第四章数控机床的伺服系统

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第4章数控机床的伺服系统课时安排:16课时4.1伺服系统?伺服驱动系统(Servo System)简称伺服系 统,是一种以机械位置或角度作为控制对象的 自动控制系统。4.1.1伺服系统的结构?从基本结构来看,伺服系统主要由三部分组成:控制 器、功率驱动装置、反馈装置和电机,如图4「所示。 控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的 实际运行值的差,调节控制量;功率驱动装置作为系 统的主回路,一方而按控制量的大小将电网中的电能 作用到电机之上,调节电机转矩的大小,另…方面按 电机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电机所需的 交流电或直流电;电机则按供电大小拖动机械运转。数控系统4.1.2伺服系统的工作原理?伺服系统是以机械运动为驱动设备,电机为控制对象, 以控剧器为核心,以由力电牛功率变换套置为执行机 构,在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控 制系统。这类系统控制电机的转矩、转速和转角,将 电能转换为机械能,实现驱动机械的运动要求。具体 在数控机床中,伺服系统接收数控系统发出的位移、 速度指令,经变换、放调与整大后,由电机和机机传 动机*勾驱动机床坐标轴、主轴等,带动工彳乍台及刀架, 通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运 动,从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。 4.1.3伺服系统的类型? 一、开环伺服系统闭环伺服系统/测量元件图4?3闭环伺服系统三、半闭环伺服系统旋变4.2伺服电机? 4.2.1 步进电机? 一、步进电机的结构?步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行 机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它 就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的 角度(即步进角)。图4-5单定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图?图4-5是一典型的单定子、径向分相、反应式 伺服步进电机的结构原理图。它与普通电机一 样,分为定子和转子两部分,其中定子又分为 定子铁心和定子绕组。定子铁心由电工钢片叠 压而成,其形状如图中所示。定子绕组是绕置 在定子铁心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。1、步进电机的工作原理?步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原 理。图4-6是一种最简单的反应式步进电机, 下面以它为例来说明步进电机的工作原理。(a>?图4-6(a)所示步进电机的步距角c(等于60。o如果控渝线路不停地按A—B—Cf A…的顺序 控制步进电机绕组的通断电,步进电机的转子 便不停地顺时针转动。若通电顺序改为 AfC—BfA…,同理,步进电机的转子将逆 时针不停地转动。?图4-6(b)中的步进电机,定子仍是A, B, C三 相,每相两极,但转子不是两个磁极而是四个。 当A相通电时,是1和3极与A相的两极对齐, 很明显,当A相断电、B相通电时,2和4极将 与B相两极对齐。这样,在三相三拍的通电方 式中,步距角c(等于30。,在三相六拍通电方 式中,步距角c(则为15°。?图4-6(b)中的步进电机,定子仍是A, B, C三 相,每相两极,但转子不是两个磁极而是四个。 当A相通电时,是1和3极与A相的两极对齐, 很明显,当A相断电、B相通电时,2和4极将 与B相两极对齐。这样,在三相三拍的通电方 式中,步距角c(等于30。,在三相六拍通电方 式中,步距角c(则为15°。三、步进电机的类型 ? 1>永磁式步进电机?永磁式步进电机是一种由永磁体建立励磁磁场 的步进电机,也称为永磁转子型步进电机,有 单定子结构和两定子结构两种类型。其缺点是 步距大,启动频率低;优点是控制功率小,在 断电情况下有定位转矩。这种步进电机从理论 上讲可以制成多项,而实际上则以一相或两相 为多,也有制成三相的? 2、反应式步进电机?反应式步进电机是一种定、转子磁场均由软磁 材料制成,只有控制绕组,基于磁导的变化产 生反应转矩的步进电机,因此有的国家又称为 变磁阻步进电机。它的结构按绕组的排序可分 为径向分相和轴向分相。而轴向分相又有两种 类型:磁通路径为径向(和径向分相结构的磁 路相通);磁通路径为轴向。按铁心分段,则 有单段式和多段式。? 3、永磁感应子式步进电机?永磁感应子式步进电机定子结构与反应式步进 电机相同,而转子由环形磁钢和两段铁心组成。 这种步进电机与反应式步进电机一样,可以使 其具有小步距和较高的启动频率,同时又有永 磁式步进电机控制功率小的优点。其缺点是, 由丁采用磁钢分成两段,只是制造工艺和结构 比反应式步进电机复杂。三种常用步进电机的性能比较步距角启动频率运行频率消耗功率定位转矩永磁式大低低小有反应式小高高大无永磁感应式小高高小有步进电机的主要特性? 1 >步距角a? 2、矩角特性、最大静态转矩Tjmax和启动转矩 Tq? 3、启动频率fq空载时,步进电机由静止突然 启动,并进入木丢步的正常运行所允许的最高 频率,称为启动频率或突跳频率。? 4、连续运行的最高工作频率? 5、加减速特性4.2.2直流伺服电机?直流伺服电机是一种机床伺服系统中使用较广 的执行元件。因其具有良好的启动、制动和调 速特性,在宽范围内能够实现平滑无极调速, 故其往往使用于对伺服电机的调速性能要求较 高白6生产设客审。在伺服索统申常用M勺直流伺 服电机多为大功率直流伺服电机,如低惯量电 机和宽调速电机等。这些伺服电机虽然结构不 同,各有特色,但其工作原理与直流电机类似。\直流伺服电机的基本结构如图4?7所示,直流伺服电机的结构主要包括三大部分: 1>定子定子磁极磁场由定子的磁极产生。2、转子转子又称为电枢,由硅钢片叠压而成,表面嵌有线 流电时,在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。3、电刷与换向片为使所产生的电磁转矩保持恒定方向,转子能沿固定方向均匀 的连续旋转,电刷与外加直流电源相接,换向片与电枢导体相接。 04-7直流伺服电机结构图1、直流伺服电机的工作原理?直流电机的基本原理分析得到调节电机的转速有三种方法:? 1>改变电枢电压U调速范围较大,直流伺服电机常用此方法调速,即脉宽调速。? 2、变磁通量申(即改变ke的值)通常采用调压与调磁两种方法互相配合,以获得很宽的调速范 围并充分利用电机的容量。? 3、在电枢回路中串联调节电阻R这种办法并不经济且转速只能调低,仅用于较少的场合。三、直流伺服电机的类型 ? 1>低惯量直流伺服电机? 2、宽调速直流力矩电机? 3、无刷直流伺服电机直流伺服电机的
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