第二章數(shù)控系統(tǒng)(5節(jié))

1、寧波大學(xué)工學(xué)院寧波大學(xué)工學(xué)院寧波大學(xué)工學(xué)院2013.22013.22013.2第二章第二章 數(shù)控系統(tǒng)及工作原理數(shù)控系統(tǒng)及工作原理 第五節(jié)第五節(jié) 伺服驅(qū)動與控制伺服驅(qū)動與控制 1.伺服驅(qū)動系統(tǒng)：伺服驅(qū)動系統(tǒng)是CNC裝置與機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，由CNC裝置發(fā)出的控制信息，通過伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)軸的運動，完成加工程序所規(guī)定的操作，該系統(tǒng)是數(shù)控機床的執(zhí)行機構(gòu)。2.伺服系統(tǒng)的作用： 放大控制信號，具有輸出功率的能力。根據(jù)CNC裝置發(fā)出的控制信息，對機床移動部件的位置及速度進行控制。3.數(shù)控機床對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的要求：進給調(diào)速范圍寬。位置精度要求高?？焖夙憫?yīng)性好。低速時大轉(zhuǎn)矩4.伺服系統(tǒng)的組成部分：伺服系統(tǒng)的組成

2、部分： 驅(qū)動電路。驅(qū)動電路。 執(zhí)行元件。執(zhí)行元件。 傳動裝置。傳動裝置。 位置檢測元件及反饋電路。位置檢測元件及反饋電路。 測速發(fā)電機及反饋電路。測速發(fā)電機及反饋電路。分類：分類：開環(huán)伺服系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定，成本低、開環(huán)伺服系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定，成本低、使用和維護方便，缺點是精度低、低速不平穩(wěn)、高速扭矩小，使用和維護方便，缺點是精度低、低速不平穩(wěn)、高速扭矩小，主要用于輕載、負(fù)載變化不大或經(jīng)濟型數(shù)控機床上。主要用于輕載、負(fù)載變化不大或經(jīng)濟型數(shù)控機床上。圖2-25 閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)構(gòu)成框圖插補輸出指令位移 速度調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器驅(qū)動放大器 伺服電動機電流檢測 與反饋 位置

3、調(diào)節(jié)器機械傳動機構(gòu)執(zhí)行件位置檢測 與反饋半閉環(huán)半閉環(huán)閉環(huán)速度檢測 與反饋-+檢測反饋實際位移進給伺服驅(qū)動單元（速度控制單元） 位置比較是位置反饋電路將檢測到的位置信號送入微機，在微機中進行比較，該比較是通過微機軟件來實現(xiàn)的。 速度比較是速度反饋電路送出的轉(zhuǎn)速信號在驅(qū)動電路中進行比較，該比較是由硬件來實現(xiàn)的。二、開環(huán)伺服系統(tǒng)二、開環(huán)伺服系統(tǒng) 圖2-26 電氣進給伺服系統(tǒng)構(gòu)成和工作過程框圖AACBBSNSSNNC轉(zhuǎn)子各相定子936936936A相通電B相通電C相通電順時針轉(zhuǎn)3順時針轉(zhuǎn)3A相通電磁力線1234a)b)1-繞組 2-定子鐵心 3-軸 4-轉(zhuǎn)子鐵心a) 橫截面圖 b) 轉(zhuǎn)子和定子齒周向展

4、開圖2 2步進電動機的主要特性步進電動機的主要特性 mzk360圖 2-27 步進電動機的矩角特性0 /2-/2-最大靜轉(zhuǎn)矩靜穩(wěn)定區(qū)穩(wěn)定平衡點不穩(wěn)定平衡點不穩(wěn)定平衡點3步進電動機的類型步進電動機的類型 （二）步進電動機驅(qū)動器（二）步進電動機驅(qū)動器 環(huán)行分配器步進電動機圖2-28 三相步進電動機驅(qū)動器構(gòu)成原理指令脈沖功率放大器功率放大器功率放大器圖2-29 CH250管腳及典型應(yīng)用接線圖123487651314151612 11 10 9UDUSJ3LJ3rCBAR2R1J6rJ6LEN CLUD16EN69107CLJ6LJ6r12旋轉(zhuǎn)方向指令脈沖12V1F100kR1R2J3LJ3rUS14

5、158BCA111213 圖2-30 高低壓功率放大電路100RW+80V輸入VT1VT2VT4RVT3+12V0.1F18181k200TIVD4VD1VD2VD5VD3三、閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)三、閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 1 1永磁式直流伺服電動機 在數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)中，主要使用永磁式直流伺服電動機 ；主運動調(diào)速系統(tǒng)中，主要使用電磁式直流電動機 。永磁式直流伺服電動機又稱大慣量寬調(diào)速直流伺服電動機，或直流力矩電動機，具有轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)矩和電流成正比、伺服性能好、反應(yīng)迅速、體積小、功率體積比大、功率質(zhì)量比大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，能在較大過載轉(zhuǎn)矩下長時間工作，可直接與絲杠相連而不需中間傳動裝置。永磁

6、式直流伺服電動機由定子、轉(zhuǎn)子、電刷和換向器等部分構(gòu)成。（一）直流伺服電動機及其速度控制（一）直流伺服電動機及其速度控制 圖2-31 永磁式直流伺服電動機的基本結(jié)構(gòu)1-外殼 2-轉(zhuǎn)子繞組 3-永久磁鋼的定子磁極4-轉(zhuǎn)子鐵心 5-換向器 6-電刷2345612 2直流電動機的機械特性、調(diào)速原理和方法直流電動機的機械特性、調(diào)速原理和方法 TCCRCUnTeaea2圖2-32 他勵直流電動機電路原理MUaUf激磁電壓IaEa+-+-式（2-18）可以知道直流電動機的基本調(diào)速方式 調(diào)電動機的電樞電壓Ua（調(diào)壓調(diào)速）和勵磁磁通（調(diào)磁調(diào)速）通過改變電樞電壓進行調(diào)速的方法稱調(diào)壓調(diào)速。調(diào)壓調(diào)速時，電樞回路的外加

7、電壓不高于電動機電樞額定電壓，從額定電壓往下降低電樞電壓，即從額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)速。調(diào)壓調(diào)速屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，速調(diào)速范圍較寬。通過改變勵磁磁通量進行調(diào)速的方法稱調(diào)磁調(diào)速。勵磁磁通量只能從額定值往下減弱，即從額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速。調(diào)磁調(diào)速屬恒功率調(diào)速，速調(diào)范圍較窄，一般小于4。調(diào)壓調(diào)速的特點：調(diào)解細(xì)，可實現(xiàn)無級調(diào)速，平調(diào)壓調(diào)速的特點：調(diào)解細(xì)，可實現(xiàn)無級調(diào)速，平滑性好，相對穩(wěn)定性好，調(diào)速過程能耗低?；院茫鄬Ψ€(wěn)定性好，調(diào)速過程能耗低。調(diào)磁調(diào)速的特點：調(diào)解容量小，平滑性好，調(diào)磁調(diào)速的特點：調(diào)解容量小，平滑性好， 投投資小，能耗低，經(jīng)濟性好。資小，能耗低，經(jīng)濟性好。 3 3晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)晶體管脈寬調(diào)制調(diào)

8、速系統(tǒng) 晶體管脈沖調(diào)速的方式主要有：脈沖寬度調(diào)制（PWM Pulse Width Modulation ）調(diào)速 脈沖寬度調(diào)制簡稱調(diào)寬，晶體管有直流電源供電，其控制極輸入一頻率固定而寬度可調(diào)的序列脈沖，來決定晶體管的飽和和截至，從而改變晶體管的平均輸出電壓（即電動機的電樞電壓）及電機轉(zhuǎn)速。脈沖頻率調(diào)制調(diào)速混合調(diào)制調(diào)速M圖2-33 晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)的組成原理+- 電流調(diào)節(jié)器 速度調(diào)節(jié)器-+脈寬調(diào)制器整流器電流傳感器電流反饋電路速度反饋電路速度傳感器速度指令基極驅(qū)動電路功率放大器三相交流電源圖 2-34 雙 極 性 開 關(guān) 功 率 放 大 器iaiatub1uaa)b)c)MV T3V T4u

9、b3V T1V T2ub4ub1ub2ub2ub3ub4ttttttttttub4ub3ub2ub1tia+ ESV D1V D2V D3V D4uaABTt0t1t2t3t4 EST/ 2ESua-ES- ESV T1R1 0V D1R9R1 1R8R6R7ESR1 5R1 2V D2R1 3V T2R1 4圖 2 -3 5 脈 寬 調(diào) 制 器ub 4ub 3b )a )ub 1ub 1ub 2ue rQ3+-Q4Q6Q5ub 4ub 3R2 2V T4R2 1V D4R2 0R2 3R1 8R1 9R1 6V D3R1 7V T3-+Q7R2 8R2 5R2 7R2 4R2 6-+Q1R1

10、C1R4R3Q2+-R2R5C2uAuBuAuBuA+ ue rtue rttttub 2tt-ue ruA-ue r-+-+（二）交流伺服電動機及其速度控制（二）交流伺服電動機及其速度控制 1 1交流伺服電動機交流伺服電動機 異步電動機的調(diào)速原理和調(diào)速方式異步電動機的轉(zhuǎn)速為n=(1- S) n1= n1電機同步轉(zhuǎn)速 S轉(zhuǎn)差率 1定子供電頻率 P電機定子繞組極對數(shù) 從上式可以看出，要調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速n,應(yīng)從改變P，S，1三個參量入手。) 1(601SPf異步交流伺服電動機異步交流伺服電動機（1）、變極調(diào)速 P 對鼠籠式異步電動機可通過改變電機繞組的接線方式，使電機從一種極對數(shù)變?yōu)榱硪环N極對

11、數(shù)。從而實現(xiàn)異步電動機的有級調(diào)速。變極調(diào)速所需設(shè)備簡單，價格低廉，工作也比較可靠。一般為二種速度，三種速度以上的變極調(diào)速電機繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用較少。變極調(diào)速電機的關(guān)鍵在于繞組設(shè)計，以最少的繞組抽頭和改接以達到最好的電機技術(shù)性能指標(biāo)。（2）、變頻調(diào)速 通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速實現(xiàn)對異步電動機的調(diào)速，在調(diào)速過程中從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能。變頻調(diào)速是異步電動機的一種比較合理和理想的調(diào)速方法。（3）、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 S變頻器所采用的變頻電源.交-交變頻器.交-直-交電壓型變頻器.交-直-交電流型變頻器.脈寬調(diào)制型（PWM）變頻器以及矢量控制系

12、統(tǒng) 變頻調(diào)速是極有發(fā)展前景的一種交流電機調(diào)速方式，正向著高精度、高效率、大容量、模塊化、數(shù)字化、小型化、可控性好發(fā)展。它節(jié)能、減少維修、及電氣傳動自動化方面作用巨大。據(jù)報道，采用全系列高低壓變因調(diào)速裝置，改造現(xiàn)有的變負(fù)荷運行電動設(shè)備，其單機節(jié)電率約30-50，全國節(jié)電量可達lll0億kwh。 變頻器可以對標(biāo)準(zhǔn)電機直接變速傳動，實現(xiàn)主軸的無級調(diào)速和正反轉(zhuǎn)，同時變頻器還可以外接制動電阻，實現(xiàn)電機快速制動。 圖所示為脈沖寬度調(diào)制（PWM）型變頻器調(diào)速系統(tǒng)。將電源經(jīng)二極管整流器變成固定直流電壓，再由一套功率晶閘管組成的PWM逆變器將直流電壓逆變成頻率和電壓同時可調(diào)的交流電壓共給負(fù)載。 FVR075G7

13、S-4EX通用型變頻器應(yīng)用于通用型變頻器應(yīng)用于數(shù)控車床主軸調(diào)速的功能接口配置數(shù)控車床主軸調(diào)速的功能接口配置（1）永磁同步交流伺服電動機結(jié)構(gòu)）永磁同步交流伺服電動機結(jié)構(gòu) 圖2-36 永磁同步交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)示意1-軸 2-定子繞組 3-定子 4-轉(zhuǎn)子 5-脈沖編碼器 6-轉(zhuǎn)子永久磁鐵 7-軸向通風(fēng)孔6LLL-L1457（2 2）永磁同步交流伺服電動機工作原理）永磁同步交流伺服電動機工作原理 圖2-37 永磁同步交流伺服電動機工作原理示意NSNSnsnsnpfnns/602交流伺服電動機的速度控制交流伺服電動機的速度控制 MS圖2-38 永磁同步交流伺服電動機的速度控制系統(tǒng)組成原理+- 電流調(diào)

14、節(jié)器 速度調(diào)節(jié)器-+電流傳感器電流反饋電路速度反饋電路速度傳感器速度指令逆變器三相交流電源功率放大主回路整流和濾波器PWM調(diào)制器U/f變換器PWM變頻器（1 1）PWM變頻器變頻器 （2 2）SPWMSPWM調(diào)制原理及調(diào)制器調(diào)制原理及調(diào)制器 ut圖2-39 與正弦波等效的不等寬的矩形脈沖tu圖2-40 單相雙極性SPWM調(diào)制器-+Q1C1R4R5Q2+-R3RFC2u2u1R1R2VD1VD2-+Q3uoR7R6VD4VD3R8usa12ut圖 2 - 4 2 S P W M 變 頻 器 工 作 波 形 圖tutuutttusutumutus aus bus cum a(或Ua)um b(或

15、Ub)um c(或 Uc)uu+ ud(或 +U s )- ud(或 -U s )+ ud(或 +U s )- ud(或 -U s )t+ ud(或 +U s )- ud(或 -U s )+ ud- ud 單 相 雙 極 性S P W M 調(diào) 制 三 相 雙 極 性S P W M 調(diào) 制（3 3）SPWMSPWM變頻器功率放大主回路變頻器功率放大主回路 圖 2-41 雙 極 性 SPW M 功 率 放 大 主 回 路VT5VT6VD11VD12UaVD10VD9VT4VT3VT1VT2uma umaVD7VD8AVD6VD3VD2VD5VD4VD1380V50HzC1umb umb umcumcAUs+Us/2-Us/2UbUc（三）位置控制（三）位置控制 1 1數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng) 圖 2-43 半 閉 環(huán) 數(shù) 字 脈 沖 比 較 伺 服 系 統(tǒng) 框 圖D/A 位 置調(diào) 節(jié) 器速 度 控 制單 元 伺 服電 動 機比 較 器執(zhí) 行 件數(shù) 字 脈 沖與 數(shù) 碼 轉(zhuǎn) 換-+脈 沖編 碼 器SCSFPF數(shù) 字 脈 沖與 數(shù) 碼 轉(zhuǎn) 換指 令脈 沖PC2 2全數(shù)字伺服系統(tǒng)全數(shù)字伺服系統(tǒng) 全數(shù)字伺服系統(tǒng)用計算機軟件來實現(xiàn)伺服系統(tǒng)全部信息處理和控制功能，主要包括位置環(huán)、