《进给伺服系统》PPT课件.ppt

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1、第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统n n概述概述n n伺服电机及其调速伺服电机及其调速n n位置检测装置位置检测装置n n典型进给伺服系统典型进给伺服系统4.1 概述概述n n4.1.1 基本定义基本定义n n4.1.2 伺服系统的基本要求伺服系统的基本要求n n4.1.3 分类分类4.1.1 基本定义基本定义n n伺服系统伺服系统根据数控装置给出的指令控制根据数控装置给出的指令控制根据数控装置给出的指令控制根据数控装置给出的指令控制工作台工作台的速度、的速度、的速度、的速度、位移或位移或位移或位移或主轴主轴转速的控制系统。转速的控制系统。转速的控制系统。转速的控制系统。n n分类：分类：

2、进给伺服系统进给伺服系统进给伺服系统进给伺服系统主轴伺服系统主轴伺服系统主轴伺服系统主轴伺服系统进给伺服系统进给伺服系统n n组成组成组成组成 伺服驱动电路伺服驱动电路伺服驱动电路伺服驱动电路 伺服驱动装置（电机）伺服驱动装置（电机）伺服驱动装置（电机）伺服驱动装置（电机）位置检测装置位置检测装置位置检测装置位置检测装置 机械传动机构机械传动机构机械传动机构机械传动机构 执行部件执行部件执行部件执行部件n n性能取决于性能取决于性能取决于性能取决于 各组成环节的特性各组成环节的特性各组成环节的特性各组成环节的特性 各环节性能参数的合各环节性能参数的合各环节性能参数的合各环节性能参数的合理匹配理

3、匹配理匹配理匹配4.1.2 伺服系统的技术要求伺服系统的技术要求n n位移精度位移精度位移精度位移精度 控制分辨率、位置精度、重复精度控制分辨率、位置精度、重复精度控制分辨率、位置精度、重复精度控制分辨率、位置精度、重复精度n n调速范围宽调速范围宽调速范围宽调速范围宽 需要足够的调速范围来达到最优的金属切除率需要足够的调速范围来达到最优的金属切除率需要足够的调速范围来达到最优的金属切除率需要足够的调速范围来达到最优的金属切除率n n反向死区小反向死区小反向死区小反向死区小n n能频繁启、停和正反转能频繁启、停和正反转能频繁启、停和正反转能频繁启、停和正反转n n快速性和稳定性快速性和稳定性快

4、速性和稳定性快速性和稳定性快速性和稳定性快速性和稳定性n n动态响应快（快速性）：动态响应快（快速性）：动态响应快（快速性）：动态响应快（快速性）：到达稳态值的时间越短越好到达稳态值的时间越短越好到达稳态值的时间越短越好到达稳态值的时间越短越好 200100ms200100ms，fg时，步进电机不能正常运行。时，步进电机不能正常运行。n nfg与步进电机的惯性负载与步进电机的惯性负载J有关，有关，J fg n nCNC机床加速度受限于机床加速度受限于fg连续运行的最高工作频率连续运行的最高工作频率n n步进电机连续运行时所能接受的最高控步进电机连续运行时所能接受的最高控制频率制频率n n远大于

5、启动频率远大于启动频率n n与步距角一起决定执行部件的最大运动与步距角一起决定执行部件的最大运动速度。速度。n n决定于负载惯量决定于负载惯量J、定子相数、通电方式、定子相数、通电方式、控制电路的功率放大级控制电路的功率放大级转矩转矩频率特性频率特性n n负载转矩越大，工作频负载转矩越大，工作频负载转矩越大，工作频负载转矩越大，工作频率越低，符合加工实际率越低，符合加工实际率越低，符合加工实际率越低，符合加工实际需求需求需求需求n n在步进电机运行时，对在步进电机运行时，对在步进电机运行时，对在步进电机运行时，对应于某一频率，只有当应于某一频率，只有当应于某一频率，只有当应于某一频率，只有当负

6、载转矩小于它在该频负载转矩小于它在该频负载转矩小于它在该频负载转矩小于它在该频率时的最大动态转矩，率时的最大动态转矩，率时的最大动态转矩，率时的最大动态转矩，电机才能正常运转电机才能正常运转电机才能正常运转电机才能正常运转n n应根据负载要求参照高应根据负载要求参照高应根据负载要求参照高应根据负载要求参照高频输出转矩来选用步进频输出转矩来选用步进频输出转矩来选用步进频输出转矩来选用步进电机的规格电机的规格电机的规格电机的规格步进电机开环进给的传动计算及电机选用步进电机开环进给的传动计算及电机选用n n传动计算传动计算：步距角：步距角 i：齿轮传动链的传动比：齿轮传动链的传动比：脉冲当量：脉冲当

7、量 t：滚珠丝杠导程：滚珠丝杠导程电机选用原则电机选用原则n n满足精度要求满足精度要求n n输出转矩输出转矩负载转矩（工作矩频特性、起负载转矩（工作矩频特性、起动矩频特性曲线，由频率动矩频特性曲线，由频率f查找查找M）n n步距角与机械系统匹配，以得到机床所步距角与机械系统匹配，以得到机床所需的脉冲当量需的脉冲当量n n最高运行频率必须满足机床快速性要求。最高运行频率必须满足机床快速性要求。4.3 直流伺服电机及其调速系统直流伺服电机及其调速系统直流伺服电机调速直流伺服电机调速直流电机调速方法直流电机调速方法n n改变电枢电压改变电枢电压改变电枢电压改变电枢电压U Un n改变改变改变改变K

8、Ke e 即改变磁通量即改变磁通量即改变磁通量即改变磁通量（改（改（改（改变激磁回路电阻变激磁回路电阻变激磁回路电阻变激磁回路电阻R Rj j以以以以改变激磁电流改变激磁电流改变激磁电流改变激磁电流I Ij j）n n在电枢回路中串联调在电枢回路中串联调在电枢回路中串联调在电枢回路中串联调节电阻节电阻节电阻节电阻R Rt t，此时，转，此时，转，此时，转，此时，转速公式变为速公式变为速公式变为速公式变为大惯量直流伺服电机大惯量直流伺服电机n n又称：又称：又称：又称：宽调速直流伺服电机、直流力矩电机宽调速直流伺服电机、直流力矩电机宽调速直流伺服电机、直流力矩电机宽调速直流伺服电机、直流力矩电机

9、n n激磁方式：激磁方式：激磁方式：激磁方式：永磁式永磁式永磁式永磁式n n特点：特点：特点：特点：输出力矩大：输出力矩大：输出力矩大：输出力矩大：高性能的磁性材料，产生强磁场高性能的磁性材料，产生强磁场高性能的磁性材料，产生强磁场高性能的磁性材料，产生强磁场，具有大的矫顽力和足，具有大的矫顽力和足，具有大的矫顽力和足，具有大的矫顽力和足够的厚度，能承受高的峰值电流以满足快的加减速要求够的厚度，能承受高的峰值电流以满足快的加减速要求够的厚度，能承受高的峰值电流以满足快的加减速要求够的厚度，能承受高的峰值电流以满足快的加减速要求 增加转子的槽数和槽的截面积，增大磁极对数，使得转矩增加转子的槽数和

10、槽的截面积，增大磁极对数，使得转矩增加转子的槽数和槽的截面积，增大磁极对数，使得转矩增加转子的槽数和槽的截面积，增大磁极对数，使得转矩-惯量比增大，电枢电感减小，电机的机械时间常数和电气惯量比增大，电枢电感减小，电机的机械时间常数和电气惯量比增大，电枢电感减小，电机的机械时间常数和电气惯量比增大，电枢电感减小，电机的机械时间常数和电气时间常数都减小，改善响应的快速性。时间常数都减小，改善响应的快速性。时间常数都减小，改善响应的快速性。时间常数都减小，改善响应的快速性。大惯量直流伺服电机大惯量直流伺服电机n n特点：特点：大惯量的结构使在长期过载工作时具有大的大惯量的结构使在长期过载工作时具有大

11、的大惯量的结构使在长期过载工作时具有大的大惯量的结构使在长期过载工作时具有大的热容量，过载能力强，允许持续过载的时间热容量，过载能力强，允许持续过载的时间热容量，过载能力强，允许持续过载的时间热容量，过载能力强，允许持续过载的时间长。长。长。长。低速高转矩和大惯量结构可以与机床进给丝低速高转矩和大惯量结构可以与机床进给丝低速高转矩和大惯量结构可以与机床进给丝低速高转矩和大惯量结构可以与机床进给丝杠直接连接；杠直接连接；杠直接连接；杠直接连接；电机轴上装有精密的测速发电机、旋转变压电机轴上装有精密的测速发电机、旋转变压电机轴上装有精密的测速发电机、旋转变压电机轴上装有精密的测速发电机、旋转变压器

12、或脉冲编码器，从而可以得到精密的速度器或脉冲编码器，从而可以得到精密的速度器或脉冲编码器，从而可以得到精密的速度器或脉冲编码器，从而可以得到精密的速度和位置检测信号，以反馈到速度控制单元和和位置检测信号，以反馈到速度控制单元和和位置检测信号，以反馈到速度控制单元和和位置检测信号，以反馈到速度控制单元和位置控制单元。位置控制单元。位置控制单元。位置控制单元。大惯量直流伺服电机大惯量直流伺服电机n n缺点：缺点：控制不如步进电机简单控制不如步进电机简单控制不如步进电机简单控制不如步进电机简单快速响应性能不如小惯量电机快速响应性能不如小惯量电机快速响应性能不如小惯量电机快速响应性能不如小惯量电机耐温

13、可达耐温可达耐温可达耐温可达150150200200，转子温度高，热量通，转子温度高，热量通，转子温度高，热量通，转子温度高，热量通过转轴传到丝杠，若不采取措施，丝杠热变过转轴传到丝杠，若不采取措施，丝杠热变过转轴传到丝杠，若不采取措施，丝杠热变过转轴传到丝杠，若不采取措施，丝杠热变形将影响传动精度形将影响传动精度形将影响传动精度形将影响传动精度电机电刷易磨损，维修保养也存在一定问题。电机电刷易磨损，维修保养也存在一定问题。电机电刷易磨损，维修保养也存在一定问题。电机电刷易磨损，维修保养也存在一定问题。直流伺服电机的运行特性直流伺服电机的运行特性直流伺服电机的调速系统直流伺服电机的调速系统n

14、n可控硅调速系统可控硅调速系统n n脉冲调宽调速系统（脉冲调宽调速系统（PWM）直流伺服电机的可控硅调速系统直流伺服电机的可控硅调速系统n n又称：又称：晶闸管供电转速电流双闭环直流调速系统晶闸管供电转速电流双闭环直流调速系统晶闸管供电转速电流双闭环直流调速系统晶闸管供电转速电流双闭环直流调速系统UdPWM控制示意图控制示意图n n通过改变脉冲宽度的方法来改变电枢回路的平均电压，达到电机调速的目的直流伺服电机的脉冲调宽调速系统直流伺服电机的脉冲调宽调速系统脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路Cn n任务：任务：任务：任务：将速度指令电压信号转换成脉冲周期固定而宽度可将速度指令电压信号转换成脉冲周期

15、固定而宽度可将速度指令电压信号转换成脉冲周期固定而宽度可将速度指令电压信号转换成脉冲周期固定而宽度可由速度指令电压信号的大小调节变化的脉冲电压。由速度指令电压信号的大小调节变化的脉冲电压。由速度指令电压信号的大小调节变化的脉冲电压。由速度指令电压信号的大小调节变化的脉冲电压。n n组成：组成：组成：组成：调制信号发生器（三角波或锯齿波）调制信号发生器（三角波或锯齿波）调制信号发生器（三角波或锯齿波）调制信号发生器（三角波或锯齿波）比较器比较器比较器比较器 脉冲分配器脉冲分配器脉冲分配器脉冲分配器n n输出脉冲电压：控制脉宽调制放大器输出脉冲电压：控制脉宽调制放大器输出脉冲电压：控制脉宽调制放大

16、器输出脉冲电压：控制脉宽调制放大器PWMPWM的的的的基极基极基极基极b b1 1b b4 4晶体管脉宽放大器（晶体管脉宽放大器（PWM）双极式双极式PWM变换器工作原理变换器工作原理PWM调速的特点调速的特点n n开关频率高开关频率高n n纹波系数低纹波系数低n n频带较宽频带较宽n n可在高峰值电流下工作可在高峰值电流下工作4.4 交流伺服系统交流伺服系统n n含义：含义：使用使用使用使用ACAC电机的伺服系统电机的伺服系统电机的伺服系统电机的伺服系统n n分类：分类：交流感应电机（异步）：结构简单，容量大，交流感应电机（异步）：结构简单，容量大，交流感应电机（异步）：结构简单，容量大，交

17、流感应电机（异步）：结构简单，容量大，价格低，一般用作主运动的驱动电路价格低，一般用作主运动的驱动电路价格低，一般用作主运动的驱动电路价格低，一般用作主运动的驱动电路交流同步电机（永磁）：进给运动的驱动电交流同步电机（永磁）：进给运动的驱动电交流同步电机（永磁）：进给运动的驱动电交流同步电机（永磁）：进给运动的驱动电机机机机永磁同步式交流伺服电机永磁同步式交流伺服电机n n组成：组成：交流伺服电机调速交流伺服电机调速据电机学知，交流异步电机的转速表达式为：据电机学知，交流异步电机的转速表达式为：据电机学知，交流异步电机的转速表达式为：据电机学知，交流异步电机的转速表达式为：式中式中式中式中 f

18、 f1 1定子电源频率（定子电源频率（定子电源频率（定子电源频率（HzHz）；）；）；）；p p磁极对数；磁极对数；磁极对数；磁极对数；s s转差率。转差率。转差率。转差率。n n交交交交流流流流伺伺伺伺服服服服电电电电机机机机变变变变频频频频调调调调速速速速的的的的关关关关键键键键：获获获获得得得得调调调调频频频频调调调调压压压压的交流电流的交流电流的交流电流的交流电流交流伺服电机变频调速交流伺服电机变频调速正弦波脉宽调制信号正弦波脉宽调制信号矢量变换控制原理矢量变换控制原理n n目的目的目的目的 建立一个与交流电动机等效的建立一个与交流电动机等效的建立一个与交流电动机等效的建立一个与交流电

19、动机等效的直流电动机直流电动机直流电动机直流电动机模型，得模型，得模型，得模型，得到与直流电机相同的优异控制性能。到与直流电机相同的优异控制性能。到与直流电机相同的优异控制性能。到与直流电机相同的优异控制性能。n n准则准则准则准则 变换前后由同样的旋转磁势（即产生同样的旋转磁变换前后由同样的旋转磁势（即产生同样的旋转磁变换前后由同样的旋转磁势（即产生同样的旋转磁变换前后由同样的旋转磁势（即产生同样的旋转磁场）场）场）场）n n方法方法方法方法 A A、B B、C C三相坐标系的交流量三相坐标系的交流量三相坐标系的交流量三相坐标系的交流量DD、QQ两相固定坐两相固定坐两相固定坐两相固定坐标系的

20、交流量标系的交流量标系的交流量标系的交流量转子磁场定向的转子磁场定向的转子磁场定向的转子磁场定向的MM T T 直角坐标系直角坐标系直角坐标系直角坐标系的直流量的直流量的直流量的直流量电动机控制对比电动机控制对比n n直流电动机直流电动机直流电动机直流电动机 与电机电磁转矩相关的主磁通与电机电磁转矩相关的主磁通与电机电磁转矩相关的主磁通与电机电磁转矩相关的主磁通和电枢电流和电枢电流和电枢电流和电枢电流I Ia a是相是相是相是相互独立的两个变量互独立的两个变量互独立的两个变量互独立的两个变量 分别控制励磁电流和电枢电流，即可方便地进行转分别控制励磁电流和电枢电流，即可方便地进行转分别控制励磁电

21、流和电枢电流，即可方便地进行转分别控制励磁电流和电枢电流，即可方便地进行转矩与转速的线性控制矩与转速的线性控制矩与转速的线性控制矩与转速的线性控制 单输入单输出的单变量控制系统单输入单输出的单变量控制系统单输入单输出的单变量控制系统单输入单输出的单变量控制系统n n交流电机交流电机交流电机交流电机 定子与转子间存在强烈的电磁耦合关系定子与转子间存在强烈的电磁耦合关系定子与转子间存在强烈的电磁耦合关系定子与转子间存在强烈的电磁耦合关系 I I2 2时刻影响着气隙磁通时刻影响着气隙磁通时刻影响着气隙磁通时刻影响着气隙磁通 定子电压和电流均是随时间交变的矢量，而磁通是定子电压和电流均是随时间交变的矢量，而磁通是定子电压和电流均是随时间交变的矢量，而磁通是定子电压和电流均是随时间交变的矢量，而磁通是空间交变矢量空间交变矢量空间交变矢量空间交变矢量 如仅仅控制定子电压和频率，其输出机械特性受到如仅仅控制定子电压和频率，其输出机械特性受到如仅仅控制定子电压和频率，其输出机械特性受到如仅仅控制定子电压和频率，其输出机械特性受到磁通的影响将不会是线性的磁通的影响将不会是线性的磁通的影响将不会是线性的磁通的影响将不会是线性的交流电机等效变换交流电机等效变换矢量控制变频调速系统矢量控制变频调速系统（SPWM）