【文档说明】计算机数控技术-教案课件.pptx,共(48)页,757.316 KB,由小橙橙上传
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会计学1计算机数控技术当执行件运动速度提高时,脉冲频率随之增加。控制脉冲的转换时间间隔小于电动机的电磁和机械过渡过程,即前一脉冲信号使步距移动速度尚未制动到零,新的脉冲随即到来,电动机处于连续运行状态,电动机的输出转矩将随工作频率的升高而下降
。当要求执行件运动反向时,可改变控制脉冲的供电顺序。电动机将从沿某一方向连续运行的状态,突然改变转向。这是步进电动机最恶劣的工作状态。当要求执行件停止不动时,步进电动机应处于制动状态,这时励磁电流恒加到电动机的一相或几相绕组,电动机在直流磁场作用下静止不动
。有时机床不另设夹紧机构而依靠步进电动机的制动状态来实现执行件的定位。第1页/共47页为满足步进电机的工作要求,步进电机应具有如下性能指标:步距角及步距精度步距角应为每输入一个脉冲时转子所转过的角度。它反映步进电机定子绕组每改变一次通电状态,转子所转过
的角度。kmz360根据步进电机工作原理,步进电机的步距角θ与定子绕组的相数m、转子的齿数z及通电方式k(k=拍数/相数)有关,其计算公式为:式中θ──步距角;k──逻辑供电状态系数,运行拍数=km。单拍通电时,拍数等于相数,k=1;双拍通电时,拍数=2×相数,k=2;m──定子绕组相
数;z──转子齿数。第2页/共47页按此公式可知,图4-9和图4-11所示电机的步距角θ,采用三相单三拍通电方式控制时同为:采用三相单双六拍通电方式控制时同为:推而广之,四相、五相、六相、八相的反应式步进电机各相分别错齿1/4、1/5、1/6、1/8齿距,也
有单拍、双拍和单双拍等通电控制方式,以改变控制性能和减小步距角θ。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角θ一般为0.36°~3°。340313605.14032360第3页/共47页由于步进电机应用在机床上一般是通过减速器和丝
杠副带动工作台移动,所以步进电机的步距角θ对应工作台的移动量便是工作台的最小单位运动,也称脉冲当量δ(mm/脉冲)。脉冲当量可由下式算出:式中S──丝杠基本导程(mm);θ──步进电机步距角(°);λ──传动比。
360S第4页/共47页系统中进给脉冲频率f经驱动放大后就转化成步进电机定子绕组通电/断电状态变化的频率,因而就决定了步进电机转子的转速ω,该ω经减速器、丝杠副后,体现为工作台的进给速度。步
进电动机的步距角θ、角速度ω和转速n的关系式如下:步进电动机的角速度:ω=θ·f式中ω──角速度(°/s);f──脉冲频率。式中n──转速(r/min)。可见,工作台的进给速度V(mm/min)可表示为:V=60·δ·f;式中δ──脉
冲当量(mm/脉冲);f──进给脉冲频率(Hz)。6ff60360n第5页/共47页当然,步距角的大小直接关系到机床加工精度。因为在数控机床的步进输出控制伺服系统中,不能控制比步距角更小的量。步进电机的步距角越小,系统的
脉冲当量越小,机床加工精度越高。因此,为了保证所需的加工精度,只有将脉冲当量取得比所要求的加工准确度还小才行,另外还涉及到步距精度问题。当步进电机空载且以单脉冲输入时,其实际步距角与理论步距角之差称为静态步距角误差Δθ。它随步进电
机的制造精度而变化。步距精度是以实测的步距角度与理论的步距角度之差来衡量,并以分表示。当实测的步距角度大于理论的步距角度时,则为超前(正值);当实测的步距角小于理论步距角度时,则为滞后(负值)。步距精度是步进电动机的一项主要指标,因为它不仅直接影响工件的加
工精度,而且也影响到步进电动机本身的动态特性。步进电动机的步距误差是由多方面因素引起的,但主要是定子和转子冲片的精度,还有气隙的不均匀度。因此,只要严格保证电机各环节的加工精度,就可以获得较高的步距精度。我国生产的步进电机,步距精度一般控制在±
10'~±30'的范围内,有的可达±2'~±5'。第6页/共47页最大静态转矩Mjmax当步进电机通以常值的直流电流,且不改变通电状态时,步进电机转子处在不动状态。步进电机转子不动时的定位状态,称为静态。静态空载时,若步进电机某相通以直流电流,则该相对
应的定、转子的齿槽对齐。这时转子上没有力矩输出。如果在电动机轴上加一负载转矩M,则步进电机转子在M的作用下,就要沿负载方向转过一个角度θ才能重新稳定下来。这时转子上所受的电磁转矩Mj和负载转矩M相等。称Mj(N•m)为静
态转矩,θ角为失调角,定、转子间的电磁转矩Mj随失调角θ变化的情况如图4-15所示。图4-15转矩随失调角变化的情况第7页/共47页描述静态时电磁转矩Mj与θ之间的关系曲线Mj=f(θ)称为转矩——失调角特性曲线,又称矩角特性,如图4-16所示。若步进电机各相矩角特性差异过大,会引起
精度下降和低频振荡,这种现象可以用改变某相电流大小的方法使电动机各相矩角特性大致相同。图4-16矩角特性曲线第8页/共47页矩角特性曲线上的电磁转矩最大峰值叫做最大静态转矩并用Mjmax表示。Mjmax愈大自锁力矩愈大,静态误差愈小。静态
转矩与控制电流平方成正比。但当电流上升到磁路饱和时,Mjmax=f(I)曲线上升平缓。一般说明书上的最大静态转矩是指在额定电流和规定通电方式下的Mjmax。Mjmax这项指标反映了步进电机的负载能力和工作的快速性。Mjmax值愈大,电动机带负载能力愈强,快速性愈好。在静
态稳定区内,当外加转矩去除时,转子在电磁转矩的作用下,仍能回到稳定平衡点位置(θ=0)。第9页/共47页空载启动(突跳)频率空载时,步进电机由静止突然起动,并进入不失步的正常运行状态所允许的最高频率,称之为起动频率或突跳频率(步/s),用fq表示。若起动时频率大于突跳频率,步进电动机
就不能正常起动。起动频率是衡量步进电机快速性能、电机和电源性能的一项重要技术指标。启动频率要比连续运行频率低得多,这是因为步进电机启动时,既要克服负载力矩,又要克服运转部分的惯性矩,电机的负担比连续运行时重。步进
电机带负载(尤其是惯性负载)的启动频率比空载的启动频率要低。第10页/共47页启动转矩Mq由图4-17可见,曲线A和B的交点所对应的力矩Mq是电机运行状态的最大启动转矩。随着电机相数的增加,Mq亦增加。当外加负载超过Mq时,电机就不能启动。图4-17
矩角特性曲线与启动转矩第11页/共47页起动矩频特性当步进电机带着一定的惯性负载启动时,作用在电机轴上的加速转矩为电磁转矩与负载转矩之差。负载转矩越大,加速转矩就越小,电机就不易转起来,只有当每步有较长的加速时间(采用较低的脉冲频率)时,电机才能启动;因此,随着负载惯量
的增加,起动频率会下降,如果除了惯性负载外,还有转矩负载,则起动频率将进一步下降。起动矩频特性是描述步进电机最高起动频率与负载惯量力矩之间的关系曲线,如图4-18所示。第12页/共47页(空载)连续运行频率
步进电机在空载启动后连续运行时,输入脉冲频率逐渐升高仍能保证不失步连续运行的最高脉冲重复极限频率,称为连续运行频率。有时也称为最高连续运行频率或最高工作频率,记作fmax(脉冲/s)。它也是步进电机的重要性能指标
,对于提高生产率和系统的快速性具有重要意义。连续运行频率远大于起动频率,这是由于起动时有较大的惯性扭矩需要克服,所以需要一定加速时间的缘故。目前fmax值的世界水平已达7,000r/min。在最高工作频率或高于突跳频率的情况下,要使电机停止,脉
冲速度必须逐步下降。同样当要求电机的工作频率大于突跳频率时,脉冲速度必须逐步上升。这种加速和减速时间不能过小,否则会出现失步或超步(过冲)。这项指标反映了步进电动机的最高运行速度,因此直接影响机床的生产率。第13页/共47页运行矩频特性运行矩频特性是描述步进电机连
续稳定运行时,输出转矩M与连续运行频率f之间的关系,通常以运行矩频特性曲线表示。它是衡量步进电机运转时承载能力的动态性能指标。运行矩频特性,一般随连续运行频率f的上升,输出转矩M下降,如图4-19所示。图4-19连续
运行矩频特性第14页/共47页步进电机的选择选择步进电机时,首先必须保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率,而在选用功率步进电机时,应先计算机械系统的负载转矩,使电机的矩频特性能有一定的余量以保证运行可靠。即在实际工作中,各种频率下的负载转矩必须在矩频特性曲线的范围
内。一般来说,最大静转矩Mjmax大的电动机,负载转矩M亦大,通常取M/Mjmax=0.2~0.5。对于相数较多、突跳频率要求不高时取大值,反之取小值。此外,选择步进电机时,应使步矩角θ和机械系统匹配,这样可以得到设备使用时所要求的脉冲当量。而在
选择功率步进电机时,应当估计机械系统的负载惯量和设备所要求的启动频率,使之与步进电机的惯频特性相匹配还要有一定余量,并使最高连续工作频率能满足设备工作台快速移动的要求。第15页/共47页步进电动机在有载起动时,其起动频率会降低,下降后的起动频率fqF根据电动机惯频特性可用下式近似计算:式
中M──起动频率下由矩频特性决定的步进电机转矩;J──步进电机转子惯量;MF──负载转矩;fq──步进电机空载起动频率;JF──负载惯量。如负载参数无法确定,则可估计使当然还应结合电动机尺寸、温升及供货等具体条件而定。q21FFqFfJJ1MM1f
qqFf21f第16页/共47页步进电机的驱动和控制技术由步进电机的工作原理可知,必须使其定子励磁绕组顺序通电,并具有一定功率的电脉冲信号,才能使其正常运行,所以不能将脉冲增量插
补法的指令脉冲直接接入步进电机的定子绕组。步进电机的驱动电源就承担了将指令脉冲转换为驱动步进电机电信号的任务。步进电机及其驱动电源是一个有机的整体,步进电机的运行性能是步进电机和驱动电源的综合结果。驱动电源通常由环形分配器和功率放大器组成(参见图4-8)。环形分配
器的功能可由硬件或软件的方法来实现,而功率放大器的功能主要由硬件实现。图4-8开环伺服系统结构示意图第17页/共47页在步进电动机的微机数控系统中,步进电动机的控制框图如图4-20所示,该框图主要由三部分组成,即变频信号源、脉冲分配器、功率放大器。其中变频信号源和脉冲分配器的控制功能,可
以通过计算机软件予以完成。计算机串、并口输出的指令信号,经过功率放大器(驱动电源)放大后,即可控制步进电机的运动状态。图4-20步进电机计算机数控的原理框图变频信号源脉冲分配器计算机系统指令控制信号功率放大器步进电机第18页/共47页第19页/共47页图4-25自动加/减速控制曲线第20页/
共47页图4-26单电压全波型功放电路第21页/共47页图4-27双压定时切换型功放电路第22页/共47页双压定时切换型驱动电路有一个缺点,即由高压释放到低压时,流过电动机绕组的电流的后半部分有下凹现象,如图4-29所示。这种现象在单压全波型电路中更为严重。图
4-29加于步进电机绕组的电流波形1─双压检测型;2─定时切换型第23页/共47页图4-28双压检测型功放电路第24页/共47页双压检测型电路中,低压管V2受低压回路控制,而高压管V1受高压综合回路控制,在综合控制回路中有一电流检测反馈环节;当绕组电流后部减小下凹到一定值时,高压管V1再
次导通,从而补偿了电流后半部分的跌落。该电路使高压电源继续地加到电动机绕组上,这使步进电动机的机械特性得到了改善,有利于起动频率和运行频率的提高。第25页/共47页高低压驱动电路的电流波形的波顶会
出现凹形(见图4-29),造成高频输出转矩的下降。图4-29加于步进电机绕组的电流波形1─双压检测型;2─定时切换型第26页/共47页图4-30单压斩波型功放电路为了使励磁绕组中的电流维持在额定值附近,需采用斩波电路,电路的框图如图4-30所示。第27页/共47页图4-30单压斩波型功放电路在
控制信号端加入控制信号期间,功率晶体管V并不总是导通的,而是受到具有电流反馈的斩波电路的控制,该斩波电路使电动机绕组上所加的电压为斩波电压,使绕组中流过的脉冲电流维持在一个定值。电路中串联的电阻R1是一个检测电阻,其值是很小
时。所以该电路的功率消耗小,效率高而且运行特性较好。第28页/共47页图4-31所示的斩波驱动电路以环形分配器的输出脉冲作为输入信号。图4-31斩波驱动功放电路的原理图第29页/共47页输入信号若为正脉冲,则VT1、VT2导通,由于U1电压较
高,绕组回路又没有串电阻,所以绕组中的电流迅速上升。当绕组中的电流上升到额定值以上某个数值时,采样电阻Re的电压将达到某设定值,并经反馈、放大后送至VT1的基极,使VT1截止。图4-31斩波驱动功放电路的
原理图第30页/共47页接着绕组由U2低压供电,绕组中的电流立即下降,但刚降至额定值以下时,由于采样电阻Re的反馈作用,使整形电路无信号输出,此时高压前置放大电路又使VT1导通,电流又上升。图4-31斩波驱动功放电路的原理图第31页/共47页如此反复进
行,形成一个在额定值上下波动呈锯齿状的电流波形,近似恒流(见图4-32),所以斩波电路也称斩波恒流驱动电路。图4-32三种驱动功放电路的电流波形锯齿波的频率可通过调整采样电阻Re和整形电路的电位器来调整。斩波电路具有快速响应好、功耗小、电机共振小、转矩恒定的突出优点,但
电路复杂,低频时会使电机产生严重振荡。第32页/共47页调频调压驱动电路调频调压驱动方式综合了高低压驱动和斩波驱动的优点。图4-33调频调压驱动功放电路的原理图第33页/共47页细分驱动电路如果控制步进电机各相绕
组每次输入脉冲切换时,不是将绕组中额定电流全部通入或切除,而只是改变相应绕组中额定电流的一部分,则电机转子每步运动也只有步距角的一部分。(a)细分前;(b)10步细分后图4-34细分前后的角位移比较第34页/共47页额定电流是台阶式
地投入或切除,电流分成N个台阶,则转子就以N步转过一个步距角。这样将一个步距角细分成若干步的结果,相当于细分了步距角,这种驱动方式称细分驱动或微分驱动。(a)线性放大型细分电路;(b)开关放大型细分电路图4-35细分驱动电路原理图第35页/共47页直流伺服电机驱动
系统直流伺服电机容易调速,尤其是他励(永磁)直流伺服电机具有较硬的机械特性。直流伺服系统的一般结构为三闭环(电流、速度、位置)控制。图4-37直流伺服系统的一般结构第36页/共47页直流电机的工作原理:位于磁场中的线圈abcd的a端和d端分别连接于各自的换向片上,换向片又分别通过
静止的电刷A和B与直流电源的两极相连。当电流通过线圈时,产生电磁力和电磁转矩,使线圈旋转。线圈图4-38直流电机的工作原理第37页/共47页当一台直流电机加以恒定励磁,若电枢(多相线圈)不加电压,电机不会旋转;当外加某一电枢电压时,电机将以某
一转速旋转,改变电枢两端的电压,即可改变电机转速,这种控制叫电枢控制;当电枢加以恒定电流,改变励磁电压时,同样可达到上述的控制目的,这种方法叫磁场控制;直流伺服电机一般都采用电枢控制。(a)电枢控制;(b)磁
场控制图4-39直流电机的控制原理直流电机按其励磁方式分,有永磁式、励磁式(他励、并励、串励、复励)、混合式(励磁和永磁合成)三种;按电枢结构分,有有槽、无槽、印刷绕组、空心杯形等;按输出量分,有位置、速度、转矩(或力
)三种控制系统;第38页/共47页他励直流电机:励磁绕组由一个独立的直流电源供电,而与电枢绕组毫无关系;并励直流电机:其励磁绕组与电枢绕组并联,此时加在励磁绕组上的电压就是电枢电路两端的电压;串励直流电机
:电机的励磁绕组与电枢绕组串联,一般情况下,其励磁电流即为电枢电流;复励直流电机:两个励磁绕组,一个绕组与电枢绕组并联,一个绕组与电枢绕组串联。(a)他励;(b)并励;(c)串励;(d)复励图4-40直流电机的励磁方式第39页/共47页上述几种直流电机的机械特性,
亦即电枢电流、电机速度与转矩的关系如图4-41所示。(a)串励;(b)并励;(c)复励;(d)他励;(e)永磁图4-41直流电机的机械特性第40页/共47页小惯量直流伺服电动机无槽电枢的内部结构上,电枢铁心上没有槽,为一
光滑无槽的由矽钢片叠成的圆柱体,铁心电枢绕组为成型的线圈元件组成,用环氧树脂和玻璃布带直接固化成型并粘接在电枢铁心表面上,电枢的长度与外径之比在5倍以上。图4-42无槽式转子第41页/共47页印刷绕组电枢为多层薄片圆盘,以环氧树脂布胶板为基板
,两侧胶合铜箔,用印刷电路法制成双面电枢绕组,电刷直接作用在印刷绕组上。(a)印刷绕组转子的外形;(b)印刷绕组转子的绕线方法示意图4-43印刷绕组电枢第42页/共47页空心杯形电枢是用漆包线编制成杯形,用环
氧树脂将其固化成一整体,且无铁心以减小电枢直径,并增强其刚性。(a)直绕组;(b)斜绕组图4-44线绕式空心杯形绕组电枢第43页/共47页直流伺服电动机的脉冲宽度调速脉宽调制,就是使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下,开关频率保持恒定,用调整开关周期内晶体管导通时间的方法来改
变输出,以使电机电枢两端获得宽度随时间变化的电压脉冲。脉宽的连续变化,使电枢电压的平均值也连续变化,从而达到调节电机转速的目的。PWM方式的速度控制系统主要由脉冲宽度调制器和脉冲功率放大器两部分组成。第44页/共47页脉冲宽度调制器的原理:利用大功
率晶体管的开关作用,将直流电源电压转换成一定频率的开关来改变加到电动机电枢上,通过对方波脉冲宽度的控制,改变电枢的平均电压,从而调节电动机的转速。图4-49脉宽调制示意图第45页/共47页图4-51晶体管脉宽调制直流
驱动电源开关功率放大器H形开关电路的基本工作原理图。第46页/共47页感谢您的观看。第47页/共47页