第6章开环伺服系统

0
4
8
12 16*1000
f /Hz
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7)加减速特性
第六章 伺服驱动系统
步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率 和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的 变化频率与时间的关系.
当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频率时，变化速度 必须逐渐上升
同样,当要求步进电机从最高工作频率或高于突跳频率的工作 频率停止时，变化速度必须逐渐下降
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5.主要控制特性
第六章 伺服驱动系统
1) 步距角（θ）及步距误差
步距角是两个相临脉冲时间内转子转过的角度,一般来 说步距角越小,控制越精确。
步距误差直接影响执行部件的定位精度. 步进电动机单相通电时,步距误差取决于定子和转子的分齿 精度,和各相定子错位角度的精度。 多相通电时,其不仅与上述因素有关,还和各相电流大小,磁 路性能有关。
9o A 相
3o
B相
6o
C相
转 子 2020/7/7
转子
转子
4.工作原理
360 一般 α= m z k
第六章 伺服驱动系统
m——绕组相数； Z——转子齿数，单拍k=1,双拍k=2。
360
. . 三拍通电激磁，步距角α=
= 3o
3 40 1
. . 六拍通电激磁，步距角α = 3
360 40
= 1.5o
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3. 步进电机的实物图
第六章 伺服驱动系统
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3. 步进电机的实物图
第六章 伺服驱动系统
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4.工作原理
第六章 伺服驱动系统
如果A相通电则转子齿与A相极齿对齐，这时在B相两极下 定子齿与转子齿中心线并不对齐，而是转子齿中心线较定 子齿中心线反时针方向落后1/3齿距，即3o。 C相下，转子齿超前6o。 因此，当通电状态由A相变为B相时，转子顺时针方向 转过3o，C相通电再转3o。
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2)步进电机选择步骤 ③ 计算转矩
第六章 伺服驱动系统
❖对于空载启动时ω0=0，T为升速 时间常数，则ωt为升速 T秒后电机的角速度此时的等效负载转矩主要是T作台移 动的磨擦力引起的。
Mf
W
Vw
2nm
W
t
2i1000
式中 μ工作台与导轨之间的磨擦系数 2020/7/7 W为工作台和工件的总重量 N
第六章 伺服驱动系统
左图为一转子示意图： 转子上有均匀分布的 齿，没有绕组。 以四十齿为例来说明 步进电机的原理 转子齿间夹角为9o
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3. 步进电机的实物图
第六章 伺服驱动系统
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3. 步进电机的实物图
第六章 伺服驱动系统
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3. 步进电机的实物图
第六章 伺服驱动系统
1) 定子 定子上有绕组分为若干相，每相磁极上有极齿。
左图为三相定子：AA’,BB’,CC’ A、B、C三相每相两极， 每极上五个齿
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五个极齿
2.步进电机的结构
定子上线圈的绕法
A相
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C相
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B相
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2.步进电机的结构
2) 转子
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换到B相时，对应角θb ，B相的静转矩为Mb。从图中看出Mb< Mq,电机不
能带动负载做步进运动，因而启动转矩是电机能带动负载转动的极限转矩。
M
AB C
Mb
b
θa
Mq
Ma
θ
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图6-6 三相单三拍步进电机的启动转矩
第六章 伺服驱动系统
4）最高启动频率
空载时，步进电机由静止突然启动，并不失步的进入稳速运行， 所允许的启动频率的最高值为最高启动频率. 启动时频率大于最高启动频率时步进电机不能正常工作，最高 启动频率与步进电机的惯性负载有关. 5）最高工作频率
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2）静态转矩与矩角特性
第六章 伺服驱动系统
当步进电机上某相定子绕组通电之后，转子齿将力求与定子齿对齐，
使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（θ＝0）。如果在电机轴上 外加一个负载转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度θ ，角度θ称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称 为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角θ的关系叫 矩角特性，如图6-6所示，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大 值称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁
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二、对伺服系统的基本要求 • 伺服驱动系统的选用 • 1）精度要求：定位精度、重复定位精度、加工精度 • 2）稳定性：达到平衡状态的能力 • 3）响应速度：跟踪指令信号的速度 • 4）调速范围：最高转速与最低转速之比Rn=nmax/nmin • 5）低速转距特性:低速时转距输出能力 • 关于定位精度和重复定位精度 • 定位精度：移动件到达指令位置的准确度 • 重复定位精度：移动件在任意定位点的定位一致性
第6章 数控机床的伺服系统
6.1 概述
一、 伺服系统的组成 数控机床的伺服系统按其功能可分为：进给伺服系统和主轴伺服系统。
主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动。 进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制 量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执 行部件组成。 进给伺服系统的作用：接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号， 由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电 机、功率步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实 现工作进给或快速运动。 数控机床的进给伺服系统能根据指令信号精确地控制执行部件的运动 速度与位置，以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。 如果把数控装置比作数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机 构，那么伺服系统就是数控机床的“四肢”，是执行“命令”的机构，它 是一个不折不扣的跟随者。
M = Mamax+Mf 式中:
Mamax ——快速空载启动时产生最大加速度所需转矩 Nm Mf ——克服摩擦力所需转矩 Nm
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第六章 伺服驱动系统
2)步进电机选择步骤 ③ 计算转矩
由动力学知： MamaxJJ(tT o)
式中 ： J——系统总惯量 N·m·s2 ε——步进电机转子的角加速度 r/s2 ωo——初速度 r/s ωt——末速度 r/s T ——加速时间 s
由速度检测装置提供速度反馈值的速度环控制在进给驱动装置内完成，而装 在电动机轴上或机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈值构成的位置环由数 控装置来完成。伺服系统从外部来看，是一个以位置指令输入和位置控制为输出 的位置闭环控制系统。但从内部的实际工作来看，它是先把位置控制指令转换成 相应的速度信号后，通过调速系统驱动伺服电机，才实现实际位移的。
ni —— 第i个转动部件的转速r/min
Ji —— 第i个转动部件的转动惯量 kg . m2
Vj —— 第j个移动部件的移动速度 m/min Mj —— 第j个移动部件的质量 kg
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2)步进电机选择步骤 ② 计算惯量
第六章 伺服驱动系统
i. 图示的一级齿轮减速系统
nz1 nz2
nm nz2
Nm Nm
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2)步进电机选择步骤
③ 计算转矩
Mf
W
Vw
2nm
W
t
2i1000
式中 μ工作台与导轨之间的磨擦系数 W为工作台和工件的总重量 N
Vw为工作台的移动速度 m/min Nm为电机转速 r/min t 为丝杆导程 mm
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第六章 伺服驱动系统
第二节 开环伺服系统
• 一、组成 伺服驱动单元、执行元件、传动机构
工作台
CNC 驱动放大 步进电机
二、步进电机
将电脉冲转变成机械角位移的装置
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2.步进电机的结构
第六章 伺服驱动系统
❖步进电机由转子和定子两部分组成
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3. 步进电机的实物图
第六章 伺服驱动系统
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3. 步进电机的实物图
第六章 伺服驱动系统
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3. 步进电机的实物图
第六章 伺服驱动系统
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3. 步进电机的实物图
第六章 伺服驱动系统
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3. 步进电机的实物图
第六章 伺服驱动系统
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伺服驱动装置
位置控制模块
速度控制单元
工作台 位置检测
位置环
速度环
速度检测 测量反馈
伺服电 机
图6-1 闭环进给伺服系统结构
数控机床闭环进给系统的一般结构如图，这是一个双闭环系统，内环为速 度环，外环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速度控 制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度控制系统的 核心。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由CNC装置中的 位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。
V=nz2 . t
式中 V——工作台移动速度 m/min
t——丝杆导程 m
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第六章 伺服驱动系统
2)步进电机选择步骤
② 计算惯量
Jleq J Jz1 z1 Jz i12 2(n n Jz m z22)2 i1J 2s(Jn n sz m 2 )2 4M M w2tiw 22(2 V w n m )2