第6章开环伺服系统

第6章数控机床的伺服系统6 1概述 一 伺服系统的组成数控机床的伺服系统按其功能可分为 进给伺服系统和主轴伺服系统 主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动 进给伺服系统是以机床移动部件 如工作台 的位置和速度作为控制量的自动控制系统 通常由伺服驱动装置 伺服电机 机械传动机构及执行部件组成 进给伺服系统的作用 接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号 由伺服驱动装置作一定的转换和放大后 经伺服电机 直流 交流伺服电机 功率步进电机等 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 数控机床的进给伺服系统能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置 以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹 如果把数控装置比作数控机床的 大脑 是发布 命令 的指挥机构 那么伺服系统就是数控机床的 四肢 是执行 命令 的机构 它是一个不折不扣的跟随者 图6 1闭环进给伺服系统结构 数控机床闭环进给系统的一般结构如图 这是一个双闭环系统 内环为速度环 外环为位置环 速度环由速度控制单元 速度检测装置等构成 速度控制单元是一个独立的单元部件 它是用来控制电机转速的 是速度控制系统的核心 速度检测装置有测速发电机 脉冲编码器等 位置环是由CNC装置中的位置控制模块 速度控制单元 位置检测及反馈控制等部分组成 由速度检测装置提供速度反馈值的速度环控制在进给驱动装置内完成 而装在电动机轴上或机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈值构成的位置环由数控装置来完成 伺服系统从外部来看 是一个以位置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控制系统 但从内部的实际工作来看 它是先把位置控制指令转换成相应的速度信号后 通过调速系统驱动伺服电机 才实现实际位移的 二 对伺服系统的基本要求 伺服驱动系统的选用1 精度要求 定位精度 重复定位精度 加工精度2 稳定性 达到平衡状态的能力3 响应速度 跟踪指令信号的速度4 调速范围 最高转速与最低转速之比Rn nmax nmin5 低速转距特性 低速时转距输出能力关于定位精度和重复定位精度定位精度 移动件到达指令位置的准确度重复定位精度 移动件在任意定位点的定位一致性 第二节开环伺服系统 一 组成 伺服驱动单元 执行元件 传动机构 二 步进电机 将电脉冲转变成机械角位移的装置 第六章伺服驱动系统 返回 下一页 上一页 1 分类 第六章伺服驱动系统 按输出转矩分 伺服步进电机 功率步进电机 按励磁相数分 三相 六相 五相 六相 八相等 按工作原理分 反应式 激磁式 混合式 永磁反应式 返回 下一页 上一页 2 步进电机的结构 第六章伺服驱动系统 步进电机由转子和定子两部分组成 定子上有绕组分为若干相 每相磁极上有极齿 左图为三相定子 AA BB CC A B C三相每相两极 每极上五个齿 1 定子 五个极齿 2 步进电机的结构 第六章伺服驱动系统 定子上线圈的绕法 下一页 上一页 返回 2 步进电机的结构 2 转子 第六章伺服驱动系统 转子上有均匀分布的齿 没有绕组 转子齿间夹角为9o 左图为一转子示意图 以四十齿为例来说明步进电机的原理 下一页 上一页 返回 3 步进电机的实物图 第六章伺服驱动系统 3 步进电机的实物图 第六章伺服驱动系统 3 步进电机的实物图 第六章伺服驱动系统 3 步进电机的实物图 第六章伺服驱动系统 3 步进电机的实物图 第六章伺服驱动系统 3 步进电机的实物图 第六章伺服驱动系统 3 步进电机的实物图 第六章伺服驱动系统 3 步进电机的实物图 第六章伺服驱动系统 3 步进电机的实物图 第六章伺服驱动系统 3 步进电机的实物图 第六章伺服驱动系统 4 工作原理 如果A相通电则转子齿与A相极齿对齐 这时在B相两极下定子齿与转子齿中心线并不对齐 而是转子齿中心线较定子齿中心线反时针方向落后1 3齿距 即3o 因此 当通电状态由A相变为B相时 转子顺时针方向转过3o C相通电再转3o C相下 转子齿超前6o 第六章伺服驱动系统 4 工作原理 第六章伺服驱动系统 三拍通电激磁 步距角 3o 一般 m 绕组相数 Z 转子齿数 单拍k 1 双拍k 2 六拍通电激磁 步距角 1 5o 下一页 上一页 返回 4 工作原理 第六章伺服驱动系统 定子绕组通断电顺序 转子转向 定子绕组通断电转换频率 转子转速 定子绕组通断电次数 转子转角 通断电方式 下一页 上一页 5 主要控制特性 第六章伺服驱动系统 下一页 上一页 1 步距角 及步距误差 步距角是两个相临脉冲时间内转子转过的角度 一般来说步距角越小 控制越精确 第六章伺服驱动系统 5 主要控制特性 步距误差直接影响执行部件的定位精度 步进电动机单相通电时 步距误差取决于定子和转子的分齿精度 和各相定子错位角度的精度 多相通电时 其不仅与上述因素有关 还和各相电流大小 磁路性能有关 返回 下一页 上一页 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 第六章伺服驱动系统 图6 6静态矩角特性 3 最大启动转矩Mq图6 7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Mq 如果外加负载转矩大于Mq 电机就不能启动 如图6 7所示 当A相通电时 若外加负载转矩Ma Mq 对应的失调角为 a 当励磁电流由A相切换到B相时 对应角 b B相的静转矩为Mb 从图中看出Mb Mq 电机不能带动负载做步进运动 因而启动转矩是电机能带动负载转动的极限转矩 b ABC 图6 6三相单三拍步进电机的启动转矩 Mb Mq Ma M a 4 最高启动频率 第六章伺服驱动系统 空载时 步进电机由静止突然启动 并不失步的进入稳速运行 所允许的启动频率的最高值为最高启动频率 启动时频率大于最高启动频率时步进电机不能正常工作 最高启动频率与步进电机的惯性负载有关 5 最高工作频率 步进电机工作频率连续上升时 电动机不失步运行的最高频率称为最高工作频率 它的值也和负载有关 很显然 在同样负载下 最高工作频率远大于启动频率 第六章伺服驱动系统 在连续运行状态下 步进电机的电磁力矩随频率的升高而急剧下降 这两者的关系称为矩频特性 6 矩频特性 7 加减速特性 步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中 定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系 当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频率时 变化速度必须逐渐上升 同样 当要求步进电机从最高工作频率或高于突跳频率的工作频率停止时 变化速度必须逐渐下降 逐渐上升或下降的加速时间 减速时间不能过小 否则会出现失步或超步 一般用加速时间常数Ta和减速时间常数Td来描述步进电机的升速和降速特性 第六章伺服驱动系统 步进电机开环伺服应用实例 步进电机转子有80个齿 采用三相六拍驱动方式 经丝杠螺母传动副驱动工作台做直线运动 丝杠的导程为5mm 工作台移动最大速度为6mm s 求 1 步进电机的步距角 2 工作点的脉冲当量 3 步进电机的最高工作频率 解 1 2 丝杠导程 步距角 360 5 0 75 360 0 01 mm 脉冲 3 6 步进电机的选择 第六章伺服驱动系统 1 步进电机选择原则 步矩角 与机械系统相匹配 以得到系统所需的 保证电机输出转矩 大于负载所需转矩 能与机械系统的负载惯量相匹配为使电机具有良好的起动性能及较快的响应速度推荐Jleq Jm 4式中Jleq为系统等效负载转动惯量Jm为电机转动惯量 电机运行速度和最高工作频率能满足工作台切削加工和快移要求 t 360i 下一页 上一页 2 步进电机选择步骤 第六章伺服驱动系统 初定步进电机步距角 计算减速比 确定齿轮副初选步进电机型号 根据其工作方式 初定步距角 i Z1 Z2 t 360 确定齿轮副齿数时 尽量选择一级降速 若需二级 则降速比大的齿轮副应远离电机 以利于提高传动系统的刚度和精度 下一页 上一页 步进电机步距角 o 脉冲t 滚珠丝杆导程 mm 脉冲当量 mm 脉冲 第六章伺服驱动系统 计算惯量 下一页 上一页 2 步进电机选择步骤 设传动系统如右图所示 伺服系统总惯量JG为JG Jm Jleq 式中 Jm 步进电机转子转动惯量 Jleq 换算到电机轴上的等效负载转动惯量 第六章伺服驱动系统 2 步进电机选择步骤 计算惯量 nm 步进电机速度r minni 第i个转动部件的转速r min Ji 第i个转动部件的转动惯量kg m2 Vj 第j个移动部件的移动速度m min Mj 第j个移动部件的质量kg 计算惯量 第六章伺服驱动系统 2 步进电机选择步骤 图示的一级齿轮减速系统 V nz2 t 式中V 工作台移动速度m min t 丝杆导程m 计算惯量 第六章伺服驱动系统 2 步进电机选择步骤 式中Jz1 齿轮1的转动惯量kg m2 Jz2 齿轮2的转动惯量kg m2 Js 丝杆2的转动惯量kg m2 Mw 工作台的质量kg 计算惯量 第六章伺服驱动系统 2 步进电机选择步骤 其中 齿轮 丝杆的转动惯量 J 可按圆柱体转动惯量计算 Kg cm3 式中D 齿轮分度圆直径或丝杆名义直径mmL 齿轮宽度或丝杆长度mm 材料比重kg cm3 计算惯量 第六章伺服驱动系统 2 步进电机选择步骤 对下图所示的二级齿轮减速系统 计算转矩 系统所需转矩包括加速转矩和等效负载转矩 快速空载启动时所需转矩MM Mamax Mf 式中 Mamax 快速空载启动时产生最大加速度所需转矩N mMf 克服摩擦力所需转矩N m 2 步进电机选择步骤 第六章伺服驱动系统 计算转矩 2 步进电机选择步骤 第六章伺服驱动系统 由动力学知 计算转矩 2 步进电机选择步骤 第六章伺服驱动系统 对于空载启动时 0 0 T为升速时间常数 则 t为升速T秒后电机的角速度此时的等效负载转矩主要是T作台移动的磨擦力引起的 式中 工作台与导轨之间的磨擦系数W为工作台和工件的总重量N 计算转矩 2 步进电机选择步骤 第六章伺服驱动系统 式中 工作台与导轨之间的磨擦系数W为工作台和工件的总重量N Nm为电机转速r mint为丝杆导程mm Vw为工作台的移动速度m min 计算转矩 2 步进电机选择步骤 第六章伺服驱动系统 最大切削力时所需转矩M 为了安全 此时不仅要考虑最大切削力 而且还应考虑在切削过程中产生相庆加速度所需转矩 这时所需转矩M为 式中Mat为切削时产生加速度所需加速转矩N mMf为克服磨擦所需转矩N mMt为克服切削力所需转矩N m 计算转矩 2 步进电机选择步骤 第六章伺服驱动系统 设与运动方向相反的最大切削力为 垂直于等轨的切削分力为 则 第六章伺服驱动系统 计算步进电机运行频率 工作台快速空载速度Vmax 电机最高工作频率fmax 工作台工作进给时的最低速度Vmin 电机最小运行频率fmin 工作台工作进给时的最高速度VF 电机最大运行频率fF 伺服系统在fmin fF范围内可用软件实现无级调速 f V 60 式中 V 工作台进给速度mm min 下一页 上一页 2 步进电机选择步骤 确定步进电机型号 第六章伺服驱动系统 根据步进电机最高工作频率fmax和正常工作进给频率fmin fF 以及快速空载启动和最大切削力时所需转矩 选择步进电机型号 主要从两方面考虑 步进电机启动矩频特性定否能满足要求 查电机启动矩频特性曲线 得到对应于最高工作频率fmax 电机能提供的启动力矩Mq 若Mq大于计算出的快速空载启动所需力矩 则说明所选步进电机能满足快速空载启动时所需启动力矩要求 下一页 上一页 2 步进电机选择步骤 步进电机运行矩频特性是否能满足要求 第六章伺服驱动系统 查电机运行矩频特性曲线 得到对应于正常工作进给最大运行频率fF电机所能提供的力矩M 若M大于计算出的最大切削力所需转矩 则说明所选电机能满足伺服系统正常工作时所需力矩要求 下一页 上一页 2 步进电机选择步骤 3 步进电机选择实例 第六章伺服驱动系统 例 一个工作台驱动系统如图所示 已知参数见表1 工作台与导轨磨擦系数为0 04 加速时间0 25s 求转换到电机轴上的等效转动惯量和等效力矩 3 步进电机选择实例 第六章伺服驱动系统 例 一个工作台驱动系统如图所示 已知参数见表1 工作台与导轨磨擦系数为0 04 加速时间0 25s 求转换到电机轴上的等效转动惯量和等效力矩 3 步进电机选择实例 第六章伺服驱动系统 例 一个工作台驱动系统如图所示 已知参数见表1 工作台与导轨磨擦系数为0 04 加速时间0 25s 求转换到电机轴上的等效转动惯量和等效力矩 计算转矩 三 步进伺服驱动电路 第六章伺服驱动系统 下一页 上一页 步进电机驱动线路完成由弱电到强电的转换和放大 也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号 驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成 环形分配器是用于控制步进电机的通电方式的 其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上 控制各相绕组的通电 断电 环形分配器功能可由硬件或软件产生 硬件环形分配器是根据步进电机的相数和控制方式设计的 数控机床上常用三相 四相 五相及六相步进电机 三 步进伺服驱动电路 第六章伺服驱动系统 一 脉冲分配 按一定的规律将进给脉冲分配给步进电机定子绕组的各相 实现方法 1 硬件 集成脉冲分配器 TTL B013 BY014BY015 BY016 CMOS CH250 下一页 上一页 如图6 8所示 该线路由与非门和J K触发器组成 指令脉冲加到三个触发器的时钟输入端CP 旋转方向由正 反控制端的状态决定 QA QB QC为三个触发器的Q端输出 连到A B C三相功率放大器 若 1 表示通电 0 表示断电 对于三相六拍步进电机正向旋转 正向控制端状态置 1 反向控制端状态置 0 初始时 在预置端加上预置脉冲 将三个触发器置为100状态 当在CP端送入一个脉冲时 环形分配器就由100状态变为110状态 随着指令脉冲的不断到来 各相通电状态不断变化 按照100 110 010 011 001 101即A AB B BC C CA次序通电 步进电机反转时 由反向控制信号 1 状态控制 正向控制为 0 通电次序为A CA C CB B BA A 三 步进伺服驱动电路 第六章伺服驱动系统 一 脉冲分配 2 软件 移位法 查表法 返回 下一页 上一页 查表法软件脉冲分配在计算机控制的步进电动机驱动系统中 通常采用软件的方法实现环形脉冲分配 下图所示是一个8031单片机与步进电动机驱动电路接口的框图 P1口的三个引脚经过光电隔离 功率放大后 分别与电动机的A B C三相连接 当采用三相六拍方式时 电动机正转的通常顺序为A AB B BC C CA A 电动机反转的顺序为A AC C CB B BA A 它们的环形分配如表6 4所示 设P1的某口为高电平时 相应的电动机相通电 第六章伺服驱动系统 第六章伺服驱动系统 把表中的数值按顺序存入内存的EPROM中 并分别设定表头的地址为TAB0 计算机的P1口按从表头开始逐步加1的顺序变化 电动机正相旋转 如果按从TAB5 逐步减1的顺序变化 电动机则反转 控制电动机方向 速度的子程序流程图和源程序如下所示 子程序的入口 出口如下 入口 R6 步进电动机步数 R5 正反转控制 R5 0时为正 R5 0或R5 0时为反 R7 TAB数据表指针 以上参数在主程序中给定 出口 R7 子程序结束时电动机的状态 供下次调用时参考 源程序如下 SBU1 MOVDPTR TABAJMPREDO 转移去判断正反转DRIVER MOV R7 驱动步进电动机MOVA A DPTRMOVP1 AACALLDELAY 调延时子程序DJNZR6 REDO 距离不为0转移MOVR7 A 为0保存指针后返回RETREDO CJNER5 00 NON 如为反转则转移CJNER7 05 L1 正转 指针不到数组尾转移MOVR7 00H 否则指针清零AJMPDRIVERL1 INCR7 指针加1AJMPDRIVERNON CJNER7 00H L2 反转 指针不在数组首转移MOVR7 05H 否则指针置5AJMPDRIVERL2 DECR7 指针减1TAB DB01H 03H 02H 06H 04H 05H 这里省略了延时子程序 通过改变延时时间的长短来控制电动机的速度 在以计算机为控制核心的经济型数控机床中采用软件进行脉冲分配已形成趋势 虽然软件脉冲分配增加了编程的复杂程度 但它省去了环形脉冲分配器 系统减少了器件 降低了成本 也提高了系统的可靠性 二 步进电机驱动电源 第六章伺服驱动系统 1 对驱动电源的要求 实际上 步进电机是感性负载 绕组中电流不能突变 而是按指数规律上升或下降 从而使整个通电周期内 绕组电流平均值下降 电机输出转矩下降 理想驱动电源使电机绕组电流尽量接近矩形波 而当电机运行频率很高时 电流峰值显著小于额定励磁电流 从而导致电机转矩进一步下降 严重时不能启动 下一页 上一页 第六章伺服驱动系统 上升时电流时间常数Ti L R L 步进电机绕组平均电感量 R 通电回路电阻 包括 绕组内阻 功率放大器输出级内阻 串联电阻 下降时电流时间常数Td L RDRD 放大回路电阻 为了提高步进电机动态特性 必须改善电流波形 使前后沿陡度增大 方法有 下一页 上一页 1 电阻法 第六章伺服驱动系统 从Ti L R知 为 可 R 故可在进电机绕组回路中串联一个电阻Ro此时 Ti L r R0 特点 线路简单 但Ro 10 上消耗一定功率 发热量大 也降低了放大器的效率 只适于小功率步进电机 下一页 上一页 2 电压法 第六章伺服驱动系统 电感绕组通电状态时 绕组上电流为Im E r 1 e t Ti E 电源电压电流增长率为dE dt Im E r 1 e t Ti 可见 增大电源电压可以有效地改善电流上升陡度 特点 线路复杂 需采用双电源 但效率较高 效果好 适于中小型功率步进电机 下一页 上一页 返回 下一页 上一页 2 单电压型驱动电源 第六章伺服驱动系统 电容C 在接通瞬间短接R电流由E L C T1故C称加速电容 电阻Rc 在电流达到恒定后还起限流作用 改变了时间常数 提高了响应速度 此时电流由E L Rc T1 Ra Rc RL 返回 下一页 上一页 第六章伺服驱动系统 输入脉冲消失后 T1截止 L两端将产生一感应电压 V L di dt 由于T1关断时间dt很短 故感应电压U很大 将击穿晶体管 为此增加二极管D续流 续流电流 L Rc D L 2 单电压型驱动电源 Rc 第六章伺服驱动系统 而T2在高压控制电路下导通时间t1较短 100 600 s 绕组在高压EH下电流迅速增大至额定值 此时低压EL无效 3 高低压双压型驱动电源 输入脉冲信号为 0 时 T1 T2均截止 IL 0 输入信号为 1 时 T1导通 t1之后 T2截止 低压供压 维持绕组所需的额定电流Ie 下一页 上一页 第六章伺服驱动系统 输入脉冲信号消失 为 0 T1 T2均截止 L上电流经放电回路 L Ro D2 EH EL D1 L迅速下降 EH供电 励磁电流前沿电流Ip EH r R0 1 e t Ti 由此计算t1t1 T n EH EH In r R0 In 要求高压通电 电流达到的数值 3 高低压双压型驱动电源 下一页 上一页 第六章伺服驱动系统 绕组上电流Il随外加电压 EH EL 变化而变化 当外加电压变化时 电机特性变差 工作不稳定 绕组电流波形下凹 使电机输出转矩降低 3 R的存在使效率降低 返回 存在的问题 下一页 上一页 4 电流斩波型 第六章伺服驱动系统 在绕组回路中串接电流检测电路 当绕组电流下降至一定下限时 由检测电路发生信号 控制高压管再度接通 使绕组电流回升 当电流增至某一上限时 再次断开高压源 下一页 上一页 特点 结构复杂 响应速度快 驱动能力强 功耗低 噪声大 应用 大 中 型功率步进电机的驱动 返回 下一页 上一页 第六章伺服驱动系统 5 细分驱动电源 第六章伺服驱动系统 下一页 上一页 步进电机细分驱动 切换时 绕组电流并非全部切除或通入 只改变额定值的一部分 如1 4 转子也只转动步距角的一部分 如1 4 下一页 上一页 第六章伺服驱动系统 第六章伺服驱动系统 返回 下一页 上一页 四 提