数控机床-课件-闭环伺服系统.ppt
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- 数控机床 课件 闭环 伺服系统
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1、第三节第三节 闭环伺服系统闭环伺服系统一、概述一、概述1位置检测单元位置检测单元将检测元件检测到的位置信号进行处理,将检测元件检测到的位置信号进行处理, 以形成位置反馈信号。以形成位置反馈信号。2比较环节比较环节完成指令信号与反馈信号的比较等。完成指令信号与反馈信号的比较等。3伺服驱动伺服驱动功率放大,以驱动伺服元件。功率放大,以驱动伺服元件。4伺服电机伺服电机将电信号转换成机械运动。将电信号转换成机械运动。 (一一) 系统组成系统组成指令信号指令信号比较环节比较环节伺服驱动伺服驱动伺服电机伺服电机 位置检测单元位置检测单元 反馈信号反馈信号 全闭环全闭环 精度高精度高,但结构复杂、成本高,调
2、试维修困难,但结构复杂、成本高,调试维修困难,适于大型精密数控系统。适于大型精密数控系统。半闭环半闭环 精度较全闭环差些,但精度较全闭环差些,但结构简单,造价低结构简单,造价低且且 便于调整。便于调整。交流伺服交流伺服 直流伺服直流伺服 数字伺服数字伺服 (二二) 闭环伺服系统分类闭环伺服系统分类具有较高精度、速度、和动态特性具有较高精度、速度、和动态特性定位与控制精度高,速度快,稳定性好,有故定位与控制精度高,速度快,稳定性好,有故障自诊断和报警功能障自诊断和报警功能 (一一) 对驱动元件的要求对驱动元件的要求 1 1转动惯量小转动惯量小以提高系统的快速响应以提高系统的快速响应3 3低速运行
3、的稳定性、均匀性好低速运行的稳定性、均匀性好以保证低速时的精度以保证低速时的精度2 2过载能力强过载能力强以适应经常出现的过冲现象以适应经常出现的过冲现象 1 1小惯量直流伺服电动机小惯量直流伺服电动机 1) 转子细而长转子细而长大大减小了电动机的大大减小了电动机的转动惯量转动惯量, , 快速响应性能好。快速响应性能好。2) 气隙较大气隙较大换向性好换向性好,时间常数,时间常数5-10ms5-10ms。 3) 转子上无槽转子上无槽电感小,时间常数小电感小,时间常数小,动态特性,动态特性 好,响应快,低速运转稳定而均匀。好,响应快,低速运转稳定而均匀。 4) 气隙磁密度大气隙磁密度大过载能力强过
4、载能力强。 输出功率几输出功率几+ +瓦瓦+ +千瓦,转速千瓦,转速1-3000r/min1-3000r/min 最大转矩约最大转矩约20N.m,20N.m,但输出需加齿轮减速但输出需加齿轮减速 1) 转矩大转矩大2) 调速范围宽调速范围宽 10001500r/min3) 转动惯量小转动惯量小 设计时可设计时可忽略忽略其它传动件的其它传动件的转动惯量转动惯量 4) 动态响应好动态响应好 最大峰值转矩最大峰值转矩可达可达额定转矩额定转矩的的1010倍,可在倍,可在3 3倍额定倍额定转矩的过载条件下工作转矩的过载条件下工作30min30min,但,但快速响应性能快速响应性能不如小不如小惯量电机。惯
5、量电机。 5) 过载能力强过载能力强v特点:特点:2 2大惯量直流伺服电动机大惯量直流伺服电动机 小惯量 中惯量 大惯量 型 号 参数 OL 5L 10LH OM 20M 30M 0 10 20H 40 50 70H 输出功率(kw) 0.3 0.6 6.0 0.4 1.8 2.8 0.4 1.1 3.1 5 10 22 暂定转矩(N.m) 2.5 1.9 19 2.7 22.5 37.2 2.7 11.8 39.2 32.3 65.7 23.5 最大转矩(N.m) 12.3 21.5 147 14.7 112 186 24 114 241 245 510 520 最大转速(r/min) 20
6、00 2000 2000 2000 1500 1200 2000 1500 1500 2000 2000 2000 电枢转动惯量 (9.8N.m2) 0.00019 0.00088 0.015 0.002 0.013 0.036 0.0028 0.02 0.038 0.12 0.19 0.60 机械时间常数(ms) 7 5 7 10 10 8 25 19 17 24 15 18 热 时 间 常 数(min) 15 20 10 10 70 85 50 100 35 120 120 35 重量(kg) 10 15 66 12 30 53 12 25 45 90 125 220 1 1笼型异步型伺服
7、电动机笼型异步型伺服电动机定子定子 对称三相绕组对称三相绕组产生旋转磁场产生旋转磁场 转子转子 转子绕组(导体)转子绕组(导体) 切割磁通切割磁通产生感应电势产生感应电势 感应电流感应电流 电磁转矩电磁转矩 转子转动转子转动 转子转子转动方向转动方向与旋转磁场方向与旋转磁场方向不同不同异步异步 转子转子转动速度转动速度小于小于旋转磁场速度旋转磁场速度n n0 0 转差率转差率 ( (三三) ) 交流伺服电动机交流伺服电动机2 2永磁同步型伺服电动机永磁同步型伺服电动机 v 定子定子 三相电枢绕组三相电枢绕组产生产生旋转磁场旋转磁场 v 转子转子 永磁体永磁体 产生恒定产生恒定励磁磁场励磁磁场
8、v 通电的电枢绕组及载流导体切割磁力线通电的电枢绕组及载流导体切割磁力线产生电磁力产生电磁力 以反作用力方式以反作用力方式驱动转子驱动转子永磁体永磁体转动转动 v 转子转子转动的方向转动的方向与旋转磁场方向与旋转磁场方向相同相同同步同步 ( (三三) )交流伺服电动机交流伺服电动机v 表表2 DC2 DC伺服电动机与伺服电动机与ACAC伺服电动机的比较伺服电动机的比较 机机 种种 比比 较较 内内 容容 永永 磁磁 同同 步步 型型 A C 伺伺 服服 电电 动动 机机 异异 步步 型型 A C 伺伺 服服 电电 动动 机机 D C 伺伺 服服 电电 动动 机机 电电 机机 构构 造造 比比
9、较较 简简 单单 简简 单单 因因 有有 电电 刷刷 和和 换换 向向 器器 ,结结 构构 复复 杂杂 变变 流流 机机 构构 C TR 或或 P-MO SFET 逆逆 变变 器器 或或 P-MO SFET 逆逆 变变 器器 大大 转转 矩矩 约约 束束 永永 磁磁 体体 去去 磁磁 无无 特特 殊殊 要要 求求 整整 流流 火火 花花 , 永永 磁磁 体体 退退 磁磁 发发 热热 情情 况况 只只 有有 定定 子子 线线 圈圈 发发 热热 , 有有 利利 定定 、转转 子子 均均 发发 热热 ,需需采采 取取 措措 施施 转转 子子 发发 热热 , 不不 利利 高高 速速 化化 比比 较较
10、容容 易易 容容 易易 稍稍 有有 困困 难难 大大 容容 量量 化化 稍稍 微微 困困 难难 容容 易易 难难 制制 动动 容容 易易 困困 难难 容容 易易 控控 制制 方方 法法 稍稍 复复 杂杂 复复 杂杂 (矢矢 量量 控控 制制 ) 简简 单单 磁磁 通通 产产 生生 永永 磁磁 体体 二二 次次 感感 应应 磁磁 通通 永永 磁磁 体体 感感 应应 电电 压压 电电 枢枢 感感 应应 电电 压压 二二 次次 阻阻 抗抗 电电 压压 电电 枢枢 感感 应应 电电 压压 环环 境境 适适 应应 性性 好好 好好 受受 火火 花花 限限 制制 维维 护护 性性 无无 无无 较较 麻麻
11、烦烦 1 1DCDC电动机转速公式电动机转速公式 ( (一一) ) 直流伺服电动机的调速直流伺服电动机的调速 n= U UD D /Ce - RI/ Ce U UD D 电枢电压电枢电压 C Ce e与电机结构有关的常数与电机结构有关的常数 励磁磁通励磁磁通 I I 励磁电流励磁电流 R R电枢回路电阻电枢回路电阻 改变改变 U UD D 调速调速的方法的方法 可控硅调速可控硅调速PWM调速调速1 ) 可控硅可控硅电力半导体电力半导体器件,是器件,是弱电弱电控制到控制到强电强电输出的桥梁作用。输出的桥梁作用。包括:包括:阳极阳极(A)、)、阴极阴极(K)、)、控制级控制级(G) 导通条件:导通
12、条件:)阳极阳极A: 阴极阴极K: )控制级控制级G 加正向电压。加正向电压。 2 2可控硅调速可控硅调速(SCR-M)( (一一) ) 直流伺服电动机的调速直流伺服电动机的调速 KAG( (一一) ) 直流伺服电动机的调速直流伺服电动机的调速 2) SCR-M调速系统 特点:特点:工作工作频频率率低低,输出输出电压波形电压波形差差,电流脉动电流脉动分量大分量大, 这不但这不但使电机发热,工作条件恶化,也影响电网电压使电机发热,工作条件恶化,也影响电网电压 波动。波动。位置检测及反馈位置检测及反馈 速度检测及反馈速度检测及反馈 位置位置 位置位置 速度速度 速度速度 电流电流 uk 指令指令
13、偏差偏差 指令指令 偏差偏差 指令指令 MM电流检测反馈电流检测反馈 UDM1) 脉宽调速原理脉宽调速原理3. 脉宽调制脉宽调制 ( (PWM) 原理与系统原理与系统PWM Pulse Width Modulation 直流电源电压直流电源电压U U经经开关开关S S转换为转换为一定频率一定频率的的方波电压方波电压加到加到直流电机直流电机电枢电枢上,通过对方波上,通过对方波脉冲宽度脉冲宽度的控制,就可改变电枢的控制,就可改变电枢的的平均电压平均电压,从而调节电机,从而调节电机转速。转速。 SUuDMMM设开关设开关S S开闭周期为开闭周期为T,每次每次闭合时间为闭合时间为 则电枢两端平均电压则
14、电枢两端平均电压Ud为为: Ud = U/T=rU r :导通率导通率( (脉宽系数脉宽系数) ) T一定一定 Ud =0 Ud=0 电机停止电机停止 =T Ud=U 最高转速最高转速 SUuDMMM3. 脉宽调制脉宽调制 ( (PWM) 原理与系统原理与系统PWM Pulse Width Modulation 1) 脉宽调速原理脉宽调速原理uDuDUd1Ud2TT T T:500 500 2500Hz2500Hz, 大大小于电动机的时间常数,故无转速脉动。大大小于电动机的时间常数,故无转速脉动。 2) 脉宽调制器脉宽调制器 PWM输入输入:电流调节器电流调节器输出的直流电压输出的直流电压U
15、Uc c输出输出:幅值恒定幅值恒定,宽度可变宽度可变的的矩形脉冲电压矩形脉冲电压方法方法:高频载波法高频载波法、数字脉宽调制数字脉宽调制、高频极限环法高频极限环法等等比较器比较器 调制信号发生器调制信号发生器 Uc Uc+D(t) e(t)D(t) + 调制信号发生器调制信号发生器 产生频率、幅值都固定的高频载波信号产生频率、幅值都固定的高频载波信号D D(t t), ,D(t)D(t)可以是三角波、锯齿波、正弦波可以是三角波、锯齿波、正弦波 高频载波法的原理高频载波法的原理直流直流输入信号输入信号Uc 叠加叠加在在载波信号载波信号D(t)D(t)上,上,再进入再进入比较器比较器。比较器比较器
16、是一个具有继电器特性的电子元件,其输出信号是一是一个具有继电器特性的电子元件,其输出信号是一个个与与D(t)D(t)同频率同频率的矩形脉冲,脉冲的矩形脉冲,脉冲占空比占空比取决于取决于Uc的大小。的大小。 2) 脉宽调制器脉宽调制器 PWM比较器比较器 调制信号发生器调制信号发生器 Uc Uc+D(t) e(t)D(t) +2) 脉宽调制器脉宽调制器 PWMVcD(t)e(t)e(t)Vc=0VcD(t)e(t)e(t)Vc0VcD(t)e(t)e(t)Vc0e(t)e(t)+VVc-VD(t) 3) 功率放大器功率放大器tttUb1Ub2UabMVD2VD1VD3VD4abV1V2V3V4E
17、dUb3ttUb4H型单极型型单极型PWM放大器原理器放大器原理器3) 功率放大器功率放大器双极型双极型PWM放大器原理器放大器原理器UabtttUb1Ub2MVD2VD1VD3VD4abV1V2V3V4EdUb3ttUb44) PWM-M系统组成及工作原系统组成及工作原理理电压电压脉宽调制器脉宽调制器 比较器比较器 功率放大器功率放大器 伺服伺服电机电机 调制信号发生器调制信号发生器 Uc Uc+D(t) e(t) u4 D(t) + PWM-M PWM-M 特点:特点: 开关频率高,仅靠电枢的电感作用,开关频率高,仅靠电枢的电感作用,即可获得满意的滤波作用,近似直流。无论高速或即可获得满意
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