第二章数控系统(5节)

第五节伺服驱动与控制数控机床伺服系统属位置随动系统，又称进给伺服系统。以移动部件的直线或角位移为控制目标，以CNC装置插补输出为指令，对工作台、主轴箱、刀架等执行部件的坐标轴位移进行控制，最终获得要求的刀具运动轨迹。进给伺服系统是数控机床的关键部件，其静、动态性能决定了数控机床的精度、稳定性、可靠性和加工效率。一、概述1.伺服驱动系统：伺服驱动系统是CNC装置与机床的联系环节，由CNC装置发出的控制信息，通过伺服系统转换成坐标轴的运动，完成加工程序所规定的操作，该系统是数控机床的执行机构。2.伺服系统的作用：①放大控制信号，具有输出功率的能力。②根据CNC装置发出的控制信息，对机床移动部件的位置及速度进行控制。3.数控机床对伺服驱动系统的要求：①进给调速范围宽。②位置精度要求高。③快速响应性好。④低速时大转矩4.伺服系统的组成部分：①驱动电路。②执行元件。③传动装置。④位置检测元件及反馈电路。⑤测速发电机及反馈电路。分类：电液伺服系统电气伺服系统；开环伺服系统闭环伺服系统半闭环伺服系统；步进电动机伺服系统直流伺服系统交流伺服系统相位伺服系统幅值伺服系统数字脉冲比较伺服系统全数字伺服系统现代数控机床几乎都采用电气伺服系统。CNC装置插补输出环形脉冲分配功率放大步进电动机传动与执行部件步进电动机驱动器图2-24开环伺服系统构成框图开环伺服系统的优点是结构简单、运行稳定，成本低、使用和维护方便，缺点是精度低、低速不平稳、高速扭矩小，主要用于轻载、负载变化不大或经济型数控机床上。图2-25闭环和半闭环伺服系统构成框图插补输出指令位移速度调节器电流调节器驱动放大器伺服电动机电流检测与反馈位置调节器机械传动机构执行件位置检测与反馈半闭环半闭环闭环速度检测与反馈---+++检测反馈实际位移进给伺服驱动单元（速度控制单元）闭环伺服系统是按误差控制的随动系统。三个控制环：电流环，速度环，位置环。位置比较是位置反馈电路将检测到的位置信号送入微机，在微机中进行比较，该比较是通过微机软件来实现的。速度比较是速度反馈电路送出的转速信号在驱动电路中进行比较，该比较是由硬件来实现的。理论上讲，闭环伺服系统反馈控制环内的各种机电误差都可以得到校正和补偿，系统的定位精度取决于检测装置的精度。但机床结构和机械传动机构的各种非线性（摩擦特性、刚性、间隙等）都会影响自动调解的品质。只有机械系统具有较高精度和良好性能，才能保证系统的高精度和高速度。闭环系统的缺点是调试、维修较困难，故主要用于精密、大型数控设备上。半闭环伺服系统与闭环伺服系统工作原理相同，只是位置检测元件从执行件移到伺服电动机轴或机械传动机构的中间传动丝杠轴端，系统通过角位移的测量间接计算出末端执行部件的实际位移量。半闭环控制系统的性能和复杂程度介于开环和闭环系统之间。二、开环伺服系统1．步进电动机的工作原理步进电动机由转子和定子两部分组成，转子和定子均由带齿的硅钢片叠成。定子上均布有六个磁极及其绕组，在同一直径上的为一相，共有三相，分别记为A、B、C，每相磁极上有齿。转子上均匀分布着40个齿，齿与齿槽宽度相等，齿间角（两相邻齿间的夹角）为9°。定子磁极的齿间角与转子的齿间角相等。如果A相齿与转子齿中心线对齐，则B相齿相对转子齿中心线逆时针方向相差1/3齿间角，C相齿相对转子齿中心线逆时针方向相差2/3齿间角。（一）步进电动机图2-26电气进给伺服系统构成和工作过程框图AACBBSNSSNNC转子各相定子9°3°6°9°3°6°9°3°6°A相通电B相通电C相通电顺时针转3°顺时针转3°A相通电磁力线1234a)b)1--绕组2--定子铁心3--轴4--转子铁心a)横截面图b)转子和定子齿周向展开图若按A-C-B-A……的顺序改变定子绕组通电状态，转子就逆时针旋转。上述两种通电方式称三相三拍或单三拍。若按A→AB→B→BC→C→CA→A……或A→AC→C→CB→B→BA→A……的顺序改变定子绕组通电状态，通电状态每改变一次，转子顺时针或转逆时针过1.5°。这种通电方式称三相六拍。若按AB→BC→CA→AB……或AC→CB→BA→AC……的顺序改变定子绕组通电状态，通电状态每改变一次，转子顺时针或转逆时针过3°。这种通电方式称双三拍。2．步进电动机的主要特性（1）步距角和静态步距误差步距角是指步进电动机绕组通电状态改变一次（每给一个指令脉冲），转子理论上应转过的角度。静态步距误差是指其实际步距角与理论步距角之差。步进电动机静态步距角误差通常在±10′以内。mzkα360m是定子相数；z是转子齿数；k是通电系数，由通电方式确定，m相m拍，k＝1；m相2m拍，k＝2。（2）静态矩角特性和最大静转矩图2-27步进电动机的矩角特性0π/2π-π/2-π最大静转矩静稳定区稳定平衡点不稳定平衡点不稳定平衡点矩角特性曲线上的电磁转矩的最大值称为最大静转矩Tmax。最大静转矩与通电状态和绕组通电电流有关。失调角θ（3）最高启动频率最高启动频率是指空载时，步进电动机由静止突然启动并不丢步地进入正常运行状态所允许的最高指令脉冲频率。（4）最高工作频率步进电动机启动以后，在连续运行时所能接受的最高指令脉冲频率。（5）运行矩频特性步进电动机在连续运行时，输出转矩与连续运行频率之间的关系，它是衡量步进电动机连续运行时承载能力的动态指标。fMfM3．步进电动机的类型按相数分:按结构分:按工作原理分：径向分相式轴向分相式。反应式永磁式永磁感应子式（混合式）三、四、五、六相等（二）步进电动机驱动器环行分配器步进电动机图2-28三相步进电动机驱动器构成原理指令脉冲功率放大器功率放大器功率放大器1．环形脉冲分配器将CNC装置插补输出的进给指令脉冲，按步进电动机的绕组通电方式，按规定的顺序分配给各绕组，作为绕组通电的控制脉冲。软件脉冲分配器：CNC装置输出接口的一位对应步进电动机绕组的一相，通过对输出接口置“1”和清“0”来实现脉冲的输出，脉冲分配规律则通过软件逻辑实现。硬件脉冲分配器：以D触发器或JK触发器为主加分立元件构成逻辑电路；用专用的集成环形脉冲分配器，外配分立元件构成；目前广泛采用集成环形脉冲分配器。图2-29CH250管脚及典型应用接线图12348765131415161211109UDUSJ3LJ3rCBAR2R1J6rJ6LENCLUD16EN69107CLJ6LJ6r12旋转方向指令脉冲12V1μF100kΩR1R2J3LJ3rUS14158BCA111213集成环形脉冲分配器集成度高、功能强、可靠性好、可编程。在启动和停止阶段应进行加减速控制，使控制步进电动机的脉冲频率平滑上升或下降，以适应步进电动机的启、制动特性。加减速控制的功能可由软件实现，也可以由硬件电路实现。2．功率放大器功用：将几毫安信号放大到几安至十几安培，从而驱动步进电动机运转。步进电动机所使用的功率放大器有电压型和电流型两种。电压型：单电压型、双电压型(高低压型)，电流型：恒流型、斩波恒流型等。图2-30高低压功率放大电路100ΩRW+80V输入VT1VT2VT4RVT3+12V0.1μF18Ω18Ω1kΩ200ΩTIVD4VD1VD2VD5VD3三、闭环和半闭环伺服系统1．永磁式直流伺服电动机在数控机床的进给伺服系统中，主要使用永磁式直流伺服电动机；主运动调速系统中，主要使用电磁式直流电动机。永磁式直流伺服电动机又称大惯量宽调速直流伺服电动机，或直流力矩电动机，具有转矩大、转矩和电流成正比、伺服性能好、反应迅速、体积小、功率体积比大、功率质量比大、稳定性好等优点，能在较大过载转矩下长时间工作，可直接与丝杠相连而不需中间传动装置。永磁式直流伺服电动机由定子、转子、电刷和换向器等部分构成。（一）直流伺服电动机及其速度控制图2-31永磁式直流伺服电动机的基本结构1--外壳2--转子绕组3--永久磁钢的定子磁极4--转子铁心5--换向器6--电刷234561伺服电动机直流伺服电动机都可以内装速度和位移检测元件，供用户选购。速度检测元件一般采用(低纹波)测速发电机，其输出电压可作为速度环的反馈信号。位移检测元件一般采用旋转变压器或脉冲编码器。2．直流电动机的机械特性、调速原理和方法机械特性方程（2-18）TΦCCRΦCUnTeaea2图2-32他励直流电动机电路原理MUaUf激磁电压IaEa+-+-式（2-18）可以知道直流电动机的基本调速方式调电动机的电枢电压Ua（调压调速）和励磁磁通Φ（调磁调速）通过改变电枢电压进行调速的方法称调压调速。调压调速时，电枢回路的外加电压不高于电动机电枢额定电压，从额定电压往下降低电枢电压，即从额定转速向下调速。调压调速属恒转矩调速，速调速范围较宽。通过改变励磁磁通量进行调速的方法称调磁调速。励磁磁通量只能从额定值往下减弱，即从额定转速向上调速。调磁调速属恒功率调速，速调范围较窄，一般小于4。恒转矩调速恒功率调速调压调速的特点：调解细，可实现无级调速，平滑性好，相对稳定性好，调速过程能耗低。调磁调速的特点：调解容量小，平滑性好，投资小，能耗低，经济性好。3．晶体管脉宽调制调速系统晶体管脉冲调速的方式主要有：⑴脉冲宽度调制（PWMPulseWidthModulation）调速脉冲宽度调制简称调宽，晶体管有直流电源供电，其控制极输入一频率固定而宽度可调的序列脉冲，来决定晶体管的饱和和截至，从而改变晶体管的平均输出电压（即电动机的电枢电压）及电机转速。⑵脉冲频率调制调速⑶混合调制调速控制部分的速度和电流调节器构成双环控制。对电枢绕组的电压控制跟调节由脉宽调制器和功率放大器实现。（1）PWM系统的组成原理M图2-33晶体管脉宽调制调速系统的组成原理+-电流调节器速度调节器-+脉宽调制器整流器电流传感器电流反馈电路速度反馈电路速度传感器速度指令基极驱动电路功率放大器三相交流电源（二）交流伺服电动机及其速度控制齿轮变速式的主轴转速最多只有30级可供选择，无法进行精细的恒线速控制，而且还必须定期维修离合器板。另一方面，直流调速型的主轴虽然可以无级调速，但存在必须维护电刷和最高转速受限制的问题。对主轴采用交流调速驱动可以消除这些缺点。可以达到更高的转速和更大的容量，并且结构相对简单，同样体积下，功率可比直流伺服电动机提高10～70﹪。随着功率开关器件、专用集成电路、计算机技术和控制算法、电动机制造技术等的发展，使得交流伺服系统的性能优于直流伺服系统。现代数控机床进给驱动中普遍采用交流伺服系统，直流伺服系统已基本被交流伺服系统所取代。1．交流伺服电动机同步交流伺服电动机：永磁式、励磁式、磁阻式和磁滞式，数控机床进给伺服系统多采用永磁同步交流伺服电动机，其优点是电动机结构简单、运行可靠、效率较高，尽管体积比其它同步交流伺服电动机稍大。异步交流伺服电动机：也称交流感应伺服电动机，主要用于数控机床主运动的无级调速驱动，具有结构简单、制造成本低、容量大等优点。异步电动机的调速原理和调速方式异步电动机的转速为n=(1-S)n1=n1—电机同步转速S—转差率ƒ1—定子供电频率P—电机定子绕组极对数从上式可以看出，要调节异步电动机的转速n,应从改变P，S，ƒ1三个参量入手。)1(601SPf异步交流伺服电动机（1）、变极调速P对鼠笼式异步电动机可通过改变电机绕组的接线方式，使电机从一种极对数变为另一种极对数。从而实现异步电动机的有级调速。变极调速所需设备简单，价格低廉，工作也比较可靠。一般为二种速度，三种速度以上的变极调速电机绕组结构复杂，应用较少。变极调速电机的关键在于绕组设计，以最少的绕组抽头和改接以达到最好的电机技术性能指标。（2）、变频调速ƒ通过改变定子供电频率来改变同步转速实现对异步电动机的调速，在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。变频调速是异步电动机的一种比较合理和理想的调速方法。（3）、变转差率调速S变频器所采用的变频电源①.交---交变频器②.交--直--交电压型变频器③.交---直----交电流型变频器④.脉宽调制型（PWM）变频器以及矢量控制