数控技术

数控技术第五章数控机床的伺服系统第二节进给驱动主讲教师罗哲一、直流伺服电动机速度控制单元1、直流电动机的调速方法与性能aTTeaeaICTTCCRCUn2直流电动机的机械特性方程式：式中：n——电动机转速（r/min）Ua——电动机电枢电路外加电压（V）Ra——电枢回路电阻（）Ia——电枢回路电流（A）Ce——反电势系数CT——转矩系数——气隙磁通量（Wb）T——电机电磁转矩调节直流电动机转速的主要方法：改变电枢电压；改变励磁磁通；1）改变电枢电压调速特点A）从额定电压往下降低电枢电压，即从额定转速向下调速。B）属恒转矩调速。C）机械特性较硬。D）调速范围广。E）对转矩可以快速响应。F）需要大容量可调电源装置。2）改变励磁磁通调速特点A）减弱磁通，从额定转速向上调速。B）属恒功率调速。C）机械特性较软。D）调速范围不大。E）转矩响应慢。F）所需电源装置容量小。第一种调速方法的调速特性和机械特性比较适合数控机床进给驱动的要求，因此，在进给伺服系统中，直流速度控制单元的作用是将转速指令信号（多为电压值）转化为相应的电枢电压值。2、晶闸管直流调速系统（1）系统的组成内环-电流环；外环-速度环；晶闸管整流放大器；内环-电流环：作用：由电流调节器对电动机电枢回路的引起滞后作用的某些时间常数进行补偿，使动态电流按所需的规律（通常按一阶过渡规律）变化。电流环输入：来自速度调节器的输出的电流参考值。电流反馈：由电流传感器取自晶闸管整流的主回路，即电动机的电枢回路。外环-速度环：作用：用速度调节器对电动机的速度误差进行调节，以实现所要求的动态特性。速度反馈：一是测速发电机，直接装在伺服电动机轴上，其输出的电压大小即反应了速度的大小。另一是光电编码器，也可直接装在伺服电动机轴上，编码器发出的脉冲经频压变换，其输出电压即反应伺服电动机的转速。速度指令值与速度反馈值的差值作为速度调节器的输入，速度调节器的输出即为电流环的输入参考值。功率放大：作用：整流；功率放大。放大器：可控硅功率放大器。3、晶体管脉宽调制（PWM）直流调速晶体管脉宽调制原理：利用电力半导体器件的开关作用，将直流电源电压转换成较高频率（一般为数千赫以上）的方波电压加在直流电动机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变加在电枢上的平均电压，从而调节电动机的转速。脉宽调制器的作用：将电压量转换成脉冲宽度可由控制信号调节而变化的脉冲电压。脉宽调制器的组成：调制信号发生器：三角波发生器、锯齿波发生器。比较放大器：二、交流伺服电动机速度控制单元交流伺服电动机调速控制主要有：相位控制；变压变频控制；滑差频率控制；PWM控制；矢量变换控制；磁场控制；交流电动机调速主要采用变频调速。其主要环节是为交流电动机提供变频电源的变频器。1、变频器：交-直-交变频器：先将电网电源输入到整流器，经整流后变为直流，再经电容或电感或由两者组合的电路滤波后供给逆变器（直流变交流）部分，输出电压和频率可变的交流电。交-交变频器：不经过中间环节，直接将一种频率的交流电变换为另一种频率的交流电。2、逆变器：电压型：控制单元将直流电压切换成一串方波电压。有两种基本形式：PWM型——采用二极管桥式整流器，其输出的直流电压是恒定的，然后经脉宽调制得到可调的输出电压。VSI型——电压源变换器，在整流部分就变为一可变的直流电压。电流型：直流电源被切换成一串方波电源供给交流电动机，由于电感影响，功率元件一般采用晶闸管，一般用于大功率场合。3、PWM变频器：SPWM：为正弦波PWM，其调制特点是等距、等幅、而不等宽。它的规律总是中间脉冲宽而两边脉冲窄，且各个脉冲面积与正弦波下面积成正比。脉宽按正弦分布，这是一种最基本的，也是应用最广泛的调速方法。DMPWM：DeltaPWM，由放大器、积分器、比较器组成，只要输入一个频率可变，而幅值恒定的正弦参考信号就可调制出相应脉冲，且可保持恒定的电压与频率之比，满足恒磁通变频原则的协调控制（防止发热和功率因素下降）。NPWM：是新型的PWM，它将半个周期分为三等分，第一和第三部分60度脉冲调制方法和SPWM相同，第二部分60度脉冲等于第一和第三两部分脉冲之和。这种方法可以提高开关频率。矢量角PWM：当电压空间矢量的幅值不变，矢量角呈线性变化时，会产生网状磁场轨迹，消除电压次谐波。最佳开关角PWM：按谐波电流均方根电流值最小等原则选择最佳开关角。电流跟踪PWM：按实际电流值时刻跟踪给定电流值的原则进行调制。全数字式SPWM变频器：由微机实时的产生SPWM波，是变频调速系统的一个发展趋势。数控技术第六章数控机床的伺服系统第三节主轴驱动主讲教师黄卫一、对主轴驱动的要求机床主传动主要是旋转运动，无需丝杠或其他直线运动装置。1、对功率的要求要求主转动电动机应有2.2-250KW的功率范围，既要能输出大的功率，又要求主轴结构简单。2、调速范围宽数控机床要求主驱动系统在1:100-1000范围内进行恒转矩和1:10的恒功率调速，3、定位功能要求主轴能与进给驱动实行同步控制；在加工中心上为了自动换刀还要求主轴能进行高精度的准停控制；为了保证端面加工的表面质量，要求主轴具有恒线速度表面切削功能；有的数控机床要求具有较大分度控制功能。现在国际上新生产的数控机床绝大多数采用交流主轴驱动系统。二、直流主轴驱动系统主轴伺服系统一般没有位置控制，只是一个速度控制系统。直流主轴速度控制单元也是由速度环和电流环构成的双环速度控制系统，用控制主轴电动机的电枢电压，来进行恒转矩调速。一般来说，采用主轴速度控制单元后，机械系统只需二级变速，即可满足数控机床的变速要求。三、交流主轴控制单元交流电动机的转速：)1(60)1(10sfpsnn式中：n0——同步转速（r/min）f1——定子供电电源频率（Hz）p——旋转磁场极对数s——转差数pfn1060nnns0第一类调速方法：改变同步转速n0。1、改变电动机极对数p∵电动机极对数p是整数，∴只能得到级差很大的有级调速。不能满足数控机床的调速要求。2、改变电动机供电电源频率f1这可以得到平滑的无级调速，其调速范围宽，精度高，是一种高效型的交流调速。数控机床常采用此种调速方式。第二类调速方法：不改变同步转速n0。常用的有调压调速和电磁调速。由于存在转差功率损失，效率低，特性软。不适合数控机床调速。因此，数控机床不采用此种调速方式。可见，改变电源频率的调速是一种最有前途的调速方案，只要改变f1就可实现n0的调速。但在实际调速时，单纯改变f1是不够的。1、恒磁通变频调速111144.4kfum式中：m——每极磁通量k11——定子每相绕组等效匝数u1——定子相电压f1——定子供电电源频率由上式可知，当保持定子电压u1不变，则改变频率f1时，主磁通m将会发生变化。因此，必须在改变频率f1的同时，改变电压u1，以保持m不变。2、恒转矩调速22cosICTmT式中：T——电磁转矩m——每极磁通量CT——转矩常数I2——折算到定子上的转子电流cos2——转子电路功率因数由上式可知，要保持电磁转矩T不变，则m需不变。因此，必须要求u1/f1为常数。3、恒最大转矩调速为了在低速时保持最大转矩不变，就必须采取E1/f1=常数的协调控制，亦即随转速的降低，定子电压要适当提高，以补充定子绕组电阻引起的压降。其中：111144.4ukfEm4、恒功率调速为了扩大调速范围，可以使f1大于工频频率，得到nn0的调速。由于定子电压不允许超过额定电压，因此m将随着f1的升高而降低。这时，相当于额定电流时的转矩也减小，特性变软。