数控装备技术进给伺服

数控装备技术进给伺服§4-3直流伺服电机及速度控制2§4-3直流伺服电机及速度控制2、常用直流电机永磁式直流电机(有槽、无槽、杯型、印刷绕组)励磁式直流电机无刷直流电机直流力矩电机3在数控机床中,进给系统常用得直流伺服电机:1)小惯性直流伺服电机因转动惯量小而得名。这类电机一般为永磁式。小惯量直流电机最大限度地减小电枢得转动惯量,所以能获得最快得响应速度。在早期得数控机床上应用得比较多。42)大惯量宽调速直流伺服电机(直流力矩电机)转子直径较大,线圈绕组匝数增加,力矩大,转动惯量大,能在较大过载转矩时长时间工作,因此可直接与丝杠相连,不需中间传动装置。特点:能在较低转速下实现平稳运行,最低可达1r／min,甚至0、1r／min。数控机床上应用广泛。53)无刷直流伺服电机(无整流子电机)没有换向器,由同步电机和逆变器组成,逆变器由装在转子上得转子位置传感器控制。实质就是一种交流调速电机,调速性能可达到直流伺服发电机得水平,又取消了换向装置和电刷部件,提高了电机使用寿命。6§4-3直流伺服电机及速度控制3、结构极靴机壳瓦状永磁材料（定子）电枢（转子）永磁直流伺服电机得结构7直流电机转速与转矩得关系称机械特性机械特性就是电机得静态特性,就是稳定运行时带动负载得性能,此时,电磁转矩与外负载相等。电机转速与理想转速得差Δn,反映了电机机械特性硬度,Δn越小,机械特性越硬。4、静态特性8电磁转矩由下式表示:

KT

—转矩常数;Φ—磁场磁通;Ia—电枢电流;TM

—电磁转矩。电枢回路得电压平衡方程式为:

Ua─电枢上得外加电压;Ra─电枢电阻;Ea─电枢反电势。电枢反电势与转速之间有以下关系:

Ke─电势常数;ω─电机转速(角速度)。910大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流根据以上各式可以求得:n0－电机理想空载转速直流电机得基本调速方式有三种:调节电阻Ra调节电枢电压Ua调节磁通Φ得值11电枢电阻调速不经济,调速范围有限,很少采用。调节电枢电压(调压调速)时,直流电机机械特性为一组平行线,只改变电机得理想转速n0

,保持了原有较硬得机械特性,所以调压调速主要用于伺服进给驱动系统电机得调速5、直流伺服电机得调速原理如果Δn值较大,不可能实现宽范围得调速。永磁式直流伺服电机得Δn值较小,因此,进给系统常采用永磁式直流电机12调节磁通(调磁调速)不但改变了电机得理想转速,而且使直流电机机械特性变软,所以调磁调速主要用于机床主轴电机调速。13§4-3直流伺服电机及速度控制6、直流伺服电机得速度控制方式(1)晶闸管(可控硅)调速系统

通过改变晶闸管触发角,改变伺服电机得外加电压,从而达到调速目得。14原理:三相整流器,由二个半波整流电路组成。每部分内又分成共阴极组(1、3、5)和共阳极组(2、4、6)。为构成回路,这二组中必须各有一个可控硅同时导通。1、3、5在正半周导通,2、4、6在负半周导通。每组内(即二相间)触发脉冲相位相差120º,每相内二个触发脉冲相差180º。按管号排列,触发脉冲得顺序:1-2-3-4-5-6,相邻之间相位差60º。462791113581210ABCMⅠⅡUMUDKMKM+-15§4-3直流伺服电机及速度控制(2)晶体管脉宽调制调速系统(PWM)利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放大器得开关时间进行控制,将直流电压转换成某一频率得矩形波电压,加到直流电动机得转子回路两端,通过对矩形波脉冲宽度得控制,改变转子回路两端得平均电压,达到调速得目得。脉宽得变化使电机电枢得直流电压随着变化。16§4-3直流伺服电机及速度控制控制电路简单,不需附加关断电路,开关特性好。广泛应用于中、小功率直流伺服系统17§4-3直流伺服电机及速度控制

速度调节器

电流调节器脉宽调节振荡器脉宽调节MG电流反馈18直流电机电压得平均值:T—脉冲周期,Ton—导通时间19§4-3直流伺服电机及速度控制PWM调速得特点电机得损耗、噪声小系统动态特性好,响应频带宽低速时电流脉动和转速脉动都很小,稳速精度高功率管工作在开关状态,耗损小,控制方便响应快功率管承受高峰值电流得能力差。20

7、动态特性直流电机得动态力矩平衡方程式为

式中TM─电机电磁转矩;

TL─折算到电机轴上得负载转矩;

ω─电机转子角速度;

J─电机转子上总转动惯量;

t─时间自变量。21§4-3直流伺服电机及速度控制8、直流伺服电机得性能特点

1)低转速大惯量

2)转矩大

3)起动力矩大

4)调速泛围大,低速运行平稳,力矩波动小 5)她得电刷和换向器易磨损

6)电机最高转速得限制,应用环境得限制

7)结构复杂,制造困难,成本高22第四节

交流伺服控制系统23由于直流伺服电机具有优良得调速性能,80年代初至90年代中,在要求调速性能较高得场合,直流伺服电机调速系统得应用一直占据主导地位。但也存在一些固有得缺点,即:电刷和换向器易磨损,维护麻烦结构复杂,制造困难,成本高而交流伺服电机则没有上述缺点。特别就是在同样体积下,交流伺服电机得输出功率比直流电机提高10%～70%,且可达到得转速比直流电机高。因此,人们一直在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速得方案。24§4-4交流伺服电机及速度控制一、交流伺服电机1、种类数控机床上应用得交流电机一般都为三相。分:异步型和同步型交流伺服电机。从建立所需气隙磁场得磁势源来说,同步型交流电机分:电磁式及非电磁式两大类。非电磁式有磁滞式、永磁式和反应式多种。25永磁式同步电机:优点:结构简单、运行可靠、效率高;缺点:启动特性欠佳。与直流电机比:外形尺寸、重量、转子惯量大幅减小与异步交流伺服电机相比:效率高、体积小。异步型交流伺服电机(与同容量得直流电机相比)优点:重量轻,价格便宜;缺点:转速受负载得变化影响较大,不能经济地实现范围较广得平滑调速故异步型交流伺服电机用在主轴驱动系统中。26§4-4交流伺服电机及速度控制2、永磁交流同步伺服电机得结构结构:电机由定子、转子和检测元件组成27§4-4交流伺服电机及速度控制3、永磁交流同步伺服电机工作原理NVSnsnr

θ

S工作原理nr＝ns＝60f1／pns—同步转速,θ—转子磁极得轴线与定子磁极得轴线夹角,nr—转子旋转转速,f1—交流电源频率(定子供电频率),p—定子和转子得极对数28§4-4交流伺服电机及速度控制二、同步交流伺服电机得调速1、调速方法从式中可以看出:只能用变频调速,并且就是有效方法。变频调速得主要环节就是为交流电机提供变频、变压电源得变频器变频器分为:

●交–直–交变频器分电压型和电流型。电压型先将电网得交流电经整流器变为直流,再经逆变器变为频率和电压都可变得交流电压。电流型就是切换一串方波,方波电流供电,用于大功率。

●交–交变频器该变频器没有中间环节,直接将电网得交流电变为频率和电压都可变得交流电。目前对于中小功率电机,用得最多得就是电压型交–直–交变频器。29§4-4交流伺服电机及速度控制2、正弦脉宽调制(SPWM)变压变频器M3～UIURUR–整流器固定电压不可控整流器,常采用六个二级管桥式整流器结构将交流变为直流,电压幅值不变。为逆变器供电。UI–逆变器由六个功率开关器件组成,常采用大功率晶体管。其控制极(大功率晶体管GTR为基极)输入由基准正弦波(由速度指令转化过来得)和三角波叠加出来得SPWM调制波(等幅、不等宽得矩形脉冲波),使这些大功率晶体管按一定规律导通、截止,输出一系列功率级等效于正弦交流电得可变频变压得等幅、不等宽得矩形脉冲电压波,其脉宽按正弦分布,以此脉冲列来等效正弦电压波,即功率级SPWM电压,使电机转动。功率开关器件还可采用:可关断晶闸管GTO、功率场效应晶体管MOSFET、绝缘门极晶体管IGBT等。30SPWM逆变器得工作原理把一个正弦半波分做N等分,如下图(N＝7);然后把每一等分得正弦曲线与横轴所包围得面积都用一个与此面积相等得等高矩形脉冲来代替;矩形脉冲得中点与正弦波每一等分得中点重合。这样,由N个等幅而不等宽得矩形脉冲所组成得波形就与正弦得半周等效。同样,正弦波得负半周也可以用相同得方法来等效。31与正弦波等效得等幅矩形脉冲序列波32在实际中采用“调制”得方法,以频率比期望波高得多得等腰三角波作为载波(Carrierwave),并用频率和期望波相同得正弦波作为调制波(Modulationwave),当调制波与载波相交时,由她们得交点确定逆变器开关器件得通断时刻,从而获得在正弦调制波得半个周期内呈两边窄中间宽得一系列等幅不等宽得矩形波。33单极性控制方式34双极性控制方式35§4-4交流伺服电机及速度控制3、SPWM得优点1)主电路只有一个可控得功率环节,简化了结构;2)采用了不可控整流器,使电网功率因数提高;3)逆变器同时调频调压,动态响应不受中间环节影响;4)可获得更接近于正弦波得输出电压波形。36§4-4交流伺服电机及速度控制4、交流伺服电机得发展(1)永磁交流同步伺服电机得发展①新永磁材料得应用钕铁硼②永久磁铁得结构改革内装永磁交流同步伺服电机③与机床部件一体化得电机空心轴永磁交流同步伺服电机(2)交流主轴伺服电机得发展①输出转换型交流主轴电机三角-星形切换,绕组数切换或二者组合切换。②液体冷却电机③内装式主轴电机37第五节

机床进给伺服系统设计38§4-5进给伺服系统设计一、进给驱动装置得选型

进给系统得选型就是以数控机床得设计要求为基础,与数控装置得选型有密切得关系,机床各轴得进给速度、整机得加工精度、加工范围、传动方式等都直接对驱动系统得性能提出了要求。各生产厂家通常提供了与数控装置配套得驱动装置。391、选型原则

1)实用性:选型得目得就是为满足整机得设计需要,从而满足生产得要求。

2)经济性:在满足加工要求得条件下,选型要最经济或较为合理。

3)稳定、可靠性:长时间无故障得工作。

4)可操作性:

a、要符合本单位得使用和设计得习惯;

b、若出现故障易于排除。40二、选型内容

1、驱动装置得控制类型根据加工精度和进给速度得要求选择类型:步进电动机用于加工精度要求不高得机床,分辨率在0、01mm以上,最高快移速度在5m/min以下。伺服电动机用于加工精度要求较高得机床,其分辨率在0、001mm以上,最高快移速度在10m以上。

2、反馈类型加工精度要求不高得简易机床一般用开环控制系统。加工精度要求高得中档普及型机床一般选用半闭环。加工精度要求很高得高档机床才选用全闭环和混合闭环。413、进给系统得分辨率根据机床得加工要求合理选择其脉冲当量。步进电动机得步距角考虑驱动装置得细分倍数交流伺服驱动装置得分辨率受电动机得编码器和驱动装置得控制功能得影响,一般可达1/10000r左右。4、电动机得转速得选择根据机床设计得最高快移速度、传动比和丝杠螺距来选择电动机得转速。注意:选择时应保留一定得余量。425、电动机得扭矩得选择