数控机床控制技术基础 教学课件 作者 邓建平 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分类数控机床的伺服驱动系统主要有两种：进给伺服系统和主轴伺服系统。前者是控制机床各坐标的进给运动，后者是控制机床主轴旋转运动。伺服系统也可从控制方式的角度来分为开环、闭环和半闭环。开环控制不需要位置检测与反馈；闭环和半闭环控制需要有位置检测与反馈环节，它们是基于反馈控制原理工作的。二、电动机及其控制（一）步进电动机1、步进电动机的工作

2、原理步进电动机主要有三类：反应式（VR型）步进电动机、永磁式（PM型）步进电动机和混合式（HB型）步进电动机。如果按A→B→C→A的顺序循环通电，电动机便按一定的方向转动。电动机的转速直接取决于绕组与电源接通或断开的变化频率。若按A→C→B→A的顺序通电，则电动机反向转动。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。显然，在这种通电方式时，三相步进电动机的步距角应为。若通电顺序为AB→

3、BC→CA→AB，即每次通电时均有两相通电，就叫三相双三拍。2.步进电动机的结构如图某三相定子径向分相式步进电动机示意图，该电动机转子上有均匀分布的40个齿，没有绕组。A、B、C为三相定子绕组，每相两极，每极上有5个齿。图7.2b所示为某五相轴向分相式步进电动机示意图，A、B、C、D、E为五相定子绕组。该步进电动机定子和转子均分为5段，呈轴向布置，各段定子和转子上均有16个齿。步进电机的步距角由下式决定：式中──步距角；──定子相数；──转子齿数；──控制方式确定的拍数与相数的比例系数3、步进电动机的驱动（1）环形分配器环形分配器用来控制步进电动机的通电运行方式。其作用就是用数

4、控装置送来的指令脉冲来控制各相绕组按照一定的方式通断电。步进电机控制方式有两种：一种是硬环分，它本身包括环形分配器，数控装置只要发脉冲即可，每一个脉冲即对应电动机转过一个固定的角度；另一种是软环分，它的驱动装置没有环形分配，环形分配需由数控装置中的计算机软件来完成，由数控装置直接控制步进电动机各相绕组的通、断电。（2）驱动放大电路驱动放大电路的功能是将环形分配器发出的TTL电平信号经放大后给步进电动机的绕组供电。驱动放大电路的控制方式种类较多，常使用单电压驱动、高低压切换驱动、恒流斩波、调频调压等驱动电路。①高低压切换驱动电路这种电路的特点是绕组每次通电时，首先接通高压，以保证

5、电流以较快的速度上升，然后改由低压供电，维持绕组中的电流为定额值。②恒流斩波电路恒流斩波驱动电路也称定电流驱动电路，或称波顶补偿控制驱动电路。它能克服高低压切换驱动电路的出现谷点的现象，并且提高电动机的效率和力矩。这种驱动电路也有高、低电压两个电源。它随时检测绕组的电流值，当绕组电流值下降到下限设定值时，便使高压功率管导通，采用高压供电，使绕组电流上升；当绕组电流值上升到上限值时，便关断高压管，采用低压供电，使绕组电流下降。这样，在一个步进周期内，高压管多次通断，使绕组电流在上、下限之间波动，接近恒定值，提高了绕组电流的平均值，有效的抑制了电动机输出转矩的降低。③细分驱动电路前

6、述的各种驱动电路，都是按电动机工作方式轮流给各相绕组供电，每来一个脉冲，就换一次相，但通电相的电流大小是一定的。如果一拍中，通电相的电流不是一次达到最大值。而是分成多次，每次绕组中的电流增加一些。每次增加，都使转子转过一小步。同样，绕组电流的下降也是分多次完成的。这样步进电机原来一个步距，便分成许多微步运动来完成，即实现了步距的细分。这样便提高了步进电机的分辨力，运动更加平稳，减小了振动，降低了噪声，且不易失步。要实现细分，需将绕组中的矩形脉冲电流变成梯形电流。（二）直流伺服电动机1、直流伺服电动机的基本结构直流伺服电动机的结构主要包括定子、转子、电刷与换向片：（1）定子定子的

7、作用是用来产生磁场。（2）转子转子也常称为电枢。（3）电刷与换向片电刷与换向片的作用是使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀地连续旋转。2、直流伺服电动机的分类直流伺服电动机的力矩/惯性比对伺服系统的性能有很大影响，可采用多种方式来提高力矩/惯性比，由此产生了小惯量直流伺服电动机和宽调速直流伺服电动机。（1）小惯量直流伺服电动机小惯量直流伺服电动机是通过减小电枢的转动惯量来提高力矩/惯性比的。（2）宽调速直流伺服电动机宽调速直流伺服电动机又叫大惯量直流伺服电动机，他是通过提高输