第4章-伺服系统和驱动元件

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数控机床伺服系统的定义伺服系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。CNC装置是数控机床的“大脑”，“指挥机构”伺服系统是数控机床的“四肢”，“执行机构”。伺服驱动系统忠实地执行由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。4.1伺服系统数控机床伺服系统的定义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。4.1伺服系统按控制对象和使用目的不同分进给伺服系统－－控制各坐标轴的切削进给运动主轴驱动伺服系统－－控制主轴的旋转运动辅助伺服系统－－控制刀库、料库等辅助系统的运动，多采用建议的位置控制。数控机床伺服系统的分类4.1伺服系统数控机床伺服系统的分类按所用驱动元件的类型不同分步进电动机驱动系统直流伺服驱动系统交流伺服驱动系统直线电动机驱动系统4.1伺服系统4.2.1/4.3.1步进电机/驱动装置4.2.2/4.3.2直流伺服电机/驱动装置4.2.2/4.3.3交流伺服电机/驱动装置高精度要求定位准确（定位误差持别是重复定位误差要小），跟随精度高（跟随误差小）。一般定位精度要求达到mm级，0.01～0.001mm，高的达0.1um。灵敏度高，响应快提高生产率和保证加工质量，一般电机升降速过渡过程，时间在0.2s以下。另外，当负载突变时，要求速度的恢复时间短，且无振荡，这样才能得到光滑的加工表面。调速范围宽保证在任何情况下都能得到最佳切削条件和加工质量，一般要求调速范围：最低转速/最高转速=1/1000～1/10000，且通常是无级调速。低速大转矩一般是在低速进行重切削，所以在低速时进给驱动要有大的转矩输出。可靠性高，稳定性对环境的适应性强，性能稳定，使用寿命长。数控机床对伺服系统的要求4.1伺服系统4.2步进电机及其驱动控制系统步进电动机主要用于开环位置控制系统。它由步进电动机驱动电源和步进电动机组成，没有反馈环节。这种系统较简单，控制较容易，维修也较方便，而且为全数字化控制。由于开环系统精度不高，且步进电动机的功率和速度不高，因此步进电动机驱动系统仅用于小容量、加工速度低、脉冲当量和精度不太高的场合，如经济型数控机床和电加工机床、计算机的打印机、绘图仪等设备。4.2步进电机步进电动机及其驱动系统4.2步进电机步进电动机及其驱动系统步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。位移量的控制向步进电动机送一个控制脉冲，其转轴就转过一个角度或移动一个直线位移，称为一步；脉冲数增加，角位移(或线位移)随之增加，即脉冲数决定位移量。进给速度的控制脉冲频率高，则步进电动机的旋转速度就高，反之则低，即脉冲频率决定进给速度。运动方向的控制改变分配脉冲的相序，实现步进电动机的正、反转，从而改变运动方向。与一般交流和直流电动机所不同的是，步进电动机定子绕组所加的电源形式为脉冲电压，而不是正弦电压或者恒定直流电压。步进电动的控制原理4.2步进电机步进电动机是按电磁吸引的原理进行工作步进电动的工作原理4.2步进电机极与极之间的夹角为60°。转子铁心上无绕组，只有均匀分布的齿。（1）反应式步进电动机的结构三相反应式步进电动机的结构：定子铁心上有六个均匀分布的磁极，沿直径相对两个极上的线圈串联，构成一相励磁绕组。步进电动的工作原理绕组定子铁心转子铁心4.2步进电机（2）工作方式步进电动的工作原理绕组定子铁心转子铁心按电磁吸引的原理工作的。必须抓住两点：磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩几个概念的含义：“拍”—定子相绕组每改变一次通电状态，称为“一拍”。“单”—指同时只有一相绕组通电。“双”—指有两相绕组同时通电。①“单三拍”4.2步进电机步进电机工作原理步进电动的工作原理4.2步进电机转子铁心上无绕组，只有均匀分布的40个齿，齿槽距相等，齿距角为360°/40＝9°。每个定子磁极上均匀分布了五个齿，齿槽距相等，齿距角为9°。绕组定子铁心转子铁心定子铁心上有六个均匀分布的磁极，沿直径相对两个极上的线圈串联，构成一相励磁绕组。步进电动的工作原理4.2步进电机定子步进电动的工作原理4.2步进电机转子步进电动的工作原理4.2步进电机按电磁吸引的原理工作的。必须抓住两点：磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩各相定子齿之间彼此错齿1/m齿距，m为相数步进电动的工作原理几个概念的含义：“拍”——定子相绕组每改变一次通电状态，称为“一拍”。“单”——指只有一相绕组通电。“双”——指有两相绕组同时通电。4.2步进电机电机转动的工作原理总结：错齿是步进电动机旋转的根本原因步进电动的工作原理4.2步进电机①“单三拍”供电方式的步进电动机的工作原理第一拍：A相励磁绕组通电，B、C相励磁绕组断电。A相定子磁极的电磁力要使相邻转子齿与其对齐(使磁阻最小)，B相和C相定、转子错齿分别为1/3齿距(3°)和2/3齿距(6°)。①“单三拍”供电方式的步进电动机的工作原理第二拍：B相绕组通电，A、C相绕组断电。电磁反应力矩使转子逆时针方向转动3°，与B相的定子齿对齐，此时A、C相的定、转子齿互相错开。①“单三拍”供电方式的步进电动机的工作原理第三拍：C相绕组通电，A、B相绕组断电。电磁反应力距又使转子逆时针方向转动了3°，与C相定子齿对齐，同时A相、B相定、转子齿错开重复通电顺序，ABCA……单三拍步进电动机的反转若定子绕组通电顺序为ACBA……，则电动机转子就顺时针方向旋转起来，其步距角仍为3°。单三拍步进电动机的步距角重复单三拍的通电顺序，ABCA……，步进电机就逆时针方向旋转起来，对应每个指令脉冲，转子转动一固定角度3°(步距角)。①“单三拍”供电方式的步进电动机的工作原理单三拍通电控制方式的缺点由于每拍只有一相绕组通电，在切换瞬间可能失去自锁力矩，容易失步。而且，只有一相绕组通电吸引转子，易在平衡位置附近产生振荡。因此，单三拍通电控制方式，工作稳定性差，一般较少采用。①“单三拍”供电方式的步进电动机的工作原理若定子绕组的通电顺序为ACBCCAAC……，则步进电动机的转子就顺时针方向转动。②双三拍工作方式采用双三拍通电控制方式，能克服单三拍工作的缺点。若定子绕组的通电顺序为ABBCCAAB……，则步进电动机的转子就逆时针方向转动，从一个磁场最强处走到了另一个磁场最强处，故其步距角仍为3°。③三相六拍工作方式通电顺序：AABBBCCCAA……每切换一次，步进电动机就逆时针方向转动1.5°，步距角减小一半。原因是：当由A相切换到AB相通电时，A相定子磁极力图不让转子转动，而保持与其定子齿对齐，而B相定子磁极的电磁反应力矩也力图使其顺时针转动3°，与B相定子齿对齐，此时，转子齿与A相、B相定子齿均未对齐，此位置是A相、B相定子合成磁场的最强方向，即转子顺时针方向转动1.5°。若通电顺序为：AACCBCBABA……则步进电动机的转子就顺时针方向运动，步距角仍为1.5°。三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半；在切换时，保持一相绕组通电，工作稳定，比双三拍增大了稳定区。所以三相步进电动机常采用这种控制方式。③三相六拍工作方式步进电动的主要特性1.步距角步进电动机每步的转角称为步距角，计算公式：式中m—步进电动机相数Z—转子齿数K—控制方式系数，K=拍数p/相数m360ZmKθ＝(°)厂家对于每种步进电动机给出两种步距角，彼此相差一倍。大步距角系指控制供电拍数与相数相等时的步距角；小步距角系指供电拍数是相数两倍时的步距角。4.2步进电机问：三相三拍、三相六拍、双三拍工作方式，K分别取？步进电动的主要特性1.步距角步距角的选择：360Siδ＝(mm/脉冲)根据总体方案要求，综合考虑，通过下式进行：式中δ—脉冲当量S—丝杠螺距(mm)θ—步距角i—电动机与丝杠间的齿轮传动减速比如果步进电动机的步距角θ和丝杠螺距S(基本导程)不能满足脉冲当量δ的要求时，应在步进电动机与丝杠之间加入齿轮传动，用减速比来满足δ的要求。4.2步进电机步进电动的主要特性2.最大静态转距Tmax(N·m)静态：当步进电动机不改变通电状态时，转子处在不动状态。静态转距：如果在电动机轴上外加一个负载转距，使转子转过一个角度θ（失调角），这时转子受的电磁转距T。矩角特性：描述静态时电磁转距T与θ之间的关系曲线。0静稳定区稳定平衡点TθTmax4.2步进电机步进电动的主要特性2.最大静态转距Tmax(N·m)在静态稳定区内，当外加转距去除时，转子在电磁转距作用下，仍能回到稳定平衡点位置(θ＝0)。启动转距Tq采用多项通电方式可使启动转矩增大4.2步进电机最大静态转矩重要指标，表明电机负载能力Tq0静稳定区稳定平衡点TθTmax最大静转距Tmax的选择3()102FFwsTiF-切削力（N）W-工作台及工件重量（kg）μ-摩擦系数η-效率i-减速比负载转矩TF应满足TF=（0.2~0.4）Tmax步进电动的主要特性4.2步进电机步进电动的主要特性3.启动频率fq（步/s）起动频率要比连续运行频率低得多，这是因为步进电动机起动时，既要克服负载力矩，又要克服运转部分的惯性矩，电动机的负担比连续运转时重。步进电动机带负载的起动频率比空载的起动频率要低。空载时步进电动机由静止突然启动，进入不丢步的正常运行的最高频率。是衡量步进电动机快速性能的重要技术数据。4.2步进电机先计算电机轴上的等效负载转动惯量：步进电动的主要特性启动频率fq的选择式中：J1、J2—齿轮的转动惯量(N·m·s2)；J3—丝杠的转动惯量；d—脉冲当量(mm／脉冲)。然后进行负载启动频率fqF的估算：式中：fq—空载启动频率(Hz)；T—由矩频特性决定的力矩(Nm)；J—电机转子转动惯量(N·m·s2)。依照机床要求的启动频率fqF，可选择fq4.2步进电机运行矩频特性T＝f(F)是描述步进电动机连续稳定运行时，输出转矩T与连续运行频率f之间的关系。它是衡量步进电动机运转时承载能力的动态性能指标。步进电动的主要特性4.运行矩频特性Tf4.2步进电机（1）反应式步进电动机（2）永磁式步进电动机工作原理：转子或定子的一方具有永久磁钢，另一方有软磁材料制成，由绕组轮流通电产生的磁场与永久磁钢相互作用，产生转矩是转子转动。特点：步距角大，内阻较大，效率高，断电后有一定的定位转矩。（3）混合式步进电动机定子结构与反应式基本相同，转子由环形磁钢及两段铁心组成。兼有以上两种的主要优点，是步进电动机的新产品。步进电动的分类1.根据磁场建立的方式4.2步进电机三、四、五、六相等。步进电动的分类2.根据相数分相数越多，步距角越小，此外，采用多项通电，可提高步进电机的输出转矩。步进电机的通电方式一般次采用m相m拍、双m拍、m相2m拍等。4.2步进电机（1）单段式（径向分相式）（2）多段式（轴相分相式）步进电动的分类3.根据结构分4.2步进电机步进电动机的电源1.作用发出一定功率的电脉冲信号，使定子励磁绕组顺序通电。4.2步进电机2.基本要求（1）电源的基本参数与电动机相适应；（2）满足步进电动机起动频率和运行频率的要求；（3）抗干扰能力强，工作可靠；（4）成本低，效率高，安装维修方便。步进电动机的电源4.2步进电机3.组成（1）环形分配器（2）功率放大器步进电动机的电源4.2步进电机（1）环形分配器主要功能是将CNC装置的插补脉冲，按步进电动机所要求的规律分配给步进电动机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的导通或关断。同时由于电动机有正反转要求，所以环形分配器的输出是周期性的，又是可逆的