伺服系统基本概述课件.ppt
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- 伺服系统 基本 概述 课件
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1、l 通过以前的相关知识,我们知道数控机床由四通过以前的相关知识,我们知道数控机床由四个个基本部分基本部分组成,即控制介质、数控装置组成,即控制介质、数控装置(或或l计算机计算机)、伺服系统和机床本体。、伺服系统和机床本体。l其中伺服系统是数控系统的执行部件,是数控其中伺服系统是数控系统的执行部件,是数控机床的重要组成部分,产生进给脉冲的数控装机床的重要组成部分,产生进给脉冲的数控装置是否能够以足够高的速度与精度进行计算,置是否能够以足够高的速度与精度进行计算,关键在于数控伺服系统能以多高的速度与精度关键在于数控伺服系统能以多高的速度与精度去执行。去执行。l如果说整个系统的可靠性主要取决于数控装
2、置如果说整个系统的可靠性主要取决于数控装置的话,那么,驱动系统的性能,在较大程度上的话,那么,驱动系统的性能,在较大程度上决定了现代数控机床的性能,数控机床的最大决定了现代数控机床的性能,数控机床的最大移动速度、定位精度等指标主要取决于驱动系移动速度、定位精度等指标主要取决于驱动系统及统及CNC位置控制部分的动态和静态性能。另位置控制部分的动态和静态性能。另外,对某些加工中心而言,刀库驱动也可认为外,对某些加工中心而言,刀库驱动也可认为是数控机床的某一伺服轴,用以控制刀库中刀是数控机床的某一伺服轴,用以控制刀库中刀具的定位。具的定位。l当然,伺服系统的可靠性也很重要,因为随着当然,伺服系统的可
3、靠性也很重要,因为随着微机可靠性的提高,故障主要来自伺服系统。微机可靠性的提高,故障主要来自伺服系统。l数控机床的驱动系统主要有两种数控机床的驱动系统主要有两种:进给驱动系进给驱动系统和主轴驱动系统。从作用看,前者是控制机统和主轴驱动系统。从作用看,前者是控制机床各坐标的进给运动,后者是控制机床主轴旋床各坐标的进给运动,后者是控制机床主轴旋转运动。转运动。l概述:概述:l 不论是进给驱动系统还是主轴驱动系统,从电不论是进给驱动系统还是主轴驱动系统,从电气控制原理来分都可分为直流和交流驱动。直气控制原理来分都可分为直流和交流驱动。直流驱动系统在流驱动系统在20世纪世纪70年代初至年代初至80年代
4、中期年代中期在数控机床上占据主导地位,这是由于直流电在数控机床上占据主导地位,这是由于直流电动机(动机(特点特点)具有良好的调速性能,输出力矩)具有良好的调速性能,输出力矩大,过载能力强,精度高,控制原理简单,易大,过载能力强,精度高,控制原理简单,易于调整。于调整。l随着微电子技术的迅速发展,加之交流伺服电动机材料、随着微电子技术的迅速发展,加之交流伺服电动机材料、结构及控制理论有了突破性的进展,结构及控制理论有了突破性的进展,80年代初期推出了年代初期推出了交流驱动系统,标志着新一代驱动系统的开始。交流驱动系统,标志着新一代驱动系统的开始。l由于交流驱动系统(由于交流驱动系统(特点特点)保
5、持了直流驱动系统的优越)保持了直流驱动系统的优越性,而且交流电动机无需维护(性,而且交流电动机无需维护(交流伺服比直流伺服一交流伺服比直流伺服一个显著的优点就是没有电剧及整流子,这样,它的磨损个显著的优点就是没有电剧及整流子,这样,它的磨损部件减少,也减少了维修工作量部件减少,也减少了维修工作量),便于制造,不受恶),便于制造,不受恶劣环境影响,所以目前直流驱动系统已逐步被交流驱动劣环境影响,所以目前直流驱动系统已逐步被交流驱动系统所取代。系统所取代。l从从90年代开始,交流伺服驱动系统已走向数字年代开始,交流伺服驱动系统已走向数字化,驱动系统中的电流环、速度环的反馈控制化,驱动系统中的电流环
6、、速度环的反馈控制已全部数字化,系统的控制模型和动态补偿均已全部数字化,系统的控制模型和动态补偿均由高速微处理器实时处理,增强了系统自诊断由高速微处理器实时处理,增强了系统自诊断能力,提高了系统的快速性和精度。能力,提高了系统的快速性和精度。l伺服概念:伺服概念:l这是英文这是英文servo的谐音,念起来与外文的伺服发音的谐音,念起来与外文的伺服发音差不多。但伺服这个字就是差不多。但伺服这个字就是“侍候侍候”,就是非常,就是非常听话,让走到哪,就走到哪。听话,让走到哪,就走到哪。l 在数控机床中,由计算机发出指令脉冲,让哪在数控机床中,由计算机发出指令脉冲,让哪一个驱动电动机拖着工作台动,这一
7、台电动机就一个驱动电动机拖着工作台动,这一台电动机就动,而且这台电动机的运动速度、运动的距离,动,而且这台电动机的运动速度、运动的距离,完全按着计算机的指令行事,非常准确无误地完完全按着计算机的指令行事,非常准确无误地完成指令要求的任务。成指令要求的任务。l很显然,伺服系统所以能作到这一点,也是非很显然,伺服系统所以能作到这一点,也是非常不容易的。因为电动机拖着一个重量很重的常不容易的。因为电动机拖着一个重量很重的工作台,而且摩擦力随着季节、新旧程度、润工作台,而且摩擦力随着季节、新旧程度、润滑状态等因素而变化,控制了一个稳定速度,滑状态等因素而变化,控制了一个稳定速度,精确定位,可以想象其难
8、度之大。精确定位,可以想象其难度之大。l但是随着科学技术的进步,人们不断从生产实但是随着科学技术的进步,人们不断从生产实践中总结经验,一步一步找到了好的控制办法,践中总结经验,一步一步找到了好的控制办法,这就是这就是三环结构三环结构。l 三环结构如图三环结构如图4-1所示。所示。l 这三个环就是这三个环就是位置环、速度环、电流环位置环、速度环、电流环。l1、位置环也称为外环,其输人信号是计算机、位置环也称为外环,其输人信号是计算机给出的指令和位置检侧器反馈的位置信号。这给出的指令和位置检侧器反馈的位置信号。这个反馈是负反馈,也就是说与指令信号相位相个反馈是负反馈,也就是说与指令信号相位相反。反
9、。l指令信号是向位置环送去加数,而反馈信号是指令信号是向位置环送去加数,而反馈信号是送去减数。送去减数。l位置环的输出就是速度环的输人。位置环的输出就是速度环的输人。l2、速度环也称为中环,这个环是一个非常重、速度环也称为中环,这个环是一个非常重要的环,它的输人信号有两个:要的环,它的输人信号有两个:l一个是位置环的输出,做为速度环的指令信号一个是位置环的输出,做为速度环的指令信号送给速度环;另一个由电动机带动的测速发电送给速度环;另一个由电动机带动的测速发电机经反馈网络处理后的信息,做为负反馈送给机经反馈网络处理后的信息,做为负反馈送给速度环。速度环的两个输人信号也是反相的。速度环。速度环的
10、两个输人信号也是反相的。一个是加,一个是减。一个是加,一个是减。l速度环的翰出就是电流环的指令输人信号。速度环的翰出就是电流环的指令输人信号。l3、电流环也叫做内环,电流环也有两个输人、电流环也叫做内环,电流环也有两个输人信号,一个是速度环抽出的指令信号;另一个信号,一个是速度环抽出的指令信号;另一个l经电流互感器,并经处理后得到的电流信号,经电流互感器,并经处理后得到的电流信号,它代表电动机电枢回路的电流,它送人电流环它代表电动机电枢回路的电流,它送人电流环l也是负反馈。也是负反馈。l电流环的输出是一个电压模拟信号,用它来控电流环的输出是一个电压模拟信号,用它来控制制PWM电路,产生相应的占
11、空比信号去触发电路,产生相应的占空比信号去触发功率变换单元电路,功率变换单元电路,l使电动机获得一个与计算机指令相关的,并与电动机使电动机获得一个与计算机指令相关的,并与电动机位置、速度、电流相关的运行状态。这个运行状态满位置、速度、电流相关的运行状态。这个运行状态满足计算机指令的要求。足计算机指令的要求。l 这三个环都是调节器,其中有时采用比例调节器,这三个环都是调节器,其中有时采用比例调节器,有时采用比例积分调节器,有时还要用比例积分微分有时采用比例积分调节器,有时还要用比例积分微分调节器调节器l关于位置反馈网络、速度反馈网络、电流反馈网络到关于位置反馈网络、速度反馈网络、电流反馈网络到底
12、是什么样子可以这么说,有时是非常简单的一个电底是什么样子可以这么说,有时是非常简单的一个电位器,或者是一个滤波电路,但有时确实是一个复杂位器,或者是一个滤波电路,但有时确实是一个复杂的逻辑关系。在这里不做详细的叙述。的逻辑关系。在这里不做详细的叙述。通讯ASIC位置测量传感器位置实际值速度实际值电流实际值电流测量传感器Gating unit通讯进给控制速度控制电流控制转换器驱动总线驱动模块EM1FT6电机编码器 伺服系统的控制方式(a)开环控制;(b)半闭环控制;(c)全闭环控制。l 一、数控机床对伺服驱动系统的要求一、数控机床对伺服驱动系统的要求l 数控机床的伺服系统包括进给伺服驱动系数控机
13、床的伺服系统包括进给伺服驱动系统和主轴伺服驱动系统两部分。根据数控统和主轴伺服驱动系统两部分。根据数控l系统系统(CNC)发出的动作指令,伺服系统准确、发出的动作指令,伺服系统准确、快速地完成各坐标轴的进给运动,与主轴驱快速地完成各坐标轴的进给运动,与主轴驱动相配合,实现对工件的高精度加工。动相配合,实现对工件的高精度加工。l因此,伺服驱动系统是数控机床的一个重要因此,伺服驱动系统是数控机床的一个重要的组成部分,其性能的优劣,直接影响零件的组成部分,其性能的优劣,直接影响零件的加工质量和生产效率。的加工质量和生产效率。l此外,它的价格,在整个数控机床的成本构此外,它的价格,在整个数控机床的成本
14、构成中也占有相当大的份额。一个多功能的高成中也占有相当大的份额。一个多功能的高性能数控系统必须配置与之相适应的高性能性能数控系统必须配置与之相适应的高性能伺服驱动系统,才能充分发挥出整个数控机伺服驱动系统,才能充分发挥出整个数控机床的性能。床的性能。l不同类型的数控机床,对伺服系统的要求也不尽相不同类型的数控机床,对伺服系统的要求也不尽相同。同一数控机床的主轴驱动与进给驱动对伺服系同。同一数控机床的主轴驱动与进给驱动对伺服系统的要求也有很大差别。归根到底,数控机床对伺统的要求也有很大差别。归根到底,数控机床对伺服控制的要求,与任何系统对伺服控制的要求一样,服控制的要求,与任何系统对伺服控制的要
15、求一样,包括包括精度、快速性与稳定性精度、快速性与稳定性三个方面。三个方面。l 数控机床的精度,除了受到机械传动系统精度的数控机床的精度,除了受到机械传动系统精度的影响之外,主要取决于伺服系统的调速范围的大小影响之外,主要取决于伺服系统的调速范围的大小和伺服系统最小分辨率精度。和伺服系统最小分辨率精度。l高精度的机床为了保证尺寸精度和表面粗糙度的水高精度的机床为了保证尺寸精度和表面粗糙度的水平,平,l 数控机床的进给系统,实际上是一个位置数控机床的进给系统,实际上是一个位置随动系统。同任何一个位置随动系统一样,随动系统。同任何一个位置随动系统一样,l当指令位移以某一速度变化时,实际位移必当指令
16、位移以某一速度变化时,实际位移必须比指令位移滞后,这就是所谓跟随误差、,须比指令位移滞后,这就是所谓跟随误差、,当数控机床的各坐标轴以不同的速度和不同当数控机床的各坐标轴以不同的速度和不同的方向同时位移时,跟随误差就会造成加工的方向同时位移时,跟随误差就会造成加工尺寸和形状的误差。尺寸和形状的误差。l切削进给的速度越快,跟随误差对精度的影响就越切削进给的速度越快,跟随误差对精度的影响就越大。提高伺服系统响应的快速性,是减小跟随误差,大。提高伺服系统响应的快速性,是减小跟随误差,提高进给速度的根本措施。但伺服系统的响应速度提高进给速度的根本措施。但伺服系统的响应速度并不是可以无限制提高的,并且任
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