会计学1数控原理数控原理(yunl)与系统伺服驱动系统与系统伺服驱动系统第一页，共120页第1页/共120页第二页，共120页第2页/共120页第三页，共120页第3页/共120页第四页，共120页第4页/共120页第五页，共120页第5页/共120页第六页，共120页第6页/共120页第七页，共120页第7页/共120页第八页，共120页对动态特性的影响在不同条件下还会发生变化，这给位置闭环控制的调整和稳定带来了许多困难这些困难使调整闭环环路时不得不降低位置增益，从而对跟随误差与轮廓加工误差产生不利影响所以采用全闭环方式时必须增大机床刚性，改善滑动面摩擦特性，减小传动间隙，这样才有可能提高位置增益全闭环方式被应用在精度要求较高的大型数控机床上第8页/共120页第九页，共120页第9页/共120页第十页，共120页图4.1 步进电动机开环进给伺服系统结构图 指令脉冲数控装置环形分配器步进电动机功率放大器工作台齿轮箱步进电动机电源第10页/共120页第十一页，共120页第11页/共120页第十二页，共120页概括起来步进电机具有如下优点：第12页/共120页第十三页，共120页第13页/共120页第十四页，共120页。
第14页/共120页第十五页，共120页第15页/共120页第十六页，共120页第16页/共120页第十七页，共120页gngy)产品系列代号为BH第17页/共120页第十八页，共120页第18页/共120页第十九页，共120页a) 外形定子铁芯转子铁芯定子绕组(a) 展开图(a) 横切面图A相B相C相顺时针方向转子齿展开转子齿展开18 612图4.2 反应式步进电机(dinj)外形结构图第19页/共120页第二十页，共120页第20页/共120页第二十一页，共120页图4.3 反应式步进电动机工作(gngzu)原理 ABCCBCBBCAUCBA4逆时针回转30 C相通电A相通电B相通电逆时针回转30逆时针回转30ABC231ABCABCAA(a)(b)12431324第21页/共120页第二十二页，共120页通电，转子就会不断地按逆时针方向(fngxing)转动；如按ACBA的顺序通电，转子就会不断地按顺时针方向(fngxing)转动从一相通电换到另一相通电，叫一拍；每一拍转子转动一步，每步转过角度叫步距角第22页/共120页第二十三页，共120页第23页/共120页第二十四页，共120页。
顺序为AABBBCCCAA，一个循环为6拍，是单拍时的2倍，称为三相六拍工作制第24页/共120页第二十五页，共120页距角在0.363范围的步进电机(dinj)较为常用第25页/共120页第二十六页，共120页AB-A-BA的顺序轮流通电时，转子将按顺时针转动，步距角为45步距角的计算公式为 式中 m为拍数，p为转子磁极对数第26页/共120页第二十七页，共120页图4.4 永磁式步进电机(dinj)外形结构图NSNSAB0(a) 外形(wi xn) (b) 结构第27页/共120页第二十八页，共120页两端，转子铁心上也有如反应式步进电动机那样的小齿，但两段转子铁心上的小齿相互错开半个齿距，定转子小齿的齿距相等第28页/共120页第二十九页，共120页a)外形(wi xn) (b) 结构图(b) 4.5 混合式步进电机外形(wi xn)结构图 如图4.6所示为两相混合式步进电机剖面图，定子有8个磁极(cj)，在空间上均匀分布，每相4个磁极(cj)，每相相邻磁极(cj)线圈绕向相反；转子有10个齿，在空间上均匀分布；定子绕组通电顺序为AABBAABBAANS永久磁铁定子绕组转子铁心定子铁心第29页/共120页第三十页，共120页。
第30页/共120页第三十一页，共120页9式中 m为拍数，Z为转子齿数ABABABABSN12345678123456781234567891012345678910图4.6 混合式步进电机(dinj)剖面图第31页/共120页第三十二页，共120页第32页/共120页第三十三页，共120页2sinMMtmax第33页/共120页第三十四页，共120页第34页/共120页第三十五页，共120页图4.7 步进电动机的矩角特性(txng) tMMMLMmax0初始平衡点静态稳定区定子转子t第35页/共120页第三十六页，共120页f / HzOM / (Nm)图4.5 步进电动机的矩频特性(txng)第36页/共120页第三十七页，共120页第37页/共120页第三十八页，共120页第38页/共120页第三十九页，共120页图4.9 步进电动机的运行特性(txng) (a) 低频区； (b) 高频区 脉冲O3转角C通电B通电A通电2(b)(a)脉冲转角32O第39页/共120页第四十页，共120页大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流信号第40页/共120页第四十一页，共120页。
图4.10 步进电动机控制电路 功率放大脉冲分配BCAABC第41页/共120页第四十二页，共120页第42页/共120页第四十三页，共120页第43页/共120页第四十四页，共120页图4.11 单电源串电阻驱动(q dn)电路 脉冲放大器控制信号步进电动机EVTVDRC第44页/共120页第四十五页，共120页第45页/共120页第四十六页，共120页图4.12 高低电压(diny)切换型驱动电路 (a) 电路； (b) 波形 V14.7 kUcp100 1 k200 V220 TRdUwVdVDd18 RgVDgUg80 VUd12 VLaiwUcpUwiw(绕组电流)(绕组电压)(a)(b)r0.1 FVg第46页/共120页第四十七页，共120页第47页/共120页第四十八页，共120页第48页/共120页第四十九页，共120页第49页/共120页第五十页，共120页第50页/共120页第五十一页，共120页图4.13 单电源斩波型驱动(q dn)电路 (a) 电路； (b) 电流波形 itO斩波电路脉冲放大器控制信号步进电动机ER2R1VVDIm(a)(b)第51页/共120页第五十二页，共120页。
第52页/共120页第五十三页，共120页第53页/共120页第五十四页，共120页图4.14 细分控制(kngzh)驱动电路绕组电流波形 ImItOIm/5第54页/共120页第五十五页，共120页第55页/共120页第五十六页，共120页图4.15 三相(sn xin)三拍环形脉冲分配 环形脉冲分配器165432165342A相驱动B相驱动C相驱动第56页/共120页第五十七页，共120页AACCCBBBAA输出状态真值表如表4.1所示第57页/共120页第五十八页，共120页表4.1 三相(sn xin)六拍脉冲分配器输出真值表 第58页/共120页第五十九页，共120页图4.16 三相(sn xin)六拍脉冲分配器 &C1 1DC1 1DC1 1DQAQBQCCPXX&1第59页/共120页第六十页，共120页显然，对于相数不同、通电方式不同的步进电机，必须重新设计或选用不同的硬件分配电路因此，硬件脉冲分配器缺乏灵活性第60页/共120页第六十一页，共120页图4.17 CH250实现(shxin)的三相六拍脉冲分配电路 GH25012 V111213CBAEN616UD10R9RCLJ6rJ6LJ3LJ3rUS141587121 F100 kCP方向1第61页/共120页第六十二页，共120页。
顺序一般采用(ciyng)“查表法”编写脉冲分配程序，即按步进电机通电顺序求出脉冲输出状态字状态表，并将其存入EPROM中，然后根据步进电机的运转方向，按表地址正向或反向地取出该地址中的状态字进行输出，即可控制步进电动机正向或反向地旋转起来第62页/共120页第六十三页，共120页图4.18 单片机控制的三相步进电动机驱动电路(dinl)框图 89C51功率驱动电路步进电动机CBA光耦P1.2光耦光耦P1.1P1.0第63页/共120页第六十四页，共120页S G S 2 9 8 ) 的 逻 辑 电 路 使 用(shyng)5V电源，功放级使用(shyng)546V电压，下桥发射极均单独引出，以便接入电流取样电阻L298采用15脚双列直插式封装，其内部结构如图4.19所示H桥驱动的主要特点是能够对电机绕组进行正、反两个方向通电L298特别适用于对二相或四相步进电动机的驱动第64页/共120页第六十五页，共120页图4.19 L298原理(yunl)框图第65页/共120页第六十六页，共120页gngnng)的步进电动机驱动系统第66页/共120页第六十七页，共120页图4.20 专用芯片构成(guchng)的步进电动驱动系统第67页/共120页第六十八页，共120页。
第68页/共120页第六十九页，共120页第69页/共120页第七十页，共120页并且自身惯量比机床相应运动部件的惯量小，因此必须配置(pizh)减速机构与丝杠相联接才能和运动部件的惯量相匹配，这样增加了传动链误差小惯量直流伺服电机在早期的数控机床上得到广泛应用第70页/共120页第七十一页，共120页况下，槽的截面积n由此，电动机的机械时间常数(sh jin chn sh)和电气时间常数(sh jin chnsh)都有所减小，这样就提高了快速响应性第71页/共120页第七十二页，共120页较小，提高了抗机械干扰的能力因此伺服系统的调速与负载几乎无关，大大(d d)方便了机床制造厂的安装调试工作n 低速时输出力矩大这种电动机能与丝杠直接相连，省去了齿轮等传动机构，提高了机床进给传动精度n第72页/共120页第七十三页，共120页除测速发电机外，还在电动机内部安装有位置检测装置，如光电编码器或旋转变压器第73页/共120页第七十四页，共120页第74页/共120页第七十五页，共120页图4.21 FB15型直流伺服电动机的工作(gngzu)曲线 连续工作区；间断工作区；瞬时工作区n / (rmin1)温度极限换向极限最高转速瞬时换向极限最大转矩15001000500020004000600080001000012000M / (Ncm)第75页/共120页第七十六页，共120页。
工作区内电动机可根据负载周期曲线所决定的允许工作时间与断电时间做间歇工作；瞬时加减速区电动机只能在加减速时工作于该区，即只能在该区域中工作极短的一段时间第76页/共120页第七十七页，共120页放大电路元件的不同，可分为晶闸管（SCR）直流伺服驱动系 统 和 晶 体 管 脉 宽 调 制（PWM）直流伺服驱动系统两大类第77页/共120页第七十八页，共120页 图4.22 伺服驱动(q dn)系统结构框图 CNC装置测速Un直流伺服驱动装置010 V编码器MTGTG第78页/共120页第七十九页，共120页整流桥之间加限流电抗器L1、L2（平波电抗器）， 并通过两路电流反馈把环流控制在一定(ydng)范围之内第79页/共120页第八十页，共120页图4.23 环流(hun li)可控可逆直流伺服系统结构框图 STL TUnVFUnf速度调节器UI2L21UI1环流给定电流调节器LT电流调节器GTRGTFL1MTG3第80页/共120页第八十一页，共120页第81页/共120页第八十二页，共120页图4.24 逻辑无环直流伺服驱动(q dn)系统结构框图 STUnU1VFVRGTF速度调节器电流调节器3Unf零电流信号 UI0DLCLTUI11U1UI2电流调节器LTGTRMTG第82页/共120页第八十三页，共120页。
响第83页/共120页第八十四页，共120页在电枢上的平均电压Ua， 从而调节(tioji)电动机的转速 晶体管PWM直流伺服驱动系统的电路结构如图4.25所示第84页/共120页第八十五页，共120页图4.25 晶体管PWM直流伺服驱动系统(xtng)的电路结构 驱动电路三角波发生器L1CV2Unf光电隔离GTR或IGBT速度反馈MUnSTLTPWM电流反馈V1V4V1TGGTR或IGBT3第85页/共120页第八十六页，共120页n（4） 直流电源采用三相(sn xin)不可控整流电路时，电网功率因数高， 对电网冲击小因此，在数控系统中应用较为广泛第86页/共120页第八十七页，共120页制电路的制电路的15V直流电源直流电源R、S和和T为为120V交流电源，是提供给交流电源，是提供给主回路的动力电源主回路的动力电源TOHl、TOH2为装在变压器内部的热敏为装在变压器内部的热敏开关，当变压器过热时，热敏开关，当变压器过热时，热敏开关断开开关断开A1、A2为伺服装置为伺服装置控制伺服电动机电枢电压的动控制伺服电动机电枢电压的动力信号，力信号，TSA、TSB为装在电动为装在电动机轴上测速发电机输出的信号，机轴上测速发电机输出的信号，它是与转速成正比的电压信号。
它是与转速成正比的电压信号n第87页/共120页第八十八页，共120页图4.26 FANUC SCR-D型晶闸管直流伺服驱动装置(zhungzh)外部连接图 VCMDGNDPRDY1PRDY2ENBL1ENBL2VRDY1VRDY2OVL1OVL2CNC系统伺服单元FANUC SCR-D伺服变压器200U200V200W18A0T18BTOH1TOH2RSTUVW380VMA2A1TSATSB第88页/共120页第八十九页，共120页第89页/共120页第九十页，共120页第90页/共120页第九十一页，共120页第91页/共120页第九十二页，共120页第92页/共120页第九十三页，共120页相对称绕组，转子为永久磁极，相对称绕组，转子为永久磁极，并在定子圆周上均匀布置并在定子圆周上均匀布置3个霍个霍尔传感器，用来检测尔传感器，用来检测(jin c)转转子磁极的位置也可以通过安子磁极的位置也可以通过安装在轴端的光电编码器，来检装在轴端的光电编码器，来检测测(jin c)转子的磁极位置转子的磁极位置第93页/共120页第九十四页，共120页NSCBA123霍尔传感器转子定子(a) 外形 (b) 内部结构图(b) 4.27 三相(sn xin)永磁同步交流伺服电机外形结构 第94页/共120页第九十五页，共120页。
机永磁同步交流伺服电机的机械特性曲线与直流电机非常相似，如图4.28所示第95页/共120页第九十六页，共120页图4.28 永磁同步(tngb)交流伺服电动机的机械特性 连续工作区断续工作区TOn第96页/共120页第九十七页，共120页向变频的，是自控换向交流伺服系统数控机床用的交流伺服系统一般是自控换向交流伺服系统第97页/共120页第九十八页，共120页n图4.30所示为西门子SIMODRIVE 611A交流进给驱动装置原理图第98页/共120页第九十九页，共120页图4.29 自控换向交流伺服驱动组成(z chn)结构 等效直流电动机BQ换向控制电路V1V3V5V4V6V2ub1ub2ub3ub4ub5ub6逆变器UNSWV第99页/共120页第一百页，共120页图4.30 SIMODRIVE 611A交流进给伺服驱动(q dn)装置原理图 速度调节器电流调节器控制脉冲分配直流电压限制器组件电流实际值形成电路电源鉴控调节器组件整流组件电源组件功率组件电流检测器三相同步伺服电动机转子位置检测器测速发电机来自CNC的速度给定电压TG3RLGSM3UVWCRST第100页/共120页第一百零一页，共120页。
的进给轴，具有位置偏差小、分辨率高（采用65536P/r的绝对值式编码器）、伺服控制响应(xingyng)快（高速响应(xingyng)矢量控制HRV）等特点性能参数如表4.2所示第101页/共120页第一百零二页，共120页表4.2 FANUC AC伺服电动机第102页/共120页第一百零三页，共120页第103页/共120页第一百零四页，共120页表4.3 FANUC AC主轴(zhzhu)电动机 第104页/共120页第一百零五页，共120页第105页/共120页第一百零六页，共120页靠性高等特点n FANUC 系列、系列电机和驱动器的选配情况，如表4.4和表4.5所示第106页/共120页第一百零七页，共120页注：表中L表示(biosh)控制的轴数为1，M表示(biosh)控制的轴数为2，N表示(biosh)控制的轴数为3表4.4 FANUC 伺服放大器系列(xli)第107页/共120页第一百零八页，共120页表4.5 FANUC主轴(zhzhu)放大器 第108页/共120页第一百零九页，共120页第109页/共120页第一百一十页，共120页断电情况下溜车FXM系列无刷AC伺服电机的特性参数如表4.6所示。
第110页/共120页第一百一十一页，共120页表4.6 FXM系列(xli)无刷AC伺服电机的特性参数 第111页/共120页第一百一十二页，共120页第112页/共120页第一百一十三页，共120页SPD系列(xli)和SCD系列(xli)第113页/共120页第一百一十四页，共120页表4.7 FM7主轴电机的特性(txng)参数 第114页/共120页第一百一十五页，共120页第115页/共120页第一百一十六页，共120页第116页/共120页第一百一十七页，共120页第117页/共120页第一百一十八页，共120页第118页/共120页第一百一十九页，共120页第119页/共120页第一百二十页，共120页。