第4章--数控机床伺服驱动系统课件.ppt

第4章 数控机床伺服驱动系统 第4章 数控机床伺服驱动系统 4.1 概述 4.2 步进电机及其控制系统 4.3 直流伺服电动机及其速度控制 4.4 交流伺服电动机及其速度控制 4.5 典型伺服电机简介 习题 第4章 数控机床伺服驱动系统 4.1 概 述 4.1.1 伺服驱动系统概念1.什么是伺服驱动系统在自动控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统。数控机床伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。第4章 数控机床伺服驱动系统 数控机床伺服驱动系统是CNC装置和机床的联系环节，作用在于接收来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令信号运动，并保证动作的快速和准确。CNC装置发出的控制信息通过伺服驱动系统转换成坐标轴的运动，完成程序所规定的操作。伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。伺服驱动系统的作用归纳如下：(1)伺服驱动系统能放大控制信号，具有输出功率的能力；(2)伺服驱动系统根据CNC装置发出的控制信息对机床移动部件的位置和速度进行控制。第4章 数控机床伺服驱动系统 2.数控机床对伺服驱动系统的要求数控机床的性能在很大程度上取决伺服驱动系统的性能，对伺服驱动系统的主要要求如下：1)可逆运行可逆运行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。第4章 数控机床伺服驱动系统 2)进给调速范围要宽为适应不同的加工条件，例如加工用刀具、被加工材料及零件加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围。第4章 数控机床伺服驱动系统 3)位置精度要高 使用数控机床主要是为了保证加工质量的稳定性和一致性，减少废品率；解决复杂曲面零件的加工问题；解决复杂零件的加工精度问题，缩短制造周期等。为了满足这些要求，关键之一是保证数控机床的定位精度和加工精度。数控机床在加工时免除了操作者的人为误差，它是按预先的程序自动进行加工，不可能应付事先没有预料到的情况。就是说，数控机床不能像普通机床那样，可随时用手动操作来调整和补偿各种因素对加工精度的影响。因此，要求定位精度和轮廓切削精度能达到数控机床要求的指标。为此，在位置控制中要求具有高的定位精度，如精确到1m甚至0.1m。在速度控制中，要求具有很高的调速精度和很强的抗干扰的能力，即要求工作稳定性要好。第4章 数控机床伺服驱动系统 4)速度响应要快 为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。一方面，要求过渡过程时间要短，一般在200 ms以内，甚至有时需要小于几十毫秒；另一方面，要使过渡过程的前沿陡，即上升率要大。第4章 数控机床伺服驱动系统 5)低速大转矩根据数控机床的加工特点，大都是在低速进行重切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。这要求使动力源尽量靠近机床的执行机构，使传动装置机械部分的结构简化，系统刚性增加，传动精度提高。第4章 数控机床伺服驱动系统 4.1.2 伺服系统的组成图4-1所示为数控机床进给伺服系统的结构原理图。它是一个双闭环伺服系统，内环是速度环，外环是位置环。速度环中用作速度反馈的检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。速度控制单元是一个独立的单元部件，它由速度调节器、电流调节器及功率驱动放大器等各部分组成。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各部分组成。位置控制主要是对机床运动坐标进行控制，轴控制是要求最高的位置控制。第4章 数控机床伺服驱动系统 图4-1 伺服系统结构原理图 第4章 数控机床伺服驱动系统 4.2 步进电机及其控制系统 4.2.1 步进电机的分类步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的一种机电式数模转换器。其转子的转角与输入的电脉冲数成正比，它的速度与脉冲频率成正比，而运动方向是由步进电机通电的顺序所决定的。第4章 数控机床伺服驱动系统 步进电机是一种特殊的电机，一般电机通电后连续旋转，而步进电机则跟随输入脉冲按节拍一步一步地转动。对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就旋转一个固定的角度，称为一步。每一步所转过的角度叫做步距角。步进电机的角位移量和输入脉冲的个数严格地成正比例，在时间上与输入脉冲同步，因此，只需控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组通电相序，便可获得所需的转角、转速及旋转方向。在无脉冲输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于定位状态。第4章 数控机床伺服驱动系统 步进电机的结构形式很多，因此其分类方式也很多，常见的分类方式是按力矩的大小、力矩产生的原理和电机的励磁组数来进行分类的。(1)按步进电机输出转矩的大小，可分为快速步进电机和功率步进电机。快速步进电机连续工作频率高，而输出转矩较小，可用于控制小型精密机床的工作台(例如线切割机)，可以和液压伺服阀、液压马达一起组成电液脉冲马达，驱动数控机床工作台。功率步进电机的输出转矩比较大，可直接驱动数控机床的工作台。第4章 数控机床伺服驱动系统(2)按励磁组数可分三相、四相、五相、六相甚至八相步进电机。(3)按转矩产生的工作原理可分为电磁式、反应式以及混合式步进电机。数控机床上常用三六相反应式步进电机。这种步进电机的转子无绕组，当定子绕组通电激磁后，转子产生力矩使步进电机实现步进。下面介绍反应式步进电机的工作原理。第4章 数控机床伺服驱动系统 4.2.2 步进电机的工作原理及特点1.工作原理图4-2所示是三相反应式步进电机工作原理图。步进电机由转子和定子组成。定子上有A、B、C三对绕组磁极，分别称为A相、B相、C相。转子是硅钢片等软磁材料迭合成的带齿廓形状的铁芯。这种步进电机称为三相步进电机。如果在定子的三对绕组中通直流电流，就会产生磁场。当A、B、C三对磁极的绕组依次轮流通电，则A、B、C三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。第4章 数控机床伺服驱动系统 图4-2 步进电机工作原理 第4章 数控机床伺服驱动系统(1)当A相通电，B相和C相不通电时，电机铁芯的AA方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子1、3齿与相磁极对齐，2、4两齿与B、C两磁极相对错开30。(2)当B相通电，C相和相断电时，电动机铁芯的BB方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向旋转30，2、4齿与B相磁极对齐，1、3两齿与C、A两磁极相对错开30。第4章 数控机床伺服驱动系统(3)当C相通电，A相和B相断电时，电动机铁芯的CC方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向又旋转30，1、3齿与C相磁极对齐，2、4两齿与A、B两磁极相对错开30。若按ABC通电相序连续通电，则步进电机就连续地沿逆时针方向旋动，每换接一次通电相序，步进电机沿逆时针方向转过30，即步距角为30。如果步进电机定子磁极通电相序按ACB进行，则转子沿顺时针方向旋转。上述通电方式称为三相单三拍通电方式。所谓“单”是指每次只有一相绕组通电的意思。从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每一拍转子转动一个步距角，故所谓“三拍”是指通电换接三次后完成一个通电周期。第4章 数控机床伺服驱动系统 还有一种通电方式称为三相六拍通电方式，即按照AABBBCCCA相序通电，工作原理如图4-3所示。如果相通电，1、3齿与A相磁极对齐。当A、B两相同时通电，因A极吸引1、3齿，极吸引2、4齿，转子逆时旋转15。随后A相断电，只有B相通电，转子又逆时旋转15，2、4齿与B相磁极对齐。如果继续按BCCCAA的相序通电，步进电机就沿逆时针方向，以15的步距角一步一步移动。这种通电方式采用单、双相轮流通电，在通电换接时，总有一相通电，所以工作比较平稳。第4章 数控机床伺服驱动系统 图4-3 三相六拍通电方式工作原理 第4章 数控机床伺服驱动系统 实际使用的步进电机，一般都要求有较小的步距角。因为步距角越小它所达到的位置精度越高。图4-4是步进电机实例。图中转子上有40个齿，相邻两个齿的齿距角360/409。三对定子磁极均匀分布在圆周上，相邻磁极间的夹角为60。定子的每个磁极上有5个齿，相邻两个齿的齿距角也是9。因为相邻磁极夹角(60)比7个齿的齿距角总和(9763)小3，而120比14个齿的齿距角总和(914126)小6，这样当转子齿和A相定子齿对齐时，B相齿相对转子齿逆时针方向错过3，而C相齿相对转子齿逆时针方向错过6。按照此结构，采用三相单三拍通电方式时，转子沿逆时针方向，以3步距角转动。采用三相六拍通电方式时，则步距角减为1.5。如通电相序相反，则步进电机将沿着顺时针方向转动。第4章 数控机床伺服驱动系统 图4-4 步进电机实例 第4章 数控机床伺服驱动系统 如上所述，步进电机的步距角大小不仅与通电方式有关，而且还与转子的齿数有关。计算公式为 式中 m为定子励磁绕组相数；z为转子齿数；k为通电方式，相邻两次通电相数一样时，k1，不同时，k2。步进电机转速计算公式为 式中n为转速，单位为r/min；f为控制脉冲频率，即每秒输入步进电机的脉冲数；为用度数表示的步距角。第4章 数控机床伺服驱动系统 2.步进电机的特点步进电机的主要特点如下：(1)步进电机的输出转角与输入的脉冲个数严格成正比，故控制输入步进电机的脉冲个数就能控制位移量。(2)步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比，只要控制脉冲频率就能调节步进电机的转速。(3)当停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电机轴可以保持在某固定位置上，不需要机械制动装置。第4章 数控机床伺服驱动系统(4)改变通电相序即可改变电机转向。(5)步进电机存在齿间相邻误差，但是不会产生累积误差。(6)步进电机转动惯量小，启动和停止迅速。由于步进电机有这些特点，所以在开环数控系统中获得广泛应用。第4章 数控机床伺服驱动系统 4.2.3 步进电机的性能指标1.单向通电的矩角特性当步进电机不改变通电状态时，转子处在不动状态，即静态。如果在电机轴上外加一个负载转矩，使转子按一定方向(如顺时针)转过一个角度e，此时，转子所受的电磁转矩T称为静态转矩，角度e称为失调角，如图4-5(a)所示。步进电机的静态转矩和失调角之间的关系叫矩角特性，大致上是一条正弦曲线，如图4-5(b)所示。此曲线的峰值表示步进电机所能承受的最大静态负载转矩。在静态稳定区内，当外加转矩消除后，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点。第4章 数控机床伺服驱动系统 图4-5 步进电机的失调角和矩角特性(a)失调角；(b)矩角特性 第4章 数控机床伺服驱动系统 表4-1 步进电机多相通电时的转矩 第4章 数控机床伺服驱动系统 2.启动转矩图4-6所示为三相步进电机的矩角特性曲线，则A相和B相的矩角特性交点的纵坐标值Mq称为启动转矩。它表示步进电机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。第4章 数控机床伺服驱动系统 图4-6 步进电机的最大负载能力 第4章 数控机床伺服驱动系统 当电机所带负载 时，A相通电，工作点在m点，在此点MAmML。当励磁电流从A相切换到B相，而转子在点位置时，B相励磁绕组产生的电磁转矩是MBmML，转子旋转，前进到点时，MBnML，转子到达新的平衡位置。显然，负载转矩不可能大于A、B两交点的转矩Mq，否则转子无法转动，产生“失步”现象。不同相数的步进电机的启动转矩不同，启动转矩如表4-2所示。第4章 数控机床伺服驱动系统 表4-2 步进电机启动转矩 第4章 数控机床伺服驱动系统 3.空载启动频率fq 步进电机在空载情况下，不失步启动所能允许的最高频率称为空载启动频率。在有负载情况下，不失步启动所能允许的最高频率将大大降低。例如70BF3型步进电机的空载启动频率是1400 Hz，负载达到最大静转矩Mjmax的0.5倍时，降为50 Hz。为了缩短启动时间，可使加到电机上的电脉冲频率按一定速率逐渐增加。第4章 数控机床伺服驱动系统 4.运行矩频特性与动态转矩 在步进电机正常转动时，若输入脉冲的频率逐渐增加，则电机所能带动的负载转矩将逐渐下降，如图4-7所示，图中的曲线称为步进电机的矩频特性曲线。可见，矩频特性曲线是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与运行频率之间的关系。在不同频率下步进电机产生的转矩称为动态转矩。第4章 数控机床伺服驱动系统 图4-7 运行矩频特性 第4章 数控机床伺服驱动系统 4.2.4 步进电机的选用 合理选用步进电机是相当重要的，通常希望步进电机的输出转矩大，启动频率和运行频率高，步距误差小，性能价格比高。但增大转矩与快速运行存在一定矛盾，高性能与低成本存在矛盾，因此实际选用时，必须全面考虑。首先，应考虑系统的精度和速度的要求。为了提高精度，需要脉冲当量小，但是脉冲当量越小，系统的运行速度越低，故应兼顾精度与速度的要求来选定系统的脉冲当量。在脉冲当量确定以后，又可以此为依据来选择步进电机的步距角和传动机构的传动比。第4章 数控机床伺服驱动系统 步进电机有两条重要的特性曲线，即反映启动频率与负载转矩之间关系的曲线和反映转矩与连续运行频率之间关系的曲线。这两条曲线是选用步进电机的重要依据。一般将反映起启动频率与负载转矩之间关系的曲线称之为启动矩频特性，将反映转矩与连续运行频率之间关系的曲线称为工作矩频特性。已知负载转矩，可以在启动矩频特性曲线中查出启动频率。这是启动频率的极限值，实际使用时，只要启动频率小于或等于这一极限值，步进电机就可以直接带负载启动。第4章 数控机床伺服驱动系统 若已知步进电动机的连续运行频率，就可以从工作矩频特性曲线中查出转矩Mdm，这也是转矩的极限值，又是称其为失步转矩。也就是说，若步进电机以频率运行，它所拖动的负载转矩必须小于Mdm，否则就会导致失步。数控机床的运行可分为两种情况：快速进给和切削进给。这两种情况下，对转矩和进给速度有不同的要求。我们选用步进电机时应注意使其在两种情况下都能满足要求。第4章 数控机床伺服驱动系统 假若要求进给驱动装置有如下性能：切削进给时的转矩为，最大切削进给速度为ve；在快速进给时的转矩为，最大快进速度为vk。我们可按下面的步骤来检查步进电动机能否满足要求。首先，依据下式，将进给速度值转变成电机的工作频率。式中，v为进给速度(m/min)；为脉冲当量(mm)；f为步进电机工作频率。在上式中，若将最大切削进给速度ve代入，可求得在切削进给时的最大工作频率；若将最大快速进给速度vk代入，就可求得在快速进给时的最大工作频率。第4章 数控机床伺服驱动系统 然后，根据和在工作矩频特性曲线上找到与其对应的失步转矩值和，若有，就表明电机是能满足要求的，否则就是不能满足要求的。表4-3和表4-4分别给出了一些常用的反应式步进电机和混合式步进电机的型号和简单的性能指标，若想了解这些电机的启动矩频特性曲线和工作矩频特性曲线，可参阅有关技术手册。第4章 数控机床伺服驱动系统 表4-3 反应式步进电机性能参数 第4章 数控机床伺服驱动系统 表4-4 混合式步进电机性能参数 第4章 数控机床伺服驱动系统 4.2.5 步进电机的控制 1.步进电机的工作方式 由前述可知，步进电机的工作方式和一般电机不同，是采用脉冲控制方式工作的。只有按一定规律对各项绕组轮流通电，步进电机才能实现转动。数控机床中采用的功率步进电机有三相、四相、五相和六相等。工作方式有单m拍，双m拍、三m拍及2m拍等，m是电机的相数。所谓单m拍是指每拍只有一相通电，循环拍数为m；双m拍是指每拍同时用两相通电，循环拍数为m；三m拍是每拍有三相通电，循环拍数为m拍；2m拍是各拍既有单相通电，也有两相或三相通电，通常为12相通电或23相通电，循环拍数为2m，如表4-5所示。一般电机的相数越多，工作方式也越多。若按表4-5中相反的顺序通电，则电机反转。第4章 数控机床伺服驱动系统 表4-5 反应式步进电机工作方式 第4章 数控机床伺服驱动系统 由步距角计算式可知，循环拍数越多，步距角越小，因此，定位精度越高。另外，通电循环拍数和每拍通电相数对步进电机的矩频特性、稳定性等都有很大的影响。步进电机的相数也对步进电机的运行性能有很大影响。为提高步进电机的输出转矩、工作频率和稳定性，可选用多相步进电机，并采用2m拍工作方式。第4章 数控机床伺服驱动系统 2.步进电机的控制系统步进电机由于采用脉冲方式工作，且各相需要按照一定规律分配脉冲，因此，在步进电机控制系统中，需要脉冲分配逻辑和脉冲产生逻辑。脉冲的多少需要根据控制对象的运行轨迹计算得到，因此还需要插补运算器。数控机床所用的功率步进电机要求控制驱动系统必须有足够的驱动功率，所以还要求有功率驱动部分。为了保证步进电机不失步的启/停，要求控制系统具有升降速控制环节。除了上述各环节之外，还有和键盘、显示器等输入/输出设备的接口电路、通信接口电路及其它附属环节。在闭环控制系统中，还有检测元件的接口电路。在早期的数控系统中，上述各环节都是由硬件完成的，但目前的机床数控系统，由于都采用了小型和微型计算机控制，上述很多控制环节，如升降速控制、脉冲分配、脉冲产生、插补运算等都可以由计算机完成，使步进电机控制系统的硬件大为简化。图4-8为微型计算机控制步进电机的控制系统框图。第4章 数控机床伺服驱动系统 图4-8 步进电机的CNC系统框图 第4章 数控机床伺服驱动系统 系统中的键盘用于向计算机输入和编辑控制代码程序，输入的代码由计算机解释。显示器用于显示控制对象的运动坐标值、故障报警、工作状态及编程代码等各种信息。存储器用来存放监控程序、解释程序、插补运算程序、故障诊断程序、脉冲分配程序、键盘扫描程序、显示驱动程序及用户控制代码程序等。功率放大器用以对送来的脉冲进行功率放大，已驱动步进电机带动负载运行。第4章 数控机床伺服驱动系统 计算机控制系统中，除了上述环节外，还用到各种控制按键及其接口电路(如急停控制、手动输入控制、行程开关接口等)和继电器、电磁阀控制接口等。在复杂的CNC系统中，还可能有串行接口、位置检测元件输入接口和位置编码器及其接口等。第4章 数控机床伺服驱动系统 CNC系统由于硬件电路大为简化，使其可靠性大大提高，而且使用灵活方便。但由于很多功能由软件来完成，因此对计算机字长和运算速度有一定的要求。目前，由于微型计算机运算速度的提高(如MCS-51系列单片机主频可达12 MHz，执行一条单字节指令只需1 s)，因此，在机床的简易数控中，采用8位MCS-51系列单片机已能满足要求，但在多坐标(如4坐标、5坐标等)控制系统及连续轮廓控制系统中，8位MPU(Micro Processor Unit微处理器单元)的速度仍然显得不够，这时可采用如下方法：第4章 数控机床伺服驱动系统(1)选用高速16位(如Intel 8086/8088、Z8000及MCS-8089系列单片机)和32位微处理器。(2)适当配置一些脉冲分配器和细插补运算器等硬件电路，以减轻MPU的负担。(3)采用多微处理器结构。各种任务可分别由不同的微处理器来完成。第4章 数控机床伺服驱动系统 4.3 直流伺服电动机及其速度控制 4.3.1 直流伺服电动机分类 1.改进型直流电动机如果把传统用的直流电动机在设计时减少转动惯量、增大其过载能力、改进其换向性能，使它在静态与动态特性方面有所改善，就可成为数控机床的进给驱动伺服电动机。在早期的欧美数控机床中较多采用这种改进型的直流电动机。第4章 数控机床伺服驱动系统 2.小惯量电动机随着数控机床的发展，对伺服系统的执行电动机的要求越来越高，主要要求是：具有尽量小的转动惯量，以保证系统的动态特性；在很低的转速下，仍能均匀稳定地旋转，以保证低速时的精度；具有尽量大的过载倍数，以适应经常出现的冲击现象。一般直流电动机不能达到上述要求，于是出现了这种特殊的直流电动机小惯量电动机。小惯量电动机也是直流电动机的一种，其特点是：第4章 数控机床伺服驱动系统(1)转动惯量小，约为普通直流电动机的1/10。(2)由于电枢反应比较小，具有良好的换向性能，机电时间常数只有几毫秒。(3)由于其转子无槽，电气机械均衡性好，尤其在低速时运转稳定而均匀，在转速低达10 r/min时，无爬行现象。(4)最大转矩为额定值的10倍。第4章 数控机床伺服驱动系统 3.永磁直流伺服电动机由于永磁直流伺服电动机能在较大过载转矩下长期地工作以及电动机的转子惯量较前述两种电动机都大，因此它能直接与丝杠相连而不需要中间传动装置。而且因为无励磁回路损耗，所以它的外形尺寸比与其相类似的励磁式直流电动机小。它还有一个特点是可在低速下运转，如能在1 r/min甚至在0.1 r/min下平稳地运转，因此，这种电动机在数控机床上获得了广泛的应用。自20世纪70年代至80年代中期，在数控机床应用中，它占据着绝对统治地位，至今，许多数控机床上仍然使用永磁直流伺服电动机。第4章 数控机床伺服驱动系统 4.无刷直流电动机无刷直流电动机也叫无换向器直流电动机，是由同步电动机和逆变器组成，而逆变器是由装在转子上的转子位置传感器控制，因此，它实质上是交流调速电动机的一种。由于这种电动机的性能达到直流电动机的水平，又取消了换向器及电刷部件，使电动机寿命大约提高了一个数量级，因此多年来引起了人们很大的兴趣。下面以永磁式直流伺服电动机为例简单介绍直流伺服电机的结构及工作原理。第4章 数控机床伺服驱动系统 4.3.2 永磁式直流伺服电动机1.永磁式直流伺服电动机的结构永磁式直流电动机可分为驱动用永磁直流电动机和永磁直流伺服电动机两大类。驱动用永磁直流电动机通常是指不带稳速装置，没有伺服要求的电机，而永磁直流伺服电机则除具有驱动用永磁直流电动机的性能外，还具有一定的伺服特性和快速响应能力。在结构上往往与反馈部件做成一体。当然，永磁直流伺服电动机也可作为驱动用电动机。因为永磁直流伺服电动机允许有宽的调速范围，所以也称宽调速直流电动机，其结构如图4-9所示。电机本体由三部分组成，包括机壳、定子磁极和转子电枢。反馈用的检测部件有高精度的测速发电机、旋转变压器以及脉冲编码器等，安装在电机的尾部。第4章 数控机床伺服驱动系统 图4-9 四极永磁直流电机 第4章 数控机床伺服驱动系统 2.工作原理 永磁式直流伺服电动机的工作原理与普通直流电机相同。用永久磁铁代替普通直流电机的励磁绕组和磁极铁芯，在电机气隙中建立主磁通，产生感应电势和电磁转矩。图4-10所示为永磁他激直流伺服电动机电路原理。图4-10 他激直流伺服电机电路原理图 第4章 数控机床伺服驱动系统 电机电枢电路的电压平衡方程式为(4-1)感应电动势为(4-2)由以上两个方程可得电动机转速特性(4-3)式中U为电动机电枢回路外加电压；Rd为电枢回路电阻；Id为电枢回路电流；Ce为反电动势系数；Kv为反电动势常数；为气隙磁通量。第4章 数控机床伺服驱动系统 电动机的电磁转矩为(4-4)因此可得电动机机械特性方程式为(4-5)式中Cm为转矩系数。第4章 数控机床伺服驱动系统 图4-11 不改变外加电压时的机械特性 第4章 数控机床伺服驱动系统 3.工作特性 1)转矩-速度特性曲线 又称工作曲线，如图4-12所示，伺服电机的工作区域被温度极限线、转速极限线、换向极限线、转矩极限线以及瞬时换向极限线划分为三个区域。为连续工作区，在该区域内可对转矩和转速做任意组合，都可长期连续工作；为断续工作区，此区域电机只能按负载周期曲线所决定的允许工作时间和断电时间做间歇工作；为加(减)速区，在此区域内电机只能用做加(减)速工作一段极短的时间。第4章 数控机床伺服驱动系统 图4-12 转矩-速度特性曲线 第4章 数控机床伺服驱动系统 2)负载周期曲线如图4-13所示，负载周期曲线表示在满足机械所需转矩，而又确保电机不过热的情况下，允许电机工作的时间，因此，这些曲线是由电机温度极限决定的。负载周期曲线的使用方法是：首先根据实际负载转矩的要求，求出电机在该值下的过载倍数，即 第4章 数控机床伺服驱动系统 然后在负载周期曲线的水平轴线上找到实际机械所需要的工作时间tp，并从该点向上作垂线，与所需要的Tmd曲线相交。再从该点作水平线，与垂直轴相交的点即为允许的负载工作周期比，即 式中tR为电机的工作时间；tF为电机的断电时间。最后可求出最短的断电时间为 第4章 数控机床伺服驱动系统 图4-13 负载周期曲线 第4章 数控机床伺服驱动系统 4.3.3 直流伺服电动机的速度控制方法对于直流电动机，控制速度的方法可以从直流电动机的工作原理来分析。由式(4-5)可以看出，对于已经给定的直流电机，要改变它的转速，有三种方法：改变电枢回路电阻；改变气隙磁通量；改变外加电压。前两种方法的调速特性不能满足数控机床的要求。第三种方法的机械特性如图4-14所示。图中Ue为额定电压值。改变外加电压调速方法的特点是具有恒转矩的调速特性，机械特性好。永磁直流伺服电机的调速都采用这种方式。所以，直流电机控制单元的作用是将转速指令信号改变为相应的电枢电压值。第4章 数控机床伺服驱动系统 图4-14 双环调速系统结构框图 第4章 数控机床伺服驱动系统 1.晶闸管调速装置晶闸管，又称可控硅，是一种大功率半导体器件，由阳极A、阴极K和控制极G组成。当阳极与阴极间施加正电压且控制极出现触发脉冲时，可控硅导通。触发脉冲出现的时刻称为触发角。控制触发角即可控制可控硅的导通时间，从而达到控制电压的目的。晶闸管速度只通过改变晶闸管触发角即可控制，但是对电动机进行调速范围较小。为满足数控机床的调速范围需要，可采用带有速度反馈的闭环系统。为增加调速特性的硬度，需再加一个电流反馈环节，实现双环调速。图4-14 所示为一个典型的双环调速系统。第4章 数控机床伺服驱动系统 当给定的速度指令信号增大时，调节器输入端会有较大的偏差信号，放大器的输出信号随之加大，触发脉冲前移，整流器输出电压提高，电动机转速相应上升；同时，测速发电机输出电压增加，反馈到输入端使偏差信号减小，电动机转速上升减慢，直到反馈值等于或接近于给定值时，系统达到新的平衡。第4章 数控机床伺服驱动系统 2.脉冲宽度调制器直流调速系统(简称PWM)所谓脉冲宽度调速，是利用脉冲宽度调制器对大功率晶体管开关放大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的方波电压，加到直流电机的电枢两端，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢两端的平均电压，从而达到调节电机转速的目的。直流脉宽调速系统主要采用了转速电流双闭环的系统结构，如图4-15所示。其主要优点是频带宽、电流脉动小、波形系数小、电源功率因数高等。第4章 数控机床伺服驱动系统 图4-15 直流脉宽调速系统框图 第4章 数控机床伺服驱动系统 4.4 交流伺服电动机及其速度控制 4.4.1 交流伺服电动机概述1.交流伺服电机的分类和特点交流感应电机按所用电源种类可以分为三相和单相两种。从结构上可分为带换向器和不带换向器的两种。通常多用不带换向器的三相感应电机，其结构是定子上装有对称三相绕组，而在圆柱体的转子铁芯上嵌有均匀分布的导条，导条两端分别用金属环连成一个整体(称笼式转子)，因此这种电机也称笼式电机。当对称三相绕组接三相电源后，由电源提供励磁电流，在定子和转子之间的气隙内建立起同步转速的旋转磁场，依靠电磁感应作用，在转子导条内产生感应电势，因为转子上的导条已构成闭合回路，转子导条中就有电流流过，从而产生电磁转矩，实现由电能转变成机械能的能量变换。第4章 数控机床伺服驱动系统 交流同步电机与感应电机的最大差别是同步电机的转速与电源的频率之间存在严格的关系，即在电源电压和频率固定不变时，其转速保持稳定不变。因此，由变频电源供电给同步电机时，便可获得与频率成正比的可变转速，调速范围宽，机械特性硬。交流同步电机的定子结构与感应电机一样，而转子结构不一样。在数控机床进给驱动中常采用永磁式同步电机，即转子用永磁式结构。永磁式的优点是结构简单，运行可靠，效率较高。若永磁式转子采用高剩磁感应、高矫顽力的稀土类磁铁等，可比直流电机的外形尺寸约减小1/2，重量减轻60%，转子惯量减到原来惯量的1/5。与异步电机相比，由于采用永磁铁励磁消除了励磁损耗和杂散损耗，所以效率高。通常永磁交流伺服电机是指永磁同步电机。第4章 数控机床伺服驱动系统 2.永磁交流伺服电机的结构及工作原理 永磁交流伺服电机结构示意如图4-16和图4-17所示。由图可见，永磁交流伺服电机主要由三部分组成：定子、转子和检测元件。其中定子具有齿槽，内有三相绕组，形状与普通感应电机的定子相同。但其外部表面呈多边形，并且无外壳，这有利于散热，可以避免电机发热对机床精度的影响。转子由多块永久磁铁等组成，这种结构的优点是气隙磁密较高，极数较多。第4章 数控机床伺服驱动系统 图4-16 永磁交流伺服电机 第4章 数控机床伺服驱动系统 图4-17 永磁交流伺服电机工作原理图 第4章 数控机床伺服驱动系统 4.4.2 交流伺服电动机调速原理 根据交流电动机的工作原理，当电机定子三相绕组通三相交流正弦电源时，将建立旋转磁场，其主磁通m的空间转速称为同步转速n0。其值为 若电机的实际转速为n，则电机的转差率为 第4章 数控机床伺服驱动系统 故 式中f为电源电压频率；p为电机磁极对数。(1)改变磁极对数 p调速。磁极对数可变的交流电动机称为多速电动机。通常磁极对数设计成4/2、8/4、6/4、8/6/4等几种。显然，磁极对数只能成对地改变，转速只能成倍地变化。第4章 数控机床伺服驱动系统(2)改变转差率 s调速。这种方法只能在绕线式异步电动机中使用。在转子绕组回路中串入电阻，通过改变电阻值的大小，可以改变转差率的大小。串入电阻值大，转差率大，转速低；串入电阻值小，转差率小，转速高。调速系统的调速范围为31。(3)改变频率f调速。如果电源频率能平滑调节，电机转速也就可以平滑改变。目前，高性能交流电动机伺服驱动系统都采用改变频率调速方法，这是一种先进的调速方法，电机从高速到低速其转差率都很小，因而变频调速的效率和功率因数都很高。第4章 数控机床伺服驱动系统 4.4.3 变频调速技术对交流电动机实现变频调速的装置叫变频器，其功能是将电网电压提供的恒压恒频(CVCF，Constant V oltage Constant Frequency)交流电变换为变压变频(VVVF，Variable V oltage Variable Frequency)交流电。变频器有交-交变频器与交-直-交变频器两大类，结构对比如图4-18所示，性能对比见表4-6。第4章 数控机床伺服驱动系统 图4-18 两种类型变频器(a)交-交变频器；(b)交-直-交变频器 第4章 数控机床伺服驱动系统 表4-6 交-交变频器与交-直-交变频器的主要特点比较 第4章 数控机床伺服驱动系统 1.正弦波脉宽调制(SPWM)原理 正弦波脉宽调制(SPWM)变频器是使用最广泛的PWM调制方法，属于交-直-交变频装置，将50 Hz交流电经整流变压器变压到所需电压，经二极管整流和电容滤波，形成直流电压，再送入6个大功率晶体管构成的逆变器主电路，输出三相频率和电压均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波(SPWM波)，图4-19为双极型SPWM的通用型主回路。第4章 数控机床伺服驱动系统 图4-19 双极性SPWM通用型主回路 第4章 数控机床伺服驱动系统 SPWM逆变器可产生正弦脉宽调制波(SPWM)波形，主要是通过一个正弦波得到2N个等高而不等宽的脉冲序列，与正弦波等效，如图4-20所示。SPWM波的产生原理如图4-21所示，将正弦波作为调制波对等腰三角波进行调制，经倒相后可得6路SPWM信号。第4章 数控机床伺服驱动系统 图4-20 与正弦波等效的矩形脉冲序列 第4章 数控机床伺服驱动系统 图4-21 三相SPWM控制电路原理框图 第4章 数控机床伺服驱动系统 2.矢量变换控制的SPWM调速系统矢量控制是一种新型控制技术，这种技术的应用使交流调速系统的静、动态性能接近或达到了直流电机的高性能。在数控机床的主轴与进给驱动中，矢量控制应用日益广泛，并有取代直流驱动的趋势。第4章 数控机床伺服驱动系统 直流电动机能获得优异的调速性能，其根本原因是与电机电磁转矩相关的是两个互相独立的变量磁通和电流Id。然而，交流电动机却不一样，其定子与转子间存在着强烈的电磁耦合关系，不能形成像直流电机那样的独立变量，而是一个高阶、非线性、强耦合的多变量控制系统。矢量变换控制调速系统应用了适于处理多变量系统的现代控制理论及坐标变换和反变换等数学工具，能够建立起一个与交流电动机等效的直流电动机模型，通过对该模型的控制，可实现对交流电动机的控制，从而得到与直流电机相同的优异控制性能。第4章 数控机床伺服驱动系统 如果利用“等效”的概念，将三相交流电机输入电流变换为等效的直流电机中彼此独立的电枢电流和励磁电流，然后和直流电机一样，通过对这两个量的反馈控制，实现对电机的转矩控制；再通过相反的变换，将被控制的等效直流电机还原为三相交流电机，那么，三相电机的调速性能就完全体现了直流电机的调速性能，这就是矢量控制的基本构思。第4章 数控机床伺服驱动系统 矢量变换控制的SPWM调速系统，是将通过矢量变换得到相应的交流电动机的三相电压控制信号作为SPWM系统的给定基准正弦波，以实现对交流电动机的调速。该系统实现了转矩与磁通的独立控制，控制方式与直流电动机相同，可获得与直流电动机相同的调速控制特性，满足了数控机床进给驱动的恒转矩、宽调速的要求，也可以满足主轴驱动中恒功率调速的要求，在数控机床上得到了广泛应用。第4章 数控机床伺服驱动系统 矢量变换调速系统的主要特性如下：(1)速度控制精度和过渡过程响应时间与直流电动机大致相同，调速精度可达0.1%。(2)自动弱磁控制与直流电动机调速系统相同，弱磁调速范围为41。(3)过载能力强，能承受冲击负载、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的交流调速系统比直流系统效率高约2%，不存在直流电机换向火花问题。第4章 数控机床伺服驱动系统 4.5 典型伺服电机简介 4.5.1 发那科(FANUC)公司的伺服电机1.FANUC伺服电机/i系列(1)AC伺服电机/i系列。该系列伺服电机适用于机床的进给轴运动，具有位置偏差小、分辨率高(采用65536转的绝对脉冲编码器)、伺服控制响应快(高速响应矢量控制HRV)等特点。性能参数见表4-7所示。第4章 数控机床伺服驱动系统 表4-7 FANUC AC伺服电动机系列 第4章 数控机床伺服驱动系统(2)AC主轴电机，P，C，i，Pi和Ci。该系列伺服电动机适用于机床主轴传动，具有高速、大功率、响应快、速度稳定、高速主轴定向、可高速高精度刚性攻丝等特点和功能。FANUC AC主轴电动机系列性能参数如表4-8所示。第4章 数控机床伺服驱动系统 表4-8 FANUC AC主轴电动机系列 第4章 数控机床伺服驱动系统 2.FANUC 系列伺服电动机和系列驱动器由系列AC伺服电动机与系列伺服驱动器组成的伺服驱动系统，具有高的性能价格比，适用于机床的进给和辅助轴驱动；可配置高可靠性、高分辨率的绝对脉冲编码器(32 768 P/r)；体积小，可用I/O Link非常方便的扩展位置控制轴数；高可靠性等特点。第4章 数控机床伺服驱动系统 表4-9 FANUC伺服放大器系列 第4章 数控机床伺服驱动系统 4.5.2 发格(FAGOR)公司的伺服电机1.FXM系列无刷AC伺服电机FXM系列同步电机是永磁型无刷AC电机，动态特性好，坚固有力并具有很好的加速特性，用于要求获得高位置精度场合，具有输出扭矩平稳、无刷、高可靠性和维护简单的特点。速度反馈由安装在电机上的旋转变压器或编码器提供，在电机内部集成有温度传感器用于监控电机内部温度，且每个电机均可选择抱闸，防止机械传动系统在断电情况下溜车。与FXM系列无刷AC伺服电机组成伺服驱动系统的伺服驱动器包括ACS系列模拟伺服驱动器和AXD及ACD系列数字化伺服驱动器。第4章 数控机床伺服驱动系统 2.主轴电机FM7主轴异步电机在额定转速500、1000和1500 rmin1的情况下，FACOR公司的主轴电机的功率能够覆盖从3.7 kW