数控机床与编程 教学课件 作者 刘书华 第三章.ppt

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1、第一节　概述第二节　步进电动机驱动系统第三节　直流伺服电动机及其速度控制第四节　交流伺服电动机第三章数控机床的伺服系统第一节　概述数控机床的伺服系统是数控机床的重要组成部分。伺服系统位于数控装置与机床主体之间，其主要功能是从数控装置接收微小的电控信号，放大成强电信号，去驱动伺服系统中的驱动元件——伺服电动机，将电控信号的变化，转换成伺服电动机输出轴的角位移或角速度的变化，从而带动机床各部件运动。一、数控机床对伺服系统的要求1）调速范围宽，一般速比应有1∶100～1∶1000的恒转矩调速范围和1：10以上的恒功率调速范围；2）低速平稳

2、，高速能满足进给速度要求；3）控制精度能满足定位精度和加工精度要求。4）快速响应好。5）抗干扰能力强，工作稳定；6）系统工作可靠性较高。二、伺服系统常用的驱动元件步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机是目前常用的驱动元件。驱动元件应满足如下要求：调速范围宽而有良好的稳定性，低速时要求速度平稳；负载特性硬，即使在低速时，有足够的负载能力，反应速度快；可频繁地起、停及换向等。1．步进电动机步进电动机是一种将电的脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电执行元件，它能将指令脉冲变成步进电动机输出轴的旋转。第二节　步进电动机驱动系统一

3、、步进电动机及其工作原理2．步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理图如图3－1所示。二、步进电动机的特性参数及选择1．步进电动机的主要特性参数(1)步距角α每输入一个电脉冲信号，转子所转过的角度称为步距角。步进电动机的步距角可按下式计算：式中m——步进电动机的相数；z——步进电动机转子的齿数；k——与通电方式有关的系数。(2)静态步距角误差Δα空载时，以单脉冲输入，步进电动机的实际步距角与理论步距角之差称为静态步距角误差。(3)最大静转矩Tmax当步进电动机不改变通电状态，转子不动时，在轴上加一负载转矩，定子与转子就有一个角位移

4、θ，θ称为失调角。(4)空载起动频率　电动机在空载情况下，不失步起动所能充许的最高频率称为空载起动频率。(5)连续运行最高工作频率(即矩频特性)步进电动机起动后，电动机速度能跟随控制脉冲频率连续上升而不失步运行的频率称为连续运行频率。2．步进电动机的选择1)必须保证步进电动机的输出转矩大于负载转矩；2)要求计算的机械系统负载转动惯量与步进电动机转子的转动惯量相匹配，并有一定裕量；3)使最高连续工作频率能满足产品快速移动的要求；4)使步进电动机的步距角α与机械系统相匹配。三、步进电动机的控制与驱动1．步进电动机的驱动电源步进电动机

5、不能直接接到交流电源上工作，而必须使用专用设备——步进电动机驱动电源。步进电动机驱动电源的主要构成如图3－4所示。2．环形分配器环形分配器的主要功能是把来自于控制环节的时钟脉冲串按一定的规律分配给步进电动机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的导通或截止。环形分配器的功能图如图3－10所示。3．步进电动机的软件分配器如采用软件技术对步进电动机实行软件控制方式，既可以提高系统的可靠性，而且还可以降低制造成本。1．直流伺服电动机的基本结构图3－12为直流伺服电动机的结构，主要包括三个部分。第三节直流伺服电动机及其速度控制一、直流伺服电动

6、机及其特性2．直流伺服电动机的分类(1)改进型直流伺服电动机(2)小惯量直流电动机(3)永磁直流伺服电动机(4)无刷直流电动机按照直流电动机对励磁绕组的励磁方式不同，可分为他励式、并励式、串励式和复励式四种，如图3－13所示。3．直流伺服电动机的特性参数以永磁直流电动机为例。(1)转矩—速度特性曲线　又叫工作曲线，如图3－14所示。(2)负载—工作周期曲线　负载—工作周期曲线如图3－15所示。4．直流伺服电动机的选用1)电动机的输出功率应满足机床最大功率的要求；2)电动机的额定转矩应满足各种情况下的机床负载转矩的要求；3)最高转速

7、应满足机床快速要求；4)电动机转子转动惯量应与负载转动惯量相匹配。二、直流伺服电动机常用计算公式直流伺服电动机常用计算公式见表3－3。三、直流伺服电动机的速度控制对于直流电动机而言，控制速度的方法可以从直流电动机的电路原理入手来进行分析。他励直流电动机电路原理如图3－16所示。对于已经给定的直流电动机，要改变它的转速，有三种办法：①改变电枢回路电阻；②改变气隙磁通量；③改变外加电压。前两种方法的调速特性不能满足数控机床的要求，第三种方法的机械特性如图3－17所示。1．PWM－M系统的工作原理图图3－18是PWM－M系统的工作原理图。四

8、、晶体管脉宽调制(PWM)系统及其工作原理2．PWM－M系统的主回路PWM－M系统的主回路多采用如图3－19所示的电路。第四节交流伺服电动机一、概述交流电动机，特别是感应电动机能够克服直流电动机的缺点，且