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闭环伺服系统1

日期：2010年12月07　来源：沈阳机床　关键字：数控机床
    闭环伺服系统具有工作可靠、抗干扰性强以及伺服精度高等优点，因此现代数控机床中常常采用闭环伺服系统。由于闭环伺服系统相比开环伺服系统而言增加了位置检测、反馈、比较等环节，因此它的结构比较复杂，调试、使用与维护也相对更困难些。
1闭环伺服系统的执行元件
执行元件是伺服系统的重要组成部分，它的作用是把驱动线路的电信号转换力机械运动，整个伺服系统的调速性能、动态特性，运行精度等均与执行元件有关。通常伺服系统对执行元件有如下要求：
•负载特性硬，即使在低速时也应有足够的负载能力。
•调速范围宽且具有良好舯稳定性，尤其是低速运行时的稳定性和均匀性。
•尽可能减少电机的转动惯量，以提高系统的快速动态响应。
•能够频繁启停及换向。
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
直流电机容易进行调速，他励直流电机又具有较硬的机械特性，因而数控伺服系统中早有使用。但由于数控机床的特殊要求，一般的直流电机不能满足要求，因而，目前在进给伺服系统中使用的大都是大功率直流伺服电机，如小惯量电机和宽调速电机等。各种直流伺服
电机的基本工作原理与一般他励直流电机相同，由于结构上不断改进，因而其特性提高较快。
1)小惯量直流伺服电机
小惯量电机与一般直流电机的区别在于其转子为光滑无槽的铁心，用绝缘黏合剂直接把线圈黏在铁心表面上，且转子长而直径小，气隙尺寸比一般直流电机大10倍以上，输出功率一般在几十瓦到iOkW内，主要用于要求快速动作、功率较大的系统。一般小惯量直流伺服电机具有以下特点：
•转动惯量小，约为一般直流电机的I/10。
•由于气隙大，电枢反应较小，具有良好的换向性能，机电时间常数（X称L械时l间常数，为电机动态特性的一个重要参数，定义为当施加一个阶跃电压时，电机电枢达到整个速度63 2%时所需的时间）只有几个毫秒。
•由于转子无槽，大大减低r低速时电磁转矩的波动和不稳定性，保证了低速运行的稳定性和均匀性，在转速低达iOr/min时无爬行现象。
•热时间常数较小，容许过载的持续时间不能太长。
小惯量直流伺服电动机由于具有较小的转动惯量，适合要求有快速响应的伺服系统，但其过载能力低，电枢惯量与机械传动系统匹配较差。
2)宽调速直流伺服电机
卟惯量电aL是以减少电机转动惯量来提高电机的快速性，而宽调速直流伺服电机则是在维持一般直流电机较大转动惯量的前提下，以尽量提高转矩的方法来改善其动态特性的，又称为大惯量宽调速直流伺服电机或大惯量直流电机。它既有普通直流电机的各项优点，又具有小惯量电机的快速响应性能，即较好地输出转矩／惯量的比值，易与机床惯量匹配，因而得到广泛的应用。宽调速直流伺服电机还可同时在电机内装上测速发电机、旋转变压器、编码盘等检测装置及制动装置。
宽调速直流伺服电机的结构形式与一般直流电机相似，其接激磁方法不同可分为电激磁和永久磁铁激磁两种，目前几乎都用永磁式电枢控制。它具有以下特点：
•转矩大。数控机床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，所以产生的力矩也较大，从而使电机的加速性能和响应特性都有显著的提高，在低速时输出较大的力矩，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所产生的噪声，振动及齿隙造成的误差。
•调速范围宽。它采用增加槽数和换向片数，齿槽分度均匀，极弧宽度与齿槽配合合理以及斜槽等措施，减小电机转矩的波动，提高低转动的精度，从而大大地扩大了调速范围。它不但在低速时提供足够的转短，在高速时，也能提供所需的功率。
•动态响应好。由于定子采用了矫顽力很高的铁氧体永磁材料，在电机电流过载10倍的情况下也不会被去磁，这就大大提高了电机瞬时加速转矩，改善了动态响应性能。
•过载能力强。由于采用了高级的绝缘材料，转子的惯性又不大，允许过载转矩达5 -,10倍。数控机床而且在密闭的自然空冷条件下可以长时间地超负荷运转。
•易于调试。由于电机转子惯量接近于普通电机，外界负载惯量对伺服系统的影响较小，在调试中可以不加负载预调，联机时再作少量调整即可。
3)直流伺服电机的速度调节
直流伺服电机的调整方法主要是调整电机电枢电压。一般直流速度控制单兀多采用品闸管（即晶闸管SCR）调速系统和晶体管脉宽调制(PWM)调速系统。由于PWM调速系统优于晶闸管调速系统，目前广泛采取方法是晶体管脉宽调制调速。数控机床相比而言，PWM调速系统具有以下特点：
•频带宽。晶体管的“结电容”小，截止频率高于晶闸管，因此可允许系统有较高的工作频率，PWM系统的开关工作频率多为2kHz或5kHz，远大于SCR系统，整个系统的快速响应好，能给出极快的定位速度和很高的定位精度，适合于启动频繁的场合。
•电机脉动小。输出转矩平稳，对低速加工有利。
•电源的功率因数高。
•动态硬度好，系统具有良好的线性。
脉宽调制器的基本工作原理是：利用脉宽调制器对大功率晶体管的开关放大器的开关时间进行控制，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。通过对方渡脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。PWM—M系统的工作原理图。假设图5-30a中的开关S周期地闭合、断开，开和关的周期是r。数控机床在—个周期内，闭台的时间为f，断开的时间为T—t。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t。
当r不变时，只要连续地改变r(0~r)，就可使电枢电压的平均值（即直流分量U）由O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S。其开关频率是2 000Hz，即r=1/2000=0. 5ms。
二极管是续流二极管，当K断开时，由于电枢电感￡a的存在，电机的电枢电流J口可通过它形成回路而流通。
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。  大功率三极管T．~L组成电桥。数控机床如果在T，和T，的基极加正脉冲的同时，在T2和T4的基  极加负脉冲，这时T一和L导通．T2和T4截止，电流沿+90V-*。+T．-+d_M_b—L—a呻  OV的路径流通，设此时电机的转向为正向。反之，如果在三极管T，和L的基极加负脉冲，
在T2和L的基极加正脉冲，这时．T2和T4导通，T．和L截止，电流沿+90V-*。- T2叶b-÷M+d_ T4-地+ov的路径流通。电流的方向与前一种情况相反，电机反向旋转。显然．如果改变加到T．和L，T2和T．这两组管子基极上控制脉冲的正负和导通率6，，就可以改变电机的转向和转速。

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