第5章数控机床的驱动与位置控制终

伺服系统的驱动元件进给驱动主轴驱动常用的检测装置第5章数控机床的驱动与位置控制概述位置控制5.1概述第5章数控机床的驱动与位置控制伺服系统的组成图5-1半闭环进给伺服系统结构组成：一般由控制调节器、功率驱动装置、检测反馈装置和伺服电机四部分组成。第5章数控机床的驱动与位置控制伺服系统的组成5.1概述5.1概述第5章数控机床的驱动与位置控制主轴伺服系统进给伺服系统按用途和功能全数字伺服系统幅值比较伺服系统相位比较伺服系统脉冲数字比较伺服系统按反馈比较控制方式半闭环伺服系统闭环伺服系统开环伺服系统按调节理论伺服系统的分类第5章数控机床的驱动与位置控制5.2伺服系统的驱动元件第5章数控机床的驱动与位置控制5.2伺服系统的驱动元件(1)电动机从最低转速到最高转速范围内应都能平滑地运转；转矩波动要小，尤其在最低转速时，仍要有平稳的速度而无爬行现象；(2)电动机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求；(3)电动机应可控性好、转动惯量小、响应速度快；(4)电动机应能承受频繁的启动、制动和反转。对伺服驱动元件即伺服电动机的要求：第5章数控机床的驱动与位置控制5.2伺服系统的驱动元件1.步进电动机5.2伺服系统的驱动元件第5章数控机床的驱动与位置控制三相反应式步进电机结构(1)步进电动机的结构有永磁式(PM,permanentmagnet),磁阻式即反应式(VR,variablereluctance)和混合式(HB,hybrid)等。电机的定子和转子铁心通常由硅钢片叠成。定子和转子均匀分布着很多小齿。定子上有A、B、C三对磁极，在相对应的磁极上绕有A、B、C三向控制绕组。其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。第5章数控机床的驱动与位置控制5.2伺服系统的驱动元件步进电机是按电磁吸引的原理进行工作的。当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极就依次产生磁场，并每次对转子的某一对齿产生电磁引力，将其吸引过来，而使转子一步步转动。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零。(2)步进电动机的工作原理步进电动机工作原理第5章数控机床的驱动与位置控制5.2伺服系统的驱动元件三相单三拍：A→B→C→A→…(转子逆时针转动）A→C→B→A→…（转子顺时针转动）三相双三拍：AB→BC→CA→AB→…(转子逆时针转动）AC→CB→BA→AC→…(转子顺时针转动）按通电顺序不同，其运行方式有三相单三拍、三相双三拍和三相单双六拍三种。特点：(1)每输入一个脉冲，转子转过1/3齿距，步距角为30°。(2)步进电动机的转速决定于控制绕组与电源接通和断开的脉冲变化频率。(3)由于每次只有一相绕组通电，在切换瞬间将失去自锁转矩，容易失步，另外，只有一相绕组通电，易在平衡位置附近产生振荡，稳定性不佳，故实际应用中不采用单三拍工作方式。第5章数控机床的驱动与位置控制5.2伺服系统的驱动元件三相六拍：A→AB→B→BC→C→CA→A…(转子逆时针转动）A→AC→C→CB→B→BA→A…(转子逆时针转动）特点：(1)每输入一个脉冲，转子转过1/6齿距，步距角为15°。(2)这种控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且转换过程中始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被大量采用。特点：(1)有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，因此其步距角仍为30°。(2)由于每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作比较稳定，避免了单三拍通电方式的弱点。第5章数控机床的驱动与位置控制5.2伺服系统的驱动元件(2)步进电动机的主要特性0360mzka=m—定子相数；z—转子齿数；k—拍数与相数的比例系数1).步距角与歩距误差步距角指步进电机定子绕组通电状态每改变一次，转子转过的角度。常见的步距角0.60/1.20,0.750/1.50,0.90/1.80,10/20,1.50/30等。步距角越小,控制越精确。步距误差直接影响执行部件的定位精度。m相m拍，k=1,m相2m拍，k=2第5章数控机床的驱动与位置控制5.2伺服系统的驱动元件图5-5步进电动机静态矩角特性曲线2).矩角特性、最大静态转矩Mjmax和起动转矩Mq第5章数控机床的驱动与位置控制5.2伺服系统的驱动元件4).连续运行的最高工作频率最高工作频率指步进电机连续运行时，不丢步运行的极限频率。5).加减速特性加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。6).矩频特性与动态转距矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系。3).启动频率启动频率指空载时，步进电机由静止状态突然启动，并进入不丢步的正常运行的最高频率。步进电动机的矩频特性步进电动机加减速特性曲线第5章数控机床的驱动与位置控制5.2伺服系统的驱动元件2.直流伺服电动机(1)直流伺服电机的分类与特点a.小惯量直流伺服电机结构一般为永磁式，长径比大，转动惯量小，响应速度快，但过载能力低；由于转动惯量小，必须配齿轮减速箱，才能拖动负载。用于进给驱动。第5章数控机床的驱动与位置控制5.2伺服系统的驱动元件b.大惯量宽调速直流伺服电机结构为永磁式，惯量大，输出转矩大，可以直接与丝杠相连，过载能力强，动态响应好，稳定性好，调速范围宽且运转平稳。用于进给驱动。l-转子2-定子(永磁体)3-电刷4-测速发电动机大惯量宽调速永磁直流伺服电动机结构图l-换向极；2-主磁极；3-定子；4-转子；5-线圈直流主轴电机结构示意图第5章数控机床的驱动与位置控制5.2伺服系统的驱动元件c.直流主轴电动机由于输出功率较大，结构上不做成永磁式，而与普通励磁直流电动机相同，为他励式。为了改善换向性能，在电动机结构上都有换向极；为缩小体积，改善冷却效果，采用了轴向强迫通风冷却或“热管”冷却。电动机外壳结构为密封式，以适应恶劣的机械加工车间环境。用于主轴驱动。第5章数控机床的驱动与位置控制5.2伺服系统的驱动元件(2)直流伺服电机的工作原理(a)工作原理(b)等效电路他励直流电机工作原理图直流电机的基本调速方式有三种：即调节电阻Ra、调节电枢电压Ua和调节磁通Φ的值。第5章数控机床的驱动与位置控制5.2伺服系统的驱动元件他励直流电机的转速公式为(3)直流伺服电机的机械特性直流电机的转速与转矩的关系称机械特性，机械特性是电机的静态特性，是稳定运行时带动负载的性能，此时，电磁转矩与外负载相等。当电机带动负载时，电机转速与理想转速产生转速差Δn，它反映了电机机械特性的硬度，Δn越小，表明机械特性越硬。第5章数控机床的驱动与位置控制5.2伺服系统的驱动元件(a)改变电枢电压时的机械特性(b)改变磁通时的机械特性由图(a)可见，当调节电枢电压时，直流电机的机械特性为一组平行线，即机械特性曲线的斜率不变，而只改变电机的理想转速，保持了原有较硬的机械特性，所以数控机床伺服进给动系统的调速采用调节电枢电压调速方式。由图(b)可见，调磁调速不但改变了电机的理想转速，而且使直流电机机械特性变软，所以调磁调速主要用于机床主轴电机调速。第5章数控机床的驱动与位置控制5.2伺服系统的驱动元件2.交流伺服电动机(1)永磁式交流同步电机的结构及特点种类：同步型交流伺服电动机（SM）和异步型交流伺服电动机（IM）第5章数控机床的驱动与位置控制5.2伺服系统的驱动元件(2)永磁式交流同步电机的工作原理第5章数控机床的驱动与位置控制5.2伺服系统的驱动元件第5章数控机床的驱动与位置控制5.2伺服系统的驱动元件交流主轴电动机一般采用交流感应电动机，从结构上分有带换向器和不带换向器两种，通常采用不带换向器的三相感应电动机（笼型电动机或异步电动机）。交流主轴电动机一般采用定子铁心在空气中直接冷却的方法，没有机壳，而且在定子铁心上作有轴向孔以利通风等。尾部同轴安装有测速发电机或脉冲编码器等检测元件。(3)交流主轴伺服电动机的结构的结构第5章数控机床的驱动与位置控制5.2伺服系统的驱动元件1-交流主轴电机2-普通交流异步感应电机3-通风孔(3)交流主轴伺服电动机的工作原理第5章数控机床的驱动与位置控制5.2伺服系统的驱动元件3.直线电动机直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的一种推力装置，是一种较为理想的驱动装置。第5章数控机床的驱动与位置控制5.2伺服系统的驱动元件在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的最大区别是取消了从电动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和优点。磁悬浮列车第5章数控机床的驱动与位置控制5.2伺服系统的驱动元件第5章数控机床的驱动与位置控制5.3进给驱动1.对进给伺服系统的要求：(1)精度要求高：包括定位精度、重复定位精度及轮廓加工精度。(2)稳定性好:有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。(3)响应速度快且无超调：快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。(4)调速范围宽：要求有较宽的无级调速范围，既能满足高速加工要求，又能满足低速进给要求,且在低速时运行平稳无爬行。(5)低速大转矩：要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出，防止出现低速爬行现象。定位精度：移动件到达指令位置的准确度重复定位精度：移动件在任意定位点的定位一致性第5章数控机床的驱动与位置控制5.3进给驱动2.步进电动机驱动电路(1)步进电机的环形分配器步进电机驱动线路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号。驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成。环形分配器是用于控制步进电机的通电方式的，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上，控制各相绕组的通电、断电。环形分配器功能可由硬件或软件产生，硬件环形分配器是根据步进电机的相数和控制方式设计的。硬件环形分配器是根据真值表或逻辑关系式采用逻辑门电路和触发器来实现。第5章数控机床的驱动与位置控制5.3进给驱动硬件环形分配器硬件环形分配器是根据真值表或逻辑关系式采用逻辑门电路和触发器来实现。控制CLK的频率，可控制步进电机的速度。CNC装置电源环形分配器A相驱动B相驱动C相驱动FULL/HALFDIRCLKM三相硬件环形分配器的驱动控制第5章数控机床的驱动与位置控制5.3进给驱动【工程实例】国产CMOS型集成脉冲分配器CH250第5章数控机床的驱动与位置控制5.3进给驱动软件环形分配器控制相邻两次软件环分状态之间的延时，可控制步进电机线圈通电状态的变化频率，从而控制步进电机的速度。第5章数控机床的驱动与位置控制5.3进给驱动作用：将环形分配器发出的TTL电平信号放大至几安培到十几安培的电流，送至步进电动机的各绕组。控制电路：单电压简单驱动、高低压切换驱动、高压恒流斩波、调频调压、细分驱动等。(2)步进电机的功率放大器第5章数控机床的驱动与位置控制5.3进给驱动单电压功率放大电路it单电压驱动电流波形单电压驱动电路原理图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。第5章数控机床的驱动与位置控制5.3进给驱动高低双电压驱动电路原理图电流波形特点：高压充电，保证电流以较快的速度上升，低压供电，维持绕组中的电流为额定值；缺点是高低压电路波形连接处有凹形。第5章数控机床的驱动与位置控制5.3进给驱动恒流斩波驱动电路原理图电流波形第5章数控机床的驱动与位置控制5.3进给驱动【工程实例】集成斩波恒流功放芯片SLA7026M应用实例调频调压型功放电路第5章数控机床的驱动与位置控制5.3进给驱动细分驱动电路将一个步距角细分成若干点步的驱动方式称细分驱动。特点：在不改动电动机结构参数的情况下，使步距角减小。要实现细分，需将绕组中的矩形电流波改成阶梯电流波。由于绕组电流均匀由小增到最大，或由最大均匀减到最小，避