进给伺服系统课件

第四章进给伺服系统概述伺服电机及其调速位置检测装置典型进给伺服系统4.1概述4.1.1基本定义4.1.2伺服系统的基本要求4.1.3分类4.1.1基本定义伺服系统根据数控装置给出的指令控制工作台的速度、位移或主轴转速的控制系统。分类：主轴伺服系统进给伺服系统进给伺服系统组成伺服驱动电路伺服驱动装置（电机）位置检测装置机械传动机构执行部件性能取决于各组成环节的特性各环节性能参数的合理匹配4.1.2伺服系统的技术要求调速范围宽需要足够的调速范围来达到最优的金属切除率速度均匀、稳定、低速无爬行、零速电机电磁锁定位移精度控制分辨率、位置精度、重复精度0.01~0.001mm0.1μm稳定性和快速性反向死区小，能频繁启、停和正反转快速性和稳定性动态响应快（快速性）：到达稳态值的时间越短越好200~100ms，<几十ms反映系统跟踪精度的高低，直接影响轮廓加工精度高度和表面加工质量稳定性：信号经过振荡后达到的稳态值与理论稳态的差值e越小越好负载特性要硬，当负载发生变化或受外界干扰时，输出基本不变，保持平稳均匀4.1.3分类根据有无反馈环分开环、闭环、半闭环根据驱动装置分步进电机驱动系统直流电机驱动系统交流电机驱动系统开环与闭环开环负载变化时，速度也随着变化，需人为修正结构简单，易于控制，精度差，低速不平稳，高速扭矩小用于轻负载且负载变化不大的场合闭环/半闭环不间断的比较系统输入与驱动输出闭环半闭环开环进给伺服系统伺服驱动装置：步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达位移精度取决：步进电机的角位移精度齿轮丝杠等传动元件的导程或节矩精度系统的摩擦阻尼特性性能定位精度：±0.02mm，±0.01mm（采用补偿措施）速度：脉冲当量为0.01mm时，不超过5m/min特点：结构简单，用于精度要求不高的机床闭环和半闭环进给伺服系统驱动装置：直流或交流伺服电机、电液伺服阀—液压马达。位移精度取决于：检测装置的分辨率和精度性能指标：定位精度：±0.005~0.01mm，±0.1μm移动速度：与导程为10mm的丝杠直连，1~30m/min特点：控制执行部件以给定的速度向消除偏差的方向运动。结构较复杂，成本较高；机械传动机构包含在系统之内成为不稳定因素，设计和调试较困难4.2步进电机及其调速一、步进电机的结构与工作原理二、步进电机的运行特性及特征参数三、步进电机的选用四、驱动电路一、步进电机的结构与工作原理步进电机控制原理：电脉冲信号→角位移脉冲数→位移脉冲频率→转速缺点：容易失步（大负载和高速情况下）步进电机的结构与工作原理单三拍：A→B→C→A双三拍：AB→BC→CA→AB三相六拍：A→AB→B→BC→C→CA→A二、步进电机的运行特性及特征参数1、步距角及误差2、静特性静态矩角特性最大静态转矩特性3、动特性步进运行状态时的动特性（最大启动转矩）连续运行状态时的动特性矩频特性（转矩—频率特性）工作频率（最高启动频率、连续运行最高工作频率）1、步距角及误差步距角K：比例系数，相邻两次通电的相数相同K=1，否则K=2。m：定子相数z：转子齿数步距误差：一周内各步误差的最大值，由加工装配精度（分齿精度、各相定子错位角度精度）、各相电流大小、磁路性能等决定。国产步进电机一般为±10’~±15’，功率步进电机一般为±20’~±25’误差不累积，下一周误差分布情况与这一周相同。2、静特性1）静态矩角特性静态转矩与失调角的关系2）最大静态转矩特性2）最大静态转矩特性最大静态转矩与绕组内电流(时间)的关系控制电流I很小时，Tmax正比于I2控制电流I稍大时，Tmax上升变缓控制电流I很大时，Tmax趋向饱和3、动特性1）步进运行状态时的动特性（1）最大启动转矩步进电机启动时能承受的最大负载转矩Tq。若大于Tq

，电机不能启动。在最大静转矩Tmax相同的条件下，相数增大时，步进电动机带负载能力也相应增大。（2）过渡过程若控制脉冲频率等于电机共振频率，将导致失步。步距角小，振动小，低频共振危险小2）连续运行状态时的动特性（1）矩频特性（转矩—频率特性）负载转矩越大，工作频率越低，符合加工实际需求在步进电机运行时，对应于某一频率，只有当负载转矩小于它在该频率时的最大动态转矩，电机才能正常运转应根据负载要求参照高频输出转矩来选用步进电机的规格（2）工作频率包括：启动频率、制动频率、连续工作频率A）最高启动频率空载时，步进电机由静止突然启动，并不失步地进入稳速运行，所允许的启动频率fg的最高值。启停频率>fg时，步进电机不能正常运行。fg与步进电机的惯性负载J有关，J↑fg↓CNC机床加速度受限于fgB）连续运行的最高工作频率步进电机连续运行时所能接受的最高控制频率远大于启动频率与步距角一起决定执行部件的最大运动速度。决定于负载惯量J、定子相数、通电方式、控制电路的功率放大级三、步进电机的选用（1）传动计算兼顾精度和速度要求，选定脉冲当量，以确定步距角、传动比α：步距角i：齿轮传动链的传动比δ：脉冲当量t：滚珠丝杠导程三、步进电机的选用（2）精度要求总误差（步距误差、负载引起的定位误差、传动机构的误差）不大于机床允许的定位误差。（3）启动矩频特性曲线、工作矩频特性曲线已知负载转矩时，可在启动矩频特性曲线中查出启动频率f启动。系统要求的启动频率<f启动已知连续运行频率f，可在工作矩频特性曲线中查出极限转矩Tdm，有时称其为失步转矩。要求Tdm>负载转矩（4）最高运行频率必须满足机床快速性要求。四、步进电机的驱动电路环形分配器（环分器）控制脉冲通过环分器控制步进电机励磁绕组按一定顺序通、断电硬件、软件四、步进电机的驱动电路功率放大器要求：脉冲供电方式（开关元件）相电流快速建立与消失作用：功率放大，脉冲电流1~10A，每一相绕组都有一套类型：单电压功率放大器双电压功率放大器功率放大器单电压供电功放器用于小功率步进电机驱动4.3直流伺服电机及其调速系统一、概述二、直流伺服电机调速原理三、大惯量直流伺服电机四、直流伺服电机调速系统一、概述（一）特点具有良好的启动、制动和调速特性，可方便地实现宽范围平滑无极调速（二）分类高速直流伺服电机小惯量无槽电枢直流伺服电机空心杯电枢直流伺服电机大惯量直流伺服电机/低速大扭矩宽调速直流伺服电机（永磁式）（三）直流伺服电机基本结构二、直流伺服电机调速原理直流电机调速方法改变电枢电压U改变Ke即改变磁通量Φ（改变激磁回路电阻Rj以改变激磁电流Ij）在电枢回路中串联调节电阻Rt，此时，转速公式变为三、大惯量直流伺服电机（低速大扭矩）（一）特点：1、输出力矩大（Tmax≥10T额定）：高性能的磁性材料，产生强磁场φ，具有大的矫顽力和足够的厚度，能承受高的峰值电流以满足快的加减速要求增加转子的槽数和槽的截面积，增大磁极对数，使得转矩-惯量比增大，电枢电感减小，电机的机械时间常数和电气时间常数都减小，改善响应的快速性。2、惯量大大惯量的结构使在长期过载工作时具有大的热容量，过载能力强，允许持续过载的时间长。低速高转矩和大惯量结构可以与机床进给丝杠直接连接；三、大惯量直流伺服电机（一）特点：3、内装检测元件电机轴上装有精密的测速发电机、旋转变压器或脉冲编码器，从而可以得到精密的速度和位置检测信号，以反馈到速度控制单元和位置控制单元。维持一般直流电机惯量前提下，用尽量提高转矩的方法改善其动态特性，即具有一般直流电机便于调速，机械性能好的优点，又具有小惯量直流电机快速响应性能。三、大惯量直流伺服电机（二）缺点：控制不如步进电机简单快速响应性能不如小惯量电机耐温可达150～200℃，转子温度高，热量通过转轴传到丝杠，若不采取措施，丝杠热变形将影响传动精度电机电刷易磨损，维修保养也存在一定问题。（三）直流伺服电机的运行特性四、直流伺服电机调速系统（一）可控硅调速系统（二）脉冲调宽调速系统（PWM）（一）可控硅调速系统又称：晶闸管供电转速电流双闭环直流调速系统Ud（二）脉冲调宽调速系统（PWM）1、PWM控制原理2、脉冲调宽调速系统3、脉冲宽度调制电路C4、晶体管脉宽放大器（PWM）5、PWM调速的特点1、PWM控制示意图通过改变脉冲宽度的方法来改变电枢回路的平均电压，达到电机调速的目的2、脉冲调宽调速系统3、脉冲宽度调制电路C任务：将速度指令电压信号转换成脉冲周期固定而宽度可由速度指令电压信号的大小调节变化的脉冲电压。组成：调制信号发生器（三角波或锯齿波）比较器脉冲分配器输出脉冲电压：控制脉宽调制放大器PWM的基极b1～b44、晶体管脉宽放大器（PWM）双极式PWM变换器工作原理5、PWM调速的特点开关频率高纹波系数低频带较宽可在高峰值电流下工作4.4交流伺服系统概述永磁同步式交流伺服电机交流伺服电机调速原理交流伺服电机变频调速矢量变换控制原理一、概述含义：使用AC电机的伺服系统分类：交流感应电机（异步）：结构简单，容量大，价格低，一般用作主运动的驱动电路交流同步电机（永磁）：进给运动的驱动电机二、永磁同步式交流伺服电机组成：三、交流伺服电机调速原理据电机学知，交流电机的转速表达式为：式中 f—定子电源频率（Hz）；

p—磁极对数；

s—转差率（异步s≠0；同步s=0）。交流伺服电机变频调速的关键：获得调频调压的交流电流四、交流伺服电机变频调速正弦波脉宽调制信号五、矢量变换控制原理目的建立一个与交流电动机等效的直流电动机模型，得到与直流电机相同的优异控制性能。准则变换前后由同样的旋转磁势（即产生同样的旋转磁场）方法A、B、C三相坐标系的交流量→D、Q两相固定坐标系的交流量→转子磁场定向的M’－T’直