数控技术及应用第6章 数控机床的电气驱动-步进电动机.ppt

第六章数控机床的电气驱动 主要内容 1 步进电动机2 进给伺服电动机直流伺服电动机 交流伺服电动机 3 数控机床主轴电动机 1 概述 机床动力源 气动 液压 电动 数控机床动力源 主要是电动机 机床动力源根据用途分为 主轴驱动动力源 为主轴提供能量和较高的速度 由电动机驱动 不用液压马达 进给驱动动力源 与主轴驱动动力源相比 进给驱动动力源的功率小得多 一般1KW就足够 此外进给速度比切削速度慢很多 辅助运动驱动动力源 通常使用交流感应电动机作为动力源 这些辅助运动包括冷却泵 除屑 驱动液压马达等 只需要进行开 关控制 工作原理 步进电机是利用电磁铁原理 将脉冲信号转换成线位移或角位移的电动机 每来一个电脉冲 电机转动一个角度 带动机械移动一小段距离 特点 1 来一个脉冲 转一个步距角 2 控制脉冲频率 可控制电机转速 3 改变脉冲顺序 改变转动方向 4 角位移量或线位移量与电脉冲数成正比 2 步进电动机 2 步进电动机 缺点 最大缺点是失步 失步包括丢步和越步 丢步 指转子前进的步数小于电脉冲数 越步 指转子前进的步数多于电脉冲数 在大负载和转速较高时 更容易发生失步 步进电机主要用于经济型数控机床的进给驱动 以反应式三相步进电机为例说明步进电机的结构和原理 通常按励磁方式分为三大类 1 反应式 转子无绕组 定转子开小齿 步距小 应用最广 2 永磁式 转子的极数 每相定子极数 不开小齿 步距角较大 力矩较大 3 感应子式 混合式 开小齿 混合式步进电机优点 转矩大 动态性能好 步距角小 步进电机的种类 三相反应式步进电动机结构 注意 步进电机通的是直流电脉冲 步进电机主要由两部分构成 定子和转子 它们均由磁性材料构成 定 转子铁心由软磁材料或硅钢片叠成凸极结构 定 转子磁极上均有小齿 定 转子的齿数相等 其中定子有六个磁极 定子磁极上套有星形连接的三相控制绕组 每两个相对的磁极为一相 组成一相控制绕组 转子上没有绕组 转子上相邻两齿间的夹角称为齿距角 假设转子上有四个齿 则相邻两齿间夹角 齿距角 为900 图6 1三相反应式步进电机结构 步进电机是按电磁吸引的原理进行工作的 当定子绕组按顺序轮流通电时 A B C三对磁极就依次产生磁场 每次仅对转子的某一对齿产生电磁引力 将其吸引过来 而使转子一步步转动 当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时 磁阻最小 转矩为零 如果控制线路不停地按一定方向切换定子绕组各相电流 转子便按一定方向不停地转动 步进电机每输入一个脉冲电信号 转子转过的角度称为步距角 工作方式 步进电机的工作方式可分为 三相单三拍 三相单 双六拍 三相双三拍等 单 是指每次只有一相绕组通电 三拍 是指每三次换接为一个循环 一 三相单三拍 1 三相绕组联接方式 Y型 3 工作过程 A相通电使转子1 3齿和AA 对齐 B相通电 转子2 4齿和B相轴线对齐 相对A相通电位置转30 C相通电再转30 图6 5步进电机工作原理 这种工作方式 因三相绕组中每次只有一相通电 而且 一个循环周期共包括三个脉冲 所以称三相单三拍 三相单三拍的特点 1 每来一个电脉冲 转子转过30 此角称为步距角 用 S表示 2 转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序 改变通电顺序即可改变转向 三相单三拍的缺点 由于每次只有一相绕组通电 在切换瞬间将失去自锁转矩 容易失步 另外 只有一相绕组通电 易在平衡位置附近产生振荡 稳定性不佳 故实际应用中不采用单三拍工作方式 二 三相单 双六拍 三相绕组的通电顺序为 A AB B BC C CA A共六拍 工作过程 A相通电 转子1 3齿和A相对齐 所以转子转到两磁拉力平衡的位置上 相对AA 通电 转子转了15 1 BB 磁场对2 4齿有磁拉力 该拉力使转子顺时针方向转动 A B相同时通电 2 AA 磁场继续对1 3齿有拉力 总之 每个循环周期 有六种通电状态 所以称为三相六拍 步距角为15 B相通电 转子2 4齿和B相对齐 又转了15 三 三相双三拍 三相绕组的通电顺序为 AB BC CA AB共三拍 工作方式为三相双三拍时 每通入一个电脉冲 转子也是转30 即 S 30 步进电机通过一个电脉冲转子转过的角度 称为步距角 N 一个周期的运行拍数 即通电状态循环一周需要改变的次数Zr 转子齿数 如 Zr 40 N 3时 步距角 单拍制 相邻两次通电相数相同双拍制 相邻两次通电相数不同 转速 每输入一个脉冲 电机转过 即转过整个圆周的1 ZrN 也就是1 ZrN 转 因此每分钟转过的圆周数 即转速为 步距角一定时 通电状态的切换频率越高 即脉冲频率越高时 步进电动机的转速越高 脉冲频率一定时 步距角越大 即转子旋转一周所需的脉冲数越少时 步进电动机的转速越高 1 静态转矩与矩角特性当步进电机上某相定子绕组通电之后 转子齿将力求与定子齿对齐 使磁路中的磁阻最小 转子处在平衡位置不动 0 如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz 转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度 角度 称为失调角 有失调角之后 步进电机就产生一个静态转矩 也称为电磁转矩 这时静态转矩等于负载转矩 静态转矩与失调角 的关系叫矩角特性 如图6 6所示 近似为正弦曲线 该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静态转矩 在静态稳定区内 当外加负载转矩除去时 转子在电磁转矩作用下 仍能回到稳定平衡点位置 0 步进电动机的运行性能 图6 6静态矩角特性 2 动特性 1 最大启动转矩下图为三相单三拍矩角特性曲线 图中的A B分别是相邻A相和B相的静态矩角特性曲线 它们的交点所对应的转矩是步进电机的最大启动转矩 如果外加负载转矩大于最大启动转矩 电机就不能启动 步进电动机的运行性能 a b ABC 2 启动频率空载时 步进电机由静止状态突然起动 并进入不失步的正常运行的最高频率 称为启动频率或突跳频率 加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率 就不能正常工作 步进电机在带负载 尤其是惯性负载 下的启动频率比空载要低 而且 随着负载加大 在允许范围内 启动频率会进一步降低 3 连续运行频率步进电机起动后 其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率 称为连续运行频率 其值远大于启动频率 它也随着电机所带负载的性质和大小而异 与驱动电源也有很大关系 4 矩频特性与动态转矩矩频特性是描述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 见图6 8 该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩 当步进电机正常运行时 若输入脉冲频率逐渐增加 则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降 在使用时 一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点 图6 8矩频特性 步进电动机的驱动 步进电动机的驱动电源主要由脉冲发生器 脉冲分配器和脉冲放大器 也称功率放大器 三部分组成 步进电动机的驱动 步进电动机的驱动电源主要有三种类型 1 高低压双电源型高低压双电源型脉冲功率放大器特点 开始时先接通高压 保证电动机绕组中有较大的冲击电流 然后再截断高压 由低压供电 保证电机绕组中稳态电流等于额定值 即 高压建流 低压定流 2 恒流斩波步进电机运行过程中 定子齿和转子齿相对位置不断发生变化 因而在绕组中产生旋转电动势 导致绕组电流波形的顶部下凹 P123图6 13 为了解决这个问题 设计了恒流斩波脉冲功率放大器电路 恒流斩波功率放大器 步进电动机的驱动 步进电动机的驱动电源的三种类型 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 这样也可以达到高频运行时 动态转矩不明显下降的目的 这种随着运行频率升高 电源电压自动升高的控制方式 称为调频调压方式 调频调压功率放大器 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电路比较简单 成本低 但不能解决绕组电流顶部凹陷问题 恒流斩波型脉冲功率放大器可以解决绕组电流顶部凹陷问题 在电机运行频率较低时 应用效果很好 但当电机运行频率较高时 应用效果将变差 此外 由于引入了斩波频率 有时会导致电机运行时噪声增加 调频调压型脉冲功率放大器通过 低频