数控技术课程 第6章 数控伺服系统

2019/8/13第6章数控伺服系统2019/8/136.1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。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强。2019/8/136.1概述进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说C装置是数控系统的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。2019/8/136.1.1伺服系统的组成组成：伺服电机驱动信号控制转换电路电子电力驱动放大模块位置调节单元速度调节单元电流调节单元检测装置一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环。2019/8/136.1.1伺服系统的组成位置调解速度调解电流调解转换驱动工作台电流反馈速度反馈位置反馈MG位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。2019/8/131．精度高伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。包括定位精度和轮廓加工精度。2．稳定性好稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。3．快速响应快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。4．调速范围宽调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。0～24m/min。5．低速大转矩进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。6.1.2对伺服系统的基本要求2019/8/13对伺服电机的要求：（1）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时的速度平稳性（2）电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。（3）反应速度快，电机必须具有较小的转动惯量、较大的转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度(400rad/s2以上)。（4）能承受频繁的起动、制动和正反转。6.1.2对伺服系统的基本要求2019/8/131．按调节理论分类（1）开环伺服系统（2）闭环伺服系统（3）半闭环伺服系统6.1.2伺服系统的分类指令驱动电路步进电机工作台脉冲伺服电机速度检测速度控制位置控制位置检测伺服电机速度控制位置控制工作台脉冲编码器指令2019/8/136.1.2伺服系统的分类开环数控系统没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大2019/8/136.1.2伺服系统的分类无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。2019/8/136.1.2伺服系统的分类半闭环数控系统半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈2019/8/136.1.2伺服系统的分类半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。2019/8/136.1.2伺服系统的分类全闭环数控系统全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈2019/8/136.1.2伺服系统的分类从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。2019/8/132．按使用的执行元件分类（1）电液伺服系统电液脉冲马达和电液伺服马达。优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳。缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。（2）电气伺服系统伺服电机（步进电机、直流电机和交流电机）优点：操作维护方便，可靠性高。1）直流伺服系统进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机。优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高。2）交流伺服系统交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动态响应好、转速高和容量大。6.1.2伺服系统的分类2019/8/133．按被控对象分类（1）进给伺服系统指一般概念的位置伺服系统，包括速度控制环和位置控制环。（2）主轴伺服系统只是一个速度控制系统。C轴控制功能。4．按反馈比较控制方式分类（1）脉冲、数字比较伺服系统（2）相位比较伺服系统（3）幅值比较伺服系统（4）全数字伺服系统6.1.2伺服系统的分类2019/8/136.2伺服电动机伺服电动机为数控伺服系统的重要组成部分，是速度和轨迹控制的执行元件。数控机床中常用的伺服电机：直流伺服电机（调速性能良好）交流伺服电机（主要使用的电机）步进电机（适于轻载、负荷变动不大）直线电机（高速、高精度）2019/8/13常用的直流电动机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、印刷绕组）励磁式直流电机混合式直流电机无刷直流电机直流力矩电机直流进给伺服系统：永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直流电机（普通型）；直流主轴伺服系统：励磁式直流电机类型中的他激直流电机。6.2.1直流伺服电机及工作特性2019/8/131．直流伺服电机的结构极靴机壳瓦状永磁材料（定子）电枢（转子）换向极主磁极定子转子线圈图6.5永磁直流伺服电机的结构图6.6直流主轴电机结构示意图2019/8/13⑴静态特性电磁转矩由下式表示:（6.1）KT—转矩常数；Φ—磁场磁通；Ia—电枢电流；TM—电磁转矩。电枢回路的电压平衡方程式为:（6.2）Ua─电枢上的外加电压；Ra─电枢电阻；Ea─电枢反电势。电枢反电势与转速之间有以下关系：（6.3）Ke─电势常数；ω─电机转速（角速度）。根据以上各式可以求得：（6.4）2一般直流电机的工作特性aTMIKTaaaaERIUeaKEM2TeaeaTKKRKU2019/8/13当负载转矩为零时：理想空载转速（6.5）当转速为零时：启动转矩(6.6）当电机带动某一负载TL时电机转速与理想空载转速的差（6.7）2一般直流电机的工作特性ea0KUTgasKRUTL2TeaTKKRωO△ω图6.7直流电机的机械特性ω（n）ωOO△ωTSTTL2019/8/13⑵动态特性直流电机的动态力矩平衡方程式为（6.8）式中TM─电机电磁转矩；TL─折算到电机轴上的负载转矩；ω─电机转子角速度；J─电机转子上总转动惯量；t─时间自变量。2一般直流电机的工作特性dtdJTTLM2019/8/13(1)永磁直流伺服电机的性能特点1)低转速大惯量2)转矩大3)起动力矩大4)调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小(2)永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述1)转矩-速度特性曲线（工作曲线）2)负载-工作周期曲线过载倍数Tmd，负载工作周期比d。3)数据表：N、T、时间常数、转动惯量等等。3．永磁直流伺服电机的工作特性2019/8/133．永磁直流伺服电机的工作特性d%80110%120%60130%140%40160%d180%20200%013tR6103060100tR(min)图6﹒9负载-工作周期曲线M/（N-cm）转矩极限1200010000瞬时换向极限8000Ⅲ6000Ⅱ换向极限速度极限4000温度极限2000Ⅰ050010001500n图6﹒8永磁直流伺服电机工作曲线Ⅰ区为连续工作区；Ⅱ区为断续工作区，由负载-工作周期曲线决定工作时间；Ⅲ区为瞬时加减速区2019/8/134．主轴直流伺服电机的工作原理和特性OnjnmaxnP,T12图6.10直流主轴电机特性曲线1-转矩特性曲线2-功率特性曲线2019/8/13直流伺服电机的缺点：◆它的电刷和换向器易磨损；◆电机最高转速的限制，应用环境的限制；◆结构复杂，制造困难，成本高。交流伺服电机的优点：◆动态响应好；◆输出功率大、电压和转速提高交流伺服电机形式：◆同步型交流伺服电机和◆异步型交流感应伺服电机。6.22交流伺服电机及工作特性VSVS2019/8/13交流同步伺服电机的种类：励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式（1）永磁交流同步伺服电机的结构1．永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理VSVS定子转子脉冲编码器定子三相绕组接线盒图6﹒11永磁交流同步伺服电机结构2019/8/131．永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理图6.12永磁交流同步电机2019/8/13（2）永磁交流同步伺服电机工作原理和性能1．永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理n（r/min）VSNnsnrθS图6﹒13工作原理图6﹒14特性曲线T（N-cm）120001000080006000400020000100020003000ⅠⅡ2019/8/13交流主轴电机的要求：大功率低速恒转矩、高速恒功率鼠笼式交流异步伺服电机图6﹒15交流主轴电机与普通交流图6．16交流主轴伺服电机的特性曲线异步感应电机的比较图示意图2．交流主轴伺服电机的结构和工作原理交流主轴电机普通交流异步感应电机通风孔P（KW）86420200040006000800012000n（r/min）2019/8/13（1）永磁交流同步伺服电机的发展①新永磁材料的应用钕铁硼②永久磁铁的结构改革内装永磁交流同步伺服电机③与机床部件一体化的电机空心轴永磁交流同步伺服电机（2）交流主轴伺服电机的发展①输出转换型交流主轴电机三角-星形切换，绕组数切换或二者组合切换。②液体冷却电机③内装式主轴电机3、交流伺服电机的发展2019/8/136.3速度控制概述：速度控制系统由速度控制单元、伺服电机和速度检测装置组成。分为主运动和进给运动。进给运动：是保证轨迹、尺寸和形位精度的。不但有速度控制，还有位置控制。在整个速度范围内，保持恒转矩。与主运动相比功率较小。主运动：主要无级调速，但还要有下面的控制功能：⑴主轴与进给驱动的同步控制；⑵准停控制；⑶分度控制；⑷恒线速度控制。速度控制：主要是调速，调速有机械、液压和电气方法，电气调速最有利于实现自动化。2019/8/136.3.1直流进给运动的速度控制1.、直流伺服电机的调速原理根据机械特性公式可知调速有二种方法:电枢电压Ua和气隙磁通Φ⑴改变电枢外加电压Ua:由于绕组绝缘耐压的限制，调压只能在额定转速以下进行。属于恒转矩调速。⑵改变气隙磁