第五章 伺服驱动系统1

第五章伺服驱动系统伺服系统概述步进伺服系统直流伺服系统交流伺服系统伺服系统检测元件第一节伺服系统概述一、伺服系统的定义二、伺服系统的组成三、伺服系统的分类四、对伺服系统的基本要求一、伺服系统的定义是以机械位置（线位移、角位移）以及速度（线速度、角速度）作为控制目标的自动控制系统。也可称为随动系统，简称为伺服系统。CNC装置是数控机床的“大脑（指挥机构）”，伺服系统是数控机床的“四肢（执行机构）”。二、伺服系统的组成位置控制单元；速度控制单元；伺服驱动电机；检测与反馈单元伺服驱动装置：速度控制单元+伺服电动机速度控制单元：速度调节器+电流调节器+功率驱动电源伺服电动机：步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈数控系统工作过程译码刀补处理插补处理PLC控制进给伺服系统切削运动、机床I/O装置成形运动加工程序三、伺服系统的分类按控制方法：开环、闭环、半闭环伺服系统按驱动元件：步进、直流、交流伺服系统按反馈比较控制方式：脉冲比较、相位比较、幅值比较和全数字伺服系统四、对伺服系统的基本要求高精度：定位精度与重复定位精度（静态、尺寸精度）、跟随精度（动态、轮廓精度）.一般定位精度要求m级，高的要求达到0.01~0.005m快速响应:超调小，过渡过程时间tp<200ms负载特性要硬:在系统负载范围内，当负载变化时，输出速度应基本不变。即△F尽可能小；当负载突变时，要求速度的恢复时间短且无振荡。即△t尽可能短宽调速范围:调速范围Rn=1---24000，且.1mm/minFmin1mm/min，低速运动平稳性好大转矩:低速大扭矩可靠性高，平均故障间隔时间（MBTF）长第三节步进伺服系统步进电动机、驱动及控制系统（驱动电源）一、分类二、结构及工作原理:反应式步进电动机三、运行性能四、步进电动机的驱动及控制系统五、步进电动机的选用步进电动机一、分类1、按工作原理：反应式、电磁式、永磁式、混合式等2、按运动方式：旋转式、直线式、平面运动式、滚切运动式。3、按结构：有单段式、多段式，印刷绕组式。4、按相数：三相、四相、五相、六相和八相。5、按使用频率：有高频和低频。二、结构及工作原理(反应式步进电动机)1、基本概念：1）结构：定子、转子。2）极距角：360/2m3）齿距角：360/Z二、结构及工作原理(反应式步进电机)2、工作原理:磁力线力图走磁阻最小路径，使磁力线最短，定、转子间磁拉力的切向力产生转矩；各相定子的齿间彼此相错1/m转子齿距角(360/Z)。步距角：每改变一次通电状态转子所转过的角度 (mZK)K通电方式系数，相邻两次通电相数相同，则K=1；否则K=2数控机床:0.18/0.36,0.36/0.72,0.6/1.2,0.75/1.5,1.5/3二、结构及工作原理(反应式步进电机)3、通电方式： 三向单三拍 三向六拍A通A断B通A向B向C向转子转子转子A通B通A向B向C向转子转子转子二、结构及工作原理(反应式步进电机)3、通电方式1）三相单三拍（1相通电）逆时针：ABCA…顺时针：ACBA…2）三相双三拍（2相通电）：ABBCCAAB…（逆时针）;3）三相六拍（1-2相通电）：AABBBCCCAA…逆时针）4）m>3的通电方式（四相八拍、五相十拍等）特点4、特点:1）电脉冲机械角位移角位移大小输入脉冲个数角速度大小输入脉冲频率方向：绕组通电顺序2）控制性能好，控制系统简单可靠，成本低；3）控制精度受步距角限制，高负载或高速度时易失步。

三、运行性能1、静态矩角特性曲线2、最大静转矩Tjmax3、启动转矩Tq4、空载启动频率fq与启动矩频特性5、连续运行频率与运行矩频特性1、静态矩角特性曲线1）转子初始稳定平衡位置：空载时某相通电，定、转子齿对齐，转子上无转矩输出(不改变通电状态时，转子处于不动状态）；2）失调角：转子上加负载转矩后达到与T相平衡时所转过的电角度；3）静态矩角特性曲线：转子上静态电磁转矩T与失调角e的关系。A通定子转子2、最大静转矩Tjmax最大静转矩Tjmax：步进电机承受负载的能力.最大静转矩特性：指在一定的通电状态下，最大静转距与绕组内电流的关系。额定电流I↑→Tjmax↑→负载能力↑→运行快速性和稳定性↑TmaxI03、启动转矩Tq启动转矩Tq：两个矩角特性曲线的交点对应的转矩拍数（mK）↑→Tq↑4、空载启动频率fq与启动矩频特性空载启动频率fq：步进电机在空载时由静止状态能不失步启动进入正常运行的最高频率。fq↑→快速性↑启动矩频特性：步进电机在带动负载转矩时启动频率与负载转矩的关系5、连续运行频率与运行矩频特性空载运行频率（连续运行频率）fmax：步进电机空载启动后能不失步连续运行的最高频率运行矩频特性：步进电机连续稳定运行时输出电磁转矩T与连续运行频率f之间的关系（衡量电机运转时承载能力的动态性能指标）。f↑→绕组感抗↑→电流波形变坏→电流幅值↓→T↓四、步进电机的驱动及控制系统1、环形脉冲分配器1）作用与分类2）硬件环形分配器3）软件环形分配器2、功率放大器步进电动机1、环形脉冲分配器1）作用与分类作用：将数控装置发出的脉冲分配给步进电动机的各相输入端，使步进电动机各绕组按一定的顺序和时间通电和断电，并使电机正转或反转。分类： 硬件环形分配：I/O线少，速度高，专用集成电路芯片；软件环形分配：线路简化，灵活性大，成本低，I/O线多，速度慢2）硬件环形分配器YB013引脚及功能123456789181716151413121110CP-+CVCCBAYB013SG选通输出控制清零3，4励磁方式控制A0=0,A1=0三相单三拍A0=0,A1=1三相双三拍A0=1三相六拍5，6选通输入控制9接地时钟输入12，11正、反转控制13出错报警输出18，17，15A，B，C相输出16电源PA0PA18155PA2PA5PA6PA7PA3PA4TMOUT光电隔离功率放大Z向光电隔离功率放大X向GNDVccA0A1E0E1E2RABCDE+-CPA0A1E0E1E2RABC+-CPVccGNDVccGND+5V+5VYB015YB013

控制字±XX向E0±ZR

Z向E0PA4PA3PA2PA1PA03）软件环形分配器8031PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7

光电隔离电路功率放大电路XZABCabc8155软件环形分配器输出状态表

X向步进电机Z向步进电机节拍CBA存储单元方向节拍cba

存储单元方向PA2PA1PA0地址内容PA5PA4PA3地址内容10012A00H01H逆转正转10012A10H08H逆转正转20112A01H03H20112A11H18H30102A02H02H30102A12H10H41102A03H06H41102A13H30H51002A04H04H51002A14H20H61012A05H05H61012A15H28H2、功率放大器作用：将环形分配器或I/O口输出的弱电信号放大，给步进电机每相绕组提供脉冲励磁电流分类：按驱动方式：单压驱动、双压（高低压）驱动按功率开关元件：功率晶体管驱动、晶闸管驱动按控制方式：高低压定时控制、恒流斩波控制、脉宽控制单电压与高低压驱动电路2、功率放大器单电压驱动电路原理图2、功率放大器高低压驱动电路原理图it0斩波驱动电路原理图it0五、步进电机的选用1、精度与速度2、启动矩频特性和运行矩频特性例：下面举一个模拟工作台的例子。工作台的纵向轴是导程P=1.25mm的普通丝杆副，步进电动机通过一对降速齿轮副与丝杠联接。设①丝杠轴向的负载Fa=5000N；②最大进给速度Vmax＝0.8m/min；③脉冲当量＝0.002mm/step；④传动的总效率是=0.255。请选用步进电动机。设选用的步进电动机的步距角s＝0.75o/step第四节直流伺服系统一、直流伺服电动机的分类及特点二、直流伺服电动机的速度控制单元一、直流伺服电动机的分类及特点小惯量直流伺服电机：快速响应、过载能力低、惯量匹配差无槽电枢式：适于快速动作、运转平稳、功率较大；印刷绕组式：适于低速运行和频繁启动、反转；空心杯电枢式：适于快速动作；宽调速直流伺服电动机：转矩大、调速范围宽、动态响应好、过载能力强、易调试;电磁式：换向性好、成本低；永磁式：结构简单、效率高、耗电少、低速和启动输出力矩大；二、直流伺服电动机的速度控制单元1、工作原理2、转矩平衡式3、电压平衡式4、转速与转矩的关系5、调速方式6、过渡过程7、速度控制单元1、工作原理U+–NS电刷换向片直流电源电刷换向器线圈IINS1、工作原理转子绕组形成的磁场始终与定子磁势正交，产生电磁转矩。2、转矩平衡式1）电磁转矩：2）总阻转矩Ts＝阻转矩To＋负载转矩Tr：3）惯性转矩TJ：4）转矩平衡方程式：3、电压平衡式1）电枢绕组上的反电动势：2）外加电压为Ua，则电压平衡式为：4、转速与转矩的关系5、调速方式1）改变Ra2）改变φ3）改变Ua(直流电机采用)6、过渡过程1)机械过渡：电机和负载有转动惯量，转速改变有一个过渡过程，称为机械过渡。机械转动惯量是造成机械过渡过程的主要因素。2)电磁过渡：电枢绕组有电感，电流改变有一个过渡过程。电感是造成电磁过渡的主要因素。3)在过渡过程中，电压平衡方程式中需要加一面感抗负载，转矩平衡方程式中需加惯量负载。7、速度控制单元1）速度控制单元类型：晶闸管（可控硅）调速系统：大功率，要求不是很高；大功率晶体管脉宽调制(PWM：PulseWidthModulation)调速系统：线路简单、效率高、调速范围宽、快速响应好、抗干扰强；2）直流PWM调速的基本原理：通过控制电枢电压的占空比，从而改变其平均电压，完成转速控制。SUmT忽略电枢内阻上压降，则电枢回路静态方程式为：7、速度控制单元3）速度控制单元的组成及其作用速度调节器电流调节器PWM调制器驱动电路直流斩波器电机＋－＋－ugiufiVcmdTsaue电流反馈速度反馈PWM调制器：产生PWM脉冲的环节，经放大后绘驱动直流斩波器驱动电路：大功率管驱动电路。晶体管直流斩波器：将直流电源电压变换成宽度可调的方波脉冲，加在电机电枢两端。第四节交流伺服系统

交流伺服系统：速度控制单元+交流伺服电动机交流伺服系统的特点：容量范围大、动态响应好、调速范围宽、调速精度高、电机结构和维护简单、重量和体积小、坚固耐用，运行可靠、价格低一、交流伺服电动机

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分类及特点永磁同步交流伺服电动机与无刷直流伺服电机结构类似，当采用直流驱动时，称为无刷直流伺服电机；当采用交流驱动时，称为交流伺服电机，用于进给伺服驱动感应异步交流伺服电动机与交流异步电机结构类似，转子结构简单坚固，电机成本低，过载能力强，与永磁同步伺服电动机相比效率低、体积大，多用于主轴驱动§5.4交流伺服系统

恒磁通变频调速：变频变压；二、交流伺服电动机的速度控制单元

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速度控制方式及类型永磁同步交流伺服电动机调速方法§5.4交流伺服系统

速度控制单元类型（永磁交流）矩形波电流驱动的调速系统（PWM变频调速系统）；正弦波电流驱动的调速系统（SPWM变频调速系统）；

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正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速系统的组成及作用

SPWM变频调速系统组成控制部分：速度调节器、乘法器、电流调节器、三角波发生器、

SPWM调制器、基极驱动电路等；

SPWM变频器（SPWM主回路或功率放大器）：二极管整流器

+SPWM逆变器；

变转差率s：控制线路简单，成本↓，低速损耗↑；变磁极对数p：不能无级调速，仅产生2~3种转速；变定子电源频率f：效率↑，调速范围↑，调速精度↑，动态特性↑；异步交流伺服电动机调速方法§5.4交流伺服系统

（国防p183图4-25,4-24）永磁同步电机SPWM调速系统§5.4交流伺服系统

§5.4交流伺服系统

SPWM变频器（交—直—交型变频器）的作用电网工频交流电压→整流器→直流电压→逆变器→三相可调频调压的正弦电流（SPWM波）→交流伺服电机产生电磁转矩•

SPWM变频调速系统工作原理

SPWM主回路SPWM调制方法（SPWM变频器控制信号的形成方法）正弦波（控制波）三角波（载波）调制：SPWM调制波§5.4交流伺服系统

与正弦波等效的SPWM波SPWM调制波的形成第二节伺服系统检测元件位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈第二节伺服系统检测元件一、综述（数控机床检测装置的类型与要求及位置检测装置的分类）二、旋转变压器三、光栅测量装置四、脉冲编码器一、综述位置检测元件的性能要求可靠性、抗干扰能力和环境适应能力强满足精度、速度和测量范围的要求使用维护方便，便于与CNC系统相联成本↓，寿命↑位置检测装置的分类按检测元件输出信号类型：数字式、模拟式按检测量测量基准：绝对式、增量式按被测位移量类型：直线式、回转式按与被测对象联系方式：接触式、非接触式二、旋转变压器1、工作原理2、工作方式1、工作原理旋转变压器根据互感原理，在定子绕组上加交流励磁电压时，通过互感在转子绕组中产生感应电动势。关系为：式中：k为定子与转子绕组的匝数比;Um：最大瞬时电压θ

：两绕组轴线间夹角。机床中常用正余弦旋转变压器2、工作方式1）旋转变压器的信号处理方式有两种：鉴相型工作方式和鉴幅型工作方式。

2）鉴相型工作方式：当给定子两绕