交流伺服电动机的发展状况.docx

目 录第一章 交流伺服电动机的发展状况第二章 数控机床伺服系统简介2.1 数控系统的发展状况2.1.1 数控机床系统简介2.1.2 数控机床的发展状况2.2 数控系统的组成原理2.2.1 伺服系统概述2.2.2 伺服系统分析2.2.3 伺服控制技术第三章 交流伺服电动机的简介3.1 交流伺服电动机的结构3.2 交流伺服电动机的工作原理第四章 交流伺服电动机在数控系统中的应用4.1 交流伺服电动机在数控系统中的应用特点4.2 交流伺服电动机与其他电动机的比较4.2.1 交流伺服电动机与步进电动机的比较4.2.2 永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较4.3 在数控系统中如何选择交流伺服电动机4.4 交流伺服电动机在数控系统中的应用实例第五章 交流伺服电动机的发展趋势摘 要伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放大与调整后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。数控机床中的伺服系统种类繁多，本文主要从以下四部分作了阐述与分析。1、阐述了交流伺服电动机的发展状况，了解了当前最前沿的发展技术。2、通过数控技术的发展过程，介绍了数控机床伺服系统的组成原理、系统分析了伺服控制技术等原理，使我们更加了解了数控机床伺服系统的工作原理和应用特点。3、介绍了交流伺服电动的基本结构和工作原理，对伺服电动机的相关知识有了进一步的了解。4、通过实例详细介绍了伺服电动机在实际生产中的应用特点和应用场合以及合理选择伺服电动机的有效参数等内容。通过本文分析，综合应用了我们所学的相关知识，使我们对交流伺服电动机在实际生产中的应用有了较为充分的认识。目前，伺服技术正朝着交流化、数字化的方向迅速发展。第一章 交流伺服电动机的发展现状随着数控技术的迅速发展，伺服系统的作用与要求越显突出，交流伺服电动机的应用也越来越为广泛。针对直流电动机的缺陷，如果将其里外作相应的调整处理，即把电驱绕组装在定子、转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，就构成了永磁无刷电动机，同时随着矢量控制方法的实用化，使交流伺服系统具有良好的伺服特性，其宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，使其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。同时可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。目前，在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统，有三种类型：模拟形式、数字形式和软件形式。模拟伺服用途单一，只接收模拟信号，位置控制通常由上位机实现。数字伺服可实现一机多用，如做速度、力矩、位置控制。可接收模拟指令和脉冲指令，各种参数均以数字方式设定，稳定性好。具有较丰富的自诊断、报警功能。软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统。其将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电机的监控程序以软件实现。使用时可由用户设定代码与相关的数据即自动进入工作状态。配有数字接口，改变工作方式、更换电动机规格时，只需重设代码即可，故也称万能伺服。交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能第二章 数控机床伺服系统简介2.1 数控系统的发展状况2.1.1 数控机床系统简介数控机床一般由数控系统、包含伺服电动机和检测反馈装置的伺服系统、强电控制柜、机床本体和各类辅助装置组成，如图（21）控制介质数控系统伺服系统辅助装置机床反馈装置图 2-1 数控机床的系统组成图1、控制介质控制介质又称信息载体，是人与数控机床之间联系的中间媒介物质，反映了数控加工中全部的信息。2、数控系统数控系统是机床实现自动加工的核心，是整个数控机床的灵魂所在。主要由输入装置、监视器、主控制系统、可编程控制器、各类输入/输出接口等组成。主控制系统主要由CPU、存储器、控制器等组成。数控系统的主要控制对象是位置、角度、速度等机械量，以及温度、压力、流量等物理量，其控制方式又可分为数据运算处理控制和时序逻辑控制两大类。3、伺服系统伺服系统是数控系统和机床本体之间的电气联系环节。主要由伺服电动机、驱动控制系统和位置检测与反馈装置等组成。伺服电动机是系统的执行元件，驱动控制系统则是伺服电动机的动力源。数控系统发出的指令信号与位置反馈信号比较后作为位移指令，再经过驱动控制系统的功率放大后，驱动电动机运转，通过机械传动装置拖动工作台或刀架运动。4、辅助装置辅助装置主要包括自动换刀装置ATC、自动交换工作台机构APC、工件夹紧放松机构、回转工作台、液压控制系统、润滑装置、切削液控制装置、排屑装置、过载和保护装置等。5、机床本体数控机床的本体是指其机械结构实体。与传统的普通机床相比较，同样由主传动系统、进给传动机构、工作台、床身以及立柱等部分组成，但数控机床的整体布局、外观造型、传动机构、工具系统及操作机构等方面都发生了很大的变化。2.1.2 数控机床的发展状况当数控机床进入分布式控制(DNC)和柔性制造系统(FMS)环境,甚至要求与CAD/CAPP/CAM等共同信息系统通信后,原有的以单机服务为对象的CNC装置就显得不够用了,新的环境要求CNC装置进一步向开放式数控系统转化。开放式体系结构普遍采用模块化、层次化的结构,并通过各种形式向外提供统一的应用程序接口,具有可移植性、可扩展性、互操作性和可缩放性等特点,即系统组成的内部开放化和系统组成各部件之间的开放化。开放式CNC的产生源于微机系统技术的发展,在PC系统中,作为主流操作系统之一的MS-DOS提供了一个实时性很强的操作平台,而且微软正着手将Windows CE统转变为实时操作系统。目前,以微软视窗为突出代表的图形用户接口GUI标准已经到来,并将逐步取代DOS,使操作方法与软件开发过程发生变化。国外开放式数控系统的研究与发展环境(Open System Environment for Controllers)的工作委员会。它研究的重点是在NC本身和分布式DNC控制系统上,它认为站在制造的角度看NC是分布式DNC系统的一个服务器。OSEC所谓的开放式系统本身就被认为是一个分布式系统,它能满足用户对制造系统不同配置的要求、最小化费用的要求和应用先进控制算法及基于PC的标准化人机界面的要求。2.2 数控系统的组成原理2.2.1 伺服系统概述伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、调整与放大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。数控机床中的伺服系统种类繁多，对其技术现状及发展趋势作简要探讨。从基本结构来看，伺服系统主要由三部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。任何部分的变化都可构成不同种类的伺服系统。根据驱动电动机的类型，可将其分为直流伺服和交流伺服；根据控制器实现方法的不同，可将其分为模拟伺服和数字伺服；根据控制器中闭环的多少，可将其分为开环控制系统、单环控制系统、双环控制系统和多环控制系统。考虑伺服系统在数控机床中的应用，首先按机床中传动机械的不同将其分为进给伺服与主轴伺服，然后再根据其他要素来探讨不同伺服系统的技术特性。进给伺服以数控机床的各坐标为控制对象，产生机床的切削进给运动。为此，要求进给伺服能快速调节坐标轴的运动速度，并能精确地进行位置控制。具体要求其调速范围宽、位移精度高、稳定性好、动态响应快。根据系统使用的电动机，进给伺服可细分为步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服。作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。可以预见随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网络接口的全数字伺服系统、直线电动机及高速电主轴等将成为数控机床行业的关注的热点，并成为伺服系统的发展方向。2.2.2 伺服系统分析一 、从伺服系统的组成上分析（如图2-2所示）比较元件调节元件执行元件被控元件输入量 输出量图 2-2 伺服系统组成分析1、比较组件是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获的控制系统动作的偏差信号的环节，通常可通过电子电路或计算机软件实现。2、调节组件又称控制器是伺服系统的一个重要组成部分，其作用是对比较组件输出的偏差的偏差信号进行交换、放大以控制执行组件按要求动作。调节组件的质量对伺服系统的性能有重要的影响，其功能一般有软件算法加硬件电路实现或单独有硬件电路实现。3、执行组件其作用是在控制信号作用下，将输入的各种形式的能量转换成机 械能，驱动被控制对象工作，数控机床中伺服电动机是常见的组件。4、被控对象是伺服系统中被控制的设备或装置，是直接实现目的功能的主体，其行为质量反映着整个伺服系统的性能，数控机床中被控对象主要是机械装置，包括传动机构和执行机构。5、测量反馈组件是指传感器及其信号检测装置，用于实时检测被控制对象的输出量并将其反馈到比较组件。二、从伺服系统的原理上分析服系统是由速度环、位置环、电流环的三环结构组成，它的工作原理是：由插补器发出的脉冲经位置控制回路发出速度指令，比较器中与检测器信号相与后，再经过放大器送出转矩指令，至矢量处理电路，该电路由转角计算回路、乘法器、比较器等组成。另一方面，检测器的输出信号也被送到矢量处理电路中的转角计算回路，将电动机的回转位置改变了角度时，由矢量处理电路输出三个电流信号，经放大并与电动机回路的电流检测信号比较之后，经脉宽调制电路（PWM）放大后，控制三相桥式晶体管电路，使交流伺服电动机按规定的转速旋转，并输出所需要的转矩值。检测器检测出的信号还可送到位置控制回路，与插补器来的脉冲信号进行比较完成位置环控制。三、从伺服系统的类型上分析1、按调节理论分类开环伺服系统开环伺服系统即无位置反馈的系统，其驱动元件主要是功率步进电机或电液脉冲马达。开环系统的结构简单，易于控制，但精度差，低速不平稳，高速扭矩小。闭环伺服系统闭环系统是误差控制随动系统。数控机床进给系统的误差，是CNC输出的位置指令和机床工作台（或刀架）实际位置的差值。闭环系统运动执行元件不能反映运动的位置，因此需要有位置检测装置。由于闭环伺服系统是反馈控制，反馈测量装置精度很高，从而大大提高跟随精度和定位精度。目前闭环系统的分辨率多数为1m，定位精度可达+-0.01+-0.005mm；高精度系统分辨率可0.1m 。半闭环系统位置检测元件不直接安装在进给坐标的最终运动部件上，而是中间经过机械传动部件的位置转换，又称间接测量。半闭环和闭环系统的控制结构是一致的，不同点只是闭环系统环内包括多的机械传动部件，传动误差均可被补偿。2、按使用的驱动元件分类电液伺服系统电液伺服系统的执行元件为液压元件，其前一级为电气元件。驱动元件为液动机和液压缸，常用的有电液脉冲马达和电液伺服马达。电液伺服系统具有在低速下可以得到很高的输出力矩，以及刚性好、时间常数小、反映快和速度平稳等优点。电气伺服系统电气伺服系统全部采用电子器件和电机部件，操作维护方便，可靠性高。电气伺服系统中的驱动元件主要有步进点机、直流伺服电机和交流伺服电机。它们没有液压系统中的噪声、污染和维修费用高等问题，但反应速度和低速力矩不如液压系统高。3、按使用直流伺服电机和交流伺服电机分类直流伺服系统直流伺服系统常用的伺服电机有小惯量直流伺服电机和永磁直流伺服电机（也称为大惯量宽调速直流伺服电机）。小惯量伺服电机最大限度地减少电 的转动惯量，所以能获得最好的快速性。永磁直流伺服电机能在较大过载转矩下长时间工作以及电机的转子惯量较大，能直接与丝杆相连而不需要中间传动装置。交流伺服系统交流伺服系统使用交流异步伺服电机（一般用于主轴伺服电机）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服电机）。交流伺服电机转子惯量较直流电机小，使得动态响应好。交流电机输出功率比直流电机提高10%-70%。4、按进给驱动和主轴驱动分类进给伺服系统进给伺服系统是指一般概念的伺服系统，它包括速度控制环和位置控制环。进给伺服系统完成各坐标轴的进给运动，具有定位和轮廓跟踪功能，是数控机床中要求最高的伺服控制。主轴伺服系统一般的主轴控制只是一个速度控制系统。主要实现主轴的旋转运动，提供切削过程中的转矩和功率，且保证任意转速的调节，完成在转速范围内的无级变速。5、按反馈比较控制方式分类脉冲、数字比较伺服系统该系统是闭环伺服系统中的一种控制方式。它是将数控装置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装置得的以数字（或脉冲）形式表示的反馈信号直接进行比较，以产生位置误差，达到闭环控制。相位比较伺服系统相位比较伺服系统中位置检测装置采取相位工作方式，指令信号与反馈信号都变成某个载波的相位，然后通过两者相位的比较，获得实际位置与指令位置的偏差，实现闭环控制。幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此信号作为位置反馈信号，一般还要将此幅值信号转换成数字信号才与指令数字信号进行比较，从而获得位置偏差信号构成闭环控制系统。5、全数字伺服系统随着微电子技术，计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。2.2.3 伺服控制技术从70年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类：永磁同步（SM型）电动机交流伺服系统和感应式异步（IM型）电动机交流伺服系统。其中，永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向。但由于该系统采用矢量变换控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电机低速运行时还存在着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，目前并未得到普遍应用。系统的执行元件一般为普通三相鼠笼型异步电动机，功率变换器件通常采用智能功率模块IPM。为进一步提高系统的动态和静态性能，可采用位置和速度闭环控制。三相交流电流的跟随控制能有效地提高逆变器的电流响应速度，并且能限制暂态电流，从而有利于IPM的安全工作。速度环和位置环可使用单片机控制，以使控制策略获得更高的控制性能。电流调节器若为比例形式，三个交流电流环都用足够大的比例调节器进行控制，其比例系数应该在保证系统不产生振荡的前提下尽量选大些，使被控异步电动机三相交流电流的幅值、相位和频率紧随给定值快速变化，从而实现电压型逆变器的快速电流控制。电流用比例调节，具有结构简单、电流跟随性能好以及限制电动机起制动电流快速可靠等诸多优点。第三章 交流伺服电动机的简介3.1 交流伺服电动机的组成结构交流伺服电动机的结构主要可分为两大部分，即定子部分和转子。其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成90°电角度的两相绕组，如图3-1所示。其中L1- L2称为励磁绕组， k1-k2称为控制绕组，所以交流伺服电动机是一种两相的交流电动机。转子的结构常用的有鼠笼形转子和非磁性杯形转子。 鼠笼形转子交流伺服电动机的结构如图3-2所示， 它的转子由转轴、 转子铁心和转子绕组等组成。 转子铁心是由硅钢片叠成的， 每片冲成有齿有槽的形状， 如图3-3所示， 然后叠压起来将轴压入轴孔内。 铁心的每一槽中放有一根导条， 所有导条两端用两个短路环连接， 这就构成了转子绕组1 定子绕组 2 定子铁心 3 鼠笼转子图3-1 两相绕组分布图图3-2 鼠笼型转子交流伺服电机 图3-3 转子冲片非磁性杯形转子交流伺服电动机的结构如图3-4所示。 图中外定子与鼠笼形转子伺服电动机的定子完全一样,内定子由环形钢片叠成,通常内定子不放绕组， 只是代替鼠笼转子的铁心，作为电机磁路的一部分。在内、外定子之间有细长的空心转子装在转轴上，空心转子作成杯子形状，所以又称为空心杯形转子。空心杯由非磁性材料铝或铜制成，它的杯壁极薄，一般在0.3 mm左右。 杯形转子套在内定子铁心外，并通过转轴可以在内、外定子之间的气隙中自由转动，而内、 外定子是不动的。1杯形转子 2外定子 3内定子4机壳 5端盖图3-4 杯形转子伺服电动机与鼠笼形转子相比较，非磁性杯形转子惯量小，轴承摩擦阻转矩小。由于它的转子没有齿和槽，所以定、转子间没有齿槽粘合现象，转矩不会随转子不同的位置而发生变化，恒速旋转时，转子一般不会有抖动现象，运转平稳。但是由于它内、外定子间气隙较大(杯壁厚度加上杯壁两边的气隙)，所以励磁电流就大，降低了电机的利用率，因而在相同的体积和重量下，在一定的功率范围内，杯形转子伺服电动机比鼠笼转子伺服电动机所产生的启动转矩和输出功率都小；另外，杯形转子伺服电动机结构和制造工艺又比较复杂。因此， 目前广泛应用的是鼠笼形转子伺服电动机， 只有在要求运转非常平稳的某些特殊场合下(如：积分电路等)， 才采用非磁性杯形转子伺服电动机。3.2 交流伺服电动机的工作原理交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。当电机原来处于静止状态时，如控制绕组不加控制电压，此时只有励磁绕组通电产生脉动磁场。可以把脉动磁场看成两个圆形旋转磁场。这两个圆形旋转磁场以同样的大小和转速，向相反方向旋转，所建立的正、反转旋转磁场分别切割笼型绕组（或杯形壁）并感应出大小相同，相位相反的电动势和电流（或涡流），这些电流分别与各自的磁场作用产生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩为零，伺服电机转子转不起来。一旦控制系统有偏差信号，控制绕组就要接受与之相对应的控制电压。在一般情况下，电机内部产生的磁场是椭圆形旋转磁场。一个椭圆形旋转磁场可以看成是由两个圆形旋转磁场合成起来的。这两个圆形旋转磁场幅值不等（与原椭圆旋转磁场转向相同的正转磁场大，与原转向相反的反转磁场小），但以相同的速度，向相反的方向旋转。它们切割转子绕组感应的电势和电流以及产生的电磁力矩也方向相反、大小不等（正转者大，反转者小）合成力矩不为零，所以伺服电机就朝着正转磁场的方向转动起来，随着信号的增强，磁场接近圆形，此时正转磁场及其力矩增大，反转磁场及其力矩减小，合成力矩变大，如负载力矩不变，转子的速度就增加。如果改变控制电压的相位，即移相180o，旋转磁场的转向相反，因而产生的合成力矩方向也相反，伺服电机将反转。若控制信号消失，只有励磁绕组通入电流，伺服电机产生的磁场将是脉动磁场，转子很快地停下来。鼠笼转子(或者是非磁性杯形转子)所以会转动起来是由于在空间中有一个旋转磁场。 旋转磁场切割转子导条， 在转子导条中产生感应电势和电流， 转子导条中的电流再与旋转磁场相互作用就产生力和转矩， 转矩的方向和旋转磁场的转向相同， 于是转子就跟着旋转磁场沿同一方向转动。 这就是交流伺服电动机的简单工作原理。第四章 交流伺服电动机在数控系统中的应用4.1 交流伺服电动机在数控系统中的应用特点无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。其交流伺服电机还有以下特点。1、精度高数控机床是按预定的程序自动进行加工的，不可能象普通机床那样手动操作来调整和补偿，各种因素对加工精度的影响，故数控机床的实际位移与指令位移之差要小。现代数控机床的位移精度一般为0.010.001mm甚至可高达0.1微米，以保证加工质量的一致性，保证复杂曲面、曲面零件的加工精度。2、调速范围宽调速范围是指最高进给速度和最低进给速度的比，目前先进调速水平是在脉冲当量或最小设定单位为1微米的情况下，进给速度能在0240m/min的范围内连续可调，一般数控机床的进给速度能在024m/min的范围内连续可调，即调速范围为1：24000。3、快速响应并无超调对伺服系统除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪信号的响应要快。伺服系统的这个特点对伺服系统的动态性提出了两方面要求：一方面在伺服系统处于频繁的启动、制动、加速、减速等动态过程中，为了提高生产率和加工质量则要求加、减速度足够大以缩短过度过程时间。一般电机速度0到最大或从最大减到0，时间应控制在200ms以下，甚至小于几十毫秒且速度变化时不应有超调；另一方面，是当负载突变时，过度过程前言要陡，恢复时间要短，且无震荡，这样才能得到光滑的加工表面。4、能在低速时输出大的转矩。数控机床的进给系统常在相对较低的速度下进行切削，故要求伺服系统能够输出大的转矩。普通加工直径400mm的车床，纵向和横向的驱动力矩都在10Nm以上。为此，数控机床的进给传动链应尽量短，传动摩插系数尽量小，并减少间隙，提高刚度，减少惯量，提高效率。4.2 交流伺服电动机与其他电动机的比较4.2.1 交流伺服电动机与步进电动机的比较步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异，现就二者的使用性能作一比较。一 、控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。二、低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。三、矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600rpm。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000rpm或3000rpm）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。四、过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。五、运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。六、速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000rpm仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。4.2.2 永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响，其发展受到了限制。直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。      交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。所以，交流伺服系统在工厂自动化（FA）等各个领域得到了广泛的应用其交流伺服优点有以下特点（1）无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。（2）定子绕组散热比较方便。（3）惯量小，易于提高系统的快速性。（4）适应于高速大力矩工作状态。（5）同功率下有较小的体积和重量。4.3 在数控系统中如何选择交流伺服电动机选择电机，首先要确定电机工作点的力矩有多大，及在这个力矩下需要的电机转速（即额定转速）是多少，依此可以确定需要多大尺寸的电机能满足这个要求。电机的额定转速和额定力矩决定了电机的输出功率。对于两台尺寸完全相同的电机来说，由于转速不同，力矩不同，所以输出功率也不同。力矩大、转速高的电机，其输出功率就大，当然电流也要增大。对于同一台电机，当力矩不变时，电机转速与电压成正比。即：电压越高，转速越高。如：一台12V电机，在额定力矩下的负载转速为5000rpm，当把电压升高到24V时，则负载转速大约为10000rpm。交流电机转速公式。（41）（42）式中： f 定子电源频率p 磁激对数S 转差率ns 定子旋转磁场转速n 转子转速对于同一台电机，负载转速与负载力矩成反比。即：随着负载力矩的增大，电机转速将降低。如：一台电机，若在200g.cm时的转速为5000rpm，当负载力矩大于200g.cm时，电机转速将低于5000rpm；而当负载力矩小于200g.cm时，电机转速将高于5000rpm。一般来说，电机所带的负载力矩，应与电机给定的额定力矩相同。因为，在额定力矩下工作时，电机是处于最高效率点附近。而当负载力矩大于额定力矩时，电机处在超负荷运行状态，这将影响到电机的发热和使用寿命。电机的力矩通常用g.cm（克·厘米）表示，与其他力矩单位的换算关系是：1g.cm0.098mNm0.014oz-in1mNM10.2g.cm0.142oz-in1oz-in7.056mNm72.0g.cm长度单位的换算关系是：1mm0.039in lin25.4mm重量单位的换算关系是：1g0.035oz loz28.35g选择交流伺服电机应考虑的参数因素：（1）负载曲线在电机转矩极限曲线的下方；（2）负载曲线必须小于电机的额定转速；（3）惯量决定整个系统的响应性，即加减速特性选择恰当的减速比惯量比：折算到电机轴上的负载惯量/电机转子惯量伺服电机工作的惯量比应为510倍最佳惯量匹配：惯量比为1（4）锋值力矩加减速要求电机转子惯量、负载惯量额定力矩4.4 交流伺服电动机在数控系统中的应用实例交流伺服系统在大型铣镗床的应用4.4.1 引言     随着微处理技术、高性能半导体功率器件等产品制造工艺的发展及性价比的日益提高，交流伺服技术在机电设备产品中的应用越来越多，由于三相异步鼠笼式电动机结构坚固、制造容易、运行可靠、维修方便、价格低廉，具有良好的发展前景，是未来伺服技术的发展方向之一。     大、重型落地式数控铣镗床为机、电、液一体化技术密集型产品，其性能要求可实现多轴控制、五坐标联动；可加工带有复杂曲面的大型工件；属于机械加工行业里的高精度、高性能、高效率的关键重大装备，目前此种类型产品基本依赖从国外进口。如果在保证性能的前提下实现国产化，尤其是采用国产化的全数字伺服系统，可以达到大幅度节约成本，打破国外的技术垄断和制约，推动民族工业的发展的目的。4.4.2 技术要求     落地数控铣镗床作为重型精密加工设备，要求很高的调速性能，调速比要求大于1:3000，目前国内控制系统主要采用直流调速系统。主要技术要求如下：     在带载调速过程中必须保证足够的转矩平稳输出，能够实现进给轴低速平稳运行和大扭矩输出。     重载加工过程中在负载(转矩)大范围波动的情况下保证运行速度的平稳。采用时光科技交流伺服控制系统的某型号落地式数控铣镗床的外形图（如图4-1所示）。图4-1   某落地式数控铣镗床采用时光交流伺服时光科技交流伺服控制器具有以下特点：1、全数字化      时光科技的交流伺服控制器是全数字化技术，其速度控制范围为0Hz500Hz，控制精度标准为0.010.02Hz(特殊要求时可做到0.0025Hz)。该控制器可以满足数控铣镗床进行大范围的稳定、准确的高精度速度控制的需求。2、 高可靠的调速和过载性能     与变频器相比较，其速度曲线呈线性，使得加工过程时机床在频繁地起、停、正转、反转和制动控制的工况条件下连续正常地运行而速度不产生波动。而且，该系统具有优良的超载特性，在铭牌额定转速下可以做到300%的额定转矩输出，完全有别于一般变频器的工作曲线(见图4-2所示)，保证了重载加工过程中在负载大范围波动的情况下机床依然可以平稳运行。图4-2 通用“变频器”与“伺服控制器”的主要区别3、 转速和转矩的解耦独立控制 （如下图） 图4-3 立柱水平进给 图4-4轴箱垂直进给 图4-5 镗轴(内)和滑枕(外)系统达到的主要指标：主要参数镗轴滑枕立柱主轴箱行程（m）1.21.263电机功率（kW）7.57.51515最低直线速度（mm）0.60.91.51.5电机相关参数：调速范围：0.01250Hz(换档无级变速)；额定转速：4级1500r/min。 时光科技的交流伺服控制器在大重型数控铣镗床控制系统中的应用，充分发挥了系统的低速大扭矩和速度控制平稳的特性，使得大重型设备零速平稳起动，超低速进给性能显著提高，应用前景十分广阔。第五章 交流伺服电动机的发展趋势作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。伺服控制技术是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分。伺服系统在加工机械、半导体制造、部件组装等方面得到了广泛的应用。随着中国从制造业大国迈向制造业强国的进程和全数字式交流伺服系统的性能价格比逐步提高，交流（AC）伺服系统作为控制电机类高档精密部件，其市场需求将稳步增长。交流伺服系统由于控制原理的先进性，成本低、免维护，并且控制特性正在全面超越直流伺服系统，其势必将在绝大多数应用领域代替传统的直流伺服电机。AC伺服系统当前的发展趋势:1、高效率化 高速、高精、高性能化尽管这方面的工作早就在进行，但是仍需要继续加强。主要包括电机本身的高效率，也包括驱动系统的高效率化，采用更高精度的编码器（每转百万脉冲级），更高采样精度和数据位数、直线电机，以及应用自适应、人工智能等各种现代控制策略，不断将伺服系统的指标提高。2、通用化通用型驱动器配置有大量的参数和丰富的菜单功能，便于用户在不改变硬件配置的条件下,方便地设置成V/F控制、无速度传感器开环矢量控制、闭环磁通矢量控制、永磁无刷交流伺服电动机控制及再生单元等五种工作方式，适用于各种场合，可以驱动不同类型的电机。3、智能化现代交流伺服驱动器都具备参数记忆、故障自诊断和分析功能，绝大多数进口驱动器都具备负载惯量测定和自动增益调整功能，有的可以自动辨识电机的参数，自动测定编码器零位，有些则能自动进行振动抑止。