伺服系统上课课件

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2. 步进电机的结构
(1)反应式步进电机 步进电机由定子和转子组成,定 子分定子铁芯和定子励磁绕组。 1-定子绕组;2-转子铁芯;3 -A相磁通;4-定子铁芯。 定子铁芯由电工硅钢片叠压而成, 定子绕组是绕置在定子铁芯6个 均匀分布的齿上的线圈,在直径 方向上相对的两个齿上的线圈串 联在一起,构成一相控制绕组。 步进电机可构成A、B、C三相控 制绕组,称为三相步进电机。若 任一相绕组通电,就形成一组定 子磁极。
第3章 数控机床的伺服系统
3.1 概 述
伺服系统:以位置和速度作为控制对象的自
动控制系统。 伺服系统接受数控装置发来的进给脉冲指令 信号,经过信号变换和电压、功率放大由驱 动元件将其转变为角位移,以驱动数控设备 各运动部件实现运动。
一、伺服系统概念
伺服系统,也称为随动系统,是一种能够
及时跟踪输入给定信号并产生动作,从而 获得精确的位置、速度等输出的自动控制 系统。伺服系统是自动控制系统的一类, 它的输出变量通常是机械或位置的运动, 它的根本任务是实现执行机构对给定指令 的准确跟踪,即实现输出变量的某种状态 能够自动、连续、精确地复现输入指令信 号的变化规律。

伺服系统结构
3.2 步进电机伺服系统
3.2.1 步进电机

步进电机:一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或 直线位移的机电执行元件。 数控装置输出的进给脉冲数量、频率和方向经过驱动 控制电路达到步进电机后,可以转换为工作台的位移 量、进给速度和方向。
工作台
指令脉冲
驱动控制线路
步进电机
丝杠
开环步进式伺服系统组成框图
步进电机转速计百度文库:
n

360
o
60f =
f
6
o
式中:n——转速(r/min); f——脉冲频率,即每秒输入 步进电机的脉冲数;
——用度数表示的步距角。
式中,当转子的步距角一定时,步进电机的转速与输 入的脉冲频率成正比。
(2)静态转矩与矩角特性 静态转矩:当步进电机某相通电时,转子处于不动 状态,此时在电机轴上加一个负载转矩,转子就按 一定方向转过一个角度θ(失调角),此时转子所 受的电磁转矩M即为静态转矩。 矩角特性:静态转矩M与θ的关系。
2. 数控机床对主轴伺服系统的要求 (1)足够的输出功率。 主轴转速高,输出转矩小;主轴转速低,输出转 矩大。要求主轴驱动装置具有恒功率性质。 (2)调速范围宽。 数控机床的变速依照指令自动执行,要求能够在 较宽的转速范围内进行无级调速,较少中间传递 环节,简化主轴箱。 (3)定位准停功能。 为使得数控车床具有螺纹切削等功能,要求主轴 能与进给驱动实行同步控制。 在加工中为自动换刀,要求主轴具有高精度的准 停功能。

(2)闭环伺服系统 有位置检测装置,且装在机床工作台上,直接检 测工作台的实际位移。 利用CNC装置的指令值与位置检测装置的检测值 的差值进行位置控制。 精度高,其运动精度取决于检测装置的精度,与 传动链的误差无关。 适用于大型或比较精密的数控设备。 (3)半闭环伺服系统 有位置检测装置,且装在电机或丝杠的端头,检 测角位移,间接获得工作台的位移。 精度比闭环控制低,滚珠丝杠的精度影响位置检 测的精度。适用于中小型数控机床。
2. 按使用的驱动元件分类
(1)电液伺服系统 执行元件:电液脉冲马达或电液伺服马达。 驱动元件:液动机或液压缸。 优点:低速高输出力矩,刚性好,时间常数小,反 应快,速度平稳。 缺点:需要供油系统,体积大,产生噪声和漏油等 问题。 (2)电气伺服系统 执行元件:伺服电机(步进电机、交流或直流伺服 电机)。 驱动元件:电力电子器件。 现代数控机床均采用电气伺服系统。(经历了四个 阶段)
3. 按被控对象分类
(1)进给伺服系统 控制机床各坐标轴的切削进给运动,提供 切削所需的转矩。 包括速度控制环和位置控制环。 (2)主轴伺服系统 控制机床主轴的旋转运动,提供所需的驱 动功率和切削力。
伺服系统的组成
由控制器、功率驱动装置、检测反馈装置和伺服电机组成。 (1)控制器:由位置调解单元、速度调解单元和电流调解单 元组成。 控制器最多构成三闭环控制:外环为位置环,中环为速度环, 内环为电流环。 (2)功率驱动装置:由驱动信号产生电路和功率放大器等组 成。 功能:一方面按控制量大小将电网中的电能作用到电机上, 调节电机力矩的大小;另一方面按电机要求将恒压恒频的电 网供电转换为电机所需直流电或交流电。 (3)位置检测装置:闭环和半闭环伺服系统有位置检测装置, 其安装位置不同;开环伺服系统无位置检测装置。 (4)伺服电机:闭环和半闭环伺服系统采用交流或直流伺服 电机;开环伺服系统采用步进电机。
数控机床对伺服系统的要求
1. 数控机床对进给伺服系统的要求 (1)调速范围大,低速转矩大。 调速范围:机械装置要求电机能提供的最高进给速 度相对于最低进给速度之比。 为保证所有加工条件下,均能得到最佳切削条件和 加工质量,就要求进给速度在较大的范围内变化。 低速切削要求电机输出较大的转矩,避免出现低速 爬行现象。 (2)精度高。 精度:伺服系统的输出量跟随输入量的精确程度。 为保证数控加工精度要求,主要保证机床的定位精 度和进给跟踪精度。
4. 反应式步进电机主要特征
(1)步距角和静态步距误差 步进电机步距角α与定子绕组的相数m、转子的齿数z、 通电方式k有关,即有:α=360°/(mzk)。 其中:m相m拍时,k=1;m相2m拍时,k=2,依此 类推。例如,三相三拍,z=40时,α= 360°/(3×40×1)=3°。 静态步距误差:在空载情况下,理论的步距角与实际 的步距角之差,以分表示,一般在10′之内。 步距误差主要由步进电机步距制造误差,定子和转子 间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成。
3. 反应式步进电机工作原理


步进电机:基于电磁力的吸引和排斥产生转矩。 定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式,也称为脉冲电 机。 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次,即送给步进 电机一个电流脉冲,其转子就转过一个确定的角度,即 步距角α;脉冲数增加,角位移也增加;无脉冲时,电机 停止。 改变步进电机定子绕组的通电顺序,转子的旋转方向改 变。 步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快,其转子旋 转速度越快,即脉冲频率越高,转子转速越高;但脉冲 频率不能过高,否则产生失步或超步。
1. 环形脉冲分配器
功能:将逻辑电平信号(弱电)变换为电机绕 组所需的具有一定功率的电流脉冲信号(强 电)。即将数控装置的插补脉冲,按步进电机 所要求的规律分配给步进电机的各相输入端, 以控制励磁绕组的通、断电。 分类:硬件环形分配器和软件环形分配器。 硬件环形分配器:步进电机驱动装置本身带有 环形分配器。 软件环形分配器:驱动装置本身无环形分配器, 环形分配需要软件完成。。
数控系统发出指令脉冲经过驱动线路变换与放大, 传给步进电机。步进电机每接收一个指令脉冲, 就旋转一个角度,再通过齿轮副和丝杠螺母副带 动机床工作台移动。 指令脉冲的频率决定了步进电机的转速,进而决 定了工作台的移动速度;指令脉冲的数量决定了 步进电机转动的角度,进而决定了工作台的位移 大小。 开环伺服系统加工精度低。由于无位置检测装置, 其精度取决于步进电机的步距精度和工作频率以 及传动机构的传动精度。 结构简单,成本较低,适用于对精度和速度要求 不高的经济型、中小型数控系统。
(6)矩频特性与动态转矩 矩频特性:描述步进电机连续稳定运行时输出转矩M与 连续运行频率f之间的关系。 动态转矩:矩频特性曲线上每个频率对应的转矩。 步进电机正常运行时,动态转矩随连续运行频率的上升 而下降。
3.2.2 步进电机的驱动控制器


功能:将具有一定频率f、一定数量N和方向的进给脉冲转 换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变化 频率、变化次数和通断电顺序。 驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成。
(3) 最大静转矩和失调角 当转子带有负载力矩通电时,转子就不再能和 定子上的某极对齐,而是相差一定的角度,该角 度所形成的电磁转矩正好和负载力矩相平衡。这 个角度称为失调角。 步进电动机所能带的静转矩是受到限制的,最 大静转矩表示步进电机的承受载荷的能力。

(3)启动频率 启动频率:空载时,步进电机由静止状态突然启动,并 进入不丢步的正常运行的最高频率。 步进电机带负载下的启动频率要比空载启动频率低,并 随负载增加而进一步降低。 (4)连续运行的最高工作频率 最高工作频率:步进电机启动后,保证连续不丢步运行 的最高工作频率。 决定了定子绕组通电状态下最高变化的频率,即决定了 步进电机的最高转速。 (5)加减速特性 加减速特性:步进电机由静止刀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。
2)稳定性好 稳定性是指系统在给定输入或外界干扰 作用下,能在短暂的调节过程后,达到 新的或者恢复到原来的平衡状态,对伺 服系统要求有较强的抗干扰能力。稳定 性是保证数控机床正常工作的条件,直 接影响数控加工的精度和表面粗糙度。
3)快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标,它 反映了系统的跟踪精度。为了保证轮廓切削形 状精度和低的加工表面粗糙度,要求伺服系统 跟踪指令信号的响应要快。一方面要求过渡过 程(电机从静止到额定转速)的时间要短,一 般在200ms以内,甚至小于几十毫秒;另一方面 要求超调要小。这二方面的要求往往是矛盾的, 实际应用中要采取一定措施,按工艺加工要求 做出一定的选择。
1. 步进电机的类型
分类方式 具体类型 转矩产生原理 ①反应式(磁阻式);②永磁式;③永磁感应式(混合式)。 ①伺服式:输出力矩在百分之几至十分之几(N•m),只能驱 动较小的负载,要求与液压扭矩放大器配用,才能驱动机床工 输出力矩大小 作台等较大的负载。 ②功率式:输出力矩在5-50(N•m)以上,可以直接驱动机床 工作台等较大的负载。 相数 各相绕组分布 运动方式 定子数 ①三相;②四相;③五相;④六相。 ①径向分相式:电机各相按圆周依次排列。 ②轴向分向式:电机各相按轴依次排列。 ①旋转运动式;②直线运动式;③平面运动式;④滚动运动式。 ①单定子式;②双定子式;③三定子式;④多定子式。
(3)快速响应无超调。 快速响应反映系统的跟踪精度。 (4)稳定性好,可靠性高。 稳定性:系统在给定输入或外界干扰作用下,能经 过短暂的调节达到新的或恢复到原来平衡状态。 系统具有较好的抗干扰能力能保证进给速度均匀、 平稳。 (5)足够的传动刚性,较强的过载能力,电机的惯 量与移动部件的惯量相匹配,伺服电机能够频繁启 停和可逆运行。
5)低速大转矩 机床加工的特点是,在低速时进行重切 削。因此,要求伺服系统在低速时要有 大的转矩输出。进给坐标的伺服控制属 于恒转矩控制,在整个速度范围内都要 保持这个转矩;主轴坐标的伺服控制在 低速时为恒转矩控制,能提供较大转矩; 在高速时为恒功率控制,具有足够大的 输出功率。
伺服系统的分类 1. 按照调节理论分类 1)开环伺服系统 开环伺服系统由步进电机及其驱动电路 组成,无位置检测装置。
4)调速范围宽

调速范围是 指生产机械要求电机能提供的最高转速 和最低转速之比。通常表示为:Rn
nmax Rn nmin

在数控机床中,由于加工用刀具,被加工材质及零件 加工要求的不同,进给伺服系统需要具有足够宽的调 速范围。目前较先进的水平是,在分辨率为1的情况下, 进给速度范围为0~240m/min,且无级连续可调。但对 于一般的数控机床而言,要求进给伺服系统在 0~24m/min进给速度范围内都能工作就足够了。
数控机床对伺服系统的基本要求
1)精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精 确程度。作为数控加工,对定位精度和轮廓加 工精度要求都比较高,定位精度一般允许的偏 差为0.01~0.001mm,甚至0.1微米。轮廓加工精 度与速度控制、联动坐标的协调一致控制有关。 在速度控制中,要求较高的调速精度,具有比 较强的抗负载扰动能力,对静态、动态精度要 求都比较高。
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