数控技术第4章1.ppt

数控技术 湘潭大学机械工程学院 1 第4章进给伺服驱动系统 4 1概述4 2位置检测装置4 3进给电机及驱动4 4交流进给伺服系统的控制原理和方法4 5伺服系统性能分析 2 4 1概述 进给伺服系统 FeedServoSystem 定义 以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统 作用 是数控装置和机床机械传动部件的连接环节 是数控机床的重要组成部分 功能 接受数控装置发来的指令信号 信号经变换和放大由执行元件 伺服电机 将其转变为角位移或直线位移 从而实现驱动数控机床各运动部件的进给运动 3 进给伺服系统 FeedServoSystem 组成 般由控制调节器 功率驱动装置 检测反馈装置和伺服电机四部分组成 4 1概述 4 4 1概述 5 1 位置精度要高静态 尺寸精度 定位精度和重复定位精度要高 即定位误差和重复定位误差要小 高档数控机床微米级 超精密机床亚微米级 动态 轮廓精度 跟随精度 这是动态性能指标 用跟随误差表示 灵敏度要高 有足够高的分辩率 4 1概述 4 1 1数控机床对进给伺服驱动系统的要求 6 2 响应要快加工过程中 进给伺服驱动系统跟踪指令信号的速度要快 过渡时间要短 且无超调 这样跟随误差才小 否则对机械部件不利 有害于加工质量 过渡过程一般应在几十毫秒以内 4 1概述 7 3 调速范围要宽调速范围是指电机在额定负载时所能提供的最高转速和最低转速之比 为保证在任何切削条件下都能获得最佳的切削速度 要求进给伺服驱动系统必须提供较大的调速范围 一般调速范围应达到1 2000 现有的高性能进给伺服系统已具备无级调速 且调速范围在1 10000以上 速度稳定性 指输出速度的波动要少 尤其是在低速时的平稳性显得特别重要 4 1概述 8 4 工作稳定性好工作稳定性是指伺服系统在突变指令信号或外界干扰的作用下 能够快速的达到新平衡状态或恢复原有平衡状态的能力 工作稳定性越好 机床运动平稳性越高 工件的加工质量就越好 速度稳定性 指输出速度的波动要少 尤其是在低速时的平稳性显得特别重要 4 1概述 9 5 低速转矩要大在切削加工中 粗加工一般要求低进给速度 大切削量 为此 要求进给伺服驱动系统在低速进给时输出足够大的转矩 提供良好的切削能力 6 能可逆运行和频繁灵活启停 7 可靠性高 4 1概述 10 按有无位置检测反馈装置分 开环 半闭环和闭环控制系统 2 按驱动电机的类型分 步进电机 直流电机 交流电机和直线电机进给伺服驱动系统 4 1 2进给伺服驱动系统的分类 4 1概述 11 1 按有无位置检测反馈装置分 1 开环 采用步进电机驱动 没有位置测量装置 信号流是单向的 数控装置 进给系统 故系统稳定性好 但控制精度低 4 1概述 12 1 按有无位置检测反馈装置分 采用伺服电机驱动 位置采样是从伺服电机引出 不是直接检测运动部件的实际位置 采用旋转角度传感器 精度比闭环差 但结构简单 便于调整 稳定性好 广泛用于中小型数控设备 2 半闭环 4 1概述 13 3 闭环 采用伺服电机驱动 位置检测装置装在工作台上 可直接测量工作台实际位移 将所有传动部分都包含在控制环之内 可消除机械系统引起的误差 精度高于半闭环 结构复杂 控制较难 成本高 调试和维修困难 适用于大型或高档数控机床 4 1概述 14 光栅尺 光栅尺 4 1概述 15 2 按驱动电机的类型分 1 步进电机伺服驱动系统 进电机将进给指令信号变换为具有一定方向 大小和速度的机械角位移 通过齿轮和丝杠螺母副带动工作台移动 特点 在大负载和速度较高的情况下容易失步 能耗大 速度低 精度较差 应用 故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 1概述 16 2 按驱动电机的类型分 2 直流电机伺服驱动系统 特点 有良好的宽调速性能 输出转矩大 过载能力强 在上世纪70年代和80年代初 数控机床多采用直流电机伺服系统 但直流伺服电机由于具有电刷和机械换向器 使结构与体积受限制 现已基本被交流伺服电机取代 4 1概述 17 2 按驱动电机的类型分 3 交流电机伺服驱动系统 常永磁同步伺服电机 特点 相对于直流伺服电机 具有结构简单 体积小 惯量小 响应速度快 效率高等特点 应用 它更适应大容量 高速加工的要求 交流电机伺服驱动系统在进给伺服驱动中已逐渐取代了直流电机伺服驱动系统 4 1概述 18 2 按驱动电机的类型分 4 直线电机伺服驱动系统 直接驱动机床工作台运动 取消了电机和工作台之间的一切中间传动环节 形成了所谓的 直接驱动 或 零传动 特点 克服了传统驱动方式中传动环节带来的缺点 显著提高了机床的动态灵敏度 加工精度和可靠性 4 1概述 19 课后思考 1 开 闭环进给控制系统的组成 比较开 闭环进给系统的特性 2 查阅资料 对步进进给系统 交流同步伺服系统 直流伺服系统的的特点与性能进行比较 20 第4章进给伺服驱动系统 4 1概述4 2位置检测装置4 3进给电机及驱动4 4交流进给伺服系统的控制原理和方法4 5伺服系统性能分析 21 4 2位置检测装置 位置检测装置 检测位移 线位移或角位移 和速度 反馈至数控装置或伺服驱动器 构成伺服驱动系统闭环或半闭环控制 使工作台按指令路径精确地移动 1 组成 检测元件 传感器 和信号处理装置 2 常用检测装置 旋转变压器 感应同步器 编码器 光栅 磁栅等 22 3 精度 系统精度 分辨率 系统精度 一定范围内测量累积误差最大值 直线位测量精度 0 002 0 02 m 回转角测量精度 5 360 系统分辨率 能正确检测的最小位移量 直线位移分辨率 1 m 高精度0 1 m 回转分辨率 可达2 0 087 大型机床 速度为主 中小型机床 高精度机床 精度为主 数控机床加工精度主要由检测系统精度决定 4 2位置检测装置 23 4 安装位置 半闭环控制的数控机床旋转变压器 编码器等 安装在电机或丝杠上 测量电机或丝杠的角位移间接测量工作台的直线位移 闭环控制系统的数控机床感应同步器 光栅 磁栅等 安装在工作台和导轨上 直接测量工作台的直线位移 4 2位置检测装置 24 5 数控机床对检测装置的要求 受温度 湿度影响小 工作可靠 抗干扰能力强在机床移动范围内满足精度和速度要求使用维护方便 适合机床运行环境成本低易于实现高速的动态测量 4 2位置检测装置 25 4 2 1位置检测装置分类 4 2位置检测装置 26 1 增量式与绝对式 增量式检测方式功能 测量增量 移动1个测量单位发出1个测量信号 如 测量单位为0 001mm 每移动0 001mm发出1个脉冲信号 对脉冲计数得到位移量 优点 装置较简单 任何一个对中点均可作测量起点 缺点 一旦计数有误 此后测量结果全错 发生故障 如断电 断刀等 时不能找到事故前的位置 须将工作台移至起点重新计数 增量式检测装置 有脉冲编码器 旋转变压器 感应同步器 光栅 磁栅 激光干涉仪等 4 2位置检测装置 27 绝对式检测方式功能 被测量的任一点的位置都以一个固定的零点作基准 每一被测点都有一个相应的对零点的测量值 优点 避免了增量式检测方式的缺陷缺点 结构较复杂 绝对式检测装置 有绝对式脉冲编码器 三速式绝对编码器 或称多圈式绝对编码器 等 4 2位置检测装置 28 2 数字式与模拟式 数字式测量方式以数字形式表示被测量 测量信号一般为脉冲 可直接把它送到数控装置进行比较 处理 特点 便于显示 处理 测量精度取决于测量单位 与量程基本无关 存在累加误差 检测装置简单 脉冲信号抗干扰能力强 4 2位置检测装置 29 模拟式测量方式用连续的变量表示被测量 如用相位变化 电压变化表示 特点 直接对被测量进行检测 在小量程内可以实现高精度测量 可用于直接检测和间接检测 6 1概述 4 2位置检测装置 30 3 直接测量与间接测量 6 1概述 直接测量用直线式检测装置测直线位移 作为全闭环伺服系统的位置反馈信号 构成闭环控制 对机床的直线位移采用直线型检测装置测量 优点 测量精度取决于测量元件的精度 不受机床传动精度的影响 缺点 检测装置要与行程等长 对大型数控机床来说 是一个很大的限制 4 2位置检测装置 31 间接测量检测装置测量只是中间值 再由它推算出与之关联的位移量 作为半闭环伺服系统的位置反馈 对机床的直线位移采用回转型检测装置测量 称为间接测量 优点 使用可靠方便 无长度限制 缺点 检测信号中加入了直线运动转变为旋转运动的传动链误差 影响检测精度 为提高定位精度 常需要对机床的传动误差进行补偿 4 2位置检测装置 32 4 2 2编码器 编码器 将测量的角位移以编码的形式输出的位置检测装置 属于间接测量的数字式检测装置 输出信号的形式 绝对式 脉冲增量式内部结构和检测方式 接触式 光电式 电磁式 4 2位置检测装置 33 安装方式1 与伺服电机同轴联接 编码器在进给传动链前端 安装方便 2 连在滚珠丝杠末端 包含的传动链误差比前者多 位置控制精度较高 4 2位置检测装置 34 1 增量式光电编码器 1 结构 4 2位置检测装置 35 2 原理 将机械转角变成电脉冲 4 2位置检测装置 36 A B 90 Z 码盘转一圈 光敏元件把此光信号转换成电信号 通过信号处理装置的整形 放大等处理后输出 输出的波形有六路 4 2位置检测装置 37 输出信号的作用及其处理A B两相的作用 根据脉冲数目可测角位移根据脉冲频率可得轴的转速根据A B两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向 4 2位置检测装置 38 后续电路可利用A B两相的90 相位差进行四倍频细分处理 提高分辨率 4 2位置检测装置 39 3 增量式码盘的规格及分辨率 规格 分辨率 增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数 市场上提供的规格从36线 转到10万线 转都有 最大达1600万线 禁运 选择原则 伺服系统要求的分辨率 考虑机械传动系统的参数 整数原则 4 2位置检测装置 40 2 绝对式光电编码器 每一位置均由唯一对应的编码输出电源切除后位置信息不会丢失数控机床无需执行回参考点操作就能直接提供当前的位置值 没有累积误差 特点 4 2位置检测装置 41 1 结构和工作原理 码盘基片上有多圈码道 且每码道的刻线数相等对应每圈都有光电传感器输出信号的路数与码盘圈数成正比检测信号按某种规律编码输出 故可测得被测轴的周向绝对位置 4 2位置检测装置 42 2 绝对编码盘的编码方式及其特点 二进制编码 特点 编码循序与位置循序相一致 但可能产生非单值性误差 缺点 在1100和1011的交界处 可能会出现二义 11110000导致较大的误差 4 2位置检测装置 43 格雷码 循环码 特点 任何两个编码之间只有一位是变化的 因而可把误差控制在最小单位上 但编码与位置循序无直接规律优点 最大误差为一个分辨率 4 2位置检测装置 44 格雷码的编码方法从二进制码转换而来的 转换规则为 将二进制码与其本身右移一位后并舍去末位的数码作不进位加法 得出的结果即为格雷码 循环码 例 将二进制码0101转换成对应的格雷码 4 2位置检测装置 45 3 绝对式编码器的规格及分辨率 规格 分辨率 绝对式码盘的规格与码盘码道数n有关 现在市场上提供从4道到27道都有 23道以上禁运 选择原则 伺服系统要求的分辨率 考虑机械传动系统的参数 4 2位置检测装置 46 3 编码器的信号传输方式 1 传输对象 伺服电机 数控装置 2 传输方式 并行或串行并行传输 每位数据需要一根数据电缆线 特点 仅适用于短距离传输和特殊要求的场合 串行传输 通过一根双绞线实现数据传送 分为单工 半双工和全双工 同步串行通信或异步串行通信 特点 用线少 成本低 传输距离远 数据安全可靠 应用于远距离传输和高精密的场合 4 2位置检测装置 47 并行传输 增量式编码器的数据输出多以并行传输方式为主 输出信号通常有A A B B和C C六路信号 有些还输出U V W三路信号 用于电机矢量控制中电枢初始角度的计算 4 2位置检测装置 48 串行传输 绝对式编码器多以同步串行传输方式为主 串行传输的方式很多 以德国海德汉公司的全双工同步串行EnDat为例 有EnDat2 1和EnDat2 2两个版本 EnDat2 2不仅能为增量式和绝对式编码器传输位置值 同时还能够传输附加信息值或更新存储在编码器中的信息 或保存新的信息 具有效率更高 速度更快 时钟频率16MHz 4 2位置检测装置 49 4 编码器的选择 1 电源 常用的编码器电源有5V 12V 24V几种类型 2 机械允许转速 取决于编码器测量系统处理时间 分辨率和结构尺寸 处理时间越短 尺寸越小 机械允许转速越高 3 分辨率 应根据测量精度要求选择编码器分辨率 综合考虑性价比 4 输出信号类型 类型决定后续接收电路 5 使用环境 4 2位置检测装置 50 根据测量对象分 直线光栅 测量直线位移 和圆光栅 测量角位移 根据用途和材质分 玻璃透射光栅 金属反射光栅 根据刻度方法及信号输出形式分 绝对式光栅和增量式光栅 光栅 是利用光的透射 衍射现象制成的光电检测装置 用于测量运动部件的直线位移和角位移 4 2 3光栅 1 光栅的种类 4 2位置检测装置 51 1 直线光栅 玻璃透射光栅 在玻璃表面上用真空镀膜法镀一层金属膜 再涂上一层均匀的感光材料 用照相腐蚀法制成透明与不透明间隔相等的线纹 特点 光源可采用垂直入射 光电元件直接接受光信号 因此信号幅度大 读数头结构较简单 一般为100 125 250条 mm 经过电路细分 可做到微米级的分辨率 4 2位置检测装置 52 金属反射光栅 在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法或用钻石刀刻划制成光栅线纹 常用4 10 25 40 50条 mm 分辨率低 特点 标尺光栅的线膨胀系数易于与机床材料一致 标尺光栅的安装和调整较方便 安装面积较小 易于接长或制成整根的钢带长光栅 不易碰碎 4 2位置检测装置 53 直线光栅的结构由标尺光栅和光栅读数头 即指示光栅 两部分组成 光栅读数头中有光源 透镜 扫描光栅 光电池和信号处理电路等 4 2位置检测装置 54 2 圆光栅在玻璃圆盘外环端面上 做成黑白相间 呈辐射状条纹 相互间夹角 栅距角 相等 根据不同使用要求 在圆周上的条纹数不同 一般有3种形式 六十进制 如10800 21600 32400 64800等 十进制 如1000 2500 5000等 二进制 如512 1024 2048等 4 2位置检测装置 55 3 绝对式直线光栅尺利用光电转换原理将运动部件位置值以编码形式输出 每个位置均有唯一对应代码输出 有两条刻线轨道 增量轨和绝对轨 绝对轨用于确定运动部件位置值信息 条纹一般采用复杂的排列算法 如伪随机编码方式等 以提高数据容量和安全性 增量轨条纹为等距条纹 用于信号细分 提供更高分辨率的信号 精度可达 3 m m 分辨率可达5nm 4 2位置检测装置 56 4 增量式直线光栅尺利用光电转换原理将位移的增量值以脉冲形式输出 通过对脉冲计数从而计算出位移值和位置值 有两条刻线轨道 增量轨和参考点轨 增量轨条纹进行位移量的计算 参考点轨用于回零操作 4 2位置检测装置 57 4 2位置检测装置 2 光栅的工作原理 1 成像扫描 透射光生成位置测量信号 指示光栅和标尺光栅的光线投射到规则排列的光电池上 当指示光栅和标尺光栅相对运动时 光电池接收到的光强不断变化 产生近似正弦变化的周期电信号 58 2 干涉扫描 利用精密光栅的衍射和干涉形成位置测量信号 4 2位置检测装置 59 4 2位置检测装置 60 放大比k为 若d 0 01mm 0 01rad 则w 1mm k 100 莫尔条纹特性 光学放大作用 4 2位置检测装置 61 3 光栅测量系统 1 4倍频细分及辩向 4 2位置检测装置 62 2 电子细分 根据细分原理可分为幅值细分和鉴相细分 电子细分电路要求光栅输出信号为一组频率和幅值相同 相位相差90度的正弦波信号 电阻链移相细分电阻链移相细分属于幅值细分 将两个相位不同的交变信号施加在电阻链两端 由于电压合成的移相作用 在电阻链的各电阻抽头上将得到幅值和相位各不相同的一系列移相信号 再用鉴零器对它进行鉴幅 整形 便可在莫尔条纹一周期内得到若干个脉冲信号而达到细分的目的 4 2位置检测装置 63 应用叠加原理 接点处输出电压 4 2位置检测装置 64 以上是在 0 至90 第一象限的情况 第二至第四象限可采取同样方法 当增加多个电阻时 可以构成如图所示串联电阻移相桥 它共有16个输出端 实现16倍细分 各点输出电压信号经比较器整形为方波 然后经逻辑电路处理即可实现细分 4 2位置检测装置 65 鉴相式细分通过信号的相位差来模拟光栅系统的位移 然后对信号的相位差进行细分 4 2位置检测装置 66 4 2 4旋转变压器 旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函数关系的感应式微电机检测装置 主要用于半闭环控制的数控机床 优点 结构简单 动作灵敏 工作可靠 对环境条件要求低 特别是高温 高粉尘地方 输出信号幅度大 抗干扰能力强 缺点 信号处理比较复杂 分类 按有无电刷分 接触式和无接触式两种按极对数分 单对极和多对极 4 2位置检测装置 67 1 旋转变压器的结构 与两相绕线式异步电机相似 由定子和转子组成 是一种旋转式的小型交流电机 定子绕组通过固定在壳体上的接线柱直接引出 转子绕组有两种不同的引出方式 根据转子绕组两种不同的引出方式 旋转变压器分为有刷式和无刷式两种结构形式 4 2位置检测装置 68 1 有刷式旋转变压器转子绕组通过滑环和电刷直接引出 特点 结构简单 体积小缺点 电刷与滑环是机械滑动接触的 所以旋转变压器的可靠性差 寿命也较短 4 2位置检测装置 69 2 无刷式旋转变压器由本体和附加变压器组成 附加变压器原 副边铁心及线圈成环形 分别固定于转子轴和壳体上 径向留有一定的间隙 本体的转子绕组与附加变压器原边线圈连在一起 在附加变压器原边线圈中的电信号 即转子绕组中的电信号 通过电磁耦合 经附加变压器副边线圈间接地送出 4 2位置检测装置 70 无刷式旋转变压器避免了电刷与滑环之间的不良接触造成的影响 提高了旋转变压器的可靠性及使用寿命 但其体积 质量 成本均有所增加 4 2位置检测装置 71 2 旋转变压器工作原理 旋转变压器利用绕组间的互感原理 当定子加上一定频率的激磁电压时 通过电磁耦合 转子绕组产生感应电势 其输出电压的大小取决于定子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置 2 k 1sin U2 nUmsin tsin 4 2位置检测装置 72 Um 激磁电压幅值n 绕组匝数比 转子偏转角 定子绕组励磁电压 转子产生感应电势 4 2位置检测装置 73 1 鉴相工作方式定子的两个绕组通同幅值 频率 但相位差 2的交流激磁电压 U1s Umsin tU1c Um sin t 2 Umcos t转子正转时 转子感应电压U2 3 旋转变压器的工作方式 4 2位置检测装置 74 U2 kUmsin tsin kUmcos tcos kUmcos t Um 激磁电压幅值 k 电磁耦合系数 k 1 相位角 即 转子偏转角 转子反转时 U2 kUmcos t 相位角的测量 转子输出电压的相位角 t 和 间有对应关系 检测出 t 可得 被测轴角位移 实际应用时 把定子余弦绕组激磁电压的相位 t作为基准相位 与 t 比较 确定 大小 4 2位置检测装置 75 2 鉴幅工作方式定子的两个绕组分别通同频率 同相位 幅值分别按正弦 余弦变化的交流激磁电压 即 U1s Umsin sin tU1c Umcos sin t若电气角 一定 交流激磁电压的幅值分别为Usm Umsin Ucm Umcos 转子正转时 转子感应电压U2为 U2 kUmsin sin tsin kUmcos sin tcos kUmcos sin t 4 2位置检测装置 76 转子反转时 转子感应电压U2为 U2 kUmcos sin tU2的幅值分别为 kUmcos kUmcos 幅值随转子偏转角 变化 测量出幅值可测出 若电气角 已知 测出U2幅值kVmsin 便能求出 角 实际测量时 不断调整 使kVmsin 0 的变化量代表了 对应的位移量变化 测得机械位移 4 2位置检测装置 77 4 2 5位置检测装置的选择原则 1 分辨率 微米 纳米 2 传动系统及参数 直线 圆周运动 分辨率为整数 3 负载惯量 大 中 低 4 运动速度 精度 5 环境要求 密封 温度 震动等 6 成本 4 2位置检测装置 78 课后思考 1 编码器 光栅的工作原理 以及输出的信号方式 2 查阅资料 收集至少3个生产商的编码器与光栅产品 读懂相关技术指标 并能确定其应用场合 79 第4章进给伺服驱动系统 4 1概述4 2位置检测装置4 3进给电机及驱动4 4交流进给伺服系统的控制原理和方法4 5伺服系统性能分析 80 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 81 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 每转一周都有固定的步数 理论上说步距误差不会累积 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 82 4 3进给电机及驱动 83 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 84 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 85 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 86 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 87 4 3进给电机及驱动 88 7 2步进电机及其驱动控制系统 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 89 2 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 4 3进给电机及驱动 90 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 3 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 91 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 92 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 93 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 94 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 95 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 交流在性能成本方面不占优 大量使用 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 96 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 97 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 98 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 99 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 100 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 101 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 7 4交流伺服电机及其速度控制系统 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 102 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 103 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 104 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 105 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