數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)

1、第六章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng),重點： 1伺服系統(tǒng)的要求、分類、組成 2 常用伺服電機工作原理及其驅(qū)動裝置特點 3 常用位置檢測元件工作原理及特點,6-1 概述,一 伺服系統(tǒng)概念 1 概念 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)是指以機床移動部件位移和速度為控制對象的自動控制系統(tǒng)。 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)包括進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)；主軸伺服驅(qū)動系統(tǒng)。 伺服系統(tǒng)的組成 伺服系統(tǒng)由伺服電機、伺服驅(qū)動裝置、機械傳動裝置、位置檢測裝置等組成。,2 伺服系統(tǒng)的基本要求,1 ） 精度高 伺服系統(tǒng)精度取決于機械傳動精度和伺服系統(tǒng)最小分辨率精度。 2）響應(yīng)快速 響應(yīng)速度提高，可以減小跟隨誤差，一般在200 ms以內(nèi)。 3） 穩(wěn)定性好 穩(wěn)定性直接

2、影響數(shù)控加工精度和表面粗糙度。 4）調(diào)速范圍寬 R=nmax/nmin 進給伺服與主軸范圍不一樣 5 ） 低速大轉(zhuǎn)矩,3 電氣控制伺服系統(tǒng),從控制的角度來說，一般電氣伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為三閉環(huán)控制。,位置PID,速度PID,電流PID,伺服電機,速度反饋,位置反饋,給定,二 對伺服電機的要求,1）在調(diào)速范圍內(nèi)，具有平穩(wěn)的運行速度 2）具有較大較長時間的過載能力 3）具有較大的啟動加速度 4）能夠承受頻繁啟動、制動和反轉(zhuǎn),三 伺服系統(tǒng)的分類,1 按控制方式劃分：開環(huán)控制系統(tǒng)；半閉控制環(huán)系統(tǒng)；閉環(huán)控制系統(tǒng)。 2 按系統(tǒng)中執(zhí)行元件電動機的類型劃分（1）步進驅(qū)動系統(tǒng) 執(zhí)行元件為步進電機（2）直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)

3、執(zhí)行元件為直流伺服電機。 （3）交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)執(zhí)行元件為交流伺服電機。,6-2 步進電機及開環(huán)控制系統(tǒng),一 步進電機結(jié)構(gòu)特點及種類 步進電機又稱為脈沖電機它的輸入既不是交流電，也不是直流電，而是電脈沖。 其主要特點：步進電機輸出的角位移與輸入的脈沖個數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。 分類：根據(jù)其結(jié)構(gòu)和材料大體分為可變磁阻式（反應(yīng)式）、永磁式和混合式（永磁感應(yīng)式）三種基本類型。按輸出扭矩分：伺服式（功率較小)，功率式(功率較大）。,二 步進電機結(jié)構(gòu)及工作原理,1. 結(jié)構(gòu)與原理 左圖為徑向分相式三相步進電機。,步進電機定子齒距分布,步進電機工作原理,工作原理：以三相反應(yīng)式為例,2 運行節(jié)拍與通電

4、方式 在一個完整的通斷電循環(huán)中，繞組通電狀態(tài)的不同組合數(shù)稱為運行拍數(shù)。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個步距角。通電方式： ABCA；ABBCCAAB；AABBBCCCAA 3 徑向分相式與軸向分相式 4 步距角 s =360/mPN P 運行節(jié)拍與相數(shù)的比例， N轉(zhuǎn)子齒數(shù) m相數(shù) 。,三 步進電機進給控制,1 轉(zhuǎn)向控制 2 速度大小控制 控制步進電機相鄰兩種勵磁狀態(tài)之間的時間，就可以實現(xiàn)步進電機速度控制。V=60f 式中f 輸入到步進電機的脈沖頻率Hz，脈沖當量mm/脈沖，V 單位 mm/min 3 自動升降速控制,當要求步進電機啟動到大于突跳頻率的工作頻率時，變化速度必須逐漸上升；同樣，從最高工作頻率或高干

5、突跳頻率的工作頻率停止時，變化速度必須逐漸下降。,四 步進電機特性與選用,1 步進電機的優(yōu)點 2 主要技術(shù)特性 （1）步距角及其誤差（不大于10） s =360/mPN P 運行節(jié)拍與相數(shù)的比例， N轉(zhuǎn)子齒數(shù) m相數(shù),（2）矩角特性與最大靜轉(zhuǎn)矩,（3）啟動頻率,（4）連續(xù)運行頻率（5）矩頻特性,3.選用,（1）選定類型 （2）確定脈沖當量 （3）計算齒輪傳動比 （L為絲杠螺距、m一轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)） （4）確定高速運行的輸出扭矩（大于負載轉(zhuǎn)矩，并留余量） （5）確定電機啟動頻率,計算機三相六拍環(huán)形分配表（查表法）,6-2 直流、交流伺服驅(qū)動 （閉環(huán)控制系統(tǒng)）,閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件為直流、交流伺

6、服電機。 一 直流伺服電機 直流伺服電機具有良好的調(diào)速性能，在以往的數(shù)控機床上得到廣泛使用。直流伺服電機分為有刷和無刷兩種基本類型。有刷直流伺服電機通常采用永久磁鐵做定子。而無刷電機轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，定子為電樞。,1. 直流伺服電機的工作原理 直流伺服電機基本結(jié)構(gòu)和工作原理與一般的直流電機相同，所不同的是為了滿足快速響應(yīng)的要求，從結(jié)構(gòu)上做得細長一些。,直流伺服電機工作原理圖,2. 直流電機的輸出特性,直流電機的電樞電路： R+E=U E=Ken T-Tf=Jdn/dt 當電機穩(wěn)定運行時 T=Tf T=KT = KT(U E)/R= KT(U Ken)/ R,M,Ua,Ea,Ia,機械特性和調(diào)速特

7、性,二 直流伺服電機驅(qū)動裝置,1 可控硅調(diào)速電路(SCR) 采用三相全控橋式整流電路 ，通過對12個晶閘管觸發(fā)角的控制，達到控制電機電樞電壓的目的。,2 脈寬調(diào)制PWM 調(diào)速電路,UAB=USt1-(T-t1) US/T=(2t1/T -1) US=(2 -1) US = 0.5 UAB=0 電機不轉(zhuǎn) 0.5 UAB0 電機正轉(zhuǎn) 0.5 UAB0 電機反轉(zhuǎn),3直流驅(qū)動系統(tǒng)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng),速度調(diào)節(jié),電流調(diào)節(jié),功率放大,M,TG,電流反饋,速度反饋,三. 交流伺服電動機,直流伺服電機存在機械整流子、電刷維護困難，造價高，壽命短、應(yīng)用環(huán)境受限制的缺點。而交流伺服電機結(jié)構(gòu)簡單，耐用可靠，動態(tài)響應(yīng)好，驅(qū)動調(diào)速技術(shù)日益成熟。 用三相交流電驅(qū)動的伺服電機叫AC伺服電機。AC伺服電機按工作原理劃分為：永磁同步型；異步感應(yīng)型。,1. 永磁同步型AC伺服電機,永磁同步型AC伺服電機，轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，定子裝有三相對稱繞組，通入三相對稱、相位相差120的交流電，可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。,多極永磁同步型AC伺服電機結(jié)構(gòu)如下圖示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n=n1=60f/p p磁極對數(shù)，f電源頻率。,2 AC伺服電機SPWM調(diào)速,永磁同步型AC伺服電機的轉(zhuǎn)速與電源頻率存在嚴格的關(guān)系。因