第五部分数控伺服系统.ppt
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1、1,第五章 数控伺服系统,一、伺服系统的基本概念,5.1 概述,数控伺服系统主要是指各坐标轴进给驱动的位置控制系统。按其功能分为进给和主轴两种伺服系统。,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,它根据数控装置发出的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。,2,二、伺服系统的组成,伺服系统由伺服电路、伺服驱动装置、机械传动部件及执行部件组成。,3,二、数控机床对伺服系统的要求,1、高的位移精度(定位精度),伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求的位移量和实际位移量之间的误差
2、大小,误差愈小,精度愈高。,2、速度响应快 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。,3、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。一般要求调速范围1000,且为无级调速。,4,三、伺服系统的类型 按其控制原理和有无位置反馈分为开环半闭环和闭环伺服系统;按其用途和功能分为进给和主轴驱动系统;按其驱动执行元件的动作原理分为电液和电气伺服驱动系统。电气伺服驱动系统又分为直流、交流及直线电动机伺服系统。,4、低速大扭矩 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,5、稳定性好 稳定性是指系统在给定外界干扰作用下,经
3、在短暂的调节后,能达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。稳定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。,5,5.2 伺服系统的驱动元件,一、步进电动机,1、步进电动机的工作原理,图5-1 三相步进电机的结构原理图,6,(1)三相步进电机按单三拍逆时针转动,即A-B-C-A,7,(1)三相步进电机按单三拍逆时针转动,即A-B-C-A,图5-2 B通电状态,8,(1)三相步进电机按单三拍逆时针转动,即A-B-C-A,图5-2 C通电状态,9,(1)三相步进电机按单三拍逆时针转动,即A-B-C-A,图5-2 A通电状态,10,(2)三相步进电机按单三拍顺时针转动,即A-C-B-A,11,(2)三相步进电机
4、按单三拍顺时针转动,即A-C-B-A,12,(2)三相步进电机按单三拍顺时针转动,即A-C-B-A,13,(2)三相步进电机按单三拍顺时针转动,即A-C-B-A,14,(3)三相步进电机按六拍逆时针转动,即A-AB-B-BC-C-CA-A,15,(3)三相步进电机按六拍逆时针转动,即A-AB-B-BC-C-CA-A,图5-4 AB相通电,16,(3)三相步进电机按六拍逆时针转动,即A-AB-B-BC-C-CA-A,图5-4 B相通电,17,(3)三相步进电机按六拍逆时针转动,即A-AB-B-BC-C-CA-A,图5-4 BC相通电,18,(3)三相步进电机按六拍逆时针转动,即A-AB-B-BC
5、-C-CA-A,图5-4 C相通电,19,(3)三相步进电机按六拍逆时针转动,即A-AB-B-BC-C-CA-A,图5-4 CA相通电,20,(3)三相步进电机按六拍逆时针转动,即A-AB-B-BC-C-CA-A,图5-4 A相通电,21,2.步进电机的特性,(1)步进电机每输入一个脉冲,绕组的通电状态就变换一次,电机就相应地转动一步,因此角位移与输入脉冲个数成严格比例关系。,(2)一旦停止输入控制脉冲,只要维持绕组一定的通电电流,转子就可以保持在其固定的位置上,具有电磁锁定功能,不需要机械制动。,(3)改变绕组的通电顺序,就可以改变转子的旋转方向。,(4)转子的转速与输入的脉冲频率成正比。,
6、(5)步距角与通电拍数n、转子的齿数 z 有关,状态系数k(单、双拍),可用下式表示:,22,3.步进电动机主要性能参数及其选用,(1) 步距角 越小, 控制精度越高,,(2) 步距误差 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。步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。根据机床的定位精度选。,(3) 最高起动频率 f q,是指从静止状态突然起动而不丢步的最高频率,又叫突跳频率。它与负载力矩和传动系统惯性力矩有关,这两种力矩越大, f q 越低,这个关系称为惯频特性,如图5-5所示。,23,(4)、最高连
7、续运行频率 f max,图5-5 起动惯性特性曲线,步进电机匀速运行时,不步丢步的最高脉冲频率,它表明步进电机所能达到的最高速度,根据负载和速度选 f max (如图5-6所示)。,24,3、步进电机的驱动电路,驱动电路的三大功能:变频、环分、功放。 由此可知驱动电路的组成:如图5-7所示 ,由变频信号源、脉冲分配器、功率放大器三块组成。,25,变频信号源是频率连续可调的脉冲信号发生器,它根据步进电机转速变化的需要把不同频率的脉冲送到脉冲分配器。,脉冲分配器又叫环分器,它按一定的顺序开启或关断功率放大器,使步进电机的各相绕组轮流通电。环形分配器功能可由硬件或软件产生。,功率放大器有单电压和高低
8、压切换型,它们构成不同,性能不同,价格也不同,根据需要选用。,26,单电压驱动电路的优点是线路简单,缺点是电流上升不够快,高频时带负载能力低。,27,其优点是能在较宽的频率范围内有较大的平均电流,能产生较大且较稳定的电磁转矩,缺点是高低压电路波形连接处有凹形。,28,环分功能也能用软件实现。,4、步进电动机的软件环分电路,29,30,直流伺服系统就是控制直流电机的系统。目前使用较多的是永磁式直流伺服电机,其特点是调速范围宽,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 。,1、小惯量直流伺服电动机,2、大惯量直流伺服电动机,二、直流伺服电动机,这种电动机的转动惯量很小,机械时间常数
9、小,加减速能力强,响应快,动态特性好。用于点位控制机床,以及一些负载较小的机床。如:数控激光、数控电火花机床等。,这种伺服电动机的结构: 其定子磁极是个永久磁体,所以又叫永磁直流伺服电动机。由于这种电动机的调速范围很宽,又叫宽调速电机。,31,小惯量电机是从减小电机的转动惯量来提高快速性。,大惯量伺服电机则是用提高转距的方法来改善其快速性。它具有转矩大、过载能力强、动态响应好、调速范围宽、运转平稳等优点。同时配有高精度的检测元件,可构成闭环、半闭环伺服系统。,三、直流调速技术,(一)、直流电机的调速原理,缺点是:快速响应性不如小惯量电机,用于精度中等的机床。用在加工中心上较好、适宜。,在定子磁
10、场中,受到电磁转距M的作用,使电机旋转。电磁转矩为:,33,它的电枢电路的电动势平衡方程为:,kT电机的转矩系数( kT =cm) Ia电机电枢电流,Ea=ken Ea 电机转动产生的反电动势; ke电势系数( ke =ce); n电枢转速rpm。,34,感应电动势(反电动势)为:,(2)代入(1)得:,式中:n电机转速(rpm); U电枢电路外加电压(V); R a电枢电路电阻(); C e反电动势系数; 气隙磁通量(W b)。,从上式可以看出, 要改变直流电动机的转速n, 有三种方法:,(2)改变励磁回路电阻R f, 以改变I f, 从而改变值, 但I f只能减小,转速只能调高,不能调低,
11、可见这两种方法都不能满足数控机床的要求。,(1)改变电枢回路电阻R a, 这使转速只能调低不能调高。,(3)改变电枢电压,其它都不变,尽管需要附加调压设备,但它的调速范围大, 又是恒扭矩调速,所以直流伺服电机常用这种方法调速。,36,(二)直流电机的调速方法, 直流发电机直流电动机(G-M)系统。,它是通过改变发电机的输出电压(此电压加到电机上)来改变电动机转速的调速方法。, 晶闸管直流电动机(SCR-M)系统。,它是通过改变晶闸管的导通角,来控制供给直流电动机的输入电压,实现调速的。, 脉宽调制直流电动机(PWM)系统 。,它是利用一定频率的三角波或锯齿波,把模拟控制电压分割成与三角波同频率
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