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《数控-4》-23.ppt

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§4-2 位移传感器(速度、位置),一 概述 位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环、半闭环控制系统中,它的主要作用是检测位移和速度,并发出反馈信号,构成闭环或半闭环控制。数控机床对位置检测装置的要求如下: (1) 工作可靠,抗干扰能力强; (2) 满足精度和速度的要求; (3)易于安装,维护方便,适应机床工作环境; (4) 成本低。,组成:位置测量装置是由检测元件(传感器)和信号处理装置组成的。作用:实时测量执行部件的位移和速度信号,并变换成位置控制单元所要求的信号形式,将运动部件现实位置反馈到位置控制单元,以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的,在设计数控机床进给伺服系统,尤其是高精度进给伺服系统时,必须精心选择位置检测装置。,传感器的性能指标应包括静态特性和动态特性,主要如下。1.精度 符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度称作精度。高精度和高速实时测量。2.分辨率 分辩率应适应机床精度和伺服系统的要求。3.灵敏度 灵敏度高、一致。4.迟滞 对某一输入量,传感器的正行程的输出量与反行程的输出量的不一致,称为迟滞。迟滞小。5.测量范围和量程6.零漂与温漂其它: 可靠,抗干扰性强、使用维护方便、成本低等。,数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流三种类型。 安装的位置及耦合方式—直接测量和间接测量; 测量方法—— 增量型和绝对型; 检测信号的类型—— 模拟式和数字式; 运动型式—— 回转型和直线型; 信号转换的原理—— 光电效应、光栅效应、电磁感应原理、压电效应、压阻效应和磁阻效应等。,(一) 直接测量和间接测量1. 直接测量直接测量是将直线型检测装置安装在移动部件上,用来直接测量工作台的直线位移,作为全闭环伺服系统的位置反馈信号,而构成位置闭环控制。其优点是准确性高、可靠性好,缺点是测量装置要和工作台行程等长,所以在大型数控机床上受到一定限制。2. 间接测量 它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上,通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移,作为半闭环伺服系统的位置反馈用。优点是测量方便、无长度限制。缺点是测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差,从而影响了测量精度。,(二)数字式测量和模拟式测量 1. 数字式测量 它是将被测的量以数字形式来表示,测量信号一般为脉冲,可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。信号抗干扰能力强、处理简单。 2. 模拟量测量 它是将被测的量用连续变量来表示,如电压变化、相位变化等。它对信号处理的方法相对来说比较复杂。,(三) 增量式测量和绝对式测量 1. 增量式测量 在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式,增量式测量只测相对位移量,如测量单位为0.001mm,则每移动0.001mm就发出一个脉冲信号,其优点是测量装置较简单,任何一个对中点都可以作为测量的起点,而移距是由测量信号计数累加所得,但一旦计数有误,以后测量所得结果完全错误。 2. 绝对式测量 绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起,每一个被测点都有一个相应的测量值。测量装置的结构较增量式复杂,如编码盘中,对应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。显然,分辨精度要求愈高,量程愈大,则所要求的二进制位数也愈多,结构就愈复杂。,数控机床检测装置分类,二、直线光栅有长光栅和圆光栅,数控和数显中常用透射光栅和反射光栅,透射光栅分辨率较反射光栅高,其检测精度可达1μm以上圆光栅用于测量转角位移,直线光栅用于检测直线位移本节着重介绍一种应用比较广泛的透射式直线光栅。,1.长光栅检测装置的结构 主要结构为标尺光栅和指示光栅 栅距和栅距角(两个光栅错开的角度),,图5.9 光栅的结构 1-防护垫 2-光栅读数头 3-标尺光栅 4-防护罩,标尺光栅,图5.10 光栅读数头 1-光源 2-准直镜 3-指示光栅 4-光敏元件 5-驱动线路,2.工作原理(以透射投影为例)莫尔条纹:严格来说:横向莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直,d 放大2倍,莫尔条纹的特征: (1)莫尔条纹的变化规律(包括方向):两片两光栅相对移过一个栅距,莫尔条纹移过一个条纹间距。由于光的衍射与干涉作用,莫尔条纹的变化规律近似正(余)弦函数,变化周期数与两光栅相对移过的栅距数同步。 (2)放大作用 莫尔条纹宽度 W 和光栅栅距 d、栅线夹角θ之间关系:由图可知 W=d sinθ 又θ很小可认为 sinθ≈ θ 故 W=d/θ 例如 d = 0.01, θ= 0.01rad, 得W =1mm, 放大100 (3)均化栅距误差作用,,3。应用光栅测量系统如图5-19所示,由光源、聚光镜、光栅尺、光电元件和驱动线路组成。,光源、聚光镜、指示光栅、光电元件和驱动线路,作成一个单独部件固定在机床上,这个部件称为光栅读数头,又叫光电转换器,其作用是把光栅莫尔条纹的光信号变成电信号,为了确定运动方向,至少要放置两个光电元件,两者可相距1/4莫尔条纹宽度。根据两光电元件输出信号的超前和滞后,可以确定标尺光栅移动方向。在实际应用中,既要提高测量精度,同时又能达到自动辨向的目的,通常采用倍频或细分的方法来提高光栅的分辨精度,如果在莫尔条纹的宽度内,放置四个光电元件,每隔1/4光栅栅距产生一个脉冲,一个脉冲代表移动了1/4栅距那么大位移,分辨精度可提高四倍,这就是四倍频方案。,图5-22中的P1、P2、P3、P4是四块硅光电池,产生的信号相位彼此相差90o。P1、P3信号是相位差180o的两个信号,接差动放大器放大,得正弦信号。同理,P2、P4信号送另一个差动放大器,得到余弦信号。正弦和余弦信号经整形变成方波A和B,为使每隔1/4节距都有脉冲,把A、B各自反向一次得C、D信号,A、B、C、D信号再经微分变成窄脉冲A′、B′、C′、D′,即在正走或反走时每个方波的上升沿产生窄脉冲,由与门电路把0o、90o、180o、270o四个位置上产生的窄脉冲组合起来,根据不同的移动方向形成正向或反向脉冲。正向运动时,用与门Y1~Y4及或门H1,得到A′B+AD′+C′D+B′C的四个输出脉冲;反向运动时,用与门Y5~Y8及或门H2,得到BC′+ CD′+A′D+ AB′的四个输出脉冲,其波形见图5-22b。,,正向 相加 A′B+AD′+C′D+B′C反向 相加 BC′+CD′+A′D+AB′,二、增量式光电脉冲编码器脉冲编码器分为:光电式、接触式和电磁感应式。增量式光电脉冲编码器, 机械转角变成电脉冲, 可测转角、转速、方向。 特点:非接触式,无磨损,响应快。光电式脉冲编码器通常与电机做在一起,或者安装在电机非轴伸端,数控机床常用2000、2500、3000p/r等,现在已有每转发10万个脉冲的脉冲编码器。,光栏板7其透光窄缝为两条,每一条后面安装有一只光电元件,工作原理:圆光栅E与被测元件一起转动,E上均匀刻有透光窄缝,Q2光源发出的光透过窄缝,被光电元件DA、DB吸收,转换为电信号(都接近于正弦波,如图b),经过放大与整形后,得图c所示的方波。,DA、DB错开90º相位角(1/4的窄缝)安装,所以得到的两路电信号在相位上相差90º。检测两路信号可得到转动信息。 (1)转动方向: 当A的信号超前B时,表示正转当B的信号超前A时,表示反转 (2)转动角度:A(或B)的信号每变化一周期(一个脉冲),表示圆光栅转过 一个栅距角(一格条纹),即脉冲个数反映转角大小。 (3)转动速度: A(或B)的信号脉冲频率,即单位时间脉冲的数目,就可反映转速。,Dc用于发送零点脉冲:在光电盘的里圈不透光圆环上刻有一条透光条纹,用以产生每转一个的零位脉冲信号,它是轴每旋转一周在固定位置上产生一个脉冲。零点脉冲可用于高速旋转的转数计数。或在加工螺纹时实现主轴准停,以保证不乱扣。,,§4-3 伺服驱动装置 一、概述伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号,经变换、调节和放大后驱动执行件,转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系环节。数控机床的伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。,(一).组成:伺服驱动电路、伺服驱动装置、(机械传动机构及执行部件) (二).与普通机床的区别:根据指令信号准确控制个进给轴的速度和位置,从而实现轨迹控制。,§4-3 进给伺服驱动装置,§4-3 进给伺服驱动装置(四).要求:(1) 精度(2) 响应速度(3) 调速范围(4) 低速大转矩(5) 稳定性,§4-3 进给伺服驱动装置(五).分类1。 按有无反馈分:(1) 开环系统(2) 闭环系统(3)半闭环伺服系统,开环数控系统 没有位置测量装置,信号流是单向的(数控装置→进给系统),故系统稳定性好。,无位置反馈,精度相对闭环系统来讲不高,其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。 这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点,在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。,开环数控系统,半闭环数控系统的位置采样点如图所示,是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出,采样旋转角度进行检测,不是直接检测运动部件的实际位置。,半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节,因此可获得稳定的控制性能,其系统的稳定性虽不如开环系统,但比闭环要好。 由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此,其精度较闭环差,较开环好。但可对这类误差进行补偿,因而仍可获得满意的精度。 半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高,因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。,全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示,直接对运动部件的实际位置进行检测。,全闭环数控系统,从理论上讲,可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。 由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的,故很容易造成系统的不稳定,使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。 该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。,2.按使用的执行元件分类 (1)电液伺服系统 电液脉冲马达和电液伺服马达。优点:在低速下可以得到很高的输出力矩,刚性好,时间常数小、反应快和速度平稳。缺点:液压系统需要供油系统,体积大。噪声、漏油。 (2)电气伺服系统 伺服电机(步进电机、直流电机和交流电机)优点:操作维护方便,可靠性高。1)直流伺服系统 进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机;主运动系统采用他激直流伺服电机。优点:调速性能好。缺点:有电刷,速度不高。2)交流伺服系统 交流感应异步伺服电机(一般用于主轴伺服系统)永磁同步伺服电机(一般用于进给伺服系统)。优点:结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动 态响 应好、转速高和容量大。,3.按被控对象分类 (1)进给伺服系统 指一般概念的位置伺服系统,包括速度控制环和位置控制环。(2)主轴伺服系统 只是一个速度控制系统。C 轴控制功能。 4.按反馈比较控制方式分类(1)脉冲、数字比较伺服系统 (2)相位比较伺服系统 (3)幅值比较伺服系统(4)全数字伺服系统,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。数控机床中常用的伺服电机:直流伺服电机(调速性能良好)交流伺服电机(主要使用的电机)步进电机(适于轻载、负荷变动不大)直线电机(高速、高精度),二、步进电机驱动系统(一) 步进电机的工作原理与特性参数1。工作原理电磁作用的原理:如图4-32,定子某相绕组通电,产生磁场,其磁极吸引转子,使转子的一对齿与定子的该相磁极对齐。当定子各相绕组按A、B、C顺序轮流通电时,对应的磁极A  B  C依次产生磁场,并每次对转子的某一对齿产生电磁吸引转矩,直到对齐,从而使转子一步步逆时针转动。每切换一次通电状态,电动机转过的角度(一步)称为步距角。图4-32中的步距角为30°。,,,当定子各相绕组按CB  A顺序轮流通电时,由图4-32可知,转子将按顺时针方向转动。通电方式除上述的单三拍外,还有:A  AB  B  BC  C  CA (三相六拍),AB  BC  CA(双三拍)。实际上以三相六拍工作方式为多,因为其步距角较小, 且在切换时保持有一相通电,工作稳定。,,,步进电机的工作是由脉冲控制的:脉冲个数N——通电切换次数N ——电机转角N ——进给位移量脉冲频率f——通电切换频率f——电机转速f  (°/s) ——进给速度脉冲方向—— 通电顺序——电机转向——进给方向,,,2。步进电机的主要特性参数(1) 步距角步距角的计算公式:其中:m为相数,z为齿数,k为拍数与相数之比步距角 一般为0.5~3°.精度要求高的系统一般应选步距角较小的电动机。,(2)最高启动频率、最高工作频率(3)最大静态转矩MJmax、最大启动转矩(4)输出的转矩——频率特性,(二)、步进电机的结构、种类,1。反应式步进电机步进电机由定子和转子组成,定子分定子铁芯和定子励磁绕组。 定子铁芯由电工硅钢片叠压而成,定子绕组是绕置在定子铁芯6个均匀分布的齿上的线圈,在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起,构成一相控制绕组。 步进电机可构成A、B、C三相控制绕组,称为三相步进电机。若任一相绕组通电,就形成一组定子磁极。,1-定子绕组;2-转子铁芯; 3-A相磁通;4-定子铁芯。,定子的每个磁极正对转子的圆弧面上均都均匀分布着5个小齿,呈梳状排列,齿槽等宽,齿间夹角为9°。 转子上没有绕组,只有均匀分布的40个小齿,其大小和间距与定子上的完全相同。 三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距。,,当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时,B相磁极上的齿刚好超前(或滞后)转子齿1/3齿距角,即3°;C相磁极齿超前(或滞后)转子齿2/3齿距角。步距角:步进电机每走一步所转过的角度,其大小等于错齿的角度。,2。永磁式步进电机定子和转子中的某一方为永久磁钢,另一方由软磁材料制成,其上有励磁绕组。绕组通电,建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩。特点:断电时有定位转矩;但步距角较大(一般为7.5度或15度)。 启动和运行频率较低,并需要正负脉冲供电(H型)。3。永磁感应式步进电机转子由环行磁钢及两段铁芯构成。兼有反应式和永磁式的优点。需要正负脉冲供电,(三)传动计算及 步进电机的选用1. 传动计算直线进给系统如图4-35(a)所示,系统的脉冲当量与电机的步距角的关系为:,其中,圆周进给系统如图4-35(b)所示,系统的脉冲当量与电机的步距角的关系为:,可见,在一定传动比下,步距角越小,实现的脉冲当量也越小。进给系统中的齿轮传动的作用:一方面为取得适当的脉冲当量,另一方面可增大输出转矩(降速传动)。,2. 步进电机的选用主要考虑转矩、速度(频率)、步距角。(1). 转矩电机的输出转矩必须大于负载转矩M , 一般取M/Mjmax=0.2~0.5 , Mjmax为电机的最大静态转矩 (2). 步距角应使步进电机的步距角与机械系统匹配,以得到机床所需的脉冲当量,如前所述。,(3). 工作频率步进电机的工作频率应高于系统速度要求的频率。,(四)步进电机的驱动由环形分配器和功率放大器两部分构成,如图4-36所 示。1。环形分配器作用:将指令脉冲分成若干路信号,从而控制定子各相绕组的轮流通电。分软件与硬件环分器,软件环分器简单,但速度稍慢。下面以三相六拍为例。,(1)软件环分器一般将通电顺序状态作一个表格存入计算机,如表4-1,由进给脉冲控制查表指针的移动,并将状态数据输出,以控制电机的连续运转。改变查表的方向,即可实现电机的正反转。图4-37为程序流程图。,(2)硬件环分器(比较实用的是集成电路)先根据电机的相数和控制方式,列出工作状态表,如表4-2所示。依此表,可得逻辑表达式:正转: ( )反转:,而一般的D触发器有:Qn+1=Dn,所以常在环形分配器中选用。如图4-38。工作原理: 下面的与(非)门用于解决进给方向,上面的D触发器用于实现上述的逻辑关系。 此外,还有集成电路的环形分配器。,2。功率放大器作用:将环形分配器输出的信号进行放大(电流从mA级放大到A级),一相一套。类型:主要有单电压、双电压、恒流斩波电路,(1) 单电压功率放大电路电压U 一般取10~100伏。原理:当有脉冲时,UR为高电平,T导通,外加电压经U——L ——RL ——RC(C )——T ——地构成通路。 电机绕组L通电。其中RC为限流电阻,C用于加快电流上升。当脉冲消失时,UR为低电平,T 截止。刚开始,绕组L上产生自感电势,通过L ——RL —— RC(C )——RD—— D形成放电回路,以实现电流快速下降,直到电流为零。 RD用于改善回路的放电时间常数,D为续流二极管。单电压电路的特点:简单,但功耗大(为保证电流上升快,U较大,而为限流,Rc比较大)。一般用于小功率电机及实验设备的驱动。,,(2)双电压功率放大电路有高低两个供电电压。原理见图4-40,当刚来进给脉冲时,V1、 Vh为高电平,T1、 T2都导通,高电压U1—T1 —L—RL —RC—T2—地构成通路,绕组中的电流快速上升。经过一段时间,电流上升后,Vh变为低电平,T1截止、 T2导通,低电压U2—D1 —L—RL —RC—T2—地构成通路,绕组中的电流保持为工作值。当脉冲消失时,V1、 Vh为低电平,T1、 T2都截止,刚开始,绕组L上产生自感电势,通过U2 —— D1 —— L ——RL —— RC—— D2 —— U1 形成放电回路,以实现电流快速下降,直到电流为零,其中U1起负电源的作用,放电很快。,双电压供电的优点:高压启动—— 快,低压保持—— 功耗小(Rc较小),(3) 恒流斩波功放电路这种电路的基本原理是在电机绕组回路中,串联一个电流检测回路,当绕组电流降低到某一下限值时,给绕组加电压;当电流上升到上限值时,停止给绕组加电压。图4-42为单电压电路。(a) 中的R12为电流采样电阻。图4-42(b)为其波形。优点:功耗低,且低频输出转矩大,工作原理: 1。当脉冲刚来时,上:T5导通,D1发光,T1导通,T2截止,T3导通,T4导通;下:T6导通,T7导通,T8导通;外加电压U  T4  L  RL  T8  R12 地,绕组电流很快上升,采样电阻R12的电压降Vs高于参考电压VP,比较器OP1输出低电平,二极管D2导通,T5截止。。。T4截止; T8仍导通。无外加电压,绕组L中产生自感电势, 形成两条并联的放电回路:L  RL  T8  R12 地 D3L  RL  R13  D4  U 地  D3由于并联电阻小(RL、R12)都小,所以放电时间常数较大,电流下降慢,见图4-42,2。当电流上升到额定值以上时,3。当电流下降到额定值以下时,采样电阻R12的电压降Vs低于参考电压VP,比较器OP1输出高电平,二极管D2截止,T5导通。。。。。T4导通; 而T8仍导通。,外加电压U  T4  L  RL  T8  R12 地,绕组电流又上升。,4。当无脉冲信号时T5截止。。。。。T4截止; T8截止,无外加电压,绕组L中的自感电势通过L  RL  R13  D4  U 地  D3形成放电回路,电阻(R13)较大,时间常数小,加上U起负电源的作用,电流下降很快。见图4-42,,恒流斩波功放电路的特点:可提高工作频率和电源效率,可以用较高的电源电压,无需外接电阻来限流并减少时间常数,但由于电流的锯齿波形,会产生噪声,(五)提高步进电机伺服系统的精度措施 1。齿轮传动间隙补偿(开环系统)概念:与进给方向有关方法:机械法、硬件法、软件法,2。螺距(不均匀)误差补偿(开环、半闭环系统)概念:与进给方向无关。螺距过小,应追加进给脉冲,反之亦然。方法:机械法、硬件法(位置开关)、软件法(补偿点——补偿值表,(五)提高步进电机伺服系统的精度措施,3. 细分线路原理:通过控制电动机各相绕组电流的大小和比例,在每一步距角之间产生若干合力矩为0的平衡点,从而使步距角减少到原来的几分之一。,(四)提高步进电机伺服系统的精度措施,4。反馈补偿类似于闭环系统,但是步进电机驱动。,(四)提高步进电机伺服系统的精度措施,,常用的直流电动机有:永磁式直流电机(有槽、无槽、杯型、印刷绕组)励磁式直流电机混合式直流电机无刷直流电机直流力矩电机直流进给伺服系统:永磁式大惯量宽调速直流电机 中小惯量直流伺服电机直流主轴伺服系统: 常用他励直流伺服电机。大功率,三、直流伺服电机驱动系统,永磁直流伺服电机的性能特点1) 低转速大惯量2) 转矩大3) 起动力矩大4) 调速泛围大,低速运行平稳,力矩波动小永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述1) 转矩-速度特性曲线(工作曲线)2) 负载-工作周期曲线 过载倍数Tmd,负载工作周期比 d。3) 数据表:N、T、时间常数、转动惯量等等。,,,,,,,,,永磁直流伺服电机的工作特性,,,,,,,,d%80 110% 120% 60 130%140%40 160% d 180%20 200%0 1 3 tR 6 10 30 60 100 tR(min)图6﹒9负载-工作周期曲线,,主轴直流伺服电机的工作特性,,,,,,,,(一) 直流伺服电机的调速,原理如图4-45 所示,激磁绕组L通电后,产生磁场,通电的电枢在该磁场中受到电磁转矩的作用而转动。电枢转动后,又会产生感应电势Ea,是一种反电势。电枢回路的 电压平衡方程: 联立上两式,可得静态特性,动态特性直流电机的动态力矩平衡方程式为式中 TM ─电机电磁转矩;TL ─ 折算到电机轴上的负载转矩;ω ─ 电机转子角速度;J ─ 电机转子上总转动惯量;t ─时间自变量。,,,,,,,,由式可知,调速(n)方法有三种:调压(Ua) 、调磁()、调电阻(Ra),其中以调压调速为主,是一种恒转矩调速。调压调速又分G—M、SCR、PWM方法。,1。直流伺服电机的可控硅(SCR)调速常用于大容量的直流电动机。基本原理:利用可控硅整流,通过控制触发角——控制整流电路的输出电压——控制电机的转速。,,当正组的整流控制角与反组的逆变角相等时,能使Ud1=Ud2,则平均环流为零。但由于整流电压是脉动的, Ud1、Ud2的瞬时值并不相等,有环路脉动电流出现,由于晶闸管的等效内阻小,环流的存在会增加晶闸管的负担,严重时甚至会烧坏晶闸管。因此必须设法控制,使其不超过额定电流的(5~10)%,其控制方法就是在环流回路中设置均衡电抗器。,图4-46所示为可实现正反转的三相半波反并联可控硅调速电路,两组三相整流电路分别控制正反转的调速。,,无环流系统:工作死区(ms),无需电抗器,没有附加损耗,数控中广泛应用,图4-46所示为可实现正反转的三相半波反并联可控硅调速电路,两组三相整流电路分别控制正反转的调速。,第十一章 直流传动系统,,除三相全控桥有时采用交叉接法(电抗器少一半,但要两个独立的交流电源)外,其余均采用反并联接法,除三相全控桥采用交叉接法外,其余均采用反并联接法,晶闸管调速系统的组成,包括 控制回路:速度环、电流环、触发脉冲发生器等。 主回路: 可控硅整流放大器等。速度环:速度调节(PI),作用:好的静态、动态特性。 电流环:电流调节(P或PI)。作用:加快响应、启动、低频稳定等。 触发脉冲发生器:产生移相脉冲,使可控硅触发角前移或后移。 可控硅整流放大器:整流、放大、驱动,使电机转动。,主回路工作原理,,,组成:由大功率晶闸 管构成的三相全控桥式(三相全波)反并接可逆电路, 分成二大部分( Ⅰ和 Ⅱ ),每部分内按三相桥式连接,二组反并接,分别实现正转 和反转。,原理 : 三相整流器,由二个半波整流电路组成。每部分内又分成共阴极组(1、3、5)和共阳极组(2、4、6)。为构成回路,这二组中必须各有一个可控硅同时导通。 1、3、5在正半周导通, 2、4、6在负半周导通。每组内(即二相间)触发脉冲相位相差120º,每相内二个触发脉冲相差180º。按管号排列,触发脉冲的顺序:1-2-3-4-5-6,相邻之间相位差60º。为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通,或已截止的相再次导通,采用双脉冲控制。既每个触发脉冲在导通60º后,在补发一个辅助脉冲;也可以采用宽脉冲控制,宽度大于60º,小于120º。,原理:,e),只要改变可控 硅触发角(即改变 导通角),就能改 变可控硅的整流输 出电压,从而改变 直流伺服电机的转 速。触发脉冲提前 来,增大整流输出 电压;触发脉冲延 后来,减小整流输 出电压。,主回路波形图,控制回路分析,触发脉冲产生的过程: 改变触发角,即改变控制角,,,窄脉冲 : 即 移相触发脉冲,(可控硅导通时间),可调速。没反馈是开环,特性软。,1-同步电路 2-移向控制电路 3-脉冲分配器,② 电流调节器:同上,加快电流的反应。 ③ 触发脉冲发生器:正弦波同步锯齿波触发电路,与F直流信号叠加。,① 速度调节器:比例积分PI,高放大(相当 C短路)—缓放大—增放大—稳定(相当C开路)无静差。,运算放大器的类型,⑴反向比例放大器 ⑵反向比例加法运算放大器 ⑶同向比例放大器 ⑷积分运算放大器⑸比例积分运算放大器: ⑹比较器,R3,R3,,二个输入端的内阻非常大,不向运放内流电流放大倍 数非常大。同相端接地,电位为0,为实地;方向端 电为也为0,虚地。U2=-U1•R3/R2,功率因数,交流电阻电路:功率(平均) P = UI =I2R =U 2/ R 交流电阻电容电路:纯电容电路电流超前电压相位φ=90º功率 (平均) P =UIcos φ 交流电阻电感电路:纯电感电路电流落后电压相位φ=90º功率 (平均) P =UIcos φ由于交流电路中电感电容的存在,平均功率不等于电 压电流的乘积,而差一个cos φ ,既与电压电流的相位差有关。其中cos φ称为功率因数。 cos φ 越高越好。造成功率因数不高的主要原因是感性负载,如异步电机、工频炉、日光灯的功率因数都不高;提高功率因数的办法是在感性负载上并联电容。,[总结] 速度控制的原理:①调速:当给定的指令信号增大时,则有较大的偏差信号加到调节器的输入端,产生前移的触发脉冲,可控硅整流器输出直流电压提高,电机转速上升。此时测速反馈信号也增大,与大的速度给定相匹配达到新的平衡,电机以较高的转速运行。②干扰:假如系统受到外界干扰,如负载增加,电机转速下降,速度反馈电压降低,则速度调节器的输入偏差信号增大,其输出信号也增大,经电流调节器使触发脉冲前移,晶闸管整流器输出电压升高,使电机转速恢复到干扰前的数值。③电网波动:电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流作用,如电网电压突然短时下降,整流输出电压也随之降低,在电机转速由于惯性还未变化之前,首先引起主回路电流的减小,立即使电流调节器的输出增加,触发脉冲前移,使整流器输出电压恢复到原来值,从而抑制了主回路电流的变化。④启动、制动、加减速:电流调节器还能保证电机启动、制动时的大转矩、加减速的良好动态性能。,2. 直流伺服电机的晶体管脉宽调制(PWM)调速系统,,U~,usr,us f,整流,功放,① 主回路: 大功率晶体管开关放大器; 功率整流器。,② 控制回路:速度调节器;电流调节器;固定频率振荡器及三角波发生器;脉宽调制器和基极驱动电路。区别:与晶闸管调速系统比较,速度调节器和电流调节器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。直流脉宽调制:功率放大器中的大功率晶体管工作在开关状态下,开关频率保持恒定,用调整开关周期内晶体管导通时间(即改变基极调制脉冲宽度)的方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制脉冲控制的电压脉冲,由于频率高及电感的作用则为波动很小的直流电流。脉宽(占空比)的变化使电机电枢的直流电压随着变化。,脉冲宽度(PWM)调速,(1) 工作原理脉冲宽度(PWM)调速系统主要由两部分组成:脉宽调制器和开关放大器。脉宽调制器的作用:在输入信号Uer (即速度指令电压)作用下,产生幅值恒定、宽度随Uer可调的矩形脉冲信号,其频率同载波信号。如图所示的Ub1、 Ub2。用该脉冲信号去控制开关放大器,从而控制一周期内电枢上外加电压的时间,即平均电压值。其中载波为三角波或锯齿波。,开关放大器的作用:如图4-48所示,将脉宽调制器输出的矩形脉冲波信号Ub1、Ub2、Ub3、Ub4分别加到开关管T1 、T2、 T3 、T4的基极,控制它们的导通或截止,从而由脉冲宽度(占空比)控制了电枢上加电压的平均时间(即控制了U的平均值)。,,,,,,,开关放大器的工作过程:正转时(设控制电压Uer为正):在0~t1时刻,T2、T3导通,电枢两端加上直流电源U3,电流方向为:电源+U3—T3 —电机电枢—T2 —回电源-U3在t1 ~t2时刻,T3截止, T2导通。电源U3被切断, 但,由于电枢电感的作用,电流经D4 —电机电枢— T2 继续流通。,在t2 ~t3时刻,T2、T3又导通,电枢两端又加上直流电源+U3,电流继续流通。在t3 ~T时刻,T2截止,T3导通,电源U3又被切断,但 ,由于电枢电感的作用,电流经T3 —电机电枢— D1继续流通。,可见,加在电枢上的电压是在0和+U3之间变化的脉冲电压。当改变控制电压Uer的大小(如变小),即可改变电枢两端的电压波形(如脉宽变窄0-t1,t2-t3),从而改变电枢电压的平均值(如平均电压较小),达到调速的目的(如电机转速变低)。当控制电压Uer为负时,电源+U3通过T1、T4向电机电枢供电,电机反转。注意:T1、T2不能同时导通, T3、T4也不能同时导通,否则会导致短路。,(2)脉冲宽度(PWM)调速的特点:a. 开关频率高(达nkHz),远大于机械部件的固有频率,不易产生共振b. 电流波动小,转矩恒定,运行平稳。c. 响应频率范围较宽,动态特性和稳速好但由于受晶体管的最大电压、电流定额的限制, PWM调速系统最大功率只有几十kW,SCR调速系统则大到几千kW,(二)伺服电机的闭环、半闭环进给系统如图所示为采用直流伺服电机的(半)闭环进给系统的结构框图。包括位置检测单元、位置控制单元和速度控制单元等部分。 工作原理:D—UP — U — U — n,当实际位置与指令位置相等时, D为零,UP与U都为零,n 为零,执行部件停止进给。,,D的物理含义:如图4-50, D为实际位置与指令位置之间的偏差。原因是执行部件的实际速度不会随指令值而突变。由图可见,稳定运行时, D恒定,进给速度也恒定,但存在一个稳态误差(随动误差或称速度误差)。总之,D n。0时刻,稳定运行时,tp时刻, 时刻,,进给速度的大小也反映在D 中, 进给速度越大,则图4-50(b)中的指令位置线越陡,启动时的D也越大,速度就越快(速度当然还受系数kN的影响),实际位置线也会越陡。,(二)直流伺服电机的闭环、半闭环进给系统 位置控制单元——包括软件和硬件,如:软件计算位置偏差量和速度指令(数字量),硬件将速度指令转换成电压(模拟量)。 速度控制单元——闭环的直流调速系统,实现调速和稳速控制,如图所示为采用脉冲编码器的的半闭环系统,可用直流或交流伺服电动机,直流伺服电机的缺点:◆ 它的电刷和换向器易磨损;◆ 电机最高转速的限制,应用环境的限制;◆ 结构复杂,制造困难,成本高。交流伺服电机的优点:◆ 动态响应好;◆ 输出功率大、电压和转速提高 。,四、 交流伺服电机驱动系统,交流伺服电机形式:◆ 同步型交流伺服电机(永磁式)◆ 异步型交流感应伺服电机。数控机床进给伺服系统中多采用永磁式同步电机。交流主轴电机多采用交流异步电机,很少采用永磁同步电机,主要因为永磁同步电机的容量做得不够大,且电机成本较高。另外主轴驱动系统不象进给系统那样要求很高的性能,调速范围也不要太大。,四、 交流伺服电机驱动系统,交流伺服电机调速方法应用最多的是变频调速。变频器可分为交-直-交变频器和交-交变频器两大类。交-直-交变频器是先将频率固定的交流电整流成直流电,再把直流电逆变成频率可变的交流电。交-交变频器:不经过中间环节,把频率固定的交流电直接变换成频率连续可调的交流电。因只需一次电能转换,效率高,工作可靠,但是频率的变化范围有限。交-直-交变频器,虽需两次电能的变换,但频率变化范围不受限制,目前应用得比较广泛。,四、 交流伺服电机驱动系统,1. PWM变频调速可实现变频也变压。因电压的平均值和占空比成正比,所以在调节频率时,改变输出电压脉冲的占空比,就能同时实现变频和变压。与图(a)相比,图(b)所示电压周期增大(频率降低),而占空比减小,故平均电压降低。,,2。 SPWM变频调速正弦波脉宽调制型逆变器(SPWM)的输出端可获一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形,来近似等效于正弦电压波。 控制电压:包含U (幅值)和f,,控制电压,载波,SPWM变频调速系统,4.3.4 交流伺服电机驱动系统,其中各部分的功用: 速度给定器:给定信号,控制频率、电压及正反转方向。 平稳启动回路:使启动加、减速时间可随机械负载设定,以达到软启动的目的。 函数发生器:在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定,补偿定子电压降的影响。,4.3.4 交流伺服电机驱动系统,其中各部分的功用: 电压频率变压器:将电压转换为频率,经分频器、环形计数器(三相轮流)产生方波,和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路。 电流检测器:过载保护、过渡过程的改善。,4.3.4 交流伺服电机驱动系统,其中各部分的功用: 电压调节器:产生频率和幅度可调的控制正弦波,送入调制回路,在调制回路中进行SPWM变换,产生三相的脉冲宽度调制信号。在基极回路中输出信号至功率晶体管基极,即对SPWM的主回路进行控制,实现对永磁交流伺服电机的变频调速。,SPWM变频调速随着高速度、高精度多功能微处理器、微控制器和SPWM专用芯片的发展,采用微机控制的数字化SPWM技术已占当今PWM逆变器的主导地位。,,交流伺服系统的发展趋势(1)伺服驱动技术由DC伺服系统迅速地向AC伺服系统转化,可以预见在不久的将来,AC伺服系统将完全取代DC伺服系统。(2)AC伺服系统向两个方向发展:一个方向是简易、低成本AC伺服系统,例如简易数控机床,办公室自动化设备、家用电器计算机外围设备以及对性能要求不高的工业运动控制,它是一个量大面广的不可忽视的应用领域,势将迅速发展和扩大。另一个方面是更高性能、全数字化智能化软件伺服系统,以满足高精度、数控机床、机器人特别加工装备精细进给的需要。它将代表AC伺服系统发展水平和主导方向,亦将成为AC伺服系统的发展主流。,直线电机直接驱动机床工作台,取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节(零传动)。(一)直线电动机分为交流和直流两种。 交流直线电动机又分为感应异步式和永磁同步式。 直流直线电动机的磁极可以是绕线式,也可以是永磁式。,五、 直线电动机伺服系统,一、直线电动机直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖开,并将定子、转子圆周展开为平面和进行一些演变形成。 直线电动机的工作原理与相应的旋转电动机相同。,
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