数控机床控制技术基础 教学课件 作者 赵俊生 主编第四章 驱动电机与驱动装置.ppt

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1、驱动电机与驱动装置第四章驱动电机与驱动装置4.1驱动电机4.2驱动装置概述4.3步进驱动装置4.4晶体管直流脉宽调制驱动装置4.5交流伺服电动机驱动装置驱动电机与驱动装置4.1驱动电机数控机床的运动由主轴运动和进给运动组成，他们都是由电动机来驱动的，所以数控机床的电气驱动包括主轴驱动和进给驱动。由于完成的任务不同，所以系统对它们的要求也不同。主轴驱动对速度控制、恒功率调速范围和主轴定位控制等有较高的要求；进给驱动对位置精度、快速响应特性、调速范围等有较高的要求。实现主轴驱动的电动机主要有两种：直流主轴电动机（即它励式直流电动机）和交流主轴电动机（即三

2、相交流异步电动机）；实现进给驱动的电动机主要有三种；步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。驱动电机与驱动装置4.1.1步进电动机步进电动机伺服系统是典型的开环伺服系统。在这种开环伺服系统中，执行元件是步进电动机。步进电动机把进给脉冲转换为机械角位移，并由传动丝杠带动工作台移动。由于该系统中为位置和速度检测环节，因此它的精度主要由步进电动机的步距角和与之相联系的丝杠等传动机构所决定。驱动电机与驱动装置4.1.1.1步进电动机的结构和工作原理（1）步进电动机的分类及基本结构步进电动机的分类方法很多。按力矩产生的原理分为反应式和励磁式。a）反应式转子

3、中无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动。这是我国主要发展的类型，已于上世纪70年代末形成完整的系列，有比较好的性能指标。反应式步进电动机有较高的力矩转动惯量比，步进频率较高，频率响应快，不通电时可以自由转动、结构简单、寿命长的特点。驱动电机与驱动装置b）励磁式电动机定子和转子均有励磁绕组，由它们之间的电磁力矩实现步进运动。c）混合式（即永磁感应子式）它与反应式的主要区别是转子上置有磁钢。反应式电动机转子上无磁钢，输入能量全靠定子励磁电流供给，静态电流比永磁式大许多。永久感应子式具有步距角小，有较高的起动和运行频率，消耗功率小，效率高，不通电

4、时有定位转矩，不能自由转动等特点，广泛应用于机床数控系统、打印机、软盘机、硬盘机和其他数控装置中。驱动电机与驱动装置按输出力矩大小可分为伺服式和功率式。a）伺服式伺服式步进电机，输出扭矩一般为0.07～4Nm。只能驱动较小的负载，一般与液压转矩放大器配合使用，才能驱动机床等较大负载。或者用于控制小型精密机床的工作台（例如线切割机床）。b）功率式功率式步进电机，输出扭矩一般为5～40Nm。可以直接驱动较大负载。驱动电机与驱动装置按励磁相数可分为三相、四相、五相、六相等。相数越多步距角越小，但结构越复杂。按各相绕组分布型式分为径向式和轴向式。a）径向式（

5、单段式）径向式步进电机定子各相绕组按圆周依次排列。b）轴向式（多段式）轴向式步进电机定子各相绕组按轴向依次排列。驱动电机与驱动装置（2）反应式步进电动机的工作原理(a)反应式步进电动机结构原理(b)步进电动机步进过程原理图4-1反应式步进电动机结构与步进过程原理驱动电机与驱动装置a）步进电动机的有关术语：相数：电动机定子上有磁极，磁极对数称为相数。如图4-1a有6个磁极，则为三相，称该电动机为三相步进电动机。10个磁极为五相，称该电动机为五相步进电动机。拍数：电动机定子绕组每改变一次通电方式称为一拍。步距角：转子经过一拍转过的空间角度用符号α表示。齿

6、距角：转子上齿距在空间的角度。如转子上有N个齿，齿距角。驱动电机与驱动装置从图4-1a中可以看出，在定子上有六个大极，每个极上绕有绕组。每对对称的大极绕组形成一相控制绕组。这样形成A、B、C三相绕组。极间夹角为60°。在每个大极上，面向转子的部分分布着多个小齿，这些小齿呈梳状排列，大小相同，间距相等。转子上均匀分布40个齿，大小和间距与大齿上相同。驱动电机与驱动装置当某相（如A相）上的定子和转子上的小齿由于通电电磁力使之对齐时，另外两相（B相，C相）上的小齿分别向前或向后产生三分之一齿的错齿，这种错齿是实现步进旋转的根本原因。这时如果在A相断电的同时

7、，另外某一相通电，则电动机的这个相由于电磁吸力的作用使之对齐，产生旋转。步进电动机每走一步，旋转的角度是错齿的角度。错齿的角度越小，所产生的步距角越小，步进精度越高。现在步进电动机的步距角通常为3°；1.8°；1.5°；0.9°；0.5°到0.09°等。步距角越小，步进电动机结构越复杂。驱动电机与驱动装置b）步进电动机的通电方式及步距角由步进电动机的结构我们了解到，要使步进电动机能连续转动，必须按某种规律分别向各相通电。步进电动机的步进过程如图4-1b所示。假设图中是一个三相反应式步进电动机，每个大极只有一个齿，转子有4个齿，分别称0，1，2，3齿。

8、直流电源开关分别对A，B，C三相通电。整个步进循环过程，见表4-1所示。驱动电机与驱动装置表4-1步进电动机