第七章 数控机床伺服系统.ppt

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1、第七章第七章数控机床伺服系统数控机床伺服系统返回课件首页 第一节 概 述一、伺服系统的构成 数控伺服系统由伺服电动机、驱动信号控制转换电路、电力电子驱动放大模块、电流调解单元、速度调解单元、位置调解单元和相应的检测装置等组成。一般闭环伺服系统的结构如图71所示。知识一个三环结构系统，外环是位置环，中环是速度环，内环为电流环。二、伺服系统的分类 1.按控制原理分：（1）开环进给伺服控制（2）半闭环开环进给伺服控制（3）闭环开环进给伺服控制 2.按被控对象分：（1）进给伺服系统（2）主轴伺服系统 3.按使用的执行元件分：（1）电液伺服系统（2）电气伺服系统 1）直流伺服系统 2）交流伺服系统二、伺

2、服系统的分类 3.按反馈比较控制方式分：（1）脉冲、数字比较伺服系统 （2）相位比较系统 （3）幅值比较系统 （4）全数字伺服系统三、数控机床对伺服系统的要求 1.精度高 2.稳定性好 3.快速响应 4.调速范围 5.低速大转矩（一）开环和闭环伺服系统（一）开环和闭环伺服系统开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，它没有位置反馈回开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，它没有位置反馈回路和速度反馈回路，因此设备投资低，调试维修方便，但精度差，路和速度反馈回路，因此设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小，被用于中、低档数控机床及普通机床改造。如下图为高速扭矩小，被用于中、低档数控机床及普通机

3、床改造。如下图为开环伺服系统简图，步进电机转过的角度与指令脉冲个数成正比，开环伺服系统简图，步进电机转过的角度与指令脉冲个数成正比，其速度由进给脉冲的频率决定。其速度由进给脉冲的频率决定。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角一个脉冲信号，

4、它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为度，称为“步距角步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。达到调速的目的。闭环伺服系统又可进一步分为闭环和半闭环伺服系统。闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上，检测装置测出实际位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给CNC装置，与指令进行比

5、较，求得差值，依此构成闭环位置控制。闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在电动机轴上，用以精确控制电机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动部件，将角度转换成工作台的位移，为间接测量。即坐标运动的传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差没有得到系统的补偿，因而半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。目前在精度要求适中的中小型数控机床上，使用半闭环系统较多。（二）进给驱动与主轴驱动进给伺服系统包括速度控制环和位置控制环，用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需转矩。主轴伺服系统只是一个速度控制系统，控制机床主轴的

6、旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力，且保证任意转速的调节。进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。进给伺服系统的作用：接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。数控机床的进给伺服系统能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。如果把数控装置比作数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机构

7、，那么伺服系统就是数控机床的“四肢”，是执行“命令”的机构，它是一个不折不扣的跟随者。（三）直流伺服系统、交流伺服系统与直线电动机伺服系统直流伺服系统就是控制直流电机的系统。目前使用比较多的是永磁式直流伺服电机。永磁直流伺服电机（也称为大惯量宽调速直流伺服电机），调速范围宽，输出转矩大，过载能力强，而且电机转动惯量较大，应用较方便。但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格也高。进入80年代后，由于交流电机调速技术的突破，交流伺服驱动系统进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服电机，转子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修，制造简单，适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高

8、速度方向发展，其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统，交流伺服电机已在数控机床中得到广泛应用。直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的一种推力装置，是一种较为理想的驱动装置。在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的最大区别是取消了从电动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和优点由于直线电动机在机床中的应用目前还处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。随着各相关配套技术的发展和直线电动机制造工艺的完善，相信用直线电动机作进给驱动

9、的机床会得到广泛应用。线性直线电机磁悬浮列车一、步进电机工作原理一、步进电机工作原理步进电机主要用于开环伺服系统，由于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制。第二第二节节步进电机及其驱动装置步进电机及其驱动装置步进电机在结构上分为定子和转子两部分。有永磁式(PM,permanentmagnet),磁阻式(VR,variablereluctance),和混合式(HB,hybrid)等。三相反应式步进电机现以图所示的三相反应式步进电机为例加以说明。定子上有六个磁极，每个磁极上绕有励磁绕组，每相对的两个磁极组成一相，分成A、B、C三相。转子无绕组，它是由带齿

10、的铁心做成的。步进电机是按电磁吸引的原理进行工作的。当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极就依次产生磁场，并每次对转子的某一对齿产生电磁引力，将其吸引过来，而使转子一步步转动。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零。如果控制线路不停地按一定方向切换定子绕组各相电流，转子便按一定方向不停地转动。步进电机每次转过的角度称为步距角。三相反应式步进电机结构为进一步了解步进电机的工作原理，以下图为例来说明其转动的整个过程，假设转子上有四个齿，相邻两齿间夹角（齿距角）为90o。当A相通电时，转子1、3齿被磁极A产生的电磁引力吸引过去，使1、3齿与A相磁极对齐。接着B相通

11、电，A相断电，磁极B又把距它最近的一对齿2、4吸引过来，使转子按逆时针方向转动30o。然后C相通电，B相断电，转子又逆时针旋转30o，依次类推，定子按ABCA顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步转30o。若改变通电顺序，按ACBA使定子绕组通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转30o。这种控制方式叫三相单三拍方式，“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指每三次换接为一个循环。由于每次只有一相绕组通电，在切换瞬间将失去自锁转矩，容易失步，另外，只有一相绕组通电，易在平衡位置附近产生振荡，稳定性不佳，故实际应用中不采用单三拍工作方式。AABBCC1234AABBCC1234AA

12、BBCC1234逆时针转30逆时针转30逆时针转30采用三相双三拍控制方式，即通电顺序按ABBCCAAB（逆时针方向）或ACCBBAAC（顺时针方向）进行，其步距角仍为30。由于双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作比较稳定。如果按AABBBCCCAA顺序通电，即首先A相通电，然后A相不断电，B相再通电，即A、B两相同时通电，接着A相断电而B相保持通电状态，然后再使B、C两相通电，依次类推，每切换一次，步进电机逆时针转过15。如通电顺序改为AACCCBBBAA，则步进电机以步距角15顺时针旋转。这种控制方式为三相六拍，它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高

13、，且转换过程中始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被大量采用。实际应用的步进电机如图所示，转子铁心和定子磁极上均有齿距相等的小齿，且齿数要有一定比例的配合。式中步进电机的步距角；m电机相数；Z转子齿数；K系数，相邻两次通电相数相同，K1；相邻两次通电相数不同，K2。同一相数的步进电机可有两种步距角，通常为1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。步距误差是指步进电机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。连续走若干步时，上述步距误差的累积值称为步距的累积误差。由于步进电机转过一转后，将重复上一转的稳定位置，即步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复

14、出现。二、步进电机的主要性能指标二、步进电机的主要性能指标1.步距角和步距误差反应式步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下：2.静态转矩与矩角特性当步进电机上某相定子绕组通电之后，如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度，角度称为失调角。外加转矩与失调角的关系叫矩角特性，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（0）。最大静转矩AABBCC12343.最大启动转矩图为三相单三拍矩角特性曲线，图中的A、B分别是相邻A相和B相的静态矩角特性

15、曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电机的最大启动转矩Mq。如果外加负载转矩大于Mq，电机就不能启动。如图所示,当A相通电时，若外加负载转矩MaMq，对应的失调角为a，当励磁电流由A相切换到B相时，对应角，B相的静转矩为b。从图中看出MbMq,电机不能带动负载做步进运动，因而启动转矩是电机能带动负载转动的极限转矩。bABC图6-7步进电机的启动转矩MbMqMaMa4.启动频率空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作，可能发生丢步或堵转。步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载

16、要低。而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。f失步转矩引入转矩自启动转区保持转矩旋转转区，载旋转区T5.连续运行频率步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。6.矩频特性与动态转矩矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系，该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。当步进电机正常运行时，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。在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。当步进电机

17、转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。矩频特性fM三、三、开环控制步进式伺服系统的工作原理开环控制步进式伺服系统的工作原理1.工作台位移量的控制 数控装置发出N个脉冲，经驱动线路放大后，使步进电机定子绕组通电状态变化N次，如果一个脉冲使步进电机转过的角度为，则步进电机转过的角位移量N，再经减速齿轮、丝杠、螺母之后转变为工作台的位移量L，即进给脉冲数决定了工作台的直线位移量L。2.工作台进给速度的控制 数控装置发出的进给脉冲频率为f，经驱动控制线路，表现为控制步进电机定子绕组的通电、断电状

18、态的电平信号变化频率，定子绕组通电状态变化频率决定步进电机的转速，该转速经过减速齿轮及丝杠、螺母之后，体现为工作台的进给速度V，即进给脉冲的频率决定了工作台的进给速度。3.工作台运动方向的控制 改变步进电机输入脉冲信号的循环顺序方向，就可改变定子绕组中电流的通断循环顺序，从而使步进电机实现正转和反转，相应的工作台进给方向就被改变。一、小惯量直流伺服电动机一、小惯量直流伺服电动机二、直流主轴电动机三、晶闸管直流调速四、晶体管直流脉宽调速第三节第三节直流伺服控制直流伺服控制第四节 交流伺服系统一、数控机床用交流电机一、数控机床用交流电机在交流伺服系统中，按电机种类可分为同步型和异步型（感应电机）两

19、种。交流伺服同步电机有永磁式、磁阻式（反应式）、磁滞式、绕组磁极式等。数控机床进给伺服系统中多采用永磁式同步电机，同步电机的转速是由供电频率所决定的，即在电源电压和频率固定不变时，它的转速是稳定不变的。由变频电源供电给同步电机时，能方便地获得与频率成正比的可变速度，可以得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。交流主轴电机多采用交流异步电机，很少采用永磁同步电机，主要因为永磁同步电机的容量做得不够大，且电机成本较高。另外主轴驱动系统不象进给系统那样要求很高的性能，调速范围也不要太大。因此，采用异步电机完全可以满足数控机床主轴的要求，笼型异步电机多用在主轴驱动系统中。伺服电动机与驱动器伺服电动机与驱动器适合于各种加工中心的电主轴适合于各种加工中心的电主轴二、交流电机的速度控制二、交流电机的速度控制交流电机的调速据电机学知，交流异步电机的转速表达式为(r/min)式中f1定子电源频率（Hz）；p磁极对数；s转差率。根据上面公式，可知异步电机的调速方法，可以有变转差率、变极对数及变频三种。靠改变转差率对异步电机进行调速时，低速时转差率大，转差损耗功率也大，效率低。变极调速只能产生二种或三种转速，不可能做成无级调速，应用范围较窄。变频调速是从高速到低速都可以保持有限的转差率，故它具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，可以认为是一种理想的调速方法。交流同步电机的转速表达式为(r/min)