数控技术之进给伺服驱动系统-.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,数 控 技 术,华中科技大学机械科学与工程学院,数控技术之进给伺服驱动系统,第1页,4.1,概述,4.2,位置检测装置,4.3,进给电机及驱动,4.4,进给伺服系统控制原理和方法,第,4,章 进给伺服驱动系统,2,数控技术之进给伺服驱动系统,第2页,4.3,进给电机及驱动,CNC,装置发出位移指令信号，由伺服驱动装置作一定转换和放大后，经伺服电机和机械传动机构，驱动机床工作台等执行部件实现工作进给或快速运动,.,进给驱动系统组成：,驱动器和电机。,进给电机类型：,步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机和直线电机。,3,数控技术之进给伺服驱动系统,第3页,4.3.1,步进电机及驱动,驱动器每向步进电机输入一个电脉冲信号，步进电机转动一个角度，称为,步距角,，经过齿轮和丝杠带开工作台移动。步进式进给伺服驱动系统属于,开环控制系统。,步进电机转过角度,与电脉冲信号个数成正比，转动速度与电脉冲信号频率成正比。,优点：,电机含有自锁能力；,控制简单。,缺点：,在大负载和速度较高情况下轻易失步，能耗较大。,应用：,步进电机速度不高，在脉冲当量为,1m/,脉冲时，最高移动速度为,2m/min,，主要用于速度和精度要求不太高经济型数控机床和旧机床改造。,4.3,进给电机及驱动,4,数控技术之进给伺服驱动系统,第4页,1.,步进电机分类：,常见分类方式有按相数、按产生力矩原理、按输出力矩大小和结构进行分类,按相数分：,有三相、四相、五相、六相等。相数越多，步距角越小，输出转矩越大，但结构也越复杂。通电方式采取,m,相,m,拍、双,m,拍和,m,相,2m,拍等。,按力矩产生原理分：,有反应式、永磁反应式和混合式三类。,按输出力矩大小分：,快速步进电机（,0.07Nm,4Nm,）和功率步进电机（,5 Nm,50 Nm,）两类。,按结构分类：,有轴向分相式（即多段式）和径向分相式（即单段式）。,4.3,进给电机及驱动,5,数控技术之进给伺服驱动系统,第5页,2.,步进电机工作原理,反应式步进电机定子上有磁极，每个磁极上有激磁绕组，转子无绕组，有周向均布齿，依靠磁极对齿吸合工作。,定子,转子,定子绕组,4.3,进给电机及驱动,6,数控技术之进给伺服驱动系统,第6页,A,B,定子,转子,I,A,I,B,I,C,两个相对磁极组成一相。,注意：,这里“相”和三相交流电中“相”概念不一样。步进电机通是电脉冲，主要是指线图联接和组数区分。,4.3,进给电机及驱动,7,数控技术之进给伺服驱动系统,第7页,步进电机工作方式,(,通电次序,),可分为：,三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。,1,）三相单三拍：,三相绕组联接方式：,Y,型,三相绕组中通电次序为,A,相,B,相,C,相,通电次序也可认为：,A 相 C 相 B 相,4.3,进给电机及驱动,8,数控技术之进给伺服驱动系统,第8页,4.3,进给电机及驱动,9,数控技术之进给伺服驱动系统,第9页,B,A,C,C,B,A,3,4,1,2,A,相通电,B,相通电,C,相通电,B,B,A,C,C,A,3,4,1,2,B,A,C,C,B,A,3,4,1,2,C,A,4.3,进给电机及驱动,10,数控技术之进给伺服驱动系统,第10页,三相单三拍工作特点：,每来一个电脉冲，转子转过,30,；,转子旋转方向取决于三相线圈通电次序；,每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失去自锁转矩，轻易产生失步；,只有一相绕组产生力矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡。,4.3,进给电机及驱动,11,数控技术之进给伺服驱动系统,第11页,2,）双三拍工作方式,定子绕组通电次序：,ABBCCAAB,（转子逆时针旋转）,ACBCCA,（转子顺时针旋转）,有两对磁极同时对转子两对齿进行吸引，每步仍旋转,30,。,双三拍工作特点,：一直有一相定子绕组通电，工作比较平稳。防止了单三拍通电方式缺点。,4.3,进给电机及驱动,3,）三相六拍工作方式,通电次序为：,A,ABBBCCCAA,（逆时针）,AACCBCBCAA,（顺时针）,12,数控技术之进给伺服驱动系统,第12页,4.3,进给电机及驱动,三相六拍工作特点：,每步转过,15,，步距角是三相三拍工作方式二分之一，,电机运转中一直有一相定子绕组通电，运转比较平稳。,13,数控技术之进给伺服驱动系统,第13页,3.,步进电机实际结构：,转子齿数很多，,齿数越多，步距角越小。定子磁极上齿齿距与转子齿距相同，但各极齿依次与转子齿错开齿距,1,m,（,m,电机相数）。,每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距,1,m,（如三相三拍）或,1,2m,（如三相六拍）到达新平衡位置。,4.3,进给电机及驱动,14,数控技术之进给伺服驱动系统,第14页,若转子,40,个齿，通电为三相三拍方式。当转子齿与,A,相定子齿对齐时，转子齿与,B,相定子齿相差（,3,），与,C,相定子齿相差（,6,）。,4.3,进给电机及驱动,15,数控技术之进给伺服驱动系统,第15页,每给一个脉冲信号，电机转子转过角度理论值。,4.,步进电机主要特征,1,）步距角,m,定子相数；,z,转子齿数；,k,通电系数，,m,相,m,拍，,k,1,；,m,相,2m,拍，,k,2,。,普通很小,，如：,3,1.5,，,1.5,0.75,，,0.72,0.36,等,4.3,进给电机及驱动,16,数控技术之进给伺服驱动系统,第16页,静态：,步进电机处于通电状态，转子处于不动状态。,静态转矩,M,j,：,在电机轴上施加一个负载转矩,M,，转子会在载荷方向上转过一个角度,（,失调角）,，转子因而受到一个电磁转矩,M,j,作用与负载平衡。,2,）静态矩角特征,矩角特征：,步进电机单相通电静态转矩,M,j,随失调角,改变曲线。,4.3,进给电机及驱动,17,数控技术之进给伺服驱动系统,第17页,步进电机驱动控制器主要由加减速控制器、环形分配器和功率放大器组成,4.3,进给电机及驱动,5.,步进电机驱动控制器,加减,速控,制器,环形,分配,器,功率,放大,器,进,给,脉,冲,步进,电机,绕组,10/1/,18,数控技术之进给伺服驱动系统,第18页,环形分配器软件算法:,将“输出字”以表格形式存放在指定,RAM,或,EPROM；,当加减速控制器送来正向进给脉冲指令时，环形分配器软件正序依次取出表格中数据输出，控制步进电机逆时针方向转动；,当加减速控制器送来负向脉冲时，环形分配器反序依次取出表格中数据输出，控制步进电机顺时针方向转动。,4.3,进给电机及驱动,10/1/,19,数控技术之进给伺服驱动系统,第19页,4.3.2,交流伺服电机及驱动,伺服驱动发展历程：,步进电机直流伺服电机交流伺服电机,旋转式电机直线电机,理由：,闭环提升精度。,直流伺服电机调速方便，,90,年代以前大量使用（交流在性能成本方面不占优）。但直流伺服电机容量小、结构复杂、有电刷、体积大和重量重，所以，其应用受到限制。伴随交流伺服驱动性价比提升，交流伺服驱动电机已渐渐取代了直流伺服电机。,4.3,进给电机及驱动,20,数控技术之进给伺服驱动系统,第20页,1.,交流伺服电机种类、结构及工作原理,（1）,交流伺服电机种类及特点,交流伺服电机有,同时型,和,异步型,两大类。异步型交流电机指是交流感应电机。同时型交流电机按转子结构不一样可分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式各种。数控机床中多用,永磁式同时电机,。,4.3,进给电机及驱动,21,数控技术之进给伺服驱动系统,第21页,永磁式同时电机：,优点,：比直流电机结构简单、运行可靠、体积约小,1/2,，质量减轻,60,，转子惯量可减小到,1/5,、效率高。,缺点,：开启特征欠佳、控制复杂,应用,：进给驱动,异步型交流伺服电机,：,优点,：与同容量直流电机相比重量轻（,1/2,），价格廉价,(1/3),；,缺点,：转速受负载改变影响较大，不能经济地实现范围较广平滑调速，效率较低、功率因数低,应用,：主轴驱动系统。,4.3,进给电机及驱动,22,数控技术之进给伺服驱动系统,第22页,V,S,V,S,脉冲编码器,转子,定子,接线盒,定子三相绕组,（2）,交流永磁同时电机工作原理与特征,结构：电机由定子、转子和检测元件组成。,4.3,进给电机及驱动,23,数控技术之进给伺服驱动系统,第23页,n,r,n,s,60,f,1,p,n,s,同时转速，,转子磁极轴线与定子磁极轴线夹角，,n,r,转子旋转转速，,f,1,交流电源频率（定子供电频率），,p,定子和转子极对数,n,S,N,n,s,n,r,S,经过调整频率和极对数实现调速。,4.3,进给电机及驱动,24,数控技术之进给伺服驱动系统,第24页,U1,定子每相相电压；,E1,定子每相绕组感应电动势；,N1,定子每相绕组匝数；,K1,定子每相绕组匝数系数；,每极气隙磁通量；,Tm,电机电磁转矩；,Ia ,转子电枢电流；,转子电枢电流相位角。,2.,交流同时电机变频调速原理,交流电机电动势方程、转矩方程：,4.3,进给电机及驱动,25,数控技术之进给伺服驱动系统,第25页,在变频调速同时，要求供电电压也随之改变，即满足,U1/,f,1,为定值，以确保磁通量不变,。,因为变频调速时，当,U1,不变，增加频率,f,1,，则磁通量减小，造成电机输出转矩,Tm,下降，电机负载能力降低；若减小频率,f,1,，磁通量增加，定子电流上升，造成铁损增加。,变频调速控制方式：,基频以下调速,当电机在,f,1,额定参数下运行时，供电频率低于额定值。,基频以上调速,当电机在,f,1,额定参数上运行时，供电频率高于额定值。,4.3,进给电机及驱动,26,数控技术之进给伺服驱动系统,第26页,3,交流同时伺服电机变频器,变频器将交流恒压恒频供电电源转变为变压变频供电电源。,（,1,）变频器类型,变频器可分为,交,交变频器,（直接变频器）和,交,直,交变频器,（间接变频器）两种。应用最多是交,直,交变频器。,依据变频电源性质，又可分为,电压源变频器,和,电流源变频器。,4.3,进给电机及驱动,27,数控技术之进给伺服驱动系统,第27页,交,交变频：,利用可控硅整流器直接将工频交流电（频率,50Hz,）变成频率较低脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输出负脉冲，脉动交流电基波就是所需变频电压。,该方法所得交流电波动比较大，且最大频率即为变频器输入工频电压频率。,4.3,进给电机及驱动,28,数控技术之进给伺服驱动系统,第28页,交,直,交变频：,先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成矩形脉冲波电压，矩形脉冲波基波是所需变频电压。,该调频方式所得交流电波动小，调频范围比较宽，调整线性度好。,4.3,进给电机及驱动,29,数控技术之进给伺服驱动系统,第29页,（,2,）正弦波脉冲调制（,SPWM,）逆变器,脉宽调制（,PWM,）变频,是经过脉冲信号控制逆变器开关元件导通和关断时间比（即调整脉冲宽度）来控制输出电压大小和频率，从而实现调速。,u,U,U,u,t,t,t,t,4.3,进给电机及驱动,30,数控技术之进给伺服驱动系统,第30页,正弦脉宽调制（,SPWM,）,是利用有正弦波特征脉冲信号去控制逆变器开关元件通、断时间比。此时，变频器输出近似于正弦波电流，使得电机电源近似为正弦交流电。,SPWM,变频器是当前数控机床应用最广泛变频器。,4.3,进给电机及驱动,31,数控技术之进给伺服驱动系统,第31页,SPWM,原理,单相调制原理,正弦脉宽调制（,SPWM,）波形,:,与正弦波等效一系列等幅不等宽矩形脉冲波。,等效原理：把正弦波分成,n,等分，每一区间面积用与其相等等幅不等宽矩形面积代替。,正弦波正负半周均如此处理。,u,t,t,u,O,O,a),b),4.3,进给电机及驱动,32,数控技术之进给伺服驱动系统,第32页,整流器：,将三相工频交流电变成直流电,逆变器：,将整流输出直流电压变成三相交流电,三相,SPWM,变频器主回路结构图,4.3,进给电机及驱动,33,数控技术之进给伺服驱动系统,第33页,4.3.3,直线电机及驱动,直线电机直接驱开工件台直线运动。取消了从电机到工作台（拖板）之间机械中间传动步骤，即把机床进给传动链长度缩短为零，故这种传动方式又称为,“直接驱动”,，也称,“零传动”,。适合用于,进给驱动速度高于,60m/min,以上，加速度,1g,以上高速数控机床。,4.3,进给电机及驱动,34,数控技术之进给伺服驱动系统,第34页,优点：,电机惯量小，系统响应快、速度高，速度和加速度都可提升,10,倍以上（,700m/min,，,40G,）。,运动愈加平稳、噪声低、传动效率高，动态刚度高。,可设计成均布对称，工作台运动时受力均匀分布，运动推力平衡,可无限延长定子行程，运动行程不受限制,缺点,：,没有机械联接或啮合，垂直轴传动需要外加一个平衡块或制动器,磁铁对电机部件吸力很大，需处理防护、隔磁问题,4.3,进给电机及驱动,35,数控技术之进给伺服驱动系统,第35页,假如将旋转电机沿过轴线平面剖开，并将定子、转子圆周展开成平面，便形成了扁平形直线电机。固定不动部分称为,定子,，动作部分称为,动子,。,由感应式旋转电机演变直线电机称,感应式直线电机。,由永磁式旋转电机演变直线电机称,永磁式直线电机。,直线电机类型和结构,4.3,进给电机及驱动,36,数控技术之进给伺服驱动系统,第36页,感应式直线电机演变：,4.3,进给电机及驱动,37,数控技术之进给伺服驱动系统,第37页,永磁式直线电机演变：,4.3,进给电机及驱动,38,数控技术之进给伺服驱动系统,第38页,旋转电机演变为圆筒型直线电机过程,4.3,进给电机及驱动,39,数控技术之进给伺服驱动系统,第39页,弧型直线电机,圆盘型直线电机,4.3,进给电机及驱动,40,数控技术之进给伺服驱动系统,第40页,2.,直线电机基本工作原理,直线电机不但在结构上相当于是从旋转电机演变而来，而且其工作原理也与旋转电机相同。,定子,动,子,4.3,进给电机及驱动,动,子,定子,光,栅,41,数控技术之进给伺服驱动系统,第41页,1-,初级,2-,次级,3-,行波磁场,直线电机电磁推力公式：,同时线速度,v,s,：,动子运动速度：,S,滑差率,初级极距；,f,电源频率,4.3,进给电机及驱动,42,数控技术之进给伺服驱动系统,第42页,3.,直线电机伺服系统,原理与旋转型电机相同，只是在端部因为磁场不均匀，推力与电流呈非线性、且有波动，控制难度增加。,4.3,进给电机及驱动,43,数控技术之进给伺服驱动系统,第43页,课后思索,:,1.,步进伺服驱动系统、交流伺服驱动系统组成，及各单元功效；,2.,步进电机与交流同时电机调速方法；,3.,查阅关于直流电机相关资料，了解与掌握直线电机特征及应用。,44,数控技术之进给伺服驱动系统,第44页,结束,数控技术之进给伺服驱动系统,第45页,