数控机床控制技术基础 第2版 教学课件 作者 邓健平 第7章.ppt

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1、第7章数控伺服系统一、概述（一）伺服系统的基本要求1.要求具有可逆运行的能力2.要求具有较宽的调速范围3.要求具有足够的传动刚性和高的速度稳定性4.要求具有快速响应的能力5.要求具有高精度6.要求低速时仍有较大的输出转矩（二）数控机床伺服驱动系统的组成及分类1．数控机床伺服驱动系统的组成伺服系统是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。速度环中用作速度反馈的检测装置为测速发电机、脉冲编码器等。速度控制单元式一个独立的单元部件，它由速度调节器、电流调节器及功率驱动放大器等各部分组成。位置环是由CNC装置中的

2、位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等各部分组成。2．数控机床伺服驱动系统的分类（1）按驱动方式分类可分为液压伺服系统、气压伺服系统和电器伺服系统。（2）按执行元件的类别可分为直流伺服系统、交流伺服系统和步进伺服系统。（3）按有无检测元件和反馈环节分类，可分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。（4）按输出被控制量的性质分类可分为位置伺服系统、速度伺服系统。（三）数控机床伺服系统的工作原理1．开环控制进给伺服系统图7.1步进电动机开环进给伺服系统2．闭环控制进给伺服系统图7.2半闭环进给伺服

3、系统2．闭环控制进给伺服系统图7.3位置全闭环伺服系统二、进给伺服系统（一）步进电动机驱动的伺服系统一）步进电动机1．步进电动机的分类步进电动机按转矩产生的原理可分为反应式、永磁式及混合式步进电动机；根据控制绕组数量可分为二相、三相、四相、五相、六相步进电动机；根据电流的极性可分为单极性和双极性步进电动机；根据运动的形式可分为旋转、直线、平面步进电动机。2．步进电动机的工作原理图7.4反应步进电动机原理图电动机定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。此时电动机转子转过的空间角度称为步距角。上述通电方式称为三相单

4、三拍。“单”是指每次通电时，只有一相绕组通电；“三拍”是指经过三次切换绕组的通电状态为一个循环，第四拍通电时，就重复第一拍通电的情况。若通电顺序为AB→BC→CA→AB，即每次通电时均有两相通电，就叫三相双三拍。3．步进电动机的结构实际上步进电机的转子的齿数很多，因为齿数越多步距角越小。为了改善运行性能，定子磁极上也有齿，这些齿的齿距与转子的齿距相同，但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的1／m（m为电机相数）。这样，每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距的1／m（如三相三拍）或1／2m（如三相六拍）即达到新

5、的平衡位置。如图7.5所示，转子有40个齿，故齿距为360°/40＝9°，若通电为三相三拍，当转子齿与A相定子齿对齐时，转子齿与B相定子齿相差1/3齿距，即3°，与C相定子齿相差2/3齿距，即6°。3．步进电动机的结构图7.5三相反应式步进电机的结构示意图和展开后步进电机齿距步进电机的步距角由下式决定式中α──步距角；m──定子相数；z──转子齿数；k──控制方式确定的拍数与相数的比例系数。二）步进电动机的驱动电路步进电动机各励磁绕组是按一定节拍，依次轮流通电工作的。为此，需将CNC发出的控制脉冲按步进电动机

6、规定的通电顺序分配到定子各励磁绕组中，完成脉冲分配功能的元件称环形分配器。但环形分配器发出的脉冲功率很小，不能直接驱动步进电动机，必须经驱动电路将信号进行功率放大，驱动步进电动机工作。常用驱动电路有：1、单电压驱动2、双电压驱动3、高低压驱动4、斩波恒流驱动5、调频调压驱动6、细分控制（二）直流伺服系统一）直流伺服电动机1．数控机床中使用直流伺服电动机的类型（1）改进型直流电动机（2）小惯量电动机（3）永磁直流伺服电动机（4）无刷直流电动机2．永磁式直流伺服电动机的结构永磁直流电动机可分为去驱动用永磁直流电动

7、机和永磁直流伺服电动机两大类。驱动用永磁直流电动机通常是指不带稳速装置，没有伺服要求的电动机，而永磁直流伺服电机则除具有驱动用永磁直流电动机的性能外，还具有一定的伺服特性和快速响应能力。在结构上往往与反馈部件做成一体。当然，永磁直流伺服电动机也可作为去驱动用电动机。因为永磁直流伺服电动机允许有宽的调速范围，所以也成为宽调速直流电动机，其结构如图7.7所示。2．永磁式直流伺服电动机的结构电机本体由三部分组成：机壳、定子磁极和转子电枢。反馈用的检测部件有高精度的测速发电机、旋转变压器以及脉冲编码器等，安装在电机的

8、尾部。定子磁极机壳电枢图7.7四极永磁直流电动机1、直流电动机的调速原理根据电机学的基本知识，有根据上述三式，得到他励电动机的机械特性方程式中——理想空载转速。由上式可见，可以通过改变电枢电压U、改变励磁电流If以改变磁通Ф、改变电枢回路电阻Ra三种方法对直流电动机进行调速。二）直流伺服电动机的调速控制调压调速属于恒转矩调速。在调压调速方式时，可通过改变电枢电压U来改变理想空载转速n0。由于U只能小