数控机床的伺服系统 43页

Clicktoaddyourtext河北理工大学机械工程学院工程训练中心张好强第七章数控机床的伺服系统 §7-2步进电机及驱动控制系统§7-1概述§7-3直流伺服系统§7-4交流伺服系统第七章数控机床的伺服系统 一、伺服系统的组成数控机床的伺服系统按其功能可分为：进给伺服系统和主轴伺服系统。主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动。进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。第一节概述第七章数控机床的伺服系统 进给伺服系统的作用：接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。数控机床的进给伺服系统能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。如果把数控装置比作数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，那么伺服系统就是数控机床的“四肢”，是执行“命令”的机构，它是一个不折不扣的跟随者。第七章数控机床的伺服系统 数控机床闭环进给系统的一般结构如图7-1所示，这是一个双闭环系统，内环为速度环，外环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速度控制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度控制系统的核心。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由CNC装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。由速度检测装置提供速度反馈值的速度环控制在进给驱动装置内完成，而装在电动机轴上或机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈值构成的位置环由数控装置来完成。伺服系统从外部来看，是一个以位置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控制系统。但从内部的实际工作来看，它是先把位置控制指令转换成相应的速度信号后，通过调速系统驱动伺服电机，才实现实际位移的。第七章数控机床的伺服系统 位置控制模块速度控制单元伺服电机工作台位置检测测量反馈速度环速度检测位置环图7-1闭环进给伺服系统结构指令伺服驱动装置第七章数控机床的伺服系统 二、对伺服系统的基本要求1.位移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。伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差愈小，位移精度愈高。2.稳定性好稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。要求伺服系统具有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。第七章数控机床的伺服系统 3.快速响应快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统跟踪精度。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置随动系统，为保证轮廓切削形状精度和低的表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，跟随误差小。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。在数控机床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。第七章数控机床的伺服系统 5.低速大扭矩要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，伺服系统在低速时要求有大的转矩输出。三、伺服系统的分类数控机床的伺服系统按其控制原理和有无位置反馈装置分为开环和闭环伺服系统；按其用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按其驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统。电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统及直线电动机伺服系统。第七章数控机床的伺服系统 1.进给驱动与主轴驱动进给伺服系统包括速度控制环和位置控制环，用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需转矩。主轴伺服系统只是一个速度控制系统，控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力，且保证任意转速的调节。2.直流伺服系统、交流伺服系统与直线电动机伺服系统直流伺服系统就是控制直流电机的系统。目前使用比较多的是永磁式直流伺服电机。永磁直流伺服电机（也称为大惯量宽调速直流伺服电机），调速范围宽，输出转矩大，过载能力强，而且电机转动惯量较大，应用较方便。第七章数控机床的伺服系统 但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格也高。进入80年代后，由于交流电机调速技术的突破，交流伺服驱动系统进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服电机，转子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修，制造简单，适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速度方向发展，其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统，交流伺服电机已在数控机床中得到广泛应用。第七章数控机床的伺服系统 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。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。由于直线电动机在机床中的应用目前还处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。随着各相关配套技术的发展和直线电动机制造工艺的完善，相信用直线电动机作进给驱动的机床会得到广泛应用。第七章数控机床的伺服系统 四、常用驱动元件驱动元件是伺服系统的关键部件，对系统的特性有极大的影响，它的发展和进步是推动数控机床发展的重要因素。驱动元件的发展大致分为以下几个阶段：50年代，采用步进电机。目前只应用于经济型数控机床。60～70年代，采用步进电机和电液伺服电机。现已基本不用。70～80年代，采用直流伺服电机，在我国广泛使用。80年代以后，采用交流伺服电机，是比较理想的驱动元件。第七章数控机床的伺服系统 一、步进电机的分类１按其运动方式分：有旋转式、直线运动式、平面运动式和滚切运动式。２按其励磁相数可分为三相、四相、五相、六相甚至八相步进电机等；３按使用场合分：有功率步进电机和控制步进电机；４按其工作原理分：有磁电式、反应式（磁阻式）、永磁感应式步进电机等；５按使用频率分：有高频步进电机和低频步进电机；６按结构分：有单段式（径向式）、多段式（轴向式）等。第二节步进电机及其驱动控制系统第七章数控机床的伺服系统 二、步进电机工作原理步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系统中，步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序来决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。但由于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制。第七章数控机床的伺服系统 步进电机在结构上分为定子和转子两部分，现以图7-4所示的反应式三相步进电机为例加以说明。定子上有六个磁极，每个磁极上绕有励磁绕组，每相对的两个磁极组成一相，分成A、B、C三相。转子无绕组，它是由带齿的铁心做成的。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。如果控制线路不停地按一定方向切换定子绕组各相电流，转子便按一定方向不停地转动。步进电机每次转过的角度称为步距角。第七章数控机床的伺服系统 图7-4三相反应式步进电机结构第七章数控机床的伺服系统 为进一步了解步进电机的工作原理，以图7-5为例来说明其转动的整个过程，假设转子上有四个齿，相邻两齿间夹角（齿距角）为900。当A相通电时，转子1、3齿被磁极A产生的电磁引力吸引过去，使1、3齿与A相磁极对齐。接着B相通电，A相断电，磁极B又把距它最近的一对齿2、4吸引过来，使转子按逆时针方向转动30o。然后C相通电，B相断电，转子又逆时针旋转30o，依次类推，定子按A→B→C→A顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步转30o。若改变通电顺序，按A→C→B→A使定子绕组通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转30o。这种控制方式叫三相单三拍方式，“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指每三次换接为一个循环。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。第七章数控机床的伺服系统 采用三相双三拍控制方式，即通电顺序按AB→BC→CA→AB（逆时针方向）或AC→CB→BA→AC（顺时针方向）进行，其步距角仍为300。由于双三拍控制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。如果按A→AB→B→BC→C→CA→A顺序通电，即首先A相通电，然后A相不断电，B相再通电，即A、B两相同时通电，接着A相断电而B相保持通电状态，然后再使B、C两相通电，依次类推，每切换一次，步进电机逆时针转过15°。如通电顺序改为A→AC→C→CB→B→BA→A，则步进电机以步距角15°顺时针旋转。这种控制方式为三相六拍，它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。实际应用的步进电机如图7-4所示，转子铁心和定子磁极上均有齿距相等的小齿，且齿数要有一定比例的配合。第七章数控机床的伺服系统 图7-5步进电机工作原理第七章数控机床的伺服系统 三、步进电机的主要性能指标1.步距角和步距误差步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下：(7-1)式中—步进电机的步距角；m—电机相数；Z—转子齿数；K—系数，相邻两次通电相数相同，K＝1；相邻两次通电相数不同，K＝2。第七章数控机床的伺服系统 同一相数的步进电机可有两种步距角，通常为1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。步距误差是指步进电机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。连续走若干步时，上述步距误差的累积值称为步距的累积误差。由于步进电机转过一转后，将重复上一转的稳定位置，即步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。第七章数控机床的伺服系统 2.静态转矩与矩角特性当步进电机上某相定子绕组通电之后，转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（θ＝0）。如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度θ，角度θ称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角θ的关系叫矩角特性，如图7-6所示，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（θ＝0）。第七章数控机床的伺服系统 图7-6静态矩角特性第七章数控机床的伺服系统 3.最大启动转矩图7-7为三相单三拍矩角特性曲线，图中的A、B分别是相邻A相和B相的静态矩角特性曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电机的最大启动转矩。如果外加负载转矩大于，电机就不能启动。如图7-7所示,当A相通电时，若外加负载转矩，对应的失调角为，当励磁电流由A相切换到B相时，对应角，B相的静转矩为。从图中看出,电机不能带动负载做步进运动，因而启动转矩是电机能带动负载转动的极限转矩。第七章数控机床的伺服系统 abABC图7-7步进电机的启动转矩第七章数控机床的伺服系统 4.启动频率空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。5.连续运行频率步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。第七章数控机床的伺服系统 Mf图7-8矩频特性6.矩频特性与动态转矩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（见图7-8），该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。当步进电机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。第七章数控机床的伺服系统 四、步进电机功率驱动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，数控机床上常用三相、四相、五相及六相步进电机。第七章数控机床的伺服系统 由于数控机床的自身特点，如位移精度高、调速范围广、承载能力强、运动稳定性好、响应速度快等，对伺服电机的要求较高，特别是要具有较大的转矩——惯量比。直流伺服电机具有较好的调速特性，尤其是直流电机具有较硬的机械特性，因此直流电机在数控机床中使用较广泛。然而一般的直流电机因其转子转动惯量较大，其输出转矩相对小，动态特性不好，不能满足机械加工的要求，特别是在低速运转条件下更是如此。因此，直流电机必须改进结构提高其特性，才能用于数控机床的伺服系统。第三节直流伺服系统第七章数控机床的伺服系统 1．小惯量直流伺服电机为使转子转动惯量尽可能的小，这种电机一般都做成细长形，转子光滑无槽。其特点是转动惯量比一般直流电机小一个数量级，机械时间常数小，加减速能力强，响应快，动态特性好。再加上其气隙尺寸大，采用高磁能永久磁铁，励磁绕组在铁心表面，因而绕组自磁小，电枢电流可增大。所以其瞬时峰值转矩可为额定转矩的十倍以上，调速范围宽，低速运转平稳。第七章数控机床的伺服系统 2调速直流电机小惯量直流电机是从减小转子的转动惯量来改善电机动态特性的，然而正是因其惯量小，热容量也小，过载时间不能过长。其另一特点是转速高，惯量小，而机床的惯量大，两者之间必须使用齿轮减速才能很好地匹配。这在客观上就需要一种大转矩、低转速的电机。第七章数控机床的伺服系统 调速直流伺服电机是在维持一般直流电机转动惯量不变的前提下，通过提高转矩来改善其特性，电机定于采用矫顽力强的永磁材料。这种材料可使电机电流过载10倍而不会去磁，因而提高了电机的瞬时加速力矩，改善了动态响应，因此调速直流伺服电机具有以下特性：（1）动态响应好（2）过载能力强（3）转矩大（4）调速范围宽调速范围可达0.1～2000r/min。（5）可直接接有高精度检测元件第七章数控机床的伺服系统 3．直流伺服电机的调速对于直流电机的调速，在理论上有三种方法：①改变电枢回路电阻；②改变气隙磁通量；③改变外加电压。用于数控机床的电机要求既能正转、反转，又能快速制动。因此数控机床的伺服系统一般都是可逆系统，但前两种方法不能满足数控机床的要求。因此，主要采用调整电枢电压的方法来调节直流伺服电机的转速，它的供电系统能灵活地控制直流电压的大小和方向。目前主要用晶闸管控制方式（SCR——M）和脉宽调制方式（PWM——M）来提供可调的直流电源。第七章数控机床的伺服系统 （１）晶闸管控制方式，用SCR三相全控桥式整流，通过改变触发角来改变电压，从而达到调节直流伺服电机的目的，此方法以前应用较广。缺点是其电枢电流脉动频率低，波形差，使电机的工作情况恶化，从而限制了调速范围的进一步扩大。第七章数控机床的伺服系统 ．．．M．KUaτ１Tτ2TUt（２）近年来，晶体管脉宽调制方式在世界上得到了广泛应用，并且逐步取代晶闸管控制方式。第七章数控机床的伺服系统 如图所示开关K周期性的开关,周期为T,接通时间为τ,外加电源电压U为常数，则加到电枢上的波形是一个高为U，宽为τ，周期为T的方波。则它的平均值为：Ua=∫Udt/T=τU/T=δTU其中δT＝τ/T0T由上式可知：当T不变时，只要连续地改变τ（0～T）就可使电枢电压平均值连续地由0～U变化，从而改变电机的转速。实际上的PWM系统用大功率M极管代替开关K，其开关频率是2000Hz，T＝l／2000s＝0.5ms。图中二极管为续流二极管，当K断开时，由于电枢电感的存在，电机电枢电流Ia可通过它形成回路而继续流通。第七章数控机床的伺服系统 直流电机的优点：晶体管脉宽调制系统，因晶体管的开关频率很高，其输出电流接近于纯直流，使电机调速平稳。另一方面，转子也跟不上如此高的频率变化，避开了机械谐振，使机械工作平稳。这种方式还具有优良的动态硬度，电机既能驱动负载，也能制动负载，因而响应很快。与晶闸管比较，在相同的输出转矩下（即平均电流相同）运行效率高，发热小，低速下限更小，调速范围更宽。直流电机的缺点：它的电刷和换向器易磨损，换向时产生火花，使电机的最高转速受到限制，也使应用环境受限制，其结构复杂，成本高。第七章数控机床的伺服系统 在交流伺服系统中，按电机种类可分为同步型和异步型（感应电机）两种。数控机床进给伺服系统中多采用永磁式同步电机，同步电机的转速是由供电频率所决定的，即在电源电压和频率固定不变时，它的转速是稳定不变的。由变频电源供电给同步电机时，能方便地获得与频率成正比的可变速度，可以得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。第四节交流伺服系统第七章数控机床的伺服系统 １.交流伺服系统的优点：交流异步电机结构简单，成本低廉，无直流伺服电机的缺点，而且转子惯量较直流电机的小，这意味着动态响应更好。交流电机容量也比直流容量大，可达更高的电压和转速。一般在同样体积下，交流电机的输出功率比直流电机可以提高10％～70％。是当前机床进给驱动系统的一个新动向。交流主轴电机多采用交流异步电机，很少采用永磁同步电机，主要因为永磁同步电机的容量做得不够大，且电机成本较高。另外主轴驱动系统不象进给系统那样要求很高的性能，调速范围也不要太大。因此，采用异步电机完全可以满足数控机床主轴的要求，笼型异步电机多用在主轴驱动系统中。第七章数控机床的伺服系统 ２.交流伺服系统的电机类型：可以采用交流异步电机，也可采用交流同步电机。交流异步电机所采用的电流有三相和单相两种。交流同步电机的磁势源可以是电磁式、永磁式和反应式等多种，在数控机床进给伺服系统中多采用永磁式同步电机。３.永磁式同步电机的特点是：结构简单，运行可靠，效率高。在结构上采取措施如采用高剩磁感应、高矫顽力和稀土类磁铁，可比直流电机在外形尺寸上减少约50％，重量上减轻近60％，转子惯量减至20％，因而可得到比直流伺服电机更硬的机械性能和宽的调速范围。第七章数控机床的伺服系统 ４.交流伺服电机的调速：目前用得较多的是用计算机对交流电机的磁场作矢量变换控制。基本原理是通过矢量变换，把交流电机等效为直流电机，其思路是按照产生同样的旋转磁场这一等效原则进行的。５.步骤：先将交流电机的三相绕组等效成二相绕组，再进一步等效为两个正交的直流绕组，构成正交的坐标系的两个轴。一个相当于直流电机的励磁绕组，一个相当于直流电机的电枢绕组。在旋转的正交坐标系中，交流电机的数学模型和直流电机的数学模型是一样的，从而使交流电机像直流电机一样，能对其转矩进行有效控制。第七章数控机床的伺服系统 ThankYou!