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1、第六章 数控机床的伺服系统,重点： 1伺服系统的要求、分类、组成 2 常用伺服电机工作原理及其驱动装置特点 3 常用位置检测元件工作原理及特点,6-1 概述,一 伺服系统概念 1 概念 数控机床的伺服系统是指以机床移动部件位移和速度为控制对象的自动控制系统。 数控机床伺服系统包括进给伺服驱动系统；主轴伺服驱动系统。 伺服系统的组成 伺服系统由伺服电机、伺服驱动装置、机械传动装置、位置检测装置等组成。,2 伺服系统的基本要求,1 ） 精度高 伺服系统精度取决于机械传动精度和伺服系统最小分辨率精度。 2）响应快速 响应速度提高，可以减小跟随误差，一般在200 ms以内。 3） 稳定性好 稳定性直接
2、影响数控加工精度和表面粗糙度。 4）调速范围宽 R=nmax/nmin 进给伺服与主轴范围不一样 5 ） 低速大转矩,3 电气控制伺服系统,从控制的角度来说，一般电气伺服系统结构为三闭环控制。,位置PID,速度PID,电流PID,伺服电机,速度反馈,位置反馈,给定,二 对伺服电机的要求,1）在调速范围内，具有平稳的运行速度 2）具有较大较长时间的过载能力 3）具有较大的启动加速度 4）能够承受频繁启动、制动和反转,三 伺服系统的分类,1 按控制方式划分：开环控制系统；半闭控制环系统；闭环控制系统。 2 按系统中执行元件电动机的类型划分（1）步进驱动系统 执行元件为步进电机（2）直流伺服驱动系统
3、执行元件为直流伺服电机。 （3）交流伺服驱动系统执行元件为交流伺服电机。,6-2 步进电机及开环控制系统,一 步进电机结构特点及种类 步进电机又称为脉冲电机它的输入既不是交流电，也不是直流电，而是电脉冲。 其主要特点：步进电机输出的角位移与输入的脉冲个数成正比，转速与脉冲频率成正比。 分类：根据其结构和材料大体分为可变磁阻式（反应式）、永磁式和混合式（永磁感应式）三种基本类型。按输出扭矩分：伺服式（功率较小)，功率式(功率较大）。,二 步进电机结构及工作原理,1. 结构与原理 左图为径向分相式三相步进电机。,步进电机定子齿距分布,步进电机工作原理,工作原理：以三相反应式为例,2 运行节拍与通电
4、方式 在一个完整的通断电循环中，绕组通电状态的不同组合数称为运行拍数。每拍转子转过一个步距角。通电方式： ABCA；ABBCCAAB；AABBBCCCAA 3 径向分相式与轴向分相式 4 步距角 s =360/mPN P 运行节拍与相数的比例， N转子齿数 m相数 。,三 步进电机进给控制,1 转向控制 2 速度大小控制 控制步进电机相邻两种励磁状态之间的时间，就可以实现步进电机速度控制。V=60f 式中f 输入到步进电机的脉冲频率Hz，脉冲当量mm/脉冲，V 单位 mm/min 3 自动升降速控制,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，从最高工作频率或高干
5、突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。,四 步进电机特性与选用,1 步进电机的优点 2 主要技术特性 （1）步距角及其误差（不大于10） s =360/mPN P 运行节拍与相数的比例， N转子齿数 m相数,（2）矩角特性与最大静转矩,（3）启动频率,（4）连续运行频率（5）矩频特性,3.选用,（1）选定类型 （2）确定脉冲当量 （3）计算齿轮传动比 （L为丝杠螺距、m一转的脉冲数） （4）确定高速运行的输出扭矩（大于负载转矩，并留余量） （5）确定电机启动频率,计算机三相六拍环形分配表（查表法）,6-2 直流、交流伺服驱动 （闭环控制系统）,闭环控制的伺服系统执行元件为直流、交流伺
6、服电机。 一 直流伺服电机 直流伺服电机具有良好的调速性能，在以往的数控机床上得到广泛使用。直流伺服电机分为有刷和无刷两种基本类型。有刷直流伺服电机通常采用永久磁铁做定子。而无刷电机转子为永久磁铁，定子为电枢。,1. 直流伺服电机的工作原理 直流伺服电机基本结构和工作原理与一般的直流电机相同，所不同的是为了满足快速响应的要求，从结构上做得细长一些。,直流伺服电机工作原理图,2. 直流电机的输出特性,直流电机的电枢电路： R+E=U E=Ken T-Tf=Jdn/dt 当电机稳定运行时 T=Tf T=KT = KT(U E)/R= KT(U Ken)/ R,M,Ua,Ea,Ia,机械特性和调速特
7、性,二 直流伺服电机驱动装置,1 可控硅调速电路(SCR) 采用三相全控桥式整流电路 ，通过对12个晶闸管触发角的控制，达到控制电机电枢电压的目的。,2 脉宽调制PWM 调速电路,UAB=USt1-(T-t1) US/T=(2t1/T -1) US=(2 -1) US = 0.5 UAB=0 电机不转 0.5 UAB0 电机正转 0.5 UAB0 电机反转,3直流驱动系统的双闭环控制系统,速度调节,电流调节,功率放大,M,TG,电流反馈,速度反馈,三. 交流伺服电动机,直流伺服电机存在机械整流子、电刷维护困难，造价高，寿命短、应用环境受限制的缺点。而交流伺服电机结构简单，耐用可靠，动态响应好，
8、驱动调速技术日益成熟。 用三相交流电驱动的伺服电机叫AC伺服电机。AC伺服电机按工作原理划分为：永磁同步型；异步感应型。,1. 永磁同步型AC伺服电机,永磁同步型AC伺服电机，转子用永磁材料制成，定子装有三相对称绕组，通入三相对称、相位相差120的交流电，可产生旋转磁场。,多极永磁同步型AC伺服电机结构如下图示转子转速 n=n1=60f/p p磁极对数，f电源频率。,2 AC伺服电机SPWM调速,永磁同步型AC伺服电机的转速与电源频率存在严格的关系。因此，用变频调速驱动装置，非常适宜。为获得宽的调速范围，该驱动电源不仅要求电压和电流可调，而且频率也必须可以连续可调。 因此调速的关键部件之一就是变频器，变频器分为：交 直交型；交交型。数控机床常用前者，而且其逆变器多采用脉宽调制PWM逆变器。,