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数控机床的伺服系统

时间:2017-09-02 00:24:49来源:本站 作者:admin 点击:
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一、伺服系统工作原理

数控机床的伺服是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统,又称随动系统。如果说数控系统是数控机床的大脑,是发布命令的指挥机构,那么伺服系统就是数控机床的四肢,是执行机构,它忠实而准确地执行由数控系统发出的命令,控制数控机床运动部件的位置和速度,加工出所需要工件的外形和尺寸。伺服控制系统的性能直接影响数控机床的精度、稳定性、可靠性和生产效率,因此伺服系统的性能决定了数控机床的性能。在实际应用中,数控机床伺服系统出现故障的概率较高,因此充分认识伺服系统的重要性,掌握伺服系统的故障诊断与维修是必要的。
伺服系统是一个反馈控制系统,它以指令脉冲为输入给定值与反馈脉冲进行比较,利用比较后产生的偏差值对系统进行自动调节,以消除偏差,使被调量跟踪给定值。进给伺服系统的任务是完成各坐标轴的位置控制,在整个系统中它又分为位置环、速度环和电流环。
位置环(外环):输入信号为CNC的指令和位置检测反馈的位置信号。
速度环(中环):输入信号为位置环的输出信号和测速发电机经反馈网络处理的信号。

电流环(内环)输入信号为速度环的输出信号和经电流互感器得到的电流信号。在三环系统中,位置环的输出是速度环的输入,速度环的输出是电流环的输人,电流环的输出直接控制功率变换单元,这三个环的反馈信号都是负反馈。位置环检测装置有光栅、光电编码器、感应同步器、旋转变压器和磁等,速度环检测装置有测速发电机和光电编码器等。位置检测装置检测到的实际位置信号通过位置环反馈到数控系统,速度检测装置检测到的实际速度信号通过速度环反馈到数控系统,从面构成了半闭环或闭环控制系统。
 

二、交流进给伺服驱动系统的分类与组成
 
在1985年以后生产的数控机床上一般都采用交流伺服驱动,其配套的控制系统有 FANUC的FSO、FSl、FSl5/16系统等。日前,交流伺服已占据了机床进给何服的主导地位,并随着新技术的发展而不断完善,具体体现在三个方面:
一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展,智能化功率模块得到普及与应用。
二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟,将促进先进控制算法的应用。
三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟,将使基于网络的何服控制成为可能。
1.交流伺服驱动系统分类
交流伺服驱动系统一般均采用PwM调制信号控制功率晶体管进行驱动放大的主回路并按其指令信号与控制形式分为模拟式何服与数字式伺服两类。初期的交流何服系统一般是模拟式伺服系统,而目前使用的交流伺服通常都是采用数字量控制的全数字式交流何服系统。
2、交流伺服系统的组成
交流伺服系统主要由交流伺服电动机、PWM功率逆变器、微处理器控制器、位置传感器、电源及能耗制动电路、键盘及显示电路、接口电路、故障检测及保护电路共八部分构成。
(1)交流伺服电动机。可分为永磁交流同步伺服电动机、永磁无刷直流伺服电动机、感应伺服电动机及磁阻式伺服电动机。
(2)PWM功率逆变器。可分为功率晶体管逆变器、功率场效应管逆变器、IGBT逆变器等。

(3)微处理器控制器及逻輯门阵列。可分为单片机、DSP数字信号处理器、DSP+CPU、多功能DSP(如TMS20F240)等。
(4)位置传感器(含速度)。可分为旋转变压器、磁性编码器、光电编码器等。
(5)接口电路。包括模拟电压、数字Do及串口通信电路。


三、交流伺服驱动系统工作原理

交流何服电动机的工作原理和单相异步电动机相似,它的定子上装有两个在空间相差
90°电角度的绕组,即励磁绕组和控制绕组。运行时,励磁绕组上始终加有一定的交流励磁电压,控制绕组上则加大小或相位随信号变化的控制电压。它的转子的结构形式也分为笼型转子和空心杯型转子两种。笼型转子交流同服电动机具有励磁电流较小、体积较小、机械强度高等特点,但是低速运行不够平稳,有抖动现象。空心杯型转子交流伺服电动机具有结构简单、维护方便、转动惯量小、运行平滑、噪声小、没有无线电干扰、无抖动现象等优点,但是励磁电流较大,体积也较大,转子易变形,性能上不及直流伺服电动机。
1.转速控制方式

交流何服电动机有以下三种转速控制方式:
(1)幅值控制

控副电流与励磁电流的相位差保持90°不变,改变控制电压的大小。
(2)相位控制
控电压与励磁电压的大小,使之保持额定值不变,改变控制电压的相位。
(3)幅值一相位控制
同时改变控制电压幅值和相位,交流伺服电动机转轴的转向随控制电压相位的正反相而改变。
2.工作特性和用途
交流伺服电动机有三个显著特点:
(1)启动转矩大
由于转子导体电阻很大,可使临界转差率,一旦给定子加上控制电压,转子立即启动运转。
(2)运行范围宽
在转差从0到1的范围内都能稳定运转。
(3)无自转现象
控制信号消失后,迅速停止运转,这是交流伺服电动机与异步电动机的重要区别。


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