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3)驱动器功放级直接220V交流输入,直流电压可达325V,因此高速运转时仍然具有较高的转矩输出。
4)具有短路、过压、欠压、过热等完善的保护功能。
从总体趋势来看,步进驱动终将被交流伺服系统所取代,但目前步进驱动以其较低的价格优势仍然占有一定的市场份额。
(二)直流伺服驱动系统
直流伺服系统从70年代到80年代中期在数控机床上占据了主导地位,大惯量直流电动机具有良好的宽调速特性,其输出扭矩大,过载能力强。
由于电动机自身惯量较大,与机床传动部件的惯量相当,因此,所构成的闭环系统在电动机安装到机床上之前调整好后,在机床上几乎不需再做什么调整,使用十分方便。
此类电动机大多配有可控硅全控或半控桥SCR-D调速装置。
为适用一部分数控机床(如钻床、冲床等)频繁起动、制动及快速定位的要求,又发展了直流中小惯量伺服电动机以及大功率晶体管脉宽调制(PWM)驱动装置。
因此,在一段时期内,直流伺服系统以其优良的调速性能广泛应用于数控机床的进给驱动以及其他工业控制之中。
(三)交流伺服驱动系统
由于直流伺服电动机使用机械(碳刷、整流子)换向,因此它存在许多缺点。
而直流伺服电动机优良的调速特性正是利用机械换向得到的,因而这些缺点是无法克服的。
多年来,人们一直在试图使用交流电动机代替直流电动机,其困难在于交流电动机很难达到直流电动机那样满意的调速性能。
进入80年代以后,由于交流伺服电动机的材料、结构以及控制理论与方法均有了突破性进展,微电子技术和功率半导体器件的发展又为其控制方法的实现创造了条件,使得交流驱动装置发展很快,目前已逐渐取代直流伺服电动机。
交流伺服电动机比直流伺服电动机最大的优点在于不需要维护,制造简单,适合于在恶劣环境下工作。
目前,国外交流伺服系统已实现了全数字化,也就是说在伺服系统中,除了驱动级外,全部功能均由微处理器完成,前馈控制、各种补偿、最优控制、自学功能等均可高速实时的实现,因此,其性能更加优异,已达到或超过直流伺服系统。
应用于进给驱动的交流伺服电动机有交流同步电动机与鼠笼式感应异步电动机两大类。
由于数控机床进给驱动的功率一般不大(一般在数百至数千瓦),加之鼠笼式感应电动机调速指标一般不如交流同步电动机,因此大多数进给伺服系统采用的是交流同步电动机。
目前常见应用于数控机床上的交流伺服驱动装置主要有如下三类:
1)由晶体管(GTR)或其他元件(如IGBT等)作为驱动器件组成的变频器供电,采用交流永磁同步电动机,由微处理器数字运算实现控制算法。
2)采用矢量变换控制算法控制交流感应异步电动机。
3)无换向器直流电动机。
它实际上采用具有位置检测的交流同步电动机,使用晶体管或其他驱动器件和位置检测器完成电子换向,代替了直流电动机的电刷和机械整流器,由变频装置供电。
三、驱动系统的工作特性曲线
(一)步进驱动系统工作特性曲线
步进驱动系统工作特性主要取决于步进电动机,如图4-1所示为90BF001型步进电动机的矩频特性曲线。
可见,当步进电动机正常运行时,若输入脉冲频率逐渐增加,则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。
在设计步进驱动系统工作频率点的过程中必须考虑这种变化因素,否则可能会因步进电动机运行过程中的失步而造成数控机床的加工精度下降。
图4-190BF001型步进电动机矩频特性曲线
(二)直流伺服驱动系统工作特性曲线
由于伺服系统的要求,直流伺服电动机的性能已不能简单的用电压、电流、转速等参数来描述,而需要用一些特性曲线和参数表来全面描述。
下面以FANUCBESK15直流伺服电动机为例,介绍其特性曲线。
如图4-2所示,直流伺服电动机的工作区被分为三个区域:
连续工作区内转矩转速的任意组合都可长期连续工作;
间断工作区内电动机可根据负载周期曲线所决定的允许工作时间与断电时间作间歇工作;
瞬时加减速区电动机只能在加减速时工作于其中,即只能在该区域中工作极短的一段时间。
图4-2FB15直流伺服电动机工作曲线
Ⅰ—连续工作区Ⅱ—间断工作区Ⅲ—瞬时加减速区
(三)交流伺服驱动系统工作特性曲线
图4-3为日本安川YASKAWAG系列某交流伺服电动机的工作曲线。
图4-3安川G系列某交流伺服电动机工作曲线
在连续工作区,任何转速与转矩的组合都可长时间连续运行。
交流永磁伺服电动机的机械特性比直流伺服电动机更好,断续工作区范围更大。
该电动机主要参数如下:
1.电动机的功率(1.8KW)电动机长时间连续运行所能输出的最大功率,其大约为额定转速与额定转矩的乘积。
2.额定转矩(11.5N.m)电动机在额定转速下所能输出的长时间工作转矩。
3.额定转速(1500r/min)由额定功率和额定转矩决定,通常在额定转速以上工作时,随着转速的升高,电动机所能输出的长时间工作转矩要下降。
4.瞬时最大转矩(28N.m)电动机所能输出的瞬时最大转矩。
5.最大转速(3000r/min)。
FANUCOMD数控系统配套交流伺服电动机αC系列在国内目前被广泛采用。
下表4-1为αC系列电动机主要参数。
图4-4为其工作曲线图。
表4-1FANUCαC系列交流电动机参数
电动机型号
3/2000
6/2000
12/2000
输出功率(kW)
逆转转矩(N.m)
最高转速(r/min)
转动惯量(kgm2)
重量(kg)
检测器分辨率
保护等级
0.3
3
2000
0.0014
8
0.6
6
0.0026
13
8192脉冲/转
IP55
1.0
12
0.0062
18
注:
保护等级表明防护方式的等级。
如IP00为敞开型,IP22为封闭型,IP33为防滴漏保护,IP55为防水型。
图4-4FANUCαC系列交流电动机工作曲线
第二节开环系统进给运动控制
一、开环系统控制原理
以下结合图1-11介绍开环系统控制的基本工作原理。
1.工作台位移量的控制──数控装置发出的N个进给脉冲,经驱动线路放大后,变换成步进电动机定子绕组通电/断电的电流变化次数N,使步进电动机定子绕组的通电状态改变了N次,因而也就决定了步进电动机的角位移量ψ,然后再经减速齿轮、丝杠、螺母之后转变为工作台的位移量L。
可见,这种对应关系可表示为:
进给脉冲的数量N→定子绕组通电状态变化次数N→步进电动机转子角位移ψ→机床工作台位移量L。
据此可很快推得开环系统的脉冲当量(一个进给脉冲对应的工作台位移量)δ为
(mm/脉冲)(4-1)
式中θ──步进电动机步距角(度);
h──滚珠丝杠螺距(mm);
i──减速齿轮的减速比。
需要指出的是,增设减速齿轮一方面可调整速度,另一方面可放大力矩,降低电机功率。
(mm/min)(4-2)
2.工作台进给速度控制──系统中进给脉冲频率f经驱动放大后就转化为步进电动机定子绕组通电/断电状态变化的频率,因而就决定了步进电动机转子的转速ω,该ω经减速齿轮、丝杠、螺母之后,体现为工作台的进给速度V。
进给脉冲频率f→定子绕组通电/断电状态的变化频率f→步进电动机转速ω→工作台的进给速度V。
据此可获得开环系统进给速度V为:
式中f──输入到步进电动机的脉冲频率(pps)。
3.工作台运动方向的控制──改变步进电动机输入脉冲信号的循环顺序方向,就可改变步进电动机定子绕组中电流的通断循环顺序,从而使步进电动机实现正转和反转,相应的工作台进给方向就被改变。
综上所述,在步进电动机驱动的开环数控系统中,输入的进给脉冲数量、频率、方向经驱动控制线路和步进电动机后,可以转换为工作台的位移量、进给速度和进给方向,从而满足了数控系统对位移控制的要求。
由于步进电动机是开环数控进给系统中的一个极其重要的环节,下面分几个部分对其显著特点、速度控制和自动升降速方法等进行详细介绍。
二、步进电动机的选择
(一)步进电动机的特点
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的控制电动机。
利用它可以组成一个简单实用的全数字化伺服系统,并且不需要反馈环节,所以在开环数控系统中获得了极其成功的应用。
概括起来它具有如下特点:
1)送给步进电动机定子绕组一个电流脉冲,其转子就转过了一个角度,并称之为步距角θ。
2)有脉冲就走,无脉冲则停。
3)脉冲数增加,角位移随之增加。
4)脉冲频率越高,电动机转速越高;
反之则低。
5)脉冲频率变化太快,会引起失步或过冲。
6)改变分配脉冲的相序就可改变电动机旋转方向。
7)步进电动机运行状态是步进形式,故称之为步进电动机。
8)定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式,故也称之为脉冲电动机。
9)输出转角精度较高,并且一般只有相邻误差,但无积累误差。
(二)步进电动机的分类
步进电动机种类繁多,其分类方式也很多。
例如按其运动方式可分为旋转运动式、直线运动式、平面运动式和滚切运动式步进电动机;
按其力矩产生的原理可分为反应式(磁阻式)、永磁式、永磁感应式(混合式)步进电动机;
按其输出力矩大小可分为伺服式和功率式步进电动机;
按其结构可分为单段式(径向式)、多段式(轴向式)和印刷绕组式步进电动机;
按其相数可分为二相、三相、四相、五相、六相等步进电动机;
按其使用频率可分为高频步进电动机和低频步进电动机等。
但下面主要简单介绍一下反应式步进电动机、永磁式步进电动机和混合式步进电动机的主要特点及应用情况。
1.反应式步进电动机
由于反应式步进电动机制造简单,价格便宜,在我国的应用相当广泛,这些系列主要有:
110BF02、110BF03、130BF5、150BF5、160BF5等等。
步进电动机在结构上也分为定子和转子两部分,其中定子又可分为定子铁芯和定子绕组,定子铁芯由电工硅钢片叠压而成,定子绕组是绕在定子铁芯上均匀分布的齿上线圈,并且将直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起,构成一相控制绕组。
这样当某一相绕组通入激磁电流时,就在这对齿上形成NS磁极,根据电磁作用原理这对定子和转子的小齿一一对齐,而其他磁极下定子和转子的小齿却要分别错开一定的角度。
接着当该相绕组断电,并让相邻绕组充电激磁后,通过磁场的作用将驱动转子转过一定角度,使通电相对应的定子磁极与转子的齿对齐。
然后周而复始一直进行下去,就会获得一个旋转磁场,使电动机带动负载运行起来。
关于反应式步进电动机的显著特点主要体现在如下几个方面:
1)控制十分方便。
2)气隙小。
从制造工艺方面考虑,气隙大一些为好,但从电动机电性能方面考虑,要求气隙小一些。
一般气隙处在30~50μm范围。
3)步距角小。
由于定子和转子均采用软磁材料制成,加工容易,所以转子齿数可以做得多一些。
4)励磁电流大,要求驱动电源功率也较大,因此效率较低。
5)电动机内部阻尼较小,当相数较少时,单步运行振荡时间较长。
6)带惯性负载能力差,尤其在高频时容易失步。
7)断电后无定位转矩。
2.永磁式步进电动机
永磁式步进电动机的转子或定子的某一方具有永久磁钢,另一方用软磁材料制成。
例如某步进电动机转子是由充过磁的永久磁钢制成,定子由硅钢片叠成,且有三对绕组,这样当定子绕组中轮流连续通电后,建立的电磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用而产生转矩,带动转子旋动起来。
关于永磁式步进电动机的显著特点主要体现在如下几个方面:
1)步距角大。
由于一个圆周上所能形成的磁极数受到极弧尺寸的限制,不能太多,所以它的步距角不能太小。
一般为15º
、22.5º
、30º
、45º
、90º
等。
2)控制功率小,效率高。
3)内阻尼较大,单步振荡时间短。
4)断电后具有一定的定位转矩,这对需要锁定的场合十分有用。
3.永磁反应式步进电动机
从某种程度上讲,永磁反应式步进电动机是反应式步进电动机和永磁式步进电动机两者的结合。
由于它的磁路内含有永久磁钢,从这一点上看像是永磁式步进电动机;
另一方面由于它的定子和转子中含有软磁材料,从这一点上看像是反应式步进电动机,所以通常也称之为混合式步进电动机。
但是,由于永磁反应式步进电动机结构的不同,使其作用原理与性能和永磁式、反应式步进电动机有着明显的区别。
关于永磁反应式步进电动机主要具有如下显著特点:
1)控制功率小,效率高。
2)齿距角小。
当用于数控系统中时可减小脉冲当量,从而提高了系统精度。
3)运行频率高(几十kHz)。
4)在相同输出转矩情况下,外径相对较小。
5)断电后具有一定的锁定力矩。
6)永磁易失磁,则会有振荡点和失步区。
可见,从其性能方面来看,它综合了反应式步进电动机和永磁式步进电动机两者的优点,更适合应用于数控系统中。
因此,近年来国内外在这方面发展很迅速,大有取代反应式步进电动机的趋势,只是目前价格稍贵一些。
(三)步进电动机选择
步进电动机是开环进给系统中主要执行元件,其性能直接影响着数控系统的性能。
因此,在设计和制造步进系统时要充分重视它的特性,合理地选择步进电动机。
有关步进电动机的性能指标和参数很多,而与数控系统进给驱动有关的性能指标主要包括步距角、步距误差、最大静态转矩、空载起动频率、最高连续运行频率、起动矩频特性、运行矩频特性等等。
关于这些指标的详细定义在相应课程中已经介绍,这里也不再重复,而下面主要介绍一下步进电动机的选择。
选择步进电动机时必须在满足系统指标的前提下,综合考虑各方面的因素,进行折衷选择才行。
下面将介绍几个主要参数的选择方法。
1.步距角(θ)的选择
(4-3)
式中θ──步进电动机步距角(度);
δ──开环数控系统的脉冲当量(mm/脉冲);
i──减速齿轮的减速比;
h──滚珠丝杠的螺距(mm)。
通常情况下,首先根据负载性质、最高进给速度等条件选定步进电动机类型。
然后根据系统精度、数据处理的字长、机床行程等确定δ和机械传动系统的一些参数如h等。
当初步选定的θ、δ和h三个参数仍满足不了式(4-3)的约束时,最后还要在步进电动机轴与丝杠之间增设齿轮来减速,以达到互相协调的目的。
2.最大静态转矩(
)的选择
如图4-5所示某进给系统中,电动机负载主要由切削力F和工作台运动时的摩擦力组成,从而求得负载力矩
为:
图4-5 步进电动机进给传动示意图
(4-4)
式中F──进给方向上的切削力(N);
G──工件和工作台总重量(kg);
μ──导轨摩擦系数;
η──包括齿轮和丝杆在内的传动系统总效率;
i──减速比(>
1);
h──丝杆螺距(mm)。
然后依下式去选择步进电动机的最大静态转矩
:
≤(0.2~0.4)
(4-5)
对于式(4-5)中系数的选择,当步进电动机相数较多,突跳频率要求不高时取较大的系数值;
反之取较小的系数值。
3.起动频率(
由于步进电动机带负载起动时,其起动频率会降低,所以首先应计算电动机轴上的等效负载惯量
如下:
(4-6)
式中J1、J2──齿轮的转动惯量(N.m.s2);
J3──丝杆的转动惯量(N.m.s2);
δ──脉冲当量(mm/脉冲);
然后,根据机床所要求的起动频率
按下式来选择
之值:
(4-7)
式中J──电动机转子转动惯量(N.m.s2);
M──起动频率下,由矩频特性曲线确定的力矩(N.m)。
由于式(4-7)中M与
之间为非线性关系,所以只能采用试奏方法结合曲线近似处理完成。
另外,当机床的有关参数不易确定时,也可按下式近似选取:
(4-8)
4.最高连续运行频率(
根据机床工作台的最高运行速度,按式(4-2)即可选取
的大小。
三、步进驱动系统与数控装置的信号连接
如图4-6所示为步进驱动系统与数控装置的典型连接框图。
由于步进驱动无位置反馈回路,因此连接比较简单。
图4-6步进驱动系统与数控装置的典型连接图
如图4-7所示为某公司步进驱动器与数控装置之间信号接口电路,图中CP+/CP-为脉冲控制信号,DIR+/DIR-为方向控制信号,GAT+/GAT-为使能控制信号,RDY1/RDY2为驱动输出至数控装置的报警信号(继电器触点)。
三相细分驱动通常还有二组拨码开关用于选择输出相电流和电动机的细分步数。
图4-7步进驱动器与数控装置之间信号接口电路
a)输入信号 b)输出信号
四、步进电动机控制
(一)步进电动机驱动电路
步进电动机驱动电路完成由弱电到强电的转换和放大,也就是将逻辑电平信号变换成电动机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号。
可见,驱动电路性能的好坏极大程度上决定了电动机潜力是否充分发挥,如图4-8所示为步进电动机控制框图。
图4-8步进电动机控制电路
一般情况下,步进电动机对驱动电路的要求主要包括如下几个方面:
1)能提供幅值足够,前后沿较好的激磁电流;
2)本身功耗小,变换效率高;
3)能长时间稳定可靠运行;
4)成本低且易于维护。
目前,涌现出的步进电动机驱动电路形式主要有如下一些:
1)串电阻型基本驱动电路;
2)高低电压双电源型驱动电路;
3)单电源恒流斩波型驱动电路;
4)高低压双电源恒流斩波驱动电路;
5)调频调压驱动电路;
6)细分控制驱动电路。
(二)脉冲分配
如图4-9所示的脉冲分配环节完成步进电动机绕组中电流通断顺序控制。
在数控系统中,脉冲分配器是将插补输出脉冲,按步进电动机所要求的规律分配给步进电动机驱动电路的各相输入端,用以控制绕组中电流的开通和关断。
同时由于电动机有正反转要求,所以脉冲分配器的输出既是周期性的,又是可逆的,因此,也可称之为环形分配器。
图4-9三相六拍脉冲分配器
脉冲分配方法有硬件和软件两种形式,而其中硬件脉冲分配形式又可分为触发器法和专用集成电路法。
软件脉冲分配形式又分查表法、比较法、移位法等。
一般来讲,硬件分配法速度较快,但缺乏灵活性,而软件分配法方便灵活,但要占用时间资源。
现以三相六拍步进电动机为例来说明脉冲分配的方法,并且正转时分配脉冲顺序为:
A→AB→B→BC→C→CA→A→…,反转时分配脉冲顺序为:
A→AC→C→CB→B→BA→A→…。
1.硬件脉冲分配
早期设计硬件脉冲分配电路时都是根据其真值表或逻辑关系式采用逻辑门电路和触发器来实现的。
如图4-9所示,当X=“1”,每来一个脉冲(CP)则电动机正转一步;
当X=“0”时,每来一个脉冲(CP)则电动机反转一步。
其逻辑关系式表达如下:
(4-18a)
(4-18b)
(4-18c)
还可以采用专用集成芯片进行环分,如上海无线电十四厂生产的CH250就是为三相步进电动机设计的环配芯片,采用CMOS工艺集成,可靠性高。
它可工作于单三拍、双三拍、三相六拍等方式。
如图4-10所示为三相六拍的接线图。
步进电动机的初始励磁状态为AB相,当进给脉冲CP的上升沿有效,并且方向信号为“1”则正转,为“0”则反转。
图4-10CH250实现的三相六拍脉冲分配电路
对于不同种类、不同相数、不同分配方式的步进电动机都必须重新设计不同的硬件分配电路或选用不同集成芯片,显然有些不方便。
2.软件脉冲分配
随着计算机在步进电动机控制方面的应用,人们开始使用软件方法实现脉冲分配,下面介绍一种比较常用的查表法。
查表法的基本思路是:
结合电动机的驱动电路,按步进电动机励磁状态转换表求出脉冲分配器输出状态字组成的状态表,并将其存入EPROM中,然后根据步进电动机运转方向按表地址正向或反向地取出单元中状态字进行输出,即可控制步进电动机正向或反向地旋转起来。
表4-2三相步进电动机脉冲分配表
现假设计算机并行接口PAO、PA1、PA2分别与步进电动机的A、B、C三相对应,且EPROM表格首地址为2000H,则可以写出脉冲分配见表4-2。
序号
C
B
A
存储单元
方向
PA2
PA1
PA0
地址
内容
1
2
4
5
2000H
2001H
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