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数控系统伺服电机控制

2010-11-11 11:05
瑾年Invader
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  近年来,伺服电机控制技术正朝着交流化、数字化、智能化三个方向发展。作为数控机床的执行机构,伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体,并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步,经历了从步进到直流,进而到交流的发展历程。本文对其技术现状及发展趋势作简要探讨。

  一、数控机床伺服系统

  (一)开环伺服系统。开环伺服系统不设检测反馈装置,不构成运动反馈控制回路,电动机按数控装置发出的指令脉冲工作,对运动误差没有检测反馈和处理修正过程,采用步进电机作为驱动器件,机床的位置精度完全取决于步进电动机的步距角精度和机械部分的传动精度,难以达到比较高精度要求。步进电动机的转速不可能很高,运动部件的速度受到限制。但步进电机结构简单、可靠性高、成本低,且其控制电路也简单。所以开环控制系统多用于精度和速度要求不高的经济型数控机床。

  (二)全闭环伺服系统。闭环伺服系统主要由比较环节、伺服驱动放大器,进给伺服电动机、机械传动装置和直线位移测量装置组成。对机床运动部件的移动量具有检测与反馈修正功能,采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动部件。可以采用直接安装在工作台的光栅或感应同步器作为位置检测器件,来构成高精度的全闭环位置控制系统。系统的直线位移检测器安装在移动部件上,其精度主要取决于位移检测装置的精度和灵敏度,其产生的加工精度比较高。但机械传动装置的刚度、摩擦阻尼特性、反向间隙等各种非线性因素,对系统稳定性有很大影响,使闭环进给伺服系统安装调试比较复杂。因此只是用在高精度和大型数控机床上。

  (三)半闭环伺服系统。半闭环伺服系统的工作原理与全闭环伺服系统相同,同样采用伺服电动机作为驱动部件,可以采用内装于电机内的脉冲编码器,无刷旋转变压器或测速发电机作为位置/ 速度检测器件来构成半闭环位置控制系统,其系统的反馈信号取自电机轴或丝杆上,进给系统中的机械传动装置处于反馈回路之外,其刚度等非线性因素对系统稳定性没有影响,安装调试比较方便。机床的定位精度与机械传动装置的精度有关,而数控装置都有螺距误差补偿和间隙补偿等项功能,在传动装置精度不太高的情况下,可以利用补偿功能将加工精度提高到满意的程度。故半闭环伺服系统在数控机床中应用很广。

  二、伺服电机控制性能优越

  (一)低频特性好。步进电机易出现低速时低频振动现象。交流伺服电机不会出现此现象,运转非常平稳,交流伺服系统具有共振抑制功能,可涵盖机械的刚性不足,并且系统内部具有频率解析机能,可检测出机械的共振点,便于系统调整。

  (二)控制精度高。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。例如松下全数字式交流伺服电机,对于带17位编码器的电机而言,驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈,即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。

  (三)过载能力强。步进电机不具有过载能力,为了克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩,选型时需要选取额定转矩比负载转矩大很多的电机,造成了力矩浪费的现象。而交流伺服电机具有较强的过载能力,例如松下交流伺服系统中的伺服电机的最大转矩达到额定转矩的三倍,可用于克服启动瞬间的惯性力矩。

  (四)速度响应快。步进电机从静止加速到额定转速需要200~400毫秒。交流伺服系统的速度响应较快,例如松下MSMA 400W交流伺服电机,从静止加速到其额定转速仅需几毫秒。

 

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