数控伺服系统详细论述.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,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,*,*,*,第 6 章,数控伺服系统,10/1/,数控伺服系统详细论述,第1页,6.1,概,述,伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象自动控制系统。它接收来自数控装置进给指令信号，经变换、调整和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置(计算机)和机床联络步骤，是数控机床主要组成部分。,数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。,该系统包含了大量电力电子器件，结构复杂，综合性强,。,10/1/,数控伺服系统详细论述,第2页,6.1,概,述,进给伺服系统是数控系统主要子系统。假如说C装置是数控系统,“大脑”,，是公布“命令”“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统,“四肢”,，是一个“执行机构”。它忠实地执行由CNC装置发来运动命令，准确控制执行部件运动方向，进给速度与位移量。,10/1/,数控伺服系统详细论述,第3页,6.1.1 伺服系统组成,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,位置调整单元,速度调整单元,电流调整单元,检测装置,普通闭环系统为三环结构,：位置环、速度环、电流环。,10/1/,数控伺服系统详细论述,第4页,6.1.1 伺服系统组成,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,位置、速度和电流环均由：调整控制模块,、,检测,和,反馈,部分组成。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。,严格来说：位置控制包含位置、速度和电流控制；速度,控制包含速度和电流控制。,10/1/,数控伺服系统详细论述,第5页,1,精度高,伺服系统精度是指输出量能复现输入量准确程,度。包含定位精度和轮廓加工精度。,2,稳定性好,稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在,短暂调整过程后，到达新或者恢复到原来平衡状态。直接,影响数控加工精度和表面粗糙度。,3,快速响应,快速响应是伺服系统动态品质主要指标，它反应了系统跟踪精度。,4,调速范围宽,调速范围是指生产机械要求电机能提供最高转速,和最低转速之比。,024m/min,。,5,低速大转矩,进给坐标伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度,范围内都要保持这个转矩；主轴坐标伺服控制在低速时为恒转,矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，含有足够大,输出功率。,6.1.2 对伺服系统基本要求,10/1/,数控伺服系统详细论述,第6页,对伺服电机要求：,（1）调运范围宽且有良好稳定性，低速时速度平稳性,（2）,电机应含有大、较长时间过载能力，以满足低速,大转矩要求。,（3）,反应速度快，电机必须含有较小转动惯量、较大,转矩、尽可能小机电时间常数和很大加速度,(400rad/s,2,以上,),。,（4）能承受频繁起动、制动和正反转。,6,1.2 对伺服系统基本要求,10/1/,数控伺服系统详细论述,第7页,1,按调整理论分类,（,1,）开环伺服系统,（2）闭环伺服系统,（3）半闭环伺服系统,6.1.2 伺服系统分类,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,10/1/,数控伺服系统详细论述,第8页,6.1.2,伺服系统分类,开环数控系统,没有位置测量装置，信号流是单向（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,10/1/,数控伺服系统详细论述,第9页,6.1.2,伺服系统分类,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性能和精度。,普通以功率步进电机作为伺服驱动元件。,这类系统含有结构简单、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、驱动力矩不大场所得到广泛应用。普通用于经济型数控机床。,10/1/,数控伺服系统详细论述,第10页,6.1.2,伺服系统分类,半闭环数控系统,半闭环数控系统位置采样点如图所表示，是从驱动装置(惯用伺服电机)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实际位置。,位置控制调整器,速度控制,调整与驱动,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,10/1/,数控伺服系统详细论述,第11页,6.1.2,伺服系统分类,半闭环环路内不包含或只包含少许机械传动步骤，所以可取得稳定控制性能，其系统稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。,因为丝杠螺距误差和齿轮间隙引发运动误差难以消除。所以，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行赔偿，因而仍可取得满意精度。,半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在当代CNC机床中得到了广泛应用。,10/1/,数控伺服系统详细论述,第12页,6.1.2,伺服系统分类,全闭环数控系统,全闭环数控系统位置采样点如图虚线所表示，直接对运动部件实际位置进行检测。,位置控制调整器,速度控制,调整与驱动,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,10/1/,数控伺服系统详细论述,第13页,6.1.2 伺服系统分类,从理论上讲，能够消除整个驱动和传动步骤误差、间隙和失动量。含有很高位置控制精度。,因为位置环内许多机械传动步骤摩擦特征、刚性和间隙都是非线性，故很轻易造成系统不稳定，使闭环系统设计、安装和调试都相当困难。,该系统主要用于精度要求很高镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型数控机床等。,10/1/,数控伺服系统详细论述,第14页,2,按使用执行元件分类,（1）电液伺服系统,电液脉冲马达和电液伺服马达。,优点：在低速下能够得到很高输出力矩，刚性好，时间常,数小、反应快和速度平稳。,缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。,（2）电气伺服系统,伺服电机（,步进电机,、直流电机和交流电机）,优点：操作维护方便，可靠性高。,1,）直流伺服系统,进给运动系统采取大惯量宽调速永磁直流伺,服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采取他激直流伺,服电机。,优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高。,2）交流伺服系统 交流感应异步伺服电机（普通用于主轴伺服系,统）和永磁同时伺服电机（普通用于进给伺服系统）。,优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动,态响 应好、转速高和容量大。,6.1.2,伺服系统分类,10/1/,数控伺服系统详细论述,第15页,3按被控对象分类,（1）进给伺服系统 指普通概念位置伺服系统，包,括速度控制环和位置控制环。,（2）主轴伺服系统 只是一个速度控制系统。,C,轴控制功效。,4按反馈比较控制方式分类,（1）脉冲、数字比较伺服系统,（2）相位比较伺服系统,（3）幅值比较伺服系统,（,4,）全数字伺服系统,6.1.2,伺服系统分类,10/1/,数控伺服系统详细论述,第16页,6.2,伺服电动机,伺服电动机,为数控伺服系统主要组成部分，是速,度和轨迹控制执行元件。,数控机床中惯用伺服电机,：,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）,10/1/,数控伺服系统详细论述,第17页,惯用直流电动机有：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,直流进给伺服系统：永磁式直流电机类型中,有槽电枢永磁直,流电机（普通型）,；,直流主轴伺服系统：励磁式直流电机类型中,他激直流电机,。,6.2.1,直流伺服电机及工作特征,10/1/,数控伺服系统详细论述,第18页,1,直流伺服电机结构,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6.5永磁直流伺服电机结构,图,6.6直流主轴电机结构示意图,10/1/,数控伺服系统详细论述,第19页,静态特征,电磁转矩由下式表示:,（,6.1,）,K,T,转矩常数；,磁场磁通；,I,a,电枢电流；,T,M,电磁,转矩。电枢回路电压平衡方程式为:,（,6.2,）,U,a,电枢上外加电压；,R,a,电枢电阻；,E,a,电枢反电势。,电枢反电势与转速之间有以下关系：,（,6.3,）,K,e,电势常数；,电机转速（角速度）。,依据以上各式能够求得：,（,6.4,）,2 普通,直流电机工作特征,10/1/,数控伺服系统详细论述,第20页,当负载转矩为零时：,理想空载转速 （,6.5,）,当转速为零时：,开启转矩 (,6.6,）,当电机带动某一负载,T,L,时,电机转速与理想空载转速差 （,6.7,）,2普通,直流电机工作特征,O,图,6.7,直流电机机械特征,（n）,O,O,T,S,T,T,L,10/1/,数控伺服系统详细论述,第21页,动态特征,直流电机动态力矩平衡方程式为,（,6.8,）,式中,T,M,电机电磁转矩；,T,L,折算到电机轴上负载转矩；,电机转子角速度；,J,电机转子上总转动惯量；,t,时间自变量。,2普通,直流电机工作特征,10/1/,数控伺服系统详细论述,第22页,(1),永磁直流伺服电机性能特点,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征曲线和数据表描述,1),转矩-速度特征曲线,（,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,永磁直流伺服电机工作特征,10/1/,数控伺服系统详细论述,第23页,3,永磁直流伺服电机工作特征,d%,80 110%,120%,60 130%,140%,40 160%,d,180%,20,200%,0 1 3,t,R,6 10 30 60 100,t,R,(min),图6,9负载-工作周期曲线,M/（N-cm,）,转矩极限,1,10000,瞬时换向极限,8000,6000,换向极限,速度极限,4000,温度极限,0 500 1000 1500 n,图68永磁直流伺服电机工作曲线,区为连续工作区；,区为断续工作区，由负载-工作周期曲线决定工作时间；,区为瞬时加减速,区,10/1/,数控伺服系统详细论述,第24页,4主轴直流伺服电机工作原理和特征,O n,j,n,max,n,P,T,1 2,图,6,.,10,直流主轴电机特征曲线,1-转矩特征曲线 2-功率特征曲线,10/1/,数控伺服系统详细论述,第25页,直流伺服电机缺点：,它电刷和换向器易磨损；,电机最高转速限制，应用环境限制；,结构复杂，制造困难，成本高。,交流伺服电机优点：,动态响应好；,输出功率大、电压和转速提升,交流伺服电机形式：,同时型交流伺服电机和,异步型交流感应伺服电机,。,6.2 2 交流伺服电机及工作特征,V,S,V,S,10/1/,数控伺服系统详细论述,第26页,交流同时伺服电机种类：,励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式,（1）永磁交流同时伺服电机结构,1永磁交流同时伺服电机结构和工作原理,V,S,V,S,定,子,转子,脉冲编码器,定子三相绕组,接线盒,图,6,11,永磁交流同时伺服电机结构,10/1/,数控伺服系统详细论述,第27页,1永磁交流同时伺服电机结构和工作原理,10/1/,数控伺服系统详细论述,第28页,（,2,）永磁交流同时伺服电机工作原理和性能,1,永磁交流同时伺服电机结构和工作原理,n,（,r/min,）,V,S,N,n,s,n,r,S,图,6,1,2,工作原理 图,6,1,3,特征曲线,T,（,N-cm,）,1,10000,8000,6000,4000,0,1000,3000,10/1/,数控伺服系统详细论述,第29页,交流主轴电机要求,：,大功率,低速恒转矩、高速恒功率,鼠笼式交流异步伺服电机,图,614交流主轴电机与普通交流,异步感应电机比较图示意图,图,6,15,交流主轴伺服电机特征曲线,2,交流主轴伺服电机结构和工作原理,交流主轴电机普通交流,异步感应电机,通风孔,P,（,KW,）,8,6,4,2,0,4000,6000,8000,1,n,（r/min）,10/1/,数控伺服系统详细论述,第30页,（,1）永磁交流同时伺服电机发展,新永磁材料应用 钕铁硼,永久磁铁结构改革 内装永磁交流同时伺服电机,与机床部件一体化电机 空心轴永磁交流同时伺服电机,（2）交流主轴伺服电机发展,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,3、交流伺服电机发展,10/1/,数控伺服系统详细论述,第31页,6.3 速度控制,概述：,速度控制系统由速度控制单元、伺服电机和速度检测,装置组成。分为主运动和进给运动。,进给运动：,是确保轨迹、尺寸和形位精度。不但有速度控制，,还有位置控制。在整个速度范围内，保持恒转矩。与,主运动相比功率较小。,主运动：,主要无级调速，但还要有下面控制功效：,主轴于进给驱动同时控制；,准停控制；,分度控制；,恒线速度控制。,速度控制：,主要是调速，调速有机械,、,液压和电气方法，电气调,速最有利于实现自动化。,10/1/,数控伺服系统详细论述,第32页,6.3.1 直流进给运动速度控制,1.、,直流伺服电机调速原理,依据机械特征公式可知调速有二种方法:电枢电压,U,a,和,气隙磁通,改变电枢外加电压,U,a,:,因为绕组绝缘耐压限制，调压只能在额定,转速以下进行。属于恒转矩调速。,改变气隙磁通量,：,改激磁电流即可改,，在,U,a,恒定情况下，磁场接,近饱和，故只能弱磁调速，在额定转速以上进行。属于恒功率调速。,2.,直流速度控制单元调速控方式,晶闸管（可控硅）,调速系统,晶体管脉宽调制（,PWM,）,调速系统,（6.9）,（6.10）,10/1/,数控伺服系统详细论述,第33页,晶闸管调速系统,1）系统组成,包含,控制回路,：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。,主回路：,可控硅整流放大器等。,速度环：速度调整（PI），作用：好静态、动态特征。,电流环：电流调整(P或PI)。作用：加紧响应、开启、低频稳定等。,触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。,可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。,速度,调整器,电流,调整器,触发脉冲,发生器,可控硅,整流器,电流反馈,速度反馈,电流检测,编码器,电机,U,R,+,-,U,f,I,f,I,R,+,-,E,1,E,S,10/1/,数控伺服系统详细论述,第34页,2）主回路,工作原理,组成,：,由大功率晶闸,管组成三相全控桥式（三相全波）反并接可逆电路，,分成二大部分（,和,），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，,分别实现正转 和反转。,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,）。为组成回路，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120,，每相内二个触发脉冲相差180,。,按管号排列，触发脉冲次序：1-2-3-4-5-6，相邻之间相位差60,。,为确保合闸后两个串联可控硅能同时导通,，,或已截止相再次导通,，,采取双脉冲控制。既每个触发脉冲在导通60,后，在补发一个辅助脉冲；也,能够采取宽脉冲控制，宽度大于60,，小于120,。,4,6,2,7,9,11,1,3,5,8,12,10,A,B,C,M,U,M,U,D,K,M,K,M,+,-,10/1/,数控伺服系统详细论述,第35页,原理：,e),u,a,c,b,c,a,b,a,),b,),c,),d,),1,3,5,t,u,b,2,4,6,b,c,a,t,t,t,t,1 1 3 3 5 5 1 1 3 3,6 2 2 4 4 6 6 2 2 4,1,3,5,2,4,6,120,120,180,60,1,3,2,4,60,60,5,6,只要改变可控,硅触发角（即改变,导通角），就能改,变可控硅整流输,出电压，从而改变,直流伺服电机转,速。,触发脉冲提前,来，增大整流输出,电压；触发脉冲延,以后，减小整流输,出电压。,主回路波形图,10/1/,数控伺服系统详细论述,第36页,3）控制回路分析,触发脉冲产生过程：,改变触发角，即改变控制角,U,1,U,2,R,1,R,2,R,3,C,-,+,同时信号,过零信号,由速度F变换来电流调整器输出直流信号,1,2,3,窄脉冲：即,移相触发脉冲,同时信号,方波信号,矩齿波,矩齿波与直,流电压叠加,信号,尖脉冲,直流电压,（,可控硅导通时间），可调速。,没反馈是开环，特征软。,1-同时电路 2-移向控制电路,3-脉冲分配器,电流调整器:同上，加紧电流反应。,触发脉冲发生器：正弦波同时锯齿波触发,电路，与F直流信号叠加。,速度调整器：百分比积分PI，高放大（相当,C短路）缓放大增放大稳定（相当C,开路）无静差。,10/1/,数控伺服系统详细论述,第37页,运算放大器类型,反向百分比放大器 反向百分比加法运算放大器,同向百分比放大器 积分运算放大器,百分比积分运算放大器：比较器,R,3,R,3,U,1,U,2,R,1,R,2,R,3,-,+,U,1,R,1,U,2,R,2,C,-,+,U,1,U,2,R,1,R,2,R,3,C,-,+,U,1,U,2,R,1,R,2,-,+,U,3,U,2,R,4,R,2,-,+,U,1,R,1,U,1,U,2,R,2,R,1,-,+,U,2,二个输入端内阻非常大，不向运放内流电流，放大,倍数非常大。同相端接地，电位为0，为实地；方反,向端电为也为0，虚地。,U,2,=-U,1,R,3,/R,2,10/1/,数控伺服系统详细论述,第38页,功率因数,（,以单向为例,）,交流电阻电路：功率,(平均),P,=,UI,=,I,2,R,=,U,2,/R,交流电阻电容电路：纯电容电路电流超前电压,相位,=,90,功率,(平均),P,=,UIcos,交流电阻电感电路：纯电感电路电流落后电压,相位,=,90,功率,(平均),P,=,UIcos,因为交流电路中电感电容存在，平均功率不等于电,压电流乘积，而差一个,cos,，既与电压电流相位差,相关。其中,cos,称为功率因数,。,cos,越高越好。,造成功率因数不高主要原因是感性负载，如异步电,机、工频炉、日光灯功率因数都不高；提升功率因数,方法是在感性负载上并联电容。,10/1/,数控伺服系统详细论述,第39页,总结,速度控制原理,：,调速：,当给定指令信号增大时，则有较大偏差信号加到调整器,输入端，产生前移触发脉冲，可控硅整流器输出直流电压提升，电,机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大速度给定相匹配到达,新平衡，电机以较高转速运行。,干扰：,假如系统受到外界干扰，如负载增加，电机转速下降，速度反,馈电压降低，则速度调整器输入偏差信号增大，其输出信号也增大，,经电流调整器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使电机,转速恢复到干扰前数值。,电网波动：,电流调整器经过电流反馈信号还起快速维持和调整电流,作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电机,转速因为惯性还未改变之前，首先引发主回路电流减小，马上使电,流调整器输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原来,值，从而抑制了主回路电流改变。,开启、制动、加减速：,电流调整器还能确保电机开启、制动时大转,矩、加减速良好动态性能。,10/1/,数控伺服系统详细论述,第40页,（2）晶体管脉宽调制（PWM）调速系统,1）系统组成及特点,速度调整器,电流调整器,脉宽调整,振荡器,脉宽调整,M,G,电流反馈,U,u,sr,u,s f,整流,功放,10/1/,数控伺服系统详细论述,第41页,主回路,：,大功率晶体管开关放大器；功率整流器。,控制回路：,速度调整器；,电流调整器；,固定频率振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路,。,区分,：,与晶闸管调速系统比较，速度调整器和电流调整,器原理一样。不一样是脉宽调制器和功率放大器。,直流脉宽调制：,功率放大器中大功率晶体管工作在开,关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期,内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度）,方法来改变输出。从而使电机取得脉宽受调制,脉冲控制电压脉冲，因为频率高及电感作用,则为波动很小直流电压（平均电压）。,脉宽改变使电机电枢直流电压伴随改变。,10/1/,数控伺服系统详细论述,第42页,直流脉宽调调制基本原理,周期不变,周期不变,脉宽,脉宽,脉宽,脉宽,平均直流电压,脉冲宽度正比代表速度F值直流电压,U,t,10/1/,数控伺服系统详细论述,第43页,2）脉宽调制器,t,t,U,U,+,U,S r,U,+,U,S r,U,S C,U,S C,U,S C,+U,S,r,o,o,o,-U,S,r,t,t,t,t,同向加法放大器电路图,U,S r,速度指令转化过,来直流电压,U,-,三角波,U,SC,-,脉宽调制器输,出（,U,S r,+,U,）,调制波形图,R,1,+12V,U,SC,R,1,R,3,R,2,+,-,12V,U,S r,U,-,U,S r,为0时,调制出正负脉宽一样方波,平均电压为0,U,S r,为正时,U,S r,为负时,调制出脉宽较宽波形,平均电压为正,调制出脉宽较窄波形,平均电压为负,10/1/,数控伺服系统详细论述,第44页,3）开关功率放大器,主回路：可逆H型双极式PWM,开关功率放大器,电路图:,由四个大功率晶体管,（GTR）,T,1,、,T,2,、,T,3,、,T,4,及四个续流二极管组成桥,式电路。,H型：,又分为,双极式、单极,式和受限单极,式三种。,U,b1,、,U,b2,、U,b3,U,b4,为调制器,输出，经脉冲,分配、基极驱,动转换过来,脉冲电压。分,别加到,T,1,、T,2、,T,3,、T,4,基极。,U,b3,U,b4,U,b1,U,b2,U,S,A,B,D,1,D,2,D,3,D,4,M,T,1,T,2,T,4,T,3,t,U,S,-U,S,Ud,U,AB,O,t,U,b1,U,b 4,U,b2,U,b3,O,O,t,t,t,1,T,i,d,id,1,i,d,2,i,d,1,i,d,2,O,O,O,O,O,t,1,t,3,T,t,2,t,3,t,1,U,b1、,U,b 4,U,b2、,U,b 3,Ud,U,AB,i,d,t,t,t,t,id,1,id,1,id,4,i,d,2,id,3,id,4,i,d,2,10/1/,数控伺服系统详细论述,第45页,工作原理：,T,1,和,T,4,同时导通和关断，其基极驱动电压,U,b,1,=,U,b,4,。T,2,和,T,3,同,时导通和关断，基极驱动电压,U,b,2,=,U,b,3,=,U,b,1以正脉冲较宽为例，,既正转时。,负载较重时：,电动状态：,当0,t,t,1,时，,U,b,1,、,U,b,4,为正，,T,1,和,T,4,导通；,U,b,2,、,U,b,3,为负,，,T,2,和,T,3,截止。电机端电压,U,AB,=U,S，,电枢电流,i,d,=,i,d,1,，由,U,S,T,1,T,4,地。,续流维持电动状态：,在,t,1,t,T,时，,U,b,1,、,U,b,4,为负,，,T,1,和,T,4,截止；,U,b,2,、,U,b,3,变正，但,T,2,和,T,3,并不能马上导通，因为在,电枢电感储能,作用下,，,电枢电流,i,d,=,i,d,2,，由,D,2,D,3,续流，在,D,2、,D,3,上压降使,T,2,、,T,3,c-e,极承受反压不能导通。,U,AB,=-U,S。,接着再变到,电动状态、续流,维持电动状态,重复进行，如上面左图。,负载较轻时：,反接制动状态，电流反向：,状态中，在负载较轻时，则,i,d,小，,续流,电流很快衰减到零，即,t,=,t,2,时,（见,上面右图,），,i,d,=0。,在,t,2,T,区段,，,T,2,、,T,3,在,U,S,和反电动势,E,共同作用下,导通,，,电枢电流反向，,i,d,=,i,d,3,由,U,S,T,3,T,2,地。电机处于,反接制动状态。,电枢电感储能维持电流反向：,在,T,t,3,区段时，驱动脉冲极性改变T,2,、,T,3,截止，因,电枢电感维持电流，,i,d,=,i,d,4,，由,D,4,D,1。,10/1/,数控伺服系统详细论述,第46页,电机正转、反转、停顿：,由正、负,驱动电压脉冲宽窄而定。,当,正,脉冲较宽时，既,t,1,T/2,，,平均电压为正，电机正转；,当,正,脉冲较窄时，既,t,1,T/2,，,平均电压为负，电机反转；,假如正、负,脉冲宽度相等，,t,1,=,T/2,，,平均电压为零，电机停转。,电机速度改变：,电枢上,平均,电压,U,AB,越大，转速越高。它是由,驱动电压脉冲宽度,决定。,双极性,：,由以上分析表明：,可逆H型双极式PWM开关功率放大器，不论负载是重还是轻、电机,是正转还是反转，加在电枢上电压极性在一个开关周期内，都在,U,S,和,U,S,之间变换一次，故称为双极性。,10/1/,数控伺服系统详细论述,第47页,（4）,PWM调速系统特点,频带宽、频率高:,晶体管“结电容”小，开关频率远高于可控（50Hz)，,可达2-10KHz。快速性好,。,电流脉动小:,因为PWM调制频率高，电机负载成感性对电流脉动,由平滑作用，波形系数靠近于1。,电源功率因数高:,SCR系统因为导通角影响，使交流电源波形畸,变、高次谐波干扰，降低了电源功率因数。PWM,系统直流电源为不受控整流输出，功率因数高。,动态硬度好:,校,正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高10/1/,数控伺服系统详细论述,第48页,6.3.2直流主轴驱动速度控制,1.对直流主轴伺服系统要求,N、Mn 特征，低速恒转矩，高速恒功率。,良好加、减速及换向功能。,过载能力，150%（额定电流1.5倍）。,大调速范围。,准停、同步、恒线速度控制功能。,2.直流主轴速度控制单元：没有位置控制，只是速度控制系统。,速度比较调整,电流比较调整,移相触发脉冲及,方向控制,可控硅整流器,电机,激磁电,压反馈,电流调解电压相位变换,脉冲发生器方向控制,整流器,激磁电流设定,速度,指令,速度反馈,电流反馈,调压控制部分,调磁控制部分,电流,反馈,10/1/,数控伺服系统详细论述,第49页,组成：调压部分 恒转矩调速，在额定转速以下调速。,调磁部分 恒功率调速，在额定转速以上调速。,调压：普通采取晶闸管调速系统，同直流进给系统一样。包含,速度环、电流环、可控硅整流主回路等。,调磁：,主轴电机为它激式直流电机，激磁绕组与电枢绕组,无直接关系，需由另一直流电源供电。,激磁回路由激磁电流设定电路，电枢电压反馈电路、及,激磁反馈电路三者比较输出信号，经电流调整、触发,脉冲发生器等，控制激磁电流大小，完成恒功率调速。,调磁部分电压反馈作用：,它激直流主轴电机，调压、调磁是分开独立工作。在,额定转速以下用改变电调电枢端电压调速，此时调磁不,工作只是维持额定磁场，用电压反馈作信号，限制激,磁电流反馈当电枢端电压到达额定值时，能够调磁，,使电机转速在高速段调整。,10/1/,数控伺服系统详细论述,第50页,6.3.3 交流进给运动速度控制,1.交流伺服电机调速方法,由电机学知，交流电机转速公式：,式中：,f,定子电源频率,p,磁激对数,S,转差率,n,s,定子旋转磁场转速,n,转子转速,异步电机,变频,用于笼型电机,调压（定子电压）,电磁砖差离合器,调阻（转子电组）,串级调速,交直交,交交,交直交,交交,变转,差率,变频,变频,同时电机,交流电动机,由此可知调速方法：,（6.11）,（6.12）,10/1/,数控伺服系统详细论述,第51页,对于进给系统常使用交流同时电机，该电机没有转差率电机转速公式变为：,从式中能够看出：只能用变频调速，而且是有效方法。,变频调速主要步骤是为交流电机提供变频、变压电源变频器，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交,流电压。电流型是切换一串方波，方波电流供电，用于大功率。,交,交变频器 该变频器没有中间步骤，直接将电网交流电,变为频率和电压都可变交流电。,当前对于中小功率电机，用得最多是电压型交,直,交变频器。,2.正弦脉宽调制（SPWM）变压变频器,基本概念,1964年德国人率先提出脉宽调制变频思想，把通讯系统中,（6.13）,10/1/,数控伺服系统详细论述,第52页,调制技术应用于交流变频器。调制方法很多，当前用得最多是正弦,脉宽调制。还有空间电压矢量,PWM,、最优,PWM、预测PWM、随机,PWM、规则采样数字化PWM等等。,SPWM交,直,交变压变频器原理框图以下：,M,3,UI,UR,UR,整流器 固定电压不可控整流器，常采取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，常采取大功率晶体管。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）和三角波叠加出来SPWM调制波（等幅、不等,宽矩形脉冲波），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可变频变压等幅、不等,宽矩形脉冲电压波，即功率级SPWM电压，使电机转动。,功率开关器件还可采取：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。,10/1/,数控伺服系统详细论述,第53页,正弦脉宽调制原理,（以单相为例）,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，如右下列图所表示。,u,t,t,u,O,O,a),b),等效原理,：把,正弦分,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。,正弦正负半周均如此,处理。,10/1/,数控伺服系统详细论述,第54页,SPWM控制波生成:,正弦波三角波调制,、方波三角波调制。,方波发生器,（带正反馈比较,又有RC积分）,三角波发生器,（积分器）,三角波与基准,正弦波叠加,（比较器）,SPWM调制波,基准正弦波,(由速度指令,转化过来),VD,1,调制波,载波,u,u,t,u,1,:,u,t,u,1,u,0,O,O,O,t,t,t,R,F,R,R,1,R,2,R,3,R,4,R,5,R,6,R,7,VD,2,VD,3,VD,4,C,1,C,2,U,0,(,u,a,、u,b、,u,c,),t,O,-,-,-,+,+,+,t,u,t,:,10/1/,数控伺服系统详细论述,第55页,u,AB,50Hz,SPWM,D,1,D,2,D,3,D,4,D,5,D,6,D,7,D,8,D,9,D,10,D,11,D,12,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,T,6,u,a,u,a,u,b,u,b,u,c,u,c,u,1,u,2,u,3,u,t,u,1,u,t,u,d,u,a,1,t,1,t,1,t,1,t,1,t,1,t,u,A0,u,B0,u,C0,逆变器输出,A相等效正弦,脉宽电压波,逆变器输出,B相等效正弦,脉宽电压波,逆变器输出,C相等效正弦,脉宽电压波,逆变器输出线电压等效正弦脉宽电压波,u,1:由F转换来,u,t,改变调制波频率、幅值，就可改变最终输出 ：,变频变压交流电压,主回路：,左半部：整流器,右半部：逆变器,10/1/,数控伺服系统详细论述,第56页,1.系统组成：速度环、电流环,SPW电路、功放电路,检测反馈电路,6.3.4,交流进给伺服电机速度控制系统,校正,赔偿,乘法器,SPWM,功率,放大,速度反,馈信号,转子位置,检测电路,电流信号,处理电路,传感器信号处理电路,传感器,MS,3,电流,比较,速度,比较,电流,传感,+,+,-,-,U(t),10/1/,数控伺服系统详细论述,第57页,2.SPWM电路原理,SPWM控制方法：,模拟控制 原始控制方法；,数字控制,微机存放事先算好SPWM数据表格，由指令调出，或经过软,件实时生成。,专用集成芯片,单片机微处理器直接带有SPWM信号产生功效，并有其输出端,口，如8098、8XC196MC。,去主回路,三极管基极,u,/f,分频,u,/f,分频,基准正弦波,产生,三角波,发生器,比较器,SPWM,比较,叠加,u,i,压/频变换、,分频器,正弦逻辑,三角波逻辑,指令,比较器,比较器,脉冲,分配,10/1/,数控伺服系统详细论述,第58页,SPWM,变压变频调速优点：,1.主电路只有一个可控功率步骤，简化了结构；,2.采取了不可控整流器。使电网功率因数提升；,3.逆变器同时调频调压，动态对应不受中间步骤影响；,4.可取得更靠近于正弦波输出电压波形,。,10/1/,数控伺服系统详细论述,第59页,6.3.5交流主轴电机速度控制,交流主轴驱动系统交流感应异步电机,调速方法很多，变频调速是最适用方法，主要有：,压频（,u/f,）调速,矢量变换控制调速,1.变压变频调速基本控制方式,在电机调速时，希望保持每极磁通为额定值。,磁经过弱 没有充分利用铁心，是一个浪费。,磁经过强 使铁心饱和，产生过大励磁电流，严重时因绕,组过热烧毁电机。,交流异步电机中，,磁通是定子和转子磁动势合成产生，所,以不能单独调频。,三相,异步电机,定子每相电动势有效值为：,Eg=,4.44,f,1,N,1,k,N1,m,式中,f,1,定子,频率（H,z,）；,N,1,定子电动绕组串联匝数；,Kn,1,基波绕组系数；,m,每,极气隙磁通量,10/1/,数控伺服系统详细论述,第60页,n,T,10,20,30,40,1000,3000,恒转矩调速特征曲线,T,n,10,20,30,40,1000,3000,恒,T,m,调速特征曲线,由上式可知,m,E,g,/f,1,10/1/,数控伺服系统详细论述,第61页,恒功率调速,10,20,30,40,50,60,1000,n,T,6.3.5,10/1/,数控伺服系统详细论述,第62页,6,.3.6交流伺服电机矢量控制,交流异步电机矢量控制,A,A,B,C,0,0,0,d,d,q,q,10/1/,数控伺服系统详细论述,第63页,6.3.6,矢量控制,60,o,60,o,F,C,F,A,F,B,F,F,d,i,d,iq,i,i,i,l,10/1/,数控伺服系统详细论述,第64页,6.3.6,交流同时电机矢量控制,d,A,B,C,i,i,q,i,d,i,A,d,i,c,i,B,q,10/1/,数控伺服系统详细论述,第65页,6.4 位置控制,位置检测,测速值,位置传感器,测速计,电动机,速度控制,位置控制,指令位置,D,oi,+,-,D,Ai,实际,位置,D,i,V,pi,V,i,V,Di,K,D,K,V,6.4.1位值控制基本原理,10/1/,数控伺服系统详细论述,第66页,6.4.2数字脉冲比较位置控制伺服系统,比较,步骤,伺服,放大器,D/A,工作台,位置,检测器,伺服,电机,脉冲,处理,指令脉冲