第6章开环伺服系统ppt课件

1、一、一、 伺服系统的组成伺服系统的组成 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。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。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。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，进给伺服系统的作用：接受数控装置

2、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。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。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如果把

3、数控装置比作数控机床的“大脑大脑”，是发布，是发布“命令的指挥机命令的指挥机构，那么伺服系统就是数控机床的构，那么伺服系统就是数控机床的“四肢四肢”，是执行，是执行“命令的机构，它命令的机构，它是一个不折不扣的跟随者。是一个不折不扣的跟随者。图6-1 闭环进给伺服系统结构位置控制模块速度控制单元伺 服 电机 工作台 位置检测测量反馈 伺服驱动装置速度环速度检测位置环 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

4、、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二、对伺服系统的基本要求l伺服驱动系统的选用伺服驱动系统的选用l1精度要求：定位精度、重复定位精度、加工精度精度要求：定位精度、重复定位精

5、度、加工精度l2稳定性：达到平衡状态的能力稳定性：达到平衡状态的能力l3响应速度：跟踪指令信号的速度响应速度：跟踪指令信号的速度l4调速范围：最高转速与最低转速之比调速范围：最高转速与最低转速之比Rn=nmax/nminl5低速转距特性低速转距特性:低速时转距输出能力低速时转距输出能力l关于定位精度和重复定位精度关于定位精度和重复定位精度l 定位精度：移动件到达指令位置的准确度定位精度：移动件到达指令位置的准确度l 重复定位精度：移动件在任意定位点的定位一致性重复定位精度：移动件在任意定位点的定位一致性l一、组成一、组成 伺服驱动单元、执行元件、传动机构伺服驱动单元、执行元件、传动机构 二、步

6、进电机二、步进电机将电脉冲转变成机械角位移的装置将电脉冲转变成机械角位移的装置 第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统 CNC步进电机步进电机 驱动放大驱动放大 工作台工作台 第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统v按输出转矩分：按输出转矩分： 伺服步进电机、功率伺服步进电机、功率 步进电机。步进电机。 v按励磁相数分：按励磁相数分： 三相、六相、五相、六相、八相三相、六相、五相、六相、八相 等等 v按工作原理分：按工作原理分： 反应式、激磁式、混合式永磁反应式）反应式、激磁式、混合式永磁反应式） 第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统v步进电机由转子和定子两部分组成步进电机由转子和定子两部分

7、组成定子上有绕组分为若干相，每相磁极上有极齿。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：左图为三相定子：AA,BB,CCA、B、C三相每相两极，三相每相两极，每极上五个齿每极上五个齿1) 定子定子五个极齿五个极齿第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统定子上线圈的绕法定子上线圈的绕法A相A相B相B相C相C相2.2.步进电机的结构步进电机的结构第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统转子上有均匀分布的转子上有均匀分布的齿，没有绕组。齿，没有绕组。转子齿间夹角为转子齿间夹角为9o左图为一转子示意图：左图为一转子示意图：以四十齿为例来说明以四十齿为例来说明步进电机的原理步进电机的原理第六

8、章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统A A相相转转 子子9 9o oB B相相转转 子子3 3o oC C相相转转子子6 6o o如果如果A相通电则转子齿与相通电则转子齿与A相极齿对齐，这时在相极齿对齐，这时在B相两极下相两极下定子齿与转子齿中心线并不对齐，而

9、是转子齿中心线较定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子齿中心线反时针方向落后1/3齿距，即齿距，即3o。因而，当通电状态由因而，当通电状态由A相变为相变为B相时，转子顺时针方向相时，转子顺时针方向转过转过3o，C相通电再转相通电再转3o。C相下，转子齿超前相下，转子齿超前6o。第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统三拍通电激磁，步距角三拍通电激磁，步距角= = 3o3 4 40 00631 . . 一般一般 =m绕组相数；绕组相数；Z转子齿数，单拍转子齿数，单拍k=1,双拍双拍k=2。mzk063六拍通电激磁，步距角

10、六拍通电激磁，步距角 = = 1.5o3 40402 . . 063第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统定子绕组通断电顺序定子绕组通断电顺序 转子转向转子转向 定子绕组通断电转换频率定子绕组通断电转换频率 转子转速转子转速 定子绕组通断电次数定子绕组通断电次数 转子转角转子转角 三相单三拍三相单三拍 A B C A A B C A （K=1K=1） 三相双三拍三相双三拍 AB BC CA AB AB BC CA AB （K=1K=1） 三相六拍三相六拍 A AB B BC C CA A A AB B BC C CA A （K=2K=2） v 通断电方式通断电方式第六章第六章 伺服驱动系统伺服

11、驱动系统最高工作频率最高工作频率fmaxfmax） 加减速特性加减速特性 矩频特性矩频特性 启动频率启动频率fstfst） 步距角步距角及步距误差及步距误差 静态转矩与矩角特性静态转矩与矩角特性最大启动转矩最大启动转矩Mq 步距角是两个相临脉冲时间内转子转过的角度步距角是两个相临脉冲时间内转子转过的角度, ,一般来一般来说步距角越小说步距角越小, ,控制越精确。控制越精确。 第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统5.5.主要控制特性主要控制特性步距误差直接影响执行部件的定位精度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进电动机单相通电时, ,步距误差取决于定子和转子的分齿步

12、距误差取决于定子和转子的分齿精度精度, ,和各相定子错位角度的精度。和各相定子错位角度的精度。多相通电时多相通电时, ,其不仅与上述因素有关其不仅与上述因素有关, ,还和各相电流大小还和各相电流大小, ,磁磁路性能有关。路性能有关。 2静态转矩与矩角特性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置不动0）。如果在电机轴上外加一个负载转矩）。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转子会

13、偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度，角，角度度称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静称为失调角。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。静态转矩与失调角矩。静态转矩与失调角的关系叫矩角特性，如图的关系叫矩角特性，如图6-6所示，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，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转子在电磁转矩作用下，仍

14、能回到稳定平衡点位置0）。）。第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统 O Mjmax M 静态稳定区 - -/2 /2 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。 bA B C图6-

15、6 三相单三拍步进电机的启动转矩MbMqMaMa第六章第六章 伺服驱动系统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，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启动频率与步进电机的惯性负载有关. .步进电机工作频率连续上升时，电动机不失步运行的最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。高频率称为最高工作频率

16、。它的值也和负载有关。很显然，在同样负载下，最高工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作频率远大于启动频率. .第六章第六章 伺服驱动系统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急剧下降，这两者的关系称为矩频特性. .6 6矩频特性矩频特性Md / NmMd / Nmf /Hzf /Hz16*100016*10000 01 12 23 34 44 48 812127)加减速特性加减速特性 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步进电机的加减速特性

17、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必须逐渐上升 同样同样,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出

18、现失步或超步一般用加速时间常数一般用加速时间常数Ta和减速时间常数和减速时间常数Td来描来描述步进电机的升速和降述步进电机的升速和降速特性速特性第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统l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：l(1)步进电机的步距角=？l(2)工作点的脉冲当量？l(3)步进电机的最高工作频率？l解：(1) l(2) 丝杠导程步距角/360l =50.75/360=0.01(mm/脉冲)l(3) 75. 08023360360mkz)(60001. 0/6/Hzvf第六章第六章 伺

19、服驱动系统伺服驱动系统1)1)步进电机选择原则：步进电机选择原则： 步矩角步矩角与机械系统相匹配，以得到系统所需的与机械系统相匹配，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/Jm0或R50时为反；l R7：TAB数据表指针。l 以上参数在主程序中给定。l出口：R7：子程序结束时电动机的状态，供下次调用时参考。l源程序如下：lSBU1： MOV DPTR，#TABl AJMP REDO ；转移去判断正反转lDRIVER： MOV，R7 ；驱动步进电动机l MOV

20、 A，A+DPTRl MOV P1，Al ACALL DELAY ；调延时子程序 l DJNZ R6，REDO ；距离不为0转移 l MOV R7，A ；为0保存指针后返回l RETlREDO： CJNE R5，#00，NON ；如为反转则转移l CJNE R7，#05，L1 ；正转：指针不到数组尾转移l MOV R7，#00H ；否则指针清零l AJMP DRIVERlL1： INC R7 ；指针加1l AJMP DRIVERlNON： CJNE R7，#00H，L2 ；反转：指针不在数组首转移l MOV R7，#05H ；否则指针置5l AJMP DRIVERlL2： DEC R7 ；指针

21、减1lTAB： DB 01H，03H，02H，06H，04H，05Hl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。l 第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统1对驱动电源的要求对驱动电源的要求 实际上，步进电机是感性负载，实际上，步进电机是感性负载，绕组中电流不能突变，而是按绕组中电流不能突变，而是按指数规律上升或下降指数规律上升或下降, ,从而使整个从而使整个通电周期内，绕组电流平均值下降，通

22、电周期内，绕组电流平均值下降，电机输出转矩下降。电机输出转矩下降。 q 理想驱动电源使电机绕组电流理想驱动电源使电机绕组电流q 尽量接近矩形波。尽量接近矩形波。 而当电机运行频率很高时，电流峰值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。转矩进一步下降，严重时不能启动。 第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统 上升时电流时间常数上升时电流时间常数 Ti = L/R L步进电机绕组平均电感量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下降时电流时

23、间常数 Td = L/RD Td = L/RD RD RD放大回路电阻放大回路电阻 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： 第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统 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。 第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统 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-

24、e-t/Ti )可见，增大电源电压可以有效地改善电流上升陡度可见，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，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。适于中小型功率步进电机。 第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统 电容C: 在接通瞬间短接R 电流由 ELCT1 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 ELRcT1 输入脉冲为输入脉冲为“0时，时，T1截止，截止，il=0 输入脉冲为输入脉冲为“1时，时，T1导通导通 RaLCLRRRcRL第六章

25、第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统 输入脉冲消失后，输入脉冲消失后，T1T1截止，截止， L L两端将产生一感应电压。两端将产生一感应电压。 V=L(di/dt)，由于，由于T1关断时间关断时间dt很短，很短，故感应电压故感应电压U很大，将击穿晶体管，很大，将击穿晶体管，为此增加二极管为此增加二极管 D 续流，续流电流续流，续流电流: LRcDL 2单电压型驱动电源单电压型驱动电源Rc第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统 而而T2T2在高压控制电路下导通在高压控制电路下导通 时间时间t1t1较短较短 (100-600 (100-600 s) s) 绕组在高压绕组在高压 EH EH下电流下电流

26、迅速增大至额定值，迅速增大至额定值， 此时低压此时低压 EL EL无效。无效。 输入脉冲信号为输入脉冲信号为“0“0时，时， T1 T1、T2T2均截止，均截止，IL=0IL=0 输入信号为输入信号为“1“1时，时，T1 T1 导导通通 t1 t1之后，之后，T2T2截止，低压供压，截止，低压供压，维持绕组所需的额定电流维持绕组所需的额定电流IeIeEHEL第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统 输入脉冲信号消失输入脉冲信号消失(为为“0”)， T1、T2均截止，均截止， L上电流经放电回路：上电流经放电回路： LRoD2EHELD1L 迅速下降迅速下降 EH供电，励磁电流前沿电流供电，励磁电

27、流前沿电流 Ip=EH/(r+R0)(1-e-t/Ti ) 由此计算t1 t1=T/n EH/EH+ In (r+R0)In要求高压通电，要求高压通电， 电流达到的数值电流达到的数值EHEL第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统绕组上电流绕组上电流Il Il 随外加电压随外加电压(EH(EH、EL)EL)变化而变化，变化而变化， 当外加电压变化时，电机特性变差，工作不稳定当外加电压变化时，电机特性变差，工作不稳定 绕组电流波形下凹，绕组电流波形下凹， 使电机输出转矩降低使电机输出转矩降低 3) R的存在使效率降低 EH ELEH EL第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统 在绕组回路中串接电流

28、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，当电流增至某一上限时，再次断开高压源。再次断开高压源。特点：结构复杂、响应速度快、驱特点：结构复杂、响应速度快、驱动能力强、功耗低、噪声大。动能力强、功耗低、噪声大。应用：大中型功率步进电机的应用：大中型功率步进电机的驱动驱动第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统若励磁电流以方波达到额定值，则转子转过一个步距角；若励磁电流以方波达到额定值，则转子转过一个步距角；而若励磁电流以若干级上升到额定值，则转子以同样的而若励磁电流以若干级上升

29、到额定值，则转子以同样的若干级转过一个步距角，即可使步进电机步距变小。若干级转过一个步距角，即可使步进电机步距变小。 细分即使电机通电电流由矩形波转变为阶梯波，即使励磁细分即使电机通电电流由矩形波转变为阶梯波，即使励磁电流以若干个等幅、等宽的阶梯上升到额定值，并以同样电流以若干个等幅、等宽的阶梯上升到额定值，并以同样的阶梯从额定值下降到零。的阶梯从额定值下降到零。 细分技术的关键是如何获得阶梯波。下面介绍应用单片机细分技术的关键是如何获得阶梯波。下面介绍应用单片机进行细分驱动的技术。进行细分驱动的技术。 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

30、子也只转动步距角的一部分如1/4)。第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统四、提高步进电机伺服系统精度的措施存在的问题：无位移检测元件，定位精度主要取决于传动精度改善措施反向间隙补偿：在换向时通过附加脉冲进行补偿螺距误差补偿：采用机械样板或附加脉冲进行补偿反馈补偿：通过检测器进行系统误差检测，周期性地发出补偿脉冲。第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统步进电机步进电机第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统步距角越小，意味着它所能达到的位置精度越步距角越小，意味着它所能达到的位置精度越 ；步进电机的步距角计算公式步进电机的步距角计算公式为为 ；齿距角的计算公式为齿距角的计算公式为 ；一个齿距角的电角度是一个齿距角的电角度是 ；一个步距角的电角度是一个步距角的电角度是 ；在数控制机床中常采用的步距角是在数控制机床中常采用的步距角是 。 =360o/mzk =360o/mzk z=360/zz=360/z360o =360o/mk=360o/mk高高3o 1.