数控机床伺服驱动系统课件.ppt

第5章 数控机床伺服驱动系统,1,a,第5章 数控机床伺服驱动系统1a,数控机床伺服驱动系统,概述数控机床主轴驱动系统数控机床进给驱动系统,2,a,数控机床伺服驱动系统概述2a,5.1 概述,伺服系统的组成数控机床对伺服系统的基本要求伺服系统的分类,3,a,5.1 概述伺服系统的组成3a,一、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。,4,a,一、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,伺服系统的组成,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。,5,a,伺服系统的组成位置环由位置调节控制模块、位置检测和反馈控制部,二、数控机床对伺服系统的基本要求,1）精度高伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。作为数控加工，对定位精度和轮廓加工精度要求都比较高，定位精度一般允许的偏差为0.010.001mm，甚至0.1。轮廓加工精度与速度控制、联动坐标的协调一致控制有关。在速度控制中，要求较高的调速精度，具有比较强的抗负载扰动能力，对静态、动态精度要求都比较高。,6,a,二、数控机床对伺服系统的基本要求1）精度高6a,数控机床对伺服系统的基本要求,2）稳定性好 稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态，对伺服系统要求有较强的抗干扰能力。稳定性是保证数控机床正常工作的条件，直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。,7,a,数控机床对伺服系统的基本要求2）稳定性好 7a,数控机床对伺服系统的基本要求,3）快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。一方面要求过渡过程（电机从静止到额定转速）的时间要短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面要求超调要小。这二方面的要求往往是矛盾的，实际应用中要采取一定措施，按工艺加工要求做出一定的选择。,8,a,数控机床对伺服系统的基本要求3）快速响应 8a,数控机床对伺服系统的基本要求,4）调速范围宽 调速范围是 指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。通常表示为：在数控机床中，由于加工用刀具，被加工材质及零件加工要求的不同，进给伺服系统需要具有足够宽的调速范围。目前较先进的水平是，在分辨率为1的情况下，进给速度范围为0240m/min，且无级连续可调。但对于一般的数控机床而言，要求进给伺服系统在024m/min进给速度范围内都能工作就足够了。,9,a,数控机床对伺服系统的基本要求4）调速范围宽 9a,数控机床对伺服系统的基本要求,5）低速大转矩 机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。,10,a,数控机床对伺服系统的基本要求5）低速大转矩 10a,三、伺服系统的分类,（1）按调节理论分类开环伺服系统闭环伺服系统半闭环系统,11,a,三、伺服系统的分类（1）按调节理论分类11a,伺服系统的分类,（2）按使用的执行元件分类电液伺服系统电气伺服系统（步进伺服系统、直流伺服系统、交流伺服系统）,12,a,伺服系统的分类（2）按使用的执行元件分类12a,伺服系统的分类,（3）按被控对象分类进给伺服系统主轴伺服系统,13,a,伺服系统的分类（3）按被控对象分类13a,伺服系统的分类,（4）按反馈比较控制方式分类脉冲、数字比较伺服系统相位比较伺服系统幅值比较伺服系统全数字伺服系统,14,a,伺服系统的分类（4）按反馈比较控制方式分类14a,5.2 数控机床主轴驱动系统,主轴驱动装置及工作特性主轴分段无极变速及控制主轴准停控制主轴与进给轴关联控制,15,a,5.2 数控机床主轴驱动系统主轴驱动装置及工作特性15a,一、主轴驱动装置及工作特性,（1）主轴电动机及驱动装置数控机床的主轴驱动系统由主轴驱动装置和主轴电动机两部分构成，有直流电动机及相应的驱动装置和交流电动机及相应的驱动装置两种。直流电动机及驱动装置数控机床进给轴采用永磁式伺服电动机和脉宽调制（PWM）调速装置，其特点是惯性小、调速性能优越，便于位置控制应用。但永磁式伺服电动机和脉宽调制（PWM）调速装置都不能适应主轴电动机输出功率的要求，数控机床的主轴电动机一般只能采用它励式直流电动机和三相全控晶闸管调速装置。为缩小电动机体积并改善冷却效果，常采用轴向强迫风冷或热管冷却方式。,16,a,一、主轴驱动装置及工作特性（1）主轴电动机及驱动装置16a,主轴电动机及驱动装置,交流电动机及驱动装置输出转换型交流主轴电动机：为满足机床切削的需要，要求主轴电动机在任何刀具切削速度下都能提供恒定的功率，FANUC公司开发出一种称为输出转换型交流主轴电动机。其输出切换方法很多，包括三角形星形切换和绕组数切换，或二者组合切换。尤其是绕组数切换方法比较方便，而且，每套绕组都能分别设计成最佳的功率特性，能得到非常宽的恒功率范围。,17,a,主轴电动机及驱动装置交流电动机及驱动装置17a,交流电动机及驱动装置,液体冷却主轴电动机：其结构特点是在电动机外壳和前端盖中间有一个独特的油路通道，用强迫循环的润滑油经此来冷却绕组和轴承，使电动机可在20000r/min高速下连续运行。这类电动机的恒功率范围也很宽。内装式主轴电动机（电主轴）：将主轴与电动机合为一体。电动机轴就是主轴本身，而电动机的定子被拼入在主轴内。内装式主轴电动机由空心轴转子、带绕组的定子和检测器三部分组成。由于电动机与主轴合二为一，既简化了结构，也消除了振动，降低了噪声，非常有利于高速运行。,18,a,交流电动机及驱动装置液体冷却主轴电动机：其结构特点是在电动机,主轴驱动装置及工作特性,（2）主轴驱动工作特性,19,a,主轴驱动装置及工作特性（2）主轴驱动工作特性 19a,二、主轴分段无极变速及控制,（1）分段无级变速原理数控机床采用无级调速主轴机构，可以大大简化主轴箱。但低速段输出转矩常无法满足强切削转矩的要求。如单纯追求无级调速，必然增大主轴电动机功率，主轴电动机与驱动装置的体积、质量及成本都会大大增加，电动机的运行效率会大大降低。因此数控机床常采用14挡齿轮变速与无级调速相结合的方案，即分段无级变速。图5.3所示为采用与不采用齿轮减速主轴的输出特性。,20,a,二、主轴分段无极变速及控制（1）分段无级变速原理20a,分段无级变速原理,采用齿轮减速虽然可增大低速时的输出转矩，但同时降低了最高主轴转速。因此须采用齿轮自动换挡，达到既满足低速转矩，又满足最高主轴转速的要求。数控系统一般均提供4挡自动变速功能，而数控机床通常使用两挡即可满足要求。在数控系统参数区设置M41M44四挡对应的最高主轴转速后，即可用M41M44指令控制齿轮自动换挡。控制过程中，数控系统将根据当前S指令值，自动判断挡位，向PLC输出相应的M41M44指令，由PLC控制变换齿轮位置；数控装置同时输出相应的模拟电压或数字信号设定对应的速度。其控制结构如图5.4所示。,21,a,分段无级变速原理采用齿轮减速虽然可增大低速时的输出转矩，但同,主轴分段无极变速及控制,（2）自动换挡控制自动变速动作控制时序如图5.5所示。M代码输出M选通M代码确认M代码执行主轴蠕动 换挡完成转速设定,22,a,主轴分段无极变速及控制（2）自动换挡控制22a,主轴分段无极变速及控制,（3）变挡机构液压拨叉变挡机构：液压拨叉是用一只或几只液压缸带动齿轮移动的变速机构。最简单的二位液压缸实现双联齿轮变速。三联或三联以上的齿轮换挡则需使用差动液压缸（具体结构和工作原理可参阅相关书籍）。液压拨叉变挡机构较为复杂，不但需要附加一套液压装置，还需将电信号转换为电磁阀动作，控制压力油分至相应的液压缸。,23,a,主轴分段无极变速及控制（3）变挡机构23a,变挡机构,电磁离合器变挡机构：电磁离合器可以通过控制线圈的通断，来控制传动链接续和切断，便于实现电气自动控制。其缺点是体积较大，产生的磁通易使机械零件磁化。在数控机床主轴传动中，使用电磁离合器可简化变速机构，通过安装在各传动轴上离合器的吸合与分离，形成不同的运动组合传动链，实现主轴变速。数控机床常使用无滑环摩擦片式电磁离合器和牙嵌式电磁离合器。摩擦片式电磁离合器采用摩擦片传递转矩，允许不停车变速。但如果速度过高，会产生大量的摩擦热。牙嵌式电磁离合器将摩擦面加工成一定的齿形，可提高传递转矩，缩小离合器的径向和轴向尺寸，使主轴结构更加紧凑，减少摩擦势，但牙嵌式电磁离合器必须在低速时才能变速。,24,a,变挡机构电磁离合器变挡机构：电磁离合器可以通过控制线圈的通断,三、主轴准停控制,主轴准停功能指控制主轴准确停在固定位置的功能，又称为主轴定位功能，是数控加工过程中自动换刀所必需的功能。在自动换刀的镗、铣加工中心上，切削扭矩通常是通过刀杆的端面键传递的，因此，要求主轴具有准确的定位于圆周特定角度的功能（见图5.6）；当加工阶梯孔或精镗孔后退刀时，为防止刀具与小阶梯孔碰撞或拉毛已精加工过的孔表面，必须先让刀，再退刀。即使让刀，刀具也必须能够准确定位。,25,a,三、主轴准停控制主轴准停功能指控制主轴准确停在固定位置的功能,主轴准停控制,主轴准停功能分为机械准停和电气准停。机械准停：电气准停,26,a,主轴准停控制主轴准停功能分为机械准停和电气准停。26a,电气准停,1）磁传感器准停,27,a,电气准停1）磁传感器准停27a,电气准停,2）编码器主轴准停,28,a,电气准停2）编码器主轴准停28a,电气准停,3）数控系统准停注意问题：数控系统须具有主轴位置闭环控制功能。当采用主轴电动机轴端编码器检测位置信号，主轴传动链的精度可能对准停控制精度产生影响。,29,a,电气准停3）数控系统准停29a,电气准停,采用电气准停控制有如下优点：简化机械结构缩短准停时间可靠性增大性能价格比提高,30,a,电气准停采用电气准停控制有如下优点：30a,四、主轴与进给轴关联控制,主轴与进给轴关联控制一般通过脉冲编码器来实现。（1）脉冲编码器增量式脉冲编码器：脉冲发生器每次测量的角位移，都是相对上一次角度位置的增量。这种编码器结构简单，应用最广泛。为提高其分辨率，通常采用电子线路进行倍频细分。增量式脉冲编码器输出两个相位差90的A、B信号和零位C信号，其中A、B信号可用来计算角位移的大小，还可利用它们相位超前或滞后的关系辨别旋转方向。,31,a,四、主轴与进给轴关联控制主轴与进给轴关联控制一般通过脉冲编码,脉冲编码器,绝对式脉冲编码器：码盘每一转角位置都刻有表示该位置的惟一代码，通过读取码盘之值即可直接获得主轴的角度坐标。单个码盘组成的绝对式脉冲编码器，只能测量0360范围内的角位移，测量大于360的角位移，必须使用有多个码盘的绝对式脉冲编码器。绝对式脉冲编码器码盘常用的码制有二进制、循环码、十进制码等几种。最常用的码制为二进制循环码。由于二进制循环码制的特点是相邻两组数码之间只有一位变化，即使制造与安装不太精确，所造成的误差也不会超过码盘自身的分辨率。,32,a,脉冲编码器绝对式脉冲编码器：码盘每一转角位置都刻有表示该位置,主轴与进给轴关联控制,（2）主轴旋转与轴向进给的关联控制以螺纹切削加工为例，介绍数控系统主轴旋转与轴向进给的关联控制功能。1）进给量与主轴转速关联控制在数控车床上加工圆柱螺纹时，无论螺纹是等距螺纹还是变距螺纹，都要求主轴转速与刀具轴向进给保持一定的协调关系，数控系统必须具有主轴转速与轴向进给量关联控制功能。在主轴上安装的脉冲编码器可以检测主轴转角、相位、零位等信号，在主轴旋转过程中，脉冲编码器不断向数控装置发送脉冲信号，根据插补计算结果，控制进给坐标轴伺服系统，使进给量与主轴转速保持螺纹加工所需的比例关系，从而实现螺纹的精确加工。,33,a,主轴与进给轴关联控制（2）主轴旋转与轴向进给的关联控制33a,主轴旋转与轴向进给的关联控制,2）主轴旋转方向控制 通过改变主轴旋转方向，可以加工出左螺纹或右螺纹，主轴旋转方向可通过脉冲编码器正交的A相、B相脉冲信号的顺序来判别。3）主轴绝对位置定位 脉冲编码器的零位脉冲信号C，刚好对应主轴旋转一圈，可用于主轴绝对位置定位检测和控制。在多次循环切削同一螺纹时，该零位信号可作为刀具切入点，以确保螺纹螺距不出现乱扣现象。即在每次螺纹切削进给前，刀具必须经过零位脉冲定位后才能切削，以确保刀具在工件圆周同一点切入。,34,a,主轴旋转与轴向进给的关联控制2）主轴旋转方向控制 34a,主轴与进给轴关联控制,（3）主轴旋转与径向进给的关联控制由机械加工工艺可知，利用数控车床或磨床进行端面加工时，为了保证加工端面的平整光洁（表面粗糙度R0小），应控制工件与刀具（车刀或砂轮）接触点处的速度为一恒定值，即实现所谓恒线速度加工。由于在端面加工过程中，刀具要不断地作径向进给运动，从而使刀具的切削直径逐渐减小（磨床还应考虑砂轮磨损造成的直径减小）。由切削速度与主轴转速的关系可知，若保持切削速v恒定不变，当切削直径D逐渐减小时，主轴转速n必须逐渐增大。数控装置必须设计相应的控制软件来完成主轴转速的调整。车削端面过程中，切削直径变化的增量为,35,a,主轴与进给轴关联控制（3）主轴旋转与径向进给的关联控制35a,5.3 数控机床进给驱动系统,进给驱动系统组成与分类开环进给伺服控制闭环进给伺服控制及特性分析脉冲比较的进给伺服控制相位比较的进给伺服控制幅值比较的进给伺服控制数据采样式和反馈补偿式进给伺服控制,36,a,5.3 数控机床进给驱动系统进给驱动系统组成与分类36a,一、进给驱动系统组成与分类,（1）进给驱动系统的组成和基本要求基本要求：精度高、稳定性好、响应速度快、低速大转矩、调速范围宽。,37,a,一、进给驱动系统组成与分类（1）进给驱动系统的组成和基本要求,进给驱动系统组成与分类,（2）进给伺服驱动机构早期多采用电液伺服驱动方式，其伺服执行元件采用液压元件，前级为电气元件，驱动元件为液动机和液压缸。常用的有电液脉冲马达和电液伺服马达。电液伺服驱动机构在低转速下可以输出很大的力矩，并具有刚性好、反应快和速度平稳等优点。但电液伺服驱动机构需要油箱、油管等供油系统，存在体积大、噪声大和油污染等问题，从20世纪70年代起逐渐被电气伺服机构所代替，只在具有特殊要求的场合才被采用。电气伺服驱动机构全部采用电子器件和电机部件，操作和维护方便、可靠性高、噪声小、无污染，早期的电气伺服驱动机构，在低转速输出力矩和反应速度方面明显比不上电液伺服驱动机构，通过对电动机结构和电动机驱动线路的不断改进，这方面的性能已经大大改善。现在的数控系统几乎全部采用全电气伺服驱动机构。根据所配电动机不同，分为步进伺服驱动系统、直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统三大类。,38,a,进给驱动系统组成与分类（2）进给伺服驱动机构38a,进给驱动系统组成与分类,（3）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。,39,a,进给驱动系统组成与分类（3）直流伺服电动机结构和工作原理39,直流伺服电动机结构和工作原理,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：,40,a,直流伺服电动机结构和工作原理电磁式（它励式）和永磁式直流伺服,直流伺服电动机结构和工作原理,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,41,a,直流伺服电动机结构和工作原理依据电机学原理，可推导出直流伺服,直流伺服电动机结构和工作原理,直流伺服电动机的机械特性：,42,a,直流伺服电动机结构和工作原理直流伺服电动机的机械特性：42a,直流伺服电动机结构和工作原理,直流伺服电动机调速控制：由直流伺服电动机的机械特性计算公式可知，调节电枢电压、励磁电流（电磁式）或电枢回路电阻均可实现直流伺服电动机的转速。一般采用调节电枢供电电压U和调节励磁磁通（仅限于电磁式）的方法来调节直流伺服电动机的转速，分别称为调压调速和调磁调速。,43,a,直流伺服电动机结构和工作原理直流伺服电动机调速控制：43a,进给驱动系统组成与分类,（4）交流伺服电动机交流伺服电动机，特别是笼型感应电动机，没有直流电动机所具有的电刷，且无换向器磨损问题，无需经常维护，也无因换向时产生火花使电动机转速受限，从而限制使用环境等问题。交流伺服电动机转子惯量较直流伺服电动机小，动态响应好，在同样体积下，交流伺服电动机输出功率可比直流伺服电动机提高1070。交流伺服电动机有异步型交流伺服电动机（IM）和同步型交流伺服电动机（SM）。异步型交流伺服电动机指交流感应电动机，有三相和单相之分，也有笼型和线绕式之分，通常采用笼型三相感应电动机，其结构简单、质量轻、价格便宜，但不能经济地实现大范围平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流，会降低电网的功率因数；同步型交流伺服电动机指永磁式交流伺服电动机，虽较感应电动机复杂，但运行可靠、效率较高，缺点是体积大、启动特性欠佳。永磁同步电动机主要由三部分组成：定子、转子和检测元件（转子位置传感器和测速发电机）。其中定子有齿槽，内有三相绕组，形状与普通感应电动机的定子相同。但其外圆一般呈多边形，且无外壳，以利于散热，避免电动机发热对机床精度的影响。转子由多块永久磁铁和铁心组成，气隙磁密较高，极数较多。同一种铁心和相同的磁铁块数可以装成不同的极数。,44,a,进给驱动系统组成与分类（4）交流伺服电动机44a,交流伺服电动机,45,a,交流伺服电动机45a,交流伺服电动机,永磁同步交流伺服电动机的性能,46,a,交流伺服电动机永磁同步交流伺服电动机的性能46a,交流伺服电动机,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：改变磁极对数p（变极调速）。改变转差率s（变转差率调速）。改变定子供电频率f1（变频调速）。,47,a,交流伺服电动机交流伺服电动机调速47a,交流伺服电动机,正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速,48,a,交流伺服电动机正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速 48a,正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速,49,a,正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速49a,二、开环进给伺服控制,（1）步进电动机工作原理及特性步进电动机（Step Motor），是一种用电脉冲信号控制，可将电脉冲信号按正比关系转换为角位移的执行器。步进电动机的转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电动机的转速。如果停机后某些相的绕组仍保持通电状态，则还具有自锁能力。目前，步进电动机主要用于经济型数控机床的进给驱动，一般采用开环控制结构。也有的采用步进电动机驱动的数控机床同时采用了位置检测元件，构成了反馈补偿型的驱动控制结构。,50,a,二、开环进给伺服控制（1）步进电动机工作原理及特性50a,步进电动机工作原理及特性,步进电动机的结构及工作原理用于数控机床驱动的步进电动机主要有两类，即反应式步进电动机和混合式步进电动机，反应式步进电动机也称为磁阻式步进电动机。,51,a,步进电动机工作原理及特性步进电动机的结构及工作原理51a,步进电动机工作原理及特性,三相步进电动机除了单三拍通电方式外，还经常工作在三相六拍通电方式。这时通电顺序为AABBBCBCAA，或为AABCCBBAA。也就是说，先接通A相绕组；以后再同时接通A、B相绕组；然后断开A相绕组，使B相绕组单独接通；再同时接通B、C相绕组，依此进行。在这种通电方式时，定子三相绕组需经过六次切换才能完成一个循环，故称为“六拍”，而且在通电时，有时是单个绕组接通，有时又为两个绕组同时接通，因此称为三相六拍。在这种通电方式时，步进电动机的步距角与单三拍时的情况有所不同。在单三拍通电方式中，步进电动机每经过一拍，转子转过的步距角。采用单、双六拍通电方式后，步进电动机由A相绕组单独通电到B相绕组单独通电，中间还要经过A、B两相同时通电这个状态，也就是说要经过二拍转子才转过30。所以这种通电方式下，三相步进电动机的步距角。,52,a,步进电动机工作原理及特性三相步进电动机除了单三拍通电方式外，,步进电动机工作原理及特性,同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时的步距角也是不同的。采用单、双拍通电方式时，步距角要比单拍通电方式减少一半。实际使用中，单三拍通电方式由于在切换时一相绕组断电而另一相绕组开始通电容易造成失步。此外，由单一绕组通电吸引转子，也容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行的稳定性较差，所以很少采用。通常将它改成双三拍通电方式，即按ABBCCAAB的通电顺序运行，这时每个通电状态均为两相绕组同时通电。在双三拍通电方式下步进电动机的转子位置与单、双六拍通电方式时两个绕组同时通电的情况相同。所以步进电动机按双三拍通电方式运行时，它的步距角和单三拍通电方式相同，也是30。,53,a,步进电动机工作原理及特性同一台步进电动机，因通电方式不同，运,步进电动机工作原理及特性,反应式步进电动机的转子齿数z 步进电动机的步距角：z转子的齿数，k状态系数。,54,a,步进电动机工作原理及特性反应式步进电动机的转子齿数z 54a,开环进给伺服控制,（2）步进电动机特性步距角和静态步距误差：步进电动机的步距角是决定开环伺服系统脉冲当量的重要参数，数控机床中常见的反应式步进电动机的步距角一般为0.53，一般情况下，步距角越小，加工精度越高。静态步距误差指理论的步距角和实际的步距角之差，以分表示，一般在10/之内。步距误差主要由步进电动机齿距制造误差，定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成的。步距误差直接影响加工精度及步进电动机的动态特性。,55,a,开环进给伺服控制（2）步进电动机特性55a,步进电动机特性,起动频率fq：步进电动机空载时，由静止突然起动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率值，称为起动频率或突跳频率，用fq表示。若起动时频率大于突跳频率，步进电动机就不能正常起动。fq与负载惯量有关，一般说来随着负载惯量的增长而下降。空载起动时，步进电动机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。,56,a,步进电动机特性起动频率fq：步进电动机空载时，由静止突然起,步进电动机特性,连续运行最高工作频率fmax：步进电动机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率值。fmax称为最高工作频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决定了步进电动机的最高转速。其值远大于fq，且随负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。,57,a,步进电动机特性连续运行最高工作频率fmax：步进电动机连续运,步进电动机特性,加、减速特性 步进电动机的加、减速特性是描述步进电动机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加、减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电动机起动到大于突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速时间，减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。这里用加、减速时间常数Ta和Td来描述步进电动机的升速和降速特性，如图5.24所示。,58,a,步进电动机特性加、减速特性 步进电动机的加、减速特性是描述,步进电动机特性,矩频特性和动态转矩 矩频特性描述步进电动机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系，如图5.25所示。该特性上每一频率值对应的转矩称为动态转矩，动态转矩随连续运行频率的上升而下降。,59,a,步进电动机特性矩频特性和动态转矩 矩频特性描述步进电动机连,开环进给伺服控制,（3）步进电动机的选用合理选用步进电动机对开环伺服控制系统相当重要。通常希望步进电动机的输出转矩大，起动频率和运行频率高，步距误差小，性能价格比高。但增大转矩与快速运行存在一定矛盾，高性能与低成本存在矛盾，因此，在实际选用时必须综合考虑。首先，应考虑系统的精度和速度的要求。为了提高精度，希望脉冲当量小。但是脉冲当量越小，系统的运行速度越低。故应兼顾精度与速度的要求来选定系统的脉冲当量。在脉冲当量确定以后，又可以此为依据来选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。步进电动机的步距角从理论上说是固定的，但实际上还是有误差的。另外，负载转矩也将引起步进电动机的定位误差。通常应将步进电动机的步距误差、负载引起的定位误差和传动机构的误差全部考虑在内，使总的误差小于数控机床允许的定位误差。,60,a,开环进给伺服控制（3）步进电动机的选用60a,步进电动机的选用,步进电动机有两条重要的特性曲线，即反映起动频率与负载转矩之间关系的曲线和反映转矩与连续运行频率之间关系的曲线。这两条曲线是选用步进电动机的重要依据。一般将反映起动频率与负载转矩之间关系的曲线标为起动矩频特性，将反映转矩与连续运行频率之间关系的曲线称为工作矩频特性。已知负载转矩，可以在起动矩频特性曲线中查出起动频率。这是起动频率的极限值，实际使用时，只要起动频率不大于这一极限值，步进电动机就可以直接带负载起动。若已知步进电动机的连续运行频率f就可以从工作矩频特性曲线中查出转矩Mdm，这也是转矩的极限值，有时称其为失步转矩。也就是说，若步进电动机以频率f运行，它所拖动的负载转矩必须小于Mdm，否则就会导致失步。,61,a,步进电动机的选用步进电动机有两条重要的特性曲线，即反映起动频,步进电动机的选用,62,a,步进电动机的选用62a,开环进给伺服控制,（4）步进电动机驱动步进电动机工作方式：步进电动机的工作方式和一般电动机的不同，它是采用脉冲控制方式工作的。只有按定规律对各相绕组轮流通电，步进电动机才能实现转动。数控机床中采用的功率步进电动机有三相、四相、五相和六相等。工作方式有单m拍，双m拍、三m拍及2m拍等，m是电动机的相数。所谓单m拍是指每拍只有一相通电，循环拍数为m；双m拍是指每拍同时有两相通电，循环拍数为m；三m拍是每拍有三相通电，循环拍数为m拍；2m拍是各拍既有单相通电，也有两相或三相通电，通常为12相通电或23相通电，循环拍数为2m，如表5.2所列，步进电动机相数越多，工作方式也越多。若按和表5.2相反的顺序通电，则电动机反转。,63,a,开环进给伺服控制（4）步进电动机驱动63a,步进电动机驱动,步进电动机驱动电路,64,a,步进电动机驱动步进电动机驱动电路 64a,步进电动机驱动电路,脉冲分配采用软件实现。利用查表或计算来进行脉冲的环形分配，简称软环分。表5.3为三相六拍分配状态，可将表中状态代码01H、03H、02H、06H、04H、05H列入程序数据表中，通过软件可顺次在数据表中提取数据并通过输出接口输出即可，通过正向顺序读取和反向顺序读取可控制电动机进行正、反转。通过控制读取一次数据的时间间隔可控制电动机的转速。该方法能充分利用计算机软件资源以降低硬件成本，尤其是对多相的脉冲分配具有更大的优点。但由于软环分占用计算机的运行时间，故会使插补次的时间增加，从而影响步进电动机的运行速度。,65,a,步进电动机驱动电路脉冲分配65a,脉冲分配,66,a,脉冲分配66a,脉冲分配,采用小规模集成电路搭接而成的三相六拍环形脉冲分配器，如图5.27所示。图中C1、C2、C3为双稳态触发器。这种方式灵活性很大，可搭接任意相任意通电顺序的环形分配器，同时在工作时不占用计算机的工作时间。,67,a,脉冲分配采用小规模集成电路搭接而成的三相六拍环形脉冲分配器，,脉冲分配,采用专用环形分配器器件，如市售的CH250即为一种三相步进电动机专用分配器。它可以实现三相步进电动机的各种环形分配，使用方便、接口简单。图5.28（a）所示为CH250的管脚，图5.28（b）为三相六拍接线。其工作状态如表5.4所列。,68,a,脉冲分配采用专用环形分配器器件，如市售的CH250即为一种三,脉冲分配,69,a,脉冲分配69a,步进电动机驱动电路,功率驱动电路单电压驱动电路,70,a,步进电动机驱动电路功率驱动电路70a,功率驱动电路,高、低压驱动电路,71,a,功率驱动电路高、低压驱动电路 71a,功率驱动电路,斩波驱动电路,72,a,功率驱动电路斩波驱动电路 72a,三、闭环进给伺服控制及特性分析,（1）闭环进给伺服控制系统数学模型闭环进给伺服控制系统的结构如图5.32（a）所示，由前向通道和反馈通道两部分构成。,73,a,三、闭环进给伺服控制及特性分析（1）闭环进给伺服控制系统数,闭环进给伺服控制系统数学模型,闭环进给伺服控制系统传递函数前向通道的传递函数表达式为闭环传递函数为半闭环进给伺服系统是一个典型的二阶系统。,74,a,闭环进给伺服控制系统数学模型闭环进给伺服控制系统传递函数74,闭环进给伺服控制系统传递函数,引入一些新的参量对此二阶系统进行描述,75,a,闭环进给伺服控制系统传递函数引入一些新的参量对此二阶系统进行,闭环进给伺服控制及特性分析,（2）闭环进给伺服控制系统动、静态特性分析闭环进给伺服控制系统动态特性欠阻尼,76,a,闭环进给伺服控制及特性分析（2）闭环进给伺服控制系统动、静态,闭环进给伺服控制系统动态特性,过阻尼临界阻尼,77,a,闭环进给伺服控制系统动态特性过阻尼77a,闭环进给伺服控制系统动、静态特性分析,闭环进给伺服控制系统静态特性,78,a,闭环进给伺服控制系统动、静态特性分析闭环进给伺服控制系统静态,闭环进给伺服控制及特性分析,（3）闭环进给伺服控制系统的前馈控制,79,a,闭环进给伺服控制及特性分析（3）闭环进给伺服控制系统的前馈控,四、脉冲比较的进给伺服控制,（1）系统组成原理,80,a,四、脉冲比较的进给伺服控制（1）系统组成原理80a,脉冲比较的进给伺服控制,（2）脉冲比较电路,81,a,脉冲比较的进给伺服控制（2）脉冲比较电路81a,五、相位比较的进给伺服控制,（1）系统组成原理,82,a,五、相位比较的进给伺服控制（1）系统组成原理82a,相位比较的进给伺服控制,（2）脉冲调相器和鉴相器,83,a,相位比较的进给伺服控制（2）脉冲调相器和鉴相器83a,脉冲调相器和鉴相器,84,a,脉冲调相器和鉴相器84a,六、幅值比较的进给伺服控制,（1）系统组成原理,85,a,六、幅值比较的进给伺服控制（1）系统组成原理85a,幅值比较的进给伺服控制,（2）脉冲调宽式正、余弦信号发生器,86,a,幅值比较的进给伺服控制（2）脉冲调宽式正、余弦信号发生器86,脉冲调宽式正、余弦信号发生器,87,a,脉冲调宽式正、余弦信号发生器87a,脉冲调宽式正、余弦信号发生器,88,a,脉冲调宽式正、余弦信号发生器88a,七、数据采样式和反馈补偿式进给伺服控制,（1）数据采样式进给伺服控制系统,89,a,七、数据采样式和反馈补偿式进给伺服控制（1）数据采样式进给,数据采样式和反馈补偿式进给伺服控制,（2）反馈补偿式进给伺服控制系统,90,a,数据采样式和反馈补偿式进给伺服控制（2）反馈补偿式进给伺服控,