第5章 数控机床伺服系统课件.ppt

第5章 数控机床的伺服系统;§5-1 概 述 ;一、伺服系统的分类 1.按控制对象和使用目的分类 （1）进给驱动 　控制机床各坐标轴的切削进给运动。包括速度控制和位置控制。 （2）主轴驱动 　主要控制机床主轴在切削过程中的速度。对于有C轴功能的机床主轴，也需要位置控制。 （3）辅助驱动 　控制刀库、料库等辅助系统，多采用简易的位置控制。;2.按伺服系统的结构分类 （1）开环伺服系统 无位置反馈的系统，驱动元件主要是功率步进电机或电液脉冲马达。特点是结构简单，易于控制，但精度差，低速不平稳，高速扭矩小。;（2）闭环伺服系统 由位置控制单元、速度控制单元、驱动元件、工作台、检测装置组成。特点是反馈测量装置精度高，所以各种误差都可以得到补偿，提高了跟随精度和定位精度。 ;（3）半闭环伺服系统 检测装置安装在驱动元件或中间传动部件的轴上，因此是间接测量。目前数控设备大多数使用半闭环伺服系统。 ;二、对伺服系统的要求 1.对机床进给伺服系统的要求 （1）高精度 （2）稳定性好 （3）快速响应 （4）电机调速范围宽 （5）低速大转矩 （6）可靠性高;2.对主轴伺服系统的要求 主轴伺服系统一般为速度控制系统，除前面的一般要求外，还具有下面的控制功能。 （1）主轴与进给驱动的同步控制 （2）准停控制 （3）角度分度控制 另外，对伺服系统的执行元件—伺服电机也相应提出高精度、快反应、宽调速和大转矩等要求。 ;三、伺服系统的发展过程 第一阶段：20世纪70年代以前，以电液伺服系统和步进伺服系统为主。 第二阶段：20世纪70～80年代中期，直流伺服逐渐占据主导地位。 第三阶段：80年代以后，由于交流伺服电机的结构、控制理论及控制方法均有突破性的进展。交流伺服系统得到迅速发展。;§5-2 步进电机伺服系统 ;当Ａ相绕组通直流电时→ＡＡ相产生磁场→吸引转子使转子的齿与定子ＡＡ磁极上的齿对齐→Ａ断电→Ｂ通电→转子的齿与ＢＢ磁极上的齿对齐→Ｂ断电→Ｃ通电………;此方式称为三相三拍，步距角为60°。 步距角：步进电机绕组的通电状态每改变一次，其转子转过的角度。;定子不变，转子变为四个磁极。 则： 当三相三拍时，步距角为30° 当三相六拍时，步距角为15°;实际步进电机定子和转子齿数很多，齿数越多步距角越小。但定子各极的齿依次与转子的齿错开齿距的1/m（m为电机相数）。;可以得到如下结论： （1）步进电机的步距角α与定子绕组的相数ｍ、转子的齿数ｚ、通电方式ｋ有关，可用下式表示： 式中，ｍ相ｍ拍时，ｋ=1； 　　　ｍ相２ｍ拍时，ｋ=2； 　　α一般为0.75°～3°。 （2）改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向也随之改变。 （3）通电状态的变化频率越高，转子的转速越高。;2.步进电机的分类 根据磁场建立方式，可分为以下三种： （1）反应式步进电动机 　定子、转子铁芯都用软磁材料制造，定位精度可以做得很高、步矩角可以较小。工作时完全靠磁阻的变化产生工作转矩。此类步进电机一旦断电就完全失去工作力矩。;（2）永磁式步进电动机 　定子、转子铁芯的其中之一以永磁材料制造（大多数是转子），另一件用软磁材料。 （3）混合式步进电动机 　是反应式与永磁式步进电动机的混合，它可以实现断电以后获得一定数量的剩余转矩，还可以使步距角很小。;二、步进电动机的主要特性 1.静态矩角特性和最大静转矩 当步进电动机在某相通电时，在电机轴上施加一个负载转矩，转子会转过一个角度θ，转子受一个电磁转矩T作用与负载平衡，该电磁转矩T称为静态转矩，该角度θ称为失调角。 静态转矩随失调角的变化曲线称为矩角特性，曲线上电磁转矩最大值称为最大静转矩。;2.最高空载起动频率 在空载条件下，步进电动机能够正常起动可以施加的最高脉冲频率。起动时指令脉冲频率应小于起动频率，否则将产生失步。步进电动机在带负载下的起动频率比空载要低。 3.最高空载运行频率 在空载条件下，步进电动机进入正常工作状态后，能够维持不丢步运行的最高频率。它通常是最高起动频率的4～10倍。;4.运行矩频特性 是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。它是衡量步进电机运转时承载能力的动态指标。;三、步进电动机的基本工作状态 步进电动机的基本工作状态可分为静态、稳态、过渡状态三种。 1.静态 是指步进电动机某相通以恒定的电流，使转子处于固定位置的状态。在静态时，绕组中的电流最大，有时会产生发热现象。 2.稳态 是指步进电动机在某一固定频率下恒速运转状态。它分为以下三个区：;（1）低频区 步进电动机工作于较低的频率区内，在这个范围内，步进电动机转子每转动一步的时间比换相周期小。在低频区工作的步进电动机会引起较大的振动并影响精度。;（2）共振区 当频率在接近转子的共振频率或在共振频率整数倍的区域为共振区