数控伺服驱动系统.ppt

数控伺服驱动系统,、数控伺服系统的定义及组成1、定义：伺服(Servo)，本意为“服从”的含义。进给伺服系统(Feed Servo System)就是以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。2、组成：进给伺服系统主要由以下几个部分组成：位置控制单元；速度控制单元；驱动元件(电机)；检测与反馈单元；机械执行部件。,第一节 概 述,数控伺服系统的基本组成,伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。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。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。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CNC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。,二、对伺服系统的基本要求 1、位移精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差愈小，位移精度愈高。2、稳定性好 稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。要求伺服系统具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精度和表面粗糙度。,3、动态响应要快 动态响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统跟踪精度。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置随动系统，为保证轮廓切削形状精度和低的表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，跟随误差小。4、调速范围宽 调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。目前数控机床一般要求进给伺服系统的调速范围是024m/min，有的已达到240m/min。在数控机床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。,5、低速大扭矩 要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，伺服系统在低速时要求有大的转矩输出。进给坐标的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；主轴坐标的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，具有足够大的输出功率。,对伺服电机的要求：（1）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时速度平稳。（2）电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。（3）反应速度快，电机必须具有较小的转动惯量、较大的转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度(4000rad/s2以上)。（4）能承受频繁的起动、制动和正反转。,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,三、伺服系统的分类,（1）开环数控系统开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，它没有位置反馈回路和速度反馈回路，系统稳定性好。,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。,2）半闭环数控系统半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在电动机轴上或丝杠端部，用以精确控制电机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动部件，将角度转换成工作台的位移，为间接测量。,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。,检测与反馈单元,3）闭环数控系统 闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上，检测装置测出实际位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给CNC装置，与指令进行比较，求得差值，依此构成闭环位置控制。,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。,2、按使用的执行元件分类（1）电液伺服系统 电液脉冲马达和电液伺服马达。优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，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。噪声大、漏油。,（2）电气伺服系统 1）直流伺服系统 进给运动系统采用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；主运动系统采用他激直流伺服电机。优点：调速性能好（调速范围宽），输出转矩大，过载能力强。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（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。优点：转子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修，制造简单，适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速度方向发展，其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统，交流伺服电机已在数控机床中得到广泛应用。,3、按被控对象分类（1）进给伺服系统包括速度控制环和位置控制环，用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需转矩。（2）主轴伺服系统主轴伺服系统只是一个速度控制系统，控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力，且保证任意转速的调节。,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,第二 节开环步进驱动系统,一、步进电机的分类,步进电机：是一种将电脉冲转变成机械角位移的装置。,按输出转矩分：快速步进电机、功率步进电机。,按励磁相数分：三相、四相、五相、六相、八相等,按工作原理分：反应式、激磁式、混合式（永磁反应式）,1、反应式步进电机,1）结构：由转子和定子两部分组成,极与极之间的夹角为60，每个定子磁极上均匀分布了五个齿，齿槽距相等，齿距角为9。转子铁心上无绕组，只有均匀分布的40个齿，齿槽距相等，齿距角为360/409。,单段式三相反应式步进电动机的结构：定子铁心上有六个均匀分布的磁极，沿直径相对两个极上的线圈串联，构成一相励磁绕组。,特点：转子无绕组，定转子开小齿、步距小。应用最广。,定子上线圈的绕法,A相,B相,C相,转子,转子上有均匀分布的齿，没有绕组。,转子齿间夹角为9o,左图为一转子示意图：,以四十齿为例来说明步进电机的原理,小步距角的三相反应式步进电机,转子均匀分布40齿，定子每段极弧上有5个齿，定转子齿宽、齿距相同。,实际步进电机结构,定子、转子展开图,步进电机的实物图,(2)永磁式步进电动机 工作原理：转子或定子的一方具有永久磁钢，另一方有软磁材料制成，由绕组轮流通电产生的磁场与永久磁钢相互作用，产生转矩是转子转动。特点：不开小齿，步距角大，内阻较大，效率高，断电后有一定的定位转矩。(3)混合式步进电动机（永磁感应子式）定子结构与反应式基本相同，转子由环形磁钢及两段铁心组成。兼有以上两种的主要优点，是步进电动机的新产品。,混合式步进电机与反应式的主要区别是转子上置有磁钢。产生的转矩比反应式步进电机大，且步距角常可以做的较小，因此在工作空间受限而需要小步距角和大转矩的应用中。反应式电动机转子上无磁钢，输入能量全靠定子励磁电流供给，静态电流比永磁式大许多。转子得到机械惯量较混合式步进电机低，可以实现更快的加减速。,混合式步进电机与反应式步进电机的比较：,2.步进电动机的控制原理,各部分的作用：数控装置：根据控制要求发出指令脉冲，每发出一个脉冲电机旋转一个特定的角度，即步距角 环形分配：根据指令方向，依次产生步进电机的各相的通电步骤，分为硬件环分、软件环分两种。放大电路：放大环形分配的各相指令，产生步进电机的各相的驱动电流,位移量的控制 向步进电动机送一个控制脉冲，其转轴就转过一个角度或移动一个直线位移，称为一步；脉冲数增加，角位移(或线位移)随之增加，即脉冲数决定位移量。进给速度的控制 脉冲频率高，则步进电动机的旋转速度就高，反之则低，即脉冲频率决定进给速度。运动方向的控制 改变分配脉冲的相序，实现步进电动机的正、反转，从而改变运动方向。,与一般交流和直流电动机所不同的是，步进电动机定子绕组所加的电源形式为脉冲电压，而不是正弦电压或者恒定直流电压。,按电磁吸引的原理工作的。必须抓住两点：磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩 各相定子齿之间彼此错齿1/m齿距，m为相数几个概念的含义：“拍”-定子相绕组每改变一次 通电状态，称为“一拍”。“单”-指只有一相绕组通电。“双”-指有两相绕组同时通电。,3.反应式步进电动机的工作原理,“相数”电动机定子上有磁极，磁极对数称为相数。如6个磁极，则为三相，称该电动机为三相步进电动机。10个磁极为五相，称该电动机为五相步进电动机。,工作原理,定子绕组通断电顺序 转子转向,定子绕组通断电转换频率 转子转速,定子绕组通断电次数 转子转角,三相单三拍 A(U)B(V)C(W)A(U)A(U)C(W)B(V)A(U),三相双三拍 AB(UV)BC(VW)CA(WU)AB(UV)BA(VU)AC(UW)CB(WV)BA(VU),三相单双六拍 A(U)AB(UV)B(V)BC(VW)C(W)CA(WU)A(U)A(U)AC(UW)C(W)CB(WV)B(V)BA(VU)A(U),通断电方式,(1)“单三拍”供电方式的步进电动机的工作原理第一拍：A相励磁绕组通电，B、C相励磁绕组断电。A相定子磁极的电磁力要使相邻转子齿与其对齐(使磁阻最小)，B相和C相定、转子错齿分别为1/3齿距(3)和2/3齿距(6)。第二拍：B相绕组通电，A、C相绕组断电。电磁反应力矩使转子顺时针方向转动3，与B相的定子齿对齐，此时A、C相的定、转子齿互相错开。,第三拍：C相绕组通电，A、B相绕组断电。电磁反应力距又使转子顺时针方向转动了3，与C相定子齿对齐，同时A相、B相定、转子齿错开，重复通电顺序：A B C A,三相单三拍,步进电机工作原理示意,单三拍步进电动机的反转 若定子绕组通电顺序为A C B A，则电动机转子就逆时针方向旋转起来，其步距角仍为3。,单三拍步进电动机的步距角 重复单三拍的通电顺序，A B C A，步进电机就顺时针方向旋转起来，对应每个指令脉冲，转子转动一固定角度3(步距角)。,单三拍通电控制方式的缺点 由于每拍只有一相绕组通电，在切换瞬间可能失去自锁力矩，容易失步。而且，只有一相绕组通电吸引转子，易在平衡位置附近产生振荡。因此，单三拍通电控制方式，工作稳定性差，一般较少采用。,每切换一次，步进电动机就顺时针方向转动1.5，步距角减小一半。原因是：当由A相切换到AB相通电时，A相定子磁极力图不让转子转动，而保持与其定子齿对齐，而B相定子磁极的电磁反应力矩也力图使其顺时针转动3，与B相定子齿对齐，此时，转子齿与A相、B相定子齿均未对齐，此位置是A相、B相定子合成磁场的最强方向，即转子顺时针方向转动1.5。,若通电顺序为：A AC C BC B AB A 则步进电动机的转子就逆时针方向运动，步距角仍为1.5。三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半；在切换时，保持一相绕组通电，工作稳定，比双三拍增大了稳定区。所以三相步进电动机常采用这种控制方式。,(3)三相六拍工作方式 通电顺序：A AB B BC C CA A,三相单双六拍 AABBBCCCAA,三、步进电机的特性,1、步距角与步距角误差步距角：每输入一个电脉冲信号，步进电机转子转过的角度，称为步进电机的步距角，用 表示。,m步进电机的相数Z步进电机转子齿数k状态系数（与通电有关的系数），k=拍数p/相数m k1：单拍或双三拍 k2：单双六拍,厂家对于每种步进电动机给出两种步距角，彼此相差一倍。大步距角系指控制供电拍数与相数相等时的步距角；小步距角系指供电拍数是相数两倍时的步距角。,（1）某步进电动机转子有40齿并且采用单三拍工作的，其步距角为：,步距角计算示例：,（2）按单、双相通电方式运行的三相步进电动机，转子齿数z=40，其步距角为：,若步进电动机的频率为f，则步进电动机的转速为：,计算示例：1、某步进电机定子60齿，5相十拍工作方式，直接驱动机床工作台，其转速为600r/min，计算其稳定工作频率和步距角,步距角误差：是指步进电机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。连续走若干步时，上述步距误差的累积值称为步距的累积误差。由于步进电机转过一转后，将重复上一转的稳定位置，即步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。,步距角误差,步距角的选择：根据总体方案要求，综合考虑，通过下式进行：式中 脉冲当量 S丝杠螺距(mm)步距角 i电动机与丝杠间的齿轮传动 减速比,如果步进电动机的步距角和丝杠螺距S(基本导程)不能满足脉冲当量的要求时，应在步进电动机与丝杠之间加入齿轮传动，用减速比来满足的要求。,2、静特性 1）静态矩角特性,当步进电动机某相通电时，转子处于不动状态，这时转子上无转矩输出。如果在电动机轴上加一个负载转矩，转子按一定方向转过一个角度，重新处于不动（稳定）状态，这时转子上受到的电磁转矩T称为静态转矩，它与负载转矩相等，转过的角度称为失调角。静态时T与的关系称为矩角特性，它近似于正弦曲线。,静态矩角特性,2)最大静转距 Tjmax(Nm)静态转距：如果在电动机轴上外加一个负载转距，使转子转过一个角度e，这时转子受的电磁转距T。矩角特性：描述静态时电磁转距T与e之间的关系曲线。在静态稳定区内，当外加转距去除时，转子在电磁转距作用下，仍能回到稳定平衡点位置(e0)。,最大静转距 Tjmax 的选择 负载转矩TF 应满足 TF=（0.20.4）Tjmax,3、动特性,（1）最大起动转矩 电动机相邻两相的静态矩角特性曲线交点所对应的转矩即为最大起动转矩Tq。当外界负载超过最大起动转矩时，步进电动机就不能起动。如下图所示。,起动矩频特性 描述步进电动机起动频率与负载力矩的关系曲线。当步进电动机带着一定的负载转距起动时，作用在电动机轴上的加速转矩为电磁转矩与负载转矩之差。负载转矩越大，加速转矩就越小，电动机就不易转起来。因此，其起动频率随着负载的增加而下降。,运行矩频特性 运行矩频特性Tf(F)是描述步进 电动机连续稳定运行时，输出转矩T与连续运行频率之间的关系。它是衡量步进电动机运转时承载能力的动态性能指标。,（2）最大启动频率 空载时，步进电动机由静止状态启动，达到不丢步的正常运行的最高频率称为最大启动频率。启动时指令脉冲频率应小于启动频率，否则将产生失步。步进电机在带负载下的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。这种特性称为启动矩频特性。,启动矩频特性曲线,当电动机带有负载力矩M时，随外部惯量的增大，启动频率将明显下降，其关系称为启动惯频特性。,（3）连续运行频率 步进电动机在最大起动频率以下起动后，当输入脉冲信号频率连续上升时，能不失步运行的最大输入信号频率，称为连续运行频率。该频率远大于最大起动频率。,（4）矩频特性与动态转矩 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。最大动态转矩和脉冲频率的关系称为矩频特性。该特性上每一个频率对应的转矩成为动态转矩。最大动态转矩小于最大静转矩，使用时要考虑动态转矩随连续运行频率的升高而降低的特点。,四、步进电动机驱动电源 1、步进电机的控制系统,步进电动机驱动电源1.作用 发出一定功率的电脉冲信号，使定子励磁绕组顺序通电。2.基本要求(1)电源的基本参数与电动机相适应；(2)满足步进电动机起动频率和运行频率的要求；(3)抗干扰能力强，工作可靠；(4)成本低，效率高，安装维修方便。,3.组成 由环形分配器和功率放大器组成。(1)环形分配器 主要功能是将CNC装置的插补脉冲，按步进电动机所要求的规律分配给步进电动机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的导通或关断。同时由于电动机有正反转要求，所以环形分配器的输出是周期性的，又是可逆的。硬件环形分配器 根据步进电机的相数和控制方式设计的真值表或逻辑关系式，采用逻辑门电路和触发器来实现。一般由与非门和JK触发器组成。常用的是专用集成芯片或通用可编程逻辑器件组成的环形分配器。软件环形分配器 按步进电动机的要求编制不同的软环分程序，存入EPROM中。常用的是查表法,1）硬件环形分配器（CH250集成芯片）,A）管脚图,B）三相六拍接线图,A、B、C：A、B、C相 输出端R、R*:确定初始励磁相 10：A相 01：AB相 00：环形分配器工作J3r、J3L、J6r、J6L:控制三拍、六拍的控制端,B）三相六拍接线图,若ENl，进给脉冲接CL，脉冲上升沿使环形分配器工作；若CL0，进给脉冲接EN，脉冲下降沿使环形分配器工作。不符合上述规定则为环形分配器状态锁定(保持)。,CL、EN:进给脉冲输入端,UD、Us:电源端。左边接线图的功能是三相六拍工作方式；步进电动机的初始励磁相为AB，进给脉冲CP的上升沿有效；方向信号为1，则正转；为0，则反转。,三相硬件环形分配的硬件驱动原理图,CLK 为指令脉冲 DIR 为旋转方向，FULL/HALF 为整步/半步的控制。,2）软件环形分配器,三相单、双六拍步进控制字节的存放格式,TABLE,A,AB,B,BC,C,CA,软件环形分配器举例 对于三相六拍环形分配器，每当接收到一个进给脉冲指令，环形分配器软件根据下表所示真值表，按顺序及 方向控制输出接口将A、B、C的值输出即可。如果上一个进给脉冲到来时，控 制 输,三相六拍环形分配器真值表,出接口输出的A、B、C的值是100，则对于下一个正向进给脉冲指令，控制输出接口输出的值是110，再下一个正向进给脉冲，应是010，而使步进电机正向地旋转起来。实现较为简单，灵活方便。,取偏移量,取方向控制位D,D1?,1,0?,=5,5?,0,以TABLE+为地址取控制字C,向输出寄存器写入控制字节C,返回主程序,-1,N,N,N,Y,Y,Y,环分中断子程序框图,功率驱动器（功率放大电路）作用：将环形分配器输出的脉冲信号放大，以用足够的功率来驱动步进电动机。类型：最早的功率驱动器采用单电压驱动电路，后来出现了双电压(高电压)驱动电路、斩波电路、调频调压和细分电路等。,3、功率驱动器,1）对驱动电源的要求,理想驱动电源使电机绕组电流尽量接近矩形波（图a）。实际上，步进电机是感性负载，绕组中电流不能突变，而是按指数规律上升或下降,从而使整个通电周期内，绕组电流平均值下降，电机输出转矩下降（图b）。而当电机运行频率很高时，电流峰值显著小于额定励磁电流，从而导致电机转矩进一步下降，严重时不能启动（图c）。,上升时电流时间常数 i=L/Rs,L步进电机绕组平均电感量,Rs通电回路电阻，包括：绕组内阻、功率放大器输出级内阻、串联电阻,下降时电流时间常数 d=L/RD RD放大回路电阻,为了提高步进电机动态特性，必须改善电流波形，使前后沿陡度增大。,图中串接一电阻RS，为了减小回路的时间常数，电阻RS并联一电容C，提高电机的快速响应能力和启动性能。续流二极管VD和阻容吸收回路RC，是功率管VT的保护线路。,单电压驱动电路,前置放大,VD：续流二极管CS：加速电容RS:限制绕组电流 减小时间常数,RS:作用是限制绕组电流，减小时间常数 太小则电流前沿不陡，电机带负载能力下降。太大则功率消耗过大。单电压功放电源的特点 优点是线路简单，缺点是电流上升不够快，RS的接入使无功功耗增大，高频时带负载能力低，晶体管的耐压要求高。单电压功放电源的应用 一般用于小功率步进电机驱动,特点是供给步进电机绕组有两种电压：一种是高电压U1，由电机参数和晶体管特性决定，一般在80v至更高范围，另一种是低电压U2，即步进电机绕组额定电压，一般为几伏，不超过20v。,2）双电压（高低压）驱动电源,当环形分配器输出高电平时，两只功率放大管VTd，VTg同时导通，电机绕组以60V高压供电，绕组电流快速上升，前沿很陡，当接近额定电流时，单稳延时时间到，VTg管截止，改由低压12V供电，维持绕组额定电流。若高低压之比为U1/U2，则电流上升也提高U1/U2倍，上升时间明显减小。当低压断开时，电感中储能通过构成的放电回路放电，因此也加快了放电过程。,优点：由于加快了绕组电流的上升和下降过程，有利于提高步进电机的启动频率和最高连续工作频率。由于额定电流是由低压维持的，只需较小的限流电阻，功耗小。该电路能在较宽的频率范围内有较大的平均电流，能产生较大且较稳定的电磁转矩。缺点：高低压电路波形连接处有凹形,使电机输出转矩降低。,特点,可以克服高低压驱动电路的波顶的凹陷造成高频输出转矩的下降，使励磁绕组中的电流维持在额定值附近。工作原理：环形分配器输出的正脉冲将VT1、VT2导通，由于U1电压较高，绕组回路又没串电阻，所以绕组电流迅速上升，当绕组电流上升到额定值以上的某一数值时，由于采样电阻Re的反馈作用，经整形、放大后送至VT1的基极，使VT1管截止。接着绕组由U2低压供电，绕组中的电流立即下降，但刚降到额定值以下时,由于采样电阻Re的反馈作用，使整形电路无信号输出，此时高压前置放大电路又使VT1导通，电流又上升。如此反复进行，形成一个在额定电流值上下波动呈锯齿状的绕组电流波形，近似恒流。,3）恒流斩波驱动电路,恒流斩波驱动电路电流波形,可以克服高低压驱动电路的波顶的凹陷造成高频输出转矩的下降，使励磁绕组中的电流维持在额定值附近。工作原理：环形分配器输出的正脉冲将VT1、VT2导通，由于U1电压较高，绕组回路又没串电阻，所以绕组电流迅速上升，当绕组电流上升到额定值以上的某一数值时，由于采样电阻Re的反馈作用，经整形、放大后送至VT1的基极，使VT1管截止。接着绕组由U2低压供电，绕组中的电流立即下降，但刚降到额定值以下时,由于采样电阻Re的反馈作用，使整形电路无信号输出，此时高压前置放大电路又使VT1导通，电流又上升。如此反复进行，形成一个在额定电流值上下波动呈锯齿状的绕组电流波形，近似恒流。,三种电路电流波形,4）调频调压驱动电源,产生原因：前述的各种驱动电源都是为保证步进电机有较好的上升沿和幅值而设计的，能够有效地提高步进电机的工作频率，但在低频时会给绕组注入过多的能量而引起电动机的低频振荡和噪声。因此产生了调频调压驱动电源。基本原理：当步进电机在低频运行时使供电电压降低，在高频运行时供电电压升高，即供电电压随步进电机的转速升高而升高。这样，即解决了低频振荡问题，又保证了高频时的输出转矩。,调频调压驱动是由软硬件配合实现的，UCP是步进脉冲信号，UCT是开关调压信号ton。当UCT输出一个负脉冲信号，晶体管VT1和VT2导通，电源电压作用在电感LS和电机绕组W上，LS感出负电动势，电流逐渐增大，并对电容C充电，充电时间由负脉冲宽度ton确定。在UcT负脉冲过后，VT1和VT2截止，LS又产生感应电动势，方向是U2处为正。此时，若VT3导通，这个反电动势经W-Rf-VT3-地-VD1-LS-W泄放，同时电容也向绕组W放电。可见，向电动机供电的电压取决于VT1和VT2开通的时间，即取决于负脉冲的宽度。负脉冲宽度越大，U2越高，因此，根据UCP的频率，调整负脉冲UCT的宽度，便可以实现调频调压。,工作原理：,5）细分驱动电路,细分驱动的优点：步距角减小、运行平稳、提高匀 速性、减弱或消除振荡。,步进电机驱动器,步进电机驱动器,为了保证运动部件的平稳和准确定位，根据步进电动机的加减速特性，在起动和停止时应进行加减速控制。加减速控制的具体实现方法很多，常用的有指数规律和直线规律加减速控制。指数加减速控制具有较强的跟踪能力，但当速度变化较大时平衡性较差；指数规律加减速控制一般适用于跟踪响应要求较高的切削加工中；直线规律加减速平稳性较好，适用在速度变化范围较大的快速定位方式中。,步进电机加减速控制,离散插值获得瞬时 频率,五、步进电机的选用,步进电机驱动工作台典型结构,步进电机选择要求：,步矩角与机械系统相匹配，以得到系统所需的,保证电机输出转矩，大于负载所需转矩,能与机械系统的负载惯量相匹配,推荐:,电机运行速度和最高工作频率能满足工作台切削加工和快移要求。,Jm:电机转子惯量Jd：负载惯量,步进电机的选用的主要步骤：,（一）选择步进电机类型，初选其型号。,（二）根据机床的加工精度要求，选择进给轴的脉冲当量。,（三）初定步进电机步距角，计算减速比，确定齿轮副。,（四）负载转矩计算及最大静转矩选择。,（五）步进电机起动、运行频率计算与校核。,（一）选择步进电机类型，初选其型号,功率式步进电动机：数控机床多用,反应式步进电动机：如 110BF、130BF、150DF 等，其价格低于混合式步 进电动机,混合式步进电动机：性能较好，价格较贵,（二）根据机床的加工精度要求，选择进给轴的脉冲当量，如0.001mm或0.005mm。,（三）初定步进电机步距角，计算减速比，确定齿轮副,步进电动机的步距角(脉冲)P丝杠螺距(mm)脉冲当量(mm脉冲),确定齿轮副齿数时，尽量选择一级降速;,若需二级，则降速比大的齿轮副应远离电机，以利 于提高传动系统的刚度和精度。,例：某数控机床脉冲当量为0.002mm，步进电机驱动，其步距角为0.72，十步细分，丝杠螺距为5mm，采用一级减速，试选择齿轮齿数。,解：,齿轮齿数选为20、40或30、60,注意：在有些机床上，机床参数中的“电子齿轮比”为 匹配机床脉冲当量，在参数中要设置。,（四）负载转矩计算及最大静转矩选择,1、负载惯量计算,设传动系统如下图所示：,伺服系统总惯量：,：电动机转子的转动惯量,：换算到电机轴上的等效负载转动惯量,（41）,换算到电机轴上的等效负载转动惯量通用公式：,nm 步进电机速度 r/min ni 第i个转动部件的转速r/minJi 第i个转动部件的转动惯量 kg.m2Vj 第j个移动部件的移动速度 m/minMj 第j个移动部件的质量 kg,（42）,（1）图示的一级齿轮减速系统,式中 V工作台移动速度 m/min P丝杆导程 m,（43）,（44）,式中 J1 齿轮1的转动惯量 kg.m2,J2 齿轮2的转动惯量 kg.m2,Js 丝杆2的转动惯量 kg.m2,W 工作台及移动部件的重量 N,将43、44式带入42：,（45）,伺服系统总惯量：,（46）,其中，齿轮、丝杆的转动惯量（J）可按圆柱体转动惯量计算:,式中:M圆柱体质量 D 齿轮分度圆直径或丝杆名义直径 mm L 齿轮宽度或丝杆长度 mm 材料密度 kg/cm3 钢7.810-5,（47）,（2）图示的二级齿轮减速系统,惯量匹配,惯量匹配：是指进给系统负载惯量与伺服电动机转 子惯量相匹配。,根据牛顿第二定理空载起动时进给系统所需的转矩M等于系统的转动惯量乘以角加速度，即：MJ 角加速度影响系统的动态特性。角加速度越小，则从计算机发出指令脉冲到进给系统执行完毕之间的时间越长，系统反应慢；角加速度变化，则系统的反应将忽快忽慢，影响加工精度。当进给伺服电动机选定时，则M的最大值基本不变。如果希望角加速度变化小，则应使转动惯量J 的变化尽量小些。,负载惯量Jd由执行部件以及上面装的夹具、工件或刀具、滚珠丝杠、联轴器等到直线和旋转运功件的质量或惯量折合到电动机轴上的惯量组成。Jm 是定值，Jd则因执行部件上装的夹具、工件或刀具不同而有所变化。如果希望J的变化小些。则Jd所占比例应小些。这就是进给伺服系统中电动机转子的转动惯量Jm与负载惯量Jd的匹配原则，即Jm应大于Jd,但也不是越大越好。因为,Jm越大，总惯量也越大，这将影响系统的灵敏性和稳定性。为了保证足够的角加速度使系统反应灵敏和满足系统稳定性要求，伺服电动机与进给系统负载惯量匹配条件为:,系统的转动惯量:,2、计算转矩,（1）快速空载启动时所需力矩M起,式中:Mamax 空载起动时折算到电动机轴上的加 速力矩 Nm Mf 折算到电动机轴上的摩擦力矩 Nm M0 由于丝杠顶紧时折算到电动机轴上 的附加摩擦力矩(Ncm)。,空载起动时折算到电动机轴上的加速力矩,由动力学知：,J传动系统折算到电动机轴上的总等效转 动惯量(kgcm)电功机最大角加速度(rads)；nmax电动机最大转速(rmin)T 电动机加速时间（S）,电动机最大转速nmax,vmax运动部件最大快进速度(mmmin)脉冲当量(mm步)；步进电动机的步距角()；,对于空载启动时0=0，T为升速 时间常数，则t为升速T秒后电机的角速度，此时的等效负载转矩主要是工作台移动的摩擦力引起的。,导轨折算到电动机轴上的摩擦力矩Mf,W工作台重量（N）摩擦因数传动链总效率，一般取0.70.85,丝杠预紧时折算到电动机轴上的附加摩擦力矩,Fp0滚珠丝杠预加负荷，一般取1/3Fm，Fm为进给牵引力(N)P滚珠丝扛导程(cm)0 滚珠丝扛末预紧时的传动效率，一般 取0 0.9,（2）快速进给时所需力矩M快,Mf折算到电动机轴上的摩擦力矩 NmM0由于丝杠顶紧时折算到电动机轴上 的附加摩擦力矩(Ncm)。对于运动部件已启动，不含Mamax,显然：,（3）最大切削负载时所需力矩M切,M0 由于丝杠顶紧时折算到电动机轴上 的附加摩擦力矩（与前同）Mf 折算到电动机轴上的摩擦力矩 NmMt 折算到电动机轴上的切削负载力矩(Ncm),F0导轨的摩擦力(N)，F0(Fc+W)导轨摩擦因数 Fc 垂直方向的切削力（N）i齿轮降速比，按iZ2/Z1计算传动链总效率，一般取0.70.85,折算到电动机轴上的切削负载力矩Mt,Ff 与进给方向相反的最大切削力,3、步进电机最大静转矩Mmax选择（校核）：,系数选择：当步进电机相数多，突跳频率不高时选 大值，反之选小值Mmax：由初选的步进电机样本获取，校核如不合格 需重选。,（五）步进电机起动、运行频率计算与校核,步进电机运行频率 f(Hz):,V进给速度（m/min）脉冲当量（mm）,工作台快速空载速度Vmax 电机最高工作频率fmax,工作台工作进给时的最低速度Vmin 电机最小运行频率fmin,工作台工作进给时的最高速度VF 电机最大运行频率fF,伺服系统在 fmin fmax 范围内可用软件实现无级调速,1、步进电机起动频率（1）空载起动频率fq0空载起动频率由初选电机样本确定校核要求：快速空载启动时所需力矩M起 小于 电机起动矩频特性曲线上在空载起动频率下的输出力矩,150BF002步进电机起动矩频特性,（2）电机负载起动频率fq：,估算公式：,fq0空载起动频率M0 由于丝杠顶紧时折算到电动机轴上 的附加摩擦力矩（与前同）Mf 折算到电动机轴上的摩擦力矩 NmMt折算到电动机轴上的切削负载力矩M1起动频率下由矩频特性决定的电动机输 出力矩(Nm),近似计算公式（机床有关参数不易确定时）：,校核要求：负载启动时所需力矩M起 小于电机起动矩频特性曲线上在负载起 动频率下的输出力矩。,150BF002步进电机起动矩频特性,f/HZ,负载起动频率,2500,100,1500,400,2、步进电机运行频率,Vk 最大快速进给速度,（1）电机快速运行频率fk：,校核要求：快速进给时所需力矩M快小于电机运行矩频特性曲线上在快速运行频率下的电机输出力矩。,150BF002步进电机运行矩频特性,快进频率 7500,Ve 最大切削力下的进给速度,（2）电机在最大切削力下的运行频率fe：,校核要求：在最大切削力下的运行所需力矩M切小于电机运行矩频特性曲线上在最大切削力下的运行频率fe下的电机输出力矩。,150BF002步进电机运行矩频特性,运行频率 2500,例：下图为某一数控车床纵向进给系统计算简图，刀架最大快速移动速度Vk2.4mmin。床鞍及刀架总重量W800N，驱动系统总效率 0.8，滚珠丝杠末预紧时效率00.94，滚珠丝扛导程P6mm，公称直径d040mm。步进电动机的步距角0.75，滑动导轨摩擦因数 0.16，步进电动机起动加速时间为T=30ms，预加载荷为最大轴向载荷的13,即FP01/3Fm1/3269.2(N)。齿轮z132，z240，模数m2，齿宽b20mm。试选择电动机的型号，计算转化到电动机轴上的负载转动惯量和负载转矩。并结合步进电动机的起动矩频特性，分析在此条件下，步进电动机能否正常起动。,解：一、负载转动惯量计算 1、参考同类型机床，初选反应式步进电动机150BF，其电动机转动惯量Jm10kgcms。2、传动系统折算到步进电动机轴上的等效转动惯量（1）齿轮Z1、Z2的转动惯量,（2）丝扛的转动惯量查丝杠样本,（3）换算到电机轴上的等效负载转动惯量,（4）校核惯量匹配,要求：,并不完全满足惯量匹配的条件：重选电机或采用 软件降速等提高电机输出力矩,二、负载转矩计算及最大静转矩选择 1、快速空载起动时所需转矩,空载起动时折算到电动机轴上的加速力矩,其中：快速起动时电机最高转速,传动系统折算到电机轴上的总转动惯量：,导轨折算到电动机轴上的摩擦力矩Mf,丝杠顶紧时折算到电动机轴上的附加摩擦力矩,2、快速进给时所需力矩M快,3、最大切削负载时所需力矩M切,导轨折算到电动机轴上的摩擦力矩,折算到电动机轴上的切削负载力矩Mt,从以上可知：快速空载起动所需力矩最大，以此项 作为初选步进电动机的依据,4、最大静转矩选择,五相十拍步进电机所需最大静转矩：,其中：0.951为M起/Mjmax，由电机样本查得,因此，初选步进电机型号为150BF002，其最大静转矩13.72Nm,5、步进电机空载起动频率与运行频率校核,（1）空载起动频率校核,150BF002型步进电机所允许的最高空载起动频率为2800HZ。且由下图矩频特性知，2800HZ频率下电机输出力矩明显小于空载起动所需力矩576.36Ncm。采用软件升降速和高低压驱动电路等降低电机所需起动频率和提高电机输出力矩。,刀架以最大快速移动速度运行时电机频率：,（2）最大快速移动速度下运行频率校核,（3）最大切削力下运行频率校核,刀架以最大切削力下运行时所需电机频率：,从上图知：步进电机在快速进给和切削进给时电机提供的力矩大于所需力矩19.76Ncm和242.34Ncm。,第三节 直流伺服电机及其调速系统,一、直流电机的类型及应用,直流进给伺服系统：永磁式直流电机类型中的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的他激直流电机。,常用的直流电动机,永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、印刷绕组）,励磁式直流电机,直流力矩电机,混合式直流电机,无刷直流电机,1、小惯量直流伺服电动机,转子细而长大大减小了电动机的转动惯量,快速响应性能好。,2)气隙较大换向性好，时间常数5-10ms。,3)转子上无槽电感小，时间常数小，动态特性好，响应快，低速运转稳定而均匀。,4)气隙磁密度大过载能力强。输出功率几+瓦+千瓦，转速1-3000r/min 最大转矩约20Nm,但输出需加齿轮减速,按转动惯量不同分：,1)转矩大,2)调速范围宽 10001500r/min,3)转动惯量大 设计时可忽略其它传动件的转动惯量,4)动态响应好,最大峰值转矩可达额定转矩的10倍，可在3倍额定转矩的过载条件下工作30min，但快速响应性能不如小惯量电机。,5)过载能力强,2、大惯量直流伺服电动机（宽调速直流伺服电机）,表 日本FANUC公司直流伺服电动机系列几种规格的主要技术参数,二、直流伺服电机的结构与工作原理,1转子 2定子（永磁体）3电刷 4测