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6.2.5　步进电动机的选用 首先，应考虑系统的精度和速度的要求。为了提高精度，希望脉冲当量小。但是脉冲当量越小，系统的运行速度越低。故应兼顾精度与速度的要求来选定系统的脉冲当量。在脉冲当量确定以后，又可以此为依据来选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。 步进电动机的步距角从理论上说是固定的，但实际上还是有误差的。另外，负载转矩也将引起步进电动机的定位误差。我们应将步进电动机的步距误差、负载引起的定位误差和传动机构的误差全部考虑在内，使总的误差小于数控机床允许的定位误差。 步进电动机有两条重要的特性曲线，即反映起动频率与负载转矩之间关系的曲线和反映转矩与连续运行频率之间关系的曲线。这两条曲线是选用步进电动机的重要依据。一般将反映起动频率与负载转矩之间关系的曲线称为起动矩频特性，将反映转矩与连续运行频率之间关系的曲线称为工作矩频特性。 6.3　进给伺服电动机 6.3.1 进给伺服电动机的负载计算 数控机床进给系统的伺服电动机是根据负载条件来进行选择的。加在电动机轴上的负载有两种：负载转矩和负载惯量。负载转矩包括切削转矩和摩擦转矩。 1. 负载转矩的计算 加到电动机轴上的负载转矩通常由下述方程式计算： 2. 进给伺服电动机惯量与负载惯量的匹配 (1) 加速转矩Ma等于加速度a乘以总惯量J(电动机惯量+负载惯量)，即Ma=aJ。 (2) 数控机床进给系统是由伺服电动机通过齿轮传至滚珠丝杠(或其他末端传动元件)带动工作台和工件作往复直线运动，当物体起、制动时(作加、减速运动)，齿轮与齿轮接触面换向，这时加到各齿轮轴上的转矩为加速转矩，也可称为惯量转矩。 6.3.2　直流伺服电动机的特点与工作原理 永磁式宽调速直流电动机除了具有一般电动机的性能之外，还具有以下的特点： (1) 高性能的铁氧体具有大的矫顽力和足够的厚度，能够承受高的峰值电流，以满足快的加减速要求； (2) 大惯量结构使其具有大的热容量，可以允许较长的过载工作时间； (3) 低速高转矩特性和大惯量结构，使其可以与机床进给丝杠直接连接； (4) 一般没有换相极和补偿绕组，通过仔细选择电刷材料和精心设计磁场分布，可以使其在较大的加速度下仍具有良好的换相性能； (5) 绝缘等级高，从而保证电动机在反复过载的情况下仍有较长的寿命； (6) 在电动机轴上装有精密的速度和位置检测元器件，可以得到精密的速度和位置检测信号，因此可以实现速度和位置的闭环控制。 6.3.2　直流伺服电动机的特点与工作原理 1. 直流PWM调速的基本原理 利用大功率晶体管(简称GTR)作为斩波器，其电源为直流固定电压，开关频率也为常值，根据控制信号的大小来改变每一周期内“接通”和“断开”的时间长短，即改变“接通”脉宽，使直流电动机电枢上电压的“占空比”改变，从而改变其平均电压，完成电动机的转速控制，这就是直流PWM调速的基本原理。 如图6.14所示，直流电动机电枢两端电压u(t)是一串方波脉冲。 2. CNC系统与速度控制单元的联系信号 (1)位置环准备好信号PRDY。 (2)速度控制单元准备好信号VRDY。 (3)使能信号ENBL。 3. 速度控制单元的组成及其功用 图6.15为直流伺服电动机的速度控制单元电气回路组成框图。由图可见，速度控制单元由以下几部分组成： (1)速度调节器 (2)电流调节器 (3)PWM调制器 (4)驱动电路 (5)晶体管直流斩波器 (6)直流伺服电动机及其速度检测元件 4. 晶体管直流斩波器 直流PWM速度控制单元的主回路就是大功率晶体管直流斩波器，它的作用是将 图6.14中的直流电源电压Um变成宽度可调的方波脉冲，然后施加到电动机电枢两端。 5. 脉冲宽度调制器 脉冲宽度调制器是产生PWM脉冲的环节，它产生的PWM脉冲经驱动电路放大后，驱动主回路(晶体管斩波器)中的大功率晶体管。这里介绍一种在实际的速度控制单元中经常采用的倍频式脉宽调制器(与前述的倍频式晶体管斩波器相对应)。 图6.16是倍频式脉宽调制器的组成原理示意图。 6.3.3　直流伺服电动机的选用 图6.18是FB-15型直流伺服电动机的“转矩-转速”特性曲线。 选用直流伺服电动机的原则主要有下面四条： (1)当机床在无切削运行时，在整个速度范围内，其负载转矩应在电动机连续额定转矩范围以内。 (2)最大切削转矩的倍数设定(工作载荷百分比和工作时间)应在电动机的载荷特性所规定的范围内。 (3)在加减速时，应当工作在加减速工作区内。在加减速时，总的转矩为负载转矩和惯性转矩之和，惯性转矩的大小取决于加速度的大小和负载惯量的大小，而加速度的大小又取决于希望的加速时间。 (4)负载惯量对电动机灵敏度和快速移动时间有很大影响，一般来说，负载惯量必须不大于电动机转子惯量的三倍。 6.3