1、CNC主要内容第四章第四章伺服驱动伺服驱动系统系统CNC内容分析内容分析 教学目标：教学目标：掌握步进电机及其驱动控制、直流伺掌握步进电机及其驱动控制、直流伺服电机及其速度控制；服电机及其速度控制；了解交流电机变频调速、矢量控制的了解交流电机变频调速、矢量控制的原理；原理；了解位置伺服控制的原理与类型；了解位置伺服控制的原理与类型；CNC主要内容4.1 概述概述位置控制位置控制单元单元速度控制速度控制单元单元电流控制电流控制单元单元功放驱动功放驱动工作台工作台电流反馈电流反馈速度反馈速度反馈位置反馈位置反馈 M MG G闭环进给伺服系统组成闭环进给伺服系统组成CNC主要内容4.1 概述概述数控
2、机床对进给伺服系统的要求？数控机床对进给伺服系统的要求？u高精度高精度（输出量能复现输入量的精确程度）输出量能复现输入量的精确程度）u稳定性好稳定性好（抗干扰能力）抗干扰能力）u响应速度快响应速度快（系统跟踪精度）系统跟踪精度）u电机调速范围宽电机调速范围宽（最高转速和最低转速比）最高转速和最低转速比）u低速大转矩低速大转矩（便于直接驱动）（便于直接驱动）u可靠性高可靠性高(对环境的适应性对环境的适应性)CNC主要内容4.1 概述概述伺服系统的分类伺服系统的分类:按控制原理和有无检测反馈装置按控制原理和有无检测反馈装置：开环、半闭环、闭环：开环、半闭环、闭环 按被控对象按被控对象：进给驱动、主
3、轴驱动；：进给驱动、主轴驱动；按使用的执行元件按使用的执行元件：电液、电气伺服（步进、直流、交流、：电液、电气伺服（步进、直流、交流、直线电机）；直线电机）；按反馈比较控制方式分类按反馈比较控制方式分类：脉冲：脉冲数字比较伺服系统，相位数字比较伺服系统，相位比较伺服系统比较伺服系统，幅值比较伺服系统，全数字伺服，幅值比较伺服系统，全数字伺服系统系统CNC4.1 概述概述机械执行部件机械执行部件A相、相、B相相C相、相、f、nCNC插补指令插补指令脉冲频率脉冲频率f脉冲个数脉冲个数n换算换算脉冲环脉冲环形分配形分配变换变换功功率率放放大大开环数控系统开环数控系统CNC主要内容4.1 概述概述位置
4、控制位置控制调节器调节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈检测与反馈单元单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电电机机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈半闭环数控系统半闭环数控系统CNC4.1 概述概述主要内容位置控制位置控制调节器调节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈检测与反馈单元单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈闭环数控系统闭环数控系统CNC4.1 概述概述伺服电机伺服电机
5、是速度和轨迹控制的执行元件。是速度和轨迹控制的执行元件。数控机床中常用伺服电机？各自特点？数控机床中常用伺服电机？各自特点？直流伺服电机（直流伺服电机（良好的调速性能良好的调速性能）交流伺服电机（交流伺服电机（调速性能接近直流，成为调速性能接近直流，成为目前目前数控应用的主流产品数控应用的主流产品）步进电机（步进电机（适于中低速、轻载、负荷较稳定适于中低速、轻载、负荷较稳定）直线电机（直线电机（高速、高精度高速、高精度）CNC主要内容“步进电机及其驱动步进电机及其驱动 教学目标教学目标：步进驱动的特点；步进驱动的特点；步进电机的原理；步进电机的原理；主要性能参数；主要性能参数；驱动控制：环形分
6、配器，功放电路。驱动控制：环形分配器，功放电路。4 4.2.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统CNC主要内容步进电机步进电机是一种是一种脉冲控制脉冲控制的执行元件，可将输入的执行元件，可将输入脉冲转换为机械角位移。每给步进电机输入一个脉冲转换为机械角位移。每给步进电机输入一个脉冲脉冲，其转轴就转过一个，其转轴就转过一个角度角度，称为，称为步距角步距角。脉冲数量脉冲数量-位移量；位移量；脉冲频率脉冲频率-电机转速；电机转速；各相的通电顺序各相的通电顺序-方向。方向。4 4.2.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统步进驱动的特点：步进驱动的特点：CNC主要内容4
7、4.2.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统优点：优点：结构简单，价格便宜，工作可靠；结构简单，价格便宜，工作可靠；缺点：缺点：容易失步（尤其在高速、大负载时），影响定位精度；容易失步（尤其在高速、大负载时），影响定位精度；在低速时容易产生振动；在低速时容易产生振动；细分技术的应用，明显提高了定位精度，降低了低速振动。细分技术的应用，明显提高了定位精度，降低了低速振动。应用：应用：要求一般的开环伺服驱动系统，如经济型数控机床的进给要求一般的开环伺服驱动系统，如经济型数控机床的进给驱动。驱动。CNC4 4.2.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统按按电磁吸引电磁吸
8、引原理工作（以反应式步进电机为例）原理工作（以反应式步进电机为例）BACCBA3412A A 相通电使转子相通电使转子1 1、3 3齿和齿和 AA AA 对齐对齐B ACCBA3412BBACCAB B 相通电，转子相通电，转子2 2、4 4齿和齿和B B相轴线对齐相轴线对齐C C 相通电，转子相通电，转子1 1、3 3齿和齿和C C 相轴线对齐相轴线对齐3412CNC主要内容4 4.2.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统步进电机的工作方式步进电机的工作方式(通电顺序通电顺序)可分为：可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。1
9、1）三相单三拍：）三相单三拍：（1 1）三相绕组联接方式：）三相绕组联接方式：Y 型型（2 2）三相绕组中的通电顺序为：）三相绕组中的通电顺序为：A A 相相 B B 相相 C C 相相通电顺序也可为上述的反向：通电顺序也可为上述的反向：A A 相相 C C 相相 B B 相相 CNC主要内容AABBBCCCAA（逆时针逆时针）AACCBCBBAA（顺时针顺时针）每步转过每步转过15，步距角是三相三拍工作方式的一半，步距角是三相三拍工作方式的一半，三相六拍的特点：三相六拍的特点：电机运转中始终有一相定子绕组通电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比较平稳。电，运转比较平稳。4 4.2.2 步进
10、电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统通电顺序：通电顺序：CNC主要内容4.2.2 步进电机的主要特性步进电机的主要特性 电机选择的依据，重点内容！电机选择的依据，重点内容！mzk360每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。4 4.2.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统1 1步距角步距角 控制精度控制精度CNC主要内容2矩角特性、最大静态转矩矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩和启动转矩Mq CBAOMjMjmaxMqa4 4.2.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统反映电机的带载能力。反映电机的带
11、载能力。3启动频率启动频率fq和启动时的惯频特性和启动时的惯频特性 起动特性起动特性4运行矩频特性运行矩频特性 运行特性运行特性510154812141620T/(N?m)of/kHzCNC主要内容4.2.3 步进电机的分类步进电机的分类 1根据相数分类根据相数分类 三、四、五、六相等。相数越多，步距角越小。三、四、五、六相等。相数越多，步距角越小。4 4.2.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统2根据产生力矩的原理分类根据产生力矩的原理分类 反应式、永磁式、混合式反应式、永磁式、混合式各有何特点？各有何特点？3根据绕组分布结构分类根据绕组分布结构分类 轴向分相式（多段式）、径
12、向分相式（单段式）轴向分相式（多段式）、径向分相式（单段式）CNC 反应式：转子为径向均分小齿的硅钢片，由被激磁的反应式：转子为径向均分小齿的硅钢片，由被激磁的 定子绕组产生反应力矩；定子绕组产生反应力矩；有较高的力矩转动惯量比，步进频率较高，频率响应快，有较高的力矩转动惯量比，步进频率较高，频率响应快，结构简单；结构简单；但消耗功率大，断电时无定位转矩。但消耗功率大，断电时无定位转矩。永磁式：转子为一对或多对极的星形磁钢；永磁式：转子为一对或多对极的星形磁钢；断电时有定位转矩，消耗功率小；断电时有定位转矩，消耗功率小；步距角较大，启动和运行频率较低。步距角较大，启动和运行频率较低。混合式：反
13、应式和永磁式的结合；混合式：反应式和永磁式的结合；兼有反应式和永磁式的优点：兼有反应式和永磁式的优点：步距角小，启动和运行频效率步距角小，启动和运行频效率高，消耗率功小，断时有定位转矩，不能自由转动；高，消耗率功小，断时有定位转矩，不能自由转动；但制造工艺较复杂。但制造工艺较复杂。CNC主要内容4.2.4 步进电机的环形分配器步进电机的环形分配器 4 4.2.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统步进电机的驱动控制由步进电机的驱动控制由环形分配器环形分配器和和功率放大器功率放大器组成。组成。环环形形分分配配器器功功率率放放大大器器ABCCNC主要内容CNC装置电源环形分配器A相驱
14、动B相驱动C相驱动FULL/HALFDIRCLKM4 4.2.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统方向控制信号方向控制信号硬件环形分配器硬件环形分配器CNC主要内容7.2 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统软件环形分配器软件环形分配器PIOPA0PA1PA2PA3PA4PA5光电耦合器光电耦合器放大放大 X 向步进电机 Z 向步进电机abcABCCNC4 4.2.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统16进制进制环形分配表：环形分配表：CNC4 4.2.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统用用MCS-51MCS-51单片机控制
15、某机单片机控制某机床床x 坐标工作台运动坐标工作台运动。CNC4.2.5 功率放大电路功率放大电路 步进脉冲须经过功率放大才能驱动步进电机。电机绕组是电感电机绕组是电感，流经其中的电流不能突变，产生延时，影响电机性能；且截止时会产生很高的反相电动势，威胁功率器件的安全。对驱动电路的要求：对驱动电路的要求：能够提供快速升降的电流，电流波形尽量接近电流波形尽量接近方波方波；截止期间，具有快速放电回路具有快速放电回路，降低相绕组两端的反相电动势，加快电流衰减；功耗低，效率高功耗低，效率高。CNC 功率放大驱动部件：以功率晶体管等开关器件为核心的功率放大电路。单电压驱动电路 高低压驱动电路 可结合具体电路分析特点可结合具体电路分析特点 斩波恒流驱动电路 细分驱动电路 功放电路中，都是使晶体功率管或场效应晶体管工作工作于开关状态于开关状态，不仅提高效率，并可提高步进电机的工作频率、转矩，减少噪声。驱动电路的类型驱动电路的类型
