第五章 数控机床的伺服驱动系统 §5—3 闭环伺服控制原理与系统

发布日期:[09-01-11 13:27:52] 浏览人次:[]

§5—3 闭环伺服控制原理与系统

在数控机床上,尤其是在计算机数控机床上,闭环伺服驱动系统由于具有工作可靠、抗干扰性强以及精度高等优点,因而相对于开环伺服驱动系统更为常用。但由于闭环伺服驱动系统增加了位置检测、反馈、比较等环节,与步进式开环系统相比,它的结构比较复杂,调试也相对更困难一些。

一、 闭环伺服驱动系统的执行元件

随着数控技术的发展,对执行元件的要求愈来愈高,归纳起来主要有以下几点:

(1) 尽可能减少电机的转动惯量,以提高系统的快速动态响应;

(2) 尽可能提高电机的过载能力,以适应经常出现的冲击现象;

(3) 尽可能提高电机低速运行的稳定性和均匀性,以保证低速时伺服系统的精度。

鉴于机械加工的特殊性,一般的电机不能满足数控机床对伺服控制的要求。目前,在数控

机床上广泛应用的有直流伺服电机和交流伺服电机。

1.直流伺服电机

直流伺服电机是机床伺服系统中使用较广的一种执行元件。在伺服系统中常用的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。

(1) 低惯量直流伺服电机。主要有无槽电枢直流伺服电机及其他一些类型的电机。无槽电枢直流伺服电机的工作原理与一般直流电机相同,其结构的差别和特点是:电枢铁心是光滑无槽的圆体,电枢绕组用环氧树脂固化成型并粘结在电枢铁心表面上,电枢的长度与外径之比在5倍以上,气隙尺寸比一般的直流电机大10倍以上。它的输出功率在几十瓦至10 kW以内。主要用于要求快速动作、功率较大的系统。

(2) 宽调速直流力矩电机。这种电机用提高转矩的方法来改善其动态性能。它的结构形式与一般直流电机相似,通常采用他激式。目前几乎都用永磁式电枢控制。它具有以下特点:

(3) 直流伺服电机的脉宽调速原理。调整直流伺服电机转速的方法主要是调整电枢电压。目前使用最广泛的方法是晶体管脉宽调制器—直流电机调速(PWM—M)。它具有响应快,效率高,调速范围宽以及噪音污染小,简单可靠等优点。

脉宽调制器的基本工作原理是,利用大功率晶体管的开关作用,将直流电压转换成一定频率的方波电压,加到直流电机的电枢上。通过对方波脉冲宽度的控制,改变电枢的平均电压,从而调节电机的转速。图5--9是PWM— M系统的工作原理图。设将图5--9(a)中的开关K周期地闭合、断开,开和关的周期是T。在一个周期内,闭合的时间为τ,断开的时间为T-τ。若外加电源的电压U是常数,则电源加到电机电枢上的电压波形将是一个方波列,其高度为U,

宽度为τ,如图5--9(b)所示。它的平均值

(5-2)

式中的δ=τ/T,称为导通率。当T不变时,只要连续地改变 ,就可使电枢电压的平均值(即直流分量 )由0连续变化至U,从而连续地改变电机的转速。实际的PWM—M系统用大功率三极管代替开关K 。其开关频率是2000 Hz,即

图5—9 PWM 调速系统的电器原理

图5--9(a)中的二极管是续流二极管,当K断开时,由于电枢电感La的存在,电机的电枢电流 可通过它形成回路而流通。

图5--9 (a)所示的电路只能实现电机单方向的速度调节。为使电机实现双向调速,必须采用桥式电路。图5--10所示的桥式电路为PWM —M系统的主回路电气原理图。

图5—10 PWM —M系统的主回路电气原理图

2.交流伺服电机

交流伺服电机驱动是最新发展起来的新型伺服系统,也是当前机床进给驱动系统方面的一个新动向。该系统克服了直流驱动系统中电机电刷和整流子要经常维修、电机尺寸较大和使用环境受限制等缺点。它能在较宽的调速范围内产生理想的转矩,结构简单,运行可靠,用于数控机床等进给驱

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