1、1,数 控 技 术,主讲教师：仇晓黎,东南大学远程教育,第 三十三 讲,2,其次应使步进电机的步矩角a与机械系统匹配，以得到机床所需的脉冲当量。 最后应使被选电机能与机械系统的负载惯量及机床要求的启动频率相匹配并有一定余量， 还应使其最高工作频率能满足机床移动部件快速移动的要求。,3步进电机的选择 首先必须保证步进电机的输出转矩大于负载所需的转矩。所以应先计算机械系统的负载转矩，并使所选电机的输出转扭有一定余量，以保证可靠运行。,3,（1）步进电机的环形分配器 步进电机在数控机床上常用作开环系统的驱动元件。 它是通过脉冲对电机绕组按一定顺序通、断电来进行工作的， 使电机绕组的通电按输入脉冲的控
2、制而循环变化的装置叫脉冲分配器，又称环形分配器。 下面简单介绍m相双m通电方式中的双三拍控制的分配器。,4步进电机的驱动,4,用A、B、C分别表示三相步进电机的三个绕组，而按ABBCCA的顺序供电，其每相工作情况的真值表如表所示，,5,用JK触发器即可方便地设计出双三拍正反转控制的分配器线路如图所示。,6,目的在保持电机在较高的电流值下工作提高输出转矩。,（2）提高步进电机工作性能的措施,1）限流器控制式线路 如图所示，给步进电机的线圈串联上一个检测电流用的小电阻，每当电流达到规定数值时，就截断输入信号，使流过线圈的电流经常保持一定。,7,2）高、低压切换式线路 如图所示，当输人信号时，首先给
3、线圈加以高压，以提高电流的上升率、当电流达到规定值（一般为额定值的2倍）后，就切换到低压上。 这种线路主要用于功率步进电的控制上。,8,3）串联电阻式线路 图如所示，在线圈上串联一个较大的电阻R，并外加较高的电压，以提高电流的上升率。 如再把电容C并联于电阻R，则可进一步提高瞬时电流的上升率。,9,4）细分电路 细分电路就是把步进电机的每一步分得再细些，,如采用细分电路，则需输入多个脉冲信号，电机才转过，从而获得较小的脉冲当量， 并使步进电机在最低转速下运转得更加平稳，有利于提高加工表面的质量。 例如对于十细分电路的环形分配器，它的每相有十只J一K触发器组成。,10,（3）提高步进电机伺服系统
4、的精度措施,步进电机驱动的开环伺服系统，刀具的进给是由驱动元件通过齿轮、丝杠带动机床移动部件来实现的。 它们之间尽管制造精度很高，装配亦很好，但总不可避免地存在着间隙等， 对此，必须在电路中加以补偿，以期提高其精度。,11,1）间隙补偿 机械系统的间隙，可以按脉冲当量换算为指令脉冲数，例若相当于N个脉冲当量，则每当变换指令动作方向时，在给出正规的指令脉冲前，先给出N个额外的指令脉冲，就能补偿间隙。,这种方法比较简单，对于点位和轮廓控制都适用。但对于大型机床，其间隙大小随工件的重量而改变，或间隙随位置的改变而变化，这时就会出现补偿不完全的情况，在这种情况下，要用反馈补偿方法才能完全补偿。,12,
5、1）间隙补偿 对于间隙补偿，必须注意判别补偿的条件，而影响精度主要是在换向时， 所以在电路设计时要有进给方向判别，补偿脉冲数N，一般应由实际测定，通常为1-15个脉冲。,2）螺距误差补偿 开环系统的数控机床，其定位精度主要取决于丝杠的精度，所以在数控机床上采用高精度的滚珠丝杠，但为获得比滚珠丝杠更高的精度，可采用螺距误差补偿。,13,根据进给丝杠螺距误差的实测，可采用下列两种方法实现误差补偿。,一种是机械样板的补偿方法， 另一种是采取当螺距误差达到一个脉冲当量的地方装上挡块，用位置开关检测并发出补偿脉冲的方法， 在进行螺距补偿时，一般可以认为螺距误差数值与走刀方向无关。,14,3）反馈补偿 这
6、种方法是把检测器直接装在机床移动部件上用以检测移动部件的移动量，,另一方面，指令脉冲通过偏差设定器，测出步进电机输出轴的旋转角（换算为脉冲），把两者进行比较，就能测出整个机械系统的误差， 这种机械系统的误差包括上述的间隙，螺距误差以及由于重量或温度变化所引起的一切变化在内。,15,因此，检测出这种误差后，立即发出补偿脉冲，按细分电路床补偿步进电机的旋转角的误差，,这样，就完全消除了机械系统的误差，而能按检测器的精度来进行定位。 这样它既有开环系统的稳定性，又兼有闭环系统的高精度的特点。,16,它根据输入脉冲的个数和频率、得到移距和速度， 由于得到的是直线运动，因此不需要再通过滚珠丝杠把旋转运动
7、变为直线运动。 它适用于小型钻床等简易的小机床。,5直线性步进电机直线性步进电机相当于把电机的定子和转子圆柱面展开成平面，成为定尺和滑尺，,17,鉴于功率步进电机输出扭矩现在还不能做得很大，且随着输出扭矩的增大，其惯量亦增大，使它的起停频率受到限制。 所以也有以电液脉冲马达代替步进电机作驱动元件。,6电液脉冲马达,18,电液脉冲马达的工作原理可用图来加以说明： 电液脉冲马达输出端是液压马达的输出轴，它的旋转是由脉冲指令通过步进电机来控制的。,19,步进电机的运动通过其输出端的减速齿轮副把回转运动传给四通伐杆， 伐杆的尾部制成有螺丝的螺杆与固定在油马达尾端上精密螺母相配， 由于螺母的轴向固定，因
8、而螺杆的旋转使其在轴向产生位移，而位移量的大小即为四通伐的开口。,20,这时液压源通过进油口把高压油从四通伐的开口送入液压马达配油盘的圆形槽内，从而推动转子内的柱塞压向斜盘， 由于柱塞作用在斜面上产生圆周方向的扭力，使套在主轴花键上的转子带动液压马达主轴作旋转运动。,21,斜盘另一侧的柱塞缸内呈低压状态，经斜盘作用，把低压油从柱塞缸内经通道而压回油箱， 同时由于主轴旋转带动联接在尾部的螺母同向旋转，迫使伐杆作和上述方向相反的轴向位移，使伐杆重新处于原来对中位置， 这一过程构成了电液脉冲马达的内反馈，所以电液脉冲马达本身就是一个闭环随动系统。,22,当步进电机以一定速度旋转时，油马达要以与之成正
9、比的速度随动就必须有相应的流量，这就要求滑伐要有相应的开口量， 在开口量没有符合要求时，油马达转速落后于步进电机，所以开口量必须继续增加，油马达转速不断提高一直到两者同步为止，这就是电液脉冲马达的过渡过程。,23,由于必须存在开口量，因此油马达的转动角度总是落后于步进电机一个相应的角度，我们称之为速度误差。,同理当步进电机减速时，油马达转速将超前步进电机，因此开口量会不停减小一直自动调节到同步为止， 当步进电机停止转动时，由于伐的开口还存在，油马达继续旋转直到开口闭合为止，这时两者转角相等，误差为零，所以电液脉冲马达工作时必然存在随动误差。所以目前应用较少。,24,电液脉冲马达中的油马达，是靠
10、外加的液压油源来工作的，所以有较大的输出扭矩，,我们把油马达和四通伐组成的组件称之为液压扭矩放大器。,25,（二）直流伺服电机直流电机是伺服机构中常用的驱动元件，但一般直流电机不能满足要求，,近年来开发了多种大功率直流伺服电机，如小惯量电机及宽调速电机等， 在闭环伺服系统中，这些电机已被广泛地被采用为驱动元件。,26,1常用的直流伺服电机 （1）小惯量直流电动机 小惯量电机是由一般直流电机发展而来的，其主要特点是：,a.转动惯量小，约为普通直流电机的110左右。 b.由于电枢反应比较小，具有良好的换向性能，电机时间常数只有几个毫秒。 c.由于转子无槽，电气机械均衡性好，使其在低速时运转稳定而均
11、匀，例转速低达10转分时，仍无爬行现象。 d.最大扭矩约为额定值的10倍。,27,（2）直流印刷电枢电动机,其主要特点是：电机结构简单，成本低；电枢绕组全部在气隙中，散热良好，能承受较大的峰值电流。绕组的电流密度比普通直流电机高；电枢由非磁性材料组成，轻而电抗小。所以换向性能好，调速范围广而平滑。,28,（3）杯式转子直流电动机 由于印刷电机的转子直径较大，快速动作时，转动惯量不能满足要求，,而杯式印刷电机是把印刷电机的电枢制成圆筒形以加强其刚性，并使其容量扩大。 其电枢的制造方法与印刷电机相似，所不同的只是最后卷成圆筒状，并用树脂封固起来，这种电机的功率可达5.5KW。,29,（4）宽调速直
12、流电机宽调速电机具有下列特点：,1）高转矩 在相同的转子外径和电枢电流的情况下，由于其设计的力矩系数较大，所以产生的力矩亦较大，从而使电机加速性能和响应特性都有显著的改善。 在低速时输出较大力矩，应用在数控机床上可以不经减速齿轮而直接去驱动丝杠，从而避免由于齿轮传动中间隙所产生的噪声、振动及齿隙造成的误差。,30,2）过载能力强 由于转子热容量大，因此热时间常数大，又采用了耐高压的绝缘材料,所以允许过载转矩达5-10倍,电机扭矩惯性比就大。,3）动态相应好 电机定子采用矫顽力很高的铁氧体永磁材料，可使电机电流过载10倍而不会去磁， 这就显著地提高了电机可供的瞬时加速力矩，改善了动态响应，由于无
13、激磁绕组，使电机发热和温升下降。4）调速范围宽，运转平稳 由于电机机械特性和调节特性的线性度好，低速能输出较大的力矩，所以调速范围宽而运转平稳。,31,5）易于调试 由于电机的转子惯量接近于普通电机，调试时，外界负载惯量对伺服系统的影响比较小，所以能在不加负载惯量的情况下预调，联机时只需作少量调整即可。,直流电机的工作受到输出功率及发热的制约，对宽调速电机如能进一步降低其温升，当能提高其输出转矩。而热管是一种高效的换热装置。 所谓热管直流电机就是以热管作为转子轴的直流电机，它能使转子中的热通过热管传到外部，以进一步提高直流电机的输出转矩，所以这是一种高性能的直流电机。,32,2直流伺服电机的可
14、控硅驱动 为调节直流电机的转速，必须使其供电系统具有灵活地控制直流电压的大小及方向的功能。,数控机床伺服系统一般都是可逆的调速系统，所以可用可控硅变流器组成的可逆驱动。 其常用型式为磁场可逆或电枢可逆，但鉴于磁场的惯性比电枢大得多，所以它的快速性较差，目前趋向于用电枢可逆系统。 电枢可逆系统目前应有的主要有：有环流控制、逻辑无环流控制和错位无环流控制。,33,3脉宽调制快速伺服驱动 脉宽调制（PWM）直流快速伺服驱动系统，利用开关频率较高（例2kHz）的脉宽可调而幅值不变的矩形波，给伺服电动机电枢回路供电，,通过改变脉冲宽度来改变电枢回路的平均电压，从而达到调速的目的。 该系统的特点是：1）采
15、用功率较小的低惯量电机，可使其具有极快的定位速度及很高的定位精度。2）开关频率高，可以避开机床共振区，使之工作平稳。,34,3）纹波系数小。用电枢回路的电抗，即可将脉冲滤平，使电流达到接近纯直流的波形。,这样，以电流有效值计算的电机发热量就很小，亦即对同一电采用脉宽调制快速伺服系统，电机发热少而使伺服系统的热变形小，从而提高其精度。 4）频带宽而具有良好的线性，尤其是接近零点处的直线性较好。 5）电动机既能驱动负载，又能制动负载。 脉宽调制伺服系统与可控硅驱动装置相比，由于电源输出接近直流，所以反应速度快，工作无振动，电机温升低，反之用可控硅驱动测交流分量大，电机温升高。,35,（三）交流伺服
16、电机,交流电机用作电气传动，并在较大转速范围中得到理想的转矩的关键是其控制原理及其驱动系统的设计， 而其驱动系统的产生亦有赖于微机的发展和新型大功率晶体管的研制成功，从而使交流电机伺服驱动在数控机床的伺服系统中得应用，并有广泛的发展前途。,36,1.同步交流伺服电机这是一种多极同步型电动机，采用直流激磁的磁场调制方式，能获得较大的转矩-惯量比，,其控制是用晶体管高频逆变器，通过数字控制的正弦波电源来达到无级调速。 由于它在很广的调速范围内可平稳地连续额定运行，并由于采用精密相位控制，步距角可自由选择， 所以适用于高性能位置控制和极宽范围（10 ）的速度控制。,37,2.同步型交流伺服电机的特点
17、 同步型交流伺服电机是功率步进电机的发展，它与步进电机相比有如下优点：,1）效率高。它没有步进电机发热大、效率低的缺点。 2)采用逆变器正弦波驱动。无步进电机的共振现象。 3）响应频率高、调速范围广。 4）步距角可变，而步进电机的步距角是不变的。克服了机床快进与工作进给速度不能兼顾的缺点。 但这种电机使用时，应注意不能过载，因为在超载的情况下会出现失步现象， 通常转矩选择在电机的转矩-转速特性曲线最大转矩值的百分之六十以下。,38,（四）直接驱动电动机直接驱动（DD）电动机就是电动机与其驱动的负载直接耦合在一起，中间不存在任何机械传动装置。,这是一种较为理想的驱动方式，也是机电一体化产品的最新
18、成果。 它具有很高的伺服刚度和传输效率，快速的动态响应和精确的定位精度。,39,直接驱动系统具有以下特性： 由于DD方式不存在任何减速装置，所以要求DD电动机具有非常大的输出转矩和较低的转速。,在DD方式中，电动机的转矩脉动将直接传输到负载上，常数不希望的振动，同时导致可控性降低。 将DD电动机转矩脉动抑制在输出转矩的5-10%以内。 由于DD方式不存在机械减速机构，所以系统具有非常低的机械阻尼，控制系统的阻尼性变坏。 因此必须在控制环路中加入阻尼措施。,40,由于增大了DD电动机的转矩，一般具有较大的电感，使电动机的电气时间常数变大，引起不稳定。,为了补偿，电动机的功率放大器必须具有快速的动态响应来克服电动机的阻抗影响。 由于DD方式没有减速机构，DD电动机的控制系统必须具有很高的增益，但增益的加大可能导致系统不稳定。 在DD方式下，负载对电动机的干扰力明显加大，系统呈现出多变量非线性强耦合特性，是控制系统设计复杂化。,41,在DD方式下，负载的质量必须全由电动机来承受，从而导致连续负载下，电动机及驱动器发热严重。,DD方式中的位置检测和速度检测元件必须具有非常高的分辨率和精度。 由于需要DD电动机具有较大的转矩，所以其体积一般较大。 在设计上必须提高DD电动机的转矩/质量比。,
