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1、第3 1章数控机床的伺服驱动系统 主要内容 3 1 1概述3 1 2步进电机及其驱动控制系统3 1 3直流伺服电机及其速度控制3 1 4交流伺服电机及其速度控制系统3 1 5直线电机及其在数控机床中的应用简介3 1 6位置控制 数控机床伺服驱动及控制技术伺服电机在数控机床上的应用 主轴电机 带制动器伺服电机 伺服电机 刀库刀具定位电机 机械手旋转定位电机 数控机床伺服驱动及控制技术控制方式 数控机床电机驱动主要指对机床的工作台和主轴的控制 其控制方式有三种 如下表 数控机床伺服驱动及控制技术开环控制 数控机床伺服驱动及控制技术半闭环控制 数控机床伺服驱动及控制技术全闭环控制 数控机床伺服驱动及
2、控制技术混合式控制 1概述 伺服驱动系统的定义 伺服驱动系统接收数控单元的位移 速度控制指令 驱动工作台 主轴按照控制指令的要求进行运动 伺服驱动系统直接影响移动速度 跟踪精度 定位精度等一系列重要指标 是数控机床的关键技术 1概述 伺服驱动系统的作用 接受CNC装置发出的位移指令信号 由伺服驱动装置作一定的转换和放大后 经伺服电机 直流 交流伺服电机 步进电机等 和机械传动机构 驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动 数控机床的伺服驱动 1概述 数控机床的伺服驱动 1概述 1概述 一 数控机床对进给伺服系统的要求有 1 高精度 输出量能复现输入量的精确程度 2 稳定性好 抗干扰能力
3、 3 响应速度快 系统跟踪精度 4 电机调速范围宽 最高转速和最低转速比 5 低速大转矩6 可靠性高 对环境的适应性 1概述 二 伺服系统的基本组成 1概述 三 伺服系统的分类按控制原理和有无检测反馈装置 开环和闭环伺服系统 按其用途和功能 进给驱动系统和主轴驱动系统 按其驱动执行元件的动作原理 电液伺服驱动系统 电气伺服驱动系统 直流伺服驱动系统 交流伺服驱动系统及直线电机伺服系统 1概述 1概述 闭环进给伺服系统结构 2步进电机及其驱动控制系统 2 1步进电机工作原理按电磁吸引原理工作 以反应式步进电机为例 反应式步进电机的定子上有磁极 每个磁极上有激磁绕组 转子无绕组 有周向均布的齿 依
4、靠磁极对齿的吸合工作 2步进电机及其驱动控制系统 2步进电机及其驱动控制系统 两个相对的磁极组成一相 注意 这里的 相 和三相交流电中的 相 的概念不同 步进电机通的是电脉冲 主要是指线图的联接和组数的区别 2步进电机及其驱动控制系统 步进电机的工作方式 通电顺序 可分为 三相单三拍 三相单双六拍 三相双三拍等 1 三相单三拍 1 三相绕组联接方式 Y型 2步进电机及其驱动控制系统 1 三相单三拍工作方式 2步进电机及其驱动控制系统 A相通电使转子1 3齿和AA 对齐 B B A C C A B相通电 转子2 4齿和B相轴线对齐 C C相通电 转子1 3齿和C相轴线对齐 A B C 1 3 2
5、 4 A B C 1 3 2 4 A 2步进电机及其驱动控制系统 三相单三拍的特点 1 每来一个电脉冲 转子转过30 2 转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序 3 每次定子绕组只有一相通电 在切换瞬间失去自锁转矩 容易产生失步 只有一相绕组产生力矩吸引转子 在平衡位置易产生振荡 2步进电机及其驱动控制系统 2 三相六拍工作方式通电顺序为 A AB B BC C CA A六拍 通电顺序A AB B BC C CA A 逆时针 A AC C BC B CA A 顺时针 每步转过15 步距角是三相三拍工作方式的一半 特点 电机运转中始终有一相定子绕组通电 运转比较平稳 2步进电机及其驱动控制系统
6、3 双三拍工作方式定子绕组通电顺序为AB BC CA AB 转子逆时针旋转 AC BC CA 转子顺时针旋转 有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引 每步仍旋转30 特点 始终有一相定子绕组通电 工作比较平稳 避免了单三拍通电方式的缺点 2步进电机及其驱动控制系统 实际上步进电机转子齿数很多 齿数越多 步距角越小 2步进电机及其驱动控制系统 为改善运行性能 定子磁极上的齿的齿距与转子的齿距相同 但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的1 m m电机相数 每次定子绕组通电状态改变时 转子只转过齿距的1 m 如三相三拍 或1 2m 如三相六拍 达到新的平衡位置 2步进电机及其驱动控制系统 齿距的1 m m
7、电机相数 3600 Z 转子40个齿 若通电为三相三拍 当转子齿与A相定子齿对齐时 转子齿与B相定子齿相差 3 与C相定子齿相差 6 6 2步进电机及其驱动控制系统 每给一个脉冲信号 电机转子转过角度的理论值 2 2步进电机的主要特性1 步距角 m 定子相数 z 转子齿数 k 通电系数 m相m拍 k 1 m相2m拍 k 2 一般很小 如 3 1 5 1 5 0 75 0 72 0 36 等 2步进电机及其驱动控制系统 静态 步进电机处于通电状态 转子处在不动状态 静态转矩Mj 在电机轴上施加一个负载转矩M 转子会在载荷方向上转过一个角度 失调角 转子因而受到一个电磁转矩Mj的作用与负载平衡 2
8、 矩角特性 最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq 2步进电机及其驱动控制系统 矩角特性 步进电机单相通电的静态转矩Mj随失调角 的变化曲线 启动频率或突跳频率fq 空载时 步进电机由静止突然启动并进入不丢步的正常运行状态所允许的最高频率 高于启动频率 将不能正常起动 启动时的惯频特性 是指电机带动纯惯性负载时启动频率和负载转动惯量之间的关系 3 启动频率fq和启动时的惯频特性 2步进电机及其驱动控制系统 步进电机在带负载 尤其是惯性负载 下的启动频率比空载要低 连续运行频率 步进电机启动后 其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率 其值远大于启动频率 运行矩频特性 是描述步进
9、电机在连续运行时 输出转矩与连续运行频率之间的关系 4 运行矩频特性 2步进电机及其驱动控制系统 步进电机的加减速特性描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加 减速过程中 定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系 当要求步进电机启动到大于启动频率的工作频率时 变化速度必须逐渐上升 从最高工作频率或高于启动频率的工作频率停止时 变化速度必须逐渐下降 逐渐上升和下降的加速 减速时间不能过小 否则会失步或超步 加 减速特性 2步进电机及其驱动控制系统 1 根据相数分类有三 四 五 六相等 相数越多 步距角越小 通电方式采用m相m拍 双m拍和m相2m拍 m相m拍和m相2m拍通电方式中 可采用一
10、 二相 二 三相转换通电 如五相步进电机 五相十拍的二 三相转换方式 AB ABC BC BCD CD CDE DE DEA EA EAB 2 3步进电机的分类 2步进电机及其驱动控制系统 根据定子与转子间磁场建立方式 可分 反应式 永磁反应式 混合式 两类 反应式步进电机 定子有多相磁极 其上有励磁绕组 转子无绕组 用软磁材料制成 由被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行永磁反应式步进电机 定子结构与反应式相似 转子用永磁材料制成或有励磁绕组 由电磁力矩实现步进运行 2 根据产生力矩的原理分类 2步进电机及其驱动控制系统 可将步进电机分两类 伺服步进电机功率步进电机伺服步进电机 快速步进电
11、机 输出力矩在几十 数百N m 只能带动小负载 加上液压扭矩放大器可驱动工作台 功率步进电机输出力矩在5 50N m以上 能直接驱动工作台 3 根据输出力矩的大小分类 2步进电机及其驱动控制系统 2步进电机及其驱动控制系统 4 根据结构分类 步进电机可制成轴向分相式 多段式 径向分相式 单段式 步进电机的驱动控制由环形分配器和功率放大器组成 环形分配器的主要功能 将数控装置送来的一串指令脉冲 按步进电机所要求的通电顺序分配给步进电机驱动电源的各相输入端 以控制励磁绕组的通断 实现步进电机的运行及换向 2 4步进电机的环形分配器 2步进电机及其驱动控制系统 1 硬件环形分配器可由D触发器或JK触
12、发器构成 亦可用专用集成芯片或通用可编程逻辑器件 2步进电机及其驱动控制系统 硬件环形分配驱动与数控装置的连接 CH250是国产三相反应式步进电机环形分配器专用集成电路芯片 通过控制端的不同接法可组成三相双三拍和三相六拍的工作方式 2步进电机及其驱动控制系统 三相六拍接线图 2 软件环形分配器由数控装置中的软件完成环形分配 直接驱动步进电机各绕组的通 断电 用软件环形分配器只需编制不同的环形分配程序 可使线路简化 成本下降 可灵活地改变步进电机的控制方案 2步进电机及其驱动控制系统 步进电机的速度控制进给脉冲频率f 定子绕组通电 断电状态变化频率f 步进电机转速 工作台的进给速度V V 60
13、f 2步进电机及其驱动控制系统 作用 是将环形分配器或微处理机送来的弱电信号变为强电信号 以得到步进电机控制绕组所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形 2步进电机及其驱动控制系统 2 5功率放大电路 2 5功率放大电路种类 就其采用的功率放大器件分 有中功率晶体管 大功率晶体管 大功率达林顿晶体管 可控硅 等 就其工作原理分 有单电压驱动 高低电压驱动 恒流斩波 调频调压 细分电路等 步进电机有几相 就需要几组功率放大电路 2步进电机及其驱动控制系统 根据磁场产生方式分 他励式 永磁式 并励式 串励式和复励式五种 结构上 有一般电枢式 无槽电枢式 印刷电枢式 绕线盘式和空心杯电枢式等 为避免电刷换
14、向器的接触 有无刷直流伺服电机 根据控制方式分 磁场控制方式 电枢控制方式 6 3 1直流伺服电机的结构与分类 3直流伺服电机及其速度控制 N S N S 数控机床伺服驱动及控制技术伺服电机的控制原理 1 直流电机的原理直流电机工作原理 根据弗来名左手定则 在磁场中通电导线产生运动 线卷通电流 炭刷在几何中心线 产生的转子磁场与定子磁场相垂直 为了保持线卷的转向不变 其中的电流交变 数控机床伺服驱动及控制技术伺服电机的控制原理 2 交流电机的原理如下 1 未通电流 2 S线卷通电流 3 T线卷通电流根据上面的分析 交流伺服电机和同步电机的构造相似 根据弗来名左手定则 在磁场中通电导线产生运动
15、它的控制是通过放大器把直流变成可变频的交流 它和一般异步机 同步机不同 这种变频器的输出频率是受安装在同步机转子轴上的位置传感器所控制 每当电机转过一对磁极 逆变器的交流电输出相应交变一个周期 这是一种 自控式变频器 它保证变频器的输出频率和电机的转速始终保持同步 而不失步 在数控机床中 进给系统常用的直流伺服电机有 1 小惯性直流伺服电机因转动惯量小而得名 这类电机一般为永磁式 小惯量直流电机最大限度地减小电枢的转动惯量 所以能获得最快的响应速度 在早期的数控机床上应用得比较多 3直流伺服电机及其速度控制 2 大惯量宽调速直流伺服电机 直流力矩电机 转子直径较大 线圈绕组匝数增加 力矩大 转
16、动惯量大 能在较大过载转矩时长时间工作 因此可直接与丝杠相连 不需中间传动装置 没有励磁回路的损耗 外型尺寸比类似的其他直流伺服电机小 特点 能在较低转速下实现平稳运行 最低可达1r min 甚至0 1r min 数控机床上应用广泛 3直流伺服电机及其速度控制 3 无刷直流伺服电机 无整流子电机 没有换向器 由同步电机和逆变器组成 逆变器由装在转子上的转子位置传感器控制 实质是一种交流调速电机 调速性能可达到直流伺服发电机的水平 又取消了换向装置和电刷部件 提高了电机使用寿命 3直流伺服电机及其速度控制 3 2直流伺服电机的调速原理与方法组成 磁极 定子 电枢 转子 电刷与换向片他励式直流伺服电机工作原理 直流电源接在两电刷间 电流通入电枢线圈 切割磁力线 产生电磁转矩 3直流伺服电机及其速度控制 直流电机及调速系统 从图中可以看出 接入直流电源以后 电刷A为正极性 电刷B为负极性 电流从正电刷A经线圈ab cd 到负电刷B流出 根据电磁力定律 在载流导体与磁力线垂直的条件下 线圈每一个有效边将受到一电磁力的作用 电磁力的方向可用左手定则判断 伸开左手 掌心向着N极 4指指向电流的方向
