第五章 数控伺服系统class

第五章数控伺服系统提要本章介绍进给伺服系统的构成及工作原理，叙述步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等伺服驱动元件的结构及调速方法，阐述开环伺服系统、闭环伺服系统的构成及控制原理。第五章数控伺服系统主轴电机伺服电机刀库刀具定位电机机械手旋转定位电机带制动器伺服电机加工中心伺服驱动系统（ServoSystem)CNC系统驱动电机检测装置控制信号反馈信号光栅尺伺服驱动系统5.1概述伺服驱动系统直接影响移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标，是数控机床的关键技术。进给伺服系统的作用:接受CNC装置发出的插补结果(指令脉冲等)，作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、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。数控机床的伺服系统按其功能可分为：进给伺服系统（FeedServoSystem）和主轴伺服系统。主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动5.1概述进给驱动系统的特点（与主运动（主轴）系统比较）：功率相对较小；控制精度要求高；控制性能要求高，尤其是动态性能。5.1概述5.1.1伺服系统的组成驱动信号控制转换电路电力电子驱动放大模块位置、速度和电流调节单元伺服电机检测装置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。5.1.1伺服系统的组成5.1.2数控机床对进给伺服系统的要求静态：定位精度和重复定位精度要高，即定位误差和重复定位误差要小。(尺寸精度)tF△t△F灵敏度要高，有足够高的分辩率动态：跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误差表示。(轮廓精度)5.1.2数控机床对进给伺服系统的要求tFtp执行部件的运动速度的建立时间tp应尽可能短。通常要求从0→Fmax（Fmax→0），其时间应小于200ms，且不能有超调，否则对机械部件不利，有害于加工质量。minmaxFFRN5.1.2数控机床对进给伺服系统的要求对主轴伺服系统，还应满足:5.1.2数控机床对进给伺服系统的要求5.1.3伺服系统分类5.1.3伺服系统分类5.1.3伺服系统分类5.1.3伺服系统分类5.2步进电机伺服系统步进电机是一种脉冲控制的执行元件，可将输入脉冲转换为机械角位移。每给步进电机输入一个脉冲，其转轴就转过一个角度，称为步距角。三相混合步进电机德国PHYTRON微型步进（真空、高温、低温）电机机理：步进电机是利用电磁铁原理（电磁吸引），将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)改变脉冲顺序，改变方向。种类：有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。反应式步进电机5.2.1步进电机结构及工作原理定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相1、结构五个极齿定子转子和定子均由带齿的硅钢片叠成5.2.1步进电机结构及工作原理转子2、工作方式步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。（一）、三相单三拍（1）三相绕组联接方式：Y型（2）三相绕组中的通电顺序为：A相B相C相通电顺序也可以为：A相C相B相5.2.1步进电机结构及工作原理A相通电使转子1、3齿和AA'对齐。同理，B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30；C相通电再转30。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'AC'CA'BB'A三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过30°。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。（3）每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失去自锁转矩，容易产生失步，只有一相绕组产生力矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡（二）、三相六拍三相绕组的通电顺序为：AABBBCCCAA共六拍。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'AA通电AB通电CA'BB'C'ACA'BB'C'ABC通电B通电CA通电CA'BB'C'AC'CA'BB'AC通电（三）、三相双三拍结论：1.步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度――即步进电机的步距角α；2.改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向将随之改变；3.步进电机定子绕组通电状态的变换频率越高，转子的转速越高；5.2.2步进电机的主要性能指标5.2.2步进电机的主要性能指标步距误差直接影响执行部件的定位精度.步进电动机单相通电时,步距误差取决于定子和转子的分齿精度,和各相定子错位角度的精度。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，步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。5.2.2步进电机的主要性能指标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，转子齿力求与定子齿对齐，使磁路中磁阻最小，转子处在平衡位置不动（θ＝0）。如在电机轴上外加一负载转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度θ，称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩，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5.2.2步进电机的主要性能指标静态矩角特性近似为正弦曲线在静态稳定区内，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）。5.2.2步进电机的主要性能指标3.最大启动转矩ABCMbMaMqθM启动转矩是电机能带动负载转动的极限转矩5.2.2步进电机的主要性能指标空载时，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。步进电机在带负载下的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大启动频率会进一步降低。4.启动频率5.2.2步进电机的主要性能指标步进电机起动后，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。5.连续运行频率5.2.2步进电机的主要性能指标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（见下图），该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。M矩频特性f5.2.2步进电机的主要性能指标5.2.3步进电机功率驱动一、步进电机的环形分配器环形分配的功能可由硬件或软件的方法来实现，分别称为硬件环形分配器和软件环形分配器。5.2.3步进电机功率驱动5.2.3步进电机功率驱动CH250是国产三相反应式步进电机环形分配器专用集成电路芯片，通过控制端的不同接法可组成三相双三拍和三相六拍的工作方式5.2.3步进电机功率驱动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。JAKAJBKBJCKCSA相B相C相RRCP指令脉冲置零正反BQCQAQCQAQBQAQAQBQCQBQCQ5.2.3步进电机功率驱动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”，反向控制端状态置“0”。初始时，在预置端加上预置脉冲，将三个触发器置为100状态，。当在CP端送入一个脉冲时，环形分配器就由100状态变为110状态，随着指令脉冲的不断到来，各相通电状态不断变化，按照100→110→010→011→001→101即A→AB→B→BC→C→CA次序通电。步进电机反转时，由反向控制信号“1”状态控制（正向控制为“0”），通电次序为A→CA→C→CB→B→BA→A。5.2.3步进电机功率驱动JKJKT00JKT01010111/JKT5.2.3步进电机功率驱动5.2.3步进电机功率驱动X向步进电机Z向步进电机节拍序号CBA存储单元方向节拍序号cba存储单元方向PA2PA1PA0地址内容PA5PA4PA3地址内容00012A00H01H反转↑↓正转00012A10H08H反转↑↓正转10112A01H03H10112A11H18H20102A02H02H20102A12H10H31102A03H06H31102A13H30H41002A04H04H41002A14H20H51012A05H05H51012A15H28H5.2.3步进电机功率驱动二、步进电机的功率放大器作用：是将环形分配器或微处理机送来的弱电信号变为强电信号，以得到步进电机控制绕组所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形。步进电机有几相，就需要几组功率放大电路5.2.3步进电机功率驱动前置放大输入VRcRdVDRaUC单电压驱动电路原理图it单电压驱动电流波形5.2.3步进电机功率驱动单稳延时前置放大前置放大U1＋80V＋12VU2VD2VD1R1R2Lt1t2V1V2高低压驱动电流波形高低压驱动电路原理图5.2.3步进电机功率驱动高压前置放大低压前置放大控制门整形U1U1VD1U2VD2V1RV2RaLRe恒流斩波驱动电路原理图输入5.2.4步进电机开环系统设计步进电机开环系统设计要解决的主要问题：①动力计算、②传动计算、③驱动电路设计或选择目的：传动计算选择合适的参数以满足脉冲当量和进给速度F的要求。步进电机Z1Z2tf，f—脉冲频率（HZ）α—步距角（度）Z1、Z2—传动齿轮齿数t—螺距(mm)—脉冲当量（mm）fF605.2.4步进电机开环系统设计1）传动比为了凑脉冲当量mm，也为了增大传递的扭矩，在步进电机与丝杆之间，要增加一对齿轮传动副，那么，传动比i=Z1/Z2与α、、t之间有如下关系：tZZi36021ti:360:例：=0.01t=6mmα=0.75°453645368.001.0675.03603602121ZZtZZi5.2.4步进电机开环系统设计上图所示为圆周进给系统，如数控转台；设脉冲当量为δ°，蜗杆为ZK头，蜗轮为ZW齿，则有：WKZZZZ215.2.4步进电机开环系统设计2）进给速度F：一般步进电机：若：δ=0.01mm则：若δ=0.001mm则：因此，当一定时，与δ成正比，故我们在谈到步进电机开环系统的最高速度时，都应指明是在多大的脉冲当量δ下的否则是没有意义的。min60mmfFZHf16000~8000maxmin9600~4800maxmmFmin960~480maxmmFmaxfmaxF5.2.4步进电机开环系统设计3)最大静态转矩maxjMitGFMz210)8.9(3负载转矩F—进给方向上的切削力；G—工件和工作台总质量（kg）；—导轨摩擦系数；—包括齿轮和丝杠在内的传动系统总效率；—减速比；—丝杠螺距（mm）；itmax)4.0~2.0(jzMM5.2.4步进电机开环系统设计4）启动频率的选择MLZqqJJMMff11023223211021timiJJJJLJ1、J2—齿轮转动惯量（Kg.m2）J3——丝杠的转动惯量Jm——电机转子转动惯量M——启动频率下由矩频特性决定的电机输出转矩（N.m)fq0——空载启动频率（Hz）5.2.4步进电机开环系统设计5.2.5提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施步进式伺服系统是一个开环伺服系统，在此系统中，步进电机的质量、机械传动部分的结构和质量以及控制电路的完善与否，均影响系统的工作精度。为此，需要从控制方法上采取一些措施，弥补其不足。⒈传动间隙补偿⒉螺距误差补偿⒊细分线路将绕组中的矩形电流波变成阶梯形电流波5.3直流电机伺服系统5.3.1直流伺服电机的种类和应用直流伺服电机的特点过载倍数大，时间长；具有大的转矩/惯量比，电机的加速大，响应