五章数控伺服系统课件.ppt
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1、第五章数控伺服系统ppt课件 二、伺服系统的组成二、伺服系统的组成 伺服系统由伺服电路、伺服驱动装置、机械传动部件及执行伺服系统由伺服电路、伺服驱动装置、机械传动部件及执行部件组成。部件组成。位置控制位置控制模块模块速度控制速度控制单单元元伺服电伺服电机机 工作台工作台 位置检测位置检测测量反测量反馈馈伺服驱动电路伺服驱动电路指令指令 图图5-1 闭环进给伺服系统结构闭环进给伺服系统结构25.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件一、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图图5-1 三相步进电机的结构原理图三相步进电机的结构原理图5 (1 1)三相步进电机
2、按单三拍逆时针转动,即)三相步进电机按单三拍逆时针转动,即A-B-C-AA-B-C-A4213 图图5-2 A通电状态通电状态6 (1 1)三相步进电机按单三拍逆时针转动,即)三相步进电机按单三拍逆时针转动,即A-B-C-AA-B-C-A4213 图图5-2 B通电状态通电状态74213 (1 1)三相步进电机按单三拍逆时针转动,即)三相步进电机按单三拍逆时针转动,即A-B-C-AA-B-C-A 图图5-2 C通电状态通电状态81324 (1 1)三相步进电机按单三拍逆时针转动,即)三相步进电机按单三拍逆时针转动,即A-B-C-AA-B-C-A 图图5-2 A通电状态通电状态9 (2 2)三相
3、步进电机按单三拍顺时针转动,即)三相步进电机按单三拍顺时针转动,即A-C-B-AA-C-B-A4213 图图5-3 A通电状态通电状态10 (2 2)三相步进电机按单三拍顺时针转动,即)三相步进电机按单三拍顺时针转动,即A-C-B-AA-C-B-A3142 图图5-3 B通电状态通电状态11 (2 2)三相步进电机按单三拍顺时针转动,即)三相步进电机按单三拍顺时针转动,即A-C-B-AA-C-B-A3142图图5-3 C相通电状态相通电状态12 (2 2)三相步进电机按单三拍顺时针转动,即)三相步进电机按单三拍顺时针转动,即A-C-B-AA-C-B-A2431 图图5-3 A相通电状态相通电状
4、态13 (3 3)三相步进电机按六拍逆时针转动,即)三相步进电机按六拍逆时针转动,即A-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A4213图图5-4 A相通电相通电144213 (3 3)三相步进电机按六拍逆时针转动,即)三相步进电机按六拍逆时针转动,即A-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A图图5-4 AB相通电相通电154213 (3 3)三相步进电机按六拍逆时针转动,即)三相步进电机按六拍逆时针转动,即A-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A图图5-4 B相通电相通电164213 (3 3)三相步进电机按六拍逆时针转动,即
5、)三相步进电机按六拍逆时针转动,即A-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A图图5-4 BC相通电相通电174213 (3 3)三相步进电机按六拍逆时针转动,即)三相步进电机按六拍逆时针转动,即A-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A图图5-4 C相通电相通电184213 (3 3)三相步进电机按六拍逆时针转动,即)三相步进电机按六拍逆时针转动,即A-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A图图5-4 CA相通电相通电194213 (3 3)三相步进电机按六拍逆时针转动,即)三相步进电机按六拍逆时针转动,即A-AB-B-BC-C
6、-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A图图5-4 A相通电相通电20 2.2.步进电机的特性步进电机的特性 (1)步进电机每输入一个脉冲,绕组的通电状态就变换一次,)步进电机每输入一个脉冲,绕组的通电状态就变换一次,电机就相应地转动一步,因此角位移与输入脉冲个数成严格比例电机就相应地转动一步,因此角位移与输入脉冲个数成严格比例关系。关系。(2)一旦停止输入控制脉冲,只要维持绕组一定的通电电流,)一旦停止输入控制脉冲,只要维持绕组一定的通电电流,转子就可以保持在其固定的位置上,具有电磁锁定功能,不需要转子就可以保持在其固定的位置上,具有电磁锁定功能,不需要机械制动。机械制动。(3)改变绕组的
7、通电顺序,就可以改变转子的旋转方向。)改变绕组的通电顺序,就可以改变转子的旋转方向。(4)转子的转速与输入的脉冲频率成正比。)转子的转速与输入的脉冲频率成正比。(5)步距角)步距角与通电拍数与通电拍数n、转子的齿数、转子的齿数 z 有关,状态系数有关,状态系数k(单、双拍),可用下式表示:(单、双拍),可用下式表示:nkz360 21 3.3.步进电动机主要性能参数及其选用步进电动机主要性能参数及其选用 (1)步距角步距角 越小越小,控制精度越高,控制精度越高,(2)步距误差步距误差 步距误差是指步进电机运行时,转子每一步实际转过的步距误差是指步进电机运行时,转子每一步实际转过的角度与理论步距
8、角之差值。连续走若干步时,上述步距误差的角度与理论步距角之差值。连续走若干步时,上述步距误差的累积值称为步距的累积误差。步进电机的步距累积误差将以一累积值称为步距的累积误差。步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。根据机床的定位精度选转为周期重复出现。根据机床的定位精度选。(3)最高起动频率最高起动频率 f q 是指从静止状态突然起动而不丢步的最高频率,又叫突跳是指从静止状态突然起动而不丢步的最高频率,又叫突跳频率。它与负载力矩和传动系统惯性力矩有关,这两种力矩越频率。它与负载力矩和传动系统惯性力矩有关,这两种力矩越大,大,f q 越低,这个关系称为惯频特性,如图越低,这个关系称为惯频特
9、性,如图5-5所示。所示。22 (4)、最高连续运行频率、最高连续运行频率 f max图图5-5 起动惯性特性曲线起动惯性特性曲线 步进电机匀速运行时,不步丢步的最高脉冲频率,它表明步进电机匀速运行时,不步丢步的最高脉冲频率,它表明步进电机所能达到的最高速度,根据负载和速度选步进电机所能达到的最高速度,根据负载和速度选 f max(如(如图图5-6所示)。所示)。23 图图5-6 步进电机的距频特性步进电机的距频特性3 3、步进电机的驱动电路、步进电机的驱动电路 驱动电路的三大功能:变频、环分、功放。驱动电路的三大功能:变频、环分、功放。由此可知驱动电路的组成:如图由此可知驱动电路的组成:如图
10、5-7所示所示,由变频信号源、,由变频信号源、脉冲分配器、功率放大器三块组成。脉冲分配器、功率放大器三块组成。24 变频信号源是频率连续可调的脉冲信号发生器,它根据步进变频信号源是频率连续可调的脉冲信号发生器,它根据步进电机转速变化的需要把不同频率的脉冲送到脉冲分配器。电机转速变化的需要把不同频率的脉冲送到脉冲分配器。脉冲分配器又叫环分器,它按一定的顺序开启或关断功率脉冲分配器又叫环分器,它按一定的顺序开启或关断功率放大器,使步进电机的各相绕组轮流通电放大器,使步进电机的各相绕组轮流通电。环形分配器功能可环形分配器功能可由硬件或软件产生。由硬件或软件产生。变频信号器变频信号器脉冲分配器脉冲分配
11、器功率放大器功率放大器方向指令方向指令步进指令步进指令XaXbXc图图5-7 步进电机驱动电路的组成步进电机驱动电路的组成 功率放大器有单电压和高低压切换型,它们构成不同,性能功率放大器有单电压和高低压切换型,它们构成不同,性能不同,价格也不同,根据需要选用。不同,价格也不同,根据需要选用。25 图图5-8 单电压驱动电路单电压驱动电路 单电压驱动电路的优点是线路简单,缺点是电流上升不够单电压驱动电路的优点是线路简单,缺点是电流上升不够快,高频时带负载能力低。快,高频时带负载能力低。26 图图5-9 高低电压驱动电路高低电压驱动电路其优点是能在较宽的频其优点是能在较宽的频率范围内有较大的平均率
12、范围内有较大的平均电流,能产生较大且较电流,能产生较大且较稳定的电磁转矩,缺点稳定的电磁转矩,缺点是高低压电路波形连接是高低压电路波形连接处有凹形。处有凹形。27环分功能也能用软件实现环分功能也能用软件实现。4 4、步进电动机的软件环分电路、步进电动机的软件环分电路 图图5-10 软件完成的环分框图软件完成的环分框图P1.0P1.2P1.18031ABC28序号序号 A B C 方向方向 1 1 0 0 2 1 1 0 3 0 1 0 4 0 1 1 5 0 0 1 6 1 0 1 反转反转 正转正转表表1 三相六拍环形分配器真值表三相六拍环形分配器真值表 29 直流伺服系统就是控制直流电机的
13、系统。目前使用较多的直流伺服系统就是控制直流电机的系统。目前使用较多的是永磁式直流伺服电机,其特点是调速范围宽,输出转矩大,是永磁式直流伺服电机,其特点是调速范围宽,输出转矩大,过载能力强,而且电机转动惯量较大,应用较方便过载能力强,而且电机转动惯量较大,应用较方便。1 1、小惯量直流伺服电动机、小惯量直流伺服电动机 2 2、大惯量直流伺服电动机、大惯量直流伺服电动机二、直流伺服电动机二、直流伺服电动机 这种电动机的转动惯量很小,机械时间常数小,加减速能力这种电动机的转动惯量很小,机械时间常数小,加减速能力强,响应快,动态特性好。用于点位控制机床,以及一些负载较强,响应快,动态特性好。用于点位
14、控制机床,以及一些负载较小的机床。如:数控激光、数控电火花机床等。小的机床。如:数控激光、数控电火花机床等。这种伺服电动机的结构这种伺服电动机的结构:其定子磁极是个永久磁体,所以又其定子磁极是个永久磁体,所以又叫叫永磁直流伺服电动机永磁直流伺服电动机。由于这种电动机的调速范围很宽,又。由于这种电动机的调速范围很宽,又叫宽调速电机。叫宽调速电机。30 小惯量电机是从减小电机的转动惯量来提高快速性。小惯量电机是从减小电机的转动惯量来提高快速性。大惯量伺服电机则是用提高转距的方法来改善其快速性。它大惯量伺服电机则是用提高转距的方法来改善其快速性。它具有转矩大、过载能力强、动态响应好、调速范围宽、运转
15、平稳具有转矩大、过载能力强、动态响应好、调速范围宽、运转平稳等优点。同时配有高精度的检测元件,可构成闭环、半闭环伺服等优点。同时配有高精度的检测元件,可构成闭环、半闭环伺服系统。系统。三三、直流调速技术、直流调速技术 (一一)、直流电机的调速原理、直流电机的调速原理 缺点是:快速响应性不如小惯量电机,用于精度中等的机缺点是:快速响应性不如小惯量电机,用于精度中等的机床。用在加工中心上较好、适宜。床。用在加工中心上较好、适宜。31 在定子磁场中在定子磁场中,受到电磁转距受到电磁转距M的作用,使电机旋转。电的作用,使电机旋转。电磁转矩为:磁转矩为:RfUfIfRaIaUn图图5-11 他励直流电动
16、机驱动电路他励直流电动机驱动电路Rt32它的电枢电路的电动势平衡方程为:它的电枢电路的电动势平衡方程为:.(1)aRaIaEU aTIkM kT电机的转矩系数(电机的转矩系数(kT=cm)Ia电机电枢电流电机电枢电流 Ea=ken Ea 电机转动产生的反电动势;电机转动产生的反电动势;ke电势系数(电势系数(ke=ce);n电枢转速电枢转速rpm。33 感应电动势(反电动势)为:感应电动势(反电动势)为:.(2)nCEea (2)代入()代入(1)得:)得:eaaCRIUn式中:式中:n电机转速(电机转速(rpm););U电枢电路外加电压(电枢电路外加电压(V););R a电枢电路电阻(电枢电
17、路电阻(););C e反电动势系数;反电动势系数;气隙磁通量(气隙磁通量(W b)。)。34 从上式可以看出从上式可以看出,要改变直流电动机的转速要改变直流电动机的转速n,有三种方法有三种方法:eaaCRIUn (2)改变励磁回路电阻)改变励磁回路电阻R f,以改变以改变I f,从而改变从而改变 值值,但但I f只能只能减小,转速只能调高,不能调低,可见这两种方法都不能满足数减小,转速只能调高,不能调低,可见这两种方法都不能满足数控机床的要求。控机床的要求。(1)改变电枢回路电阻)改变电枢回路电阻R a,这使转速只能调低不能调高。这使转速只能调低不能调高。(3)改变电枢电压,其它都不变,尽管需
18、要附加调压设备,)改变电枢电压,其它都不变,尽管需要附加调压设备,但它的调速范围大但它的调速范围大,又是恒扭矩调速,所以直流伺服电机常用这又是恒扭矩调速,所以直流伺服电机常用这种方法调速。种方法调速。35(二)直流电机的调速方法(二)直流电机的调速方法 直流发电机直流发电机直流电动机直流电动机(G-M)系统。系统。它是通过改变发电机的输出电压(此电压加到电机上)来改它是通过改变发电机的输出电压(此电压加到电机上)来改变电动机转速的调速方法。变电动机转速的调速方法。晶闸管晶闸管直流电动机直流电动机(SCR-M)系统。系统。它是通过改变晶闸管的导通角,来控制供给直流电动机的输它是通过改变晶闸管的导
19、通角,来控制供给直流电动机的输入电压,实现调速的。入电压,实现调速的。脉宽调制脉宽调制直流电动机直流电动机(PWM)系统系统。它是利用一定频率的三角波或锯齿波,把模拟控制电压分割它是利用一定频率的三角波或锯齿波,把模拟控制电压分割成与三角波同频率的矩形波,通过控制矩形波的占空比来改变直成与三角波同频率的矩形波,通过控制矩形波的占空比来改变直流电机的输入电压,实现调速的。流电机的输入电压,实现调速的。该方法主要优点是抗干扰能力强,效率高。该方法主要优点是抗干扰能力强,效率高。36图图5-12 PWM调压的原理图调压的原理图流过电机的电流波形流过电机的电流波形三角波三角波反馈比较电压反馈比较电压3
20、7 图图5-13 PWM调制电路调制电路38 交流伺服电动机结构简单、成本低廉、无电刷磨损问题、交流伺服电动机结构简单、成本低廉、无电刷磨损问题、维修方便。维修方便。四、交流伺服电动机调速技术四、交流伺服电动机调速技术 一、交流调速的类型一、交流调速的类型 PfSnSn1160)1()1(式中式中 n电机的转速;电机的转速;S转差率转差率;P 定子绕组的极对数定子绕组的极对数;f1供电频率供电频率。39 (2)变转差率调速变转差率调速对绕线式异步电动机转子绕组串接电阻的对绕线式异步电动机转子绕组串接电阻的调阻调速等,可实现无级调速。调阻调速等,可实现无级调速。(1)变极调速变极调速对鼠笼式异步
21、电动机改变其定子绕组的极对对鼠笼式异步电动机改变其定子绕组的极对数数P,此为有级调速。,此为有级调速。(3)变频调速变频调速改变供电频率的调速方案有交改变供电频率的调速方案有交交变频器;交变频器;交交直直交电压源型变频器;脉宽调制型逆变器。交电压源型变频器;脉宽调制型逆变器。三、交流电动机的变频调速三、交流电动机的变频调速 变频调速是以一个频率及电压可变的电源,向异步变频调速是以一个频率及电压可变的电源,向异步(或同步或同步)电动机供电,从而调节电动机转速的方法。电动机供电,从而调节电动机转速的方法。变频调速可分为两类:第一类由恒频恒压的交流电,经过整变频调速可分为两类:第一类由恒频恒压的交流
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