数控机床的伺服驱动系统..ppt

7 1概述 第7章数控机床伺服驱动系统 数控机床伺服系统 feedservosystem 是指以数控机床移动部件的位置和速度作为控制对象的自动控制系统 它接受来自数控装置的进给指令信号 经变换 调节和放大后驱动执行件 转化为直线或旋转运动 数控机床伺服系统又称为位置随动系统 驱动系统 伺服机构或伺服单元 该系统包括了大量的电力电子器件 结构复杂 综合性强 伺服系统是数控机床的重要组成部分 伺服系统位于数控机床数控系统与机床主体之间 伺服系统是数控装置 计算机 和机床的联系环节 7 1概述 数控机床伺服驱动系统是cnc装置和机床的联系环节 作用在于接收来自数控装置的指令信号 驱动机床移动部件跟随指令信号运动 并保证动作的快速和准确 cnc装置发出的控制信息通过伺服驱动系统转换成坐标轴的运动 完成程序所规定的操作 数控机床伺服系统基本要求 1 精度高伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度 作为数控加工 对定位精度和轮廓加工精度要求都比较高 定位精度一般允许的偏差为0 01 0 001mm 甚至0 1 m 轮廓加工精度与速度控制 联动坐标的协调一致控制有关 在速度控制中 要求较高的调速精度 具有比较强的抗负载扰动能力 对静态 动态精度要求都比较高 数控机床伺服系统基本要求 2 快速响应特性好快速响应是伺服系统动态品质的重要指标 它反映了系统的跟踪精度 为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度 要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快 一方面要求过渡过程 电机从静止到额定转速 的时间要短 一般在200ms以内 甚至小于几十毫秒 另一方面要求超调要小 数控机床伺服系统基本要求 3 调速范围宽调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比 通常表示为 在数控机床中 由于加工用刀具 被加工材质及零件加工要求的不同 进给伺服系统需要具有足够宽的调速范围 目前较先进的水平是 在分辨率为1的情况下 进给速度范围为0 240m min 且无级连续可调 但对于一般的数控机床而言 要求进给伺服系统在0 24m min进给速度范围内都能工作就足够了 数控机床伺服系统基本要求 4 稳定性好稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下 能在短暂的调节过程后 达到新的或者恢复到原来的平衡状态 对伺服系统要求有较强的抗干扰能力 稳定性是保证数控机床正常工作的条件 直接影响数控加工的精度和表面粗糙度 要求伺服系统有较高的可靠性 稳定性 并且受电源 环境 负载等的影响要小 还要具有足够的传动刚性和速度稳定性 也就是说伺服系统在负载或切削条件发生变化时 应使进给速度保持恒定 刚性良好的系统 负载力矩的变化对进给速度的影响很小 数控机床伺服系统基本要求 5 低速大转矩机床加工的特点是 在低速时进行重切削 因此 要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出 由于机床在低速切削时 切深和进给都比较大 也就是说吃刀抗力较大 这就要求主轴电动机输出的转矩也应该较大 现代数控机床的伺服电动机通常都是与丝杠直接相连 中间没有减速齿轮 这就要求进给电动机能输出较大的转矩 进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制 在整个速度范围内都要保持这个转矩 主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制 能提供较大转矩 在高速时为恒功率控制 具有足够大的输出功率 数控机床伺服系统基本要求 6 高性能伺服电动机调速范围宽且有良好的稳定性 低速时的速度平稳 无爬行现象 电机应具有大的 较长时间的过载能力 以满足低速大转矩的要求 反应速度快 电机必须具有较小的转动惯量 较大的转矩 尽可能小的机电时间常数和很大的加速度 400rad s2以上 能承受频繁的起动 制动和正反转 数控机床伺服系统组成 进给伺服系统主要由以下几个部分组成 位置控制单元 速度控制单元 驱动元件 电机 检测与反馈单元 机械执行部件 数控机床伺服系统组成 数控机床伺服系统分类 1 按有无检测反馈环节分类 1 开环伺服系统 2 闭环伺服系统 3 半闭环伺服系统 数控机床伺服系统分类 1 按有无检测反馈环节分类 数控机床伺服系统分类 2 按反馈比较控制方式分类 1 数字脉冲比较伺服系统 2 相位比较 鉴相式 伺服系统 3 幅值比较 鉴幅式 伺服系统 4 全数字伺服系统 数控机床伺服系统分类 3 按伺服系统的用途和功能分类按这种方法可以将伺服系统分为进给驱动系统和主轴驱动系统 进给驱动系统用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统 来控制机床各坐标轴的切削进给运动 并提供切削过程所需的转矩 主轴驱动系统控制机床主轴的旋转运动 为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力 数控机床伺服系统分类 4 按执行元件分类 1 电液伺服系统执行元件 电液脉冲马达 电液伺服马达 2 电气伺服系统 步进伺服系统 直流伺服系统 交流伺服系统 7 2步进电动机及其驱动控制系统 步进伺服系统是典型的开环系统 由步进电动机和驱动控制线路两部分组成 与闭环系统相比 没有位置反馈回路和速度反馈回路 所以也就没有位置和速度检测装置以及复杂的控制调节电路 使得系统结构简单可靠 成本低 与机床配接容易 控制使用方便 在对速度和精度要求不高的中小型机床上得到了广泛的应用 步进电动机 步进电动机 stepmotor 是一种用电脉冲信号控制 可将电脉冲信号按正比关系转换为角位移的执行器 步进电动机的转速与电脉冲频率成正比 通过改变脉冲频率就可以调节电动机的转速 如果停机后某些相的绕组仍保持通电状态 则还具有自锁能力 目前 步进电动机主要用于经济型数控机床的进给驱动 一般采用开环控制结构 也有的采用步进电动机驱动的数控机床同时采用了位置检测元件 构成了反馈补偿型的驱动控制结构 步进电动机 步进电机的种类和工作原理步进电机的种类繁多 有旋转运动的 直线运动的和平面运动的 从结构上看 它分为反应式与激磁式 激磁式又可分为供电激磁和永磁式两种 按定子数目可分为单段定子式与多段定子式 按相数可分为单相 两相 三相及多相 转子做成多极 目前反应式步进电机使用较为广泛 下面主要以反应式步进电机为例 介绍步进电机的工作原理 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 步进电动机的工作原理步进电机由转子和定子组成 定子上有a b c三对绕组磁极 分别称为a相 b相 c相 转子是硅钢片等软磁材料迭合成的带齿廓形状的铁芯 这种步进电机称为三相步进电机 如果在定子的三对绕组中通直流电流 就会产生磁场 当a b c三对磁极的绕组依次轮流通电 则a b c三对磁极依次产生磁场吸引转子转动 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 开始时 假设a相绕组通电 则转子1 3两齿被a相磁极吸住 与a相的两个磁极对齐 然后 a断电 b通电 则a上的磁场消失 b上的磁场产生 把离它最近的2 4两齿吸过去并对齐 这时转子逆时针转过300 接下去 b断电 c磁极把离它最近的1 3两齿吸过去并对齐 这时转子又逆时针转过300 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 如此按a b c a b c 顺序轮流通电 步进电机就一步一步地按顺时针方向旋转 每来一个脉冲 绕组的通电状态就变换一次 转子的角位移与脉冲个数成正比 转子的角速度与脉冲的频率成正比 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 步进电动机三相三拍制 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 步进电动机三相三拍制 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 步进电动机三相三拍制 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 步进电动机三相三拍制 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 步进电动机三相三拍制 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 步进电动机三相三拍制 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 步进电动机三相三拍制 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 步进电动机三相三拍制 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 步进电动机三相三拍制 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 步进电动机三相三拍制 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 步进电动机三相三拍制 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 步进电动机三相三拍制 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 如按a c b a c b 的顺序轮流通电 步进电机就将反方向旋转 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 通电状态每变换一次 称为一拍 上述的步进电机 三相绕组依次单独通电 转换三次完成一个通电循环 称为三相三拍制 如按a ab b bc c ca a 的顺序轮流通电 转换六次完成一个通电循环 称为三相六拍制 三相六拍制比三相三拍制的步距角减小一半 而且切换时始终有一相绕组通电 工作比较平稳 通电状态每变换一次 称为一拍 上述的步进电机 三相绕组依次单独通电 转换三次完成一个通电循环 称为三相三拍制 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 步进电动机三相六拍制 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 步进电动机三相六拍制 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 步进电动机三相六拍制 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 步进电动机三相六拍制 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 步进电动机三相六拍制 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 步进电动机三相六拍制 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 步进电动机三相六拍制 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 bc 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 m相步进电机通电方式m相单m拍 例a b c d e am相双m拍 例ab bc cd de ea ab或abc bcd cde dea eab abcm相2m拍 例a ab b bc c cd d de e ea a或ab abc bc bcd cd cde de dea ea eab ab 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 反应式步进电机工作方式 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 三种通电方式的特点 单m拍 每次一相通电 切换瞬间失去自锁力矩易失步 在平衡位置易振荡 双m拍 每次同时有二相通电 切换瞬间仍有一相保持通电 运行稳定 2m拍 步距角小一半 切换瞬间仍有一相保持通电 运行稳定 步进电动机 步进电机的种类和工作原理 步进电动机工作原理综述 1 步进电机每输入一个脉冲 绕组的通电状态就变换一次 电机就相应地转动一步 因此角位移与输入脉冲个数成严格比例关系 2 一旦停止输入控制脉冲 只要维持绕组一定的通电电流 转子就可以保持在其固定的位置上 具有电磁锁定功能 不需要机械制动 3 改变绕组的通电顺序 就可以改变转子的旋转方向 4 转子的转速与输入的脉冲频率成正比 5 步距角 与通电拍数n 转子的齿数z有关 可用下式表示 例 当转子的齿数z 40 三拍制工作时 3o 六拍制工作时 步距角 1 5o 步进电动机 2 步进电机的主要特性 步进电机输出的角位移量 与输入的指令脉冲数 成正比 在时间上与输入的脉冲同步 而步进电机的转速 与指令脉冲频率 成正比 在步进电机负载能力允许的情况下 这种线性关系不会因为负载的变化等因素而变化 所以可以在较宽的范围内 通过对指令脉冲频率和数量的控制 实现对机床运动速度和位置的控制 步进电动机 2 步进电机的主要特性 1 步距角和静态步距误差步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次 转子转过的角度 它取决于电机结构和控制方式 步距角 可由下式计算 360 mzk式中 m是定子励磁绕组数 z是转子的齿数 k是控制方式确定的拍数与相数的比例系数 按通电方式的不同分别为 2m拍k 2 其它k 1 若步进电动机通电的脉冲频率为f 则步进电动机的转速为在一转内各步距误差的最大值 被定为步距误差 它的大小是由制造精度等因素决定的 步进电动机 2 步进电机的主要特性 2 矩角特性与静态转矩矩角特性是步进电机的一个重要特性 它是指步进电机产生的静态转矩与失调角的变化规律 空载时 若步进电机某相绕组通电 根据步进电机的工作原理 电磁转矩会使得转子齿槽与该相定子齿槽相对齐 这时 转子上没有转矩输出 如果在电机轴上加一逆时针方向的负载转矩m 则步进电机转子就要逆时针方向转过一个角度 才能重新稳定下来 这时转子上受到的电磁转矩mj和负载转矩m相等 我们称mj为静态转矩 为失调角 不断改变m值 就得到mj与 的函数曲线 我们称mj f 曲线为转矩 失调角特性曲线 或称为矩角特性 步进电动机 2 步进电机的主要特性 图中a b c三相的矩角特性曲线在相位上互差1 3周期 曲线上峰值所对应的转矩叫做最大静态转矩 用mjmax表示 它表示步进电机承受负载的能力 其值愈大 自锁转矩愈大 静态误差愈小 换句话说 最大静态转矩mjmax愈大 电机带负载的能力愈强 运行的快速性和稳定性愈好 曲线a和b的交点所对应的力矩mq是电机运行状态的最大起动转矩 当负载力矩mf小于mq时 电机才能正常起动运行 否则 将造成失步 电机也不能正常启动 步进电动机 2 步进电机的主要特性 3 启动频率空载时 步进电机由静止突然起动 并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率 称为启动频率或突跳频率 若起动时频率大于突跳频率 步进电机就不能正常起动 空载起动时 步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率 4 连续运行频率步进电机连续运行时 它所能接受的 即保证不丢步运行的极限频率fmxa 称为最高工作频率 它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数 它决定了步进电机的最高转速 步进电动机 2 步进电机的主要特性 6 矩频特性与动态转矩矩频特性md f f 所描述的是步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系 如图所示 该特性曲线上每一频率f所对应的转矩为动态转矩md 可见动态转矩的基本趋势是随连续运行频率的增大而降低 5 加减速特性步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中 定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系 步进电动机 3 步进电机的优缺点 1 角位移输出与输入的脉冲数相对应 每转一周都有固定步数 转过一周后 误差归零 在不失步的情况下 步距误差不会长期积累 2 在负载范围内 步距角和转速仅与脉冲频率有关 不受电源电压波动或负载变化的影响 可构成结构简单 精度较高的开环控制系统 3 动态响应快 易于起停 正反转及变速 4 存在振荡和失步现象 振动和噪声大 5 带负载能力较差 需功率放大 6 不能直接使用普通的交 直流电源驱动 驱动控制线路 根据步进式伺服系统的工作原理 步进电机驱动控制线路的功能是将具有一定频率f 一定数量和方向的进给脉冲转换成控制步进电机各相定子绕组通断电的电平信号 电平信号的变化频率 变化次数和通电顺序与进给指令脉冲的频率 数量和方向对应 步进电机驱动控制线路的作用是接收数控装置发出的进给脉冲信号 使步进电机旋转 进而通过丝杠带动工作台运动 驱动控制线路 1 控制原理 步进电机驱动电路的三大功能 变频 环分 功放 由此可知驱动电路的组成 如下图所示 由变频信号源 脉冲分配器 功率放大器三块组成 变频信号源是频率连续可调的脉冲信号发生器 它根据步进电机转速变化的需要把不同频率的脉冲送到脉冲分配器 脉冲分配器又叫环分器 它按一定的顺序导通或截止功率放大器 使步进电机的各相绕组轮流通电 驱动控制线路 1 控制原理 步进式伺服系统原理框图 1 工作台位移量的控制 2 工作台进给速度的控制 3 工作台运动方向的控制 驱动控制线路 2 驱动控制线路 一个较完善的步进电机驱动控制线路由脉冲混合电路 加减脉冲分配电路 加减速电路 环形分配器和功率放大器组成 线路中脉冲混合电路 加减脉冲分配电路 加减速电路和环形分配器可用硬件线路来实现 也可用软件来实现 驱动控制线路 2 驱动控制线路 线路各个部分的功能 脉冲混合电路 加减脉冲分配电路 加减速电路 环形分配器5 功率放大器 驱动控制线路 2 驱动控制线路 加减速电路输入输出特性 驱动控制线路 2 驱动控制线路 环形分配器环形分配器的功能是把来自cnc的脉冲信号按一定的规律分配给各相功率放大器 来驱动相应的励磁绕组 进而实现步进电动机按规定的方式进行工作 脉冲分配有两种方式 一种是由专门的硬件脉冲分配器来完成的硬件脉冲分配 硬件脉冲分配器是由门电路及逻辑电路构成的 它提供符合步进电动机控制指令所需要的顺序脉冲 驱动控制线路 2 驱动控制线路 环形分配器 驱动控制线路 2 驱动控制线路 特点 需要专用硬件资源 运行效率高 驱动控制线路 2 驱动控制线路 另一种是由计算机的软件来完成的软件脉冲分配 软件脉冲分配是用软件来实现脉冲分配的 它是预先将逻辑序列按地址的顺序存入到rom当中 在工作时 就根据计算的指令步数求出每一步相应的地址 从rom中取出该节拍的控制信息 由i o接口送入功率放大器 根据指令的步数循环执行这一序列表 步进电动机就按设定的节拍连续运行 驱动控制线路 2 驱动控制线路 特点 节省了环分器硬件 但软件运行效率低 用于速度要求的情况 驱动控制线路 2 驱动控制线路 功率放大器在实际的控制过程当中 环形分配器的输出信号很小 而步进电动机的绕组电流又很大 所以需要进行功率放大 过去采用单电压驱动电路 后来采用高低压驱动电路 现在则比较多的采用了恒流斩波 调频调压和细分驱动电路等形式的驱动电路 驱动控制线路 2 驱动控制线路 提速 限流 电阻rc 改变时间常数 提高响应速度续流二极管d 用于功率晶体管的过电压保护特点 结构简单 效率低 能耗高 发热大 工作稳定性差 应用 小功率步进电机驱动 单电压功率放大电路 驱动控制线路 2 驱动控制线路 双电压驱动电路这种驱动电路供给步进电动机绕组的电压有两种 一种是低电压u2 一般为12v或24v 另一种是高电压u1 电压为80v以上 该电路的优点是在较宽的频率范围内有较大的平均电流 能产生较大且稳定的平均转距 其缺点是电流波形有谷点 波形如图 在相序输入信号in il到来时 vt1 vt2同时导通 给绕组加上高压u1 以提高绕组中电流上升率 当电流达到规定值时 vt1关断 vt2仍然导通 tn的脉宽小于tl 则自动切换到低压u2 驱动控制线路 2 驱动控制线路 斩波驱动电路由于双电压驱动电路存在着电流在高低压连接处出现谷点 造成高频输出转矩在谷点下降 为了使励磁绕组中的电流维持在额定值附近 提高步进电动机的转矩和效率 所以需要采用斩波驱动电路 输入信号若为正脉冲 则vt1 vt2同时导通 由于u1电压较高 绕组回路中又没串电阻 所以绕组中电流迅速上升 当电流达到规定值时 由于采样电阻re的反馈作用 经整形 放大后送至vt1基极 使vt1截止 接着绕组由u2供电 绕组中电流迅速下降 但刚降到额定值以下时 由于采样电阻re的反馈作用 使整形电路无信号输出 此时高压前置放大电路又使vt1导通 电流又上升 如此反复进行 形成一个在额定电流值上下波动呈锯齿状的绕组电流波形 近似恒流 其电流波形如图 提高步进伺服系统精度的措施 概述影响步进电机开环系统传动精度的因素 步进电机的步距角精度 机械传动部件的精度 丝杆等机械传动部件 支承的传动间隙 传动件和支承件的变形 提高步进电机开环系统传动精度的措施适当提高系统组成环节的精度 采取各种精度补偿措施 提高步进伺服系统精度的措施 传动间隙补偿在整个行程范围内测量传动机构传动间隙 取其平均值存放在数控系统中的间隙补偿单元 当进给系统反向运动时 数控系统自动将补偿值加到进给指令中 从而达到补偿目的 螺矩误差补偿虽然滚珠丝杆精度较高 但是总不可做的绝对精确 它的螺距总是存在着一定的误差的 利用计算机的运算处理能力 可以补偿滚珠丝杠的螺矩累积误差 以提高进给位移精度 方法 首先测量出进给丝框螺距误差曲线 规律 然后可采用下列两种方法实现误差补偿 硬件补偿 软件补偿 提高步进伺服系统精度的措施 细分驱动技术把额定电流分成n个级别进行通电 转子就会以n个通电级别所决定的步数来完成原有一个步距角所转过的角度 使原来的每个脉冲走过一个步距角 变成了每个脉冲走1 n个步距角 即把原来一个步距角细分成n份 从而提高了步进电机的精度 三相步进电动机线性细分后 原来一相的一个大脉冲由现在的n个阶梯脉冲所代替 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 基本上消除了步进电机的低速振动问题 使步进电机低速运转平稳 没有噪声 提高步进伺服系统精度的措施 细分驱动技术 7 3直流伺服电机及其速度控制 直流伺服系统 以直流电动机为执行元件的闭环伺服系统 优点 直流伺服电动机调速性能良好 他励直流电动机的机械特性较硬 在数控伺服系统中应用较早 缺点 电动机有电刷和换向器 容易磨损 限制了转速的提高 结构复杂 价格高 直流伺服电动机 1 直流电动机的类型和结构 直流伺服电机的特点 过载倍数大 时间长 具有大的转矩 惯量比 电机的加速大 响应快 低速转矩大 惯量大 可与丝杆直接相联 调速范围大 1 2000 带有高精度的速度和角位置检测元件 电机允许温度达150 以上 由于温升高 影响机床精度因转子惯性大 电源容量以及机械传动件的刚度都需相应增大 电刷维护不便 直流伺服电动机 1 直流电动机的类型和结构 各种分类方法根据磁场产生的方式 他励式 并励式 串励式 复励式 永磁式 根据结构分类 一般电枢式 无槽电枢式 印刷电枢式 绕线盘式 空心杯电枢式 按转动惯量不同 大惯量 中惯量 小惯量 按有无电刷分类 有刷电机 无刷电机 直流进给伺服系统使用永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直流电机 普通型 直流主轴伺服系统使用励磁式直流电机类型中的他激直流电机 直流伺服电动机 1 直流电动机的类型和结构 直流电机由定子 转子 电刷和换向片等组成 直流伺服电动机外形图直流伺服电动机结构图 直流伺服电动机 1 直流电动机的类型和结构 1 小惯量直流伺服电动机如果把传统用的直流电动机在设计时减少转动惯量 增大其过载能力 改进其换向性能 使它在静态与动态特性方面有所改善 就可成为数控机床的进给驱动伺服电动机 在早期的欧美数控机床中较多采用这种改进型的直流电动机 特点 转动惯量小 电枢反应较小 具有良好的换向性能 低速运行时稳定性和均匀性较好 无爬行现象 过载能力强 直流伺服电动机 1 直流电动机的类型和结构 2 大惯量宽调速直流伺服电动机 永磁直流伺服电动机 由于永磁直流伺服电动机能在较大过载转矩下长期地工作以及电动机的转子惯量较前述两种电动机都大 因此它能直接与丝杠相连而不需要中间传动装置 而且因为无励磁回路损耗 所以它的外形尺寸比与其相类似的励磁式直流电动机小 它还有一个特点是可在低速下运转 如能在1r min甚至在0 1r min下平稳地运转 因此 这种电动机在数控机床上获得了广泛的应用 自20世纪70年代至80年代中期 在数控机床应用中 它占据着绝对统治地位 至今 许多数控机床上仍然使用永磁直流伺服电动机 直流伺服电动机 1 直流电动机的类型和结构 2 大惯量宽调速直流伺服电动机 小惯量电动机发减小电机的转动惯量来提高电机的快速性 大惯量电机则在维持一般直流电机较大转动惯量的前提下 以尽量提高转矩的方法改善其动态特性 特点 低转速大惯量 转矩大 适应大吃刀量加工的要求 调速范围宽 低速运行平稳 力矩波动小 动态响应性能好 过载能力强 直流伺服电动机 1 直流电动机的类型和结构 2 大惯量宽调速直流伺服电动机 直流伺服电动机 1 直流电动机的类型和结构 3 无刷直流电动机无刷直流电动机也叫无换向器直流电动机 是由同步电动机和逆变器组成 而逆变器是由装在转子上的转子位置传感器控制 因此 它实质上是交流调速电动机的一种 由于这种电动机的性能达到直流电动机的水平 又取消了换向器及电刷部件 使电动机寿命大约提高了一个数量级 因此多年来引起了人们很大的兴趣 有刷直流伺服电机通常采用永久磁铁做定子 而无刷电机转子为永久磁铁 定子为电枢 直流伺服电动机 1 直流电动机的类型和结构 直流伺服电动机 2 直流伺服电动机的机械特性 永磁式直流伺服电动机的工作原理与普通直流电机相同 用永久磁铁代替普通直流电机的励磁绕组和磁极铁芯 在电机气隙中建立主磁通 产生感应电势和电磁转矩 图示为永磁他激直流伺服电动机电路原理 他激直流伺服电机电路原理图 直流伺服电动机 2 直流伺服电动机的机械特性 电机电枢电路的电压平衡方程式为 感应电动势为 由以上两个方程可得电动机转速特性 式中u为电动机电枢回路外加电压 rd为电枢回路电阻 id为电枢回路电流 ce为反电动势系数 kv为反电动势常数 为气隙磁通量 直流伺服电动机 2 直流伺服电动机的机械特性 电动机的电磁转矩为 因此可得电动机机械特性方程式为 式中cm为转矩系数 直流伺服电动机 3 直流伺服电动机的调速原理与方法 直流电动机调速原理 从式中可以看出 要改变直流电动机的转速n 有三种方法 1 改变电枢回路电阻rd 这使转速只能调低不能调高 调节不易 很少采用 2 改变励磁回路电阻rf 以改变if 从而改变 值 但if只能减小 转速只能调高 不能调低 可见这两种方法都不能满足数控机床的要求 3 改变电枢电压 尽管需要附加调压设备 但它的调速范围大 又是恒扭矩调速 所以直流伺服电机常用这种方法调速 直流伺服电动机 3 直流伺服电动机的调速原理与方法 改变电枢外加电压u 该调速方法是维持电机的激磁磁场恒定 改变加在电机电枢绕组的电压 对电机的转速进行调节 由于绕组绝缘耐压的限制 调压只能在额定转速以下进行 属于恒转矩调速 直流伺服电动机 3 直流伺服电动机的调速原理与方法 改变气隙磁通量 在保持电枢电压恒定的情况下 改变激磁绕组的电流 即可改变磁场 从而改变电机转速 因为电机在额定运行 u恒定 情况下 磁场接近饱和 故只能弱磁调速 在额定转速以上进行 属于恒功率调速 恒转矩调速 调电枢电压时 磁场磁通 为额定值 又运行时 允许电枢电流等于额定值 则输出转矩tm cm id为额定值 恒功率调速 调磁控制时 为达到最大出力 可使电枢电流提高 允许达到额定值 但不能超过此值 当减弱磁场时 转矩tm下降 转速升高 维持功率不变 直流伺服电动机 3 直流伺服电动机的调速原理与方法 直流电动机的调速特性 a 改变电枢电压时的机械特性 b 改变磁通时的机械特性 直流伺服电动机的速度控制单元 在数控机床驱动装置中 直流电动机速度控制多采用晶闸管 又称为可控硅 scr 调速系统和晶体管脉宽调制 pwm 调速系统 这两种调速系统都可作为永磁直流伺服电机调速的控制电路 调速方法是改变电机电枢电压 直流速度控制单元接收转速指令信号 多为电压值 通过速度控制电路变为电机的电枢电压 达到速度调节的目的 直流伺服电动机的速度控制单元 1 晶闸管直流调速 scr是一种大功率半导体器件 由阳极a 阴极k和控制极g 又称门极 组成 当阳极与阴极间施加正电压且控制极出现触发脉冲时 可控硅导通 触发脉冲出现的时刻称为触发角 控制触发角 即可控制可控硅的导通时间 从而达到控制电压的目的 在改变转速时 要求在速度指令发出后 电动机的转速能以最快的加减速度达到新的指令速度值 在速度指令值不变时 要求电动机速度保持恒定不变 直流伺服电动机的机械特性比较软 在外加电压不变时 电机的转速随负载的变化而变化 对电机的调速就是在负载变化时或电机驱动电源电压波动时保持电机的转速稳定不变 直流伺服电动机的速度控制单元 1 晶闸管直流调速 scr系统的组成 控制回路 速度环 电流环 触发脉冲发生器等 主回路 可控硅整流放大器等 速度环 速度调节 作用 好的静态 动态特性 电流环 电流调节 作用 加快响应 启动 低频稳定等 触发脉冲发生器 产生移相脉冲 使可控硅触发角前移或后移 可控硅整流放大器 整流 放大 驱动 使电机转动 scr调速系统组成框图 直流伺服电动机的速度控制单元 1 晶闸管直流调速 主回路工作原理 由大功率晶闸管构成的三相全控桥式 三相全波 反并联可逆电路 分成二大部分 和 每部分内按三相桥式连接 二组反并联 分别实现正转和反转 每组晶闸管都有两种工作状态 整流和逆变 一组处于整流工作时 另一组处于待逆变状态 在电机降速时 逆变组工作 三相整流器 由二个半波整流电路组成 每部分内又分成共阴极组 1 3 5 和共阳极组 2 4 6 为构成回路 这二组中必须各有一个可控硅同时导通才能构成通电回路 为此必须同时控制 1 3 5在正半周导通 2 4 6在负半周导通 每组内 即二相间 触发脉冲相位相差120 每相内二个触发脉冲相差180 按管号排列 触发脉冲的顺序 1 2 3 4 5 6 相邻之间相位差60 为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通 或已截止的相再次导通 采用双脉冲控制 既每个触发脉冲在导通60 后 在补发一个辅助脉冲 也可以采用宽脉冲控制 宽度大于60 小于120 直流伺服电动机的速度控制单元 1 晶闸管直流调速 控制回路分析 具体的说就是只通过改变晶闸管触发角 即改变控制角 可控硅导通时间 电动机进行调速的范围是很小的 特性软 没反馈是开环 为了满足数控机床的调速范围需求 可采用带有速度反馈的闭环系统 为了增加调速特性的硬度 需要再加一个电流反馈环节 实现双环调速系统 速度指令电压ur和速度反馈电压uf分别经过阻容滤波后 在比较放大器中进行比较放大 得到速度误差信号es es为速度调节器的输入信号 速度调节器经常采用比例 积分调节器 即pi调节器 其目的是为了获得满意的静态和动态的调速特性 触发脉冲发生器可使电路产生可控硅的移相触发脉冲 该脉冲接至主回路 整流电路 可控硅的控制栅极 触发可控硅整流 电流调节器可以由比例 p 或比例 积分调节器 pi 组成 其中ir为电流给定值 if为电流反馈值 e1比较后的误差 经过电流调节器输出后还要变成电压 其目的是为了减小系统在大电流下的开环放大倍数 加快电流环的响应速度 缩短起动过程 同时减小低速轻载时由于电流断续对系统平稳性的影响 直流伺服电动机的速度控制单元 1 晶闸管直流调速 scr调速系统的工作原理 调速 当给定的指令信号增大时 则有较大的偏差信号加到调节器的输入端 产生前移的触发脉冲 可控硅整流器输出直流电压提高 电机转速上升 此时测速反馈信号也增大 与大的速度给定相匹配达到新的平衡 电机以较高的转速运行 干扰 假如系统受到外界干扰 如负载增加 电机转速下降 速度反馈电压降低 则速度调节器的输入偏差信号增大 其输出信号也增大 经电流调节器使触发脉冲前移 晶闸管整流器输出电压升高 使电机转速恢复到干扰前的数值 直流伺服电动机的速度控制单元 1 晶闸管直流调速 电网波动 电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流作用 如电网电压突然短时下降 整流输出电压也随之降低 在电机转速由于惯性还未变化之前 首先引起主回路电流的减小 立即使电流调节器的输出增加 触发脉冲前移 使整流器输出电压恢复到原来值 从而抑制了主回路电流的变化 启动 制动 加减速 电流调节器还能保证电机启动 制动时的大转矩 加减速的良好动态性能 这种双环调速系统的缺点是 在低速轻载时 电枢电流出现断续 机械特性变软 总放大倍数下降 同时也使动态品质恶化 scr调速系统的工作原理 直流伺服电动机的速度控制单元 2 晶体管脉宽调制 pwm 调速 脉宽调制原理图 a 电路图 b 电压波形 直流伺服电动机的速度控制单元 2 晶体管脉宽调制 pwm 调速 系统的组成及特点 pwm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 加到直流电动机的电枢两端 通过对矩形波脉冲宽度的控制 改变电枢两端的平均电压 达到调节电动机转速的目的 pwm的主要缺点是不能承受高的过载电流 功率还不能做得很大 目前在中小功率的伺服驱动装置中 大多采用pwm 而在大功率的场合中采用scr 直流脉宽调速系统主要采用转速电流双闭环的系统结构 直流伺服电动机的速度控制单元 2 晶体管脉宽调制 pwm 调速 主回路 大功率晶体管开关放大器 功率整流器 控制回路 速度调节器 电流调节器 固定频率振荡器及三角波发生器 脉宽调制器和基极驱动电路 区别 与晶闸管调速系统比较 速度调节器和电流调节器原理一样 不同的是脉宽调制器和功率放大器 直流脉宽调制 功率放大器中的大功率晶体管工作在开关状态下 开关频率保持恒定 用调整开关周期内晶体管导通时间 即改变基极调制脉冲宽度 的方法来改变输出 从而使电机获得脉宽受调制脉冲控制的电压脉冲 由于频率高及电感的作用则为波动很小的直流电压 平均电压 整流 功放 直流伺服电动机的速度控制单元 2 晶体管脉宽调制 pwm 调速 直流脉宽调调制的基本原理所谓脉宽调制 就是使功率放大器中的大功率晶体管工作在开关状态下 开关频率与加在晶体管上的输入电压保持恒定 控制信号的大小来改变每一周期内 接通 或 断开 的时间长短 也就是改变 接通 脉宽 使晶体管输出到电动机电枢上电压的 占空比 改变 从而改变电动机电枢的平均电压 达到调节电动机转速的目的 脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化 直流伺服电动机的速度控制单元 2 晶体管脉宽调制 pwm 调速 u 脉宽 脉宽 脉宽 脉宽 t 平均直流电压 周期不变 周期不变 pwm调速系统的电路原理pwm调速系统具有这么几个优点 频带宽 电流脉动小 波形系数小 电源的功率因数高 动态硬度好 脉冲宽度正比于代表速度f值的直流电压的高低 电动机为感性负载 电路的电感与频率成正比 因此电流脉动的幅度随频率的升高而下降 pwm调速系统的工作频率很高 因而可以使电流的脉动幅度大大削弱 电流的波形系统接近于1 波形系数小 电动机的内部发热就少 输出转矩平稳 这有利于低速加工 pwm调速系统具有优良的动态硬度 其意思是指伺服系统校正瞬态负载扰动的能力 由于pwm系统的频带宽 系统的动态硬度就越高 而且pwm系统有良好的线性 尤其是接近于零点处的直线性好 pwm调速系统的直流电源为不控整流输出 相当于scr导通角为最大时的工作状态 功率因数与输出电压无关 整个工作范围内的功率因数可达0 9 从而大大改善了电源的利用率 由于晶体管的结电容小 截止频率高 所以它允许系统有较高的工作频率 目前 pwm调速系统的开关工作频率多数为2khz 这远远大于scr调速系统的100hz 较宽的频带可以获得较好的系统动态性能 动态响应也迅速 直流伺服电动机的速度控制单元 2 晶体管脉宽调制 pwm 调速 7 4交流伺服电机及其速度控制 直流伺服电机的缺点 它的电刷和换向器易磨损 电机最高转速的限制 应用环境的限制 结构复杂 制造困难 成本高 交流伺服电机的优点 动态响应好 输出功率大 电压和转速提高 交流伺服电机形式 同步型交流伺服电机 可方便地获得与频率成正比的可变速度 可以得到非常硬的机械特性和很宽的调速范围 在电源电压和频度固定不变时 它的转速是稳定不变的 主要用在进给驱动系统中 异步型交流感应伺服电机 结构简单 制造容量大 主要用在主轴驱动系统中 交流伺服电动机 交流伺服电动机 1 永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理交流同步伺服电机的种类 励磁式 永磁式 磁阻式和磁滞式 1 永磁交流同步伺服电机的结构 永磁交流同步伺服电机结构1 定子 2 转子 3 脉冲编码器 4 定子三相绕组 5 接线盒 交流伺服电动机 2 永磁交流同步伺服电机工作原理和性能1 工作原理与励磁交流同步电机类似 即转子磁场与定子磁场相互作用的原理 所不同的是 转子磁场不是由转子中激磁绕组产生 而是由转子永久磁铁产生 永磁交流同步电机有一个问题就是起动困难 这是由于转子本身的惯量以及定子 转子磁场之间转速相差太大 使在起动时 转子受到的平均转矩为零 因此不能自起动 交流伺服电动机 2 永磁交流同步伺服电机的性能与直流伺服电机一样 也用特性曲线和数据来表示 最主要的是转矩 速度特性曲线 在连续工作区 区 速度和转矩的任何组合 都可连续工作 但连续工作区的划分受到一定条件的限制 连续工作区划定的条件有两个 一是供给电机的电流是理想的正弦波 二是电机工作在某一特定温度下 断续工作区 区 的范围更大 尤其在高速区 这有利于提高电机的加 减速能力 交流伺服电动机的速度控制单元 交流伺服电机转速n调速的理论基础结论 交流伺服电机变频调速的关键是要获得可调频调压的交流电源 交流伺服电动机的速度控制单元 上述各种调速方法中 靠改变转差率时 效率低 变级对数调速只能产生2种或3种速度 不可能做到无级 变频调速具有高效率 宽范围和高精度的调速特性 交流伺服电动机的速度控制单元 对于进给系统常使用的交流同步电机 该电机没有转差率 其转速公式变为 从式中可以看出 只能用变频调速 并且是有效方法 变频调速的主要环节是为交流电机提供变频 变压电源的变频器 变频器分为 交 直 交变频器分电压型和电流型 电压型先将电网的交流电经整流器变为直流 再经逆变器变为频率和电压都可变的交流电压 电流型是切换一串方波 方波电流供电 用于大功率 交 交变频器该变频器没有中间环节 直接将电网的交流电变为频率和电压都可变的交流电 目前对于中小功率电机 用得最多的是电压型交 直 交变频器 交流伺服电动机的速度控制单元 调频调压电源的分类 电压型变频器方案示意图 交流伺服电动机的速度控制单元 电压型变频器工作原理结论 变频器实现变频调压的关键是逆变器控制端获得要求的控制波形 如spwm波 交流伺服电动机的速度控制单元 控制波形的实现方式 电机调速的控制方式 相位控制 矢量变换控制 pwm控制 磁场控制 交流伺服电动机的速度控制单元 正弦波脉宽调制 spwm 变频调速 交流伺服电动机的速度控制单元 正弦波脉宽调制 spwm 变频调速 交流伺服电动机的速度控制单元 正弦脉宽调制原理 以单相为例 正弦脉宽调制 spwm 波形 与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波 如右下图所示 等效原理 把正弦半波分成n等分 每一区间的面积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替 则矩形脉冲所组成的波形就与正弦波等效 正弦的正负半周均如此处理 7 6位置控制 伺服系统中的位置是机床运动精度的重要保证 目前在cnc系统中使用的位置控制主要有两种类型 比例型 和 比例加前馈型 就闭环和半闭环伺服系统而言 位置控制的实质是位置随动控制 实现位置比较的主要方法有 脉冲比较法 相位比较法和幅值比较法 位置控制原理 鉴相式伺服系统 鉴相式伺服系统 comparingphasicservosystem 是数控机床中使用较多的一种位置控制系统 它是采用相位比较方式实现闭环 及半闭环 控制的伺服系统 鉴相式伺服系统具有工作可靠 抗干扰性强 精度高等优点 但由于增加了位置检测 反馈 比较等元件 与步进式伺服系统相比 它的结构比较复杂 调试也比较困难 鉴相式伺服系统 1 鉴相式伺服系统的组成 鉴相式伺服系统主要由基准信号发生器 脉冲调相器 检测元件及信号处理线路 鉴相器 驱动线路和执行元件等组成 鉴相式伺服系统 1 鉴相式伺服系统的组成 1 基准信号发生器输出一列具有一定频率的脉冲信号 为伺服系统提供一个相位比较基准 2 脉冲调相器又称数字相位转换器 其作用是将来自数控装置的进给脉冲转换为相位变化的信号 该相位变化信号可用正弦信号或方波信号表示 3 检测元件及信号处理线路将工作台的位移量检测出来 将其表达成与基准信号之间的相位差 此相位差的大小体现了工作台的实际位移量 鉴相式伺服系统 1 鉴相式伺服系统的组成 4 鉴相器鉴相器的输入信号有两路 一路是来自脉冲调相器的指令信号 另一路是来自检测元件及信号处理线路的反馈信号 它反映了工作台的实际位移量大小 5 驱动线路和执行元件驱动线路将鉴相器的输出进行电压 功率放大 有需要时也将信号转换成驱动执行元件所需的信号形式 执行元件实现电信号和机械位移的转换 将驱动线路输出的电信号转换成工作台的实际进给 鉴相式伺服系统 2 鉴相式伺服系统的工作原理 鉴相式伺服系统利用相位比较的原理进行工作 当数控机床的数控装置要求工作台沿一个方向进给时 插补器或插补软件便产生一系列进给脉冲 该进给脉冲作为指令脉冲 其数量代表了工作台的指令进给量 其频率代表了工作台的进给速度 其方向代表了工作台的进给方向 鉴相式伺服系统 3 鉴相式伺服系统的控制线路 1 脉冲调相器 脉冲调相器的功能是按照所输入指令脉冲的要求对载波信号进行相位调整 鉴相式伺服系统 3 鉴相式伺服系统的控制线路 1 脉冲调相器 脉冲 相位变换的原理假设时钟脉冲频率为f 计数器 当分频器用 的容量为n 则这两个计数器的最后一级输出频率f为 f f n 如果在时钟脉冲触发两计数器以前 先向其中一个计数器 如x计数器 输入一定数量脉冲 x 则当时钟脉冲触发两计数器以后 两计数器输出信号频率仍相同 但相位不同 n个时钟脉冲使标准计数器的输出变化一个周期 即360 n x个脉冲使x计数器的输出在变化一个周期 360 后 又变化 360 n x 即超前标准计数器一个相位角 以后每来n个时钟脉冲 两计数器都变化一个周期 鉴相式伺服系统 3 鉴相式伺服系统的控制线路 1 脉冲调相器 若在时钟脉冲触发两计数器的过程中 加入一定数量的脉冲 x给x计数器 这样就会使输入给x计数器的脉冲总数比给标准计数器的计数脉冲多了 x个 结果使x计数器输出的信号相位超前 x n 360 鉴相式伺服系统 3 鉴相式伺服系统的控制线路 1 脉冲调相器 假如在时钟脉冲不断触发两计数器过程中 加入一定数量的 x脉冲给x计数器 使加入的 x个脉冲抵消了进入x计数器的 x个时钟脉冲 则在两计数器的最末一级输出端将出现x计数器的相位滞后标准计数器一个相位 x n 360 鉴相式伺服系统 3 鉴相式伺服系统的控制线路 2 鉴相器 鉴相器又称相位比较器 它的作用是鉴别指令信号与反馈信号的相位 判别两者之间的相位差 将其变成一个带极性的误差电压信号 作为速度单元的输入信号 鉴相器的结构形式很多 常用的有二极管鉴相器 可以用来鉴别正弦信号之间的相位差 触发器 门电路 鉴相器 可以对方波信号之间的相位差进行鉴别 鉴相式伺服系统 3 鉴相式伺服系统的控制线路 2 鉴相器 图示触发器鉴相器中的触发器为不对称触发的双稳态触发器 鉴幅式伺服系统 鉴幅式伺服系统 comparingamplitudeservosystem 是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值 并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较构成的闭环控制系统 它与鉴相式伺服系统的主要区别有两点 一是它的测量元件是以鉴幅式工作状态进行工作的 因此 可用于鉴幅式伺服系统的测量元件有旋转变压器和感应同步器 二是比较器所比较的是数字脉冲量 而与之对应的鉴相式伺服系统的鉴相器所比较的是相位信号 故在鉴幅式伺服系统中 不需要基准信号 两数字脉冲量可直接在比较器中进行脉冲数量的比较 鉴幅式伺服系统 1 鉴幅式伺服系统的组成 鉴幅式伺服系统由测量元件及信号处理线路 数模转换器 比较器 放大环节和执行元件五部分组成 鉴幅式伺服系统 2 鉴幅式伺服系统的工作原理 进入比较器的信号有两路 一路来自数控装置插补器或插补软件的进给脉冲 它代表了数控装置要求机床工作台移动的位移 另一路来自测量元件及信号处理线路 也是以数字脉冲形式出现 它代表了工作台实际移动的距离 鉴幅系统工作前 数控装置和测量元件及信号处理线