数控机床的伺服系统教学课件PPT.ppt

第5章数控机床的伺服系统 5 1概述 伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置或部件 是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统 在cnc机床中 伺服系统接收数控装置发出的速度控制量和进给位移量 经转换和放大 驱动工作台以指定的速度移动到指定位置 一 伺服系统的分类1 按控制对象和使用目的分类 1 进给驱动控制机床各坐标轴的切削进给运动 包括速度控制和位置控制 2 主轴驱动主要控制机床主轴在切削过程中的速度 对于有c轴功能的机床主轴 也需要位置控制 3 辅助驱动控制刀库 料库等辅助系统 多采用简易的位置控制 2 按伺服系统的结构分类 1 开环伺服系统无位置反馈的系统 驱动元件主要是功率步进电机或电液脉冲马达 特点是结构简单 易于控制 但精度差 低速不平稳 高速扭矩小 2 闭环伺服系统由位置控制单元 速度控制单元 驱动元件 工作台 检测装置组成 特点是反馈测量装置精度高 所以各种误差都可以得到补偿 提高了跟随精度和定位精度 3 半闭环伺服系统检测装置安装在驱动元件或中间传动部件的轴上 因此是间接测量 目前数控设备大多数使用半闭环伺服系统 二 对伺服系统的要求1 对机床进给伺服系统的要求 1 高精度 2 稳定性好 3 快速响应 4 电机调速范围宽 5 低速大转矩 6 可靠性高 2 对主轴伺服系统的要求主轴伺服系统一般为速度控制系统 除前面的一般要求外 还具有下面的控制功能 1 主轴与进给驱动的同步控制 2 准停控制 3 角度分度控制另外 对伺服系统的执行元件 伺服电机也相应提出高精度 快反应 宽调速和大转矩等要求 三 伺服系统的发展过程第一阶段 20世纪70年代以前 以电液伺服系统和步进伺服系统为主 第二阶段 20世纪70 80年代中期 直流伺服逐渐占据主导地位 第三阶段 80年代以后 由于交流伺服电机的结构 控制理论及控制方法均有突破性的进展 交流伺服系统得到迅速发展 5 2步进电机伺服系统 一 步进电机工作原理及种类1 步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理 即当某相定子激磁后 它吸引转子 使转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐 当 相绕组通直流电时 相产生磁场 吸引转子使转子的齿与定子 磁极上的齿对齐 断电 通电 转子的齿与 磁极上的齿对齐 断电 通电 若控制线路不停的按 顺序送电脉冲 步进电机就转动起来 顺序相反则电机反转 此方式称为三相三拍 步距角为60 步距角 步进电机绕组的通电状态每改变一次 其转子转过的角度 还有三相六拍 即a ab b bc c ca a 步距角为30 定子不变 转子变为四个磁极 则 当三相三拍时 步距角为30 当三相六拍时 步距角为15 实际步进电机定子和转子齿数很多 齿数越多步距角越小 但定子各极的齿依次与转子的齿错开齿距的1 m m为电机相数 可以得到如下结论 1 步进电机的步距角 与定子绕组的相数 转子的齿数 通电方式 有关 可用下式表示 式中 相 拍时 1 相 拍时 2 一般为0 75 3 2 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 3 通电状态的变化频率越高 转子的转速越高 2 步进电机的分类根据磁场建立方式 可分为以下三种 1 反应式步进电动机定子 转子铁芯都用软磁材料制造 定位精度可以做得很高 步矩角可以较小 工作时完全靠磁阻的变化产生工作转矩 此类步进电机一旦断电就完全失去工作力矩 2 永磁式步进电动机定子 转子铁芯的其中之一以永磁材料制造 大多数是转子 另一件用软磁材料 3 混合式步进电动机是反应式与永磁式步进电动机的混合 它可以实现断电以后获得一定数量的剩余转矩 还可以使步距角很小 二 步进电动机的主要特性1 静态矩角特性和最大静转矩当步进电动机在某相通电时 在电机轴上施加一个负载转矩 转子会转过一个角度 转子受一个电磁转矩t作用与负载平衡 该电磁转矩t称为静态转矩 该角度 称为失调角 静态转矩随失调角的变化曲线称为矩角特性 曲线上电磁转矩最大值称为最大静转矩 2 最高空载起动频率在空载条件下 步进电动机能够正常起动可以施加的最高脉冲频率 起动时指令脉冲频率应小于起动频率 否则将产生失步 步进电动机在带负载下的起动频率比空载要低 3 最高空载运行频率在空载条件下 步进电动机进入正常工作状态后 能够维持不丢步运行的最高频率 它通常是最高起动频率的4 10倍 4 运行矩频特性是描述步进电动机在连续运行时 输出转矩与连续运行频率之间的关系 它是衡量步进电机运转时承载能力的动态指标 图中每一频率所对应的转矩称为动态转矩 随着运行频率的上升 输出转矩下降 承载能力下降 三 步进电动机的基本工作状态步进电动机的基本工作状态可分为静态 稳态 过渡状态三种 1 静态是指步进电动机某相通以恒定的电流 使转子处于固定位置的状态 在静态时 绕组中的电流最大 有时会产生发热现象 2 稳态是指步进电动机在某一固定频率下恒速运转状态 它分为以下三个区 1 低频区步进电动机工作于较低的频率区内 在这个范围内 步进电动机转子每转动一步的时间比换相周期小 在低频区工作的步进电动机会引起较大的振动并影响精度 低频步进示意图 2 共振区当频率在接近转子的共振频率或在共振频率整数倍的区域为共振区 在这个区内会产生较大的振动 3 高频区这是高于共振区的频率区间 在这个区间内步进电动机能正常工作 3 过渡状态是指步进电动机从一种工作状态转变到另一工作状态 过渡过程中频率变化差值应小于起动频率 四 步进电动机驱动电路主要由输入脉冲信号隔离接口 环形分配环节和功率放大电路等部分组成 1 光电耦合隔离接口 光电耦合隔离电路 数控装置输出的脉冲控制信号在和步进电动机的驱动电路相联接时 都必须设置一个光电耦合隔离接口 以防止外部驱动电路对计算机内部极敏感集成电路的干扰和损坏 2 脉冲的环形分配器有硬件和软件两种实现方式 1 硬件环形分配器 它可由d触发器和jk触发器构成 亦可采用专用集成芯片或通用可编程逻辑器件 图为三相步进电动机六拍工作时的环形分配器 它由与非门和jk触发器组成 2 软件环形分配软件环形分配是由计算机的内部工作程序来完成 因此它应放在光电耦合隔离电路之前 软件环形分配器的设计方法有多种 这里介绍常用的查表法软件环形分配器 软件环形分配伺服系统框图 环形分配器的输出状态如下表所示 表中的内容即步进电机的励磁状态 与接口的接线紧密相关 软件环形分配器简化了驱动电路的硬件 但占用系统运算时间 故用的比较多的还是硬件环形分配器 3 功率放大电路从环形分配器输出的进给控制信号的电流只有几毫安 而步进电机的定子绕组需要几安培的电流 因此需要对从环形分配器输出的进给控制信号进行功率放大 功率放大器要能尽快建立激磁绕组的工作电流 保持激磁绕组中的额定工作电流 断电后在最短时间内消除剩余电流的影响 介绍几种功率放大电路 1 简单限流电阻电路用开关型三极管作为导通 切断工作电流的控制元件 在电压施加于功率放大电路的瞬间 激磁绕组两端直接以额定电压起动 随着电流逐渐建立和增大电压降增高 最后达到稳态的额定工作电流 2 增加续流二极管电路 在电路中并联一个反向二极管 用来释放断电后激磁绕组内部出现的惯性电流 续流电流 3 并联增流电容电路 为使激磁绕组在通电瞬间的工作电流建立得更加迅速 可在限流电阻的两端再并联上一个大电容来减小回路的动态阻抗 而稳态工作时的阻抗仍然仅为限流电阻本身 4 双电压工作电路 安排两种供电电压 分别承担高压起动和在额定电流下工作的任务 则可以提高驱动电路的工作效率 为防止高压电路对低压电路的 窜入 在低压输入端串联一个保护二极管d 4 步进电动机的细分驱动技术把额定电流分成n个台阶进行通电 转子就以n个通电台阶所决定的步数来完成原有一个步距角所转过的角度 步距角 脉冲1 n步距角 脉冲把原来一个步距角细分成n份 从而提高步进电动机的精度 把这种控制方法称为步进电动机的细分控制 三相步进电动机双三拍细分时各相电流时序图 步进电动机细分后 由n微步来完成原来一步距所转过的角度 所以通过细分驱动可得到更小的脉冲当量 因而提高了定位精度 由于绕组电流均匀地递增或递减 避免了电流冲击 基本消除了步进电动机低速振动 使步进电动机低速动转平稳 无噪声 5 3直流伺服电动机及其速度控制 以直流伺服电机作为驱动元件的伺服系统称为直流伺服系统 一 直流伺服电机的结构和种类1 小惯量直流伺服电动机转子直径较小 使电枢的转动惯量较小 特点是响应速度快 有利于工作中频繁启停 运转时的均衡性好 低速时无爬行现象 主要用在进给伺服系统中 2 大惯量直流伺服电动机其结构与普通直流电动机比较相似 电动机转子的惯量较大 负载的变化及不稳定对系统影响较小 这种直流电动机用在主轴伺服系统中较多 二 直流电动机工作原理及特性1 直流电动机工作原理直流电动机由磁场 定子 电枢 转子 电刷和换向片三部分组成 通电导线在磁场中要受到力的作用 大小为 方向用左手定则判断 当磁场由永磁材料形成时 磁场强度一定 直流电动机的输出转矩为 其中 直流电动机的输出转矩 与结构及磁场性质相关的转矩常数 电枢线圈中通过的电流直流电动机的输出转矩与电枢线圈的电流成线性比例关系 直流电动机处于某工作转速时 电枢线圈在定子磁场中的转动相当于导体作切割磁力线的运动 根据楞次定律 将产生感应电动势 其中 电枢线圈所产生的反电势 与结构及磁场性质相关的电磁常数 直流电动机的工作转速 施加在电枢线圈上的电压主要用以克服反电势 但由于电枢线圈本身必然有电阻 也要耗散一部分能量 故外加的电压为 其中 电枢线圈本身的电阻 将上面三式联立后得出以下关系 上式综合表述了稳态条件下直流电动机的输出转矩 施加在电枢线圈上的电源电压 工作转速以及电动机自身结构和性能参数之间的关系 2 直流电动机的机械特性和调速特性及调速原理机械特性图显示 直流电动机工作转速主要取决于施加于电枢线圈上的电源电压 调速特性图说明 对电枢线圈所施加的电源电压与工作转速之间是线性关系 直流电动机的机械特性和调速特性 直流伺服电动机速度控制方式 1 电枢电压控制通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转速和输出转矩 特点是转速和电压呈直线关系 调速过程平稳 2 励磁磁场控制通过改变励磁电流大小来改变定子磁场强度 从而控制电动机的转速和输出转矩 三 晶闸管调速系统晶闸管是一种大功率的半导体器件 导通条件 除了在阳极 阴极间加上正向电压外 还要在控制极 阴极间加正向触发电压 这样晶闸管才能导通 否则就处于阻断状态 晶闸管的代表符号 图 单相晶闸管整形放大电路图 变压器副边绕组上的电压波形图 转子线圈上的电压波形图 控制极触发脉冲的相位角 单相桥式晶闸管整形放大电路 该系统由内环 电流环 外环 速度环和可控硅整流放大器等组成 内环的作用 由电流调节器对电动机电枢回路中引起滞后作用的某些时间常数进行补偿 使动态电流按所需的规律变化 晶闸管直流调速单元结构框图 直流晶闸管调速系统的工作原理如下 1 当速度指令信号增大时 速度调节器输入端偏差信号加大 输出信号也增加 电流调节器输入和输出同时增加 使触发器的输出脉冲前移 角减小 电枢回路电压增高 电动机转速上升 2 当电网电压产生波动时 如电压减小 主回路电流随之减小 3 当速度给定信号为一个阶跃信号时 电流调节器输入一个很大的值 但其值已达到速定的饱和值 四 晶体管脉宽调制 pwm 调速控制晶体管开关特性好 控制电路简单 而且晶体管的耐压性能已大大提高 因此 在中 小功率直流伺服系统中 此方式驱动系统已得到广泛应用 1 直流电动机的pwm调速原理使功率晶体管工作于开关状态 开关频率恒定 用改变开关导通时间的方法来调整晶体管的输出 使电动机两端得到宽度随时间变化的电压脉冲 电枢两端的平均电压为 开关周期 每次导通的时间 脉宽调制示意图 2 电压脉宽调制器脉宽调制器的任务是将连续控制信号变成方波脉冲信号 作为功率转换电路的基极输入信号 控制直流电动机的转速和转矩 脉宽调制器结构上是由调制信号发生器和比较放大器两部分组成 调制信号发生器都是采用三角波发生器或是锯齿波发生器 三角波脉冲宽度调制器原理图 pwm脉宽调制波形图 3 开关功率放大器开关功率放大器是脉宽调制速度单元的主回路 其结构形式有两种形式 一种是h型 也称桥式 另一种是t型 每种电路又有单极性工作方式和双极性工作方式之分 而各种不同的工作方式又可组成可逆开关放大电路和不可逆开关放大电路 h型桥式pwm功率放大器电路原理图 按照控制指令不同情况 功率放大电路及其所驱动的电机可以有以下4种工作状态 1 当uc 0时 电动机不转 2 当uc 0时 导致电动机正转 并且 随着uc增加 转速亦增加 3 当uc 0时 导致电动机反转 并且 随着uc减小 转速增加 4 当uc utf 2或uc utf 2时 电动机在最高转速下正转或反转 5 4交流伺服电动机及变频调速 直流伺服电动机 电刷和换向器易磨损 有时产生火花 而且结构复杂 制造成本较高 交流伺服电动机 结构简单 动态响应好 输出功率较大 因而在数控机床上被越来越广泛应用 一 交流伺服电动机的种类和工作原理1 永磁式交流伺服电动机永磁式交流伺服电动机由定子 转子组成 一般都带有检测元件 它相当于交流同步电动机 常用于进给伺服系统 设转子转速为 电源交流电的频率 定子和转子极对数 旋转磁场转速 2 感应式交流伺服电动机它是基于感应电动机的结构而专门设计的 在定子绕组通以交流电时 产生的旋转磁场会切割转子中的导体 导体感应电流与定子磁场相作用产生电磁转矩 推动转子转动 其转速为 同步转速 转子转速 供电电源频率 转差率 极对数 二 交流伺服电动机变频调速的主电路只要改变交流伺服电动机的供电频率 即可改变交流伺服电动机的转速 变频调速的主要环节是为电动机提供频率可变电源的变频器 变频器可分为两种 1 交 交变频器 2 交 直 交变频器 1 交 交变频器交 交变频利用可控硅整流器直接将工频交流电变成频率较低的脉动交流电 正组输出正脉冲 反组输出负脉冲 这个脉动交流电的基波就是所需的变频电压 但这种方法所得到的交流电中波动比较大 而且最大频率即为变频器输入的工频电压频率 2 交 直 交变频器它先将交流电整流成直流电 然后将直流电压变成脉冲波电压 这个矩形脉冲波的基波频率就是所需的变频电压 这种方式所得交流电的波动小 调频范围比较宽 调节线性好 数控机床上常采用交 直 交变频调速 三 spwm波调制原理1 spwm波spwm波调制称正弦波pwm调制 spwm波形的定义 把一个正弦半波n等分 然后把每一等分的正弦曲线与横坐标所围面积用一个与此面积相等的等高矩形脉冲代替 这样可得n个等高而不等宽的脉冲序列 2 一相spwm波调制原理 双极性spwm波调制原理 一相 在调制过程中可以是双极性调制 也可以是单极性调制 双极性调制能同时调制出正半波和负半波 而单极性调制只能调制出正半波或负半波 单极性spwm波调制波形图 3 三相spwm波的调制 三相spwm波调制原理框图 4 spwm变频器的功率放大 双极性spwm通用型功率放大主回路 四 交流伺服系统组成一个完整的交流伺服系统主要由变频电源和伺服电动机组成 1 变频电源因运行时其散热表面的温度可高达90 所以大多数要求壁挂立式安装 并在电源机壳内配有冷却风扇以保证热量得到充分的散发 多台变频电源安装在一起时要尽量避免竖排安装 如必须竖排则要在两层间配备隔热板 变频电源工作的环境温度不准超过50 交流伺服系统总体设备接线情况 2 变频电源的选用选用变频电源时 主要注意以下问题 1 电网供电方式条件许可时应优先考虑选用三相供电方式 2 控制频率的模式频率控制模式有模拟与数字两种 3 其他参数和功能的说明 运行状态显示 附加控制功能 监视与输出功能 故障与报警功能 5 5位置控制 位置控制是伺服系统的基本环节和运动精度的重要保证 位置控制分为开环 半闭环和闭环 按位置反馈和比较方式不同 可分为 1 相位比较伺服系统2 幅值比较伺服系统3 脉冲比较伺服系统4 全数字式伺服系统 一 相位比较伺服控制系统它是常用的一种位置控制系统 常用的检测元件是旋转变压器和感应同步器 并要工作在鉴相工作方式 它由基准信号发生器 脉冲调相器 鉴相器 位置和速度控制单元 功率放大器 检测元件及信号处理电路和执行元件组成 1 基准信号发生器作用是为伺服系统提供相位比较基准 2 脉冲调相器作用是将来自于插补器的进给脉冲信号转换成相位变化的信号 3 测量元件及信号