6.3 闭环及半闭环进给伺服系统动

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6.3 闭环及半闭环进给伺服系统动
6.3.1 闭环进给伺服系统的组成及工作原理 1.闭环进给伺服系统的组成
这是一个双闭环系统,内环是速度环,外环是位臵环。
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6.3.1 闭环进给伺服系统的组成及工作原理 2.闭环进给伺服系统的工作原理 由CNC插补得到的指令进给位移量F与位臵检测反馈的机床移 动部件(如工作台)实际位移量Pf进入位臵控制模块的比较环节 后,可得到位臵偏差e(e=F-Pf)。位臵控制模块除了完成理论 位臵与反馈的实际位臵相比较处,还要完成位臵回路的增益调整 以及将位臵偏差作为指令速度控制命令VCMD发往速度控制单元。 而速度控制单元的任务则是根据指令速度控制命令VCMD值的大小,
脉冲宽度的控制,改变电枢的平均电压,从而达到控制电动机
转速的目的。
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(1) 晶闸管直流调速系统
三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路。 两组正负对接的晶闸管,一组用于提供正向电压,供电 机正转。 一组提供反向电压,供电机反转。
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双环调度系统
速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻
直流电动机的机械特性
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6.3.2 直流伺服电动机及速度控制单元
n = (Ua-IaRa)/Ceφ=Ua/Ceφ-Ra M/Ce CMφ2
调速可有三种方法: 1)改变电动机电枢电压Ua。 2)改变电动机磁通量φ。 3)改变电枢电路的电阻Ra。 由于后两种调速方法不能满足数控机床对进给伺服系 统的要求,实际均采用改变电枢电压Ua来调速的方法。
容元件构成的PI调节器。
速度环起主导作用,电流环的作用是在启动和堵转时 限制最大电枢电流。
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(2) 晶体管脉宽调制(PWM)直流调速系统 ①PWM系统的组成及工作原理 脉宽调制:使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下,开关频 率保持恒定,用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变 输出,从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的 电压脉冲。 脉宽连续变化,使得电枢电压平均值连续变化,从而导致电机转 速连续变化。
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(1)永磁式直流电机工作原理
直流电压加在A、B两电刷之间,电流从A流入,从B流出, 导体ab和cd受到逆时针方向作用力,转子在逆时针方向地电 磁转矩作用下旋转。 当电枢转过90°,电枢线圈处于磁极的中性面,电刷与换向 片断开,无电磁转矩作用。 在惯性作用下,电枢继续转动一个角度, 当电刷与换向片再次接触时,导体ab和 cd交换了位臵,ab和cd中的电流也发生 改变,从而保证电枢受到地电磁转矩方 向不变,因此,电枢可以连续转动。
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6.3.4 直线电动机在数控机床进给驱动中的应用
3、直线电动机在机床上的应用也存在一些问题
1)由于没有机械联接或啮合,因此垂直轴需要外加一个平衡
块或制动器。 2)当负荷变化大时,需要重新整定系统。目前,大多数现代 控制装臵具有自动整定功能,因此能快速调机。 3)磁铁(或线圈)对电动机部件的吸力很大,因此应注意选 择导轨和设计滑架结构,并注意解决磁铁吸引金属颗粒的问题。
1、直线电动机工作原理
直线电动机的工作原理与旋转电动机相比,并没有本质的 区别,就是将旋转电动机的转子、定子以及气隙分别沿轴线剖 开,展成平面状,使电能直接转换成直线机械运动。对应于旋 转电动机的定子部分,称为直线电动机的初级。对应于旋转电 动机的转子部分,称为直线电动机的次级。
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6.3.2 直流伺服电动机及速度控制单元
n
Ua C e

Ra C eC m
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M
当电动机所加电 Ua——电枢电压; 压一定,随着负载 Ce——反电动势常数;力矩M的增大,转 φ——电动机磁通量; 速有一定降落,在 n——电动机转速; 伺服装臵中由于有 M——电动机电磁力矩; 转速反馈回路,因 CM——电磁力矩常数。 此这一降落可以得 到克服。
流伺服电动机,后者的也称为无刷交流伺服电动机。从发展
趋势看,正弦波(SPWM )驱动将成为主流。
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②SPWM变频调速系统 速度给定器:给定信号,控制频率、电压及正反转。 平稳启动回路:使启动加、减速时间可随机械负载设定,以达 到软启动的目的。 函数发生器:在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定,补偿 定子电压降的影响。
子的三相感应电动机,也称为三相异步电动机。
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6.3.5 主轴驱动简介
机床主轴驱动和进给驱动有很大差别。 主轴电动机可以作为进给电动机在大约0.01~300r/min的低
速范围内工作,实现进给坐标控制,这称为C轴控制。
旋转磁场的转速称为同步转速,n+=60f1/p 转差率s如下 s=(n1-n2)/n1 。 转子的转速 n2=n1(1-s)=60f1(1-s)/p 目前大多数数控机床的交流主轴控制采用矢量控制。
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电压频率变压器:将电压转换为频率,经分频器、环形计数器产 生方波,和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路。 电压调节器:产生频率和幅度可调的控制正弦波,送入调制回路, 送入调制回路,在调制回路中进行SPWM变换,产生三相的脉冲 宽度调制信号。在基极回路中输出信号至功率晶体管基极,即对 SPWM的主回路进行控制,实现对永磁交流伺服电机的变频调速。 电流检测器:过载保护。
而在大功率场合中,则采用SCR。
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6.3.3 交流伺服电动机及速度控制单元
直流电动机却存在一些故有的缺点:
1)直流电动机的电刷和换向器易磨损,需要经常维护。 2)直流电动机的换向器换向时会产生火花,使电动机的最 高转速受到限制,也使应用环境受到限制。 3)直流电动机的结构复杂,制造困难,所用铜材料消耗大, 制造成本高。
6.3.4 直线电动机在数控机床进给驱动中的应用
1、直线电动机工作原理
直线电机的分类: 分为交流和直流两种,交流直线电机又分为感应异步式和永 磁同步式。
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6.3.4 直线电动机在数控机床进给驱动中的应用
2、使用直线电动机的高速机床系统的特点
1)速度高,可达60~200m/min。 2)惯性小,加速度特性好,可达1~2g,易于高速精定位。 3)直线伺服电动机没有机械滞后或齿节周期误差,精度完全取 决于反馈系统的检测精度。 4)直线电动机上装配全数字伺服系统,可以达到极好的伺服性 能。
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6.3.4 直线电动机在数控机床进给驱动中的应用
目前,由“旋转伺服电动机+滚珠丝杠”构成的传统直线 运动进给方式已很难适应高速、高精的要求。 结构:1—导轨;2—次级;3—初级; 4—检测系统
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6.3.4 直线电动机在数控机床进给驱动中的应用
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6.3.3 交流伺服电动机及速度控制单元
3、永磁式同步交流伺服电动机的速度控制单元 ① 交流伺服电机调速方法: 按其工作原理、驱动电流波形的控制方式不同,又可分为: 矩形波电流驱动的永磁交流伺服系统和正弦波电流驱动的永 磁交流伺服系统。前者的永磁交流伺服电动机也称为无刷直
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6.3.5 主轴驱动简介
机床主轴驱动和进给驱动有很大差别。
主传动电动机应有2.2~150kW的功率范围,控机床主驱动 系统要求在1:100~1:1000范围内进行恒转矩和1:10的恒功率 调速,而且要求在主轴的两个转向中任一方向都可进行传动 和加减速,即要求有4象限的驱动能力。
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6.3.5 主轴驱动简介
机床主轴驱动和进给驱动有很大差别。(续)
直流主轴驱动系统,但由于直流电动机的换向限制,大多数
系统恒功率调速范围都非常小。因此,它成了主轴直流电气 传动的一个大问题。到了20世纪70年代末、80年代初开始采 用交流驱动系统,现在国际上新生产的数控机床绝大部分采 用交流主轴驱动系统。 交流电主轴电动机是一种具有笼式转
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交流伺服电机的类型
永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点:工作原理均由定子绕组产生旋转磁场使得转子跟随
定子旋转磁场一起运转。
不同点:永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在 着严格的同步关系,即电机的转速等于旋转磁场的同步转速;
而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩,因此,
电机的转速低于磁场同步转速,负载越大,转速差越大。
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6.3.3 交流伺服电动机及速度控制单元
1、结构:交流伺服电机也可称为同步电机 1.电机轴 2.前端盖 3.三相绕组线圈 4.压板 5.定子 6.磁钢 7.后压板 8.动力线接头 9.后端盖 10.反馈插头 11.脉冲编码器 12.电机后壳
交流伺服电机的结构
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6.3.3 交流伺服电动机及速度控制单元
2、永磁式交流同步伺服电动机工作原理 1)给定子通过三相交流电流,由定子产生 旋转磁场 2)转子磁场和定子的磁场相吸引,在旋转 磁场的带动下产生旋转。 3)通过转子位臵的检测,系统保证旋转过 程同步。
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6.3.4 直线电动机在数控机床进给驱动中的应用
2、使用直线电动机的高速机床系统的特点:(续)
5)无中间传动环节,不存在摩擦磨损、反向间隙等问题,可靠性 高,寿命长。 6)直线电动机系统在动力传动中由于没有低效率的中介传动部件 而能达到高效率,可获得很好的动态刚度。 7)行程长度不受限制,并可在一个行程全长上安装使用多个工作 台。 8)由于直线电动机的动件(初级)已和机床的工作台合二为一, 因此,和滚珠丝杠进给单元不同,直线电动机进给单元只能采用全 26 闭环控制系统。
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6.3.2 直流伺服电动机及速度控制单元
2.直流速度控制单元调速控制方式 晶闸管调速系统中,多采用三相全控桥式整流电路作为直 流速度控制单元的主回路,通过对12个晶闸管触发角的控制, 达到控制电动机电枢电压的目的。而脉宽调速系统是利用脉宽 调制器对大功率晶体管的开关时间进行控制,将直流电压转换 成某一频率的方波电压,加到电动机电枢的两端,通过对方波
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6.3.2 直流伺服电动机及速度控制单元
1.直流伺服电动机的工作原理 1. 直流伺服电机的类型
按电枢的结构和形状分:平滑电枢型、 空心电枢型和有槽电枢型等。 按定子磁场产生方式分:永磁式和他 励式。 按转子转动惯量大小分:大惯量、中 惯量和小惯量伺服电机。
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2. 脉宽调制器
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6.3.2 直流伺服电动机及速度控制单元
2.直流速度控制单元调速控制方式 二者的区别: 可控硅是直接对交Biblioteka Baidu电进行控制; PWM是先将交流整流成稳定的直流电压,再对直流电 压进行开关控制,PWM由于频率高,所以电流脉动小。
中小功率的伺服驱动装臵中,大多采用性能优异的PWM,
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6.3.3 交流伺服电动机及速度控制单元
2、永磁式交流同步伺服电动机工作原理 交流异步电机的转速表达式为: 式中 f1—定子电源频率(Hz); p—磁极对数; s—转差率。 调速方法有变转差率、变极对数及变频三种。靠改变转差率
对异步电机进行调速时,低速时转差率大,转差损耗功率也大, 效率低。变极调速只能产生二种或三种转速,不可能做成无级调 速,应用范围较窄。变频器调速是从高速到低速都可以保持有限 的转差率,故它具有高效率、宽范围和高精度的调速性能,可以 认为是一种理想的调速方法。 18
来控制伺服电动机转速的大小。
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6.3.2 直流伺服电动机及速度控制单元
1.直流伺服电动机的工作原理 电机的结构: (1)定子:产生定子磁极磁场。 (2)转子:表面嵌有线圈,通直 流电时,在定子磁场作用下产生带 负载旋转的电磁转矩。 (3)电刷与换向片:为使产生的 电磁转矩保持恒定的方向,保证转 子能沿着固定方向均匀地连续旋转, 将电刷与外加直流电源连接,换向 片与电枢线圈连接。
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