第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
一、概述
（一）伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分類
按控制對(duì)象和使用目的
進(jìn)給伺服系統(tǒng)；主軸伺服系統(tǒng)；輔助伺服系統(tǒng)
按伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)理論
開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)?！ ?BR> 按驅(qū)動(dòng)部件的動(dòng)作原理
電液控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)，其中，電氣控制系統(tǒng)分為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
按反饋比較控制方式
脈沖比較、相位比較、幅值比較和全數(shù)字等伺服系統(tǒng)?！ ?BR> （二）數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求
對(duì)進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求：高精度；快速響應(yīng)，無超調(diào)；調(diào)速范圍寬；低速大轉(zhuǎn)矩；可靠性高。
對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求：保持恒功率輸出；主軸驅(qū)動(dòng)與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)實(shí)行同步控制；恒線速切削功能；高精度的停位控制功能；具有角度的控制功能。
二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
優(yōu)點(diǎn)：精確（體現(xiàn)在三個(gè)方面）；缺點(diǎn)：過載差。
1.反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
齒距角：相鄰兩齒所對(duì)應(yīng)的空間角度：
步距角：
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速：
2.永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
由于在磁路中含有永久磁鋼，永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子繞組斷電后，仍有一定的定位轉(zhuǎn)矩。
3.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)有：步距精度、靜轉(zhuǎn)距、起動(dòng)頻率、連續(xù)運(yùn)行頻率。
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三、直流伺服電動(dòng)機(jī)及其速度控制
（一）直流伺服電動(dòng)機(jī)
1.直流主軸電動(dòng)機(jī)。直流主軸電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與普遍直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同。
不同點(diǎn)：在主磁極上有補(bǔ)償繞組；采用軸向強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻或熱管冷卻；尾部有測(cè)速反饋元件（主要是測(cè)速發(fā)電機(jī)）。
在基本速度nj以下為恒轉(zhuǎn)矩范圍，在基本速度nj以上為恒功率范圍。通常恒轉(zhuǎn)矩速度范圍與恒功率速度范圍之比為1:2?！ ?BR> 2.進(jìn)給直流伺服電動(dòng)機(jī)
永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)本體和檢測(cè)部件組成。永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的定子磁極是一個(gè)永磁體。
永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子分為小慣量型和普通型兩類。
小慣量型轉(zhuǎn)子又可分無槽轉(zhuǎn)子、空心杯形轉(zhuǎn)子和印刷繞組轉(zhuǎn)子。
伺服電動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域被溫度極限線、轉(zhuǎn)速極限線、換向極限線、轉(zhuǎn)矩極限線以及瞬時(shí)換向極限線劃分成三個(gè)區(qū)域?！ ?BR> （二）直流伺服電動(dòng)機(jī)的速度控制方法
1.直流主軸電動(dòng)機(jī)的速度控制方法
直流主軸電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)為雙域調(diào)速系統(tǒng)，由轉(zhuǎn)子繞組控制回路和磁場(chǎng)控制回路兩部分組成。
在轉(zhuǎn)子繞組控制回路中，通過改變轉(zhuǎn)子繞組電壓（即外加電壓）調(diào)速，適于基本速度以下的恒轉(zhuǎn)矩范圍。
在磁場(chǎng)控制回路中，通過改變勵(lì)磁電流If調(diào)速，適于基本速度以上的恒功率范圍。
2.永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的速度控制。
常采用的調(diào)速系統(tǒng)有兩種，即晶閘管調(diào)速系統(tǒng)和晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)。
四、交流伺服電動(dòng)及其速度控制
（一）交流伺服電動(dòng)機(jī)
1.交流主軸電動(dòng)機(jī)
特點(diǎn)：
（1）沒有外殼
（2）軸向通風(fēng)孔。
（3）轉(zhuǎn)子做成細(xì)長(zhǎng)型。
（4）尾部都同軸安裝有脈沖發(fā)生器（或脈沖編碼器）。
（5）外形多邊形
2.永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)。主要由定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)部件三部分組成：
轉(zhuǎn)子是永久磁鐵。
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為：
交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性要比直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性更硬，其直線更接近水平線?！ ?BR> （二）交流伺服電動(dòng)機(jī)的速度控制方法
1.交流主軸電動(dòng)機(jī)的速度控制
廣泛采用矢量控制調(diào)速。
2.永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的速度控制
由同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算公式可知，可以通過改變電源頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速的要求。改變頻率可以采用交—直—交變頻器或交—交變頻器。
一、概述
（一）伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分類
按控制對(duì)象和使用目的
進(jìn)給伺服系統(tǒng)；主軸伺服系統(tǒng)；輔助伺服系統(tǒng)
按伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)理論
開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)?！ ?BR> 按驅(qū)動(dòng)部件的動(dòng)作原理
電液控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)，其中，電氣控制系統(tǒng)分為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
按反饋比較控制方式
脈沖比較、相位比較、幅值比較和全數(shù)字等伺服系統(tǒng)?！ ?BR> （二）數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求
對(duì)進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求：高精度；快速響應(yīng)，無超調(diào)；調(diào)速范圍寬；低速大轉(zhuǎn)矩；可靠性高。
對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求：保持恒功率輸出；主軸驅(qū)動(dòng)與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)實(shí)行同步控制；恒線速切削功能；高精度的停位控制功能；具有角度的控制功能。
二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
優(yōu)點(diǎn)：精確（體現(xiàn)在三個(gè)方面）；缺點(diǎn)：過載差。
1.反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
齒距角：相鄰兩齒所對(duì)應(yīng)的空間角度：
步距角：
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速：
2.永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
由于在磁路中含有永久磁鋼，永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子繞組斷電后，仍有一定的定位轉(zhuǎn)矩。
3.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)有：步距精度、靜轉(zhuǎn)距、起動(dòng)頻率、連續(xù)運(yùn)行頻率。
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三、直流伺服電動(dòng)機(jī)及其速度控制
（一）直流伺服電動(dòng)機(jī)
1.直流主軸電動(dòng)機(jī)。直流主軸電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與普遍直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同。
不同點(diǎn)：在主磁極上有補(bǔ)償繞組；采用軸向強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻或熱管冷卻；尾部有測(cè)速反饋元件（主要是測(cè)速發(fā)電機(jī)）。
在基本速度nj以下為恒轉(zhuǎn)矩范圍，在基本速度nj以上為恒功率范圍。通常恒轉(zhuǎn)矩速度范圍與恒功率速度范圍之比為1:2?！ ?BR> 2.進(jìn)給直流伺服電動(dòng)機(jī)
永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)本體和檢測(cè)部件組成。永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的定子磁極是一個(gè)永磁體。
永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子分為小慣量型和普通型兩類。
小慣量型轉(zhuǎn)子又可分無槽轉(zhuǎn)子、空心杯形轉(zhuǎn)子和印刷繞組轉(zhuǎn)子。
伺服電動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域被溫度極限線、轉(zhuǎn)速極限線、換向極限線、轉(zhuǎn)矩極限線以及瞬時(shí)換向極限線劃分成三個(gè)區(qū)域?！ ?BR> （二）直流伺服電動(dòng)機(jī)的速度控制方法
1.直流主軸電動(dòng)機(jī)的速度控制方法
直流主軸電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)為雙域調(diào)速系統(tǒng)，由轉(zhuǎn)子繞組控制回路和磁場(chǎng)控制回路兩部分組成。
在轉(zhuǎn)子繞組控制回路中，通過改變轉(zhuǎn)子繞組電壓（即外加電壓）調(diào)速，適于基本速度以下的恒轉(zhuǎn)矩范圍。
在磁場(chǎng)控制回路中，通過改變勵(lì)磁電流If調(diào)速，適于基本速度以上的恒功率范圍。
2.永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的速度控制。
常采用的調(diào)速系統(tǒng)有兩種，即晶閘管調(diào)速系統(tǒng)和晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)。
四、交流伺服電動(dòng)及其速度控制
（一）交流伺服電動(dòng)機(jī)
1.交流主軸電動(dòng)機(jī)
特點(diǎn)：
（1）沒有外殼
（2）軸向通風(fēng)孔。
（3）轉(zhuǎn)子做成細(xì)長(zhǎng)型。
（4）尾部都同軸安裝有脈沖發(fā)生器（或脈沖編碼器）。
（5）外形多邊形
2.永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)。主要由定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)部件三部分組成：
轉(zhuǎn)子是永久磁鐵。
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為：
交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性要比直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性更硬，其直線更接近水平線?！ ?BR> （二）交流伺服電動(dòng)機(jī)的速度控制方法
1.交流主軸電動(dòng)機(jī)的速度控制
廣泛采用矢量控制調(diào)速。
2.永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的速度控制
由同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算公式可知，可以通過改變電源頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速的要求。改變頻率可以采用交—直—交變頻器或交—交變頻器。