進給、主軸驅(qū)動

1、數(shù)數(shù) 控控 技技 術(shù)術(shù)第五章第五章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)一、直流伺服電動機速度控制單元一、直流伺服電動機速度控制單元1 1、直流電動機的調(diào)速方法與性能、直流電動機的調(diào)速方法與性能aTTeaeaICTTCCRCUn2 直流電動機的機械特性方程式：式中：n電動機轉(zhuǎn)速（r/min） Ua電動機電樞電路外加電壓（V） Ra電樞回路電阻（） Ia電樞回路電流（A） Ce反電勢系數(shù) CT轉(zhuǎn)矩系數(shù) 氣隙磁通量（Wb） T電機電磁轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)速的主要方法： 改變電樞電壓； 改變勵磁磁通；1）改變電樞電壓調(diào)速特點 A）從額定電壓往下降低電樞電壓，即從額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)速。 B）屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

2、 C）機械特性較硬。 D）調(diào)速范圍廣。 E）對轉(zhuǎn)矩可以快速響應(yīng)。 F）需要大容量可調(diào)電源裝置。2）改變勵磁磁通調(diào)速特點 A）減弱磁通，從額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速。 B）屬恒功率調(diào)速。 C）機械特性較軟。 D）調(diào)速范圍不大。 E）轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢。 F）所需電源裝置容量小。 第一種調(diào)速方法的調(diào)速特性和機械特性比較適合數(shù)控機床進給驅(qū)動的要求，因此，在進給伺服系統(tǒng)中，直流速度控制單元的作用是將轉(zhuǎn)速指令信號（多為電壓值）轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電樞電壓值。2 2、晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)、晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)（1）系統(tǒng)的組成 內(nèi)環(huán)-電流環(huán)； 外環(huán)-速度環(huán)； 晶閘管整流放大器；內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán)- -電流環(huán)電流環(huán)：作用： 由電流調(diào)節(jié)器對電動機電樞

3、回路的引起滯后作用的某些時間常數(shù)進行補償，使動態(tài)電流按所需的規(guī)律（通常按一階過渡規(guī)律）變化。電流環(huán)輸入： 來自速度調(diào)節(jié)器的輸出的電流參考值。電流反饋： 由電流傳感器取自晶閘管整流的主回路，即電動機的電樞回路。外環(huán)外環(huán)- -速度環(huán)速度環(huán)：作用： 用速度調(diào)節(jié)器對電動機的速度誤差進行調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)所要求的動態(tài)特性。速度反饋： 一是測速發(fā)電機，直接裝在伺服電動機軸上，其輸出的電壓大小即反應(yīng)了速度的大小。 另一是光電編碼器，也可直接裝在伺服電動機軸上，編碼器發(fā)出的脈沖經(jīng)頻壓變換，其輸出電壓即反應(yīng)伺服電動機的轉(zhuǎn)速。 速度指令值與速度反饋值的差值作為速度調(diào)節(jié)器的輸入，速度調(diào)節(jié)器的輸出即為電流環(huán)的輸入?yún)⒖贾怠９?/p>

4、率放大功率放大：作用： 整流；功率放大。放大器： 可控硅功率放大器。3 3、晶體管脈寬調(diào)制（、晶體管脈寬調(diào)制（PWMPWM）直流調(diào)速）直流調(diào)速晶體管脈寬調(diào)制原理： 利用電力半導(dǎo)體器件的開關(guān)作用，將直流電源電壓轉(zhuǎn)換成較高頻率（一般為數(shù)千赫以上）的方波電壓加在直流電動機的電樞上，通過對方波脈沖寬度的控制，改變加在電樞上的平均電壓，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。脈寬調(diào)制器的作用： 將電壓量轉(zhuǎn)換成脈沖寬度可由控制信號調(diào)節(jié)而變化的脈沖電壓。脈寬調(diào)制器的組成： 調(diào)制信號發(fā)生器：三角波發(fā)生器、鋸齒波發(fā)生器。 比較放大器：二、交流伺服電動機速度控制單元二、交流伺服電動機速度控制單元 交流伺服電動機調(diào)速控制主要有： 相

5、位控制； 變壓變頻控制； 滑差頻率控制； PWM控制； 矢量變換控制； 磁場控制； 交流電動機調(diào)速主要采用變頻調(diào)速。其主要環(huán)節(jié)是為交流電動機提供變頻電源的變頻器。1 1、變頻器、變頻器： 交-直-交變頻器：先將電網(wǎng)電源輸入到整流器，經(jīng)整流后變?yōu)橹绷鳎俳?jīng)電容或電感或由兩者組合的電路濾波后供給逆變器（直流變交流）部分，輸出電壓和頻率可變的交流電。 交-交變頻器：不經(jīng)過中間環(huán)節(jié)，直接將一種頻率的交流電變換為另一種頻率的交流電。2 2、逆變器、逆變器： 電壓型電壓型：控制單元將直流電壓切換成一串方波電壓。有兩種基本形式： PWM型采用二極管橋式整流器，其輸出的直流電壓是恒定的，然后經(jīng)脈寬調(diào)制得到可調(diào)

6、的輸出電壓。 VSI型電壓源變換器，在整流部分就變?yōu)橐豢勺兊闹绷麟妷骸?電流型電流型：直流電源被切換成一串方波電源供給交流電動機，由于電感影響，功率元件一般采用晶閘管，一般用于大功率場合。 3 3、PWMPWM變頻器變頻器： SPWMSPWM：為正弦波PWM，其調(diào)制特點是等距、等幅、而不等寬。它的規(guī)律總是中間脈沖寬而兩邊脈沖窄，且各個脈沖面積與正弦波下面積成正比。脈寬按正弦分布，這是一種最基本的，也是應(yīng)用最廣泛的調(diào)速方法。 DMPWMDMPWM：Delta PWM，由放大器、積分器、比較器組成，只要輸入一個頻率可變，而幅值恒定的正弦參考信號就可調(diào)制出相應(yīng)脈沖，且可保持恒定的電壓與頻率之比，滿足

7、恒磁通變頻原則的協(xié)調(diào)控制（防止發(fā)熱和功率因素下降）。 NPWMNPWM：是新型的PWM，它將半個周期分為三等分，第一和第三部分60度脈沖調(diào)制方法和SPWM相同，第二部分60度脈沖等于第一和第三兩部分脈沖之和。這種方法可以提高開關(guān)頻率。 矢量角矢量角PWMPWM：當(dāng)電壓空間矢量的幅值不變，矢量角呈線性變化時，會產(chǎn)生網(wǎng)狀磁場軌跡，消除電壓次諧波。 最佳開關(guān)角最佳開關(guān)角PWMPWM：按諧波電流均方根電流值最小等原則選擇最佳開關(guān)角。 電流跟蹤電流跟蹤PWMPWM：按實際電流值時刻跟蹤給定電流值的原則進行調(diào)制。 全數(shù)字式全數(shù)字式SPWMSPWM變頻器變頻器：由微機實時的產(chǎn)生SPWM波，是變頻調(diào)速系統(tǒng)的一

8、個發(fā)展趨勢。數(shù)數(shù) 控控 技技 術(shù)術(shù)第六章第六章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)一、對主軸驅(qū)動的要求一、對主軸驅(qū)動的要求 機床主傳動主要是旋轉(zhuǎn)運動，無需絲杠或其他直線運動裝置。1、對功率的要求 要求主轉(zhuǎn)動電動機應(yīng)有2.2-250KW的功率范圍，既要能輸出大的功率，又要求主軸結(jié)構(gòu)簡單。2、調(diào)速范圍寬 數(shù)控機床要求主驅(qū)動系統(tǒng)在1:100-1000范圍內(nèi)進行恒轉(zhuǎn)矩和1:10的恒功率調(diào)速，3、定位功能 為了使數(shù)控車床等具有螺旋車削功能，要求主軸能與進給驅(qū)動實行同步控制；在加工中心上為了自動換刀還要求主軸能進行高精度的準(zhǔn)停控制； 為了保證端面加工的表面質(zhì)量，要求主軸具有恒線速度表面切削功能； 有的數(shù)

9、控機床要求具有較大分度控制功能。 現(xiàn)在國際上新生產(chǎn)的數(shù)控機床絕大多數(shù)采用交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)。二、直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)二、直流主軸驅(qū)動系統(tǒng) 主軸伺服系統(tǒng)一般沒有位置控制，只是一個速度控制系統(tǒng)。 直流主軸速度控制單元也是由速度環(huán)和電流環(huán)構(gòu)成的雙環(huán)速度控制系統(tǒng)，用控制主軸電動機的電樞電壓，來進行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 一般來說，采用主軸速度控制單元后，機械系統(tǒng)只需二級變速，即可滿足數(shù)控機床的變速要求。三、交流主軸控制單元三、交流主軸控制單元交流電動機的轉(zhuǎn)速：)1 (60)1 (10sfpsnn式中：n0同步轉(zhuǎn)速（r/min） f1定子供電電源頻率（Hz） p旋轉(zhuǎn)磁場極對數(shù) s轉(zhuǎn)差數(shù)pfn1060nnns0第一類調(diào)速

10、方法第一類調(diào)速方法：改變同步轉(zhuǎn)速n0。 1、改變電動機極對數(shù)p 電動機極對數(shù)p是整數(shù)， 只能得到級差很大的有級調(diào)速。 不能滿足數(shù)控機床的調(diào)速要求。 2、改變電動機供電電源頻率f1 這可以得到平滑的無級調(diào)速，其調(diào)速范圍寬，精度高，是一種高效型的交流調(diào)速。 數(shù)控機床常采用此種調(diào)速方式。第二類調(diào)速方法第二類調(diào)速方法：不改變同步轉(zhuǎn)速n0。 常用的有調(diào)壓調(diào)速和電磁調(diào)速。由于存在轉(zhuǎn)差功率損失，效率低，特性軟。不適合數(shù)控機床調(diào)速。 因此，數(shù)控機床不采用此種調(diào)速方式。 可見，改變電源頻率的調(diào)速是一種最有前途的調(diào)速方案，只要改變f1就可實現(xiàn)n0的調(diào)速。但在實際調(diào)速時，單純改變f1是不夠的。1、恒磁通變頻調(diào)速、恒磁通變頻調(diào)速111144. 4kfum式中： m每極磁通量 k11定子每相繞組等效匝數(shù) u1定子相電壓 f1定子供電電源頻率 由上式可知，當(dāng)保持定子電壓u1不變，則改變頻率f1時，主磁通m將會發(fā)生變化。 因此，必須在改變頻率f1的同時，改變電壓u1 ，以保持m不變。2、恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速、恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速22cosICTmT式中： T電磁轉(zhuǎn)矩 m每極磁通量 CT轉(zhuǎn)矩常數(shù) I2折算到定子上的轉(zhuǎn)子電流 cos 2轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù) 由上式可知，要保持電磁轉(zhuǎn)矩T不變，則m需不變。因此，必須要求 u1 / f1為常數(shù)。3、恒最大轉(zhuǎn)矩調(diào)速、恒最大轉(zhuǎn)矩調(diào)速 為了在低速時保持最大轉(zhuǎn)矩不變，就必