数控机床 课件 闭环伺服系统概述

(二) 闭环伺服系统分类
全闭环 精度高，但结构复杂、成本高，调试维修困难， 适于大型精密数控系统。 半闭环 精度较全闭环差些，但结构简单，造价低且 便于调整。
交流伺服
直流伺服 数字伺服 具有较高精度、速度、和动态特性
定位与控制精度高，速度快，稳定性好，有故
障自诊断和报警功能
二、驱动元件
(一) 对驱动元件的要求
中惯量 10L OM 20M 30M H 6.0 19 0.4 2.7 1.8 2.8 0 0.4 10 1.1
大惯量 20H 3.1 40 5 50 10 70H 22
22.5 37.2 2.7 186 24
11.8 39.2 32.3 65.7 23.5 114 241 245 510 520
12.3 21.5 147 14.7 112
第三节
一、概述
(一) 系统组成
比较环节 指令信号 反馈信号
闭环伺服系统
伺服驱动
伺服电机
位置检测单元
1．位置检测单元——将检测元件检测到的位置信号进行处理，
以形成位置反馈信号。
2．比较环节——完成指令信号与反馈信号的比较等。 3．伺服驱动——功率放大，以驱动伺服元件。
4．伺服电机——将电信号转换成机械运动。
设计时可忽略其它传动件的转动惯量
最大峰值转矩可达额定转矩的10倍，可在3倍额定 转矩的过载条件下工作30min，但快速响应性能不如小
惯量电机。
表1 日本富士通公司直流伺服电动机系列几种规格的主要技术参数
型 号 参数 输出功率(kw) 暂定转矩(N.m) 最大转矩(N.m) OL 0.3 2.5
小惯量 5L 0.6 1.9
2．可控硅调速（SCR-M） 1 ) 可控硅 电力半导体器件，是弱电控制到强电输出的桥梁作用。 包括：阳极（A）、阴极（K）、控制级（G） 导通条件：ⅰ）阳极A： K
G
阴极K：
ⅱ）控制级G 加正向电压。
A
三、速度调节
(一) 直流伺服电动机的调速
2) SCR-M调速系统
位置 指令 位置 偏差 速度 指令 速度 偏差 电流 指令
的平均电压，从而调节电机转速。
Uwk.baidu.com
M M
M
uD
3. 脉宽调制 (PWM) 原理与系统
PWM — Pulse Width Modulation 1) 脉宽调速原理 设开关S开闭周期为T，每次闭合时间为 则电枢两端平均电压Ud为： Ud = U/T=rU r :导通率(脉宽系数)
1．转动惯量小——以提高系统的快速响应 2．过载能力强——以适应经常出现的过冲现象
3．低速运行的稳定性、均匀性好——以保证低速时的精度
(二) 直流伺服电动机
1．小惯量直流伺服电动机 1) 转子细而长 ——大大减小了电动机的转动惯量 , 快速响应性能好。 2) 气隙较大——换向性好，时间常数5-10ms。 3) 转子上无槽 —— 电感小，时间常数小，动态特性
0.0028 0.02 25 50 12 19 100 25
0.03 8 17 35
0.12 0.19 0.60 24 120 15 120 18 35
45 90 125 220 上一页 下一页 返回
(三) 交流伺服电动机
1．笼型异步型伺服电动机
定子 — 对称三相绕组产生旋转磁场 转子 — 转子绕组（导体） 切割磁通产生感应电势
无特殊要求 定、转子均发热，需 采取措施 容易 容易 困难 复杂 (矢量控制 ) 二次感应磁通 二次阻抗电压 好 无
整流火花， 永磁体退磁 转子发热，不利 稍有困难 难 容易 简单 永磁体 电枢感应电压 受火花限制
发热情况 高速化 大容量化 制动 控制方法 磁通产生 感应电压 环境适应性 维护性
比较容易 稍微困难 容易 稍复杂 永磁体 电枢感应电压 好 无
好，响应快，低速运转稳定而均匀。
4) 气隙磁密度大——过载能力强。 输出功率几+瓦─+千瓦，转速1-3000r/min 最大转矩约20N.m,但输出需加齿轮减速
工作原理
2．大惯量直流伺服电动机
特点：
1) 转矩大
2) 调速范围宽 1000~1500r/min
3) 转动惯量小
4) 动态响应好 5) 过载能力强
电流检测反馈
uk
α UD
M
速度检测及反馈 位置检测及反馈
M M
特点：工作频率低，输出电压波形差，电流脉动分量大， 这不但使电机发热，工作条件恶化，也影响电网电压 波动。
3. 脉宽调制 (PWM) 原理与系统
PWM — Pulse Width Modulation 1) 脉宽调速原理 直流电源电压U经开关S 转换为一定频率的方波电压加到 直流电机电枢上，通过对方波 脉冲宽度的控制，就可改变电枢 S
工作原理
表2 DC伺服电动机与AC伺服电动机的比较
机种 比较内容 电机构造 永磁同步型 AC 伺服电动机 比较简单 CTR 或 P-MOSFET 逆变器 异步型 AC 伺服电动机 简单 或 P-MOSFET 逆变器 DC 伺服电动机 因有电刷和换向器， 结构复杂 变流机构
大转矩约束
永磁体去磁 只有定子线 圈发热，有利
上一页 下一页 返回 较麻烦
三、速度调节
(一) 直流伺服电动机的调速
1．DC电动机转速公式
n= UD /Ce - RI/ Ce
UD —电枢电压 —励磁磁通 Ce—与电机结构有关的常数 I —励磁电流 可控硅调速 改变 UD 调速的方法 PWM调速 R—电枢回路电阻
三、速度调节
(一) 直流伺服电动机的调速
感应电流 电磁转矩 转子转动
转子转动方向与旋转磁场方向不同——异步 转子转动速度小于旋转磁场速度n0 ——转差率
(三)交流伺服电动机
2．永磁同步型伺服电动机

定子 — 三相电枢绕组产生旋转磁场 转子 — 永磁体 产生恒定励磁磁场
通电的电枢绕组及载流导体切割磁力线产生电磁力 以反作用力方式驱动转子永磁体转动 转子转动的方向与旋转磁场方向相同——同步
最大转速(r/min) 2000 2000 2000 2000 1500 1200 2000 1500 1500 2000 2000 2000 电枢转动惯量 (9.8N.m ) 机械时间常数 (ms) 热 时 间 常 数 (min) 重量(kg)
2
0.0001 0.0008 0.01 0.00 0.01 0.03 9 7 15 10 8 5 20 15 5 7 10 66 2 10 10 12 3 10 70 30 6 8 85 53