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1、,数控机床与编程宁波大学机械学院二0一0年,第二章 数控系统及工作原理,第一节 概述第二节 数控插补原理第三节 数控补偿原理第四节 位移与速度检测第五节 伺服驱动与控制第六节 CNC装置第七节 CNC系统中的可编程控制器（PLC）,第五节 伺服驱动与控制,数控机床伺服系统属位置随动系统，又称进给伺服系统。以移动部件的直线或角位移为控制目标，以CNC装置插补输出为指令，对工作台、主轴箱、刀架等执行部件的坐标轴位移进行控制，最终获得要求的刀具运动轨迹。进给伺服系统是数控机床的关键部件，其静、动态性能决定了数控机床的精度、稳定性、可靠性和加工效率。,一、概述,分类：,电液伺服系统电气伺服系统；开环伺
2、服系统闭环伺服系统半闭环伺服系统；,步进电动机伺服系统直流伺服系统交流伺服系统,相位伺服系统幅值伺服系统数字脉冲比较伺服系统全数字伺服系统,现代数控机床几乎都采用电气伺服系统。,开环伺服系统的优点是结构简单、运行稳定，成本低、使用和维护方便，缺点是精度低、低速不平稳、高速扭矩小，主要用于轻载、负载变化不大或经济型数控机床上。,闭环伺服系统是按误差控制的随动系统。三个控制环：电流环，速度环，位置环。,理论上讲，闭环伺服系统反馈控制环内的各种机电误差都可以得到校正和补偿，系统的定位精度取决于检测装置的精度。但机床结构和机械传动机构的各种非线性（摩擦特性、刚性、间隙等）都会影响自动调解的品质。只有机
3、械系统具有较高精度和良好性能，才能保证系统的高精度和高速度。闭环系统的缺点是调试、维修较困难，故主要用于精密、大型数控设备上。半闭环伺服系统与闭环伺服系统工作原理相同，只是位置检测元件从执行件移到伺服电动机轴或机械传动机构的中间传动丝杠轴端，系统通过角位移的测量间接计算出末端执行部件的实际位移量。半闭环控制系统的性能和复杂程度介于开环和闭环系统之间。,二、开环伺服系统,1步进电动机的工作原理步进电动机由转子和定子两部分组成，转子和定子均由带齿的硅钢片叠成。定子上均布有六个磁极及其绕组，在同一直径上的为一相，共有三相，分别记为A、B、C，每相磁极上有齿。转子上均匀分布着40个齿，齿与齿槽宽度相等
4、，齿间角（两相邻齿间的夹角）为9。定子磁极的齿间角与转子的齿间角相等。如果A相齿与转子齿中心线对齐，则B相齿相对转子齿中心线逆时针方向相差1/3齿间角，C相齿相对转子齿中心线逆时针方向相差2/3齿间角。,（一）步进电动机,若按A-C-B-A的顺序改变定子绕组通电状态，转子就逆时针旋转。上述两种通电方式称三相三拍或单三拍。若按AABBBCCCAA或AACCCBBBAA的顺序改变定子绕组通电状态，通电状态每改变一次，转子顺时针或转逆时针过1.5。这种通电方式称三相六拍。若按ABBCCAAB或ACCBBAAC的顺序改变定子绕组通电状态，通电状态每改变一次，转子顺时针或转逆时针过3。这种通电方式称双三
5、拍。,2步进电动机的主要特性,（1）步距角和静态步距误差 步距角是指步进电动机绕组通电状态改变一次（每给一个指令脉冲），转子理论上应转过的角度。静态步距误差是指其实际步距角与理论步距角之差。步进电动机静态步距角误差通常在10以内。,m是定子相数；z是转子齿数；k是通电系数，由通电方式确定，m相m拍，k1；m相2m拍，k2。,（2）静态矩角特性和最大静转矩,矩角特性曲线上的电磁转矩的最大值称为最大静转矩Tmax。最大静转矩与通电状态和绕组通电电流有关。,失调角,（3）最高启动频率 最高启动频率是指空载时，步进电动机由静止突然启动并不丢步地进入正常运行状态所允许的最高指令脉冲频率。（4）最高工作频
6、率 步进电动机启动以后，在连续运行时所能接受的最高指令脉冲频率。（5）运行矩频特性 步进电动机在连续运行时，输出转矩与连续运行频率之间的关系，它是衡量步进电动机连续运行时承载能力的动态指标。,f,M,f,M,3步进电动机的类型,按相数分:按结构分:按工作原理分：,径向分相式轴向分相式。,反应式永磁式永磁感应子式（混合式）,三、四、五、六相等,（二）步进电动机驱动器,1环形脉冲分配器 将CNC装置插补输出的进给指令脉冲，按步进电动机的绕组通电方式，按规定的顺序分配给各绕组，作为绕组通电的控制脉冲。软件脉冲分配器：CNC装置输出接口的一位对应步进电动机绕组的一相，通过对输出接口置“1”和清“0”来
7、实现脉冲的输出，脉冲分配规律则通过软件逻辑实现。硬件脉冲分配器：以D触发器或JK触发器为主加分立元件构成逻辑电路；用专用的集成环形脉冲分配器，外配分立元件构成；目前广泛采用集成环形脉冲分配器。,集成环形脉冲分配器集成度高、功能强、可靠性好、可编程。,在启动和停止阶段应进行加减速控制，使控制步进电动机的脉冲频率平滑上升或下降，以适应步进电动机的启、制动特性。加减速控制的功能可由软件实现，也可以由硬件电路实现。,2功率放大器 功用：将几毫安信号放大到几安至十几安培，从而驱动步进电动机运转。步进电动机所使用的功率放大器有电压型和电流型两种。电压型：单电压型、双电压型(高低压型)，电流型：恒流型、斩波
8、恒流型等。,三、闭环和半闭环伺服系统,1永磁式直流伺服电动机 在数控机床的进给伺服系统中，主要使用永磁式直流伺服电动机；主运动调速系统中，主要使用电磁式直流电动机。永磁式直流伺服电动机又称大惯量宽调速直流伺服电动机，或直流力矩电动机，具有转矩大、转矩和电流成正比、伺服性能好、反应迅速、体积小、功率体积比大、功率质量比大、稳定性好等优点，能在较大过载转矩下长时间工作，可直接与丝杠相连而不需中间传动装置。永磁式直流伺服电动机由定子、转子、电刷和换向器等部分构成。,（一）直流伺服电动机及其速度控制,伺服电动机,直流伺服电动机都可以内装速度和位移检测元件，供用户选购。速度检测元件一般采用低纹波（纹波系
9、数一般在2%以下）的测速发电机，其输出电压可作为速度环的反馈信号。位移检测元件一般采用旋转变压器或脉冲编码器。,2直流电动机的机械特性、调速原理和方法,机械特性方程（2-18）,式（2-18）描述了直流伺服电动机转速、电磁转矩与电枢电压、励磁磁通之间的关系。通过改变电枢电压进行调速的方法称调压调速。调压调速时，电枢回路的外加电压不高于电动机电枢额定电压，从额定电压往下降低电枢电压，即从额定转速向下调速。调压调速属恒转矩调速，速调速范围较宽。通过改变励磁磁通量进行调速的方法称调磁调速。励磁磁通量只能从额定值往下减弱，即从额定转速向上调速。调磁调速属恒功率调速，速调范围较窄，一般小于4。,3晶体管
10、脉宽调制调速系统,（1）PWM系统的组成原理,（2）脉宽调制调速系统主回路,（3）脉宽调制器,（二）交流伺服电动机及其速度控制,交流伺服电动机没有电刷和换向器等结构上的缺陷，可以达到更高的转速和更大的容量，并且结构相对简单，同样体积下，功率可比直流伺服电动机提高1070。随着功率开关器件、专用集成电路、计算机技术和控制算法、电动机制造技术等的发展，使得交流伺服系统的性能优于直流伺服系统。现代数控机床进给驱动中普遍采用交流伺服系统，直流伺服系统已基本被交流伺服系统所取代。,1交流伺服电动机,同步交流伺服电动机：永磁式、励磁式、磁阻式和磁滞式，数控机床进给伺服系统多采用永磁同步交流伺服电动机，其优
11、点是电动机结构简单、运行可靠、效率较高，尽管体积比其它同步交流伺服电动机稍大。异步交流伺服电动机：也称交流感应伺服电动机，主要用于数控机床主运动的无级调速驱动，具有结构简单、制造成本低、容量大等优点。,（1）永磁同步交流伺服电动机结构,由定子、转子和速度检测元件三部分组成。,（2）永磁同步交流伺服电动机工作原理,当定子三相绕组通以三相交流电后，产生一个旋转磁场，该旋转磁场以同步转速ns旋转，该旋转磁场和转子永久磁场相互作用，即定子和转子异性磁极相互吸引，使定子旋转磁场带动转子一起以同步转速ns旋转，如图2-37所示。,永磁同步交流伺服电动机的极对数p是固定的，则只能通过改变交流电频率f来可达到
12、调速目的，这种调速方法称为变频调速。变频调速的主要环节是变频电源，又称变频器。变频器可分为交直交变频器和交交变频器两大类。交直交变频器：先将电网电源输入到整流器，经整流后变为直流，再经电容或电感或由两者组合的电路滤波后供给逆变器（直流变交流）部分，输出电压和频率可变的交流电。交交变频器不经过中间环节，直接将一种频率的交流电变换为另一种频率的交流电。目前数控机床进给驱动上常用交直交变频器，采用PWM控制。,2交流伺服电动机的速度控制,电流环,速度环,（1）PWM变频器,PWM变频器是采用脉冲宽度调制方法来控制交流电频率的。最基本、应用最广泛的是SPWM调制，即正弦波脉冲宽度调制 SPWM变频器由
13、U/f变换器、SPWM调制器和功率放大器主回路三部分组成。,（2）SPWM调制原理及调制器,功用是调制出与正弦波等效的一系列等幅、不等宽的矩形脉冲波形，如图2-39所示。等效的原则是各矩形脉冲的面积与正弦波下的面积相等或成比例。,图2-40为一种单相双极性SPWM调制器的电路原理图。该电路用三角波ut为载波，用正弦波us为控制波，进行脉冲宽度调制，得到调制波um、ut、us、和um的波形如图2-42所示。,（3）SPWM变频器功率放大主回路,SPWM调制器输出的SPWM调制波经功率放大才能驱动交流伺服电动机，图2-41为与上述SPWM调制器配套的双极性SPWM功率放大主回路,桥式整流器,逆变器
14、,采用上述硬件电路实现SPWM控制的方法，缺点是所需硬件比较多，而且不够灵活，改变参数和调试比较麻烦。全数字伺服系统采用微处理器通过软件算法实现SPWM控制。在全数字伺服系统中，速度调节器、电流调节器等弱电控制功能都是由软件算法实现的，其优点是所需硬件少，灵活性好，智能性强。采用微机控制的数字化SPWM技术已占当今PWM逆变器的主导地位。,（三）位置控制,位置控制是伺服系统位置环的任务，是伺服系统重要组成部分，是保证执行件位置精度的关键环节。实现位置控制的专用装置有全硬件伺服系统，也有全数字伺服系统。全硬件伺服系统多采用数字脉冲比较方式。全数字伺服系统采用一个或多个微处理器为控制核心，通过软件
15、实现伺服系统的所有控制功能。采用全数字伺服系统配合CNC装置实现位置控制，是数控机床伺服系统的发展方向，,1数字脉冲比较伺服系统,在数字脉冲比较伺服系统中，指令位移和实际位移均采用数字脉冲或数码表示，采用数字脉冲比较的方法构成位置闭环控制。优点：结构比较简单，易于实现数字化控制，其控制性能优于相位和幅值伺服系统。在半闭环控制的数字脉冲比较伺服系统中，多使用脉冲编码器或绝对值编码器作为检测元件。在闭环控制的数字脉冲比较伺服系统中，多使用光栅或绝对值磁尺、绝对值光电编码尺作为检测元件。,2全数字伺服系统,全数字伺服系统用计算机软件来实现伺服系统全部信息处理和控制功能，主要包括位置环、速度环和电流环
16、中控制任务的实现。全数字伺服系统可以包括位置环控制，也可以将位置环控制任务交给CNC装置由软件完成。全数字伺服系统在硬件构成上，可以使用一个微处理器完成所有控制任务，也可以使用多个微处理器，将控制任务分解为位置控制、速度控制和电流控制、PWM调制等几部分，各部分控制功能采用单独的微处理器构成相应的功能模块分别加以实现。全数字伺服系统的微处理器主要采用DSP或通用的单片机，也可直接采用工业PC机作为全数字伺服系统控制器。全数字伺服系统已获得广泛应用，将成为伺服系统的主流。,作业,2-30 开环、半闭环、闭环伺服系统的根本区别在哪里？说明它们的特点。2-32 指出你知道的实现环形脉冲分配的方法？2-35 简述脉宽调制的基本原理。2-38 SPWM调制原理是什么？2-40 简述数字脉冲比较伺服系统的结构和工作原理。,
