数控装备技术进给伺服B.ppt
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1、1,第四章 进给伺服系统,第三节 直流伺服控制系统,2,4-3 直流伺服电机及速度控制,一.直流伺服电机1、工作原理,3,4-3 直流伺服电机及速度控制,4,4-3 直流伺服电机及速度控制,2、常用直流电机永磁式直流电机(有槽、无槽、杯型、印刷绕组)励磁式直流电机无刷直流电机直流力矩电机,5,在数控机床中,进给系统常用的直流伺服电机:1)小惯性直流伺服电机因转动惯量小而得名。这类电机一般为永磁式。小惯量直流电机最大限度地减小电枢的转动惯量,所以能获得最快的响应速度。在早期的数控机床上应用得比较多。,6,2)大惯量宽调速直流伺服电机(直流力矩电机)转子直径较大,线圈绕组匝数增加,力矩大,转动惯量
2、大,能在较大过载转矩时长时间工作,因此可直接与丝杠相连,不需中间传动装置。特点:能在较低转速下实现平稳运行,最低可达1r min,甚至0.1rmin。数控机床上应用广泛。,7,3)无刷直流伺服电机(无整流子电机)没有换向器,由同步电机和逆变器组成,逆变器由装在转子上的转子位置传感器控制。实质是一种交流调速电机,调速性能可达到直流伺服发电机的水平,又取消了换向装置和电刷部件,提高了电机使用寿命。,8,4-3 直流伺服电机及速度控制,3、结构,永磁直流伺服电机的结构,9,直流电机转速与转矩的关系称机械特性机械特性是电机的静态特性,是稳定运行时带动负载的性能,此时,电磁转矩与外负载相等。电机转速与理
3、想转速的差n,反映了电机机械特性硬度,n越小,机械特性越硬。,4、静态特性,10,电磁转矩由下式表示:KT 转矩常数;磁场磁通;Ia 电枢电流;TM 电磁转矩。电枢回路的电压平衡方程式为:Ua 电枢上的外加电压;Ra 电枢电阻;Ea 电枢反电势。电枢反电势与转速之间有以下关系:Ke电势常数;电机转速(角速度)。,11,根据以上各式可以求得:,n0电机理想空载转速,直流电机的基本调速方式有三种:调节电阻Ra调节电枢电压Ua调节磁通的值,12,电枢电阻调速不经济,调速范围有限,很少采用。调节电枢电压(调压调速)时,直流电机机械特性为一组平行线,只改变电机的理想转速n0,保持了原有较硬的机械特性,所
4、以调压调速主要用于伺服进给驱动系统电机的调速,5、直流伺服电机的调速原理,如果n值较大,不可能实现宽范围的调速。永磁式直流伺服电机的n值较小,因此,进给系统常采用永磁式直流电机,13,调节磁通(调磁调速)不但改变了电机的理想转速,而且使直流电机机械特性变软,所以调磁调速主要用于机床主轴电机调速。,14,4-3 直流伺服电机及速度控制,6、直流伺服电机的速度控制方式(1)晶闸管(可控硅)调速系统 通过改变晶闸管触发角,改变伺服电机的外加电压,从而达到调速目的。,15,原理:三相整流器,由二个半波整流电路组成。每部分内又分成共阴极组(1、3、5)和共阳极组(2、4、6)。为构成回路,这二组中必须各
5、有一个可控硅同时导通。1、3、5在正半周导通,2、4、6在负半周导通。每组内(即二相间)触发脉冲相位相差120,每相内二个触发脉冲相差180。按管号排列,触发脉冲的顺序:1-2-3-4-5-6,相邻之间相位差60。,16,4-3 直流伺服电机及速度控制,(2)晶体管脉宽调制调速系统(PWM)利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放大器的开关时间进行控制,将直流电压转换成某一频率的矩形波电压,加到直流电动机的转子回路两端,通过对矩形波脉冲宽度的控制,改变转子回路两端的平均电压,达到调速的目的。脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。,17,4-3 直流伺服电机及速度控制,控制电路简单,不需附加关断电路
6、,开关特性好。广泛应用于中、小功率直流伺服系统,18,4-3 直流伺服电机及速度控制,19,直流电机电压的平均值:,T脉冲周期,Ton导通时间,20,4-3 直流伺服电机及速度控制,PWM调速的特点电机的损耗、噪声小系统动态特性好,响应频带宽低速时电流脉动和转速脉动都很小,稳速精度高功率管工作在开关状态,耗损小,控制方便响应快功率管承受高峰值电流的能力差。,21,7、动态特性直流电机的动态力矩平衡方程式为 式中 TM 电机电磁转矩;TL 折算到电机轴上的负载转矩;电机转子角速度;J 电机转子上总转动惯量;t 时间自变量。,22,4-3 直流伺服电机及速度控制,8、直流伺服电机的性能特点 1)低
7、转速大惯量 2)转矩大 3)起动力矩大 4)调速泛围大,低速运行平稳,力矩波动小 5)它的电刷和换向器易磨损 6)电机最高转速的限制,应用环境的限制 7)结构复杂,制造困难,成本高,23,第四节 交流伺服控制系统,24,由于直流伺服电机具有优良的调速性能,80年代初至90年代中,在要求调速性能较高的场合,直流伺服电机调速系统的应用一直占据主导地位。但也存在一些固有的缺点,即:电刷和换向器易磨损,维护麻烦结构复杂,制造困难,成本高而交流伺服电机则没有上述缺点。特别是在同样体积下,交流伺服电机的输出功率比直流电机提高10%70%,且可达到的转速比直流电机高。因此,人们一直在寻求交流电机调速方案来取
8、代直流电机调速的方案。,25,4-4 交流伺服电机及速度控制,一.交流伺服电机1、种类,数控机床上应用的交流电机一般都为三相。分:异步型和同步型交流伺服电机。从建立所需气隙磁场的磁势源来说,同步型交流电机分:电磁式及非电磁式两大类。非电磁式有磁滞式、永磁式和反应式多种。,26,永磁式同步电机:优点:结构简单、运行可靠、效率高;缺点:启动特性欠佳。与直流电机比:外形尺寸、重量、转子惯量大幅减小与异步交流伺服电机相比:效率高、体积小。,异步型交流伺服电机(与同容量的直流电机相比)优点:重量轻,价格便宜;缺点:转速受负载的变化影响较大,不能经济地实现范围较广的平滑调速故异步型交流伺服电机用在主轴驱动
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