数控技术及应用》第6章：数控机床的电气驱动.ppt

第6章 数控机床的电气驱动 数控机床动力源的性能直接关系到数控机床的 性能，本章主要介绍数控机床动力源普遍使用 的电动机，包括作为进给驱动的步进电动机、 直流伺服电动机和交流伺服电动机以及作为主 轴驱动的交流感应电动机。 2 6.1 数控机床动力源的类型 机床的动力源可以是气动、液压或电动的， 在数控机床中多使用电动机作为动力源。机 床动力源根据用途可分为三种类型：提供切 削速度的主轴驱动动力源，进给驱动动力源 ，以及辅助运动驱动动力源。 3 6.1.1 主轴驱动动力源 驱动主运动的动力源必须为主轴提供能量和较高的速度，因为电 动机可以在很宽的工作范围内经济地提供足够的能量和速度，因 此大部分数控机床的主运动由电动机驱动，而不用液压马达驱动 。 在20世纪80年代末期，已经出现了主轴转速高达20000r/min的车 床，在这么高的转速下，主轴轴承采用特殊的陶瓷轴承。为了实 现高速主轴的无接触支承，还致力于开发电磁轴承。主轴最高转 速受电动机功率、所采用的轴承以及润滑系统等几个方面的限制 。 交流感应电动机是最可靠、维护最简单、并且最经济的一种电动 机，三相交流电动机改变转向也比较容易，如果使用极对数可变 的电动机，还可以获得350，700，1400，2800r/min等四个转速 等级。 自1984年以来，由于变频调速技术的发展，变频调速交流感应电 动机的使用越来越多。在需要调速的场合，通常使用直流电动机 。直流电动机可以在无级调速时输出足够的功率。为了将交流电 转换成直流电并且获得所需的速度，使用晶闸管进行可控整流。 4 6.1.2 进给驱动动力源 在普通机床中，通常由主轴带动齿轮链驱动进给运动 。在数控加工中，由于需要使工件或刀具按一定的进 给速度移动精确的距离，所以进给运动就不能由主轴 带动齿轮链驱动了。刀具或工件的运动有两种独立的 要求： (1)在切削加工时，刀具或工件的实际位置总是要尽可能接 近参考信号的位置； (2)除了加工螺纹，进给速度不需要精确控制。 与主轴驱动动力源相比，进给驱动动力源的功率要小 得多，一般1kW就足够了。此外，进给运动的速度比 切削运动慢得多，一般工进是5200mm/min，快进 是5m/min。 5 6.1.3 辅助运动驱动动力源 通常使用交流感应电动机作为辅助运 动驱动动力源，这些辅助运动包括冷 却泵、除屑、驱动液压马达等，在这 些应用场合，只需要进行开/关控制。 6 6.2 步进电动机 步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉 冲信号转换成相应的角位移的电动机。步进电动机转 动的角位移量和转速分别与电脉冲数和电脉冲频率成 正比。通过调节电脉冲数和电脉冲频率，就可以控制 步进电动机的角位移和转速。有的步进电动机在停机 后，还可以具有自锁能力。步进电动机每转过一周都 有固定的步数，从理论上说不会产生步距误差的累积 。步进电动机的最大缺点是容易失步(失步包括丢步和 越步。丢步是指转子前进的步数小于电脉冲数；越步 是指转子前进的步数多于电脉冲数)，特别是在大负载 和转速较高时，更容易发生失步，同时步进电动机输 出的功率也不太大。 目前，步进电动机主要用于经济型数控机床的进给驱 动。 7 6.2.1 步进电动机的分类 步进电动机分为反应式和混合式两大类 反应式步进电动机的转子是由一般铁磁性材料制作的，而 混合式步进电动机的转子带有永久磁钢。反应式步进电动 机又称磁阻式步进电动机，根据不同的分相结构形式，又 分为单段反应式步进电动机和多段反应式步进电动机。单 段反应式步进电动机是按径向分相的，而多段反应式步进 电动机是按轴向分相的，以单段反应式步进电动机的使用 最为广泛。 与反应式步进电动机相比，混合式步进电动机的转矩体积 比大，而且混合式步进电动机的步距角容易做得比较小， 因此在工作空间受到限制、同时又需要小步距角和大转矩 的应用场合，常常选用混合式步进电动机。 此外，混合式步进电动机在绕组未通电时，转子永久磁钢 能产生自动定位转矩，虽然这一转矩比绕组通电时产生的 转矩小得多，但它能使断电时转子保持在原来的位置，这 是一种非常有用的特性。对于反应式步进电动机而言，由 于其转子上没有永久磁钢，所以转子的机械惯量比混合式 步进电动机转子惯量低，可以更快地加、减速。 8 6.2.2 步进电动机的工作原理 图6.1为说明三相反应式步进电动机的工作原理示意图。它的定 子上有六个极，每极上都装有控制绕组，每两个相对的极组成 一相。 转子上有四个均匀分布的齿。当A相绕组通电时，因磁通总是要沿着磁 阻最小的路径闭合，使转子齿1、3和定子极A、A对齐，如图6.1(a)所示 。 A相断电，B相绕组通电时，转子将在空间转过s角，s=30，使转子 齿2、4和定子极B、B对齐，如图6.l(b)所示。 如果再使B相断电，C相绕组通电时，转子又将在空间转过30 角，使转 子齿1、3和定子极C、C对齐，如图6.1(c)所示。 如此循环往复，并按ABCA的顺序通电，电动机便按一定的方向 转动。 9 6.2.2 步进电动机的工作原理 三相步进电动机除了单三拍通电方式外，还经常工作在三相单、双六拍通电 方式。这时通电顺序为：AABBBCCCAA，或为 AACCCBBBAA。 在这种通电方式时，步进电动机的步距角与“单三拍”时的情况有所不同，参 见图6.2。 当A相绕组通电时，和单三拍运行的情况相同，转子齿1、3和定子极A、A对齐 ，如图6.2(a)所示。 当A、B相绕组同时通电时，转子齿2、4又将在定子极B、B的吸引下，使转子 沿逆时针方向转动，直至转子齿1、3和定子A、A之间的作用力被转子齿2、4和 定子极B、B之间的作用力所平衡为止(图6.2(b)。 当断开A相绕组而只有B相绕组接通电源时，转子将继续沿逆时针方向转过一个 角度使转子齿2、4和定子极B、B对齐(图6.2(c)。 10 6.2.2 步进电动机的工作原理 图6.3为小步距角步进电动机的展开图。其中定子有6个 极，转子有40个齿。当A极下的定、转子齿对齐时，B 极和C极下的齿就分别和转子齿相错三分之一的转子齿 距。 反应式步进电动机的转子齿数zr基本上由步距角的要求 所决定。但是为了能实现上述“自动错位”，转子的齿 数就必须满足一定条件，而不能为任意数值。 11 6.2.3 步进电动机的运行性能 1. 静态特性 所谓静态是指步进电动机不改变通电状态，转子不 动时的状态。步进电动机的静态特性主要指静态矩 角特性和最大静态转矩特性。 2. 动态特性 步进电动机运行时总是在电气和机械过渡过程中进 行的，因此对它的动态特性有很高的要求，步进电 动机的动态特性将直接影响到系统的快速响应及工 作的可靠性。 12 6.2.4 步进电动机的驱动电源 常见的驱动电源主要有三种类型：高低压双电源型、恒流斩波型和调频调压型。这 三种类型的驱动电源通过不同的方式来改善电动机绕组电流波形。 1. 高低压双电源型 高低压双电源型脉冲功率放大器的特点是：开始时先接通高压，以保证电动机 绕组中有较大的冲击电流流过。然后再截断高压，由低压供电，以保证电动机 绕组中稳态电流等于额定值，简单地说就是“高压建流，低压定流”。 2. 恒流斩波 步进电动机在运行的过程中，定子齿和转子齿相对位置不断发生变化，因而在 绕组中产生了旋转电动势，这将导致绕组电流波形的顶部下凹。如图6.12所示 。 3. 调频调压型 如果能设法使绕组的供电电压随着运行频率的升高而一起升高，以维持绕组在 不同频率的导电周期内电流平均值基本相同，这样也可以达到在高频运行时， 动态转矩不明显下降的目的。 4. 三种脉冲功率放大器的比较 “高低压双电源型”脉冲功率放大器是一种最基本的驱动放大器，其电路比较简 单，成本低。 采用“恒流斩波型”脉冲功率放大器是为了解决电动机绕组电流顶部凹陷的问题 。在电动机的运行频率较低时，“恒流斩波型”脉冲功率放大器的应用效果是很 好的，但是在电动机以较高的频率运行时，它的应用效果将变差。 “调频调压型”脉冲功率放大器通过“低频低压，高频高压”的办法来同时兼顾电 动机在高、低运动频率时对电动机绕组电压的要求，这种脉冲功率放大器，有 效地提高了电动机在以较高频率运行时的转矩。 13 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。 14 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。 15 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。 16 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 17 6.3.2 直流伺服电动机的特点与工作原理 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。 18 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。 19 6.3.4 交流伺服电动机的特点与工作原理 1. 交流进给伺服电动机的基本结 构和类型 交流进给伺服电动机的基本结 构如图6.19所示。定子上放置 了三相对称绕组，而转子则是 永磁体，一般采用稀土磁钢制 成，故称为稀土永磁电动机。 2. 无刷直流电动机及其速度控制 单元 (1)无刷直流电动机的结构 各相绕组分别与电子换向 器电路中的晶体管开关相 连接，如图6.20所示。 (2)转子位置检测器：转子位置 检测器有多种不同的结构形式 ，大致可分为： 光电式。 电磁式。 接近开关。 (3)无刷直流电动机的调速方式 及其速度控制单元 20 6.4 数控机床主轴电动机 前几节主要介绍了数控机床进给伺服系统的一 般问题，也介绍了用于进给驱动的直流和交流 电动机调速系统的基本原理与结构。主轴驱动 与进给驱动相比有相当大的差别，但就主轴驱 动的速度控制系统而言，无论交流调速或是直 流调速，与进给驱动系统并无实质的差别。所 以本节不再详细叙述主轴直流或交流调速系统 的问题，而仅就主轴驱动的特殊问题加以说明 。 21 6.4.1 数控机床主轴驱动的特殊问题 主轴控制涉及数控机床的G、S、M、T控制功能，故对主轴电 动机提出了以下两项要求。 主轴应输出大功率。为了满足生产率的要求，通常主传动电动 机应有2.5250kW的功率范围，因此，对功率驱动电路提出了 更高的要求。 调速范围要足够大。一般要求能在l(1001000)范围内的恒转 矩调速，110的恒功率调速，并能实现四象限驱动功能。 为了满足上述数控机床对主轴驱动的要求，主轴电动机应具备 以下性能： (1)电动机功率要大，且在大的调速范围内速度要稳定，恒功率调速范 围宽； (2)在断续负载下电动机转速波动要小； (3)加速、减速时间短； (4)温升低、噪声小、振动小、可靠性高、寿命长、易维护、体积小、 重量轻； (5)电动机过载能力强。 22 6.4.1 数控机床主轴驱动的特殊问题 有的主轴电动机轴上还装有测速发电机或光电脉冲发生器、脉 冲编码器等作为转速和主轴位置的检测元件。 1. 主轴定向准停控制 对于某些机床，为了换刀时使机械手对准抓刀槽，主轴必须停在固定 的径向位置。在固定切削循环中，有的要求刀具必须在某一径向位置 才能退出，这就要求主轴能准确地停在某一固定位置上，这就是主轴 定向准停功能。 2. 主轴的旋转与坐标轴进给的同步控制 在螺纹加工中，为保证切削螺纹的螺距，必须有固定的起刀点与退刀 点。螺纹螺距多数为常数，但螺距为有规律的递增或递减的变螺距螺 纹的使用也越来越多。加工螺纹时，应使带动工件旋转的主轴转数与 坐标轴的进给量保持一定的关系，即主轴每转一转，按所要求的螺距 沿工件的轴向坐标进给相应的脉冲量。 3. 恒线速切削控制 利用车床和磨床进行端面切削时，为了保证加工端面的粗糙度R0小于 某一值，要求工件与刀尖的接触点的线速度为恒值。 23 6.4.2 直流主轴电动机及其控制单元简介 直流主轴电动机为它励式直流电动机，其功率一般较大(相对于 进给伺服电动机而言)，运行速度可以高于额定转速。 直流主轴电动机的调速控制方式较为复杂，一般在额定转速以 下时，保持励磁绕组中励磁电流为额定值，通过改变电枢绕组 的端电压的办法调速；在额定转速以上时，则应保持电枢端电 压不变(为额定值)，通过改变励磁绕组中的励磁电流的办法调 速。 直流主轴电动机与直流进给电动机一样，都存在着换向的问题 ，换向是借助于换向器和电刷来完成的。 直流主轴电动机的换向极位于主磁极之间，正对着电刷的位置 ，设置换向极的目的是使其产生一个磁通，该磁通一方面要和 电枢反应在该处引起的磁通极性相反，另一方面还要使该磁通 增加到足以抵消自、互感抗电压。换向极绕组是和电枢电路串 联的。 24 6.4.3 交流主轴电动机及其控制单元简介 交流主轴电动机是一种具有笼式转子的三相感应电动机，也称 为三相异步电动机。这种电动机基于气隙旋转磁场与转子电路 中的感应电流相互作用产生电磁转矩。它与同步电动机不同， 其转速与同步转速(旋转磁场的转速)间存在一定的差异(即所谓 异步)，这是它产生转矩的必要条件。 交流主轴电动机的定子上对称放置了三相绕组，若使这三相绕 组中分别流过相位互差120 的三相正弦电流，则会产生一个旋 转的定子磁场。 对于交流主轴电动机来说，只有定子电流能被直接控制，可以 认为定子电流中包含了两个分量，其中的一个分量类似于直流 主轴电动机中的电枢电流，另一个分量类似于励磁电流。若能 把这两个分量分解开来，分别进行控制，则可以实现交流主轴 电动机的高精度和高性能的控制。 轴电动机控制单元的控制规律是很复杂的，为了了解其工作原 理，必须从矢量变换的基本理论入手。如有需要，读者可参阅 专门书籍。 25 6.5 习 题 (1)步进电动机有什么优缺点？它适用于什么场合？ (2)简