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1、第四章 進給伺服系統(tǒng),概述 伺服電機及其調速 位置檢測裝置 典型進給伺服系統(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) 根據數控裝置給出的指令控制工作臺的速度、位移或主軸轉速的控制系統(tǒng)。 分類： 進給伺服系統(tǒng) 主軸伺服系統(tǒng),進給伺服系統(tǒng),組成 伺服驅動電路 伺服驅動裝置（電機） 位置檢測裝置 機械傳動機構 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)性能參數的合理匹配,4.1.2 伺服系統(tǒng)的技術要求,位移精度 控制分辨率、位置精度、重復精度 0.010.001mm 0.1m 調速范圍寬 需要足夠的調速范圍來達到最
2、優(yōu)的金屬切除率 反向死區(qū)小 能頻繁啟、停和正反轉 快速性和穩(wěn)定性,快速性和穩(wěn)定性,動態(tài)響應快（快速性）： 到達穩(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量 穩(wěn)定性： 信號經過振蕩后達到的穩(wěn)態(tài)值與理論穩(wěn)態(tài)的差值e越小越好 負載特性要硬，當負載發(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,根據有無反饋環(huán)分 開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán) 根據驅動裝置分 步進電機驅動系統(tǒng) 直流電機驅動系統(tǒng) 交流電機驅動系統(tǒng),開環(huán)與閉環(huán),開環(huán) 負載變化時，速度也隨著變化，需人為修正 結構簡單，易于控制，精度差，低速不平穩(wěn)，高速扭矩小
3、用于輕負載且負載變化不大的場合,閉環(huán) 不間斷的比較系統(tǒng)輸入與驅動輸出 全閉環(huán) 半閉環(huán),開環(huán)進給伺服系統(tǒng),伺服驅動裝置： 步進電機、功率步進電機、電液脈沖馬達 位移精度取決： 步進電機的角位移精度 齒輪絲杠等傳動元件的導程或節(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：脈沖當量為0.01mm時，不超過5m/min 特點： 結構簡單，用于精度要求不高的機床,閉環(huán)和半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng),驅動裝置： 直流或交流伺服電機、電液伺服閥液壓馬達。 位移精度取決于： 檢測裝置的分辨率和精度 性能指標： 定位精度：0.0050.01mm，0.1m 移動速度：與導程為10mm的絲
4、杠直連，130m/min 特點： 控制執(zhí)行部件以給定的速度向消除偏差的方向運動。 結構較復雜，成本較高；機械傳動機構包含在系統(tǒng)之內成為不穩(wěn)定因素，設計和調試較困難,4.2 步進電機及其調速,步進電機的結構與工作原理 步進電機的特征參數 步進電機開環(huán)進給的傳動計算及電機選用 步進電機的驅動,步進電機的結構與工作原理,步進電機控制原理： 電脈沖信號角位移 脈沖數位移 脈沖頻率轉速 缺點： 容易失步（大負載和高速情況下）,步進電機的結構與工作原理,單三拍：AB C A 雙三拍：AB BC CA AB 三相六拍：A AB B BC C CA A,步進電機的驅動電路,環(huán)形分配器（環(huán)分器） 控制脈沖通過環(huán)
5、分器控制步進電機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電機驅動,步進電機的特征參數,步距角及誤差 靜態(tài)矩角特性 最大啟動轉矩 最高啟動頻率 連續(xù)運行的最高工作頻率 轉矩頻率特性,步距角及誤差,步距角 K：比例系數，相鄰兩次通電的相數相同K=1，否則K=2。 m：定子相數 z：轉子齒數 步距誤差：一周內各步誤差的最大值，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,最大啟動轉矩,步進電機啟動時能承受的最大負載
6、轉矩Mq。若大于Mq ，電機不能啟動。 在最大靜轉矩相同的條件下，相數增大時，步進電動機帶負載能力也相應增大。,最高啟動頻率,空載時，步進電機由靜止突然啟動，并不失步地進入穩(wěn)速運行，所允許的啟動頻率fg的最高值。 啟停頻率fg時，步進電機不能正常運行。 fg與步進電機的慣性負載J有關，J fg CNC機床加速度受限于fg,連續(xù)運行的最高工作頻率,步進電機連續(xù)運行時所能接受的最高控制頻率 遠大于啟動頻率 與步距角一起決定執(zhí)行部件的最大運動速度。 決定于負載慣量J、定子相數、通電方式、控制電路的功率放大級,轉矩頻率特性,負載轉矩越大，工作頻率越低，符合加工實際需求 在步進電機運行時，對應于某一頻率
7、，只有當負載轉矩小于它在該頻率時的最大動態(tài)轉矩，電機才能正常運轉 應根據負載要求參照高頻輸出轉矩來選用步進電機的規(guī)格,步進電機開環(huán)進給的傳動計算及電機選用,傳動計算 ：步距角 i：齒輪傳動鏈的傳動比 ：脈沖當量 t：滾珠絲杠導程,電機選用原則,滿足精度要求 輸出轉矩負載轉矩（工作矩頻特性、起動矩頻特性曲線，由頻率f查找M） 步距角與機械系統(tǒng)匹配，以得到機床所需的脈沖當量 最高運行頻率必須滿足機床快速性要求。,4.3 直流伺服電機及其調速系統(tǒng),直流伺服電機調速,直流電機調速方法,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） 在電樞回路中串聯調節(jié)電阻Rt，此
8、時，轉速公式變?yōu)?,,大慣量直流伺服電機,又稱： 寬調速直流伺服電機、直流力矩電機 激磁方式： 永磁式 特點： 輸出力矩大： 高性能的磁性材料，產生強磁場，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 增加轉子的槽數和槽的截面積，增大磁極對數，使得轉矩-慣量比增大，電樞電感減小，電機的機械時間常數和電氣時間常數都減小，改善響應的快速性。,大慣量直流伺服電機,特點： 大慣量的結構使在長期過載工作時具有大的熱容量，過載能力強，允許持續(xù)過載的時間長。 低速高轉矩和大慣量結構可以與機床進給絲杠直接連接； 電機軸上裝有精密的測速發(fā)電機、旋轉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,缺點： 控制不如步進電機簡單 快速響應性能不如小慣量電機 耐溫可達150200，轉子溫度高，熱量通過轉軸傳到絲杠，若不采取措施，絲杠熱變形將影響傳動精度 電機電刷易磨損，維修保養(yǎng)也存在一定問題。,直流伺服電機的運行特性,直流伺服電機的調速系統(tǒng),可控硅調速系統(tǒng) 脈沖調寬調速系統(tǒng)（PWM）,直流伺服電機的可控硅調速系統(tǒng),又稱： 晶閘管供電轉速電流雙閉環(huán)直流調速系統(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，達到電機調速的目的,直流伺服電機的脈沖調寬調速系統(tǒng),脈沖寬度調制電路C,任務： 將速度指令
10、電壓信號轉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節(jié)變化的脈沖電壓。 組成： 調制信號發(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調速的特點,開關頻率高 紋波系數低 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電機的伺服系統(tǒng) 分類： 交流感應電機（異步）：結構簡單，容量大，價格低，一般用作主運動的驅動電路 交流同步電機（永磁）：進給運動的驅動電機,永磁同步式交流伺服電機,組成：,交流伺服電機調速,據電機學知，交流異步電機的轉速表達式為： 式中
11、 f1定子電源頻率（Hz）； p磁極對數； s轉差率。 交流伺服電機變頻調速的關鍵：獲得調頻調壓的交流電流,,交流伺服電機變頻調速,正弦波脈寬調制信號,矢量變換控制原理,目的 建立一個與交流電動機等效的直流電動機模型，得到與直流電機相同的優(yōu)異控制性能。 準則 變換前后由同樣的旋轉磁勢（即產生同樣的旋轉磁場） 方法 A、B、C三相坐標系的交流量D、Q兩相固定坐標系的交流量轉子磁場定向的MT直角坐標系的直流量,,電動機控制對比,直流電動機 與電機電磁轉矩相關的主磁通和電樞電流Ia是相互獨立的兩個變量 分別控制勵磁電流和電樞電流，即可方便地進行轉矩與轉速的線性控制 單輸入單輸出的單變量控制系統(tǒng) 交流電機 定子與轉子間存在強烈的電磁耦合關系 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，其輸出機械特性受到磁通的影響將不會是線性的,,交流電機等效變換,矢量控制變頻調速系統(tǒng)（SPWM）,,
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