数控技术第四章开环伺服系统.ppt
,第四章 进给伺服系统,第一节 概述,第二节 开环伺服系统,第三节 闭环伺服系统,提要,返回,提要,第四章 进给伺服系统,下一页,上一页,目标,掌握伺服系统的功能、分类及其特点：数控机床 对伺服系统的要求,掌握开环伺服系统的组成及工作原理,步进电机的工作原理、脉冲分配方式、驱动电源 的类型及工作原理,掌握感应同步器、光栅等检测元件的工作原理,掌握直流伺服电机位置控制原理 了解交流伺服电机位置控制原理,了解提高步进开环伺服系统精度的措施,返回,目标,第四章 进给伺服系统,下一页,上一页,建议,本章内容既有理论分析，又有实验研究，同时还涉及设计计算方法。学习中，应特别注意各种伺服驱动元件的调速方法和调速原理，了解各种驱动元件之间的性能比较及其应用场合。,返回,建议,第四章 进给伺服系统,下一页,上一页,第四章 进给伺服系统,第一节 概述,一、作用,以位置和速度作为控制量的自动控制系统CNC装置与机床的联系环节其性能直接决定和影响CNC系统的快速性、稳定性、精确性,返回,下一页,上一页,第一节 概述,指令信息 动作 位置、速度 位移、速度,第四章 进给伺服系统,返回,一.构成,下一页,上一页,二.要求,第四章 进给伺服系统,返回,下一页,上一页,开环进给伺服系统,闭环进给伺服系统,半闭环进给伺服系统,三.分类,第四章 进给伺服系统,返回,按有无反馈分,下一页,上一页,三.分类,按控制信号分,按控制元件分,数字伺服系统模拟伺服系统数字模拟混合伺服系统,步进伺服系统直流伺服系统交流伺服系统,第四章 进给伺服系统,下一页,上一页,返回,第一节 概述,习 题,第四章 进给伺服系统,1.数控机床对伺服驱动系统有哪些要求？,返回,(1)调速范围宽并有良好的稳定性，尤其是低速时的平稳性；(2)负载特性硬，即使在低速时也应有足够的负载能力；(3)动态响应速度快；(4)高的位移精度；(5)能够频繁地启动；,下一页,上一页,伺服系统按有无反馈可分为、三类。,习 题,开环进给伺服系统,闭环进给伺服系统,半闭环进给伺服系统,伺服系统按控制信号可分为、三类。,数字伺服系统,模拟伺服系统,数字模拟混合伺服系统,第一节 概述,下一页,上一页,返回,伺服系统按控制元件可分为、三类。,第一节 概述,习 题,步进伺服系统,直流伺服系统,交流伺服系统,下一页,上一页,返回,第二节 开环伺服系统,一、组成,伺服驱动单元、执行元件、传动机构,二、步进电机,将电脉冲转变成机械角位移的装置,第四章 进给伺服系统,返回,下一页,上一页,1.分类,第四章 进给伺服系统,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）,返回,下一页,上一页,2.步进电机的结构,第四章 进给伺服系统,步进电机由转子和定子两部分组成,定子上有绕组分为若干相，每相磁极上有极齿。,左图为三相定子：AA,BB,CCA、B、C三相每相两极，每极上五个齿,1)定子,五个极齿,2.步进电机的结构,第四章 进给伺服系统,定子上线圈的绕法,下一页,上一页,返回,2.步进电机的结构,2)转子,第四章 进给伺服系统,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,下一页,上一页,返回,3.步进电机的实物图,第四章 进给伺服系统,3.步进电机的实物图,第四章 进给伺服系统,3.步进电机的实物图,第四章 进给伺服系统,3.步进电机的实物图,第四章 进给伺服系统,3.步进电机的实物图,第四章 进给伺服系统,3.步进电机的实物图,第四章 进给伺服系统,3.步进电机的实物图,第四章 进给伺服系统,3.步进电机的实物图,第四章 进给伺服系统,3.步进电机的实物图,第四章 进给伺服系统,3.步进电机的实物图,第四章 进给伺服系统,4.工作原理,如果A相通电则转子齿与A相极齿对齐，这时在B相两极下定子齿与转子齿中心线并不对齐，而是转子齿中心线较定子齿中心线反时针方向落后1/3齿距，即3o。,因此，当通电状态由A相变为B相时，转子顺时针方向转过3o，C相通电再转3o。,C相下，转子齿超前6o。,第四章 进给伺服系统,4.工作原理,第四章 进给伺服系统,三拍通电激磁，步距角=3o,一般=m绕组相数；Z转子齿数，单拍k=1,双拍k=2。,六拍通电激磁，步距角=1.5o,下一页,上一页,返回,4.工作原理,第四章 进给伺服系统,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,通断电方式,下一页,上一页,5.主要控制特性,第四章 进给伺服系统,下一页,上一页,1)步距角（）及步距误差,步距角是两个相临脉冲时间内转子转过的角度,一般来说步距角越小,控制越精确。,第四章 进给伺服系统,5.主要控制特性,步距误差直接影响执行部件的定位精度.步进电动机单相通电时,步距误差取决于定子和转子的分齿精度,和各相定子错位角度的精度。,多相通电时,其不仅与上述因素有关,还和各相电流大小,磁路性能有关。,返回,下一页,上一页,2）最高启动频率,第四章 进给伺服系统,5.主要控制特性,空载时，步进电机由静止突然启动，并不失步的进入稳速运行，所允许的启动频率的最高值为最高启动频率.,启动频率大于比值时步进电机不能正常工作，最高启动频率与步进电机的惯性负载有关.,3）最高工作频率,步进电机工作频率连续上升时，电动机不失步运行的最高频率称为最高工作频率。它的值也和负载有关。很显然，在同样负载下，最高工作频率远大于己于启动频率.,第四章 进给伺服系统,5.主要控制特性,在连续运行状态下，步进电机的电磁力矩随频率的升高而急剧下降，这两者的关系称为矩频特性.,4）矩频特性,第四章 进给伺服系统,5.主要控制特性,4）矩频特性,6.步进电机的选择,第四章 进给伺服系统,1)步进电机选择原则：,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 为使电机具有良好的起动性能及较快的响应速度 推荐 Jleq/Jm=4 式中 Jleq为系统等效负载转动惯量 Jm 为电机转动惯量,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。,=t/360i,下一页,上一页,2)步进电机选择步骤,第四章 进给伺服系统,初定步进电机步距角，计算减速比，确定齿轮副 初选步进电机型号，根据其工作方式，初定步距角,i=Z1/Z2=t/360,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。,下一页,上一页,:步进电机步距角,(o)/脉冲 t:滚珠丝杆导程，mm:脉冲当量，mm/脉冲,第四章 进给伺服系统,计算惯量,下一页,上一页,2)步进电机选择步骤,设传动系统如右图所示：,伺服系统总惯量JG为JG=Jm+Jleq,式中：Jm 步进电机转子转动惯量,Jleq 换算到电机轴上的等效负载转动惯量,第四章 进给伺服系统,2)步进电机选择步骤,计算惯量,nm 步进电机速度 r/min ni 第i个转动部件的转速r/min,Ji 第i个转动部件的转动惯量 kg.m2,Vj 第j个移动部件的移动速度 m/min,Mj 第j个移动部件的质量 kg,计算惯量,第四章 进给伺服系统,2)步进电机选择步骤,图示的一级齿轮减速系统,V=nz2.t,式中 V工作台移动速度 m/min,t丝杆导程 m,计算惯量,第四章 进给伺服系统,2)步进电机选择步骤,式中 Jz1 齿轮1的转动惯量 kg.m2,Jz2 齿轮2的转动惯量 kg.m2,Js 丝杆2的转动惯量 kg.m2,Mw 工作台的质量 kg,计算惯量,第四章 进给伺服系统,2)步进电机选择步骤,其中，齿轮、丝杆的转动惯量（J）可按圆柱体转动惯量计算,Kg/cm3,式中 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 材料比重 kg/cm3,计算惯量,第四章 进给伺服系统,2)步进电机选择步骤,对下图所示的二级齿轮减速系统,计算转矩,系统所需转矩包括加速转矩和等效负载转矩,快速空载启动时所需转矩M M=Mamax+Mf,式中:Mamax 快速空载启动时产生最大加速度所需转矩 Nm Mf 克服摩擦力所需转矩 Nm,2)步进电机选择步骤,第四章 进给伺服系统,计算转矩,2)步进电机选择步骤,第四章 进给伺服系统,由动力学知：,计算转矩,2)步进电机选择步骤,第四章 进给伺服系统,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T作台移动的磨擦力引起的。,式中 工作台与导轨之间的磨擦系数 W为工作台和工件的总重量 N,计算转矩,2)步进电机选择步骤,第四章 进给伺服系统,式中 工作台与导轨之间的磨擦系数 W为工作台和工件的总重量 N,Nm为电机转速 r/mint 为丝杆导程 mm,Vw为工作台的移动速度 m/min,计算转矩,2)步进电机选择步骤,第四章 进给伺服系统,最大切削力时所需转矩M,为了安全，此时不仅要考虑最大切削力，而且还应考虑在切削过程中产生相庆加速度所需转矩，这时所需转矩M为：,式中 Mat为切削时产生加速度所需加速转矩 Nm Mf为克服磨擦所需转矩 Nm Mt为克服切削力所需转矩 Nm,计算转矩,2)步进电机选择步骤,第四章 进给伺服系统,设与运动方向相反的最大切削力为,垂直于等轨的切削分力为。,则：,第四章 进给伺服系统,计算步进电机运行频率,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 fF 范围内可用软件实现无级调速,f=V/60,式中,V 工作台进给速度 mm/min,下一页,上一页,2)步进电机选择步骤,确定步进电机型号,第四章 进给伺服系统,根据步进电机最高工作频率fmax和正常工作进给频率fminfF，以及快速空载启动和最大切削力时所需转矩，选择步进电机型号，主要从两方面考虑:,)步进电机启动矩频特性定否能满足要求,查电机启动矩频特性曲线，得到对应于最高工作频率fmax，电机能提供的启动力矩Mq。若Mq 大于计算出的快速空载启动所需力矩，则说明所选步进电机能满足快速空载启动时所需启动力矩要求。,下一页,上一页,2)步进电机选择步骤,)步进电机运行矩频特性是否能满足要求,第四章 进给伺服系统,查电机运行矩频特性曲线，得到对应于正常工作进给最大运行频率fF电机所能提供的力矩M。,若M大于计算出的最大切削力所需转矩，则说明所选电机能满足伺服系统正常工作时所需力矩要求。,下一页,上一页,2)步进电机选择步骤,3)步进电机选择实例,第四章 进给伺服系统,例：一个工作台驱动系统如图所示，已知参数见表1，工作台与导轨磨擦系数为0.04，加速时间0.25s，求转换到电机轴上的等效转动惯量和等效力矩。,3)步进电机选择实例,第四章 进给伺服系统,例：一个工作台驱动系统如图所示，已知参数见表1，工作台与导轨磨擦系数为0.04，加速时间0.25s，求转换到电机轴上的等效转动惯量和等效力矩。,3)步进电机选择实例,第四章 进给伺服系统,例：一个工作台驱动系统如图所示，已知参数见表1，工作台与导轨磨擦系数为0.04，加速时间0.25s，求转换到电机轴上的等效转动惯量和等效力矩。,计算转矩：,三.步进伺服驱动电路,第四章 进给伺服系统,下一页,上一页,三.步进伺服驱动电路,第四章 进给伺服系统,（一）脉冲分配,按一定的规律将进给脉冲分配给步进电机定子绕组的各相,实现方法：,1.硬件,集成脉冲分配器,TTL:B013,BY014 BY015,BY016,CMOS:CH250,下一页,上一页,三.步进伺服驱动电路,第四章 进给伺服系统,（一）脉冲分配,1.软件,移位法,查表法50,返回,下一页,上一页,（二）步进电机驱动电源,第四章 进给伺服系统,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,第四章 进给伺服系统,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,第四章 进给伺服系统,从 Ti=L/R 知，为，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,第四章 进给伺服系统,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,第四章 进给伺服系统,电容C:在接通瞬间短接R 电流由 ELCT1 故C称 加速电容,电阻Rc:在电流达到恒定后还起限流作用，此时电流由 ELtRoT1,返回,下一页,上一页,第四章 进给伺服系统,输入脉冲消失后，T1截止，L两端将产生一感应电压。,V=L(di/dt)，由于T1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:LRoDL,2单电压型驱动电源,第四章 进给伺服系统,而T2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，T1、T2均截止，IL=0,输入信号为“1”时，T1 导通,t1之后，T2截止，低压供压，维持绕组所需的额定电流Ie,下一页,上一页,第四章 进给伺服系统,输入脉冲信号消失(为“0”)，T1、T2均截止，L上电流经放电回路：LRoD2EHELD1L 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,3高低压双压型驱动电源,下一页,上一页,第四章 进给伺服系统,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,绕组电流波形下凹，使电机输出转矩降低,3)R的存在使效率降低,返回,存在的问题：,下一页,上一页,4电流斩波型,第四章 进给伺服系统,在绕组回路中串接电流检测电路：当绕组电流下降至一定下限时，由检测电路发生信号、控制 高压管再度接通，使绕组 电流回升；,当电流增至某一上限时，再次断开高压源。,下一页,上一页,返回,下一页,上一页,第四章 进给伺服系统,5细分驱动电源,第四章 进给伺服系统,下一页,上一页,下一页,上一页,第四章 进给伺服系统,第四章 进给伺服系统,返回,下一页,上一页,下一页,上一页,第四章 进给伺服系统,步进电机,返回,第四章 进给伺服系统,步进电机功率驱动器,下一页,上一页,返回,下一页,上一页,第四章 进给伺服系统,步进电机功率驱动器,返回,步距角越小，意味着它所能达到的位置精度越；,步进电机的步距角计算公式为；,齿距角的计算公式为；,一个齿距角的电角度是；,一个步距角的电角度是；,在数控制机床中常采用的步距角是。,第二节 开环伺服系统 习 题,=360o/mzk,z=360/z,360o,=360o/mk,高,3o 1.5o 0.75o,下一页,上一页,习 题,7.三相步进电机为什么常采用三相六拍驱动方式，而很少采 用三相三拍驱动方式？,第二节 开环伺服系统,答：三相三拍驱动时，三相绕组是按ABCA或ACBA的顺序通电，而三相六拍驱动方式是按AABBBCCCAA顺序通电（或相反方向）。由于三相六拍制在转换时始终保持有一相线圈通电，故其工作稳定性好，而且步距角比三相三拍驱动方式缩小了一半，可以提高位置精度。,下一页,上一页,返回,习 题,8.常用步进电动机的性能指标有哪些？,第二节 开环伺服系统,答：(1)静态距一角特性和最大静态转矩。(2)启动转矩。(3)空载启动频率。(4)矩频特性。,下一页,上一页,返回,习 题,第二节 开环伺服系统,9.为什么步进电机的输出转矩随其运行频率的增高而逐渐减小？,答：因为步进电机的绕组是感性负载，在通电或断电时，绕组电流不能突变而是按指数规律变化。在绕组通电时，电流逐渐上升，从而有效转矩较小。绕组断电时，电流亦逐渐下降，残余电流产生与转动方向相反的力矩。这些都使电机产生的平均转矩下降。另外，由于运行频率的提高，磁力线变化加剧，使涡流损耗增加，也造成输出转矩的下降,下一页,上一页,返回,习 题,第二节 开环伺服系统,10.已知脉冲当量0.005mm，步进电机步距角为0.75，滚珠丝杠基本导程为4mm，求减速器的传动比.,所以，减速器传动比为 3:5。,解：脉冲当量,下一页,上一页,返回,本节结束，请返回,返回,上一页,
