数控技术CNC数控机床伺服系统教案解析.ppt

1.直流伺服电动机结构和工作原理 直流伺服电动机主要由定子、转子和电刷三部分组成。定子磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式，将直流伺服电动机分为永磁式和电磁式（它励式）。 永磁式的磁极由永磁材料制成，电磁式（它励式）的磁极由冲压硅钢片叠压而成，需要在励磁线圈中通直流电流才能产生恒定磁场。 转子又叫电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场使用下产生带动负载旋转的电磁转矩。为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，需要采用机械方式（电刷、换向片）换向。一般电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。直流伺服电动机的工作原理与普通直流电动机相同，只是为满足快速响应的要求，结构上细长一些。 电磁式（它励式）和永磁式直流伺服电动机的原理和接线如图所示： 直流伺服电机工作原理图 依据电机学原理，可推导出直流伺服电动机电磁转矩T计算公式，即 二. 交流伺服电动机 直流伺服电机存在机械整流子、电刷维护困难，造价高，寿命短、应用环境受限制的缺点。而交流伺服电机结构简单，耐用可靠，动态响应好，驱动调速技术日益成熟。 用三相交流电驱动的伺服电机叫AC伺服电机。AC伺服电机按工作原理划分为：永磁同步型；异步感应型。 1. 永磁同步型AC伺服电机 永磁同步型AC伺服电机，转子用永磁材料制成，定子装有三相对称绕组，通入三相对称、相位相差120o的交流电，可产生旋转磁场。 多极永磁同步型AC伺服电机结构如下图示转子转速 n=n1=60f/p p磁极对数，f电源频率。 交流伺服电动机 2. AC伺服电机SPWM（正弦波脉宽调制）调速 永磁同步型AC伺服电机的转速与电源频率存在严格的关系。因此，用变频调速驱动装置，非常适宜。为获得宽的调速范围，该驱动电源不仅要求电压和电流可调，而且频率也必须可以连续可调。 因此调速的关键部件之一就是变频器，变频器分为：交— 直—交型；交—交型。数控机床常用前者，而且其逆变器多采用脉宽调制PWM逆变器。 交流伺服电动机调速 异步电动机的转速为： 调节交流伺服电动机转速可采用以下几种方法： ①改变磁极对数p（变极调速）。 ②改变转差率s（变转差率调速）。 ③改变定子供电频率f1（变频调速）。 正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速 正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速 电机 机械执行部件 A相、B相 C相、… f、n CNC 插补指令 脉冲频率f 脉冲个数n 换算 脉冲环形分配变换 功率放大 a.开环伺服系统 b.闭环(半闭环)伺服系统 位置控制调节器 + + 实际位置反馈 速度控制 调节与驱动 检测与反馈单元 位置控制单元 速度控制元件 - - 电机 机械执行部件 CNC插补 指令 实际速度反馈 第一节 概述 * 步进电机种类繁多，可变磁阻式也称为反应式步进电机。用途最广泛。 第五章 数控机床伺服系统 重点： 1伺服系统的作用、要求、分类、组成 2 常用伺服电机工作原理及其驱动装置特点 5-1 概述 一、 伺服系统概念 1. 概念： 数控机床的伺服系统是指以机床移动部件位移和速度为控制对象的自动控制系统。 数控机床伺服系统包括进给伺服驱动系统；主轴伺服驱动系统。 伺服系统的组成 伺服系统由伺服电机、伺服驱动装置、机械传动装置、位置检测装置等组成。 2 . 伺服系统的基本要求 1 ） 精度高 伺服系统精度取决于机械传动精度和伺服系统最小分辨率精度。 2）响应快速 响应速度提高，可以减小跟随误差，一般在200 ms以内。 3） 稳定性好 稳定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。 4）调速范围宽 R=nmax/nmin 进给伺服与主轴范围不一样 5 ） 低速大转矩 二、伺服系统的组成 数控伺服系统由伺服电机（M）、驱动信号控制转换电路、电力电子驱动放大模块、电流调解单元、速度调解单元、位置调解单元和相应的检测装置（如光电脉冲编码器G）等组成。一般闭环伺服系统的结构如图5.1所示。它是一个三环结构系统，其中，外环是位置环，中环是速度环，内环为电流环。 位置环由位置调节控制模块、位置检测和反馈控制部分组成； 速度环由速度比较调节器、速度反馈和速度检测装置（如测速发电机、光电脉冲编码器等）组成； 电流环由电流调节器、电流反馈和电流检测环节组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器等组成。 二、伺服系统的组成 三、 对伺服电机的要求 1）在调速范围内，具有平稳的运行速度 2）具有较大较长时间的过载能力 3）具有较大的启动加速度 4）能够承受频繁启动、制动和反转 四 、 伺服系统的分类 1 按控制方式划分： 开环控制系统；半闭控制环系统；闭环控制系统。 2 按系统中执行元件电动机的类型划分 （1）步进