数控机床技术数控伺服系统.pptx
16.1 6.1 概述概述6.1.1伺服系统的组成p数控机床的伺服系统按其功能可分为：进给伺服系统和主轴伺服系统。p主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动。p进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。第1页/共109页26.1.16.1.1伺服系统的组成伺服系统的组成p进给伺服系统的作用：接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，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。p如果把数控装置比作数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，那么伺服系统就是数控机床的“四肢”，是执行“命令”的机构，它是一个不折不扣的跟随者。第2页/共109页36.1.16.1.1伺服系统的组成伺服系统的组成p进给伺服系统的一般结构如图所示，这是一个双闭环结构，内环为速度环，外环为位置环。全闭环进给伺服系统的一般结构第3页/共109页46.1.16.1.1伺服系统的组成伺服系统的组成p速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。是用来控制电机转速的。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。p位置环是由CNC装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。p伺服系统从外部来看，是一个以位置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控制系统。但从内部的实际工作来看，它是一个双闭环系统。第4页/共109页56.1.26.1.2 对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求（1）位移精度高p伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差愈小，位移精度愈高。第5页/共109页66.1.26.1.2 对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求（2）稳定性好p稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。稳定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。第6页/共109页76.1.26.1.2 对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求（3）快速响应p它反映了伺服系统跟踪精度。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置随动系统，为保证轮廓切削形状精度和低的表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，跟随误差小。第7页/共109页86.1.26.1.2 对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求（4）调速范围宽p调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。在数控机床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。第8页/共109页96.1.26.1.2 对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求（5）低速大扭矩p要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，伺服系统在低速时要求有大的扭矩输出。第9页/共109页106.1.26.1.2 对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求（6）可逆运行p要求能灵活地正反向运行。在加工过程中，机床工作台处于随机状态，根据加工轨迹的要求，随时都可能实现正向或反向运动。同时要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动的损失。从能量角度看，应该实现能量的可逆转换，在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能回馈给电网。第10页/共109页116.1.36.1.3 伺服系统的分类伺服系统的分类（1）按调节理论分类全闭环伺服系统；开环伺服系统；半闭环伺服系统。（2）按使用的执行元件分类电液伺服系统；直流伺服系统；交流伺服系统。第11页/共109页126.1.36.1.3 伺服系统的分类伺服系统的分类（3）按被控对象分类进给伺服系统；主轴伺服系统。（4）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。第12页/共109页136.1.36.1.3 伺服系统的分类伺服系统的分类p开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，它没有位置反馈回路和速度反馈回路，步进电机转过的角度与指令脉冲个数成正比，其速度由进给脉冲的频率决定。开环伺服系统简图第13页/共109页146.1.36.1.3 伺服系统的分类伺服系统的分类p全闭环伺服系统如图，其位置检测装置安装在机床的工作台上，将测量值反馈给CNC装置，与指令进行比较，构成闭环位置控制。第14页/共109页156.1.36.1.3 伺服系统的分类伺服系统的分类p半闭环伺服系统将位置检测元件安装在电动机轴上，通过滚珠丝杠等传动部件，将角度转换成工作台的位移，为间接测量。第15页/共109页166.1.36.1.3 伺服系统的分类伺服系统的分类p进给驱动与主轴驱动进给伺服系统包括速度控制环和位置控制环，用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需转矩。主轴伺服系统是一个速度控制系统，控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力，且保证任意转速的调节。第16页/共109页176.1.36.1.3 伺服系统的分类伺服系统的分类p直流伺服系统是控制直流电机的系统。目前使用比较多的是永磁式直流伺服电机。永磁直流伺服电机，调速范围宽，输出转矩大，过载能力强，转动惯量较大，应用较方便。但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格也高。第17页/共109页186.1.36.1.3 伺服系统的分类伺服系统的分类p交流伺服系统进入20世纪90年代后，由于交流电机调速技术的突破，交流伺服驱动系统进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服电机，转子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修，制造简单，适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速度方向发展，其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统，交流伺服电机已在数控机床中得到广泛应用。第18页/共109页196.1.36.1.3 伺服系统的分类伺服系统的分类p直线电动机驱动系统其实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的一种推力装置。与旋转电动机的最大区别是使机床进给传动链的长度缩短为零，带来了旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和优点。由于直线电动机在机床中的应用目前还处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。第19页/共109页206.1.46.1.4 伺服系统的发展伺服系统的发展q伺服机构的产生早于数控机床。早在20世纪40年代，伺服机构已在技术领域内取得较大的进展，当时主要用于武器系统的位置随动，一般只要求稳、准、快，对调速要求不高，所以只有位置反馈。p到50年代，伺服机构开始用于数控机床。当时主要采用步进电动机驱动，由于受大功率晶体管生产条件的制约，步进电动机输出功率小，切削量很小，效率较低，只用于复杂形面的加工。第20页/共109页216.1.46.1.4 伺服系统的发展伺服系统的发展q1959年，日本FANUNC公司开发研制了电液脉冲马达，使伺服驱动力矩大大提高，扩展了数控机床的应用。60年代几乎是电液伺服的全盛时期。p由于液压机构的噪声、漏油、效率低、维护不便等本质上的缺点，不少厂家都致力于电动伺服的研制。如德国SIMENS公司、美国GE公司等力图研制一种高灵敏度的直流伺服电动机。第21页/共109页226.1.46.1.4 伺服系统的发展伺服系统的发展q1969年美国CETTYS公司推出了大惯量直流伺服电动机。与机床传动机构达到惯量匹配，可直接与丝杠相连。同时，能瞬时输出数倍于额定扭矩的加速扭矩，使得动态响应大大加快。p日本FANUC公司，于1974年，采用PWM晶体管脉宽调制系统作为其驱动控制电源，于1976年正式推出以大惯量电动机为基础的闭环直流伺服系统，并结束了它自己开创的电液开环伺服系统。第22页/共109页236.1.46.1.4 伺服系统的发展伺服系统的发展由于直流电动机存在换向火花和电刷磨损等问题，美国通用电气(GE)公司于1983年研制成功采用笼型异步交流伺服电动机的交流伺服系统。采用矢量变换控制变频调速，使交流电动机具有和直流电动机样的控制性能，又具有机构简单、可靠性高、成本低，以及电动机容量不受限制和机械惯性小等优点。p日本于1986年又推出了全数字交流伺服系统。第23页/共109页246.2 6.2 伺服电动机伺服电动机p伺服电动机是数控伺服系统的重要组成部分，是速度和轨迹控制的执行元件。p数控机床中常用的伺服电机：直流伺服电机（调速性能良好）交流伺服电机（主要使用的电机）步进电机（适于轻载、负荷变动不大）直线电机（高速、高精度）第24页/共109页25 6.2.1 6.2.1 直流伺服电机及工作特性直流伺服电机及工作特性 p数控机床常用的直流电动机有：直流进给伺服系统：永磁式直流电机；直流主轴伺服系统：励磁式直流电机；直流伺服驱动系统的一般结构第25页/共109页26 6.2.1 6.2.1 直流伺服电机及工作特性直流伺服电机及工作特性 (1)直流伺服电机的结构第26页/共109页27 6.2.1 6.2.1 直流伺服电机及工作特性直流伺服电机及工作特性 (2)直流电机的工作原理他激直流电动机原理图第27页/共109页28 6.2.1 6.2.1 直流伺服电机及工作特性直流伺服电机及工作特性 (2)直流电机的工作原理电磁转矩：M=kTIa,(kT转矩系数；Ia电枢电流)反电动势：Ea=ken,(ke电势系数；n电枢转速)Ea=ke60/2，（：电枢转速，rad/s）电枢电压等于反电动势与电枢压降之和，即 Ua=Ea+IaRa=ken+IaRa,(Ra电枢电阻)电压平衡方程式：n=(Ua-IaRa)/ke 调整：Ua，ke可以调整直流电机速度。调整Rt可以调整磁场进而可以调整ke。第28页/共109页29 6.2.1 6.2.1 直流伺服电机及工作特性直流伺服电机及工作特性 (3)直流电机的静态特性电磁转矩：TM=kTIa,：定子磁场磁通；反电动势：Ea=ke,电压平衡方程：Ua=IaRa+Ea,转速方程或机械特性，即静态特性：第29页/共109页30 6.2.1 6.2.1 直流伺服电机及工作特性直流伺服电机及工作特性 直流电动机的机械特性第30页/共109页31 6.2.1 6.2.1 直流伺服电机及工作特性直流伺服电机及工作特性 (3)直流电机的静态特性稳定运行时，电磁转矩与负载转矩相等；负载转矩TL=0时，电磁转矩也为零：TM=0；理想空载转速：启动转矩：Tq=kTUa/Ra；堵转转矩；机械特性：第31页/共109页32 6.2.1 6.2.1 直流伺服电机及工作特性直流伺服电机及工作特性 (4)直流电机的动态特性力矩平衡方程 式中 TM 电机电磁转矩；TL 折算到电机轴上的负载转矩；电机转子角速度；J 电机转子上总转动惯量；t 时间自变量。第32页/共109页33 6.2.1 6.2.1 直流伺服电机及工作特性直流伺服电机及工作特性 (5)永磁直流伺服电动机永磁式大惯量宽调速直流电动机的基本结构第33页/共109页34 6.2.1 6.2.1 直流伺服电机及工作特性直流伺服电机及工作特性 (5)永磁直流伺服电动机永磁式直流电动机工作原理示意图第34页/共109页356.2.2 6.2.2 交流伺服电机及工作特性交流伺服电机及工作特性p直流伺服电机的缺点：电刷和换向器易磨损；电机最高转速的限制，应用环境的限制；结构复杂，制造困难，成本高。p交流伺服电机的优点：转速高、动态响应好、输出功率大；p交流伺服电机形式：同步型交流伺服电机；异步型交流感应伺服电机。第35页/共109页366.2.2 6.2.2 交流伺服电机及工作特性交流伺服电机及工作特性（1）永磁交流同步伺服电机永磁交流同步伺服电机结构1定子；2转子；3脉冲编码器；4定子三相绕组；5接线盒第36页/共109页376.2.2 6.2.2 交流伺服电机及工作特性交流伺服电机及工作特性（1）永磁交流同步伺服电机旋转磁场转速与转子转速同步：n0=nr=60 f/p f：交流电源频率；p：转子磁级对数永磁交流同步伺服电机的工作原理图第37页/共109页386.2.2 6.2.2 交流伺服电机及工作特性交流伺服电机及工作特性（1）永磁交流同步伺服电机永磁交流同步伺服电机的特性曲线第38页/共109页396.2.2 6.2.2 交流伺服电机及工作特性交流伺服电机及工作特性（2）交流主轴伺服电机交流主轴伺服电机与普通交流异步感应电机的比较示意图第39页/共109页406.2.2 6.2.2 交流伺服电机及工作特性交流伺服电机及工作特性p交流主轴电机的要求：大功率、鼠笼式交流异步伺服电机；低速恒转矩、高速恒功率。交流主轴伺服电机的特性曲线第40页/共109页416.2.2 6.2.2 交流伺服电机及工作特性交流伺服电机及工作特性（3）交流伺服电机的发展永磁交流同步伺服电机的发展 新永磁材料的应用，钕铁硼，可以缩小电动机体积；永久磁铁的结构改进，内装永磁交流同步伺服电机，与外装永磁电机相比，结构更牢固，允许在更高的转速下运行。与机床部件一体化的电机 空心轴永磁交流同步伺服电机第41页/共109页426.2.2 6.2.2 交流伺服电机及工作特性交流伺服电机及工作特性（3）交流伺服电机的发展交流主轴伺服电机的发展 输出转换型交流主轴电机；三角-星形切换，绕组数切换或二者组合切 换。液体冷却电机；内装式主轴电机 高速电主轴。第42页/共109页436.2.3 6.2.3 步进电机及其工作特性步进电机及其工作特性（1）步进电机工作原理步进电机伺服系统是典型的开环控制系统。步进电机是受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序来决定。系统没有反馈检测环节。第43页/共109页446.2.3 6.2.3 步进电机及其工作特性步进电机及其工作特性（1）步进电机工作原理三相反应式步进电机结构第44页/共109页456.2.3 6.2.3 步进电机及其工作特性步进电机及其工作特性（1）步进电机工作原理反应式步进电机的结构原理图第45页/共109页466.2.3 6.2.3 步进电机及其工作特性步进电机及其工作特性p三相单三拍工作方式设转子上有四个齿，相邻两齿间夹角为900。A相通电时，转子1、3齿被磁极A吸引对齐；接着B相通电，A相断电，磁极B吸引2、4齿对齐，使转子按逆时针方向转动300；然后C相通电，B相断电，磁极C吸引1、3齿对齐,转子又逆时针旋转30o；依此类推，定子按ABCA顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步转30o。第46页/共109页476.2.3 6.2.3 步进电机及其工作特性步进电机及其工作特性p三相单三拍工作方式若改变通电顺序，按ACBA使定子绕组通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转30o。这种控制方式，每次只有一相绕组通电，在切换瞬间将失去自锁转矩，容易失步。另外，只有一相绕组通电，易在平衡位置附近产生振荡，稳定性不佳，故不能实际应用。第47页/共109页486.2.3 6.2.3 步进电机及其工作特性步进电机及其工作特性p三相双三拍工作方式 通电顺序按ABBCCAAB（逆时针方向）或ACCBBAAC（顺时针方向）进行，其步距角仍为300。由于双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作比较稳定。第48页/共109页496.2.3 6.2.3 步进电机及其工作特性步进电机及其工作特性p三相六拍工作方式通电顺序按AABBBCCCAA顺序通电，每切换一次，步进电机逆时针转过15；如通电顺序改为AACCCBBBAA，则步进电机以步距角15顺时针旋转。种控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且转换过程中始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此被大量采用。第49页/共109页506.2.3 6.2.3 步进电机及其工作特性步进电机及其工作特性（2）步进电机的主要性能指标步距角：和步进电机的相数m、通电方式K 及电机转子齿数z 的关系如下：单拍时K=1，双拍时K=2。步距角：应是圆周360的等分值。但实际的值和理论值有误差。在一转内的最大步距误差通常在10左右。同一相数的步进电机可有两种步距角，通常为1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。第50页/共109页516.2.3 6.2.3 步进电机及其工作特性步进电机及其工作特性（2）步进电机的主要性能指标矩角特性当步进电机某相定子绕组通电之后，转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动，0，图（a）；如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz，转子会向负载转矩方向转过一个失调角；有失调角后，步进电机就产生一个静态转矩，也称为电磁转矩Mj，与负载转矩平衡；负载转矩有正负，也有正负，图(b)、(c)。第51页/共109页526.2.3 6.2.3 步进电机及其工作特性步进电机及其工作特性步进电机的失调角第52页/共109页536.2.3 6.2.3 步进电机及其工作特性步进电机及其工作特性p静态转矩Mj与失调角的关系叫矩角特性，近似为正弦曲线。三相单三拍步进电机的矩角特性第53页/共109页546.2.3 6.2.3 步进电机及其工作特性步进电机及其工作特性当转子齿中心线对准定子槽中心线(=)，定子上相邻两齿对转子上该齿具有大小相同、方向相反的拉力，故该位置亦可视为一个稳定位置，此时的电磁转矩等于零。不难想像，由0变化到+或时均有最大值出现。矩角特性上的静态转矩Mj的最大值称为最大静转矩Mjmax。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置,0。第54页/共109页556.2.3 6.2.3 步进电机及其工作特性步进电机及其工作特性静态转矩Mjmax 表示步进电机承受负载的能力。Mjmax愈大，自锁力矩愈大，静态误差愈小，带负载的能力愈强，运行的快速性和稳定性愈好。静态转矩和控制电流的平方成正比，但当电流上升到磁路饱和时，Mjmax=f(I)曲线上升平缓。第55页/共109页566.2.3 6.2.3 步进电机及其工作特性步进电机及其工作特性最大启动转矩Me 图中的A、B分别是相邻A相和B相的静态矩角特性曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电机的最大启动转矩。如如果果外外加加负负载载转转矩矩Mf小小于于Mq，电电机机才才能能正正常常启启动动。否否则则，丢丢步步，不不能能正正常常启启动动。启启动动转转矩矩是是电电机机能能带带动动负载转动的极限转矩。负载转动的极限转矩。第56页/共109页576.2.3 6.2.3 步进电机及其工作特性步进电机及其工作特性启动频率fg空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正常运行的最高频率。p步进电机在带负载下的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大，启动频率会进一步降低。连续运行频率fmax步进电机起动后，其运行速度能根据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，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。第57页/共109页586.2.3 6.2.3 步进电机及其工作特性步进电机及其工作特性惯频特性步进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。矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系。惯频特性与矩频特性第58页/共109页596.2.3 6.2.3 步进电机及其工作特性步进电机及其工作特性惯频特性，随着负载惯量的增加，启动频率会下降。如果既有惯性负载又有转矩负载，则启动频率将进步下降。矩频特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。当步进电机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。第59页/共109页606.2.3 6.2.3 步进电机及其工作特性步进电机及其工作特性（3）步进电机功率驱动步进电机驱动线路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号。驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成。环形分配器是用于控制步进电机的通电方式的，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上，控制各相绕组的通电、断电。第60页/共109页616.2.3 6.2.3 步进电机及其工作特性步进电机及其工作特性硬件实现的三相六拍环形分配器原理第61页/共109页626.2.3 6.2.3 步进电机及其工作特性步进电机及其工作特性软件实现的三相六拍环形分配器真值表第62页/共109页636.2.3 6.2.3 步进电机及其工作特性步进电机及其工作特性功率放大器的作用是将环形分配器发出的电平信号放大至几安培到几十安培的电流送至步进电机各绕组，每一绕组分别有一组功率放大电路。单电压驱动电路原理图第63页/共109页646.2.3 6.2.3 步进电机及其工作特性步进电机及其工作特性恒流斩波驱动电路原理图第64页/共109页656.2.3 6.2.3 步进电机及其工作特性步进电机及其工作特性（4）开环控制步进式伺服系统的工作原理工作台位移量的控制数控装置发出N个脉冲，经驱动线路放大后，使步进电机定子绕组通电状态变化N次，如果一个脉冲使步进电机转过的角度为，则步进电机转过的角位移量N，再经减速齿轮、丝杠、螺母之后转变为工作台的直线位移量L。第65页/共109页666.2.3 6.2.3 步进电机及其工作特性步进电机及其工作特性工作台进给速度的控制数控装置发出的进给脉冲频率为f，经驱动控制线路，控制步进电机定子绕组的通电、断电状态的电平信号变化频率，决定步进电机的转速，经过减速齿轮及丝杠、螺母之后，体现为工作台的进给速度V。工作台运动方向的控制改变步进电机输入脉冲信号的循环顺序方向，就可改变定子绕组中电流的通断循环顺序，从而使步进电机实现正转和反转，即改变工作台进给方向。第66页/共109页676.3 6.3 速度控制速度控制p概述：速度控制系统由速度控制单元、伺服电机和速度检测装置组成。分为主运动和进给运动。p进给运动：与主运动相比功率较小；能够保证轨迹、尺寸和形位的精度；不但有速度控制，还有位置控制；在整个速度范围内，保持恒转矩。第67页/共109页686.3 6.3 速度控制速度控制p速度控制：主要的调速有机械、液压和电气方法，电气调速最有利于实现自动化。p主轴运动：无级调速及以下的控制功能:主轴与进给驱动的同步控制；高速恒功率、低速恒转矩特性;准停控制；分度控制；恒线速度控制。第68页/共109页696.3.1 6.3.1 直流进给运动的速度控制直流进给运动的速度控制(1)直流伺服电机的调速原理改变电枢电压Ua:由于绕组绝缘耐压的限制，只能在额定转速以下进行，属于恒转矩调速；改变气隙磁通量：调激磁电流即可改。在Ua恒定情况下，磁场接近饱和，故只能弱磁调速，在额定转速以上进行。属于恒功率调速。第69页/共109页706.3.1 6.3.1 直流进给运动的速度控制直流进给运动的速度控制(2)直流速度控制单元调速控制方式可控硅调速；晶体管脉宽调制PWM调速。p晶闸管SCR调速系统的组成可控硅直流调速单元结构框图第70页/共109页716.3.1 6.3.1 直流进给运动的速度控制直流进给运动的速度控制速度环速度调节（PI），作用：好的静态、动态特性；电流环电流调节(P或PI)。作用：加快响应、启动、低频稳定等；触发脉冲发生器产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移；主回路可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。第71页/共109页726.3.1 6.3.1 直流进给运动的速度控制直流进给运动的速度控制p主回路工作原理：由大功率晶闸管构成的三相全控桥式反并接可逆电路,分别实现正反转。三相桥式反并联整流电路第72页/共109页736.3.1 6.3.1 直流进给运动的速度控制直流进给运动的速度控制三相整流器，由二个半波整流电路组成；共阴极组1、3、5在正半周导通，共阳极组2、4、6在负半周导通；每组内触发脉冲相位相差120，每相内二个触发脉冲相差180。按管号排列，触发脉冲的顺序：1-2-3-4-5-6，相邻之间相位差60。采用双脉冲控制，以保证合闸后两个串联可控硅能同时导通，或已截止的相再次导通。既每个触发脉冲在导通60后，在补发一个辅助脉冲。第73页/共109页746.3.1 6.3.1 直流进给运动的速度控制直流进给运动的速度控制p移相触发电路及波形移相触发电路原理图1同步电路；2移相控制电路；3-脉冲分配器；4由F变换出直流控制电压(电流调节器的输出)第74页/共109页756.3.1 6.3.1 直流进给运动的速度控制直流进给运动的速度控制移相触发电路波形图第75页/共109页766.3.1 6.3.1 直流进给运动的速度控制直流进给运动的速度控制p晶体管脉宽调制调速系统脉宽调制系统组成原理图第76页/共109页776.3.1 6.3.1 直流进给运动的速度控制直流进给运动的速度控制p晶体管脉宽调制调速系统控制电路H型双极性开关功率放大器电路第77页/共109页786.3.1 6.3.1 直流进给运动的速度控制直流进给运动的速度控制p晶体管脉宽调制调速系统控制电路脉宽调制器原理图第78页/共109页796.3.1 6.3.1 直流进给运动的速度控制直流进给运动的速度控制p晶体管脉宽调制调速系统控制电路三角波脉冲宽度调制器工作波形图第79页/共109页806.3.2 6.3.2 直流主轴驱动的速度控制直流主轴驱动的速度控制（1）直流主轴电机结构特点及性能p数控机床对主轴电机要求有很大的输出功率，在结构上为他激式。直流主轴电机也是由定子和转子两大部分组成。转子由电枢绕组和换向器组成。而定子由主磁极和换向极组成。有的主轴电机在主磁极上不但有主磁极绕组，还带有补偿绕组。p恒转矩速度范围与恒功率速度范围之比为1:2。第80页/共109页816.3.2 6.3.2 直流主轴驱动的速度控制直流主轴驱动的速度控制（2）直流主轴速度控制单元p主轴伺服系统一般没有位置控制，它只是一个速度控制系统。由速度环和电流环构成的双环速度控制系统，用控制主轴电机的电枢电压来进行恒转矩调速。控制系统的主回路采用反并联可逆整流电路，因为主轴电机的容量较大，所以主回路的功率开关元件大都采用晶闸管元件，主轴直流电机调速还包括恒功率调速，由框图上半部分的激磁控制回路完成。第81页/共109页826.3.2 6.3.2 直流主轴驱动的速度控制直流主轴驱动的速度控制三相整流器，第82页/共109页836.3.3 6.3.3 交流进给运动的速度控制交流进给运动的速度控制（1）数控机床用交流电机p在交流伺服系统中，按电机种类可分为同步型和异步型（感应电机）两种。p数控机床进给伺服系统中多采用永磁同步交流电动机，同步电机的转速是由供电频率所决定的，即在电源电压和频率固定不变时，它的转速是稳定不变的。由变频电源供电给同步电机时，能方便地获得与频率成正比的可变速度，可以得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。第83页/共109页846.3.3 6.3.3 交流进给运动的速度控制交流进给运动的速度控制（1）数控机床用交流电机p交流主轴电机多采用交流异步电机，很少采用永磁同步电机。主要因为永磁同步电机的容量做得不够大，且电机成本较高。另外主轴驱动系统不像进给系统那样要求很高的性能，调速范围也不要太大。因此，采用异步电机完全可以满足数控机床主轴的要求，笼型异步电机多用在主轴驱动系统中。第84页/共109页856.3.3 6.3.3 交流进给运动的速度控制交流进给运动的速度控制（2）交流伺服电机的调速方法p对于主轴运动,经常采用交流异步电机,据电机学知，交流异步电机的转速表达式为：式中，f1定子电源频率（Hz）；p磁极对数；s转差率。第85页/共109页866.3.3 6.3.3 交流进给运动的速度控制交流进给运动的速度控制p由前述公式可知，异步电机的调速方法，以变频调速最佳。变频调速是从高速到低速都可以保持有限的转差率，故它具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。p对于进给运动经常采用交流同步电机，这种电机没有转差率，变频调速也是交流同步伺服电机有效的调速方法。S=0。n=60f1/p第86页/共109页876.3.3 6.3.3 交流进给运动的速度控制交流进给运动的速度控制p由上述分析可知改变频率f1，可平滑调节同步转速。但在实际调速时，只改变频率是不够的。故在调频调速中，要求在变频的同时改变定子电压U1，以维持磁通m接近不变。pm减小导致电机输出转矩T下降，严重时可能发生堵转现象。第87页/共109页886.3.3 6.3.3 交流进给运动的速度控制交流进给运动的速度控制交流电机的恒转矩调速与恒功率调速特性第88页/共109页896.3.3 6.3.3 交流进给运动的速度控制交流进给运动的速度控制（3）交流伺服电机的SPWM变频调速p交流电机调速种类很多，应用最多的是交流变频调速。变频调速的主要环节是能为交流电机提供变频电源的变频器。变频器的功用是，将频率固定（电网50Hz）的交流电，变换成频率连续可调（0400Hz）的交流电。目前获得广泛应用的变频器为交-直-交变频器。交-直-交变频器是先将频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率可变的交流电。第89页/共109页906.3.3 6.3.3 交流进给运动的速度控制交流进给运动的速度控制（3）交流伺服电机的SPWM变频调速SPWM变频调速器的主回路第90页/共109页916.3.3 6.3.3 交流进给运动的速度控制交流进给运动的速度控制pSPWM正弦脉宽调制波形脉冲宽度与正弦值成正比；等幅不等宽，中间宽，两边窄。等效的SPWM波形第91页/共109页926.3.3 6.3.3 交流进给运动的速度控制交流进给运动的速度控制pSPWM正弦脉宽调制波形采用模拟电路“调制”理论。以正弦波为调制波，对等腰三角波为载波的信号进行“调制”。SPWM波形的调制电路及输出波形第92页/共109页936.3.3 6.3.3 交流进给运动的速度控制交流进给运动的速度控制（3）交流伺服电机的SPWM变频调速三相SPWM波形控制电路原理第93页/共109页946.3.3 6.3.3 交流进给运动的速度控制交流进给运动的速度控制SPWM变频调速系统框图第94页/共109页956.3.4 6.3.4 交流伺服电机的矢量控制交流伺服电机的矢量控制q在伺服系统中，直流伺服电机之所以能获得优良的动态与静态性能，其根本原因是被控制量只有电机磁场和电枢电流Ia 这两个量，而且它们是独立的。此外，电磁转矩TM=KTIa与磁通和电枢电流Ia分别成正比关系。因此，控制简单。q而交流伺服电机的没有独立的励磁回路，控制变量不独立，电流和磁通都是3相交变矢量。电磁转矩：T=KTI2cos2第95页/共109页966.3.4 6.3.4 交流伺服电机的矢量控制交流伺服电机的矢量控制如果能够模拟直流电机，求出交流电机与之对应的磁场与电枢电流，分别而独立地加以控制，就会使交流电机具有与直流电机近似的优良特性。为此，必须将三相交变量（矢量）转换为与之等效的直流量（标量），建立起交流电机的等效模型，然后按直流电机的控制方法对其进行控制。1971年德国学者F.Blachke最先提出这种矢量控制理论。第96页/共109页976.3.4 6.3.4 交流伺服电机的矢量控制交流伺服电机的矢量控制p三相交流磁势的变换；三相A、B、C系统变换到两相、系统；磁势与电流成正比。97第97页/共109页986.3.4 6.3.4 交流伺服电机的矢量控制交流伺服电机的矢量控制p按照磁势与电流成正比的关系，可以求得对应的电流值，以及正交旋转变换。第98页/共109页996.3.4 6.3.4 交流伺服电机的矢量控制交流伺服电机的矢量控制p三相异步交流电机在空间上产生一个角速度为0的旋转磁场。正交绕组和是等效的。三相交流电动机-两项直流电动机变换第99页/共109页1006.3.4 6.3.4 交流伺服电机的矢量控制交流伺服电机的矢量控制p将三相电机转化为二相电机后，还需将二相交流电机变换为等效的直流电机。若d为激磁绕组，通以激磁电流id，q为电枢绕组，通以电枢电流iq，则产生固定幅度的磁场，在定子上以角速度0旋转。这样就可看成是直流电机了。将二相交流电机转化为直流电机的变换，实质就是矢量向标量的转换，是静止的直角坐标系向旋转的直角坐标系之间的转换。第100页/共109页1016.3.4 6.3.4 交流伺服电机的矢量控制交流伺服电机的矢量控制p交流永磁同步电机的矢量控制三相绕组中流过的电流和转子位置转角成正弦函数关系，彼此相差120电角度。三相电流合成的旋转磁动势在空间的方向总是和转子磁场成90电角度(超前)，产生最大转矩。如果能建立永久磁铁磁场、电枢磁动势及转矩的关系，在调速过程中，用控制电流来实现转矩的控制，这就是矢量控制的目的。第101页/共109页1026.3.4 6.3.4 交流伺服电机的矢量控制交流伺服电机的矢量控制经过矢量变换，可以将交流永磁同步电机像直流电机那样简单地用控制电流幅值就可达到控制转矩的目的。交流永磁同步伺服电机矢量控制系统第102页/共109页1036.4 6.4 位置控制位置控制p位置控制是伺服系统的重要组成部分，它是保证位置精度的环节。p位置控制包括：位置控制环、速度控制环和电流控制环，具有位置控制环的系统才是真正完整意义的伺服系统。数控机床进给系统就是包括了三环控制的伺服系统。第103页/共109页1046.4.1 6.4.1 位置控制的基本原理位置控制的基本原理p位置控制环是伺服系统的外环，它接收数控装置插补器每个插补采样周期发出的指令，作为位置环的给定。p同时还接收每个采样周期的测量反馈装置测出的实际位置值，然后与位置给定值进行比较，得出位置误差作为速度环的给定。第104页/共109页1056.4.1 6.4.1 位置控制的基本原理位置控制的基本原理p早期的模拟位置控制例模拟位置控制系统原理图第105页/共109页1066.4.2 6.4.2 数字脉冲比较位置控制伺服系统数字脉冲比较位置控制伺服系统p位置环包括：光电脉冲编码器、脉冲处理电路和比较器环节等；p位置环的工作按负反馈、误差原理工作。有误差就运动，没误差就停止。数字脉冲比较位置控制的半闭环伺服系统第106页/共109页1076.4.3 6.4.3 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统p用计算机软件实现数控的各种功能，完成控制。全数字控制伺服系统的原理图第107页/共109页108108本章小结本章小结1.伺服电机，主要包括步进电机、交流伺服电机以及直流伺服电机的结构及工作原理；2.速度控制，主要包括直流电机的调频调速、交流电机的变频调速、以及直流电机的调压调速原理；3.位置控制，主要介绍了包含位置控制环、速度控制环和电流控制环的位置控制系统。第108页/共109页感谢您的观看！第109页/共109页
