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第六章 数控机床的伺服系统控制
6.1步进电动机及其驱动装置的认知及使用实训
1．实训目的
（1）认识步进电动机及其驱动装置
（2）学会步进电动机及其驱动装置的接线和设置
（3）学会掌握工作台的位移量、速度和运动方向的控制方法
2．实训内容
（1）Kinco三相步进电动机3S57Q-04056的认识及接线
为了进一步减少步距角，步进电动机可采用定子磁极带有小齿，转子齿数很多的结构，这样结构的步进电动机，其步距角可以做得很小。实际的步进电动机产品，都采用这种方法实现步距角的细分。Kinco三相步进电动机3S57Q-04056的步距角是在整步方式下为1.8°，半步方式下为0.9°，其部分技术参数如表所示。
参数名称 步距角 相电流（A） 保持扭矩 阻尼扭矩 电动机惯量
参数值 1.8° 5.8A 1.0Nm 0.04Nm 0.3kg.cm2
3S57Q-04056部分技术参数
步进电动机的使用，一是要注意正确的安装，二是正确的接线。
安装步进电动机，必须严格按照产品说明的要求进行。步进电动机是一精密装置，安装时注意不要敲打它的轴端，更千万不要拆卸电动机。
不同的步进电动机的接线有所不同，3S57Q-04056接线图如图所示，三个相绕组的六根引出线，必须按头尾相连的原则连接成三角形。改变绕组的通电顺序就能改变步进电动机的转动方向。
（2）步进电动机的驱动装置的认识、接线及参数设置
步进电动机需要专门的驱动装置（驱动器）供电。一般来说，每一台步进电动机大都有其对应的驱动器。Kinco三相步进电动机3S57Q-04056与之配套的驱动器是Kinco 3M458三相步进电动机驱动器。Kinco 3M458三相步进电动机驱动器的外观图、典型接线图如图所示。驱动器可采用24V~40V直流电源供电。该电源由开关稳压电源（DC24V 8A）供给。输出相电流为3.0A~5.8A，输出相电流通过拨动开关设定；驱动器采用自然风冷的冷却方式；控制信号输入电流为6~20mA，控制信号的输入电路采用光耦隔离。控制信号由控制器（如PLC）输出供给，输出公共端Vcc使用的是DC24V电压，所使用的限流电阻R1为2KΩ。
Kinco 3M458外观
Kinco 3M458的典型接线图
脉冲放大器是进行脉冲功率放大。因为从脉冲分配器能够输出的电流很小（毫安级），而步进电动机工作时需要的电流较大，因此需要进行功率放大。此外，输出的脉冲波形、幅度、波形前沿陡度等因素对步进电动机运行性能有重要的影响。3M458驱动器采取如下一些措施，大大改善了步进电动机运行性能：
1）内部驱动直流电压达40V，能提供更好的高速性能。
2）具有电动机静态锁紧状态下的自动半流功能，可大大降低电动机的发热。
而为调试方便，驱动器还有一对脱机信号输入线FREE+和FREE-，当这一信号为ON时，驱动器将断开输入到步进电动机的电源回路。若不使用这一信号，步进电动机在上电后，即使静止时也保持自动半流的锁紧状态。
3）3M458 驱动器采用交流伺服驱动原理，把直流电压通过脉宽调制技术变为三路阶梯式正弦波形电流，如下图所示。
相位差120°的三相阶梯式正弦电流
阶梯式正弦波形电流按固定时序分别流过三路绕组，其每个阶梯对应电动机转动一步。通过改变驱动器输出正弦电流的频率来改变电动机转速，而输出的阶梯数确定了每步转过的角度，当角度越小的时候，那么其阶梯数就越多，即细分就越大，从理论上说此角度可以设得足够的小，所以细分数可以是很大。3M458最高可达10000步/转的驱动细分功能，细分可以通过拨动开关设定。
细分驱动方式不仅可以减小步进电动机的步距角，提高分辨率，而且可以减少或消除低频振动，使电动机运行更加平稳均匀。
在3M458 驱动器的侧面连接端子中间有一个红色的八位DIP功能设定开关，可以用来设定驱动器的工作方式和工作参数，包括细分设置、静态电流设置和运行电流设置。
3M458 DIP开关功能划分说明
DIP1 DIP2 DIP3 细分
ON ON ON 400步/转
ON ON OFF 500步/转
ON OFF ON 600步/转
ON OFF OFF 1000步/转
OFF ON ON 2000步/转
OFF ON OFF 4000步/转
OFF OFF ON 5000步/转
OFF OFF OFF 10000步/转
细分设置表
DIP5 DIP6 DIP7 DIP8 输出电流
OFF OFF OFF OFF 3.0A
OFF OFF OFF ON 4.0A
OFF OFF ON ON 4.6A
OFF ON ON ON 5.2A
ON ON ON ON 5.8A
输出电流设置表
3S57Q-04056步进电动机步距角为1.8度，即在无细分的条件下200个脉冲电动机转一圈。
通过驱动器DIP开关设置细分精度最高可以达到10000个脉冲电动机转一圈。
如由步进电动机带动工作台移动，直线运动组件的同步轮齿距为5mm，共12个齿，旋转一周位移60mm，则工作台每步位移0.006mm；电动机驱动电流设为5.2A；静态锁定方式为静态半流。
此时应如何设置DIP功能设定开关？
（3）使用步进电动机应注意的问题
控制步进电动机运行时，应注意考虑在防止步进电动机运行中失步的问题。
步进电动机失步包括丢步和越步。
丢步时，转子前进的步数小于脉冲数；
越步时，转子前进的步数多于脉冲数。
丢步严重时，将使转子停留在一个位置上或围绕一个位置振动；
越步严重时，设备将发生过冲。
6.2 交流伺服系统
6.2.1数控机床用交流电动机
在交流伺服系统中，按电动机种类可分为同步型和异步型（感应电动机）两种。
数控机床进给伺服系统中多采用永磁式同步电动机，同步电动机的转速由供电频率所决定的，即在电源电压和频率固定不变时，它的转速是稳定不变的。由变频电源供电给同步电动机时，能方便地获得与频率成正比的可变速度，可以得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。
交流主轴电动机多采用交流异步电动机，很少采用永磁同步电动机，主要因为永磁同步电动机的容量不大，且电动机成本较高。另外主轴驱动系统不像进给系统那样要求很高的性能，调速范围也不要太大。因此，采用异步电动机完全可以满足数控机床主轴的要求，笼型异步电动机多用在主轴驱动系统中。
6.2.2交流电动机的速度控制
1．交流感应电动机矢量控制原理
在伺服系统中，直流伺服电动机能获得优良的动态与静态性能，其根本原因是被控制量只有电动机磁场Φ和电枢电流Ia，且这两个量是独立的。此外，电磁转矩（TM=KTΦIa）与磁通Φ和电枢电流Ia分别成正比关系。因此，控制简单，性能为线性。如果能够模拟直流电动机，求出交流电动机与之对应的磁场与电枢电流，分别而独立地加以控制，就会使交流电动机具有与直流电动机近似的优良特性。为此，必须将三相交变量（矢量）转换为与之等效的直流量（标量），建立起交流电动机的等效模型，然后按直流电动机的控制方法对其进行控制。
图a所示三相异步交流电动机在空间上产生一个角速度为ω0的旋转磁场Φ。如果用图b中的两套空间相差90 的绕组α和β来代替，并通以两相在时间上相差90 的交流电流，使其也产生角速度为ω0的旋转磁场Φ，则可以认为图a和图b中的两套绕组是等效的。若给图c所示模型上两个互相垂直绕组d和q，分别通以直流电流id和iq，则将产生位置固定的磁场Φ，如果再使绕组以角速度ω0旋转，则所建立的磁场也是旋转磁场，其幅值和转速也与图a一样。
（a）
（b）
（c）
（a）
（b）
（c）
这种变换是将三相交流电动机变为等效的二相交流电动机。图a所示的三相异步电动机的定子三相绕组，彼此相差120 空间角度，当通以三相平衡交流电流时，在定子上产生以同步角速度旋转的磁场矢量Φ。三相绕组的作用，完全可以用在空间上互相垂直的两个静止的α、β绕组代替，并通以两相在时间上相差90 的交流平衡电流iα和iβ，使其产生的旋转磁场的幅值和角速度也分别φ和ω0，则可以认为图a、b中的两套绕组是等效的。
应用三相/二相的数学变换公式，将其化为二相交流绕组的等效交流磁场。则产生的空间旋转磁场与三相A、B、C绕组产生的旋转磁场一致。令三相绕组中的A相绕组的轴线与α坐标轴重合，见图a。
除磁势的变换外，变换中用到的其它物理量，只要是三相平衡量与二相平衡量，则转换方式相同。这样就将三相电动机转换为二相电动机。
三相磁动势的变换
2. 矢量旋转变换
将三相电动机转化为二相电动机后，还需将二相交流电动机变换为等效的直流电动机，见图c。若设图c中d为激磁绕组，通以激磁电流id，q为电枢绕组，通以电枢电流iq，则产生固定幅度的磁场Φ，在定子上以角速度ω0旋转。这样就可看成是直流电动机了。将二相交流电动机转化为直流电动机的变换，实质就是矢量向标量的转换，是静止的直角坐标系向旋转的直角坐标系之间的转换。
（a）
（a）
（b）
（c）
3. 直角坐标与极坐标的变换
矢量控制中，还要用到直角坐标系与极坐标系的变换。如图b中，由id和iq求il，其公式为
采用矢量变换的感应电动机具有和直流电动机相同的控制特点，而且结构简单、可靠，电动机容量不受限制，与同等直流电动机相比机械惯量小。
4．交流电动机的变频调速
PWM变频器的主电路原理图
脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）变频器的主电路。它由担任交-直变换的二极管整流器和担任直-交变换、同时完成调频和调压任务的脉冲宽度调制逆变器组成。图中续流二极管VD1~VD6，为负载的滞后电流提供一条反馈到电源的通路，逆变管（全控式功率开关器件）VT1~VT6组成逆变桥，A、B、C为逆变桥的输出端。电容器Cd的功能是滤平全波整流后的电压波纹；当负载变化时，使直流电压保持平稳。
交流电动机变频调速系统中的关键部件之一就是逆变器，由于调速的要求，逆变器必须具有频率连续可调、以及输出电压连续可调，并与频率保持一定比例关系等功能。
图a所示为逆变管的工作情况，图中阴影部分为各逆变管的导通时间，其余为关断状态。逆变桥输出的线电压波形如图b所示，由图可见，各相之间的相位互差120 ，它们的幅值都与直流电压相等。
a)各逆变管的通断安排
b)三相逆变桥的输出电压
只要按照一定的规律来控制逆变管的导通与截止，就可以把直流电逆变成三相交流电。改变逆变管导通和关断时间，即可得到不同的输出频率。
利用脉冲宽度调制逆变器可实现既变频也变压。如图所示，因电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，改变输出电压脉冲的占空比，就能同时实现变频和变压。与图a相比，图b所示电压周期增大（频率降低），而占空比减小，故平均电压降低。
采用PWM方法控制逆变管的通、断时，可获得一组幅值相等、宽度相同的矩形脉冲，改变矩形脉冲的宽度可控制其输出电压，改变调制周期可控制其输出频率，同时实现变压和变频。因输出电压波形为矩形波，具有许多高次谐波成分。对电动机来说，有用的是电压的基波。为了减少谐波影响，提高电动机的运行性能，应采用对称的三相正弦波电源为三相交流电动机供电。正弦波脉宽调制型逆变器（SPWM）的输出端可获一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形，来近似等效于正弦电压波。
用SPWM脉宽调制波形，当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲的间隔则最小。反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大大减少。
用正弦波（调制波）控制，三角波（载波）调制的采用模拟电路元件实现SPWM（正弦波脉宽调制）控制的变频器的工作原理。
如图所示，首先由模拟元件构成的三角波和正弦波发生器分别产生三角波信号VT和正弦波信号VS，然后送入电压比较器A，产生SPWM调制的矩形脉冲。
下图a所示的数字位置为这二种波形交点，决定了逆变器某相元件的通断时间（在此为A相），即决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲间的间隔宽度。当正弦波高于三角波时，使负载上得到的相电压为uA=+Ud/2；当正弦波低于三角波时，负载上的相电压为uA=-Ud/2；调制波和载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，调制出脉宽波形如图b。由相电压合成为线电压时，如uAB=uA-uB，可得逆变器输出线电压脉冲系列，其脉冲幅值为+Ud和-Ud。
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