5-1进给伺服系统详解

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a) 三相/二相变换(3/2变换) b)二相/二相变换 c)二相到三相的变换(2/3变换)
a)三相/二相变换(3/2变换)
b)二相/二相变换
c)二相到三相的变换(2/3变换)
4.交流伺服电机的速度控制单元
1).其基本结构框图如下:
2).交流伺服电机速度控制单元的工作原理:
a) 由速度指令电压Ur控制电枢电压iq。 b) Fd由稳压器提供,即id不变。 c) 之后经2/3变换及PWM逆变器放大后得到频率与 速度指令电压Ur成正比的三相交流电流ia、ib、ic。 d) 改变Ur,即可改变电机的三相交流电流的频率,从而改变 电机的转速。
A)单三拍的通电方式控制字(P1口) ( MOV P1, #01)
B)六拍的通电方式控制字(P1口)
三、直流伺服电机及其调速
1.直流伺服电机的种类 2.直流伺服电机的工作特性 3.直流伺服电机的使用特性 4.直流伺服电机的调速 5.直流伺服电机的速度控制单元
※直流电机的工作原理回顾:
1.直流伺服电机的种类
A)过渡过程曲线 B)过渡过程时间
=
在过渡过程中,电机的转矩平衡方程为:
M ML J dw KT I a dt
动态电压平衡方程为:
d Ia U La I a Ra +Ea dt
由以上两式可推出电机的动态特性方程:
其中:
Tm——电机的机械时间常数。表示加上电枢电压后,转速达到 额定值时响应过程的时间。 Te——电机的电气时间常数。表示加上电枢电压后,电枢电流 达到额定值时响应过程的时间。
变频器接线图:
2).直流伺服电机速度控制单元的工作原理: a)当给定的指令信号增大时 b)当外界负载增加时 c)当电网电压下降时
3).直流伺服电机的PWM功放电路:
晶体管脉宽放大电路图
脉宽调制原理图
四、交流伺服电机及其调速
1.交流伺服电机的种类 2.交流伺服电机的使用特性 3.交流伺服电机的变频调速 4.交流伺服电机的速度控制单元
当t=Tm 时,

t TM
)
0.632 0
0 称3Tm为过渡过程时间。 当t=3Tm 时, 0.95源自文库
3.直流伺服电机的使用特性
1) 转矩-速度特性曲线:
a )连续工作区
b )断续工作区
c )瞬时加减速区
****利用电机的使用特性曲线可以设计系统在允许的 工况下工作。
2)负载周期曲线: 该曲线给出了在满足机械所需转矩,而又确保电机不 过热的情况下,允许电机的工作时间。 其使用方法如下:
2.闭环伺服系统
3.半闭环伺服系统
三种伺服系统的比较:
a)开环伺服系统——精度依赖于步进电机的步距角精度和齿轮、 丝杆等传动部件的精度,一般为0.01mm。 适用于精度要求不高,位移速度较低,轻载等经济型数 控系统。其优点是结构简单,造价低,调试容易。
b) 闭环伺服系统——精度主要依赖于位置检测装置的制造和安 装精度,一般为0.001~0.0001mm。 适用于高精度的大型数控机床。但系统调试困难,难以 实现通用化设计。 c)半闭环伺服系统——精度依赖于位置检测装置的精度和机械 传动部件的精度。 适用于精度较高的中小型数控机床。其优点是系统调试 较容易,电气控制部分可以单独设计,易于进行通用化 设计,有利于降低 成本,是目前应用最为广泛的系统。
二、CNC机床对进给伺服系统的要求 三、进给伺服系统的分类
一、进给伺服系统的定义、组成及作用
1.定义:以机床执行部件(移动部件)的位移和速度作 为被控量,使之能跟踪目标值任意变化的自动 控制系统称为进给伺服系统。 2.组成: 位置控制单元 伺服驱动电路 电气控制系统 伺服驱动元件 机械传动机构 机械执行机构 执行部件 速度控制单元
※交流电机的工作原理回顾:
1.交流伺服电机的种类
1)交流感应伺服电机:价格低,容量较大,速度精度 不如同步电机,主要用于主轴驱动。
2)交流同步伺服电机:永磁式,成本高,调速精度 高,转矩惯量比 大,动态响应快,用于 进给伺服驱动
2.交流伺服电机的使用特性
其使用特性曲线如下: 1)连续工作区——可实现速度和转矩的任意组合。 2)断续工作区——范围更大。 交流伺服电机最大转速比直流伺服电机更大,可以有更 快的进给速度。
3.主要功能:
a)接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号 b)由伺服驱动电路作一 定的变换(主要是放大指令 信号) c)驱动伺服电机 d)最后带动机械传动机构和机床执行部件实现给定 的位移和速度。
***接受并放大指令信号
实现给定的位移和速度。
※ A)CNC机床进给伺服系统与一般机床进给系统的主要区别在于: (1)它能根据指令信号精确地控制执行部件的 运动速度和位移。 (2)它能使执行部件同时在几个方向按一定的 规律运动形成合成的运动轨迹。 B)进给伺服系统直接影响机床的加工精度、表面质量和 生产效率。
5.使用特性: 1)步距误差:直接影响定位部件的定位精度,由步进 电机结构决定。 2)最高起动频率: 空载时,步进电机突然启动并不失步地进 入稳速运行所允许的最高频率。一般为 500~800Hz。 3)矩频特性:是描述步进电机在稳定运行时,电机输出 的转矩与换相频率的关系特性。它是衡量 步进电机运行时承载能力的动态性能指标。 一般 f 增大,M 减小。 6.步进电机的调速: 改变换相频率f,即可改变转速大小; 改变通电顺序,即可改变转速方向。
a )先求 Tmd :Tmd =
负载转矩 =160 % 连续额定转矩
b )根据电机的实际过载工作时间 找到 TR c )再由曲线求得对应的d :
TR d TR T F
d )电机工作的最短断电时间 :
1 TF TR ( 1) d
4.直流伺服电机的调速
根据前面的介绍,有:n =
U I a Ra Ce
§5-2 进给伺服系统的驱动元件及其调速
一、进给伺服系统对驱动元件的要求 二、步进电机及其调速 三、直流伺服电机及其调速 四、交流伺服电机及其调速
一、进给伺服系统对驱动元件的要求:
1.调速范围宽。 2。在整个调速范围内,输出速度稳定性要好。 3.输出的速度精度要高。 4.动态响应快。 5.负载特性硬。 6.过载能力强。
动态特性讨论(指电机空载时的特性): A)过渡过程曲线:
当 ≥ 1 时,即 Tm ≥4Te 电机转速的过渡过程无振荡。
当0< <1时,即 Tm < 4Te 有振荡现象,将降低加工质量, 应避免。
B)过渡过程时间 : 在空载及阶跃电压输入时,其动态特性方程的解为
(t ) 0 (1 e
1)根据 定子绕组的激磁方式分类: 他激式:激磁绕组与电枢绕组互相独立 并激式:激磁绕组与电枢绕组并联 串激式:激磁绕组与电枢绕组串连 复激式:激磁绕组与电枢绕组串、并联 永激式:由永久磁铁产生磁通 2)根据 转子惯量大小分类: 小惯量:惯性小,动态响应快 中惯量:介于中间 大惯量:低速时,输出力矩大。过载能力强, 可直接驱动负载。
2.输出精度要高: 精度——指输出量能复现输入量的精确程度。 位置精度: (1)定位精度和重复定位精度:为静态精度,反 映机床加工的尺寸精度。 (2)跟随精度:为动态精度,反映机床加工的轮 廓精度。
3.动态响应要快且无超调: 快速性——指消除系统的输出量与给定的输入量之间 偏差的快慢程度。 即电机转速从零升至最大稳态速度的时间 要短(0.2~0.1s),且过渡过程无振荡 现象(否则会影响表面粗糙度)。
二、步进电机及其调速
1.步进电机的基本结构 2.步进电机的工作原理 3.步矩角 4.工作特性 5.使用特性 6.步进电机的调速
1.步进电机的基本结构:
1)由定子和转子组成, 2)定子上有多对磁极,一对 磁极上有一相激磁绕组, 3)转子上无绕组。 4)转子和定子一般都是由 硅钢片叠成。
2.步进电机的工作原理 (实际上就是电磁铁作用) 1)当某相定子绕组通以直流电激磁后,定子磁场对转子 将产生反应力矩,迫使转子凸极中心线与通电的定子绕 组的磁极中心线对齐。若轮流给定子绕组通电,则能实 现转子的连续运转。 2)若同时给两相定子绕组通电,则转子凸极同时受到两 相定子绕组的反应力矩的作用,其结果是转子转过的角 度为两相绕组的中间位置,即电机转子转过的角度与通 电方式有关。
C)进给伺服系统的性能取决于: (1)组成它的伺服驱动系统和机械传动机构各环节的特性。 (2)系统中各环节性能参数的合理选配。
二、CNC机床对进给伺服系统的要求
进给伺服系统一般是在大的调速范围内以足够高的位置 控制精度和足够快的跟踪速度来作为它主要的控制目标。因 此,提出以下要求: 1.稳定性要好: 稳定性——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 平稳状态的特性。 稳定性好,可保证进给速度均匀、平稳, 有利于加工质量的稳定。
3.交流伺服电机的变频调速
n=
60 f 60 f 或n (1 s) p p
1)交流伺服电机矢量变换的基本思想:
直流电动机调速非常方便。如果通过某种变换将交 流电机变成等效的直流电机,那么交流电机的调速就可 以象直流电机的调速一样方便。
2) 交流伺服电机矢量变换原理:
等效变换的原则: 变换前后有同样的旋转磁场, 同时保持功率不变。
定子绕组激磁方式示意图:
2.直流伺服电机的工作特性
1 )静态性能: 也称为机械特性,是指电机稳定运行时带负载的特性。 即:n=f(M) 稳定运行时电机转速与负载力矩之间的关系见下式:
Ra U n M 2 Ce Ce C m
=
U KM Ce
2 )动态性能: 是指电机转速从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时 过渡过程的特性。 一般主要指升速和降速过程的特性,包括:
4.调速范围宽:
nmax Rn 10000 nmin
Fmin 0.1 ~ 1mm/ min
5.可靠性要高,维护使用方便。
二、CNC机床对进给伺服系统的要求
1.稳定性要好 2.输出精度要高 3.动态响应要快且无超调 4.调速范围宽 5.可靠性要高,维护使用方便
三、进给伺服系统的分类 1.开环伺服系统
由此可知直流伺服电机的调速有三种方法: 1)改变电枢电压U a)在稳定状态下,U、n是线性关系。 b) 因此,此种调速方法非常方便,易做到无级调速, 且调速范围广,不改变机械特性。 C)对永磁式直流伺服电机只能采取此种调速方法。 2)改变磁通 3)改变电枢回路电阻
5.直流伺服电机的速度控制单元
1).其基本结构框图如下:
3)为了提高步进电机的控制精度,定子磁极和转子凸极都采 用多齿结构(参见上图),且定、转子的齿距相同。
另外,定子上的极齿与转子上的齿要错开一定角度,即当定 子上一相极齿与转子齿对齐时,其它相极齿与转子齿要错开。 错齿是步进电机实现旋转的必要条件。
3.步矩角——步进电机定子绕组每输入一个换相脉冲信号, (即换相一次)转子转过的角度。
常用的驱动元件特点比较: 1)功率步进电机:结构简单,控制方便,但精度较低,输出力 矩 较小,调速范围窄。
2)直流伺服电机: 结构复杂,维护麻烦,成本高,但精度高, 输出力矩大,调速范围宽,负载特性硬,动 态响应好,调速方便(自带检测装置)。 3)交流伺服电机:结构较简单,使用寿命长,精度较高,输出 力矩大,调速范围宽,但控制复杂(自带检 测装置)。
§4-5 CNC装置的刀具补偿原理
一、刀具补偿的概念 二、刀具补偿的类型 三、刀具位置补偿 四、刀具半径补偿
§4-6 CNC装置内的数据流程:
译码 刀补 插补计算 位控计算 电机调节
第五章、进给伺服系统
§5-1概述 §5-2 进给伺服系统的驱动元件及其调速
§5-3 典型进给伺服系统简介
§5-1概述 一、进给伺服系统的定义、组成及作用
0 360 0 m zk
m-定子绕组相数 式中: z-转子齿数 k-通电方式系数 4.工作特性 : 1)转子的角位移与输入的换相脉冲个数成正比。 2)转子的角速度与输入的换相脉冲频率成正比。 3)转子的旋转方向由通电顺序决定。 4)若通电绕组不变,电机便停在某一个位置上不动, 具有自锁功能。 **步进电机结构简单,调速方便,但效率低,拖动负 载能力有限,且调速范围不宽。
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