《機床數(shù)控技術基礎》課件-第6章

第6章伺服驅動系統(tǒng)6.1概述6.2步進電動機開環(huán)伺服系統(tǒng)6.3步進電動機閉環(huán)伺服驅動系統(tǒng)6.4主軸驅動6.5數(shù)控機床位置檢測裝置6.6位置控制知識拓展本章小結

(1)伺服驅動系統(tǒng)的概念、組成、工作原理和分類;

(2)數(shù)控機床對伺服驅動系統(tǒng)的基本要求;

(3)步進電動機開環(huán)伺服系統(tǒng)的結構組成和工作原理;

(4)步進電動機驅動電源的結構組成和工作原理、步進電動機的選用、步進電動機的微機控制方式和原理;

(5)閉環(huán)伺服驅動系統(tǒng)的性能特點,直流、交流伺服電動機的工作原理;

(6)數(shù)控機床對主軸驅動系統(tǒng)的基本要求;

(7)直流、交流主軸電動機的結構組成和特點;

(8)數(shù)控機床位置檢測裝置的要求和分類;

(9)旋轉變壓器、感應同步器、光電編碼器、光柵、磁尺、雙頻激光干涉儀的結構組成、工作原理和性能特點;

(10)數(shù)控機床位置控制的基本原理,數(shù)字脈沖比較位置控制伺服系統(tǒng)、全數(shù)字控制伺服系統(tǒng)的結構組成和工作原理。

在數(shù)控機床中,伺服系統(tǒng)是連接數(shù)控系統(tǒng)和機床本體的中間環(huán)節(jié),是數(shù)控機床的“四肢”,它的性能決定著數(shù)控機床的工作性能,其重要性不言而喻。目前,市場上常用的主軸驅動系統(tǒng)和進給驅動系統(tǒng)有哪些?試列舉一下。

6.1概述

6.1.1伺服驅動系統(tǒng)的概念數(shù)控機床伺服驅動系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分,它是以機床移動部件的位置和速度為控制量的自動控制系統(tǒng),又稱位置隨動系統(tǒng)、拖動系統(tǒng)、伺服機構或伺服單元。在數(shù)控機床中,伺服驅動系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié),它接收數(shù)控裝置插補器發(fā)出的進給脈沖或進給位移量信息,經過變換和放大后,由伺服電動機帶動傳動機構,最后轉化為機床的直線或轉動位移。

由于伺服系統(tǒng)中包含大量的電力電子器件,并應用反饋控制原理和許多其他新技術,因此系統(tǒng)結構復雜,綜合性強。在一定意義上,伺服系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能決定了數(shù)控機床的精度、穩(wěn)定性、可靠性和加工效率。因此高性能的伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機床的關鍵技術之一。

6.1.2數(shù)控機床對伺服驅動系統(tǒng)的基本要求

伺服系統(tǒng)為數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部件,不僅要求穩(wěn)定地保證所需的切削力矩和進給速度,而且要準確地完成指令規(guī)定的定位控制或者復雜的輪廓加工控制。對伺服系統(tǒng)的基本要求如下:

1.精度高

伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復現(xiàn)輸入量的精確程度。

2.穩(wěn)定性好

穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾的作用下,能在短暫的調節(jié)過程后,達到新的或者恢復到原來的平衡狀態(tài),對伺服系統(tǒng)要求有較強的抗干擾能力。穩(wěn)定性是保證數(shù)控機床正常工作的條件,直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。

3.響應快

快速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質的重要指標,它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。為了保證輪廓切削形狀精度和較低的加工表面粗糙度,要求伺服系統(tǒng)跟蹤指令信號的響應要快。一方面要求過渡過程(電動機從靜止到額定轉速)的時間要短,一般在200ms以內,甚至小于幾十毫秒;另一方面要求超調要小。這兩方面的要求往往是矛盾的,實際應用中要采取一定措施,按工藝加工要求做出一定的選擇。

4.調速范圍寬

調速范圍Rn是指生產機械要求電動機能提供的最高轉速nmax和最低轉速nmin之比,通常表示為

式中,nmax和nmin一般是指額定負載時的轉速。對于少數(shù)負載很輕的機械,n也可以是實際負載時的轉速。

5.低速大轉矩

機床加工的特點是在低速時進行重切削,因此要求伺服系統(tǒng)在低速時要有大的轉矩輸出。進給坐標的伺服控制屬于恒轉矩控制,在整個速度范圍內都要保持這個轉矩;主軸坐標的伺服控制在低速時為恒轉矩控制,能提供較大轉矩;在高速時為恒功率控制,具有足夠大的輸出功率。

伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件伺服電動機是一個非常重要的部件,應具有高精度、快反應、寬調速和大轉矩的優(yōu)良性能,尤其對進給伺服電動機要求更高,具體是:

(1)電動機從低速到高速范圍內能平滑運轉,且轉矩波動要小。

(2)電動機應具有大的、較長時間的過載能力,以滿足低速大轉矩的要求。

(3)為了滿足快速響應的要求,即隨著控制信號的變化,電動機應能在較短時間內達到規(guī)定的速度。

(4)電動機應能承受頻繁的啟動、制動和正反轉。

6.1.3伺服驅動系統(tǒng)的組成和工作原理

圖6-1所示為一閉環(huán)伺服系統(tǒng)結構的原理圖。安裝在工作臺上的位置檢測元件把機械位移變成位置數(shù)字量,并由位置反饋電路送到微機內部。該位置反饋量與輸入微機的指令位置進行比較,如果不一致,微機送出差值信號,經驅動電路將差值信號進行變換、放大后驅動電動機,經減速裝置帶動工作臺移動。當比較后的差值信號為零時,電動機停止轉動。此時,工作臺移到指令所指定的位置。這就是數(shù)控機床的位置控制過程。圖6-1伺服系統(tǒng)結構原理圖

圖6-1所示伺服系統(tǒng)結構的原理圖可以用框圖表示,如圖6-2所示。由原理圖及框圖可知,閉環(huán)伺服系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成:圖6-2伺服系統(tǒng)框圖

1)微型計算機

微型計算機能接收輸入的加工程序和反饋信號,經系統(tǒng)軟件運行處理后,由輸出口送出指令信號。

2)驅動電路

驅動電路可接收微機發(fā)出的指令,并將輸入信號轉換成電壓信號,經過功率放大后,驅動電動機旋轉。轉速的大小由指令控制。

3)執(zhí)行元件

執(zhí)行元件可以是直流電動機、交流電動機,也可以是步進電動機。采用步進電動機的通常是開環(huán)控制。

4)傳動裝置

傳動裝置包括減速箱和滾珠絲杠等。

5)位置檢測元件及反饋電路

位置檢測元件有直線感應同步器、光柵和磁尺等。

6)測速發(fā)電機及反饋電路

測速發(fā)電機實際是小型發(fā)電機。發(fā)電機兩端的電壓值和發(fā)電機的轉速成正比,故可將轉速的變化量轉變成電壓的變化量。

除微型計算機外,其余部分稱為伺服驅動系統(tǒng)。

6.1.4伺服驅動系統(tǒng)分類

1.按調節(jié)理論分類

1)開環(huán)伺服系統(tǒng)

開環(huán)伺服系統(tǒng)(見圖6-3)只有指令信號的前向控制通道,沒有檢測反饋控制通道,其驅動元件主要是步進電動機。這種系統(tǒng)的工作原理是將指令數(shù)字脈沖信號轉換為電動機的角度位移。運動和定位的實現(xiàn)主要靠驅動裝置(即驅動電路)和步進電動機本身來保證。轉過的角度正比于指令脈沖的個數(shù),運動速度由進給脈沖的頻率決定。圖6-3開環(huán)伺服系統(tǒng)

開環(huán)系統(tǒng)結構簡單,易于控制,缺點是精度差,低速不平穩(wěn),高速扭矩小,主要用于輕載、負載變化不大或經濟型數(shù)控機床上?，F(xiàn)代高精度、硬特性的步進電動機及其驅動裝置都在迅速發(fā)展中。

2)閉環(huán)伺服系統(tǒng)

閉環(huán)系統(tǒng)是誤差控制隨動系統(tǒng)。數(shù)控機床進給系統(tǒng)的控制量是CNC輸出的位移指令和機床工作臺(或刀架等)實際位移的差值(誤差),因此需要有位置檢測裝置。該裝置放在工作臺上,可測出各坐標軸的實時位移量或者實際所處的位置,并將測量值反饋給CNC裝置,與指令進行比較,求得誤差,然后由CNC裝置控制機床向著消除誤差的方向運動。閉環(huán)控制中還引入了實際速度與給定速度比較調解的速度環(huán)(其內部有電流環(huán)),作用是對電動機運行狀態(tài)實時進行校正、控制,達到速度穩(wěn)定和變化平穩(wěn)的目的,從而改善位置環(huán)的控制品質。

這種既有指令的前向控制通道,又有測量輸出的反饋控制通道,就構成了閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要分為全閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制兩種(還有一種混合閉環(huán)控制,用于重型和超重型數(shù)控機床)。全閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)如圖6-4所示。

圖6-4全閉環(huán)伺服系統(tǒng)

3)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)

位置檢測元件從最終運動部件(如工作臺)移到電動機軸端或絲杠軸端,見圖6-5。半閉環(huán)系統(tǒng)通過角位移的測量間接計算出工作臺的實際位移量。機械傳動部件不在控制環(huán)內,容易獲得穩(wěn)定的控制特性。只要檢測元件分辨率高、精度高,并使機械傳動件具有相應的精度,就會獲得較高精度和速度。半閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度介于開環(huán)和全閉環(huán)系統(tǒng)之間,半閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度雖沒有全閉環(huán)的高,但其調試卻比全閉環(huán)方便,因此是獲得廣泛使用的一種數(shù)控伺服系統(tǒng)。圖6-5半閉環(huán)伺服系統(tǒng)

2.按使用的執(zhí)行元件分類

1)電液伺服系統(tǒng)

電液伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件通常為電液脈沖馬達和電液伺服馬達,其前一級為電氣元件,驅動元件為液動機和液壓缸。數(shù)控機床發(fā)展的初期多數(shù)采用電液伺服系統(tǒng)。

2)電氣伺服系統(tǒng)

電氣伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件為伺服電動機(步進電動機、直流電動機和交流電動機),驅動單元為電力電子器件,操作維護方便,可靠性高?，F(xiàn)代數(shù)控機床均采用電氣伺服系統(tǒng)。

電氣伺服系統(tǒng)分為步進伺服系統(tǒng)、直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng),下面主要介紹直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。

(1)直流伺服系統(tǒng)。

直流伺服系統(tǒng)從20世紀70年代到80年代中期開始在數(shù)控機床上占主導地位。進給運動系統(tǒng)采用大慣量寬調速永磁直流伺服電動機和中小慣量直流伺服電動機,主運動系統(tǒng)采用他激直流伺服電動機。大慣量直流伺服電動機具有良好的調速性能,輸出轉矩大,過載能力強等特點。

(2)交流伺服系統(tǒng)。

交流伺服系統(tǒng)使用交流感應異步伺服電動機(一般用于主軸伺服系統(tǒng))和永磁同步伺服電動機(一般用于進給伺服系統(tǒng))。直流伺服電動機使用機械(電刷、換向器)換向,存在著一些固有的缺點,使其應用受到限制。

當今,交流伺服系統(tǒng)已實現(xiàn)了全數(shù)字化,即在伺服系統(tǒng)中,除了驅動級外,電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)全部數(shù)字化。全部伺服的控制模型、數(shù)控功能、靜動態(tài)補償、前饋控制、最優(yōu)控制、自學習功能等均由微處理器及其控制軟件高速實時地實現(xiàn),其性能更加優(yōu)越,已達到和超過直流伺服系統(tǒng)。

3.按被控對象分類

1)進給伺服系統(tǒng)

進給伺服系統(tǒng)是指一般概念的位置伺服系統(tǒng),它包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。進給伺服系統(tǒng)控制機床各進給坐標軸的進給運動,具有定位和輪廓跟蹤功能,是數(shù)控機床中要求最高的伺服控制。

2)主軸伺服系統(tǒng)

一般的主軸伺服系統(tǒng)只是一個速度控制系統(tǒng),可控制主軸的旋轉運動,提供切削過程中的轉矩和功率,完成在轉速范圍內的無級變速和轉速調節(jié)。當主軸伺服系統(tǒng)要求有位置控制功能時(如數(shù)控車床類機床),稱為C軸控制功能。這時,主軸與進給伺服系統(tǒng)一樣,為一般概念的位置伺服控制系統(tǒng)。

此外,刀庫的位置控制是為了在刀庫的不同位置選擇刀具,與進給坐標軸的位置控制相比,性能要低得多,故稱為簡易位置伺服系統(tǒng)。

4.按反饋比較控制方式分類

1)脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)

脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)系統(tǒng)是閉環(huán)伺服系統(tǒng)中的一種控制方式。它是將數(shù)控裝置發(fā)出的數(shù)字(或脈沖)指令信號與檢測裝置測得的以數(shù)字(或脈沖)形式表示的反饋信號直接進行比較,以產生位置誤差,達到閉環(huán)控制。

2)相位比較伺服系統(tǒng)

在相位比較伺服系統(tǒng)中,位置檢測裝置采用相位工作方式。指令信號與反饋信號都變成了某個載波的相位,通過兩者相位的比較,獲得實際位置與指令位置的偏差,實現(xiàn)閉環(huán)控制。

3)幅值比較伺服系統(tǒng)

幅值比較伺服系統(tǒng)以位置檢測信號的幅值大小來反映機械位移的數(shù)值,并以此信號作為位置反饋信號。

4)全數(shù)字伺服系統(tǒng)

隨著微電子技術、計算機技術和伺服控制技術的發(fā)展,數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)已采用高速、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng),即由位置、速度和電流構成的三環(huán)反饋控制全部數(shù)字化,使伺服控制技術從模擬方式、混合方式走向全數(shù)字化方式。該類伺服系統(tǒng)具有使用靈活、柔性好的特點。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術和改進伺服性能的措施,使控制精度和品質大大提高。

6.2步進電動機開環(huán)伺服系統(tǒng)6.2.1步進電動機

數(shù)控機床的開環(huán)伺服系統(tǒng)采用功率步進電動機作為執(zhí)行元件,實現(xiàn)進給運動。與閉環(huán)系統(tǒng)相比,它沒有位置反饋回路和速度反饋回路,因而不需使用位置、速度測量裝置以及復雜的控制調節(jié)電路,這使得系統(tǒng)成本大大降低,且簡單可靠,與機床配接容易,控制使用方便,因而在對速度、精度要求不高的中小型機床上得到了廣泛的應用。圖6-6為采用功率步進電動機的開環(huán)系統(tǒng)示意圖。圖6-6-開環(huán)步進伺服系統(tǒng)結構示意圖

1.步進電動機的工作原理

步進電動機是一種將脈沖信號變換成角位移(或線位移)的電磁裝置。步進電動機的角位移與輸入脈沖個數(shù)成正比,在時間上與輸入脈沖同步。因此只需控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電相序,便可獲得所需的轉角、轉速及轉動方向。在無脈沖輸入時,在繞組電源激勵下,氣隙磁場能使轉子保持原有位置而處于自鎖狀態(tài)。

步進電動機按其輸出扭矩的大小,可分為快速步進電動機與功率步進電動機;按其勵磁相數(shù)可分為三相、四相、五相、六相步進電動機;按其工作原理可以分為磁電式步進電動機和反應式步進電動機兩大類。

這里介紹的是常用的反應式步進電動機的工作原理,現(xiàn)用圖6-7來加以說明。圖6-7反應式步進電動機工作原理圖

電動機定子繞組每改變一次通電方式,稱為一拍,此時電動機轉子轉過的空間角度稱為步距角α。上述通電方式稱為三相單三拍?！皢巍笔侵该看瓮姇r,只有一相繞組通電;“三拍”是指經過三次切換繞組的通電狀態(tài)為一個循環(huán),第四拍通電時就重復第一拍通電的情況。顯然,在這種通電方式時,三相步進電動機的步距角應為30°。

三相步進電動機除了單三拍通電方式外,還經常工作在三相六拍通電方式。這時通電順序為A—AB—B—BC—C—CA—A或A—AC—C—CB—B—BA—A。也就是說,先接通A相繞組,再同時接通A、B相繞組;然后斷開A相繞組,使B相繞組單獨接通;再同時接通B、C相繞組,依此進行。在這種通電方式下,定子三相繞組需經過六次切換才能完成一個循環(huán),故稱為“六拍”。而且在通電時,有時是單個繞組接通,有時又為兩個繞組同時接通,因此亦稱為“三相單、雙六拍”。

在三相六拍通電方式下,步進電動機的步距角與“單三拍”時的情況不同,見圖6-8。圖6-8三相六拍運行示意圖

2.步進電動機的主要特性

1)步距角α

每輸入一個電脈沖信號,步進電動機轉子所轉過的角度稱為步距角。步進電動機步距角的計算公式為

式中:m——步進電動機的相數(shù);

z——步進電動機轉子的齒數(shù);

k——與通電方式有關的系數(shù)。當通電方式為單拍時,k=1;雙拍時,k=2

2)靜態(tài)步距角誤差Δα

空載時,以單脈沖輸入,步進電動機實際步距角與理論步距角之差稱為靜態(tài)步距角誤差。它隨步進電動機的制造精度而變化。Δα一般控制在±10'~±30'的范圍內。

3)最大靜轉矩Tmax

當步進電動機不改變通電狀態(tài)轉子不動時,在軸上加一負載轉矩,定子與轉子就有一個角位移角θ,θ稱為失調角。使轉子剛剛離開平衡位置的極限轉矩值稱為最大靜轉矩,用Tmax表示。靜轉矩越大,電動機所能承受的外加轉矩也越大。一般產品技術規(guī)格中給出的最大靜轉矩是指在額定電流及規(guī)定的通電方式下的靜轉矩。

設有三相步進電動機,其矩角特性如圖6-9所示,則A相和B相的矩角特性交點的縱坐標Tq稱為啟動轉矩。Tq代表步進電動機單相勵磁時所能帶動的極限負載轉矩。圖6-9步進電動機的最大負載能力

當電動機所帶負載TL<Tq時,A相通電,工作點在m點,此點TA<TL;當勵磁電流從A相切換到B相,而轉子在m點位置時,B相勵磁繞組產生的電磁轉矩是TB

>TA

,轉子旋轉;前進到n點時,TB=TL,轉子到達新的平衡位置。顯然,負載轉矩TL不可大于A、B兩相交點的轉矩Tq,否則轉子無法轉動,產生“失步”現(xiàn)象。不同相數(shù)的步進電動機的啟動轉矩不同,通過計算可得表6-1的結果。

3.啟動(突跳)頻率

步進電動機由靜止突然啟動,進入不丟步且正常運行的最高頻率,稱為啟動頻率或突跳頻率。由于步進電動機在啟動時,要克服負載力矩與加速力矩,如果啟動突跳頻率過高,轉子的速度就跟不上定子的磁場旋轉速度,出現(xiàn)失步或振蕩現(xiàn)象,因此,一般均采用較低的啟動頻率啟動步進電動機,然后再逐漸升高脈沖頻率,最后達到所要求的工作頻率。這樣所能達到的最高工作頻率遠高于啟動頻率。

步進電動機生產廠家通常給出電動機空載時的啟動頻率。但當電動機帶有負載力矩M時,其啟動頻率fq下降,兩者之間的關系稱為啟動矩頻特性,如圖6-10(a)所示。當電動機帶有慣量負載時,隨外部慣量的增大,啟動頻率fq將明顯下降,兩者之間的關系稱為啟動慣頻特性,如圖6-10(b)所示。如果步進電動機所帶負載中力矩、慣量都有,則啟動頻率將進一步下降。圖6-10啟動矩頻特性和啟動慣頻特性

4.連續(xù)運行頻率

步進電動機啟動時能逐漸不失步地連續(xù)升速至某一最高頻率,稱作連續(xù)運行頻率fmax。它是步進電動機的重要指標。由于采用逐漸升、降頻控制,因此fmax遠大于fq。

5.矩頻特性

矩頻特性描述步進電動機連續(xù)穩(wěn)定運行時輸出轉矩與頻率的關系,該特性曲線(見圖6-11)上每一頻率所對應的轉矩稱為動態(tài)轉矩。一般來說,隨著運行頻率的增高,輸出力矩會隨之下降。到某一頻率后,步進電動機的輸出力矩已變得很小,帶不動負載或受到一個很小的干擾,就會發(fā)生振蕩、失步或停轉。因此,動態(tài)轉矩的大小直接影響步進電動機的動態(tài)性能以及帶負載的能力。圖6-11矩頻特性

6.2.2步進電動機的驅動電源

步進電動機的運行性能不僅與電動機本身的特性、負載有關,而且與其配套使用的驅動電源有著密切的關系。步進電動機的運行性能是步進電動機和驅動電源的綜合結果,選擇性能良好的驅動電源對于發(fā)揮步進電動機的性能是十分重要的。步進電動機的驅動電源由環(huán)形分配器和功率放大器兩部分組成。

1.環(huán)形分配器

環(huán)形分配器是用于控制步進電動機的通電運行方式的,其作用是將數(shù)控裝置的插補脈沖按步進電動機所要求的規(guī)律分配給步進電動機驅動電源的各相輸入端,以控制勵磁繞組的導通或關斷。同時由于電動機有正反轉要求,所以環(huán)形分配器的輸出不僅是周期性的,又是可逆的。

環(huán)形分配器可分成硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器兩類,下面分別加以介紹。

1)硬件環(huán)形分配器

硬件環(huán)形分配器種類很多,其中比較常用的是由專用集成芯片或通用可編程邏輯器件組成的環(huán)形分配器。CH250是三相反應式步進電動機環(huán)形分配器的專用集成電路芯片,它采用CMOS工藝,集成度高,可靠性好,其管腳圖和三相六拍工作時的接線圖如圖6-12所示。圖6-12CH250管腳圖和三相六拍接線圖

2)軟件環(huán)形脈沖分配器

不同種類、不同相數(shù)、不同分配方式的步進電動機都必須有不同的環(huán)形分配器,可見所需環(huán)形分配器的品種將很多。用軟件環(huán)形分配器只需編制不同的軟環(huán)分程序,將其存入數(shù)控裝置的EPROM中即可。用軟件環(huán)形分配器可以使線路簡化,成本下降,并可靈活地改變步進電動機的控制方案。

軟件環(huán)形脈沖分配器的工作方式為:在微處理器系統(tǒng)中,專門安排一個輸出寄存器作為步進電動機的控制寄存器(一般只用這個寄存器中的若干位),步進電動機的每一相繞組都與這個寄存器中的某一指定位相對應。寄存器中該位為“1”,對應著相應繞組的通電狀態(tài);該位為“0”,對應著相應繞組的斷電狀態(tài)。微處理器按照程序中規(guī)定的順序,循環(huán)地向寄存器中寫入各控制字節(jié),從而使步進電動機的繞組按固定的規(guī)律,循環(huán)地通電或斷電,使步進電動機向某一方向轉動。

圖6-13是步進控制字節(jié)的存放格式。

我們是以三相電動機單、雙六拍控制方式為例的。在圖6-13中,控制字節(jié)的D7位代表了A相,D6位代表了B相,D5位代表了C相,D4~0位無用,所以這幾位的值可以是任意的。

因為是單、雙六拍控制方式。所以在圖6-13中有六個控制字節(jié)?？刂谱止?jié)存放在存儲器中的首地址用TABLE表示,某一個字節(jié)相對于首地址的偏移量存在用Δ表示的位置中。圖6-13步進控制字節(jié)的存放格式

圖6-14是環(huán)分中斷子程序框圖。在微處理器進入中斷子程序后,首先讀取控制字節(jié)的首地址TABLE和偏移量Δ,這個偏移量是上一次環(huán)分中斷時形成的,然后讀取方向控制位D,若D=“1”,則說明要求步進電動機正轉,應當將上次的偏移量Δ加1形成本次的偏移量;若D=“0”,則說明要求步進電動機反轉,應當將上次的偏移量Δ減1形成本次的偏移量。因為Δ的有效取值范圍在0~5之間,所以對加1或減1以后的偏移量Δ應進行檢查,看看是否超過了上述有效范圍。圖6-14環(huán)分中斷子程序框圖

2.功率放大器

功率放大器也稱功率驅動器或功率放大電路。由于從環(huán)行分配器來的脈沖電流只有幾毫安,而步進電動機的定子繞組需要1~10A的電流,才足以驅動步進電動機旋轉。除了使步進電動機有較大的高頻轉矩,還應該獲得較大的高頻電流。另外由于功放中的負載為步進電動機的繞組,是感性負載,故步進電動機使用的功率驅動器與一般功放相比有其特殊性,如較大電感影響快速性、感應電勢帶來的功率管保護等問題。

1)單電壓驅動電路

圖6-15所示是三相步進電動機單電壓供電的功率放大器的一種線路。步進電動機的每一相繞組都有一套這樣的電路。圖6-15單電壓驅動電路

2)雙電壓驅動電路

雙電壓驅動電路如圖6-16所示。

這種電路的特點是:開始由高壓供電,使繞組中的沖擊電流波形上升,前沿很陡,利于提高啟動頻率和最高連續(xù)工作頻率;其后切斷高壓,由低壓供電以維持額定穩(wěn)態(tài)電流值,只需很小的限流電阻,因而功耗很低;當工作頻率高,周期小于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器D的延遲周期時,變成純高壓供電,可獲得較大的高頻電流,具有較好的矩頻特性。其缺點是電流波頂有凹陷,電路較復雜。圖6-16-雙電壓驅動電路

3)斬波電路

雙電壓驅動電路電流波形的波頂會出現(xiàn)凹形,如圖6-17所示,造成高頻輸出轉矩的下降。為了使勵磁繞組中的電流維持在額定值附近,需采用斬波驅動電路。圖6-17三種驅動電路電流波形

斬波驅動電路的原理圖如圖6-18所示。它的工作原理是:環(huán)形分配器輸出的脈沖作為輸入信號,若為正脈沖,則VT1、VT2導通;由于U1電壓較高,繞組回路又未串電阻,所以繞組中的電流迅速上升;當繞組中的電流上升到額定值以上某個數(shù)值時,由于采樣電阻Re的反饋作用,經整形、放大后送至VT1的基極,使VT1截止;接著繞組由U2低壓供電,繞組中的電流立即下降;但剛降至額定值以下時,由于采樣電阻Re的反饋作用,使整形電路無信號輸出;此時高壓前置放大電路又使VT1導通,電流又上升。如此反復進行,形成一個在額定電流值上下波動呈鋸齒狀的繞組電流波形,近似恒流,所以斬波電路也稱斬波恒流驅動電路。鋸齒波的頻率可通過調整采樣電阻和整形電路的電位器來進行調整。圖6-18斬波驅動電路原理圖

4)細分電路

步進電動機繞組中的電流為矩形波供電時,其步距角因供電控制的方式不同只有兩種(整步與半步)。步距角雖已由步進電動機結構確定,但可用電的方法來進行細分。為此,繞組電流由矩形波供電改為梯形波供電。

細分驅動的優(yōu)點是步距角減小,運行平穩(wěn),勻速性提高,并能減弱或消除振蕩。

6.2.3步進電動機的選用

1.計算法

步進電動機驅動工作臺的典型結構如圖6-19所示。圖6-19步進電動機驅動工作臺的典型結構

步進電動機選用的基本原則如下:

(1)在選擇步進電動機時,首先要確定步進電動機的類型。

(2)根據(jù)機床的加工精度要求選擇進給軸的脈沖當量,如0.01mm或0.005mm。

(3)根據(jù)所選步進電動機的步距角、絲杠的螺距以及所要求的脈沖當量來計算減速齒輪的降速比。

齒輪減速比的計算公式為

式中:φ———步進電動機的步距角(°/脈沖);

P———絲杠螺距(mm);

δ———脈沖當量(mm/脈沖)。

(4)最大靜態(tài)轉矩(Mmax)的選擇。

在選擇前,首先需進行以下計算:

①計算工作臺、絲杠以及齒輪折算至電動機軸上的慣量Jd。

式中:Jd——折算至電動機軸的慣量(kg·cm·s2);

J1、J2——齒輪慣量(kg·cm·s2);

Js——絲杠慣量(kg·cm·s2);．

W——工作臺重量(N);

P——絲杠螺矩(cm)。

(5)負載啟動頻率估算。

數(shù)控系統(tǒng)控制步進電動機的啟動頻率與負載轉矩和慣量有很大的關系,其估算公式為

式中:fq———帶負載啟動頻率(Hz);

fq0———空載啟動頻率;

M1———啟動頻率下由矩頻特性決定的電動機輸出力矩(N·m)。

由于式(6-10)中M1與fq0之間為非線性關系,所以只能采用試湊方法結合曲線近似處理完成。另外,當機床的有關參數(shù)不易確定時,也可按式(6-11)近似選取

(6)運行的最高頻率與升速時間的計算。

由于電動機的輸出力矩隨著頻率的升高而下降,因此在最高頻率時,由矩頻特性決定的輸出力矩應能驅動負載,并留有足夠的裕量。

由式(6-3)、式(6-4)可知,在升速過程中,電動機不但要驅動負載力矩,而且要能輸出足夠的加速力矩Ma。由式(6-4)可看出升速時間與步進電動機的加速力矩和自身的轉動慣量以及負載慣量有關。

需要特別注意的是步進電動機的各種性能參數(shù)均與其配套的驅動電源有很大的關系,不同控制方式的驅動功率放大電路及其電壓、電流等參數(shù)不同,都會使步進電動機的輸出特性發(fā)生很大的變化。因此,步進電動機一定要與其配套的驅動電源一起考慮來選擇。

2.查表法

步進電動機的類型、步距角及脈沖當量的確定,絲杠的螺距、減速齒輪的降速比的計算同計算法。下面就其余參數(shù)的選擇進行說明。

步進電動機有兩條重要的特性曲線,即反映啟動頻率與負載轉矩之間關系的曲線和反映轉矩與連續(xù)運行頻率之間關系的曲線。這兩條曲線是選用步進電動機的重要依據(jù)。一般將反映啟動頻率與負載轉矩之間關系的曲線稱為啟動矩頻特性,將反映轉矩與連續(xù)運行頻率之間關系的曲線稱為工作矩頻特性。

首先,依據(jù)式(6-12)將進給速度值轉變成電動機的工作頻率

式中:v——進給速度(m/min);

δ——脈沖當量(mm);

f——步進電動機的工作頻率。

表6-2給出了一些常用的反應式步進電動機型號和簡單的性能指標。若想了解這些電動機的啟動矩頻特性曲線和工作矩頻特性曲線可參閱有關技術手冊。

6.2.4步進電動機的微機控制

1.串行控制

采用串行控制方式時,單片機系統(tǒng)與步進電動機的驅動電源之間連線較少,單片機通過I/O接口將信號送入步進電動機驅動電源的環(huán)形分配器。所以在這種系統(tǒng)中,驅動電源中必須含有環(huán)形分配器。串行控制方式的示意圖如圖6-20所示。

如圖6-20所示,線路用I/O口產生CP脈沖將增加CPU的負擔,可改為由8255A并行口產生方向信號CW,脈沖信號CP由8253計數(shù)器/定時器產生。8255A的工作方式選擇為方式0,即基本輸入/輸出方式。8253計數(shù)器/定時器2口的工作方式選擇為方式0,1口的工作方式選擇為方式3。圖6-20步進電動機的串行控制

2.并行控制

用微機系統(tǒng)的數(shù)條端口線直接去控制步進電動機各相驅動電路的方法稱為并行控制。電動機驅動電源內沒有環(huán)形分配器,其功能必須由微機系統(tǒng)完成。由計算機系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)形分配器的功能又有兩種方法:一種是純軟件方法,即完全用軟件來實現(xiàn)相序的分配,直接輸出各相導通或截止的信號,主要有寄存器移位法和查表法。第二種是軟、硬件相結合的方法。這里有專門設計的一種編程器接口,計算機向接口輸出簡單形式的代碼數(shù)據(jù),而接口輸出的是步進電動機各相導通或截止的信號。并行控制方案的示意圖如圖6-21所示。圖6-21步進電動機的并行控制

3.步進電動機的速度控制

控制步進電動機的運行速度,實際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出時鐘脈沖的頻率或者換相的周期。系統(tǒng)可用兩種辦法來確定時鐘脈沖的周期:一種是軟件延時,另一種是用定時器。軟件延時的方法是通過調用延時子程序的方法來實現(xiàn)的,它占用CPU時間。定時器方法是通過設置定時時間常數(shù)的方法來實現(xiàn)的。

4.步進電動機的加減速控制

對于步進電動機的點位控制系統(tǒng),從起點至終點的運行速度都有一定要求。如果要求運行的速度小于系統(tǒng)的極限啟動頻率,則系統(tǒng)可以按要求的速度直接啟動,運行至終點后可立即停發(fā)脈沖串而令其停止。系統(tǒng)在這樣的運行方式下速度可認為是恒定的。但在一般情況下,系統(tǒng)的極限啟動頻率是比較低的,而要求的運行速度往往較高。如果系統(tǒng)以要求的速度直接啟動,可能發(fā)生丟步或根本不能運行的情況。系統(tǒng)運行起來之后,如果到達終點時突然停發(fā)脈沖串,令其立即停止,則因為系統(tǒng)的慣性原因,會發(fā)生沖過終點的“超程”現(xiàn)象,使點位控制發(fā)生偏差。

因此在點位控制過程中,運行速度都需要有一個加速—恒速—減速—低恒速—停止的過程,如圖6-22所示。各種系統(tǒng)在工作過程中,都要求加減速過程時間盡量短,而恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應的工作中,從起點至終點運行的時間要求最短,這就必須要求升速、減速的過程最短,而恒速時的速度最高。

圖6-22步進電動機點位控制的加減速過程

升速規(guī)律一般可有兩種選擇:

一是按照直線規(guī)律升速,

二是按指數(shù)規(guī)律升速。按直線規(guī)律升速時加速度為恒定,但實際上電動機轉速升高時,輸出轉矩將有所下降。如按指數(shù)規(guī)律升速,加速度是逐漸下降的,接近電動機輸出轉矩隨轉速變化的規(guī)律。

系統(tǒng)在執(zhí)行升降速控制過程中,對加減速的控制還需準備下列數(shù)據(jù):

①加減速的斜率;

②升速過程的總步數(shù);

③恒速運行總步數(shù);

④減速運行的總步數(shù)。

6.3步進電動機閉環(huán)伺服驅動系統(tǒng)閉環(huán)伺服驅動系統(tǒng)采用直流伺服電動機和交流伺服電動機。伺服電動機和普通電動機在工作原理方面并無本質的區(qū)別,但因控制電動機的性能指標不同,所以在結構上有很大的差別。普通電動機構成的系統(tǒng)稱為電力拖動系統(tǒng)。電力拖動系統(tǒng)對電動機性能要求不高,僅僅要求啟動和運動狀態(tài)的性能指標。伺服電動機構成的系統(tǒng)常稱為伺服驅動系統(tǒng)。伺服驅動系統(tǒng)對伺服電動機的要求很高,既要求高精度,又要求動態(tài)響應性能好。所以,伺服電動機比普通電動機的價格昂貴。

伺服驅動系統(tǒng)的主要控制方式是速度控制和位置控制。利用速度傳感器將速度信號反饋到輸入端,構成速度環(huán)反饋的閉環(huán)回路;利用位置傳感器將位置信號反饋到輸入端,構成位置環(huán)反饋的閉環(huán)回路;同時利用速度環(huán)和位置環(huán)構成雙閉環(huán)系統(tǒng),如圖6-1所示。

6.3.1直流伺服電動機控制

直流電動機具有良好的調速特性,為一般交流電動機所不及。因此,在對電動機的調速性能和啟動性能要求較高的機械設備上,以往大都采用直流電動機驅動,而不顧及結構復雜和價格較貴等缺點。

1.直流電動機的分類及其特性

直流電動機的工作原理是建立在電磁力定律基礎上的,電磁力的大小正比于電動機中的氣隙磁場。直流電動機的勵磁繞組所建立的磁場是電動機的主磁場。按對勵磁繞組的勵磁方式不同,直流電動機可分為他勵式(包括永磁式)、并勵式、串勵式和復勵式四種,如圖6-23所示。

圖6-23直流電動機電路原理圖

直流電動機的機械特性是指電動機轉速n、電動機電樞電流I與電磁轉矩的關系曲線,如圖6-24所示。

從圖6-24可見,并勵電動機和他勵電動機,尤其永磁電動機能滿足進給驅動系統(tǒng)對執(zhí)行元件的要求。

從圖6-24(b)中也可看出,一般并勵電動機有一個明顯的缺點,即在大的轉矩時,機械特性曲線呈非線性。這是由于電動機內電樞反應磁場的作用,使電動機主磁場發(fā)生畸變,從而引起了機械特性的非線性。圖6-24直流電動機的機械特性

在普通的他勵直流電動機中,由于電樞反應磁場的影響,使每極的磁通降低,從而造成機械特性在大負載時呈上翹。為此,在主磁極上加入一個匝數(shù)很少的串勵繞組(即與電樞繞組相串聯(lián)),利用串勵繞組產生的磁勢抵消電樞反應磁場的去磁作用,以便獲得近似線性的機械特性。

這種補償式直流電動機也就是前面提到的改進型直流電動機,與一般的直流電動機相比具有下述優(yōu)點:

(1)過載能力強,能達到額定轉矩的5至10倍;

(2)電氣時間常數(shù)短;

(3)轉子的轉動慣量較小;

(4)調速范圍寬;

(5)允許有大電流上升率,上升率可達2000A/s。

2.永磁直流伺服電動機的結構和特點

永磁直流電動機可分為驅動用永磁直流電動機和永磁直流伺服電動機兩大類。驅動用永磁直流電動機通常是指不帶穩(wěn)速裝置、沒有伺服要求的電動機;而永磁直流伺服電動機則除具有驅動用永磁直流電動機的性能外,還具有一定的伺服特性和快速響應能力,在結構上往往與反饋部件做成一體。當然,永磁直流伺服電動機也可作為驅動用電動機。因為永磁直流伺服電動機允許有寬的調速范圍,所以也稱寬調速直流電動機,其結構如圖6-25所示。圖6-25四極永磁

1)定子磁極材料

定子磁極是一個永磁體。永磁體的材料有下述三類:

(1)鑄造型鋁鎳和鉬鎳合金。鑄造型鋁鎳和鉬鎳合金有價格昂貴、加工性能差和過載能力低的缺點。

(2)各向異性鐵氧體磁鐵。

鐵氧體磁鐵的矯頑力很高,有很強的抗去磁能力;磁鐵裝配后不需要進行開路、短路、堵轉或反轉等穩(wěn)定性處理:原料價格便宜,鐵氧體的密度很小重量輕,電阻率高。因此,采用鐵氧體的永磁電動機不但成本低、重量輕,而且電樞反應的去磁作用很小,過載能力強。

(3)稀土鈷永磁合金。

稀土鈷永磁合金具有極大的矯頑力,是鐵氧體的2~3倍;具有很高的最大磁能積,是鐵氧體的10倍。因此,采用稀土鈷合金的永磁電動機具有很高的去磁能力,尤其適用于瞬時短路、堵轉和突然反轉等運行狀態(tài)。用稀土鈷合金制造的永磁電動機的體積可以大為縮小。稀土鈷是一種極有前途的永磁材料,但由于其價格高,制造工藝復雜,因此影響了它的大量推廣應用。

2)電樞結構

電樞可以分為普通型和小慣量型兩大類。小慣量型電樞又可分為空心杯形電樞、無槽電樞和印刷繞組電樞三類?？招谋坞姌械闹饕攸c是電樞由漆包線編織成杯形,用環(huán)氧樹脂將其固化成一整體,且無鐵心。因此,這種電動機特別輕巧,慣量極小,電樞繞組電感很小,電氣時間常數(shù)小,重復啟、停頻率可達200Hz以上。其缺點是氣隙較大,單位體積的輸出功率較小,且電樞結構復雜,工藝難度大。

3)普通型永磁直流伺服電動機的特點

普通型電樞的永磁直流伺服電動機與改進型直流電動機和小慣量直流電動機相比,具有如下優(yōu)點:

(1)能承受的峰值電流和過載能力高,能產生高達數(shù)倍的瞬時轉矩。電動機采用高矯頑力的鐵氧體磁鐵,能滿足數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行元件應具有快加速和快減速能力的要求。

(2)具有大的轉矩/慣量比,電動機的加速度高,響應快。

(3)低速時輸出轉矩大,慣量比較大,能與機械設備直接相連,省去了齒輪等傳動機構,因而避免了齒隙造成的振動和噪聲以及齒間誤差,提高了機床的加工精度。

(4)調速范圍大,當與高性能的速度控制單元組合時,調速范圍超過1∶1000以上。

(5)轉子的熱容量大,一般能加倍過載幾十分鐘。

(6)裝有高精度的檢測元件,包括速度檢測元件和位置檢測元件。檢測元件與電動機同軸安裝,保證電動機能平滑旋轉和穩(wěn)定工作,使伺服機構具有良好的低速剛度和高的動態(tài)性能,能實現(xiàn)高精度定位。

這類電動機的缺點是:

一是電動機允許溫度可達150~180℃。由于轉子溫度高,溫度可通過轉軸傳到機械裝置上,會影響精密機床的精度。二是轉子慣量相對比較大。為了滿足快速響應的要求,需要加大電動機的加速轉矩,因此需要增大電源裝置的容量以及加強機械傳動鏈等的剛度。

3.直流電動機速度控制單元

1)直流電動機的調速方法

直流速度控制單元的任務是控制電動機的轉速。現(xiàn)以他勵直流電動機為例予以說明,其電路原理圖如圖6-26所示。圖6-26-他勵直流電動機電路原理圖

而電動機的電磁轉矩為

由式(6-15)和式(6-16)可得電動機機械特性方程式為

式中:CT———轉矩系數(shù)。

從式(6-17)可以看出,對于已經給定的直流電動機,要改變它的轉速有三種方法:

①改變電樞回路電阻;

②改變氣隙磁通量;

③改變外加電壓。

前兩種方法的調速特性不能滿足數(shù)控機床的要求,第三種方法的機械特性如圖6-27所示。圖6-27不改變外加電壓時的機械特性(Ue>U1>U2)

圖6-27中Ue為額定電壓值。改變外加電壓調速方法的特點是具有恒轉矩的調速特性,機械特性好。因為采用減小輸入功率的方式減小輸出功率,所以經濟性能好,得到了廣泛的應用。永磁直流伺服電動機的調速都采用這種方式,將轉速指令信號(多為電壓值)改變?yōu)橄鄳碾姌须妷褐怠?/p>

直流速度控制單元大多采用晶閘管調速系統(tǒng)和晶體管脈寬調制調速系統(tǒng)。下面對這兩種控制方式作簡單介紹。

(1)晶閘管

直流電動機調速系統(tǒng)(SCRM系統(tǒng))。由晶閘管組成的整流電路是指利用觸發(fā)脈沖改變晶閘管的導通角,從而改變整流電路輸出的平均直流電壓。

圖6-28是晶閘管直流電動機調速系統(tǒng)開環(huán)控制原理圖,這種調速系統(tǒng)通過改變電位器滑動觸點的位置控制電動機轉速。圖中,電位器的輸出電壓Ug控制觸發(fā)脈沖信號的頻率,若輸出電壓Ug增大,觸發(fā)脈沖信號頻率增加,晶閘管的導通角度變大,輸出直流電壓Ud增大,電動機轉速增高;若操作電位器使輸出電壓Ug減小,觸發(fā)脈沖信號的頻率減小,晶閘管的導通角度變小,電動機轉速下降。

圖6-28中的電位器R實際上是數(shù)模轉換器,其輸出電壓值Ug由速度指令自動控制,電壓范圍為8~10V。圖6-28晶閘管直流電動機調速系統(tǒng)開環(huán)控制原理圖

晶閘管可以構成多種整流電路,如單相半波整流、單相全波整流、三相半波整流、三相全波整流等。雖然單相整流電路簡單,但其輸出的電壓波形較差,容量有限,因而較少采用。在對輸出電壓波形要求較高的數(shù)控機床中,多采用三相全控橋式整流電路作為直流速度控制單元的主電路。圖6-29是兩組三相全控橋式電路,其工作波形如圖6-30所示。圖6-29三相橋式反并聯(lián)整流電路圖6-30三相全控橋式整流電路工作波形

為了保證在電流斷續(xù)情況下(即低輸出電壓的情況),晶閘管能再次導通,每組中相應要導通的兩個晶閘管必須同時有觸發(fā)脈沖。為此,可有兩種方案:一是使每個觸發(fā)脈沖寬度大于60°,并且必須小于120°,通常為80°~100°,稱為寬脈沖觸發(fā)方式;另一種是在觸發(fā)某一晶閘管的同時,給前一個已導通的晶閘管補發(fā)一個脈沖,使三相全控橋式整流電路上共陰極組和共陽極組中應導通的兩個晶閘管上都有觸發(fā)脈沖,稱為雙脈沖觸發(fā)方式。在雙脈沖觸發(fā)方式中,每個晶閘管在一個周期內連續(xù)觸發(fā)兩次,觸發(fā)間隔為60°。這種雙窄脈沖觸發(fā)方式雖然比較復雜,但可以減小觸發(fā)裝置的輸入、輸出功率,減小脈沖變壓器的鐵心體積,且觸發(fā)脈沖前沿較好,因而被廣泛使用。

雖然改變晶閘管觸發(fā)角可改變永磁直流伺服電動機的外加電壓,從而達到調速的目的,但其調速范圍很小,只有1∶8~1∶10的范圍,不能滿足數(shù)控機床的要求。這是由于開環(huán)調速本身特性軟,低速度控制受到限制,所以通常采用帶測速反饋的閉環(huán)控制方式。這種閉環(huán)系統(tǒng)的速度檢測元件可采用測速發(fā)電機,也可以采用脈沖編碼器。圖6-31是采用測速電動機的晶體管直流電動機調速系統(tǒng)閉環(huán)控制原理圖。與圖6-28相比,系統(tǒng)增設了轉速負反饋環(huán)節(jié)。圖中CP是測速發(fā)電機,與直流電動機同步旋轉。圖6-31晶閘管直流電動機調速系統(tǒng)閉環(huán)控制原理圖

實際的調速系統(tǒng)是雙環(huán)調速系統(tǒng),除上面講到的速度環(huán)外,還有電流環(huán)。速度環(huán)反映速度偏差大小的控制信號,電流環(huán)反映主回路電流的電流反饋信號。如當電網電壓突然降低時,整流器輸出電壓也隨之降低。在電動機轉速由于慣性尚未變化之前,首先引起主回路電流減小,利用電流調節(jié)電路,使觸發(fā)脈沖前移,從而使整流器的輸出電壓恢復到原來的值,抑制了主回路電流的變化。

(2)脈沖寬度調制器直流伺服電動機調速系統(tǒng)(PWMM系統(tǒng))。

所謂脈沖寬度調速,是指利用脈沖寬度調制器對大功率晶體管開關放大器的開關時間進行控制,將直流電壓轉換成某一頻率的方波電壓,加到直流電動機的電樞兩端,通過對方波脈沖寬度的控制,改變電樞兩端的平均電壓,從而達到調節(jié)電動機轉速的目的。

①PWMM系統(tǒng)的調速原理。

圖6-32所示是PWMM系統(tǒng)的調速原理。在圖6-32(a)中,如果開關S按一定的周期閉合、斷開,閉合和斷開的周期為T。若外加電源電壓U為常數(shù),則電源加在直流電動機電樞上的電壓波形是矩形方波,其高度為電源電壓U,寬度為開關S閉合時間t,如圖6-32(b)所示,則加在電樞上的電壓平均值為

式中,δ=t/T,稱為導通角。圖6-32PWMM調速原理圖圖6-33T型單極性開關放大電路圖6-33T型單極性開關放大電路

圖6-34所示是H型雙極性開關放大電路,它由四個晶體管和四個續(xù)流二極管構成橋式電路,形似英文字母H。它的控制方法是將兩個相位相反的脈沖控制信號分別加在VT1、VT4和VT2、VT3的基極,即ub1=ub4,ub2=ub3。當在0≤t<t1的時間區(qū)間內,VT2和VT3導通,+Ed加在電樞的AB兩端(即UAB=+Ed),而在t1≤t<T的時間區(qū)間內,VT1和VT4導通,此時電源+Ed加在BA兩端(即UAB=-Ed)。因為開關放大器的輸出電壓是在-Ed到+Ed之間變化的脈沖電壓,因此這種電路是雙極性工作方式。圖6-34H型雙極性開關放大電路

③脈寬調制器。

脈寬調制器是PWM－M系統(tǒng)控制方式的核心,其作用是將電壓量轉換成脈沖寬度可由控制信號調節(jié)的脈沖電壓。脈寬調制器的種類很多,從基本構成來看,都由兩部分構成,一是調制信號發(fā)生器,二是比較放大器。調制信號發(fā)生器都采用三角波發(fā)生器或鋸齒波發(fā)生器。

圖6-35(a)所示電路是一種三角波發(fā)生器,其中運算放大器Q1構成方波發(fā)生器。Q1是一個多諧振蕩器,在它的輸出端接上一個由運算放大器Q2構成的反相積分器。它們共同組成正反饋電路,形成自激振蕩。圖6-35三角波發(fā)生器

設在電源接通瞬間,Q1的輸出電壓uB為-Vd(運算放大器的電源電壓),被送到Q2的輸入端。由于Q2的反相作用,電容C2被正向充電,輸出電壓uA逐漸升高,同時uA又被反饋到Q1的輸入端與uB進行比較。因為Q1由R2接成正反饋電路,所以當比較之后的uA>0時,比較器Q1就立即翻轉,uB電位由-Vd變?yōu)?Vd。此時t=t1,而uA=(R5/R2)Vd。而在t1<t<T區(qū)間,Q2的輸出電壓uA線性下降;當t=T時,uA略小于零時,Q1再次翻轉到原態(tài),此時uB=-Vd而uA=(-R5/R2)Vd。如此周而復始,形成自激振蕩,在Q2的輸出端得到一串三角波電壓,各點波形如圖6-35(b)所示,其三角波的頻率為

圖6-36所示是比較放大器電路。三角波電壓uA與控制電壓uer比較后送入運算放大器的輸入端。當uer=0時,運算放大器Q輸出電壓的正負半波相等,輸出平均電壓為零;當uer>0時,比較放大器輸出脈沖的正半波寬度小于負半波寬度;而當uer<0時,比較放大器輸出脈沖的正半波寬度大于負半波寬度。如果三角波的線性度很好,則輸出脈沖的寬度正比于控制電壓uer,從而實現(xiàn)模擬電壓的脈沖轉換。圖中的晶體管VT是為了增加脈寬調制器的驅動功率并保證在正脈沖時輸出。晶體管應工作在開關狀態(tài)。

注意:以上只討論了一個大功率晶體管的脈寬調制器原理。圖6-36-比較放大器電路

(3)PWMM系統(tǒng)和SCRM系統(tǒng)性能的比較。

采用晶體管脈寬調制方式的直流伺服系統(tǒng)與晶閘管控制方式相比具有許多優(yōu)點:

①避開了與機械的共振。

②電樞電流脈動小。

③電流波形系數(shù)(電流有效值和平均值之比)較小。

④功率損耗小。

⑤頻帶寬。

⑥動態(tài)硬度好。

⑦響應很快。

6.3.2交流伺服電動機控制

由于直流伺服電動機具有優(yōu)良的調速性能,因此長期以來,在要求調速性能較高的場合,直流電動機調速系統(tǒng)的應用一直占據(jù)主導地位。但直流電動機存在一些固有的缺點,如它的電刷和換向器容易磨損,需要經常維護;由于換向器換向時會產生火花,因此電動機的最高轉速受到限制,也使應用環(huán)境受到限制;而且直流電動機結構復雜,制造困難,銅鐵材料消耗大,制造成本高。而交流電動機特別是交流感應電動機沒有上述缺點,并且轉子慣量較直流電動機小,因而電動機的動態(tài)響應更好。在同樣的體積下,交流電動機的輸出功率可比直流電動機提高10%~70%。

1.交流伺服電動機的分類和特點

在交流伺服系統(tǒng)中,既可以用交流感應電動機,也可以用交流同步電動機。交流感應電動機按所用電源種類可以分為三相和單相兩種,從結構上分又有帶換向器和不帶換向器兩種。通常多用不帶換向器的三相感應電動機,其結構是定子上裝有對稱的三相繞組,而在圓柱體的轉子鐵心上嵌有均勻分布的導條,導條兩端分別用金屬環(huán)聯(lián)成一個整體(稱籠型轉子),因此這種電動機也稱籠型電動機。

當對稱三相繞組接三相電源后,由電源提供勵磁電流,在定子和轉子之間的氣隙內建立起同步轉速的旋轉磁場,依靠電磁感應作用,在轉子導條內產生感應電勢。因為轉子上的導條已構成閉合回路,所以轉子導條中就有電流流過,從而產生電磁轉矩,實現(xiàn)由電能轉變成機械能的能量變換。

交流同步電動機與感應電動機的最大差別是同步電動機的轉速與電源的頻率之間存在嚴格的關系,即在電源電壓和頻率固定不變時,其轉速保持穩(wěn)定不變。因此,由變頻電源供電給同步電動機時,便可獲得與頻率成正比的可變轉速,調速范圍寬,機械特性硬。

2.永磁交流伺服電動機的結構及工作原理

永磁交流伺服電動機的結構示意如圖6-37和圖6-38所示。由圖可見,永磁交流伺服電動機主要由定子、轉子和檢測元件三部分組成。其中定子具有齒槽,內有三相繞組,形狀與普通感應電動機的定子相同,但其外部表面呈多邊形,并且無外殼,這有利于散熱,可以避免電動機發(fā)熱對機床精度的影響。轉子由多塊永久磁鐵等組成,這種結構的優(yōu)點是氣隙磁密較高,極數(shù)較多。圖6-37永磁交流伺服電動機橫剖面圖6-38永磁交流伺服電動機縱剖面

圖6-39是永磁交流伺服電動機工作的原理簡圖,圖中只畫了一對永磁轉子。當定子三相繞組通上交流電源后,就會產生一個旋轉磁場,旋轉磁場將以同步轉速ns旋轉。根據(jù)磁極同性相斥、異性相吸的原理,定子旋轉磁極吸引轉子永磁磁極,并帶動轉子一起同步旋轉。當轉子加上負載轉矩后,將造成定子磁場軸線與轉子磁極軸線的不重合,如圖6-39中所示的θ角。隨著負載的增加,θ角也隨著增大;當負載減小時,θ角也隨著減小。當負載超過一定極限后,轉子不再按同步轉速旋轉,甚至可能不轉,這就是同步電動機的失步現(xiàn)象。因此負載極限稱為最大同步轉矩。圖6-39永磁交流伺服電動機工作原理圖

3.交流電動機速度控制單元

1)交流電動機的調速方法

根據(jù)交流電動機的工作原理,當電動機定子三相繞組通三相交流正弦電源時,將建立旋轉磁場,其主磁通Φm的空間轉速稱為同步轉速n0,其值為

若電動機的實際轉速為n,則電動機的轉差率為

故

式中:f——電源電壓頻率;

S——電動機的轉差率;

p——電動機磁極對數(shù)。

由式(6-22)可見,改變異步電動機轉速的方法有三種:

(1)改變磁極對數(shù)p來進行調速。

磁極對數(shù)可變的交流電動機稱為多速電動機,通常磁極對數(shù)設計成4/2、8/4、6/4、8/6/4等幾種。

(2)改變轉差率S來進行調速。

改變轉差率的方法只能在繞線式異步電動機中使用。

(3)改變頻率f來進行調速。

如果電源頻率能平滑調節(jié),電動機轉速也就可以平滑改變。

2)變頻調速器調速

在實際調速時,單純改變頻率是不夠的,因為定子相電壓為

所以

目前國內主要采用晶閘管和功率晶體管組成的靜態(tài)變頻器。這種變頻器先將工頻交流電壓整流成直流電壓,再經過變頻器變換成可變頻率的交流電壓,這種變頻器稱間接變頻器,或稱交直交變頻器,如圖6-40(a)所示。另一類變頻器沒有中間環(huán)節(jié),直接由電網的工頻電壓變換成頻率、電壓可調的交流電壓,這種變頻器稱直接變頻器,或稱交交變頻器,如圖6-40(b)所示。圖6-40變頻器結構框圖

直接變頻器只需進行一次電能的變換,所以變換效率高,工作可靠。缺點是頻率的變化范圍有限,多用于低頻大容量的調速。間接變頻器需進行兩次電能的變換,所以變換效率低,但頻率變化范圍大不受限制,目前已成為交流電動機變頻調速的典型方法。

3)正弦波脈寬調制(SPW－M)

原理間接變頻器輸出的都是矩形波,含有較大的諧波分量。用這種矩形波作為電動機電源,不但效率低,而且工作性能也差。若用交流濾波器濾去諧波分量,會使脈沖波形特性變壞。目前廣泛采用脈寬調制技術(PWM－M變頻器)可解決上述問題。PWM－M變頻器輸出的是一系列頻率可調的脈沖波,脈沖的幅值恒定,寬度可調。根據(jù)u1/f1的比值,在變頻的同時改變電壓,如按正弦波規(guī)律調制,就得到接近于正弦波的輸出電壓,從而使諧波分量大大減小,提高了電動機的運行性能。

SPW－M變頻器的工作原理如圖6-41所示。圖中,將正弦波的正半周等分成十二等份,每等份可用一矩形脈沖等效。所謂等效是指在相應的時間間隔內,正弦波每等份所包含的面積與矩形脈沖的面積相等,系列脈沖波就等效于正弦波。這種用相等時間間隔正弦波的面積調制的脈沖寬度,稱為正弦波脈寬調制(SPW－M)。顯然,單位周期內脈沖數(shù)越多,等效的精度越高,輸出越接近正弦波。圖6-41與正弦波等效的矩形脈沖波

脈寬調制分為單極性和雙極性兩種。圖6-42所示是雙極性SPW－M的通用型主回路,圖6-43所示是三角波調制原理。圖6-42雙極性SPWM的通用型主回路

圖6-43中,VS為一相(如A相)正弦波的基準信號,其幅值為Es,頻率為fs;VT為等幅等距三角載波信號,其幅值為ET,頻率為fT。Vs、VT兩波形的交點(如圖示的數(shù)字位置)就是相應變流器的某相(A相)開關點,控制圖6-42中VT1和VT2的開斷信號,交點間隔為被調制脈沖的寬度。圖6-42中產生的直流電壓為Ed,則當VT1在正半周工作脈寬調制狀態(tài)時,VT4處于截止狀態(tài),A相繞組的相電壓為+Ed/2;而當VT1截止時,電動機繞組中的磁場能量通過VD4續(xù)流二極管釋放,使該相繞組承受-Ed/2電壓,所以稱為雙極性SPW－M調制。輸出電壓為負半周時,VT4工作于脈寬調制狀態(tài),VT1則處于截止狀態(tài)。圖6-43三角波調制原理

圖6-44為u1/f1=常數(shù)時變頻器控制系統(tǒng)的框圖。由三相整流器提供的直流電壓,采用大容量電容濾波后,作為三相輸出電路的電源電壓。三相輸出電路由大功率晶體管組成,SPW－M控制基極驅動電路,按調制規(guī)律開通或關斷功率輸出晶體管,使三相電動機獲得的頻率可調,電壓跟隨變化的電源電壓。SPW－M的調制信號由三角波發(fā)生器和圖形發(fā)生器提供。圖6-44晶體管電壓變頻器系統(tǒng)

電位器的電壓作為速度設定的電壓輸入,一路通過電壓頻率轉換器(V/F)輸出uf,作為圖形發(fā)生器的頻率信號輸入;另一路轉換成基準電壓與電動機電壓的反饋值進行比較,經放大后作為圖形發(fā)生器的控制電壓輸入,控制電壓與輸入脈沖的頻率成比例。因此,改變速度設定電壓的大小,就改變了圖形發(fā)生器輸出基準信號的信號幅值和頻率,通過SPW－M調制也就改變了三相輸出電路各相脈沖的寬窄,從而控制了電動機的轉速。

電力電子學、微電子學及自動控制學的不斷發(fā)展,促進了交流伺服系統(tǒng)的飛速發(fā)展。微機的采用為全數(shù)字化的控制系統(tǒng)開辟了道路。如采用美國Intel公司的16位單片機8096-或80C196型或TP86A單板機等,可以使硬件數(shù)量大為減少,抗干擾能力隨之提高;可以用軟件實現(xiàn)速度檢測運算,位置的檢測、辨向與運算控制,電流相位檢測和運算,三相電流生成等,從而實現(xiàn)全數(shù)字化控制。在采用微機控制軟件方案時,主要考慮的問題是運算速度。數(shù)字信息處理器(DigitalSignalProcessor,DSP)是專為處理高速信息信號而開發(fā)的一種最新的電動機控制技術,內裝有并行乘法器,可以實現(xiàn)數(shù)字濾波和頻率分析的快速傅里葉變換的乘法運算,是一種極有前途的數(shù)字控制方法。

6.4主軸驅動

6.4.1數(shù)控機床對主軸驅動的要求機床的主軸驅動和進給驅動有很大的差別。機床主傳動的工作運動通常是旋轉運動,不需要絲杠或其他直線運動裝置。在20世紀60~70年代,數(shù)控機床的主軸多采用三相感應電動機配上多級變速箱驅動方式。

在數(shù)控機床中,數(shù)控車床要占42%,數(shù)控鉆、鏜、銑占33%,數(shù)控磨床、沖床占23%,其他只占2%。為了滿足前兩類數(shù)控機床的要求,例如數(shù)控車床等應具有螺紋車削功能,要求主軸能與進給系統(tǒng)實現(xiàn)同步控制;加工中心上為了自動換刀還要求主軸能進行高精度準停控制;有的數(shù)控機床還要求主軸具有角度分度控制的功能。

為了實現(xiàn)上述要求,在早期的數(shù)控機床上多采用直流主軸驅動系統(tǒng),但由于直流電動機的換向限制,大多數(shù)系統(tǒng)恒功率調速范圍都非常小。到了20世紀70年代末、80年代初期,隨著微處理技術和大功率晶體管技術的進展,開始在數(shù)控機床的主軸驅動中應用交流驅動系統(tǒng)?，F(xiàn)在,國際上新生產的數(shù)控機床已有九成采用交流主軸驅動系統(tǒng)。這是因為,一方面制造交流電動機不像直流電動機那樣在高轉速和大容量方面受到限制;另一方面,目前的交流主軸驅動的性能已達到直流驅動系統(tǒng)的水平,甚至在噪聲方面還有所降低,而且在價格上也不比直流主軸驅動系統(tǒng)貴。

6.4.2直流主軸電動機

1.結構特點為了滿足上述數(shù)控機床對主軸驅動的要求,主軸電動機必須具備下述性能:

①電動機的輸出功率要大;

②在大的調速范圍內速度應該穩(wěn)定;

③在斷續(xù)負載下電動機轉速波動小;

④加速和減速時間短;

⑤電動機溫升低;

⑥振動、噪聲小;圖6-45直流主軸電動機結構示意圖

⑦電動機可靠性高,壽命長,容易維護;

⑧體積小,重量輕,與機械連接容易;

⑨電動機過載能力強。圖6-45直流主軸電動機結構示意圖

直流主軸電動機的結構與永磁式直流伺服電動機的結構不同。因為要求主軸電動機輸出很大的功率,所以在結構上不能做成永磁式,而與普通的直流電動機相同,也是由定子和轉子兩部分組成,如圖6-45所示。轉子與直流伺服電動機的轉子相同,由電樞繞組和換向器組成。而定子則完全不同,它由主磁極和換向極組成。有的主軸電動機在主磁極上不但有主磁極繞組,還帶有補償繞組。

2.直流主軸電動機的性能

直流主軸電動機的轉矩速度特性曲線如圖6-46所示,在基本速度以下時屬于恒轉矩范圍,用改變電樞電壓來調速;在基本速度以上時屬于恒功率范圍,采用控制激磁的調速方法調速。一般來說,恒轉矩的速度范圍與恒功率的速度范圍之比為1∶2。

直流主軸電動機一般都有過載能力,且大都能過載150%(即為連續(xù)額定電流的1.5倍)。至于過載的時間,則根據(jù)生產廠的不同,有較大的差別,從1min至30min不等。圖6-46-直流主軸電動機特性曲線

3.直流主軸控制單元

主軸控制系統(tǒng)類似于直流速度控制系統(tǒng),也由速度環(huán)和電流環(huán)構成雙環(huán)控制系統(tǒng),來控制直流主軸電動機的電樞電壓。主回路采用可逆整流電路。因為主軸電動機的容量較大,所以主回路的功率開關元件采用晶閘管元件,此處不再細述。

一般來說,采用主軸控制系統(tǒng)之后,只需要二級機械變速,就可以滿足一般數(shù)控機床的變速要求。

6.4.3交流主軸電動機

1.結構特點

前面提到,交流伺服電動機的結構有籠型感應電動機和永磁式同步電動機兩種結構,而且大都為后一種結構形式。而交流主軸電動機與伺服電動機不同,交流主軸電動機采用感應電動機形式。這是因為受永磁體的限制,當容量做得很大時電動機成本太高,使數(shù)控機床無法使用。另外數(shù)控機床主軸驅動系統(tǒng)不必像伺服驅動系統(tǒng)那樣,要求如此高的性能,調速范圍也不要太大。因此,采用感應電動機進行矢量控制就完全能滿足數(shù)控機床主軸的要求。

籠型感應電動機在總體結構上是由三相繞組的定子和有籠條的轉子構成的。雖然也可采用普通感應電動機作為數(shù)控機床的主軸電動機,但一般而言,交流主軸電動機是專門設計的,各有自己的特色。如為了增加輸出功率,縮小電動機的體積,都采用定子鐵心在空氣中直接冷卻的辦法,沒有機殼;而且在定子鐵心上加工有軸向孔以利通風等,因此電動機的外形呈多邊形而不是圓形。交流主軸電動機結構和普通感應電動機的比較如圖6-47所示。圖6-47比較示意圖

2.交流主軸電動機的性能

交流主軸電動機的特性曲線如圖6-48所示。從圖中曲線可以看出,交流主軸電動機的特性曲線與直流主軸電動機類似,在基本速度以下為恒轉矩區(qū)域,而在基本速度以上為恒功率區(qū)域。但有些電動機,如圖中所示的那樣,當電動機速度超過某一定值之后,其功率速度曲線又會向下傾斜,不能保持恒功率。對于一般主軸電動機,恒功率的速度范圍只有1∶3的速度比。另外,交流主軸電動機也有一定的過載能力,一般為額定值的1.2~1.5倍,過載時間則從幾分鐘到半個小時不等。圖6-48交流主軸電動機的特性曲線

6.5數(shù)控機床位置檢測裝置6.5.1檢測裝置的要求與分類

伺服系統(tǒng)是機床的驅動部分,計算機輸出的控制信息通過伺服系統(tǒng)和傳動裝置變成機床主軸的旋轉運動或工作臺的直線移動。位置檢測裝置是數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的重要組成部分,其作用是檢測位移和速度,發(fā)送反饋信號,構成伺服系統(tǒng)的閉環(huán)或半閉環(huán)控制。數(shù)控機床的加工精度主要由檢測系統(tǒng)的精度決定。位置檢測系統(tǒng)可測量的最小位移量稱為分辨率。分辨率不僅取決于檢測元件本身,也取決于檢測電路。

1.位置檢測裝置的主要要求

1)滿足數(shù)控機床的精度和速度要求

隨著數(shù)控機床的發(fā)展,其精度和速度越來越高。從精度上講,某些數(shù)控機床的定位精度已達到±0.002mm/300m,一般要求數(shù)控機床精度在±0.002~0.02mm/m之間,測量系統(tǒng)分辨率在0.001~0.01mm之間;從速度上講,進給速度已從10m/min提高到20~30m/min,主軸轉速也達到10000r/min,有些高達100000r/min,因此要求檢測裝置必須滿足數(shù)控機床高精度和高速度的要求。

2)高可靠性和高抗干擾性

檢測裝置應能抗各種電磁干擾,抗干擾能力強,基準尺對溫濕度敏感性低,溫濕度變化對測量精度影響小。

3)使用維護方便,適合機床運行環(huán)境

測量裝置安裝時要有一定的安裝精度要求,安裝精度要合理。由于易受使用環(huán)境的影響,整個測量裝置要求有較好的防塵、防油霧、防切屑等措施。

4)成本低

要求位置檢測裝置采購投入少,安裝與維護成本低,使用壽命長。

2.位置檢測裝置的分類

對于不同類型的數(shù)控機床,根據(jù)不同的工作環(huán)境和不同的檢測要求,應該采用不同的檢測方式,見表6-3。

1)增量式與絕對式

(1)增量式測量方式。

增量式測量方式是指只測量位移增量,移動一個測量單位即能發(fā)出一個測量信號。其優(yōu)點是檢測裝置比較簡單,能做到高精度,任何一個對中點均可作為測量起點;缺點是一旦計數(shù)有誤,此后結果全錯;發(fā)生故障時(如斷電、斷刀等),事故排除后,再也找不到正確位置。

(2)絕對式測量方式。

絕對式測量方式是指被測量的任一點都以一個固定的零點作基準,每一被測點都有一個相應的測量值。這樣就避免了增量式檢測方式的缺陷,但其結構較為復雜。

2)數(shù)字式與模擬式

(1)數(shù)字式測量方式。

數(shù)字式測量方式是將被測量單位量化為數(shù)字形式表示,它的特點是:

①被測量量化后轉換成脈沖個數(shù),便于顯示處理;

②測量精度取決于測量單位,與量程基本無關;

③檢測裝置比較簡單,脈沖信號抗干擾能力強。

(2)模擬式測量方式。

模擬式測量方式是將被測量用連續(xù)的變量來表示。在大量程內作精確的模擬式檢測,在技術上有較高的要求,因此數(shù)控機床中的模擬式檢測主要用于小量程測量。它的主要特點是:

①直接對被測量進行檢測,無需量化;

②在小量程內可以實現(xiàn)高精度測量;

③可用于直接檢測和間接檢測。

3)直接測量與間接測量

(1)直接測量。

對機床的直線位移采用直線型檢測裝置測量,稱為直接測量。直接測量的精度主要取決于測量元件的精度,不受機床傳動裝置的直接影響,但檢測裝置要與行程等長。這對大型數(shù)控機床來說,是一個很大的限制。

(2)間接測量。

對機床直線位移采用回轉型檢測元件測量,稱為間接測量。間接測量精度取決于檢測裝置和機床傳動鏈兩者的精度,但間接測量無長度限制。

6.5.2旋轉變壓器

旋轉變壓器屬于電磁式位置檢測傳感器,可用于角位移測量。在結構上與繞線式異步電動機相似,由定子和轉子組成。激磁電壓接到定子繞組上,激磁頻率通常為400Hz、500Hz、1000Hz及5000Hz。轉子繞組輸出感應電壓,輸出電壓隨被測角位移的變化而變化。旋轉變壓器可單獨和滾珠絲杠相連,也可與伺服電動機組成一體。

1.結構特點

從轉子感應電壓的輸出方式來看,旋轉變壓器可分為有刷和無刷兩種類型。

有刷旋轉變壓器定子與轉子上的兩相繞組軸線分別互相垂直,轉子繞組的端點通過電刷與滑環(huán)引出。無刷旋轉變壓器如圖6-49所示,由分解器與變壓器組成,無電刷和滑環(huán)。分解器結構與有刷旋轉變壓器基本相同。變壓器的一次繞組繞在與分解器轉子軸固定在一起的線軸上,與轉子一起轉動;二次繞組繞在與轉子同心的定子軸線上。分解器定子線圈外接激磁電壓,轉子線圈的輸出信號接到變壓器的一次繞組,從變壓器的二次繞組引出最后的輸出信號。圖6-49無刷旋轉變壓器的結構示意圖

2.工作原理

實際應用的旋轉變壓器為正、余弦旋轉變壓器,其定子與轉子各有互相垂