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系列
伺服单元型号
PDC06
PDC12
PDC20
PDC30
PDC40
适用电机功率KW
0.2
0.4
0.8
1.1
1.4
2.5
3.5
额定扭矩NM
1.0
2.7
5.4
11.8
17.6
34.3
44.1
最大扭矩NM
6.0
23
47
94
154
309
330
额定转速rpm
2000
1500
1000
连续电流A
6
12
20
31
30
45
转动惯量kgmχ10
伺服变压器输入电源
三相380V+10%,-15%50HZ+/-2HZ
主电路
智能功率模块
控制方式
PWM
调制频率
10KHZ
性
能
频带宽度
600rad/s
调速范围
1:
10000
速度指令电压
7V/1000rpm
检测元件
编码器或测速机
保护功能
电机过载、电流过大、短路、欠压、电压过高、反馈断线、放电等
环境
温度:
0---55度相对湿度:
95%以下
(1).PDC系列直流伺服系统的构成。
PDC系列直流伺服系统主要由以下三部分构成:
a.伺服变压器,b.伺服放大器,c.直流永磁伺服电机,如下图所示:
1R、S、T:
来自伺服变压器副边的三相交流输入电源,供伺服单元主回路用,其电压及容量根据伺服电机功率而定,详见下表。
电机功率
200W
400W
800W
1.1KW
1.5KW
2.5KW
3.5KW
RST
三相
AC60V
AC90V
AC120V
AC165V
2220A、220B:
来自伺服变压器的原边单相交流输入电源1φAC220V±
10%。
供伺服单元内部接触器线圈之用。
3U、V:
伺服单元直流输出驱动电源,与电机相连。
请注意相序。
418A、CT、18B:
伺服单元内部控制电路用电源,由伺服变压器提供。
18A、18B之间应为AC36V,CT为18A、18B之间的公共抽头。
(2)连接器CN1信号说明(MR—20LM)
1VCMD:
速度指令信号,DC0~±
10V。
2GND:
控制回路接地信号。
3SG:
屏蔽接地信号。
4ENBL1、ENBL2:
伺服单元使能信号,触点型,当此信号接通时,使PWM输出电路工作。
5SON1、SON2:
伺服上电信号,触点型,若伺服无报警,当此信号接通时,伺服强电电路接通,伺服处于工作状态。
6VRDY1、VRDY2:
伺服准备好信号、触点型,当伺服无报警,处于正常工作状态时,则伺服单元输出此信号。
7A、A*、B、B*、Z、Z*:
伺服单元输出到外部的脉冲反馈信号,TTL电平。
供CNC等上位机显示或计数之用。
8P15:
输出到外部的+15V控制电源,最大50mA.
9N15:
输出到外部的-15V控制电源,最大50mA.
(3).连接CN2信号说明(MR—20LF)
1PCA、PCA*、PCB、PCB*、PCZ、PCZ*:
来自脉冲编码器的脉冲反馈信号,TTL电平。
2MOH1、MOH2:
电机过热信号,触点型,常闭。
当伺服电机由于长时间过载运行,其温度超过正常值时,此触点断开。
3+5V:
输出到脉冲编码器的+5VDC工作电压。
4OV:
检测元件与伺服单元控制回路的公共点。
系统的结构及工作原理4.4.1交流伺服电机
与直流电机相比,交流电机具有免维护,低损耗,体积小的特点,在现代控制领域逐步取代直流伺服电机,开始广泛地应用在各个控制领域。
以应用广泛的FANUC伺服系统为例,FANUC从80年代开始逐步引用交流伺服电机,目前主要是交流Alpha电机、Beita电机,经过更新,性能上得到提高,体积更小,特别是Alpha系列电机采用了磁性更强的材料,反馈使用高速高精度的串行位置编码器,可以适用于各种不同的丝杠,并且具有标准系列、小惯量系列、中惯量系列、经济型的AC系列和高压(380V)的HV系列。
(1)交流伺服电机的结构
目前,在控制领域中所采用的交流伺服电机称为永磁同步电机,(无刷直流电机),主要有三部分组成:
定子,转子和检测元件。
其定子与普通的交流感应电机基本相同,其转子有多极的磁钢,定子冲片和轴组成,检测元件由安装在电机尾端的位置编码器构成,目前Alpha系列电机的编码器是串行脉冲编码器,由于电机的磁场必须和转子的磁极位置垂直,所以电机的位置反馈要能把电机的磁场位置反馈给伺服系统,用于产生交流伺服电机的磁场矢量控制
交流伺服电机的工作原理与电磁式同步电机类似,只不过磁场不是由激磁绕组产生,而是由作为转子的永久磁铁产生,当定子三相绕组通上交流电源后,电机中就产生一个旋转的磁场,该磁场将以同步转速Ns旋转,根据电机原理定子的旋转磁场总是要和转子的旋转磁极相互吸引,并带着转子一同旋转,使定子磁场的轴心线与转子磁场的轴心线保持一致,形成电机的同步转距。
一旦有与负载的转距变化就会造成磁场的轴线和转子的轴线发生变化,但总是不超过一定的限度,所以电机的速度就会以Ns=60f/p
由于电机的转子惯量、定子和转子之间的转速差等因素的影响,经常会造成电机起动时的失步,为了保证定子和转子之间保持同步,在FANUC电机的后面的编码器都增加了4位格林码绝对位置编码器用于确定转子位置。
(见图3.4)
电机结构图
1电机轴2.前端盖3.三相绕组线圈4.压板5.定子6.磁钢7.后压板
8.动力线接头9.后端盖10.反馈插头11.脉冲编码器12.电机后盖
图3.4
4.4.2.交流伺服控制器原理
(1)位置环的控制原理
位置环作为数控系统的主要控制之一,决定着系统进行位置控制性能的优劣。
位置环作为伺服系统的外环以位置指令作为控制对象。
在FANUC-0C系统中,位置环控制系统是在系统内部来完成的。
为了提高系统的集成度和可靠性,FANUC采用了大规模集成电路芯片,每一个控制轴一片。
该芯片功能强大,包括了插补器、位置误差计数器、D/A转换器、参考计数器、螺距误差补偿、反向间隙补偿、增益计算、脉冲编码器鉴相器、用于感应同步器的鉴相和正弦余弦发生器电路等。
(见图3.5)
图3.5
图中简要描述了位置控制的基本结构,其中包括了位置控制芯片LSI的部分内容。
首先系统的位置指令通过总线给LSI的插补器,插补器产生一系列的指令脉冲,该指令脉冲经过CMR乘积后输出到位置误差寄存器中。
而电机反馈的脉冲编码器经过方向鉴别电路以后也处理成一系列脉冲,该脉冲经过检测倍乘比例系数以后,也输出到位置误差寄存器中。
该位置误差寄存器为一双向计数器,该寄存器用于积分计算,当指令与反馈的差增大时,该寄存器的数值增大;
当指令与反馈的差减小,该寄存器的数值减小。
寄存器的差值与环增益的乘积即为速度环的速度指令。
该指令经过D/A转换后,作为速度控制单元的速度指令模拟信号(VCMD)。
而实际上位置环的处理中包括了丝杠反向间隙和螺距误差补偿信号。
在该位置LSI中也包括了用于栅格回零的参考计数器控制电路,该电路用于确定坐标的机械零点。
在位置环控制中最关键的部分是误差寄存器,该寄存器的值会反映系统的指令和电机的运行情况,该值的大小可以通过系统的诊断来观察。
因为该寄存器的输出为速度环的指令,所以该值决定了电机的速度。
除了位置控制的电路外,PRDY伺服准备信号,VRDY伺服准备完成信号和ENBL用于系统监测和控制速度控制单元的状态,当系统电源打开后,系统在伺服的初始化过程中会发出PRDY信号,速度控制单元如工作正常则会发回一个VRDY。
一旦没有接收到VRDY,则系统就会发生ALM401报警。
(2)模拟交流速度控制单元
交流速度控制单元包括了伺服控制的电流环和速度环的双环控制系统,它将位置环发出的VCMD指令经过运算和放大后驱动三相变频桥组,从而产生与电机转子相对应的交流旋转磁场,该旋转磁场使电机的转子产生旋转转距,下图为速度控制单元的基本结构。
(见图3.6)
在框图中,可以大致分为两部分,其中上半部分为速度单元,下半部分为速度控制单元的动力变频部分。
在控制部分中最主要是由速度误差放大器、R/S相的电流指令发生电路、三相R/S/T电流环的调节电路。
PWM脉宽调制电路、三极管的各相的隔离驱动电路以及编码器鉴相电路和三角波发生器电路组成。
控制部分中,速度指令VCMD和速度反馈信号TSA都输入到误差放大器当中,经过误差放大器的补偿后产生控制电机的电流(转矩)指令,由于交流伺服电机要根据转子的位置产生交流的旋转磁场,所以转子位置检测电路根据位置编码器来的信号(C1—C8)和PCA、PCB产生R/T相的电流指令,该电流指令在和电机的动力线的R/T相电流的反馈信号相减后输出到电流环的调节器(电流指令),该部分即输出了三相的电流指令,该指令经过三角波调制后产生了用于驱动六个三极管的PWM脉冲信号,该信号在经过隔离后用于驱动(A—F)。
动力变频部分为功率的主要回路,该部分主要由交流整流回路、变频回路和保护电路组成,整流回路将三相交流电源整流成直流电源,变频回路利用驱动信号PWMA-F将直流电逆变成交流电源用于驱动交流电机。
(3)交流数字伺服系统
随着自动控制领域的技术发展,特别是微电子和电力技术的不断更新。
伺服控制系统从早期的模拟控制逐步发展到全数字控制系统。
并随着伺服系统硬件的软件化,其整个伺服的控制过程通过建立控制模型、算法、系统编程来实现数字化,使其控制性能有了更多的提高。
驱动元件从早期的可控硅、GTR、IGBT发展到目前的智能型功率器件IPM。
在模拟交流伺服系统中,位置控制部分是由大规模集成电路LSI完成,而伺服控制的速度、电流和驱动是由速度控制单元来完成。
在全数字的伺服系统中,速度环和电流环都是由单片机控制,FANUC的系统设计将该部分电路设计在系统内部。
作为系统控制的一部分,通常叫做轴卡(AXESCARD),该部分实现了位置,速度和电流的控制,最终将被三角波调制后的PWM信号输出到伺服放大器。
下图为轴卡的控制框图,原来模拟伺服系统的交流伺服单元变成了简单的功率放大器。
图3.7
图3.8
交流数字伺服系统与模拟伺服系统,控制原理都是相同的。
所不同的是两者实现的结构有极大的区别:
第一,伺服数字化以后,使原来伺服控制的三环控制全部由系统部分来完成,伺服放大器变成了伺服功率放大器。
第二,系统侧的伺服控制部分(轴卡)是一个子CPU系统,采用了高速DSP处理芯片,具有高速高精度的运算能力。
第三,由于伺服系统的软件化,使伺服系统能够完成模拟系统所不能完成的非线性补偿和高速加工的一些特殊功能,提高了系统的自适应能力。
第四,由于伺服系统的数字化,使伺服系统的各相关量都可以通过总线送到系统侧,进行诊断,例如:
伺服单元的位置误差和速度偏差都可以指导调试人员进行伺服系统的优化。
4.4.3交流伺服的应用
以FANUC-0iB与Alpha系列伺服的连接为例,数控系统的伺服卡FSSB通过光缆与伺服模块联系起来:
通过光缆传递指令信号、控制信号和接收位置反馈和状态信号。
这种连接最多可连接到四个轴。
形式如下:
交流伺服系统的电气连接:
整个系统包括:
PSM电源模块、SPM主轴模块、SVM2进给伺服模块。
PSM模块的作用是产生控制电压和直流母线电压,200R/200S端连接200V交流电源,为整个伺服系统的控制电路提供电压,控制电路工作正常后,接触器接通,三相200V交流电通入PSM模块,经过整流产生300V直流电。
SPM和SVM2模块根据数控指令,将PSM提供的直流电逆变成满足速度要求的交流电,驱动伺服电机。
4.5检测系统
4.5.1脉冲编码器:
脉冲编码器也叫光电编码器,是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
这是目前在机床上应用最多的传感器,根据它产生脉冲方式的不同,可分为增量式、绝对式以及混合式三种。
增量式旋转编码器的测量基准是玻璃径向圆光栅,明暗相间的线条构成增量信号轨道,参考标记在另一条轨道上,扫描光栅(也称作指示光栅)有五个区域,其中一个区域用于参考信号(也称每转信号)
这个信号用于机床的返参。
其余四个区域用于检测,它们在相位上相互间隔四分之一光栅周期,这样的目的是为了进行旋转方向的判别。
LED光源发出的光线经过聚光透镜变成准直光线,透过扫描板、光栅盘,当光栅盘转动时,光信号被调制,光强被硅光电池检测。
绝对式旋转编码器的最细轨道上也有四个增量信号扫描板,扫描板上这四个区域相互间的相位差为四分之一光栅周期,其它圈是通过自然二进制或循环二进制编码的形式对每一个角度进行编码。
它的特点是:
①可以直接读出角度坐标的绝对值;
②没有累积误差;
③电源切除后位置信息不会丢失。
但是分辨率是由二进制的位数来决定的,也就是说精度取决于位数,所以使用绝对编码器的机床,通电后一般不需返参就可进行自动操作。
混合式绝对值编码器,它输出两组信息:
一组信息用于检测交流伺服电机转子的磁极位置,带有绝对信息功能;
另一组则完全同增量式编码器的输出信息。
4.5.2直线光栅尺
直线光栅尺包括铝合金外壳、密封条、光源、指示光栅、标尺光栅、光电池。
在数控机床的位置检测上,直接检测了直线轴的实际位置及位置变化,构成全闭环系统位置的检测,不存在反向间隙、丝杠螺距等误差。
光栅的种类很多,在玻璃的表面上制成透明与不透明间隔相等的线纹,称作透射光栅;
在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的线纹,称作反射光栅;
也可把线纹做成具有一定衍射角度的定向光栅;
从编码上又分为绝对测量和增量测量。
绝对测量方法的光栅尺的刻线可以是系列编码,也可以是几条并列的不同刻线周期的增量刻道;
增量式测量标尺的刻线采用等距的条纹,为了能够确定位置信息,标尺上还带有参考标记刻道,标尺的绝对位置由参考标记来确定。
(1)光栅的信号:
光栅尺是按照光电扫描原理来工作的,由于光电扫描不存在接触,所以不会磨损标尺、指示光栅的刻线,条纹的周期决定了测量的精度,但是,条纹周期越精细,衍射现象对光电扫描的影响就越大,考虑到这个因素,在光栅周期为10μm至40μm时采用影像测量原理;
光栅周期为4μm的很精细的刻线光栅采用干涉测量原理。
(2)影像测量的原理:
光栅尺的标尺光栅和指示光栅具有相同的刻线周期,光栅的载体材料是透明的。
如果平行光束通过一个光栅,则在一定区域内投影成明暗区,当两个光栅相对运动时,则通过的光线被调制:
如果空隙重叠,则光线通过,如果刻线位于空隙上,则是阴影。
光电元件将这些光强变换成正弦的电信号。
原理图
4.6主轴驱动的工作原理及结构
4.6.1数控机床对主轴驱动的要求。
数控机床对主轴要求在很宽的范围内连续可调,恒功率范围宽。
当要求机床有加工螺纹功能、准停和恒线速加工时,就对主轴提出了相应的进给控制和位置控制的要求,此时主轴驱动也可称为主轴伺服系统,相应的主轴电机装配有编码器作为主轴位置检测,另一种方法是在主轴上直接安装外置式编码器,通过外置编码器检测主轴的位置。
由于数控机床的高自动化及高精度,对主运动提出了更高的要求。
(1)转速高,功率大:
数控机床对工件能完成大切削用量的粗加工及高速旋转下的精加工。
粗加工时,扭矩大;
精加工时,转速高。
(2)变速范围宽,且能实现无级变速:
满足不同的加工要求,就要有不同的加工速度。
由于数控机床的加工通常在自动的情况下进行,尽量减少人的参与,因而要求能够实现无级变速。
(3)能够实现恒切削速度加工:
在加工端面时,为了保证端面稳定的加工质量,要求工件端面的各部位能保持恒定的线切削速度。
随着加工的进行,通过调节主轴的转速N使得保持恒定的线切削速度。
(4)主传动链尽可能短:
传动链越短,则累积误差越小。
(5)实现刀具的快速或自动装卸:
主运动是刀具旋转运动的数控机床,由于机床可以进行多工序加工,工序变换是时刀具也要更换,因此要求能够自动换刀。
(6)能够实现主轴定向或C轴功能:
主轴定向控制是将主轴准确停在某一固定位置上,以便在该处进行换刀动作或进行镗孔的退刀,现在一般采用电气方式使主轴定向,即利用装在主轴上的位置编码器或磁性传感器作为位置反馈元件,由它们输出的信号使主轴准确定位在规定位置上。
位置的调整可以通过改变磁性检测元件的位置或调整相应的机床参数。
C轴功能是指主轴具备位置控制功能能够进行插补的编程,例如立式加工中心Z和C轴联动实现刚性攻丝。
4.6.2主轴系统的电气控制方案:
目前,数控机床的主轴控制主要有以下三种控制:
(1)普通异步电机的接触器控制,电气上可实现正反转的控制,由于外部提供的交流电源为50HZ,电机在电气上无法调速,只能通过改变主传动机械的传动比来改变主轴的转速,这种速度调节是不连续的,而且只能获得有限的几种速度,这种方案实现的是有级调速,有的早期的数控机床和简易数控车床改造使用这种控制方案。
(2)变频器控制异步电机的方案:
根据交流电机的转速公式:
其中:
n为电机转速,单位为rpm;
f为供给电机电源的频率,单位Hz;
p为电机的极对数。
因为通过改变电机极对数调速,选择速度级数受到限制,而且须改变电机的连接,所以很少使用;
而使用广泛的是利用变频器改变电机的电源频率进行的调速,变频器能够实现对频率的连续调节,所以可以称为无级调速,变频器通过改变输出的三相交流电源的相序来改变电机的转向。
但是,交流电机不带速度检测元件,不能构成速度反馈,属于开环的速度控制系统;
电机旋转时存在转差,负载越大,转差越大,电机的实际速度与数控系统发出的指令速度存在误差。
变频器是一个智能化的独立式的控制单元,其功能是将电网提供的恒压恒频交流电,变换为变压变频的交流电,常用的是间接(交--直--交)变压变频装置。
其原理是先将工频交流电通过整流器变成直流电,再经过逆变器将直流电变换成可控频率的交流电。
变频器作为主轴电机控制部件,需要接收数控系统的控制指令,控制指令包括速度指令和方向控制指令。
速度指令是一个模拟量指令,一般需要的是一个单极性电压0~10V或0~5V之间的电压,电压值与主轴速度指令成正比;
方向控制是开关量指令,一般使用数控的PLC输出来控制。
下图是西门子MICROMASTER420型变频器作为主轴控制时的连接图
图中L/N端连接的交流电源;
AIN+/AIN-是速度指令输入端,这两端与数控系统的速度指令输出端连接;
DIN1/DIN2/24V是方向控制端,当DIN1与24V接通时为电机正转指令,当DIN2与24V接通时为电机反转指令,正/反转是通过继电器的触点来控制的;
报警输出连接到数控系统,反映变频器的工作状态。
(3)主轴伺服系统控制主轴伺服电机,因为它引入了速度反馈,这种控制方案实现的是速度的闭环控制。
和进给伺服系统一样主轴伺服系统也分为直流主轴伺服系统和交流伺服系统。
1直流伺服主轴系统:
早期的数控机床主轴伺服控制采用直流伺服系统,它有以下特点:
a调速范围宽。
采用直流主轴驱动系统的数控机床通常只设置高、低两级速度的机械变速机构,电动机的转速由主轴驱动器控制,实现无级变速,因此,它必须具有较宽的调速范围。
b直流主轴驱动器主回路一般采用晶闸管三相全波整流,以实现四象限的运行。
c主轴控制性能好。
为了便于与数控系统的配合,主轴伺服器一般都带有D/A转换器、“使能”信号输入、“准备好”输出、速度/转矩显示输出等信号接口。
d为了增大电机的转速范围,额定转速以下,励磁电压恒定,调节电枢电压调速,电机工作在恒转矩状态;
超过额定转速,电枢电压恒定,降低励磁电压调速,电机工作在恒功率状态。
由于直流主轴电机存在机械换向,尤其是大功率的主轴单元和主轴电机的情况下,电机的工作电流大,维护不当容易在电刷和换向器之间产生环火、电弧。
损坏电机和驱动单元,也给其他设备带来干扰,所以直流伺服主轴已被交流伺服主轴取代。
2交流伺服主轴驱动系统:
系统由主轴驱动单元、主轴电动机和检测主轴速度与位置的旋转编码器3部分组成,主要完成闭环速度控制,但当主轴准停时则完成闭环位置控制。
由于数控机床的主轴驱动功率较大,所以主轴电动机采用鼠笼式感应电动机结构形式,旋转编码器可以在主轴外安装,也可以与主轴电动机做成一个整体,主轴驱动单元的闭环控制、矢量运算均由内部的高速信号处理器及控制系统实现,其原理框图如图1所示。
图中CNC系统向主轴驱动单元发出速度指令,驱动单元将该指令与旋转编码器测出的实际速度相比较,经数字化的速度调节器和磁链函数发生器运算,得到转子当前的希望力矩与希望磁链矢量再分别与实际力矩、磁链运算结果相比较,且经过力矩、磁链调节器运算得到等效直流电动机(两相旋转轴系)的转矩电流分量和励磁电流分量,变换进入两相静止轴系,最后经2/3矢量变换进入三相静止轴系,得到变频装置的三相定子电流希望值,通过控制SPWM驱动器及IGBT变频主回路使负载三相电流跟随希望值,就可以完成主轴的速度闭环控制
以S系列FANUC主轴单元为例讲解主轴单元的基本配置及连接。
1)S系列主轴单元伺服系统的基本配置
下图为S系列主轴单元伺服系统的连接方法。
图3.11
其中K1为从变压器副边输出的AC200V的三相电源电缆,应接到主轴伺服单元的R、S、T和G端,K2为从主轴单元的U、V、W和G端输出到电动机的动力线,应与接线盒内的指示相符。
K3为主轴伺服单元的端子T上的R0、S0和T0输出到主轴风扇电动机的动力线,应使风扇向外排风。
K4为主轴电动机的编码器反馈电缆,其中PA、PB、RA、,RB用作速度反馈信号,OH1、OH2为电动机的温控开关接点,SS为屏蔽线。
K5为从NC和PMC输出到主轴伺服单元的控制信号电缆,接到主轴伺服单元的50芯插座CN1,其中的信号含义请见主轴信号一览表。
K6为从主轴伺服单元的20芯插座CN3
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