数控技术---精品课程平台-兰州理工大学PPT课件

.,1,一、概述,1位置检测单元将检测元件检测到的位置信号进行处理，以形成位置反馈信号。2比较环节完成指令信号与反馈信号的比较等。3伺服驱动功率放大，以驱动伺服元件。4伺服电机将电信号转换成机械运动。,(一)系统组成,.,2,(二)闭环伺服系统分类,定位与控制精度高，速度快，稳定性好，有故障自诊断和报警功能,.,3,1对检测元器件的要求,1)可靠性高、抗干扰能力强2)精度、速度满足要求3)对环境的适应性强，维护方便4)成本低、寿命长5)便于与数控系统联接,(三)闭环伺服系统常用的检测元件,.,4,从检测的信号分,直线型,回转型,从传感器输出信号分,2检测传感器分类,直线感应同步器、长光栅、长磁栅、激光干涉仪,旋转变压器、圆感应同步器、圆光栅、圆磁栅、编码盘,光栅检测装置、脉冲编码盘,旋转变压器、感应同步器,.,5,感应同步器抗干扰能力强，对环境要求低，维护简单、价格低，寿命较长，具有一定精度、应用较广。,光栅抗干扰能力强，高分辨率、大量程、测量精度高、应用广泛，但成本较高，制造工艺要求高。,磁栅抗干扰能力强，对环境条件要求低，安装调整方便，精度高，但存在磁信号的稳定性，磁头磨损等问题，有应用。,3检测元件的特点,.,6,旋转变压器抗干扰能力强、工作可靠、结构简单、动作灵敏、信号输出幅度大，对环境无特殊要求，维护方便，应用广泛。,脉冲编码盘工作可靠、精度高，结构紧凑、成本低，是精密数字控制和伺服系统中常用的角位移数字式检测元器件，但抗污染能力差，易损坏。,激光干涉仪精度很高，但抗震性、抗干扰能力差，价格较贵，应用较少。,3检测元件的特点,.,7,4.检测元件工作原理,旋转变压器,旋转变压器按照互感原理工作定子绕组上分别加上交变励磁电压当转子旋转时，通过电磁耦合，转子绕组内产生感应电势感应电压.,.,8,4.检测元件工作原理,Us,Uc为定子正弦、余弦绕组上的激磁电压，k为变压比，即定子绕组与转子绕组的匝数比W1/W2。,旋转变压器,U=kUsSin或U=kUcCos,.,9,旋转变压器作为位置检测装置有两种应用方式：鉴相方式和鉴幅方式。,1.鉴相工作方式,在旋转变压器定子的两相正交绕组，又称为正弦和余弦绕组上，分别加上幅值相等、频率相同的正弦、余弦激磁电压Us=UmsintUc=Umcost,旋转变压器的应用,.,10,旋转变压器的应用,转子旋转后，两个激磁电压在转子绕组中产生的感应电压线性叠加得总感应电压为：U=kUssin+kUccos=kUmcos(t-),由上式可知感应电压的相位角就等于转子的机械转角。因此只要检测出转子输出电压的相位角，就知道了转子的转角，而且旋转变压器的转子是和伺服电机或传动轴连接在一起的，从而可以求得执行部件的角位移。,.,11,旋转变压器的应用,2.鉴幅工作方式,给定子的两个绕组分别通上频率、相位相同但幅值不同，即调幅的少许磁电压（为机械转角）Us=UmsinsintUc=Umcossint,则在转子绕组上得到感应电压为U=kUssin+kUccos=kUmsint(sinsin+coscos)=kUmcos(-)sint,.,12,感应同步器,.,13,这样滑尺在移动一个节距的过程中，感应电压变化了一个余弦波形。,感应同步器,感应同步器,设当滑尺相对定尺移动后，感应电压逐渐变小，在错开1/4节距的b点时，感应电压为零。再继续移到1/2节距的c点时得到的电压值与a点位置相同，但极性相反。随后感应电压在3/4节距位置d点时又变为零，在移动一个节距到e点时，电压幅值与a点位置相同。,.,14,感应同步器,感应同步器,.,15,光栅位置检测装置,光栅检测装置的结构,执行部件带着标尺光栅相对指示光栅移动，通过读数头的光电转换，发送出与位移量对应的数字脉冲信号，用作位置反馈信号或位置显示信号,.,16,光栅尺,光栅位置检测装置,包括标尺光栅和指示光栅.根据制造方法和光学原理不同，光栅可分为透射光栅和反射光栅.透射光栅是在光学玻璃表面，或在玻璃表面感光材料的涂层上刻成光栅线纹。其特点是:,光源可以垂直入射，光电元件直接接受光照，因此信号幅值比较大，信噪比好，光电密度为200线/mm时，光栅本身就已经细分到.005mm从而减轻了电子线路的负担。,.,17,摩尔条纹的作用,放大作用,误差均化作用,光栅位置检测装置,.,18,摩尔条纹的移动距离与光栅的移动距离成比例，光栅横向移动一个节距，摩尔条纹正好沿刻线上下移动一个节距W，或者说在光栅刻线的某一位置，摩尔条纹明-暗-明变化一个周期，这为光元件的安装与信号检测提供了良好的条件。,利用脉冲变换电路可以提高光栅检测装置的读数分辨率，有四倍、八倍、十倍、二十倍等。,光栅位置检测装置,c.测量位移,.,19,是一种精度较高的位置检测装置。它由磁性标尺、磁头、和检测电路组成。,磁尺位置检测装置,磁尺：,磁尺位置检测装置,.,20,磁性标尺：,磁尺位置检测装置,表面录有相等节距（一般为0.05，0.1，0.2，1mm）周期变化的磁信号。,.,21,磁尺位置检测装置,磁头,.,22,工作原理,磁尺检测是模拟测量，检出信号是一模拟信号，必须经检测电路处理变换，才能获得表示位移量的脉冲信号。,.,23,工作原理,两个磁头I、II的激电流，由分频、滤波和功放后获得，磁头移动距离x后的输出电压为：,在求和电路中相加，则得磁头总输出电压为：,.,24,脉冲编码器,脉冲编码器的分类,.,25,增量式脉冲编码器,脉冲编码器,结构图,.,26,脉冲编码器,工作原理,.,27,脉冲编码器,是一种绝对角度位置检测装置，它的位置输出信号是某种制式的数码信号，它表示位移后所达到的绝对位置，要用起点和终点的绝对位置的数码信号，经运算后才能得到位移量的大小。,特点,电源切除后位置信息不会丢失，只要通电就能显示出所在的绝对位置信号，因此在事故停机检修后，可以根据加工程序章上标明的停机时的绝对位置，或停机时记录下来的绝对位置，用绝对位移指令直接找回原机位置进行继续加工。,绝对式脉冲编码盘,.,28,脉冲编码器,绝对式脉冲编码盘,.,29,码盘上有许多同心圆环，称为码道，整个圆盘又分为若干个等分的扇形区段，每一相同的扇形区段的码道组成一个数码，着色的码道为“1”，未着色的码道为“0”，内环码道为数码的高位。,A图为二进制数码，B图为葛莱循环码,在圆盘的同一半径方向的每个码道处，如图的圆点所示，安装一个光电元件，光源装在圆盘的另一侧，码盘转动，每一扇形区段愉的光信号通过光电元件转换成数码脉冲信号。,脉冲编码器,绝对式脉冲编码盘,.,30,脉冲编码器,绝对式脉冲编码盘,.,31,纯二进制码有一个缺点：相邻两个二进制数可能有多位二进制码不同，当数码切换时有多个数位要进行切换，增大了误读的机率。,葛莱码相邻两个二进制数码只有一个数位不同，因此两数切换时只在一位进行，提高了读数的可靠性。,两种编码的可靠性的比较:,脉冲编码器,.,32,脉冲编码器,多圈式绝对编码器，综合了各种编码器的长处。其内部结构如图所式。,多圈式脉冲编码盘,.,33,多圈式脉冲编码盘,脉冲编码器,它有一个光电码盘和一个磁码盘，两条通道的信号经过检测装置内部的CPU、大规模集成电路及驱动电路串行地输出绝对位置信息。,这种编码器的优点是：分辨率高响应快具有数据长期存储功能串行输出，信号线少，可靠性高，便于长距离传输,.,34,(一)对驱动元件的要求,1转动惯量小以提高系统的快速响应,二、驱动元件,3低速运行的稳定性、均匀性好以保证低速时的精度,2过载能力强以适应经常出现的过冲现象,.,35,1小惯量直流伺服电动机,(二)直流伺服电动机,转子细而长大大减小了电动机的转动惯量,快速响应性能好。,2)气隙较大换向性好，时间常数5-10ms。,3)转子上无槽电感小，时间常数小，动态特性好，响应快，低速运转稳定而均匀。,4)气隙磁密度大过载能力强。输出功率几+瓦+千瓦，转速1-3000r/min最大转矩约20N.m,但输出需加齿轮减速,.,36,1)转矩大,2)调速范围宽10001500r/min,3)转动惯量小设计时可忽略其它传动件的转动惯量,4)动态响应好,最大峰值转矩可达额定转矩的10倍，可在3倍额定转矩的过载条件下工作30min，但快速响应性能不如小惯量电机。,5)过载能力强,特点：,2大惯量直流伺服电动机,.,37,表1日本富士通公司直流伺服电动机系列几种规格的主要技术参数,.,38,1笼型异步型伺服电动机,定子对称三相绕组产生旋转磁场,转子转子绕组（导体）切割磁通产生感应电势感应电流电磁转矩转子转动,转子转动方向与旋转磁场方向不同异步,转子转动速度小于旋转磁场速度n0转差率,(三)交流伺服电动机,.,39,2永磁同步型伺服电动机,定子三相电枢绕组产生旋转磁场,转子永磁体产生恒定励磁磁场,通电的电枢绕组及载流导体切割磁力线产生电磁力以反作用力方式驱动转子永磁体转动,转子转动的方向与旋转磁场方向相同同步,(三)交流伺服电动机,.,40,表2DC伺服电动机与AC伺服电动机的比较,.,41,1DC电动机转速公式,三、速度调节,(一)直流伺服电动机的调速,n=UD/Ce-RI/Ce,UD电枢电压Ce与电机结构有关的常数励磁磁通I励磁电流R电枢回路电阻,改变UD调速的方法,.,42,1)可控硅电力半导体器件，是弱电控制到强电输出的桥梁作用。包括：阳极（A）、阴极（K）、控制级（G）导通条件：）阳极A：阴极K：）控制级G加正向电压。,2可控硅调速（SCR-M）,三、速度调节,(一)直流伺服电动机的调速,.,43,三、速度调节,(一)直流伺服电动机的调速,2)SCR-M调速系统,特点：工作频率低，输出电压波形差，电流脉动分量大，这不但使电机发热，工作条件恶化，也影响电网电压波动。,M,.,44,1)脉宽调速原理,3.脉宽调制(PWM)原理与系统,PWMPulseWidthModulation,直流电源电压U经开关S转换为一定频率的方波电压加到直流电机电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，就可改变电枢的平均电压，从而调节电机转速。,.,45,设开关S开闭周期为T，每次闭合时间为则电枢两端平均电压Ud为：,Ud=U/T=rUr:导通率(脉宽系数),T一定Ud=0Ud=0电机停止=TUd=U最高转速,3.脉宽调制(PWM)原理与系统,PWMPulseWidthModulation,1)脉宽调速原理,T：5002500Hz，大大小于电动机的时间常数，故无转速脉动。,.,46,2)脉宽调制器PWM,输入：电流调节器输出的直流电压Uc输出：幅值恒定，宽度可变的矩形脉冲电压方法：高频载波法、数字脉宽调制、高频极限环法等,.,47,调制信号发生器产生频率、幅值都固定的高频载波信号D（t）,D(t)可以是三角波、锯齿波、正弦波,高频载波法的原理直流输入信号Uc叠加在载波信号D(t)上，再进入比较器。比较器是一个具有继电器特性的电子元件，其输出信号是一个与D(t)同频率的矩形脉冲，脉冲占空比取决于Uc的大小。,2)脉宽调制器PWM,.,48,2)脉宽调制器PWM,.,49,3)功率放大器,.,50,3)功率放大器,.,51,4)PWM-M系统组成及工作原理,PWM-M特点：开关频率高，仅靠电枢的电感作用，即可获得满意的滤波作用，近似直流。无论高速或低速电机转速和扭矩平滑均匀，调速比可以做得很大，且发热小，寿命长。,.,52,1.交流调速方法,交流电动机调速公式：n=60f1(1-S)/Pf1:定子电源频率变频调速高效率、宽范围、高精度P:磁极对数变P调速S:转差率变S调速,(二)交流伺服电动机的调速,.,53,(二)交流伺服电动机的调速,2.PWM型变频器,构成,二极管整流器：交直变换，经电容器滤波平滑，产生恒定的直流电压，输出给逆变器。,PWM逆变器：直交变换、调频、调压，产生电压、频率可调交流电压,输出给伺服电动机的电枢绕组。,.,54,(二)交流伺服电动机的调速,2.PWM型变频器,PWM逆变器原理,.,55,(二)交流伺服电动机的调速,2.PWM型变频器,PWM逆变器原理,ED：二极管整流器输出的直流电压VT1-VT4：大功率晶体管，工作于开关壮态,控制信号：加在VT1-VT4基极上的一组等副、不等宽的矩形脉冲(调制信号)，由控制电路产生。输出信号：逆变器输出端Uab一组与控制信号频率相同、但幅值放大的矩行脉冲。,.,56,改变VT1、VY4和VT2、VT3交替导通的时间改变输出波形的频率；,(二)交流伺服电动机的调速,2.PWM型变频器,PWM逆变器原理,改变半周期内VT1、VY4（或VT2、VT3）的通断比改变脉冲宽度改变输出电压幅值。,.,57,六只大功率晶体管组成全桥式电路，电动机定子采用“Y”连接。,(二)交流伺服电动机的调速,2.PWM型变频器,PWM逆变器原理,逆变器与电动机定子三相绕组的连接如图所示,.,58,方波三角波调制：输出波形的平均值按方波形式变化三角波载波信号，决定逆变器的开关频率。,3.PWM控制信号形成,.,59,*正弦波三角波调制：输出波形的平均值按正弦波形式变化*方波、正弦波控制信号，频率、幅值均可调，决定逆变器的输出频率和幅值，可以由矢量变换控制获得。*两信号交叉点调制信号，即逆变器功率晶体管基极的控制信号,3.PWM控制信号形成,.,60,4.失量变换控制原理,失量控制由德国学者于1972年提出,首先应用于感应(IM)电动机中,目前也应用于永磁电动机(PM)中,且更易实现,在高性能伺服驱动系统中得以广泛应用。,失量控制是模仿直流电动机的控制得出的。,直流伺服电动机定子绕组通以电流If产生励磁磁通电枢绕组通以电流Ia产生电磁转矩If,Ia彼此独立，分别调节可以控制、T,此外，励磁磁场和电枢电流空间角度是由电刷和机械换向所固定，且是正交的，从而使电枢电流产生的电磁转矩最大。,.,61,4.失量变换控制原理,同步：两磁场相互作用，转子产生转动，转速与旋转磁常相同,永磁同步交流伺服电动,转子永磁体产生恒定的励磁磁场定子三相电枢绕组电枢电流产生旋转磁场,励磁磁场与电枢电流的空间角度不是固定的，随负载而变化，故不能简单地通过调节电枢电流来直接控制电磁转矩。,.,62,4.失量变换控制原理,设计一控制系统，对电枢电流相对励磁磁场进行空间定向控制角度控制；同时也控制电枢电流幅值幅值控制，统称失量控制。,在角度控制中，选择使电枢磁场与励磁磁场空间角度正交磁场定向，使电枢电流产生的电磁转矩最大，以实现直流伺服电动机的严格模拟。,永磁同步交流伺服电动,.,63,交流调速系统控制回路的结构与原理如下图：,.,64,交流调速系统控制回路的结构与原理图说明,1)转子磁极位置检测电路为了使电流与永磁体磁通在空间角度正交,必须正确检测出磁极位置.检测位置:旋转变压器,2)正弦波产生电路产生以转子位