第6章数控机床的伺服驱动系统.doc

第六章数控机床的伺服驱动系统6.1概述6.2步进电机及其驱动控制系统6.3直流伺服电机及其速度控制系统6.4交流伺服电机及其速度控制系统6.5位置控制6.1概述数控机床伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服机构。在数控机床上，伺服驱动系统接收来自CNC装置(插补装置或插补软件)的进给指令脉冲，经过一定的信号变换及电压、功率放大，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。下一页返回6.1概述进给伺服系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节，是数控机床的重要组成部分。数控机床的最高运动速度、跟踪及定位精度、加工表面质量、生产率及工作可靠性等技术指标，往往又主要决定于伺服系统的动态和静态性能。下一页上一页返回6.1概述数控机床运动中，主轴运动和伺服进给运动是机床的基本成形运动。主轴驱动控制一般只要满足主轴调速及正、反转即可，但当要求机床有螺纹加工、准停和恒线加工等功能时，就对主轴提出了相应的位置控制要求。此时，主轴驱动控制系统可称为主轴伺服系统。下一页上一页返回6.1概述1、数控机床对进给伺服系统的要求有：(1)高精度(2)稳定性好(3)快速响应(4)电机调速范围宽(5)低速大转矩(6)可靠性高下一页上一页返回6.1概述2、对主轴伺服系统，除上述要求外，还应满足如下要求：(1)主轴与进给驱动的同步控制为使数控机床具有螺纹和螺旋槽加工的能力，要求主轴驱动与进给驱动实现同步控制。(2)准停控制在加工中心上，为了实现自动换刀，要求主轴能进行高精确位置的停止。下一页上一页返回6.1概述(3)角度分度控制角度分度控制有两种类型：一是固定的等分角度控制；二是连续的任意角度控制。任意角度控制是带有角位移反馈的位置伺服系统，这种主轴坐标具有进给坐标的功能，称为“C”轴控制。上一页返回6.2步进电机及其驱动控制系统步进电机是开环伺服系统(亦叫步进式伺服系统)的驱动元件。控制系统的结构简单、控制容易、维修方便，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)，随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其他硬件电路均可由软件实现，从而简化了系统结构，降低了成本，提高了系统的可靠性。下一页返回6.2步进电机及其驱动控制系统6.2.1步进电机的分类1、根据相数分类步进电机有二、四、五、六相等几种，相数越多，步距角越小，而且采用多相通电，可以提高步进电机的输出转矩。下一页上一页返回6.2步进电机及其驱动控制系统2、根据力矩产生的原理分类分为反应式和永磁反应式(也称混合式)两类。反应式步进电机的定子有多相磁极，其上有励磁绕组，而转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行。永磁反应式步进电机的定子结构与反应式相似，但转子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁力矩实现步进运行，这样可提高电机的输出转矩，减少定子绕组的电流。下一页上一页返回6.2步进电机及其驱动控制系统3、根据输出力矩的大小分类根据输出力矩的大小可将步进电机分为两类：伺服步进电机和功率步进电机。伺服步进电机又称为快速步进电机，输出力矩在几十到数百N·m，只能带动小负载。功率步进电机输出力矩在5～50N·m以上，能直接驱动工作台。下一页上一页返回6.2步进电机及其驱动控制系统4、根据结构分类步进电机可制成轴向分相式和径向分相式，轴向分相式又称多段式，径向分相式又称单段式。单段反应式步进电机，是目前步进电机中使用最多的一种结构形式。还有一种反应式步进电机是按轴向分相的，这种步进电机也称为多段反应式步进电机。下一页上一页返回6.2步进电机及其驱动控制系统如图6-1所示，设一三相多段反应式步进电机的三相分别为A、B、C，则A段里的定子齿和转子齿是对齐的，B段和C段里的定子齿和转子齿则不对齐，一般错开齿距的I/m(m为定子相数)，齿距为360°/转子齿数。若从A相通电变化到B相通电，则使B段里的定子齿和转子齿对齐，转子转动一步。使B相断电，C相通电，则电机以同一方向再走一步。再使A相单独通电，则再走一步，A段里的定子齿和转子齿再一次完全对齐。不断按顺序改变通电状态，电机就可连续旋转。若通电方式为A→B→C→A→…，则通电状态的三次变化使转子转动一个齿距；若通电方式为A→AB→B→BC→C→CA→A…，则通电状态的六次变化使转子转动一个齿距。下一页上一页返回6.2步进电机及其驱动控制系统6.2.2步进电机的工作原理以反应式步进电机为例说明其工作原理。反应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有激磁绕组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合工作。如图6-1所示为三相步进电机，定子上有三对磁极，分成A、B、C三相。为简化分析，假设转子只有4个齿。下一页上一页返回6.2步进电机及其驱动控制系统1、三相三拍工作方式在图6-2中，设A相通电，A相绕组的磁力线为保持磁阻最小，给转子施加电磁力矩，使磁极A与相邻转子的1、3齿对齐；接下来若B相通电，A相断电，磁极B又将距它最近的2、4齿吸引过来与之对齐，使转子按逆时针方向旋转30°；下一步C相通电，B相断电，下一页上一页返回6.2步进电机及其驱动控制系统磁极C又将吸引转子的1、3齿与之对齐，使转子又按逆时针旋转30°，依此类推。若定子绕组按A→B→C→A→…的顺序通电，转子就一步步地按逆时针转动，每步30°。若定子绕组按A→C→B→A→…的顺序通电，则转子就一步步地按顺时针转动，每步仍然30°。这种控制方式叫三相三拍方式，又称三相单三拍方式。下一页上一页返回6.2步进电机及其驱动控制系统2、双三拍工作方式由于前述的单三拍通电方式每次定子绕组只有一相通电，且在切换瞬间失去自锁转矩，容易产生失步，而且，只有一相绕组产生力矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡，故在实际工作过程中多采用双三拍工作方式，即定子绕组的通电顺序为AB→BC→CA→AB…或AC→BC→CA→…，前一种通电顺序转子按逆时针旋转，后一种通电顺序转子按顺时针旋转，此时有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍然旋转30°。由于在步进电机工作过程中始终保持有一相定子绕组通电，所以工作比较平稳。下一页上一页返回6.2步进电机及其驱动控制系统3、三相六拍工作方式如果按A→AB→B→BC→C→CA→A…(逆时针转动)或A→AC→C→BC→B→CA→A…(顺时针转动)的顺序通电，步进电机就工作在三相六拍工作方式，每步转过15°，步距角是三相三拍工作方式步距角的一半，如图6-3所示。因为电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比较平稳。下一页上一页返回6.2步进电机及其驱动控制系统实际上步进电机转子的齿数很多，因为齿数越多步距角越小。为了改善运行性能，定子磁极上也有齿，这些齿的齿距与转子的齿距相同，但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的1/m(m为电机相数)。这样，每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距的1/m(如三相三拍)或1/2m(如三相六拍)即达到新的平衡位置。下一页上一页返回6.2步进电机及其驱动控制系统图6-4三相反应式步进电机的结构示意图和展开后步进电机齿距,如图6-4所示，转子有40个齿，故齿距为360°/40=9°，若通电为三相三拍，当转子齿与A相定子齿对齐时，转子齿与B相定子齿相差1/3齿距，即3°，与C相定子齿相差2/3齿距，即6°。下一页上一页返回6.2步进电机及其驱动控制系统6.2.3步进电机的主要特性1、步距角α指步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它取决于电机结构和控制方式。步距角α可按下式计算a=360°/mzk(6—1)式中，m为定子相数；z为转子齿数；k为通电系数，若连续两次通电相数相同为1，若不同则为2。下一页上一页返回6.2步进电机及其驱动控制系统2、矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq当步进电机处于通电状态时，转子处在不动状态，即静态。如果在电机轴上施加一个负载转矩M，转子会在载荷方向上转过一个角度θ，转子因而受到一个电磁转矩Mj的作用与负载平衡，该电磁转矩Mj称为静态转矩，该角度θ称为失调角。下一页上一页返回6.2步进电机及其驱动控制系统步进电机单相通电的静态转矩Mj随失调角θ的变化曲线称为矩角特性，如图6-5所示。当外加转矩取消后，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点θ=O。矩角特性曲线上的电磁转矩的最大值称为最大静转矩Mjmax，Mjmax是代表电机承载能力的重要指标，Mjmax越大，电机带负载的能力越强，运行的快速性和稳定性越好。下一页上一页返回6.2步进电机及其驱动控制系统3、启动频率fq和启动时的惯频特性空载时，步进电机由静止突然启动、并进入不丢步的正常运行状态所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率fq，是反映步进电机快速性能的重要指标。空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该启动频率。下一页上一页返回6.2步进电机及其驱动控制系统启动时的惯频特性是指电机带动纯惯性负载时启动频率和负载转动惯量之间的关系。一般来说，随着负载惯量的增加，启动频率会下降。如果除了惯性负载外还有转矩负载，则启动频率将进一步下降。下一页上一页返回6.2步进电机及其驱动控制系统4、运行矩频特性步进电机启动后，其运行速度能跟踪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。如图6-6所示每一频率所对应的转矩称为动态转矩。从图6-6中可以看出，随着运行频率的上升，输出转矩下降，承载能力下降。当运行频率超过最高频率时，步进电机便无法工作。下一页上一页返回6.2步进电机及其驱动控制系统5、加、减速特性步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加、减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动到大于启动频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；同样，从最高工作频率或高于启动频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和逐渐下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。下一页上一页返回6.2步进电机及其驱动控制系统6.2.4步进电机的环形分配器步进电机的驱动控制由环形分配器和功率放大器组成。环形分配器的主要功能是将数控装置送来的一串指令脉冲，按步进电机所要求的通电顺序分配给步进电机的驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的通断，实现步进电机的运行及换向。当步进电机在一个方向上连续运行时，其各相通、断的脉冲分配是一个循环，因此称为环形分配器。环形分配器的输出不仅是周期性的，又是可逆的。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。下一页上一页返回6.2步进电机及其驱动控制系统1、硬件环形分配器硬件环形分配器的种类很多，它可由D触发器或J—K触发器构成，亦可采用专用集成芯片或通用可编程逻辑器件。如国产的PM系列步进电机专用集成电路有PM03、PM04、PM05和PM06，分别用于三相、四相、五相和六相步进电机的控制。进口的步进电机专用集成芯片PMM8713、PM8714可分别用于四相(或三相)、五相步进电机的控制。而PPMl01B则是可编程的专用步进电机控制芯片，通过编程可用于三相、四相、五相步进电机的控制。下一页上一页返回6.2步进电机及其驱动控制系统以三相步进电机为例，硬件环形分配驱动与数控装置的联接如图6-7所示，环形分配器的输入、输出信号一般均为TTL电平，输出信号A、B、C信号变为高电平则表示相应的绕组通电，低电平则表示相应的绕组失电，CLK为数控装置所发脉冲信号，每一个脉冲信号的上升或下降沿到来时，环形分配器的输出则改变一次三相步进电动机驱动装置绕组的通电状态，DIR为数控装置所发方向信号，其电平的高低即对应电机绕组通电顺序的改变，下一页上一页返回6.2步进电机及其驱动控制系统即步进电机的正、反转，FULL/HALF电平用于控制电机的整步(对三相步进电机即为三拍运行)或半步(对