数控技术CNC数控机床伺服系统PPT课件

1 第五章数控机床伺服系统 2 重点 1伺服系统的作用 要求 分类 组成2常用伺服电机工作原理及其驱动装置特点 3 5 1概述 一 伺服系统概念1 概念 数控机床的伺服系统是指以机床移动部件位移和速度为控制对象的自动控制系统 数控机床伺服系统包括进给伺服驱动系统 主轴伺服驱动系统 伺服系统的组成伺服系统由伺服电机 伺服驱动装置 机械传动装置 位置检测装置等组成 4 2 伺服系统的基本要求 1 精度高伺服系统精度取决于机械传动精度和伺服系统最小分辨率精度 2 响应快速响应速度提高 可以减小跟随误差 一般在200ms以内 3 稳定性好稳定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度 4 调速范围宽R nmax nmin进给伺服与主轴范围不一样5 低速大转矩 5 二 伺服系统的组成 数控伺服系统由伺服电机 M 驱动信号控制转换电路 电力电子驱动放大模块 电流调解单元 速度调解单元 位置调解单元和相应的检测装置 如光电脉冲编码器G 等组成 一般闭环伺服系统的结构如图5 1所示 它是一个三环结构系统 其中 外环是位置环 中环是速度环 内环为电流环 6 位置环由位置调节控制模块 位置检测和反馈控制部分组成 速度环由速度比较调节器 速度反馈和速度检测装置 如测速发电机 光电脉冲编码器等 组成 电流环由电流调节器 电流反馈和电流检测环节组成 电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器等组成 二 伺服系统的组成 7 三 对伺服电机的要求 1 在调速范围内 具有平稳的运行速度2 具有较大较长时间的过载能力3 具有较大的启动加速度4 能够承受频繁启动 制动和反转 8 四 伺服系统的分类 1按控制方式划分 开环控制系统 半闭控制环系统 闭环控制系统 2按系统中执行元件电动机的类型划分 1 步进驱动系统 执行元件为步进电机 2 直流伺服驱动系统 执行元件为直流伺服电机 3 交流伺服驱动系统 执行元件为交流伺服电机 9 5 2步进电机及开环控制系统 一 步进电机结构特点及种类步进电机又称为脉冲电机 它的输入既不是交流电 也不是直流电 而是电脉冲 其主要特点 步进电机输出的角位移与输入的脉冲个数成正比 转速与脉冲频率成正比 分类 根据其结构和材料大体分为可变磁阻式 反应式 永磁式和混合式 永磁感应式 三种基本类型 按输出扭矩分 伺服式 功率较小 功率式 功率较大 10 二 步进电机结构及工作原理 1 结构与原理左图为径向分相式三相步进电机 11 步进电机工作原理 工作原理 以三相反应式为例 12 步进电动机工作原理步进电动机 StepMotor 是一种用电脉冲信号控制 可将电脉冲信号按正比关系转换为角位移的执行器 步进电动机的转速与电脉冲频率成正比 通过改变脉冲频率就可以调节电动机的转速 如果停机后某些相的绕组仍保持通电状态 则还具有自锁能力 目前 步进电动机主要用于经济型数控机床的进给驱动 一般采用开环控制结构 也有的采用步进电动机驱动的数控机床同时采用了位置检测元件 构成了反馈补偿型的驱动控制结构 13 三相步进电动机除了单三拍通电方式外 还经常工作在三相六拍通电方式 这时通电顺序为A AB B BC B CA A 或为A AB C CB BA A 也就是说 先接通A相绕组 以后再同时接通A B相绕组 然后断开A相绕组 使B相绕组单独接通 再同时接通B C相绕组 依此进行 在这种通电方式时 定子三相绕组需经过六次切换才能完成一个循环 故称为 六拍 而且在通电时 有时是单个绕组接通 有时又为两个绕组同时接通 因此称为三相六拍 在这种通电方式时 步进电动机的步距角与单三拍时的情况有所不同 在单三拍通电方式中 步进电动机每经过一拍 转子转过的步距角30 采用单 双六拍通电方式后 步进电动机由A相绕组单独通电到B相绕组单独通电 中间还要经过A B两相同时通电这个状态 也就是说要经过二拍转子才转过30 所以这种通电方式下 三相步进电动机的步距角 14 步进电动机工作原理 同一台步进电动机 因通电方式不同 运行时的步距角也是不同的 采用单 双拍通电方式时 步距角要比单拍通电方式减少一半 实际使用中 单三拍通电方式由于在切换时一相绕组断电而另一相绕组开始通电容易造成失步 此外 由单一绕组通电吸引转子 也容易使转子在平衡位置附近产生振荡 运行的稳定性较差 所以很少采用 通常将它改成双三拍通电方式 即按AB BC CA AB的通电顺序运行 这时每个通电状态均为两相绕组同时通电 在双三拍通电方式下步进电动机的转子位置与单 双六拍通电方式时两个绕组同时通电的情况相同 所以步进电动机按双三拍通电方式运行时 它的步距角和单三拍通电方式相同 也是30 15 反应式步进电动机的转子齿数z步进电动机的步距角 步距角指步进电机定子绕组通电状态每改变一次 转子转过的角度 z 转子的齿数 k 状态系数 16 2 步进电动机特性步距角和静态步距误差 步进电动机的步距角是决定开环伺服系统脉冲当量的重要参数 数控机床中常见的反应式步进电动机的步距角一般为0 5 3 一般情况下 步距角越小 加工精度越高 静态步距误差指理论的步距角和实际的步距角之差 以分表示 一般在10 之内 步距误差主要由步进电动机齿距制造误差 定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成的 步距误差直接影响加工精度及步进电动机的动态特性 17 步进电动机特性 起动频率fq步进电动机空载时 由静止突然起动 并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率值 称为起动频率或突跳频率 用fq表示 若起动时频率大于突跳频率 步进电动机就不能正常起动 fq与负载惯量有关 一般说来随着负载惯量的增长而下降 空载起动时 步进电动机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率 18 步进电动机特性 连续运行最高工作频率fmax 步进电动机连续运行时 它所能接受的 即保证不丢步运行的极限频率值 fmax称为最高工作频率 它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数 它决定了步进电动机的最高转速 其值远大于fq 且随负载的性质和大小而异 与驱动电源也有很大关系 19 步进电动机特性 加 减速特性步进电动机的加 减速特性是描述步进电动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 当要求步进电动机起动到大于突跳频率的工作频率停止时 变化速度必须逐渐下降 逐渐上升和下降的加速时间 减速时间不能过小 否则会出现失步或超步 这里用加 减速时间常数Ta和Td来描述步进电动机的升速和降速特性 如图5 24所示 20 步进电动机特性 矩频特性和动态转矩矩频特性描述步进电动机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系 如图所示 该特性上每一频率值对应的转矩称为动态转矩 动态转矩随连续运行频率的上升而下降 21 3 步进电动机的选用合理选用步进电动机对开环伺服控制系统相当重要 通常希望步进电动机的输出转矩大 起动频率和运行频率高 步距误差小 性能价格比高 但增大转矩与快速运行存在一定矛盾 高性能与低成本存在矛盾 因此 在实际选用时必须综合考虑 首先 应考虑系统的精度和速度的要求 为了提高精度 希望脉冲当量小 但是脉冲当量越小 系统的运行速度越低 故应兼顾精度与速度的要求来选定系统的脉冲当量 在脉冲当量确定以后 又可以此为依据来选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比 步进电动机的步距角从理论上说是固定的 但实际上还是有误差的 另外 负载转矩也将引起步进电动机的定位误差 通常应将步进电动机的步距误差 负载引起的定位误差和传动机构的误差全部考虑在内 使总的误差小于数控机床允许的定位误差 22 步进电动机的选用 23 4 步进电动机驱动步进电动机工作方式 步进电动机的工作方式和一般电动机的不同 它是采用脉冲控制方式工作的 只有按 定规律对各相绕组轮流通电 步进电动机才能实现转动 数控机床中采用的功率步进电动机有三相 四相 五相和六相等 工作方式有单m拍 双m拍 三m拍及2m拍等 m是电动机的相数 所谓单m拍是指每拍只有一相通电 循环拍数为m 双m拍是指每拍同时有两相通电 循环拍数为m 三m拍是每拍有三相通电 循环拍数为m拍 2m拍是各拍既有单相通电 也有两相或三相通电 通常为1 2相通电或2 3相通电 循环拍数为2m 步进电动机相数越多 工作方式也越多 24 步进电动机驱动电路 25 步进电动机驱动电路 脉冲分配采用软件实现 利用查表或计算来进行脉冲的环形分配 简称软环分 表5 3为三相六拍分配状态 可将表中状态代码01H 03H 02H 06H 04H 05H列入程序数据表中 通过软件可顺次在数据表中提取数据并通过输出接口输出即可 通过正向顺序读取和反向顺序读取可控制电动机进行正 反转 通过控制读取一次数据的时间间隔可控制电动机的转速 该方法能充分利用计算机软件资源以降低硬件成本 尤其是对多相的脉冲分配具有更大的优点 但由于软环分占用计算机的运行时间 故会使插补 次的时间增加 从而影响步进电动机的运行速度 26 脉冲分配 27 脉冲分配 采用小规模集成电路搭接而成的三相六拍环形脉冲分配器 如图5 27所示 图中C1 C2 C3为双稳态触发器 这种方式灵活性很大 可搭接任意相任意通电顺序的环形分配器 同时在工作时不占用计算机的工作时间 28 脉冲分配 采用专用环形分配器器件 如市售的CH250即为一种三相步进电动机专用分配器 它可以实现三相步进电动机的各种环形分配 使用方便 接口简单 图5 28 a 所示为CH250的管脚 图5 28 b 为三相六拍接线 其工作状态如表5 4所列 29 计算机三相六拍环形分配表 查表法 30 5 3直流 交流伺服驱动 闭环控制系统 闭环控制的伺服系统执行元件为直流 交流伺服电机 一 直流伺服电机直流伺服电机具有良好的调速性能 在以往的数控机床上得到广泛使用 直流伺服电机分为有刷和无刷两种基本类型 有刷直流伺服电机通常采用永久磁铁做定子 而无刷电机转子为永久磁铁 定子为电枢 31 32 1 直流伺服电动机结构和工作原理直流伺服电动机主要由定子 转子和电刷三部分组成 定子磁场由定子的磁极产生 根据产生磁场的方式 将直流伺服电动机分为永磁式和电磁式 它励式 永磁式的磁极由永磁材料制成 电磁式 它励式 的磁极由冲压硅钢片叠压而成 需要在励磁线圈中通直流电流才能产生恒定磁场 转子又叫电枢 由硅钢片叠压而成 表面嵌有线圈 通以直流电时 在定子磁场使用下产生带动负载旋转的电磁转矩 为使所产生的电磁转矩保持恒定方向 需要采用机械方式 电刷 换向片 换向 一般电刷与外加直流电源相接 换向片与电枢导体相接 直流伺服电动机的工作原理与普通直流电动机相同 只是为满足快速响应的要求 结构上细长一些 33 电磁式 它励式 和永磁式直流伺服电动机的原理和接线如图所示 34 直流伺服电机工作原理图 35 依据电机学原理 可推导出直流伺服电动机电磁转矩T计算公式 即 36 二 交流伺服电动机 直流伺服电机存在机械整流子 电刷维护困难 造价高 寿命短 应用环境受限制的缺点 而交流伺服电机结构简单 耐用可靠 动态响应好 驱动调速技术日益成熟 用三相交流电驱动的伺服电机叫AC伺服电机 AC伺服电机按工作原理划分为 永磁同步型 异步感应型 37 1 永磁同步型AC伺服电机 永磁同步型AC伺服电机 转子用永磁材料制成 定子装有三相对称绕组 通入三相对称 相位相差120 的交流电 可产生旋转磁场 38 多极永磁同步型AC伺服电机结构如下图示转子转速n n1 60f pp磁极对数 f电源频率 39 交流伺服电动机 40 2 AC伺服电机SPWM 正弦波脉宽调制 调速 永磁同步型AC伺服电机的转速与电源频率存在严格的关系 因此 用变频调速驱动装置 非常适宜