伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1、任務(wù)二 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)教學(xué)任務(wù)：通過(guò)本次課的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握伺服系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理及典型伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件的工作原理。1.伺服系統(tǒng)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，把輸出量能夠以一定準(zhǔn)確度跟隨輸入量的變化而變化的系統(tǒng)稱為隨動(dòng)系統(tǒng)，亦稱伺服系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床移動(dòng)部件的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是CNC裝置和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，作用在于接收來(lái)自數(shù)控裝置的指令信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件跟隨指令信號(hào)運(yùn)動(dòng)，并保證動(dòng)作的快速和準(zhǔn)確。CNC裝置發(fā)出的控制信息，通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)，完成程序所規(guī)定的操作。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用歸納如下：伺服驅(qū)

2、動(dòng)系統(tǒng)能放大控制信號(hào)，具有輸出功率的能力；伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)CNC裝置發(fā)出的控制信息對(duì)機(jī)床移動(dòng)部件的位置和速度進(jìn)行控制。2.伺服系統(tǒng)組成及工作原理圖3-2所示為數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的組成。它是一個(gè)雙閉環(huán)伺服系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是速度環(huán)，外環(huán)是位置環(huán)。速度環(huán)中用作速度反饋的檢測(cè)裝置為測(cè)速發(fā)電機(jī)、脈沖編碼器等。速度控制單元是一個(gè)獨(dú)立的單元部件，它由速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器及功率驅(qū)動(dòng)放大器等各部分組成。位置環(huán)是由CNC裝置中的位置控制模塊、速度控制單元、位置檢測(cè)及反饋控制等各部分組成。位置控制主要是對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)進(jìn)行控制，軸控制是要求最高的位置控制。圖 3-2伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖微型計(jì)算機(jī)；驅(qū)動(dòng)電路；執(zhí)行元件；傳動(dòng)

3、裝置；位置檢測(cè)元件及反饋電路；測(cè)速發(fā)電機(jī)及反饋電路3步進(jìn)電動(dòng)及直流伺服系統(tǒng)1）步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的一種機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器。其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角與輸入的電脈沖數(shù)成正比，它的速度與脈沖頻率成正比，而運(yùn)動(dòng)方向是由步進(jìn)電機(jī)通電的順序所決定的。步進(jìn)電機(jī)是一種特殊的電機(jī)，一般電機(jī)通電后連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而步進(jìn)電機(jī)則跟隨輸入脈沖按節(jié)拍一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，稱為一步。每一步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度叫做步距角。步進(jìn)電機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格地成正比例，在時(shí)間上與輸入脈沖同步。因此，只需控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電機(jī)繞組通電相序，便可獲得

4、所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向。在無(wú)脈沖輸入時(shí)，在繞組電源激勵(lì)下，氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置而處于定位狀態(tài)。圖 3-3 步進(jìn)電機(jī)工作原理圖2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)圖是開(kāi)環(huán)步進(jìn)伺服系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖。圖中脈沖信號(hào)源是一個(gè)脈沖發(fā)生器，脈沖的頻率可以連續(xù)調(diào)整，送出的脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率由控制信號(hào)進(jìn)行控制。在CNC系統(tǒng)中由數(shù)控裝置根據(jù)程序控制脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率。脈沖分配器是將脈沖信號(hào)按一定順序分配，然后送到驅(qū)動(dòng)電路中并進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。我們先來(lái)介紹脈沖分配器，在下一小節(jié)介紹開(kāi)環(huán)步進(jìn)伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路。圖 3-4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖在開(kāi)環(huán)步進(jìn)伺服系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)各勵(lì)磁繞組按一定節(jié)拍，依次輪流通電工作，

5、為此，需將控制脈沖按規(guī)定通電方式分配到定子各勵(lì)磁繞組中。完成脈沖分配的功能元件稱脈沖分配器。脈沖分配可由硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件完成。4. 交流伺服系統(tǒng)的構(gòu)成、調(diào)整及使用在閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多采用直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。伺服電機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)常稱為伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)的要求很高，既要求高精度，又要求動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好。直流伺服電機(jī)同交流伺服電機(jī)比較具有容易調(diào)速，調(diào)速范圍大等優(yōu)點(diǎn)。但是，直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)貴，使用維修不方便。進(jìn)入年代中期交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有取代了直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而占據(jù)了主導(dǎo)地位的趨勢(shì)。在交流伺服系統(tǒng)中既可以用交流感應(yīng)電機(jī)也可以用交流同步電機(jī)。1）永磁交流伺服電機(jī)的結(jié)

6、構(gòu)及工作原理 圖3-5永磁交流伺服電機(jī) 圖3-6永磁交流伺服電機(jī)工作原理圖1-定子 2-永久磁鐵 3-軸向通風(fēng)孔 4-轉(zhuǎn)軸永磁交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)示意如圖3-5和圖3-6所示。由圖可見(jiàn)，永磁交流伺服電機(jī)主要由三部分組成：定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件。其中定子具有齒槽，內(nèi)有三相繞組，形狀與普通感應(yīng)電機(jī)的定子相同。但其外部表面呈多邊形，并且無(wú)外殼，這有利于散熱，可以避免電機(jī)發(fā)熱對(duì)機(jī)床精度的影響。轉(zhuǎn)子由多塊永久磁鐵2等組成，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是氣隙磁密較高，極數(shù)較多。圖是永磁交流伺服電機(jī)工作原理簡(jiǎn)圖，圖中只畫(huà)了一對(duì)永磁轉(zhuǎn)子，當(dāng)定子三相繞組通上交流電源后，就產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。根據(jù)磁極的同性相斥，異性相吸的原理，定子旋轉(zhuǎn)磁極吸引轉(zhuǎn)子永磁磁極，并帶動(dòng)轉(zhuǎn)子一起同步旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子加上負(fù)載轉(zhuǎn)矩后，將造成定子磁場(chǎng)軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線的不重合，如圖3-6中所示的角。隨著負(fù)載的增加，角也隨著增大，當(dāng)負(fù)載減小時(shí)，角也隨著減小。當(dāng)負(fù)載超過(guò)一定極限后，轉(zhuǎn)子不再按同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，甚至可能不轉(zhuǎn)。這就是同步電機(jī)的失步現(xiàn)象。因此負(fù)載極限稱為最大同步轉(zhuǎn)矩。2）交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理根據(jù)交流電動(dòng)機(jī)工作原理，當(dāng)電機(jī)定子三相繞組通三相交流正弦電源時(shí)，將建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其