伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1交流伺服電動(dòng)機(jī)ppt課件.ppt

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1、第4章伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4.1伺服系統(tǒng)概述4.2開(kāi)環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)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(dòng)系統(tǒng)，是一種能夠跟隨指令信號(hào)的變化而動(dòng)作的自動(dòng)控制裝置，根據(jù)實(shí)現(xiàn)方法不同，可以分為機(jī)械隨動(dòng)（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(jī)床均采用電氣伺服系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)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(jī)床的“四肢”，是一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它能夠準(zhǔn)確地執(zhí)行來(lái)自CNC裝置的運(yùn)動(dòng)指令。伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)裝置、伺服電動(dòng)機(jī)、位置檢測(cè)裝置等組成。伺服驅(qū)動(dòng)

2、裝置的主要功能是功率放大和速度調(diào)節(jié)，將弱信號(hào)轉(zhuǎn)換為強(qiáng)信號(hào)，并保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；伺服電動(dòng)機(jī)用來(lái)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，拖動(dòng)機(jī)械部件移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)，包括進(jìn)給伺服系統(tǒng)和主軸伺服（驅(qū)動(dòng)）系統(tǒng)，前者是以機(jī)械位移（位置控制）為直接控制目標(biāo)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，用來(lái)保證加工輪廓；后者是以速度控制為主，提供切削過(guò)程中需要的轉(zhuǎn)矩和功率。本章主要介紹進(jìn)給伺服系統(tǒng)及其位置檢測(cè)裝置的基本原理。2．?dāng)?shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)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(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。一般要求速比可達(dá)1:10000，最低穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度nmin≤0.1r/min。②負(fù)載特

3、性硬，抗擾動(dòng)能力強(qiáng)。能保證切削過(guò)程中受負(fù)載沖擊時(shí)速度不變，尤其在低速時(shí)，應(yīng)有足夠的負(fù)載能力。③反應(yīng)速度快。一般要求，伺服響應(yīng)時(shí)間為幾十毫秒，伺服電機(jī)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(shí)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(dá)到0.01～0.001mm，甚至0.1um。3．進(jìn)給伺服系統(tǒng)的分類進(jìn)給伺服系統(tǒng)按其結(jié)構(gòu)可以分為開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩大類。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，由于它沒(méi)有位置反饋回路和速度控制回路，具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于中、低檔數(shù)控機(jī)床及一般的機(jī)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(guò)位置測(cè)量裝置反饋運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置，再與CNC裝置輸出的指令位置進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果的差值來(lái)控制伺服機(jī)構(gòu)工作。閉環(huán)伺服系統(tǒng)采用直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，根據(jù)位置測(cè)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(cè)元件安裝在電動(dòng)機(jī)軸上(一般電機(jī)生產(chǎn)商已裝好)，用以精確控制電動(dòng)機(jī)的角度，然后通過(guò)滾珠絲杠等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將角度轉(zhuǎn)換成工作臺(tái)的直線位移。半閉環(huán)的閉環(huán)環(huán)路短，不包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等大慣性環(huán)節(jié)，因而系統(tǒng)容易達(dá)到較高的位置增益，不發(fā)生振蕩現(xiàn)象。且其快速性好，動(dòng)態(tài)精度高，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的非線性因素對(duì)系統(tǒng)的影響小

5、。因此被廣泛采用。但如果傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的誤差過(guò)大或其誤差不穩(wěn)定，則數(shù)控系統(tǒng)難以補(bǔ)償。如由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的扭曲變形所引起的彈性間隙，因其與負(fù)載力矩有關(guān)，故無(wú)法補(bǔ)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(bǔ)償?shù)?。因此要進(jìn)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(jī)床的移動(dòng)部件上獲取位置實(shí)際移動(dòng)值，因此其檢測(cè)精度不受機(jī)械傳動(dòng)精度的影響。但不能認(rèn)為全閉環(huán)方式可以降低對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求，因閉環(huán)環(huán)路包括了機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其閉環(huán)動(dòng)態(tài)特性不僅與傳動(dòng)部件的剛性、慣性有關(guān)，還取決于阻尼、油的粘度、滑動(dòng)面摩擦系數(shù)等因素。而且這些因素對(duì)動(dòng)

6、態(tài)特性的影響在不同條件下還會(huì)發(fā)生變化，這給位置閉環(huán)控制的調(diào)整和穩(wěn)定帶來(lái)了許多困難。這些困難使調(diào)整閉環(huán)環(huán)路時(shí)不得不降低位置增益，從而對(duì)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(shí)必須增大機(jī)床剛性，改善滑動(dòng)面摩擦特性，減小傳動(dòng)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(jī)床上。4.2開(kāi)環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)不設(shè)位置檢測(cè)反饋裝置，不構(gòu)成運(yùn)動(dòng)反饋控制回路，電動(dòng)機(jī)按數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖工作，對(duì)運(yùn)動(dòng)誤差沒(méi)有檢測(cè)反饋和處理修正過(guò)程。其典型代表是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)，如圖4.1所示。圖4.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)進(jìn)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(guò)環(huán)形分配器和功率放大器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，每發(fā)出一個(gè)指令脈沖，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，此角度叫做步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪箱、滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)的位移量與指令脈沖數(shù)成正比，運(yùn)動(dòng)速度與脈沖的頻率成正比。4.2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的機(jī)電執(zhí)行元件。給一個(gè)電脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就回轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，稱為一步，所以稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。由于其轉(zhuǎn)動(dòng)角度由脈沖個(gè)數(shù)控制，不需要反饋環(huán)節(jié)，所以在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上得到了廣泛的應(yīng)用。概括起來(lái)步進(jìn)電機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)子的

8、角位移量和轉(zhuǎn)速嚴(yán)格受脈沖