数控机床(伺服驱动).ppt

第五节 伺服驱动与控制 一、概述 二、开环伺服系统 三、闭环与半闭环伺服系统 一、概 述 定义——数控机床伺服系统属位置随动系统，是以移动部件的直线或角位移为控制目标的自动控制系统，它以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。因此，数控机床的伺服系统也被称为进给伺服系统。 特征——进给伺服系统结构复杂，综合性强，涉及到电工电子技术、电机拖动技术、自动控制理论、精密机械传动技术、计算机控制技术等多种新技术的应用。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。 分类—— 按使用的执行元件可分为电液和电气伺服系统； 按伺服调节理论可分为开环、闭环和半闭环伺服系统； 电气伺服系统还可分为步进电动机、直流和交流伺服系统； 闭环和半闭环伺服系统还可按位置反馈控制方式分为相位、幅值统、数字脉冲比较和全数字伺服系统。 电液伺服系统已经基本上被电气伺服系统取代，仅在大型和重型数控机床上还有采用。现代数控机床几乎都采用电气伺服系统。 开环伺服系统—— 系统中信号流向是单向的，只有指令信号的前向控制通道，没有检测反馈控制通道，执行元件主要采用步进电动机。 CNC装置的插补结果以各坐标轴进给指令脉冲的形式输出。 驱动器的功能是将进给指令脉冲按一定规律分配给步进电动机各相绕组并进行功率放大，而后驱动步进电动机转动。 机械传动机构将步进电动机的转动转换为执行部件的坐标运动。 执行部件运动的位移和速度，取决于步进电动机的转角和转速，并分别与进给指令脉冲的个数成和频率正比。 工作时驱动电路、步进电动机和机械传动机构都会引起执行部件的位移误差。由于没有位移检测反馈环节，这些误差无法得到补偿和消除。 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—— 闭环和半闭环伺服系统是按误差控制的随动系统。包括三个控制环，外环是位置环，中环是速度环，内环为电流环。 控制量是CNC装置插补输出的指令位移和执行部件实际位移的。 由位移检测装置测出各坐标轴的实际位移量，并反馈给位置比较器与指令位移进行比较，求得误差。 经位置调节器引入调节特性后，输出指令速度与检测反馈的实际速度相比较，得到速度误差送入速度环。 由速度环(其内部有电流环)对速度误差进一步变换和功率放大后，驱动伺服电动机转动。 通过机械传动机构使执行件向消除误差的方向运动，直到误差为零。 二、开环伺服系统 （一）步进电动机 1．步进电动机的工作原理 由转子和定子组成。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，同一直径上的为一相，共有三相，磁极上有齿。转子上均匀分布着40个齿，齿与齿槽宽度相等，齿间角9°。定子与转子齿间角相等。如果A相齿与转子齿中心线对齐，B相齿相对转子齿逆时针差1/3齿间角，C相齿相对转子齿逆时针差2/3齿间角。 如果A相通电，则转子齿与A相齿对齐；当A相断电而B相通电时，在电磁吸引力产生的转矩作用下，转子顺时针方向转过3°，转子齿与B相齿对齐，电磁转矩为零，转子处于新的受力平衡位置；当B相断电而C相通电时，转子又顺时针方向转过3。定子绕组通电状态每改变一次，转子向确定的方向转过一个固定的角度。 A-B-C-A…通电，转子顺时针转。 A-C- B-A…通电，转子逆时针转。A→AB→B→BC→C→CA→A… 或A→AC→C→CB→B→BA→A…通电，转子每次转过1.5°。 2．步进电动机的主要特性 步距角和静态步距误差 是指步进电动机绕组通电状态改变一次（对应每给一个指令脉冲），转子理论上应转过的角度。步距角α，有 m定子相数；z 转子齿数；k通电系数，m相m拍，k=1，m相2m 拍，k=2。 数控机床使用的步进电动机α小，常见的有3°/1.5°、1.5°/0.75°。 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。 最高工作频率 指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。最高工作频率远大于最高启动频率。 运行矩频特性 描述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。是衡量步进电动机连续运行时承载能力的动态指标。 上述步进电动机的后四项主要特性均与驱动电源有很大关系。 3．步进电动机的类型 按相数分——主要有三、四、五、六相等几种。相数越多，步距角越小。采用多相通电，可