数控机床的伺服系统7

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,第,7,章 数控机床的伺服驱动系统,主要内容,7.1,概述,7.2,步进电机及其驱动控制系统,7.3,直流伺服电机及其速度控制,7.4,交流伺服电机及其速度控制系统,7.5,直线电机及其在数控机床中的应用简介,7.6,位置控制,步距角为0.72度的步进电动机直接带动滚珠丝杆上的工作台移动，已知滚珠丝杆转一圈时工作台水平移动10mm，要求实现工作台以0.5s移动40mm，确定所需脉冲数与运行频率,7.1 概述,伺服驱动系统的定义:,伺服驱动系统接收数控单元的,位移,/,速度,控制指令,驱动工作台/主轴按照控制指令的要求进行运动。,伺服驱动系统直接影响移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标，是数控机床的关键技术。,7.1 概述,伺服驱动系统的作用:,接受CNC装置发出的位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、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。,7.1 概述,一、数控机床对进给伺服系统的要求有：,1,高精度,（,输出量能复现输入量的精确程度）,2稳定性好,（,抗干扰能力）,3响应速度快,（,系统跟踪精度）,4电机调速范围宽,（,最高转速和最低转速比）,5低速大转矩,7可靠性高(,对环境的适应性,),7.1 概述,二、伺服系统的基本组成,比较控制环节,驱动控制单元,执行元件,反馈检测单元,机床,进给 指令,7.1 概述,三、伺服系统的分类,按控制原理和有无检测反馈装置：开环和闭环伺服系统；,按其用途和功能：,进给驱动系统,和主轴驱动系统；,按其驱动执行元件的动作原理：电液伺服驱动系统、电气伺服驱动系统（直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统及直线电机伺服系统）,7.1 概述,7.1 概述,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,速度检测,指令,速度环,位置环,步进电机工作原理,按电磁吸引原理工作（以反应式步进电机为例）,反应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有激磁绕组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合工作。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,定子,转子,定子绕组,7.2 步进电机及其驱动控制系统,A,B,定子,转子,I,A,I,B,I,C,两个相对的磁极组成,一相,。,注意：,这里的,“,相,”,和三相交流电中的,“,相,”,的概念不同。步进电机通的是电脉冲，主要是指线图的联接和组数的区别。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,B,A,C,C,B,A,3,4,1,2,A,相通电使转子1、3齿和,AA,对齐,B,A,C,C,B,A,3,4,1,2,B,B,A,C,C,A,B,相通电，转子2、4齿和,B,相轴线对齐,C,C,相通电，转子1、3齿和,C,相轴线对齐,3,4,1,2,A,B,C,1,3,2,4,A,B,C,1,3,2,4,A,7.2 步进电机及其驱动控制系统,三相单三拍的特点：,（1）每来一个电脉冲，转子转过 30,。,（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。,（3）每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失去自锁转矩，容易产生失步，只有一相绕组产生力矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,2)三相六拍工作方式,通电顺序为：,A,AB,B,BC,C,CA,A,六拍。,通电顺序,A,AB,B,BC,C,CA,A,（逆时针）,A,AC,C,BC,B,CA,A,（顺时针）,每步转过,15,，步距角是三相三拍工作方式的一半，,特点,：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比较平稳。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,3,)双三拍工作方式,定子绕组通电顺序为,AB,BC,CA,AB,（转子逆时针旋转）,AC,BC,CA,（转子顺时针旋转）,有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍旋转,30,。,特点,：始终有一相定子绕组通电，工作比较平稳。避免了单三拍通电方式的缺点,7.2 步进电机及其驱动控制系统,实际上步进电机,转子齿数很多,，齿数越多，步距角越小,7.2 步进电机及其驱动控制系统,为改善运行性能，,定子磁极上的齿,的齿距与转子的齿距相同，但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的1m（m电机相数）。,每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距的1m（如三相三拍）或12m（如三相六拍）达到新的平衡位置。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,齿距的1m（m电机相数）,360,0,/Z,转子40个齿，若通电为三相三拍，当转子齿与A相定子齿对齐时，转子齿与B相定子齿相差（3），与C相定子齿相差（6）。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。,7.2.2,步进电机的主要特性,1步距角,m,定子相数；,z,转子齿数；,k,通电系数，,m,相,m拍,，k,1,；,m,相2,m拍，k2,。,一般很小,，如：,3,1.5,，,1.5,0.75,，,0.72,0.36,等,7.2 步进电机及其驱动控制系统,静态：,步进电机处于通电状态，转子处在不动状态。,静态转矩,M,j,：,在电机轴上施加一个负载转矩,M,，转子会在载荷方向上转过一个角度,（,失调角）,，转子因而受到一个电磁转矩,M,j,的作用与负载平衡。,2,矩角特性、最大静态转矩,M,jmax,和启动转矩,M,q,7.2 步进电机及其驱动控制系统,矩角特性：,步进电机单相通电的静态转矩,M,j,随失调角,的变化曲线。,启动频率或突跳频率,f,q,：,空载时，步进电机由静止突然启动并进入不丢步的正常运行状态所允许的最高频率。,高于启动频率，将不能正常起动。,启动时的惯频特性：,是指电机带动纯惯性负载时启动频率和负载转动惯量之间的关系。,3,启动频率,f,q,和启动时的惯频特性,7.2 步进电机及其驱动控制系统,步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。,连续运行频率：,步进电机启动后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率。,其值远大于启动频率。,运行矩频特性：,是描述步进电机在连续运行时，输出转矩与连续运行频率之间的关系。,4,运行矩频特性,7.2 步进电机及其驱动控制系统,步进电机的,加减速特性,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变化频率与时间的关系。,当要求步进电机启动到大于启动频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；从最高工作频率或高于启动频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速、减速时间不能过小，否则会,失步或超步,。,5,加、减速特性,7.2 步进电机及其驱动控制系统,1,根据相数分类,有,三、四、五、六相,等，相数越多，步距角越小，,通电方式采用m相m拍、双m拍和m相2m拍，m相m拍和m相2m拍通电方式中，可采用一/二相、二三相转换通电，,如五相步进电机，五相十拍的二三相转换方式：ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB,7.2.3,步进电机的分类,7.2 步进电机及其驱动控制系统,根据定子与转子间磁场建立方式，可分：反应式、永磁反应式（混合式）两类。,反应式步进电机,：定子有多相磁极，其上有励磁绕组，转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行,永磁反应式步进电机,：定子结构与反应式相似，转子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁力矩实现步进运行。,2,根据产生力矩的原理分类,7.2 步进电机及其驱动控制系统,可将步进电机分两类：伺服步进电机,功率步进电机,伺服步进电机,（快速步进电机），输出力矩在几十数百,Nm,，只能带动小负载，加上液压扭矩放大器可驱动工作台。,功率步进电机,输出力矩在,5,50Nm,以上，能直接驱动工作台。,3,根据输出力矩的大小分类,7.2 步进电机及其驱动控制系统,7.2 步进电机及其驱动控制系统,4,根据结构分类,步进电机可制成,轴向分相式（多段式）,径向分相式（单段式）,步进电机的驱动控制由,环形分配器和功率放大器,组成。,环形分配器的主要功能：,将数控装置送来的一串指令脉冲，按步进电机所要求的通电顺序分配给步进电机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的通断，实现步进电机的运行及换向。,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,1,硬件环形分配器,可由,D,触发器或,JK,触发器构成，亦可用专用集成芯片或通用可编程逻辑器件。,CNC,装置,电源,环形,分配器,A相驱动,B相驱动,C相驱动,FULL/HALF,DIR,CLK,M,7.2 步进电机及其驱动控制系统,硬件环形分配驱动与数控装置的连接,CH250,是国产三相反应式步进电机环形分配器专用集成电路芯片，通过控制端的不同接法可组成三相双三拍和三相六拍的工作方式,7.2 步进电机及其驱动控制系统,三相六拍接线图:,2,软件环形分配器,由数控装置中的软件完成环形分配，直接驱动步进电机各绕组的通、断电。,用软件环形分配器只需编制不同的环形分配程序，可使线路简化，成本下降，可灵活地改变步进电机的控制方案。,CNC,装置,电源,A相驱动,B相驱动,C相驱动,C,B,A,M,7.2 步进电机及其驱动控制系统,7.2.5,功率放大电路,种类：,就其采用的功率放大器件分，有中功率晶体管、大功率晶体管、大功率达林顿晶体管、可控硅等；,就其工作原理分，有单电压驱动、高低电压驱动、,恒流斩波、调频调压、细分电路,等。,步进电机有几相，就需要几组功率放大电路。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,永磁式同步电机,：,优点：结构简单、运行可靠效率高；,缺点：体积大、启动特性欠佳。,与直流电机比：外形尺寸、重量、转子惯量大幅减小,与异步交流伺服电机相比：效率高、体积小。,7.4,交流伺服电机及其速度控制系统,异步型交流伺服电机与同容量的直流电机相比：,优点：重量轻，价格便宜；,缺点：转速受负载的变化影响较大，不能经济地实现范围较广的平滑调速，,故,异步型交流伺服电机用在主轴驱动系统中,。,7.4,交流伺服电机及其速度控制系统,V,S,V,S,脉冲编码器,转子,定子,接线盒,定子三相绕组,1,永磁式交流同步电机,结构：电机由定子、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,永磁式交流同步电机工作原理和性能,n,r,n,s,60,f,1,p,n,s,同步转速，,转子磁极的轴线与定子磁极的轴线夹角，,n,r,转子旋转转速，,f,1,交流电源频率（定子供电频率），,p,定子和转子的极对数,n,S,N,n,s,n,r,S,7.4,交流伺服电机及其速度控制系统,2,交流主轴电机,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,n,r,为,n,s,同步转速，,f,1,交流电源频率（定子供电频率）,s,转差率，,s=(n,s,n,r,)/n,s,，,p,极对数,7.4,交流伺服电机及其速度控制系统,7.4.3,交流伺服电机的变频调速,n,r,n,s,60,f,1,p,由上两式可见，只要改变交流伺服电机的供电频率,f,1,，即可改变电机转速，所以交流伺服电机调速应用最多的是,变频调速,。,变频调速的主要环节是：为交流电机提供变频电源的变频器。,变频器分：,交,交 变频,交,直,交 变频,7.4,交流伺服电机及其速度控制系统,交,交变频,：,利用可控硅整流器直接将工频交流电（频率,50Hz,）变成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输出负脉冲，脉动交流电的基波是所需的变频电压。,该方法所得的交流电波动比较大，且最大频率即为变频器输入的工频电压频率。,7.4,交流伺服电机及其速度控制系统,交,直,交变频：