信息与通信CNC伺服驱动.pptx

4.1 4.1 位置控制原理位置控制原理4.1.1 位置控制原理 数控机床的性能主要取决于伺服驱动系统及位置控制系统的性能.数控机床的伺服驱动系统分为进给驱动系统和主轴驱动系统.驱动系统是由驱动部件和速度控制单元所组成,其职能是提供切削过程中所需要的转矩和功率,可以任意调节运转速度.按伺服系统反馈信息的不同,位置控制系统分为开环,闭环和半闭环控制3种.根据位置比较的工作原理的不同,又可将闭环,半闭环系统分为相位比较伺服系统相位比较伺服系统,幅值比较伺服系统和数字式伺幅值比较伺服系统和数字式伺服系统服系统.早期的位置控制是把位置数据经D/A转换为模拟量后送给速度比较电路,现代的全数字伺服系统全部用计算机软件进行数字处理,其输入输出都是数字量,不必进行D/A转换.在全数字伺服系统中,各种增益常数可根据外界条件的变化而自动更改,保证在各种条件下都是最优的,因而控制精度高,稳定性好.4.1.2 相位比较伺服系统 相位比较伺服系统是将数控装置发出的指令脉冲信号和位置检测反馈信号都转换为相应的同频率的某一载波的不同相位的脉冲信号,在位置控制单元进行相位的比较.相位差反映了指令位置与实际位置的偏差.4.1.3 幅值比较伺服系统 幅值比较伺服系统是以位置检测信号幅值的大小来反映机械位移,并以此信号作为位置反馈信号与指令信号进行比较,从而获得位置偏差信号,偏差信号反映了指令位置与实际位置的偏差.4.1.4 数字式伺服系统 随着自动控制技术的发展,特别是微电子和电力技术的不断更新,伺服控制系统从早期的模拟控制系统逐步发展到全数字控制系统,并随着伺服系统硬件的软件化,使其控制性能有了更大的提高.驱动元件从早期的可控硅,GTR,IGBT发展到目前的智能型功率器件IPM.在模拟交流伺服系统中.位置控制部分是由大规模集成电路LSI完成,而伺服控制的速度,电流和驱动是由速度环控制单元来完成,在全数字的伺服系统中,速度环和电流环都是由单片机控制,该部分电路设计在系统内部,作为系统控制的一部分,通常叫做轴卡(AXES CARD),该部分实现了位置,速度和电流的控制,最终将被三角波调制后的PWM信号输出到伺服放大器,原来模拟伺服系统的交流伺服单元变成了简单的功率放大器.4.2 4.2 步进电动机伺服驱动系统步进电动机伺服驱动系统4.2.1 开环伺服系统的组成 计算机插件驱动电路步进电动机工作台 开环系统没有位置和速度检测环节,它的精度主要由步进电动机的步矩角和与之相连的丝杠等传动机构所决定.其控制和结构简单,调整容易,在速度和精度要求不太高的场合有一定的使用价值.4.2.2 步进电动机4.2.2.1 4.2.2.1 步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理 步进电动机是一种将脉冲信号转换为角位移的电磁机械装置.由于所用的电源是脉冲电源,所以也称为脉冲马达.步进电动机的转速不受电压波动和负载变化的影响，不受环境条件（温度、压力、冲击和振动等）的限制，仅与脉冲频率同步；能按控制脉冲的要求立即起动、停止、反转或改变转速，而且每一转都有固定的步数；在不失步的情况下运行时，步距误差不会长期积累。因此，在开环控制系统中应用很广。逆时针回转30逆时针回转30逆时针回转30图4-7 步进电动机工作原理示意图4.2.2.2 4.2.2.2 步进电动机的特点步进电动机的特点1.抗干扰能力强2.误差不长期积累3.控制简单4.2.2.3 4.2.2.3 步进电动机的主要特性步进电动机的主要特性1.步矩角:是一项重要性能指标 2.矩角特性 转子e3.起动频率.空载时,步进电动机由静止状态突然起动达到正常运行而不丢步的最高频率,称为起动频率.如果起动频率过高,转子的速度跟不上定子的磁声旋转速度,出现失步或振荡现象.4.最大起动转矩.步进电动机相邻两相的矩角特征曲线交点即为最大起动转矩,5.连续运行频率:步进电动机起动以后,其运行速度能够跟踪指令的脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率,称为连续运行频率fmax6.矩频特性:步进电动机在连续运行状态下所产生的转矩称为动态转矩.矩频特性描述步进电动机的最大动态转矩与脉冲频率的关系.图4-9 矩频特性曲线4.2.3步进电动机伺服系统工作原理 步进电动机的驱动系统由环承分配器和功率放大器组成.加减脉冲分配器正向进给脉冲反向进给脉冲加减速电路进给脉冲环形分配器功率放大器到步进电动机绕组旋转方向图4-10 步进电动机驱动系统工作原理框图4.2.3.1 4.2.3.1 环形分配器环形分配器 环形分配器的功能是把来自计算机数控装置的脉冲信号按一定的规律分配给各相功率放大器,驱动相应的励磁绕组,使步进电动机按规定方式工作.脉冲分配有两种方式:一种是软件脉冲分配,由计算机软件完成;另一种是硬件脉冲分配,由专门的硬件脉冲分配器完成.1.脉冲分配方式 单拍分配方式,双拍分配方式和混合分配方式.2.硬件脉冲分配器 硬件脉冲分配器由门电路及逻辑电路构成,提供符合步进电动机控制指令所需要的顺序脉冲.这种硬件脉冲分配器通常直接包含在步进电动机驱动控制电源内,数控系统通过插补运算,得出每个坐标轴的位移信号,通过输出接口,向步进电动机驱动控制电源定时发出位移脉冲信号和正,反转信号.CNC装置M环形脉冲分配器电源A相驱动B相驱动C相驱动CLKDIRFULL/HALF三相步进电动机驱动装置硬件环分驱动与数控装置的连接图CNC装置M电源A相驱动B相驱动C相驱动ABC三相步进电动机驱动装置软件环分驱动与数控装置的连接图4.2.3.2 4.2.3.2 功率放大器功率放大器 功率放大器是将环行分配器的输出电流进行功率放大,转换为步进电动机的绕组电流.现在多采用恒流斩波,调频调压和细分驱动电路等形式的驱动电路.1.双电压驱动电路 双电压驱动电路供给步进电动机绕组有两种电压.该电路的优点是在较宽的频率范围内有较大的平均电流,能产生较大且稳定的平均转矩,缺点是电流波顶有谷点.2.斩波驱动电路整形控制门高压前置放大低压前置放大输入ReVT2VT1VD1U2LRVD2U1图4-13 斩波驱动电路原理框图电流波形图3.细分驱动电路 如果把额定电流分成n个极分别进行通电,转子就以n个通电极分别所决定的步数来完成原有一个步矩角所转过的角度,使原来的每个脉冲走过一个步矩角,变成了每个脉冲走1/n个步矩角,即把原来一个步矩角细分成n份,从而提高了步进电动机的定位精度,这种控制方法称为步进电动机的细分控制方案.步进电动机细分后,由n微步来完成原来一步矩所转过的角度,所以在步进电动机和机械系统不变的情况下,通过细分驱动可得到更小的脉冲当量,因而提高了定位精度,而且基本消除了步进电动机低速时振动的问题,使电机低速运转平稳,无噪声.在生产实际中行到了广泛的应用.图4-15 三相步进电动机线性规律细分时各相电流时序图4.34.3直流伺服驱动系统直流伺服驱动系统4.3.1 直流伺服电动机工作原理 直流伺服电动机按转子转动惯量的不同,有小惯量,中惯量和大惯量之分.按结构不同,又可分为有槽式,无槽式,印制式,杯式和无刷式等.按励磁方式不同,可分为电磁工和永磁式两种.4.3.1.1 直流伺服电动机的结构 直流伺服电机由磁极,电枢,电刷及换向器等三大部分构成4.3.1.2 直流伺服电动机的工作原理4.4 4.4 交流伺服驱动系统交流伺服驱动系统4.4.1 交流伺服电动机4.4.1.1 4.4.1.1 交流伺服电动机的类型交流伺服电动机的类型 交流伺服电机分为同步伺服电机和异步伺服电机1.同步交流伺服电动机(1)高可靠性,对维护保养要求不高(2)转子转动惯量小,提高了伺服系统的快速性(3)电动机散热性好(4)电动机可高速旋转(5)在相同功率下有较小的重量和体积(6)适用范围更宽2.异步交流伺服电动机 在数控机床应用的的异步交流伺服电动机多为感应交流电动机具有结构简单,价格便宜,过载能力强的优点.主要用于主轴驱动.4.4.1.2 永磁式同步交流伺服电动机工作原理 由定子,转子和检测元件三部分构成.图4-23 永磁式同步交流伺服电动机工作原理n=ns=60f/p断续工作区连续工作区图4-24 同步交流伺服电动机工作曲线应用特点:1.永磁式同步交流伺服电动机在起动时由于惯性作用跟不上旋转磁声,使定子,转子磁声之间转速相差过大,会造成起动困难.为解决这一问题通常采用减小转子惯量或采用多极磁极,也可以低速起动,然后再提高到所要求的速度2.其机械特性比直流伺服电动机的机械特性硬3.可靠性高,工作寿命长,无需维护4.便于安装散热装置5.转子惯量小,其结构允许高速工作6.同轴装有位移检测器4.4.2 交流伺服系统的控制原理4.4.2.1 变频调速 n=n1=60f1/p 调速方式:1)变极 p 有级变速 2)变频变频 f 无级调速无级调速 E1=4.44f1W1mU1 m=KmU1/f1 T=CMI2COS 2 P TNTM =KT I2 M COS2 磁路饱和磁路饱和励磁电流畸变，产生尖峰电流励磁电流畸变，产生尖峰电流 磁通量磁通量磁路饱和电流增大磁路饱和电流增大 磁通量磁通量电机转矩电机转矩TMTM下降下降故要保持故要保持恒定，只要变频又变压恒定，只要变频又变压4.4.2.2 SPWM4.4.2.2 SPWM变频器变频器1.变频器的类型 工业用电的频率是固定的,可以用直接的交交变频或间接的交交-直直-交变频交变频来改变它.M工频电源f1交-交型变频M交直-交电流型变频工频电源f1f0f0M交直-交电压型变频工频电源f1C+f02.SPWM波调制原理 SPWM波调制称正弦波PWM波调制不仅适用于永磁式同步交流伺服电动机也适用于感应式异步交流伺服SPWM采用正弦规律脉宽调制原理,具有功率因数高,输出波形好等优点,因而在交流调速系统中得到广泛应用.(1)单相逆变桥工作原理VT1 VT4ONOFFVT2 VT3OFF ONtt+EtUab-E2.三相逆变桥工作原理(2)三相逆变桥工作原理UVWttt(3)正弦波脉宽调制工作原理4.4.2.3 矢量变换控制的概念矢量变换控制的概念4.5 4.5 主轴驱动主轴驱动4.5.1 主轴驱动的特殊要求 数控机床的主轴驱动与进给驱动判别很大,主要是主轴的驱动控制和定向控制.主轴的驱动控制是指主轴的速度与转向控制;主轴的定向控制是指主轴的角度分度控制或为实现自动换刀而要求主轴能进行高精度准停控制等.主轴驱动有如下特殊要求:1.结构简单2.大功率恒转矩 1:1001:1000恒转矩无级调速和1:10恒功率调速3.主轴准停4.5.2 主轴电动机1.调速范围宽2.输出功率大3.在断续负载下,电动机转速波动小4.加,减速时间短5.电动机温升低6.振动,噪声小7.电动机可靠性高,寿命长,易维护8.体积小,重量轻,与机械装置连接方便9.电动机过载能力强4.5.2.1 直流主轴1.结构特点 采用普通直流电动机的结构,即定子采用励磁方式,由主磁极和换向极组成,转子由电枢绕组和换向器组成2.直流主轴电动机的性能 在基本速度以上为恒功率范围,采用控制励磁的调速方法实现恒功率输出;在基本速度以下为恒转矩范围,通过改变电枢电压来实现恒转矩调速.3.直流主轴控制单元 由速度环和电流环构成双环控制系统控制直流主轴电动机的电枢电压.4.5.2.2 交流主轴1.结构特点 交流主轴电动机采用笼形感应电动机结构模式.由有三相绕组的定子和有笼条的转子构成.在电动机的安装方式上,一般有法兰式和地脚式两种,可根据不同需要选用.交流主轴电动机普通感应电动机 冷却通风孔 无机壳转子为带斜槽的铸铝2.交流主轴电动机的性能200040006000800010000120002468P(KN)1/min连续工作30min工作4.5.3 主轴定向准停4.5.3.1 主轴定向准停的特点 主轴定向准停一般采用电气方式使主轴定向,利用装在主轴上的位置编码器或磁性传感器作为位置反馈元件,由它们输出的信号,使主轴准确停在规定的位置上.1.不需要机械部件2.减少定向时间3.只需要简单的强化连接4.可靠性好5.高的精度和刚度4.5.3.2 4.5.3.2 主轴定向控制方案主轴定向控制方案 主轴定向控制,实质上是在主轴速度控制基础上增加一个位置控制环.1.磁传感器准停2.位置编码器准停3.数控系统准停D/A主轴驱动装置MTGPCK数控系统转速给定测速发电机位置传感器功能切换开关准停位置给定