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项目驱动单元 12 直流伺服电动机及其速度控制

项目驱动单元 12 直流伺服电动机及其速度控制. 12.1 学习与实训目标. 1 ．通过学习掌握直流伺服电动机工作原理和特性。 2 ．通过学习掌握直流电动机的速度控制， PWM 的脉宽调制。 3 ．掌握 NNC-R1A 数控机床综合实验台 14 个模块与 CK0628S 车床连接。. 12. 3 任务驱动的相关知识. 任务学习 1 　直流主轴电动机的工作原理和特性. 主轴电动机. 主轴电动机应具备的 性能 : （ 1 ）电动机功率要大，且在大的调速范围内速度要稳定，恒功率调速范围宽。 （ 2 ）在断续负载下电动机转速波动要小。 （ 3 ）加速、减速时间短。

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项目驱动单元 12 直流伺服电动机及其速度控制

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  1. 项目驱动单元12 直流伺服电动机及其速度控制

  2. 12.1学习与实训目标 • 1．通过学习掌握直流伺服电动机工作原理和特性。 • 2．通过学习掌握直流电动机的速度控制，PWM的脉宽调制。 • 3．掌握NNC-R1A数控机床综合实验台14个模块与CK0628S车床连接。

  3. 12. 3任务驱动的相关知识 任务学习1　直流主轴电动机的工作原理和特性 主轴电动机 主轴电动机应具备的性能: （1）电动机功率要大，且在大的调速范围内速度要稳定，恒功率调速范围宽。 （2）在断续负载下电动机转速波动要小。 （3）加速、减速时间短。 （4）温升底，噪声和振动小，可靠性高，寿命长。 （5）电动机过载能力强。 直流主轴电动机与直流伺服电动机的主要区别

  4. 任务学习2　直流伺服电动机的工作原理与特性任务学习2　直流伺服电动机的工作原理与特性 1．伺服电动机 伺服电动机的性能 • 从低速到最高速，伺服电动机都能平滑运转，转矩波动要小，尤其在低速或更低速时，仍有平衡的速度而无爬行现象。 • 伺服电动机应具有较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。 • 为了满足快速响应的要求，伺服电动机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和起动电压。 • 伺服电动机应具有承受频繁起动、制动和正、反转能力。

  5. （1）直流伺服电动机 图12-1 直流伺服电动机的结构

  6. n 速度极限 nmax 加 无火花换向极限 速 瞬时换向极限 区别 连续 工作区 去磁极限 断续 工作区 O Tr T Tmax 发热极限 图12-2 大惯量直流伺服电动机的机械特性 ①小惯量直流伺服电动机 ②宽调速直流伺服电动机 • 能承受的峰值电流和过载能力高 • 具有大的力矩／惯量比，快速性好 • 低速时输出力矩大 • 调速范围大 • 转子热容量大

  7. 任务学习3　直流电动机的速度控制 驱动装置用来调节直流电动机的速度，一般它应该具有两部分功能——控制和驱动 。 1．晶闸管直流调速控制 （1）直流电动机的调速原理 图12-3 他励直流电动机的原理图

  8. n0 n n02 Φ2 △nN n01 Φ1 n2 n0N n0N ΦN n1 n01 nN nN UN n02 n1 U1 n2 U2 UN＞U1＞U2 ΦN＞Φ1＞Φ2 O O TN TN T T (a) 调压调速 (b) 调磁调速 图12-4 直流电动机调速机械特性. 他励直流电动机的调速方式： （1）改变电枢电压U； （2）改变励磁电流If以改变励磁磁通Φ； （3）改变电枢回路电阻Rd。

  9. （2）调速指标 一个调速系统的好坏，可用静态调速指标和动态调速指标来衡量。 静态调速指标要求电力拖动自动控制系统在最高和最低转速的范围内平滑地调节转速，并且要求在不同的转速下运行时，速度稳定。 ①调速范围 ②静差率

  10. 输入量 被控对象 （电动机） 控制量 输出量 控制器 图12-5 开环控制系统 输出量 控制量 + 偏差量 控制器 被控对象 － 反馈信号 测量元件 图12-6 闭环控制系统的构成 2．晶闸管—直流电动机调速系统 （1）晶闸管—直流电动机开环控制系统 （2）晶闸管—直流电动机闭环控制系统 所谓反馈（Feedback）即是将检测到的输出量送回到系统的输入端，并与输入信号相比较的过程。若反馈信号与输入信号相减，称之为负反馈（Negative feedback）；反之，若信号相加，称之为正反馈（Positive feedback, or regenerative feedback）。

  11. ++ L 放大器 触发器 Ia ++ ++ M ∆U UP α Uk Ud － － － KP Uf KS － ++ ++ TG UBR － 图12-7 晶闸管直流调速系统原理框图 （3）晶闸管—直流电动机调速系统 ①基本原理

  12. ～ = ～ UI UP － ＋ Ui = M Ud ASR ACR Uct － ＋ Uf TG 图12-8 转速、电流双闭环控制电路框图 ②控制电路

  13. 电流设定 ＋ 电流调节 电压反馈 放大 － ＋ ＋ 速度指令 M 速度调节 电流调节 驱动 － － TG 图12-9 直流主轴电动机控制系统框图 （4）直流主轴电动机的调压调磁控制 直流主轴电动机在恒转矩控制时为调压调速，在恒功率控制时为调磁调速，这就要求控制电路具有调压调磁的控制功能

  14. VCMD 200U GND 200V PRDY1 200W PRDY2 U 18A ENBL1 0T ENBL2 V CNC 系统 伺服单元 FANUC SCR－D 18B 伺服 变压器 ～ 380V VRDY1 TOH1 TOH2 VRDY2 W OVL1 R OVL2 S T A1 A1 A2 TSA M TSB 图12-10 FANUC主轴晶闸管驱动装置连接图 （4）直流主轴电动机的调压调磁控制 驱动装置具有多种自动保护线路，报警保护措施有： （1）一般过载保护 （2）过流保护 （3）失控保护

  15. 2．晶体管直流脉宽调制驱动装置 与晶闸管直流调速相比的优点： ①主电路所需的孤立元件少 ②控制线路简单 ③用工作于开关状态的晶体管放大器作为功率输出级，电路中的晶体管仅工作在两种状态，即饱和导通和截止状态。 ④晶体管的开关频率可以选得很高，仅靠电枢的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流 ⑤由于开关频率高，若与快速响应的电动机相配合，则系统可以获得很宽的频带，因此系统的快速响应好，动态抗负载干扰的能力强。

  16. + ub3 ub1 VT3 VT1 VD1 VD3 + B M C A － ub2 ub4 VD4 VD2 VT4 VT2 US － 图12-11 H型PWM系统功率转换电路 U US UaV 0 t1 T t －US 图12-12 电动机电枢电压波形图 （1）PWM系统功率转换电路 表12-1 双极式和单极式可逆PWM变换器的比较表

  17. ut 调制波 发生器 电源 ＋ uC 速度 调节器 电流 调节器 脉宽 调制器 逻辑延 时电路 ＋ M 功率 放大器 UP － － Uf 截流保护 电流负反馈 速度负反馈 PG 图12-13 转速电流双闭环PWM控制电路 （2）PWM系统的脉宽调制 电路中，速度调节器ASR和电流调节器ACR的作用与晶闸管控制电路中的ASR和ACR相同。截流保护的目的是防止电动机过载时流过功率晶体管或电枢电流过大。

  18. Ut U O t O t RF C2 方波发生器 三角波发生器 （产生三角载波） IC1:A LM324 IC1:B LM324 R3 R C1 Ut VD1 R1 R5 R4 Uo R2 VD2 O t R8 C3 输出PWM波 R9 UC R10 电流反馈值 US IC1:D LM324 R6 脉宽调制 IC1:C LM324 VD3 ia R11 R7 VD4 Ut＋U1 R12 U1 电流设定值 O t PI调节器 ①脉宽调制器

  19. Ut Ut Ut +Ut/2 t t O t O O T T T －Ut/2 UC UC UC t O O O t t Uc＋Ut Uc＋Ut Uc＋Ut t O O O t t Us Us Us O O O t t t (a) (b) (c) 图12-15 PWM脉宽调制波形图 ①脉宽调制器 比较器IC1-C的作用是把输入的三角波信号Ut和控制信号Uc相加输出脉宽调制方波

  20. + ub3 ub1 VT3 VT1 VD1 VD3 + B M C A － ub2 ub4 VD4 VD2 VT4 VT2 US － 图12-11 H型PWM系统功率转换电路 U US UaV 0 t1 T t －US 图12-12 电动机电枢电压波形图 ②逻辑延时电路 逻辑延时电路就是保证在向一个管子发出关断脉冲后，延时一段时间，再向另一个管子发出开通脉冲。

  21. （2）FANUC PWM直流进给驱动 图12-16 FANUC PWM直流进给驱动框图

  22. 项目驱动单元13 数控铣床系统的接线

  23. 13.1学习与实训目标 • 1．掌握交流伺服电动机的分类和特点。了解三相交流永磁同步电动机的结构。 • 2．掌握交流伺服系统的性能参数，交流伺服电动机的调速原理。 • 3．了解NNC-R2 数控铣床综合实验台的组成和电缆连接；掌握西门子802S baseline系统的构成，连接铣床综合实验台与XK160P 7个模块。

  24. 13. 3任务驱动的相关知识 任务学习1　交流伺服电动机的概述 1．交流伺服电动机的分类和特点 异步型交流伺服电动机 同步型交流伺服电动机

  25. n 连续 工作区 断续 工作区 O T 图13-2 交流伺服电动机机械特性曲线 2．交流伺服电动机的结构 数控机床用于进给驱动的交流伺服电动机大多采用三相交流永磁同步电动机。 图13-1 西门子1FT5三相交流永磁同步电动机的结构简图

  26. 驱动电源 位置检测信号 3 4 2 1 图13-3 直线电动机结构组成 交流伺服电动机的主要特性参数 （1）额定功率 （2）额定转矩 （3）额定转速 （4）瞬时最大转矩 （5）最高转速 （6）电动机转子惯量 随着直线电动机技术的发展，直线电动机有应用在进给驱动中的趋势。

  27. 3．交流主轴电动机 交流主轴电动机采用三相交流异步电动机。 图13-4 西门子1PH5交流主轴电动机 主轴驱动目前主要有两种形式：一是主轴电动机带齿轮换档变速，以增大传动比，放大主轴功率，满足切削加工的需要；二是主轴电动机通过同步齿形带驱动主轴，该类主轴电动机又称宽域电动机或强切削电动机，具有恒功率宽、调速比大等特点。

  28. R(t) R(t) A 0 t 0 t （a）阶跃输入 （b）斜坡输入 图13-5 典型输入信号 1．稳态性能：稳态性能就是指在到达新的稳态后，实际状态与期望状态之间的偏差程度 任务学习2　交流伺服系统的性能参数 影响稳定精度的因素:一是位置测量的误差;二是系统误差 （1）典型输入信号 ①位置阶跃输入 ②位置斜坡输入 ③扰动输入

  29. R(t) C(t) R(t) C(t) 1 2 2 1 Ce Ce 命令位置 Ci / 实际位置 Ci Ei t t te ta ti / te te (a)Ⅰ型系统 (b)Ⅱ型系统 图13-6 斜坡输入的响应曲线 1－位置命令输入曲线R(t) 2－实际运动位置曲线C(t) （2）稳态误差 由自动控制理论可知,一阶无差系统（也称Ⅰ型系统）对于位置阶跃给定输入的稳态误差为零，而对斜坡给定输入或扰动输入的稳态误差不等于零；而二阶无差系统（也Ⅱ称型系统）则对上述三种输入的稳态误差都等于零。

  30. 2．动态性能 动态就是控制系统从一个稳态向新的稳态转变的过度过程。 （1）对给定输入的跟随性能指标 ①上升时间tr ②调节时间ts ③调节量MP％ ④振荡次数N 图13-7 动态跟随过程曲线

  31. （2）对扰动输入的抗干扰性能指标 抗干扰性能是指：当系统的给定输入不变时，在受到阶跃扰动后，克服扰动的影响而自行恢复的能力。 ①最大动态速度Δnm ②恢复时间tP 图13-8 突加负载后转速的扰动响应曲线

  32. 3．伺服系统参数 数控机床伺服系统由位置环和速度环组成 ，位置环的参数调整可通过系统上的CRT/MDI 操作进行参数设置，由系统软件进行控制；速度环的参数调整可通过驱动装置上的调节电位器或参数设定来调整。 （1）增益调整 一般将KV＜20的伺服系统称为低增益或软伺服系统。而把KV＞20的伺服系统称为高增益或硬伺服系统。用于轮廓加工的连续控制应选用高增益系统，而低增益系统多用于点位控制。

  33. （2）调速范围 表13－1 SINUMERIK810系统伺服参数

  34. －CH1 JOG AXIS SERVICE DATA 1 Following error 2000 Absolute actual value 200000 Set value 20200 Set speed (VELO) 8192 Return value 20 Segment Value 24 Contour deviation 2 Status absolute submodul 0 0 OFL 图13-9 SINUMERIK 810伺服监控CRT显示

  35. 表13-2 SINUMERIK810伺服监控说明

  36. 伺服驱 动装置 CNC SM PG 图13-10 全数字式伺服系统 4．全数字式伺服系统 （1）全数字式伺服系统的构成 混合式伺服系统是位置环用软件控制，速度环和电流环用硬件控制。 在全数字式伺服系统中，CNC系统直接将插补运算得到的位置指令以数字信号的形式传送给伺服驱动装置，伺服驱动装置本身具有位置反馈和位置控制功能，独立完成位置控制。

  37. MELDAS 50 CNC SERVO 第1轴 至第2轴驱动单 元的CN1A端口 R S T CN1A CN1B MDS－SVJ2驱动单元 CN2 PE U V W Encoder （编码器） SM 3～ 图13-11 MELDAS 50 CNC全数字式伺服系统 CNC与伺服驱动之间通过通信联系，传递如下信息：（1）位置指令和实际位置；（2）速度指令和实际速度；（3）扭矩指令和实际扭矩；（4）伺服系统及伺服电动机参数；（5）伺服状态和报警；（6）控制方式命令。

  38. （2）全数字式伺服系统的特点 （1）系统的位置、速度和电流的校正环节PID控制由软件实现。 （2）具有较高的动、静态特性。 （3）引入前馈控制，实际上构成了具有反馈和前馈的复合控制的系统结构。 （4）由于全数字式伺服系统采用总线通信方式，可极大地减少联接电缆，便于机床安装和维护，提高了系统可靠性。

  39. 数字式交流伺服系统和模拟式交流伺服的对比 数字式交流伺服可作速度、力矩和位置控制，可接受模拟电压指令信号和脉冲指令，并自带位置环，具有丰富的自诊断、报警功能。根据不同类型的数字式交流伺服系统，各种控制参数有以下方法以数字方式设定：①通过驱动装置上的显器和设置按键进行设定；②通过驱动装置上的通信接口和上位机通信进行设定；③通过可分离式编码器和驱动装置上的接口进行设定。 由数字式交流伺服系统发展而来的软件交流伺服系统是将各种控制方式（如速度、力矩和位置等）和不同规格、不同功率伺服电动机的数据分别赋以软件代码全部存入机内，使用时由用户设定软件代码，相关的一系列数据即自动进入工作，改变工作方式或更换电动机规格只需重设代码。

  40. U1 Φm 恒转矩调速 恒功率调速 弱磁通运行 恒磁通运行 U1N U1 ΦmN Φm=(f1N/f1 )ΦmN f 0 f1 图13-12 交流电机变频调速特性曲线 1．交流调速的基本概念 任务学习3　交流伺服电动机的调速原理 改变电动机的转速的方式： （1）改变磁极对数p； （2）改变转差率s； （3）改变频率f1。在数控制机床中，交流电动机的调速采用变频调速的方式。 2．变频调速的控制方式 （1）基频以下调速 （2）基频以上调速

  41. 项目驱动单元14 变频器的使用实训

  42. 14.1学习与实训目标 • 1．通过学习使学生掌握变频技术以及变频器的功用。 • 2．掌握SPWM变频器的优点，了解三相SPWM脉宽调制，矢量变换的SPWM变频器。通用变频器的结构组成及标准接线。 • 3．通过实训学会变频器的基本操作。

  43. 14. 3任务驱动的相关知识 任务学习1　变频调速的基本控制方法 1．交流变频调速技术 变频技术：简单地说就是把直流电逆变成不同频率的交流电，或是把交流电变成直流电再逆变成不同频率的交流电，或是把直流电变成交流电再把交流电变成直流电。总之，电能不发生变化，而只有频率的变化。 数控机床上应用最多的是变频调速。变频调速的主要环节是能为交流电动机提供变频电源的变频器。 变频器的功用是，将频率固定（电网频率为50HZ）的交流电，变换成频率连续可调（0~400HZ）的交流电。

  44. 交流 交流 交流 交流 直流 变 频 器 整 流 器 滤波 器 逆变 器 M M 3～ 3～ （a）交－交变频器 （b）交－直－交变频器 图14-1 两种类型的变频器 变频器可分为交—直—交变频器和交—交变频器两大类 表14-2 交—交变频器与交—直—交变频器的主要特点比较

  45. Ut U O t O t RF C2 方波发生器 三角波发生器 （产生三角载波） IC1:A LM324 IC1:B LM324 3 R3 R 5 - - 2 C1 Ut + 1 6 + 7 VD1 R1 R5 R4 Ut U1 R2 VD2 IC1:C LM324 O t U0 R7 9 8 - R6 + ～ 10 U1 VD3 VD4 图14-2 双极性SPWM波调制原理图（一相） U0 US/2 t O －US/2 数控机床上一般采用交—直—交型的正弦波脉宽调制（SPWM）变频器和矢量变换控制的（SPWM）调速系统。 2．SPWM脉宽调制 （1）一相SPWM调制波的产生

  46. C A B VT1 VT3 VT5 VD9 VD1 VD2 VD7 VD3 U1 Ut VD11 Ut（调制波） ～ u0c u0a u0b SPWM U1（调制波） C1 VT4 VD10 VT6 VD12 O VT2 VD4 VD5 VD6 VD8 t u0b u0a u0c Ud 图14-5 双极性SPWM通用型功率放大回路 等效正弦波 O t 图14-3 单极性SPWM波调制波形图（一相） （1）一相SPWM调制波的产生

  47. ua ＋ SPWMa 三相正弦基准 信号a、b、c （预期频率f1） u0a ub ＋ － u0b 驱动T1～T6 SPWMb ＋ uc － SPWMc u0c － ut 控制信号 三角波发生器 图14-4 三相SPWM控制电路原理框图 （2）三相SPWM波的调制 在三相SPWM调制中，三角调制波是共用的，而每一相有一个输入正弦信号和一个SPWM调制器。输入的ua、ub、uc信号是相位相差120°的正弦交流信号，其幅值和频率都是可调的。

  48. C A B VT1 VT3 VT5 VD9 VD1 VD2 VD7 VD3 VD11 ～ u0c u0a u0b SPWM C1 VT4 VD10 VT6 VD12 VT2 VD4 VD5 VD6 VD8 u0b u0a u0c 图14-5 双极性SPWM通用型功率放大回路 （3）SPWM变频器的功率放大

  49. 3．通用变频器 “通用”包含两方面的含义（一）可以和通用的异步电动机配套应用；（二）具有多种可供选择的功能，可适应各种不同性质的负载。 （1）通用变频器的结构 根据功率的大小，有书本型结构和装柜型结构 图14-6 通用变频器的外形和结构

  50. （2）变频器的原理框图和接线 图14-7 变频器原理框图

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