數(shù)控裝備技術(shù)進(jìn)給伺服B2

1、1,第四章 進(jìn)給伺服系統(tǒng),第三節(jié) 直流伺服控制系統(tǒng),2,4-3 直流伺服電機(jī)及速度控制,一.直流伺服電機(jī) 1、工作原理,3,4-3 直流伺服電機(jī)及速度控制,4,4-3 直流伺服電機(jī)及速度控制,2、常用直流電機(jī) 永磁式直流電機(jī)（有槽、無槽、杯型、 印刷繞組） 勵(lì)磁式直流電機(jī) 無刷直流電機(jī) 直流力矩電機(jī),5,在數(shù)控機(jī)床中，進(jìn)給系統(tǒng)常用的直流伺服電機(jī)： 1）小慣性直流伺服電機(jī) 因轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小而得名。這類電機(jī)一般為永磁式。 小慣量直流電機(jī)最大限度地減小電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 所以能獲得最快的響應(yīng)速度。在早期的數(shù)控機(jī)床上 應(yīng)用得比較多。,6,2）大慣量寬調(diào)速直流伺服電機(jī)（直流力矩電機(jī)） 轉(zhuǎn)子直徑較大，線圈繞組匝

2、數(shù)增加，力矩大，轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量大，能在較大過載轉(zhuǎn)矩時(shí)長時(shí)間工作，因此可 直接與絲杠相連，不需中間傳動(dòng)裝置。 特點(diǎn)：能在較低轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行，最低可達(dá) 1r min，甚至0.1rmin。數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用廣泛。,7,3）無刷直流伺服電機(jī)（無整流子電機(jī)） 沒有換向器，由同步電機(jī)和逆變器組成，逆變器 由裝在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)子位置傳感器控制。 實(shí)質(zhì)是一種交流調(diào)速電機(jī)，調(diào)速性能可達(dá)到直流 伺服發(fā)電機(jī)的水平，又取消了換向裝置和電刷部 件，提高了電機(jī)使用壽命。,8,4-3 直流伺服電機(jī)及速度控制,3、結(jié)構(gòu),永磁直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu),9,直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱機(jī)械特性 機(jī)械特性是電機(jī)的靜態(tài)特 性，是穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)帶動(dòng)負(fù)載

3、的性能，此時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與 外負(fù)載相等。 電機(jī)轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速的差n， 反映了電機(jī)機(jī)械特性硬度， n越小，機(jī)械特性越硬。,4、靜態(tài)特性,10,電磁轉(zhuǎn)矩由下式表示: KT 轉(zhuǎn)矩常數(shù)； 磁場磁通；Ia 電樞電流；TM 電磁轉(zhuǎn)矩。 電樞回路的電壓平衡方程式為: Ua 電樞上的外加電壓；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)；電機(jī)轉(zhuǎn)速（角速度）。,11,根據(jù)以上各式可以求得：,n0電機(jī)理想空載轉(zhuǎn)速,直流電機(jī)的基本調(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)磁通的值,12,電樞電阻調(diào)速不經(jīng)濟(jì)，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(shí)，直流電機(jī)機(jī)

4、械特性為一組平行線，只改變電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速n0 ，保持了原有較硬的機(jī)械特性，所以調(diào)壓調(diào)速主要用于伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的調(diào)速,5、直流伺服電機(jī)的調(diào)速原理,如果n值較大，不可能實(shí)現(xiàn)寬范圍的調(diào)速。永磁式直流伺服電機(jī)的n值較小，因此，進(jìn)給系統(tǒng)常采用永磁式直流電機(jī),13,調(diào)節(jié)磁通（調(diào)磁調(diào)速）不但改變了電機(jī)的理想 轉(zhuǎn)速，而且使直流電機(jī)機(jī)械特性變軟，所以調(diào) 磁調(diào)速主要用于機(jī)床主軸電機(jī)調(diào)速。,14,4-3 直流伺服電機(jī)及速度控制,6、直流伺服電機(jī)的速度控制方式 （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(jī)的外加電壓，從而達(dá)到調(diào)速目的。,15,原理 ：三相整流器，由二個(gè)半波整流電路組成。每部

5、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(gè)可控硅同時(shí)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120，每相內(nèi)二個(gè)觸發(fā)脈沖相差180。 按管號(hào)排列，觸發(fā)脈沖的順序：1-2-3-4-5-6，相鄰之間相位差60。,16,4-3 直流伺服電機(jī)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(duì)大功率晶體管開關(guān)放大器的開關(guān)時(shí)間進(jìn)行控制，將直流電壓轉(zhuǎn)換成某一頻率的矩形波電壓，加到直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路兩端，通過對(duì)矩形波脈沖寬度的控制，改變轉(zhuǎn)子回路兩端的平均電壓，達(dá)到調(diào)速的目的。 脈寬的變化使電

6、機(jī)電樞的直流電壓隨著變化。,17,4-3 直流伺服電機(jī)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),18,4-3 直流伺服電機(jī)及速度控制,19,直流電機(jī)電壓的平均值:,T脈沖周期， Ton導(dǎo)通時(shí)間,20,4-3 直流伺服電機(jī)及速度控制,PWM調(diào)速的特點(diǎn) 電機(jī)的損耗、噪聲小 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性好，響應(yīng)頻帶寬 低速時(shí)電流脈動(dòng)和轉(zhuǎn)速脈動(dòng)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的能力差。,21,7、動(dòng)態(tài)特性 直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩平衡方程式為 式中 TM 電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩； TL 折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩； 電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度；

7、 J 電機(jī)轉(zhuǎn)子上總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； t 時(shí)間自變量。,22,4-3 直流伺服電機(jī)及速度控制,8、直流伺服電機(jī)的性能特點(diǎn) 1) 低轉(zhuǎn)速大慣量 2) 轉(zhuǎn)矩大 3) 起動(dòng)力矩大 4) 調(diào)速泛圍大，低速運(yùn)行平穩(wěn)，力矩波動(dòng)小 5）它的電刷和換向器易磨損 6）電機(jī)最高轉(zhuǎn)速的限制，應(yīng)用環(huán)境的限制 7）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高,23,第四節(jié) 交流伺服控制系統(tǒng),24,由于直流伺服電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能， 80年代初至90年代中，在要求調(diào)速性能較高的場合，直流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用一直占據(jù)主導(dǎo)地位。但也存在一些固有的缺點(diǎn)，即： 電刷和換向器易磨損，維護(hù)麻煩 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高 而交流伺服電機(jī)則沒有上述缺點(diǎn)。特

8、別是在同樣體積下，交流伺服電機(jī)的輸出功率比直流電機(jī)提高10%70%，且可達(dá)到的轉(zhuǎn)速比直流電機(jī)高。因此，人們一直在尋求交流電機(jī)調(diào)速方案來取代直流電機(jī)調(diào)速的方案。,25,4-4 交流伺服電機(jī)及速度控制,一.交流伺服電機(jī) 1、種類,數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用的交流電機(jī)一般都為三相。 分：異步型和同步型交流伺服電機(jī)。 從建立所需氣隙磁場的磁勢源來說，同步型交流電 機(jī)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。,26,永磁式同步電機(jī)： 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、效率高； 缺點(diǎn)：啟動(dòng)特性欠佳。 與直流電機(jī)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(jī)相比：效率高、體積小。,異步型交流

9、伺服電機(jī)（與同容量的直流電機(jī)相比） 優(yōu)點(diǎn)：重量輕，價(jià)格便宜； 缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)速受負(fù)載的變化影響較大，不能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn) 范圍較廣的平滑調(diào)速 故異步型交流伺服電機(jī)用在主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。,27,4-4 交流伺服電機(jī)及速度控制,2、永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)：電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和檢測元件組成,28,4-4 交流伺服電機(jī)及速度控制,3、永磁交流同步伺服電機(jī)工作原理,工作原理,nrns60f1p ns同步轉(zhuǎn)速， 轉(zhuǎn)子磁極的軸線與 定子磁極的軸線夾角， 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)子的極對(duì)數(shù),29,4-4 交流伺服電機(jī)及速度控制,二.同步交流伺服電機(jī)的調(diào)速 1、調(diào)速方法,從

10、式中可以看出：只能用變頻調(diào)速，并且是有效方法。 變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是為交流電機(jī)提供變頻、變壓電源的變頻器 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)的交流 電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷鳎俳?jīng)逆變器變?yōu)轭l率和電壓都可變的交 流電壓。電流型是切換一串方波，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)的交流電 變?yōu)轭l率和電壓都可變的交流電。 目前對(duì)于中小功率電機(jī)，用得最多的是電壓型交直交變頻器。,30,4-4 交流伺服電機(jī)及速度控制,2、正弦脈寬調(diào)制（SPWM）變壓變頻器,UR整流器 固定電壓不可控整流器，常采用六個(gè)二級(jí)管橋式整流器 結(jié)構(gòu)將交流變?yōu)橹绷鳎妷悍挡?/p>

11、變。 為逆變器供電。 UI 逆變器 由六個(gè)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)化過來的）和三角波疊加出來的SPWM調(diào)制波（等幅、不等 寬的矩形脈沖波） ，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(jí)等效于正弦交流電的可變頻變壓的等幅、 不等寬的矩形脈沖電壓波，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(jí)SPWM電壓，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 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。,31,SPWM逆變器的工作原理,把一個(gè)正弦半波分做N等分，如下圖（

12、N7）；然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的等高矩形脈沖來代替；矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)重合。這樣，由N個(gè)等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦的半周等效。同樣，正弦波的負(fù)半周也可以用相同的方法來等效 。,32,與正弦波等效的等幅矩形脈沖序列波,33,在實(shí)際中采用“調(diào)制”的方法，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波(Carrier wave)，并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波(Modulation wave)，當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，由它們的交點(diǎn)確定逆變器開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩

13、形波。,34,單極性控制方式,35,雙極性控制方式,36,4-4 交流伺服電機(jī)及速度控制,3、SPWM的優(yōu)點(diǎn),1）主電路只有一個(gè)可控的功率環(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(shí)調(diào)頻調(diào)壓，動(dòng)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的輸出電壓波形。,37,4-4 交流伺服電機(jī)及速度控制,4、交流伺服電機(jī)的發(fā)展,（1）永磁交流同步伺服電機(jī)的發(fā)展 新永磁材料的應(yīng)用 釹鐵硼 永久磁鐵的結(jié)構(gòu)改革 內(nèi)裝永磁交流同步伺服電機(jī) 與機(jī)床部件一體化的電機(jī) 空心軸永磁交流同步伺服電機(jī) （2）交流主軸伺服電機(jī)的發(fā)展 輸出轉(zhuǎn)換型交流主軸電機(jī) 三角-星形切換，繞組數(shù)切換或

14、二者組合切換。 液體冷卻電機(jī) 內(nèi)裝式主軸電機(jī),38,第五節(jié) 機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì),39,4-5 進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì),一、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置的選型 進(jìn)給系統(tǒng)的選型是以數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)要求為基礎(chǔ)，與數(shù)控裝置的選型有密切的關(guān)系，機(jī)床各軸的進(jìn)給速度、整機(jī)的加工精度、加工范圍、傳動(dòng)方式等都直接對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能提出了要求。 各生產(chǎn)廠家通常提供了與數(shù)控裝置配套的驅(qū)動(dòng)裝置。,40,1、選型原則 1）實(shí)用性：選型的目的是為滿足整機(jī)的設(shè)計(jì) 需要，從而滿足生產(chǎn)的要求。 2）經(jīng)濟(jì)性：在滿足加工要求的條件下，選型 要最經(jīng)濟(jì)或較為合理。 3）穩(wěn)定、可靠性：長時(shí)間無故障的工作。 4）可操作性： a .要符合本單位的使用和設(shè)計(jì)的習(xí)慣；

15、 b .若出現(xiàn)故障易于排除。,41,二、選型內(nèi)容 1.驅(qū)動(dòng)裝置的控制類型 根據(jù)加工精度和進(jìn)給速度的要求選擇類型： 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用于加工精度要求不高的機(jī)床，分辨率 在0.01mm以上，最高快移速度在5m/min以下。 伺服電動(dòng)機(jī)用于加工精度要求較高的機(jī)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 加工精度要求不高的簡易機(jī)床一般用開環(huán)控制系統(tǒng)。 加工精度要求高的中檔普及型機(jī)床一般選用半閉環(huán)。 加工精度要求很高的高檔機(jī)床才選用全閉環(huán)和混合閉環(huán)。,42,3.進(jìn)給系統(tǒng)的分辨率 根據(jù)機(jī)床的加工要求合理選擇其脈沖當(dāng)量。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角考慮驅(qū)動(dòng)裝置的細(xì)分倍數(shù) 交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置

16、的分辨率受電動(dòng)機(jī)的編碼器和驅(qū) 動(dòng)裝置的控制功能的影響，一般可達(dá)1/10000r左右。 4.電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的選擇 根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)的最高快移速度、傳動(dòng)比和絲杠螺距 來選擇電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 注意：選擇時(shí)應(yīng)保留一定的余量。,43,5.電動(dòng)機(jī)的扭矩的選擇 要根據(jù)負(fù)載的情況選擇，考慮： 1) 負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于0.20.3倍的電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩(步進(jìn)電動(dòng)機(jī))，或小于額定轉(zhuǎn)矩(伺服電動(dòng)機(jī))。 2) 選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的標(biāo)稱值為伺服電動(dòng)機(jī)的1.52倍。 3) 對(duì)于有剛性攻絲功能的機(jī)床及有頻繁啟/停的電動(dòng)機(jī)其扭矩選擇要略大。 4) 對(duì)金屬切削機(jī)床，由于不確定因素較多，類比法和實(shí)驗(yàn)法來確定 A)類比法：對(duì)比同類機(jī)床的電動(dòng)機(jī)容量

17、來確定電動(dòng)機(jī)的容量。 B)實(shí)驗(yàn)法：對(duì)樣機(jī)進(jìn)行重切削和連續(xù)加工試驗(yàn)，記錄其溫升和最大電流值，來判斷其進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的扭矩是否合適。,44,6.電動(dòng)機(jī)的慣量選擇 電動(dòng)機(jī)分有大、中、小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 為保證加工精度，要求負(fù)載折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量的2倍以下，當(dāng)不能滿足時(shí)可作以下處理：a.在保證剛度允許的條件下，增加傳動(dòng)比或減小絲杠的直徑。b.選用大慣量的電動(dòng)機(jī)。 7.工作電源 工作電源應(yīng)與機(jī)床的電氣設(shè)備及工作環(huán)境相符合。 實(shí)驗(yàn)室可選用單相220V交流供電；工廠車間選用三相交流380V或200V； 注意：整個(gè)系統(tǒng)最好選用同一電源供電。 8.抱閘、制動(dòng),45,1.步進(jìn)電機(jī)的選擇,三、進(jìn)給電機(jī)的有關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算,（1）步