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閉環(huán)伺服系統(tǒng)1

日期：2010年12月07　來源：沈陽機(jī)床　關(guān)鍵字：數(shù)控機(jī)床
    閉環(huán)伺服系統(tǒng)具有工作可靠、抗干擾性強(qiáng)以及伺服精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中常常采用閉環(huán)伺服系統(tǒng)。由于閉環(huán)伺服系統(tǒng)相比開環(huán)伺服系統(tǒng)而言增加了位置檢測、反饋、比較等環(huán)節(jié)，因此它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)試、使用與維護(hù)也相對更困難些。
1閉環(huán)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件
執(zhí)行元件是伺服系統(tǒng)的重要組成部分，它的作用是把驅(qū)動線路的電信號轉(zhuǎn)換力機(jī)械運(yùn)動，整個(gè)伺服系統(tǒng)的調(diào)速性能、動態(tài)特性，運(yùn)行精度等均與執(zhí)行元件有關(guān)。通常伺服系統(tǒng)對執(zhí)行元件有如下要求：
•負(fù)載特性硬，即使在低速時(shí)也應(yīng)有足夠的負(fù)載能力。
•調(diào)速范圍寬且具有良好舯穩(wěn)定性，尤其是低速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和均勻性。
•盡可能減少電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，以提高系統(tǒng)的快速動態(tài)響應(yīng)。
•能夠頻繁啟停及換向。
目前，在數(shù)控機(jī)床上廣泛應(yīng)用的有直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。
  (1)直流伺服電機(jī)
直流電機(jī)容易進(jìn)行調(diào)速，他勵(lì)直流電機(jī)又具有較硬的機(jī)械特性，因而數(shù)控伺服系統(tǒng)中早有使用。但由于數(shù)控機(jī)床的特殊要求，一般的直流電機(jī)不能滿足要求，因而，目前在進(jìn)給伺服系統(tǒng)中使用的大都是大功率直流伺服電機(jī)，如小慣量電機(jī)和寬調(diào)速電機(jī)等。各種直流伺服
電機(jī)的基本工作原理與一般他勵(lì)直流電機(jī)相同，由于結(jié)構(gòu)上不斷改進(jìn)，因而其特性提高較快。
1)小慣量直流伺服電機(jī)
小慣量電機(jī)與一般直流電機(jī)的區(qū)別在于其轉(zhuǎn)子為光滑無槽的鐵心，用絕緣黏合劑直接把線圈黏在鐵心表面上，且轉(zhuǎn)子長而直徑小，氣隙尺寸比一般直流電機(jī)大10倍以上，輸出功率一般在幾十瓦到iOkW內(nèi)，主要用于要求快速動作、功率較大的系統(tǒng)。一般小慣量直流伺服電機(jī)具有以下特點(diǎn)：
•轉(zhuǎn)動慣量小，約為一般直流電機(jī)的I/10。
•由于氣隙大，電樞反應(yīng)較小，具有良好的換向性能，機(jī)電時(shí)間常數(shù)（X稱L械時(shí)l間常數(shù)，為電機(jī)動態(tài)特性的一個(gè)重要參數(shù)，定義為當(dāng)施加一個(gè)階躍電壓時(shí)，電機(jī)電樞達(dá)到整個(gè)速度63 2%時(shí)所需的時(shí)間）只有幾個(gè)毫秒。
•由于轉(zhuǎn)子無槽，大大減低r低速時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的波動和不穩(wěn)定性，保證了低速運(yùn)行的穩(wěn)定性和均勻性，在轉(zhuǎn)速低達(dá)iOr/min時(shí)無爬行現(xiàn)象。
•熱時(shí)間常數(shù)較小，容許過載的持續(xù)時(shí)間不能太長。
小慣量直流伺服電動機(jī)由于具有較小的轉(zhuǎn)動慣量，適合要求有快速響應(yīng)的伺服系統(tǒng)，但其過載能力低，電樞慣量與機(jī)械傳動系統(tǒng)匹配較差。
2)寬調(diào)速直流伺服電機(jī)
卟慣量電aL是以減少電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量來提高電機(jī)的快速性，而寬調(diào)速直流伺服電機(jī)則是在維持一般直流電機(jī)較大轉(zhuǎn)動慣量的前提下，以盡量提高轉(zhuǎn)矩的方法來改善其動態(tài)特性的，又稱為大慣量寬調(diào)速直流伺服電機(jī)或大慣量直流電機(jī)。它既有普通直流電機(jī)的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，又具有小慣量電機(jī)的快速響應(yīng)性能，即較好地輸出轉(zhuǎn)矩／慣量的比值，易與機(jī)床慣量匹配，因而得到廣泛的應(yīng)用。寬調(diào)速直流伺服電機(jī)還可同時(shí)在電機(jī)內(nèi)裝上測速發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、編碼盤等檢測裝置及制動裝置。
寬調(diào)速直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式與一般直流電機(jī)相似，其接激磁方法不同可分為電激磁和永久磁鐵激磁兩種，目前幾乎都用永磁式電樞控制。它具有以下特點(diǎn)：
•轉(zhuǎn)矩大。數(shù)控機(jī)床在相同的轉(zhuǎn)子外徑和電樞電流的情況下，由于其設(shè)計(jì)的力矩系數(shù)較大，所以產(chǎn)生的力矩也較大，從而使電機(jī)的加速性能和響應(yīng)特性都有顯著的提高，在低速時(shí)輸出較大的力矩，可以不經(jīng)減速齒輪而直接去驅(qū)動絲杠，從而避免由于齒輪傳動所產(chǎn)生的噪聲，振動及齒隙造成的誤差。
•調(diào)速范圍寬。它采用增加槽數(shù)和換向片數(shù)，齒槽分度均勻，極弧寬度與齒槽配合合理以及斜槽等措施，減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩的波動，提高低轉(zhuǎn)動的精度，從而大大地?cái)U(kuò)大了調(diào)速范圍。它不但在低速時(shí)提供足夠的轉(zhuǎn)短，在高速時(shí)，也能提供所需的功率。
•動態(tài)響應(yīng)好。由于定子采用了矯頑力很高的鐵氧體永磁材料，在電機(jī)電流過載10倍的情況下也不會被去磁，這就大大提高了電機(jī)瞬時(shí)加速轉(zhuǎn)矩，改善了動態(tài)響應(yīng)性能。
•過載能力強(qiáng)。由于采用了高級的絕緣材料，轉(zhuǎn)子的慣性又不大，允許過載轉(zhuǎn)矩達(dá)5 -,10倍。數(shù)控機(jī)床而且在密閉的自然空冷條件下可以長時(shí)間地超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。
•易于調(diào)試。由于電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量接近于普通電機(jī)，外界負(fù)載慣量對伺服系統(tǒng)的影響較小，在調(diào)試中可以不加負(fù)載預(yù)調(diào)，聯(lián)機(jī)時(shí)再作少量調(diào)整即可。
3)直流伺服電機(jī)的速度調(diào)節(jié)
直流伺服電機(jī)的調(diào)整方法主要是調(diào)整電機(jī)電樞電壓。一般直流速度控制單兀多采用品閘管（即晶閘管SCR）調(diào)速系統(tǒng)和晶體管脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)速系統(tǒng)。由于PWM調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)于晶閘管調(diào)速系統(tǒng)，目前廣泛采取方法是晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速。數(shù)控機(jī)床相比而言，PWM調(diào)速系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：
•頻帶寬。晶體管的“結(jié)電容”小，截止頻率高于晶閘管，因此可允許系統(tǒng)有較高的工作頻率，PWM系統(tǒng)的開關(guān)工作頻率多為2kHz或5kHz，遠(yuǎn)大于SCR系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的快速響應(yīng)好，能給出極快的定位速度和很高的定位精度，適合于啟動頻繁的場合。
•電機(jī)脈動小。輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，對低速加工有利。
•電源的功率因數(shù)高。
•動態(tài)硬度好，系統(tǒng)具有良好的線性。
脈寬調(diào)制器的基本工作原理是：利用脈寬調(diào)制器對大功率晶體管的開關(guān)放大器的開關(guān)時(shí)間進(jìn)行控制，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，加到直流電機(jī)的電樞上。通過對方渡脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。PWM—M系統(tǒng)的工作原理圖。假設(shè)圖5-30a中的開關(guān)S周期地閉合、斷開，開和關(guān)的周期是r。數(shù)控機(jī)床在—個(gè)周期內(nèi)，閉臺的時(shí)間為f，斷開的時(shí)間為T—t。若外加電源的電壓U是常數(shù)，則電源加到電機(jī)電樞上的電壓波形將是一個(gè)方波列，其高度為U，寬度為t。
當(dāng)r不變時(shí)，只要連續(xù)地改變r(jià)(0~r)，就可使電樞電壓的平均值（即直流分量U）由O連續(xù)變化至U，從而連續(xù)地改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。實(shí)際的PWM—M系統(tǒng)用大功率三極管代替開關(guān)S。其開關(guān)頻率是2 000Hz，即r=1/2000=0. 5ms。
二極管是續(xù)流二極管，當(dāng)K斷開時(shí)，由于電樞電感￡a的存在，電機(jī)的電樞電流J口可通過它形成回路而流通。
電路只能實(shí)現(xiàn)電機(jī)單方向的速度調(diào)節(jié)。為使電機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向調(diào)速，必須采用橋式電路。  大功率三極管T．~L組成電橋。數(shù)控機(jī)床如果在T，和T，的基極加正脈沖的同時(shí)，在T2和T4的基  極加負(fù)脈沖，這時(shí)T一和L導(dǎo)通．T2和T4截止，電流沿+90V-*。+T．-+d_M_b—L—a呻  OV的路徑流通，設(shè)此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)向?yàn)檎�向。反之，如果在三極管T，和L的基極加負(fù)脈沖，
在T2和L的基極加正脈沖，這時(shí)．T2和T4導(dǎo)通，T．和L截止，電流沿+90V-*。- T2葉b-÷M+d_ T4-地+ov的路徑流通。電流的方向與前一種情況相反，電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。顯然．如果改變加到T．和L，T2和T．這兩組管子基極上控制脈沖的正負(fù)和導(dǎo)通率6，，就可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。

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