第五章 数控伺服系统.ppt

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,*,*,第,5,章,数控伺服系统,5/26/2025,5.1,概,述,伺服系统是指以机械位置或速度作为控制对象的自动控制系统。又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。,伺服系统的输入量来自数控装置发出的进给脉冲或进给位移量，伺服系统的输出就是能直接驱动伺服电机所需的电压或电流，从而经伺服电机传动系统，使机床的工作台等产生精确的位移。,它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。,5/26/2025,伺服系统是数控装置,(,计算机,),和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。,该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强。,进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说,C,装置是数控系统的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地执行由,CNC,装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。,5/26/2025,伺服系统是数控系统的重要组成部分，伺服系统的性能在很大的程度上决定了数控机床的性能。,例如，数控机床的最高移动速度，跟踪速度，定位速度等指标均与伺服系统的动态和静态性能有关。,因此，伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。,5/26/2025,5.1.1,伺服系统的组成,数控机床伺服系统的一般结构是一个三闭环系统，内环是电流环，中环是速度环，外环是位置环。,位置调解,速度调解,电流调解,转换驱动,工作台,电流反馈,速度反馈,位置反馈,M,G,5/26/2025,组成：,伺服电机,驱动信号控制转换电路,电子电力驱动放大模块,位置调节单元,速度调节单元,电流调节单元,检测装置,5/26/2025,5.1.1,伺服系统的组成,电流环由电流调节控制模块、,电流,检测和,电流,反馈部分组成。,速度环中用作速度反馈的检测装置，目前大多数通过位置量的微分得到速度。速度控制单元由速度调节器，电流调节器及功率驱动放大器等组成。,位置环是由,CNC,装置中的位置控制模块、速度单元、位置检测及反馈控制等组成。位置控制主要是对机床运动坐标轴进行控制使之满足一定的位置精度，速度控制在满足位置控制的前提下，按系统的参数与控制速度使之以最快响应且无超调满足进给要求。,电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成,5/26/2025,（,1,）控制精度高,伺服系统的控制精度是指反映出输出量的精度程度，当然最终还要看机床的精度，对定位精度和轮廓加工精度要求都比较高，对一般切削加工的数控机床定位精度一般为,0.1,0.001mm,，,对于高精度高速切削及高档磨床其精度要求达到,0.1m,，,控制精度不得低于机床的总体精度。一般总体机床精度为,0.01mm,对控制精度不得低于,0.005mm,较为合适。,（,2,）稳定性好,稳定性是指系统受外界干扰要小，在外界干扰作用下，能在短暂的时间内恢复到原来的平衡状态。伺服系统有较强的抗干扰能力，确保进给速度的正常工作。,（,3,）快速响应,快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统在确保精度的前提下的跟踪速度，稳定性是指系统受外界干扰要小，当稳定输入发生跳变时，系统能在较短的时间内从一个状态过度到新的状态，要求伺服系统跟踪指令信号的响应更快。,5.1.2,对伺服系统的基本要求,5/26/2025,（,4,）调速范围宽 调速范围,RN,是指生产机械要求电机能提供的最高转速,nmax,和最低转速,nmin,之比，通常,RN=,nmax/nmin,，,式中，,nmax,和,nmin,一般都是指额定转矩下的转速。,在中、高档数控机床中就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。目前，最先进的水平是，在进给速度范围已可达到脉冲当量为,1m,的情况之下，进给速度以,0,240m/min,连续可调。但对于一般中档数控机床而言，要求伺服系统在,0,24m/min,进给速度下都能工作就足够了。一般来说，对于要求速度范围为,1:20000,的位置控制系统，在总的开环位,置增益为,20,（,1/s,）,时，只要保证速度单元具有,1:1000,的调速范围就完全可以满足要求。当然，现代数控机床中最先进水平的速度控制单元的技术已达到,1:100000,的调速范围。,对于主轴伺服系统主要是速度及准停控制，它要求,1:100,1000,范围内的恒转矩调速和,1,：,10,以上的恒功率调速，而且保证足够大的输出功率。,5/26/2025,（,5,）低速大转矩 一般切削加工时，大切削量均采用低速进给，所以要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。进给伺服控制属于恒转矩控制，而主轴伺服控制在低速时为恒转矩控制，在高速时为恒功率控制，在低速下要减小或消除难以解决的爬行现象及低速振动噪音。对于主轴用的伺服系统有时可以用一个的进给伺服系统来替代主轴伺服系统，一般为速度控制系统，除上面的一般要求之外，还具有下面的控制功能：,1),准停控制 为了自动换刀，要求主轴能进行高精度的准确位置停止。,2),角度分析控制 分度有两种：一是固定的等分角位置控制。二是连续的任意角度控制。（作特殊加工时，主轴坐标有了进给坐标的功能，称为“,C”,轴控制。）,为了满足对伺服系统的要求，对伺服系统的执行元件,伺服电机也相应提出高精度、快反映、宽调速和大转矩的要求，一般具备小惯量大转矩的具体特征,1),最低进给速度到最高进给速度范围都能稳定运行平滑过度。,2),进给电机应具有大的较长时间的过载能力，一般能过载,4-5,倍左右，持续时间达,10,分钟以上，转动惯量要小,3),满足快速响应的要求，一般进给伺服电机做成细长，高档进给具备,400rad/s2,以上的,加速度，保证电机在,0.2s,以内从静止起动到,1500rad/min,。,4),电机应能承受频繁的起动制动和反转，,20,次,/min,以上。,5/26/2025,1,按调节理论分类,（,1,）开环伺服系统,（,2,）闭环伺服系统,（,3,）半闭环伺服系统,5.1.3,伺服系统的分类,指令,驱动电路,步进电机,工作台,脉冲,伺服电机,速度检测,速度控制,位置控制,位置检测,伺服电机,速度控制,位置控制,工作台,脉冲编码器,指令,5/26/2025,开环数控系统,没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好。,电机,机械执行部件,A,相、,B,相,C,相、,f、n,CNC,插补指令,脉冲频率,f,脉冲个数,n,换算,脉冲环形分配变换,功率放大,5/26/2025,无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。,一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。,这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。,5/26/2025,半闭环数控系统,半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置,(,常用伺服电机,),或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。,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,5/26/2025,半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。,由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。,半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代,CNC,机床中得到了广泛应用。,5/26/2025,全闭环数控系统,全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。,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,5/26/2025,从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。,由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。,该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。,5/26/2025,2.,按使用的驱动元件分类,1,）,电液系统,电液系统的执行元件为液压元件，其前一级为电气元件，驱动元件为液动机和液压缸，常用的有电液脉冲马达和电液伺服马达。电液脉冲马达驱动力矩大，但制造成体高、寿命不太长，所以只是在具有特殊要求时，才采用电液伺服系统。,2,）电气伺服系统,电气伺服系统全部采用电子器件和电机部件，随着电子工业的发展，制）造成本越来越低，可靠性越来越高。电气伺服系统中的驱动元件主要有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。,3,、按执行电机类型分类,1),1,）,直流伺服系统,直流伺服系统常用的伺服电机有小惯量直流伺服电机和永磁直流伺服电机。,永磁直流伺服电机能在较大过载转矩下长时间工作以及电机的转子惯量较大，能直接与丝杠相连而不需中间传动位置。此外，它还有一个特点是可在低速下运转，如能在,1r/min,甚至在,0.1/min,下平稳地运转。因此，这种直流伺服系统在数控机床上获得了广泛的运用。永磁直流伺服电机的缺点是有电刷，限制了转速的提高，一般额定转速为,10001500r/min,，,而且结构复杂，价格较贵。,2,）交流伺服系统,交流伺服系统使用交流异步伺服电机和永磁同步伺服电机，交流伺服电机没有电刷换向器，维护保养简单且转子惯量较有直流电机小，使得动态响应好，另外在同样体积下，交流电机的输出功率可比直流电机提高,50%,左右，交流电机的容量可以比直流电机造得大，达到更高的电压和转速。,5/26/2025,4.,驱动轴分类,1,）,进给伺服系统,它包括速度控制环和位置控制环。进给伺服系统完成各坐标轴的进给运动，快速响应好，精度高，具有定位和轮廓跟踪功能，是数控机床中要求最高的伺服控制。,2,）主轴伺服系统,一般的主轴控制只是一个速度控制系统，主要实现主轴的旋转运动，提供切削过程中任意转速的转矩和功率，对于具有准停控制的主轴与进给伺服系统一样，有时就用进给伺服系统来替代主轴伺服系统。,5.,按反馈量的方式分类,1),1,）,脉冲、数字比较伺服系统,该系统是闭环伺服系统中的一种控制方式，它是将数控装置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装置测得的以数字（或脉冲）形式表示的反馈信号直接进行比较，以产生位置误差，达到闭环控制。,脉冲、数字比较伺服系统结构简单、容易实现、整机控制稳定，在一般数控伺服系统中应用十分普遍。,2,）,相位比较伺服系统,在相位比较伺服系统中，给定量与反馈量都变成某个载波的相位通过检相器作两者相位比较，获得实际位置与给定位置的偏差，实现闭环控制。,相位伺服系统对于感应式检测元件如旋转变压器，感应同步器较适用。,1),3,）幅值比较伺服系统,幅值比较伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映位移量。系统工作时要将此幅值信号转换成数字信号，然后给定数字信号进行比较，从而获得位置偏差信号构成闭环系统。,在现代数控中相位比较和幅值比较系统从结构上和安装维护上都比脉冲、数字比较系统复杂和要求高，在一般情况下脉冲、数字比较伺服系统应用广泛，而相位比较系统又比幅值比较系统应用的多。,5/26/2025,5.2,伺服元件的驱动元件,伺服电动机,为数控伺服系统的重要组成部分，是速,度和轨迹控制的执行元件。,数控机床中常用的驱动元件,伺服电机,：,直流伺服电机（调速性能良好）,交流伺服电机（主要使用的电机）,步进电机（适于轻载、负荷变动不大）,直线电机（高速、高精度）,5/26/2025,5.2.1,步进电机,步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或线位移的一种机电式数模转换器，它是根据同步电机原理制成的。,步进电机是较早实用的典型的机电一体化元件组件。步进电动机本体、步进电动机驱动器和控制器构成步进电动机系统不可分割的三大部分。,5/26/2025,5.2.1,步进电机,步进电机的分类,按,力矩产生的原理分,1.,反应式步进电机,2.,激磁式步进电机,按,输出力矩大小分,1.,伺服式步进电机,2.,功率式步进电机,按,定子数分,1.,单定子式,2.,双定子式,3.,三定子式步进电机,4.,多定子式步进电机,按,各相绕组分布分,:,1.,径向分相式,:,电机各相按圆周依次排列,2.,轴向分相式,:,电机各相按轴向依次排列,5/26/2025,1,、工作原理：,当第一个脉冲通入,A,相时，磁通企图沿着磁阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的,1,、,3,齿要和,A,级对齐。当下一个脉冲通入,B,相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭合，即,2,、,4,齿要和,B,级对齐，则转子就顺逆时针方向转动一定的角度。,5/26/2025,具体过程流程图：,5/26/2025,若通电脉冲的次序为,A,、,B,、,C,、,A,，,则不难推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这样，用不同的脉冲通入次序方式就可以实观对步进电动机的控制。,脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制电机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。,定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上述的通电方式称为三相单三拍。所谓“单”是指每次只有一相绕组通电；所谓“三拍”是指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。,具体过程参照教材：,P185186,。,5/26/2025,(1),步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即为步进电机的,步距角,；,(2),改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向将随之改变；,(3),步进电机定子绕组通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；,(4),步进电机的,步距角,与定子绕组的相数,m,、,转子的齿数,z,、,通电方式,K,有关，可用下式表示：,式中，三相三拍时,K,=1,；,三相六拍时,K,=2,。,例 题,2.,性能参数,5/26/2025,如前图所示的步进电机，若转子齿数,z,40,，,以三相三拍通电时，,步距角,为,若以三相六拍通电方式工作时，,步距角,为,5/26/2025,目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机，如图所示。这是一台典型的单,定子径向分相的三相反应式步进电机的结构原理图,单定子径向分相式三相,步进电机结构原理图,5/26/2025,多定子轴向分相式五相步进电机结构原理图,5/26/2025,步进电机的主要特性,步距角,步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。,它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为,0.5,o,3,o,度。通常，步进角越小，加工精度越高。,启动频率,步进电机在空载的条件下由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。,若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。因此，空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率当步进电机加负载后，其启动频率随负载转动惯量增加而减小。,5/26/2025,(3),连续运行的最高工作频率,f,max,步进电机连续运行时保证不丢步的极限频率,f,max,称为最高工作频率。,(,4),加减速特性,步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。,加减速特性曲线,5/26/2025,3.,步进电动机具有自身的特点，归纳起来有：,1,）可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统造价低。,2,）位移与输入脉冲信号树相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可以在要求高精度时组成闭环控制系统。,3,）无刷，电动机本体部件少，可靠性高。,4,）易于起动，停止，正反转及变转。,5,）停止时，可以通电自锁。,6,）速度可在相当宽的范围内平滑调节，同时用一台控制器控制几步电动机，可使它们完全同步运行。,7,）步进电动机带惯性负载能力差。,8,）由于存在失步和低频共振，因此步进电动机的加减方法根据利应用状态的不同而复杂化。,5/26/2025,步进系统原理框图,步进式伺服系统的工作原理,5/26/2025,1,工作台位移量的控制,进给脉冲数,N,定子绕组通电状态变化次数,N,步进电机转子的转角,工作台位移量,L,2,工作台进给速度的控制,进给脉冲的频率,f,定子绕组通电状态的变化频率,f,步进电机转子的转速,工作台进给速度,v,3,工作台运动方向的控制,步进电机定子绕组的通电顺序步进电机正转或反转工作台的进给方向,5/26/2025,步进电机的驱动控制线路,5/26/2025,1,脉冲混合电路,无论是数控装置送来的插补进给信号、齿补信号，还是手动进给、手动回原点信号等,等，这些信号的目的无非是要使工作台正向进给和反向进给，因此首先应将这些信号混合为使工作台正向运行的“正向进给”信号或使之反向运行的“反向进给”信号。这就是脉冲混合电路的作用。,2,加减脉冲分配电路,加减脉冲分配电路的作用，是将正反向进给脉冲，根据步进电机的原转向和可逆计数器的存数状态，决定脉冲进入可逆计数器时，应作加法计数还是减法计数。若步进电机正转，输入正向进给脉冲：步进电机反转，输入反向进给脉冲，此时不管可逆计数器是否全为零，均作加法计数。而当可逆计数器非全零时，步进电机正转，输入反向进给脉冲；步进电机反转，输入正向进给脉冲，均作减法计数。,5/26/2025,3,加减速电路,(,自动升降速电路,),步进电机的加减速特性要求是，进入步进电机绕组的脉冲电流的频率变化要平滑，而且应有一定的时间常数，但各进给脉冲频率间的变化可能是跃变的。因此应该将此跃变频率经加减速电路缓冲后，再进入步进电机绕组，使步进电机工作正常可靠。这就是加减速电路的作用。,5/26/2025,4,环形分配器,环形分配器的作用是把来自加减速的一串进给脉冲按一定规律分成若干路电平信号去控制步进电机的几个定子绕组，使其正向运转或反相运转。,简单移相寄存器,1 0 0,0 1 0,0 0 1,5/26/2025,5.,功率放大器,从环形分配器来的脉冲电流只有几毫安，而步进电机的定子绕组需要几安培的电流，因此需要功率放大。功率放大器由前置放大器和大功率驱动两部分组成。前置放大器是为了放大环形分配器送来的脉冲信号并推动大功率驱动部分而设置的，一般可根据要求选择一个适当的集成元件；大功率驱动部分进一步将前置放大器送来的脉冲电流信号放大，得到步进电机各相绕组所需的脉冲电流。它既要控制步进电机各相绕组的通断电，又要起功率放大的作用，因而它是步进电机驱动线路中很重要的一部分。通常采用大功率晶体管、快速可控硅或可关断可控硅。,5/26/2025,提高步进系统精度的措施,1,细分线路,所谓细分线路，就是把步进电机的一步 再分得细一些，来减小步距角。,2,齿距误差和反向间隙补偿,3,混合伺服系统,5/26/2025,两种控制线路刀具轨迹比较,5/26/2025,间隙补偿原理,根据实际测得传动间隙或齿距误差的大小，每当出现反向或移动到有齿距误差的位置时，用补充固定的脉冲来克,服。,5/26/2025,混合伺服系统,5/26/2025,小结,:,1.,步进电机受脉冲电流控制，转子的角位移正比于输入脉冲的数量转子的角速度正比于输入脉冲的频率转子的旋转方向取决于定子绕组的通电顺序,2.,步进电机有一定的步距误差,但没有累计误差,3.,若维持控制绕组的电流不变,则步进电机就可停在某一位置不动,5/26/2025,永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、印刷绕组）,励磁式直流电机,混合式直流电机,无刷直流电机,直流力矩电机,永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直流电机（普通型）；,励磁式直流电机类型中的他激直流电机。,5.2.2,直流伺服电机,常用的直流电动机有：,直流进给伺服系统：,直流主轴伺服系统：,5/26/2025,1,直流伺服电机的结构,极靴,机壳,瓦状永磁材料（定子）,电枢（转子）,换向极,主磁极,定子,转子,线圈,图,5.5,永磁直流伺服电机的结构,图,5.6,直流主轴电机结构示意图,5/26/2025,2.1,调速原理,电机转子在电磁转距,M,的作用下旋转，其大小为：,(1),-,电机转距系数,I,a,-,电机电枢电流,电枢转动以后，因导体切割磁力线而产生反电势其值为,E,a,=,k,e,n,R t,R j,U j,I j,U,I a,Ea,5/26/2025,根据电压平衡公式,U=E,a,+,I,a,R,a,电机的转速,从公式可以看出，调节电机转速的方法有三种,1,）改变电枢电压,U,2,）,改变磁通量（即改变,K,e,=c,m,值），改变激磁回路的电阻,R,j,以改变激磁电流，可以达到改变磁通量的目的。,(2),5/26/2025,3,）在电枢回路中串联调节电阻,R,t,转速计算公式：,分析：,调节激磁回路电阻的方法，容易实现，但激磁回路的电感大，电气时间常数较大，调速的快速性较差。,电枢回路串接电阻，电阻上的铜耗大，不经济。,目前最常用的调速方法是改变电枢电压。,5/26/2025,2.2,直流伺服电机的特性,2.2.1,机械特性,静态特性,由式,1,和式,2,有：,上式表达的就是电机的机械特性，当激磁电压不变的情况下，,k,和,k,e,都是常数。当电枢电压,U,也一定的情况下，则,n,和,M,的关系是一条斜率为,k,的直线,。,5/26/2025,机械特性反映了,电机的转速,n,随,负载,M,的变化而,变化的情况,.,K,值大，说明转速随转矩变化而变化幅度大，说明电机机械特性软，反之，机械特性硬。,M,d,n,0,n,M,n,M,5/26/2025,2.2.2,直流伺服电机的动态特性,电机稳态运行时，电机电磁转距,M,等于负载转距,M,L,。,但在启动和制动过程中，电机电磁转距还要克服负载的惯性转距。平衡方程为,:,在设计一个机电传动系统时，要考虑到负载的转动惯量以及角加速度对电机电磁转矩的需求。,5/26/2025,电机绕组不仅有电阻,R,a,而且有电感,L,a,在过渡过程中电枢的电流,I,a,是变化的，电压的动态平衡方程式是：,式中的第一项是一个暂态过程，和电枢电路的电感,La,以及电压,U,的变化量有关。合并上述,各式，,5/26/2025,只讨论以下两个电机动态特性指标：,电机的机械时间常数,K,T,=C,m,-,电机的转距系数,K,e,=,c,e,-,电势系数,T,M,-,是电机的机械时间参数，表示加上电枢电压后，转速达到额定值的响应过程的时间。,电机的电气时间常数,T,E,-,电气时间参数，表示加上电枢电压后，,电枢电流达到额定值的响应过程的时间。,电机结构常数,5/26/2025,电机的动态特性和两个时间常数的比值有关,当,4T,E,T,M,时,，电机的动态过程是一个稳态的非周期过程，电枢电感,L,a,比较小，电枢电阻,Ra,及负载惯量,J,比较大的情况属于这种情况。,当,4T,E,T,M,时，电机的动态过程会产生振荡，电枢电阻,Ra,及转动惯量,J,均比较小，而电枢电感,La,很大时属于这种情况。,0,（t）,0,（t）,t,t,5/26/2025,2.3,大惯量直流伺服电机,永磁直流伺服电机,2.3.1,结构特点,大惯量直流伺服电机又叫做宽调速直流伺服电机，采用高性能永磁材料（比如铝镍钴、陶瓷铁氧体和稀土钴）产生强磁场，以增加,值，,在结构上还增加转子上的槽数和槽的截面积，增加磁极对数，从而使,Cm,增加。目的是增加,kT,值,(KT=cm.),因为,KT,增加使电机的机械时间常数减小，改善了电机响应的快速性。,电机的输出的转矩大，特别是低速的情况下，另外电机转子本身的惯量大，输出转矩大，可以直接驱动负载，无需机械减速传动链。,5/26/2025,2.3.2,调速原理,大惯量伺服电机采用,晶体管脉冲宽度,调速系统，简称,PWM,调速系统。,利用开关频率较高的大功率晶体管作为开关元件，将整流后的恒压直流电源，转换成幅值不变，但是脉冲宽度可调的高频矩形波，给伺服电机的电枢回路供电，通过改变脉冲宽度的方法来改变电枢回路的平均电压，达到电机调速的目的。,5/26/2025,实现脉宽调速的电路主要由两部分组成，脉宽调制器和晶体管脉宽放大器,2.3.2.1,脉宽调制器,直流输入电压信号,U,R,(,速度指令电压）加在,高频载波信号,D,（,t,）,上，载波信号是锯,齿波，两个信号相,加后得到的信号,e(t),经过晶体管开关电,路的的变换得到平均电压,和输入电压成正比例的,矩形方波信号。,U,R,+V,-V,e(t),U,R,D(t),e(t),+E,-E,5/26/2025,2.3.2.2,晶体管脉宽放大器,D1,D2,D3,D4,是过压保护二极管，电机正转时，方向信号加在,T4,的基级上，经过脉宽调制的信号加在,T1,的基级上，实现电机的正转调压控制。电机反转时，方向信号加在,T2,的基级上，经过脉宽调制的信号加在,T3,的基级上，实现电机的反转调压控制。,D,D1,D2,D3,D4,T1,T2,T3,T4,220V,5/26/2025,(1),永磁直流伺服电机的性能特点,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,(2),永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述,1),转矩,-,速度特性曲线,（,工作曲线）,2),负载,-,工作周期曲线,过载倍数,T,md,，,负载工作周期比,d,。,3),数据表：,N,、,T,、,时间常数、转动惯量等等。,3,永磁直流伺服电机的工作特性,5/26/2025,第五节,交流伺服与主轴准停系统,交流伺服电机有了飞速发展，它不但克服了直流伺服电机结构上存在机械整流子、电刷维护困难、造价高、寿命短、应用环境受限制等的特点，而且，存在交流伺服电机坚固耐用、经济可靠及动态响应性好等等特点。近年来，交流伺服系统发展迅速，并有逐步取代直流伺服系统的趋势。,交流伺服电机一般有异步型交流伺服电机和同步型交流伺服电机。当用变频电源供电时，对于电机可方便地获得与频率成正比的可变转速，可得到非常硬的机械特性和很宽的调速范围。在数控的伺服系统中多采用永磁同步型伺服电机。,对于具有准停功能的主轴，实际上与进给轴的功能几乎一样，有时就用一个多余的进给轴来替代主轴伺服系统。,5/26/2025,直流伺服电机的缺点：,它的电刷和换向器易磨损；,电机最高转速的限制，应用环境的限制；,结构复杂，制造困难，成本高。,交流伺服电机的优点：,动态响应好；,输出功率大、电压和转速提高,交流伺服电机形式：,同步型交流伺服电机和,异步型交流感应伺服电机,。,交流伺服电机,5/26/2025,第五节,交流伺服与主轴准停系统,一、永磁交流伺服电机的结构原理,永磁交流伺服电机的结构剖面图如图,7-17,所示。它主要由三部分组成：定子、转子和,检测元件。定子具有齿槽，内有三相绕组，形状与普通交流电机的定子相同，但其外形多呈多边形，且无外壳，利于散热。转子由多块永久磁铁,2,和冲片（见图,7-18,）组成。这种结构的优点是气隙磁密较高，极数较多。,它的工作原理类似于电磁式同步电机的工作原理，只是将转子中的磁绕组产生换成永久的磁铁。,定子三相绕组接上交流电源后就会产生一个旋转磁场，该旋转磁场的转速为,ns,在磁场力的作用下，磁场带着转子一起旋转，使转子也以同步转速,ns,旋转。,5/26/2025,V,S,V,S,定,子,转子,脉冲编码器,定子三相绕组,接线盒,图,3,7,永磁交流同步伺服电机结构,5/26/2025,1-,定子,2-,永久磁铁,3-,轴向通风孔,4-,转轴,图,7-17,永磁交流伺服电机的结构剖面图,5/26/2025,1-,铁心,2-,永久磁铁,3-,非磁性套筒,图,7-18,永磁转子示意图,5/26/2025,当转子加上负载后，将造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合，其夹角为,，,负载越大，,也越大，但只要不超过一定的限度，转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速,ns,旋转。转子转速为,n=ns=60f/p(r/min),，,式中,f,电源频率，,p,磁极对数。,永磁交流伺服电机的机械特性比直流伺服电机的机械特性要硬，在正常工作区，转速,转矩曲线更接近水平线。断续工作区的范围扩大，高速性能优越，有利于提高电机的加、减能力。,二、交流伺服电机的速度控制单元,由于同步伺服电机的转速为,n=60f/p,，,不存在转差率问题，因此，不能用调节转差率,S,的方法来调速，也由于要求无级调速，只能用变频（,f,）,的方法调速。,永磁交流伺服系统有两种类型，一是矩形波电流驱动的永磁永流伺服系统，二是正弦波电流驱动的永磁永流伺服系统。第一种也称为无刷直流伺服电动机，第二种也称无刷交流伺服电动机。从发展趋势看，正弦波驱动将成为主导地位。,永磁交流伺服电机变频调速控制单元中的主要部件是变频器。变频器分为交,直,交型和交,交型变频器，前者广泛应用在数控机床和伺服系统中。所谓交,直,交型变频器中的交,直是将交流变为直流电，直,交是将直流变为调频、调压的交流电，通常采用脉宽调制原理。,关于脉冲调制的原理是这样的：假如我们要在电机和某相绕组内获得一个正弦电流，以,A,相为例，,A,（,A=sin,t,）,则我们可以用以下的等效措施来获得。电路及波形如图,7-19,所示。,5/26/2025,图,7-19,脉宽调制的电路结构及波形图,5/26/2025,设,Tp,为脉冲周期，用脉宽调制的等效电流,iP,表达式为：,i,a,=1/Tp,Ec/RL,dt=,Ec,/RL,K,，,（,7.5.1,）,K,占空比,欲使绕阻内的电流为正弦波则,i,a,=1/Tp,Ec/RL,sin,t,（,7.5.2,）,由（,7.5.1,）及（,7.5.2,）得：,K=sin,t,K,是,t,的函数，在不同的相位处,K,的值是不同的，计算和实现脉宽调制时通常把一个周期上分成固定的若干份，每一份都有对应的占控比，发相应的脉宽信号，该信号用来控制,H,型电路的相应,M03,管。一般把,t,在,2,的周期上分成,1000,分就足够能使,iP,的波形接近所期望的正弦波了。我们只需在计算机内制一个,1000,个点的占空比数据表，这,1000,个点均对应与,t,为,2,角度以内。此表是由精确计算,sin,t,得到。当,t,的间隔为,0.36,用计算机的定时器中断。在中断服务子程序取,1000,个点中心的对应点的占空比值。是取满,1000,个点，说明,i,P,完成了一个周期，若要改变速度时只需改变一个值即定时器时间常数即可改变了检表取表的速度，改变,i,P,的频率的目的完成变速的要求。,5/26/2025,（,1,）永磁交流同步伺服电机的发展,新永磁材料的应用 钕铁硼,永久磁铁的结构改革 内装永磁交流同步伺服电机,与机床部件一体化的电机 空心轴永磁交流同步伺服电机,（,2,）交流主轴伺服电机的发展,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。,液体冷却电机,内装式主轴电机,三、交流伺服电机的发展,5/26/2025,第六节,伺服系统的位置控制,位置控制分为开环、闭环和半闭环控制。开环控制实际上就是步进电机系统。半闭环一般只能保证伺服电机的角位移，无法从根本上消除传动间隙。全闭环可以消除传动间隙。从电气角度看，全闭环与半闭环是一样的。在控制方式上位置控制主要由以下三种：,一、数字比较伺服系统,数字比较伺服系统的闭环控制的结构框图如图,7-20,所示。整个系统由三部分组成：采用光电编码器产生位置反馈脉冲信号,Pf,；,实现指令脉冲,F,与反馈脉冲,Pf,的脉冲比较，以取,得位置偏差信号,e,；,以位置偏差,e,作为速度给定的伺服电机速度调节系统。,闭环与半闭环在结构上的不同点是：半闭环的检测元件一般安装在丝杠轴上，而闭环的检测元件则安装在工作台上。,闭环数字比较伺服系统的工作原理简述如下：,（,1,）开始时，指令脉冲,F=0,，,且工作台原来处于静止状态，则反馈脉冲,Pf,为零，经比较环节则,e=F-Pf=0,，,那么伺服电机的速度给定为零，伺服电机不动，工作台仍处于静止状态。,（,2,）令脉冲为正向指令脉冲时，即,F0,，,工作台在没有移动之前，反馈脉冲,Pf,仍为零，经比较环节比较,，,e=F-Pf0,，,那么，调速系统驱动工作台正向进给。随着电机的运转，检测元件的反馈脉冲信号通过采样进入比较环节。该脉冲比较环节对,F,和,Pf,进行比较，按负反馈原理，只有当,F,和,Pf,的脉冲个数相等时，偏差,e=F-Pf=0,，,工作台才重新稳定在指令所规定的位置上。,5/26/2025,伺服,放大器,伺服电机,D/A,工作台,指气脉冲,图,7,-,20,闭环数字比较系统结构,P,f,反馈脉冲,脉冲处理,位置信息,位置检测器,比较环节,5/26/2025,（,3,）当指令脉冲,F,为负向指令时，即,F0,，,其控制过程与,F,为正向指令脉冲的控制过程类似，只是此时,e0,，,则伺服驱动部分就使工作台作正向运动，直至,为零而止。,（,3,）工作台负向运动,当指令脉冲,F,为负，经脉冲调相器，,Pa,产生的相移,-,。,那么鉴相器的输出,=-,。在,的控制下，伺服电机驱动工作台作负向运动直至,为零而止。,总之，机床工作台在指令脉冲的作用下，作正向或反向运动，,Pa,、,Pb,在新的位置上继续保持同频同相的稳定状态，一旦,F=0,，,正在运动着的工作台就迅速制动,5/26/2025,三、幅值比较伺服系统,幅值比较伺服系统中，是以位置检测，则信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此作为反馈信号。检测元件以幅值工作状态进行工作，常用的检测元件主要有旋转变压器和感应同步器。,闭环幅值比较伺服系统的结构框图如图,7-21,所示，从图中看出，比较环节是数字比较，实现指令脉冲信号,F,与反馈脉冲信号,Pf,的比较，以获得位置偏差信号,s,。,由幅值工作状态的感应同步器的原理可知。位置检测元件的输出电压是正弦交变信号幅值与角度,d-,的差值的正弦值成比例。,d,是系统设定的值，,是反映实际位移,x,的电角度。只有当差值,d-,在,90,范围内，该幅值的绝对值才与,|sin,（,d-,）,|,成正比，若,d,，,则检测信号的幅值为正。该检测信号幅值的正负表明了指令位置与实际位置之间超前或滞后的关系。,与,的差值越大，则位置的偏差越大。由此看来，只要能检测元件输出电压信号的幅值，就能获得励磁,d,与,的相对关系。这就是鉴幅器的任务。为了进行闭环控制，该电压幅值需经电压,频率变换电路变成相应的数字脉冲，一方面与,F,比较比获得位置偏差信号,s,，,另一方面作为修改输入信号中,d,值的设定输入。下面简述幅值比较伺服系统的工作原理：,若,F=0,，,则工作台静止不动，若指令脉冲,F=0,，,则有,d=,（,原来静止状态），经鉴相检测到检测元件输出电压幅值为零，由电压,频率变换电路所得的,Pf,也为零，那么比较输入输出位置偏差信号,s=F-Pf=0,，,则伺服电机调速部分的速度给定为零，工作台继续移动。,5/26/2025,5/26/2025,若,F,为正的指令脉冲，则工作台正向运动，由于伺服电机未转动之前，,d,与,均未变，仍保持相等，所以反馈脉冲,Pf,亦为零，若,F,为正指令脉冲，那么,s=F-Pf0,。,s,经,D/A,变换后作为伺服电机调速系统的速度给定值。伺服电机向正指令位置转动。带动工作台正向运动。一运动，,d,与,不相等，反馈脉冲,Pf,就出现了。则位置偏差值,s,逐渐减小，直至,F=Pf,，,s=0,。,系统在新的指令位置上达到平衡，工作台停止正向运动。,需指出的是，,变化，若,d,不随变化，虽然工