闭环及半闭环进给伺服系统动解读课件.ppt

1,6.3 闭环及半闭环进给伺服系统动,6.3.1 闭环进给伺服系统的组成及工作原理,这是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。,1闭环进给伺服系统的组成,2,6.3 闭环及半闭环进给伺服系统动,6.3.1 闭环进给伺服系统的组成及工作原理,由CNC插补得到的指令进给位移量F与位置检测反馈的机床移动部件（如工作台）实际位移量Pf进入位置控制模块的比较环节后，可得到位置偏差e（eF-Pf）。位置控制模块除了完成理论位置与反馈的实际位置相比较处，还要完成位置回路的增益调整以及将位置偏差作为指令速度控制命令VCMD发往速度控制单元。而速度控制单元的任务则是根据指令速度控制命令VCMD值的大小，来控制伺服电动机转速的大小。,2闭环进给伺服系统的工作原理,3,6.3闭环及半闭环进给伺服系统动,6.3.2 直流伺服电动机及速度控制单元,电机的结构：（1）定子：产生定子磁极磁场。（2）转子：表面嵌有线圈，通直流电时，在定子磁场作用下产生带负载旋转的电磁转矩。（3）电刷与换向片：为使产生的电磁转矩保持恒定的方向，保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转，将电刷与外加直流电源连接，换向片与电枢线圈连接。,1直流伺服电动机的工作原理,4,（1）永磁式直流电机工作原理直流电压加在A、B两电刷之间，电流从A流入，从B流出，导体ab和cd受到逆时针方向作用力，转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转。当电枢转过90，电枢线圈处于磁极的中性面，电刷与换向片断开，无电磁转矩作用。,在惯性作用下，电枢继续转动一个角度，当电刷与换向片再次接触时，导体ab和cd交换了位置，ab和cd中的电流也发生改变，从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变，因此，电枢可以连续转动。,5,6.3闭环及半闭环进给伺服系统动,6.3.2 直流伺服电动机及速度控制单元,1直流伺服电动机的工作原理,1. 直流伺服电机的类型按电枢的结构和形状分：平滑电枢型、空心电枢型和有槽电枢型等。按定子磁场产生方式分：永磁式和他励式。按转子转动惯量大小分：大惯量、中惯量和小惯量伺服电机。,6,直流电动机的机械特性,Ua电枢电压；Ce反电动势常数；电动机磁通量；n电动机转速；M电动机电磁力矩；CM电磁力矩常数。,当电动机所加电压一定，随着负载力矩M的增大，转速有一定降落，在伺服装置中由于有转速反馈回路，因此这一降落可以得到克服。,6.3.2 直流伺服电动机及速度控制单元,6.3闭环及半闭环进给伺服系统动,7,n （UaIaRa）/CeUa/CeRa M/Ce CM2,调速可有三种方法：1）改变电动机电枢电压Ua。2）改变电动机磁通量。3）改变电枢电路的电阻Ra。 由于后两种调速方法不能满足数控机床对进给伺服系统的要求，实际均采用改变电枢电压Ua来调速的方法。,6.3.2 直流伺服电动机及速度控制单元,6.3闭环及半闭环进给伺服系统动,8,2直流速度控制单元调速控制方式,晶闸管调速系统中，多采用三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主回路，通过对12个晶闸管触发角的控制，达到控制电动机电枢电压的目的。而脉宽调速系统是利用脉宽调制器对大功率晶体管的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的方波电压，加到电动机电枢的两端，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，从而达到控制电动机转速的目的。,6.3.2 直流伺服电动机及速度控制单元,6.3闭环及半闭环进给伺服系统动,9,（1） 晶闸管直流调速系统三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路。两组正负对接的晶闸管，一组用于提供正向电压，供电机正转。一组提供反向电压，供电机反转。,10,双环调度系统,速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的PI调节器。速度环起主导作用，电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流。,11,（2） 晶体管脉宽调制（PWM）直流调速系统 PWM系统的组成及工作原理脉宽调制：使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出，从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲。脉宽连续变化，使得电枢电压平均值连续变化，从而导致电机转速连续变化。,12,2. 脉宽调制器,13,2直流速度控制单元调速控制方式,二者的区别： 可控硅是直接对交流电进行控制； PWM是先将交流整流成稳定的直流电压，再对直流电压进行开关控制，PWM由于频率高，所以电流脉动小。 中小功率的伺服驱动装置中，大多采用性能优异的PWM，而在大功率场合中，则采用SCR。,6.3闭环及半闭环进给伺服系统动,6.3.2 直流伺服电动机及速度控制单元,14,6.3.3 交流伺服电动机及速度控制单元,直流电动机却存在一些故有的缺点： 1）直流电动机的电刷和换向器易磨损，需要经常维护。2）直流电动机的换向器换向时会产生火花，使电动机的最高转速受到限制，也使应用环境受到限制。3）直流电动机的结构复杂，制造困难，所用铜材料消耗大，制造成本高。,6.3闭环及半闭环进给伺服系统动,15,交流伺服电机的类型永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机共同点：工作原理均由定子绕组产生旋转磁场使得转子跟随定子旋转磁场一起运转。不同点：永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系，即电机的转速等于旋转磁场的同步转速；而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩，因此，电机的转速低于磁场同步转速，负载越大，转速差越大。,16,6.3.3 交流伺服电动机及速度控制单元,1、结构：交流伺服电机也可称为同步电机,交流伺服电机的结构,1电机轴 2.前端盖 3.三相绕组线圈 4.压板 5.定子 6.磁钢 7.后压板 8.动力线接头 9.后端盖 10.反馈插头 11.脉冲编码器 12.电机后壳,6.3闭环及半闭环进给伺服系统动,17,6.3.3 交流伺服电动机及速度控制单元,2、永磁式交流同步伺服电动机工作原理,1）给定子通过三相交流电流，由定子产生旋转磁场2）转子磁场和定子的磁场相吸引，在旋转磁场的带动下产生旋转。3）通过转子位置的检测，系统保证旋转过程同步。,6.3闭环及半闭环进给伺服系统动,18,6.3.3 交流伺服电动机及速度控制单元,2、永磁式交流同步伺服电动机工作原理,交流异步电机的转速表达式为：,式中 f1定子电源频率（Hz）； p磁极对数； s转差率。,调速方法有变转差率、变极对数及变频三种。靠改变转差率对异步电机进行调速时，低速时转差率大，转差损耗功率也大，效率低。变极调速只能产生二种或三种转速，不可能做成无级调速，应用范围较窄。变频器调速是从高速到低速都可以保持有限的转差率，故它具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，可以认为是一种理想的调速方法。,6.3闭环及半闭环进给伺服系统动,19,6.3.3 交流伺服电动机及速度控制单元,3、永磁式同步交流伺服电动机的速度控制单元, 交流伺服电机调速方法：按其工作原理、驱动电流波形的控制方式不同，又可分为：矩形波电流驱动的永磁交流伺服系统和正弦波电流驱动的永磁交流伺服系统。前者的永磁交流伺服电动机也称为无刷直流伺服电动机，后者的也称为无刷交流伺服电动机。从发展趋势看，正弦波（SPWM ）驱动将成为主流。,6.3闭环及半闭环进给伺服系统动,20,SPWM变频调速系统速度给定器：给定信号，控制频率、电压及正反转。平稳启动回路：使启动加、减速时间可随机械负载设定，以达到软启动的目的。函数发生器：在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定，补偿定子电压降的影响。,21,电压频率变压器：将电压转换为频率，经分频器、环形计数器产生方波，和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路。电压调节器：产生频率和幅度可调的控制正弦波，送入调制回路，送入调制回路，在调制回路中进行SPWM变换，产生三相的脉冲宽度调制信号。在基极回路中输出信号至功率晶体管基极，即对SPWM的主回路进行控制，实现对永磁交流伺服电机的变频调速。电流检测器：过载保护。,22,6.3.4 直线电动机在数控机床进给驱动中的应用,目前，由“旋转伺服电动机滚珠丝杠”构成的传统直线运动进给方式已很难适应高速、高精的要求。,结构：1导轨；2次级；3初级； 4检测系统,6.3闭环及半闭环进给伺服系统动,23,6.3.4 直线电动机在数控机床进给驱动中的应用,1、直线电动机工作原理,直线电动机的工作原理与旋转电动机相比，并没有本质的区别，就是将旋转电动机的转子、定子以及气隙分别沿轴线剖开，展成平面状，使电能直接转换成直线机械运动。对应于旋转电动机的定子部分，称为直线电动机的初级。对应于旋转电动机的转子部分，称为直线电动机的次级。,6.3闭环及半闭环进给伺服系统动,24,6.3.4 直线电动机在数控机床进给驱动中的应用,1、直线电动机工作原理,直线电机的分类：分为交流和直流两种，交流直线电机又分为感应异步式和永 磁同步式。,6.3闭环及半闭环进给伺服系统动,25,6.3.4 直线电动机在数控机床进给驱动中的应用,2、使用直线电动机的高速机床系统的特点,1）速度高，可达60200m/min。2）惯性小，加速度特性好，可达12g，易于高速精定位。3）直线伺服电动机没有机械滞后或齿节周期误差，精度完全取决于反馈系统的检测精度。4）直线电动机上装配全数字伺服系统，可以达到极好的伺服性能。,6.3闭环及半闭环进给伺服系统动,26,6.3.4 直线电动机在数控机床进给驱动中的应用,2、使用直线电动机的高速机床系统的特点:(续),5）无中间传动环节，不存在摩擦磨损、反向间隙等问题，可靠性高，寿命长。6）直线电动机系统在动力传动中由于没有低效率的中介传动部件而能达到高效率，可获得很好的动态刚度。7）行程长度不受限制，并可在一个行程全长上安装使用多个工作台。8）由于直线电动机的动件（初级）已和机床的工作台合二为一，因此，和滚珠丝杠进给单元不同，直线电动机进给单元只能采用全闭环控制系统。,6.3闭环及半闭环进给伺服系统动,27,6.3.4 直线电动机在数控机床进给驱动中的应用,3、直线电动机在机床上的应用也存在一些问题,1）由于没有机械联接或啮合，因此垂直轴需要外加一个平衡块或制动器。2）当负荷变化大时，需要重新整定系统。目前，大多数现代控制装置具有自动整定功能，因此能快速调机。3）磁铁（或线圈）对电动机部件的吸力很大，因此应注意选择导轨和设计滑架结构，并注意解决磁铁吸引金属颗粒的问题。,6.3闭环及半闭环进给伺服系统动,28,6.3.5 主轴驱动简介,机床主轴驱动和进给驱动有很大差别。,6.3闭环及半闭环进给伺服系统动,主传动电动机应有2.2150kW的功率范围，控机床主驱动系统要求在1:1001:1000范围内进行恒转矩和1:10的恒功率调速，而且要求在主轴的两个转向中任一方向都可进行传动和加减速，即要求有4象限的驱动能力。,29,6.3.5 主轴驱动简介,机床主轴驱动和进给驱动有很大差别。（续）,6.3闭环及半闭环进给伺服系统动,直流主轴驱动系统，但由于直流电动机的换向限制，大多数系统恒功率调速范围都非常小。因此，它成了主轴直流电气传动的一个大问题。到了20世纪70年代末、80年代初开始采用交流驱动系统，现在国际上新生产的数控机床绝大部分采用交流主轴驱动系统。 交流电主轴电动机是一种具有笼式转子的三相感应电动机，也称为三相异步电动机。,30,6.3.5 主轴驱动简介,机床主轴驱动和进给驱动有很大差别。,6.3闭环及半闭环进给伺服系统动,主轴电动机可以作为进给电动机在大约0.01300r/min的低速范围内工作，实现进给坐标控制，这称为C轴控制。,旋转磁场的转速称为同步转速，n+60f1/p 转差率s如下s（n1-n2）/n1 。 转子的转速n2n1（1-s）60f1（1-s）/p目前大多数数控机床的交流主轴控制采用矢量控制。,