

在基本速度以下为恒转矩区域，在基本速度以上为恒功率区域。

2.永磁同步交流伺服电动机。

(1)主要由定子、转子和检测部件三部分组成：

(2)当定子三相绕组接上电源后，就产生一个旋转磁场，该旋转磁场吸引永磁转子同步旋转。

转子转速为：n =60f/P

式中： f—— 电源频率; P——磁极对数。

本章历年题型：

1.(单选题)(2008年)交流主轴电动机是经过专门设计的鼠笼式三相异步电动机。它的( )仍与普通鼠笼式三相异步电动机的相同。

A.定子铁芯结构

B.外形

C.定子绕组构造形式

D.外壳

答案：C

2.(多选题)(2008年)下列关于CNC装置内装型PLC的说法中，正确的是( )。

A.它可以具有自己的专用微处理器

B.它可以采用单独的电源和地线

C.它可以单独制成一块印刷电路板

D.它可以使用本身的I/O接口与机床侧的I/O连接

E.它可以传输高级控制功能

答案：ACE

3.(综合题)目前，在我国企业使用的数控机床中，已有相当数量的机床由于机械精度下降、电气控制元件损坏(有些已买不到)等原因处于停用或半停用状态。若要继续有效利用这些设备，就必须针对其具体情况进行再生改造。

试问：

从旧数控机床的剩余价值、改造费用、改造方案以及企业的实际生产状况等方面叙述应如何对其进行技术改造。

答案：

(1)正确估计被改造数控机床的剩余价值

(2)对是否值得改造做出判断

(3)对旧数控机床进行再生改造

(4)再生改造与企业的实际生产状况相适应

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