《数控技术伺服》ppt课件

1、6.2.3 步进电机细分驱动技术步进电机细分驱动技术 步进电机对应于一个电脉冲，转子步进电机对应于一个电脉冲，转子转动一步；即一个步距角转动一步；即一个步距角s。 假设每次输入脉冲切换时，只改动对假设每次输入脉冲切换时，只改动对应绕组额定电流的一部分那么转子相对应应绕组额定电流的一部分那么转子相对应的每步转动也只会是原有的每步转动也只会是原有s的一部分。额的一部分。额定电流分成多少个级别进展切换，转子就定电流分成多少个级别进展切换，转子就以多少步来转完一个以多少步来转完一个s 。 即经过控制绕组中电流的数值调整即经过控制绕组中电流的数值调整步距角步距角s大小，这种控制方式为不进电机大小，这种控

2、制方式为不进电机细分控制。细分控制。 如以下图所示，在一个输入脉冲宽度如以下图所示，在一个输入脉冲宽度内把电流按线内把电流按线性或正弦规律分成性或正弦规律分成n分。数字信号分。数字信号D/AVREF，VREF与与VC比较，以保证电流值在要求比较，以保证电流值在要求的值上。的值上。步进电机的细分控制得到了广泛运用。步进电机的细分控制得到了广泛运用。四相步进电机线型规律四相步进电机线型规律细分电流时序图细分电流时序图正弦阶梯波细分电流波形图正弦阶梯波细分电流波形图正弦细分驱动电路正弦细分驱动电路D/A 功率步进电机用作开环进给系统的伺服驱动安装，组成开环进给系统，普通技术性能不能满足运用要求，其性

3、能的提高遭到限制。60年代出现了小惯量直流伺服电机，70年代初出现了大惯量宽调速伺服电机；目前，许多数控机床采用大惯量直流伺服电机。6.3 6.3 直流伺服电动机调速系统直流伺服电动机调速系统 直流电机的用途电源电源励磁机励磁机测速测速伺服伺服 直流电机的原理和构造定子和转子定子和转子直流电机电枢绕组构造直流电机电枢绕组构造直流电机电刷和换向器构造直流电机电刷和换向器构造直流电机电刷构造直流电机电刷构造直流电机的物理模型直流电机的物理模型6.3.1 6.3.1 直流伺服电机调速控制直流伺服电机调速控制直流伺服电机有电磁式、永磁式、杯形直流伺服电机有电磁式、永磁式、杯形电枢式、无槽电枢式、无刷式

4、等。电枢式、无槽电枢式、无刷式等。直流伺服电机的构造与直流电机一样，直流伺服电机的构造与直流电机一样，由定子和转子两部分组成。在定子上装由定子和转子两部分组成。在定子上装有磁极，电磁式伺服电机的定子磁极上有磁极，电磁式伺服电机的定子磁极上有励磁绕组。转子由硅钢片迭积而成，有励磁绕组。转子由硅钢片迭积而成，转子上外圆有槽，槽内有中枢绕组，绕转子上外圆有槽，槽内有中枢绕组，绕组经过换向器和电刷引出。组经过换向器和电刷引出。直流伺服电机和普通电机最大区别：电直流伺服电机和普通电机最大区别：电枢长度与直径之比枢长度与直径之比(L/D)(L/D)比普通直流电机比普通直流电机要大；气隙较小。要大；气隙较小

5、。 伺服电机的任务原理和普通直流电伺服电机的任务原理和普通直流电机一样，当定子中的磁励磁通和转子中机一样，当定子中的磁励磁通和转子中的电流相互作用时，会产生电磁转矩驱的电流相互作用时，会产生电磁转矩驱动电枢转动，恰当地控制转动电枢电流动电枢转动，恰当地控制转动电枢电流的大小和方向，就可以控制伺服电机转的大小和方向，就可以控制伺服电机转向及转速，当电枢电流向及转速，当电枢电流“0 0，伺服电机，伺服电机停滞不动。停滞不动。 即定子磁势Fr垂直于电枢绕组磁势Ff 产生电磁转矩T 电磁转矩为：电磁转矩为：T Cm Ia 式中：式中： Cm 转矩常数转矩常数( CmPN/(2a) p：磁极对数：磁极对

6、数 N：电枢绕组总导体数：电枢绕组总导体数 a：并联支路：并联支路 对数对数 电机的主磁通电机的主磁通 Ia 电枢电流电枢电流 电压平衡方程为：电压平衡方程为： E UdIa Ra (Ud :电枢电压电枢电压 Ud =Uc =U 控制电压控制电压) 式中：式中：E 电枢感应电动势电枢感应电动势 E Ce n Ce PN/(60a) 联立上三式得到联立上三式得到 eaameaeCRIuTCCRCun2 从上式知，电机调速有三种方法：从上式知，电机调速有三种方法： 1改动电枢电压改动电枢电压U电枢法电枢法 2改动励磁磁通改动励磁磁通弱磁调速弱磁调速 3在电枢回路中接电阻在电枢回路中接电阻Rt ea

7、ameaeCRIuTCCRCun2改动端电压调速改动端电压调速 坚持电动机的不变且无外接电枢电阻， 仅降低施加于电动机电枢两端电压U到达调速的目的， 称为降压调速。TnU1U1U2U3U2U3PQ电压越低，电压越低， 转速越低，转速越低， 调速调速方向从基值往下调。方向从基值往下调。 1降压的特性是一簇与固有特性平行的直线，降压的特性是一簇与固有特性平行的直线， 无论无论是满载、轻载还是空载都有明显的调速效果。是满载、轻载还是空载都有明显的调速效果。2由于特性硬度不变，低速时由于负载变化引起的由于特性硬度不变，低速时由于负载变化引起的转速动摇不大。静态稳定性好，转速动摇不大。静态稳定性好， 调

8、速范围大。调速范围大。3可平滑调理端电压，可平滑调理端电压， 使转速平滑调理，实现无使转速平滑调理，实现无级调速。级调速。4调理过程能量损耗小。调理过程能量损耗小。调压调速的特点：调压调速的特点：Tn改动励磁调速改动励磁调速改动励磁电流调速，实践上是减少励磁电流的改动励磁电流调速，实践上是减少励磁电流的调速，调速， 所以又称弱磁调速。所以又称弱磁调速。弱磁调速：坚持弱磁调速：坚持U U，RtRt0 0，仅减小电动机的励磁，仅减小电动机的励磁电流电流IfIf使主磁通减小，到达调速目的。使主磁通减小，到达调速目的。If1PIf2QIf1If2从两个稳定点从两个稳定点P P、Q Q对应转速阐对应转速

9、阐明减小励磁可以使转速升高。明减小励磁可以使转速升高。弱磁调速调速前后的量：调速前后的量：1假定负载转矩不变，假定负载转矩不变， 1221aaII (2)假定磁路不饱和，不计电枢反响和假定磁路不饱和，不计电枢反响和IaRa的变的变化化1212212211 ,ffIInnnCenCeE3 恒转矩负载，恒转矩负载， ， 根本不变根本不变nPIUPa212211aMaMICICT弱磁调速特点弱磁调速特点 优点：设备简单，调理方便，能耗小。优点：设备简单，调理方便，能耗小。 缺陷：缺陷： 一方向调理，转速调得过高，励磁过弱，一方向调理，转速调得过高，励磁过弱， 电枢电电枢电流变大，流变大， 换向变坏，

10、换向变坏， 出现不稳定。出现不稳定。改动电枢回路电阻调速改动电枢回路电阻调速 坚持UUN且 N不变，电枢回路中串入调速电阻Rt，使同一个负载得到不同转速的方法， 称为电枢串电阻调速。串入电枢回路的电阻越大，串入电枢回路的电阻越大， 转转速越低。速越低。R2R1PQR1R2R3TnR3电机运转于固有机械特性上的转电机运转于固有机械特性上的转速称为基速。速称为基速。 电枢回路串电阻调电枢回路串电阻调速的方法，速的方法， 只能从基速往下调。只能从基速往下调。串电枢电阻调速串电枢电阻调速该调速的特点：该调速的特点：1设备简单、操作方便。设备简单、操作方便。2低速时，低速时， 机械特性很软，机械特性很软

11、， 当负载变化时，当负载变化时， 转速动摇很大。静态稳定性差转速动摇很大。静态稳定性差 调速范围不大。调速范围不大。3由于电阻的不延续调理，由于电阻的不延续调理， 因此速度调理因此速度调理不平滑，不平滑， 属有级调速。属有级调速。 4电枢电流在电枢电流在Rt上耗费的能量大，上耗费的能量大， 调速调速时效率低。时效率低。 效率与转速成正比。效率与转速成正比。 6.3.2 直流伺服电机直流伺服电机2meaCCRk 2meaCCRk ERIdtdILuaaaa 在过渡过程中，电磁转矩在过渡过程中，电磁转矩T除了要抑制轴上的除了要抑制轴上的总的阻转矩总的阻转矩T外，还要抑制轴上的惯性力矩，故转外，还要

12、抑制轴上的惯性力矩，故转矩平衡方程为：矩平衡方程为： 式中：式中：Ts-总阻转矩；总阻转矩； J-电机及负载的等效转动惯量；电机及负载的等效转动惯量； -转子的角速度转子的角速度 。 但过渡过程中但过渡过程中,T主要用来抑制主要用来抑制J d/dt ,Ts所占比所占比 例很小例很小,可忽略。所以，可忽略。所以， dtdJTTsdtdJT dtdnJICam602dtdnCJIma602那么有那么有等式两边同除以等式两边同除以Ce 那么那么eemaemaCUndtdnCCJRdtndCCJL2222602602UnCdtdnCJRdtndCJLemama60260222令，令，aadmejRLC

13、CJ,6022ejdjCUndtdndtnd22那么，那么，式中：式中：j 机电时间常数，表示加上电枢电机电时间常数，表示加上电枢电压后，转速压后，转速 到达额定值过程到达额定值过程 时间的过渡。时间的过渡。 d电磁时间常数，表示加上电枢电电磁时间常数，表示加上电枢电压后，电枢压后，电枢 电流到达额定值的过渡过程时间。电流到达额定值的过渡过程时间。由于由于d j，均可忽略，均可忽略，所以所以ejCundtdn进展进展L变换，得变换，得ejenjCsUssncUsnss)(1)()()(直流伺服电机传送函数直流伺服电机传送函数G(s)是输出转速与输入电枢电压拉氏变换之比，即是输出转速与输入电枢电

14、压拉氏变换之比，即式中：式中：KG=I/Ce 为静态放大系数，表示转子速度随为静态放大系数，表示转子速度随U的的变化程度。从上式看出，直流伺服电机是一个惯性环节。变化程度。从上式看出，直流伺服电机是一个惯性环节。当给电枢加上阶跃电压当给电枢加上阶跃电压U，电机转速，电机转速n从从0n0的过渡过程为：的过渡过程为：所以，进展所以，进展L反变换有，反变换有，sCsUsnsGje1/1)()()(snsnssnj1)()(0)1 ()(0ssnsnj)1 (0jtenn从式中知，当从式中知，当t=j 时，时， n=0.632n0，上升到，上升到n0的时间的时间 当当t=3j时，时，n=0.95n 0

15、，此时过渡过程基，此时过渡过程基 本终了，即本终了，即t=3j。 小结：机械特性的斜率K减小，特性硬，那么电机时间常数j降低，过渡过程短；反之，K增大，过渡过程长。假设思索电磁时间常数假设思索电磁时间常数d，那么为二阶振荡环节，波形如，那么为二阶振荡环节，波形如下下KJCCRJCCJRmeameaj60260260222 大惯量直流伺服电机又称宽调速直流伺服电机，大惯量直流伺服电机又称宽调速直流伺服电机，是上世纪是上世纪60年代末年代末70年代初在小惯量电机和力年代初在小惯量电机和力矩电机的根底上开展起来的，目前广泛运用于矩电机的根底上开展起来的，目前广泛运用于数控系统中。数控系统中。 1构造

16、特点构造特点 大惯量直流伺服电机构造如图，鼓励方式大惯量直流伺服电机构造如图，鼓励方式为永磁式。从电磁转矩公式为永磁式。从电磁转矩公式T=Cm Ia。转矩。转矩常数常数 Cm=PN/(2a) ,为了得到大的输出力矩，为了得到大的输出力矩，采用以下措施：采用以下措施：a.采用高性能磁性资料，以产生强磁场采用高性能磁性资料，以产生强磁场；资料保磁；资料保磁性能的稳定性；当峰值转矩到达额定值性能的稳定性；当峰值转矩到达额定值1015倍不退倍不退磁；磁性资料：铝镍钴、陶瓷缺氧体、稀土磁；磁性资料：铝镍钴、陶瓷缺氧体、稀土 钴钴 性性能最好能最好 b.添加总导体数添加总导体数N，添加磁极对数，添加磁极对

17、数p使使cm添加。添加。 大惯量电机提供大转矩还在于：低速输出转矩大，大惯量电机提供大转矩还在于：低速输出转矩大，最大峰值转矩可达额定转矩的最大峰值转矩可达额定转矩的10倍以上，过载才干强，倍以上，过载才干强，允许过载时间长。由于电机本身惯量大，输出力矩大，允许过载时间长。由于电机本身惯量大，输出力矩大，可直接驱动负载，无需机械减速传动链。可直接驱动负载，无需机械减速传动链。 这类电机调速范围较宽，普通可达这类电机调速范围较宽，普通可达10001500r.p.m，电机的热容量大，热时间常数大，可达，电机的热容量大，热时间常数大，可达120分钟左右，或在过载条件下任务。分钟左右，或在过载条件下任

18、务。2 2任务特性任务特性宽调速电机的任务特性由一些参数及特性曲线所限定。电机的允许转矩宽调速电机的任务特性由一些参数及特性曲线所限定。电机的允许转矩T转速转速n随加工及运转条件而改动随加工及运转条件而改动Uk最高运转电压；最高运转电压； Tknmax时的转矩；时的转矩； Tr 延续任务转矩；延续任务转矩；Up 峰值电压；峰值电压； Tp 峰值转矩；峰值转矩； ACB换向限制曲线；换向限制曲线；CTr 发热限制曲线；发热限制曲线；区区延续任务区间；延续任务区间；区区电机间歇任务区间；电机间歇任务区间； 区区瞬时加速或正、瞬时加速或正、 反转短暂任务区；反转短暂任务区；BTp去磁限制线；去磁限制

19、线； DE瞬时换向界限。瞬时换向界限。 大惯量直流伺服电机技术性能较好，有本钱低的可控硅调压器，与大惯量直流伺服电机技术性能较好，有本钱低的可控硅调压器，与脉宽调压器，在数控机床得到广泛运用。脉宽调压器，在数控机床得到广泛运用。 由电工学知识，在直流电机转子磁场不饱和时，改由电工学知识，在直流电机转子磁场不饱和时，改动电枢电压动电枢电压U，可以改动转子转速，从前述分析，可以改动转子转速，从前述分析，转子有机械惯性，绕组有电磁惯性，机械时间常数、转子有机械惯性，绕组有电磁惯性，机械时间常数、电磁时间常数都较大，故电枢电压可用周期远小于电磁时间常数都较大，故电枢电压可用周期远小于电机械时间常数的方

20、波平均电压来替代。将直流电电机械时间常数的方波平均电压来替代。将直流电源电压转换成频率源电压转换成频率f2000HZ的方波电压的方波电压 电机绕组，经过对开封锁合时间长短控制电机绕组，经过对开封锁合时间长短控制控制电控制电枢绕组两端的平均电压到达调速的目的。枢绕组两端的平均电压到达调速的目的。 物理模型物理模型设闭合时间设闭合时间，翻开时间为，翻开时间为T 。因。因U为常数，那么电枢上电为常数，那么电枢上电压的波形是一个方波列，其高度压的波形是一个方波列，其高度U，宽度为，宽度为，其平均值为：，其平均值为： 从上式可看出，电枢转速从上式可看出，电枢转速n脉冲宽度脉冲宽度。目前运用的是目前运用的

21、是PWM晶体管功率放大器，即由两部分组成：晶体管功率放大器，即由两部分组成：电压脉宽变换器，开关式功率放大器；负载：伺服电机。电压脉宽变换器，开关式功率放大器；负载：伺服电机。UUTUdtTUTd01式中式中T(/T)为为 导通率或占空比。导通率或占空比。为分析方便起见，假设忽略电枢电阻为分析方便起见，假设忽略电枢电阻Ra，那么电枢电压方程，那么电枢电压方程为：为：)(,eeedTCunnCuTnCEU1脉宽调制器脉宽调制器 产生产生PWM脉冲的环节，所产生的脉冲的环节，所产生的PWM脉冲脉冲驱动驱动放大后放大后 功率放大器断波放大器。功率放大器断波放大器。即即 UA(或或UB ) 0，满量程

22、正电压输出满量程正电压输出UA(或或UB )0，满，满量程负电平输出。量程负电平输出。P1、P2、P3、P4四路四路PWM信号经延时处置信号经延时处置驱动放大驱动放大后后功放。功放。三角波发生器及三角波发生器及PWM调制原理图调制原理图倍频式脉宽调制器倍频式脉宽调制器所谓倍频式：电机电枢所谓倍频式：电机电枢电压的频率是晶体管开电压的频率是晶体管开关频率的两倍。关频率的两倍。结论：结论： 控制电平控制电平Uc的大的大小与电动机电枢两端的小与电动机电枢两端的脉冲电压宽度成正比，脉冲电压宽度成正比，稳态时，稳态时，Uc与与n成正比。成正比。2晶体管晶体管PWM放大器放大器 即把脉宽调制后的方即把脉宽调制后的方波信号驱动后，变换波信号驱动后，变换为宽度可调的方波脉为宽度可调的方波脉冲，加在电枢两端。冲，加在电枢两端。 图中：图中：T1 T4； 大功率晶体管大功率晶体管 D1 D4： 续流二极管续流二极管电机正转分析电机正转分析a)、t1 t 0c)、t3 时辰时辰T