直线电机直接驱动技术

lenku1 2012-08-26

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直线电机直接驱动技术

摘要以高效率和高精度为基本特征的高速加工技术促进了直线电机直接驱动技术在高速加工中心中的应用。本文在分析了高速加工与直线电机的关系，以及国内外的直线电机及其伺服控制技术的发展状况，提出了直线电机及其全数字化直接驱动伺服控制器的设计方法。关键词直线电机高速加工伺服控制 1. 高速加工与直线电机以高效率和高精度为基本特征的高速加工技术，近十多年来迅速崛起，并成为当今制造业不可回避的先进制造技术之一，传统制造业发达国家已经把高速加工看成是推动经济发展的一项新技术。自20世纪90年代以来，一批又一批的高速机床开始投放国际市场，并成功地应运于汽车工业、航空航天工业、复杂曲面加工以及难加工材料的加工等领域，这标志着高速加工已进入工业实用化阶段，并将给世界机床工业带来巨大的推动和冲击[12]。为实现高速加工，除要求高速加工机床必须具有适宜高速加工的主轴部件，动、静、热刚度好的机床支撑部件，高刚度、高精度的刀柄和快速换刀装置，以及高压大流量的喷射冷却系统和安全装置等之外对高速机床的进给系统也提出了更高的要求即: 1.高进给速度，最大进给速度达到60～200m/min。 2.高加速度，最大加速度应达到1～10g。 3.高精度。对此由“旋转伺服电机＋滚珠丝杠”构成的传统直线运动进给方式已很难适应这样的高要求。在解决上述难题的过程中，一种崭新的传动方式应运而生了，这就是直线电机直接驱动系统。由于它取消了从电机到工作台之间的一切中间传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因此这种传动方式被称作“直接驱动”(Dricet Drive)国内也有人称之为“零驱动” [2]。其优点是： 1.速度高，可达60～200m/min; 2.惯性小，加速度特性好，可达1～2g易于高速精定位； 3.无中间传动环节，不存在摩擦磨损、反向间隙等问题，可靠性高，寿命长； 4.刚性好，动态特性好； 5.行程长度不受限制，并可在一个行程全长上安装使用多个工作台。世界上第一台在展览会上展出的，采用直线电机直接驱动系统的高速加工中心是1993年9月德国Ex-Cell-O公司于汉诺威欧洲机床博览会上推出的XHC 240型加工中心采用德国Indramat公司的感应式直线电机各轴的快速移动速度高达80m/min加速度高达1g[3]。美国Ingersoll公司也早在1985年就开始与Ford公司合作研制超高速加工中心，在研制出采用美国Anorad公司永磁式直线电机的“高速模块”HVM800型卧式加工中心之后，1996年初又推出了HVM600高速模块，最大进给速度76m/min，加速度1g(z轴1.5g)，定位精度0.005mm，重复定位精度0.0025mm[4]。 2. 直线电机技术发展状况从近年来国际上的发展状况来看，直线电机技术主要掌握在少数直线电机和伺服控制装置制造商手中，而科研机构和大学的参与则相对较少。美国Anorad公司是国际上最大的直线电机供应商之一，从80年代初开始自行研制直线电机，主导产品是正弦波永磁交流直线电机和方波无刷直流直线电机，已在Ingersoll公司的高速加工中心HVM800和HVM600上获得成功应用[4]。德国Indramat公司是目前唯一能够同时提供感应式直线电机和永磁直线电机的直线电机制造商。其感应式直线电机已成功地应用于德国Ex-Cell-O公司的XHC 240型卧式高速加工中心[3]。国内的发展情况有所不同，从总体上讲，直线电机的研究和应用尚处于起步阶段，因此研究仍主要在几所大学和研究机构中进行。广东工业大学研制的高速进给单元中采用了感应式直线电机[2]。清华大学继研制出音圈式直流直线电机后[5]，已开始研制长行程永磁交流直线电机[6]。沈阳工业大学则已研制出推力为100N的永磁交流直线伺服电机样机[7]。 3. 直线电机伺服控制技术的发展状况直线伺服电机和旋转伺服电机相比，伺服控制的难度大，要求高。主要表现为以下几方面： 1.直线电机伺服驱动是直接驱动。 2.位置环增益高。 3.进给速度、加速度高。 4.直线电机存在端部效应。为解决直接驱动直线电机的伺服控制问题，人们作出了许多努力。美国Anorad公司和德国Siemens公司合作，采用Siemens公司的SINUMERIK 840D CNC系统和SIMODRIVE 611D交流伺服系统来驱动Anorad公司的LFB-S-6型永磁直线电机，为此，他们专门定义了CNC和伺服系统与直线电机的性能和接口特性[8]。德国Indramat公司在其数字化智能直线电机伺服驱动器中引进了先进的国际化、开放式SERCOS(Serial Real-time Communication System)接口标准，使得位置闭环控制在驱动器内部完成[9]。清华大学采用基于重复控制的非线性PID控制方法，获得了更高的位置伺服精度和鲁棒性[5]。沈阳工业大学采用基于扰动观察器的加速度控制方法和采用滑模观察器的无传感器控制方法实现对直线电机参数变化和负载扰动的鲁棒控制[7]。 4. 直线电机的设计方案 1) 直线电机结构形式的选择直线电机大体上分直线直流电机、直线步进电机、直线磁阻电机、直线感应电机、和直线同步电机五种，但各种直线电机的发展并不均衡，直线伺服系统中的驱动电机以永磁直线电机和直线感应电机为主。永磁直线电机和直线感应电机各有其优缺点。永磁直线电机的优势在于：每单位尺寸更大的出力；发热少，冷却要求低，长次级不需冷却。存在的问题在于：永磁体产生的强磁场使其安装和操作较困难；永磁磁场吸引铁屑，实际加工时排屑困难，电机必须加密封以防止铁屑阻塞气隙或进入运动副中；需通过位置传感器对电机进行电流换向控制；永磁铁有可能退磁。直线感应电机的优势在于：其次级结构简单，安装、维修和除屑容易。因为不使用昂贵的永磁体，在长行程（如传送装置）的应用场合有降低成本的可能性。缺点在于采用电激磁，因此效率低，发热大，次级也需要冷却；气隙公差严格，通常只有0.1mm，工艺性差，加工成本高；需要复杂的矢量变换技术，控制算法远比直线永磁电机的控制算法复杂。虽然直线永磁电机和直线感应电机各有优缺点，但目前看来，永磁直线电机的优点更多。特别是随着钕铁硼（NdfeB）等高磁能积、高矫顽力磁性材料的出现，直线永磁电机的优点更加明显。所以永磁直线电机更适合用于直线伺服单元驱动。 2) 整机一体化设计永磁直线电机是一个整体，包括出力系统、支承系统、测量系统、冷却系统四大部分。出力系统包括直线电机的初级和次级。为了使永磁直线电机的推力平稳，要合理选择次级磁钢的形状和布置方式，以减小齿槽效应。要尽量采用分布、短距等初级绕组结构形式，以削弱反电势谐波，使气隙磁密需要近似为正弦型，从而削弱出力纹波。直线电机通过直线轴承支承，以保证气隙尺寸。直线电机的机械特性和寿命在很大程度上取决于直线轴承的质量，所以直线轴承的质量一定要保证。直线电机要使用直线编码器的位置信号进行位置控制和电流换向以及刚通电时的找相。直线编码器的分辨率直接决定了位置控制的分辨率，其测量速度决定了直线电机的最大速度。所以直线编码器的分辨率和速度要满足位置控制的要求。直线电机的散热能力极大地影响着直线电机的出力和寿命。永磁直线电机在运行的时候同时存在着铜损和铁损，所以其发热不容忽视，热应力是直线电机失效的首要原因。另外，要想提高直线电机的额定出力，必须提高初级的电流密度，这样电机的发热将更加严重。这就需要采用气冷或液冷的方法给电机散热。在老的机床结构上直接添加直线电机驱动并不能组成高性能的直线伺服系统。整个机床的机械结构、控制系统都要重新设计，以适应直线电机驱动，最好能采用框架式结构和轻的工作台材料，以充分利用直线电机高速、高加速度的优点。 3) 基于有限元的新型设计方法永磁同步直线电机磁路复杂，采用钕铁硼等高性能永磁材料作为磁源，采用硅钢片和软磁材料聚合磁路，这些材料都具有很强的非线性。另外，直线电机的端部效应还会使其气隙磁场发生畸变。传统的磁路法、图解法等磁场分析方法无法精确计算其磁场特性，需要采用有限元计算方法，发展基于有限元的新型设计方法。需要精确计算出电机的最大发热区域，才能设计出最有效的冷却器和合理安放热传感器。只有通过有限元方法才能精确计算直线电机的发热。应对直线电机进行动态仿真和热应力有限元计算，找出发热最严重的部位，以便进行有效的散热设计。 5. 永磁交流直线电机的伺服控制设计方案交流永磁直线电机的伺服控制需采用全数字化的直接驱动伺服控制方法。 1) 系统的硬件结构包括控制和功率两部分。控制部分主要由DSP最小系统、高速A/D、位置反馈计数器、SVPWM信号发生器、高速通讯接口、以及光栅信号高速细分电路等组成。功率部分主要由IGBT三相功率逆变桥、IGBT隔离驱动电路、功率电源整流滤波、泵升过电压泄放电路、以及辅助电源系统等组成。 2) 系统的软件结构是以直接驱动控制算法为核心的实时控制程序，其作用是完成伺服驱动的所有控制和监测功能，主要包括系统初始化，直线电机相位初始化，直接驱动控制算法，功率电源电压及直线电机初级温度监测，预测电流控制，电流采样，串行通讯，故障诊断与处理等功能。 3) 直接驱动伺服控制算法直线电机伺服驱动是直接驱动，来自外界的扰动，如工件或刀具的质量、切削力以及它们的变化等，都直接作用在直线电机上，因此，对系统的刚性、抗扰动能力和鲁棒性等方面提出了更高的要求，所以直线电机的伺服控制必须采用相对先进、复杂而且实用的直接驱动控制算法主要应包括以下几个部分：￥首先是包括位置调节器、速度调节器和加速度调节器在内的调节控制器，负责直线电机的位置伺服控制，速度伺服控制和推力/加速度伺服控制等可以采用复合前馈控制、预测控制、H 控制等先进的控制算法。其次是包括位置解算、速度解算、加速度解算及扰动观察器、直线电机初级温度监测以及功率电源电压监测等在内的系统状态观察器，为伺服控制提供系统的运行状态参数。最后是控制参数的在线辨识和自整定以及内部模型等，主要是对系统状态参数进行处理和辨识，进而实时地、在线修改系统的控制模型参数，使系统具有参数自整定和自适应能力，进一步提高系统的抗扰动性能和鲁棒性。 6. 结束语总之采用直线伺服电机的高速加工中心，已成为国际上各大机床制造商竞相研究和开发的关键技术和产品，并已在汽车工业和航空工业中取得初步应用和成效，作为高速加工中心的新一代直接驱动伺服执行元件，直线伺服电机技术在国外也已进入工业化应用阶段。但是，国内在这方面的研究仍处于起步阶段，差距还很大，而且关键技术基本上为各大制造商所掌握，并视为商业机密，很难从科技文献和Internet网上资源中查到有价值的详细技术内容。因此，要发展我国的高速加工中心技术建立相关产业，就必须走自主开发的道路。

第四章数控机床的伺服系统

1. 概述

2. 常用驱动原件

3. 位移测量装置

了解：常用伺服驱动原件工作原理

理解：位移测量装置工作原理

掌握：伺服驱动系统的定义、组成

第四章数控机床的伺服驱动系统（6学时）

4.1 概述

4.2 常用驱动元件

4．2．1 步进电机

一、步进电机概述

步进电机及其驱动系统主要用于开环控制系统。它由步进电机驱动电源（又称步进电机驱动器）和步进电机组成。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环驱动元件。步进电机所用的电源与一般交、直流电机的电源也有区别，既不是正弦波，也不是恒定直流，而是脉冲电压、电流，所以有时也称为脉冲电机或电脉冲电机。在非超载的情况下，电机的转速、角位移只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常的简单、维修也较方便，而且为全数字化控制？？。

步进电机分类：

1）步进电机按输出扭矩的大小，可分为快速步进电机与功率步进电机；

2）按励磁相数，可分为三相、四相、五相甚至八相；

3）按其运动方式，分旋转式、直线式、平面运动式和滚切运动式；

4）按结构，可分为单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式；

5）按工作原理，可分为反应式、电磁式、永磁式、永磁感应子式（混合式）步进电机，其中反应式和混合式步进电机比较常用。

不同类型步进电机，其工作原理、驱动装置也不完全相同。

（对给定的电机体积，混合式步进电机产生的转矩比反应式的大，加上混合式步进电机的步距角常做得很小，因此在工作空间受到限制而需要小步距角和大转矩的情况下，常选用混合式步进电机。反应式步进电机和混合式步进电机的根本区别在于其转子是否具有永久磁性。反应式步进电机转子上没有永久磁钢，所以转子的机械惯量比混合式步进电机的转子惯量低，因此可以更快地加、减速。混合式步进电机转子有永久磁钢，所以在绕组未通电时，转子永久磁钢产生的磁通能产生自定位转矩，虽然这比绕组通电时产生的转矩小得多，但它确实是一种很有用的特性：使其在断电时，仍能保持转子得原来位置。反应式步进电机在断电时靠干摩擦负载转矩或靠专门的磁定位或机械定位装置来实现定位。在实际应用中为提高加工精度，多采用小步距角的步进电机。）有待考证

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。

实际应用中，主要控制步进电机的角位移、转速和方向(重点)。

步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角

脉冲的频率决定着电机的转速

改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向也随之改变

二、反应子式步进电机工作原理

（一）反应式步进电机原理

由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面以三相反应式步进电机为例说明步进电机的工作原理。

1、结构：

电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。

2、参数

(1) 步进电机的步距角由下式决定

若采用细分电路，则步距角由下式决定：

/细分数

(2) 若步进电机通电的脉冲频率为，则步进电机的转速为

(60f* /360,f 的单位：个/s)

其中： ――步距角

――步进电机的转速

――定子励磁绕组的相数

――转子的齿数

――通电方式系数，单拍时，k＝1；双拍时，k＝2

3、术语

(1)相数：定子磁极对数。常用m表示。

(2)拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.

(3)步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。

(4)失步：

电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。

(5)失调角：

转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。

(6)最大空载起动频率：

电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。

(7)最大空载的运行频率：

电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。

(8)运行矩频特性：

电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如下图所示：

其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。

(9)最高起动频率fq：电机正常起动时(不丢步)所能承受的最高控制频率,起动频率低于连续运动频率,因为起动时电机既要克服负载力矩,又要克服惯性力矩，且负载越大，fq越低。

(10)连续运行频率（最高工作频率） fmax:步进电机连续工作时能接受的最高频率,因运行时转动惯量的影响比起动时大大减小，所以fmax 》fq，它表明步进电机所能达到的最高速度

三、驱动控制系统组成

使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下：

1、脉冲信号的产生

脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。

2、信号分配（由环形分配器完成）

感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为 ,步距角为1.8度；二相八拍为 ,步距角为0.9度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为0.9度）。

3、功率放大

功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，目前，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。

图单电压驱动电路工作原理

图高低电压驱动电路工作原理

为尽量提高电机的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图如下：

说明：

CP 接CPU脉冲信号（负信号，低电平有效）

OPTO 接CPU+5V

FREE 脱机，与CPU地线相接，驱动电源不工作

DIR 方向控制，与CPU地线相接，电机反转

VCC 直流电源正端

GND 直流电源负端

A 接电机引出线红线

接电机引出线绿线

B 接电机引出线黄线

接电机引出线蓝线

步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高，力距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。电压对力矩影响如下：

4、细分驱动器

在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。

四、步进电机的应用

（一）步进电机的选择

步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。

1、步距角的选择

电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。

2、静力矩的选择

步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）

3、电流的选择

静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）

综上所述选择电机一般应遵循以下步骤：

4、力矩与功率换算

步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：

P= Ω·M

Ω=2π·n/60

P="2"πnM/60

其P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿·米

P="2"πfM/400(半步工作）

其中f为每秒脉冲数（简称PPS)

(二）应用中的注意点

1、步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。

2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。

3、由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源，不过要考虑温升。

4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。

5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。

6、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。

7、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。

8、电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。

9、应遵循先选电机后选驱动的原则。

二、直流(DC)伺服电动机

直流伺服电动机是将直流电能转换成机械能的旋转电动机。

直流伺服电动机具有良好的调速特性，对伺服电机的调速性能要求高的设备中，大都采用DC伺服电动机驱动。

直流伺服电动机的工作原理主要基于：

电磁力定律：载流导体在磁场中要受到电磁力作用

电磁感应定律：当导体在磁场中运动并切割磁力线时，导体中要产生感应电动势

目前数控机床进给驱动中采用的直流电动机主要是大惯量宽速直流伺服电动机，占主导地位的是永久磁铁励磁式电动机

直流伺服电动机结构较复杂，电刷、换向器需经常维护，电机转速受限，AC克服此缺点，因此AC伺服电动机有取代DC伺服电动机的趋势

三、永磁交流伺服电机结构：定子、转子、检测元件

工作原理：定子绕组接上三相交流电，产生旋转磁场，旋转磁场吸引转子同步旋转。

矢量控制：

直流伺服电机的调速性能好，控制简单（线性），如果能模拟直流电动机，使交流电机具有与直流电机近似的优良特性。为此，需将三相交变量转换为与之等效的直流量，然后按直流电动机的控制方法对其进行控制。

直流主轴电动机的结构和普通直流电动机的结构基本相同，其主要区别是：在主磁极上除了绕有主磁极绕组外，还绕有补偿绕组，以便抵消转子反应磁动势对气隙主磁通的影响，改善电动机的调速性能；直流主轴电动机都采用轴向强迫通风冷却或热管冷却，以改善冷却效果。直流主轴电动机的基本速度以下为恒转矩范围，在基本速度以上为恒功率范围。直流主轴电动机采用双域调速系统调速。永磁直流伺服电动机的定子磁极是一个永磁体，其转子分为普通型和小惯量型两类。普通型转子永磁直流电动机和小惯量型转子直流电动机各有其自己的特点。永磁直流伺服电动机需用特性曲线和数据表描述其性能。用于数控机床进给伺服系统中的永磁直流伺服电动机主要采用晶体管脉宽调制调速系统调速。

交流主轴电动机是经过专门设计的鼠笼式三相异步电动机。与直流主轴电动机相类似，在基本速度以下为恒转矩区，在基本速度以上为恒功率区。恒功率的速度范围只有1：3的速度比，当速度超过一定值后，功率-速度特性曲线会向下倾斜。交流主轴电动机广泛采用矢量控制调速方法进行速度控制。永磁同步交流伺服电动机的定子与普通感应电动机的定子相似，不过其外表面呈多边形，且无外壳，转子由多块永久磁铁和冲片组成。与直流伺服电动机一样，交流伺服电动机的性能也需用数据表和特性曲线来描述。永磁同步交流伺服电动机可以通过改变电动机电源频率来调速。

四直线电机驱动技术

　　直线电机在机床进给伺服系统中的应用，近几年来已在世界机床行业得到重视，并在西欧工业发达地区掀起"直线电机热"。

　　在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又被称为"零传动"。正是由于这种"零传动"方式，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。

　　1. 高速响应由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件（如丝杠等），使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。

　　2. 精度直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高机床的定位精度。

　　3. 动刚度高由于"直接驱动"，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传动刚度。

　　4. 速度快、加减速过程短由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车（时速可达500Km/h），所以用在机床进给驱动中，要满足其超高速切削的最大进个速度（要求达60～100M/min或更高）当然是没有问题的。也由于上述"零传动"的高速响应性，使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度，一般可达2～10g（g=9.8m/s2），而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1～0.5g。

　　5. 行程长度不受限制在导轨上通过串联直线电机，就可以无限延长其行程长度。

　　6. 运动动安静、噪音低由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。

　　7. 效率高由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动效率大大提高。

直线传动电机的发展也越来越快，在运动控制行业中倍受重视。在国外工业运动控制相对发达的国家已开始推广使用相应的产品，其中美国科尔摩根公司（Kollmorgen）的 PLATINNM DDL系列直线电机和SERVOSTAR CD系列数字伺服放大器构成一种典型的直线永磁伺服系统，它能提供很高的动态响应速度和加速度、极高的刚度、较高的定位精度和平滑的无差运动；德国西门子公司、日本三井精机公司、台湾上银科技公司等也开始在其产品中应用直线电机。

4.3 伺服系统中的检测元件

一、伺服系统对检测元件的主要要求

6） 1、工作可靠，抗干扰能力强

7） 2、能满足精度和速度的要求

8） 3、使用维护方便

9） 4、易于实现高速的动态测量和处理，易于实现自动化

5、成本低

二、检测元件分类：

分类：

1、数字式测量和模拟式测量

2、增量式测量和绝对式测量

3、直接测量和间接测量

电磁式测量位移装置：旋转变压器、感应同步器、磁尺

光电式位移测量装置：编码盘、光栅

旋转变压器、感应同步器、

脉冲编码器：

、

1 标尺光栅

2 指示光栅

3 光电接收器

4 光源

光栅、

磁尺：用磁性标尺代替光栅，用电磁方法计数磁波数目的一种测量方法。

测速发电机

表4-1 数控机床常用检测系统精度

测量系统名称	信号周期（节距）	分辨率	精度	代表厂商
光栅	20μm	0.1μm	±2μm	德国HEIDENHAIN
感应同步器	2000μm	5μm	±20μm	美国FARRAND
磁栅	200μm	1μm	±10μm	日本SONY
容栅	50μm	10μm	±10μm	瑞士TRIMOS
球栅	12.7μm	5μm	±30μm	英国NEWALL
激光He-Ne	λ＝0.6328μm	λ/16		美国HP

旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函数关系的感应式微电机。从物理本质上看，旋转变压器是一种可以转动的变压器。它由定子和转子组成，其原、副绕组分别放置在定、转子上，原、副绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角有关。因此，当它的原绕组施加单相交流电压励磁时，副绕组输出电压的幅值将与转子转角有关。旋转变压器有多种分类方法：若按有无电刷来分，可分为接触式和无接触式两种；若按极对数来分，可分为单对极和多对极；若按用途来分，可分为计算用旋转变压器和数据传输用变压器；若按输出电压与转子转角间的函数关系来分，可分为正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器以及特殊函数旋转变压器等四类。
脉冲编码器也叫光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前在机床上应用最多的传感器，根据它产生脉冲方式的不同，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。其中增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90o，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。而绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。它的特点是：①可以直接读出角度

坐标的绝对值；②没有累积误差；③电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。而混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。
用于机床的位置测量并已得到广泛应用的有光栅、感应同步器、容栅、磁栅、球栅和激光。它们的检测精度及其代表厂商如表4－1所示。从表49－1可见，除激光外，光栅尺的分辨率和精度均高于其他四种测量系统，而在系统的稳定性、可靠性、使用方便及价格方面均比激光测量系统有着明显的优势。因此，在90年代，国际市场上的数控机床（指闭环控制结构），包括三坐标测量机所采用的测量系统80％以上都使用光栅。高精度的光栅测量系统，其分辨率可做到纳米级，精度可达±0.2μm。
光栅的种类很多，在玻璃的表面上制成透明与不透明间隔相等的线纹，称作透射光栅；在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的线纹，称作反射光栅；也可把线纹做成具有一定衍射角度的定向光栅；根据用途，可分为测量直线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅。其中以玻璃衍光栅的精度为最高。目前世界上能生产光栅测量系统的国家很多，HEIDENHAIN、雷尼绍公司，以德国的HEIDENHAIN公司为著名，它无论在技术、品种、产量和市场占有率上都处于绝对领先地位。