数控机床的伺服系统

第三讲第三讲 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 一 一 概述概述 数控机床的伺服系统是数控机床的重要组成部分 伺服系统位于数控装置与机床主体 之间 其主要功能是从数控装置接收微小的电控信号 放大成强电信号 去驱动伺服系统 中的驱动元件 伺服电动机 将电控信号的变化 转换成伺服电动机输出轴的角位移或 角速度的变化 从而带动机床各部件运动 数控机床伺服系统是以机械位移为直接控制目标的自动控制系统 也可称为位置随动 系统 简称为伺服系统 数控机床的 CNC 装置是数控机床发布命令的 大脑 而伺服驱动则为数控机床的 四肢 是一种 执行机构 它能够准确地执行来自 CNC 装置的运动指令 数控机床伺服系统主要有两种 一种是进给伺服系统 它控制机床各坐标轴的切削进 给运动 以直线运动为主 另一种是主轴伺服系统 它控制主轴的切削运动以旋转运动为 主 驱动装置由驱动部件和速度控制单元组成 驱动部件由交流或直流电动机 位置检测 元件 例如旋转变压 感应同步器 光栅等 及相关的机械传动和运动部件 滚珠丝杠副 齿轮副及工作台等 组成 数控机床伺服系统的控制方法主要分为开环 闭环和半闭环三种控制方法 它实际上 是指伺服系统实现位置伺服控制的三种方式 1 数控机床对伺服系统的要求 1 调速范围宽 一般速比应有 1 100 1 1000 的恒转矩调速范围和 1 10 以上的恒功 率调速范围 2 低速平稳 高速能满足进给速度要求 3 控制精度能满足定位精度和加工精度要求 般定位精度要求为 10 1 m 高档 的定位精度为 0 1 m 4 快速响应好 一般使电动机转速从零升到加工转速 要在 0 2s 以内 5 抗干扰能力强 工作稳定 6 系统工作可靠性较高 2 伺服系统常用的驱动元件 步进电动机 直流伺服电动机和交流伺服电动机是目前常用的驱动元件 同时直线电 动机正在开辟机床新时代 为保证数控机床的加工质量 驱动元件应满足如下要求 调速 范围宽而有良好的稳定性 低速时要求速度平稳 负载特性硬 即使在低速时 有足够的 负载能力 反应速度快 可频繁地起 停及换向等 随着数控技术的演变和发展 伺服系统的驱动元件也在不断地发展 大致分为四个阶 段 第一阶段 20 世纪 50 年代 步进电动机系统 目前多应用于经济型数控机床 第二阶段 20 世纪 60 70 年代 步进电动机和电液脉冲马达系统 目前后者应用很 少 第三阶段 20 世纪 70 80 年代 直流伺服电动机及其控制系统 目前在我国应用较 广 第四阶段 20 世纪 80 年代以后 交流伺服电动机及其控制系统逐渐代替直流伺服电 动机及其控制系统 是比较理想的驱动元件 目前中 高档产品中普遍应用 二 步进电动机驱动系统二 步进电动机驱动系统 步进电动机及其工作原理 1 步进电动机 步进电动机是一种将电的脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电执行元件 它 能将指令脉冲变成步进电动机输出轴的旋转 步进电动机的特点是 步进电动机的角位移或线位移与脉冲数成正比 它的转速与脉 冲频率成正比 能快速地起动 制动和反转 在一定频率范围内各种运动方式都能任意地 改变且不会失步 当停止输入控制脉冲后 只要维持控制绕组电流不变 电动机可以保持 在某一固定位置上 所以步进电动机具有自整步的能力 还有一个特点是步进电动机没有 一周累积误差 所以定位精度较高 步进电动机按其输出转矩大小 可分为快速步进电动机与功率步进电动机 按其励磁 相数可分为三相 四相 五相和六相等 按其工作原理可分为励磁式和反应式两大类 反 应式的转子中无绕组 由定子磁场对转子产生的感应电磁力矩实现步进运动 励磁式的定 子和转子均有励磁绕组 由它们之间的电磁力矩实现步进运动 有的励磁式电动机转子无 励磁绕组 是由永久磁铁制成的转子产生磁场 通常也把这样步进电动机称为混合式步进 电动机 反应式步进电动机有较高的力矩转动惯量比 步进频率较高 频率响应快 不通电时 可以自由转动 结构简单 寿命长的特点 混合式步进电动机具有步距角小 有较高的起 动和运行频率 消耗功率小 效率高 不通电时有定位转矩 不能自由转动等特点 广泛 应用于机床数控系统 打印机 软盘机 硬盘机和其它数控装置中 按输出力矩大小分为 伺服式和功率式 伺服式只能驱动较小负载 一般与液压转矩放大器配用 才能驱动机床 等较大负载 功率式可以直接驱动较大 负载 随着数控机床的发展 步进电动机 在速度 功率及效率等方面都有了很大 的发展 可以适应数控机床的需要 2 步进电动机的工作原理 现以图 3 1 三相反应式步进电动 机为例 说明步进电动机的工作原理 在电动机定子上绕有线圈的 U V W 三对磁极 分别称为 U 相 V 相和 W 相 转子是一个带齿的铁心 如图中有四个齿 如果先将电脉冲加 到 U 相励磁绕组 定子 U 相磁极就产 生磁场 井对转子产生磁拉力 即吸引 力 使转子的 l 3 两个齿与定子的 U 相磁极对齐 而后再将电脉冲通入 V 相 励磁绕组 定子 V 和磁极便产生磁场 井对转子产生磁拉力 这时转子 2 4 两个齿与定 子 V 相靠得最近 于是转子便沿着逆时针方向转过 30 角 使转子 2 4 两个齿与定子 V 相磁极对齐 如果按 U V W U 的顺序通电 转子则沿着逆时针方向一步步地转动 每步转过 30 角 这个角度就是步距角 如果按 U W V U 的顺序通电 步进电动机 将沿着顺时针方向一步步地转动 从一相通电换接到另一相通电称为一拍 每一拍转子转过一个步距角 如上述的步进 电动机 三相励磁绕组单独通电运行 换接三次完成一个通电循环 称为三相单三拍通电 方式 还有一种是按三相六拍通电方式工作 即按照U UV V VW W WU 顺序通 电 换接6次完成一个通电循环 这种通电方式的步距角为15 沿逆时针方向转动 如果 按U UW W WV V VU U 顺序通电 步进电动机就沿着顺时针方向 以15 步 距角一步步地转动 步进电动机的特性参数及选择 1 步进电动机的主要特性参数 1 步距角 每输入一个电脉冲信号 转子所转过的角度称为步距角 步进电动机的步距角可按下 式计算 mzk o 360 式中 m 步进电动机的相数 z 步进电动机转子的齿数 k一与通电方式有关的系数 当通电方式为单拍时 k 1 双拍时 k 2 2 静态步距角误差 空载时 以单脉冲输入 步进电动机的实际步距角与理论步距角之差称为静态步距角 误差 它随步进电动机的制造精度变化 一般控制在 10 30 的范围内 3 最大静转矩Tmax 当步进电动机不改变通电状态 转子不动时 在轴上加一负载转矩 定子与转子就有 一个角位移 称为失调角 使转子刚刚离开平衡位置的极限转矩值称为最大静转矩 静转矩越大 电动机所能承受的外加转矩也越大 一般产品技术规格中给出的最大静转矩 是指在额定电流及规定的通电方式下 的静转矩 设有三相步进电动机 其矩一角 特性如图3 2所示 则U相和V相的 矩一角特性交点的纵坐标Tq称为起动 转矩 它代表步进电动机单相励磁时 所能带动的极限负载转矩 当电动机所带负载TLTA 转子 旋转 前进到n点时 TB TL 转子 到达新的平衡位置 显然 负载转矩TL不可大于U V两相交点的转矩Tq 否则转子无法转 动 产生 失步 现象 不同相数的步进电动机的起动转矩不同 通过计算可得表3 1的 结果 表 3 1 步进电动机启动转矩 相数 3456 步进电动机 拍数 3648510612 Tq Tmax 0 50 8660 7070 7070 8090 9510 8660 866 4 空载起动频率 q 电动机在空载情况下 不失步起动所能充许的最高频率称为空载起动频率 在有负载 的情况下 不失步起动所允许的最高频率将大大降低 为了缩短起动时间 可使加到电动 机的电脉冲频率按一定速率逐渐增加 在产品样本的特性参数中 也标有其最高空载起动 频率值 供选用时参考 5 连续运行最高工作频率 即矩频特性 步进电动机起动后 电动机 速度能跟随控制脉冲频率连续上 升而不失步运行的频率称为连续 运行频率 其值也随所形成的负 载转矩的增加而逐渐下降 在不 同频率下电动机产生的转矩称为 动态转矩 在产品样本中 也标 有连续运行频率值 作为选择电 动机的依据之一 如图3 3所示 2 步进电动机的选择 1 必须保证步进电动机的 输出转矩大于负载转矩 使电动 机的矩一频特性有一定裕量 以 保证运行可靠 即在实际工作时 各种频率下的负载转矩必须在矩 一频特性曲线范围内 2 要求计算的机械系统负载转动惯量与步进电动机转子的转动惯量相匹配 井有一 定裕量 3 使最高连续工作频率能满足产品快速移动的要求 4 使步进电动机的步距角 与机械系统相匹配 以得到机床所要求的脉冲当量 步进电动机的控制与驱动 1 步进电动机的驱动电源 步进电动机不能直接接到交流电源上工作 而必须使用专用设备 步进电动机驱动 电源 步进电动机和其驱动电源是一个有机的整体 步进电动机的运行性能是电动机和驱 动电源两者的综合效果 1 步进电动机驱动电源的基本功能是 按一定的顺序及频率接通和断开步进电动机的励磁绕组 按要求使电动机起动 运 转和停止 提供足够的电功率 实现机电能量转换 提高步进电动机运行 的快速性和平稳性 2 对驱动电源的基 本要求 电源的相数 通电方 式 电压 电流应与电动机 的基本参数相适应 能满足步进电动机起 动频率和运行频率的要求 并能实现按要求的自动频率 升降 能最大限度地抑制步 进电动机的振荡 工作可靠 抗干扰能力强 成本低 效率高 安装和维护方便 步进电动机驱动电源的主要构成如图 3 4 所示 一般由环形分配器 信号处理级 推 动级 驱动级等各部分组成 用于功率步进电动机的驱动电源还要有多种保护环节 环形分配器是根据指令把脉冲信号按 定的逻辑关系加到放大器上 使各相绕组按一 定的顺序和时间导通和切断 井根据指令使电动机正转或反转 实现确定的运行方式 因 此 环形分配器由步进电动机的励磁绕组数 即相数 和工作方式来决定 由门电路和双 稳态触发器组成逻辑电路 随着元器件的发展 环形分配器有分立元件的 集成触发器的 以及单块 MOS 集成块的和可编程门阵列芯片等 从而使得体积缩小 可靠性和抗干扰能 力提高 从环形分配器输出的各相导通或截止的信号送人信号放大与处理级 信号放大的作用 是将环形分配器输出信号加以放大 变成足够大的信号送人推动级 信号处理是实现信号 的某些转换 合成等功能 产生斩波 抑制等特殊功能的信号 从而产生特殊功能的驱动 推动级的作用是将较小的信号加以放大 变成足以推动驱动级的较大信号 保护级的作用是保护驱动级的安全 一般可根据需要设置过电流 过热 过电压 欠 电压保护等 有时还需要对输入信号进行监护 发现输入异常也提供保护动作 3 步进电动机驱动电源的种类 单电压驱动 所谓单电压驱动 是指在电动机绕组工作过程中 只用一个方向电压对绕组供电 其 特点是线路简单 见图 3 5 成本低 低频时响应较好 缺点是效率低 尤其在高频工 作下的电机效率更低 承载能力迅速下降 外接电阻的功率消耗大 单电压驱动由于性能 较差 在实际中应用较少 只有在小功率步进电动机且简单应用中才用到 双电压驱动 双电压驱动习惯上称为高低压驱动 见图 3 6 这种电路的特点是电动机绕组主回 路的供电电压有高压和低压两种规格 双电压驱动的基本思想是 不论电机工作频率如何 在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率 而在前沿过后用低电压来维持绕 组的电流 驱动电路中串联的电阻 一般按低压进行计算 因此阻值不大 双电压驱动加 大了绕组电流的注入量 以提高其输出能力 适用于大功率和高频工作的步进电动机 但 由于高压的冲击作用在低频工作时也存在 使低频输入能量过大而造成低速振荡加剧 同 时 高低压衔接处的电流波形呈凹形 使步进电动机输出转矩下降 因此双电压电路的特 点是功耗低 高频输出力矩较大 斩波驱动 斩波电路的出现是为了弥补双电压电路的高低压电路波形连接处的凹形 改善输出转 矩下降 使励滋绕组中的电流维持在额定值附近 斩波驱动电路的原理如图 3 7 所示 这种驱动方式的电路结构虽然复杂一些 但由于 没有外接电阻 使整个系统的功耗下降很多 相应提高了效率 同时由于驱动电压较高 电动机绕组回路又不串电阻 所以电流上升很快 当到达需要的数值时 由于取样电阻反 馈控制作用 绕组电流可以恒定在确定的数值上 而且不随电动机的转速而变化 从而保 证在很大的频率范围内步进电动机都能输出恒定的转矩 大大改善了高频响应特性 这种 驱动方式的另一优点是减少了电动机共振现象的发生 升频升压驱动 从上述驱动方式可以看出 为了提高驱动系统的高频响应 都是采取了提高供电电压 加快电流上升前沿的措施 但是这样做的结果一般都带来低频振动加剧的不良后果 从原 理上讲 为了减小低频振动 应使低速时绕组电流上升的前沿较平缓 这样才能使转子在 到达新的稳定平衡位置时不产生过冲 而在高速时则应使电流有较陡的前沿 以产生足够 的绕组电流 才能提高步进电动机的承载能力 这就要求驱动电源对绕组提供的电压与电 动机运行频率建立直接联系 即低频时用较低电压供电 高频时用较高电压供电 升频升 压驱动方式可以较好地满足这一要求 这种电路的原理框图如图 3 8 所示 电压一般随频 率线性地变化 细分驱动 上述提到的步进电动机各种驱动线路 都是按环形分配器决定的分配方式 控制电动 机各相绕组导通或截止 从而使电动机产生步进运动 步距角大小只有两种 即整步工作 或半步工作 步距角已由步进电动机结构所确定 如果要求步进电动机有更小的步距角或 者为减小电动机振动 噪声等原因 可以在每次输入脉冲切换时 不是将绕组电流全部通 人或切除 而是只改变相应绕组中额定的一部分 则电动机转子的每步运动也只有步距角 的一部分 这里绕组电流不是一个方波 而是阶梯波 额定电流是台阶式的投入或切除 电流分成多少个台阶 则转子就以同样的个数转过一个步距角 这样将一个步距角细分成 若干个步的驱动方法称为细分驱动 细分驱动的特点是在不改动电动机结构参数的情况下 能使步距角减小 而且能使步 进电动机运行平稳 提高匀速性 并能减弱或消除振荡 但细分后的步距角精度不高 且 驱动电源的结构也相应复杂 目前实现阶梯波供电的方法有先放大后叠加 即是将通过细分环形分配器所形成的各 个等幅等宽的脉冲 分别进行放大 然后在电动机绕组中叠加起来形成阶梯波 见图 3 9a 或者先叠加后放大 这种方法用运算放大器来叠加 或采用公共负载的方法 把方波 合成阶梯波 然后对阶梯波进行放大再去驱动步进电动机 见图 3 9b 2 环形分配器 环形分配器的主要功能是把来自于控制环节的时钟脉冲串按一定的规律分配给步进电 动机驱动电源的各相输入端 以控制励磁绕组的导 通或截止 同时由于电动机有正反转要求 所以这 种环形分配器的输出既是周期性的 又是可逆的 因此环形分配器是一种特殊的可逆循环计数器 但 是这种计数器的输出不是一般的编码 而是有电动 机励磁状态要求的特殊编码 接受时钟脉冲串和方向电平 输出各相的导通 信号 是环形分配器的基本功能 有些环形分配器 还有一些附加功能 主要是使能输入 清零输入和方式输入 零状态输出等 环形分配器 的功能图如图 3 10 所示 以三相步进电动机为例 常用的供电方式为三相六拍 其环形分配器逻辑原理如图 3 11 所示 它的工作状态 如表 3 2 所示 表 3 2 中 1 表示通 电 0 表示断电 正转时 的通电顺序是 U UV V VW W W U U 反转时的通电 顺序是 U UW W WV V V U U 开机通电后由 分配器置 0 信号 将环 形分配器置成 100 状态 这 是初始的工作状态 触发器 22 是控制正反转的 0 时为正转 1 时为反转 当正 转信号 X 送来时 上面一排与非门打开 反转信号 X 送来时 下面一排与非门打开 CP 是进给脉冲序列 经触发器 11 产生脉冲序列 CP 作为环形分配器的触发脉冲 使环 形分配器向 U V W 三相绕组按工作状态表分配脉冲 表 3 2 三相六拍环形分配器工作状态表 CPUVWCP 01000 11105 20104 30113 正转 40012 反转 由环形分配器输出的脉冲功率很小 如电流只有几毫安 而步进电动机绕组所需的脉 冲电流达 1 10A 才能驱动步进电动机旋转 为了使步进电动机有较大的高频转矩 由环 形分配器输出的脉冲信号必须进行功率放大 以获得较大的高频电流 为此采用多种功率 放大器 功率步进电动机一般都采用五相或六相制 其环形分配器的设计方法 电路原理 与三相制类似 近几年来 还将环形分配器作成集成电路块 从而减小了体积 提高了可 靠性 成本也可降低 对于进给脉冲频率要求较低的使用场合 也可以用计算机软件实现 脉冲序列的环形分配 3 步进电动机的软件分配器 如采用软件技术对步进电动机实行软件控制方式 既可以提高系统的可靠性 而且还 可以降低制造成本 关于节拍控制 是先将逻辑序列 见表 3 2 按地址顺序存人 ROM 称为逻辑序列 表 工作时 根据计算的指令步数求出每一步相应的地址 从 ROM 中取出该节拍的二进 制控制信息 由 P1 口送往功率放大线路 根据指令的步数周而复始地执行这一序列表 步进电动机就会按设定的节拍状态连续运行 运用软件可以很容易地修改频率值 对于某 一确定型式的电动机 可以将其各种控制方式的逻辑序列一起存人 ROM 中 工作时选择 执行不同的序列段 则可灵活地改变电动机的工作节拍 显然 这比硬件逻辑灵活得多 电动机的正反转 是由修改表地址的方向实现的 若以地址增加方向为正转 则地址 减小时电动机反转 只需做加 1 或减 1 运算 就可改变电动机运行方向 在稳速运行时 每步的时间间隔是相等的 即延时子程序的延时常数是恒定的 但在加减速工作时 时间 常数应该连续变化 若编制延时子程序使其能按比例地减少和增加两步之间的时间间隔 即可实现平滑的加减速 三 三 直流伺服电动机及其速度控制直流伺服电动机及其速度控制 直流伺服电动机及其特性 直流伺服电动机具有良好的调速 特性 因此在对伺服电动机的调速性 能和起动性能要求较高的设备中 大 都采用直流伺服电动机驱动 1 直流伺服电动机的基本结构 图 3 12 为直流伺服电动机的结 构 主要包括三个部分 1 定子 磁场由定子的磁极产生 根据产 生磁场的方式 直流伺服电动机可分 为永磁式和他励式 永磁式磁极由永 磁材料制成 他励式磁极由冲压硅钢 片叠成 外绕线圈 通以直流电流即 产生恒定磁场 2 转子 转子由硅钢片叠成 表面嵌有线圈 通以直流电时 在定子磁场作用下产生带动负载 51011 01000 图 3 12 直流伺服电动机的基本结构 旋转的电磁转矩 3 电刷与换向片 为使所产生的电磁转矩保持恒定方向 转子能沿固定方向均匀地连续旋转 电刷与外 加直流电源相接 换向片与电枢导体相接 2 直流伺服电动机的分类 按电动机本身结构的不同 直流伺服电动机可以分为以下几类 1 改进型直流伺服电动机 这类电动机在结构上与传统的直流电动机没有太大区别 只是转子的转动惯量较小 过载能力较强 且具有较好的换向性能 它在静态特性和动态特性方面较普通直流电动机 有所改善 2 小惯量直流电动机 这类电动机又分为无槽圆柱体电枢结构和带印刷绕组的盘形电枢结构两种 因为小惯 量直流电动机最大限度地减少了转子的转动惯量 所以能获得最好的快速特性 在早期的 数控机床上应用这类电动机较多 3 永磁直流伺服电动机 永磁直流伺服电动机能在较大过载 转矩下长期地工作 且电动机转子的转 动惯量较前述几种电动机都大 因此它 能直接与丝杠相连而可省去中间传动装 置 又因其无励磁回路损耗 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以在低速 下运转 例如能在 1 r min 甚至 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 至今 许多数控机床上仍使用着永磁直 流伺服电动机 4 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 按照直流电动机对励磁绕组的励 磁方式不同 可分为他励式 并励式 串励式和复励式四种 如图 3 13 所 示 3 直流伺服电动机的特性参数 以永磁直流电动机为例 永磁直 流伺服电动机的性能 由于其伺服系 统的要求 已经不能用简单的电压 电流 转速等参数来描述 而需要用 一些特性曲线和数据表来全面描述 特性曲线主要有两种 1 转矩 速度特性曲线 转矩 速度特性曲线又叫工作曲线 如图 3 14 所示 伺服电动机的工作区域被温度 极限线 转速极限线 换向极限线 转矩极限线及瞬时换向极限线划分成三个区域 区域为连续工作区 在该区域内可对转矩和转速作任意组合 都可长期连续工作 区域为断续工作区 此时电动机只能根据负载一工作周期曲线 见图 3 15 所决 定的允许工作时间和断电时间作间歇工作 区域为加速和减速区域 即电动机加减速时 电动机的电枢电流受转矩极限和瞬时 换向极限的限制 工作一段较短的时间 2 负载一工作周期曲线 负载一工作周期曲线如图 3 15 所示 该曲线是力矩电动机的断续工作特性曲线 它 表明断续工作 即导通一断开 时允许的力矩过载倍数与导通一断开时间比之间的关系 由图可见 在一定的 tR 电动机工作时间 时 加载周期比 d d tR tR tF tF为电动机 断电时间 越小 允许的力矩过载倍数 Tmd就越大 另 方面 在一定的过载倍数时 电动 机工作时间长 意味着产生的热量多 为了确保电动机绕组温度不易升高 应减小 d 值 即应加长断电时间 根据该曲线 即可求出电动机在断续工作区时的导通一断开时间或 力矩过载倍数值 例如在重负载切削时 电动机可工作在断续 工作区 此时应根据给定的电动机负载一工作周 期曲线 依据最大切削力矩过载倍数计算出电动 机的导通与断开时间 首先 根据实际的负载力 矩求出力矩过载倍数 Tmd Tmd 负载力矩 连续额定力矩 在负载 工作周期曲线中找到要求的重载时 间 tR 并在这点作垂线与求得的 Tmd曲线相交 过该交点 图中为A点 作水平线与纵轴相交 即可求得对应的重载一轻载时间比 d tR tR tF 式中 tR为电动机重载时间 tF为电动机轻载时 间 4 直流伺服电动机的选用 直流伺服电动机的选用与步进电动机类似 首先应根据负载条件来选择电动机 加在 电动机轴上有两种负载 即负载转矩和负载转动惯量 当选用电动机时 首先应计算负载 转矩和负载转动惯量 具体要求如下 1 电动机的输出功率应满足机床景大功率的要求 2 电动机的额定转矩应满足各种情况下的机床负载转矩的要求 一般不超过额定转 矩 3 最高转速应满足机床快速要求 4 电动机转子转动惯量应与负载转动惯量相匹配 根据有关资料推荐为 0 5 0 8 LM M JJ J 式中 JM 电动机转子转动惯量 JL 运动部件折合到电动机轴上的负载转动惯量 直流伺服电动机的速度控制 对于已经给定的直流电动机 要改变它的转速 有三种办法 改变电枢回路电阻 改变气隙磁通量 改变外加电压 前两种方法的调速特性不能满足数控机床的要求 第三种方法的机械特性如图 3 16 所示 图 3 16 中 nmax 为额定负载时最高转速 nmin为额定负载时最低转速 这种调速方法的特点是具有恒转矩的调速 特性 机械特性好 而且是用减小输入功率来 减小输出功率的 所以经济性能好 因此这种 调速方法得到了广泛的应用 永磁直流伺服电 动机的调速 大都采用这种方案 所以 直流 电动机速度控制单元的作用是将转速指令信号 多为电压值 改变为相应的电枢电压值 目前 直流伺服电动机的控制主要有晶闸 管控制方式和脉宽调制控制方式 输出功率在 1kW 以下的多采用晶体管脉宽调制方式 1kW 以上的多采用晶闸管驱动方式 这里介绍脉宽 调制方式 1 脉宽调制方式的特点和基本原理 随着大功率晶体管工艺上的成熟和高反压 大电流的模块型功率晶体管的商品化 晶 体管脉宽调制型 PWM 系统受到普遍重视 并得到了迅速的发展 1 主要特点 在 PWM 控制中 晶体管的频率远比转子能跟随的频率高得多 避开了机械的共振 电枢电流的脉动小 电动机在低速时工作也十分平滑 稳定 调速比可以很大 电流波形 系数较小 热变形小 功率损牦小 频带宽动态硬度好 响应很快 晶体管 PWM 控制方式虽有上述优点 但与晶闸管相比 晶体管还有一些缺点 如不 能承受高的峰值电流 一般都是将峰值电流限制到二倍有效电流 另外 还有大功率晶体 管性能不够稳定 价格较贵等缺点 2 基本原理 图 3 17 是 PWM M 系统的工作原理图 设将图 3 17a 中的开关 S 周期性地闭合 断开 开和关的周期是 在一个周期内 闭合的时间是 则断开的时间是 一 若外加电源电压 U 为常数 则电源加到电动机电枢上电压的波形是一个系列方波 其 高度为 U 宽度为 如图 3 17b 所示 它的平均值为 Ud TU T 1 T Udt 0 U T 式中 T 称为导通率 当 T 不变时 只要连续地改变 0 T 就可使电枢电压的平均值 即直流分量 U 连 续地由 0 变化至 U 从而连续地改变电动机的转速 实际的 PWM M 系统 用大功率晶 体管代替开关 S 其开关额率是 2000Hz 即 T 1 2000s 0 5ms 图 3 17a 中的晶体二极管是续流晶体二极管 当 S 断开时 由于电枢电感 L 的存在 电动机的电枢电流人可通过它形成的回路而继续导通 所谓脉宽调速 其原理是利用脉宽调制器对大功率晶体管开关时间进行控制 将直流 电压转换成某一频率的方波电压 加到直流电动机电枢两端 通过对方波脉冲宽度的控制 改变电枢两端的平均电压 从而达到调节电动机转速的目的 PWM 控制方式的速度控制 单元的框图如图 3 18 所示 2 脉宽凋制速度控制单元的组成 脉宽调制速度控制单元的核心由两部分构成 一是主回路 即脉宽调制式的开关放大 器 二是脉宽调制器 这两部分也是 PWM 控制方式的核心 其它电路和调节在此省略 1 主回路 主回路 也称为脉冲功率放大器 可分成双极性和单极性工作方式 这里只介绍 H 形 单极性开关电路 如图 3 19 所示 所有 H 形的开关电路都是由四个晶体管 VT1 VT2 VT3 VT4 和四个续流二极管 VD1 VD2 VD3 VD4 构成的桥式电路 形似英文字母 H 将两个相位相反的脉冲控 制信号分别加在 VT1和 VT2的基极 而 VT3的基极施加截止控制信号 VT4的基极施加饱和 导通的控制信号 在 0 t t1区间内 VT1导通 VT2截止 由于 VT4始终处于导通状态 所以在电动机电枢两端 AB 间的电压为 Ed 在 t1 t T 的时间区间内 VTl截止而 VT2导 通 但由于 VT3始终处于截止状态 所以电动机处于无电源供电的状态 电枢电流只靠 VT4和 VD2通道 将电枢电感能量释放而继续流通 电动机只能产生一个方向的转动 如 要电动机反转 只要将 VT3基极加上饱和导通的控制电压 VT4基极加上截止控制电压即 可 利用 VTl VT4与 VT2 VT3两对开关通断产生两组频率较高 2kHz 幅值不变 相位 相反且脉宽可调的矩形波 给伺服电动机电枢电路供电 通过选择开关组别来改变电枢电 流方向 同时通过脉宽调制回路 控制脉冲的宽度 藉以改变电枢回路的平均电压 从而 达到双向可逆调速的目的 2 脉宽调制器 脉宽调制器是 PWM 控制方式的另一个核心部分 它的作用是将模拟电压转换成脉冲 宽度可由控制信号调节脉冲电压 脉宽调制器的种类很多 但从其构成看 都是由调制脉 冲发生器和比较放大器组成 调制脉冲发生器有三角波发生器和锯形波发生器 三角波发生器 图 3 20a 为一种三角波的方案 其中运算放大器 Q1 构成方波发生器 亦即是一个 多谐振荡器 在它的输出端接上一个 由运算放大器 Q2构成的反相积分器 它们共同组成正反馈电路 形成自激 振荡 工作过程如下 设在电源接通瞬 间 Q1的输出电压 uB为 Vd 运算放大 器的电源电压 被送到 Q2的反相输入 端 由于 Q2的反相作用 电容 C2被 正向充电 输出电压 u 逐渐升高 同时又被反馈至 Q1的输入端与 uA进 行比较 当比较之后的 uA 0 时 比 图 3 21 晶体管 VT1调制用比较放大电路 较器 Q1就立即翻转 因为 Q1由 R2接成反馈电路 uB电位由 Vd变为 Vd 此时 t t1 u R5 R2 Vd 而在 t1 t T 的区间 Q2的输出电压 u 线性下降 当 t T 时 uA略 小于零 Q1再次翻转至原态 此时 uB Vd而 u R5 R2 Vd 如此周而复始 形成自激振 荡 在 Q2的输出端得到一串三角波电压 各点波形如图 3 20b 所示 比较放大器 在晶体管 VT1的调制器中设有比较放大器 其电路如田 3 21 所示 三角波电压 u 与 控制电压 usr比较后送入运算放大器的输入端 工作波形见图 3 22 当 usr 0 时 运算放 大器 Q 输出电压的正负半波脉宽相等 输出平均电压为零 当 usr 0 时 比较放大器输出 脉冲正半波宽度大于负半波宽度 输出平均电压大于零 而当 usr 0 时 比较放大器输出 脉冲正半波宽度小于负半波宽度 输出平均电压小于零 如果三角波线性度好 则输出脉 冲宽度可正比于控制电压 usr 从而实现了控制电压到脉冲宽度之间的转换 四 交流伺服电动机及其速度控制四 交流伺服电动机及其速度控制 概述 由于直流电动机具有优良的调速性能 因此 在 20 世纪 90 年代以前 直流电动机调 速系统在应用上一直占主导地位 但直流电动机却存在着一些固有的缺点 如电刷和换向 器易磨损 需要经常维护 由于换向器换向时会产生火花 使电动机的最高转速受到限制 使用环境也受到限制 此外 直流电动机的结构复杂 制造困难 所用铜铁材料消耗大 制造成本高 而交流电动机 特别是感应电动机没有上述缺点 且转于惯量较直流电动机 小 使得动态响应更好 一般来说 在同样的体积下 交流电动机的输出功率可比直流电 动机提高 10 70 另外 交流电动机的容量也可以做得比直流电动机大 达到更高的 电压和转速 因此 用交流电动机调速来代替直流电动机调速的方案在数控机床上被广泛 应用 交流伺服电动机及其特性 1 交流伺服电动机的分类和特点 在交流伺服系统中既可以用交流异步 感应 电动机也可以采用交流同步电动机 交流异步电动机因其结构简单 它与同容量的直流电动机相比 重量约轻 l 2 价格仅 为直流电动机的 1 3 左右 它的缺点是不能经济地实现范围较广的平滑调速 必须从电网 吸收滞后的励磁电流 因而会使电网功率因数变坏 交流同步电动机与交流异步电动机间存在着一个根本的差异 即同步电动机的转速与 所接电源的频率之间存在着一种严格的关系 在电源电压和频率固定不变时 它的转速是 稳定不变的 因此可以设想 由变频电源供电给同步电动机时 可方便地获得与频率成正 比的可变转速 也就可以得到非常硬的机械特性和宽的调速范围 在结构方面 同步电动 机虽较异步 感应 电动机复杂 但比直流电动机简单 它的定子与异步电动机一样 而 转子则不同 同步电动机的分类 从建立所需磁场的磁势源来说 可以分为电磁式及非电磁式两大 类 在后一类中又有磁滞式 永磁式和反应式多种 在数控机床进绐驱动中多采用永磁式 同步电动机 与电磁式相比 永磁式的优点是结构简单 运行可靠 效率较高 缺点是体 积较大 起动特性较差 但永磁同步电动机如在结构上采取措施 例如采用高剩磁感应 高矫顽力和稀土类磁铁等 可比直流电动机的外形尺寸约减少 1 2 重量轻 60 转子惯 量可减小到直流电动机的 1 5 它与异步电动机相比 由于采用永磁铁励磁 消除了励磁损 耗及有关的杂散损耗 所以效率高 2 永磁交流伺服电动机的结构及工作原理 永磁交流伺服电动机结构示意图如 图 3 23 所示 由图可见 永磁交流伺 服电动机主要由三部分组成 定子 转 子和检测元件 其中定子具有齿槽 内 有三相绕组 形状与普通感应电动机的 定子相同 但其外轮廓呈多边形 且无 外壳 这样利于散热 可以避免电动机 发热对机床精度的影响 转子由多块永 久磁铁和冲片组成 这种结构的优点是 气隙磁密较高 极数较多 永磁交流伺服电动机的工作原理如 田 3 21 所示 当定子三相绕组通上交 流电源后 二极永磁转子 实际上也可 以是多极的 就产生一个旋转磁场 该 旋转磁场将以同步转速 n 旋转 根据同 性相斥 异性相吸的原理 旋转磁极与转子的永磁磁极互相吸引 井带着转子一起旋转 因此 转子也将以同步转速 n 与旋转磁场一起旋转 当转子加上负载转矩之后 将造成定 于与转子磁场牲线的不重合 如图 3 24 所示 夹角为 随着负载的加大 角也随之增大 而当负载减小时 角 也随之减小 因此 当负载发生变化 角也跟着变化 但只要不超过一定的 限度 转子始终跟着定子的旋转磁场以恒 定的同步转速 n 旋转 转子速度 nr ns 60f p 因此 转于速度决定于 电源频率 f 和极对数P 但当负载超过一定极限后 转子不再 按同步转速旋转 甚至可能不转 这就是 所谓同步电动机 失步 现象 此负载的 极限称为最大同步转矩 永磁同步电动机 和电磁式同步电动机一样 有一个致命的 弱点是起动比较困难 这是由于当三相电源供给定子绕组时 虽已产生旋转磁场 但此时 转于仍处于静止状态 由于惯性作用跟不上旋转磁场的转动 这样在定于和转子这两对磁 极间存在着相对运动 此时转子受到的平均转矩为零 因此 永磁同步电动机往往不能自 起动 从上述分析可见 造成不能自起动的原因是 转子本身存在惯量 定子 转子磁场之 间的转速相差过大 为此 电磁式同步电动机在转子上一般都装有起动绕组 该起动绕组 将使永磁同步电动机如同异步电动机工作时那样 产生起动转矩 使转子开始转动 当转 子速度上升到接近同步转速时 定子磁场与转于永久磁极相吸引 将其拉入同步 然后电 动机将以同步转速旋转 而在永磁交流伺服电动机中多无起动 绕组 而且在设计中设法降低转子惯量或 是采用多极等方法使定于旋转磁场的同步 转速不很大 所以虽无起动绕组还是能使 永磁交流伺服电动机直接起动的 另外还 可以在速度控制单元中采取措施 使电动 机先在低速下起动 然后再提高到所要求 的建度 3 永磁交流伺服电动机的性能 交流伺服电动机的性能如同直流伺服 电动机一样 可用特性曲线和数据表来反 映 其中最为重要的是电动机的工作曲线 即转矩一速度特性曲线 如图 3 25 所 示 在连续工作区 I 中 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 一般有两个主要条件 一是供给电动机的电流是理想的正弦波 二是电动机工作在某一特定温度下得到这条连续 工作极限线的 如果温度发生变化则为另一条曲线 至于断续工作区的极限 一般受到电 动机供电电压的限制 比较图 3 25 和图 3 16 可以发现 交流伺服电动机的机械特性比直流电动机的机械 特性更硬 其直线更为接近水平线 另外 断续工作区的范围更为扩大 尤其是在高速区 域 这有利于提高电动机的加 减速能力 进给系统交流电动机速度控制与 SPWM 变频控制器 交流永磁同步电动机是进给系统中最常用的交流伺服电动机 其调速方法多数采用 SPWM 变频调速 SPWM 变频控制器 即正弦波 PWM 变频器 它是 PWM 型变频器调制方法的一种 过去的变频器采用的功率开关元件是晶闸管 利用相控原理进行控制 用此法生成的变频 器电压含有大量的谐波分量 而且功率因数差 转矩脉动大 动态响应慢 线路复杂 无 法满足高性能调速系统的要求 SPWM 调制的基本特点是等距 等幅 而不等宽 它的规律总是中间脉冲宽而两边脉 冲窄 其各个脉冲面积和与正弦波下面积成比例 所以脉宽基本上正弦分布 它是一种最 基本 也是应用最广泛的调制方法 图 3 26 为双极性 SPWM 的通用型主回路 图 3 27 为三角波调制原理 其工作过程如下 图 3 27 中的 Ur 为三角载波信号 其幅值为 ur 频率为 fr Us为一相 如 U 相 正弦 控制波 其幅值 为 us 频率为 fs 而这两种波形 的交点 如图 3 27 所示的数 字位置 决定了 逆变器某相元件 的通断时刻 在此 为 U 相 即 VT1 和 VT2的通断 而图 3 26 中产 生的直流回路电压如为 ud 则当 VT1在正半周工作于脉宽调制状态时 VT4处于截止状态 U 相绕组的相电压为 1 2 ud 而当 VT1截止时 电动机绕组中的磁场能量通过 VD4续流 二极管释放 使该相绕组承受 1 2 ud电压 从而实现双极性 SPWM 调制特性 当逆变器 输出电压为负半周时 VT4工作于脉宽调制状态 VT1则处于截止状态 而 SPWM 的输出 脉冲的宽度正比于相交点的正弦控制波的幅值 在上述情况下 逆变器 输出端为具有控制波的频率 且有某种谐波畸变的调制波 形 而其基波幅值为 称为调制M Ud 2 t s u u M 系数 其值在 0 和 1 之间 只要改变调制系数 M 就可灵 活地调节输出基波的幅值 因此 可在逆变器中实现调 频和调压的双重任务