数控技术CNC6数控机床的伺服系统.ppt

第六章 数控机床的伺服系统,学习目的与要求第一节 概述第二节 进给驱动第三节 主轴驱动第四节 检测元件第五节 位置控制系统小结,第六章 数控机床的伺服系统,学习目的与要求：学习和掌握数控机床伺服系统的概念、进给驱动、主轴驱动、检测元件和 位置控制系统等知识和概念。,第一节 概述,一、伺服的基本概念 二、常用伺服执行元件 三、伺服控制系统分类,第一节 概述,一、伺服的基本概念.伺服系统的概念伺服系统：是以机械位置或角度作为控制量的自动控制系统。在数控机床中，CNC控制器经过插补运算生成的进给脉冲或进给位移量指令输入到伺服系统，由伺服系统经变换和功率放大转化为机床机械部件的高精度运动。伺服系统既是数控机床控制器与刀具、主轴间的信息传递环节，又是能量放大与传递的环节，它的性能在很大程度上决定了数控机床的性能，如：最高移动速度、运动精度和定位精度等。早期数控机床，尤其是大中型数控机床常采用电液伺服系统驱动。它由电液脉冲马达构成开环驱动系统。八十年代起全电气伺服系统成为数控机床的主要驱动器。电气伺服系统是指以各种伺服电动机作为驱动元件的伺服系统。,第一节 概述,一、伺服的基本概念.伺服系统的基本技术要求（1）精度高伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。作为数控加工，对定位精度和轮廓加工精度要求都比较高，定位精度一般为0.010.001mm，甚至0.1um。轮廓加工精度与速度控制和联动坐标的协调一致控制有关。对静态、动态精度要求都比较高。（2）稳定性好稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。对伺服系统要求有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。（3）快速响应快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。一方面要求过渡过程时间要短（200ms以内或更小），另一方面要求超调要小。两者互相矛盾，要合理选择。,第一节 概述,一、伺服的基本概念.伺服系统的基本技术要求（4）调速范围宽调速范围RN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（nmax和nmin指额定负载时的转速）1）进给伺服系统的调速要求调速范围与伺服系统的分辨率有关。调速范围要求在脉冲当量为0.001mm时达到024m/min就够了。分以下几种状态：在124000mm/min范围，即1:24000调速范围内，要求速度均匀、稳定、无爬行、速降小。在1mm/min以下时，具有一定的瞬时速度，而平均速度很低。在零速时，即工作台停止运动时，要求电机有电磁转矩，以维持定位精度，也就是说，处于伺服锁定状态。2）主轴调速范围要求主轴主要考虑速度控制，一般在1:1001000范围内为恒转矩调速，1:10以上为恒功率调速，要有足够大的输出功率。,第一节 概述,一、伺服的基本概念.伺服系统的基本技术要求（5）低速大转矩机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制；而主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，在高速时为恒功率控制。,第一节 概述,一、伺服的基本概念.电气伺服系统的控制结构图61是典型的电气伺服系统框图。伺服系统为三闭环控制：电枢电流闭环、速度闭环和位置闭环。电流反馈：采用取样电阻、霍尔集成电路传感器等。速度反馈：采用测速发电机、光电编码器、旋转变压器等。位置反馈：采用光电编码器、旋转变压器、光栅等。一般的电气伺服产品中主要包括电流闭环和速度闭环控制，而位置环则由CNC装置中的计算机进行控制。,第一节 概述,一、伺服的基本概念.电气伺服系统的控制结构从器件上来说，电气伺服系统包括：执行部件（例如交、直流伺服电动机及速度检测元件）伺服驱动器（速度、电流控制单元，功率放大器等）CNC中的位置控制器三部分。数控机床的伺服驱动系统主要有两种：进给驱动系统：控制机床各坐标轴的切削进给运动，主轴驱动系统：控制机床主轴的旋转运动。它们的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和准确的位置控制。,第一节 概述,二、常用伺服执行元件常用的伺服执行元件主要有直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机和直接驱动电动机。对伺服电动机的要求:运转平稳：电动机进给速度范围内能平滑运转，转矩波动小,低速（0.1r/min以下时）无爬行。承载能力强：电动机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。比如，电动机能在数分钟内过载46倍而不损坏。响应速度快：根据控制信号的变化，电动机应能在较短时间内完成必须的动作。电动机应具有较小的转动惯量和大的堵转转矩，尽可能小的电动机时间常数和起动电压。有4000rad/s2以上的加速度，才能保证电动机在0.2s以内从静止起动到1500r/min。能频繁起停及正反转：电动机应能承受频繁的起动、制动和反转。,第一节 概述,二、常用伺服执行元件1、步进电动机步进电动机可分为三种：（1）反应式步进电动机（VR）反应式步进电动机又叫做可变磁阻式（Variable Reluctance）步进电动机。反应式步进电动机结构较简单，它的定子上有三对磁极，每一对磁极上绕着一相绕组，三相绕组接成星形；转子铁心及定子极靴上均有小齿，定转子齿距通常相等；定转子间有很小的气隙；转子铁心上没有绕组，转子齿数有限制，图中所示的转子齿数为Zr=40，每一个齿距对应的空间角度为360/40=9。反应式步进电动机可以做成不同的相数，例如4、5、6、8相等均可以，其基本的工作原理同三相时相同。,第一节 概述,二、常用伺服执行元件1、步进电动机（1）反应式步进电动机（VR）反应式步进电动机的特点：步矩角小，因为反应式步进电动机定转子是采用软磁材料做成的，在机械加工所能允许的最小步矩情况下，转子的齿数可以做得很多。励磁电流较大，要求驱动电源功率较大。电动机的内部阻尼较小，当相数较少时，单部运行振荡时间较长。断电后无定位转矩。,第一节 概述,二、常用伺服执行元件1、步进电动机（2）永磁式步进电动机（PM）永磁式（Permanent Magnet)步进电动机是转子或定子的某一方具有永久磁钢的步进电动机，另一方是由软磁材料制成。绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩。结构原理如图所示。定子上为两相或多相绕组，转子为一极或多对极的星形磁钢，转子磁钢的级数与定子（每相）绕组的极数相同。从图中不难看出，当定子绕组按ABA的次序轮流通电时，转子将按顺时针的方向，每改变一次通电状态转过45空间角度，即步矩角为45。,第一节 概述,二、常用伺服执行元件1、步进电动机（2）永磁式步进电动机（PM）永磁式步进电动机的特点：步矩角大，一般为15、22.5、30、45、90等。这是因为在一个圆周上能形成的磁极数受到极弧尺寸的限制，所以永磁式步进电动机的步矩角不能太小，5以下的很少见。控制功率小，效率高。内阻尼较大，单步振荡时间短。断电后具有一定的定位转矩。,第一节 概述,二、常用伺服执行元件1、步进电动机（3）永磁感应子式步进电动机从磁路内含有永久磁钢这点看，可以说它是永磁式步进电动机，但因其结构的不同，使其作用原理以及性能方面，都与永磁式步进电动机有明显的区别。从定子或转子的导磁性来看，又如反应式步进电动机，它好象是反应式和永磁式步进电动机的结合。所以常称此类电动机为混合式（hybrid)步进电动机。永磁感应子式步进电动机可以做成像反应式步进电动机一样的小步矩，也具有永磁式步进电动机控制功率小的优点。永磁感应子式步进电动机常常也作为低速同步电动机运行。永磁感应子式步进电动机代表了步进电动机的最新发展。,第一节 概述,二、常用伺服执行元件1、步进电动机（3）永磁感应子式步进电动机电动机定子结构与反应式步进电动机基本相同，即分成若干极，极上有小齿及控制线圈。转子由环形磁钢及两段铁心组成，环形磁钢在转子的中部，轴向充磁，两段铁心分别装在磁钢的两端，转子铁心上也有小齿，但两段铁心上的小齿相互错开半个齿距，定转子小齿的齿距相同。,第一节 概述,二、常用伺服执行元件2、直流伺服电动机：（1）永磁式直流伺服电动机是指以永磁材料获得励磁磁场的一类直流电动机。也叫大惯量宽调速直流伺服电动机。优点：体积小、转矩大、转矩和电流成正比、伺服性能好、反应迅速、功率体积比大、功率质量比大、稳定性好等。永磁式直流电动机能在较大过载转矩下长时间工作。它的转子惯量较大，可以直接与丝杠相连而不需中间传动装置。缺点：需要电刷，限制了电动机转速的提高，一般转速为10001500r/min。在7080年代，永磁直流电动机的结构同一般直流电动机相似，但电枢铁心长度对直径的比大些，气隙较小，在相同功率的情况下，转子惯量较小。,第一节 概述,二、常用伺服执行元件2、直流伺服电动机：（）小惯量直流电动机转动惯量较小，适合要求快速响应的伺服系统，但过载能力低。无槽电枢电动机。励磁方式为电磁式或永磁式，其电枢铁心为光滑圆柱体，电枢绕组是用耐热环氧树脂固定在圆柱体铁心表面，气隙大。其转动惯量小，机电时间常数小，换向良好，一般用于需要快速动作，功率较大的伺服系统。空心杯电枢电动机。励磁方式采用永磁式，其电枢绕组用环氧树脂浇注成杯形，空心杯电枢内外两侧均有铁心构成磁路。用于如机器人的腕、臂关节及其他高精度伺服系统中作伺服电动机。印制绕组电动机。励磁方式采用永磁式，在圆形绝缘薄板上，印制裸露的绕组构成电枢，磁极轴向安装，具有扇面极靴。电动机换向性好，旋转平稳，机电时间常数小，具有快速响应特性，低速运转性能好，能承受频繁的可逆运转，适应于低速和起动、反转频繁的电气伺服系统，如机器人关节控制。,第一节 概述,二、常用伺服执行元件3、交流伺服电动机交流伺服电动机无需电刷，转子惯量小，动态响应好。在相同体积下，交流伺服电动机的输出功率比直流伺服电动机提高10%70%。从80年代后期，交流伺服电动机占主要地位。（1）永磁同步交流伺服电动机组成：由永磁同步电动机、转子位置传感器、速度传感器组成。特点：用转子位置传感器取代了直流电动机整流子和电刷的机械换向，因此无此项维护要求，使用：无机械换向电火花，能用在腐蚀性、易燃易爆气体的环境。（2）感应式异步交流伺服电动机异步交流伺服电动机采用感应式电动机，它的笼型转子结构简单、坚固，价格便宜，过载能力强。但与同步交流伺服电动机相比，其效率低、体积大，转子有较明显的损耗和发热，且需要供给无功励磁电流，从而要求驱动功率大。最困难的是控制系统非常复杂。,第一节 概述,二、常用伺服执行元件4、直接驱动电动机直接驱动（DD）电动机是电动机与负载直接连接，结构简洁，是机电一体化产品的最新成果。具有很高的伺服刚度和传输效率，快速的动态响应和精确的定位精度。具有以下特性：DD方式无减速装置，DD电动机应有大的输出转矩和低的转速。在DD方式中，电动机的转矩脉动将直接传输到负载上，产生不希望的振动，同时导致可控性降低。所以，一般应将DD电动机的转矩脉动抑制在输出转矩的510以内。DD方式无减速机构，系统具有非常低的机械阻尼，控制系统的阻尼性变坏。因此，必须在控制环路中加入阻尼措施。由于增大了DD电动机的转矩，它们一般具有较大的电感，使电动机的电气时间常数变大，容易引起不稳定。为了补偿，电动机的功率放大器必须具有快速的动态响应来克服电动机的阻抗影响。,第一节 概述,二、常用伺服执行元件4、直接驱动电动机由于DD方式没有减速机构，DD电动机的控制系统必须具有很高的增益，但增益的加大可能导致系统不稳定。在DD方式下，负载对电动机的干扰力明显加大，系统呈现出多变量非线性强耦合特性，从而使控制系统的设计复杂化。在DD方式下，负载的质量必须全由电动机来承受，从而导致连续负载下，电动机及驱动器发热严重。DD方式中的位置检测和速度检测元件必须具有非常高的分辨率和精度。由于需要DD电动机具有较大的转矩，所以它的体积一般较大。这在直接驱动应用最多的机器人上受到限制。所以，在设计上必须提高DD电动机的转矩质量比。,第一节 概述,三、伺服控制系统分类.按控制方式分类位置控制系统分为开环、半闭环和闭环三种。开环控制不需要位置检测及反馈，半闭环、闭环控制需要位置检测及反馈。开环控制系统常用步进电动机作为执行机构。数控装置根据所要求的进给速度和进给位移，输出一定频率和数量的进给脉冲，经过驱动电路放大后，每一个进给脉冲驱动步进电动机旋转一个步矩角，再经过传动系统转换成工作台的一个当量位移。步进电动机功率不能太大，转速不能太高，正常工作转速不超过1000r/min，精度较低。但开环控制系统结构简单、运行平稳、成本低、使用维护方便，被广泛应用于经济型数控机床上（见图）。,第一节 概述,三、伺服控制系统分类.按控制方式分类闭环和半闭环系统具有位置和速度检测元件，数控装置将位移指令与实测位置比较，其差值与指令速度按一定的关系转换为数控伺服系统的速度指令。同时，速度检测元件将测得的实际速度与该速度指令比较，校正电动机的转速。利用位置和速度的双回路控制，比开环控制系统精度更高、响应速度更快、驱动功率更大。,第一节 概述,三、伺服控制系统分类.按控制方式分类闭环控制系统采用直线位置检测元件，测量移动部件的直线位移。半闭环控制系统采用角位移检测元件，测量电动机或丝杠的角位移来间接地检测移动部件的直线位移。角位移和直线位移之间多了一个机械传动环节，因而半闭环控制系统比闭环控制系统精度低，但角位移检测元件比直线位置检测元件结构简单、安装方便、稳定性好、价格便宜，所以应用非常广泛。图65是闭环控制系统和半闭环控制系统示意图。,第一节 概述,三、伺服控制系统分类.按所驱动的伺服电动机分类（分三种)（1）步进电动机伺服控制步进电动机不能直接接到交流电源上工作，必须使用步进电动机驱动器。步进电动机驱动器由环形分配器、功率放大器等电路组成，数控装置发出脉冲信号通过环形分配器形成一定顺序的脉冲，例如CCAAABBBCC这些脉冲经过功率放大后加到步进电动机的各相绕组上，数控装置每输出一个脉冲步进电动机就转动一个步矩角。,第一节 概述,三、伺服控制系统分类.按所驱动的伺服电动机分类（分三种)（2）直流伺服系统采用直流伺服驱动器将交流电转变为可控的直流电驱动直流伺服电动机。速度控制单元接受转速指令信号，改变相应的直流伺服电动机电枢电压，达到调速的目的。常用的直流伺服驱动器：采用晶闸管（SCR-Semiconductor control rectifier）调速系统晶体管脉宽调制（PWM-Pulse width modulation）调速系统。,第一节 概述,三、伺服控制系统分类.按所驱动的伺服电动机分类（3）交流伺服系统采用改变交流伺服电动机的供电频率的方法来达到电动机调速的目的。永磁同步交流伺服电动机，由于其转速和电源频率保持同步关系，所以只要控制电源的频率即可控制电动机速度。感应式异步交流伺服电动机是基于定子绕组的旋转磁场在鼠笼式转子短路绕组中感应出电流，再由此电流产生的磁场与定子绕组的旋转磁场产生旋转磁力而工作的。因此，速度和扭矩不能像直流电动机那样可独立控制，需通过解耦才能有理想的控制性能，所以控制难度较大，现在主要采用矢量控制原理。,第一节 概述,三、伺服控制系统分类.按进给驱动和主轴驱动分类（1）进给伺服系统进给伺服系统是指一般意义的伺服系统，它包括速度控制和位置控制。进给伺服系统要完成坐标轴的定位和轮廓跟踪功能，是数控机床中要求最高的伺服系统。（2）主轴伺服系统一般的主轴驱动只是一个速度控制系统，主要实现主轴的无级调速和满足功率与扭矩的输出。对它的精度和快速响应要求也没有进给伺服系统高。但现在许多要求较高的数控机床的主轴也具有位置控制环节，也能作为旋转坐标轴高精度的完成定位和轮廓跟踪功能。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元 二、交流伺服电动机速度控制单元,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元1.直流电动机的调速方法与性能（1）永磁直流伺服电动机的工作原理和性能永磁直流伺服电动机的特性需要用数据表和特性曲线来描述，使用时要查询这些表和特性曲线。性能特点如下：低转速大惯量。电动机具有较大的惯量，可以和机床丝杠直接相连，省掉减速机构，一般将电动机的额定转速设计得较低。转矩大。电动机输出转矩大，特别是低速时，可满足低速大吃刀量切削。根据电动机原理，电磁转矩符合下式：式中 TM电磁转矩；P极对数；N电枢绕组的导体数；a并联支路的对数；磁极磁通量；Ia电枢电流。根据上式提高转矩的措施有：选用铝镍钴合金或陶瓷铁氧体等高导磁的磁性材料；增加极对数和N值；使a=1等。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元1.直流电动机的调速方法与性能（1）永磁直流伺服电动机的工作原理和性能起动转矩大。为了获得大的起动转矩，还提高了最大允许电流的过载倍数。起动时，加速电流允许为额定电流的10倍，因而使得转矩/惯性比大，快速性好。低速运行平稳且转矩波动小。该种电动机转子的槽数增多，并采用斜槽，使低速运行平稳，能在0.1r/min运行。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元1.直流电动机的调速方法与性能（1）永磁直流伺服电动机的工作原理和性能电动机的特性曲线（两个）：转矩-速度特性曲线。又叫做工作曲线（图6-6）。电动机的工作区域被温度极限线、转速极限线、换向极限线、转矩极限线以及瞬时换向极限线分成三个区域：区为连续工作区，在该区域内可以对转矩和转速作任意组合，可长期连续工作。区为断续工作区，根据负载周期曲线（见图6-7）所决定的工作和断电时间做间歇工作。区为加速和减速区域，电动机只能作加速和减速，工作一段极短的时间。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元1.直流电动机的调速方法与性能（1）永磁直流伺服电动机的工作原理和性能负载-工作周期曲线。该曲线见图6-7。负载-工作周期曲线给出了在满足机械所需转矩，而又确保电动机不过热的情况下，允许电动机的工作时间。曲线的使用方法：先根据实际负载转矩的要求，求出电动机在该时的过载倍数：Tmd=负载转矩/连续额定转矩在负载-工作周期曲线的水平轴线上找到实际机械所需要的工作时间，并从该点向上作垂线，与所要求的那条曲线相交。再从该点作水平线，与纵轴相交的点即为允许的负载工作周期比：d=tR/(tR+tF)式中:tR电动机工作时间；tF电动机断电时间。最后可求出最短断电时间：tF=tR(1/d-1),第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元1.直流电动机的调速方法与性能（1）永磁直流伺服电动机的工作原理和性能常用电动机数据表中的参数定义：连续额定电流IN。是指电动机在全封闭下，转子处于堵转时连续流过电枢的电流均方根值。连续额定转矩TN。是指在流经I电流时的电动机堵转转矩。允许最大电流Im。该电流值是指不使永磁体去磁的最大峰值电流。一旦超过此电流，即使只有几个脉冲，也将使磁体产生不可逆的去磁。一定要限制电动机的峰值电流在允许的范围之内。反电势常数Ke。它反应永磁磁场强度。当电动机转子在磁场中被其他机械拖动，并按规定速度转动时电枢所产生的电压值。反电势常数的单位为Vs/rad或Vmin/r：1Vmin/r=9.55Vs/rad机械时间常数tm。它是电动机转速上升初始变化率的函数。通常定义为当电动机施加一个阶跃电压，电动机转速达到稳定值的63.2%时所需的时间。根据下式求得：tm=JmRm/KtKe,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元1.直流电动机的调速方法与性能（2）直流电动机的调速方法与性能调速方法以他励直流电动机为例。电路原理图见图6-8。电枢电路的电势平衡方程式为：Ua=Ea+IaRa感应电势为：Ea=Cen得电动机转速特性：（6-1）式中 n-电动机转速（r/min);Ua-电动机电枢回路外加电压（V）；Ra-电枢回路电阻（）；Ia-电枢回路电流（A）；Ce-反电势系数；-气隙磁通量（Wb）；Ke-反电势常数（Vs/rad)。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元1.直流电动机的调速方法与性能（2）直流电动机的调速方法与性能而电动机的电磁转矩：T=CTIa（6-2）由式（6-1）和式（6-2）可得机械特性方程式：（6-3）式中 CT转矩系数。从式（6-3）可见，改变电枢电压和改变励磁磁通是调节直流电动机转速的两种主要方法。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元（2）直流电动机的调速方法与性能1）改变电枢电压调速 特点如下：从额定电压往下降低电枢电压，即从 额定转速向下调速。属恒转矩调速。机械特性。在式(6-2)中设KT=CT则当为恒定的额定磁通时，KT为常数，可得：式中n0理想空载转速；n转速降落。调压调速时只改变理想空载转速n0，机械特性是一组斜率不变的平行直线，特性较硬，见图a，图中UN为额定电压值。调速范围广。电枢电路电磁时间常数较小，转矩可以快速响应。需要大容量可调电源装置。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元（2）直流电动机的调速方法与性能2）改变励磁磁通调速 特点如下：减弱磁通，从额定转速向上调速。属恒功率调速方法。机械特性。从式（6-3）中可看出，它是一组不同理想空载转速下不同斜率的直线，特性较软见图，图中为额定磁通。励磁回路电磁时间常数较大，励磁电流变化时遇到的延缓作用比电枢电流遇到的要大一个数量级，转矩响应慢。受直流电动机允许的最高转速的限制，普通电动机弱磁调速范围最多达到额定转速的2倍，特殊制造的电动机或额定转速较低的弱磁调速电动机，才能提高34倍。所需电源装置容量小。第一种调速方法较适合数控机床进给驱动的要求。永磁直流伺服电动机在进给伺服系统中，直流速度控制单元的作用是将转速指令信号（多为电压值）转化为相应的电枢电压值。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元直流调速单元多采用晶闸管调速系统和晶体管脉宽调制调速系统。2.晶闸管直流调速系统（1）系统的组成图6-10为晶闸管直流调速系统。该系统由内环-电流环，外环-速度环和晶闸管整流放大器等组成。内环-电流环的作用：由电流调节器对电枢回路的引起滞后作用的某些时间常数进行补偿，使动态电流按所需的规律变化，来自速度调节器的输出为电流参考值。电流的反馈值，由电流传感器取自晶闸管整流的主回路，即电动机的电枢回路。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元2.晶闸管直流调速系统（1）系统的组成外环-速度环的作用：用速度调节器对电动机的速度误差进行调节，以实现所要求的动态特性。常用比例-积分调节器。速度指令信号一般取010V直流，正负极性对应于电动机的转动方向。速度反馈的测量元件：测速发电机；光电编码器。他们可直接装在电动机轴上，其输出电压的大小反映了速度大小。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元2.晶闸管直流调速系统（1）系统的组成功率放大：由可控硅功率放大器完成。放大器作用：整流、功率放大。在可逆控制电路中，电动机制动时把电动机运转的惯性能转变为电能，并回馈给交流电网。为了对晶闸管功率放大器进行控制，必须有脉冲触发器产生合适的触发脉冲。该脉冲必须与供电电源频率及相位同步，以保证晶闸管的正确触发。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元2.晶闸管直流调速系统（2）主回路工作原理数控机床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。图6-11为一个具有二组（和）三相全控桥式电路。每组按三相桥式连结，两组反并联，分别实现正转和反转。每组晶闸管有两种工作状态：整流和逆变。一组处于整流工作时，另一组处于待逆变状态。在电动机降速时，逆变组工作。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元2.晶闸管直流调速系统（2）主回路工作原理在这种电路中，需要共阴极组中一个晶闸管和共阳极组中一个晶闸管同时导通才能构成通路。共阴极组在电压的正半周内导通，顺序是1，3，5；共阳极组在电压的负半周内导通，顺序为2，4，6。共阴极组内或共阳极组内晶闸管的脉冲之间的相位是120，在每组内两个晶闸管的触发脉冲之间的相位是180，按管号排列顺序为1-2-3-4-5-6，相邻触发脉冲之间的相位差60。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元2.晶闸管直流调速系统（2）主回路工作原理三相全控桥的工作波形见图6-12。由图可见，只要改变控制角（也称触发角）就可改变输出电压，达到调节直流电动机速度的目的。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元2.晶闸管直流调速系统（3）晶闸管速度控制单元虽然改变触发角达到调速目的，但调速范围很小，机械特性很软，这是一种开环方法。为此，现在都采用带有测速反馈的闭环方案。闭环调速范围为：Rb=(1+Ka)Rk式中 Rb闭环调速范围；Rk开环调速范围；Ks开环放大倍数。为了提高调速特性硬度，又增加了一个电流反馈环节。图6-10为一典型的双闭环调速系统，图中主要部件的构成及作用如下：,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元2.晶闸管直流调速系统（3）晶闸管速度控制单元1）比较和放大环节 图6-13为一种比较放大电路。速度指令电压和速度反馈电压分别经过阻容滤波后，在放大器Q1的输入端进行比较，得到误差信号，经Q1放大后可得到放大后的误差信号。图6-13中V1和V2为差模保护二极管，R5用来调节反馈信号的大小，以达到与指令电压匹配，防止差模超过放大器允许的范围。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元2.晶闸管直流调速系统（3）晶闸管速度控制单元2）速度调节器 速度调节器经常采用比例-积分调节器（即PI调节器），如图6-14a所示。采用PI调节器的目的是为了获得满意的静态和动态的调速特性。当在速度调节器的输入端，突加给定电压时，由于电容C两端电压不能突变，故在开始瞬间，电容C两端相当于短路。电路变成了比例放大器，此时，放大倍数为Kp=R3/R1。所以，立即起调节作用。由于负反馈很强，使放大器放大倍数下降，从而又使调节过程变得缓慢而稳定。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元2.晶闸管直流调速系统（3）晶闸管速度控制单元2）速度调节器此后，随电容被充电，反馈电压减小，使放大倍数开始增大。因此u2也逐渐增加。最后，电容C被充电到最高电压K0u1（其中K0为运算放大器Q2的开环放大倍数）达到稳定，电容C相当于开路，放大器不再有负反馈，极大的开环放大倍数，使系统基本达到无静差，以保证有足够高的控制精度。可见PI调节器相当于一个放大倍数可以自动调节的放大器，动态时低而静态时高，合理地解决了速度调节系统的稳定性与精度之间的矛盾。输出电压u2变化的关系见图6-14b。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元2.晶闸管直流调速系统（3）晶闸管速度控制单元3)电流调节器 它由比例放大器组成，如图6-15所示。其中u1为电流给定信号值，u4为电流反馈信号值。采用电流调节器的目的是为了减小系统在大电流下的开环放大倍数，加快电流环的响应速度，缩短起动过程，同时减小低速轻载时由于电流断续对系统平稳性的影响。u2和u3分别为“颤动”型号和“颤动偏移”控制信号。4)颤动和颤动偏移控制信号 颤动信号(图6-15中的u2)以及与电动机转速成正比的颤动偏移控制信号(图6-15中的u3)一起被引入到电流调节器的输入端，可以减小晶闸管整流电路的死区非线性，使伺服电动机在静止状态呈颤动状态，从而提高了系统跟踪的灵敏度。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元2.晶闸管直流调速系统（3）晶闸管速度控制单元5）移相触发器 晶闸管的移相触发电路有多种，如电阻-电容桥式移相电路，磁性触发器、单结晶体管触发电路等。图6-16为正弦波同步的锯齿波触发电路原理图。它由同步电路、移相控制电路和脉冲分配三部分组成。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元2.晶闸管直流调速系统（3）晶闸管速度控制单元5）移相触发器 电路各点波形见图6-17所示。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元2.晶闸管直流调速系统（3）晶闸管速度控制单元5）移相触发器 电路采用了双脉冲触发方式，共需6个触发脉冲，分别为u1，u2，u3，u4，u5，u6，它们的相序按顺序相差60。若SCR1晶闸管的控制极用1GK表示，则该触发脉冲1GK=u1+u2。同理2GK=u2+u3，3GK=u3+u4，4GK=u4+u5，5GK=u5+u6，6GK=u6+u1。实际的脉冲分配器中，都是通过脉冲变压器去触发晶闸管的。6）换向控制和可逆控制 伺服电动机必须有正反转功能，故晶闸管需组成可逆驱动系统。可逆驱动系统分有环流和无环流两大类。有环流系统的特点是动态性能好，反应迅速，但投资大，需要庞大的限流电抗器等。无环流系统没有换向和限流电抗，主回路简单，但有切换死区，反应稍微迟缓。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元2.晶闸管直流调速系统（3）晶闸管速度控制单元 图6-10中的SCR整流桥采用了图6-11的三桥式反并联整流电路，从而构成了一个逻辑无环流系统。两组晶闸管的切换由一套逻辑装置控制。实际速度控制单元中为了保证系统安全可靠的工作，还包括短路保护、过载保护、限制最大动、静态电流和失控保护等电路。根据图6-10，直流晶闸管调速系统的工作原理可简述如下：当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器的输入端，放大器的输出电压随之加大，使触发器的触发脉冲前移（即减小角），整个输出电压提高，电动机转速上升。同时测速发动机就以要求的较高转速稳定运转。如果系统受到外界干扰，如负载增加时，转速就要下降，速度调节器的输入偏差信号增大，即放大器输出电压增加，触发脉冲前移，从而使电动机转速上升至恢复到外界干扰前的转速值。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元2.晶闸管直流调速系统（3）晶闸管速度控制单元与此同时，电流也要起调节作用。因为电流调节器也有两个输入信号：一个是由速度调节器来的信号，它反映了偏差大小；另一个是电流反馈信号，它反应主回路的电流大小。电流调节器用于维持或调节电流。如当电网电压突然降低时，整流器输出电压也随之降低。在电动机转速由于惯性尚未变化之前，首先引起主回路电流减小，从而立即使电流调节器输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原来的值，从而抑制了主回路电流的变化。当速度给定信号为一阶跃函数时，电流调节器有一个很大的输入值，但其输出值已整定在最大饱和值。此时的电枢电流也在最大值（一般取额定值的24倍），从而使电动机在加速过程中始终保持在最大转矩和最大速度状态，以使起动、制动过程最短。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元2.晶闸管直流调速系统（3）晶闸管速度控制单元 由此可见，具有速度外环、电流内环的双环调速系统具有良好的静态、动态指标，其起动过程很快，它可最大限度地利用电动机的过载能力，使过渡过程最短。因此，这种过程称为限制极限转矩的最佳过渡过程。这种双环调速系统的缺点是：在低速轻载时，电枢电流出现断续，机械特性变软，整流装置的外特性变陡，总放大倍数下降，同时也使动态品质恶化。为此，可采取电枢电流自适应调节器。另一方面，可采用增加一个电压调节器内环，组成三环系统来解决。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元3.PWM直流调速（1)晶体管脉宽调制原理 随着高开关频率、全控型第二代电力半导体器件（GTR、GTO、MOSFET、IGBT等）的发展，脉宽调制（PMW）的直流调速系统在直流传动中得到越来越普遍的使用。脉宽调制变换器也称直流斩波器。它利用电力半导体器件的开关作用，将直流电源电压转换成较高频率（一般为数千赫以上）的方波电压在直流电动机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变加在电枢上的平均电压UAV，从而调节电动机的转速。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元3.PWM直流调速（1)晶体管脉宽调制原理1）PWM放大器原理 图6-18所示是一种最简单的无制动作用不可逆输出PWM功率放大器。放大器只有一个大功率晶体管（GTR）V1，开关频率可达14kHz。输出端负载为直流电动机（L为电动机电枢电感，为了分析方便，与电动机分离画出）。电源电压一般由不可控整流电源提供，采用大电容C滤波。二极管V2在晶体管V1关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元3.PWM直流调速（1)晶体管脉宽调制原理1）PWM放大器原理 V1的基极由脉宽调制器产生的脉宽可调的脉冲电压ub驱动。当0tton时，ub为正，V1饱和导通，电源电压通过V1加到电枢两端。当tontT时，ub为负，V1截止，电枢失去电源，经V2续流。电枢平均电压为：UAv=Uston/T=Us式中 负载电压系数，=ton/T=UAv/Us，01，改变即可调速。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元3.PWM直流调速（1)晶体管脉宽调制原理1）PWM放大器原理 稳态时电枢的端电压ud、电枢平均电压UAV和电枢电流id的波形见图6-18。如电动机负载较大，V1的开关频率足够大，能维持ton-T期间内始终id0，即电流连续。反之，在新的周期开始之前，id就衰减到零，电流断续。由于V2阻断，使UAV=E,UAV和id的波形如图6-18所示，使机械特性变软。这种电路电流id始终是一个方向，因此不能产生制动作用，只能作单象限运行，又称为受限式脉宽调制电路。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元3.PWM直流调速（1)晶体管脉宽调制原理2）脉宽调制器原理 脉宽调制器的作用：是将电压量转换成脉冲宽度可由控制信号调节而变化的脉冲电压。在PWM调速系统中，电压量为电流调节器输出的直流电压电平，该电压是由插补器输出的速度指令转化而来。经过脉宽调制器变为周期固定，脉宽可变的脉冲信号，脉冲宽度的变化随着速度指令变化而变化。由于脉冲周期不变，脉冲宽度改变将使脉冲平均电压改变。脉冲宽度调制器由两部分组成：一是调制信号发生器，二是比较放大器。调制信号发生器采用三角波发生器或是锯齿波发生器。下面介绍用三角波作为调制信号的脉宽调制器原理（见图6-19）。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元3.PWM直流调速（1)晶体管脉宽调制原理2）脉宽调制器原理 图6-19是一种双极性脉宽调制器。如图6-19a所示，三角波发生器由二级运算放大器组成。第一级运算放大器Q1组成的线路，实际上是频率确定的自激方波发生器，在它的输出端接上一个由运算放大器Q2构成的积分器。三角波发生器电路工作过程如下。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元3.PWM直流调速(1)晶体管脉宽调制原理2）脉宽调制器原理 图a为三角波发生器，由二级运算放大器组成。Q1为自激方波发生器，Q2为积分器。电路工作过程如下：设在电源接通瞬间Q1的输出电压uB为-Ud（运算放大器电源电压），被送到Q2的反向输入端。Q2组成的电路是一个积分器，输出电压u逐渐升高，按线性比例上升。同时u又被反馈到Q1的输入端与uB（uB通过R2正反馈到Q1的输入端）进行比较，当比较之后的u0时，Q1就立即翻转，由于正反馈的作用，瞬间达到最大值，uB=+Ud。此时，t=t1,而u=(R5/R2)Ud。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元3.PWM直流调速（1)晶体管脉宽调制原理2）脉宽调制器原理 在t1tT的区间，由Q2输入端为+Ud，经积分Q2的输出电压u线性下降。当t=T时，u略小于零，Q1再次翻转为原来状态-Ud，即uB=-Ud，而u=(R5/R2)Ud如此，周而复始，形成自激振荡，于是在Q2的输出端得到一串三角波电压，各点波形见图c。,第二节 进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元3.PWM直流调速（1)晶体管脉宽调制原理2）脉宽调制器原理 图b为比较放大器电路，在晶体管V1的前面电路中设有比较放大器Q3，三角波电压u与控制电压uer比较后送入Q3的输入端。当uer=0时，运算放大器Q3输入电压的正负半波脉宽相等（图中未画）。当uer0时，比较放大器Q3的输出脉冲正半波宽度小于负半波宽度，等效电压为负，而当uer0时，比