《数控伺服系统》课件.ppt

2020 3 23 第6章数控伺服系统 2020 3 23 6 1概述 伺服系统是指以机械位置或角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 伺服系统是数控装置 计算机 和机床的联系环节 是数控机床的重要组成部分 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 2020 3 23 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 包括定位精度和轮廓加工精度 现代数控机床的位移精度一般为0 01 0 001mm 甚至可高至0 1 m 2 稳定性好 稳定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 直接影响数控加工的精度和表面粗糙度 3 快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标 它反映了系统的跟踪精度 200毫秒以下 甚至几十毫秒 动态响应的快慢 反映了系统跟踪精度的高低 直接影响轮廓加工精度的高低和加工表面质量的好坏 4 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 0 240m min 5 低速大转矩 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 6 1 2对伺服系统的基本要求 2020 3 23 对伺服电机的要求 1 调运范围宽且有良好的稳定性 低速时的速度平稳性好 2 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 3 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 4 能承受频繁的起动 制动和正反转 6 1 2对伺服系统的基本要求 2020 3 23 步进电机伺服系统是典型的开环控制系统 在此系统中 步进电机受驱动线路控制 将进给脉冲序列转换成为具有一定方向 大小和速度的机械转角位移 并通过齿轮和丝杠带动工作台移动 进给脉冲的频率代表了驱动速度 脉冲的数量代表了位移量 而运动方向是由步进电机的各相通电顺序来决定 并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁 但由于该系统没有反馈检测环节 其精度主要由步进电机来决定 速度也受到步进电机性能的限制 6 2步进电动机伺服系统 2020 3 23 6 2步进电动机伺服系统 一 步进驱动的原理 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构 当步进驱动器接收到一个脉冲信号 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 1组成 步进驱动控制装置 步进电机 减速机构 实例如下图 2各部分的作用 数控装置 根据控制要求发出指令脉冲 指令脉冲的个数代表移动距离 脉冲频率代表移动速度 每发出一个脉冲电机旋转一个特定的角度 即步距角环形分配 根据指令方向 依次产生步进电机的各相的通电步骤 分为硬件环分 软件环分两种 放大电路 放大环形分配的各相指令 产生步进电机的各相的驱动电流 2020 3 23 6 2步进电动机伺服系统 3三相三拍的原理介绍 三相是指步进电机有三相定子绕组 三拍是指每三次转换为一个循环三相步进电机 定子有六个磁极 分为三对 每个磁极上装有控制绕组 一对磁极通电后 对应产生N S极磁场 转子为带齿的铁心 反应式 或磁钢 混合式 当定子三相依次通电时 三对磁极依次产生气隙磁场 吸引转子一步步转动 三相三拍的通电次序为 A B C A AB BC CA AB三相六拍的通电次序为 A AB B BC C CA A可见三相三拍与三相六拍相比较 六拍的步距角小 精度高 动态模拟 2020 3 23 6 2步进电动机伺服系统 二 步进电机的主要性能指标1 步距角和步距误差步距角和步进电机的相数 通电方式及电机转子齿数的关系如下 6 1 式中 步进电机的步距角 m 电机相数 Z 转子齿数 K 系数 相邻两次通电相数相同 K 1 相邻两次通电相数不同 K 2 同一相数的步进电机可有两种步距角 通常为1 2 0 6 1 5 0 75 1 8 0 9 3 1 5度等 步距误差是指步进电机运行时 转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值 连续走若干步时 上述步距误差的累积值称为步距的累积误差 由于步进电机转过一转后 将重复上一转的稳定位置 即步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现 步距误差在一转后回复为零 2020 3 23 6 2步进电动机伺服系统 2 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 O 2020 3 23 6 2步进电动机伺服系统 3 最大启动转矩图示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Tq 如果外加负载转矩大于Tq 电机就不能启动 B A C T1 Tq TMB 2020 3 23 4 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 5 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 一般为启动频率的4 40倍 因此 步进电机常用升降速控制 起停时频率较低 正常时 频率升高 6 2步进电动机伺服系统 2020 3 23 6 2步进电动机伺服系统 6 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 Mf图6 8矩频特性 2020 3 23 三 脉冲分配脉冲分配可由硬件或软件产生 硬件环形分配器是根据真值表或逻辑关系式采用逻辑门电路和触发器来实现 软件环形分配由计算机软件完成 1 硬件脉冲分配器硬件环形分配器是根据步进电机的相数和控制方式由门电路和集成逻辑电路设计的 数控机床上常用三相 四相 五相及六相步进电机 目前 国产有YB013 0163 6相18管脚TTL集成脉冲分配器 CH2503相CMOS16管脚集成脉冲分配器 6 2步进电动机伺服系统 2020 3 23 2 软件环形分配计算机控制的步进电机驱动系统中 使用软件实现脉冲分配 常用的是查表法 例如对于三相六拍环形分配器 每当接收到一个进给脉冲指令 环形分配器软件根据表6 1所示真值表 按顺序及方向控制输出接口将A B C的值输出即可 如果上一个进给脉冲到来时 控制输出接口输出的A B C的值是100 则对于下一个正向进给脉冲指令 控制输出接口输出的值是110 再下一个正向进给脉冲 应是010 而使步进电机正向地旋转起来 6 2步进电动机伺服系统 VS VS 2020 3 23 6 2步进电动机伺服系统 VS VS 表6 1三相六拍环形分配器真值表 2020 3 23 1 高低压驱动 6 2步进电动机伺服系统 t1 t2 u1 80V 12V Vd1 R1 L R2 VT1 u2 VT2 如图 当环形分配器输出高电平时 两只功率放大管T1 T2同时导通 电机绕组以 80V高压供电 绕组电流快速上升 前沿很陡 当接近额定电流时 单稳延时时间到 T1管截止 改由低压 12V供电 维持绕组额定电流 若高低压之比为U1 U2 则电流上升也提高U1 U2倍 上升时间明显减小 当低压断开时 电感中储能通过构成的放电回路放电 因此也加快了放电过程 这种供电线路由于加快了绕组电流的上升和下降过程 有利于提高步进电机的启动频率和最高连续工作频率 由于额定电流是由低压维持的 只需较小的限流电阻 功耗小 该电路能在较宽的频率范围内有较大的平均电流 能产生较大且较稳定的电磁转矩 缺点是高低压电路波形连接处有凹形 Vd2 2020 3 23 2 恒流斩波驱动电路V1是20kHz的方波 它作为各相D触发器的时钟信号CP 以保证各相以同样的频率进行斩波 V2是步进控制信号 Vref是比较器OP的正输入端信号 它用于确定电机绕组电流iL的稳定值 6 2步进电动机伺服系统 恒流驱动的设计思想是 设法使导通相绕组的电流不论在锁定 低频 高频工作时均保持固定数值 使电机具有恒转矩输出特性 当电流不大时 VT1和VT2同时受控于步进信号 当电流超过恒流给定的数值 VT1被封锁 电源U被切除 由于电机绕组具有较大电感 此时靠二极管VD1续流 维持绕组电流 电机靠消耗电感中的磁场能量产生出力 此时电流将按指数曲线衰减 同样电流采样值将减小 当电流小于恒流给定的数值 VT1导通 电源再次接通 如此反复 电机绕组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 2020 3 23 6 2步进电动机伺服系统 3 调频调压驱动综合了高低压驱动 恒流斩波驱动的优点 低速时绕组中电流上升沿较平缓 以保证转子在到达新的平稳点不产生过冲 高速时 电流前沿陡 以产生足够的绕组电流 以提高步进电机负载能力 即 低频时用较低电压供电 高频时用较高电压供电 接口 CPU VT1 VT2 VT3 VD2 VD1 C R1 R2 Ucp R3 W L Uct U1 U2 Ucp为脉冲控制信号 Uct为开关调压信号 当Uct为负脉冲信号时 VT1 VT2导通 U1作用在L和W上 L感应出负电势 电流逐渐增加 并对C充电 当Uct负脉冲过后 VT1 VT2截止 L感应电势U2为正 若VT3导通 该感应电势经W R3 VT3 VD1 L放电 同时C也向W放电 可见向电动机绕组供电的时间取决于Uct负脉冲宽度ton ton越大 U2越高 因此根据Ucp的频率 调整Uct负脉冲宽度 便可实现调频调压 2020 3 23 6 3直流伺服电机调速系统 1 直流伺服电机的结构及特点直流伺服电机的结构 2020 3 23 6 3直流伺服电机调速系统 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 维护不便但其却存在一些固有的缺点 即 电刷和换向器易磨损 维护麻烦结构复杂 制造困难 成本高 2020 3 23 6 3直流伺服电机调速系统 1 直流伺服电机的调速原理根据机械特性公式可知调速有二种方法 电枢电压Ua和气隙磁通 改变电枢外加电压Ua 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 改变气隙磁通量 改激磁电流即可改 在Ua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 2 直流速度控制单元调速控方式 晶闸管 可控硅 调速系统 晶体管脉宽调制 PWM 调速系统 2020 3 23 6 3直流伺服电机调速系统 晶闸管调速系统1 系统的组成包括控制回路 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 PI 作用 好的静态 动态特性 电流环 电流调节 P或PI 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 2020 3 23 6 3直流伺服电机调速系统 主回路工作原理组成 由大功率晶闸管构成的三相全控桥式 三相全波 反并接可逆电路 分成二大部分 和 每部分内按三相桥式连接 二组反并接 分别实现正转和反转 原理 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 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 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 2020 3 23 3 控制回路分析 触发脉冲产生的过程 改变触发角 即改变控制角 电流调节器 同上 加快电流的反应 触发脉冲发生器 正弦波同步锯齿波触发电路 与F直流信号叠加 速度调节器 比例积分PI 高放大 相当C短路 缓放大 增放大 稳定 相当C开路 无静差 1 同步电路2 移向控制电路3 脉冲分配器 2020 3 23 总结 速度控制的原理 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 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 2020 3 23 2 晶体管脉宽调制 PWM 调速系统1 系统的组成及特点 U usr usf 整流 功放 2020 3 23 主回路 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 脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化 2020 3 23 直流脉宽调调制的基本原理 周期不变 周期不变 脉宽 脉宽 脉宽 脉宽 平均直流电压 脉冲宽度正比代表速度F值的直流电压 U t 2020 3 23 2 脉宽调制器 t 同向加法放大器电路图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 USr为0时 调制出正负脉宽一样方波平均电压为0 USr为正时 USr为负时 调制出脉宽较宽的波形平均电压为正 调制出脉宽较窄的波形平均电压为负 2020 3 23 3 开关功率放大器 主回路 可逆H型双极式PWM开关功率放大器 电路图 由四个大功率晶体管 GTR T1 T2 T3 T4及四个续流二极管组成的桥式电路 H型 又分为双极式 单极式和受限单极式三种 Ub1 Ub2 Ub3Ub4 为调制器输出 经脉冲分配 基极驱动转换过来的脉冲电压 分别加到T1 T2 T3 T4的基极 t 2020 3 23 4 PWM调速系统的特点 频带宽 频率高 晶体管 结电容 小 开关频率远高于可控 50Hz 可达2 10KHz 快速性好 电流脉动小 由于PWM调制频率高 电机负载成感性对电流脉动由平滑作用 波形系数接近于1 电源的功率因数高 SCR系统由于导通角的影响 使交流电源的波形畸变 高次谐波的干扰 降低了电源功率因数 PWM系统的直流电源为不受控的整流输出 功率因数高 动态硬度好 校正瞬态负载扰动能力强 频带宽 动态硬度高 2020 3 23 6 4交流伺服电机调速系统 2020 3 23 6 4交流伺服电机调速系统 2020 3 23 1 交流伺服电机的调速方法由电机学知 交流电机转速公式 式中 f 定子电源频率p 磁激对数S 转差率ns 定子旋转磁场转速n 转子转速 由此可知调速方法 6 11 6 12 2020 3 23 对于进给系统常使用交流同步电机 该电机没有转差率 电机转速公式变为 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 2 正弦脉宽调制 SPWM 变压变频器 基本概念1964年德国人率先提出脉宽调制变频思想 把通讯系统中的 6 13 2020 3 23 调制技术应用于交流变频器 调制方法很多 目前用得最多的是正弦脉宽调制 还有空间电压矢量PWM 最优PWM 预测PWM 随机PWM 规则采样数字化PWM等等 SPWM交 直 交变压变频器的原理框图如下 UR 整流器固定电压不可控整流器 常采用六个二级管桥式整流器结构将交流变为直流 电压幅值不变 为逆变器的供电 UI 逆变器由六个功率开关器件组成 常采用大功率晶体管 其控制极 大功率晶体管GTR为基极 输入由基准正弦波 由速度指令转化过来的 和三角波叠加出来的SPWM调制波 等幅 不等宽的矩形脉冲波 使这些大功率晶体管按一定规律导通 截止 输出一系列功率级等效于正弦交流电的可变频变压的等幅 不等宽的矩形脉冲电压波 即功率级SPWM电压 使电机转动 功率开关器件还可采用 可关断晶闸管GTO 功率场效应晶体管MOSFET 绝缘门极晶体管IGBT等 2020 3 23 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 正弦的正负半周均如此处理 2020 3 23 SPWM控制波的生成 正弦波 三角波调制 方波 三角波调制 2020 3 23 主回路 左半部 整流器右半部 逆变器 2020 3 23 6 5位置控制原理 一 脉冲比较进给伺服系统脉冲比较伺服系统的结构如图4 19所示 整个系统按功能模块大致可分为三部分 采用光电脉冲编码器产生位置反馈脉冲P 实现指令脉冲F与反馈脉冲P 的脉冲比较 以取得位置偏差信号e 以位置偏差e作为速度调节系统 2020 3 23 6 5位置控制原理 1 组成2 原理 1 F 0 且工作台原来处于静止状态 这时反馈脉冲P 亦为0 经比较环节可知偏差e F P 0 则伺服电机的速度给定为零 工作台继续保持静止不动 2 当有指令脉冲加入 F 0 但在工作台尚没有移动之前反馈脉冲P 仍为零