工廠電氣設(shè)備及技能訓(xùn)練教案第6章PPT

工廠電氣設(shè)備及技能訓(xùn)練教案第6章PPT6.1數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)概述

伺服系統(tǒng)是以機(jī)床移動(dòng)部件〔如工作臺(tái)〕的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，通常由伺服驅(qū)動(dòng)裝置、伺服電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件組成。其作用是：承受數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)裝置作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給或快速運(yùn)動(dòng)。2數(shù)控機(jī)床閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的一般構(gòu)造如圖6-1所示。伺服系統(tǒng)從外部來看，是一個(gè)以位置指令輸入和位置控制為輸出的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。但從內(nèi)部的實(shí)際工作來看，它是先把位置控制指令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度信號(hào)后，通過調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，才實(shí)現(xiàn)實(shí)際位移的。346.1.2對(duì)伺服系統(tǒng)的根本要求穩(wěn)定性好精度高快速性好調(diào)速范圍寬低速大扭矩5穩(wěn)定性好穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在給定外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，到達(dá)新的或者恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)的能力。要求伺服系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，保證進(jìn)給速度均勻、平穩(wěn)。穩(wěn)定性直接影響數(shù)控加工精度和外表粗糙度。6精度高伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的準(zhǔn)確程度。伺服系統(tǒng)的位移精度是指指令脈沖要求機(jī)床工作臺(tái)進(jìn)給的位移量和該指令脈沖經(jīng)伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為工作臺(tái)實(shí)際位移量之間的符合程度。兩者誤差愈小，位移精度愈高。7快速性好快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)跟蹤速度。機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)實(shí)際上就是一種高精度的位置隨動(dòng)系統(tǒng)，為保證輪廓切削形狀精度和低的外表粗糙度，要求伺服系統(tǒng)跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快，跟隨誤差小。8調(diào)速范圍寬調(diào)速范圍是指電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。在數(shù)控機(jī)床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，為保證在各種情況下都能得到最正確切削條件，就要求伺服系統(tǒng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。9低速大扭矩要求伺服系統(tǒng)有足夠的輸出扭矩或驅(qū)動(dòng)功率。機(jī)床加工的特點(diǎn)是，在低速時(shí)進(jìn)展重切削。因此，伺服系統(tǒng)在低速時(shí)要求有大的轉(zhuǎn)矩輸出。106.1.2伺服系統(tǒng)的分類

1．開環(huán)和伺服系統(tǒng)2.閉環(huán)伺服系統(tǒng)3.半閉環(huán)伺服系統(tǒng)4．直流伺服系統(tǒng)5.交流伺服系統(tǒng)

11開環(huán)伺服系統(tǒng)

開環(huán)伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，它沒有反響回路，因此設(shè)備投資低，調(diào)試維修方便，但精度差，高速扭矩小，被用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床及普通機(jī)床的數(shù)控化改造。12圖6-2開環(huán)伺服系統(tǒng)原理示意圖

13閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置檢測(cè)裝置安裝在機(jī)床的工作臺(tái)上〔圖6-1〕，檢測(cè)裝置測(cè)出實(shí)際位移量或者實(shí)際所處位置，并將測(cè)量值反響給CNC裝置，與指令進(jìn)展比較，求得差值，構(gòu)成閉環(huán)位置控制。閉環(huán)方式被大量用在精度要求較高的大型數(shù)控機(jī)床上14圖6-3半閉環(huán)伺服系統(tǒng)簡(jiǎn)圖15半閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)如圖6-3所示。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)一般將位置檢測(cè)元件安裝在電動(dòng)機(jī)軸上，用以準(zhǔn)確控制電機(jī)的角度，然后通過滾珠絲杠等傳動(dòng)部件，將角度轉(zhuǎn)換成工作臺(tái)的位移，為間接測(cè)量。目前在精度要求適中的中小型數(shù)控機(jī)床上，使用半閉環(huán)系統(tǒng)較多。16直流伺服系統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)就是控制直流電機(jī)的系統(tǒng)。目前使用比較多的是永磁式直流伺服電機(jī)。永磁直流伺服電機(jī)，調(diào)速范圍寬，輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，而且電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，應(yīng)用較方便直流電機(jī)有電刷，限制了轉(zhuǎn)速的提高，而且構(gòu)造復(fù)雜，價(jià)格較貴。17交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的突破，交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在80年代進(jìn)入電氣傳動(dòng)調(diào)速控制的各個(gè)領(lǐng)域。交流伺服電機(jī)，轉(zhuǎn)子慣量比直流電機(jī)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。而且容易維修，制造簡(jiǎn)單，適合于在較惡劣環(huán)境中使用，易于向大容量、高速度方向開展，其性能更加優(yōu)異，交流伺服電機(jī)已在數(shù)控機(jī)床中得到廣泛應(yīng)用。186.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置6.2.1步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)受驅(qū)動(dòng)線路控制，將進(jìn)給脈沖序列轉(zhuǎn)換成為具有一定方向、大小和速度的機(jī)械轉(zhuǎn)角位移，并通過齒輪和絲杠帶開工作臺(tái)移動(dòng)。進(jìn)給脈沖的頻率代表了驅(qū)動(dòng)速度，脈沖的數(shù)量代表了位移量。由于該系統(tǒng)沒有反響檢測(cè)環(huán)節(jié)，其精度主要由步進(jìn)電機(jī)來決定，速度也受到步進(jìn)電機(jī)性能的限制。191．步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造步進(jìn)電機(jī)在構(gòu)造上分為定子和轉(zhuǎn)子兩局部，現(xiàn)以圖6-4所示的反響式三相步進(jìn)電機(jī)為例加以說明。定子上有六個(gè)磁極，每個(gè)磁極上繞有勵(lì)磁繞組，每相對(duì)的兩個(gè)磁極組成一相，分成A、B、C三相。轉(zhuǎn)子無繞組，它是由帶齒的鐵心做成的。步進(jìn)電機(jī)是按電磁吸引的原理進(jìn)展工作的。20圖6-4三相反響式步進(jìn)電機(jī)構(gòu)造212．步進(jìn)電機(jī)的工作原理

假設(shè)轉(zhuǎn)子上有四個(gè)齒，相鄰兩齒間夾角〔齒距角〕為900。當(dāng)A相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子1、3齒被磁極A產(chǎn)生的電磁引力吸引過去，使1、3齒與A相磁極對(duì)齊。接著B相通電，A相斷電，磁極B又把距它最近的一對(duì)齒2、4吸引過來，使轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)30o。然后C相通電，B相斷電，轉(zhuǎn)子又逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30o，依次類推，定子按A→B→C→A順序通電，轉(zhuǎn)子就一步步地按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，每步轉(zhuǎn)30o。假設(shè)改變通電順序，按A→C→B→A使定子繞組通電，步進(jìn)電機(jī)就按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同樣每步轉(zhuǎn)30o。這種控制方式叫三相單三拍方式。22三相雙三拍控制方式三相雙三拍控制方式，即通電順序按AB→BC→CA→AB〔逆時(shí)針方向〕或AC→CB→BA→AC〔順時(shí)針方向〕進(jìn)展，其步距角仍為300。由于雙三拍控制每次有二相繞組通電，而且切換時(shí)總保持一相繞組通電，所以工作比較穩(wěn)定。它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且轉(zhuǎn)換過程中始終保證有一個(gè)繞組通電，工作穩(wěn)定，因此這種方式被大量采用23圖6-5步進(jìn)電機(jī)工作原理241.

步距角和步距誤差2.靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性3.

最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩4.啟動(dòng)頻率5.連續(xù)運(yùn)行頻率6.矩頻特性與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩251.

步距角和步距誤差步距角和步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)、通電方式及電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)的關(guān)系如下：〔6-1〕式中α—步進(jìn)電機(jī)的步距角；m—電機(jī)相數(shù)；Z—轉(zhuǎn)子齒數(shù)；K—系數(shù)，相鄰兩次通電相數(shù)一樣，K＝1；相鄰兩次通電相數(shù)不同，K＝2。262.靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性當(dāng)步進(jìn)電機(jī)上某相定子繞組通電之后，轉(zhuǎn)子齒將力求與定子齒對(duì)齊，使磁路中的磁阻最小，轉(zhuǎn)子處在平衡位置不動(dòng)〔θ＝0〕。如果在電機(jī)軸上外加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mz，轉(zhuǎn)子會(huì)偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過一個(gè)角度θ，角度θ稱為失調(diào)角。有失調(diào)角之后，步進(jìn)電機(jī)就產(chǎn)生一個(gè)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩〔也稱為電磁轉(zhuǎn)矩〕，這時(shí)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角θ的關(guān)系叫矩角特性，如圖6-6所示。27圖6-6靜態(tài)矩角特性

284.啟動(dòng)頻率

空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然起動(dòng)，并進(jìn)入不失步的正常運(yùn)行的最高頻率，稱為啟動(dòng)頻率或突跳頻率，加給步進(jìn)電機(jī)的指令脈沖頻率如大于啟動(dòng)頻率，就不能正常工作。步進(jìn)電機(jī)在帶負(fù)載〔尤其是慣性負(fù)載〕下的啟動(dòng)頻率比空載要低。而且，隨著負(fù)載加大〔在允許范圍內(nèi)〕，啟動(dòng)頻率會(huì)進(jìn)一步降低。295.連續(xù)運(yùn)行頻率

步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)后，其運(yùn)行速度能根據(jù)指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運(yùn)行頻率。其值遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率，它也隨著電機(jī)所帶負(fù)載的性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)動(dòng)電源也有關(guān)系。

306.矩頻特性與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩

矩頻特性是描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，假設(shè)輸入脈沖頻率逐漸增加，那么電動(dòng)機(jī)所能帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩將逐漸下降。在使用時(shí)，一定要考慮動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而下降的特點(diǎn)。31步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)

1．

環(huán)形脈沖分配器

2．驅(qū)動(dòng)電路

321．

環(huán)形脈沖分配器

硬件環(huán)形分配器是根據(jù)真值表或邏輯關(guān)系式采用邏輯門電路和觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)，該線路由與非門和J－K觸發(fā)器組成。指令脈沖加到三個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入端CP，旋轉(zhuǎn)方向由正、反控制端的狀態(tài)決定。軟件環(huán)形分配器實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單、方便。計(jì)算機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，使用軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配，常用的是查表法。

33圖6-8三相六拍環(huán)形分配器

342．驅(qū)動(dòng)電路

功率放大器的作用是將環(huán)形分配器發(fā)出的電平信號(hào)放大至幾安培到幾十安培的電流送至步進(jìn)電機(jī)各繞組，每一相繞組分別有一組功率放大電路。以下介紹三種典型的驅(qū)動(dòng)電路：?jiǎn)坞妷汉?jiǎn)單驅(qū)動(dòng)、上下壓驅(qū)動(dòng)和恒流斬波驅(qū)動(dòng)。35圖6-9單電壓驅(qū)動(dòng)電路原理圖

36上下壓電路電路特點(diǎn)是高壓充電，低壓維持。當(dāng)環(huán)形分配器輸出高電平時(shí)，兩只功率放大管T1，T2同時(shí)導(dǎo)通，繞組電流快速上升，前沿很陡，當(dāng)接近額定電流時(shí)，單穩(wěn)延時(shí)時(shí)間到，T1管截止，改由低壓＋12V供電，維持繞組額定電流。當(dāng)?shù)蛪簲嚅_時(shí)，電感中儲(chǔ)能通過構(gòu)成的放電回路放電，因此也加快了放電過程。這種供電線路有利于提高步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率和最高連續(xù)工作頻率。由于額定電流是由低壓維持的，只需較小的限流電阻，功耗小

37圖6-10上下壓驅(qū)動(dòng)電路原理圖38恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路

工作原理是：環(huán)形分配器輸出的正脈沖將T1，T2導(dǎo)通，由于U1電壓較高，繞組回路沒串電阻，所以繞組電流迅速上升，當(dāng)繞組電流上升到額定值以上的某一數(shù)值時(shí)，由于采樣電阻Re的反響作用，經(jīng)整形、放大后送自T1的基極，使T1管截止。接著繞組由U2低壓供電，繞組中的電流立即下降，但剛降到額定值以下時(shí)，由于采樣電阻Re的反響作用，使整形電路無信號(hào)輸出，此時(shí)高壓前置放大電路又使T1導(dǎo)通，電流又上升。如此反復(fù)進(jìn)展，形成一個(gè)在額定電流值上下波動(dòng)呈鋸齒狀的繞組電流波形，近似恒流。39圖6-11恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路原理40開環(huán)控制步進(jìn)式伺服系統(tǒng)的工作原理

1.工作臺(tái)位移量的控制

2.工作臺(tái)進(jìn)給速度的控制

3.工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向的控制

411.工作臺(tái)位移量的控制

數(shù)控裝置發(fā)出N個(gè)脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)線路放大后，使步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)變化N次，如果一個(gè)脈沖使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度為α，那么步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角位移量Φ＝Nα，再經(jīng)減速齒輪、絲杠、螺母之后轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髋_(tái)的位移量L，即進(jìn)給脈沖數(shù)決定了工作臺(tái)的直線位移量L。422.工作臺(tái)進(jìn)給速度的控制

數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給脈沖頻率為f，經(jīng)驅(qū)動(dòng)控制線路，表現(xiàn)為控制步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電、斷電狀態(tài)的電平信號(hào)變化頻率，定子繞組通電狀態(tài)變化頻率決定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速經(jīng)過減速齒輪及絲杠、螺母之后，表為工作臺(tái)的進(jìn)給速度V，即進(jìn)給脈沖的頻率決定了工作臺(tái)的進(jìn)給速度。

433.工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向的控制

改變步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖信號(hào)的循環(huán)順序方向，就可改變定子繞組中電流的通斷循環(huán)順序，從而使步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，相應(yīng)的工作臺(tái)進(jìn)給方向就被改變。

446.3

交流伺服系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床用交流電機(jī)

交流電機(jī)的速度控制

1．交流感應(yīng)電機(jī)矢量控制原理

2.矢量旋轉(zhuǎn)變換

3.直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)的變換

4．交流電機(jī)的變頻調(diào)速

45數(shù)控機(jī)床用交流電機(jī)

在交流伺服系統(tǒng)中，按電機(jī)種類可分為同步型和異步型〔感應(yīng)電機(jī)〕兩種。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中多采用永磁式同步電機(jī)。由變頻電源供電給同步電機(jī)時(shí)，能方便地獲得與頻率成正比的可變速度，可以得到非常硬的機(jī)械特性及寬的調(diào)速范圍。交流主軸電機(jī)多采用交流異步電機(jī)，很少采用永磁同步電機(jī)，主要因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)的容量不大，且電機(jī)本錢較高。46交流電機(jī)的速度控制

1．交流感應(yīng)電機(jī)矢量控制原理

在伺服系統(tǒng)中，直流伺服電機(jī)能獲得優(yōu)良的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能，其根本原因是被控制量只有電機(jī)磁場(chǎng)和電樞電流Ia，且這兩個(gè)量是獨(dú)立的。

47三相/二相直流電機(jī)變換

圖6-12a所示三相異步交流電機(jī)在空間上產(chǎn)生一個(gè)角速度為ω0的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)φ。如果用圖6-12b中的兩套空間相差90o的繞組α和β來代替，并通以兩相在時(shí)間上相差90o的交流電流，使其也產(chǎn)生角速度為ω0的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)φ，那么可以認(rèn)為圖6-12a和圖6-12b中的兩套繞組是等效的。假設(shè)給圖6-12c所示模型上兩個(gè)互相垂直繞組d和q，分別通以直流電流和，那么將產(chǎn)生位置固定的磁場(chǎng)φ，如果再使繞組以角速度ω0旋轉(zhuǎn)，那么所建立的磁場(chǎng)也是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其幅值和轉(zhuǎn)速也與圖6-12a一樣48圖6-12交流電機(jī)三相/二相直流電機(jī)變換

49三相磁動(dòng)勢(shì)的變換

應(yīng)用三相/二相的數(shù)學(xué)變換公式，將其化為二相交流繞組的等效交流磁場(chǎng)。那么產(chǎn)生的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與三相A、B、C繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一致。令三相繞組中的A相繞組的軸線與α坐標(biāo)軸重合，其磁勢(shì)為〔見圖6-13a〕。除磁勢(shì)的變換外，變換中用到的其它物理量，只要是三相平衡量與二相平衡量，那么轉(zhuǎn)換方式一樣。這樣就將三相電機(jī)轉(zhuǎn)換為二相電機(jī)，如圖6-12b。50圖6-13三相磁動(dòng)勢(shì)的變換

51

2.矢量旋轉(zhuǎn)變換

將三相電機(jī)轉(zhuǎn)化為二相電機(jī)后，還需將二相交流電機(jī)變換為等效的直流電機(jī)。假設(shè)設(shè)圖6-12c中d為激磁繞組，通以激磁電流，q為電樞繞組，通以電樞電流，那么產(chǎn)生固定幅度的磁場(chǎng)φ，在定子上以角速度旋轉(zhuǎn)。這樣就可看成是直流電機(jī)了。轉(zhuǎn)換公式。

523.直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)的變換

矢量控制中，還要用到直角坐標(biāo)系與極坐標(biāo)系的變換。如圖6-13b中，由和求，其公式為

534．交流電機(jī)的變頻調(diào)速

交流電機(jī)調(diào)速種類很多，應(yīng)用最多的是變頻調(diào)速。變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是能為交流電機(jī)提供變頻電源的變頻器。變頻器可分為交-直-交變頻器和交-交變頻器兩大類。54圖6-14PWM變頻器的主電路55逆變管的工作情況

圖6-15所示為逆變管的工作情況，圖中陰影局部為各逆變管的導(dǎo)通時(shí)間，其余為關(guān)斷狀態(tài)。逆變橋輸出的線電壓波形如圖6-16所示，由圖可見，各相之間的相位互差120o，它們的幅值都與直流電壓Ud相等。只要按照一定的規(guī)律來控制逆變管的導(dǎo)通與截止，就可以把直流電逆變成三相交