数控技术及应用数控机床的电气驱动进给伺服电机PPT课件

.,1,进给伺服电动机,第6章数控机床的电气驱动,.,2,进给伺服电动机,一、进给伺服电动机的负载计算数控机床进给系统的伺服电机是根据负载条件来进行选择的。加在电机轴上的负载有两种：负载转矩和负载惯量。负载转矩包括切削转矩和摩擦转矩。,.,3,进给伺服电动机的负载计算,1、负载转矩计算,.,4,进给伺服电动机的负载计算,计算负载转矩，应充分考虑的问题：（1）由于镶条、压板面所产生的摩擦转矩必须充分考虑。通常，根据滑块的重量和摩擦系数计算的转矩很小，但是必须考虑由于镶条、压板面和导轨表面因摩擦力所产生的摩擦转矩。（2）由于轴承和滚珠丝杠螺母的预加负载和预紧力作用，滚动接触表面的摩擦转矩都不能忽略。（3）摩擦转矩受进给速率的影响。（4）摩擦转矩随调整情况、环境温度和润滑条件而变化。,.,5,进给伺服电动机的负载计算,2、进给伺服电动机惯量与负载惯量的匹配在设计数控机床进给系统时，给定最大快速移动速度的前提下，系统惯量尽可能减小，这要求选择合适电机和进行优化设计。电机惯量与负载惯量应该与快速移动速度想适应。,.,6,进给伺服电动机的负载计算,2、进给伺服电动机惯量与负载惯量的匹配电机惯量与负载惯量匹配应该考虑下述因素：（1）加速转矩等于加速度乘以总惯量（电动机惯量+负载惯量），即Ma=aJ。电机惯量与负载惯量匹配就要考虑加速时间、加速转矩和总惯量之间关系。（2）数控机床进给系统是由伺服电机通过齿轮副和滚珠丝杠带动工作台和工件做往复直线运动。由伺服系统产生的Ma一部分被负载惯量吸收（Ma1=aJ1），另一部分被电动机转子吸收，其值为Mam=aJ1m,即：Ma=Ma1+Mam必须保证负载转矩小于等于额定转矩。,.,7,选择伺服电动机的条件,选择伺服电动机应满足下述条件：（1）根据负载转矩选择电机。负载转矩应等于或者小于电动机额定转矩。（2）负载转矩加上加速转矩应等于所选电机的最大转矩。（3）加速转矩应考虑负载惯量和电动机惯量的匹配。同时还要考虑加速时间在允许的范围内。（4）加速转矩应等于最大转矩减去负载转矩。在空载时，加速转矩应等于最大转矩减去摩擦转矩，其差值等于全部惯量（电动机惯量+负载惯量）乘以加速度。,.,8,二、直流伺服电机驱动系统1.直流伺服电机的类型按电枢的结构和形状分：平滑电枢型、空心电枢型和有槽电枢型等。按定子磁场产生方式分：永磁式和他励式。按转子转动惯量大小分：大惯量、中惯量和小惯量伺服电机直流进给伺服系统：永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直流电机（普通型）；直流主轴伺服系统：励磁式直流电机类型中的他激直流电机。,.,9,二、直流伺服电机驱动系统2.直流伺服电机的结构（1）定子：产生定子磁极磁场。（2）转子：表面嵌有线圈，通直流电时，在定子磁场作用下产生带负载旋转的电磁转矩。（3）电刷与换向片：为使产生的电磁转矩保持恒定的方向，保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转，将电刷与外加直流电源连接，换向片与电枢线圈连接。,.,10,大惯量直流伺服电机的结构如下图所示：,.,11,优点：1.能承受的峰值电流和过载倍数高。2.具有较大的转矩/惯量比。3.低速时输出的转矩大,转动惯量比较大。4.调速范围大,基本在1:1000以上。5.转子的热容量大,电机的过载性能好。6.具有高精度的检测元件。缺点：转子温度高;“里翻外”。,.,12,目前用的最多的是永久磁铁励磁的永磁式直流电动机。永磁式宽调速直流电动机的特点：1.高性能的铁氧体具有大的矫顽力和足够的厚度，能承受高的峰值电流，以满足快的加减速要求；2.大惯量结构使其具有打的热容量，可以允许较长的过载工作时间；3.低速高转矩特性和大惯量结构，使其可以与机床进给丝杠直接连接；4.通过仔细选择电刷材料和精心设计磁场分布，可以使其在较大加速度下仍具有良好的换相性能；5.绝缘等级高，从而保证电动机在往复过载的情况下仍有较长的寿命；6.在电动机轴上装有速度和位置检测器件，可以得到精密的速度和位置检测信号，因此可以实现速度和位置的闭环控制。,.,13,永磁式宽调速直流电动机的缺点：1、控制不如步进电机简单，快速响应性能也不如小惯量电动机；2、由于转子采用了良好的绝缘，耐温可达150200，在如此高温下，热量会通过转轴传到丝杠，导致丝杠热变形，影响传动精度。3、电刷易磨损，需要维修和保养。,.,14,3.直流伺服电机的工作原理（1）永磁式直流电机工作原理直流电压加在A、B两电刷之间，电流从A流入，从B流出，导体ab和cd受到逆时针方向作用力，转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转。当电枢转过90，电枢线圈处于磁极的中性面，电刷与换向片断开，无电磁转矩作用。,在惯性作用下，电枢继续转动一个角度，当电刷与换向片再次接触时，导体ab和cd交换了位置，ab和cd中的电流也发生改变，从而保证电枢受到的电磁转矩方向不变，因此，电枢可以连续转动。,.,15,（2）他励式直流电机工作原理定子上有磁励绕组和补偿绕组，转子绕组通过电刷供电。转子磁场与定子磁场始终正交，产生转矩，转子旋转。,.,16,速度控制单元,直流伺服电机是在其速度控制单元的控制下运转的，直流伺服电机的运行性能由速度控制单元性能直接决定。直流伺服电机速度控制单元分类（按主回路类型）：（1）晶闸管相控整流器；（2）大功率晶体管斩波器。性能大大由于前者。,.,17,速度控制单元,采用大功率晶体管斩波器的速度控制单元，也称为PWM调速单元，即脉冲宽度调制（PulseWidthModulation）的缩写。直流PWM调速的基本原理：利用大功率晶体管（简称GTR)作为斩波器，其电源为直流固定电压，开关频率为常值，根据控制信号的大小来改变每一周期内“接通”和“断开”的时间长短，即改变“接通”脉宽，使直流电机电枢上电压的“占空比”改变，从而改变其平均电压，完成电动机的转速控制。占空比（DutyCycle）：在一串理想的脉冲序列中（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。例如：脉冲宽度1s，信号周期4s的脉冲序列占空比为0.25。直流斩波是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为DC/DC变换。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式，Ts（周期）不变，改变Ton（通用，Ton为开关每次接通的时间），二是频率调制方式，Ton不变，改变Ts（易产生干扰）。,.,18,直流进给速度控制单元,.,19,直流进给速度控制单元,直流电机的机械特性公式公式中，n为电机转速，Ua为电枢外加电压，Ce为反电动势常数，为电机磁通量，Ra为电枢电阻，Cm为转矩常数，M为电磁转矩。直流电机的三种调速方法。(1)改变电枢外加电压Ua。该方法可以得到调速范围较宽的恒转矩特性，机械特性好，适用于主轴驱动的低速段和进给驱动。(2)改变磁通量。可得到恒功率特性，适用于主轴驱动的高速段，不适合于进给驱动。(3)改变电枢电路的电阻Ra。该方法得到的机械特性较软，不能实现无级调速，也不适合于数控机床。,.,20,CNC系统与速度控制单元的联系信号,一般CNC装置与速度控制单元之间的联系信号有两类（1）模拟量信号：指速度控制命令VCMD,它是由CNC系统发往速度控制单元的，VCMD的大小，与电动机的稳定转速成正比。（2）开关量信号：包括三种信号位置环准备好信号PRDY,这个信号由CNC发往速度控制单元，只有这个信号有效时速度控制单元的主回路才能通电；速度控制单元准备好信号VRDY,这个信号由速度控制单元发往CNC,它是PRDY的应答信号。使能信号ENBL，这个信号由CNC发往速度控制单元，该信号作用是使速度控制单元中的速度调节器能正常工作。这个信号无效时，速度调节器是被封锁的。,.,21,晶体管脉宽调制（PWM）直流调速系统（1）PWM系统的组成及工作原理脉宽调制：使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出，从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲。脉宽连续变化，使得电枢电压平均值连续变化，进而导致电机转速连续变化。,速度反馈,.,22,速度控制单元,晶体管直流斩波器：直流PWM速度控制单元的主回路就是大功率晶体管直流斩波器，它的作用是讲直流电源电压Um变成宽度可调的方波脉冲，然后施加到电动机电枢两端。直流PWM斩波器类型较多，主要用的是倍频式斩波器，也称为桥式斩波器。用倍频式斩波器时，电动机电枢电压频率是晶体管开关频率的两倍。脉冲宽度调制器：产生PWM脉冲的环节，它产生的PWM脉冲经驱动电路放大后，驱动主回路（晶体管斩波器）中的大功率晶体管。经常采用倍频式脉宽调制器，与倍频式斩波器对应使用。,.,23,直流伺服电机的选用,转矩百分比=负载转矩/连续额定转矩选用直流伺服电机的原则：（1）当机床在无切削运行时，在整个速度范围内，其负载转矩应在电动机连续额定转矩范围以内；（2）最大切削转矩的倍数设定（工作载荷百分比和工作时间）应在电动机的载荷特性所规定的范围内。（3）在加减速时，应当工作在加减速工作区内。（在加减速时，总转矩=负载转矩+惯性转矩，惯性转矩大小取决于加速度的大小和负载惯量的大小，而加速度大小又取决于希望的加速时间。（4）负载惯量对电动机灵敏度和快速移动时间有很大影响，一般说，负载惯量必须不大于电动机转子惯量的三倍。,.,24,交流伺服电机,直流进给伺服电机和直流主轴电机都用明显弱点：机械换向器和电刷存在降低了电机运行可靠性，增加维护和保养负担，因此交流伺服电机应用越来越广泛。交流进给伺服电机与直流进给伺服电机相比较，就是把定子和转子的位置互换，这样互换省去了机械换向器和电刷，代之以电子换向器或逆变器。,.,25,交流伺服电机,交流进给伺服电机可分为两种:（1）无刷直流电动机（BDCM)：定子放置三相对称绕组，转子永磁体，气隙磁场按方波分布，其调速方式也是采用脉冲宽度调制（PWM)，相当于三个换向片的直流电动机，但换向由晶体管进行；（2）永磁同步电动机（PMSM)：定子放置三相对称绕组，转子永磁体，气隙磁场按正弦波分布；永磁同步电动机电流控制方法主要有两种，即滞环法和同步开关法。,.,26,交流伺服电机结构,.,27,永磁交流伺服电机结构与工作原理,工作原理：定子三相绕组接上电源后，产生一个旋转磁场，该旋转磁场以同步转速n0旋转；定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引，并带动转子以同步转速n0一起旋转；当转子轴上加有负载转矩后，造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合，相差一个角，负载转矩发生变化时，角也发生变化。只要不超过一定限度，转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速n0旋转。,.,28,数控机床主轴电动机,主轴驱动与进给驱动相比有相当大的差别，但从驱动的速度控制系统而言，无论交流或直流调速，与进给驱动系统并无实质的差别。数控机床主轴驱动的特殊问题：主轴控制涉及数控机床的G/S/M/T控制功能，故对主轴电机提出以下要求：（1）主轴输出大功率，为了满足生产率的要求，通常主传动电动机应为2.5250kw的功率范围，因此，对功率驱动电路提出了更高的要求（2）调速范围要足够大，一般要求能在1：（1001000）范围内的恒转速调速，1：10的恒功率调速，并能实现四象限驱动功能。,.,29,数控机床主轴电动机,由于机床主传动的工作运动是旋转运动，无需丝杠和其他直线运动装置，在实现了主轴无极调速后，就可以省去主轴多级变速箱，大大简化机床机械结构，为了满足上述数控机床对主轴驱动的要求，主轴电动机应具备以下性能：（1）电动机功率要大，且在大的调速范围内速度要稳定，恒功率调速范围宽；（2）在断续负载下电动机转速波动要小；（3）加速、减速时间短；（4）温升低，噪声小，振动小，可靠性高，寿命长，易维护，体积小，重量轻；（5）电动机过载能力强。,.,30,数控机床主轴电动机,采用直流电动机做主轴电机时，直流主轴电机不能做成永磁式，这样才能保证有大的输出功率。对交流主轴电动机，均采用专门设计的鼠笼式感应电动机。有的主轴电动机轴上还装有测速发电机、光电脉冲发生器或脉冲编码器等作为转速和主轴位置的检测元件。,.,31,数控机床主轴电动机,对主轴除要求连续调速外，还有主轴定向准停功能，主轴旋转与坐标轴进给的同步、恒线速切削等控制要求。（1）主轴定向准停控制：对于某些机床，为了换刀时使机械手对准抓刀槽，主轴必须停在固定的径向位置。在固定切削循环中，有的要求刀具必须在某一径向位置才能退出，这就要求主轴能准确的停在某一固定位置，这就是主轴定向准停功能。M19准停功能指令。,.,32,主轴准停控制,主轴准停：主轴定向，指当主轴停止时，能够准确停于某一个固定位置。分为机械准停和电气准停。1.机械准停,.,33,2.电气准停控制（1）磁传感器准停控制主轴单元接收准停启动信号后，主轴立即减速至准停速度。当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准），主轴立即减速至某一爬行速度。当磁感应器信号出现时，主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制，目标位置即为准停位置。,.,34,（2）编码器准停控制由数控系统发出准停启动信号，主轴驱动的控制与磁传感器控制方式相似，准停完成后相数控系统发出准停完成信号。编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统，由数控系统向主轴驱动单元发出准停位置信号。磁传感器控制要调整准停位置，只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现。,.,35,数控机床主轴电动机,（2）主轴的旋转与坐标轴进给的同步控制加工螺纹时，应使带动工件旋转的主轴转数与坐标轴的进给量保持一定的关系，即主轴每转一转，按所要求的螺距沿工件的轴向坐标进给相应的脉冲量。通常采用光电脉冲编码器作为主轴的脉冲发生器，将其装在主轴上，与主轴一起旋转，发出脉冲。（3）恒线速切削控制利用车床和磨床进行端面切削时，为了保证加工端面的粗糙度小于某一值，要求工件与刀尖的接触点的线速度为恒值。,.,36,直流主轴电动机,直流主轴电动机为他励式直流电动机，其功率一般较大（相对进给伺服电机），运行速度可以高于额定转速。直流主轴电机的调速控制方式较为复杂，两种方法：恒转矩调速和恒功率调速。恒转矩调速：在额定转速以下时，保持励磁绕组中励磁电流为额定值，改变电机电枢端电压的调速方式。恒功率调速：在额定转速以上时，保持电枢端电压不变，改变励磁电流的调速方式。一般来说，直流主轴电机的调速方法是恒转矩调速和恒功率调速的结合。,.,37,直流主轴电动机,直流主轴电动机与直流进给电动机一样，存在换向问题，但主轴电机转速较高，电枢电流较大，比直流进给电动机换向要困难。为了增加直流主轴电机可靠性，要改善换向条件。具体措施是增加换向极和补偿绕组。影响换向的几个主要因素如下：（1）换向空间的磁通，由于电枢磁场的作用而被扭歪了。电枢磁场对电机主磁场的影响称为电枢反应。（2）自感抗电压Ldi/dt，它和进行换向的线圈的电感有关。（3）互感抗电压Mdi/dt，它和进邻近线圈的电感有关。（4）换向片之间的高电压。,.,38,交