1、第六章第六章 PC数控的零传动驱动系统数控的零传动驱动系统 6 6- -1 1 概述概述 6 6- -2 2 直流直流直线电机直线电机进给驱动系统进给驱动系统 6 6- -3 3 交流异步交流异步直线电机直线电机进给驱动系统进给驱动系统 6 6- -4 4 永磁同步永磁同步直线电机直线电机进给驱动系统进给驱动系统 6 6- -5 5 交流异步电主轴系统交流异步电主轴系统 6 6- -6 6 永磁同步电主轴系统永磁同步电主轴系统 6 6- -7 7 数控转台与摆头的零传动驱动系统数控转台与摆头的零传动驱动系统 6 6- -1 1 直驱系统的背景直驱系统的背景 数控技术发展对驱动系统的新要求：数控技术发展对驱动系统的新要求： 高速度高速度 高加速度高加速度 高精度（重复定位）高精度（重复定位）precision, repeatability 高可靠性，易维护（磨损元件少）高可靠性，易维护（磨损元件少） 合理成本合理成本 3 准确度、重复度和分辨率准确度、重复度和分辨率 滚珠丝杠驱动系统主要问题：滚珠丝杠驱动系统主要问题： 刚度低刚度低、惯量大惯量大，不适合高速驱动不适合高速驱动 非线性非线
2、性（回滞回滞）严重严重，不易实现反馈控制不易实现反馈控制 传动误差较大传动误差较大（间隙间隙），影响加工精度影响加工精度 机械传动链结构复杂机械传动链结构复杂 机械摩擦机械摩擦 - - 噪声大噪声大 摩擦损耗摩擦损耗 - - 传动效率低传动效率低 6 6- -1 1 直驱系统的背景（续）直驱系统的背景（续） 直线进给驱动方面直线进给驱动方面，采用直线伺服电机构成高速采用直线伺服电机构成高速 高精度进给系统高精度进给系统，取消传统的以滚珠丝杠螺母为取消传统的以滚珠丝杠螺母为 核心构成的机械传动链核心构成的机械传动链，实现数控机床直线运动实现数控机床直线运动 部件的直接驱动部件的直接驱动。 在旋转进给驱动方面在旋转进给驱动方面，采用环形伺服电机采用环形伺服电机、高精高精 度角位移检测装置构成高精度全闭环伺服系统度角位移检测装置构成高精度全闭环伺服系统， 取消传统的以蜗轮取消传统的以蜗轮- -蜗杆等构成的机械传动链蜗杆等构成的机械传动链，实实 现数控机床旋转进给部件的直接驱动现数控机床旋转进给部件的直接驱动。 解决问题的途径解决问题的途径 主轴驱动方面：采用大功率高转速驱动电机与主轴驱动方面
3、：采用大功率高转速驱动电机与 高精度机床主轴合二为一的电主轴系统高精度机床主轴合二为一的电主轴系统，取消取消 传统的以皮带传统的以皮带、齿轮变速箱等构成的机械传动齿轮变速箱等构成的机械传动 装置装置，实现数控机床主轴的直接驱动实现数控机床主轴的直接驱动。 解决问题的途径解决问题的途径（续续） 对于直线进给驱动对于直线进给驱动，解决上述问题的有效途径解决上述问题的有效途径： 研发研发直线电机构成的高速构成的高速、高精度进给系统高精度进给系统，消除消除 以以滚珠丝杠螺母副为核心的机械传动链为核心的机械传动链，实现数控实现数控 机床直线运动部件的直驱机床直线运动部件的直驱。 以下将围绕直线进给直驱的相关理论和设计方法以下将围绕直线进给直驱的相关理论和设计方法 进行介绍进行介绍（如何实现直驱）。 6 6- -1 1 直驱系统背景（续）直驱系统背景（续） 直流直线电机的结构与工作原理直流直线电机的结构与工作原理 直流直线电机的电磁力控制直流直线电机的电磁力控制 直流直线电机的速度与位置控制直流直线电机的速度与位置控制 直流直线电机驱动系统的优缺点直流直线电机驱动系统的优缺点 直流直线电机驱动系统
4、的应用直流直线电机驱动系统的应用 6 6- -2 2 直流直线电机进给驱动系统直流直线电机进给驱动系统 6 6. .2 2. .1 1 直流直线电机的结构与工作原理直流直线电机的结构与工作原理 a)a)将转子、定子及气隙延径将转子、定子及气隙延径 向抛开向抛开 定子定子 动子动子 直线电机的基本结构：由旋转到直线的演变直线电机的基本结构：由旋转到直线的演变 b)b)把圆周展为直线把圆周展为直线 直流直线电机的结构直流直线电机的结构 N 动子 定子 N F S S V 定子：永磁铁定子：永磁铁 动子：硅钢片等导磁材料，嵌入绕组动子：硅钢片等导磁材料，嵌入绕组 电枢绕组 直流直线电机的基本结构直流直线电机的基本结构 直流直线电机的工作原理直流直线电机的工作原理 N 动子 定子 N F S S V 电枢绕组 在行程范围，永磁铁磁场均匀，线圈通如图所示的直流在行程范围，永磁铁磁场均匀，线圈通如图所示的直流 电，电磁力可由左手定则确认。手掌对电，电磁力可由左手定则确认。手掌对B B，四指电流，拇，四指电流，拇 指电磁力。指电磁力。 改变电流方向改变电流方向，即可改变电磁力方向。即可改变电磁力方向
5、。 定子动子互换如何？定子动子互换如何？ 直流直线电机的电磁力直流直线电机的电磁力 最大特点：最大特点：电磁力常数电磁力常数 Kf= BlN（材料材料, ,长度和主磁长度和主磁 通通），电磁力正比于动子绕组电流电磁力正比于动子绕组电流 i，控制控制 i 即即可以可以 控制电磁力控制电磁力。 以电流以电流 i 作为被控量构成闭环控制系统作为被控量构成闭环控制系统，即可实现即可实现 对直流直线电机电磁力的快速精确控制对直流直线电机电磁力的快速精确控制，从而使基从而使基 于直流直线电机的直驱进给系统具有高动态和稳态于直流直线电机的直驱进给系统具有高动态和稳态 性能性能。 若若B B不是常数？不是常数？ 电磁力：电磁力：fd = BlNi(1)(1) 6 6. .2 2. .2 2 直线直流电机驱动的电磁力控制直线直流电机驱动的电磁力控制 实现高性能进给驱动控制的基础实现高性能进给驱动控制的基础 直线电机控制目标是实现直线电机控制目标是实现动子位置动子位置的动态和稳态高性能的动态和稳态高性能， 必须通过必须通过位置闭环位置闭环快速消除位置偏差快速消除位置偏差 对于机电系统对于机电系统，要求不仅
6、对速度要求不仅对速度，而且要对加速度进行快而且要对加速度进行快 速精确控制速精确控制，即即驱动力驱动力进行快速精确控制进行快速精确控制 电磁力控制成为直线电机驱动控制中的基本问题电磁力控制成为直线电机驱动控制中的基本问题，只有实只有实 现对电磁力的有效控制现对电磁力的有效控制，才可能对电机速度和位置进行高才可能对电机速度和位置进行高 精度闭环控制精度闭环控制，从而使基于直线电机的进给系统达到高动从而使基于直线电机的进给系统达到高动 态与稳态性能态与稳态性能 电压平衡方程：电机输入端，电枢回路电机输入端，电枢回路 )()( )( )(tetRi dt tdi Ltu )()( )( 2 2 tftf dt txd M zd 力平衡方程：电机输出端，电机动子电机输出端，电机动子 直流直线电机的动力学模型直流直线电机的动力学模型 其中其中 fz阻力，阻力，M 运动质量运动质量 对以上三式进行拉氏变换对以上三式进行拉氏变换 )( 1 )()(sI RLs sEsU )( 1 )()(sV Ms sFsF zd ef f m KKMsRLs K sU sV sG )()( )( )( ),()(
7、sIKsF fd )()(sVKsE e 直流直线电机（直流直线电机（从端电压到速度从端电压到速度）传递函数）传递函数 直流直线电机的数学模型直流直线电机的数学模型（续续） （1） （2） （3） 实实际由功率放大器对动子绕组供电际由功率放大器对动子绕组供电，电流控制器电流控制器 根据电流误差控制占空比根据电流误差控制占空比（如如PWMPWM方式方式），实际控实际控 制绕组端电压制绕组端电压，从而实现对绕组电流的控制从而实现对绕组电流的控制。 直流直线电机电流控制系统的实现直流直线电机电流控制系统的实现 U(s) 放大器 电流 反馈 直 流 直线电机 电 流 控制器 电 流 检 测 电流 指令 + _ 电机 出力 直流直线电机电流控制系统动态结构直流直线电机电流控制系统动态结构 )()()( )()( )( )( )( * sGsGRLs sGsG sI sI sG sic sic i )(sFd )(sGic)(sGs )(sU )(sI Ms 1 )(sFz)(sE f K RLs 1 + _ + _ e K )(sV +_ )( * sI 考虑功率放大器和电流控制器考虑功率放大器
8、和电流控制器 （忽略电势反馈的影响），电流控制系统传递函数（忽略电势反馈的影响），电流控制系统传递函数 6.2.3 6.2.3 直流直线电机的速度与位置控制直流直线电机的速度与位置控制 在实现电磁力控制基础上在实现电磁力控制基础上，可进而实现速度可进而实现速度- -位置位置 的闭环控制的闭环控制，其系统总体结构如下：其系统总体结构如下： 位置位置 调节调节 位置指令位置指令X* X 速度设定速度设定V* V 速度速度 调节调节 电流电流 控制环控制环 直流直直流直 线电机线电机 速度速度 检测检测 位置检测位置检测 （光栅尺光栅尺） 外界扰动外界扰动 - - - 实际位置实际位置X X 速度速度环设计环设计 设计方法：设计方法：将电流控制系统等效为一个环节将电流控制系统等效为一个环节（传递函传递函 数为数为 Gi(s) ），构成速度控制系统动态结构构成速度控制系统动态结构，据此综据此综 合设计速度控制器传递函数合设计速度控制器传递函数 Gvc(s)。 )(sI Ms 1 )(sFd )(sFz f K +_+ _ )(sGvc )(sV)( * sV)( * sI )(sGi 位置位置
9、环设计环设计 )(sV s K + _ )(sGpc )(sP)( * sP)( * sV )(sGv )(sH p 设计方法：设计方法：将速度控制系统等效为一个传递函数将速度控制系统等效为一个传递函数 为为Gv(s)的环节的环节，构成位置控制系统动态结构构成位置控制系统动态结构，据据 此综合位置控制器传递函数此综合位置控制器传递函数Gpc(s)。 三环控制策略三环控制策略 在高性能直线电机伺服系统中通常采用具有电在高性能直线电机伺服系统中通常采用具有电 流流、速度速度、位置调节的三闭环结构形式位置调节的三闭环结构形式，每个每个 环节都有自己的控制对象环节都有自己的控制对象，分工明确分工明确，易于调易于调 整整。 内环是电流环内环是电流环，作用是提高系统的快速性；抑作用是提高系统的快速性；抑 制电流内部的干扰制电流内部的干扰，如电网电压波动等；如干如电网电压波动等；如干 扰作用在电流环内扰作用在电流环内，则电流环能及时调节则电流环能及时调节，以以 减少转速变化减少转速变化，不会对速度环和位置环产生干不会对速度环和位置环产生干 扰扰。 三环控制策略（续）三环控制策略（续） 中间环是中间环是速度环速度环，其输出是电流环的设定其输出是电流环的设定。速度速度 调节器的主要是保证系统具有良好的跟踪性和抗调节器的主要是保证系统具有良好的跟踪性和抗 干扰性能干扰性能。其干扰主要来自负载的扰动其干扰主要来自负载的扰动。良好的良好的 抗干扰性应保证在负载有波动时抗干扰性应保证在负载有波动时，电机速度变化电机速度变化 要小要小，速度恢复要快速度恢复要快。 最外环是最外环是位置环位置环，其环内部输出是速度环的设定其环内部输出是速度环的设定 ，次模式下系统进行了所有次模式下系统进行了所有3 3环的运算环的运算，此时系此时系 统的统的运算量最大运算量最大，动态响应速度也最慢动态响应速度也最慢。其
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