【正文】 類 3/9/2023 3． 按被控對象分類 （ 1） 進(jìn)給伺服系統(tǒng) 指一般概念的位置伺服系統(tǒng) ， 包 括速度控制環(huán)和位置控制環(huán) 。 缺點(diǎn)：有電刷 ， 速度不高 。 噪聲 、 漏油 。 ? 該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機(jī)床等。 3/9/2023 伺服系統(tǒng)的分類 ? 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) ? 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖的虛線所示，直接對運(yùn)動部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測。 ? 由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運(yùn)動誤差難以消除。 ? 這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。 （ 4） 能承受頻繁的起動 、 制動和正反轉(zhuǎn) 。 5． 低速大轉(zhuǎn)矩 進(jìn)給坐標(biāo)的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制 ， 在整個速度 范圍內(nèi)都要保持這個轉(zhuǎn)矩；主軸坐標(biāo)的伺服控制在低速時為恒轉(zhuǎn) 矩控制 ， 能提供較大轉(zhuǎn)矩 。 直接 影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度 。 嚴(yán)格來說：位置控制包括位置、速度和電流控制；速度 控制包括速度和電流控制。它忠實(shí)地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來的運(yùn)動命令，精確控制執(zhí)行部件的運(yùn)動方向，進(jìn)給速度與位移量。 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、伺服機(jī)構(gòu)或伺服單元。第 6 章 數(shù)控伺服系統(tǒng) 3/9/2023 概 述 伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。 該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，綜合性強(qiáng) 。 3/9/2023 伺服系統(tǒng)的組成 組成： 伺服電機(jī) 驅(qū)動信號控制轉(zhuǎn)換電路 電子電力驅(qū)動放大模塊 位置調(diào)節(jié)單元 速度調(diào)節(jié)單元 電流調(diào)節(jié)單元 檢測裝置 一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結(jié)構(gòu) ：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。 3/9/2023 1． 精度高 伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程 度。 3． 快速響應(yīng) 快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo) ， 它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度 。 在高速時為恒功率控制 ， 具有足夠大 的輸出功率 。 對伺服系統(tǒng)的基本要求 3/9/2023 1． 按調(diào)節(jié)理論分類 （ 1） 開環(huán)伺服系統(tǒng) （ 2） 閉環(huán)伺服系統(tǒng) （ 3） 半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)的分類 指令 驅(qū)動電路 步進(jìn)電機(jī) 工作臺 脈沖 伺服電機(jī) 速度檢測 速度控制 位置控制 位置檢測 伺服電機(jī) 速度控制 位置控制 工作臺 脈沖編碼器 指令 3/9/2023 伺服系統(tǒng)的分類 ? 開環(huán)數(shù)控系統(tǒng) ?沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置→ 進(jìn)給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。 位置控制調(diào)節(jié)器 速度控制 調(diào)節(jié)與驅(qū)動 檢測與反饋 單元 位置控制單元 速度控制單元 + + 電機(jī) 機(jī)械執(zhí)行部件 CNC插補(bǔ) 指令 實(shí)際位置反饋 實(shí)際速度反饋 3/9/2023 伺服系統(tǒng)的分類 ? 從理論上講，可以消除整個驅(qū)動和傳動環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動量。 3/9/2023 2． 按使用的執(zhí)行元件分類 （ 1） 電液伺服系統(tǒng) 電液脈沖馬達(dá)和電液伺服馬達(dá) 。 （ 2） 電氣伺服系統(tǒng) 伺服電機(jī) （ 步進(jìn)電機(jī) 、 直流電機(jī)和交流電機(jī) ） 優(yōu)點(diǎn)：操作維護(hù)方便 ， 可靠性高 。 2） 交流伺服系統(tǒng) 交流感應(yīng)異步伺服電機(jī) （ 一般用于主軸伺服系 統(tǒng) ） 和永磁同步伺服電機(jī) （ 一般用于進(jìn)給伺服系統(tǒng) ） 。 （ 2） 主軸伺服系統(tǒng) 只是一個速度控制系統(tǒng) 。 直流伺服電機(jī)及工作特性 3/9/2023 1．直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu) 極靴 機(jī)殼 瓦狀永磁材料（定子） 電樞（轉(zhuǎn)子） 換向極 主磁極 定子 轉(zhuǎn)子 線圈 圖 圖 3/9/2023 ⑴ 靜態(tài)特性 電磁轉(zhuǎn)矩由下式表示 : （ ） KT — 轉(zhuǎn)矩常數(shù)； Φ— 磁場磁通； Ia — 電樞電流； TM — 電磁 轉(zhuǎn)矩 。 2一般 直流電機(jī)的工作特性 dtdJTT LM ???3/9/2023 (1) 永磁直流伺服電機(jī)的性能特點(diǎn) 1) 低轉(zhuǎn)速大慣量 2) 轉(zhuǎn)矩大 3) 起動力矩大 4) 調(diào)速泛圍 大 ， 低速運(yùn)行平穩(wěn) ， 力矩波動小 (2) 永磁直流伺服電機(jī)性能用特性曲線和數(shù)據(jù)表描述 1) 轉(zhuǎn)矩 速度特性曲線 （ 工作曲線 ） 2) 負(fù)載 工作周期曲線 過載倍數(shù) Tmd， 負(fù)載工作周期比 d。 2 交流伺服電機(jī)及工作特性 VS 3/9/2023 交流同步伺服電機(jī)的種類： 勵磁式、永磁式、磁阻式和磁滯式 （ 1）永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu) 1．永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 VS 定 子 轉(zhuǎn)子 脈沖編碼器 定子三相繞組 接線盒 圖 6﹒ 11 永磁交流同步伺服電機(jī)結(jié)構(gòu) 3/9/2023 1．永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 圖 3/9/2023 （ 2） 永磁交流同步伺服電機(jī)工作原理和性能 1． 永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 n（ r/min） VS N ns nr θ S 圖 6﹒ 13工作原理 圖 6﹒ 14 特性曲線 T（ Ncm） 12023 10000 8000 6000 4000 2023 0 1000 2023 3000 Ⅰ Ⅱ 3/9/2023 交流主軸電機(jī)的要求 ： 大功率 低速恒轉(zhuǎn)矩 、 高速恒功率 鼠籠式交流異步伺服電機(jī) 圖 6﹒ 15交流主軸電機(jī)與普通交流 圖 6． 16 交流主軸伺服電機(jī)的特性曲線 異步感應(yīng)電機(jī)的比較圖示意圖 2．交流主軸伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 交流主軸電機(jī) 普通交流 異步感應(yīng)電機(jī) 通風(fēng)孔 P（ KW） 8 6 4 2 0 2023 4000 6000 8000 12023 n（ r/min） 3/9/2023 （ 1） 永磁交流同步伺服電機(jī)的發(fā)展 ① 新永磁材料的應(yīng)用 釹鐵硼 ② 永久磁鐵的結(jié)構(gòu)改革 內(nèi)裝永磁交流同步伺服電機(jī) ③ 與機(jī)床部件一體化的電機(jī) 空心軸永磁交流同步伺服電機(jī) （ 2） 交流主軸伺服電機(jī)的發(fā)展 ① 輸出轉(zhuǎn)換型交流主軸電機(jī) 三角 星形切換 ， 繞組數(shù)切換或二者組合切換 。不但有速度控制， 還有位置控制。 速度控制： 主要是調(diào)速，調(diào)速有機(jī)械 、 液壓和電氣方法，電氣調(diào) 速最有利于實(shí)現(xiàn)自動化。屬于恒功率調(diào)速。 電流環(huán)：電流調(diào)節(jié) (P或 PI)。 速度 調(diào)節(jié)器 電流 調(diào)節(jié)器 觸發(fā)脈沖 發(fā)生器 可控硅 整流器 電流反饋 速度反饋 電流檢測 編碼器 電機(jī) UR + Uf If IR + E1 ES 3/9/2023 2）主回路 工作原理 組成 ： 由大功率晶閘 管構(gòu)成的三相全控橋式（三相全波）反并接可逆電路， 分成二大部分（ Ⅰ 和 Ⅱ ），每部分內(nèi)按三相橋式連接，二組反并接， 分別實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn) 和反轉(zhuǎn)。 5在正半周導(dǎo)通， 6在負(fù)半周導(dǎo)通。 為保證合閘后兩個串聯(lián)可控硅能同時導(dǎo)通 ， 或已截止的相再次導(dǎo)通 ， 采用雙脈沖控制。 4 6 2 7 9 11 1 3 5 8 12 10 A B C M Ⅰ Ⅱ UM UD KM KM + 圖 可控硅調(diào)速系統(tǒng) 主 回路 3/9/2023 原理： e) u a c b c a b a) b) c) d) 1 3 5 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ωt u b 2 4 6 b c a ωt ωt ωt ωt 1 1 3 3 5 5 1 1 3 3 6 2 2 4 4 6 6 2 2 4 1 3 5 2 4 6 120176。 1 3 2 4 60176。 主回路波形圖 圖 可控硅調(diào)速系統(tǒng) 主 回路 波形圖 3/9/2023 3）控制回路分析 觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的過程： 改變觸發(fā)角，即改變控制角 U1 U2 R1 R2 R3 C + 同步信號 過零信號 由速度 F變換來的電流調(diào)節(jié)器輸出的直流信號 , 1 2 3 圖 可控硅調(diào)速系統(tǒng) 控制 回路及 波形圖 窄脈沖 ： 即 移相觸發(fā)脈沖 同步信號 方波信號 矩齒波 矩齒波與直 流電壓疊加 信號 尖脈沖 直流電壓 （ 可控硅導(dǎo)通時間），可調(diào)速。 ① 速度調(diào)節(jié)器：比例積分 PI，高放大（相當(dāng) C短路） —緩放大 —增放大 —穩(wěn)定（相當(dāng) C 開路）無靜差。 功率 (平均 ) P =UIcos φ 交流電阻電感電路：純電感電路電流落后電壓 相位 φ=90186。 造成功率因數(shù)不高的主要原因是感性負(fù)載，如異步電 機(jī)、工頻爐、日光燈的功率因數(shù)都不高；提高功率因數(shù)的 辦法是在感性負(fù)載上并聯(lián)電容。 ③電網(wǎng)波動： 電流調(diào)節(jié)器通過電流反饋信號還起快速的維持和調(diào)節(jié)電流 作用，如電網(wǎng)電壓突然短時下降，整流輸出電壓也隨之降低，在電機(jī) 轉(zhuǎn)速由于慣性還未變化之前，首先引起主回路電流的減小，立即使電 流調(diào)節(jié)器的輸出增加，觸發(fā)脈沖前移，使整流器輸出電壓恢復(fù)到原來 值，從而抑制了主回路電流的變化。 區(qū)別 ： 與晶閘管調(diào)速系統(tǒng)比較，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié) 器原理一樣。 脈寬的變化使電機(jī)電樞的直流電壓隨著變化。分 別加到 T1 、 T T3 、 T4的基極。 負(fù)載較重時： ①電動狀態(tài)： 當(dāng) 0≤t ≤ t1時， Ub Ub4為正， T