第8章_伺服驅動系統.ppt

1、第8章伺服驅動系統，8.1概述8.1.1伺服驅動系統的概念1什么是伺服驅動系統伺服驅動系統，也稱為伺服系統，是一個自動控制系統，可以跟蹤輸入命令信號，并采取行動，以獲得準確的位置、速度或力輸出。數控機床進給伺服系統以機床運動部件的位置和速度為控制量，接收插補裝置或插補軟件產生的進給脈沖指令，經過一定的信號轉換、電壓和功率放大以及檢測反饋，最終實現機床工作臺相對刀具運動的控制系統。伺服驅動系統的功能伺服驅動系統是數控機床的重要組成部分。伺服驅動系統的功能可以概括如下：(1)伺服驅動系統可以放大控制信號并具有輸出功率的能力；(2)伺服驅動系統根據數控裝置發(fā)送的控制信息控制機床運動部件的位置和速度。

2、數控機床對伺服驅動系統的要求(1)加工過程中的可逆操作，可以隨時實現正向或反向運動。同時，當方向改變時，不應有反向間隙和運動損失。(2)進給速度范圍應寬。對于普通機床，當進給速度范圍為0.24米/分鐘時，可以滿足加工要求。具體技術要求如下。在124000毫米/分鐘的調速范圍內，即124000，要求均勻、穩(wěn)定、無爬行、速度下降小。當低于1毫米/分鐘時，有一定的瞬時速度，但瞬時速度較低。零速時，即工作臺停止運動時，要求電機有電磁轉矩來保持定位精度，使定位誤差不超過系統的允許范圍，即電機在零速時處于伺服鎖定狀態(tài)。(3)足夠的傳動剛度和速度穩(wěn)定性(4)無超調的快速響應快速響應是衡量伺服系統動態(tài)性能的重

3、要性能指標，反映了系統的跟蹤精度。跟蹤指令信號的響應要求快。一方面，在頻繁起動、制動、加速、減速等動態(tài)過程中。要求加速和減速足夠大，以縮短過渡時間，一般在200毫秒以內，甚至小于幾十毫秒，并且速度變化不應超過；另一方面，當負載突然變化時，過渡過程的恢復時間很短，并且沒有振蕩。高精度為了滿足數控加工的精度，關鍵是要保證數控機床的定位精度和位移精度。位移精度位移精度是指指令脈沖進給機床所需的位移與伺服系統轉換的工作臺實際位移的重合度。它們之間的誤差越小，伺服系統的位移精度越高。目前，位移精度在整個范圍內可達5m，普通數控機床的脈沖當量為0.010.005毫米/脈沖，高精度數控機床的脈沖當量可達0.

4、001毫米/脈沖甚至更高。定位精度定位精度是指輸出能夠再現輸入的精度。進給伺服系統的定位精度一般要求達到1米甚至0.1米。(6)低速大扭矩根據數控機床的加工特點，重切削大多是在低速下進行的，即進給傳動在低速下要有大的扭矩輸出。動力源應盡可能靠近機床的執(zhí)行機構，以簡化傳動裝置機械部分的結構，增加系統的剛度，提高傳動精度。伺服系統的組成和工作原理閉環(huán)伺服系統的結構原理如圖8-1所示。圖8-1閉環(huán)伺服系統示意圖。數控機床的位置控制過程：安裝在工作臺上的位置檢測元件將機械位移轉換成數字位置量，由位置反饋電路送到微機，并將位置反饋量與輸入微機的指令位置進行比較。如果比較結果不一致，微機發(fā)出差分信號，由驅

5、動電路進行變換和放大測速發(fā)電機和伺服電機同步旋轉。如果電機速度因外部負載增加而降低，轉速發(fā)電機速度也會降低。通過速度反饋電路，速度變化信號被轉換成電信號，該電信號被發(fā)送到驅動電路以與輸入信號進行比較。經過比較后，差值信號被放大，產生較大的驅動電壓，從而提高電機轉速，恢復到原來設定的轉速，使電機能夠消除負載變化的干擾，保持轉速不變。伺服系統結構示意圖可表示如下：圖8-2伺服系統框圖閉環(huán)伺服系統的主要部件從以上原理圖和框圖可以看出閉環(huán)伺服系統主要由以下幾個部分組成：(1)微機可以接收輸入的加工程序和反饋信號，經系統軟件處理后，輸出端口發(fā)出指令信號。(2)驅動電路接收來自微機的指令，將輸入信號轉換成

6、電壓信號，經功率放大后驅動電機旋轉。速度由命令控制。為實現恒速控制功能，驅動電路應能接收速度反饋信號，并將反饋信號與微機的輸入信號進行比較，并將差值信號作為控制信號，使電機保持恒速旋轉。致動器可以是DC電機、交流電機或步進電機。步進電機通常是開環(huán)控制的。(4)傳動裝置包括減速箱和滾珠絲杠等。(5)位置檢測元件和反饋電路位置檢測元件包括線性感應同步器、光柵和磁尺。位置檢測元件檢測到的位移信號由反饋電路轉換成計算機可識別的反饋信號并發(fā)送給計算機，計算機對數據進行比較并發(fā)出差值信號。(6)轉速表和反饋電路轉速表實際上是一臺小型發(fā)電機，發(fā)電機兩端的電壓值與發(fā)電機的轉速成正比，因此轉速的變化可以轉化為電

7、壓的變化。伺服系統分類(1)按驅動方式可分為液壓伺服系統、氣動伺服系統和電動伺服系統。(2)根據執(zhí)行機構的類型，可分為DC電機伺服系統、交流電機伺服系統和步進電機伺服系統。(3)根據是否有檢測元件和反饋環(huán)節(jié)，可分為開環(huán)伺服系統、閉環(huán)伺服系統和半閉環(huán)伺服系統。(4)根據輸出控制量的性質，可分為位置伺服系統和速度伺服系統。伺服系統類型對應的數控機床精度：(1)步進電機開環(huán)伺服系統的定位精度一般為0.010.005毫米；(2)大型高精度數控設備通常采用交流或DC伺服電機、閉環(huán)或半閉環(huán)伺服系統。閉環(huán)伺服系統的定位精度可達0。0010.003毫米。用于進給驅動的進給電機伺服電機的分類主要包括以下幾種類型

8、：(1)改進型DC電機與傳統的DC電機在結構上沒有什么不同，除了它的轉動慣量小，過載能力強，換向性能好，這在早期的數控機床中得到了廣泛的應用。(2)小慣量DC電機最大限度地減小了電樞的轉動慣量，獲得了更好的快速性，這種電機在早期數控機床中得到廣泛應用。步進電機由于步進電機易于制造，其開環(huán)進給驅動裝置相對簡單且易于調節(jié)。從20世紀60年代到70年代初，這種電機在數控機床上很流行。目前，步進電機仍在經濟型數控機床中使用。此外，在一些機床上，還有用于補償刀具磨損運動和精確角位移的驅動器。永磁DC伺服電機永磁DC電機能在大轉矩下長時間工作，轉子慣量大，因此可以直接與絲杠連接，無需中間傳動裝置，由于沒有

9、勵磁回路損耗，所以整體尺寸比勵磁DC電機小。它還具有低速運行的特點，例如在1英里/小時甚至0.1英里/小時時運行平穩(wěn)。因此，這種電機得到了廣泛的應用。從20世紀70年代到80年代中期，它在數控機床的進給驅動裝置中占據了絕對的主導地位。到目前為止，永磁DC伺服電機仍在許多數控機床中使用。無刷DC電機無刷DC電機也稱為無換向器DC電機。它由同步電機和逆變器組成，逆變器由安裝在轉子上的轉子傳感器控制。因此，它實際上是一種交流調速電機。由于這種電機的性能達到了DC電機的水平，并且取消了換向器和電刷部件，電機的使用壽命提高了一個數量級。(6)交流調速電機自20世紀80年代中期以來，基于異步電機和永磁同步

10、電機的交流進給驅動電機發(fā)展迅速，是數控機床進給驅動的一個方向。一些國家生產的數控機床都是由交流電源驅動的。8.2開環(huán)進給伺服系統當數控機床進給伺服系統負載不大，加工精度不高時，可以采用開環(huán)控制。數控機床開環(huán)進給伺服系統的執(zhí)行元件大多采用功率步進電機，系統沒有位置檢測反饋回路和速度檢測反饋回路，結構簡單，成本低廉，易于與機床連接。圖8-3是帶功率步進電機的開環(huán)進給伺服系統示意圖。圖8-3開環(huán)進給伺服系統示意圖8.2.1步進電機它是一種將電脈沖信號轉換成機械角位移的電磁機械裝置。因為使用的電源是脈沖電源，所以也叫脈沖電機。1步進電機的分類(1)根據步進電機的輸出轉矩，可分為快速步進電機和功率步進電

11、機。(2)根據勵磁繞組，可分為三相、四相、五相、六相甚至八相步進電機。(3)根據轉矩產生的工作原理，可分為電磁型、無功型和混合式步進電機。(4)根據步進電機輸出運動的軌跡形式，可分為旋轉步進電機和直線步進電機。步進電機的特點(1)步進電機的輸出角與輸入的脈沖數嚴格成正比，因此可以通過控制輸入步進電機的脈沖數來控制位移；(2)步進電機的轉速與輸入脈沖頻率成正比，可通過控制脈沖頻率來調節(jié)；當輸入脈沖停止時，只要繞組中的電流保持不變，電機軸就可以保持在固定位置，無需機械制動裝置；(4)改變通電相序可以改變電機轉向；(5)步進電機的齒間有相鄰誤差，但沒有累積誤差。(6)步進電機轉動慣量小，能快速啟動和

12、停止；(7)步進電機的缺點是效率低、負載能力低、速度范圍小，最高輸入脈沖頻率一般不超過18kHz。8.2.2步進電機1的驅動和控制。步進電機的工作原理電機的定子有三相，即A相、B相和C相，轉子有四個齒。當A相繞組通電時，轉子齒1和3在磁力線的作用下迅速與A相磁極對準，對準后停止轉動。此時，如果B相通電，A相斷電，磁性B相吸引最近的一對齒2和4，使轉子逆時針旋轉30。然后c相通電，b相斷電，轉子逆時針旋轉30。以此類推，當定子按ABCA順序通電時，轉子會一步一步逆時針旋轉，每一步30次。同樣，如果通電順序改變，通電順序為ACBA，步進電機將順時針旋轉，每一步旋轉30。圖8 -4是三相無功步進電機

13、的工作原理模型圖?？梢钥闯觯竭M電機的工作原理與電磁鐵相似。當某相繞組通電時，定子產生磁場并與轉子形成磁路。如果此時定子和轉子的齒沒有對齊，則磁力線試圖走磁阻最小的路線，從而驅動轉子旋轉，使得定子齒與轉子齒對齊，從而實現一定角度的旋轉。步距角是：度。a制造商為每臺步進電機提供兩種不同的步進角度，每種角度相差一倍。大步距角：指電源拍數和相數相等時的步距角；小步進角：指電源節(jié)拍數是相數兩倍時的步進角。三相三拍控制模式：圖84所示三相步進電機的控制模式稱為三相三拍控制模式，即一次只給一相繞組通電。在此模式下工作時，步進電機在切換瞬間失去自鎖力矩，容易失步。另外，只有一相繞組通電吸引轉子，在平衡位置容

14、易產生振蕩。因此，通常采用三相六拍控制模式來代替三相三拍控制模式。三相六拍控制模式：三相六拍控制模式的上電順序按照甲乙雙方約定。每次開機狀態(tài)改變時，步進電機逆時針旋轉15，比三相三拍控制模式的步距角小一半。當上電狀態(tài)改變時，單相繞組始終可以上電，因此工作穩(wěn)定，轉換頻率加倍。它是三相步進電機的常用控制方式。雙三拍控制模式：如果您想使用三相三拍控制模式，您可以使用雙三拍控制模式，即開機順序按AB BC CA AB。由于雙三拍控制模式每次都有兩相繞組通電，切換時始終保持一相通電，所以工作穩(wěn)定。綜上所述，可以得出如下結論： (1)步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，其轉子就會轉動一定的角度，即步進角

15、。(2)改變步進電機定子繞組的通電順序，使轉子反轉。(3)步進電機定子繞組通電狀態(tài)變化速度越快，轉子轉速越快，即通電狀態(tài)變化頻率越高，轉子轉速越高。(4)步進電機的步距角與定子的相數m、轉子的齒數z和通電模式的系數k有關，其中k是由控制模式決定的拍數與相數的比例系數，即k=拍數/相數。如三相三拍：k=1；三相六拍：k=2；五相十拍：k=2。步進電機的工作方式步進電機的工作方式不同于普通電機，它采用脈沖控制方式。只有當每相繞組按一定規(guī)律依次通電時，步進電機才能轉動。數控機床中使用的功率步進電機有三相、四相、五相和六相。工作模式有單拍、雙拍、三拍、兩拍等。m是電機的相數。單個m拍：每拍只有一個相位

16、通電，周期拍數為m；雙m拍：每拍有兩個相位同時通電，周期拍數為m拍；三個m拍：每個拍有三個階段同時通電，周期拍數為m拍；2m拍：每拍有單向電源、兩相或三相電源，通常為一至二至三相電源，周期拍數為2m拍，如表8-1所示。一般來說，電機的相位越多，其工作模式就越多。如果表8-1中的通電順序相反，電機將反轉。表8-1無功步進電機驅動控制系統的工作方式步進電機驅動裝置由脈沖分配器和功率放大器組成。驅動裝置自動循環(huán)提供變頻信號源(微機或數控裝置等)發(fā)出的脈沖信號和方向信號。)按照所需的功率分配方式分配給步進電機的各繞組，從而驅動步進電機的轉子前后轉動。變頻信號源可提供幾赫茲到幾萬赫茲的頻率信號，并可連續(xù)調節(jié)。因此，只要控制輸入電脈沖的數量和頻率，就可以精確地控制步進電機的旋轉角度和旋轉速度。圓形脈沖分配器圓形脈沖分配器是用來控制步進電機的通電方式，使步進電機繞組的通電順序按一定規(guī)律變化的部件，也稱為圓形分配器步進電機中使用的功率放大器有電壓型和電流型。電壓類型有單電壓型