数控技术课件5.ppt

主要内容 伺服驱动模块的教学设计南京航空航天大学游有鹏Email youypeng Tel 025 84892510 内容分析 教学目标 掌握步进电机及其驱动控制 直流伺服电机及其速度控制 了解交流电机变频调速 矢量控制的原理 了解位置伺服控制的原理与类型 困惑 内容庞杂 学生不容易理清思路 措施 抓住重点 不必面面俱到 理解原理的基础上 重在面向应用的性能与特点分析 主要内容 7 1概述 闭环进给伺服系统组成 主要内容 7 1概述 数控机床对进给伺服系统的要求 高精度 输出量能复现输入量的精确程度 稳定性好 抗干扰能力 响应速度快 系统跟踪精度 电机调速范围宽 最高转速和最低转速比 低速大转矩 便于直接驱动 可靠性高 对环境的适应性 主要内容 7 1概述 伺服系统的分类 按控制原理和有无检测反馈装置 开环 半闭环 闭环按被控对象 进给驱动 主轴驱动 按使用的执行元件 电液 电气伺服 步进 直流 交流 直线电机 按反馈比较控制方式分类 脉冲 数字比较伺服系统 相位比较伺服系统 幅值比较伺服系统 全数字伺服系统 7 1概述 开环数控系统 主要内容 7 1概述 位置控制调节器 速度控制调节与驱动 检测与反馈单元 位置控制单元 速度控制单元 电机 机械执行部件 CNC插补指令 实际位置反馈 实际速度反馈 半闭环数控系统 7 1概述 主要内容 位置控制调节器 速度控制调节与驱动 检测与反馈单元 位置控制单元 速度控制单元 机械执行部件 CNC插补指令 实际位置反馈 实际速度反馈 闭环数控系统 7 1概述 伺服电机是速度和轨迹控制的执行元件 数控机床中常用伺服电机 各自特点 直流伺服电机 良好的调速性能 交流伺服电机 调速性能接近直流 成为目前数控应用的主流产品 步进电机 适于中低速 轻载 负荷较稳定 直线电机 高速 高精度 主要内容 步进电机及其驱动 的内容组织 步进驱动的特点 步进电机的原理 主要性能参数 驱动控制 环形分配器 功放电路 教学方法 在掌握原理基础上 注重围绕应用了解各型电机的特点 性能参数 功放电路 7 2步进电机及其驱动控制系统 主要内容 步进电机是一种脉冲控制的执行元件 可将输入脉冲转换为机械角位移 每给步进电机输入一个脉冲 其转轴就转过一个角度 称为步距角 脉冲数量 位移量 脉冲频率 电机转速 各相的通电顺序 方向 7 2步进电机及其驱动控制系统 步进驱动的特点 主要内容 7 2步进电机及其驱动控制系统 优点 结构简单 价格便宜 工作可靠 缺点 容易失步 尤其在高速 大负载时 影响定位精度 在低速时容易产生振动 细分技术的应用 明显提高了定位精度 降低了低速振动 应用 要求一般的开环伺服驱动系统 如经济型数控机床的进给驱动 7 2步进电机及其驱动控制系统 按电磁吸引原理工作 以反应式步进电机为例 A相通电使转子1 3齿和AA 对齐 B B A C C A B相通电 转子2 4齿和B相轴线对齐 C相通电 转子1 3齿和C相轴线对齐 主要内容 7 2步进电机及其驱动控制系统 步进电机的工作方式 通电顺序 可分为 三相单三拍 三相单双六拍 三相双三拍等 1 三相单三拍 1 三相绕组联接方式 Y型 主要内容 A AB B BC C CA A 逆时针 A AC C BC B BA A 顺时针 每步转过15 步距角是三相三拍工作方式的一半 三相六拍的特点 电机运转中始终有一相定子绕组通电 运转比较平稳 7 2步进电机及其驱动控制系统 通电顺序 主要内容 7 2 2步进电机的主要特性 电机选择的依据 重点内容 每给一个脉冲信号 电机转子转过角度的理论值 7 2步进电机及其驱动控制系统 1 步距角 控制精度 主要内容 2 矩角特性 最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq 7 2步进电机及其驱动控制系统 反映电机的带载能力 3 启动频率fq和启动时的惯频特性 起动特性 4 运行矩频特性 运行特性 主要内容 7 2 3步进电机的分类 1 根据相数分类三 四 五 六相等 相数越多 步距角越小 7 2步进电机及其驱动控制系统 2 根据产生力矩的原理分类反应式 永磁式 混合式 各有何特点 3 根据绕组分布结构分类轴向分相式 多段式 径向分相式 单段式 反应式 转子为径向均分小齿的硅钢片 由被激磁的定子绕组产生反应力矩 有较高的力矩转动惯量比 步进频率较高 频率响应快 结构简单 但消耗功率大 断电时无定位转矩 永磁式 转子为一对或多对极的星形磁钢 断电时有定位转矩 消耗功率小 步距角较大 启动和运行频率较低 混合式 反应式和永磁式的结合 兼有反应式和永磁式的优点 步距角小 启动和运行频效率高 消耗率功小 断时有定位转矩 不能自由转动 但制造工艺较复杂 主要内容 7 2 4步进电机的环形分配器 7 2步进电机及其驱动控制系统 步进电机的驱动控制由环形分配器和功率放大器组成 环形分配器 功率放大器 A B C 主要内容 7 2步进电机及其驱动控制系统 方向控制信号 硬件环形分配器 主要内容 7 2步进电机及其驱动控制系统 软件环形分配器 7 2步进电机及其驱动控制系统 16进制 环形分配表 7 2步进电机及其驱动控制系统 用MCS 51单片机控制某机床x坐标工作台运动 7 2 5功率放大电路 步进脉冲须经过功率放大才能驱动步进电机 电机绕组是电感 流经其中的电流不能突变 产生延时 影响电机性能 且截止时会产生很高的反相电动势 威胁功率器件的安全 对驱动电路的要求 能够提供快速升降的电流 电流波形尽量接近方波 截止期间 具有快速放电回路 降低相绕组两端的反相电动势 加快电流衰减 功耗低 效率高 功率放大驱动部件 以功率晶体管等开关器件为核心的功率放大电路 单电压驱动电路高低压驱动电路可结合具体电路分析特点斩波恒流驱动电路细分驱动电路功放电路中 都是使晶体功率管或场效应晶体管工作于开关状态 不仅提高效率 并可提高步进电机的工作频率 转矩 减少噪声 驱动电路的类型 直流伺服电机内容分析 电机的结构与原理 调速方案 PWM调速系统 重点 PWM调速 是现代交 直流调速控制的基础 主要内容 7 3直流伺服电机及其速度控制 根据磁场产生的方式 他励式 永磁式 并励式 串励式和复励式 在结构上 无刷 有刷 电枢式 无槽电枢式 印刷电枢式 绕线盘式和空心杯电枢式等 根据控制方式 磁场控制方式 电枢控制方式 7 3 1直流伺服电机分类 7 3直流伺服电机及其速度控制 数控机床上常用的直流电机 永磁式直流伺服电机 进给驱动 小惯性直流伺服电机 快速运动的伺服系统 大惯量宽调速直流电机 直接驱动负载 过载能力强 无刷直流伺服电机 低噪音 高真空 无干扰伺服系统 主要内容 组成 磁极 定子 电枢 转子 电刷与换向片工作原理 直流电源接在两电刷间 电流通入电枢线圈 切割磁力线 产生电磁转矩 7 3直流伺服电机及其速度控制 7 3 2直流伺服电机的调速原理与方法 以他励式为例 主要内容 7 3直流伺服电机及其速度控制 一定 电枢回路电压平衡方程式 感应电势与转速关系 电磁转矩 7 3 2直流伺服电机的调速原理与方法 原理图 等效图 转速公式 三种调速方式 调节电阻Ra 调节电枢电压Ua 调节磁通 7 3直流伺服电机及其速度控制 转速公式 机械特性 电枢电阻调速很少采用 缺点 不经济 要得到低速 R很大 则消耗大量电能 低速 特性很软 运转稳定性很差 调节平滑性差 操作费力 7 3直流伺服电机及其速度控制 主要内容 调节电枢电压 调压调速 时 直流电机机械特性为一组平行线 只改变电机的理想转速n0 保持了原有较硬的机械特性 所以调压调速主要用于伺服进给驱动系统电机的调速 如果 n值较大 不可能实现宽范围的调速 永磁式直流伺服电机的 n值较小 因此 进给系统常采用永磁式直流电机 7 3直流伺服电机及其速度控制 主要内容 调节磁通 调磁调速 不但改变了电机的理想转速 而且使直流电机机械特性变软 所以调磁调速主要用于机床主轴电机调速 7 3直流伺服电机及其速度控制 主要内容 为调节电机转速和方向 需对直流电压的大小和方向进行控制 如何控制 直流伺服电机速度控制单元的作用 将转速指令信号转换成电枢的电压值 达到速度调节的目的 直流电机速度控制单元常采用的调速方法 晶闸管 可控硅 调速系统 适用于大功率场合晶体管脉宽调制 PWM 调速系统 7 3直流伺服电机及其速度控制 7 3 3直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式 主要内容 PWM调速控制系统 重点 原理 利用大功率晶体管的开关作用 将直流电压转换成一定频率的方波电压 加到直流电机的电枢上 通过调整控制方波脉冲宽度来改变电枢的平均电压 从而调节电机转速 特点 控制电路简单 不需附加关断电路 开关特性好 广泛应用中 小功率直流伺服系统 7 3直流伺服电机及其速度控制 主要内容 直流电机电压的平均值 T 脉冲周期 Ton 导通时间 7 3直流伺服电机及其速度控制 脉宽调制 PWM 系统组成 7 3直流伺服电机及其速度控制 电流环功用 转矩调节 过载保护 抗负载扰动 速度环功用 速度无静差调节 抗电网电压扰动 脉宽调制器作用 将电压量转换成可由控制信号调节的矩形脉冲 为功率晶体管的基极提供一个宽度可由速度指令信号调节的脉宽电压 组成 调制信号发生器 三角波和锯齿波两种 和比较放大器 原理 以三角波发生器为例介绍 7 3直流伺服电机及其速度控制 USr 速度指令转化过来的直流电压U 三角波USC 脉宽调制器的输出 USr U 调制波形图 7 3直流伺服电机及其速度控制 开关功率放大器的类型结构形式 H型 桥式 T型 每种电路又有单极性工作方式和双极性工作方式 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 7 3直流伺服电机及其速度控制 主回路 可逆H型双极式PWM开关功率放大器电路图 4个大功率晶体管T1 T2 T3 T4及4个续流二极管组成桥式电路 Ub1 Ub2 Ub3 Ub4为调制器输出的经脉冲分配 由基极驱动转换过来的脉冲电压 分别加到T1 T2 T3 T4基极 7 3直流伺服电机及其速度控制 US A B D1 D2 D3 D4 M T1 T2 T4 T3 UdUAB 电机正转 反转 停止 由正 负驱动电压脉冲宽窄定 当正脉冲较宽时 即t1 T 2 平均电压为正 电机正转 当正脉冲较窄时 即t1 T 2 平均电压为负 电机反转 正负脉冲宽度相等 即t1 T 2 平均电压为零 电机停转 电机速度的改变 电枢平均电压UAB越大转速越高 UAB由驱动电压脉冲宽度决定 7 3直流伺服电机及其速度控制 PWM功放的特点 元件工作在开关状态 效率高 主电路简单 功率器件少 低速性能好 调速范围宽 闭环1 1000 1 10000 开关频率高 电机微振 有利于克服静摩擦 开关频率尽可能高 系统频率10倍以上 但是 电磁干扰大 常用于中 小功率 数十千瓦 直流电机的改进 无刷电机 直流电机缺点 电刷和换向有磨损 有时会产生火花 换向器由多种材料制成 制作工艺复杂 电机最高速度受限制 结构复杂 成本较高 所以在使用上受到一定的限制 BLDC 基于电子换向控制的直流无刷电机 直流无刷电机的结构与电子换向原理 交流伺服电机及其调速系统内容分析 电机结构 原理 类型 交流主轴电机的变频调速 交流伺服电机的矢量控制原理 基本要求 掌握交流变频调速 矢量控制的基本原理 了解各型电机的性能特点 便于选用 可适当拓展其应用方法 如接口 通讯等 主要内容 交流伺服电机克服了直流电机结构上的缺点 充分发挥了坚固耐用 经济可靠 动态响应好 输出功率大等优点 随着交流伺服控制技术的发展 交流电机性能已接近直流伺服电机 并逐渐取代直流伺服电机 7 4交流伺服电机及其速度控制系统 主要内容 7 4交流伺服电机及其速度控制系统 交流伺服电机结构外形 7 4 1交流伺服电机的分类与特点 主要内容 数控机床上应用的交流电机一般都为三相 分 异步型 同步型交流伺服电机 同步型交流电机分 电磁式 非电磁式两大类 非电磁式同步型交流电机有 磁滞式 永磁式和反应式等 数控机床进给驱动系统 多数采用永磁式交流同步电机数控机床主轴驱动系统 采用异步交流伺服电机 7 4交流伺服电机及其速度控制系统 交流伺服电机的分类 1 永磁式交流同步电机结构 由定子 转子和检测元件组成 7 4交流伺服电机及其速度控制系统 主要内容 永磁式交流同步电机 工作原理和性能 nr ns 60f1 pns 同步转速 转子磁极的轴线与定子磁极的轴线夹角nr 转子旋转转速f1 交流电源频率 定子供电频率 p 定子和转子的极对数 7 4交流伺服电机及其速度控制系统 主要内容 2 交流主轴电机 感应电机原理定子三相绕组通三相交流电 产生旋转磁场 磁场切割转子中的导体 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 转速nr为 ns 同步转速f1 交流电源频率 定子供电频率 s 转差率 s ns nr nsp 极对数 7 4交流伺服电机及其速度控制系统 主要内容 nr ns 60f1 p同步电机异步电机只要改变交流伺服电机的供电频率f1 即可改变电机转速 所以交流伺服电机调速应用最多的是变频调速 7 4交流伺服电机及其速度控制系统 7 4 2交流伺服电机的变频调速 恒压频变频调速 U1 E1 4 444f1N1K1 m 定子绕组电压平衡方程当U1和f1为额定值时 m达到饱和状态 以额定值为界线 分为基频以下调速 恒压频调速当 m处在饱和值不变时 降低f1 必须减小U1 保持 m为常数 否则将使定子铁心处在过饱和供电状态 会烧坏电机 在基频以下调速 保持 m不变 即保持绕组电流不变 转矩不变 为恒转矩调速 f1较低时 需适当提高U1 以补偿定子绕组压降 基频以上调速在基频以上调速时 频率从额定值向上升高 受电机耐压的影响 相电压不能升高 只能保持额定电流值 在电机定子内 因供电的频率升高 使感抗增加 相电流降低 使磁通 m减小 因而输出转矩也减小 但因转速升高而使输出的功率保持不变 这时为恒功率调速 恒压频变频调速 主要内容 7 4交流伺服电机及其速度控制系统 交 交变频 用于大功率电机 晶闸管功放 变频器分 交 交变频交 直 交变频 主要内容 交 直 交变频 中小功率电机 PWM功放 7 4交流伺服电机及其速度控制系统 数控机床常采用交 直 交变频调速 SPWM 正弦波PWM 变频器是目前应用最广 最基本的一种交 直 交电压型变频器 在交流调速系统中获广泛应用 主要内容 SPWM变压变频器调制原理 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 等效原理 把正弦波分成n等分 每一区间面积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替 正弦波的正负半周均如此处理 7 4交流伺服电机及其速度控制系统 主要内容 SPWM控制波的生成 正弦波 三角波调制Q 电压比较器UR 由指令脉冲转换来的 正弦控制波 U 三角波发生器 电路原理示意图 7 4交流伺服电机及其速度控制系统 主要内容 整流器将三相工频交流电变成直流电逆变器将直流电压逆变成三相交流电 驱动电机运行 主回路 三相SPWM控制电路框图 7 4交流伺服电机及其速度控制系统 主要内容 7 4交流伺服电机及其速度控制系统 矢量控制 磁场定向控制 是德国F Blasche于1971年提出的 矢量控制 把交流电机模拟成直流电机 用对直流电机的控制方法控制交流电机 矢量控制的目的 使交流电机变频调速后的机械特性和动态特性接近直流电机的性能 7 4交流伺服电机及其速度控制系统 7 4 4交流伺服电机的矢量控制 主要内容 1 矢量控制的基本原理基本思想 利用 等效 概念 在矢量分析的基础上用数字方法将三相交流电机的定子电流 矢量 变换为等效的直流电机中彼此独立的励磁电流和电枢电流 解耦 建立交流电机的等效数学模型 然后模拟直流电机的控制方式 实现对电机的磁场和转矩的分别控制 再通过相反的变换 将被控制的等效直流电机的励磁电流和电枢电流合成 合成后的定子电流供给三相交流电机 从而实现了三相交流电机类似于直流电机的调速控制 7 4交流伺服电机及其速度控制系统 主要内容 2 矢量控制的等效过程 以转子磁场定向来讨论矢量控制的等效过程 首先将三相交流电机变换成等效的二相交流电机 然后再将二相交流电机变换成等效的直流电机 等效变换的准则 变换前后必须产生同样的旋转磁场 即选择电机某一旋转磁场轴作为基准旋转坐标系 称为磁场定向 因此 矢量控制又称磁场定向控制 交流电机的磁场定向轴的选择有三种 转子磁场定向 气隙磁场定向 定子磁场定向 永磁同步电机的矢量控制属于转子磁场定向 旋转坐标系水平轴选在转子轴线上 7 4交流伺服电机及其速度控制系统 1 三相 二相变换将三相交流电机变换为等效的二相交流电机以及与其相反的变换 7 4交流伺服电机及其速度控制系统 2 静止 旋转变换 二相 直流变换 将二相交流电机变换为等效的直流电机 7 4交流伺服电机及其速度控制系统 7 4交流伺服电机及其速度