数控技术(伺服2).ppt

2 步进电机驱动电源,（1）对驱动电源的要求,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。,理想驱动电源使电机绕组电流 尽量接近矩形波。,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。,下一页,上一页,上升时电流时间常数 Ti=L/R,L步进电机绕组平均电感量,R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 Td=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，方法有：,下一页,上一页,1)电阻法,从 Ti=L/R 知，为 Ti，可 R，故可在进电机绕组回路中串联一个电阻Ro此时，Ti=L/(r+R0),特点：线路简单，但 Ro(10)上消耗一定功率，发热量大，也降低了放大器的效率，只适于小功率步进电机。,下一页,上一页,2)电压法,电感绕组通电状态时，绕组上电流为 Im=(E/r)(1-e-t/Ti),E电源电压 电流增长率为 dIm/dt=Im=(E/r)(1-e-t/Ti),可见，增大电源电压可以有效地改善电流上升陡度,特点：线路复杂，需采用双电源，但效率较高，效果好，适于中小型功率步进电机。,下一页,上一页,返回,下一页,上一页,（2）单电压型驱动电源,电容C:在接通瞬间短接R 电流由 ULCVT 故C称 加速电容,电阻R:在电流达到恒定后还起限流作用，此时电流由 ULRVT,返回,下一页,上一页,输入脉冲消失后，VT截止，L两端将产生一感应电压。,V=L(di/dt)，由于VT关断时间dt很短，故感应电压U很大，将击穿晶体管，为此增加二极管 D 续流，续流电流:LRDL,而VT2在高压控制电路下导通 时间t1较短(100-600 s),绕组在高压 EH下电流 迅速增大至额定值，此时低压 EL无效。,（3）高低压双压型驱动电源,输入脉冲信号为“0”时，VT1、VT2均截止，iL=0,输入信号为“1”时，VT1 导通,t1之后，VT2截止，低压供压，维持绕组所需的额定电流Ie,下一页,上一页,输入脉冲信号消失(为“0”)，VT1、VT2均截止，L上电流经放电回路：LRoVD2EHELVD1L 迅速下降,EH供电，励磁电流前沿电流 Ip=EH/(r+R0)(1-e-t/Ti),由此计算t1 t1=T/n EH/EH+In(r+R0),In要求高压通电，电流达到的数值,下页,上一页,绕组上电流Il 随外加电压(EH、EL)变化而变化，当外加电压变化时，电机特性变差，工作不稳定,2)双电压功放电路缺点是在高低压处电流出现凹点，这样必然引起力矩在尖点电下降，而斩波型可克服这一缺点。,返回,存在的问题：,下一页,上一页,（4）恒流斩波型,工作原理如下：Vin，T5(+)后，使D1(+)、T1(+)使T2()、T3、T4(+);另一路Vin T6、T7、T8(+)，使绕组L电流iL增大。当绕组中的电流升到额定值以上时，从采样电阻电阻Rn产生的压降Vs Vp(参考电压)时，运放OP1输出，使D2(+),引T5()，T1()；T2(+)T3，T4()关闭电源U；绕组的反电势泄放回路有：一路为L RL T8 R12 D3。另一路为：LRL R13 D4 U D3。由于两个泄放放回路的并联电阻小，所以泄放时间常数大，L中电流缓慢下降，当iL降到额定值以下时，Vs Vp,OP1 输出，D()，从而又重复了先前的状态。上述过程在步进方波信号有效影响不断重复，绕组中的电流保持一个额定值上下的锯点波的波形。从提高工作频率及电源效率高度，恒流斩波是一种较好的功放电路，可以用较高的电源电压，外接电阻R来限定额定电流及减少时间常数。由于波形为锯齿波，会产生较大的电磁噪声。,绕组电流的大小和外加电压大小+U无关，是一种恒流驱动方案，对电源要求较低。采样电阻R3阻值一般小于1，主回路电阻较小，系统的时间常数较小，反应较快。在实际中常用。,6.2.3 步进电机细分驱动技术 步进电机对应于一个电脉冲，转子转动一步；即一个步距角s。若每次输入脉冲切换时，只改变对应绕组额定电流的一部分那么转子相对应的每步转动也只会是原有s的一部分。额定电流分成多少个级别进行切换，转子就以多少步来转完一个s。即通过控制绕组中电流的数值调整步距角s大小，这种控制方式为不进电机细分控制。如下图所示，在一个输入脉冲宽度内把电流按线性（或正弦规律）分成n分。数字信号D/AVREF，VREF与VC比较，以保证电流值在要求的值上。,1.恒流原理 通过A放大器之后为V REF。比较放大器和功放组成一个闭环调节系统。当绕组中电流因某种原因iL下降，则iLVC(VREF VC)Vb iL 使绕组电流仍稳定于iL。2.瞬间响应 如输入的DiD k则DiD/A A输出为VREFK，则为（过程为）DiD kVREF VREFKVb iL iLk,3.细分控制 1）从8位单片机送出的数据DD,数值00H0FFH，对应与十进制数是0255.细分时，要求每个阶梯的电流差值相等，即要求细分步数必须能对255整除，显然细分 只能为3，5，15，17，51，85几种。2）一般按正弦规律变化细分的多相电流，合成磁势幅值保持不变，转角细分精确；3）通过细分驱动可得到更小的脉冲当量，提高了定位精度；4）绕组电流均 从小增到大，或从大降到小，避免了电流冲击，基本消除了步进电机低速振动，电机低速运转平稳，无噪声。步进电机的细分控制得到了广泛应用。,四相步进电机线型规律细分电流时序图,正弦阶梯波细分电流波形图,正弦细分驱动电路,D/A,功率步进电机用作开环进给系统的伺服驱动装置，组成开环进给系统，一般技术性能不能满足使用要求，其性能的提高受到限制。60年代出现了小惯量直流伺服电机，70年代初出现了大惯量宽调速伺服电机；目前，许多数控机床采用大惯量直流伺服电机。,6.3 直流伺服电动机调速系统,直流电机的用途,励磁机,测速,伺服,直流电机的原理和结构,定子和转子,直流电机电枢绕组结构,直流电机电刷和换向器结构,直流电机电刷结构,直流电机的物理模型,直流伺服电机调速控制直流伺服电机有电磁式、永磁式、杯形电枢式、无槽电枢式、无刷式等。直流伺服电机的结构与直流电机相同，由定子和转子两部分组成。在定子上装有磁极，电磁式伺服电机的定子磁极上有励磁绕组。转子由硅钢片迭积而成，转子上外圆有槽，槽内有中枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出。直流伺服电机和普通电机最大区别：电枢长度与直径之比(L/D)比普通直流电机要大；气隙较小。伺服电机的工作原理和普通直流电机相同，当定子中的磁励磁通和转子中的电流相互作用时，会产生电磁转矩驱动电枢转动，恰当地控制转动电枢电流的大小和方向，就可以控制伺服电机转向及转速，当电枢电流“0”，伺服电机停滞不动。,即定子磁势Fr垂直于电枢绕组磁势Ff 产生电磁转矩T,电磁转矩为：T Cm Ia 式中：Cm 转矩常数(CmPN/(2a)p：磁极对数 N：电枢绕组总导体数 a：并联支路 对数 电机的主磁通 Ia 电枢电流电压平衡方程为：E UdIa Ra(Ud:电枢电压 Ud=Uc=U 控制电压)式中：E 电枢感应电动势 E Ce n Ce PN/(60a)联立上三式得到,从上式知，电机调速有三种方法：1）改变电枢电压U（电枢法）2）改变励磁磁通（弱磁调速）3）在电枢回路中接电阻Rt,改变端电压调速,保持电动机的不变且无外接电枢电阻，仅降低施加于电动机电枢两端电压U达到调速的目的，称为降压调速。,U1U2U3,电压越低，转速越低，调速方向从基值往下调。,（1）降压的特性是一簇与固有特性平行的直线，无论是满载、轻载还是空载都有明显的调速效果。,（2）由于特性硬度不变，低速时由于负载变化引起的转速波动不大。静态稳定性好，调速范围大。,（3）可平滑调节端电压，使转速平滑调节，实现无级调速。,（4）调节过程能量损耗小。,调压调速的特点：,改变励磁调速,改变励磁电流调速，实际上是减少励磁电流的调速，所以又称弱磁调速。,弱磁调速：保持U，Rt0，仅减小电动机的励磁电流If使主磁通减小，达到调速目的。,If1If2,从两个稳定点P、Q对应转速说明减小励磁可以使转速升高。,弱磁调速,调速前后的量：,（1）假定负载转矩不变，,(2)假定磁路不饱和，不计电枢反应和IaRa的变化,（3）恒转矩负载，基本不变,弱磁调速特点,优点：设备简单，调节方便，能耗小。缺点：单方向调节，转速调得过高，励磁过弱，电枢电流变大，换向变坏，出现不稳定。,改变电枢回路电阻调速,保持UUN且 N不变，电枢回路中串入调速电阻Rt，使同一个负载得到不同转速的方法，称为电枢串电阻调速。,串入电枢回路的电阻越大，转速越低。,电机运行于固有机械特性上的转速称为基速。电枢回路串电阻调速的方法，只能从基速往下调。,串电枢电阻调速,该调速的特点：,（1）设备简单、操作方便。,（2）低速时，机械特性很软，当负载变化时，转速波动很大。静态稳定性差 调速范围不大。,（3）由于电阻的不连续调节，因此速度调节不平滑，属有级调速。,（4）电枢电流在Rt上消耗的能量大，调速时效率低。效率与转速成正比。,6.3.2 直流伺服电机,1.机械特性电枢法时，=C，若控制电压UC，则n=n0KT 式中：n0=U/Ce 理想空载转速 斜率分析两种情况，当T0时，n n0 u/(Ce)当n0时,n0 kT kTd 堵转转矩所以，机械特性n=f(T)即，机械特性是一组斜率相同的直线簇。机械特性的斜率K也可用 k n/T表示；K，则对应于某一转矩T变化，转速n,说明机械特性软。反之K减小,则机械特性硬。（因为Ce、Cm中均为常数）所以Ra增大、K增大，反之亦然。,2.动特性 定义：电枢加上阶跃电压时，转子速度随时间的变化规律为为伺服电机的动特性。n=f(t)动特性的本质是由过渡过程来描述的。产生过渡过程的原因在于电机存在两种惯性：机械惯性和电磁惯性。机械惯性：由于电机和负载都有惯量，故转速n不能突变，转动惯量J是造成机械过渡过程的原因。电磁惯性：由于电机绕组有电感，故电枢电流不能突变，电感式造成电磁惯性的原因。机械惯性和电磁惯性相互影响，构成了电机总过渡过程，一般电磁过渡过程比机械过渡过程短，可忽略。考虑到电感对电枢电流的影响，故动态电压平衡方程为：式中：La 电枢电感,在过渡过程中，电磁转矩T除了要克服轴上的总的阻转矩T外，还要克服轴上的惯性力矩，故转矩平衡方程为：式中：Ts-总阻转矩；J-电机及负载的等效转动惯量；-转子的角速度。但过渡过程中,T主要用来克服J d/dt,Ts所占比例很小,可忽略。所以，,则有,等式两边同除以Ce 则,令，,则，,式中：j 机电时间常数，表示加上电枢电压后，转速 达到额定值过程 时间的过渡。d电磁时间常数，表示加上电枢电压后，电枢 电流达到额定值的过渡过程时间。由于d j，均可忽略，,所以,进行L变换，得,直流伺服电机传递函数G(s)是输出转速与输入电枢电压拉氏变换之比，即,式中：KG=I/Ce 为静态放大系数，表示转子速度随U的变化程度。从上式看出，直流伺服电机是一个惯性环节。,当给电枢加上阶跃电压U，电机转速n从0n0的过渡过程为：,所以，进行L反变换有，,从式中知，当t=j 时，n=0.632n0，上升到n0的时间 当t=3j时，n=0.95n 0，此时过渡过程基 本结束，即t=3j。,小结：机械特性的斜率K减小，特性硬，则电机时间常数j降低，过渡过程短；反之，K增大，过渡过程长。,若考虑电磁时间常数d，则为二阶振荡环节，波形如下,3.大惯量直流伺服电机,大惯量直流伺服电机又称宽调速直流伺服电机，是上世纪60年代末70年代初在小惯量电机和力矩电机的基础上发展起来的，目前广泛应用于数控系统中。1）结构特点 大惯量直流伺服电机结构如图，激励方式为永磁式。从电磁转矩公式T=Cm Ia。转矩常数 Cm=PN/(2a),为了得到大的输出力矩，采用以下措施：,a.采用高性能磁性材料，以产生强磁场；材料保磁性能的稳定性；当峰值转矩达到额定值1015倍不退磁；磁性材料：铝镍钴、陶瓷缺氧体、稀土 钴（性能最好）b.增加总导体数N，增加磁极对数p使cm增加。大惯量电机提供大转矩还在于：低速输出转矩大，最大峰值转矩可达额定转矩的10倍以上，过载能力强，允许过载时间长。由于电机本身惯量大，输出力矩大，可直接驱动负载，无需机械减速传动链。这类电机调速范围较宽，一般可达1000，电机的热容量大，热时间常数大，可达120分钟左右，或在过载条件下工作。,2）工作特性,宽调速电机的工作特性由一些参数及特性曲线所限定。电机的容许转矩T转速n随加工及运行条件而改变Uk最高运行电压；Tknmax时的转矩；Tr 连续工作转矩；Up 峰值电压；Tp 峰值转矩；ACB换向限制曲线；CTr 发热限制曲线；区连续工作区间；区电机间歇工作区间；区瞬时加速或正、反转短暂工作区；BTp去磁限制线；DE瞬时换向界限。大惯量直流伺服电机技术性能较好，有成本低的可控硅调压器，与脉宽调压器，在数控机床得到广泛应用。,4.直流伺服电机的PWM控制,由电工学知识，在直流电机转子磁场不饱和时，改变电枢电压U，可以改变转子转速，从前述分析，转子有机械惯性，绕组有电磁惯性，机械时间常数、电磁时间常数都较大，故电枢电压可用周期远小于电机械时间常数的方波平均电压来代替。将直流电源电压转换成频率f2000HZ的方波电压 电机绕组，通过对开关闭合时间长短控制控制电枢绕组两端的平均电压达到调速的目的。,物理模型,设闭合时间，打开时间为T。因U为常数，则电枢上电压的波形是一个方波列，其高度U，宽度为，其平均值为：,从上式可看出，电枢转速n脉冲宽度。目前应用的是PWM晶体管功率放大器，即由两部分组成：电压脉宽变换器，开关式功率放大器；负载：伺服电机。,式中T(/T)为 导通率或占空比。为分析方便起见，若忽略电枢电阻Ra，则电枢电压方程为：,1）脉宽调制器,产生PWM脉冲的环节，所产生的PWM脉冲驱动放大后 功率放大器断波放大器。,即 UA(或UB)0，满量程正电压输出UA(或UB)0，满量程负电平输出。,P1、P2、P3、P4四路PWM信号经延时处理驱动放大后功放。,三角波发生器及PWM调制原理图,倍频式脉宽调制器,（所谓倍频式：电机电枢电压的频率是晶体管开关频率的两倍）。结论：控制电平Uc的大小与电动机电枢两端的脉冲电压宽度成正比，稳态时，Uc与n成正比。,2）晶体管PWM放大器,即把脉宽调制后的方波信号驱动后，变换为宽度可调的方波脉冲，加在电枢两端。图中：T1 T4；大功率晶体管 D1 D4：续流二极管,电机正转分析,a)、t1 0c)、t3 时刻T1(-)、T2(+)、T4(+)由于电枢电感作用，T2“假导通”：UAB=0d)、t4时刻T2(-)、T1(+)、T4(+)、UAB 0,从上分析晶体管从导通截 止变化一次，电枢两端通电状态变化了两次，即电枢电压频率是晶体管开关频率的两倍频。反转状态与正转分析类似。,a.开关频率高，频率可达2000HZ，比机械部件固有频率高，可以避开机械共振点；b.电流的有效值与平均值之比（纹波系数）为1.0051.01，故电机发热量很小。由于电流接近于直流，电磁转矩恒定，电机运行平稳；c.频带较宽，即系统能够响应的频率范围宽，动特性好，有良好的线性。,3）PWM调速特点,PWM双闭环调速系统电路图,数字PWM控制系统,