第8章_伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).ppt

1、第8章伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，8.1概述8.1.1伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的概念1什么是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，也稱(chēng)為伺服系統(tǒng)，是一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以跟蹤輸入命令信號(hào)，并采取行動(dòng)，以獲得準(zhǔn)確的位置、速度或力輸出。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)以機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的位置和速度為控制量，接收插補(bǔ)裝置或插補(bǔ)軟件產(chǎn)生的進(jìn)給脈沖指令，經(jīng)過(guò)一定的信號(hào)轉(zhuǎn)換、電壓和功率放大以及檢測(cè)反饋，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)床工作臺(tái)相對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)的控制系統(tǒng)。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功能伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功能可以概括如下：(1)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以放大控制信號(hào)并具有輸出功率的能力；(2)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)送的控制信息控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的位置和速度。

2、數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求(1)加工過(guò)程中的可逆操作，可以隨時(shí)實(shí)現(xiàn)正向或反向運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，當(dāng)方向改變時(shí)，不應(yīng)有反向間隙和運(yùn)動(dòng)損失。(2)進(jìn)給速度范圍應(yīng)寬。對(duì)于普通機(jī)床，當(dāng)進(jìn)給速度范圍為0.24米/分鐘時(shí)，可以滿(mǎn)足加工要求。具體技術(shù)要求如下。在124000毫米/分鐘的調(diào)速范圍內(nèi)，即124000，要求均勻、穩(wěn)定、無(wú)爬行、速度下降小。當(dāng)?shù)陀?毫米/分鐘時(shí)，有一定的瞬時(shí)速度，但瞬時(shí)速度較低。零速時(shí)，即工作臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，要求電機(jī)有電磁轉(zhuǎn)矩來(lái)保持定位精度，使定位誤差不超過(guò)系統(tǒng)的允許范圍，即電機(jī)在零速時(shí)處于伺服鎖定狀態(tài)。(3)足夠的傳動(dòng)剛度和速度穩(wěn)定性(4)無(wú)超調(diào)的快速響應(yīng)快速響應(yīng)是衡量伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的重

3、要性能指標(biāo)，反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要求快。一方面，在頻繁起動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速等動(dòng)態(tài)過(guò)程中。要求加速和減速足夠大，以縮短過(guò)渡時(shí)間，一般在200毫秒以?xún)?nèi)，甚至小于幾十毫秒，并且速度變化不應(yīng)超過(guò)；另一方面，當(dāng)負(fù)載突然變化時(shí)，過(guò)渡過(guò)程的恢復(fù)時(shí)間很短，并且沒(méi)有振蕩。高精度為了滿(mǎn)足數(shù)控加工的精度，關(guān)鍵是要保證數(shù)控機(jī)床的定位精度和位移精度。位移精度位移精度是指指令脈沖進(jìn)給機(jī)床所需的位移與伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的工作臺(tái)實(shí)際位移的重合度。它們之間的誤差越小，伺服系統(tǒng)的位移精度越高。目前，位移精度在整個(gè)范圍內(nèi)可達(dá)5m，普通數(shù)控機(jī)床的脈沖當(dāng)量為0.010.005毫米/脈沖，高精度數(shù)控機(jī)床的脈沖當(dāng)量可達(dá)0.

4、001毫米/脈沖甚至更高。定位精度定位精度是指輸出能夠再現(xiàn)輸入的精度。進(jìn)給伺服系統(tǒng)的定位精度一般要求達(dá)到1米甚至0.1米。(6)低速大扭矩根據(jù)數(shù)控機(jī)床的加工特點(diǎn)，重切削大多是在低速下進(jìn)行的，即進(jìn)給傳動(dòng)在低速下要有大的扭矩輸出。動(dòng)力源應(yīng)盡可能靠近機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以簡(jiǎn)化傳動(dòng)裝置機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)，增加系統(tǒng)的剛度，提高傳動(dòng)精度。伺服系統(tǒng)的組成和工作原理閉環(huán)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖8-1所示。圖8-1閉環(huán)伺服系統(tǒng)示意圖。數(shù)控機(jī)床的位置控制過(guò)程：安裝在工作臺(tái)上的位置檢測(cè)元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成數(shù)字位置量，由位置反饋電路送到微機(jī)，并將位置反饋量與輸入微機(jī)的指令位置進(jìn)行比較。如果比較結(jié)果不一致，微機(jī)發(fā)出差分信號(hào)，由驅(qū)

5、動(dòng)電路進(jìn)行變換和放大測(cè)速發(fā)電機(jī)和伺服電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)。如果電機(jī)速度因外部負(fù)載增加而降低，轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)速度也會(huì)降低。通過(guò)速度反饋電路，速度變化信號(hào)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該電信號(hào)被發(fā)送到驅(qū)動(dòng)電路以與輸入信號(hào)進(jìn)行比較。經(jīng)過(guò)比較后，差值信號(hào)被放大，產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)電壓，從而提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，恢復(fù)到原來(lái)設(shè)定的轉(zhuǎn)速，使電機(jī)能夠消除負(fù)載變化的干擾，保持轉(zhuǎn)速不變。伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖可表示如下：圖8-2伺服系統(tǒng)框圖閉環(huán)伺服系統(tǒng)的主要部件從以上原理圖和框圖可以看出閉環(huán)伺服系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：(1)微機(jī)可以接收輸入的加工程序和反饋信號(hào)，經(jīng)系統(tǒng)軟件處理后，輸出端口發(fā)出指令信號(hào)。(2)驅(qū)動(dòng)電路接收來(lái)自微機(jī)的指令，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成

6、電壓信號(hào)，經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。速度由命令控制。為實(shí)現(xiàn)恒速控制功能，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能接收速度反饋信號(hào)，并將反饋信號(hào)與微機(jī)的輸入信號(hào)進(jìn)行比較，并將差值信號(hào)作為控制信號(hào)，使電機(jī)保持恒速旋轉(zhuǎn)。致動(dòng)器可以是DC電機(jī)、交流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)通常是開(kāi)環(huán)控制的。(4)傳動(dòng)裝置包括減速箱和滾珠絲杠等。(5)位置檢測(cè)元件和反饋電路位置檢測(cè)元件包括線(xiàn)性感應(yīng)同步器、光柵和磁尺。位置檢測(cè)元件檢測(cè)到的位移信號(hào)由反饋電路轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的反饋信號(hào)并發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較并發(fā)出差值信號(hào)。(6)轉(zhuǎn)速表和反饋電路轉(zhuǎn)速表實(shí)際上是一臺(tái)小型發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)兩端的電壓值與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，因此轉(zhuǎn)速的變化可以轉(zhuǎn)化為電

7、壓的變化。伺服系統(tǒng)分類(lèi)(1)按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓伺服系統(tǒng)、氣動(dòng)伺服系統(tǒng)和電動(dòng)伺服系統(tǒng)。(2)根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類(lèi)型，可分為DC電機(jī)伺服系統(tǒng)、交流電機(jī)伺服系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)。(3)根據(jù)是否有檢測(cè)元件和反饋環(huán)節(jié)，可分為開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。(4)根據(jù)輸出控制量的性質(zhì)，可分為位置伺服系統(tǒng)和速度伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)類(lèi)型對(duì)應(yīng)的數(shù)控機(jī)床精度：(1)步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)的定位精度一般為0.010.005毫米；(2)大型高精度數(shù)控設(shè)備通常采用交流或DC伺服電機(jī)、閉環(huán)或半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。閉環(huán)伺服系統(tǒng)的定位精度可達(dá)0。0010.003毫米。用于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給電機(jī)伺服電機(jī)的分類(lèi)主要包括以下幾種類(lèi)型

8、：(1)改進(jìn)型DC電機(jī)與傳統(tǒng)的DC電機(jī)在結(jié)構(gòu)上沒(méi)有什么不同，除了它的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，過(guò)載能力強(qiáng)，換向性能好，這在早期的數(shù)控機(jī)床中得到了廣泛的應(yīng)用。(2)小慣量DC電機(jī)最大限度地減小了電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，獲得了更好的快速性，這種電機(jī)在早期數(shù)控機(jī)床中得到廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)由于步進(jìn)電機(jī)易于制造，其開(kāi)環(huán)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置相對(duì)簡(jiǎn)單且易于調(diào)節(jié)。從20世紀(jì)60年代到70年代初，這種電機(jī)在數(shù)控機(jī)床上很流行。目前，步進(jìn)電機(jī)仍在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中使用。此外，在一些機(jī)床上，還有用于補(bǔ)償?shù)毒吣p運(yùn)動(dòng)和精確角位移的驅(qū)動(dòng)器。永磁DC伺服電機(jī)永磁DC電機(jī)能在大轉(zhuǎn)矩下長(zhǎng)時(shí)間工作，轉(zhuǎn)子慣量大，因此可以直接與絲杠連接，無(wú)需中間傳動(dòng)裝置，由于沒(méi)有

9、勵(lì)磁回路損耗，所以整體尺寸比勵(lì)磁DC電機(jī)小。它還具有低速運(yùn)行的特點(diǎn)，例如在1英里/小時(shí)甚至0.1英里/小時(shí)時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)。因此，這種電機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。從20世紀(jì)70年代到80年代中期，它在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置中占據(jù)了絕對(duì)的主導(dǎo)地位。到目前為止，永磁DC伺服電機(jī)仍在許多數(shù)控機(jī)床中使用。無(wú)刷DC電機(jī)無(wú)刷DC電機(jī)也稱(chēng)為無(wú)換向器DC電機(jī)。它由同步電機(jī)和逆變器組成，逆變器由安裝在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)子傳感器控制。因此，它實(shí)際上是一種交流調(diào)速電機(jī)。由于這種電機(jī)的性能達(dá)到了DC電機(jī)的水平，并且取消了換向器和電刷部件，電機(jī)的使用壽命提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。(6)交流調(diào)速電機(jī)自20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，基于異步電機(jī)和永磁同步

10、電機(jī)的交流進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)展迅速，是數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的一個(gè)方向。一些國(guó)家生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床都是由交流電源驅(qū)動(dòng)的。8.2開(kāi)環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)當(dāng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)負(fù)載不大，加工精度不高時(shí)，可以采用開(kāi)環(huán)控制。數(shù)控機(jī)床開(kāi)環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件大多采用功率步進(jìn)電機(jī)，系統(tǒng)沒(méi)有位置檢測(cè)反饋回路和速度檢測(cè)反饋回路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，易于與機(jī)床連接。圖8-3是帶功率步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)示意圖。圖8-3開(kāi)環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)示意圖8.2.1步進(jìn)電機(jī)它是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的電磁機(jī)械裝置。因?yàn)槭褂玫碾娫词敲}沖電源，所以也叫脈沖電機(jī)。1步進(jìn)電機(jī)的分類(lèi)(1)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，可分為快速步進(jìn)電機(jī)和功率步進(jìn)電

11、機(jī)。(2)根據(jù)勵(lì)磁繞組，可分為三相、四相、五相、六相甚至八相步進(jìn)電機(jī)。(3)根據(jù)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的工作原理，可分為電磁型、無(wú)功型和混合式步進(jìn)電機(jī)。(4)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)輸出運(yùn)動(dòng)的軌跡形式，可分為旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)和直線(xiàn)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)(1)步進(jìn)電機(jī)的輸出角與輸入的脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，因此可以通過(guò)控制輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)來(lái)控制位移；(2)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比，可通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)調(diào)節(jié)；當(dāng)輸入脈沖停止時(shí)，只要繞組中的電流保持不變，電機(jī)軸就可以保持在固定位置，無(wú)需機(jī)械制動(dòng)裝置；(4)改變通電相序可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)向；(5)步進(jìn)電機(jī)的齒間有相鄰誤差，但沒(méi)有累積誤差。(6)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，能快速啟動(dòng)和

12、停止；(7)步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)是效率低、負(fù)載能力低、速度范圍小，最高輸入脈沖頻率一般不超過(guò)18kHz。8.2.2步進(jìn)電機(jī)1的驅(qū)動(dòng)和控制。步進(jìn)電機(jī)的工作原理電機(jī)的定子有三相，即A相、B相和C相，轉(zhuǎn)子有四個(gè)齒。當(dāng)A相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子齒1和3在磁力線(xiàn)的作用下迅速與A相磁極對(duì)準(zhǔn)，對(duì)準(zhǔn)后停止轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，如果B相通電，A相斷電，磁性B相吸引最近的一對(duì)齒2和4，使轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30。然后c相通電，b相斷電，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30。以此類(lèi)推，當(dāng)定子按ABCA順序通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)一步一步逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，每一步30次。同樣，如果通電順序改變，通電順序?yàn)锳CBA，步進(jìn)電機(jī)將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，每一步旋轉(zhuǎn)30。圖8 -4是三相無(wú)功步進(jìn)電機(jī)

13、的工作原理模型圖?？梢钥闯?，步進(jìn)電機(jī)的工作原理與電磁鐵相似。當(dāng)某相繞組通電時(shí)，定子產(chǎn)生磁場(chǎng)并與轉(zhuǎn)子形成磁路。如果此時(shí)定子和轉(zhuǎn)子的齒沒(méi)有對(duì)齊，則磁力線(xiàn)試圖走磁阻最小的路線(xiàn)，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使得定子齒與轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊，從而實(shí)現(xiàn)一定角度的旋轉(zhuǎn)。步距角是：度。a制造商為每臺(tái)步進(jìn)電機(jī)提供兩種不同的步進(jìn)角度，每種角度相差一倍。大步距角：指電源拍數(shù)和相數(shù)相等時(shí)的步距角；小步進(jìn)角：指電源節(jié)拍數(shù)是相數(shù)兩倍時(shí)的步進(jìn)角。三相三拍控制模式：圖84所示三相步進(jìn)電機(jī)的控制模式稱(chēng)為三相三拍控制模式，即一次只給一相繞組通電。在此模式下工作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)在切換瞬間失去自鎖力矩，容易失步。另外，只有一相繞組通電吸引轉(zhuǎn)子，在平衡位置容

14、易產(chǎn)生振蕩。因此，通常采用三相六拍控制模式來(lái)代替三相三拍控制模式。三相六拍控制模式：三相六拍控制模式的上電順序按照甲乙雙方約定。每次開(kāi)機(jī)狀態(tài)改變時(shí)，步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)15，比三相三拍控制模式的步距角小一半。當(dāng)上電狀態(tài)改變時(shí)，單相繞組始終可以上電，因此工作穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換頻率加倍。它是三相步進(jìn)電機(jī)的常用控制方式。雙三拍控制模式：如果您想使用三相三拍控制模式，您可以使用雙三拍控制模式，即開(kāi)機(jī)順序按AB BC CA AB。由于雙三拍控制模式每次都有兩相繞組通電，切換時(shí)始終保持一相通電，所以工作穩(wěn)定。綜上所述，可以得出如下結(jié)論： (1)步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，其轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，即步進(jìn)角

15、。(2)改變步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序，使轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。(3)步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)變化速度越快，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越快，即通電狀態(tài)變化頻率越高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高。(4)步進(jìn)電機(jī)的步距角與定子的相數(shù)m、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z和通電模式的系數(shù)k有關(guān)，其中k是由控制模式?jīng)Q定的拍數(shù)與相數(shù)的比例系數(shù)，即k=拍數(shù)/相數(shù)。如三相三拍：k=1；三相六拍：k=2；五相十拍：k=2。步進(jìn)電機(jī)的工作方式步進(jìn)電機(jī)的工作方式不同于普通電機(jī)，它采用脈沖控制方式。只有當(dāng)每相繞組按一定規(guī)律依次通電時(shí)，步進(jìn)電機(jī)才能轉(zhuǎn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床中使用的功率步進(jìn)電機(jī)有三相、四相、五相和六相。工作模式有單拍、雙拍、三拍、兩拍等。m是電機(jī)的相數(shù)。單個(gè)m拍：每拍只有一個(gè)相位

16、通電，周期拍數(shù)為m；雙m拍：每拍有兩個(gè)相位同時(shí)通電，周期拍數(shù)為m拍；三個(gè)m拍：每個(gè)拍有三個(gè)階段同時(shí)通電，周期拍數(shù)為m拍；2m拍：每拍有單向電源、兩相或三相電源，通常為一至二至三相電源，周期拍數(shù)為2m拍，如表8-1所示。一般來(lái)說(shuō)，電機(jī)的相位越多，其工作模式就越多。如果表8-1中的通電順序相反，電機(jī)將反轉(zhuǎn)。表8-1無(wú)功步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的工作方式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置由脈沖分配器和功率放大器組成。驅(qū)動(dòng)裝置自動(dòng)循環(huán)提供變頻信號(hào)源(微機(jī)或數(shù)控裝置等)發(fā)出的脈沖信號(hào)和方向信號(hào)。)按照所需的功率分配方式分配給步進(jìn)電機(jī)的各繞組，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子前后轉(zhuǎn)動(dòng)。變頻信號(hào)源可提供幾赫茲到幾萬(wàn)赫茲的頻率信號(hào)，并可連續(xù)調(diào)節(jié)。因此，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量和頻率，就可以精確地控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度。圓形脈沖分配器圓形脈沖分配器是用來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的通電方式，使步進(jìn)電機(jī)繞組的通電順序按一定規(guī)律變化的部件，也稱(chēng)為圓形分配器步進(jìn)電機(jī)中使用的功率放大器有電壓型和電流型。電壓類(lèi)型有單電壓型