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1.按调节埋论分类 (1)开环伺服系统开环伺服系统(见图6.2)只有指令信号的前向控制通道,没有检 测反馈控制通道,其驱动元件主要是步进电机这种系统上作原理是将指令数字脉冲信号转 换为电机的角度位移。实现运动和定位,主要靠驱动装置(既驱动电路)和步进电机本身保 证转過的角度正比」指令脉冲的个数;运动速度由进给脉冲的频率决定 驱动电路 步进电机 工作台 脉冲 图6.2开环伺服系统 开环系统的结构简单,易于控淛。一般来说,精度差、低速不平稳、髙速扭矩小主要 用于轻载、负载变化不人或经济型数控杋床上。现代高精度、硬特性的步进电机及其驱动装 置都在迅速发展中 (2)闭环伺服系统闭环系统是误差控制随动系统。数控机床进给系统的控制量是CNC 输岀的位移指令和机床作台(或刀架等)实际位移的差值(误差)因此需要有位置检测装 置。该装置放在工作台上,测出各坐标轴的实时位移量或者实际所处位置,并将测量值反馈 給CNC装置,与指令进行比较,求得误差,CNC装置控制机床向着消狳淏差的方向运动 在闭环控制中还引入了实际速度与给定速度比较调解的速度环(其內部有电流环),作用是对 电机运行状态实时进行较正、控制,达到速度稳定和变化平稳的目的,从而改善位置环的控 制品质。这种既有指令的前姠控制通道,又有测量输岀的反馈控制通道,就构成了闭环控制 伺服系统该系统主要分为全闭环控制和和半闭环控制二种(还有一种混合闭环控制,用于 重型和超重型数控机床)全闭环控制见图6.3和图6.1(位置环的检测反馈部分由虚线代替) 指令 位置控制 速度控制 伺服电机 位置检测 速度检测 圖6.3闭环系统 从理论上讲,全闭环伺服系统(以下称闭环系统)的精度取决于测量装置的精度,反馈 测量装置精度很髙,环内各种杋电误差都可以得到校正和补偿,从而使系统具有很高的跟随 精度和定位精度。但这并不意味着可降低对机床结构和传动装置的要求,其各种非线性(摩 擦特性、网性、间隙)都亼影响调解品质只有杋械装裝置具有较高精度时,才能保证该系统 的晑精度、高速度。闭环系统的缺点是调试、维修较困难主用于精密、大型数控设备上。 (3)半闭环系统位置检测元件从最终运动部件(如工作台)移到电机轴端或丝杠轴端, 见图6.4和图6.1(去掉L作台上的位置测量元件和虚线部分)半闭环系统通过角位移的测 量间接计算岀工作台的实际位移量。机械传动部件不在控制环内,容易获得德定的搾制特性 呮要检测元件分辨率高、精度高,并使机械传动件具有相应的精度,就会获得较高精度和速 度半闭环搾制系统的精度介于开环和全闭环系统の间。精度量没有闭环高,调试却比全闭 环方便,因此是广泛使用的一种数控伺服系统 工作台 位置控制 速度控制 伺服电机 脉冲编码 图6.4半闭环系統使用 图6.4中,光电脉冲编码器为检测元件(一般用于位置检测)在这里,该器件即用来检 测位移量,又用于检测速度量(经过转换),这是半闭环中广泛使用的‘种检测方案。 按使用的执行元件分类 (1)电液伺服系统电液伺服系统的执行元件通常为电液脉冲马达和电液何服马达,其前 级为电气元件,驱动元件为液动机和液压缸数掉机床发展的初期,多数采用电液伺服系 统。电液伺服系统具有在低速下可以得到很高的输出力矩,以及刚性好,时冋常数小、反应 快和速度平稳等优点然而,液压系统需要汕箱、汕管等供汕系统,体积大。此外,还有噪 声、漏油等问题,从70年代起被电氣伺服系统代替只是只有特殊要求时,才采用电液伺服 系统。 (2)电气伺服系统电气伺服系统的执行元件为伺服电机(步进电机、直流电机和交鋶 电机),驱动单元为电力电子器件,操作维护方便,可靠性高现代数控机床均采用电气伺服 系统。电气伺服系统分为步进伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统 1)直流伺服系统直流伺服系统从70年代到80年代中期,在数控机床上占主导地位 进给运动系统采用大惯量宽调速永磁盲流伺垺电机和中小惯量育流伺服电机;主运动系统采 用他激直流伺服电机。大惯量直流伺服电机具有良好的调速性能,输岀转矩大,过载能力强 由於电机自身惯量较大,容易与杋床传动部件进行惯量匹配,所构成的闭环系统易于调整 中小惯量直沇伺服电杌用减少电枢转动惯量的方法获得赽速性。中小惯量电机亠般都设计成 有高的额定转速和低的惯量,所以应用时,要经过中间机槭减速传动来达到増人转矩和与负 载进行惯量匹配的目的直流电杋配有品闸管仝控桥(或半控桥)或大功率旵体管脉宽调制 的驱动装置。该系统的缺点是电机有电刷,限制了转速的提高,而且結构复杂,价格较贵 2)交沇伺服系统交流伺服系统使用交流感应异步伺服电机(·般用于主轴伺服系统) 和水磁冋同步伺服电机(一般用于进给伺垺系统)。直流伺服电机使用机械(电刷、换向器)换 向,存在着一些固有的缺点,使其应用受到限制80年代以后,由于交流伺服电机的材料 结构、控淛理论和方法均有突破性的进展,电力电子器件的发展又为控制与方法的实现创造 了条件,使得交流驱动装置发展很快,目前凵取代了直流伺服系统。该系统的最大优点是电 机结构简单、不需要维护、适合于在恶劣环境下工作此外,交流伺服电机还具有动态响应 好、转速高和容量夶等优点 当今,父流伺服系统已实现了全数字化,即是说在伺服系统中,除了驱动级外,电流环 速度环和位置环仝部数字化。全部伺服的控制模型、数控功能、静动态补偿、前馈控制、最 优控制、自学习功能等均由微处理器及其控制软件高速实时地实现其性能更加优越,已达 到和超過直流伺服系统。 3.按被控对象分类 (1)进给伺服系统进给伺服系统是指一般概念的位置伺服系统,它包括速度控制环和 24 位置控制环进给伺服系統控制杋床各进给坐标轴的进给运动,具有定位和轮廓跟踪功能, 是数控机床中要求最高的伺服控制。 (2)主轴伺服系统般的主轴伺服系统只是·个速度控制系统。控制主轴的旋转运动, 提供切削过程中的转矩和功率,完成在转速范闱内的无级变速和转速调节当主轴何服系统 要求有位置控制功能时(如数控午类杋床),称为C轴控制功能。这时,主轴与进给伺服系 统一样,为一般概念的位置伺服控制系统 此外,刀斥的位置控制是为叻在刀库的不同位置选择刀具,与进给坐标轴的位置控制相 比,性能要低得多,故称为简易位置伺服系统。 4.按反馈比较控制方式分类 (1)脉冲、数字仳较伺服系统该系统是闭环伺服系统中的一种控制方式它是将数控 装置发岀的数字(或脉冲)指令信号与检测装置测得的以数字(或脉冲)形式表示的反馈信 号直接进行比较,以产生位置误差,达到闭环控制。 脉冲、数字比较伺服系统结构简单,容易实现,氅机工作稳定,应用十分普遍 (2)相位比较伺服系统在该伺服系统中,位置检测装置采用相位工作方式。指令信号 与反馈信号都变成了某个载波的相位,通过两者相位的比较,获得實际位置与指令位置的偏 差,实现闭环控制 相位比较伺服系统适用于感应式檢测元件(如旋转变压器,感应同步器)的工作状态, 可以得到满意的精喥 (3)嘔值比较伺服系统幅值比较伺服系统以位置检测信号的嗝值人小来反映机槭位移 的数值,并以此信号作为位置反馈信号,般还要行幅值信号囷数字信号的转换,进而获 得位置偏差构成闭环控制系统 在以上三种伺服系统中,相位比铰和幅值比较系统从结构上和安装维护上都比脉冲、数 字比较系统复杂和要求高,所以一般情况下脉冲、数字比较伺服系统应用的广泛 (4)仝数字伺服系统随着微电子技术、计算札技术和伺服控淛技术的发展,数控札床 的饲服系统已采用高速、高精度的全数字伺服系统。即山位置、速度和电流构成的三环反馈 控制全部数字化,使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字化方式,该类何服系统 具有使用灵活,柔性好的特点。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和妀进伺服性能的措 施,使控制精度和品质大大提高 6.2伺服电动机 伺服电动机为数控伺服系统的重要组成部分,是速度和轨迹控制的执行元件。伺服系统 的设计、调试与选用的电机及其特性有密切关系,直接影响伺服系统的静、动态品质在数 控机床中常用的伺服电机有:直流伺服电機、交流伺服电机、步进电机和直线电机等。直流 伺服电机只有良好的调速性能,在70年代、80年代的数控系统中得到了广泛的应用;交流 伺服电杋由于结构和控制原理的发展,性能大大提高,从80年代末开始逐渐取代直流伺服电 机,是目前主要使用的电机;步进电机应用在轻载、负荷变动不夶以及经济型数控系统中 直线电机是一种很有发展前途的特和电机,主要应用在高速、高精度的进给伺服系统中。 6.2.1直流伺服电机及工作特性 常用的直流电动机有:永磁式直流电机、励磁式直流电机、混合式直流电机、无刷直流 电机和直流力矩电机等直流进给伺服系统使用永磁式流电机炎型中的有槽电枢永磁直流 电机(普通型);直流主轴伺服系统使用励磁式直流电机类型中的他激直流电机。此外,永磁 式直流电机还包括无糟电枢永磁直流电机、杯型电枢永磁直流电机和印刷绕组电枢永磁直流 电机等这几种电机均为小惯量电机,适用于要求快速响应和頻繁起动的伺服系统,但其过 225 载能力低,电枢惯量与机械传动系统匹配较差。普通型永磁式自流电机产量大,应用广泛 1.直流伺服电机的结构和笁作原理 (1)永磁直流伺服电机 普通型永磁直流伺服电机的转子惯量人,调速泛闱宽,所以也叫做人惯量宽调速永磁直 流伺服电机,广泛用在进给直鋶何服系统中。永伭直流何服电机(见图6.5)由枞壳、磁极 (定子)、电枢(转子)和换向器等组成反馈用的检测元件有测速发电机、旋转变压器和光 電脉冲编码器,这三和检测元件之均可安装在电机的尾部。定了磁极是·个永久磁体,由 此建立磁场高性能直流电机采用稀土水磁材料。磁極的形状大都为瓦状结构,并加上极靴 或憾轭,以聚集气隙嵫通;电枢由有槽铁芯和绕组两部分组成,属」转动部分;换向器由电 刷、换向片等组成,咜的作用是将外加的直电流电源引向电枢绕组,完成换向工作 无槽永磁直流伺服电机的铁心为无槽平滑圆柱体,电枢绕组为成型的线圈元件組成,直 接绑扎分布在电枢铁心表面上,该电机转矩脉动小;杯型电枢永磁直流伺服电机的电枢由漆 包线编织成杯型(称为动圈转子),这种电机非常輕巧,电气时间常数小;印刷绕组电枢永磁 直流伺服电机的名称起源于其电枢的制作应用一般印刷电路的制作方法,目前,该方法早已 被先进的冲淛技术所代替。该电机的电枢圆盘很轻,惯量很小 1-机壳3-瓦状水磁材料 1-换向极2-主磁板3-定子 2-极靴4-电枢 4-转子5-线圈 图6.5永磁直流伺服电机的结构 图6.6直鋶主轴电机结构示意图 (2)直流主轴伺服电机的结构 机床主轴驱动和进给驱动有很大差别,对主轴直流伺服电机要求有很宽的调速范围和提 供大嘚转知、功率。主电机应有2.2~250kW的功率范围、1:100~1000的恒转矩调速范围 和1:10的恒功率调速范围,而且要求在主轴的两个转向中仟一方向都可进行传动和加減速, 即要求有四象限的驱动能力主轴直流何服电机因换向的原因,恒功率调速范小。到了80 年代以后开始采用交流主轴伺服电机 为了满足數控机床对主轴驱动的要求,直流主轴电机的结构与进给驱动用的永磁式直流 伺服电机不同。因为要求主轴电机有大的输出功率,所以在结构仩不做成永磁式,而与普通 劢磁直流电杌相冋,为他激式其结构小意如图6.6所小,直流主轴电机也是由定子和转子 两大部分组成。转子与永磁直鋶伺服电机相同,由电枢绕组和换向器组成而定子则完全不 同,它由主磁极和换向极组成。有的主轴电机在主磁极上不但有主磁极绕组,还带囿补偿绕 组这类电机在结构上的特点是,为了改善换向性能,在电机结构上都有换向板;为缩小体 积,改善冷却效果,采用了轴向强迫通风冷却或熱管冷却。电机的主磁极和换向极都采用矽 钢片叠成,以便在负荷变化或在加速、减速时有良好的换向性能电机外壳结构为密封式以 适应惡劣的机加车间环境。在电机的尾部一般都同轴安装有测速发电机作为速度反馈元件 2.直流电机的⊥作特性 (1)静态特性 226 般直流电机(劢磁式)的L莋原理是建立在电磁力定律基础上,由励磁绕组和磁极建 立磁场,通电导体(电枢磁绕)切割磁力线产生电磁转矩,转矩的大小正比于电机中气隙磁 場和电枢电流。电磁转矩由下式衣示 TM=K·p (6.1 式中Kr—转矩常数;φ一磁场磁通;J一电枢电流;TM一电磁转矩 电枢回路的电压平衡方程式为 U=R+E 6.2) 式中U-电枢上的外加电压:Ra-电枢电阻;E一电枢反电势。 电枢反电势与转速之间有以卜关系 e=k o (6.3) 式中K一电势常数:ω一电机转速(角速 度) 根据以上各式可以求得 R 0=a KK…K了·中2 )(6.4) 式(6.4)表明了电机转速与电磁力矩的关系 此关系称为机械特性(图6.7)。机械特性是静 TL Ts T 态特性,是稳定运行时带动负载的性能,稳定 运行时,电磁转矩与所带负载转矩相等当负 图6.7直流电机的机械特性 载转矩为零时,电磁转矩也为零,这时可得 (6.5 K 为理想空载转速。当转速为零,即电机刚通电时的启動转矩7可由式(6.4)得 KrO R T又称为堵转转矩,式中URa为起动时电流,一般直流电机该佰很小,因此启动力矩 不能满足要求 电机带动某一负载时,电机转速与坦想涳载转速会有一个差佰Δo,Δa的值表 明了机械特性的硬度,Δω越小,机械特性越硬。由式(6.4)可得 R △ (6.7) K,K,o 式中,为所带负载力矩Δo的大小与电机的调速范围有密切关系。Δ@值大,不可能实 现宽范围的调速进给系统要求很宽的调速范围,为此采用永磁直流伺服电机。 (2)动态特性 电机处于过渡过程工作状态时,其动态特性直接影响着生产率、加工精度和表面质量 直流伺服电机有优良的动态品质直流电机的动态力矩平衡方程式为 TM-T=do (6.8) 式ΦT一电机电磁转矩; T-折算到电机轴上的负载转矩 电机转子角速度 J—电机转子上总转动惯量 t—一时间自变量。 该式衣明动态过程中,电机由直沇電能转换来的电磁转矩T,克服负载转矩后,其剩 余部分用来克服机械惯量,产生加速度,以使电机由一种稳定状态过渡到另一种稳定状态 为了取嘚平稳的、快速的、无振荡的、单调上升的转速过渡过程,要减小过渡过程时间 为此,小惯量电杋采取的措施是,从结构上减小其转子转动惯量.J;囚惯量电机采取的措施 是,从结构上提高走功力矩T。 3.水磁直流伺服电机的工作原理和特性 永傚直流伺服电机(以下均指普通型,即大惯量宽调速詠磁直流何服电机)的工作原理 与一般(励磁式)直流电机基本相同,但磁场的建立由永久磁铁实现,当电流通过电枢绕组 (线圈)时,电流与磁场相互作鼡,产生感应电势、电憾力和电憾转矩,使电枢旋转 永磁直流伺服电机特性原则上与一般直流电机相同,但有很大的改进和变化,已不能简 单的鼡电压、电流、转矩等参数来描述,需用数据表和特性曲线来描述,使用时要査阅这些 表和特性曲线 (1)永磁直流伺服电机的性能特点 Ⅰ)低转速大慣量。这种电机具有较大的惯量,电机的额定转速较低可以直接和机床的 进给传动丝杆相连,因而省掉了减速机构 2)转矩大。该电机输岀转矩仳较大,特别是低速时转矩大能满足数控机床在低速时, 进行人吃刀量加工的要求。加人丿矩采取的措施:选用高导磁的磁性材料 3)起动力矩夶。具有很大的电沇过载倍数,起动时,加速电流允许为额定电流的10倍, 因而使得力矩/惯量比人,快速性好 4)调速泛围大,低速运行平稳,力矩波动小。该电机转了的槽数增多,并采用斜槽,使 低速运行平稳(如在0.1r/min的速度运行) (2)永磁直流伺服电机的特性曲线: )转矩-速度特性曲线转矩速度特性曲线又叫做工作曲线,如图5.8所示伺服电 机的工作区域被温度极限线、转速极限线、换向极限线、转知极限线以及瞬时换向极限线分 成三个区域:I区為连续工作区,在该区域内可对转矩和转速作任意组合,都可长期连续工 作。Ⅱ区为断续工作区,此时电机只能根据负载-工作周期曲线(见图5.9)所决萣的允许 工作时间和断电时间做间歇工作Ⅲ区为瞬时加速和减速区域,电机只能用作加速或减速, 工作一段极短的时间。选择该类电机时要栲虑负载转矩、摩擦转矩,特别是惯性转矩 M(N-cm)转矩极限 瞬时换向板限 120%i 换向板限 速度极限 160% 180% 400温度极限 n 图6.8永磁直流伺服电机工作曲线 图6.9负载-工作周期曲线 2)负载-⊥作周期曲线该由线给出了在满足机械所需转矩,而又确保电机不过热的情况 下,允许电机的工作时间。因此,这些曲线是由电机温喥极限所决定的负载-工作周期曲线 的使用方法:首先根据实际负载转矩的要求,求出电机在该吋的过载倍数Tm,然后在负载- 工作周期曲线的水平軸线上找到实际机械所需要的工作时间t,并从该点向上作垂线,与所 负载转矩 rm连续额定转矩 要求的Tm的那条曲线相交。再从该点作水平线,与纵轴楿交的点即为允许的负载⊥作周期 比 (6-9) +t 式中t 电机的工作时间; 电机的断电时间 最后可以求出最短断电时间t。电机的数据表,给出了有关电机性能的一些参数值,使用时 需查阋,这里不作叙述 (6-10) 4.主轴直流伺服电机的工作原理和特性 直流主轴电机虽然结构上有很大变化,但工作原理冋一般他噭励直流电机一样,电枢线 圈中的电流与磁场相互作用产生电磁小、电磁转矩其性能主要表现在转知-速度特性曲线上, 如图5.10所示。在基本转速n以下属于恒转矩(7)调速围,用改变电枢电压来调速;在 基本转速以上属于恒功率(P)调速范围,采用控制激磁的调速方法调速一般来说,恒转 矩速度范围与恒功率速度范围之比为1:2。 另外,直流主轴伺服电机·般都有过载能 力,且大都以能过150%(即连续额定电流 的1.5倍)为指标至于过载时间,则根据苼 产厂的不同有较大差别从1min到30min不等。 6.2.2交流伺服电机及工作特性 直流伺服电机具有优良的调速性能,但却 1-转矩特性曲线2功率特性曲线 存在一些凅有的缺点,如它的电刷和换向器易 图6.10直流主轴电机特性曲线 磨损,需要经常维护;由于换向器换向时会产 生火花,使电机的最髙转速受到限制,也使应用环境受到限制;而且直流电机的结构复杂, 制造困难,所用铜铁材料消耗大,制造成本髙但交流伺服电机没有上述缺点,且转子惯量 较直流電机小,使得动态响应好。一般来说,在同样体积下,交流伺服电机的输出功率可比 直流何服电机提高10%70%另外,交流伺服电机的容量可比直流伺服電机造得大,可达 到更高的电压和转速。二十世纪80年代以来,交流调速技术及应用发展很快,打破了“直流 传动调速,交流传动不调速”的传统分笁格局交流伺服电机广泛用在数控机床上,并取代 了直流伺服电机。在交流伺服系统中采用同步型交流伺服电机和异步型交流感应伺服电機ε 交流昇步(感应)伺服电机结构简单,制造容量大主要用在主轴驱动系统中;交流同 步伺服电机可方便的获得与频率成正比的可变速度,可以嘚到非常硬的机构特性和很宽的调 速范围,在电源电压和频度固定不变时,它的转速是稳定不变的。主要用在进给驱动系统中 1.永磁交流同步伺垺电机的结构和工作原理 交沇同步伺服电机分为励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式等四种前两种输出功率泛围 229 较宽,后两种输岀功率小。各种交流同步伺服电机的结构均类似,都由定子和转子两个主要 部分组成四种电机的转子差别较大,励磁式同步伺服电机转子结构较复杂,其咜三和同步 伺服电机转子结构十分简单,磁阻式和磁滞式冋步伺服电机效率低,功率因数差。永磁式交 流同步伺服电机结构简单、运行可靠、效率高,所以在数控机床进给驱动系统中多数采用水 磁交流同步伺服电机 (1)水磁交流同步伺服电机的结构 水磁交流同步伺服电机由定子、转孓和检 测元件三部分组成。结构原理图见图6.11 电枢在定子上,定子具有齿槽,内有三相交流 绕组,形状与普通交流感应电机的定子相同。十= 但采取了许多改进措施,如卡整数节距的绕组 奇数的齿槽等这种结构优点是气隙磁密度 较晑,极数较多。电机外形 的呈多边形,且无外壳:转子由多塊永磁铁和 1一定子2—转子3-脉冲编码器 冲片组成,磁场波形为正弦波转子结构中还 4一定子三相绕组5一接线盒 有·类是有极靴的星形转了,采用矩形磁铁或 图6.11永磁交流同步伺服电机结构 整体星形磁铁:检测元件(咏冲编码器或旋转变压器)安装在电机轴上,它的作用是检测出 转子磁场相对於定子绕组的位置。 (2)永磁交流同步伺服电机工作原理和性能 ①T作原理 永磁父流同步伺服电机的工作原理很简单 与励磁式交流同步电机类似,即转子磁场与定 子磁场相互作用的原理所不同的是,转子磁 场不是由转子中激磁绕组产生,而是由转子永 久磁铁产生。具体是:当定子三相绕組通上交 流电后,就产生一个旋转磁场,该旋转磁场以 同步转速n、旋转(见图6.12)根据磁极的同 性相斥,异性相吸的原理,定子旋转磁极就要 与转了的詠久磁铁磁极互相吸引住,并带着转别图6.12永磁交流同步伺服电机工作原理图 子一起旋转。因此,转子也将以同步转数n,与 定子旋转磁场一起旋转当转子轴上加有负载转矩之后,将造成定子磁场轴线与转子磁极轴 线不致(不重合),相差个角,负载转矩变化,日角也变化。只要不超过定界限, 转孓仍然跟着定子以同步转数旋转设转子转数为n(转/分),则 no=n=60f/p 式中f一电源交流电频率(Hz); p—转子磁极对数。 T(N-cm) 永磁交流同步电机有一个问题是起动 12000 困难这是由于转子本身的惯量以及定、 转子磁场之间转速相差太大,使在起动时 8000 转子受到的平均转知为零,因此不能自起 6000 动。解决这个问题不用加起动绕组的办法, 4000 而是在设计中设法诚低转子惯量,以及在 2000 速度控制单元中采取先低速后高速的控制 方法等来解决自起动问题 00 n r min ②永磁交流哃步伺服电机的性能 图6.13永磁交流同步伺服电机的特性曲线