直線電機直接驅動技術

直線電機直接驅動技術

摘要 以高效率和高精度為基本特征的高速加工技術促進了直線電機直接驅動技術在高速加工中心中的應用。本文在分析了高速加工與直線電機的關系，以及國內外的直線電機及其伺服控制技術的發展狀況，提出了直線電機及其全數字化直接驅動伺服控制器的設計方法。關鍵詞 直線電機 高速加工 伺服控制 1. 高速加工與直線電機 以高效率和高精度為基本特征的高速加工技術，近十多年來迅速崛起，并成為當今制造業不可回避的先進制造技術之一，傳統制造業發達國家已經把高速加工看成是推動經濟發展的一項新技術。自20世紀90年代以來，一批又一批的高速機床開始投放國際市場，并成功地應運于汽車工業、航空航天工業、復雜曲面加工以及難加工材料的加工等領域，這標志著高速加工已進入工業實用化階段，并將給世界機床工業帶來巨大的推動和沖擊[12]。 為實現高速加工，除要求高速加工機床必須具有適宜高速加工的主軸部件，動、靜、熱剛度好的機床支撐部件，高剛度、高精度的刀柄和快速換刀裝置，以及高壓大流量的噴射冷卻系統和安全裝置等之外對高速機床的進給系統也提出了更高的要求即: 1.高進給速度，最大進給速度達到60～200m/min。 2.高加速度，最大加速度應達到1～10g。 3.高精度。 對此由“旋轉伺服電機＋滾珠絲杠”構成的傳統直線運動進給方式已很難適應這樣的高要求。在解決上述難題的過程中，一種嶄新的傳動方式應運而生了，這就是直線電機直接驅動系統。由于它取消了從電機到工作臺之間的一切中間傳動環節，把機床進給傳動鏈的長度縮短為零，因此這種傳動方式被稱作“直接驅動”(Dricet Drive)國內也有人稱之為“零驅動” [2]。其優點是： 1.速度高，可達60～200m/min; 2.慣性小，加速度特性好，可達1～2g易于高速精定位； 3.無中間傳動環節，不存在摩擦磨損、反向間隙等問題，可靠性高，壽命長； 4.剛性好，動態特性好； 5.行程長度不受限制，并可在一個行程全長上安裝使用多個工作臺。 世界上第一臺在展覽會上展出的，采用直線電機直接驅動系統的高速加工中心是1993年9月德國Ex-Cell-O公司于漢諾威歐洲機床博覽會上推出的XHC 240型加工中心采用德國Indramat公司的感應式直線電機各軸的快速移動速度高達80m/min加速度高達1g[3]。 美國Ingersoll公司也早在1985年就開始與Ford公司合作研制超高速加工中心，在研制出采用美國Anorad公司永磁式直線電機的“高速模塊”HVM800型臥式加工中心之后，1996年初又推出了HVM600高速模塊，最大進給速度76m/min，加速度1g(z軸1.5g)，定位精度0.005mm，重復定位精度0.0025mm[4]。 2. 直線電機技術發展狀況 從近年來國際上的發展狀況來看，直線電機技術主要掌握在少數直線電機和伺服控制裝置制造商手中，而科研機構和大學的參與則相對較少。 美國Anorad公司是國際上最大的直線電機供應商之一，從80年代初開始自行研制直線電機，主導產品是正弦波永磁交流直線電機和方波無刷直流直線電機，已在Ingersoll公司的高速加工中心HVM800和HVM600上獲得成功應用[4]。 德國Indramat公司是目前唯一能夠同時提供感應式直線電機和永磁直線電機的直線電機制造商。其感應式直線電機已成功地應用于德國Ex-Cell-O公司的XHC 240型臥式高速加工中心[3]。國內的發展情況有所不同，從總體上講，直線電機的研究和應用尚處于起步階段，因此研究仍主要在幾所大學和研究機構中進行。 廣東工業大學研制的高速進給單元中采用了感應式直線電機[2]。 清華大學繼研制出音圈式直流直線電機后[5]，已開始研制長行程永磁交流直線電機[6]。沈陽工業大學則已研制出推力為100N的永磁交流直線伺服電機樣機[7]。 3. 直線電機伺服控制技術的發展狀況 直線伺服電機和旋轉伺服電機相比，伺服控制的難度大，要求高。主要表現為以下幾方面： 1.直線電機伺服驅動是直接驅動。 2.位置環增益高。 3.進給速度、加速度高。 4.直線電機存在端部效應。 為解決直接驅動直線電機的伺服控制問題，人們作出了許多努力。 美國Anorad公司和德國Siemens公司合作，采用Siemens公司的SINUMERIK 840D CNC系統和SIMODRIVE 611D交流伺服系統來驅動Anorad公司的LFB-S-6型永磁直線電機，為此，他們專門定義了CNC和伺服系統與直線電機的性能和接口特性[8]。 德國Indramat公司在其數字化智能直線電機伺服驅動器中引進了先進的國際化、開放式SERCOS(Serial Real-time Communication System)接口標準，使得位置閉環控制在驅動器內部完成[9]。 清華大學采用基于重復控制的非線性PID控制方法，獲得了更高的位置伺服精度和魯棒性[5]。 沈陽工業大學采用基于擾動觀察器的加速度控制方法和采用滑模觀察器的無傳感器控制方法實現對直線電機參數變化和負載擾動的魯棒控制[7]。 4. 直線電機的設計方案 1) 直線電機結構形式的選擇 直線電機大體上分直線直流電機、直線步進電機、直線磁阻電機、直線感應電機、和直線同步電機五種，但各種直線電機的發展并不均衡，直線伺服系統中的驅動電機以永磁直線電機和直線感應電機為主。 永磁直線電機和直線感應電機各有其優缺點。永磁直線電機的優勢在于：每單位尺寸更大的出力；發熱少，冷卻要求低，長次級不需冷卻。存在的問題在于：永磁體產生的強磁場使其安裝和操作較困難；永磁磁場吸引鐵屑，實際加工時排屑困難，電機必須加密封以防止鐵屑阻塞氣隙或進入運動副中；需通過位置傳感器對電機進行電流換向控制；永磁鐵有可能退磁。直線感應電機的優勢在于：其次級結構簡單，安裝、維修和除屑容易。因為不使用昂貴的永磁體，在長行程（如傳送裝置）的應用場合有降低成本的可能性。缺點在于采用電激磁，因此效率低，發熱大，次級也需要冷卻；氣隙公差嚴格，通常只有0.1mm，工藝性差，加工成本高；需要復雜的矢量變換技術，控制算法遠比直線永磁電機的控制算法復雜。 雖然直線永磁電機和直線感應電機各有優缺點，但目前看來，永磁直線電機的優點更多。特別是隨著釹鐵硼（NdfeB）等高磁能積、高矯頑力磁性材料的出現，直線永磁電機的優點更加明顯。所以永磁直線電機更適合用于直線伺服單元驅動。 2) 整機一體化設計 永磁直線電機是一個整體，包括出力系統、支承系統、測量系統、冷卻系統四大部分。出力系統包括直線電機的初級和次級。為了使永磁直線電機的推力平穩，要合理選擇次級磁鋼的形狀和布置方式，以減小齒槽效應。要盡量采用分布、短距等初級繞組結構形式，以削弱反電勢諧波，使氣隙磁密需要近似為正弦型，從而削弱出力紋波。 直線電機通過直線軸承支承，以保證氣隙尺寸。直線電機的機械特性和壽命在很大程度上取決于直線軸承的質量，所以直線軸承的質量一定要保證。 直線電機要使用直線編碼器的位置信號進行位置控制和電流換向以及剛通電時的找相。直線編碼器的分辨率直接決定了位置控制的分辨率，其測量速度決定了直線電機的最大速度。所以直線編碼器的分辨率和速度要滿足位置控制的要求。 直線電機的散熱能力極大地影響著直線電機的出力和壽命。永磁直線電機在運行的時候同時存在著銅損和鐵損，所以其發熱不容忽視，熱應力是直線電機失效的首要原因。另外，要想提高直線電機的額定出力，必須提高初級的電流密度，這樣電機的發熱將更加嚴重。這就需要采用氣冷或液冷的方法給電機散熱。 在老的機床結構上直接添加直線電機驅動并不能組成高性能的直線伺服系統。整個機床的機械結構、控制系統都要重新設計，以適應直線電機驅動，最好能采用框架式結構和輕的工作臺材料，以充分利用直線電機高速、高加速度的優點。 3) 基于有限元的新型設計方法 永磁同步直線電機磁路復雜，采用釹鐵硼等高性能永磁材料作為磁源，采用硅鋼片和軟磁材料聚合磁路，這些材料都具有很強的非線性。另外，直線電機的端部效應還會使其氣隙磁場發生畸變。傳統的磁路法、圖解法等磁場分析方法無法精確計算其磁場特性，需要采用有限元計算方法，發展基于有限元的新型設計方法。 需要精確計算出電機的最大發熱區域，才能設計出最有效的冷卻器和合理安放熱傳感器。只有通過有限元方法才能精確計算直線電機的發熱。應對直線電機進行動態仿真和熱應力有限元計算，找出發熱最嚴重的部位，以便進行有效的散熱設計。 5. 永磁交流直線電機的伺服控制設計方案交流永磁直線電機的伺服控制需采用全數字化的直接驅動伺服控制方法。 1) 系統的硬件結構 包括控制和功率兩部分。控制部分主要由DSP最小系統、高速A/D、位置反饋計數器、SVPWM信號發生器、高速通訊接口、以及光柵信號高速細分電路等組成。功率部分主要由IGBT三相功率逆變橋、IGBT隔離驅動電路、功率電源整流濾波、泵升過電壓泄放電路、以及輔助電源系統等組成。 2) 系統的軟件結構 是以直接驅動控制算法為核心的實時控制程序，其作用是完成伺服驅動的所有控制和監測功能，主要包括系統初始化，直線電機相位初始化，直接驅動控制算法，功率電源電壓及直線電機初級溫度監測，預測電流控制，電流采樣，串行通訊，故障診斷與處理等功能。 3) 直接驅動伺服控制算法 直線電機伺服驅動是直接驅動，來自外界的擾動，如工件或刀具的質量、切削力以及它們的變化等，都直接作用在直線電機上，因此，對系統的剛性、抗擾動能力和魯棒性等方面提出了更高的要求，所以直線電機的伺服控制必須采用相對先進、復雜而且實用的直接驅動控制算法主要應包括以下幾個部分： ￥首先是包括位置調節器、速度調節器和加速度調節器在內的調節控制器，負責直線電機的位置伺服控制，速度伺服控制和推力/加速度伺服控制等可以采用復合前饋控制、預測控制、H 控制等先進的控制算法。 其次是包括位置解算、速度解算、加速度解算及擾動觀察器、直線電機初級溫度監測以及功率電源電壓監測等在內的系統狀態觀察器，為伺服控制提供系統的運行狀態參數。 最后是控制參數的在線辨識和自整定以及內部模型等，主要是對系統狀態參數進行處理和辨識，進而實時地、在線修改系統的控制模型參數，使系統具有參數自整定和自適應能力，進一步提高系統的抗擾動性能和魯棒性。 6. 結束語總之采用直線伺服電機的高速加工中心，已成為國際上各大機床制造商競相研究和開發的關鍵技術和產品，并已在汽車工業和航空工業中取得初步應用和成效，作為高速加工中心的新一代直接驅動伺服執行元件，直線伺服電機技術在國外也已進入工業化應用階段。但是，國內在這方面的研究仍處于起步階段，差距還很大，而且關鍵技術基本上為各大制造商所掌握，并視為商業機密，很難從科技文獻和Internet網上資源中查到有價值的詳細技術內容。因此，要發展我國的高速加工中心技術建立相關產業，就必須走自主開發的道路。

第四章 數控機床的伺服驅動系統（6學時）

4.1  概  述

4.2  常用驅動元件

4．2．1 步進電機

一、步進電機概述

步進電機及其驅動系統主要用于開環控制系統。它由步進電機驅動電源（又稱步進電機驅動器）和步進電機組成。

步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環驅動元件。步進電機所用的電源與一般交、直流電機的電源也有區別，既不是正弦波，也不是恒定直流，而是脈沖電壓、電流，所以有時也稱為脈沖電機或電脈沖電機。在非超載的情況下，電機的轉速、角位移只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變得非常的簡單、維修也較方便，而且為全數字化控制？？。

步進電機分類：

1）  步進電機按輸出扭矩的大小，可分為快速步進電機與功率步進電機；

2）  按勵磁相數，可分為三相、四相、五相甚至八相；

3）  按其運動方式，分旋轉式、直線式、平面運動式和滾切運動式；

4）  按結構，可分為單段式（徑向式）、多段式（軸向式）、印刷繞組式；

5）  按工作原理，可分為反應式、電磁式、永磁式、永磁感應子式（混合式）步進電機，其中反應式和混合式步進電機比較常用。

不同類型步進電機，其工作原理、驅動裝置也不完全相同。

（對給定的電機體積，混合式步進電機產生的轉矩比反應式的大，加上混合式步進電機的步距角常做得很小，因此在工作空間受到限制而需要小步距角和大轉矩的情況下，常選用混合式步進電機。反應式步進電機和混合式步進電機的根本區別在于其轉子是否具有永久磁性。反應式步進電機轉子上沒有永久磁鋼，所以轉子的機械慣量比混合式步進電機的轉子慣量低，因此可以更快地加、減速。混合式步進電機轉子有永久磁鋼，所以在繞組未通電時，轉子永久磁鋼產生的磁通能產生自定位轉矩，雖然這比繞組通電時產生的轉矩小得多，但它確實是一種很有用的特性：使其在斷電時，仍能保持轉子得原來位置。反應式步進電機在斷電時靠干摩擦負載轉矩或靠專門的磁定位或機械定位裝置來實現定位。在實際應用中為提高加工精度，多采用小步距角的步進電機。）有待考證

雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業知識。目前,生產步進電機的廠家的確不少，但具有專業技術人員，能夠自行開發，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給用戶在產品選型、使用中造成許多麻煩。

實際應用中，主要控制步進電機的角位移、轉速和方向(重點)。

          步進電機定子繞組的通電狀態每改變一次，它的轉子便轉過一個確定的角度，即步進電機的步距角

          脈沖的頻率決定著電機的轉速

          改變步進電機定子繞組的通電順序，轉子的旋轉方向也隨之改變

二、反應子式步進電機工作原理

（一）反應式步進電機原理

由于反應式步進電機工作原理比較簡單。下面以三相反應式步進電機為例說明步進電機的工作原理。

1、結構：

電機轉子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。

2、參數

(1) 步進電機的步距角由下式決定

若采用細分電路，則步距角由下式決定：

/細分數

(2) 若步進電機通電的脈沖頻率為 ，則步進電機的轉速為

  (60f* /360,f 的單位：個/s)

其中： ――步距角

        ――步進電機的轉速

――定子勵磁繞組的相數

――轉子的齒數

            ――通電方式系數，單拍時，k＝1；雙拍時，k＝2

3、術語

(1)相數：定子磁極對數。常用m表示。

(2)拍數：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.

(3)步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用θ表示。θ=360度（轉子齒數J*運行拍數），以常規二、四相，轉子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。

(4)失步：

      電機運轉時運轉的步數，不等于理論上的步數。稱之為失步。

(5)失調角：

      轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。

(6)最大空載起動頻率：

      電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。

(7)最大空載的運行頻率：

      電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。

(8)運行矩頻特性：

      電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據。如下圖所示：

 其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。

(9)最高起動頻率fq：電機正常起動時(不丟步)所能承受的最高控制頻率,起動頻率低于連續運動頻率,因為起動時電機既要克服負載力矩,又要克服慣性力矩，且負載越大，fq越低。

(10)連續運行頻率（最高工作頻率） fmax:步進電機連續工作時能接受的最高頻率,因運行時轉動慣量的影響比起動時大大減小，所以fmax 》fq，它表明步進電機所能達到的最高速度

三、驅動控制系統組成

      使用、控制步進電機必須由環形脈沖，功率放大等組成的控制系統，其方框圖如下：

1、脈沖信號的產生

    脈沖信號一般由單片機或CPU產生，一般脈沖信號的占空比為0.3-0.4左右，電機轉速越高，占空比則越大。

2、信號分配（由環形分配器完成）

     感應子式步進電機以二、四相電機為主，二相電機工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為 ,步距角為1.8度；二相八拍為 ,步距角為0.9度。四相電機工作方式也有二種，四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB,步距角為1.8度；四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角為0.9度）。

3、功率放大

    功率放大是驅動系統最為重要的部分。步進電機在一定轉速下的轉矩取決于它的動態平均電流而非靜態電流（而樣本上的電流均為靜態電流）。平均電流越大電機力矩越大，要達到平均電流大這就需要驅動系統盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅動方式，目前，驅動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅動、恒流、細分數等。

為盡量提高電機的動態性能，將信號分配、功率放大組成步進電機的驅動電源。二相恒流斬波驅動電源與單片機及電機接線圖如下：

說明：

    CP      接CPU脈沖信號（負信號，低電平有效）

    OPTO    接CPU+5V

    FREE     脫機，與CPU地線相接，驅動電源不工作

    DIR      方向控制，與CPU地線相接，電機反轉

    VCC      直流電源正端

    GND      直流電源負端   

     A       接電機引出線紅線

           接電機引出線綠線 

     B       接電機引出線黃線

           接電機引出線藍線

      步進電機一經定型，其性能取決于電機的驅動電源。步進電機轉速越高，力距越大則要求電機的電流越大，驅動電源的電壓越高。電壓對力矩影響如下：

 4、細分驅動器

      在步進電機步距角不能滿足使用的條件下，可采用細分驅動器來驅動步進電機，細分驅動器的原理是通過改變相鄰（A，B）電流的大小，以改變合成磁場的夾角來控制步進電機運轉的。

四、步進電機的應用

（一）步進電機的選擇

      步進電機有步距角（涉及到相數）、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。

1、步距角的選擇

      電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度（三相電機）等。

2、靜力矩的選擇

      步進電機的動態力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）

3、電流的選擇

      靜力矩一樣的電機，由于電流參數不同，其運行特性差別很大，可依據矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅動電源、及驅動電壓）

      綜上所述選擇電機一般應遵循以下步驟：

4、力矩與功率換算

     步進電機一般在較大范圍內調速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：

                P= Ω·M

                  Ω=2π·n/60

                   P="2"πnM/60

     其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉速，M為力矩單位為牛頓·米

               P="2"πfM/400(半步工作）

     其中f為每秒脈沖數（簡稱PPS)

(二）應用中的注意點

      1、步進電機應用于低速場合---每分鐘轉速不超過1000轉，（0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。

      2、步進電機最好不使用整步狀態，整步狀態時振動大。

      3、由于歷史原因，只有標稱為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓值不是驅動電壓伏值 ，可根據驅動器選擇驅動電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），當然12伏的電壓除12V恒壓驅動外也可以采用其他驅動電源， 不過要考慮溫升。

      4、轉動慣量大的負載應選擇大機座號電機。

      5、電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。

      6、高精度時，應通過機械減速、提高電機速度,或采用高細分數的驅動器來解決，也可以采用5相電機，不過其整個系統的價格較貴，生產廠家少，其被淘汰的說法是外行話。

      7、電機不應在振動區內工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。

      8、電機在600PPS（0.9度）以下工作，應采用小電流、大電感、低電壓來驅動。

      9、應遵循先選電機后選驅動的原則。

二、直流(DC)伺服電動機

直流伺服電動機是將直流電能轉換成機械能的旋轉電動機。

直流伺服電動機具有良好的調速特性，對伺服電機的調速性能要求高的設備中，大都采用DC伺服電動機驅動。

直流伺服電動機的工作原理主要基于：

電磁力定律：載流導體在磁場中要受到電磁力作用

電磁感應定律：當導體在磁場中運動并切割磁力線時，導體中要產生感應電動勢

目前數控機床進給驅動中采用的直流電動機主要是大慣量寬速直流伺服電動機，占主導地位的是永久磁鐵勵磁式電動機

直流伺服電動機結構較復雜，電刷、換向器需經常維護，電機轉速受限，AC克服此缺點，因此AC伺服電動機有取代DC伺服電動機的趨勢

三、永磁交流伺服電機結構：定子、轉子、檢測元件        

工作原理：定子繞組接上三相交流電，產生旋轉磁場，旋轉磁場吸引轉子同步旋轉。        

矢量控制：

直流伺服電機的調速性能好，控制簡單（線性），如果能模擬直流電動機，使交流電機具有與直流電機近似的優良特性。為此，需將三相交變量轉換為與之等效的直流量，然后按直流電動機的控制方法對其進行控制。

直流主軸電動機的結構和普通直流電動機的結構基本相同，其主要區別是：在主磁極上除了繞有主磁極繞組外，還繞有補償繞組，以便抵消轉子反應磁動勢對氣隙主磁通的影響，改善電動機的調速性能；直流主軸電動機都采用軸向強迫通風冷卻或熱管冷卻，以改善冷卻效果。直流主軸電動機的基本速度以下為恒轉矩范圍，在基本速度以上為恒功率范圍。直流主軸電動機采用雙域調速系統調速。永磁直流伺服電動機的定子磁極是一個永磁體，其轉子分為普通型和小慣量型兩類。普通型轉子永磁直流電動機和小慣量型轉子直流電動機各有其自己的特點。永磁直流伺服電動機需用特性曲線和數據表描述其性能。用于數控機床進給伺服系統中的永磁直流伺服電動機主要采用晶體管脈寬調制調速系統調速。

交流主軸電動機是經過專門設計的鼠籠式三相異步電動機。與直流主軸電動機相類似，在基本速度以下為恒轉矩區，在基本速度以上為恒功率區。恒功率的速度范圍只有1：3的速度比，當速度超過一定值后，功率-速度特性曲線會向下傾斜。交流主軸電動機廣泛采用矢量控制調速方法進行速度控制。永磁同步交流伺服電動機的定子與普通感應電動機的定子相似，不過其外表面呈多邊形，且無外殼，轉子由多塊永久磁鐵和沖片組成。與直流伺服電動機一樣，交流伺服電動機的性能也需用數據表和特性曲線來描述。永磁同步交流伺服電動機可以通過改變電動機電源頻率來調速。

四 直線電機驅動技術

　　直線電機在機床進給伺服系統中的應用，近幾年來已在世界機床行業得到重視，并在西歐工業發達地區掀起"直線電機熱"。

　　在機床進給系統中，采用直線電動機直接驅動與原旋轉電機傳動的最大區別是取消了從電機到工作臺（拖板）之間的機械傳動環節，把機床進給傳動鏈的長度縮短為零，因而這種傳動方式又被稱為"零傳動"。正是由于這種"零傳動"方式，帶來了原旋轉電機驅動方式無法達到的性能指標和優點。

　　1. 高速響應 由于系統中直接取消了一些響應時間常數較大的機械傳動件（如絲杠等），使整個閉環控制系統動態響應性能大大提高，反應異常靈敏快捷。

　　2. 精度 直線驅動系統取消了由于絲杠等機械機構產生的傳動間隙和誤差，減少了插補運動時因傳動系統滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制，即可大大提高機床的定位精度。

　　3. 動剛度高 由于"直接驅動"，避免了啟動、變速和換向時因中間傳動環節的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運動滯后現象，同時也提高了其傳動剛度。

　　4. 速度快、加減速過程短 由于直線電動機最早主要用于磁懸浮列車（時速可達500Km/h），所以用在機床進給驅動中，要滿足其超高速切削的最大進個速度（要求達60～100M/min或更高）當然是沒有問題的。也由于上述"零傳動"的高速響應性，使其加減速過程大大縮短。以實現起動時瞬間達到高速，高速運行時又能瞬間準停。可獲得較高的加速度，一般可達2～10g（g=9.8m/s2），而滾珠絲杠傳動的最大加速度一般只有0.1～0.5g。

　　5. 行程長度不受限制 在導軌上通過串聯直線電機，就可以無限延長其行程長度。

　　6. 運動動安靜、噪音低 由于取消了傳動絲杠等部件的機械摩擦，且導軌又可采用滾動導軌或磁墊懸浮導軌（無機械接觸），其運動時噪音將大大降低。

　　7. 效率高 由于無中間傳動環節，消除了機械摩擦時的能量損耗，傳動效率大大提高。

直線傳動電機的發展也越來越快，在運動控制行業中倍受重視。在國外工業運動控制相對發達的國家已開始推廣使用相應的產品，其中美國科爾摩根公司（Kollmorgen）的 PLATINNM DDL系列直線電機和SERVOSTAR CD系列數字伺服放大器構成一種典型的直線永磁伺服系統，它能提供很高的動態響應速度和加速度、極高的剛度、較高的定位精度和平滑的無差運動；德國西門子公司、日本三井精機公司、臺灣上銀科技公司等也開始在其產品中應用直線電機。

  4.3  伺服系統中的檢測元件

一、伺服系統對檢測元件的主要要求

6）  1、工作可靠，抗干擾能力強

7）  2、能滿足精度和速度的要求

8）  3、使用維護方便

9）  4、易于實現高速的動態測量和處理，易于實現自動化

5、成本低

二、檢測元件分類：

分類：

1、數字式測量和模擬式測量

2、增量式測量和絕對式測量

3、直接測量和間接測量

電磁式測量位移裝置：旋轉變壓器、感應同步器、磁尺

光電式位移測量裝置：編碼盤、光柵

旋轉變壓器、感應同步器、

脈沖編碼器：

、

磁尺：用磁性標尺代替光柵，用電磁方法計數磁波數目的一種測量方法。

測速發電機

表4-1 數控機床常用檢測系統精度

旋轉變壓器是一種輸出電壓與角位移量成連續函數關系的感應式微電機。從物理本質上看，旋轉變壓器是一種可以轉動的變壓器。它由定子和轉子組成，其原、副繞組分別放置在定、轉子上，原、副繞組之間的電磁耦合程度與轉子的轉角有關。因此，當它的原繞組施加單相交流電壓勵磁時，副繞組輸出電壓的幅值將與轉子轉角有關。旋轉變壓器有多種分類方法：若按有無電刷來分，可分為接觸式和無接觸式兩種；若按極對數來分，可分為單對極和多對極；若按用途來分，可分為計算用旋轉變壓器和數據傳輸用變壓器；若按輸出電壓與轉子轉角間的函數關系來分，可分為正余弦旋轉變壓器、線性旋轉變壓器、比例式旋轉變壓器以及特殊函數旋轉變壓器等四類。
    脈沖編碼器也叫光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。這是目前在機床上應用最多的傳感器，根據它產生脈沖方式的不同，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。其中增量式編碼器是直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90o，從而可方便地判斷出旋轉方向，而Z相為每轉一個脈沖，用于基準點定位。它的優點是原理構造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉動的絕對位置信息。而絕對式編碼器是利用自然二進制或循環二進制（葛萊碼）方式進行光電轉換的。它的特點是：①可以直接讀出角度

坐標的絕對值；②沒有累積誤差；③電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進制的位數來決定的，也就是說精度取決于位數，目前有10位、14位等多種。而混合式絕對值編碼器，它輸出兩組信息：一組信息用于檢測磁極位置，帶有絕對信息功能；另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。
    用于機床的位置測量并已得到廣泛應用的有光柵、感應同步器、容柵、磁柵、球柵和激光。它們的檢測精度及其代表廠商如表4－1所示。從表49－1可見，除激光外，光柵尺的分辨率和精度均高于其他四種測量系統，而在系統的穩定性、可靠性、使用方便及價格方面均比激光測量系統有著明顯的優勢。因此，在90年代，國際市場上的數控機床（指閉環控制結構），包括三坐標測量機所采用的測量系統80％以上都使用光柵。高精度的光柵測量系統，其分辨率可做到納米級，精度可達±0.2μm。
    光柵的種類很多，在玻璃的表面上制成透明與不透明間隔相等的線紋，稱作透射光柵；在金屬的鏡面上制成全反射與漫反射間隔相等的線紋，稱作反射光柵；也可把線紋做成具有一定衍射角度的定向光柵；根據用途，可分為測量直線位移的長光柵和測量角位移的圓光柵。其中以玻璃衍光柵的精度為最高。目前世界上能生產光柵測量系統的國家很多，HEIDENHAIN、雷尼紹公司，以德國的HEIDENHAIN公司為著名，它無論在技術、品種、產量和市場占有率上都處于絕對領先地位。

僅用于位置檢測的元件：旋轉變壓器、感應同步器、光柵、磁尺

僅用于速度檢測的元件：測速發電機

兩者均可使用的檢測元件：脈沖編碼器