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数控技术及应用第七章数控机床的伺服系统
1-定子 2-永久磁铁 3-轴向通风孔 4-转轴 图7-17 永磁交流伺服电机的结构剖面图 1-铁心 2-永久磁铁 3-非磁性套筒 图7-18 永磁转子示意图 当转子加上负载后,将造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合,其夹角为θ,负载越大,θ也越大,但只要不超过一定的限度,转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速ns旋转。转子转速为n=ns=60f/p(r/min),式中f——电源频率,p——磁极对数。 永磁交流伺服电机的机械特性比直流伺服电机的机械特性要硬,在正常工作区,转速——转矩曲线更接近水平线。断续工作区的范围扩大,高速性能优越,有利于提高电机的加、减能力。 二、交流伺服电机的速度控制单元 由于同步伺服电机的转速为n=60f/p,不存在转差率问题,因此,不能用调节转差率S的方法来调速,也由于要求无级调速,只能用变频(f)的方法调速。 永磁交流伺服系统有两种类型,一是矩形波电流驱动的永磁永流伺服系统,二是正弦波电流驱动的永磁永流伺服系统。第一种也称为无刷直流伺服电动机,第二种也称无刷交流伺服电动机。从发展趋势看,正弦波驱动将成为主导地位。 永磁交流伺服电机变频调速控制单元中的主要部件是变频器。变频器分为交—直—交型和交—交型变频器,前者广泛应用在数控机床和伺服系统中。所谓交—直—交型变频器中的交—直是将交流变为直流电,直—交是将直流变为调频、调压的交流电,通常采用脉宽调制原理。 关于脉冲调制的原理是这样的:假如我们要在电机和某相绕组内获得一个正弦电流,以A相为例,iA(iA=sinωt)则我们可以用以下的等效措施来获得。电路及波形如图7-19所示。 图7-19 脉宽调制的电路结构及波形图 设Tp为脉冲周期,用脉宽调制的等效电流iP表达式为: ia=1/Tp∫Ec/RL·dt=Ec/RL·K, · · · · · ·(7.5.1) K——占空比 欲使绕阻内的电流为正弦波则 ia=1/Tp∫Ec/RL·sinωt · · · · · ·(7.5.2) 由(7.5.1)及(7.5.2)得:K=sinωt K是ωt的函数,在不同的相位处K的值是不同的,计算和实现脉宽调制时通常把一个周期上分成固定的若干份,每一份都有对应的占控比,发相应的脉宽信号,该信号用来控制H型电路的相应M03管。一般把ωt在2的周期上分成1000分就足够能使iP的波形接近所期望的正弦波了。我们只需在计算机内制一个1000个点的占空比数据表,这1000个点均对应与ωt为2π角度以内。此表是由精确计算sinωt得到。当ωt的间隔为0.36°用计算机的定时器中断。在中断服务子程序取1000个点中心的对应点的占空比值。是取满1000个点,说明iP完成了一个周期,若要改变速度时只需改变一个值即定时器时间常数即可改变了检表取表的速度,改变iP的频率的目的完成变速的要求。 第六节 伺服系统的位置控制 位置控制分为开环、闭环和半闭环控制。开环控制实际上就是步进电机系统。半闭环一般只能保证伺服电机的角位移,无法从根本上消除传动间隙。全闭环可以消除传动间隙。从电气角度看,全闭环与半闭环是一样的。在控制方式上位置控制主要由以下三种: 一、数字比较伺服系统 数字比较伺服系统的闭环控制的结构框图如图7-20所示。整个系统由三部分组成:采用光电编码器产生位置反馈脉冲信号Pf;实现指令脉冲F与反馈脉冲Pf的脉冲比较,以取得位置偏差信号e;以位置偏差e 作为速度给定的伺服电机速度调节系统。 闭环与半闭环在结构上的不同点是:半闭环的检测元件一般安装在丝杠轴上,而闭环的检测元件则安装在工作台上。 闭环数字比较伺服系统的工作原理简述如下: (1)开始时,指令脉冲F=0,且工作台原来处于静止状态,则反馈脉冲Pf为零,经比较环节则e=F-Pf=0,那么伺服电机的速度给定为零,伺服电机不动,工作台仍处于静止状态。 (2)令脉冲为正向指令脉冲时,即F0,工作台在没有移动之前,反馈脉冲Pf仍为零,经比较环节比较 ,e=F-Pf0,那么,调速系统驱动工作台正向进给。随着电机的运转,检测元件的反馈脉冲信号通过采样进入比较环节。该脉冲比较环节对F和Pf进行比较,按负反馈原理,只有当F和Pf的脉冲个数相等时,偏差e=F-Pf=0,工作台才重新稳定在指令所规定的位置上。 伺服 放大器 伺服电机 D/A 工作台 指气脉冲 图 7 - 20 闭环数字比较系统结构 P f 反馈脉冲 脉冲处理 位置信息 位置检测器 比较环节 (3)当指令脉冲F为负向指令时,即F0,其控制过程与F为正向指令脉冲的控制过程类似,只是此时e0,工作台
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