数控机床的伺服系统 曼初宏.pptx

第六章数控机床的伺服系统第1页/共59页第六章数控机床的伺服系统第一节位 置 控 制第二节步进电动机伺服系统第三节直流电动机伺服系统第四节交流电动机伺服系统第五节数字比较式伺服系统第2页/共59页第一节位 置 控 制一、位置控制的概念位置控制和速度控制环是紧密相连的，速度控制环的给定值就是来自位置控制环。位置控制环的输入数据来自轮廓插补运算，在每一个插补周期内插补运算输出一组数据给位置控制环，位置控制环根据速度指令的要求及各环节的放大倍数(称增益)对位置数据进行处理，再把处理的结果送给速度控制环，作为速度控制环的给定值。二、位置控制的基本原理图6-1位置控制系统示意图第3页/共59页第一节位 置 控 制图6-2指令位置与实际位置的关系第4页/共59页第一节位 置 控 制三、位置控制装置位置控制装置分软件和硬件两部分，如图64所示。软件部分完成位置偏移量Di和速度指令值VOi的计算。硬件部分由速度指令寄存器、计数器、模拟开关和滤波放大器等部分组成。它把数字量的速度指令值VOi转换成直流电压，输送给速度控制装置，控制电动机转动。这是一个数模转换电路，转换精度很高。图6-4位置控制装置框图第5页/共59页第一节位 置 控 制1.软件部分2.硬件部分(1)速度指令寄存器和粗精减法计数器图6-5所示是位置控制装置的硬件部分。图6-5位置控制装置的硬件部分第6页/共59页第一节位 置 控 制图6-6模拟开关电路图(2)模拟开关图6-6所示是模拟开关电路图。第7页/共59页第一节位 置 控 制图6-7模拟开关的输出波形图第8页/共59页第一节位 置 控 制(3)滤波放大电路滤波放大电路由两个运算放大器T1、T2和与之相连的电阻电容所组成，粗计数器的输出由模拟开关变换成VNPC信号，接到T1的正输入端，T1的负输入端与输出端短接，没有放大作用。(4)数模转换时数字量与模拟电压的对应关系由于粗计数器是对14位的速度指令寄存器中的912位计数，因而它每减一个数相当于精计数器减512次计数。第9页/共59页第二节步进电动机伺服系统一、步进电动机的结构目前，我国使用的步进电动机多为反应式步进电动机。这种步进电动机有轴向分相和径向分相两种。图68所示是一台典型的径向三相反应式步进电动机结构图。这种步进电动机分为定子和转子两部分，其中定子又分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由硅钢片叠压而成，定子绕组是绕置在定子铁心六个均匀分布大极上的线圈，在直径方向上相对的两个大极上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。图68所示的步进电动机可构成三相控制绕组，故也称为三相步进电动机。转子上没有绕组，只有均匀分布的40个小齿，齿槽也是等宽的。第10页/共59页第二节步进电动机伺服系统图6-8径向三相反应式步进电动机结构图第11页/共59页第二节步进电动机伺服系统二、步进电动机的工作原理图6-10一段定子、转子及磁回路第12页/共59页第二节步进电动机伺服系统图6-11步进电动机的齿距第13页/共59页第二节步进电动机伺服系统表6-1步进电动机的整个步进循环过程三、步进电动机的主要特性1.步距角和静态步距误差2.静态距角特性第14页/共59页第二节步进电动机伺服系统图6-13步进电动机静态距角特性和静态稳定区第15页/共59页第二节步进电动机伺服系统3.起动频率4.连续运行频率5.加减速特性6.矩频特性与动态转矩图6-14加减速特性曲线第16页/共59页第二节步进电动机伺服系统7.步进运行和共振图6-16步进电动机转子运动的过渡过程第17页/共59页第二节步进电动机伺服系统四、步进电动机驱动控制技术根据步进式伺服系统的工作原理，步进电动机驱动控制电路的功能是：将具有一定频率f、一定数量n和方向的进给脉冲转换成控制步进电动机各相定子绕组通电、断电的电平信号。电平信号的变化频率、变化次数和通、断电顺序与进给指令脉冲的频率、数量和方向对应。故一个较完整的步进电动机的驱动控制电路应包括脉冲混合电路、加减脉冲分配电路、加减速电路、环形分配器和功率放大器，并应能接收和处理各种类型的进给指令控制信号，如自动进给信号、手动信号和补偿信号等。除了功率放大器之外，其他电路既可用硬件电路来实现，也可用软件来实现。驱动控制电路框图，如图617所示。第18页/共59页第二节步进电动机伺服系统图6-17驱动控制电路框图1.脉冲混合电路2.加减脉冲分配电路3.加减速电路(又称自动升降速电路)第19页/共59页第二节步进电动机伺服系统图6-18加减速电路框图第20页/共59页第二节步进电动机伺服系统图6-19加减速电路输入/输出特性曲线第21页/共59页第二节步进电动机伺服系统4.环形分配器图6-20环形分配器硬件电路5.功率放大器第22页/共59页第二节步进电动机伺服系统五、提高步进系统精度的措施步进系统是一个开环系统，在这个系统中，步进电动机的质量、机械传动部分的结构和质量以及控制电路的完善与否，均影响到步进系统的工作精度。要提高步进系统的工作精度，应从以下几方面考虑：改善步进电动机的性能，减小步距角；采用精密传动副，减小传动链中的传动间隙等。但这些因素往往由于结构工艺的关系而受到一定的限制，在这种情况下，还可以从控制电路上采取一些措施，弥补其不足。1.细分电路图6-21细分前后的角位移波形图a)无细分b)细分后第23页/共59页第二节步进电动机伺服系统2.反向间隙和螺距误差补偿3.混合伺服系统第24页/共59页第三节直流电动机伺服系统一、直流伺服电动机的结构和工作原理图622a所示是一般的直流电动机的结构和工作原理图。直流电动机主要由定子、转子(又称电枢)、电刷和换向器等几部分组成，在定子上有励磁绕组和补偿绕组，转子绕组通过电刷供电。由于转子磁场和定子磁场始终正交，因而产生转矩，使转子旋转。由图622b可知，定子励磁电流if产生定子磁动势Fs，转子电枢电流ia产生转子磁动势Fr，Fs与Fr垂直正交。补偿绕组与电枢绕组串联，电流ia又产生补偿磁动势Fc，Fc与Fr方向相反，它的作用是抵消电枢磁场对定子磁场的扭斜，使电动机具有良好的调速特性。第25页/共59页第三节直流电动机伺服系统图6-22直流伺服电动机的结构和工作原理图第26页/共59页第三节直流电动机伺服系统图6-23永磁直流伺服电动机的结构图1转子2定子(永磁体)3电刷4低波纹测速发电机5小间隙齿轮6旋转变压器7安装座8齿轮9换向器10电动机轴第27页/共59页第三节直流电动机伺服系统二、直流电动机的PWM(脉宽调制)调速原理由电工学的知识可知：在转子磁场不饱和时，改变电枢电压可改变转子转速。由于电动机是电感组件，转子的质量也较大，有较大的电磁时间常数和机械时间常数，因此电枢电压可用周期远小于电动机机械时间常数的方波平均电压来代替。图624所示是用方波电压调速的原理图。利用大功率晶体管的开关作用，将直流电源电压转换成频率约为2000Hz的方波电压，加在直流电动机的电枢绕组上。通过对开关关闭时间长短的控制，来控制加到电枢绕组两端的平均电压，达到调速的目的。图624中K代表大功率晶体管开关放大器。第28页/共59页第三节直流电动机伺服系统图6-24用方波电压调速的原理图第29页/共59页第三节直流电动机伺服系统三、PWM系统的脉宽调制脉宽调制的任务是将连续控制信号变成方波脉冲信号，作为功率转换电路的基极输入信号，控制直流电动机的转速和转矩。方波脉冲信号可由脉宽调制器生成，也可由全数字软件生成。1.脉宽调制器图6-25三角波发生器及PWM(脉宽调制)原理图第30页/共59页第三节直流电动机伺服系统图6-26PWM(脉宽调制)波形图第31页/共59页第三节直流电动机伺服系统图6-27数字PWM(脉宽调制)控制系统第32页/共59页第三节直流电动机伺服系统图6-28H形双极可逆功率转换电路的工作原理2.计算机软件形成控制方波第33页/共59页第三节直流电动机伺服系统四、PWM系统功率转换电路图6-29H形双极可逆功率转换电路的电压电流波形a)V、V基极励磁电压b)V、V基极励磁电压c)电枢电压波形d)电枢电流波形e)工作状态表示第34页/共59页第三节直流电动机伺服系统五、直流伺服电动机的调速1.积分调节器和比例积分调节器(1)积分调节器和积分控制规律图6-30a所示是用运算放大器构成的积分调节器原理图及特性。1)延缓性。2)保持性。3)叠加性。图6-30积分调节器原理图及特性a)原理图b)输入阶跃信号时输出特性c)积分调节器的保持性和叠加性第35页/共59页第三节直流电动机伺服系统(2)比例积分(PI)调节器图6-31a所示是比例积分(PI)调节器原理图。图6-31比例积分(PI)调节器原理图a)原理图b)稳压管钳位的内限幅电路2.转速负反馈单闭环无静差调速系统第36页/共59页第三节直流电动机伺服系统图6-32直流电动机的机械特性第37页/共59页第三节直流电动机伺服系统图6-33速度负反馈单闭环调速系统原理简图第38页/共59页第三节直流电动机伺服系统图6-34速度、电流双闭环无静差调速系统原理图(1)突加给定值时的起动过程设起动前调速系统处于停车状态，这时n=0，Un=0，在突加给定值n的瞬间，电动机转速n=0，这时Un=n-Un0有最大值。3.转速、电流双闭环调速系统第39页/共59页第三节直流电动机伺服系统(2)抗负载扰动的过程在速度给定值n不变的情况下，电动机负载变化时，双环调速系统能很好地维持电动机的速度不变。(3)抗电网电压扰动的过程当PWM输出的方波不变时，电网电压的波动首先引起电枢电流的变化，由于电枢电流的变化比电动机转子转速的变化快得多，因而在转速尚无明显变化时，电流反馈值i已发生变化，进而引起-i和Uc的变化，最后引起PWM方波占空比的变化，而消除因电网电压波动引起的电枢电流的变化。4.全数字直流调速系统原理(1)采样周期全数字控制的特点是按每个采样周期，间断地给出控制数据。第40页/共59页第三节直流电动机伺服系统(2)数字比例积分(PI)调节器在全数字调速系统中，速度环和电流环不是靠比例积分(PI)调节器调节，而是由计算机计算出的数据调节，因为计算公式的功能与比例积分(PI)调节器的功能相同，所以称为数字比例积分(PI)调节器。第41页/共59页第四节交流电动机伺服系统一、交流伺服电动机的结构和工作原理交流伺服电动机无电刷，结构简单，动态响应好，输出功率较大，因而在数控机床上被广泛应用。交流伺服电动机分为永磁交流伺服电动机和感应交流伺服电动机。永磁交流伺服电动机包括方波永磁同步电动机(无刷直流电动机BDCM)和正弦波永磁同步电动机(PMSM)，常用于进给伺服系统；感应交流伺服电动机相当于感应交流异步电动机，常用于主轴伺服系统。这两种电动机旋转机理都是由定子绕组产生旋转磁场使转子运转。不同点是永磁交流伺服电动机的转速和外加电源频率存在严格的关系，所以电源频率不变时，它的转速是不变的；而感应交流伺服电动机由于需要转速差才能在转子上产生感应磁场，所以电动机转速比其同步转速小，外加负载越大，转速差越大。第42页/共59页第四节交流电动机伺服系统旋转磁场的同步速度由交流电源的频率来决定，频率低，转速慢，频率高，转速快，因而交流电动机可以用改变供电频率的方法来调速。1.永磁交流伺服电动机图6-35永磁交流伺服电动机的结构图1定子2永磁铁3轴向通风孔4转轴5转子6压板7定子三相绕组8脉冲编码器9出线盒第43页/共59页第四节交流电动机伺服系统图6-36永磁交流伺服电动机的工作原理图第44页/共59页第四节交流电动机伺服系统2.感应交流伺服电动机图6-37永磁交流伺服电动机工作曲线连续工作区断续工作区第45页/共59页第四节交流电动机伺服系统图6-39感应交流伺服电动机的功率、转速曲线第46页/共59页第四节交流电动机伺服系统二、交流伺服电动机的变频调速交流电动机的同步转速(旋转磁场的转速)为1)改变磁极对数。2)改变转差率。3)变频调速。1.恒压频比方式调速(恒转矩调速)2.恒功率调速三、正弦波脉宽调制(SPWM)变频器1.SPWM波形与等效正弦波第47页/共59页第四节交流电动机伺服系统图6-40正弦波与等效的SPWM波a)正弦波b)等效的SPWM波第48页/共59页第四节交流电动机伺服系统2.产生SPWM波的原理1)已知正弦波的幅值、频率和相位，由计算机计算产生。2)用专用的集成电路芯片产生。3)用模拟式电路以“调制”的方法产生。图6-41三相SPWM控制电路原理图第49页/共59页第四节交流电动机伺服系统3.SPWM变频器的主电路图6-42SPWM变频器的主电路四、交流伺服电动机矢量控制调速1.矢量控制的概念第50页/共59页第四节交流电动机伺服系统1)速度精度和过渡过程时间与直流电动机大致相同，调速精度可达0.1%。2)弱磁调速范围与直流电动机调速系统相同，弱磁调速范围为14。3)过载能力强，能承受冲击载荷、突然加减速和突然可逆运行，能实现四象限运行。4)性能良好的矢量控制交流调速系统比直流调速系统效率高2%，不存在直流电动机的换向火花问题。2.矢量控制的SPWM调速系统第51页/共59页第四节交流电动机伺服系统图6-43矢量控制的SPWM调速系统原理图第52页/共59页第五节数字比较式伺服系统一、数字比较式伺服系统的构成一个数字比较系统最多可由6个主要部分组成，如图644所示。它们是：由数控装置提供的指令信号，它可以是数码信号，也可以是数字脉冲信号；由测量元件提供的工作台位置信号，它可以是数码信号，也可以是数字脉冲信号；完成指令信号与测量反馈信号比较的比较器；数字脉冲与数码的相互转换部件，它依据比较器的功能及指令和反馈信号的性质而决定取舍；驱动执行元件，它根据比较器的输出带动数控机床工作台移动。图6-44数字比较系统的组成第53页/共59页第五节数字比较式伺服系统二、数字脉冲-数码转换器1.数字脉冲转换为数码图6-45数字脉冲转化为数码的电路2.数码转换为数字脉冲图6-46减法计数器组成的数码转换电路第54页/共59页第五节数字比较式伺服系统图6-48数码比较器的原理框图三、比较器第55页/共59页第五节数字比较式伺服系统图6-49采用反码运算的二进制数比较器第56页/共59页第五节数字比较式伺服系统图6-51比较器结构图第57页/共59页第五节数字比较式伺服系统四、数模转换器数模转换器也称脉宽调制器，它的任务是把比较器的数字量转变为电压信号。目前，已有许多不同精度、不同形式的数模(D/A)转换器，只要能满足伺服系统对它的输入输出要求，可直接选来应用。图6-52数模转换电路图第58页/共59页感谢您的观看！第59页/共59页