第4章--伺服驱动系统.ppt

1、第四章伺服驱动系统，4.1伺服系统概述4.2开环步进电动机驱动系统4.3直流伺服系统4.4交流伺服系统4.5通用数字伺服驱动系统摘要练习，4.1伺服系统概述，1 .基本概念伺服(Servo)系统也称为后续系统，是一种可以沿着命令信号变化移动的自动控制装置。根据实现方法，可分为机械跟随(轮廓)系统、液压伺服系统、电气伺服系统等，目前数字控制机器均采用电气伺服系统。CNC设备是在CNC设备中发出命令的“大脑”，伺服系统是CNC机器的“肢体”，是准确执行CNC设备的运动命令的执行机制。伺服系统由伺服驱动器、伺服电动机、位置检测设备等组成。伺服驱动器的主要功能是功率放大和速度调节，将弱信号转换为强信号

2、，并确保系统的动态性能。伺服电动机用于将电能转换为机械能，并拖动机械零件以移动或旋转。数字控制机器的伺服系统，包括进给伺服系统和以机器偏移(位置控制)为直接控制对象的自动控制系统主轴伺服(驱动)系统。后者以速度控制为主，提供切削过程中所需的扭矩和动力。本章介绍了进给伺服系统及其位置检测装置的基本原理。2数控机床进给伺服系统的要求数控机床进给伺服系统的要求是在速度调节范围大、速度范围内稳定运行。通常，速度比率为1336010000，最低稳定运行速度为nmin0.1r/min。负载特性硬，抗干扰能力强。在切削过程中受到载荷冲击时，可以防止速度发生变化。必须具有足够的载荷能力，特别是在低速的情况下。

3、反应快。通常，伺服响应时间为几十毫秒，伺服电动机角加速度为4000rad/s2，即从静止状态加速到额定速度1500r/min所需的时间为0.2秒或更短。准确度高。位置和重复位置精度可以达到0.010.001mm或0.1um。三进给伺服系统的分类进给伺服系统可根据结构分为开环控制和闭环控制两类。开环控制系统没有位置反馈回路和速度控制回路，因此具有简单经济的优点，广泛应用于中、低等级数控机床和普通机械改造。闭环伺服系统根据反馈控制原理工作。也就是说，通过位置测量装置反馈移动零件的实际位置，然后与CNC装置输出的命令位置进行比较，根据比较结果的差异控制伺服机构操作。闭环伺服系统使用DC伺服电动机或A

4、C伺服电动机作为驱动元件，根据位置测量元件的安装位置，分为半闭环和完全闭环两种形式。半闭环伺服系统通常将位置检测元件安装在电动机轴上(安装了通用电动机制造商)，以精确控制电动机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动机构将角度转换为工作台的直线位移。半闭环回路较短，不包括传动机构等惯性环，系统容易到达高位置增益，不发生振动现象。此外，速度快，动态精度高，传动机构的非线性因素对系统的影响小。因此被广泛采用。但是如果传动机构的误差太大或其误差不稳定，就很难补偿数控系统。传动机构扭转变形引起的弹性间隙与载荷力矩相关，无法补偿。由于制造和安装引起的重复位置误差以及环境温度和螺钉温度变化而引起的螺钉螺距误差也不能

5、补偿。因此，为了进一步提高精度，只能使用完全闭环控制方法。完全闭环方法直接从机床的运动零件获取位置的实际移动值，因此检测精度不受机械传动精度的影响。但是，由于闭环回路包含机械传动机构，该机构不仅取决于驱动部件的刚度、惯性，还取决于阻尼、油粘度、滑动面摩擦系数等因素，因此不能认为整个闭环方法可以降低对传动机构的要求。此外，由于这些因素对动态特性的影响随条件而变化，因此位置闭环控制的曹征和稳定性存在很多困难。这些困难会对跟随错误和轮廓加工错误产生不利影响，因为在调整闭环循环时必须减少位置增益。因此，使用完全闭环方法时，可以提高机器刚度，改善滑动面摩擦特性，减少传动间隙，从而提高位置增益。完全闭环方

6、法适用于高精度的大型数字控制机。4.2开环步进电动机驱动系统，开环伺服系统不设置位置检测反馈设备，不配置运动反馈控制回路，电机按照数控设备发射的命令脉冲运行，没有运动误差的检测反馈和处理校正过程。通常表示步进电动机开环进给伺服系统，如图4.1所示。图4.1步进电动机开环馈伺服系统结构，图4.1中的数字控制单元通过环形分配器和功率放大器发出驱动步进电动机的命令脉冲，每次执行每个命令脉冲时步进电动机转动一个角度，该角度称为步进电动机的步进角度。步进电机通过齿轮箱、滚珠丝杠驱动工作台运动，其运动的位移量与指令脉冲数成正比，运动速度与脉冲的频率成正比。4.2.1步进电动机1。步进电动机的特征步进电动机

7、是将电脉冲信号转换成相应角度位移的机电执行元件。给定电脉冲信号后，步进电动机会旋转固定角度，称为一步，因此称为步进电动机。其旋转角度由脉冲数控制，不需要反馈环，因此在经济型数字控制机器中得到了广泛应用。摘要步进电动机具有以下优点：(1)转子的各位移量和旋转速度由脉冲的数量和频率严格控制，有脉冲就去，没有脉冲就停止，旋转方向由供电顺序决定。(2)体积小，重量轻，价格低。(3)驱动简单，工作可靠，误差不长期积累。(4)准确度高，惯性小，易于调试。主要缺点有：(1)使用不当会导致“误报”或“误报”。(2)运行时有振动和噪音。(3)额定转速较低，最大频率通常不超过18kHz。2 .步进电动机分类(1)

8、反应步进电动机反应步进电动机的定子和转子由硅钢片或其他软材料制成，定子有励磁绕组，绕组数一般为2，3，4，5，6相，步进角度一般为0.363。反应式步进电动机的缺点是结构简单，价格便宜，步进小，磁铁电流大，惯性负载能力弱，容易“实报”和“振动”，停电后不保持转矩。产品系列代码为BF(例如，110BF02、110BF03、130BF5、150BF5、160BF5等)。2)永磁步进电动机永磁步进电动机的定子是用软磁材料制造的，定子有励磁绕组。转子由永磁制成，步幅角度一般为15，225，30，45等。永磁式步进电机控制功率小，节能，运行稳定，停电后保持转矩。但是步子角度太大了。产品线代码为BY。3)

9、混合步进电动机混合步进电动机也称为永磁反应步进电动机，其结构和性能方面具有反应步进电动机和永磁步进电动机的特点，即反应式步进电动机的步进角度小，工作频率高的特点。永磁式步进电机具有控制功率小、运行稳定、停电后保持转矩的特点。更适用于数控系统。但是其制造工艺复杂，成本高。产品线代码为BH。，3 .步进电机工作原理(1)反应步进电机工作原理如图4.2所示，定子有A、B、C三对磁极，各有A、B、C三相绕组，三对磁极在空间上徐璐交错。转子有20颗牙，没有绕组，每颗牙在空间上被18分开，在定子磁场中磁化，表示极性。如果a相磁极与转子齿对齐，B相磁极将与转子齿交错18/3=6，C相磁极将与转子齿交错218

10、/3=12。图4.2反应式步进电机外形图，步进电机在电磁吸力作用下产生位移。有某种相定子磁极的时候，该相定子磁极吸引转子，转子的牙齿与该相定子磁极的牙齿对齐，转子转动一个角度，下一个相定子开机的时候，转子又转动一个角度，每个阶段继续转动，转子继续转动。为了帮助理解(圣雄甘地、转子、转子、转子、转子)，以图4.3所示的反应式步进电动机为例，分析了旋转原理。此步进电动机转子齿数为4，齿距为90，A相极与转子齿对齐，B相极与转子齿交错90/3=30，C相极与转子齿交错290/3=60。图4.3反应式步进电机对各相定子绕组打开直流电源，如图4.3(a)所示。A相绕组通电后，形成以A-A为轴的磁场，将转

11、子的1，3个齿和精子的A-A极对齐，如图4.3(b)所示。当a相电源关闭，B相绕组通电时，转子在空间中逆时针旋转30度。b相电源关闭，C相绕组通电，转子在空间中逆时针旋转30度。按ABCA的顺序打开电源时，转子将继续逆时针旋转。按ACBA的顺序打开电源时，转子继续顺时针旋转。从一相电源转换到另一相电源，称为一拍。每节拍旋转一步，每一步旋转一个角度，称为步距角度。用表示。步进电动机电源有三种方法：(1)单发在上述各项的轮流通电过程中，一张接一张地通电，称为单拍。对于M相步进电动机，一个周期称为M拍，M相单M拍摄工作制。如上述情况，三相单三拍工作制。单脚作业制的稳定性不好，容易失去步调。(2)双镜

12、头使用双面打印器旋转电源。也就是说，每个位都有两相电源，称为双镜头。三相步进电动机的供电顺序由ABBC CA AB构成三相双三拍工作制。这种供电方式两个阶段同时开启，力矩大，位置精度高，每个节拍只改变一个阶段，另一个阶段锁定，不易失去步伐。(3)单双枪，单双面旋转电源。对于三相步进电动机，供电顺序为AABBBCCCAA，一个周期为6拍，一拍的2倍，三相6拍的工作制。在图4.3中，可以看到转子齿数为4的步进电机是3相3拍，3相6拍。在图4.2中，转子齿数为20的步进电机为3相3拍，3相6拍。定子极对数和转子齿数越多，步长角度越小。但是，由于控制器的复杂性和制造过程的限制，定子极日志和转子齿数可能

13、不多。通常使用3-5相、步长角度在0.363范围内的步进电动机。(2)永磁体步进电动机工作原理永磁体步进电动机如图4.4所示，定子有二相(或多相)绕组，转子是由两对(或多对)永磁体制成的磁极，转子磁极数等于各相定子绕组的磁极数。图4.4(b)显示了具有两对极点的绕组(AO，BO)，转子是两对永久磁极。如果定子绕组按AB-A-BA顺序旋转并通电，则转子顺时针旋转，步长角度为45。步长角度计算公式为表达式中的M是位数，P是转子极对数。图4.4永磁步进电动机外形规格，(A)外形规格(B)结构，(3)混合步进电动机工作原理混合步进电动机外形规格如图4.5所示。其定子结构与反应式步进电机基本相同，分为多

14、个磁极，磁极有定子绕组，磁极末端有小齿。转子由环形永磁体和两个铁芯组成，环形永磁体位于转子的中间，轴向充电磁铁，两个铁芯分别安装在永磁体的两端，转子铁芯就像反应式步进电机等小齿轮。但是两个转子铁芯的小徐璐交错了一半的距离，转子小牙齿的齿距一样。形状(B)结构图4.5混合步进电动机示意图(参见图4.6)，参见图4.6)两相混合步进电动机轮廓，定子8极，在空间中均匀分布，每相4极，各相邻极线圈相反方向；转子有10颗在空间中均匀分布的牙齿。定子绕组电源顺序为AABBAABBAA。定子绕组AA开机时，定子的1号，5号磁极为S极，3号，7号磁极为N极。李晟磁极徐璐吸引，N端转子的1，6与定子1，5号磁极

15、的对齐。同源性磁极排斥，N段转子的3，4齿与定子3号磁极的齿交错，8，9与定子7号磁极的齿交错。两个转子铁芯的齿交错徐璐半齿距，S端转子的3，8与定子3，7磁极的齿对齐。10，1齿与定子1号磁极的齿交错，5，6齿与定子5号磁极的齿交错。定子绕组BB开机时，定子2，6磁极为S极，4，8磁极为N极。n段转子的2，7齿与定子2，6磁极的齿对齐，剩下的每颗牙的对与错可以一次推出，转子顺时针旋转9，相位角度在公式中拍M，z是转子齿数。图4.6混合步进电动机剖面，4 .步进电动机的主要特征(1)步进角度步进电动机在每个步骤中旋转的角度称为步进角度。在数字控制机器中，通常根据传动比示例和系统脉冲当量的要求选

16、择步长角度。通常，使用1.5/0.75、1.2/0.6、3/1.5等。(2)步长误差。表示空载情况下理论步长角度和实际步长角度之间的差异。直接影响执行组合的定位精确度。一般为1025。(3)距离角度特性。定子一相绕组供电，转子无负载，转子的齿与转子接收的磁矩M=0的定子电源上的齿对齐。此位置称为步进电动机的初始平衡位置。此时，在电机轴上添加载荷力矩ML，如果转子在ML方向上旋转一个角度，转子将在电磁力矩M=ML的作用下达到新的平衡。角度称为不平衡角。如果将每两个齿之间的螺距角度设置为t，则扭矩m和偏移角度之间的关系如图4.7所示。描述扭矩M和不平衡角度之间的关系。这称为力矩性质。此特性的最大电

17、磁转矩Mmax称为最大静态转矩。在静态稳定区域内，移除附加扭矩后，转子可以因电磁扭矩而返回稳定平衡点位置。图4.7步进电动机的力矩特性，(4)力矩频率特性俯仰频率特性是输出转矩M和工作频率F之间的关系，如图4.8所示。步进电机的扭矩随工作频率的增加而减少。图4.5步进电动机的瞬时频率特性，(5)操作特性步进电动机通常作为连续脉冲运行，根据对操作性能的影响，脉冲频率可以分为三段。低频区域。步进电动机运行是连续的单级运动。每次交换时，转子必须来回振动多次，如图4.9(a)所示。在这种情况下，马达振动和噪音很强，但运行可靠。高频区域。此时，由于脉冲间隔短，在上一阶段尚未结束振动的情况下，下一脉冲已经到达，步进电机继续平稳旋转，如图4.9(b)所示，平稳运行。共振区。脉冲频率在低频和高频之间，接近马达本身的固有频率时，马达会产生强烈的震动，甚至“后退两步”左右摇晃，如果不能正常工作，就要避免这种情况。在实际使用中，步行器马达行走的步骤数少于节拍脉冲数或多于节拍脉冲数的现象称为“实报”现象。马达扭矩选取不合理，负载阻力矩太大，减速太快或在共振区工作时，可能会发生失步。振动和“实报”可能导致输送失败，必须避免。图4