第七章 数控机床的伺服系统.ppt

第七章数控机床的伺服系统 第一节概述 数控机床的伺服系统是CNC插补器的输出 信号作为输入用来控制机床部件的位置和速度的自动控制系统 也称随动系统 进给拖动系统 伺服系统的输入量来自数控装置发出的进给脉冲或进给位移量 伺服系统的输出就是能直接驱动伺服电机所需的电压或电流 从而经伺服电机传动系统 使机床的工作台等产生精确的位移 伺服系统是数控系统的重要组成部分 伺服系统的性能在很大的程度上决定了数控机床的性能 例如 数控机床的最高移动速度 跟踪速度 定位速度等指标均与伺服系统的动态和静态性能有关 因此 伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一 数控机床伺服系统的一般结构如图7 1所示 这是一个双闭环系统 内环是速度环 外环是位置环 速度环中用作速度反馈的检测装置 目前大多数通过位置量的微分得到速度 速度控制单元由速度调节器 电流调节器及功率驱动放大器等组成 位置环是由CNC装置中的位置控制模块 速度单元 位置检测及反馈控制等组成 位置控制主要是对机床运动坐标轴进行控制使之满足一定的位置精度 速度控制在满足位置控制的前提下 按系统的参数与控制速度使之以最快响应且无超调满足进给要求 图7 1伺服系统的一般结构图 第二节伺服系统的基本性能指标的要求及分类 一 对性能指标的要求 1 控制精度高伺服系统的控制精度是指反映出输出量的精度程度 当然最终还要看机床的精度 对定位精度和轮廓加工精度要求都比较高 对一般切削加工的数控机床定位精度一般为0 1 0 001mm 对于高精度高速切削及高档磨床其精度要求达到0 1 m 控制精度不得低于机床的总体精度 一般总体机床精度为0 01mm对控制精度不得低于0 005mm较为合适 2 稳定性好稳定性是指系统受外界干扰要小 在外界干扰作用下 能在短暂的时间内恢复到原来的平衡状态 伺服系统有较强的抗干扰能力 确保进给速度的正常工作 3 快速响应快速响应是伺服系统动态品质的重要指标 它反映了系统在确保精度的前提下的跟踪速度 稳定性是指系统受外界干扰要小 当稳定输入发生跳变时 系统能在较短的时间内从一个状态过度到新的状态 要求伺服系统跟踪指令信号的响应更快 4 调速范围宽调速范围RN是指生产机械要求电机能提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比 通常RN nmax nmin 式中 nmax和nmin一般都是指额定转矩下的转速 在中 高档数控机床中就要求伺服系统具有足够宽的调速范围 目前 最先进的水平是 在进给速度范围已可达到脉冲当量为1 m的情况之下 进给速度以0 240m min连续可调 但对于一般中档数控机床而言 要求伺服系统在0 24m min进给速度下都能工作就足够了 一般来说 对于要求速度范围为1 20000的位置控制系统 在总的开环位 置增益为20 1 s 时 只要保证速度单元具有1 1000的调速范围就完全可以满足要求 当然 现代数控机床中最先进水平的速度控制单元的技术已达到1 100000的调速范围 对于主轴伺服系统主要是速度及准停控制 它要求1 100 1000范围内的恒转矩调速和1 10以上的恒功率调速 而且保证足够大的输出功率 5 低速大转矩一般切削加工时 大切削量均采用低速进给 所以要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出 进给伺服控制属于恒转矩控制 而主轴伺服控制在低速时为恒转矩控制 在高速时为恒功率控制 在低速下要减小或消除难以解决的爬行现象及低速振动噪音 对于主轴用的伺服系统有时可以用一个的进给伺服系统来替代主轴伺服系统 一般为速度控制系统 除上面的一般要求之外 还具有下面的控制功能 1 准停控制为了自动换刀 要求主轴能进行高精度的准确位置停止 2 角度分析控制分度有两种 一是固定的等分角位置控制 二是连续的任意角度控制 作特殊加工时 主轴坐标有了进给坐标的功能 称为 C 轴控制 为了满足对伺服系统的要求 对伺服系统的执行元件 伺服电机也相应提出高精度 快反映 宽调速和大转矩的要求 一般具备小惯量大转矩的具体特征 1 1 最低进给速度到最高进给速度范围都能稳定运行平滑过度 2 2 进给电机应具有大的较长时间的过载能力 一般能过载4 5倍左右 持续时间达10 分钟以上 转动惯量要小3 3 满足快速响应的要求 一般进给伺服电机做成细长 高档进给具备400rad s2以上的加速度 保证电机在0 2s以内从静止起动到1500rad min 4 电机应能承受频繁的起动制动和反转 20次 min以上 二 伺服系统的分类 1 按调节理论分类1 1 开环伺服系统开环伺服系统即无位置反馈的系统 其驱动元件主要是功率步进电机或电液脉冲马达 这两种驱动元件不用位置检测元件实现定位 而是靠驱动装置本身 转过的角度正比于指令脉冲的个数 运动速度由进给脉冲的频率决定 2 2 闭环伺服系统闭环系统实际上是误差控制的随动系统 数控机床进给系统的误差是CNC输出的位置当指令和机床工作台移动实际位置的差值 闭环系统具备位置检测装置 该装置测出实际直线位移成实际角位移 并将测量值反馈给伺服控制系统给定量进行比较 求得误差 作为下一环节的输入并进行控制 构成闭环位置控制 由于闭环伺服系统是反馈控制 反馈测量装置精度高 所以系统传动链的误差可得到补偿从而大大提高了跟随精度和定位精度 目前闭环系统的分辨率多为1 m定位精度可达 0 01 0 05mm 高精度系统分辨率可达0 1 m 3 半闭环系统位置检测元件装在进给电机轴上 从电机轴到实际位移一般为机械传动不用检测 这个机械传动链的误差一般可看以固定不变的可以用加工程序来补偿 如间隙等 一般地半闭环系统的精度低于闭环系统 对于伺服系统的电控部分来说半闭环和闭环系统的控制原理上是一样的 只是闭环系统环内包括较多的机械传动部件 传动误差均可被补偿 理论上精度可以达到很高 而半闭环往复还不能全部消除传动链造成的误差 但由于半闭环比闭环调整容易 因此目前使用半闭环系统较多 只在具备性能稳定 使用过程温差变化不大的高精度数控机床上才使用全闭环伺服系统 2 按使用的驱动元件分类 1 电液系统电液系统的执行元件为液压元件 其前一级为电气元件 驱动元件为液动机和液压缸 常用的有电液脉冲马达和电液伺服马达 电液脉冲马达驱动力矩大 但制造成体高 寿命不太长 所以只是在具有特殊要求时 才采用电液伺服系统 2 电气伺服系统电气伺服系统全部采用电子器件和电机部件 随着电子工业的发展 制 造成本越来越低 可靠性越来越高 电气伺服系统中的驱动元件主要有步进电机 直流伺服电机和交流伺服电机 3 按执行电机类型分类1 1 直流伺服系统直流伺服系统常用的伺服电机有小惯量直流伺服电机和永磁直流伺服电机 永磁直流伺服电机能在较大过载转矩下长时间工作以及电机的转子惯量较大 能直接与丝杠相连而不需中间传动位置 此外 它还有一个特点是可在低速下运转 如能在1r min甚至在0 1 min下平稳地运转 因此 这种直流伺服系统在数控机床上获得了广泛的运用 永磁直流伺服电机的缺点是有电刷 限制了转速的提高 一般额定转速为1000 1500r min 而且结构复杂 价格较贵 2 交流伺服系统交流伺服系统使用交流异步伺服电机和永磁同步伺服电机 交流伺服电机没有电刷换向器 维护保养简单且转子惯量较有直流电机小 使得动态响应好 另外在同样体积下 交流电机的输出功率可比直流电机提高50 左右 交流电机的容量可以比直流电机造得大 达到更高的电压和转速 4 驱动轴分类1 进给伺服系统它包括速度控制环和位置控制环 进给伺服系统完成各坐标轴的进给运动 快速响应好 精度高 具有定位和轮廓跟踪功能 是数控机床中要求最高的伺服控制 2 主轴伺服系统一般的主轴控制只是一个速度控制系统 主要实现主轴的旋转运动 提供切削过程中任意转速的转矩和功率 对于具有准停控制的主轴与进给伺服系统一样 有时就用进给伺服系统来替代主轴伺服系统 5 按反馈量的方式分类 1 1 脉冲 数字比较伺服系统该系统是闭环伺服系统中的一种控制方式 它是将数控装置发出的数字 或脉冲 指令信号与检测装置测得的以数字 或脉冲 形式表示的反馈信号直接进行比较 以产生位置误差 达到闭环控制 脉冲 数字比较伺服系统结构简单 容易实现 整机控制稳定 在一般数控伺服系统中应用十分普遍 2 相位比较伺服系统在相位比较伺服系统中 给定量与反馈量都变成某个载波的相位通过检相器作两者相位比较 获得实际位置与给定位置的偏差 实现闭环控制 相位伺服系统对于感应式检测元件如旋转变压器 感应同步器较适用 1 3 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映位移量 系统工作时要将此幅值信号转换成数字信号 然后给定数字信号进行比较 从而获得位置偏差信号构成闭环系统 在现代数控中相位比较和幅值比较系统从结构上和安装维护上都比脉冲 数字比较系统复杂和要求高 在一般情况下脉冲 数字比较伺服系统应用广泛 而相位比较系统又比幅值比较系统应用的多 第三节用步进电机工作开环伺服系统 一 步进电机简介 步进电机是较早实用的典型的机电一体化元件组件 步进电动机本体 步进电动机驱动器和控制器构成步进电动机系统不可分割的三大部分 1 步进电动机具有自身的特点 归纳起来有 1 可以用数字信号直接进行开环控制 整个系统造价低 2 位移与输入脉冲信号树相对应 步距误差不长期积累 可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统 也可以在要求高精度时组成闭环控制系统 3 无刷 电动机本体部件少 可靠性高 4 易于起动 停止 正反转及变转 5 停止时 可以通电自锁 6 速度可在相当宽的范围内平滑调节 同时用一台控制器控制几步电动机 可使它们完全同步运行 7 步进电动机带惯性负载能力差 8 由于存在失步和低频共振 因此步进电动机的加减方法根据利应用状态的不同而复杂化 2 步进电动机的常用术语 1 步距角指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值 步距角 b 公式360 m zr K 式中zr 转子齿数 m1 运行拍数 通常等于相数或相数的整数倍 即m1 km m 电动机相数 K通电方式 2 齿距角相邻两齿中心线间的夹角 通常定子和转子具有相同的齿距角 3 零位或初始稳定平衡位置指不变绕组通电状态 转子在理想空载状态下的平衡位置 4 失调角失调角是指转子偏离理论平衡点的角度 5 矩角特性矩角特性是指不改变各相绕组的通电状态 即一相或几相绕组同时通以直流电流时 电磁矩与失调角的关系 即T f 6 最大静转矩矩角特性上转矩最大值Tk称为最大静转矩7 最大静转矩特性绕组电流改变时 最大静转矩与相应电流的关系Tk f I 为最大转矩特性 8 误差步进电动机的误差有两种 一是最大步矩误差 是指电动机旋转一周内相邻两步之间最大步矩和理想步矩角的差值 用理想布局的百分数表示 二是最大累计误差 是指任意位置开始经过任意步之间 角位移误差的最大值 9 响应频率在步进电动机可以任意运动而不丢步 最大频率称为响应频率 通常用起动频率fs来作为衡量的指标 它是指在一定的负载下直接起动而不失步的极限频率 称为极限起动频率或突跳频率 10 运行频率指在额定负载下使频率连续上升时 步进电动机能不失步运行的极限频率 11 起动矩频特性负载惯量一定时 起动频率与负载转矩之间的关系称为起动矩频特性 也称牵入特性 12 运行矩频特性在负载惯量一定时运行频率与负载转矩之间的关系称为矩频特性 又称牵出特性 13 惯频特性在负载力矩一定时 频率和负载惯量之间的关系 称为惯频特性 惯频特性分为起动惯频特性和运行惯频特性 14 单步响应单步响应是指步进电动机在带电不动的情况下 改变一次脉冲电压 转子由起动到停止的运动轨迹 二 步进电动机驱动器步进电动机驱动系统的性能除与电动机自身的性能有关外 还与驱动器有很大关系 因此 对步进电动机驱动器的设计研究是CNC系统开发中的重要工作 步进电动机驱动器的框图如图7 2所示 一般由环形分配器 简称环分 信号处理级 推动级 驱动级等各部分组成 用于功率步进电动机的驱动器还有多种保护路线 环形分配器是把单个走步信号换成步进电机的控制信号 如三相六拍分配信号 五相十拍分配信号等 环形分配器可以由硬件完成 也可以由软件来完成 用硬件完成的称为硬环分 用软件完成的称为软环分 从环形分配器输出的各相导通或截止的信号送入信号处理级 信号处理是实现信号必要的转换 合成等功能 产生斩波 抑制等特殊功能的信号 从而产生特殊功能的驱动 在实际应用中信号处理级还与各种保护电路各种控制电路组合 形成较高可靠性的驱动输出 图7 2步进电动机驱动器的框图 图7 3高低压驱动原理图 推动级的作用是将较小的信号加以放大 变成足以推动驱动级输入的较大信号 推动级还承担电平转换的作用 保护级的作用是保护驱动级功率器件 通常可以作电流保护 过热保护 过压保护 欠压保护等 1 高低压驱动高低压驱动的设计思想是 在导前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率 而在前沿过后用低电压来维持绕组的电流 高低压驱动的原理线路如图7 3所示 主回路由高压管TH电动机绕组 低压管TL串联而成 UH加高压 UL加低压 电动机绕组回路不串电阻 低压管的输入信号 来自环形分配器 其脉宽由环分输出决定 当IL为高电平时该相导通 为低电平时 该相截止 IH是由IL的前沿经微分再经整形获得 形成脉冲宽度工作频率变化的定宽脉冲 一般将高压脉宽整定为1 3ms 设IH的脉宽为tH IL的脉宽为tL 在相绕组导通的过程中 在前沿开始的tH时间内 由于高低压输入信号同时有效 使高低压管同时导通电流的通路如图7 4 a 所示 绕组电流由高压电源供给 此时 机能组电流有很陡的前沿 并迅速形成上冲 见图7 4 b 所示 当tH过后高压管转为截止状态 低压电源开始供电 TL继续处于导通状态 电流路径如图7 5 a 所示 由于绕组很小 又不串电阻 所以低压电源只需数伏就可以提供较大的电流 其波形如图7 5 b 所示 在低频工作时 由于电动机反电势较小 绕组电流在tH时间内几乎完全由高电压的大小来决定 因为UH电压很高 绕组回路电阻很小所以绕组电流上升很快 能超过和绕组的额定电流 但tH时间过后 高压立即关闭 电流在低压回路迅速下降 直到变为由低压电源所决定的绕组电流大小 波形见图7 6 a 所示 虽然刚开始电流上冲很多 但占整个导通时间tL的比例很小 即tL tH 因此绕组电流的平均值仍在额定值附近 图7 4高压电流路径及电流波形 图7 5低压导通时电流路径及波形 当运行频率继续升高时 tL tH 此时 前级的信号处理中使tH跟踪tL的宽度 保持tH tL 实际上要跟踪tL压缩tH的脉宽 使电路一直处于高压供电状态 电流波形如图7 6 c 在tL时间过后 绕组电流进入续流状态 续流回路如图7 7所示 电流将经DL电动机绕组DH泄放 磁场的能量将回馈给高压电源 这样既达到了缩短泄放时间 又节约了电能作用 快速泄放对提高驱动系统的高频效益是有利的 由于这种驱动线路在低频时绕组电流有较大的上冲 所以低频时电动机振动噪声较大 还存在低频共振 图7 8给出一种高低压驱动的实用线路 图中只给出了一相的电路 以一相为例 当A相绕组信号分成两路去处理 设A 1时一路经推动级三极管T 去推动达林顿大功率晶体管T2 使T2导通 另一路经单稳态电路形成高压定宽信号 再经过两极反相器推动管T2 NPN 和T3 PNP 来推动大功率达林晶体管TH 在高压脉宽的作用期间 TL TH均为导通 绕组由高压UH供电 当高压脉宽tH过去后 只有tL导通 绕组由电流经DL DH泄放后变零 完成一次励磁过程 高压脉宽由Rf Cf决定 脉宽tH 0 45RfCf图中TL TH选BU14A 高压取80V 低压取6V 可以用于驱动110机座号的三相反应式步进电动机 图7 6频率不同时各种电流波形 图7 7续流回路 图7 8高低压驱动实用线路 三 斩波恒流驱动 高低压驱动的目的 就是要使导通相不论在锁定低频或高频工作时 都保持额定值 斩波恒流驱动方式可较好地解决这一问题 图7 9画出斩波恒流驱动的电路原理图 电机绕组回路与高低压驱动器不同的是 低压管放射极串联一个大功率 小电阻值的电阻接地 电动机绕组的电流经这个小电阻通地 小电阻的压降与电动机绕组电流成正比 所以这个电阻称为取样电阻 F1 F2 F4为非门 F3为与非门 控制TH和TL两个晶体管的导通和截止 由环形分配器分配来的相绕组导通脉冲 接至A点 其波形如图7 10 a 所示 送到F1 F2 通过F2直接开通晶体管TL 与非门F3除环形分配器来的信号外 还有一段信号来自比较器 比较器的两个输入端 其正输入接给定电平 负输入端接来自取样电阻的电压信号 导通脉冲到来之前 由逻辑电路可知 输出低电平 TH和TL都截止 取样电阻中无电流流过 反馈到比较器的输入信号为零 比较器输出为高电平 见图7 10 d 当环形分配器输出导通信号时 高电平使F1 F3输出为0 F2 F4输出为1 使TH和TL两管导通 高电压经TH向电动机的绕组供电 电路回路如图7 11 a 所示 由于电动机绕组有较大的的电感 所以电流成指数上升 但所加电压较高 所以电流上升较快 取样电阻上的电压代表了电流的大小 当电流超过所设定值时 比较器输入的取样电压超过给定电压 比较器翻转 输出变低电平从而F3输出高电平 F4输出低电平 关断高压管TH 此时 磁场能量将使绕组电流按原来的方向继续流动 经由低压管TL取样电阻 地线 二极管D1构成的续流回路消耗磁场的能量 见图7 11 b 此时电流将按指数曲线衰减 逐渐下降 当取样电阻上得到是电压小于给定电压时 比较器又翻转回去 F4高电平 打开高压管 电源又开始向绕组供电 电流又会上升 如此反复 电动机绕组是电流就稳定在由给定电平所决定的数值上 形成小小的锯齿波 如图7 11 c 图7 9斩波恒流驱动原理图 图7 10各点波形图 图7 11供电及续流时电流路径 当环形分配器输出低电平时 高低压管都截止 此时绕组的续流与高低压时相同 经D1 D2向电源泄放 泄放回路的特点与高低压驱动时基本相同 斩波恒流驱动中 由于驱动电压较高 所以电流上升很快 当到达所需的数值时 由于取样电阻反馈控制作用 绕组电流可以恒定在确定的数值上 而且不随电动机的转速而变化 从而保证在很大的频率范围内电动机都能输出恒定转矩 图7 10 e 可见 在环形分配器中所给出的相绕组导通时间内 电源电压并不是一直向绕组供电 而只是一个个的窄脉冲 总的输入能量是各脉冲时间的电压与电流乘积积分的总和 与其他的驱动方式比较 取自电源的能量大幅度下降 因此 这种驱动器有很高的效率 这种驱动器的另一优点是减少电动机共振现象的发生 由于电动机共振的基本原因是能量过剩 而斩波恒流驱动输入的能量是自动随着绕组电流调节 能量过剩时续流时间长 而供电时间减小 因此可减小能量的积聚 斩波恒流驱动存在其自身的特点 主要表现为 1 高频响应快 2 输出转矩均匀 3 共振现象基本消除 4 线路工作可靠 第四节直流伺服系统电机与速度控制单元 直流伺服电机作为直流伺服系统的一个执行元件 直流伺服系统能够控制机床进给速度和位置 直流伺服系统的结构一般为三闭环控制 电枢电流闭环 速度闭环与位置闭环 如图7 12所示电流反馈一般采用取样电阻 霍尔电路传感器等 图7 12直流驱动系统的一般结构 因为直流伺服电机容易调速 尤其是他励直流伺服电机具有较硬的机械特性 所以直流伺服系统自70年代以来 在数控机床中得到了广泛的应用 在现代数控中 极大部分的直流伺服电机采用永磁直流伺服电机 永磁直流伺服电机具有如下优点1 能承受的峰值电流和过载倍数高 2 具有大的转矩 惯量比 快速性好 3 低速时输出力矩大 转动惯量大 这种电机可以和机床的进给丝杆直接相连 省去了齿轮等传动机构 且避免了齿隙造成的振动和噪声 以及齿隙误差 低速运行平稳 4 启动力矩大 5 调速范围大 6 与高性能的速度控制单元组成速度控制系统时 调速范围超过1 1000 7 具有高精度的检测元件 8 使电机能平滑旋转和稳定工作 使整个伺服系统具有良好的低速刚度和高的动态性能 伺服精度高 它的主要缺点是 转子温度升高 会影响机床的精度 转子惯量大 又要快速性好 需增大电源装置和增强机械传动链的刚度 直流伺服系统中控制单元也是一个主要部分 其形式不止一种 叙述如下 一 脉宽调制器式控制单元 在功率晶体管开关型伺服电机驱动系统中目前广泛采用脉冲宽度调制式驱动系统 数控机床驱动系统也不例外 所谓脉宽调速 即是利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放大器的开关时间进行控制 将直流电压转换成某一频率的矩形波电压 加到直流电机的电枢两端 通过对矩形波脉冲宽度的控制 改变电枢两端的平均电压 从而达到调节电机转速的目的 PWM控制方式的速度控制单元由脉冲宽度调制器和脉冲功率放大器两部分组成 1 脉冲功率放大器 PWM系统的主回路 开关型功率放大器的驱动回路有两种结构形式 一种是H型 也称桥式 另一种是T型 这里介绍常用的H型 它的电路原理如图7 13所示 图中VD1 VD4为续流二极管 用于保护功率晶体管 VT1VT4 SM即直流伺服电动机 H型电路在控制方式上分为双极式和单极式 下面介绍双极式功率驱动原理 四个功率晶体管的基极驱动电压分为两组 Ub1 Ub4 Ub2 Ub3 Ub1 加到各晶体管基极上的电压波形如图7 14所示 若0 t t1时 Ub1 Ub4为正 Ub2 Ub3为负 使VT1和VT4饱和导通 VT2和VT3截止 加在电枢端电压UAB US 忽略VT1和CT4的饱和压降 电枢电流ia沿回路1流通 ia的波形见图7 14 b 中的ia1 图7 13H型脉冲功率放大电路 图7 14H型双极性工作方式电压及电流波形 若t1 t T时 Ub1和Ub4为负 Ub2和Ub3为正 使VT1和VT4截止 但VT2和VT3不能立即导通 这是因为在电枢电感反电势的作用下 电枢电流ia经VD2和VD3续流 沿回路2流通 由于VD2和VD3的压降使VT2和VT3承受反压缘故 VT2和VT3能否导通 取决于续流电流的大小 若ia较大时 在t1至T时间内 续流较大 则ia一直为正 如图7 14 b 所示 此时 VT2和VT3没来得及导通 下一个周期即到来 又使VT1和VT4导通 电枢电流ia又开始上升 使ia维持在一个正值附近波动 若ia较小时 在t1至T时间内 续流可能降到零 于是VT2和VT3在电源和反电动势的共同作用下导通 ia沿回路3流通 方向反向 电动机处于反接制动状态 直到下一个周期 电枢电压 AB 0情况 VT4和VT1导通 ia才开始回升 如图7 15所示 直流伺服电动机的转向取决于电枢电流的平均值 即取决于电枢两端的电压平均值 若在一个周期 T 内 t1 T 2 则加在基极上的正脉冲宽度 T t1 相等 VT21 VT4与VT2 VT3的导通时间相等 则电枢电压平均值为零 电机静止不动 若t1 T t1 电枢电压平均电压大于零 则电动机正转 平均值越大 转速越高 若t1 T t1 电枢平均电压小于零 则电动机反转 平均值的绝对值越大 反转速越高 由上述过程可知 只要能改变加在功率放大器的控制脉冲的宽度 就能控制电机的转向 停止和速度 并且电机的停止是动态静止 有利于消除正反转死区 2 脉冲宽度调制器为了能给功率放大器提供一个宽度由速度指令信号调节的控制脉冲序列 需要有一个能将电压信号 代表速度 转换为脉冲宽度的调节变换装置 称为脉冲宽度调制器 常用的有以锯齿波作为调制信号的脉冲宽度调制器 以三角波作为调制信号的脉冲宽度调制器和数字脉冲宽度调制器 在微机数控系统中 因为速度指令是以数字量的形式给出的 采用数字脉冲宽度调制器较为方便 脉冲宽度调制器可用硬件 定时器 计数器 硬件加软件或软件来实现 这样电路简单 控制灵活 图7 16是微机PWM驱动系统的原理框图 微机输出脉宽控制信号驱动器放大 驱动PWM主回路的功率晶体管开关 开关频率及脉冲宽度都可采用软件形式的数字宽度调制器来调节 计算机同时采用速度和位置反馈信号 并利用软件对速度和位置进行调节 3 PWM驱动系统的主要特点与晶闸管调速单元相比 PWM速度控制单元有如下特点 1 电机损耗和噪声小晶体管开关频率很高 远比转子能跟随的频率高 也避开了机械的共振 由于开关频率高 使得电枢电流仅靠电枢电感或附加较小的电抗器便可连续 所以电机损耗小 发热小 2 系统动态性好 响应频带宽PWM控制方式的速度控制单元与较小惯量的电机相匹配时 可以充分发挥系统的性能 从而获得很宽的频带 频带越宽 伺服系统校正瞬态负载的能力就越高 图7 16微电脑式PWM原理框图 3 低速时电流脉动和转速脉动都很小 稳速精度高4 功率晶体工作在开关状态 其损耗小电源利用率高 并且控制方便5 响应很快PWM控制方式 具有四象限的运动能力 即电动机既能驱动负载 也能制负载 所以响应快 6 功率晶体管承受高峰值电流能力差 第五节交流伺服与主轴准停系统 交流伺服电机有了飞速发展 它不但克服了直流伺服电机结构上存在机械整流子 电刷维护困难 造价高 寿命短 应用环境受限制等的特点 而且 存在交流伺服电机坚固耐用 经济可靠及动态响应性好等等特点 近年来 交流伺服系统发展迅速 并有逐步取代直流伺服系统的趋势 交流伺服电机一般有异步型交流伺服电机和同步型交流伺服电机 当用变频电源供电时 对于电机可方便地获得与频率成正比的可变转速 可得到非常硬的机械特性和很宽的调速范围 在数控的伺服系统中多采用永磁同步型伺服电机 对于具有准停功能的主轴 实际上与进给轴的功能几乎一样 有时就用一个多余的进给轴来替代主轴伺服系统 一 永磁交流伺服电机的结构原理 永磁交流伺服电机的结构剖面图如图7 17所示 它主要由三部分组成 定子 转子和检测元件 定子具有齿槽 内有三相绕组 形状与普通交流电机的定子相同 但其外形多呈多边形 且无外壳 利于散热 转子由多块永久磁铁2和冲片 见图7 18 组成 这种结构的优点是气隙磁密较高 极数较多 它的工作原理类似于电磁式同步电机的工作原理 只是将转子中的磁绕组产生换成永久的磁铁 定子三相绕组接上交流电源后就会产生一个旋转磁场 该旋转磁场的转速为ns在磁场力的作用下 磁场带着转子一起旋转 使转子也以同步转速ns旋转 1 定子2 永久磁铁3 轴向通风孔4 转轴图7 17永磁交流伺服电机的结构剖面图 1 铁心2 永久磁铁3 非磁性套筒图7 18永磁转子示意图 当转子加上负载后 将造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合 其夹角为 负载越大 也越大 但只要不超过一定的限度 转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速ns旋转 转子转速为n ns 60f p r min 式中f 电源频率 p 磁极对数 永磁交流伺服电机的机械特性比直流伺服电机的机械特性要硬 在正常工作区 转速 转矩曲线更接近水平线 断续工作区的范围扩大 高速性能优越 有利于提高电机的加 减能力 二 交流伺服电机的速度控制单元 由于同步伺服电机的转速为n 60f p 不存在转差率问题 因此 不能用调节转差率S的方法来调速 也由于要求无级调速 只能用变频 f 的方法调速 永磁交流伺服系统有两种类型 一是矩形波电流驱动的永磁永流伺服系统 二是正弦波电流驱动的永磁永流伺服系统 第一种也称为无刷直流伺服电动机 第二种也称无刷交流伺服电动机 从发展趋势看 正弦波驱动将成为主导地位 永磁交流伺服电机变频调速控制单元中的主要部件是变频器 变频器分为交 直 交型和交 交型变频器 前者广泛应用在数控机床和伺服系统中 所谓交 直 交型变频器中的交 直是将交流变为直流电 直 交是将直流变为调频 调压的交流电 通常采用脉宽调制原理 关于脉冲调制的原理是这样的 假如我们要在电机和某相绕组内获得一个正弦电流 以A相为例 A A sin t 则我们可以用以下的等效措施来获得 电路及波形如图7 19所示 图7 19脉宽调制的电路结构及波形图 设Tp为脉冲周期 用脉宽调制的等效电流iP表达式为 ia 1 Tp Ec RL dt Ec RL K 7 5 1 K 占空比欲使绕阻内的电流为正弦波则ia 1 Tp Ec RL sin t 7 5 2 由 7 5 1 及 7 5 2 得 K sin tK是 t的函数 在不同的相位处K的值是不同的 计算和实现脉宽调制时通常把一个周期上分成固定的若干份 每一份都有对应的占控比 发相应的脉宽信号 该信号用来控制H型电路的相应M03管 一般把 t在2的周期上分成1000分就足够能使iP的波形接近所期望的正弦波了 我们只需在计算机内制一个1000个点的占空比数据表 这1000个点均对应与 t为2 角度以内 此表是由精确计算sin t得到 当 t的间隔为0 36 用计算机的定时器中断 在中断服务子程序取1000个点中心的对应点的占空比值 是取满1000个点 说明iP完成了一个周期 若要改变速度时只需改变一个值即定时器时间常数即可改变了检表取表的速度 改变iP的频率的目的完成变速的要求 第六节伺服系统的位置控制 位置控制分为开环 闭环和半闭环控制 开环控制实际上就是步进电机系统 半闭环一般只能保证伺服电机的角位移 无法从根本上消除传动间隙 全闭环可以消除传动间隙 从电气角度看 全闭环与半闭环是一样的 在控制方式上位置控制主要由以下三种 一 数字比较伺服系统 数字比较伺服系统的闭环控制的结构框图如图7 20所示 整个系统由三部分组成 采用光电编码器产生位置反馈脉冲信号Pf 实现指令脉冲F与反馈脉冲Pf的脉冲比较 以取得位置偏差信号e 以位置偏差e作为速度给定的伺服电机速度调节系统 闭环与半闭环在结构上的不同点是 半闭环的检测元件一般安装在丝杠轴上 而闭环的检测元件则安装在工作台上 闭环数字比较伺服系统的工作原理简述如下 1 开始时 指令脉冲F 0 且工作台原来处于静止状态 则反馈脉冲Pf为零 经比较环节则e F Pf 0 那么伺服电机的速度给定为零 伺服电机不动 工作台仍处于静止状态 2 令脉冲为正向指令脉冲时 即F 0 工作台在没有移动之前 反馈脉冲Pf仍为零 经比较环节比较 e F Pf 0 那么 调速系统驱动工作台正向进给 随着电机的运转 检测元件的反馈脉冲信号通过采样进入比较环节 该脉冲比较环节对F和Pf进行比较 按负反馈原理 只有当F和Pf的脉冲个数相等时 偏差e F Pf 0 工作台才重新稳定在指令所规定的位置上 3 当指令脉冲F为负向指令时 即F 0 其控制过程与F为正向指令脉冲的控制过程类似 只是此时e 0 工作台向反方向进给 最后 工作台准确地停在指令所规定的反向的某个稳定位置上 4 比较环节输出的位置偏差信号e是一个数字量 经D A转换后 才能变为模拟给定电压 使模拟调速系统工作 数字比较伺服系统的优点是结构比较简单 易于实现数字化控制 在控制性能上数字比较伺服系统要优于模拟方式 混合方式的伺服系统 二 相位比较伺服系统 相位比较伺服系统是数控机床常用的一种位置控制系统 它的结构形式与所用的位置检测元件有关 常用的检测元件是旋转变压器和感应同步器 并要工作在相位工作状态 图7 20 闭环相位比较伺服系统结构框图 它们在结构上基本相同唯一区别是检测元件及在机床上的安装位置不同 它们的主要部分有 基准信号发生器 脉冲调相器 检测元件 鉴相器 伺服放大器 伺服电机等 脉冲调相器又称数字相位变换器 它的作用是将来自数控装置的进给脉冲信号转换为相位变化信号 该相位变化信号 可用正弦信号或方波信号表示 若没有进给脉冲输出 则脉冲调相器的输出与基准信号发生器发出的基准信号同相位 没有相位差 若输出一个正向或反向进给脉冲 则脉冲调相器就输出超前或滞后基准信号一个相应的相位角 鉴相器有两个输入信号 这两个输入信号同频率 其相位均以与基准信号的相位差表示 鉴相器就是鉴别这两个输入信号的相位差 其输出信号为正比于这个输入信号的电压信号 相位比较伺服系统中 检测元件工作在相位工作状态 检测信号经整形放大后的Pb作为位置反馈信号 进给脉冲 指令脉冲 F经脉冲调相后 转换成频率为F0的脉冲信号Pa Pa Pb为鉴相器的输入 鉴相器的输出信号 就反映了指令位置与实际位置的偏差 经伺服系统放大器和伺服电机构成的调速系统 驱动工作台 实现位置跟踪 相位比较伺服系统的工作原理简述如下 1 工作台静止状态指令脉冲F 0 工作台原来静止 则Pa Pb为同频率同相位的脉冲信号 经鉴相器鉴相判别 0 那么伺服放大器的速度给定为零 它输出到伺服电机的电枢电压为零 电机不转 则工作台维持在静止状态 2 工作台正向运动当指令脉冲F为正 经脉冲调相器 Pa产生的相移 因工作台原来静止 Pb 0 那么鉴相器的输出 Pa Pb 0 则伺服驱动部分就使工作台作正向运动 直至 为零而止 3 工作台负向运动当指令脉冲F为负 经脉冲调相器 Pa产生的相移 那么鉴相器的输出 在 的控制下 伺服电机驱动工作台作负向运动直至 为零而止 总之 机床工作台在指令脉冲的作用下 作正向或反向运动 Pa Pb在新的位置上继续保持同频同相的稳定状态 一旦F 0 正在运动着的工作台就迅速制动 三 幅值比较伺服系统 幅值比较伺服系统中 是以位置检测 则信号的幅值大小来反映机械位移的数值 并以此作为反馈信号 检测元件以幅值工作状态进行工作 常用的检测元件主要有旋转变压器和感应同步器 闭环幅值比较伺服系统的结构框图如图7 21所示 从图中看出 比较环节是数字比较 实现指令脉冲信号F与反馈脉冲信号Pf的比较 以获得位置偏差信号 s 由幅值工作状态的感应同步器的原理可知 位置检测元件的输出电压是正弦交变信号幅值与角度 d 的差值的正弦值成比例 d是系统设定的值 是反映实际位移 x的电角度 只有当差值 d 在 90 范围内 该幅值的绝对值才与 sin d 成正比 若 d 则检测信号的幅值为正 该检测信号幅值的正负表明了指令位置与实际位置之间超前或滞后的关系 与 的差值越大 则位置的偏差越大 由此看来 只要能检测元件输出电压信号的幅值 就能获得励磁 d与 的相对关系 这就是鉴幅器的任务 为了进行闭环控制 该电压幅值需经电压 频率变换电路变成相应的数字脉冲 一方面与F比较比获得位置偏差信号 s 另一方面作为修改输入信号中 d值的设定输入 下面简述幅值比较伺服系统的工作原理 若F 0 则工作台静止不动 若指令脉冲F 0 则有 d 原来静止状态 经鉴相检测到检测元件输出电压幅值为零 由电压 频率变换电路所得的Pf也为零 那么比较输入输出位置偏差信号 s F Pf 0 则伺服电机调速部分的速度给定为零 工作台继续移动 若F为正的指令脉冲 则工作台正向运动 由于伺服电机未转动之前 d与 均未变 仍保持相等 所以反馈脉冲Pf亦为零 若F为正指令脉冲 那么 s F Pf 0 s经D A变换后作为伺服电机调速系统的速度给定值 伺服电机向正指令位置转动 带动工作台正向运动 一运动 d与 不相等 反馈脉冲Pf就出现了 则位置偏差值 s逐渐减小 直至F Pf s 0 系统在新的指令位置上达到平衡 工作台停止正向运动 需指出的是 变化 若 d不随变化 虽然工作台在向指令位置靠近 但 d与 的差值增加了 这不符合系统设计要求 为此 把Pf经励磁电路修改 d 使 d跟随 变化 一旦指令脉冲F重新为零 反馈脉冲Pf一方面使 s为零 另一方面也使 d值增大 令 d与 差值为零 使在新的平衡位置是检测元件输出电压为零 若F指令脉冲为负 则工作台向负方向移动 若F为负指令脉冲 即F0时基本相似 只是工作台向反向移动 d也跟随 变化 直至在负向的指令位置而停止 综上所述 在幅值比较伺服系统中 励磁信号的电角度 d由系统设定 并跟随工作台的进给变化 可以利用 d作为工作台实际位置的测量值 并通过数显装置将其显示 工作台在稳定平衡位置时 数显装置所显示的是指令位置的实测值 第七节数控伺服系统的可靠性 数控机床的自动化程度高 结构复杂 在伺服系统中更是集中了大量不同品种规格 不同电压等级和控制功率的电子和电力器件 因此对整个系统的可靠性提出了很高的要求 通常 数控系统的可靠性主要取决于由弱电电子器件组成的控制部分的性能 这一方面是由于电子元器件环境应用中自身也有可靠性的问题 同时也由于伺服系统中强电设备将对整个数控装置产生严重的电磁干扰 因此 本节把数控伺服系统可靠性问题的讨论主要集中在电子器件控制部分 实际上 数控装置作为一个工业自动控制系统 不能在设计和研究之后才注意到它的可靠性问题 而应该在系统设计的初期就着手进行可靠性设计 本节将对可靠性的基本概念和有关数控伺服系统可靠性设计的基本方法作简要介绍 一 可靠性的基本概念 可靠性是产品的一种属性 是其在规定条件下正确执行预期功能在时间上的量度 只有功能适当 操作使用方便而且有效使用期长的产品 才能在工业环境中推广应用 因此 可靠性往往是对产品质量进行综合评价的重要指标 随着科技的发展 现在对于工业控制系统的可靠性问题已不再局限于一般定性的或纯理论的分析 而开始逐步地建立起一系列工程计算的方法 下面介绍在工业控制系统中有关可靠性的一些基本概念 1 可靠度R t 一个系统 或设备 元件等 在规定的条件下 工作到t时刻 能正确的完成规定功能的概率 称为描述其可靠性程度的特征量 简称可靠度 记作R t 可以简单的说 可靠度是产品在一定的时间内不易发生故障的程度 与之相对的则是因系统故障而引起规定功能的失效 2 失效率 t 失效率是指在t时刻之前系统没有发生故障 而在t时刻之后的单位时间内因故障而引起的失效的概率 失效率从反面说明系统的可靠性 因而也广泛的应用于可靠性的讨论中 通常 可靠度和失效率都是时间的函数 对于一个实际的产品或系统 这些可靠性函数可通过对大量的随机发生的失效事件的统计计算取得结果 通常 对于一个质量稳定的产品 其失效可用一个常数表示 即称为平均失效率 记作 可通过试验确定受试产品的平均失效率 其计算公式为 n Tn 7 7 1 式中n 定时间内失效的产品数 Tn 受试产品的总试验时间 N 受试产品的总数 失效率的单位为 1 n 常用单位为 kh 或写作为 h 图7 23典型的可靠性曲线 图7 23是典型的可靠度R t 和失效率 t 曲线 失效率 t 有一段低平部分 表示产品的偶然失效率可视为常数 此时 其可靠度为以 为参数的指数函数R t e t表7 1为常用电子元器件失效率数据的列表 可用于系统可靠性计算时的参考 对于象数控机床这样的工业自动控制系统 由于所包含的元器件品种规格多 数量大 所以整机可靠性问题往往要比单个元器件的情况复杂的多 图7 24为表示一个系统的失效率随时间变化的典型曲线 按照曲线的形状 这种失效率曲线常称为 浴盘曲线 该曲线可分成三个时期 1 早期 t tA 一种产品由于设计制造等内在的质量问题 或者因为包装 运输 存储和使用方面的种种因素 往往在推出的初期会暴露出较多的缺陷 因而 在早期使用中将出现较高的失效率 随着时间的推移 通过不断完善设计和制造工艺 可以是失效率逐渐降低到一个而稳定的数值 这种情况类似机械运动部件之间 跑合 过程 2 有效寿命期 tA t tB 成熟产品中的大部分进入了质量稳定的有效期 此时产品的失效是因偶然原因造成的故障 也称偶然失效期 在该期间内 可以认为失效率是常数 即 t 在表7 7 1中的失效率数值就是有效寿命期中的偶然失效率 3 损坏期 tB t 器件的材料和结构相继发生磨损 老化以至损坏 造成系统的失效率急剧上升 产品一旦达到这一时期 应该尽快更换或淘汰 对于一个应用系统 总是希望早期失效持续时间短且失效率尽量低 有效寿命期尽量长一些 通常 验收考机时 要求连续工作几个小时至几十小时 就是希望及时发现或淘汰早期失效的产品 一种产品如果早期失效率过高 显然会给使用者造成不可靠的印象 即使在有效寿命期内 失效率还与实际的使用环境有关 其中尤其以负载大小和环境温度对比性能的影响最大 例如 对于电阻 晶体管 集成电路 电容器件 以负载功率的十分之一时失效率 为表7 1中的数量 然而负载若增加到额定值 失效率就可能提高2 6倍左右 所以从可靠性的角度看 额定负载并非是元器件长期稳定工作的安全边界 3 平均故障间隔时间MTBF MeanTimeBetweenFailures 对于一个可维护的系统 两次故障之间平均工作时间称为平均故障间隔时间 简称MTBF 也称平均无故障工作时间 即MTBF 可能工作的总时间 总的故障数 在实用中常常用MTBF表示产可靠性的一项指标 作为一种平均寿命的表示方法 其值可由下式计算 MTBF 1 7 7 1 4 平均故障修复时间MTTR MeanTimeToRepair 考虑到实际系统的故障总是难免的 对于可维护的系统 总希望一旦出现故障 修复的时间越短越好 一个系统的平均故障修复时间 简称MTBF 依据具体情况应该有一定的限制 一般 系统的MTBF越大 而MTTR越小 则它的可靠性很高 可维修性也很好 作为一种综合评价的尺度 可提出有效的概念 把MTBF看作系统的可能工作时间 把MTTR看作为不能工作时间 则可能工作时间与总时间之比称为该系统的平均有效度 记作A A MTBF MTBF MTTR 有效度能比较全面地反映出一个系统可供正确使用的能力 二 影响可靠性的因素 一台数控机床 从数控柜到伺服电机 电子和电力元件五花八门 成千上万 要对影响整机可靠性的因素作全面的分析评价是极为困难的 只有少数的专门机构才有可能对次作深入的研究分析 而对大多数应用人员 只能从一些具体问题入手 根据已有的实践经验作一定的分析 努力采取必要的措施克服不利因素 提高整机的可靠性 1 元器件的失效元器件是构成整个数控装置的基本单元 单个器件的可靠性是整机可靠性的基础 按照概率计算的法则 整机的失效率等于各组成部分失效率之和 例如 若设某个装置由5000个硅三极管组成 在不考虑温度和负载对失效率的影响时 可作如下计算 查表7 7 1可知 1个硅三极管的失效率 0 01 h 5 则平均无故障间隔时间MTBF 1 10 7 h 5000个该类元件总失效率 5000 0 01 50 h 5 则MTBF 1 2 103 h 由此可见 随着系统规模的扩大 并且再考虑到负载和温度偏离预定条件的情况 整机的可靠性将受到极大的影响 因此 宁愿严格挑选失效率低的产品用于实际系统 而坚决不用质次价廉的产品 是一条应该普遍遵循的基本原则 2 元器件的连接与组装数控系统结构复杂 电气零部件之间信号连接纵横交错 要保证整机的可靠性 就必须很好解决联接与组装的可靠性 例如 电子元件在印刷线路板上的焊接安装 印刷线路板通过插头座或边缘接插件与外部或相互之间的连接 以及电气控制柜通过插头座或端子排与机电控制设备之间的连接等 因接触不良造成信号传送失灵 是产生系统故障的重要原因之一 此外 由于工业环境中 温 湿度变化较大 油污或粉尘对元件及线路板的污染及机械振动的影响 对于信号传送通道的接插件将产生严重的后果 如果再考虑到不合理的走线还可能造成信号之间相互窜扰 对元气件联接的设计与安装工艺更应该给予足够的重视 3 电磁干扰数控机床是利用电能进行工作的电气控制设备 在运动中必然伴随着电磁能量的转换 往往一方面对周围环境发生影响 同时 另一方面其本身也会受所处环境的各种电磁干扰 作为机电一体化的产物 数控机床