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1、第四章 进给运动的控制,主要内容,开环步进电动机的环分 步进电动机速度控制及自动升降速 闭环位置控制的结构与原理 闭环位置控制的数学模型和特性、轮廓误差 数控装置与进给驱动之间的信号连接 进给运动的控制参数设置 进给运动中的补偿,第一节 概 述,一、进给伺服驱动装置的控制性能 二、电气伺服驱动系统 三、驱动系统的工作特性曲线,一、进给伺服驱动装置的控制性能, 进给伺服系统分为开环系统和闭环系统。 闭环伺服系统分为半闭环和全闭环系统。,开环伺服系统,采用步进电动机作为驱动元件 没有位置反馈和速度反馈，线路简单 设备投资低, 调试维修方便 进给速度和精度较低 广泛应用于经济型数控机床及普通机床的数
2、控改造中,采用直流或交流伺服电动机驱动 半闭环的位置检测元件一般安装在电动机轴上(由电动机厂家装好)，通过滚珠丝杠等传动机构，将角度转换成工作台直线位移,半闭环伺服系统,半闭环伺服系统,若滚珠丝杠精度足够高，间隙小，加之传动链上有规律的误差（如间隙及螺距误差等），则可以通过补偿达到较高的精度 在精度要求适中的中小型数控机床上，半闭环伺服系统得到了广泛应用,环路短(不包括传动机构)，不易振荡； 系统容易获得较高位置增益； 快速性好，动态精度高； 传动机构非线性因素对系统影响小,半闭环方式的优点,半闭环方式的不足,若传动机构误差过大或误差不稳定，则数控系统难以补偿： 如由扭曲变形所引起的弹性间隙，
3、因与负载力矩有关，故无法补偿； 由制造、安装和环境温度变化所引起的重复 定位误差也是不容易补偿的,全闭环伺服系统直接从机床移动部件上获取实际位移值，因此其检测精度不受机械传动精度的影响 全闭环控制方式被大量应用在精度要求较高的大型数控机床上,全闭环伺服系统,全闭环伺服系统,全闭环环路包括了机械传动机构 闭环动态特性与传动部件的刚性、惯性有关 与阻尼、油的粘度、滑动面摩擦系数等有关 这些因素对动态特性的影响在不同条件下还会发生变化,这给位置全闭环控制的调整和稳定带来了困难,为保证全闭环伺服系统的稳定性，不得不降低位置调节器的增益，但对跟随误差与轮廓加工误差产生不利影响 必须增大机床刚性，改善滑动
4、面摩擦特性，减小传动间隙，这样才有可能提高位置增益。,全闭环伺服系统,num=1; den=1,3,2,0; rlocus(num,den),系统给定输入作用下的稳态误差,K:闭环系统的开环增益；KpKvKa分别为系统的静态位置误差系数、静态速度误差系数，静态加速度误差系数,二、电气伺服驱动系统,（一）步进驱动系统 步进系统一般与脉冲增量插补相配合 永磁式步进电动机(步距角大) 反应式步进电协机(易振荡、效率低) 永磁反应式(混合式)步进电动机 混合式步进电动机性能更优，目前在数 控机床中被广泛使用,1) 采用交流伺服控制原理，增加了全数字式电流反馈控制，三相正弦电流输出，运行平稳，无共振区，
5、噪音小 2) 具有细分、半流、掉电相位记忆等功能，最大可达10000细分 3) 功放级直接220V交流输入，直流电压达325V，高速运转时具有较高转矩输出。 4) 具有短路、过压、欠压、过热等完善的保护功能,三相细分混合式步进电机驱动器特点,（二）直流伺服驱动系统, 主要应用于上世纪7080年代中期。 大惯量直流电动机具有良好的宽调速特性，输出扭矩大，过载能力强。 中小惯量直流伺服电动机适用需要频繁起动、制动及快速定位机床(如钻床、冲床等)。,直流伺服驱动系统特点,具有优良的调速性能 机械换向限制了其最大功率和最高速度 价格贵、维修困难,（三）交流伺服驱动系统,不需要维护 制造简单 适合于恶劣
6、环境下工作 其控制性能不太理想,交流伺服驱动系统的发展,电动机材料 电动机结构 控制理论与方法 微电子技术 功率半导体器件,进入上世纪80年代，逐渐取代直流伺服电动机,应用于进给驱动的交流伺服电动机有 交流同步电动机 笼式感应异步电动机 大多数进给伺服系统采用的是交流同步电动机 由于数控机床进给驱动的功率不大(一般 在数百至数千瓦) 笼式感应电动机调速指标一般不如交流同 步电动机,交流伺服系统实现了全数字化,除了驱动级外，全部功能均由微处理器完成： 前馈控制 各种补偿 最优控制 自学习等功能均可高速实时的实现,交流伺服驱动的实现,1) 由GTR或IGBT等作为驱动器件组成的变频器供电变频器 2
7、) 采用矢量变换控制算法控制交流感应异步电动机控制算法 3) 无换向器直流电动机：采用具有位置检测的交流同步电动机，使用功率驱动器件和位置传感器完成电子换向，代替了直流电动机电刷和机械整流器，由变频装置供电电机,三、驱动系统的工作特性曲线,一）步进驱动系统工作特性曲线 步进驱动系统工作特性主要取决于步进电动机，并且若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。,（二）直流伺服驱动系统工作特性曲线,工作区域分为三个区： 连续工作区内转矩转速的任意组合都可长期连续工作； 间断工作区内电动机可根据负载周期曲线所决定的允许工作时间与 断电时间作间歇工作；,瞬时加减速区电动机只能在加减速时
8、工作于其中，即只能在该区域中工作极短的一段时间。,（三）交流伺服驱动系统工作特性曲线, 电动机的功率(1.8KW) 额定转矩(11.5N.m) 额定转速(1500r/min) 瞬时最大转矩(28N.m) 最大转速(3000r/min),FANUC OMD数控系统配套交流伺服C系列电动机主要参数,第二节 开环系统进给运动控制,一、开环系统控制原理 二、步进电动机的选择 三、步进驱动系统与数控装置的信号连接 四、步进电动机控制 五、开环进给系统精度分析,步进驱动系统结构,一、开环系统控制原理,3工作台运动方向的控制,改变步进电动机输入脉冲信号的循环顺序方向 改变步进电动机定子绕组电流通断循环顺序
9、步进电动机实现正转和反转 相应的工作台进给方向就被改变,二、步进电动机的选择,(一) 步进电动机的特点 一个电流脉冲对应一个步距角 有脉冲就走，无脉冲则停 脉冲数增加，角位移随之增加 脉冲频率越高，转速越高；反之则低 脉冲频率太快，会引起失步或过冲 改变脉冲分配相序就可改变电机转向 定子绕组所加电源是脉冲电流形式 转角精度较高，无积累误差,(二) 步进电动机的分类 运动方式：旋转式、直线式、平面式和滚切式； 力矩产生原理：反应式、永磁式、永磁感应式； 输出力矩大小：伺服式和功率式; 电动机结构：径向式、轴向式和印刷绕组式； 相数：二相、三相、四相、五相、六相； 运行频率：高频式和低频式。,（三
10、）步进电动机结构,1反应式步进电动机,在结构上分为定子和转子两部分 直径方向相对两个齿上定子绕组串联起来，构成一相控制绕组 当某相绕组通入激磁电流时，就在这对齿上形成NS极 根据电磁作用原理，这对定子和转子的小齿一一对齐，而其他磁极下定子和转子小齿分别错开一定角度。 接着当该相断电, 并让相邻绕组激磁后，通过磁场作用将驱动转子转过一定角度，然后周而复始获得一个旋转磁场，使电动机带动负载运转,反应式步进电动机显著特点, 控制十分方便。 气隙小，约3050m左右。 转子齿数较多，步距角小。 励磁电流大，效率较低。 内部阻尼较小，单步运行振荡较长。 带惯性负载能力差，高频时易失步。 断电后无定位转矩
11、。 系列：110BF02、110BF03、130BF5、150BF5、160BF5等。,2永磁式步进电动机,永磁式步进电动机的转子或定子的某一方具有永久磁钢，另一方用软磁材料制成。 例如某步进电动机转子是由充过磁的永久磁钢制成，定子由硅钢片叠成，且有三对绕组 当定子绕组中轮流连续通电后，建立的电磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用而产生转矩，带动转子旋动起来。,永磁式步进电动机特点, 步距角大。由于一个圆周上所能形成的磁极数受到极弧尺寸的限制，不能太多，所以它的步距角不能太小。一般为15、22.5、30、45、90等。 控制功率小，效率高。 内阻尼较大，单步振荡时间短。 断电后具有一定的定位转矩，
12、这对需要锁定的场合十分有用。,3永磁反应式步进电动机,永磁反应式步进电动机是反应式步进电动机和永磁式步进电动机两者的结合 由于磁路内含有永久磁钢，从这一点上看像是永磁式步进电动机 由于定子和转子中含有软磁材料，从这一点上看像是反应式步进电动机，所以通常也称为混合式步进电动机 目前在数控机床中应用得越来越多,永磁反应式步进电动机特点,控制功率小，效率高 齿距角小 当用于数控系统中时可减小脉冲当量，从而提高系统精度 运行频率高(几十kHz) 在相同输出转矩情况下，外径相对较小 断电后具有一定的锁定力矩 永磁易失磁，则会有振荡点和失步区,(三) 步进电动机选择,三、步进驱动系统与数控装置的信号连接,
13、步进驱动系统与数控装置的典型连接框图: 步进驱动无位置反馈回路，连接比较简单,某公司步进驱动器与数控装置之间信号接口电路： CP+/CP-为脉冲控制信号 DIR+/DIR-为方向控制信号 GAT+/GAT-为使能控制信号 RDY1/RDY2为驱动输出至数控装置的报警信号(继电器触点) 三相细分驱动通常还有二组拨码开关用于选择输出相电流和电动机的细分步数。,四、步进电动机控制,(一) 步进电动机驱动电路 驱动电路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电动机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号。 步进电动机对驱动电路的主要要求： 能提供幅值足够，前后沿较好的激磁电流； 本身功耗小
14、，转换效率高； 能稳定可靠运行、成本低且易维护。,脉冲分配控制 脉冲分配控制用于控制步进电机的通电运行方式，其作用是将数控装置送来的一系统指令脉冲按照一定的顺序和分配方式处理，控制各相绕组的通电、断电。 驱动放大电路 驱动放大电路的功能是将环形分配器发出的TTL电平信号放大至几安培到十几安培的电流送至步进电动机的各绕组。,步进电动机驱动电路主要形式： 串电阻型基本驱动电路； 高低电压双电源型驱动电路； 单电源恒流斩波型驱动电路； 高低压双电源恒流斩波驱动电路； 调频调压驱动电路； 细分控制驱动电路。,(二) 脉冲分配,脉冲分配环节完成步进电动机绕组中电流通断顺序控制 在数控系统中，脉冲分配器是
15、将插补输出脉冲，按步进电动机所要求的规律分配给步进电动机驱动电路的各相输入端，用以控制绕组中电流的开通和关断。 电动机有正反转要求，故脉冲分配器输出是周期性的、可逆的，因此，也可称之为环形分配器。,采用专用集成芯片进行环分，如上海无线电十四厂生产的CH250 就是为三相步进电动机设计的环配芯片，采用CMOS工艺集成，可靠性高，见右图 步进电动机的初始励磁状态为AB 相，当进给脉冲CP的上升沿有效，并且方向信号为“1” 则正转，为“0”则反转。,2软件脉冲分配查表法 结合电动机的驱动电路，按步进电动机励磁状态转换表，求出脉冲分配器输出状态字组成的状态表 将其存入EPROM中 根据步进电动机运转方
16、向按表地址正向或反向地取出单元中状态字进行输出，实现控制步进电动机正向或反向地旋转,在进行查表法的程序设计时是根据步进电动机当前励磁状态和旋转方向的要求，找到下一个相应单元地址，并取出其中的内容输出。,4自动升降速控制,进给状态的变化,步进电动机能够实现起动、停止或改变运行速度,要求步进电动机的脉冲频率作相应变化,变速过程中出现过冲或失步现象,步进电动机每次频率变化量小于其突跳频率值,步进电动机速度变化较大时，必须按一定规律完成一个升速或降速的过程,具体实现时可按直线规律或指数规律进行加减速控制。 当按直线规律升/降速时，其加速度值理论上为恒定，但实际上由于电动机转速升高时输出转矩有所下降，从而导致加速度有所变化。 对于按指数规律进行升/降速时，加速度是逐渐下降的，这比较接近于步进电动机输出转矩随转速
