第六章数控机床的伺服系统

第6章数控机床的伺服系统第6章数控机床的伺服系统6.1概述一、伺服系统的组成数控机床的伺服系统按其功能可分为：进给伺服系统和主轴伺服系统。主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动。进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。进给伺服系统的作用：接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，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、功率步进电机等）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。数控机床的进给伺服系统能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。如果把数控装置比作数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，那么伺服系统就是数控机床的“四肢”，是执行“命令”的机构，它是一个不折不扣的跟随者。第6章数控机床的伺服系统图6-1闭环进给伺服系统结构位置控制模块速度控制单元伺服电机工作台位置检测测量反馈伺服驱动装置速度环速度检测位置环数控机床闭环进给系统的一般结构如图，这是一个双闭环系统，内环为速度环，外环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速度控制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度控制系统的核心。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由CNC装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。第6章数控机床的伺服系统由速度检测装置提供速度反馈值的速度环控制在进给驱动装置内完成，而装在电动机轴上或机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈值构成的位置环由数控装置来完成。伺服系统从外部来看，是一个以位置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控制系统。但从内部的实际工作来看，它是先把位置控制指令转换成相应的速度信号后，通过调速系统驱动伺服电机，才实现实际位移的。第6章数控机床的伺服系统1.调速范围宽为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。一般0-24m/min.2.可逆运行3.足够的传动刚度和高的速度稳定性4.快速响应和无超调5高精度6低速大转矩7对伺服电机的要求速度变化平滑；过载、低速能力；小惯量高响应。8对主轴驱动的要求高切削效率；调速宽；一定的恒转矩和恒功率6.1.2对伺服系统的基本要求第6章数控机床的伺服系统一、步进电机工作原理步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系统中，步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序来决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。但由于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制。6.2步进电机及其驱动装置工作台驱动控制线路图6-2开环伺服系统简图指令脉冲步进电机齿轮箱第6章数控机床的伺服系统步进电机在结构上分为定子和转子两部分。有永磁式(PM,permanentmagnet),磁阻式(VR,variablereluctance),和混合式(HB,hybrid)等。以图6-3所示反应式(磁阻式)三相步进电机.图6-3三相反应式步进电机结构定子上有六个磁极，每个磁极上绕有励磁绕组，每相对的两个磁极组成一相，分成A、B、C三相。转子无绕组，它是由带齿的铁心做成的。步进电机是按电磁吸引的原理进行工作的。当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极就依次产生磁场，并每次对转子的某一对齿产生电磁引力，将其吸引过来，而使转子一步步转动。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零。如果控制线路不停地按一定方向切换定子绕组各相电流，转子便按一定方向不停地转动。步进电机每次转过的角度称为步距角。第6章数控机床的伺服系统图6-5为例来说明其转动的整个过程，假设转子上有四个齿，相邻两齿间夹角（齿距角）为90。当A相通电时，转子1、3齿被磁极A产生的电磁引力吸引过去，使1、3齿与A相磁极对齐。接着B相通电，A相断电，磁极B又把距它最近的一对齿2、4吸引过来，使转子按逆时针方向转动30。然后C相通电，B相断电，转子又逆时针旋转30，依次类推，定子按A→B→C→A顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步转30。若改变通电顺序，按A→C→B→A使定子绕组通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转30o。这种控制方式叫三相单三拍方式，“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指每三次换接为一个循环。由于每次只有一相绕组通电，在切换瞬间将失去自锁转矩，容易失步，另外，只有一相绕组通电，易在平衡位置附近产生振荡，稳定性不佳，故实际应用中不采用单三拍工作方式。AABBCC1234AABBCC1234AABBCC1234逆时针转30º逆时针转30º逆时针转30º第6章数控机床的伺服系统采用三相双三拍控制方式，即通电顺序按AB→BC→CA→AB（逆时针方向）或AC→CB→BA→AC（顺时针方向）进行，其步距角仍为30。由于双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作比较稳定。如果按A→AB→B→BC→C→CA→A顺序通电，即首先A相通电，然后A相不断电，B相再通电，即A、B两相同时通电，接着A相断电而B相保持通电状态，然后再使B、C两相通电，依次类推，每切换一次，步进电机逆时针转过15°。如通电顺序改为A→AC→C→CB→B→BA→A，则步进电机以步距角15°顺时针旋转。这种控制方式为三相六拍，它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且转换过程中始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被大量采用。第6章数控机床的伺服系统设A相首先通电，转子齿与定子A、A′对齐（图3a）。然后在A相继续通电的情况下接通B相。这时定子B、B′极对转子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A、A′极继续拉住齿1、3，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图3b所示，即转子从图(a)位置顺时针转过了15°。接着A相断电，B相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B′极对齐（图c），转子从图(b)的位置又转过了15°。其位置如图3d所示。这样，如果按A→A、B→B→B、C→C→C、A→A…的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角15°。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按A→A、C→C→C、B→B→B、A→A…的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。这种通电方式称为六拍方式。a.)A相通电.A、B相通电.B相通电.B、C相通电第6章数控机床的伺服系统实际应用的步进电机如图所示，转子铁心和定子磁极上均有齿距相等的小齿，且齿数要有一定比例的配合。第6章数控机床的伺服系统KmZ360＝式中α—步进电机的步距角；,αs—步进电机的基本步距角；m—电机相数；Z—转子齿数；K—系数，相邻两次通电相数相同，K＝1；相邻两次通电相数不同，K＝2。同一相数的步进电机可有两种步距角，通常为1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。步距误差是指步进电机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。连续走若干步时，上述步距误差的累积值称为步距的累积误差。由于步进电机转过一转后，将重复上一转的稳定位置，即步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。6.2.2步进电机的主要性能指标1.步距角和步距误差反应式步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下：(6-14)mZs360＝第6章数控机床的伺服系统2.静态转矩与矩角特性当步进电机上某相定子绕组通电之后，转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（θ＝0）。如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度θ，角度θ称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角θ的关系叫矩角特性，如图6-5所示，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（θ＝0）。图6-5静态矩角特性最大静转矩最大静转矩（保持转矩）：通电时能够维持静止状态的最大转矩。第6章数控机床的伺服系统3.最大启动转矩Mq图6-7为三相单三拍矩角特性曲线，图中的A、B分别是相邻A相和B相的静态矩角特性曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电机的最大启动转矩Mq。如果外加负载转矩大于Mq，电机就不能启动。如图6-7所示,当A相通电时，若外加负载转矩MaMq，对应的失调角为θa，当励磁电流由A相切换到B相时，对应角，B相的静转矩为θb。从图中看出MbMq,电机不能带动负载做步进运动，因而启动转矩是电机能带动负载转动的极限转矩。bABC图6-6三相单三拍步进电机的启动转矩MbMqMaMθθa第6章数控机床的伺服系统4.启动频率空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作，可能发生丢步或堵转。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。而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。第6章数控机床的伺服系统f失步转矩引入转矩自启动转区保持转矩旋转转区，载旋转区T5.连续运行频率步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。**保持转矩（HOLDINGTORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。DETENTTORQUE是指永磁式步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。第6章数控机床的伺服系统6.矩频特性与动态转矩矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系（见图6-8），该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。当步进电机正常运行时，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。在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。图6-7矩频特性fM第6章数控机床的伺服系统6.2.3步进电机功率驱动电路步进电机驱动线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机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号。驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成。环形分配器是用于控制步进电机的通电方式的，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上，控制各相绕组的通电、断电。环形分配器功能可由硬件或软件产生，硬件环形分配器是根据步进电机的相数和控制方式设计的，数控机床上常用三相、四相、五相及六相步进电机。现介绍三相六拍步进电机环形分配器的工作原理。硬件环形分配器是根据真值表或逻辑关系式采用逻辑门电路和触发器来实现。第6章数控机床的伺服系统如图6-8所示，该线路由与非门和J－K触发器组成。指令脉冲加到三个触发器的时钟输入端CP，旋转方向由正、反控制端的状态决定。QA,QB,QC为三个触发器的Q端输出，连到A、B、C三相功率放大器。若“1”表示通电，“0”表示断电，对于三相六拍步进电机正向旋转，正向控制端状态置“1”，反向控制