数控技术课件5.ppt

1、,主要内容,伺服驱动模块的 教学设计 南京航空航天大学 游有鹏 Email： Tel内容分析,教学目标： 掌握步进电机及其驱动控制、直流伺服电机及其速度控制； 了解交流电机变频调速、矢量控制的原理； 了解位置伺服控制的原理与类型； 困惑： 内容庞杂，学生不容易理清思路。 措施： 抓住重点，不必面面俱到； 理解原理的基础上，重在面向应用的性能与特点分析。,主要内容,7.1 概述,闭环进给伺服系统组成,主要内容,7.1 概述,数控机床对进给伺服系统的要求？ 高精度（输出量能复现输入量的精确程度） 稳定性好（抗干扰能力） 响应速度快（系统跟踪精度） 电机调速范围宽（最高转

2、速和最低转速比） 低速大转矩（便于直接驱动） 可靠性高(对环境的适应性),主要内容,7.1 概述,伺服系统的分类: 按控制原理和有无检测反馈装置：开环、半闭环、闭环 按被控对象：进给驱动、主轴驱动； 按使用的执行元件：电液、电气伺服（步进、直流、交流、直线电机）； 按反馈比较控制方式分类：脉冲数字比较伺服系统，相位比较伺服系统 ，幅值比较伺服系统，全数字伺服系统,7.1 概述,开环数控系统,主要内容,7.1 概述,位置控制调节器,速度控制 调节与驱动,检测与反馈单元,位置控制单元,速度控制单元,+,+,-,-,电机,机械执行部件,CNC插补 指令,实际位置反馈,实际速度反馈,半闭环数控系统,7

3、.1 概述,主要内容,位置控制调节器,速度控制 调节与驱动,检测与反馈 单元,位置控制单元,速度控制单元,+,+,-,-,机械执行部件,CNC插补 指令,实际位置反馈,实际速度反馈,闭环数控系统,7.1 概述,伺服电机是速度和轨迹控制的执行元件。 数控机床中常用伺服电机？各自特点？ 直流伺服电机（良好的调速性能） 交流伺服电机（调速性能接近直流，成为目前数控应用的主流产品） 步进电机（适于中低速、轻载、负荷较稳定） 直线电机（高速、高精度）,主要内容,“步进电机及其驱动”的内容组织： 步进驱动的特点； 步进电机的原理； 主要性能参数； 驱动控制：环形分配器，功放电路。 教学方法：在掌握原理基础

4、上，注重围绕应用了解各型电机的特点、性能参数、功放电路。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,主要内容,步进电机是一种脉冲控制的执行元件，可将输入脉冲转换为机械角位移。每给步进电机输入一个脉冲，其转轴就转过一个角度，称为步距角。 脉冲数量-位移量； 脉冲频率-电机转速； 各相的通电顺序-方向。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,步进驱动的特点：,主要内容,7.2 步进电机及其驱动控制系统,优点：结构简单，价格便宜，工作可靠； 缺点： 容易失步（尤其在高速、大负载时），影响定位精度； 在低速时容易产生振动； 细分技术的应用，明显提高了定位精度，降低了低速振动。 应用：要求一般的开环伺服驱动系统，如

5、经济型数控机床的进给驱动。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,按电磁吸引原理工作（以反应式步进电机为例）,A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐,B,B,A,C,C,A,B 相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐,C 相通电，转子1、3齿和C 相轴线对齐,主要内容,7.2 步进电机及其驱动控制系统,步进电机的工作方式(通电顺序)可分为： 三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。,1）三相单三拍：,（1）三相绕组联接方式：Y 型,主要内容,AABBBCCCAA（逆时针） AACCBCBBAA（顺时针） 每步转过15，步距角是三相三拍工作方式的一半， 三相六拍的特点： 电机运转中始终有一相定子绕组通电

6、，运转比较平稳。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,通电顺序：,主要内容,7.2.2 步进电机的主要特性 电机选择的依据，重点内容！,每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,1步距角 控制精度,主要内容,2矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq,7.2 步进电机及其驱动控制系统,反映电机的带载能力。,3启动频率fq和启动时的惯频特性 起动特性,4运行矩频特性 运行特性,主要内容,7.2.3 步进电机的分类,1根据相数分类 三、四、五、六相等。相数越多，步距角越小。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,2根据产生力矩的原理分类 反应式、永磁式、混合式

7、各有何特点？,3根据绕组分布结构分类 轴向分相式（多段式）、径向分相式（单段式）,反应式：转子为径向均分小齿的硅钢片，由被激磁的 定子绕组产生反应力矩； 有较高的力矩转动惯量比，步进频率较高，频率响应快，结构简单； 但消耗功率大，断电时无定位转矩。 永磁式：转子为一对或多对极的星形磁钢； 断电时有定位转矩，消耗功率小； 步距角较大，启动和运行频率较低。 混合式：反应式和永磁式的结合； 兼有反应式和永磁式的优点：步距角小，启动和运行频效率高，消耗率功小，断时有定位转矩，不能自由转动； 但制造工艺较复杂。,主要内容,7.2.4 步进电机的环形分配器,7.2 步进电机及其驱动控制系统,步进电机的驱动

8、控制由环形分配器和功率放大器组成。,环形分配器,功率放大器,A,B,C,主要内容,7.2 步进电机及其驱动控制系统,方向控制信号,硬件环形分配器,主要内容,7.2 步进电机及其驱动控制系统,软件环形分配器,7.2 步进电机及其驱动控制系统,16进制,环形分配表：,7.2 步进电机及其驱动控制系统,用MCS-51单片机控制某机床x 坐标工作台运动,。,7.2.5 功率放大电路,步进脉冲须经过功率放大才能驱动步进电机。 电机绕组是电感，流经其中的电流不能突变，产生延时，影响电机性能；且截止时会产生很高的反相电动势，威胁功率器件的安全。 对驱动电路的要求： 能够提供快速升降的电流，电流波形尽量接近方

9、波； 截止期间，具有快速放电回路，降低相绕组两端的反相电动势，加快电流衰减； 功耗低，效率高。,功率放大驱动部件：以功率晶体管等开关器件为核心的功率放大电路。 单电压驱动电路 高低压驱动电路 可结合具体电路分析特点 斩波恒流驱动电路 细分驱动电路 功放电路中，都是使晶体功率管或场效应晶体管工作于开关状态，不仅提高效率，并可提高步进电机的工作频率、转矩，减少噪声。,驱动电路的类型,直流伺服电机内容分析,电机的结构与原理； 调速方案； PWM调速系统。 重点：PWM调速，是现代交、直流调速控制的基础,主要内容,7.3 直流伺服电机及其速度控制,根据磁场产生的方式：他励式、永磁式、并励式、串励式和复

10、励式。 在结构上：无刷、有刷（电枢式、无槽电枢式、印刷电枢式、绕线盘式和空心杯电枢式等。） 根据控制方式：磁场控制方式、电枢控制方式。,7.3.1 直流伺服电机分类,7.3 直流伺服电机及其速度控制,数控机床上常用的直流电机： 永磁式直流伺服电机进给驱动； 小惯性直流伺服电机快速运动的伺服系统； 大惯量宽调速直流电机直接驱动负载，过载能力强； 无刷直流伺服电机低噪音、高真空、无干扰伺服系统；,主要内容,组成：磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片 工作原理：直流电源接在两电刷间，电流通入电枢线圈，切割磁力线，产生电磁转矩。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,7.3.2 直流伺服电机的调速原理

11、与方法,（以他励式为例）,主要内容,7.3 直流伺服电机及其速度控制,（ 一定）,电枢回路电压平衡方程式,感应电势与转速关系,电磁转矩,7.3.2 直流伺服电机的调速原理与方法,原理图,等效图,转速公式：,三种调速方式: 调节电阻Ra 调节电枢电压Ua 调节磁通,7.3 直流伺服电机及其速度控制,转速公式：,机械特性,电枢电阻调速很少采用，缺点： 不经济：要得到低速，R很大，则消耗大量电能； 低速，特性很软，运转稳定性很差； 调节平滑性差，操作费力。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主要内容,调节电枢电压（调压调速）时，直流电机机械特性为一组平行线，只改变电机的理想转速n0 ，保持了原有较硬

12、的机械特性，所以调压调速主要用于伺服进给驱动系统电机的调速,如果n值较大，不可能实现宽范围的调速。永磁式直流伺服电机的n值较小，因此，进给系统常采用永磁式直流电机。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主要内容,调节磁通（调磁调速）不但改变了电机的理想转速，而且使直流电机机械特性变软，所以调磁调速主要用于机床主轴电机调速。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主要内容,为调节电机转速和方向，需对直流电压的大小和方向进行控制，如何控制？ 直流伺服电机速度控制单元的作用：将转速指令信号转换成电枢的电压值，达到速度调节的目的。 直流电机速度控制单元常采用的调速方法： 晶闸管（可控硅）调速系统适用于大功率

13、场合 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统,7.3 直流伺服电机及其速度控制,7.3.3 直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式,主要内容,PWM调速控制系统重点！ 原理：利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，加到直流电机的电枢上；通过调整控制方波脉冲宽度来改变电枢的平均电压，从而调节电机转速。 特点：控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。 广泛应用中、小功率直流伺服系统。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主要内容,直流电机电压的平均值:,T脉冲周期， Ton导通时间,7.3 直流伺服电机及其速度控制,脉宽调制（PWM）系统组成：,7.3 直流伺服电机及其速度控制

14、,电流环功用：转矩调节、过载保护、抗负载扰动； 速度环功用：速度无静差调节、抗电网电压扰动。,脉宽调制器 作用：将电压量转换成可由控制信号调节的矩形脉冲，为功率晶体管的基极提供一个宽度可由速度指令信号调节的脉宽电压。 组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放大器。 原理：以三角波发生器为例介绍。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,USr 速度指令转化过 来的直流电压 U- 三角波 USC- 脉宽调制器的输出（US r+U） 调制波形图,7.3 直流伺服电机及其速度控制,开关功率放大器的类型 结构形式：H型（桥式）、T型； 每种电路又有单极性工作方式和双极性工作方式； 各种不同的工作方

15、式又可组成可逆开关放大电路和 不可逆开关放大电路 。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主回路：可逆H型双极式PWM开关功率放大器 电路图: 4个大功率晶体管T1、T2、T3、T4及4个续流二极管组成桥式电路。 Ub1、Ub2、Ub3、Ub4为调制器输出的经脉冲分配、由基极驱动转换过来的脉冲电压。分别加到T1、T2、T3 、T4基极。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,US,A,B,D1,D2,D3,D4,M,T1,T2,T4,T3,Ud UAB,电机正转、反转、停止：由正、负驱动电压脉冲宽窄定。 当正脉冲较宽时，即t1T/2，平均电压为正，电机正转； 当正脉冲较窄时，即t1T/2 ，平均电压

16、为负，电机反转； 正负脉冲宽度相等，即t1=T/2 ，平均电压为零，电机停转。 电机速度的改变： 电枢平均电压UAB越大转速越高,UAB由驱动电压脉冲宽度决定,7.3 直流伺服电机及其速度控制,PWM功放的特点,元件工作在开关状态，效率高； 主电路简单，功率器件少； 低速性能好，调速范围宽 （闭环1:10001:10000）； 开关频率高，电机微振，有利于克服静摩擦； （开关频率尽可能高，系统频率10倍以上） 但是，电磁干扰大，常用于中、小功率 （数十千瓦）。,直流电机的改进无刷电机,直流电机缺点： 电刷和换向有磨损，有时会产生火花； 换向器由多种材料制成，制作工艺复杂； 电机最高速度受限制；

17、 结构复杂，成本较高， 所以在使用上受到一定的限制。 BLDC基于电子换向控制的直流无刷电机,直流无刷电机的结构与电子换向原理,交流伺服电机及其调速系统内容分析,电机结构、原理、类型； 交流主轴电机的变频调速； 交流伺服电机的矢量控制原理。 基本要求： 掌握交流变频调速、矢量控制的基本原理； 了解各型电机的性能特点，便于选用。 可适当拓展其应用方法，如接口、通讯等。,主要内容,交流伺服电机 克服了直流电机结构上的缺点，充分发挥了坚固耐用、经济可靠、动态响应好，输出功率大等优点。 随着交流伺服控制技术的发展，交流电机性能已接近直流伺服电机，并逐渐取代直流伺服电机。,7.4 交流伺服电机及其速度控

18、制系统,主要内容,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,交流伺服电机结构外形,7.4.1 交流伺服电机的分类与特点,主要内容,数控机床上应用的交流电机一般都为三相。 分：异步型、同步型交流伺服电机。 同步型交流电机分：电磁式、非电磁式两大类。 非电磁式同步型交流电机有：磁滞式、永磁式和反应式等。 数控机床进给驱动系统：多数采用永磁式交流同步电机 数控机床主轴驱动系统：采用异步交流伺服电机,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,交流伺服电机的分类：,1永磁式交流同步电机 结构：由定子、转子和检测元件组成,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,永磁式交流同步电机：工作原理和性能,nrns

19、60f1p ns同步转速 转子磁极的轴线与定子磁极的轴线夹角 nr转子旋转转速 f1交流电源频率（定子供电频率） p定子和转子的极对数,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,2交流主轴电机 感应电机原理 定子三相绕组通三相交流电，产生旋转磁场，磁场切割转子中的导体，导体感应电流与定子磁场相作用产生电磁转矩，推动转子转动，转速nr为,ns同步转速 f1交流电源频率（定子供电频率） s转差率，s=( nsnr)/ ns p极对数,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,nrns60f1p 同步电机 异步电机 只要改变交流伺服电机的供电频率f1 ，即可改变电机转速，所以交流伺服电机

20、调速应用最多的是变频调速。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,7.4.2 交流伺服电机的变频调速,恒压频变频调速,U1E14.444f1N1K1 m定子绕组电压平衡方程 当U1和f1为额定值时，m达到饱和状态，以额定值为界线，分为 基频以下调速恒压频调速 当m 处在饱和值不变时，降低f1，必须减小U1,保持m为常数，否则将使定子铁心处在过饱和供电状态，会烧坏电机； 在基频以下调速，保持m不变，即保持绕组电流不变，转矩不变，为恒转矩调速。 f1较低时， 需适当提高U1，以补偿定子绕组压降。 基频以上调速 在基频以上调速时，频率从额定值向上升高，受电机耐压的影响，相电压不能升高，只能保持额定电

21、流值；在电机定子内，因供电的频率升高，使感抗增加，相电流降低，使磁通m减小，因而输出转矩也减小，但因转速升高而使输出的功率保持不变，这时为恒功率调速。,恒压频变频调速,主要内容,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,交交变频用于大功率电机，晶闸管功放：,变频器分： 交交变频 交直交变频,主要内容,交直交变频中小功率电机，PWM功放：,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,数控机床常采用交直交变频调速。 SPWM（正弦波PWM）变频器是目前应用最广、最基本的一种交直交电压型变频器，在交流调速系统中获广泛应用。,主要内容,SPWM变压变频器 调制原理（以单相为例） 正弦脉宽调制（SPWM）波形:与

22、正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波。 等效原理：把正弦波分成n等分，每一区间面积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替。 正弦波的正负半周均如此处理。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,SPWM控制波的生成:正弦波三角波调制 Q：电压比较器 UR：由指令脉冲转换来的,正弦控制波。 U ：三角波发生器,电路原理示意图,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,整流器将三相工频交流电变成直流电 逆变器将直流电压逆变成三相交流电，驱动电机运行,主回路,三相SPWM控制电路框图,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,矢量控制(磁场

23、定向控制)是德国FBlasche于1971年提出的。 矢量控制：把交流电机模拟成直流电机,用对直流电机的控制方法控制交流电机。 矢量控制的目的：使交流电机变频调速后的机械特性和动态特性接近直流电机的性能。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,7.4.4 交流伺服电机的矢量控制,主要内容,1矢量控制的基本原理 基本思想： 利用“等效”概念，在矢量分析的基础上用数字方法将三相交流电机的定子电流（矢量）变换为等效的直流电机中彼此独立的励磁电流和电枢电流（解耦），建立交流电机的等效数学模型，然后模拟直流电机的控制方式，实现对电机的磁场和转矩的分别控制； 再通过相反的变换，将被控制的等效直流电机的励磁

24、电流和电枢电流合成，合成后的定子电流供给三相交流电机，从而实现了三相交流电机类似于直流电机的调速控制。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,2矢量控制的等效过程 （以转子磁场定向来讨论矢量控制的等效过程） 首先将三相交流电机变换成等效的二相交流电机， 然后再将二相交流电机变换成等效的直流电机。 等效变换的准则：变换前后必须产生同样的旋转磁场，即选择电机某一旋转磁场轴作为基准旋转坐标系，称为磁场定向，因此，矢量控制又称磁场定向控制。 交流电机的磁场定向轴的选择有三种：转子磁场定向、气隙磁场定向、定子磁场定向。 永磁同步电机的矢量控制属于转子磁场定向，旋转坐标系水平轴选在转子轴线上。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,（1）三相/二相变换 将三相交流电机变换为等效的二相交流电机以及与其相反的变换。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,（2）静止/旋转变换（二相/直流变换） 将二相交流电机变换为等效的直流电机。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,7.4 交流伺服电机及其