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1、计算机数控技术,主编:黄家善,D5,第五章 伺服控制系统,D5,第五章 伺服控制系统,第一节 进给伺服系统 第二节 步进电动机伺服系统 第三节 直流伺服电动机调速系统 第四节 交流伺服电动机调速系统 第五节 交流伺服电动机的矢量控制 第六节 位置控制原理 第七节 主轴驱动控制及全数字式伺服系统 第八节 进给伺服系统的性能分析,D5,第一节 进给伺服系统,一、闭环位置伺服系统的一般结构 二、对进给伺服系统的要求 三、半闭环伺服系统与全闭环伺服系统,D5,一、闭环位置伺服系统的一般结构,图5-1 进给位置伺服系统功能框图,D5,二、对进给伺服系统的要求,1. 可逆运行 2.调速范围宽 3.具有足够
2、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.伺服系统对伺服电动机的要求,D5,三、半闭环伺服系统与全闭环伺服系统,图5-2 全闭环伺服控制系统,D5,三、半闭环伺服系统与全闭环伺服系统,图5-3 半闭环伺服控制系统框图,D5,三、半闭环伺服系统与全闭环伺服系统,图5-4 半闭环补偿型伺服控制系统框图,D5,第二节 步进电动机伺服系统,一、步进电动机的控制方式 二、步进电动机的功率驱动 三、步进电动机驱动电路性能的改善 四、步进电动机伺服系统工作原理,D5,一、步进电动机的控制方式,1. 环行分配器的硬件实现 2. 环行分配器的软件实现 0 0 1 (01H
3、) U相通电 0 1 0 (02H) V相通电 1 0 0 (04H) W相通电 0 0 1 (01H) U 相通电 0 1 1 (03H) U、V相通电 0 1 0 (02H) V 相通电 1 1 0 (06H) V、W相通电 1 0 0 (04H) W 相通电 1 0 1 (05H) W、U相通电 反转时，通电顺序为：UWUWWVVVUU。,D5,1. 环行分配器的硬件实现,图5-5 三相六拍环行分配器,D5,2. 环行分配器的软件实现,图5-6 单片机控制三相步进电动机接口,D5,图5-7 三相单三拍正转程序框图,2. 环行分配器的软件实现,D5,二、步进电动机的功率驱动,图5-8 基本
4、的功率放大电路,D5,三、步进电动机驱动电路性能的改善,1.高低压驱动电路 2.PWM恒流驱动电路 3.细分驱动电路,D5,1.高低压驱动电路,图5-9 高低压驱动功放电路,D5,2.PWM恒流驱动电路,PWM恒流驱动电路即晶体管脉冲宽度调制型伺服驱动电路。采用这种驱动电路，一方面提高了驱动的可靠性，同时，利用它的恒流作用，使流过步进电动机绕组的电流经常保持在恒定的电流值上，提高了电动机输出转矩，显著地改善了电动机的矩频特性。,D5,3.细分驱动电路,图5-10 细分前后角位移图 a)细分前 b)细分后,D5,四、步进电动机伺服系统工作原理,1. 工作台位移量的控制 2.工作台进给速度的控制
5、3.工作台运动方向的控制,D5,1. 工作台位移量的控制,图5-11 步进式伺服系统原理框图,D5,第三节 直流伺服电动机调速系统,一、 PWM功率放大电路 二、脉宽调制电路的实现 三、 直流伺服电动机的速度控制系统 四、FANUC PWM直流进给驱动系统,D5,一、 PWM功率放大电路,图5-12 H形双极性PWM功率转换电路,D5,一、 PWM功率放大电路,图5-13 PWM转换电路电压电流波形 a)V、V驱动电压 b)V、V驱动电压 c)电枢电压波形 d)电枢电流波形 e)工作状态表示,D5,二、脉宽调制电路的实现,1.脉宽调制器 2.计算机软件形成控制方波,D5,1.脉宽调制器,图5-
6、14 三角波发生器及PWM脉宽调制原理图,D5,1.脉宽调制器,图5-15 PWM脉宽调制波形,D5,2.计算机软件形成控制方波,图5-16 微机实现的数字PWM控制电路,D5,三、 直流伺服电动机的速度控制系统,1.转速、电流双闭环调速系统 2.全数字直流调速系统原理,D5,1.转速、电流双闭环调速系统,图5-17 速度、电流双闭环PWM直流伺服电动机调速系统原理图,D5,2.全数字直流调速系统原理,图5-18 硬件PI调节器原理图,D5,四、FANUC PWM直流进给驱动系统,图5-19,D5,第四节 交流伺服电动机调速系统,一、交流伺服电动机调速主电路 二、正弦波脉宽调制(SPWM)变频
7、器在伺服系统中的应用 三、交流电动机变频调速特性 四、微机控制的SPWM实现,D5,一、交流伺服电动机调速主电路,图5-20 变频方式适宜框图 a)交交变频 b)交直交变频,D5,二、正弦波脉宽调制(SPWM)变频器在伺服系统中的应用,1.SPWM波调制原理 2.三相SPWM波的调制 3.SPWM变频器的主电路 4.正弦脉宽调制方法,D5,1.SPWM波调制原理,图5-21 双极性SPWM调制原理示意图(一相),D5,2.三相SPWM波的调制,图5-22 三相SPWM波调制原理图,D5,3.SPWM变频器的主电路,图5-23 双极性SPWM通用型功放主电路,D5,4.正弦脉宽调制方法,表5-1
8、 分段同步调制的频段和载波比分配,D5,三、交流电动机变频调速特性,1.基频以下调速 2.基频以上调速,D5,1.基频以下调速,当气隙磁通处在饱和值不变时，降低电动机定子供电频率f1，必须减小相电压U1，保持U1f1为常数。若不减小U1，将使定子铁心处在过饱和供电状态，这时不但不能增加气隙磁通，反而会烧坏电动机。 在基频以下调速时，保持气隙磁通不变，即保持转矩不变，为恒转矩调速。,D5,2.基频以上调速,图5-24 交流电动机变频调速特性曲线,D5,四、微机控制的SPWM实现,1.SPWM的微机控制原理图 2.SPWM波的软件实现,D5,1.SPWM的微机控制原理图,图5-25 微机控制的PW
9、M原理框图,D5,2.SPWM波的软件实现,图5-26 产生SPWM波形的 规则采样法示意图,D5,第五节 交流伺服电动机的矢量控制,一、交流感应伺服电动机的矢量控制 二、交流永磁伺服电动机的矢量控制,D5,一、交流感应伺服电动机的矢量控制,1.三相(U、V、W)(、)二相变换 2.二相直流旋转变换(VR) 3.直角坐标极坐标变换(KP) 4.交流感应伺服电动机的矢量控制系统,D5,一、交流感应伺服电动机的矢量控制,表5-2 三相交流伺服电动机矢量控制等效变换过程,D5,1.三相(U、V、W)(、)二相变换,图5-27 矢量变换原理图,D5,4.交流感应伺服电动机的矢量控制系统,图5-28 异
10、步电动机电流矢量控制的双闭环SPWM调速系统原理框图,D5,4.交流感应伺服电动机的矢量控制系统,图5-29 三角波调制的电流环,D5,二、交流永磁伺服电动机的矢量控制,图5-30 交流永磁同步伺服电动机矢量变频控制原理图,D5,二、交流永磁伺服电动机的矢量控制,图5-31 三菱HA系列交流伺服电动机和MR-J2系列交流驱动装置的连接图 a)连接示意图 b)端口说明,D5,第六节 位置控制原理,一、位置控制的基本原理 二、位置比较的实现方法 三、速度控制信号的实现方式,D5,一、位置控制的基本原理,图5-32 位置控制系统示意图,D5,二、位置比较的实现方法,1.脉冲比较法 2.相位比较法 3
11、.幅值比较,D5,1.脉冲比较法,图5-33 数字脉冲比较器示意图,D5,1.脉冲比较法,表5-3 Ps、Pr的定义,D5,2.相位比较法,图5-34 相位比较控制原理框图,D5,2.相位比较法,图5-35 相位比较波形图,D5,3.幅值比较,图5-36 幅值比较原理框图,D5,3.幅值比较,图5-37 幅值比较控制波形图 a)信号变换波形 b)数字正、余弦励磁信号波形,D5,三、速度控制信号的实现方式,位置控制信号经上述的脉冲比较、相位比较或幅值比较后，获得位置偏差信号经一定的转换后，再形成速度控制信号。数控系统输出1010V的速度控制信号为模拟电压(全数字化系统为数字量)，作为伺服驱动装置
12、的控制信号。速度控制信号的大小与伺服电动机的转速成正比.,D5,第七节 主轴驱动控制及全数字式伺服系统,一、对主轴驱动的要求 二、数控机床主轴的其他控制 三、全数字式伺服系统,D5,一、对主轴驱动的要求,1. 主轴输出大功率 2. 调速范围要足够大 3. 为了满足上述要求，主轴电动机应具备以下性能：,D5,二、数控机床主轴的其他控制,1.主轴定向控制 2.主轴的旋转与坐标轴进给的同步控制 3.恒线速切削控制,D5,1.主轴定向控制,图5-39 磁性传感器安装示意图,D5,1.主轴定向控制,图5-38 磁性传感器主轴定向控制示意图,D5,1.主轴定向控制,图5-40 脉冲编码器主轴定向控制示意图
13、,D5,2.主轴的旋转与坐标轴进给的同步控制,在螺纹加工中，为保证切削螺纹的节距，必须有固定的起刀点与退刀点。螺纹节距多数为常数，但节距为有规律的递增或递减的变节距螺纹的使用也越来越多。加工螺纹时，应使带动工件旋转的主轴转动与坐标轴的进给量保持一定的关系，即主轴每转一转，按所要求的节距沿工件的轴向坐标进给相应的位移量。通常是采用脉冲编码器作为主轴的位置传感，并将其装在主轴上，与主轴一起旋转，发出位置脉冲。这些脉冲送给CNC装置作为坐标轴进给，使进给量与主轴转动保持所要求的比率。,D5,3.恒线速切削控制,利用车床和磨床进行端面切削时，为了保证加工端面的粗糙度小于某一值，要求工件与刀尖接触点的线
14、速度为恒值。,D5,三、全数字式伺服系统,1.全数字式伺服系统基本组成 2.全数字式伺服系统的特点,D5,1.全数字式伺服系统基本组成,图5-41 数字伺服系统示意图,D5,1.全数字式伺服系统基本组成,图5-42 全数字伺服系统示意图,D5,2.全数字式伺服系统的特点,1.系统的位置、速度和电流的校正环节 D控制由软件实现 2.具有较好的动、静态特性。 3.引人前馈控制，实际上构成了具有反馈和前馈的复合控制的系统结构。 4.由于全数字伺服系统采用总线通信方式，可大大地减少联接电缆，便于机床安装和维护，提高了系统 可靠性。,D5,第八节 进给伺服系统的性能分析,一、进给伺服系统的理论建模 二、
15、进给伺服系统的性能分析,D5,一、进给伺服系统的理论建模,(一)组成环节的传递函数 (二)进给伺服系统的传递函数,D5,一、进给伺服系统的理论建模,图5-43 进给伺服系统的组成框图,D5,(一)组成环节的传递函数,图5-44 直流伺服电动机的等效电路,D5,(一)组成环节的传递函数,图5-45 直流伺服电动机传递函数框图,D5,(一)组成环节的传递函数,图5-46 机械传动装置的原理图,D5,(二)进给伺服系统的传递函数,图5-47 系统的传递函数框图,D5,二、进给伺服系统的性能分析,1.系统的稳定性 2.系统的瞬态响应指标,D5,1.系统的稳定性,稳定性是数控机床正常工作的首要条件。若采用劳斯稳定判据，列写系统特征方程式的各项系数劳斯表，根据稳定条件，可分析系统的稳定性(但不能判断系统的稳定程度)。,D5,2.系统的瞬态响应指标,图5-48 系统框图,D5,2.系统的瞬态响应指标,图5-49 系统开环对数频率特性曲线(Bode图),D5,2.系统的瞬态响应指标,图5-50 近似系统框图,D5,2.系统的瞬态响应指标,图5-51 前馈控制原理图,
