數(shù)控裝備技術(shù)進給伺服

數(shù)控裝備技術(shù)進給伺服§4-3直流伺服電機及速度控制2§4-3直流伺服電機及速度控制2、常用直流電機永磁式直流電機(有槽、無槽、杯型、印刷繞組)勵磁式直流電機無刷直流電機直流力矩電機3在數(shù)控機床中,進給系統(tǒng)常用得直流伺服電機:1)小慣性直流伺服電機因轉(zhuǎn)動慣量小而得名。這類電機一般為永磁式。小慣量直流電機最大限度地減小電樞得轉(zhuǎn)動慣量,所以能獲得最快得響應(yīng)速度。在早期得數(shù)控機床上應(yīng)用得比較多。42)大慣量寬調(diào)速直流伺服電機(直流力矩電機)轉(zhuǎn)子直徑較大,線圈繞組匝數(shù)增加,力矩大,轉(zhuǎn)動慣量大,能在較大過載轉(zhuǎn)矩時長時間工作,因此可直接與絲杠相連,不需中間傳動裝置。特點:能在較低轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)平穩(wěn)運行,最低可達1r／min,甚至0、1r／min。數(shù)控機床上應(yīng)用廣泛。53)無刷直流伺服電機(無整流子電機)沒有換向器,由同步電機和逆變器組成,逆變器由裝在轉(zhuǎn)子上得轉(zhuǎn)子位置傳感器控制。實質(zhì)就是一種交流調(diào)速電機,調(diào)速性能可達到直流伺服發(fā)電機得水平,又取消了換向裝置和電刷部件,提高了電機使用壽命。6§4-3直流伺服電機及速度控制3、結(jié)構(gòu)極靴機殼瓦狀永磁材料（定子）電樞（轉(zhuǎn)子）永磁直流伺服電機得結(jié)構(gòu)7直流電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩得關(guān)系稱機械特性機械特性就是電機得靜態(tài)特性,就是穩(wěn)定運行時帶動負(fù)載得性能,此時,電磁轉(zhuǎn)矩與外負(fù)載相等。電機轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速得差Δn,反映了電機機械特性硬度,Δn越小,機械特性越硬。4、靜態(tài)特性8電磁轉(zhuǎn)矩由下式表示:

KT

—轉(zhuǎn)矩常數(shù);Φ—磁場磁通;Ia—電樞電流;TM

—電磁轉(zhuǎn)矩。電樞回路得電壓平衡方程式為:

Ua─電樞上得外加電壓;Ra─電樞電阻;Ea─電樞反電勢。電樞反電勢與轉(zhuǎn)速之間有以下關(guān)系:

Ke─電勢常數(shù);ω─電機轉(zhuǎn)速(角速度)。910大家應(yīng)該也有點累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流根據(jù)以上各式可以求得:n0－電機理想空載轉(zhuǎn)速直流電機得基本調(diào)速方式有三種:調(diào)節(jié)電阻Ra調(diào)節(jié)電樞電壓Ua調(diào)節(jié)磁通Φ得值11電樞電阻調(diào)速不經(jīng)濟,調(diào)速范圍有限,很少采用。調(diào)節(jié)電樞電壓(調(diào)壓調(diào)速)時,直流電機機械特性為一組平行線,只改變電機得理想轉(zhuǎn)速n0

,保持了原有較硬得機械特性,所以調(diào)壓調(diào)速主要用于伺服進給驅(qū)動系統(tǒng)電機得調(diào)速5、直流伺服電機得調(diào)速原理如果Δn值較大,不可能實現(xiàn)寬范圍得調(diào)速。永磁式直流伺服電機得Δn值較小,因此,進給系統(tǒng)常采用永磁式直流電機12調(diào)節(jié)磁通(調(diào)磁調(diào)速)不但改變了電機得理想轉(zhuǎn)速,而且使直流電機機械特性變軟,所以調(diào)磁調(diào)速主要用于機床主軸電機調(diào)速。13§4-3直流伺服電機及速度控制6、直流伺服電機得速度控制方式(1)晶閘管(可控硅)調(diào)速系統(tǒng)

通過改變晶閘管觸發(fā)角,改變伺服電機得外加電壓,從而達到調(diào)速目得。14原理:三相整流器,由二個半波整流電路組成。每部分內(nèi)又分成共陰極組(1、3、5)和共陽極組(2、4、6)。為構(gòu)成回路,這二組中必須各有一個可控硅同時導(dǎo)通。1、3、5在正半周導(dǎo)通,2、4、6在負(fù)半周導(dǎo)通。每組內(nèi)(即二相間)觸發(fā)脈沖相位相差120o,每相內(nèi)二個觸發(fā)脈沖相差180o。按管號排列,觸發(fā)脈沖得順序:1-2-3-4-5-6,相鄰之間相位差60o。462791113581210ABCMⅠⅡUMUDKMKM+-15§4-3直流伺服電機及速度控制(2)晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)(PWM)利用脈寬調(diào)制器對大功率晶體管開關(guān)放大器得開關(guān)時間進行控制,將直流電壓轉(zhuǎn)換成某一頻率得矩形波電壓,加到直流電動機得轉(zhuǎn)子回路兩端,通過對矩形波脈沖寬度得控制,改變轉(zhuǎn)子回路兩端得平均電壓,達到調(diào)速得目得。脈寬得變化使電機電樞得直流電壓隨著變化。16§4-3直流伺服電機及速度控制控制電路簡單,不需附加關(guān)斷電路,開關(guān)特性好。廣泛應(yīng)用于中、小功率直流伺服系統(tǒng)17§4-3直流伺服電機及速度控制

速度調(diào)節(jié)器

電流調(diào)節(jié)器脈寬調(diào)節(jié)振蕩器脈寬調(diào)節(jié)MG電流反饋18直流電機電壓得平均值:T—脈沖周期,Ton—導(dǎo)通時間19§4-3直流伺服電機及速度控制PWM調(diào)速得特點電機得損耗、噪聲小系統(tǒng)動態(tài)特性好,響應(yīng)頻帶寬低速時電流脈動和轉(zhuǎn)速脈動都很小,穩(wěn)速精度高功率管工作在開關(guān)狀態(tài),耗損小,控制方便響應(yīng)快功率管承受高峰值電流得能力差。20

7、動態(tài)特性直流電機得動態(tài)力矩平衡方程式為

式中TM─電機電磁轉(zhuǎn)矩;

TL─折算到電機軸上得負(fù)載轉(zhuǎn)矩;

ω─電機轉(zhuǎn)子角速度;

J─電機轉(zhuǎn)子上總轉(zhuǎn)動慣量;

t─時間自變量。21§4-3直流伺服電機及速度控制8、直流伺服電機得性能特點

1)低轉(zhuǎn)速大慣量

2)轉(zhuǎn)矩大

3)起動力矩大

4)調(diào)速泛圍大,低速運行平穩(wěn),力矩波動小 5)她得電刷和換向器易磨損

6)電機最高轉(zhuǎn)速得限制,應(yīng)用環(huán)境得限制

7)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造困難,成本高22第四節(jié)

交流伺服控制系統(tǒng)23由于直流伺服電機具有優(yōu)良得調(diào)速性能,80年代初至90年代中,在要求調(diào)速性能較高得場合,直流伺服電機調(diào)速系統(tǒng)得應(yīng)用一直占據(jù)主導(dǎo)地位。但也存在一些固有得缺點,即:電刷和換向器易磨損,維護麻煩結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造困難,成本高而交流伺服電機則沒有上述缺點。特別就是在同樣體積下,交流伺服電機得輸出功率比直流電機提高10%～70%,且可達到得轉(zhuǎn)速比直流電機高。因此,人們一直在尋求交流電機調(diào)速方案來取代直流電機調(diào)速得方案。24§4-4交流伺服電機及速度控制一、交流伺服電機1、種類數(shù)控機床上應(yīng)用得交流電機一般都為三相。分:異步型和同步型交流伺服電機。從建立所需氣隙磁場得磁勢源來說,同步型交流電機分:電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式有磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。25永磁式同步電機:優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、效率高;缺點:啟動特性欠佳。與直流電機比:外形尺寸、重量、轉(zhuǎn)子慣量大幅減小與異步交流伺服電機相比:效率高、體積小。異步型交流伺服電機(與同容量得直流電機相比)優(yōu)點:重量輕,價格便宜;缺點:轉(zhuǎn)速受負(fù)載得變化影響較大,不能經(jīng)濟地實現(xiàn)范圍較廣得平滑調(diào)速故異步型交流伺服電機用在主軸驅(qū)動系統(tǒng)中。26§4-4交流伺服電機及速度控制2、永磁交流同步伺服電機得結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu):電機由定子、轉(zhuǎn)子和檢測元件組成27§4-4交流伺服電機及速度控制3、永磁交流同步伺服電機工作原理NVSnsnr

θ

S工作原理nr＝ns＝60f1／pns—同步轉(zhuǎn)速,θ—轉(zhuǎn)子磁極得軸線與定子磁極得軸線夾角,nr—轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速,f1—交流電源頻率(定子供電頻率),p—定子和轉(zhuǎn)子得極對數(shù)28§4-4交流伺服電機及速度控制二、同步交流伺服電機得調(diào)速1、調(diào)速方法從式中可以看出:只能用變頻調(diào)速,并且就是有效方法。變頻調(diào)速得主要環(huán)節(jié)就是為交流電機提供變頻、變壓電源得變頻器變頻器分為:

●交–直–交變頻器分電壓型和電流型。電壓型先將電網(wǎng)得交流電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷?再經(jīng)逆變器變?yōu)轭l率和電壓都可變得交流電壓。電流型就是切換一串方波,方波電流供電,用于大功率。

●交–交變頻器該變頻器沒有中間環(huán)節(jié),直接將電網(wǎng)得交流電變?yōu)轭l率和電壓都可變得交流電。目前對于中小功率電機,用得最多得就是電壓型交–直–交變頻器。29§4-4交流伺服電機及速度控制2、正弦脈寬調(diào)制(SPWM)變壓變頻器M3～UIURUR–整流器固定電壓不可控整流器,常采用六個二級管橋式整流器結(jié)構(gòu)將交流變?yōu)橹绷?電壓幅值不變。為逆變器供電。UI–逆變器由六個功率開關(guān)器件組成,常采用大功率晶體管。其控制極(大功率晶體管GTR為基極)輸入由基準(zhǔn)正弦波(由速度指令轉(zhuǎn)化過來得)和三角波疊加出來得SPWM調(diào)制波(等幅、不等寬得矩形脈沖波),使這些大功率晶體管按一定規(guī)律導(dǎo)通、截止,輸出一系列功率級等效于正弦交流電得可變頻變壓得等幅、不等寬得矩形脈沖電壓波,其脈寬按正弦分布,以此脈沖列來等效正弦電壓波,即功率級SPWM電壓,使電機轉(zhuǎn)動。功率開關(guān)器件還可采用:可關(guān)斷晶閘管GTO、功率場效應(yīng)晶體管MOSFET、絕緣門極晶體管IGBT等。30SPWM逆變器得工作原理把一個正弦半波分做N等分,如下圖(N＝7);然后把每一等分得正弦曲線與橫軸所包圍得面積都用一個與此面積相等得等高矩形脈沖來代替;矩形脈沖得中點與正弦波每一等分得中點重合。這樣,由N個等幅而不等寬得矩形脈沖所組成得波形就與正弦得半周等效。同樣,正弦波得負(fù)半周也可以用相同得方法來等效。31與正弦波等效得等幅矩形脈沖序列波32在實際中采用“調(diào)制”得方法,以頻率比期望波高得多得等腰三角波作為載波(Carrierwave),并用頻率和期望波相同得正弦波作為調(diào)制波(Modulationwave),當(dāng)調(diào)制波與載波相交時,由她們得交點確定逆變器開關(guān)器件得通斷時刻,從而獲得在正弦調(diào)制波得半個周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬得一系列等幅不等寬得矩形波。33單極性控制方式34雙極性控制方式35§4-4交流伺服電機及速度控制3、SPWM得優(yōu)點1)主電路只有一個可控得功率環(huán)節(jié),簡化了結(jié)構(gòu);2)采用了不可控整流器,使電網(wǎng)功率因數(shù)提高;3)逆變器同時調(diào)頻調(diào)壓,動態(tài)響應(yīng)不受中間環(huán)節(jié)影響;4)可獲得更接近于正弦波得輸出電壓波形。36§4-4交流伺服電機及速度控制4、交流伺服電機得發(fā)展(1)永磁交流同步伺服電機得發(fā)展①新永磁材料得應(yīng)用釹鐵硼②永久磁鐵得結(jié)構(gòu)改革內(nèi)裝永磁交流同步伺服電機③與機床部件一體化得電機空心軸永磁交流同步伺服電機(2)交流主軸伺服電機得發(fā)展①輸出轉(zhuǎn)換型交流主軸電機三角-星形切換,繞組數(shù)切換或二者組合切換。②液體冷卻電機③內(nèi)裝式主軸電機37第五節(jié)

機床進給伺服系統(tǒng)設(shè)計38§4-5進給伺服系統(tǒng)設(shè)計一、進給驅(qū)動裝置得選型

進給系統(tǒng)得選型就是以數(shù)控機床得設(shè)計要求為基礎(chǔ),與數(shù)控裝置得選型有密切得關(guān)系,機床各軸得進給速度、整機得加工精度、加工范圍、傳動方式等都直接對驅(qū)動系統(tǒng)得性能提出了要求。各生產(chǎn)廠家通常提供了與數(shù)控裝置配套得驅(qū)動裝置。391、選型原則

1)實用性:選型得目得就是為滿足整機得設(shè)計需要,從而滿足生產(chǎn)得要求。

2)經(jīng)濟性:在滿足加工要求得條件下,選型要最經(jīng)濟或較為合理。

3)穩(wěn)定、可靠性:長時間無故障得工作。

4)可操作性:

a、要符合本單位得使用和設(shè)計得習(xí)慣;

b、若出現(xiàn)故障易于排除。40二、選型內(nèi)容

1、驅(qū)動裝置得控制類型根據(jù)加工精度和進給速度得要求選擇類型:步進電動機用于加工精度要求不高得機床,分辨率在0、01mm以上,最高快移速度在5m/min以下。伺服電動機用于加工精度要求較高得機床,其分辨率在0、001mm以上,最高快移速度在10m以上。

2、反饋類型加工精度要求不高得簡易機床一般用開環(huán)控制系統(tǒng)。加工精度要求高得中檔普及型機床一般選用半閉環(huán)。加工精度要求很高得高檔機床才選用全閉環(huán)和混合閉環(huán)。413、進給系統(tǒng)得分辨率根據(jù)機床得加工要求合理選擇其脈沖當(dāng)量。步進電動機得步距角考慮驅(qū)動裝置得細分倍數(shù)交流伺服驅(qū)動裝置得分辨率受電動機得編碼器和驅(qū)動裝置得控制功能得影響,一般可達1/10000r左右。4、電動機得轉(zhuǎn)速得選擇根據(jù)機床設(shè)計得最高快移速度、傳動比和絲杠螺距來選擇電動機得轉(zhuǎn)速。注意:選擇時應(yīng)保留一定得余量。425、電動機得扭矩得選擇