《進(jìn)給伺服系統(tǒng)》PPT課件

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1、第四章 進(jìn)給伺服系統(tǒng),概述 伺服電機(jī)及其調(diào)速 位置檢測裝置 典型進(jìn)給伺服系統(tǒng),4.1 概述,4.1.1 基本定義 4.1.2 伺服系統(tǒng)的基本要求 4.1.3 分類,4.1.1 基本定義,伺服系統(tǒng) 根據(jù)數(shù)控裝置給出的指令控制工作臺的速度、位移或主軸轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)。 分類： 進(jìn)給伺服系統(tǒng) 主軸伺服系統(tǒng),進(jìn)給伺服系統(tǒng),組成 伺服驅(qū)動電路 伺服驅(qū)動裝置（電機(jī)） 位置檢測裝置 機(jī)械傳動機(jī)構(gòu) 執(zhí)行部件 性能取決于 各組成環(huán)節(jié)的特性 各環(huán)節(jié)性能參數(shù)的合理匹配,4.1.2 伺服系統(tǒng)的技術(shù)要求,位移精度 控制分辨率、位置精度、重復(fù)精度 0.010.001mm 0.1m 調(diào)速范圍寬 需要足夠的調(diào)速范圍來達(dá)到最

2、優(yōu)的金屬切除率 反向死區(qū)小 能頻繁啟、停和正反轉(zhuǎn) 快速性和穩(wěn)定性,快速性和穩(wěn)定性,動態(tài)響應(yīng)快（快速性）： 到達(dá)穩(wěn)態(tài)值的時間越短越好 200100ms，<幾十ms 反映系統(tǒng)跟蹤精度的高低，直接影響輪廓加工精度高度和表面加工質(zhì)量 穩(wěn)定性： 信號經(jīng)過振蕩后達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值與理論穩(wěn)態(tài)的差值e越小越好 負(fù)載特性要硬，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化或受外界干擾時，輸出基本不變，保持平穩(wěn)均勻,4.1.3 分類,根據(jù)有無反饋環(huán)分 開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán) 根據(jù)驅(qū)動裝置分 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 交流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng),開環(huán)與閉環(huán),開環(huán) 負(fù)載變化時，速度也隨著變化，需人為修正 結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，精度差，低速不平穩(wěn)，高速扭矩小

3、用于輕負(fù)載且負(fù)載變化不大的場合,閉環(huán) 不間斷的比較系統(tǒng)輸入與驅(qū)動輸出 全閉環(huán) 半閉環(huán),開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng),伺服驅(qū)動裝置： 步進(jìn)電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖馬達(dá) 位移精度取決： 步進(jìn)電機(jī)的角位移精度 齒輪絲杠等傳動元件的導(dǎo)程或節(jié)矩精度 系統(tǒng)的摩擦阻尼特性 性能 定位精度：0.02mm，0.01mm 速度：脈沖當(dāng)量為0.01mm時，不超過5m/min 特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單，用于精度要求不高的機(jī)床,閉環(huán)和半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng),驅(qū)動裝置： 直流或交流伺服電機(jī)、電液伺服閥液壓馬達(dá)。 位移精度取決于： 檢測裝置的分辨率和精度 性能指標(biāo)： 定位精度：0.0050.01mm，0.1m 移動速度：與導(dǎo)程為10mm的絲

4、杠直連，130m/min 特點(diǎn)： 控制執(zhí)行部件以給定的速度向消除偏差的方向運(yùn)動。 結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高；機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)包含在系統(tǒng)之內(nèi)成為不穩(wěn)定因素，設(shè)計(jì)和調(diào)試較困難,4.2 步進(jìn)電機(jī)及其調(diào)速,步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理 步進(jìn)電機(jī)的特征參數(shù) 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)進(jìn)給的傳動計(jì)算及電機(jī)選用 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動,步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理,步進(jìn)電機(jī)控制原理： 電脈沖信號角位移 脈沖數(shù)位移 脈沖頻率轉(zhuǎn)速 缺點(diǎn)： 容易失步（大負(fù)載和高速情況下）,步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理,單三拍：AB C A 雙三拍：AB BC CA AB 三相六拍：A AB B BC C CA A,步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路,環(huán)形分配器（環(huán)分器） 控制脈沖通過環(huán)

5、分器控制步進(jìn)電機(jī)勵磁繞組按一定順序通、斷電 硬件、軟件 功率放大器 功率放大，脈沖電流110A，每一相繞組都有一套 單電壓功率放大器 雙電壓功率放大器,功率放大器,單電壓供電功放器用于小功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動,步進(jìn)電機(jī)的特征參數(shù),步距角及誤差 靜態(tài)矩角特性 最大啟動轉(zhuǎn)矩 最高啟動頻率 連續(xù)運(yùn)行的最高工作頻率 轉(zhuǎn)矩頻率特性,步距角及誤差,步距角 K：比例系數(shù)，相鄰兩次通電的相數(shù)相同K=1，否則K=2。 m：定子相數(shù) z：轉(zhuǎn)子齒數(shù) 步距誤差：一周內(nèi)各步誤差的最大值，由制造精度、齒槽分布、氣隙因素決定。誤差不累積，下一周誤差分布情況與這一周相同。,靜態(tài)矩角特性,最大啟動轉(zhuǎn)矩,步進(jìn)電機(jī)啟動時能承受的最大負(fù)載

6、轉(zhuǎn)矩Mq。若大于Mq ，電機(jī)不能啟動。 在最大靜轉(zhuǎn)矩相同的條件下，相數(shù)增大時，步進(jìn)電動機(jī)帶負(fù)載能力也相應(yīng)增大。,最高啟動頻率,空載時，步進(jìn)電機(jī)由靜止突然啟動，并不失步地進(jìn)入穩(wěn)速運(yùn)行，所允許的啟動頻率fg的最高值。 啟停頻率fg時，步進(jìn)電機(jī)不能正常運(yùn)行。 fg與步進(jìn)電機(jī)的慣性負(fù)載J有關(guān)，J fg CNC機(jī)床加速度受限于fg,連續(xù)運(yùn)行的最高工作頻率,步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時所能接受的最高控制頻率 遠(yuǎn)大于啟動頻率 與步距角一起決定執(zhí)行部件的最大運(yùn)動速度。 決定于負(fù)載慣量J、定子相數(shù)、通電方式、控制電路的功率放大級,轉(zhuǎn)矩頻率特性,負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，工作頻率越低，符合加工實(shí)際需求 在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時，對應(yīng)于某一頻率

7、，只有當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于它在該頻率時的最大動態(tài)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)才能正常運(yùn)轉(zhuǎn) 應(yīng)根據(jù)負(fù)載要求參照高頻輸出轉(zhuǎn)矩來選用步進(jìn)電機(jī)的規(guī)格,步進(jìn)電機(jī)開環(huán)進(jìn)給的傳動計(jì)算及電機(jī)選用,傳動計(jì)算 ：步距角 i：齒輪傳動鏈的傳動比 ：脈沖當(dāng)量 t：滾珠絲杠導(dǎo)程,電機(jī)選用原則,滿足精度要求 輸出轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩（工作矩頻特性、起動矩頻特性曲線，由頻率f查找M） 步距角與機(jī)械系統(tǒng)匹配，以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量 最高運(yùn)行頻率必須滿足機(jī)床快速性要求。,4.3 直流伺服電機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng),直流伺服電機(jī)調(diào)速,直流電機(jī)調(diào)速方法,改變電樞電壓U 改變Ke 即改變磁通量（改變激磁回路電阻Rj以改變激磁電流Ij） 在電樞回路中串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻Rt，此

8、時，轉(zhuǎn)速公式變?yōu)?,,大慣量直流伺服電機(jī),又稱： 寬調(diào)速直流伺服電機(jī)、直流力矩電機(jī) 激磁方式： 永磁式 特點(diǎn)： 輸出力矩大： 高性能的磁性材料，產(chǎn)生強(qiáng)磁場，具有大的矯頑力和足夠的厚度，能承受高的峰值電流以滿足快的加減速要求 增加轉(zhuǎn)子的槽數(shù)和槽的截面積，增大磁極對數(shù)，使得轉(zhuǎn)矩-慣量比增大，電樞電感減小，電機(jī)的機(jī)械時間常數(shù)和電氣時間常數(shù)都減小，改善響應(yīng)的快速性。,大慣量直流伺服電機(jī),特點(diǎn)： 大慣量的結(jié)構(gòu)使在長期過載工作時具有大的熱容量，過載能力強(qiáng)，允許持續(xù)過載的時間長。 低速高轉(zhuǎn)矩和大慣量結(jié)構(gòu)可以與機(jī)床進(jìn)給絲杠直接連接； 電機(jī)軸上裝有精密的測速發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器或脈沖編碼器，從而可以得到精密的速度

9、和位置檢測信號，以反饋到速度控制單元和位置控制單元。,大慣量直流伺服電機(jī),缺點(diǎn)： 控制不如步進(jìn)電機(jī)簡單 快速響應(yīng)性能不如小慣量電機(jī) 耐溫可達(dá)150200，轉(zhuǎn)子溫度高，熱量通過轉(zhuǎn)軸傳到絲杠，若不采取措施，絲杠熱變形將影響傳動精度 電機(jī)電刷易磨損，維修保養(yǎng)也存在一定問題。,直流伺服電機(jī)的運(yùn)行特性,直流伺服電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng),可控硅調(diào)速系統(tǒng) 脈沖調(diào)寬調(diào)速系統(tǒng)（PWM）,直流伺服電機(jī)的可控硅調(diào)速系統(tǒng),又稱： 晶閘管供電轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),Ud,PWM控制示意圖,通過改變脈沖寬度的方法來改變電樞回路的平均電壓，達(dá)到電機(jī)調(diào)速的目的,直流伺服電機(jī)的脈沖調(diào)寬調(diào)速系統(tǒng),脈沖寬度調(diào)制電路C,任務(wù)： 將速度指令

10、電壓信號轉(zhuǎn)換成脈沖周期固定而寬度可由速度指令電壓信號的大小調(diào)節(jié)變化的脈沖電壓。 組成： 調(diào)制信號發(fā)生器（三角波或鋸齒波） 比較器 脈沖分配器 輸出脈沖電壓：控制脈寬調(diào)制放大器PWM的基極b1b4,晶體管脈寬放大器（PWM）,雙極式PWM變換器工作原理,PWM調(diào)速的特點(diǎn),開關(guān)頻率高 紋波系數(shù)低 頻帶較寬 可在高峰值電流下工作,4.4 交流伺服系統(tǒng),含義： 使用AC電機(jī)的伺服系統(tǒng) 分類： 交流感應(yīng)電機(jī)（異步）：結(jié)構(gòu)簡單，容量大，價格低，一般用作主運(yùn)動的驅(qū)動電路 交流同步電機(jī)（永磁）：進(jìn)給運(yùn)動的驅(qū)動電機(jī),永磁同步式交流伺服電機(jī),組成：,交流伺服電機(jī)調(diào)速,據(jù)電機(jī)學(xué)知，交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為： 式中

11、 f1定子電源頻率（Hz）； p磁極對數(shù)； s轉(zhuǎn)差率。 交流伺服電機(jī)變頻調(diào)速的關(guān)鍵：獲得調(diào)頻調(diào)壓的交流電流,,交流伺服電機(jī)變頻調(diào)速,正弦波脈寬調(diào)制信號,矢量變換控制原理,目的 建立一個與交流電動機(jī)等效的直流電動機(jī)模型，得到與直流電機(jī)相同的優(yōu)異控制性能。 準(zhǔn)則 變換前后由同樣的旋轉(zhuǎn)磁勢（即產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場） 方法 A、B、C三相坐標(biāo)系的交流量D、Q兩相固定坐標(biāo)系的交流量轉(zhuǎn)子磁場定向的MT直角坐標(biāo)系的直流量,,電動機(jī)控制對比,直流電動機(jī) 與電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩相關(guān)的主磁通和電樞電流Ia是相互獨(dú)立的兩個變量 分別控制勵磁電流和電樞電流，即可方便地進(jìn)行轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的線性控制 單輸入單輸出的單變量控制系統(tǒng) 交流電機(jī) 定子與轉(zhuǎn)子間存在強(qiáng)烈的電磁耦合關(guān)系 I2時刻影響著氣隙磁通 定子電壓和電流均是隨時間交變的矢量，而磁通是空間交變矢量 如僅僅控制定子電壓和頻率，其輸出機(jī)械特性受到磁通的影響將不會是線性的,,交流電機(jī)等效變換,矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)（SPWM）,,