伺服驅(qū)動系統(tǒng)1交流伺服電動機ppt課件.ppt

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1、第4章伺服驅(qū)動系統(tǒng)4.1伺服系統(tǒng)概述4.2開環(huán)步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)4.3直流伺服系統(tǒng)4.4交流伺服系統(tǒng)4.5典型數(shù)控伺服驅(qū)動系統(tǒng)簡介小結(jié)習(xí)題4.1伺服系統(tǒng)概述1.基本概念伺服（Servo）系統(tǒng)又叫隨動系統(tǒng)，是一種能夠跟隨指令信號的變化而動作的自動控制裝置，根據(jù)實現(xiàn)方法不同，可以分為機械隨動（仿形）系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、電氣伺服系統(tǒng)等，目前的數(shù)控機床均采用電氣伺服系統(tǒng)。在數(shù)控機床中，CNC裝置是發(fā)布命令的“大腦”，而伺服系統(tǒng)則是數(shù)控機床的“四肢”，是一種執(zhí)行機構(gòu)，它能夠準(zhǔn)確地執(zhí)行來自CNC裝置的運動指令。伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動裝置、伺服電動機、位置檢測裝置等組成。伺服驅(qū)動

2、裝置的主要功能是功率放大和速度調(diào)節(jié)，將弱信號轉(zhuǎn)換為強信號，并保證系統(tǒng)的動態(tài)性能；伺服電動機用來將電能轉(zhuǎn)換為機械能，拖動機械部件移動或轉(zhuǎn)動。數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)，包括進給伺服系統(tǒng)和主軸伺服（驅(qū)動）系統(tǒng)，前者是以機械位移（位置控制）為直接控制目標(biāo)的自動控制系統(tǒng)，用來保證加工輪廓；后者是以速度控制為主，提供切削過程中需要的轉(zhuǎn)矩和功率。本章主要介紹進給伺服系統(tǒng)及其位置檢測裝置的基本原理。2．?dāng)?shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的要求數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的要求是：①調(diào)速范圍寬，在大的速度范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)穩(wěn)定。一般要求速比可達1:10000，最低穩(wěn)定運轉(zhuǎn)速度nmin≤0.1r/min。②負載特

3、性硬，抗擾動能力強。能保證切削過程中受負載沖擊時速度不變，尤其在低速時，應(yīng)有足夠的負載能力。③反應(yīng)速度快。一般要求，伺服響應(yīng)時間為幾十毫秒，伺服電機角加速度≥4000rad/s2，即從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速1500r/min，所需時間不大于0.2秒。④準(zhǔn)確度高。定位精度和重復(fù)定位精度可達到0.01～0.001mm，甚至0.1um。3．進給伺服系統(tǒng)的分類進給伺服系統(tǒng)按其結(jié)構(gòu)可以分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩大類。開環(huán)控制系統(tǒng)用步進電動機作為驅(qū)動元件，由于它沒有位置反饋回路和速度控制回路，具有簡單、經(jīng)濟的優(yōu)點，被廣泛用于中、低檔數(shù)控機床及一般的機床改造。閉環(huán)伺服系統(tǒng)是基于

4、反饋控制原理工作的，即通過位置測量裝置反饋運動部件的實際位置，再與CNC裝置輸出的指令位置進行比較，根據(jù)比較結(jié)果的差值來控制伺服機構(gòu)工作。閉環(huán)伺服系統(tǒng)采用直流伺服電機或交流伺服電機作為驅(qū)動元件，根據(jù)位置測量元件的安裝位置不同又分為半閉環(huán)和全閉環(huán)兩種形式。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)一般將位置檢測元件安裝在電動機軸上(一般電機生產(chǎn)商已裝好)，用以精確控制電動機的角度，然后通過滾珠絲杠等傳動機構(gòu)，將角度轉(zhuǎn)換成工作臺的直線位移。半閉環(huán)的閉環(huán)環(huán)路短，不包括傳動機構(gòu)等大慣性環(huán)節(jié)，因而系統(tǒng)容易達到較高的位置增益，不發(fā)生振蕩現(xiàn)象。且其快速性好，動態(tài)精度高，傳動機構(gòu)的非線性因素對系統(tǒng)的影響小

5、。因此被廣泛采用。但如果傳動機構(gòu)的誤差過大或其誤差不穩(wěn)定，則數(shù)控系統(tǒng)難以補償。如由傳動機構(gòu)的扭曲變形所引起的彈性間隙，因其與負載力矩有關(guān)，故無法補償。由制造與安裝所引起的重復(fù)定位誤差以及由于環(huán)境溫度與絲杠溫度變化所引起的絲杠螺距誤差也是不能補償?shù)?。因此要進一步提高精度，只有采用全閉環(huán)控制方式。全閉環(huán)方式直接從機床的移動部件上獲取位置實際移動值，因此其檢測精度不受機械傳動精度的影響。但不能認為全閉環(huán)方式可以降低對傳動機構(gòu)的要求，因閉環(huán)環(huán)路包括了機械傳動機構(gòu)，其閉環(huán)動態(tài)特性不僅與傳動部件的剛性、慣性有關(guān)，還取決于阻尼、油的粘度、滑動面摩擦系數(shù)等因素。而且這些因素對動

6、態(tài)特性的影響在不同條件下還會發(fā)生變化，這給位置閉環(huán)控制的調(diào)整和穩(wěn)定帶來了許多困難。這些困難使調(diào)整閉環(huán)環(huán)路時不得不降低位置增益，從而對跟隨誤差與輪廓加工誤差產(chǎn)生不利影響。所以采用全閉環(huán)方式時必須增大機床剛性，改善滑動面摩擦特性，減小傳動間隙，這樣才有可能提高位置增益。全閉環(huán)方式被應(yīng)用在精度要求較高的大型數(shù)控機床上。4.2開環(huán)步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)不設(shè)位置檢測反饋裝置，不構(gòu)成運動反饋控制回路，電動機按數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖工作，對運動誤差沒有檢測反饋和處理修正過程。其典型代表是步進電動機開環(huán)進給伺服系統(tǒng)，如圖4.1所示。圖4.1步進電動機開環(huán)進給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

7、圖圖4.1中，數(shù)控裝置發(fā)出指令脈沖通過環(huán)形分配器和功率放大器驅(qū)動步進電動機，每發(fā)出一個指令脈沖，步進電動機就轉(zhuǎn)過一個角度，此角度叫做步進電動機的步距角。步進電動機通過齒輪箱、滾珠絲杠驅(qū)動工作臺運動，其運動的位移量與指令脈沖數(shù)成正比，運動速度與脈沖的頻率成正比。4.2.1步進電動機1.步進電動機的特點步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的機電執(zhí)行元件。給一個電脈沖信號，步進電動機就回轉(zhuǎn)一個固定的角度，稱為一步，所以稱為步進電動機。由于其轉(zhuǎn)動角度由脈沖個數(shù)控制，不需要反饋環(huán)節(jié)，所以在經(jīng)濟型數(shù)控機床上得到了廣泛的應(yīng)用。概括起來步進電機具有如下優(yōu)點：（1）轉(zhuǎn)子的

8、角位移量和轉(zhuǎn)速嚴(yán)格受脈沖