数控_12(伺服1)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章,数控机床,的,的进给伺,服,服系统,6.1,概,述,6.1.1,伺服系统的组成,组成：伺,服,服电路、,伺,伺服驱动,装,装置、机,械,械传动机,构,构及执行,部,部件。,作用：接,受,受数控系,统,统发出的,进,进给速度,和,和位移指,令,令信号,由,由伺服驱,动,动电路作,一,一定的转,换,换和放大,后,后经伺,服,服驱动装,置,置,(,直流、交,流,流伺服电,机,机、电液,脉,脉冲马达,、,、功率步,进,进电机、,电,电液伺服,阀,阀,液压马达,等,等,),机械传动,机,机构驱,动,动机床的,工,工作台、,主,主轴头架,等,等执行部,件,件实现工,作,作进给和,快,快速运动,。,。,数控进给,伺,伺服系统,的,的性能，,取,取决于组,成,成它的伺,服,服驱动系,统,统与机械,传,传动机构,中,中各环节,的,的特性，,也,也取决于,系,系统中各,环,环节性能,参,参数的合,理,理匹配。,数控进给,伺,伺服系统,是,是一个位,置,置控制系,统,统。,6.1.2,数控机床,对,对伺服系,统,统的,要求,准确、可靠地执行指令,调速范围宽,-,10000：1以上，且稳定性好,带负载能力强,-,负载特性硬；足够大的加（减）速力矩,动态响应快,-,快速跟随指令脉冲，可频繁起、停、反向；,尽快消除负载扰动,误差无累积,位置精度高,返回,下一页,上一页,6.2,步进电动,机,机伺服系,统,统,CNC,步进电机,伺服驱动电路,工作台,结构简单,特点：适用于速度不高及精度较低场合,可采用细分驱动技术提高定位精度及低,速特性,6.2.1,步进电机,的,的结构及,工,工作原理,1.,定义,步进电机,亦,亦称脉冲,电,电机（控,制,制电机）,，,，是把电,脉,脉冲信号,转,转换为相,应,应的角位,移,移（或线,位,位移）的,电,电,机械装置,，,，是一种,输,输出与输,入,入的数字,脉,脉冲对应,的,的增量驱,动,动元件。,2.,分类,永磁式,按工作原,理,理分,反,反,应,应式,工作原理,不,不同，结,构,构不同,永磁感应,式,式,混合式,按励磁,相,相数分：,3,相、,4,相、,5,相、,6,相等,快速步进,电,电机,按功率,分,分：,功率步进,电,电机,3.,反应式,步进电机,的,的结构,步进电机,由,由转子和,定,定子两部,分,分组成,定子上有,绕,绕组分为,若,若干相，,每,每相磁极,上,上有极齿,。,。,左图为三,相,相定子：,AA,BB,CC,A、B、C,三相每相,两,两极，,每极上五,个,个齿,1)定,子,子,五个极齿,定子上线,圈,圈的绕法,下一页,上一页,返回,2),转,转子,转子上,有,有均匀,分,分布的,齿，没,有,有绕组,。,。,转子齿,间,间夹角,为,为9,o,左图为,一,一转子,示,示意图,：,：,下一页,上一页,返回,下一页,上一页,步进电,机,机,返回,步进电,机,机功率,驱,驱动器,下一页,上一页,返回,下一页,上一页,步进电,机,机功率,驱,驱动器,返回,5.,工作原,理,理,三拍通电激磁，步距角,s,=,=3,o,一般,s,=,m,绕组相数；,Z,转子齿数,。,六拍通电激磁，步距角,s,=1.5,o,下一页,上一页,返回,定子绕,组,组通断电,顺,顺序 转,子,子转向,定子绕,组,组通断电,转,转换频,率,率 转,子,子转速,定子绕,组,组通断电,次,次数 转,子,子转角,三相单三拍,A B C A （K=1）,三相双三拍,AB BC CA AB （K=1）,三相六拍,A AB B BC C CA A（K=2）,通断电,方,方式,下一页,上一页,6.,步进电机的主要特征,a.,步距误差不积累，转一圈后，步距误差为,0,步进电机有两个特点：,b.,转速与脉冲频率,f,成正比,1,）静态距角特征,定义：静态时（步进电机某相绕组通电时，转子处于不动状态），电磁转矩,T,与失调角,之间的关系，即,T,f(),当某相绕组通电时有，,转子无力矩输出，加一负载力矩,T,L,。,转子瞬时针转过一个角度,，当,T,T,L,时平衡。,（失调角）经大量的实验，步进电机绕组的矩角特性为正弦曲线。,静态距角特性的物理意义：,在静态下，转子受,T,L,作用,0,，但只要,时，当,T,L,撤除后，在电磁力矩的作用下，转子必然回到其稳态平衡点,0,。,一般，步进电机各相绕组的距角特性必须大致相同，否则会引起低频振动使精度下降。常采用调整相电流的方法，使距角特性大致相同。,2,）启动频率,定义：步进电机在带载状态下，能够不失步 启动的最高频率,f,st,。一般空载启动频率比带载高。,一般在,f,st,下的最大转矩称为启动转矩,T,q,，设计中,T,q,T,L,。,在步进电机产品说明书中给定了,T,max,，可以通过上表查出,T,q,，反过来核算其带载的能力。,从下图可以看出,s,减小两绕组距角特性之交点,T,q,增大。,0.866,0.866,0.951,0.809,0.707,0.707,0.866,0.5,T,q,/T,max,12,6,10,5,8,4,6,3,拍数,6,5,4,3,相数,反应式步进电机启动转矩,3）最,高,高工作,频,频率,步进电,机,机工作,频,频率连,续,续上升,时,时，电,动,动机不,失,失步运,行,行的最,高频率,称,称为最,高,高工作,频,频率。,它的值,也,也和负,载,载有关,。,。很显,然,然，在,同,同样负,载,载下，,最,最高工,作频率,远,远大于,己,己于启,动,动频率.,在连续,运,运行状,态,态下，,步,步进电,机,机的电,磁,磁力矩,随,随频率,的,的升高,而,而,急剧下,降,降，这,两,两者的,关,关系称,为,为矩频,特,特性.,4）矩,频,频特性,4),步距角,（,（,）,及步距,误,误差,步距角,是,是两个,相,相临脉,冲,冲时间,内,内转子,转,转过的,角,角度,一,一般来,说步距,角,角越小,控制,越,越精确,。,。,步距误,差,差直接,影,影响执,行,行部件,的,的定位,精,精度.,步进电,动,动机单,相,相通电,时,时,步,距,距误差,取,取决于,定,定子和,转,转子的,分,分齿,精度,和,和各相,定,定子错,位,位角度,的,的精度,。,。,多相通,电,电时,其,其不仅,与,与上述,因,因素有,关,关,还,和,和各相,电,电流大,小,小,磁,路性能,有,有关。,返回,下一页,上一页,（,2,）稳态,即步进电机的换相频率为恒定的情况，即换相频率较宽，是从,0,f,max,之间，在这个频率范围中分为三个区。,a.,低频区,即低于共振区间，在这个频率范围内，步进电机转子转一步的时间周期比换相周期短。转子每一步表现为衰减振动，最后稳定于平衡位置，转子从,0,增大到,a,max,启动，然后以衰减振动形成停在新的平衡位置；引起步进电机较大的振动从而影响精度。,b.,共振区,当换相频率接近转子共振频率或是共振频率整倍数的区域为共振,区。在该区域内产生较大的振动。,c.,高频区,即高于共振的频率区间，该区间步进电机工作正常，很少产生,振动。,7.,步进电机的基本工作状态,（,1,）静态,指步进电机某相（某,n,相）绕组中通以恒定的电流，转子处于固定的位置而不动的状态。静态时，绕组电流,i,max,故绕组有发热现象。,（,3,）过渡,态,态,指步进,电,电机从,一,一种工,作,作状态,进,进入另,一,一种工,作,作状态,。,。如，,从,从静止,到,到转动,、,、从转,动,动到静,止,止、从,正,正传到,反,反转等,。,。这些,状,状态转,变,变的过,渡,渡过程,为,为过渡,态,态。,a.,启动,电机频,率,率从,0,增大到,f,st,转子转,速,速从,0,增大到,n,st,当,f,st,高时，,指,指令中,止,止。,b.,制动,从稳步,状,状态,f,n,减小到,0,时，转,子,子从,n,n,减小到,0,，当,f,高时，,产,产生过,冲,冲制动,。,。采用,不,不断降,速,速后制,动,动。,c.,反转,从正到,反,反，从,反,反到正,。,。,8,计 算 式（另一种表达）,步距角：,例：,A B C,为三相三拍，,AB BC CA,双三拍,A AB B BC C CA,三相六拍,或：,例：一步进电机，,Z,r,40,，若按三相六拍运行，,s,？若电机输出轴带动导程,6mm,的驱动机构，,p,?,解：驱动模型为,根据式,6.2.2,步进伺服驱,动,动电路,下一页,上一页,用,3,个,D,触发 组成，初始状态从置复位端输入一个,A,、,B,、,C,状态分别为：,1.,环形脉冲分配器,（,1,）硬环分（以三相六拍为例）,C B A,通电状态“,1”,，断点“,0”,初始状态,0 0 1 A,第一脉冲,0 1 1 AB,实现了三相六拍,第二脉冲,0 1 0 B,正转的通电拍序,第三脉冲,1 1 0 BC,第四脉冲,1 0 0 C,第五脉冲,1 0 1 CA,第 六脉冲,0 0 1 A,目前硬环分已形成集成电路，按电路结构结构不同分为,TTL.CMOS,，国产的,YB,系列有,YB014YB015,及,YB016,均为,18,引脚直插式封装。例：,YB016,A,F,相：六相绕组输出端（输出低电平,0.4V,，输出高电平,2.4V,）。,：选通控制输出。控制分配器是否输出一定顺序的脉冲。,、：选通输出控制端，决定步进电机的旋转方向。,：正反转控制端，决定步进电机的旋转方向。,S,：出错报告输出。,CP,：时钟输出端，决定分配器输出脉冲的频率。,：清零，对分配器清零，以使正常工作,A,0,、,A,1,：励磁控制，确定通电方式。,例：,A0,A1,0 0,单六拍,(A B C D E F ),0 1,三二相十二拍,(ABC BC BCD CD,AB FAB FA EFA EF DEF DE CDE),1 0,三相六拍,(ABC BCD CDE DEF EFA FABT ),1 1,三四相十二拍,(ABC ABCD BCD BCDE CDE CDEF DEF,FABC FAB EFAB EFA DEFA ),（,2,）软还分,上述硬环分的逻辑功能用软件可以模拟实现，按三相六拍的通电顺序，依次向步进电机绕组输入“,0”,或“,1”,两种状态。硬件电路如下：,设,8255n,地止为：,OFFF8HOFFFEH,依次从,PB,0,PB,2,输入,01H 03H 02H 06H 04H 05H 01H,即可实现与硬环分同样的效果。,MOV AL,80H,MOV DX,OFFFEH,OUT DX,AL,；,8255,初始 ，,A,、,B,、,Cn,均为输出方式,MOV CL,06,；,L,1,:MOV SI,3800H,；数据指针,L,2,:MOV AL,SI,；从数据表中取数,MOV DX,OFFFAH,OUT DX,AL,；从,Bn,端口输出数据,CALL DELAY,；调 延时子程序,INC SI,DEC CL,JNZ L,2,JMP L,1,DELAY:CALL 20MS,；调用,20ms,子程序,RET,2,步进电机驱,动,动电源,（,1,）,对驱动电,源,源的要求,实际上，步,进,进电机是感性负载，绕组中电,流,流不能突变，而是按,指数规律上升或下降,从而使整个,通,通电周期内,，,，绕组电流平均值下降，电机输出转矩下,降,降。,理想驱动电源使,电,电机绕组电流,尽量接近矩形波。,而当电机运行频率很,高,高时，电流峰,值,值,显著小于额,定,定励磁电流，,从,从而导致电,机,机,转矩进一步,下,下降，严重,时,时不能启动,。,。,下一页,上一页,上升时电流,时,时间常数,T,i,=L/R,L,步进电机绕,组,组平均电感,量,量,R,通电回路电,阻,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,时间常数,T,d,=L/R,D,R,D,放大回路电,阻,阻,为了提高步,进,进电机