第六章数控机床的伺服系统要点分析.ppt

可采用以下新技术，通过计算机软件实现最优控制，达到同时满足高速度和高精度的要求。 1．前馈控制 2．预测控制 3．学习控制或重复控制 普通数控机床的伺服系统根据传统的反馈控制原理设计，很难达到无跟踪误差控制，即很难同时达到高速度和高精度。 全数字控制伺服系统采用总线通讯方式，便于机床的安装、维护，提高了系统可靠性；同时，具有丰富的自诊断、自测量和显示功能。在数控机床的伺服系统中得到了越来越多的应用。 6.6 位置控制 永磁式同步电机： 优点：结构简单、运行可靠效率高； 缺点：体积大、启动特性欠佳。 与直流电机比：外形尺寸、重量、转子惯量大幅减小 与异步交流伺服电机相比：效率高、体积小。 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统 异步型交流伺服电机与同容量的直流电机相比： 优点：重量轻，价格便宜； 缺点：转速受负载的变化影响较大，不能经济地实现范围较广的平滑调速， 故异步型交流伺服电机用在主轴驱动系统中。 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统 VS VS 脉冲编码器 转子 定子 接线盒 定子三相绕组 1．永磁式交流同步电机 结构：电机由定子、转子和检测元件组成 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统 永磁式交流同步电机工作原理和性能 nr＝ns＝60f1／p ns—同步转速， θ—转子磁极的轴线与定子磁极的轴线夹角， nr—转子旋转转速， f1—交流电源频率（定子供电频率）， p—定子和转子的极对数 nS N ns nr θ S 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统 2．交流主轴电机 定子三相绕组通三相交流电，产生旋转磁场，磁场切割转子中的导体，导体感应电流与定子磁场相作用产生电磁转矩，推动转子转动，转速nr为 ns—同步转速， f1—交流电源频率（定子供电频率） s—转差率，s=( ns－nr)/ ns， p—极对数 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统 6.4.3 交流伺服电机的变频调速 nr＝ns＝60f1／p 由上两式可见，只要改变交流伺服电机的供电频率f1 ，即可改变电机转速，所以交流伺服电机调速应用最多的是变频调速。 变频调速的主要环节是：为交流电机提供变频电源的变频器。 变频器分： 交——交 变频 交——直——交 变频 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统 交——交变频： 利用可控硅整流器直接将工频交流电（频率50Hz）变成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输出负脉冲，脉动交流电的基波是所需的变频电压。 该方法所得的交流电波动比较大，且最大频率即为变频器输入的工频电压频率。 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统 交—直—交变频： 先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成矩形脉冲波电压，矩形脉冲波的基波是所需的变频电压。 该调频方式所得交流电的波动小，调频范围比较宽，调节线性度好。 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统 数控机床常采用交—直—交变频调速。 在交—直—交变频中： 根据中间直流电压是否可调分：中间直流电压可调PWM逆变器、中间直流电压固定的PWM逆变器； 根据中间直流电路储能元件是大电容还是大电感分：电压型逆变器、电流型逆变器 SPWM（正弦波PWM）变频器是目前应用最广、最基本的一种交—直—交型电压型变频器，在交流调速系统中获得广泛应用。 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统 SPWM变压变频器 调制原理（以单相为例） 正弦脉宽调制（SPWM）波形:与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波。 等效原理：把正弦波分成n等分，每一区间面积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替。 正弦波的正负半周均如此处理。 u ωt ωt u O O a) b) 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统 SPWM控制波的生成:正弦波—三角波调制 Q：电压比较器 UR：由指令脉冲转换来的 UΔ ：三角波发生器 电路原理示意图 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统 指令脉冲转换来的信号 三相SPWM控制电路框图 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统 整流器将三相工频交流电变成直流电 逆变器将整流电路输出的直流电压逆变成三相交流电，驱动电机运行 主回路 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统 uA uB uΔ ωt uC 50Hz D1 D2 D3 D4 D5 D6 D6 D8 D9 D10 D11 T1 T2 T3 T4 T5 T6 uB1 uB4 uB2 uB5 uB3 uB6 uA uP u0A uΔ uA:由指令脉冲转换来的 指令脉冲转换来的信号 ① ② ③ ④ 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统 6.4.4 交流伺服电机的矢量控制 矢量控制(磁场定向控制)是德国F．Blasche于1971年提出的。 交流伺服电机可以利用SPWM进行矢量变频调速控制，使得交流调速