伺服驱动系统

2020/8/201第六章数控伺服系统6.1概述6.1.1伺服系统的概念伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。数控机床伺服系统又称为位置随动系统,简称为伺服系统。常见的伺服系统有开环与闭环系统之分，直流与交流伺服系统之分，进给伺服与主轴驱动系统之分，电液伺服与电气伺服系统之分。伺服系统是一种执行机构，它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。2020/8/202伺服驱动系统（1）进给驱动控制机床各坐标轴的切削进给运动，是一种精密的位置跟踪与定位系统，它包括速度控制，也是一般概念的伺服驱动系统。（2）主轴驱动控制机床主轴的旋转运动和切削过程中的转矩和功率，一般以速度控制为主。对C坐标功能的主轴驱动也需要位置控制。（3）辅助驱动在各类加工中心或多功能数控机床中，控制刀库、料库等辅助系统，多采用简易的位置控制。2020/8/203伺服系统的组成组成：伺服电机驱动信号控制转换电路电子电力驱动放大模块位置调节单元速度调节单元电流调节单元检测装置一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环。2020/8/2046.1.1伺服系统的组成位置调解速度调解电流调解转换驱动工作台电流反馈速度反馈位置反馈MG位置、速度和电流环均由调节控制模块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。2020/8/205(1)精度高伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。包括定位精度和轮廓加工精度。(2)稳定性好稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。(3)快速响应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)调速范围宽调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。0~30m/min。(5)低速大转矩进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。6.1.2数控机床对伺服系统的要求2020/8/206伺服驱动电机是伺服系统的重要驱动元件。为满足上述要求，对伺服电动机的要求应该是：①从最低速到最高速电机都要平稳运转，转距波动要小，尤其是在低速如0.1r/min或更低转速时，仍有稳定的速度而无爬行现象。②电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。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。③为了满足快速响应的要求，电机应该有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并且有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受4000rad/s2以上角加速度的能力，才能保证电机在0.2s以内从静止到额定转速。④电机应能承受频繁启动、制动和反转。6.1.2数控机床对伺服系统的要求(续)2020/8/2076.2步进电动机伺服系统开环位置伺服系统也叫步进式伺服系统，其驱动元件为步进电机。功率步进电机控制系统的结构最简单，控制最容易，维修最方便，控制为全数字化，这完全符合数字化控制技术的要求，控制系统与步进电机的驱动控制电路结为一体。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它硬件电路均可由软件实现，从而简化了系统结构，降低成本，提高了系统的可靠性。而步进电机的功耗太多，速度也不高。目前的步进电机在脉冲当量为1微米时，最高移动仅仅为2m/min，且功率越大，移动速度越低，故主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造中。2020/8/2086.2.1步进电机的工作原理及类型步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的机械角位移或直线位移的控制电机。步进电机又称脉冲电动机或电脉冲马达。其角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电动机的转速。最大缺点是容易失步，特别是在大负载和速度较高的情况下，失步更容易发生。但是近年来发展起来的恒流斩波驱动、PWM驱动、微步驱动、超微步驱动及其他们的综合运用，使得步进电机的驱动能力有很大提高主要用于数控机床的开环伺服系统。2020/8/209（1）步进电机的分类按运动方式分：有旋转式、直线运动式、平面运动式和滚动运动式。按工作原理分：有反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式、永磁感应式（混合式）。按使用场合分：有功率步进电机和控制步进电机。按电机结构分：有单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。按工作相数分：有三相、四相、五相等。按使用频率分：有高频步进电机和低频步进电机。数控机床中使用较多的是反应式步进电机和永磁感应式步进电机2020/8/20102020/8/2011（2）步进电机的结构与工作原理步进电机又称脉冲电机，每接受一个脉冲信号转子转过一个角度，称为步距角。脉冲数目：位移大小；脉冲频率：速度大小；通电顺序：方向控制。步进电机的结构：（单段式三相反应式步进电机结构）：工作原理：电磁吸合转子：开槽形成齿定子：有磁极以三相单三拍为例说明工作原理：第一拍：A相励磁绕组通电，B、C励磁绕组断电。A相定子绕组的磁力线为保持磁阻最小，给转子施加力矩，使相邻转子齿与之对齐。第二拍：B相励磁绕组通电，C、A励磁绕组断电。第三拍：C相励磁绕组通电，A、B励磁绕组断电。如通电顺序：A、B、C逆时针旋转；如通电顺序相反，则顺时针旋转通电顺序也可以A-AB-B-BC-C-CA2020/8/20122020/8/20132020/8/2014同一台步进电机，因通电方式的不同，运行时的步距角也是不同的，采用单、双拍通电方式时，步距角要比单拍通电方式减小一半。实际使用中，单三拍通电方式由于在切换时一相绕组断电，而另一相绕组开始通电容易造成失步。此外，由单一绕组通电吸引转子，也容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行的稳定性差，所以很少采用。通常将它改成“双三拍通电方式”。上述这种简单结构的反应式步进电机的步距角较大，如在数控机床中应用就会影响到加工工件的精度。实际中采用的是小步距角的步进电机。2020/8/20156.2.2步进电机的主要特性（1）步距角和静态步距角（误差）步距角计算公式：式中：m—定子磁极项数z—转子齿数k—通电方式相邻两次通电项数相同取k=1；否则k=2。当步进电机空载且以单脉冲输入时，其实际步距角与理论步距角之差称为静态步距角误差，它随步进电机制造精度而变化。一般在10′-30′的范围内。mzK3602020/8/2016图所示为步进电动机的展开图。其中定子有6个极，转子有40个齿。当A极下的定、转子齿对齐时，B极和C极下的齿就分别和转子齿相错三分之一的转子齿距。反应式步进电动机的转子齿数Zr，基本上由步距角的要求所决定。但是为了能实现上述“自动错位”，转子的齿数就必须满足一定条件，而不能为任意数值。当定子的相邻极属于不同的相时，在某一极下若定子和转子的齿对齐时，则要求在相邻极下的定子和转子之间应错开转子齿距的1/m。2020/8/2017（2）静态转矩与矩角特性当步进电机不改变通电状态，转子处于不动状态，如果在电机轴上外加一个负载转矩，使转子按一定的方向转过一个角度θ，此时转子所受的电磁转矩，称为静态转矩，角度θ称为失调角。描述静态转矩与θ的关系叫作步进电机的静态矩角特性。2020/8/2018各项的矩角特性差异不应该太大，否则会影响步距精度及引起低频振荡。可以通过调整相电流的方法，使电动机矩角特性大致相同。两个齿中心线之间的距离叫齿距，当转子转过一个齿距，矩角特性就变化一个周期，相当于2π电角度。2020/8/2019在定子、转子齿槽对准时，定、转子槽中心线重合，失调角为θ=0°，电磁转矩T=0。若转子齿的中心线对准定子槽中心线，失调角θ=±π，这时相邻两定子齿对这转子齿有同样的拉力，但方向相反，故电磁转矩T=0。在失调角θ=±π/2（即1/4齿距处），转矩最大，转矩方向是使转子位置趋向失调角为零。当失调角小于-π或大雨+π时，该转子齿已进入了另一个定子齿的拉力范围，转矩方向趋于使转子齿与下一个齿对齐。当θ=±2π，转子齿与另一个定子齿对齐，转矩又为零。2020/8/2020如上所述，在电磁转矩的作用下，转子有一定的稳定平衡点。如果步进电机空载，则稳定在平衡点为θ=0，而θ=±π处为不稳定平衡点。稳定平衡点只有一个。在静态情况下，如受外负载转矩的作用，使转子偏离它的平衡点，但没有超过相邻的不稳定平衡点，则当外转矩除去后，转子在电磁转矩的作用下，仍能回到原来的平衡点。2020/8/2021（3）最大静态转矩步进电机矩角特性曲线上电磁转矩的最大值称为最大静态转矩。它与通电状态及绕组内电流值有关。在一定的通电状态下，最大静转矩与绕组内电流的关系，称为最大静转矩特性。当控制电流很小时，最大静转矩与电流的平方成正比地增大，当电流稍大时，受磁路饱和的影响，最大转矩Tmax上升变缓，电流很大时曲线趋向饱和。2020/8/2022（4）起动转矩下图为三相步进电机的矩角特性曲线，则A相和B相的矩角特性交点的纵坐标值为起动转矩。它表示步进电机单相激励时所能带动的极限负载转矩。2020/8/2023（5）连续运行状态时的动特性__工作频率步进电机的工作频率是指电动机按指令的要求进行正常工作的最大脉冲频率。所谓正常工作就是指步进电机不失步地工作，即一个脉冲移动一个步距角。所谓失步的内容包括：丢步和越步。步进电动机的工作频率，通常分为启动频率、制动频率及连续工作频率。对于同样负载转矩来说，正、反向起动频率和制动频率都是一样的，而连续工作频率要高得多。一般步进电动机的技术参数中只给出起动频率和连续工作频率。2020/8/2024①起动频率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，称为空载起动频率。加给步进电机的指令脉冲频率如果大于起动频率，就不能正常工作。步进电机加负载时启动频率比空载要低。而且随着负载加大，起动频率会进一步降低。起动频率的大小由许多因素决定，绕组时间常数越小，负载转矩和转动惯量越小、步距角越小，则起动频率越高。2020/8/2025②连续运行频率步进电机启动后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高频率，称为连续运行频率。其值远大于起动频率，它也随着电动机所带负载得性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。连续运行状态时的动特性__矩频特性描述连续稳定运行输出转矩与连续运行频率之间的关系运行矩频特性是描述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运转时承载能力的动态指标。下页图中每一频率所对应的转矩称为动态转矩。从图中可以看出，随着运行频率的上升，输出转矩下降，承载能力下降。当运行频率超过最高频率是，步进电动机便无法工作。2020/8/20262020/8/2027对矩频特性曲线进一步说明因步进电动机的控制绕组中存在电感，相应地有一定的电气时间常数，所以控制绕组中电流增长也有一个过程。当脉冲频率很高时控制绕组中的电流不能达到稳定值,故电动机的最大动态转矩小于最大静转矩。而且脉冲频率越高，最大动态转矩也就越小，在步进电动机运行时，对应于某一频率，只有当负载转矩小于它在该频率的最大动态转矩，电动机才能够正常运转。2020/8/20282020/8/20292020/8/20302020/8/20312020/8/20322020/8/20332020/8/20342020/8/20352020/8/20366.2.4步进电机的控制方法由步进电机的工作原理知道，要使步进电机正常一步一步地运行，控制脉冲必须按一定的顺序分别供给电动机各项脉冲分配。实现脉冲分配可以采用如下两种形式：一种是硬件脉冲分配（或称脉冲分配器），另一种是软件脉冲分配器，是由计算机的软件完