浅析数控技术中的电机及其伺服驱动

0　前言

　　我国目前已是一个制造大国，而且随着科学技术的发展.世界先进制造技术的不断成熟，对数控加工技术要求也越来越商，而作为数控机床的重要组成部分的控制电机及其伺服驭动系统在其中扮演了三要角色。

　　伺服驱动系统是数控系统和机床的电气联接，它根据效控系统发出的控制信号对机床移动部件的位置和速度进行控制。从结构上主要由伺服电动机、撇动控制系统和位皿检侧装皿构成。伺服电机有步进电动机、直流何服电动机和交流伺服电动机。

1　控拐电机及其伺服奥动系统

　　1.1　控制电机及开环伺服驭动系统

　　开环何服系统执行尤件为步进电动机，它具有顶，起动、制动、快速定位、但有电刷、需要维护等特点。其作用将电脉冲信号转换为机械角位移。步进电动机可分为由阻式(即反应式)和永磁式两大类。另有一种混合式又称感应子式的步进电动机从控制的竟度看与永磁式区别不大。最常使用的三相绕组步进电动机.三相绕组形成6个磁极.转子由软进材料侧成，上有d个齿。当A扣绕组通电，而S,G相绕组均不通电时，由于磁通力图走磁组最小路径，使磁路盛阻最小，因此产生磁阻转矩使齿1、3的轴线与定子^相邀极对齐。在下一时刻给R相通电，断开A相供电将使转子齿2、4的轴线与B相磁极对齐，如按A-S--C---A…的顺序使三个绕组轮流通电将使得转子逆时针方向连续脸转。其控制电路分别由脉冲说食电路、加减脉冲分配电路、加减速电路、环形分配器、功率放大器组成。

　　开环伺服系统工作原理而言:进给脉冲经过脉冲混合电路将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合为正向或负向脉冲进给信号，由加减脉冲分配电路将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲，浪脉冲经加减速电璐将单一方向的进给脉冲阔橄为符合步进电机加减速特性的脉冲，然后由环形分配器，按步进电机的通电方式进行脉冲分配，再由功率放大器将此号将一定频串f,数量N和方向的进给脉冲转换为控制步进电机定子各相绕阻通断电状态变化的颧率、次致和顺序的功率信号。从而实现对工作台的位移、速度和运动方向的控制。进给脉冲个数、进给脉冲粗率、定子绕阻遴电顺序改变分别决定了工作台位移、工作台进给速度和工作台运动方向。

　　1.2 应用

　　步进式伺服裂动系统适用于加工精度要求不高经济皿的数控机床和老设备的改造中。提高伺眼酮动系统的精度，可采取以下措施。

　　1.2.1 采用电气细分电跳

　　把步进电机的一步分得再细一些，减小脉冲当t

　　1.2.2 齿隙补偿(反向间原补偿)

　　机械传动链在改变方向时，由于间晾的存在，会引起步进电机的空走;对实际间隙进行实测并保存，当工作台换向时增加轴出脉冲进行补偿。

　　1.2.3 螺距误差补偿

　　丝柱级距存在一定的误差，直接影响工作台的位里精皮。可以采取实侧丝杠全行程误差分布曲线.在相应位丘时根据误差分布进行补偿。

　　1.3 控制电机及闭环何服妞动系统

　　闭环伺服那动系统由执行元件、驱动控制单元、机床，以及反馈检侧单元、比较控制环节组成。T作台的实际位瓜经枪侧单元掩侧后在比较控制环节和指令渭号进行比较，两者的差值为伺服系统的跟随误差，经呢动控制单元，驰动和控制执行元件带动工作台精确运动。以下对闭环何服系统执行元件直流伺服电机和交流伺服电机做对比和分析。

　　1.3.1 直流伺服电机

　　直流伺服电机具有良好的启动、制动和调速特性，可以在大范围内实现平漪无极润速。尤姨是大悦脸宽调速的直流伺服电机得到广泛应用。它分为电滋磁和永久磁铁激滋，永磁式伺服电机为数控机床广泛采用。

　　永傲式伺服电机山机壳、定子磁极和转子电枢组成。定子磁极是个永久磁体、具有较好的胜性能德定性，可以产生极大的峰值转矩。其了作原理与普通直疏电机相同。只是水久磁铁代稗件通电机的徽徽镜组和陇极铁心，在电机气原中建立主磁通，产生感应电势和电磁转矩。

　　直筑伺服电机调速的可采取调锥电枢电压，改变电枢回路电阻或改变气破胜通盆。日前使用最广泛的方法是晶体管脉宽润侧器一直流电机调速度(PWM-M)。具体方法是利用大功率晶体管的开关作用甲将直流电压转换成一定报率的方波电压.加到直流电机的电枢上。通过对方波脉冲宽度的控侧，改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。

　　1.3.2 交流伺服电动机

　　交流伺服电动机由定子和转子构成。定子上有幼磁绕组和控刹绕组，这两个绕组在空间相差的。电角度。若在两相绕组上加以幅值相等、相位差90°电角度的对称电压，则在电机的气眯中产生阅形的旋转班场。其控制方式有三种:幅值控制、相位控制和幅值相位混合控制。交流伺服电机是无刷结构，坚固耐用，体积较小，重量较轻，役有盛流子机械换向，所以远比直流何服电机倪于维护。有利于转速和功率的提高。但速度的控制方法比直流伺服电机要复杂的多，对控制元件的容量及速度的哭求也很高。分为异步和同步伺服电机。

　　异步型交流伺服电动机用IM表示指的是交流感应电动机。它有三相和单相之分.也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动。其结构简单，与I}容量的直流电动机相比，质且轻1/2,价格仅为直流电动机的1/3.缺点是不能经济地实砚范圈很广的平清调速，必须从电网吸收浦后的励磁电流。因而令电网功率因数变坏。

　　同步型交流伺服电动机同步型交流伺服电动机虽较感应电动机复杂甲但比直流电动机简单。它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称二栩绕组。而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为璐滞式、永磁式和反应式多种。其中磁带式和反应式同步电动机存在效率低.功串因数较差、制造容量不大等缺点。

　　数控机床中多用永进式同步电动机。水磁式优点是结构简单、运行可举、效率较高;缺点是体积大、启动特性欠佳。由于采用了水盛铁励截。消除了励进损耗及有关的杂故损耗.所以效率高。又因为没有集电环和电城.共机械可那性与感应〔异步〕电动机柑同，而功率因数却大大高于异步电动机，从而使永磁同步电动机的体积比异步电动机小些。

　　由以上分析可见，交涟伺服电机璐动系统克服了盆流骡动系统中电机电刷和整流子要经常维修、电机尺寸较大和使用环境受限制等缺点。它能在较宽的调速范围内产生理想的转矩，结构简单.运行可赛。用于数控机床等进给驭动系统为精密位置控制。是当前机床进给驻动系统方面的一个新动向。

　　1.4 应用

　　由直流伺服电机和交流伺服电机组成的闭环伺服控翻系统其有工作可靠、抗于扰性强、精度高等优势，通常应用在加工栩度要求较南的致控机床中。与开环控制系统相比较增加了位置检测、反馈、比较等环节，故结构复杂，而且各个环节都包含在反馈回路中，故机械摩擦特性、刚度、间隙都直接影响伺服系统的参数调试。

2 结语

　　控制电机及其伺服控制系统在数控加工巾满足了不同零件的加工需求。另外，在控制方式上采用混合控制的方式，即开环补偿型和半闭环补偿型，可以有效地集中了开环和闭环的特点，满足某些机床的控制要求。随着现代数控技术的发展.对控制电机及其伺服驱动要求也越来越高，控制电机的优化研究和数字化伺服驱动技术已成为发展趋势。