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摇臂钻床伺服电动机及速度控制
日期：2009年11月03 来源：沈阳第一机床厂 关键字：摇臂钻床
驱动元件<即伺服电动机)是伺服系统的关键部件，它接受控制系统发来的进给指令信r，并将其转变为角位移或直线位移，以驱动摇臂钻床的进给部件实现所要求的运动。而这种运动要能进、能退，能快、能慢，既精确又灵敏。伺服驱动电动机的性能在很大程度卜影响进给伺服系统的性能。它应满足下列要求。
(])调速范围宽
调速范围指摇臂钻床要求驱动电动机能提供的最高转速和最低转速之比。由于摇臂钻床所使用的刀具、被加厂零件的精度和加工要求的不同，要求进给驱动有足够的调速范围，般摇臂钻床的进给驱动系统的进给速度为1~24rrdmin，即在1：24 000的调速范围内，速度均匀、稳定、无爬行。而当电动机停止运动(零速)时，电动机的电磁转矩能够锁什伺服电动机，以满足定位精度的要求。
(2)精度高电动机运转速度均匀、稳定、无爬行，响应特性要好。启动或升速时要很快达到稳定值(即前沿陡，上升牢人)；停止或减速时能迅速、准确地停下来，这种过渡过程多在200ms以小有的甚至小于几十毫秒。而且要保证传动系统的最末端执行件的最小位移量(或最小设定单位)、定位精度、重复定位精度都在O，OD~O．0001mm范围内。
(3)电动机的负载特性奸 当负载变化时，电动机的输出速度应基本不变。低速运动和加下时，应有足够的负载徘力和过载能力；因为机床是在低速情况下进行重切削，即在低速进给时电动机要有较大献转矩输出，而且还要求电动机在数分钟之内过载4—6倍而不损坏。电动机能承受频繁启动停止和正／反向运动。
(4)电动机的结构简单、制造容易、成本低，使用维修简便由于摇摇臂钻床臂钻床进给伺服系统对驱动电动机的特殊要求，早期只好改进直流电动机，使之转动惯量较小、过载能力较强、换向性能较好、静态特性和动态特性有所改善；随后又进一步最大限度地减少电枢的转动惯量，获得最好的快速特性，出现了小惯量直流电动机，至今在法国的数扦机床上仍有应用。在摇臂钻床的闭环进给伺服系统中，主要采用交／直流伺服电动机，20世纪70~80年代十期以直流伺服电动机为主，到80年代后期交流伺服驱动逐渐形成了主流。步进电动机(主要是功率步进电动机)仪在一些经济型的开环摇臂钻床和旧设备改造上仍有所应用。
1．直流伺服电动机及其工作特性
(1)直流伺服电动机
摇臂钻床直流电动机伺服系统为了达到同时控制速度和位置，一般采用三闭环控制方式。三闭环是指电枢电流闭环、速度闭环和位置闭环，如图4-5所示。电流反馈‘‘般采用取样电阻、霍尔集成电路传感器等。速度反馈一般采用测速发电动机，它与直流伺服电动机：直接连接，一般装在电动机的后面与该电动机做成一体。位置反馈若采用转角位置检测装置则为半闭环，若采用直线位置检测装置则为全闭环。
①直流伺服电动机的分类
直流伺服电动机就其工作原珲来说，虽然摇臂钻床，j普通直流电动机相同，但由于普通直流电动机的转动惯性大、动态特性差、调速范围不宽等—些因素无法满足位置伺服系统的控制要求。因而直流伺服电动机在其结构性能上有较大不同，通常直流伺服电动机按励磁方式不同，可分为磁式和永磁式两种。电磁式采用励磁绕组励磁，而永磁式则采用永久磁铁励磁。按励磁绕组与电枢绕组的连接方式不同，电磁式又分为并励、串励和复励三种形式：按摇臂钻床电动机转子的转动惯量的不同，又有小惯量、中惯量和大惯量之分；按结构不同又分为有槽式、无槽式、印制式、杯式及无刷式等，它们的主要差别是在转子上。 F面分别对它们的结构和性能作一介绍。
⑵．有槽式直流伺服电动机
有槽式直流伺服电动机具有传统的结构形式，这种电动机的转于由薄的硅钢片或电丁钢冲制、叠装而成。各片之间相互绝缘，因此纵向不会有电流流通。摇臂钻床转子的外圆有很多槽，枢绕组绕制在槽中，转子上的槽和轴线有—定的夹角以减小齿和极栅司的齿槽效应产牛的旋转磁场脉动。
这种转子的主要特点是结构牢固(因为电磁转矩不是直接作用在线圈上，而是作用在铁芯上)，但转子转动惯量较大，因此机电的时间常数也较人。
⑶．无槽式直流伺服电动机
无槽式直流伺服电动机通常称做小惯量直流电动机。摇臂钻床它与有槽式电动机的区别在于其转子表面无槽，而是直接将电枢绕组固定在圆筒形铁芯的表面上。这种电动机—般采用永久磁铁励磁。由于铁芯表面有绕组，使转子铁芯与极靴之间的气隙加大，磁通容易泄漏。为了提供足够大的磁通，势必将永久磁铁和电枢的铁芯加长，所以这种电动机呈细长结构。由于电动机的转动惯量与转子直径的平方成正比，因而这种电动机的转动惯量非常小。无槽式自流刚R电动机具有下列特点：
●启动转矩人，转矩／惯量比大；
●转子转动惯量小，电枢自感小，所以机电的时间常数小，仅为首通电动机的1／lo，阅此，动态响应特性好；
●低速时无爬行现象，换向性能良好。
⑷．动圈式直流伺服电动机
动圈式直流伺服电动机是转子不具有铁芯的电动机摇臂钻床。转子结构有杯形、扁平形或直线形结构。t杯形转子直流伺服电动机。这种电动机的转了无铁芯，电枢绕组按一定方式绕制成圆 筒形井同转于上的电枢支架连在一起。由于转子上没有铁芯，所以转动惯量特别小。杯形直流伺服电动机有外磁式和内磁式两种。外磁式是磁铁在杯形绕组的外边，而内 磁式是在里边。外磁式机电时间常数很小，动态响应奸，功率可达几千瓦。内磁式由 于碰钥体积受到限制，转矩较小，输出功率一般只有几十瓦。t扁平形电枢直流伺服电动机。这种电动机的电枢绕组做成扁平形，它又有盘绕形、印制绕组等结构形式。盘绕形电枢是用漆包线绕制而成，并刚环氧树脂黏结成形-印制。 绕组先用铜板冲制然后焊接而成，也有采用铜箔腐蚀而成的。扁平形电枢直流伺服电动机具有中等转动惯量和中等输出功率。总之，动圈式直流伺服电动机是性能良好的直流伺服电动机，具有转矩脉动小、电感小、整流好、启动转矩大等特点。
⑸．无刷直流伺服电动机
无刷直流伺服电动机没有电刷，摇臂钻床避免了电刷磨损、产生火花及引起噪声等缺陷。它的整流靠晶体管之类的半导体开关器件来实现，其结构和一般有刷直流伺服电动机也不同，它的电枢是在定子上，而有刷直流伺服电动机的电枢都是在转子lo无刷直流伺服电动机除了电子开关器件外，还需位置检测元件来检测转子的位置，以控制电子开关换流。它具有单相、两相、三相和四相绕组等。与有刷直流伺服电动机相比，它的寿命长、维修简单，且电动机换向时不必改变端电压极性，而只改变开关器件的开关状态即可。
⑹．宽调速直流伺服电动机
宽调速直流伺服电动机具有较人的转动惯量，摇臂钻床俗称大惯量自流伺服电动机。采用大惯量的目的是为了便于直接与机床大惯量负载相匹配。而前述的小惯量直流伺服电动机，为了实现与机床惯量的匹配，通常需要齿轮减速机构。宽调速岜流伺服电动机内部多数装有测速发电动机，在速度闭环控制系统中使用很方便。宽调速直流电动机分电流檄磁和永久磁铁两类。电流激磁的优点是激磁电流大小易于调整，便于安排补偿绕组和换向器，故换向性能好，可在较宽的速度范围内实现恒转矩控制。永久磁铁的优点是：不需激磁，效率较高，低速时输出力矩较人，尺寸小且温升低。但由于无换向极和补偿绕组，换向性能较差。宽调速直流伺服电动机具有下述优点：，低速性能好，转矩大，可以和机床进给丝杠直接连接，省掉卤轮传动机构，从而减小传动误差；，转子惯量较大，易于和机床匹配， 摇臂钻床，倥负载的影响变小： ，转子热容量人，耐热性能奸，因此过载性能强，允许过载转矩达5—10倍；t机械特性和调速特性的线性度好，低速能输出较大的力矩，因此调速范围宽，电动机运行平稳。
直流电动机的工作原理直蒲问朋冉动朝与啪靖由动舶肿丁肛屈观宕全相同。他激直流电动机转子上的载流导体(即电枢绕组)，在定于磁场中受到电磁转矩M的作用，使电动机转子旋转。
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