數(shù)控原理基本第三章課件

1、數(shù)控裝置環(huán)形分配器指令脈沖步進電動機功率放大器電源步進電動機齒輪箱工作臺 步進驅(qū)動系統(tǒng)沒有位置反饋回路與速度反饋回路，一般用于對速度和精度要求不高的中、小型經(jīng)濟型數(shù)控機床上。第一節(jié)概述一、伺服系統(tǒng)組成圖3-1進給位置伺服系統(tǒng)功能框圖1高精度（輸出量能復現(xiàn)輸入量的精確程度）數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的要求有：主要內(nèi)容2穩(wěn)定性好（抗干擾能力）3響應速度快（系統(tǒng)跟蹤精度）4電機調(diào)速范圍寬（最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速比）5低速大轉(zhuǎn)矩6可靠性高(對環(huán)境的適應性)二、數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)的基本要求的定子合工作。定子轉(zhuǎn)子定子繞組一、步進電機工作原理按電磁吸引原理工作（以反應式步進電機為例）反應式步進電機主要內(nèi)容 上有磁極

2、，每個磁極上有激磁繞組，轉(zhuǎn)子無繞組，有周向均布的齒，依靠磁極對齒的吸第二節(jié)步進電動機伺服系統(tǒng)AIA定子IBBIC兩個相對的磁極組成一相主要內(nèi)容轉(zhuǎn)子步進電機的工作方式(通電順序)可分為：三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。主要內(nèi)容（1）三相繞組聯(lián)接方式：Y 型（2）三相繞組中的通電順序為：A相 B相 C相通電順序也可以為：A相 C相 B相1234主要內(nèi)容CBBC4A13A2ACB BC34A12BCCBAA2、4齒和B相軸線對齊A相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和 AA對齊C相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和C相軸線對齊個電三相單 三拍的特點：（1）每來一主要內(nèi)容脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 30。（2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相

3、線圈通電的順序。（3）每次定子繞組只有一相通電，在切換瞬間失去自鎖轉(zhuǎn)矩，容易產(chǎn)生失步，只有一相繞組產(chǎn)生力矩吸引轉(zhuǎn)子，在平衡位置易產(chǎn)生振蕩 。2）三相六拍工作方式通電順序為：AABBBCCCAA 六拍。212341231443CBBCA4132CBBCA3412CBBCA3412ACBBCAAACBBCAAACBBCAAA通電AB通電B通電BC通電CA通電C通電通電順序主要內(nèi)容AABBBCCCAA（逆時針）AACCBCBBAA（順時針）每步轉(zhuǎn)過15，步距角是三相三拍工作方式的一半，特點：電機運轉(zhuǎn)中始終有一相定子繞組通電，運轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)。3)雙三拍工作方式主要內(nèi)容ABBCCAAB（轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)）A

4、CCBBA（轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)）有兩對磁極同時對轉(zhuǎn)子的兩對齒進行吸引，每步仍旋轉(zhuǎn)30。特點：始終有一相定子繞組通電，工作比較平穩(wěn)。避免了單三拍通電方式的缺點360齒，定實際上步進電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多，齒數(shù)與步距角關系？例如：轉(zhuǎn)子40個主要內(nèi)容 子仍是 3對磁極，三相六拍。問步距角是多少？= 1.5o40 3 2 =360主要內(nèi)容omzk =m定子相數(shù)；z轉(zhuǎn)子齒數(shù)；k通電系數(shù)，m相m拍，k1；m相2m拍，k2。一般很小，如：31.5，1.50.75，0.720.36等步進電機的主要特性1步距角每給一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角度的理論值。CAOBM qa2矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mjmax和啟動轉(zhuǎn)矩Mq靜態(tài)

5、：不改變步進電機通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子處在不動狀態(tài)。主要內(nèi)容在載荷方向上轉(zhuǎn)過一個角度（失調(diào)角），轉(zhuǎn)子因而受到一個電磁轉(zhuǎn)矩Mj的作用與負載平衡。矩角特性：步進電機單相通電的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mj隨失調(diào)角的M jM j max3啟動頻率fq和啟動時的慣頻特性跳頻率啟動并進入不丟步的正常運行狀態(tài)所允許的最高頻率。高于啟動頻率，將不能正常起動。啟動時的慣頻特性：是指電機帶動純慣性負載時啟動頻率和負載轉(zhuǎn)動慣量之間的關系。步進電機在帶負載（尤其是慣性負載）下的啟動頻率比空載要低。T/ (N?m)4812141620of/ kHz升而不4運行矩頻特性連續(xù)運行頻率：步進電機啟動后，其運行速度能跟蹤指令脈沖頻率連續(xù)上主要內(nèi)容 丟

6、步的最高工作頻率。其值遠大于啟動頻率。運行矩頻特性：是描述步進電機在連續(xù)運行時，輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運行頻率之間的關系。15105步進電機的分類主要內(nèi)容有三、四、五、六相等，相數(shù)越多，步距角越小。通電方式采用m相m拍、雙m拍和m相2m拍，m相m拍和m相2m拍通電方式中，可采用一/二相、二三相轉(zhuǎn)換通電，如五相步進電機，五相十拍的二三相轉(zhuǎn)換方式：ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB主 間磁2根據(jù)產(chǎn)生力矩的原理分類根據(jù)定子與轉(zhuǎn)子要內(nèi)容 場建立方式，可分：反應式、永磁式、混合式。3根據(jù)結(jié)構(gòu)分類步進電機可制成軸向分相式（多段式）、徑向分相式（單段式）環(huán)形分配器功率放步進電機的環(huán)形分配器主要AB大

7、 C器二、步進電動機伺服系統(tǒng)驅(qū)動控制電路步進電機的環(huán)形分配器主要將數(shù)控裝置送來的一串指令脈沖，按步進電機所要求的通電順序分配給步進電機驅(qū)動電源的各相輸入端，以控制勵磁繞組的通斷，實現(xiàn)步進電機的運行及換向。環(huán)形分配的功能可由硬件或軟件的方法來實現(xiàn)，分別稱為硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器。CNC裝置電源環(huán)形分配器A相驅(qū)動B相驅(qū)動C相驅(qū)動CLKDIRFULL/HALFM硬件環(huán)形分配驅(qū)動與數(shù)控裝置的連接方向控制信號1硬件環(huán)形分配器可由D觸發(fā)器或JK觸發(fā)器構(gòu)成，亦可用專用集成芯片或主要內(nèi)容CH250是國產(chǎn)三相反應式步進電機環(huán)形分配器專用集成電路芯片，通過控制端的不同接法可組成三相雙三拍和三相六拍的工作方

8、 內(nèi)容主要式16 15 14 13 12 11 10 9UD J3L J3rJ6r J6L123C BCH25045R*RACCL CH250 B910712J6rJ6LJ3r J3L US14 15 813121116UD EN6+12V1F100kCP1方向A R* REN CL US867三相六拍接線圖線路簡2軟件環(huán)形分配器編制不同的環(huán)形分配程序，直接驅(qū)動步進電機各繞組的通、斷電?？墒怪饕獌?nèi)容 化，成本下降，可靈活地改變步進電機的控制方案。PIOPA 0PA 1PA 2PA 3PA 4PA 5光電耦合器光電耦合器放大放大X 向步進電機Z 向步進電機abcABC16進制已知技 術條件：通電

9、方式為三相六拍P1口的輸出線P1.x為“1”時，步進電機相應的繞組通電，P1.x為“0”時，則相應繞組失電。（P1口高4位值為0）要求：列出X坐標步進電機繞組通電順序表；設計X正向走步的軟件環(huán)形分配程序。用mcs-51單片機控制某機床x坐標工作臺運動。2100：MOV DPTR，#2A00HMOV R0，#00LOOP：MOV A，R0MOVC A，A+DPTRMOV P1，ALCALL 1000INC R0CJNE R0，#06H，LOOPAJMP 2100DB 01H，03H，02H，06H，04H，05H1000：MOV R3，#FFDT1： MOV R4，#FFDT2： DJNZ R4

10、，DT2DJNZ R3，DT1RET步進電機的速度控制內(nèi)容 步進電機轉(zhuǎn)速 工作臺的進給速度V。硬件環(huán)分：控制CLK的頻率，控制電機的速度。軟件環(huán)分：控制相鄰兩次軟件環(huán)分狀態(tài)之間的延時，可控制電機線圈通電狀態(tài)的變化頻率。主要內(nèi)容功率放大電路作用：是將環(huán)形分配器或微處理機送來的弱電信號變?yōu)閺婋娦盘?，以得到步進電機控制繞組所需要的脈沖電流及所需要的脈沖波形。種類：按采用的功率放大器件分：中功率晶體管、大功率晶體管、大功率達林頓晶體管、可控硅等；按工作原理分：單電壓驅(qū)動、高低電壓驅(qū)動、恒流斬波、調(diào)頻調(diào)壓、細分電路等。步進電機有幾相，就需要幾組功率放大電路。1高低電壓切換驅(qū)動電路主要內(nèi)容低壓供電，維持繞

11、組中的電流為額定值。2恒流斬波電路特點：電流值降到下限設定值時，高壓功率管導通，繞組電流上升，上升到上限設定值時，關斷高壓管。一個步進周期內(nèi)，高壓管多次通斷，使電流在上、下限間波動，接近恒定值。3調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動電路段運行時，供電電壓升高。即供電電壓隨步進電機轉(zhuǎn)速的增加而升高。既解決了低頻振蕩問題，也保證了高頻運行時的輸出轉(zhuǎn)矩4細分驅(qū)動電路將繞組中的矩形電流波變成階梯形電流波，控制電機各相繞組電流的大小和比例。三、改善步進電動機工作性能的措施1.高低壓供電定時切換線路圖3-9高低壓驅(qū)動放大電路2.PWM恒流驅(qū)動電路 PWM恒流驅(qū)動電路即晶體管脈沖寬度調(diào)制型伺服驅(qū)動電源(見本章第三節(jié)詳細介紹)。采用

12、上述驅(qū)動電路，一方面提高了驅(qū)動的可靠性，同時，利用它的恒流作用，使流過步進電動機繞組的電流經(jīng)常保持在較高的電流值上，提高了電動機輸出轉(zhuǎn)矩，最大限度地改善步進電動機的矩頻特性。3.細分驅(qū)動電路圖3-10細分前后角位移波形圖一、常用直流伺服電動機及其特點 這類電動機又分為無槽圓柱體電樞結(jié)構(gòu)和帶印制繞組的盤形電樞結(jié)構(gòu)兩種。因為小慣量直流電動機最大限度的減少了電樞轉(zhuǎn)動慣量，所以能獲得最好的快速性，其主要特點是：其轉(zhuǎn)動慣量僅為普通直流電動機的1/10左右，且轉(zhuǎn)子無槽，電氣機械性能良好，使其在低速時運轉(zhuǎn)穩(wěn)定而均勻，如在轉(zhuǎn)速達10r/min時，仍無爬行現(xiàn)象。此外該電動機電樞反應小，調(diào)速范圍廣而平滑，具有良好

13、的換向性能。因此小慣量直流電動機在早期的數(shù)控機床上得到廣泛的應用。第三節(jié)直流電動機速度控制1.小慣量直流電動機2.寬調(diào)速直流電動機 由于小慣量直流電動機是以減小電動機轉(zhuǎn)動慣量來改善其工作特性的，而在實際中機床慣量相對很大，所以使用效果并不十分理想。而寬調(diào)速直流電動機是用提高轉(zhuǎn)矩的方法來改善調(diào)速性能，故在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中應用更廣泛。3.無刷直流電動機 該電動機又叫無整流子電動機。它沒有換向器，是由同步電動機和逆變器組成的，而逆變器是由裝在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)子位置傳感器控制的。因此它實質(zhì)上是交流調(diào)速電動機的一種。由于這種電動機的性能達到直流電動機的水平，又取消了換向器及電刷部件，使電動機壽命提高了一個數(shù)量級

14、，因此引起了人們很大的興趣。速度要主要內(nèi)容常用于大功率及要求不很高的直流伺服電機調(diào)速控制。調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器觸發(fā)脈沖發(fā)生器可控硅整流器電流反饋速度反饋電流檢測編碼器電機U*n-+UnInI*n主 內(nèi)容+-US速度環(huán)（PI）：速度調(diào)節(jié)，作用：好的靜態(tài)、動態(tài)特控制 性?；芈?電流環(huán)（P或PI）：電流調(diào)節(jié)，作用：系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性改善。觸發(fā)脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生移相脈沖，使可控硅觸發(fā)角前移主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驅(qū)動，使電機轉(zhuǎn)動?；蚝笠?。二、晶閘管調(diào)速系統(tǒng)462791113581210ABCUMUDKMKMM+-主回路由大功率晶閘管構(gòu)成的三相全控橋式反并接可逆電路，分成二大部分（ 和 ），每部

15、分內(nèi)按三相橋式連接，二組反并接，分別實現(xiàn)正轉(zhuǎn) 和反轉(zhuǎn)。各有一個可控硅同時導通，形成回路。1、3、5在正半周導通， 2、4、6在負半周導通。每組內(nèi)（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差120，觸發(fā)脈沖的順序：1-2-3-4-5-6，相鄰之間相位差60。為保證合閘后兩個串聯(lián)可控硅能同時導通，或已截止的相再次導通，采用雙脈沖控制。即每個觸發(fā)脈沖在導通60后，再補發(fā)一個輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，寬度大于60，小于120。只要改變可控硅觸發(fā)角（即改變導通角），就能改變可控硅的整流輸出電壓，從而改變直流伺服電機的轉(zhuǎn)速。觸發(fā)脈沖提前，增大整流輸出電壓；觸發(fā)脈沖延后，減小整流輸出電壓。uaccaba)b)c)d)

16、13 b5tub426bactttt12323454161232345631546120120180260132416066056同步信號方波信號矩齒波矩齒波與直流電壓疊加信號尖脈沖直流電壓控制回路分析周期不變脈寬脈寬脈寬脈寬平均直流電壓利用大功率晶體管的開關作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻加到直方波脈沖寬度來改變電樞的平均電壓，從而調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。控制電路簡單，不需附加關斷電路，開關特性好。 廣泛應用中、小功率直流伺服系統(tǒng)。Ut周期不變?nèi)?、PWM脈寬調(diào)制原理與系統(tǒng)MtttT TonUEaIaUEaUaVDIa主要內(nèi)容-+EaTonT直流電機電壓的平均值:U a =Ea =T01TT脈沖周期，To

17、n導通時間主要內(nèi)容速度調(diào)節(jié)器功放振蕩器電流調(diào)節(jié)器M速度指令脈寬調(diào)制（PWM）系統(tǒng)組成：三相交流電整流電流反饋速度反饋基極USC 驅(qū)動UUsr脈寬調(diào)制Ub控制回路：速度調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器；固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器；脈寬調(diào)制器和基極驅(qū)動電路。區(qū)別：與晶閘管調(diào)速系統(tǒng)比較，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器原理一樣。不同的是脈寬調(diào)制器和功率放大器。脈寬調(diào)制器作用：將電壓量轉(zhuǎn)換成可由控制信號調(diào)節(jié)的矩形脈沖，為功率晶體管的基極提供一個寬度可由速度指令信號調(diào)節(jié)的脈寬電壓。組成：調(diào)制信號發(fā)生器（三角波和鋸齒波兩種）和比較放大器。原理：以三角波發(fā)生器為例介紹+USCR3R1R1R2SrttU 速度指令轉(zhuǎn)化過 U 來的直

18、流電壓 U SrU-三角波USC-脈寬調(diào)制器的輸出（USr+U）調(diào)制波形圖USr +U+U So ro-U S rttUSr為正時USr為負時+12V-12VUSr +UttUSr為0時調(diào)制出正負脈寬一樣 調(diào)制出脈寬較寬的 調(diào)制出脈寬較窄的方波平均電壓為0 波形平均電壓為正 波形平均電壓為負開關功率放大器結(jié)構(gòu)：有兩種形式：H型（橋式）、T型。每種電路又有單極性工作方式和雙極性工作方式，各種不同的工作方式又可組成可逆開關放大電路和不可逆開關放大電路 。USBAD1D2D3D4MT1T2T4T3UABOUdtt主回路：可逆H型雙極式PWM開關功率放大器電路圖:4個大功率晶體管T1、T2、T3、T4

19、及4個續(xù)流二極管組成橋式電路。 Ub1、Ub2、Ub3、Ub4為調(diào)制器輸出的經(jīng)脈沖分配、由基極驅(qū)動轉(zhuǎn)換過來的脈沖電壓。分別加到T1、T2、T3、T4基極。Ub1Ub 4OUb2Ub3t1TUS-USOtidid1id2id1id2tOABD2D4MT2T4UdUAB USO -USttid1id2 id1 id2idO電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止：由正、負驅(qū)動電壓脈沖寬窄定。當正脈沖較寬時，即t1T/2，平均電壓為正，電機正轉(zhuǎn)；當正脈沖較窄時，即t1U a1 U a2TNnNT如果n值較大，不可能較小，因此，進給系統(tǒng)常 n02采用永磁式直流電機。主要軸T N1N2TOn02n01n0N調(diào)節(jié)磁通（調(diào)磁調(diào)

20、速）不但改變了電機的理想轉(zhuǎn)速，而且使直流電機機械特性變軟，所以調(diào)磁調(diào)速主要用于機床主內(nèi)容電機調(diào)速。nn2n1nNN 12用直線直線電機的特點：機床進給系統(tǒng)采主要內(nèi)容 電機直接驅(qū)動，與原旋轉(zhuǎn)電機傳動方式的最大區(qū)別是：取消了從電機到工作臺（拖板）之間的機械中間傳動環(huán)節(jié)，即把機床進給傳動鏈的長度縮短為零，故這種傳動方式稱為“直接驅(qū)動”，也稱“零傳動”。直接驅(qū)動避免了絲杠傳動中的反向間隙、慣性、摩擦力和剛性不足等缺點。高速響應性、高精度性；速度快、加減速過程短；主 容效率高；動態(tài)剛度高；推力平穩(wěn)；行程長度不受限制；采用全閉環(huán)控制系統(tǒng)。直線電機在機床上的應用也存在一些問題：發(fā)熱問題、隔磁與防護、負載干擾、垂直自重等。優(yōu)點：二、直線電動機應用1.永磁直線同步電動機在精密加工上的應用 為了提高生產(chǎn)力和改善加工質(zhì)量，超高速、超高精度加工是