《数控原理及数控系统 第2版 教学课件 ppt 作者 王爱玲 42411第5章 数控机床的伺服系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数控原理及数控系统 第2版 教学课件 ppt 作者 王爱玲 42411第5章 数控机床的伺服系统（113页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、5.1伺服系统的概述 5.2步进电动机及其速度控制 5.3直流伺服电动机及其速度控制 5.4交流伺服电动机及其速度控制 5.5位置伺服系统,第5章 数控机床的伺服系统,5.1伺服系统的概述,伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。在数控机床中，伺服系统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统。伺服系统接受来自CNC装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有的带动刀架，通过几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。 位置控制系统通常分为开环和闭环控制两种。开环控制不需要位置检测与反馈；闭环控
2、制需要有位置检测与反馈环节，它是基于反馈控制原理工作的。,5.1.1伺服系统的组成,数控机床伺服系统的一般结构如图5-1所示。,5.1.2 对伺服系统的基本要求,1可逆运行 2速度范围宽 3具有足够的传动刚性和高的速度稳定性 4快速响应并无超调 5高精度 6低速大转矩 7伺服系统对伺服电机的要求,5.1.3 伺服系统的分类,1.按伺服系统调节理论分，可分为开环、闭环和半闭环系统。 2.按使用的驱动元件分电液伺服系统与电气伺服系统 3.按使用直流伺服电机和交流伺服电机分直流伺服系统与交流伺服系统 4.按进给驱动和主轴驱动分进给伺服系统与主轴伺服系统 5.按反馈比较控制方式分脉冲、数字比较伺服系统
3、 ，相位比较伺服系统 ，幅值比较伺服系统，全数字伺服系统,5.2步进电动机及其速度控制,开环位置伺服系统亦叫步进式伺服系统，其驱动元件为步进电动机。功率步进电动机盛行于20世纪70年代，与其它伺服电机相比，其控制系统的结构最简单，控制最容易，维修最方便，控制为全数字化（即数字化的输入指令脉冲对应着数字化的位置输出），这完全符合数字化控制技术的要求，数控系统与步进电动机的驱动控制电路结为一体。,5.2.1步进电动机的结构与工作原理,步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移的执行器。其角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电动机
4、的转速。如果停机后某些相的绕组仍保持通电状态，则还具有自锁能力。步进电动机每转一周都有固定的步数，从理论上说其步距误差不会积累。 步进电动机的最大缺点在于其容易失步。特别是在大负载和速度较高的情况下，失步更容易发生。,用于数控机床驱动的步进电动机主要有两类：反应式步进电动机和混合式步进电动机，反应式步进电动机也称为磁阻式步进电动机。 1反应式步进电动机 图5-2所示为一台三相反应式步进电动机的工作原理图。反应式步进电动机的工作原理是：当某相定子激磁后，它吸引转子，使转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐。因此，步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。,上述这种简单结构的反应式步进电动机的步距角较
5、大，如在数控机床中应用就会影响到加工工件的精度。实际中采用的是小步距角的步进电动机。图5-4所示的结构是最常见的一种小步距角的三相反应式步进电动机。,图5-5所示为反应式步进电动机的展开图。,2多段反应式步进电动机 前面介绍的反应式步进电动机是按径向分相的，这种步进电动机也称为单段反应式步进电动机。它是目前步进电动机中使用最多的一种结构形式。除此之外，还有一种反应式步进电动机是按轴向分相的，这种步进电动机也称为多段反应式步进电动机。图5-6所示的是多段反应式步进电动机的剖面图。多段反应式步进电动机沿着它的轴向长度分成磁性能上独立的几段，每一段都用一组绕组励磁，形成一相。因此，三相电动机有三段。
6、,3混合式步进电动机 与反应式步进电动机一样，混合式步进电动机也由定子和转子两部分组成。混合式步进电动机的定子绕组一般有两相、四相或五相。下面就以两相混合式步进电动机为例说明其原理。,图5-7中表示了由转子上的磁钢产生的磁通回路；图5-8是在电动机x、y处剖开的剖面。每相绕组绕在8个定子磁极中的4个极上，如：A相绕组绕在1、3、5、7磁极上，则B相绕组绕在2、4、6、8磁极上，而且每相相邻的磁极以相反方向绕，即如果A相绕组流过正向电流，则3和7磁极的磁场径向向外，而1和5磁极的磁场径向向内。B相与A相的情况类似,图5-9是混合式步进电动机工作原理图，这是四相混合式步进电动机以圆周展开的剖面模型
7、。图5-9a是转子S极处的剖面，图5-9b是N极处的剖面。图中，定子齿距和转子齿距相同。先考虑磁极和磁极下面的磁场。定子绕组通电后，磁极产生N极，磁极产生S极。它们构成的磁场分布情况如实线所示。同一图中的虚线表示永久磁钢产生的磁场。,5.2.2步进电机的主要特性及选用,1步进电动机的主要特性 （1）步进电机的工作方式,（2）步进电机的特性： 1）步距角 2）起动频率 3）连续运行频率 4）加减速特性,2步进电机的选用 合理地选用步进电动机是相当重要的，通常希望步进电动机的输出转矩大，起动频率和运行频率高，步距误差小，性能价格比高。但增大转矩与快速运行存在一定矛盾，高性能与低成本存在矛盾。因此实
8、际选用时，必须全面考虑。,5.3直流伺服电动机及其速度控制,5.3.1直流（DC）伺服电动机概述 1直流伺服电动机的基本结构 直流伺服电动机的结构（图5-24）主要包括三大部分： （1）定子 定子磁极磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式，直流伺服电动机可分为永磁式和他激式。永磁式磁极由永磁材料制成，他激式磁极由冲压硅钢片叠压而成，外绕线圈，通以直流电流便产生恒定磁场。 （2）转子 又叫电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。 （3） 电刷与换向片 为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀地连续旋转，电刷与外加直流电源相接
9、，换向片与电枢导体相接。,2直流伺服电动机的分类 在伺服系统中使用的直流伺服电动机，按转速的高低可分为两类：高速直流伺服电动机和低速大扭矩宽调速电动机。 高速直流伺服电动机又可分为普通直流伺服电动机和高性能直流伺服电动机。 1）小惯量无槽电枢直流伺服电动机,小惯量无槽电枢直流伺服电动机具有以下优点： 转子转动惯量小，是普通电机的1/10，电磁时间常数小，反应快。 转矩惯量比大，且过载能力强，最大转矩可比额定转矩大10倍。 低速性能好，转矩波动小，线性度好，磨擦小，调速范围可达数千比一。,但是，作为伺服系统的执行元件，高速小惯量电机还存在一些缺点，例如： 由于其转速高，作为伺服系统的执行电动机仍
10、需减速器，齿轮间隙给系统带来的种种不利因素依然存在。 由于气隙大，安匝数多，效率低，另外，由于惯量小，热容量也较小，过载时间不能太长。为了解决良好散热，多用强迫风冷，因而体积、重量、噪声都较大。 由于电机本身转动惯量小，负载转动惯量可能要占系统总惯量中较大成份。,2）空心杯电枢直流伺服电动机 空心杯电枢直流伺服电动机的性能特点是： 低转动惯量。 灵敏度高，快速性能好，速度调节方便。 损耗小，效率高。 由于绕组在气隙中均匀分布，不存在齿槽效应，转矩波动小，低速运转平稳，噪声很小。 绕组的散热条件好，其电流密度可取到30A/mm2。 转子无铁心，电枢电感很小，因此换向性能很好，几乎不产生火花，大大
11、提高了使用寿命。,3）低速大扭矩宽调速电动机 1）高的转矩-转动惯量比，从而提供了极高的加速度和快速响应。 2）高的热容量，使电机在自然冷却全封闭的条件下，仍能长时间过载。 3）电机所具有的高转矩和低速特性使得它与机床丝杠很容易直接耦合。 4）由于精心选择电刷的材料，且电刷的接触面积大，使得电动机在大的加速度和过载情况下，仍能有良好的换向。,5）电动机采用耐高温的H级绝缘材料，且具有足够的机械强度，以保证有长的寿命和高的可靠性。 6）采用能承受重载荷的轴和轴承，使得电动机在加、减速和低速大转矩时能承受最大峰值转矩。 7） 电动机内装有高精度和高可靠性的反馈元件脉冲编码器或多极放置变压器和低纹波
12、测速发电机。,3永磁直流伺服电动机 目前在数控机床进给驱动中采用的直流电动机主要是20世纪70年代研制成功的大惯量宽调速直流伺服电动机。这种电动机分为电励磁和永久磁铁励磁两种，但占主导地位的是永久磁铁励磁式（永磁式）电动机，本节将主要介绍这种电动机。,（1）永磁直流伺服电动机基本结构 图5-25所示为永磁式宽调速直流伺服电动机的基本结构。,（2）永磁直流伺服电动机特点 1） 高性能的铁氧体具有大的矫顽力和足够的厚度，能承受高的峰值电流以满足快的加减速的要求。 2）大惯量的结构使在长期过载工作时具有大的热容量。 3）低速高转矩我和大惯量结构可以与机床进给丝杠直接连接。 4）一般没有换向极和补偿绕
13、组，通过仔细选择电刷材料和磁场的结构，使得在较大的加速度状态下有良好的换向性能。,5）绝缘等级高，从而保证电动机在反复过载的情况下仍有较长的寿命。 6）在电动机轴上装有精密的测速发电机、旋转变压器或脉冲编码器，从而可以得到精密的速度和位置检测信号，以反馈到速度控制单元和位置控制单元。,（3）永磁直流伺服电动机工作原理 图5-26是其基本原理的示意图。,由于电刷和换向器的作用，使得转子绕组中的任何一根导体，只要一转过中性线，由定子S极下的范围进入了定子N极下的范围，那么这根导体上的电流一定要反向；反之由定子N极下的范围进入定子S极下的范围时，导体上的电流也要发生反向。因此转子的总磁势正交。转子磁
14、场与定子磁场相互作用产生了电动机的电磁转矩，从而使电动机转动。,1）电动机转矩平衡方程式 一般，电磁转矩T按下式计算 电动机的输出转矩 就等于电磁转矩T减去电动机本身的阻转矩 ，所以当电动机克服负载转矩 匀速旋转时，即 上式就是电磁转矩平衡方程式。,如果把电动机本身的阻转矩和负载转矩合在一起叫做总阻转矩 ，即 转矩平衡方程式可写成 它表示在稳态运行时，电动机的电磁转矩和电动机轴上的总阻转矩相互平衡。,2）电动机的电压平衡方程式 要确定电动机的转速仅仅利用转矩平衡方程式是不够的，还需要进一步从电动机内部的电磁规律以及电动机与外部的联系去寻找。 电流通过电枢绕组产生电磁力及电磁转矩，这仅仅是电磁现
15、象的一个方面；另一方面，当电枢在电磁转矩的作用下一旦转动后，电枢导体还要切割磁力线，产生感应电动势。根据法拉第电磁感应定律可知：感应电动势的方向适与电流方向相反，它有阻止电流流入电枢绕组的作用，因此电动机的感应电动势是一种反电动势。,反电动E的计算公式是,外加电压为 时有 3）电动机转速与转矩的关系 如果把 代入上式，便可得出电枢电流I的表达式： 整理得： 上式称为电动机的机械特性，它描述了电动机的转速与转矩之间的关系。,图5-28是机械特性曲线族。在这一曲线族中，不同的电枢电压对应于不同的曲线，各曲线是彼此平行的。 称为“理想空载转速”，而 称为转速降落。,4对直流伺服电动机的要求及选用,（
16、1）对直流伺服电动机的要求 1） 尽可能高的响应频率，亦即尽可能减小转子的转动惯量，增大转矩-惯量比。 2） 良好的低速平稳性。 3） 尽右能宽的调速范围。 4） 机械特性的硬度 的数值尽可能大。 5） 换向器和电刷间的接触火花尽可能小，以减小伺服噪声。 6） 过载能力强。,（2）直流伺服电动机的选用 根据负载条件选择电机。 首先计算出加在电机轴上的负载转矩及负载转动惯量。负载转矩按下式计算： 负载转动惯量（圆柱直线运动物体，齿轮传动）按下式计算,具体要求如下： 1）电动机的输出功率应满足机床最大功率的要求。 2）电动机的额定转矩应满足各种情况下的机床负载转矩的要求，一般不超过额定转矩。 3）最高转速应满足各种条件下机床快速移动要求。 4）电动机转子转动惯量应与负载转动惯量相匹配，为,5.3.2直流电动机速度控制
