数控技术之进给伺服驱动系统 .ppt

数控技术 华中科技大学机械科学与工程学院 1 4 1概述4 2位置检测装置4 3进给电机及驱动4 4进给伺服系统的控制原理和方法 第4章进给伺服驱动系统 2 4 3进给电机及驱动 CNC装置发出的位移指令信号 由伺服驱动装置作一定的转换和放大后 经伺服电机和机械传动机构 驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动 进给驱动系统的组成 驱动器和电机 进给电机的类型 步进电机 直流伺服电机 交流伺服电机和直线电机 3 4 3 1步进电机及驱动 驱动器每向步进电机输入一个电脉冲信号 步进电机转动一个角度 称为步距角 通过齿轮和丝杠带动工作台移动 步进式进给伺服驱动系统属于开环控制系统 步进电机转过的角度与电脉冲信号个数成正比 转动速度与电脉冲信号的频率成正比 优点 电机具有自锁能力 控制简单 缺点 在大负载和速度较高的情况下容易失步 能耗较大 应用 步进电机的速度不高 在脉冲当量为1 m 脉冲时 最高移动速度为2m min 主要用于速度和精度要求不太高的经济型数控机床和旧机床改造 4 3进给电机及驱动 4 1 步进电机分类 常见的分类方式有按相数 按产生力矩的原理 按输出力矩的大小和结构进行分类 按相数分 有三相 四相 五相 六相等 相数越多 步距角越小 输出转矩越大 但结构也越复杂 通电方式采用m相m拍 双m拍和m相2m拍等 按力矩产生的原理分 有反应式 永磁反应式和混合式三类 按输出力矩的大小分 快速步进电机 0 07Nm 4Nm 和功率步进电机 5Nm 50Nm 两类 按结构分类 有轴向分相式 即多段式 和径向分相式 即单段式 4 3进给电机及驱动 5 2 步进电机工作原理反应式步进电机的定子上有磁极 每个磁极上有激磁绕组 转子无绕组 有周向均布的齿 依靠磁极对齿的吸合工作 4 3进给电机及驱动 6 两个相对的磁极组成一相 注意 这里的 相 和三相交流电中的 相 的概念不同 步进电机通的是电脉冲 主要是指线图的联接和组数的区别 4 3进给电机及驱动 7 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 三相绕组联接方式 Y型 4 3进给电机及驱动 8 4 3进给电机及驱动 9 4 3进给电机及驱动 10 三相单三拍的工作特点 每来一个电脉冲 转子转过30 转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序 每次定子绕组只有一相通电 在切换瞬间失去自锁转矩 容易产生失步 只有一相绕组产生力矩吸引转子 在平衡位置易产生振荡 4 3进给电机及驱动 11 2 双三拍工作方式定子绕组通电顺序 AB BC CA AB 转子逆时针旋转 AC BC CA 转子顺时针旋转 有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引 每步仍旋转30 双三拍工作特点 始终有一相定子绕组通电 工作比较平稳 避免了单三拍通电方式的缺点 4 3进给电机及驱动 3 三相六拍工作方式通电顺序为 A AB B BC C CA A 逆时针 A AC C BC B CA A 顺时针 12 4 3进给电机及驱动 三相六拍工作特点 每步转过15 步距角是三相三拍工作方式的一半 电机运转中始终有一相定子绕组通电 运转比较平稳 13 3 步进电机实际结构 转子齿数很多 齿数越多 步距角越小 定子磁极上的齿的齿距与转子的齿距相同 但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的1 m m电机相数 每次定子绕组通电状态改变时 转子只转过齿距的1 m 如三相三拍 或1 2m 如三相六拍 达到新的平衡位置 4 3进给电机及驱动 14 若转子40个齿 通电为三相三拍方式 当转子齿与A相定子齿对齐时 转子齿与B相定子齿相差 3 与C相定子齿相差 6 4 3进给电机及驱动 15 每给一个脉冲信号 电机转子转过角度的理论值 4 步进电机的主要特性1 步距角 m 定子相数 z 转子齿数 k 通电系数 m相m拍 k 1 m相2m拍 k 2 一般很小 如 3 1 5 1 5 0 75 0 72 0 36 等 4 3进给电机及驱动 16 静态 步进电机处于通电状态 转子处在不动状态 静态转矩Mj 在电机轴上施加一个负载转矩M 转子会在载荷方向上转过一个角度 失调角 转子因而受到一个电磁转矩Mj的作用与负载平衡 2 静态矩角特性 矩角特性 步进电机单相通电的静态转矩Mj随失调角 的变化曲线 4 3进给电机及驱动 17 步进电机驱动控制器主要由加减速控制器 环形分配器和功率放大器组成 4 3进给电机及驱动 5 步进电机的驱动控制器 18 环形分配器软件算法 将 输出字 以表格形式存放在指定的RAM或EPROM 当加减速控制器送来正向进给脉冲指令时 环形分配器软件正序依次取出表格中的数据输出 控制步进电机逆时针方向转动 当加减速控制器送来负向脉冲时 环形分配器反序依次取出表格中的数据输出 控制步进电机顺时针方向转动 4 3进给电机及驱动 19 4 3 2交流伺服电机及驱动 伺服驱动的发展历程 步进电机 直流伺服电机 交流伺服电机 旋转式电机 直线电机 理由 闭环提高精度 直流伺服电机调速方便 90年代以前大量使用 交流在性能成本方面不占优 但直流伺服电机的容量小 结构复杂 有电刷 体积大和重量重 因此 其应用受到限制 随着交流伺服驱动性价比提高 交流伺服驱动电机已渐渐取代了直流伺服电机 4 3进给电机及驱动 20 1 交流伺服电机的种类 结构及工作原理 1 交流伺服电机的种类及特点交流伺服电机有同步型和异步型两大类 异步型交流电机指的是交流感应电机 同步型交流电机按转子结构不同可分电磁式及非电磁式两大类 非电磁式又分为磁滞式 永磁式和反应式多种 数控机床中多用永磁式同步电机 4 3进给电机及驱动 21 永磁式同步电机 优点 比直流电机结构简单 运行可靠 体积约小1 2 质量减轻60 转子惯量可减小到1 5 效率高 缺点 启动特性欠佳 控制复杂应用 进给驱动 异步型交流伺服电机 优点 与同容量的直流电机相比重量轻 1 2 价格便宜 1 3 缺点 转速受负载的变化影响较大 不能经济地实现范围较广的平滑调速 效率较低 功率因数低应用 主轴驱动系统 4 3进给电机及驱动 22 2 交流永磁同步电机的工作原理与特性 结构 电机由定子 转子和检测元件组成 4 3进给电机及驱动 23 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 通过调节频率和极对数实现调速 4 3进给电机及驱动 24 U1 定子每相相电压 E1 定子每相绕组感应电动势 N1 定子每相绕组匝数 K1 定子每相绕组匝数系数 每极气隙磁通量 Tm 电机电磁转矩 Ia 转子电枢电流 转子电枢电流的相位角 2 交流同步电机的变频调速原理 交流电机的电动势方程 转矩方程 4 3进给电机及驱动 25 在变频调速的同时 要求供电电压也随之变化 即满足U1 f1为定值 以确保磁通量不变 因为变频调速时 当U1不变 增加频率f1 则磁通量减小 导致电机输出转矩Tm下降 电机负载能力降低 若减小频率f1 磁通量增加 定子电流上升 导致铁损增加 变频调速控制方式 基频以下调速 当电机在f1的额定参数下运行时 供电频率低于额定值 基频以上调速 当电机在f1的额定参数上运行时 供电频率高于额定值 4 3进给电机及驱动 26 3 交流同步伺服电机的变频器变频器将交流恒压恒频的供电电源转变为变压变频的供电电源 1 变频器类型变频器可分为交 交变频器 直接变频器 和交 直 交变频器 间接变频器 两种 应用最多的是交 直 交变频器 根据变频电源的性质 又可分为电压源变频器和电流源变频器 4 3进给电机及驱动 27 交 交变频 利用可控硅整流器直接将工频交流电 频率50Hz 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 脉动交流电的基波就是所需的变频电压 该方法所得的交流电波动比较大 且最大频率即为变频器输入的工频电压频率 4 3进给电机及驱动 28 交 直 交变频 先将交流电整流成直流电 然后将直流电压变成矩形脉冲波电压 矩形脉冲波的基波是所需的变频电压 该调频方式所得交流电的波动小 调频范围比较宽 调节线性度好 4 3进给电机及驱动 29 2 正弦波脉冲调制 SPWM 逆变器脉宽调制 PWM 变频 是通过脉冲信号控制逆变器开关元件的导通和关断时间比 即调节脉冲的宽度 来控制输出电压的大小和频率 从而实现调速 u U U u t t t t 4 3进给电机及驱动 30 正弦脉宽调制 SPWM 是利用有正弦波特性的脉冲信号去控制逆变器开关元件的通 断时间比 此时 变频器输出近似于正弦波的电流 使得电机电源近似为正弦交流电 SPWM变频器是目前数控机床应用最广泛的变频器 4 3进给电机及驱动 31 SPWM原理单相调制原理正弦脉宽调制 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 4 3进给电机及驱动 32 整流器 将三相工频交流电变成直流电逆变器 将整流输出的直流电压变成三相交流电 三相SPWM变频器的主回路结构图 4 3进给电机及驱动 33 4 3 3直线电机及驱动 直线电机直接驱动工件台直线运动 取消了从电机到工作台 拖板 之间的机械中间传动环节 即把机床进给传动链的长度缩短为零 故这种传动方式又称为 直接驱动 也称 零传动 适用于进给驱动速度高于60m min以上 加速度1g以上的高速数控机床 4 3进给电机及驱动 34 优点 电机惯量小 系统响应快 速度高 速度和加速度都可提高10倍以上 700m min 40G 运动更加平稳 噪声低 传动效率高 动态刚度高 可设计成均布对称 工作台运动时受力均匀分布 运动推力平衡可无限延长定子的行程 运动的行程不受限制缺点 没有机械联接或啮合 垂直轴传动需要外加一个平衡块或制动器磁铁对电机部件的吸力很大 需解决防护 隔磁问题 4 3进给电机及驱动 35 如果将旋转电机沿过轴线的平面剖开 并将定子 转子圆周展开成平面 便形成了扁平形直线电机 固定不动的部分称为定子 动作部分称为动子 由感应式旋转电机演变的直线电机称感应式直线电机 由永磁式旋转电机演变的直线电机称永磁式直线电机 直线电机的类型和结构 4 3进给电机及驱动 36 感应式直线电机的演变 4 3进给电机及驱动 37 永磁式直线电机的演变 4 3进给电机及驱动 38 旋转电机演变为圆筒型直线电机的过程 4 3进给电机及驱动 39 弧型直线电机 圆盘型直线电机 4 3进给电机及驱动 40 2 直线电机的基本工作原理直线电机不仅在结构上相当于是从旋转电机演变而来的 而且其工作原理也与旋转电机相似 定子 动子 4 3进给电机及驱动 动子 定子 光栅 4