数控机床伺服驱动.ppt

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1、数控机床伺服驱动 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望一、概 述v定义定义数控机床伺服系统属位置随动系统，是以移动部件的直线或角位移为控制目标的自动控制系统，它以CNC装置插补输出为指令，对工作台、主轴箱、刀架等执行部件的坐标轴位移进行控制，最终获得要求的刀具运动轨迹。因此，数控机床的伺服系统也被称为进给伺服系统。v特征特征进给伺服系统结构复杂，综合性强，涉及到电工电子技术、电机拖动技术、自动控制理论、精密机械传动技术、计算机控制技术等多种新技术的应用。

2、进给伺服系统是数控机床的关键部件，其静、动态性能决定了数控机床的精度、稳定性、可靠性和加工效率。v分类分类 按使用的执行元件可分为电液和电气伺服系统；按伺服调节理论可分为开环、闭环和半闭环伺服系统；电气伺服系统还可分为步进电动机、直流和交流伺服系统；闭环和半闭环伺服系统还可按位置反馈控制方式分为相位、幅值统、数字脉冲比较和全数字伺服系统。电液伺服系统已经基本上被电气伺服系统取代，仅在大型和重型数控机床上还有采用。现代数控机床几乎都采用电气伺服系统。v开环伺服系统 系统中信号流向是单向的，只有指令信号的前向控制通道，没有检测反馈控制通道，执行元件主要采用步进电动机。CNC装置的插补结果以各坐标轴

3、进给指令脉冲的形式输出。驱动器的功能是将进给指令脉冲按一定规律分配给步进电动机各相绕组并进行功率放大，而后驱动步进电动机转动。机械传动机构将步进电动机的转动转换为执行部件的坐标运动。执行部件运动的位移和速度，取决于步进电动机的转角和转速，并分别与进给指令脉冲的个数成和频率正比。工作时驱动电路、步进电动机和机械传动机构都会引起执行部件的位移误差。由于没有位移检测反馈环节，这些误差无法得到补偿和消除。优点是结构简单、运行稳定，成本低、使用和维护方便；缺点是精度低、低速不平稳、高速扭矩小；主要用于轻载、负载变化不大或经济型数控机床上。v闭环伺服系统 闭环和半闭环伺服系统是按误差控制的随动系统。包括三

4、个控制环，外环是位置环，中环是速度环，内环为电流环。控制量是CNC装置插补输出的指令位移和执行部件实际位移的。由位移检测装置测出各坐标轴的实际位移量，并反馈给位置比较器与指令位移进行比较，求得误差。经位置调节器引入调节特性后，输出指令速度与检测反馈的实际速度相比较，得到速度误差送入速度环。由速度环(其内部有电流环)对速度误差进一步变换和功率放大后，驱动伺服电动机转动。通过机械传动机构使执行件向消除误差的方向运动，直到误差为零。速度环及其内部电流环的作用是对电机运行状态进行实时控制，达到运行速度平稳、加减速度快的目的，从而改善位置环的控制品质。闭环伺服系统反馈控制环内的各种机电误差都可以得到校正

5、和补偿，定位精度取决于检测装置的精度。缺点是调试、维修较困难。二、开环伺服系统（一）步进电动机（一）步进电动机 1 1步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理 由转子和定子组成。转子和定子均由带齿的硅钢片叠成。定子上均布有六个磁极及其绕组，同一直径上的为一相，共有三相，磁极上有齿。转子上均匀分布着40个齿，齿与齿槽宽度相等，齿间角9。定子与转子齿间角相等。如果A相齿与转子齿中心线对齐，B相齿相对转子齿逆时针差1/3齿间角，C相齿相对转子齿逆时针差2/3齿间角。如果A相通电，则转子齿与A相齿对齐；当A相断电而B相通电时，在电磁吸引力产生的转矩作用下，转子顺时针方向转过3，转子齿与B相齿对齐，电磁

6、转矩为零，转子处于新的受力平衡位置；当B相断电而C相通电时，转子又顺时针方向转过3。定子绕组通电状态每改变一次，转子向确定的方向转过一个固定的角度。A-B-C-A通电，转子顺时针转。A-C-B-A通电，转子逆时针转。AABBBCCCAA或AACCCBBBAA通电，转子每次转过1.5。2 2步进电动机的主要特性步进电动机的主要特性v 步距角和静态步距误差 是指步进电动机绕组通电状态改变一次（对应每给一个指令脉冲），转子理论上应转过的角度。步距角，有m定子相数；z 转子齿数；k通电系数，m相m拍，k=1，m相2m 拍，k=2。数控机床使用的步进电动机小，常见的有3/1.5、1.5/0.75。静态步

7、距误差是指其实际步距角与理论步距角之差。步进电动机静态步距角误差通常在10以内。v 静态矩角特性和最大静转矩 当步进电动机绕组处于某种通电状态时，转子处在不动状态。在电动机轴上外加一个转矩，转子会转过一个角度，此时转子所受的电磁转矩T为静态转矩，与外加转矩平衡。角度称失调角。T与之间的关系称矩角特性。v 最高启动频率 最高启动频率是指空载时，步进电动机由静止突然启动并不丢步地进入正常运行状态所允许的最高指令脉冲频率。v 最高工作频率 指步进电动机启动以后，在连续运行时所能接受的最高指令脉冲频率。最高工作频率远大于最高启动频率。v 运行矩频特性 描述步进电动机在连续运行时，输出转矩与连续运行频率

8、之间的关系。是衡量步进电动机连续运行时承载能力的动态指标。上述步进电动机的后四项主要特性均与驱动电源有很大关系。3 3步进电动机的类型步进电动机的类型v 按相数分主要有三、四、五、六相等几种。相数越多，步距角越小。采用多相通电，可以提高步进电机的矩频特性。v 按结构分有径向分相式和轴向分相式两种。径向分相步进电动机的各相分布在定子圆周的不同区间；轴向分相步进电动机的转子和定子沿轴线分为多段，一段为一相，每段只有一个绕组。v 按工作原理分有反应式、永磁式和永磁感应子式。数控机床上常用的是反应式和永磁感应子式。永磁式步进电动机的转子具有永久磁钢，转子的永久磁场和定子的励磁磁场相互作用产生吸引力，从

9、而产生转矩。转子和定子的吸引力大，转矩也大。定子绕组一般为两相，定子和转子没有小齿，因此步距角比较大。永磁感应子式，也称混合式，其定子铁心与转子制有小齿，转子由永久磁钢和铁心组合而成，它既可以像反应式步进电动机那样做成小步距角，又有永磁式步进电动机那样大的转矩。（二）步进电动机驱动器（二）步进电动机驱动器 步进电动机驱动器由环形脉冲分配器和功率放大器组成。1 1环形脉冲分配器环形脉冲分配器 必须按一定的顺序给绕组通电，才能保证步进电动机正常工作。环形脉冲分配器就是将CNC装置插补输出的进给指令脉冲，按要求的绕组通电方式和顺序分配给各绕组，作为绕组通电的控制脉冲。环形脉冲分配器的功能可由硬件电路

10、实现，也可由软件实现。采用软件实现时，CNC装置输出接口的一位对应步进电动机绕组的一相，通过对输出接口置“1”和清“0”来实现脉冲的输出。脉冲分配规律则通过软件逻辑实现。采用硬件电路实现时，主要是用专用的集成环形脉冲分配器。集成环形脉冲分配器集成度高、功能强、可靠性好、可编程。如：用于三相步进电动机控制的CH250集成环形脉冲分配器。一般还要在启动和停止阶段进行加减速控制。加减速控制可作为环形脉冲分配器的一部分，一般在环形脉冲分配前进行。可由软件实现，也可以由硬件电路实现。2 2功率放大器功率放大器 从环形脉冲分配器输出的控制脉冲信号功率很小，必须经功率放大器放大后，才能驱动步进电动机运转。功

11、率放大器有电压型和电流型。电压型又有单电压型、双电压型，电流型有恒流型、斩波恒流型等。采用脉冲变压器TI组成的高低压功率放大器电路。当输入端为低电平时，晶体管VTl、VT2、VT3、VT4均截止，电动机绕组W无电流通过。输入脉冲到来时，输入端变为高电平，晶体管VTl、VT2、VT4饱和导通。在VT2由截止到饱和导通期间，其集电极电流，即脉冲变压TI的一次电流急剧增加，在变压器二次侧感生一个电压，使VT3饱和导通，80V的高压经高压管VT3加到绕组W上，使流过绕组W的电流迅速上升。当VT2进入稳定状态后，TI一次侧电流恒定，无磁通量变化，二次侧的感应电压为零，VT3截止，12V低压电源经VDl加

12、到绕组W上，并维持绕组W中的电流。输入脉冲结束后，晶体管VTl、VT2、VT3、VT4又都截止，储存在W中的能量通过18的电阻和VD2放电，电阻的作用是减小放电回路的时间常数，改善电流波形的后沿。该电路由于采用高压驱动，电流增长加快，脉冲电流的前沿变陡，电动机的动态转矩和运行频率都得到了提高。三、闭环和半闭环伺服系统（一）直流伺服电动机及其速度控制（一）直流伺服电动机及其速度控制 1 1永磁式直流伺服电动机永磁式直流伺服电动机 直流伺服电动机按激磁方式分为电磁式和永磁式。进给伺服系统中，主要使用永磁式。又称大惯量宽调速直流伺服电动机、直流力矩电动机。具有转矩大、转矩与电流成正比、伺服性能好、反

13、应迅速、体积小、功率/体积大、功率/质量大、稳定性好、过载工作能力强、可直接与丝杠相连等优点。最大缺点是需要电刷，电磁干扰大，电刷易磨损，需经常维护和保养，限制转速提高，一般为10001500r/min。由定子、转子、电刷和换向器等部分构成。转子又称电枢，由铁心和绕组组成；定子为永久磁钢励磁磁极，采用高性能永磁材料。转子上槽数较多，槽的截面积大，磁极对数较多。机械时间常数和电气时间常数小，快速响应性能好。电刷与换向器用于将电枢绕组与外电路接通。直流伺服电动机一般可内装速度和位移检测元件。速度检测元件一般采用低纹波的测速发电机。位移检测元件一般采用旋转变压器或脉冲编码器。还可选装一体化的机械制动

14、器。第十次2直流电动机的机械特性、调速原理和方法直流电动机的机械特性、调速原理和方法 直流伺服电动机工作原理与普通直流电动机完全相同。其机械特性方程为其中：n为电动机转速，r/min；Ua为电枢回路外加电压，V；Ra为电枢回路电阻，；Ce为电动机反电动势系数；CT为转矩常数，Nm/A；为定子和转子每极气隙磁通量，Wb；T为电动机的电磁转矩，Nm。改变电枢电压Ua和励磁磁通量是调节转速的两种主要方法。改变电枢方法称调压调速。电枢回路的外加电压不高于电动机电枢额定电压，从额定电压往下降低电枢电压，即从额定转速向下调速，属恒转矩调速，速调速范围较宽。改变励磁磁通量方法称调磁调速。励磁磁通量只能从额定

15、值往下减弱，即从额定转速向上调速，属恒功率调速，速调范围较窄。进给系统中采用永磁式直流伺服电动机，只能采用调压调速方法。3 3晶体管脉宽调制调速系统晶体管脉宽调制调速系统（简称（简称PWM系统）系统）以大功率晶体管为电枢绕组主回路控制器件，其大功率晶体管工作于开关状态，开关频率恒定，用改变开关导通时间的方法来调整晶体管输出的电压脉冲宽度，从而使加在电枢绕组上的电压平均值也可调整。由于近十几年大功率晶体管工艺上的成熟，功率、开关频率、耐压都有大幅度提高，使PWM系统在直流进给伺服中得到广泛应用。v PWM系统的组成原理 PWM系统由控制回路和主回路两大部分组成。控制部分包括速度调节器、电流调节器

16、、脉宽调制器和基极驱动电路等；主回路包括晶体管开关功率放大器和整流器等。控制部分的速度调节器和电流调节器构成双环控制。对电枢绕组的电压控制和调节由脉宽调制器和开关功率放大器实现，它们是脉宽调制调速系统的核心。v 脉宽调制调速系统主回路 是开关功率放大器。整流器是为开关功率放大器提供要求的大功率直流电源。广泛使用的H型开关功率放大器，是由四个二极管和四个功率晶体管组成的桥式回路。直流供电电源+ES由三相全波整流器提供。电枢绕组接到桥路中的AB两点。电枢绕组电压ua、电流ia。四个功率晶体管基极控制电压信号ub1、ub2、ub3 和ub4 由脉宽调制器产生，并经基极驱动电路驱动后，加到基极。在电动

17、机正常工作（电动机状态，即非制动状态）情况下，要求的ub1ub4电压波形、电枢绕组电压ua、电枢绕组电流ia的波形如图示。v 脉宽调制器 是将速度控制电压信号转换成周期固定的脉冲电压信号，脉冲宽度取决于控制电压值，提供开关功率放大器所需的基极控制信号。结构上由两部分组成，一部分是调制信号发生器，另一部分是比较放大器。用三角波作为调制信号的脉宽调制器原理。（二）交流伺服电动机及其速度控制（二）交流伺服电动机及其速度控制 交流伺服电动机没有电刷和换向器等结构上的缺陷，可以达到更高的转速和更大的容量，并且结构相对简单，同样体积下，功率可比直流伺服电动机提高1070。现代数控机床进给驱动中普遍采用交流

18、伺服系统，直流伺服系统已基本被取代。1 1交流伺服电动机交流伺服电动机 数控机床进给伺服系统多采用永磁同步交流伺服电动机，其优点是电动机结构简单、运行可靠、效率较高。v 永磁同步交流伺服电动机结构 主要由定子、转子和速度检测元件三部分组成。定子由冲片叠成，具有齿槽，内有三相绕组，形状与普通三相交流异步电动机的定子相同，外形多呈多边形，无外壳，有利于散热。转子与定子极对数相同，由多块永久磁铁和冲片组成，其优点是气隙磁通密度高。转子的永久磁铁一般采用性能优良第三代稀土合金钕铁硼合金。检测元件与电动机为一体化设计、制造，一般采用脉冲编码器。第十一次v 永磁同步交流伺服电动机工作原理 当定子三相绕组通

19、以三相交流电后，产生一个旋转磁场，该旋转磁场以同步转速ns旋转，定子和转子异性磁极相互吸引，使定子旋转磁场带动转子一起以同步转速ns旋转。当转子轴上加有负载转矩之后，将使定子磁场轴线与转子磁场轴线相差一个角；负载转矩增加，角也增大，但只要不超过一定界限，转子仍然随着定子旋转磁场一起旋转。设转子转速为n（r/min），则式中，f 是交流电频率（Hz）；p 是定子和转子极对数。极对数 p 是固定的，只能通过改变交流电频率 f 来调速，称为变频调速。变频调速的主要环节是变频电源，又称变频器。目前数控机床进给驱动上常用交直交变频器。是先将电网电源经整流后变为直流，再供给逆变器部分，输出电压和频率可变的

20、交流电。在控制方式上有多种。数控机床进给驱动中，几乎全部采用PWM控制。永磁同步交流伺服电动机应用中存在的一个较大问题是启动困难。由于转子本身的惯量以及启动时定、转子磁场之间转速相差太大，使转子受到的平均转矩为零，因此不能启动。通常采用降低转子惯量，或在速度控制单元中采取低速启动后逐渐加速的控制方法。2 2交流伺服电动机的速度控制交流伺服电动机的速度控制 典型的永磁同步交流伺服电动机的速度控制系统组成原理。该系统包括了速度环、电流环、PWM变频器等。速度环、电流环与直流伺服系统相同，不同之处在于PWM变频器。v PWM变频器 PWM变频器是采用脉冲宽度调制方法来控制交流电频率的。有多种脉宽调制

21、方法，应用最广泛的是SPWM调制，即正弦波脉冲宽度调制，相应的变频器称SPWM变频器。SPWM变频器由U/f变换器、SPWM调制器和功率放大器主回路组成。U/f变换器，即电压/频率变换器，用于将电压形式的速度指令信号转换成正弦信号输出，正弦信号的频率即代表速度指令值。SPWM调制器是SPWM变频器的核心。功率放大器主回路由整流、滤波和逆变电路几部分组成，其中逆变电路是SPWM变频器的关键部件。v SPWM调制原理 SPWM调制器的功用是调制出与正弦波等效的一系列等幅、不等宽的矩形脉冲波形。等效的原则是各矩形脉冲的面积与正弦波下的面积相等或成比例。如果把半个周期正弦波分作n等分，然后把每一等分的

22、正弦曲线下所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合。这样由n个等距、等幅、不等宽（中间脉冲宽、两边脉冲窄，脉宽按正弦规律变化）的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波等效，称作SPWM调制波（单极性）。同样，正弦波的负半周也可按相同的方法与一系列脉宽按正弦规律变化的负脉冲波等效，从而实现负半周信号的调制。v SPWM调制器 一种单相双极性SPWM调制器的电路原理图。该电路用三角波ut为载波，用正弦波us为控制波，进行脉冲宽度调制，得到调制波um。Q1和Q2组成的二级运算放大器构成三角波发生器，产生三角波ut。Q3为电压比较电路，形成调

23、制波um，为后面功率放大主电路的大功率晶体管提供基极控制信号。U/f变换器产生正弦调制波us接Q3的同相输入端，其频率代表速度指令。三角波载波ut接Q3的反相输入端。三角波载波频率远大正弦调制波频率。当usut时，Q3的输出um为高电平；当usut时，Q3的输出um为低电平。Q1、Q2和Q3为对称正、负电压供电，即ud，因此它们的输出电压信号为双极性的，高电平略小于ud，低电平略大于ud。三相双极性SPWM调制时，对应每相都有一个上述电路。三个电压比较器的反相输入端接同一个共用的三角波载波；三个电压比较器的同相输入端分别输入三个正弦调制波，它们频率相等，两两之间相位相差120。三个电压比较器产

24、生的三个调制波uma、umb和umc，就是后面三相功率放大主电路大功率晶体管的基极控制信号。v SPWM变频器功率放大主回路 与上述SPWM调制器配套的双极性SPWM功率放大主回路。图中左侧为桥式整流器，由六个整流二极管VD1VD6组成，将工频交流电变成直流恒值电压Us，给图中右侧逆变器供电。逆变器由VT1VT6六个大功率晶体管和六个续流二极管VD7VD12组成。三相双极性SPWM调制器产生的三个调制波uma、umb和umc，经驱动放大，送入VT1、VT3和VT5的基极，uma、umb和umc反向后，经驱动放大，送入VT2、VT4和VT6的基极，控制VT1VT6六个大功率晶体管导通，获得三相输

25、出电压Ua、Ub和Uc，用于驱动交流伺服电动机定子绕组。三相输出电压Ua、Ub和Uc的波形对应与uma、umb和umc的波形一致，仅电压幅值不同。上述为SPWM控制的硬件电路实现方法，缺点是所需硬件多，且不够灵活，改变参数和调试比较麻烦。也可以采用微处理器通过软件算法实现SPWM控制，全数字伺服系统就是这样。在全数字数伺服系统中，速度调节器、电流调节器等弱电控制功能都是由软件算法实现的，优点是所需硬件少，灵活性好，智能性强。前采用微机控制的数字化SPWM技术已占当今PWM逆变器的主导地位。（三）位置控制（三）位置控制l 位置控制是伺服系统位置环的任务，从功能上讲是伺服系统重要组成部分，是保证执

26、行件位置精度的关键环节。l 闭环和半闭环伺服系统的位置控制可以由CNC装置的软件实现，也可以由CNC装置以外的专用装置实现。l 实现位置控制的专用装置有全硬件伺服系统，也有全数字伺服系统。l 全硬件伺服系统多采用数字脉冲比较方式。l 在全数字伺服系统中，使用一个或多个微处理器为控制核心，通过软件实现伺服系统的所有控制功能。l 采用全数字伺服系统配合CNC装置实现位置控制，是数控机床伺服系统的发展方向，实践中已被广泛采用。1 1数字脉冲比较伺服系统数字脉冲比较伺服系统 在数字脉冲比较伺服系统中，指令位移和实际位移均采用数字脉冲或数码表示，采用数字脉冲比较的方法构成位置闭环控制。这种系统的优点是结

27、构比较简单，易于实现数字化控制，其控制性能优于相位和幅值伺服系统。在半闭环控制的数字脉冲比较伺服系统中，多使用脉冲编码器或绝对值编码器作为检测元件；在闭环控制的数字脉冲比较伺服系统中，多使用光栅或绝对值磁尺、绝对值光电编码尺作为检测元件。以采用脉冲编码器作为检测元件的半闭环数字脉冲比较伺服系统。脉冲编码器与伺服电动机的转轴（或滚动丝杠、齿轮轴等）联接，检测伺服电动机的转角位移，产生反馈脉冲序列PF。CNC装置插补运算输出的进给指令脉冲序列为PC。指令脉冲与反馈脉冲分别由各自的数字脉冲与数码转换器转换为数值（如采用可逆计数器对输入脉冲进行计数，并以数值输出），指令脉冲序列对应数值SC，反馈脉冲序

28、列对应数值SF。比较器为减法器（全加器），实现偏差运算，得到位移偏差eSCSF。在数字脉冲比较伺服系统中，实现位置比较涉及两个主要器件，即比较器和数字脉冲与数码转换器。数字脉冲比较伺服系统使用的比较器有多种结构，常用的有数值比较器、数字脉冲比较器和数值与数字脉冲比较器。指令信号和反馈信号，可以是脉冲序列的形式，也可以是数码形式。当信号形式与使用的比较器要求的输入形式一致时，可直接输入；不一致时，应进行信号形式上的转换，使用的器件统称为数字脉冲与数码转换器。数字脉冲与数码转换器有两类，一是数字脉冲数码转换器，可将数字脉冲转化为数值；二是数码数字脉冲转换器，可将数值转化为数字脉冲。2 2全数字伺服

29、系统全数字伺服系统l 全数字伺服系统用计算机软件来实现伺服系统信息处理和控制功能。l 全数字伺服系统可以包括位置环控制，也可以将位置环控制任务交给CNC装置由软件完成。l 全数字伺服系统在硬件构成上，可以使用一个微处理器完成所有控制任务，也可以使用多个微处理器，将控制任务分解为位置控制、速度控制和电流控制、PWM调制等几部分，各部分控制功能采用单独的微处理器构成相应的功能模块分别加以实现。l 全数字伺服系统的微处理器主要采用DSP或通用的单片机，也可直接采用工业PC机作为全数字伺服系统控制器。l 全数字伺服系统具有以下特点：u 采用现代控制理论，通过计算机软件实现最优控制。u 全数字伺服系统是一种离散系统，离散系统的校正环节，如PID控制，可由软件实现。各控制参数可以用数字形式设定，非常灵活方便。利用计算机良好的人机界面进行图形化调试。u 全数字伺服系统在很多特性都优于模拟、或模拟数字混合伺服系统。u 高速度、高性能的微处理器，使系统有较高的动、静态精度。u 控制技术的软件化和硬件的通用化使其成本大大降低，互换性提高。u目前，全数字伺服系统已获得广泛应用，将成为伺服系统的主流。