毕业论文伺服电机及驱动系统在机床中的应用及其发展趋势.doc

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1、毕 业 论 文伺服电机及驱动系统在机床中的应用及其发展趋势 1 交流伺服电机的结构及工作原理 与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。定子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相差90电角度。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动gS控制的uVW三相电形成电磁场 转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较 调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度线数)。 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

2、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

3、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

4、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。 为使交流伺服电机具有控制信号消失，立即停止转动的功能，把它的转子电阻做得特别大，使它的临界转差率Sk大于1。在电机运行过程中，如果控制信号降为“零”，励磁电流仍然存在，气隙中产生一个脉动磁场，此脉动磁场可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成。一旦控制信号消失，气隙磁场转化为脉动磁场，它可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成，电机即按合成特性曲线运行。由于转子的惯性，运行点由A点移到B点，此时电动机产生了一个与转子原来转动方向相反的制动力矩。在负载力矩和制动力矩的作用下使转子迅速停止必须指出，普通的两相和三相异步电动机正常情况

5、下都是在对称状态下工作，不对称运行属于故障状态。而交流伺服电机则可以靠不同程度的不对称运行来达到控制目的。这是交流伺服电机在运行上与普通异步电动机的根本区别。就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快;位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。那么如果控制器本身的运算速度很慢(比如PLC，或低端运动控制器)，就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率(比如大部分中高端运动控制器);如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控

6、制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。换一种说法是：1、转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转(通常在有重力负载情况下产生)。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设

7、备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。2、位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。应用领域如数控机床、印刷机械等等。3、速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端

8、的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。 （交流伺服电机的结构图）2 交流伺服系统在数控机床中的应用目前普遍采用的交流伺服电机都是永磁同步电动机，这种电机具有能量转换效率高，体积小，运行可靠性高、调速范围广，系统动、静特性好等优点，随着世界各国纷纷对加大其进行研究，大大提高了交流伺服电机的效率，缩小了体积，降低了成本，特别是随着电力电子技术和自动控制技术的发展，极大地促进了交流伺服控制技术的发展，目前，各国的电气公司，如德国的西门子、美国的通用电气公司、日本的三菱公司等都相继推出了各自的永磁同

9、步伺服电动机和伺服驱动系列产品，并不断采用新技术进行改进和更新，使永磁同步伺服系统性能更加优异，价格更趋合理。交流伺服系统取代直流伺服系统已经成为必然趋势。特别在伺服定位领域里，目前交流伺服产品已经是主流产品。 (交流伺服系统的控制框图)2.1 交流伺服系统的特点 6070年代后，数控系统大多采用直流伺服系统。直流伺服电机具有良好的宽调速性能。输出转矩大，过载能力强，伺服系统也由开环控制发展为闭环控制，因而在工业及相关领域获得了更加广泛的运用。但是，随着现代工业的快速发展，其相应设备如精密数控机床、工业机器人等对电伺服系统提出越来越高的要求，尤其是精度、可靠性等性能。而传统直流电动机采用的是机

10、械式换向器，在应用过程中面临很多问题，如电刷和换向器易磨损，维护工作量大，成本高;换向器换向时会产生火花，使电机的最高转速及应用环境受到限制;直流电机结构复杂、成本高、对其他设备易产生干扰。 这些问题的存在，限制了直流伺服系统在高精度、高性能要求伺服驱动场合的应用。 针对直流电动机的缺点，人们一直在努力寻求以交流伺服电动机取代具有机械换向器和电刷的直流伺服电动机的方法，以满足各种应用领域，尤其是高精度、高性能伺服驱动领域的需要。但是由于交流电机具有强耦合，非线性的特性，控制非常复杂，所以高性能运用一直受到局限。自80年代以来，随着电子电力等各项技术的发展，特别是现代控制理论的发展，在矢量控制算

11、法方面的突破，原来一直困扰着交流电动机的问题得以解决，交流伺服发展地越来越快。 交流伺服系统的特点 交流伺服系统除了具有稳定性好、快速性好、精度高的特点外，与直流伺服电机系统相比有一系列优点: a交流电机不存在换向器圆周调速限制，也不存在电枢元件中电抗电势数值限制，其转速限制可以设计得比相同功率的直流电机高。 b调速范围宽，目前大多数的交流伺服电机的变速比可以达到1:5000，高性能的伺服电机的变速比已达1:10000以上。满足数控机床传动调速范围宽、静差率小的要求。 c矩频特性好，交流电机为恒力矩输出，即在其额定转速以内输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。并且具有转矩过载能力，可克服惯

12、性负载在启动瞬间的惯性力矩。满足机床伺服系统输出转矩大、动态相应好、定位精度高的要求。2.2数控机床20世纪50年代出现数控机床以来，作为数控机床重要组成部分的伺服系统，随着新材料、电子电力、控制理论等相关技术的发展，经历了从步进伺服系统到直流伺服系统再到今天的交流伺服系统的过程。交流伺服技术的日益发展，交流伺服系统将逐步全面取代直流伺服系统。 数控（Numerical Control）是数控技术的简称。它是利用数字化的信息对机床及加工过程进行控制的一种方法。数控系统是数控机床的重要部分，它随着计算机技术的发展而发展。现在的数控系统都是由计算机完成以前硬件数控所做的工作，为特别强调，有时也称为

13、计算机数字控制系统。计算机数字控制CNC（Computer Numerical Control）系统是以微处理器技术为特征,并随着电子技术、计算机技术、数控技术、通讯技术以及精密测量技术的发展而不断发展完善的一种先进加工制造系统。CNC系统框图见图所示，它由数控程序、输入输出设备、操作面板、CNC装备、可编程控制器（PLC）、主轴伺服系统、进给伺服系统、检测装备和一些电气辅助装置等组成。（CNC系统框图）2.3 伺服系统在数控机床中的应用 伺服系统是以驱动装置电机为控制对象，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，它包括伺服驱动器和伺

14、服电机。数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。数控机床的伺服系统应满足以下基本要求:a精度高 数控机床不可能像传统机床那样用手动操作来调整和补偿各种误差，因此它要求很高的定位精度和重复定位精度。b快速响应特性好 快速响应是伺服系统动态品质的标志之一。它要求伺服系统跟随指令信号不仅跟随误差小，而且响应要快，稳定性要好。在系统给定输入后，能在短暂的调节之后达到新的平衡或是受到外界干扰作用下能迅速恢复原来的平衡状态。 c调速范围大由于工件材料

15、、刀具以及加工要求不同，要保证数控机床在任何情况下都能得到最佳的切削条件，伺服系统就必须有足够的调速范围，既能满足高速加工要求，又能满足低速进给要求。调速范围一般大于1:10000。而且在低速切削时，还要求有较大稳定的转矩输出。 d系统可靠性要好 数控机床的使用率要求很高，常常是24小时连续工作不能停机，因而要求工作可靠。数控机床伺服系统的基本组成如图2 所示。数控机床的伺服系统按有无反馈检测元件分为开环控制系统和闭环控制系统。驱动控制单元是将进给指令转化为执行元件所需要的信号，执行元件将该信号转为机械位移。开环控制系统没有反馈检测元件和比较控制环节，这些是闭环控制系统必须的部分。 伺服系统按

16、用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统。按有无反馈检测元件分为开环控制系统和闭环控制系统。按执行元件的不同，分为步进伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统图2 伺服系统的基本组成3 交流伺服系统在数控机床中的应用趋势3.1 国内交流伺服的研究现状交流伺服系统包括基于异步电动机的交流伺服系统和基于同步电动机的交流伺服系统。目前机床主要采用的是永磁同步交流伺服系统。在交流伺服研究领域，日本、美国和欧洲的研究一直走在世界前列。日本的安川公司在20世纪80年代中期研制成功世界上第一台交流伺服驱动器。随后FANUC、三菱、松下等公司先后推出各自的交流伺服系统，国外的这些产品大多是基于异步电动机的。国内在

17、基于异步电机交流伺服系统的研究比较晚，到目前为止还没有产品问世。国内很多学者把研究的重点放在永磁同步电机伺服系统上。我国的华中科技大学、北京机床研究所、西安微电动机研究所、中科院沈阳自动化研究所、兰州电动机厂等单位开始研究并推出交流伺服系统。其中，由广州数控公司生产的DA98全数字式交流伺服驱动装置在我国的高精度数控伺服驱动行业已经打开局面，打破了外国公司垄断的格局，开创了民族品牌新纪元。 交流伺服的信号和数控系统接口有三种模式，也是它经历的三个阶段。以国内来说，广州数控的DA98属于第一代也是划时代的一种伺服驱动器，它是国内第一台全数字式交流伺服驱动装置，它接受方向命令脉冲。第二代是以埃斯顿

18、为代表的EDB系列，它不仅能够接受脉冲命令信号，还能接受速度控制或是转矩控制的模拟量的输入。第三代是网络化交流伺服系统。网络化伺服系统是工业现场总线技术和全数字化交流伺服的有机结合，全数字化交流伺服技术可以使用户根据负载状况调整参数，也省去了一些模拟回路所产生的漂移等不稳定因素。采用基于现场总线的网络控制技术，将微处理器和现场总线接口置入全数字型交流电机伺服驱动器，形成智能型独立的全数字伺服控制单元，将其直接连接到工业现场总线上，就形成了新型的基于现场总线的网络控制系统。减少了硬件数量和连线，各智能单元结构上独立自主，可与外界以及相互间实现数据共享，而且可以加挂其它现场控制设备，易于扩展。到目

19、前为止网络化交流伺服器在国内还没有成熟产品。北京航空航天大学机器人研究所开发设计了一种基于DSPFPGA+ASIPM的网络化交流伺服控制系统，原理样机已在三维雕刻机上得到了初步的验证。 目前的伺服器驱动器内部大多采用高速DSP处理器，推进了各种先进的运动控制算法在新型驱动器上的使用。在硬件结构上各大伺服系统供应商大多采用DSP+CPLD（FPGA）结构，由于DSP和CPLD（FPGA）的可重复编程性，可以实现交流伺服系统的模块化可重构。只要为系统配置相应不同的软件（包括控制算法）就可以控制和驱动异步电机、永磁同步伺服电机、无刷直流电机，而通过对FPGA的重新配置还可以驱动直流电机和三相感应式高

20、压步进电机。这就为数控机床的升级以及革新留下了很多的空间。3.2 数控机床中伺服系统的现状及发展趋势3.2.1 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、放调与整大后，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

21、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，本文通过分析其 结构及简单归分，对其技术现状及发展趋势作简要探讨。3.2.2 伺服系统的结构及分类 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（附图）。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

22、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。附图中的主要成分变化多样，其中任何部分的变化都可构成不同种类的伺服系统。如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，本文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。伺服系统的结构3.2.3 交流伺服系统的现状和展望 针对直流电动机的缺陷，

23、如果将其做“里翻外”的 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

24、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

25、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。3.3 交流异步伺服电机在数控机床的应用趋势 随着中国数控机床的快速发展，国产交流异步伺服电机在数控机床的使用已经越来越广泛了，它不仅大大提升了中国数控机床的性能和档次，同时使得原来以进口为主的交流异步伺服单元价格大幅度降低。据不完全统计，近三年来国外知名品牌交流异步伺服单元进入中国市场产品的价格已经下降了近50percent。中国数控机床依附于进口数控机床功能部件的局面得到了很大的改善。 数控机床使用的伺服电机分为进给伺服电机和主轴伺服电机两种。进给伺服但主要是以交流永磁同步伺服电机为主，由于其驱动控制器的复杂性，所以国

26、产进给伺服主要是以1.5KW以下的小功率为主，2.0KW以上的仍是进口产品居多。在主轴伺服电机方面，由于永磁电机普遍存在结构强度问题，目前市场上的主轴伺服电机包括进口知名品牌仍以交流异步伺服为主。 中国数控机床的产量近几年快速增长，据统计2006年全国生产了85756台数控机床，同比增长了32.78percent。但是，在这些数控机床中约占70percent的产品是经济型数控车床或简式数控车床。这些数控车床除了必要的NC、进给伺服、滚珠丝杠外，主轴箱传动部分基本上以传统的齿轮箱结构为主，主轴电机仍以普通的交流异步电机或者双速电机为主。近年来随着变频电机的发展，这些产品中约有40percent配

27、套应用了变频调速电机，有的厂家称之变频数控机床。主轴是数控机床的重要功能部件。无论是主轴的最高转速、主轴起动停止的加减速时间、主轴的螺纹切削功能、主轴的恒线速度切削功能等，都已经成为广大用户关心的重要指标。而实现这些功能只有配置交流伺服主轴电机。交流主轴伺服单元同变频调速装置相比，显然从性能及性价比来说要高出一个档次，这也是为什么进口的数控车床均采用交流主轴伺服单元而不是变频调速装置的关键所在。目前在机械装备中，交流异步伺服应用的并不普遍。但随着自动化水平的提高，交流异步伺服会有广泛的市场现代数控机床是朝着精密化和高速化方向发展。作为数控机床主要组成部分的伺服系统，越来越多的选择停留在交流伺服

28、上面，它具有其他几种伺服系统无可比拟的优势。随着交流伺服技术的发展，交流伺服系统将逐渐地全面取代直流伺服系统。4 结论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。.5 参考文献6 致谢这次毕业设计得到了很多老师、同学和同事的帮助，其中我的导师涂文斌和王国勇老师对我的关心和支持尤为重要，每次遇到难题，我最先做的

29、就是向两位导师寻求帮助，而两位导师每次不管忙或闲，总会抽空来找我面谈，然后一起商量解决的办法。 另外，感谢校方给予我这样一次机会，能够独立地完成一个课题，并在这个过程当中，给予我们各种方便，使我们在即将离校的最后一段时间里，能够更多学习一些实践应用知识，增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。再一次对我的母校表示感谢。 感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的同学，和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们，在大学生活即将结束的最后的日子里，我们再一次演绎了团结合作的童话，把一个庞大的，从来没有上手的课题，圆满地完成了。正是因为有了你们的帮助，才让我不仅学到了本次课题所涉及的新知识，更 让我感觉到了知识以外的东西，那就是团结的力量。 最后，感谢所有在这次毕业设计中给予过我帮助的人。 对上述朋友，再一次真诚地表示感谢！