第五章 数控机床的进给伺服系统.ppt

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1、第五章第五章 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统 内容提要内容提要 进给伺服系统的软件硬件结构；进给伺服系统的软件硬件结构；进给伺服系统的软件硬件结构；进给伺服系统的软件硬件结构；进给伺服系统基本功能的原理及实现方法。进给伺服系统基本功能的原理及实现方法。进给伺服系统基本功能的原理及实现方法。进给伺服系统基本功能的原理及实现方法。1 进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说果说CNC装置是数控系统的装置是数控系统的“大脑大脑”，是发布，是发布“命令命令”的的“指挥所指挥所”，那么进给伺服系统则，那么进给伺服系统则是数控系统的是数控系统的“四肢四

2、肢”，是一种，是一种“执行机构执行机构”。它忠实地执行由它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。量。2第一节第一节 概述概述一、进给伺服系统的定义及组成一、进给伺服系统的定义及组成1.定义定义 进给伺服系统进给伺服系统(Feed Servo System)以移动部件的以移动部件的位置位置和和速度速度作为控制量的作为控制量的自动控制系统。自动控制系统。3 组组成成：位位置置控控制制单单元元；速速度度控控制制单单元元；驱驱动动元件元件(电机电机)；检测与反馈单元；机械执行部件。；检测与反馈单

3、元；机械执行部件。实际实际速度速度反馈反馈位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令+-电机4二、二、NC机床对数控进给伺服系统的要求机床对数控进给伺服系统的要求1.调速范围要宽且要有良好的稳定性调速范围要宽且要有良好的稳定性 调速范围调速范围：一般要求一般要求：稳定性稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要。52.2.输出位置精度要高输出位置精度要高 静态：静态：静态：静态：定位精度和重复定位精度要高，即定定位精度和重复定位精度要高，即定定位精度和重复定位精度要高，即定定位精度和重复定位精度要高，即定位误差和重复

4、定位误差要小。位误差和重复定位误差要小。位误差和重复定位误差要小。位误差和重复定位误差要小。(尺寸精度尺寸精度尺寸精度尺寸精度)动态：动态：动态：动态：跟随精度，这是动态性能指标，用跟跟随精度，这是动态性能指标，用跟跟随精度，这是动态性能指标，用跟跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误差表示。随误差表示。随误差表示。随误差表示。(轮廓精度轮廓精度轮廓精度轮廓精度)灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度要高，有足够高的分辩率要高，有足够高的分辩率要高，有足够高的分辩率要高，有足够高的分辩率。6 负载特性要硬负载特性要硬 当负载变化时，输出速当负载变化时，输出速度应基本不变，即度应基本不变，即F尽尽可能小；可能小

5、；当负载突变时，要求速当负载突变时，要求速度的恢复时间短且无振荡，度的恢复时间短且无振荡，即即t尽可能短；尽可能短；应有足够的过载能力。应有足够的过载能力。即，要求伺服系统有良即，要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。好的静态与动态刚度。t F t F7响应速度快且无超调响应速度快且无超调 这是对伺服系统动态这是对伺服系统动态性能的要求，即在性能的要求，即在无超调无超调的前提下，执行部件的运的前提下，执行部件的运动速度的建立时间动速度的建立时间 t p 应尽应尽可能短。可能短。通常要求从通常要求从 0F max（F max0），），其时间应小其时间应小于于200ms，且不能有超调，且不能有超调，

6、否则对机械部件不利，有否则对机械部件不利，有害于加工质量。害于加工质量。t F tp8综上所述综上所述：对伺服系统的要求包括静态静态和动态动态特性两方面；对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更严。5.能可逆运行和频繁灵活启停。6.系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。9第第二二节节 进给伺服驱动系统进给伺服驱动系统一一、概述、概述 1.1.进给伺服驱动系统进给伺服驱动系统进给伺服驱动系统进给伺服驱动系统由进给伺服系统中的由进给伺服系统中的由进给伺服系统中的由进给伺服系统中的 驱动驱动驱动驱动电电电电机机机机及其及其及其及其控制和驱动装置控制和驱动装置控制和驱动装置控制和驱动装置组成。组成。组

7、成。组成。2.2.驱动电机驱动电机驱动电机驱动电机是进给系统的动力部件，它提供执行是进给系统的动力部件，它提供执行是进给系统的动力部件，它提供执行是进给系统的动力部件，它提供执行部分运动所需的动力，在数控机床上常用的电部分运动所需的动力，在数控机床上常用的电部分运动所需的动力，在数控机床上常用的电部分运动所需的动力，在数控机床上常用的电机有：机有：机有：机有：qq步进电机步进电机步进电机步进电机 qq直流伺服电机直流伺服电机直流伺服电机直流伺服电机qq交流伺服电机交流伺服电机交流伺服电机交流伺服电机qq直线电机直线电机直线电机直线电机 103.速度单元是上述驱动电机及其控制和驱动装置速度单元是

8、上述驱动电机及其控制和驱动装置，通通常驱动电机与速度控制单元是相互配套供应的，常驱动电机与速度控制单元是相互配套供应的，其性能参数都是进行了相互匹配，这样才能获得其性能参数都是进行了相互匹配，这样才能获得高性能的系统指标。高性能的系统指标。4.速度控制单元主要作用速度控制单元主要作用：接受来自位置控制单元的接受来自位置控制单元的速度指令信号，对其进行适当的调节运算速度指令信号，对其进行适当的调节运算(目的是目的是稳速稳速)，将其变换成电机转速的控制量，将其变换成电机转速的控制量(频率，电频率，电压等压等)，再经功率放大部件将其变换成电机的驱动再经功率放大部件将其变换成电机的驱动电量，使驱动电机

9、按要求运行。电量，使驱动电机按要求运行。即，即，调节、变换、功放调节、变换、功放。115.进给驱动系统的特点（与主运动（主进给驱动系统的特点（与主运动（主轴）系统比较）：轴）系统比较）：q功率相对较小；功率相对较小；q控制精度要求高；控制精度要求高；q控制性能要求高，尤其是动态性能。控制性能要求高，尤其是动态性能。12二、步进电机及其驱动装置、步进电机及其驱动装置 步进电机步进电机流行于流行于70年代，该系统结构简年代，该系统结构简单、控制容易、维修方面，且控制为全数字单、控制容易、维修方面，且控制为全数字化。随着计算机技术的发展，除功率驱动电化。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它

10、部分均可由路之外，其它部分均可由软件实现软件实现，从而进，从而进一步简化结构。因此，这类系统目前仍有相一步简化结构。因此，这类系统目前仍有相当的市场。目前步进电机仅当的市场。目前步进电机仅用于小容量、低用于小容量、低速、精度要不高的场合，速、精度要不高的场合，如经济型数控、打如经济型数控、打印机、绘图机等计算机的外部设备。印机、绘图机等计算机的外部设备。131415步进步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移的电电机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移的电磁机械装置。磁机械装置。由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲马达。脉冲马达。步进电机和一般电机不同，一般电机通电后连续转动，而步进电机则随

11、输入的脉冲按节拍一步一步地转动。对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就旋转一个固定的角度，称为一步一步。每一步所转过的角度叫做步距角。步距角。步进步进电机电机16 步进电机的角位移量和输入的脉冲数成正比。在步进电机的角位移量和输入的脉冲数成正比。在时间上与输入的脉冲同步。时间上与输入的脉冲同步。因此，因此，只需要控制输入脉冲的只需要控制输入脉冲的数量数量、频率频率及电机及电机绕组绕组通电相序通电相序，便可以获得所需要的便可以获得所需要的转角转角、转速转速及转及转动动方向方向。在无脉冲输入时，步进电机在绕组电源激励下，在无脉冲输入时，步进电机在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有的位置而

12、处于定位状态。气隙磁场能使转子保持原有的位置而处于定位状态。步进步进电机电机17 步进电机的分类步进电机的分类 按运动方式分：按运动方式分：旋转运动、直线运动式步进电机旋转运动、直线运动式步进电机 按工作原理分：按工作原理分：反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式；反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式；按结构分：按结构分：单段式（径向式）、多段式（轴向式）单段式（径向式）、多段式（轴向式）按使用场合分：按使用场合分：功率步进电机和控制步进电机；功率步进电机和控制步进电机；按相数分：按相数分：三相、四相、五相、六相、八相等三相、四相、五相、六相、八相等 按使用频率分：按使用频率分：高频率和低频步进电机高频

13、率和低频步进电机 不同的步进电机，其工作原理、驱动装置也不完不同的步进电机，其工作原理、驱动装置也不完全一样。全一样。18 步进电机的工作原理步进电机的工作原理如图所如图所示，示，三相反应式步进电机工作原理图。三相反应式步进电机工作原理图。由转子和定子组成。定子上有A、B、C三对磁极绕组三对磁极绕组，分别为A相、相、B相、相、C相相。转子转子是硅钢片软磁材料迭合成的带齿廓形状的铁心。如果在定子上的三对绕组中通直流电流，就会产生磁场。B相通电A相通电C相通电19BACBCABACBCABACBCA12341234逆时针回转逆时针回转300逆时针回转逆时针回转300当当A、B、C三对磁极的绕组依次

14、轮流通电，则三对磁极的绕组依次轮流通电，则A、B、C三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。当当A相通电时，相通电时，B相和C相不通电，电机铁心的AA轴方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子1、3齿与A相磁极对齐，2、4两齿与B、C两磁极相对错开30020当当B相通电时，相通电时，C相和A相断电，电机铁心的BB轴方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向旋转300，2、4齿与B相磁极对齐。1、3两齿与C、A两磁极相对错开300当当C相通电时，相通电时，A相和B相断电，电机铁心的CC轴方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向旋转300，1、3齿与C相磁极对

15、齐。2、4两齿与A、B两磁极相对错开300 若按若按A B C。通电相序连续通电，则步进电通电相序连续通电，则步进电机就连续地沿逆时针方向转动，每换接一次相序，步机就连续地沿逆时针方向转动，每换接一次相序，步进电机沿逆时针方向转动进电机沿逆时针方向转动300，即步距角为，即步距角为300。21 若按若按A C B。进行，则转子沿顺时针方向旋进行，则转子沿顺时针方向旋转。转。上述通电方式称为上述通电方式称为三相单三拍三相单三拍通电方式。通电方式。所谓所谓“单单”是指每次只有一相绕组通电的意思。是指每次只有一相绕组通电的意思。“一拍一拍”从一相通电换接到另一相通电称为一拍。从一相通电换接到另一相通

16、电称为一拍。“三拍三拍”每一拍转子转过一个步距角，这样每一拍转子转过一个步距角，这样“三三拍拍”是指通电换接三次后完成一个通电周期。是指通电换接三次后完成一个通电周期。三相六拍通电方式三相六拍通电方式 即按即按A AB B BC C CA相序通电。（见下图）相序通电。（见下图）22B相通电BC相通电C相通电AB相通电A相通电CA相通电工作原理：工作原理：当当A相通电，相通电，1、3齿齿与与A相磁极对齐相磁极对齐。当。当A、B两相同时通电，因两相同时通电，因A极吸引极吸引1、3齿，齿，B极吸引极吸引2、4齿，转子逆时针旋转齿，转子逆时针旋转150。随着。随着A相断电，只有相断电，只有B相通电相通

17、电13A吸1、3两齿 A吸1、3两齿B吸2、4两齿B吸2、4两齿B吸2、4两齿C吸1、3 24C吸1、3 A吸2、4C吸1、3 23转子又逆时针转转子又逆时针转150，2、4齿与齿与B相磁极对齐相磁极对齐，如果继，如果继续按续按BC C CA A。相序通电，步进电机就沿相序通电，步进电机就沿着逆时针方向，以着逆时针方向，以150的步距角一步一步移动。的步距角一步一步移动。这种通电方式采用这种通电方式采用单、双相轮流通电单、双相轮流通电，在通电换接时，在通电换接时，总有一相通电，所以工作较平稳。总有一相通电，所以工作较平稳。实际使用的步进电机，一般都要求有较小的步实际使用的步进电机，一般都要求有

18、较小的步距角，因为步距角越小所达到的位置精度越高。距角，因为步距角越小所达到的位置精度越高。以上所述，以上所述，步进电机的步距角大小不仅与通电方式有步进电机的步距角大小不仅与通电方式有关，还与转子的齿数有关。关，还与转子的齿数有关。计算公式为：计算公式为：mzk360=m定子励磁绕组相数定子励磁绕组相数Z转子齿数转子齿数K通电方式，单为通电方式，单为1，双为，双为224步进步进电机转速计算电机转速计算：360o=n60f=6fo式中：式中：n转速（转速（r/min);f脉冲频率，即每秒输入脉冲频率，即每秒输入步进电机的脉冲数；步进电机的脉冲数；用度数表示的步距角。用度数表示的步距角。式式中，中

19、，当转子的步距角一定时，步进电机的转速与输当转子的步距角一定时，步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比。入的脉冲频率成正比。25步进步进电机的特点：电机的特点：（1）步进电机的输出转角与脉冲频率严格成正比，所）步进电机的输出转角与脉冲频率严格成正比，所以控制输入步进电机的脉冲个数就能控制位移量。以控制输入步进电机的脉冲个数就能控制位移量。（2）步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比，只要步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比，只要控制脉冲频率就能调节步进电机的转速。控制脉冲频率就能调节步进电机的转速。（3）当停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，）当停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电机轴可

20、以保持在某固定位置上，不需要机械装制装电机轴可以保持在某固定位置上，不需要机械装制装置。置。（4）改变通电相序即可改变电机转向。）改变通电相序即可改变电机转向。（5）步进电机存在齿间相邻误差，但不存在累积误差）步进电机存在齿间相邻误差，但不存在累积误差26第三节第三节 典型进给伺服系统典型进给伺服系统(位置控制位置控制)一、开环进给伺服系统一、开环进给伺服系统一、开环进给伺服系统一、开环进给伺服系统(Open-Loop System)(Open-Loop System)qq不带位置测量反馈装置的系统；不带位置测量反馈装置的系统；不带位置测量反馈装置的系统；不带位置测量反馈装置的系统；qq驱动电

21、机只能用步进电机；驱动电机只能用步进电机；驱动电机只能用步进电机；驱动电机只能用步进电机；qq主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造A相、B相C相、A相、B相C相、f、nCNC插补指令脉冲频率f和脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大步进电机271.步进电机开环系统设计步进电机开环系统设计n n 要解决的主要问题要解决的主要问题要解决的主要问题要解决的主要问题：动力计算动力计算动力计算动力计算 传动计算传动计算传动计算传动计算 驱动电路设计或选择驱动电路设计或选择驱动电路设

22、计或选择驱动电路设计或选择 目的：传动计算选择合适的参数以满足目的：传动计算选择合适的参数以满足脉冲当量脉冲当量脉冲当量脉冲当量 和和进给速度进给速度进给速度进给速度F F的要求。的要求。图中：图中：f f 脉冲频率（脉冲频率（HHZ Z ）步距角步距角 （度）（度）Z Z1 1、Z Z2 2 传动齿轮齿数传动齿轮齿数 t t 螺距螺距(mmmm)脉冲当量（脉冲当量（mmmm）步进电机Z1Z2 tf，28n n 传动比选择：传动比选择：为了为了凑脉冲当量凑脉冲当量 mm，也为了也为了增大传增大传递的扭矩递的扭矩，在步进电机与丝杆之间，要增，在步进电机与丝杆之间，要增加一对加一对齿轮传动副齿轮传

23、动副，那么，传动比，那么，传动比 i=Z1/Z2与与、t之间有如下关系：之间有如下关系：步距角，步距角，脉冲当量，脉冲当量，t丝杠导程。丝杠导程。29 例例例例1 1：=0.01mm,t=6 mm,=0.01mm,t=6 mm,=0.75=0.75步进电机Z1Z2 tf，30n n 进给速度进给速度F：一般步进电机一般步进电机一般步进电机一般步进电机：若：若：若：若：=0.01 mm =0.01 mm 则：则：则：则：若若若若 =0.001mm =0.001mm 则：则：则：则：因此，因此，因此，因此，当当当当 一定时，一定时，一定时，一定时，与与与与 成正比成正比成正比成正比，故我，故我，故

24、我，故我们在谈到步进电机开环系统的最高速度时，都应们在谈到步进电机开环系统的最高速度时，都应们在谈到步进电机开环系统的最高速度时，都应们在谈到步进电机开环系统的最高速度时，都应指明是在多大的脉冲当量指明是在多大的脉冲当量指明是在多大的脉冲当量指明是在多大的脉冲当量 下的下的下的下的,否则是没有意义否则是没有意义否则是没有意义否则是没有意义的。的。的。的。312.提高步进电机开环伺服系统传动提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施精度的措施 概述概述概述概述 影响步进电机开环系统传动精度的因素：影响步进电机开环系统传动精度的因素：影响步进电机开环系统传动精度的因素：影响步进电机开环系统传动精度的因

25、素：步进电机的步进电机的步进电机的步进电机的步距角精度步距角精度步距角精度步距角精度；机械传动部件的机械传动部件的机械传动部件的机械传动部件的精度精度精度精度；丝杆等机械传动部件、支承的丝杆等机械传动部件、支承的丝杆等机械传动部件、支承的丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙传动间隙传动间隙传动间隙；传动件和支承件的传动件和支承件的传动件和支承件的传动件和支承件的变形变形变形变形。提高步进电机开环系统传动精度的措施提高步进电机开环系统传动精度的措施提高步进电机开环系统传动精度的措施提高步进电机开环系统传动精度的措施适当提高系统组成环节的精度；适当提高系统组成环节的精度；适当提高系统组成环节的精度；

26、适当提高系统组成环节的精度；采取各种精度补偿措施。采取各种精度补偿措施。采取各种精度补偿措施。采取各种精度补偿措施。32n n 传动间隙补偿传动间隙补偿 在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值存放在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系平均值存放在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系平均值存放在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系平均值存放在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系统反向运动时，数控系统自动将补偿值加到进给指令统反向运动时，数控系统自动将补偿值加到进给指令统

27、反向运动时，数控系统自动将补偿值加到进给指令统反向运动时，数控系统自动将补偿值加到进给指令中，从而达到补偿目的。中，从而达到补偿目的。中，从而达到补偿目的。中，从而达到补偿目的。n n 螺距误差补偿螺距误差补偿 利用计算机的运算处理能力，可以补偿滚珠丝杠的利用计算机的运算处理能力，可以补偿滚珠丝杠的利用计算机的运算处理能力，可以补偿滚珠丝杠的利用计算机的运算处理能力，可以补偿滚珠丝杠的螺距累积误差螺距累积误差螺距累积误差螺距累积误差，以提高进给位移精度。，以提高进给位移精度。，以提高进给位移精度。，以提高进给位移精度。方法：方法：首先测量出进给丝杠螺距误差曲线首先测量出进给丝杠螺距误差曲线(规

28、律规律)，然后可采用下列两种方法实现误差补偿：硬件补偿、然后可采用下列两种方法实现误差补偿：硬件补偿、软件补偿。软件补偿。33例例2 设设X-Y 工作台由步进电机直接经丝杆螺母副驱动，工作台由步进电机直接经丝杆螺母副驱动，丝杆螺距为丝杆螺距为5mm，步进电机步距角为步进电机步距角为150，工作方式，工作方式三相六拍，工作台最大行程为三相六拍，工作台最大行程为400mm，求：求：（1）脉冲当量；）脉冲当量；（2）微机发出的脉冲总数是多少？）微机发出的脉冲总数是多少？步进电机步进电机Z1Z2 tf，34(2)计算脉冲数计算脉冲数n，由 n =L=L(工作台最大行程）工作台最大行程）所以，脉冲数为所

29、以，脉冲数为：n=L/L/=400/0.02083=19200=400/0.02083=19200步步解：（1）由计算脉冲当量）由计算脉冲当量：360=L0已知，L0=5mm，=150求脉冲当量求脉冲当量=？=5/360=5/360 1.5=0.02083(mm)35例例3 步进电机直接经丝杆螺母驱动工作台，步进电机步进电机直接经丝杆螺母驱动工作台，步进电机步距角步距角0.720,工作台质量为工作台质量为100kg，负载质量为负载质量为50kg，切削负载为切削负载为4000N，丝杆螺距为丝杆螺距为5mm，如果步进电机如果步进电机从从500Hz线性加速到线性加速到2000Hz，加速时间为加速时间

30、为0.2S，求步求步进电机的驱动转距？进电机的驱动转距？解解：（：（1）忽略滚珠丝扛及电机的转动惯量，则折算忽略滚珠丝扛及电机的转动惯量，则折算到电机轴上等效转动惯量：到电机轴上等效转动惯量：V=f =500=500 0.01=5mm/s360=L0=0.01mmJ=m(V)236J=m(V)2所以，=（100+50）（5/2）=95.08 10-6(kg.m)22(2)求电机轴的等效转矩：求电机轴的等效转矩：T=F（）VF为切削负载为切削负载4000N;V5mm/s=4000（5/2）=3184.7 N.mm=3.184 N.M(3)步进电动机的角加速度：步进电动机的角加速度：=d dt=d

31、fdt=(t 0)t2 3600.72.=2000 5000.2 2 360 0.72=94.2 rad/s237所以，步进电机的启动转矩为：步进电机的启动转矩为：T q T+J T等效转矩；等效转矩；J 空载启动时空载启动时,产生最大加速度所需的转矩产生最大加速度所需的转矩;步进电动机的角加速度。步进电动机的角加速度。所以，T q T+J =3.184+95.08 10-6 94.2=3.27 Nm38例例4 一台五相步进电机，五相五拍运行时其步距角是一台五相步进电机，五相五拍运行时其步距角是1.50，此电动机转子上应有几个齿？齿距角是多少？，此电动机转子上应有几个齿？齿距角是多少？此电动机

32、若按十拍运行，齿距角度是多少度？按五拍此电动机若按十拍运行，齿距角度是多少度？按五拍和十拍运行时，每走一步对应的电角度是多少？和十拍运行时，每走一步对应的电角度是多少？解：（解：（1）步距角：）步距角：360=mKz 0Z齿数；m相数；K1 五拍（单拍）2 十拍（双拍）39所以，五拍运行时：五拍运行时：360=mKz 0=1.5 0K=1m=5Z=360 0/5 1=48齿十拍十拍运行时：运行时：360=5 2 48 0=0.75 0(2)齿距角齿距角：c=360 48 0=7.5 0齿距角的电角度齿距角的电角度：e=360 m K 0五拍运行时五拍运行时：e=360 5 1 0=72 040

33、十拍十拍运行时运行时：e=360 5 2=36 0 041例例5 设有一步进电机驱动的工作台，步进电机通过设有一步进电机驱动的工作台，步进电机通过减速齿轮副驱动滚珠丝杆，其参数符号如下：脉冲减速齿轮副驱动滚珠丝杆，其参数符号如下：脉冲当量当量，滚珠丝杆的基本导程为，滚珠丝杆的基本导程为L。步进电机的步距步进电机的步距角为角为，减速齿轮比为，减速齿轮比为1：i。问题：。问题：（1）试写出）试写出、L、i之间之间 的关系；的关系；（2）若）若=0.001mm，L。=5mm;减速比为减速比为1：5，问，问选择步进电机的步距角应为多少？选择步进电机的步距角应为多少？42360=L0 i=360 5 0

34、.001/5=0.36 0 0360=L0 0i解：（解：（1）求脉冲当量：）求脉冲当量：(2)步进电机的步距角步进电机的步距角4344二、直流伺服电机及驱动二、直流伺服电机及驱动 直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，电磁力的大小正比于电机中的气隙磁场，直上的，电磁力的大小正比于电机中的气隙磁场，直上的，电磁力的大小正比于电机中的气隙磁场，直上的，电磁力的大小正比于电机中的气隙磁场，直流电机的励磁绕组所建立的磁场是电机的主磁场，流电机的励磁绕组所建立的磁场是电机的主

35、磁场，流电机的励磁绕组所建立的磁场是电机的主磁场，流电机的励磁绕组所建立的磁场是电机的主磁场，按对励磁绕组的励磁方式不同，直流电机可分为：按对励磁绕组的励磁方式不同，直流电机可分为：按对励磁绕组的励磁方式不同，直流电机可分为：按对励磁绕组的励磁方式不同，直流电机可分为：他励式、他励式、他励式、他励式、并励式、并励式、并励式、并励式、串励式、串励式、串励式、串励式、复励式、复励式、复励式、复励式、永磁式。永磁式。永磁式。永磁式。2020世纪世纪世纪世纪80908090年代中期，永磁式直流伺服电机在年代中期，永磁式直流伺服电机在年代中期，永磁式直流伺服电机在年代中期，永磁式直流伺服电机在NCNC机

36、床中广泛采用。机床中广泛采用。机床中广泛采用。机床中广泛采用。45直流伺服电机的特点直流伺服电机的特点 过载倍数大，时间长；过载倍数大，时间长；过载倍数大，时间长；过载倍数大，时间长；具有大的转矩具有大的转矩具有大的转矩具有大的转矩/惯量比，电机的加速大，响应惯量比，电机的加速大，响应惯量比，电机的加速大，响应惯量比，电机的加速大，响应快。快。快。快。低速转矩大，惯量大，可与丝杆直接相联，省低速转矩大，惯量大，可与丝杆直接相联，省低速转矩大，惯量大，可与丝杆直接相联，省低速转矩大，惯量大，可与丝杆直接相联，省去了齿轮等传动机构。可提高了机床的加工去了齿轮等传动机构。可提高了机床的加工去了齿轮等

37、传动机构。可提高了机床的加工去了齿轮等传动机构。可提高了机床的加工精度。精度。精度。精度。调速范围大，与高性能的速度控制单元组成速调速范围大，与高性能的速度控制单元组成速调速范围大，与高性能的速度控制单元组成速调速范围大，与高性能的速度控制单元组成速度控制系统时，调速范围超过度控制系统时，调速范围超过度控制系统时，调速范围超过度控制系统时，调速范围超过1 1 20002000。46 直流伺服电机具有优良的调速性能，直流伺服电机具有优良的调速性能，直流伺服电机具有优良的调速性能，直流伺服电机具有优良的调速性能，8080年代年代年代年代初至初至初至初至9090年代中，在要求调速性能较高的场合，直年

38、代中，在要求调速性能较高的场合，直年代中，在要求调速性能较高的场合，直年代中，在要求调速性能较高的场合，直流伺服电机调速系统的应用一直占据主导地位。流伺服电机调速系统的应用一直占据主导地位。流伺服电机调速系统的应用一直占据主导地位。流伺服电机调速系统的应用一直占据主导地位。但其却存在一些固有的缺点，即：但其却存在一些固有的缺点，即：但其却存在一些固有的缺点，即：但其却存在一些固有的缺点，即：n n电刷和换向器易磨损，维护麻烦电刷和换向器易磨损，维护麻烦电刷和换向器易磨损，维护麻烦电刷和换向器易磨损，维护麻烦n n结构复杂，制造困难，成本高结构复杂，制造困难，成本高结构复杂，制造困难，成本高结构

39、复杂，制造困难，成本高 而交流伺服电机则没有上述缺点。特别是在而交流伺服电机则没有上述缺点。特别是在而交流伺服电机则没有上述缺点。特别是在而交流伺服电机则没有上述缺点。特别是在同样体积下，交流伺服电机的输出功率比直流电同样体积下，交流伺服电机的输出功率比直流电同样体积下，交流伺服电机的输出功率比直流电同样体积下，交流伺服电机的输出功率比直流电机提高机提高机提高机提高10%10%70%70%，且可达到的转速比直流电机，且可达到的转速比直流电机，且可达到的转速比直流电机，且可达到的转速比直流电机高。因此，人们一直在寻求交流电机调速方案来高。因此，人们一直在寻求交流电机调速方案来高。因此，人们一直在

40、寻求交流电机调速方案来高。因此，人们一直在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速的方案。取代直流电机调速的方案。取代直流电机调速的方案。取代直流电机调速的方案。471.分类分类三、交流伺服电机及驱动三、交流伺服电机及驱动48qq 调频调压电源的分类调频调压电源的分类可控硅整流器可控硅整流器逆变器逆变器整流器整流器逆变器逆变器电压型变频器方案示意图电压型变频器方案示意图49qq 电压型变频器工作原理电压型变频器工作原理电压型变频器工作原理电压型变频器工作原理LdUdT3T4T5T3T1T2CdUVWABC 结论：结论：变频器实现变频调压的关变频器实现变频调压的关键是逆变器控制端获得要求控制波键是

41、逆变器控制端获得要求控制波形（如形（如SPWM波）。波）。50qq 控制波形的实现方式控制波形的实现方式控制波形的实现方式控制波形的实现方式 （电机调速的控制方式）：（电机调速的控制方式）：（电机调速的控制方式）：（电机调速的控制方式）：相位控制相位控制相位控制相位控制 矢量变换控制矢量变换控制矢量变换控制矢量变换控制 PWMPWM控制控制控制控制 磁场控制磁场控制磁场控制磁场控制 512.闭环、半闭环进给伺服系统闭环、半闭环进给伺服系统 闭环进给伺服系统的实现方案分类和特征闭环进给伺服系统的实现方案分类和特征闭环进给伺服系统的实现方案分类和特征闭环进给伺服系统的实现方案分类和特征 按系统的控

42、制信号类型分：按系统的控制信号类型分：按系统的控制信号类型分：按系统的控制信号类型分：模拟型系统、数字型系统。模拟型系统、数字型系统。模拟型系统、数字型系统。模拟型系统、数字型系统。模拟型系统：模拟型系统：模拟型系统：模拟型系统：特特特特征征征征：这这这这类类类类系系系系统统统统全全全全部部部部采采采采用用用用模模模模拟拟拟拟元元元元件件件件构构构构成成成成；其其其其输输输输入入入入（控控控控制制制制）信信信信号号号号、输输输输出出出出的的的的位位位位置置置置、速速速速度度度度信信信信号号号号也也也也是是是是模模模模拟量；速度和位置检测元也是模拟式的。拟量；速度和位置检测元也是模拟式的。拟量；

43、速度和位置检测元也是模拟式的。拟量；速度和位置检测元也是模拟式的。52 优点优点优点优点：抗抗抗抗干干干干扰扰扰扰能能能能力力力力强强强强，一一一一般般般般不不不不会会会会因因因因峰峰峰峰值值值值误误误误差差差差导导导导致致致致致命的误动作。致命的误动作。致命的误动作。致命的误动作。可可可可用用用用常常常常规规规规仪仪仪仪器器器器仪仪仪仪表表表表（示示示示波波波波器器器器，万万万万用用用用表表表表等等等等）直直直直接接接接读读读读取取取取信信信信息息息息，易易易易于于于于随随随随时时时时把把把把握握握握系系系系统统统统工工工工作作作作的的的的基本情况。基本情况。基本情况。基本情况。53 缺点：

44、缺点：缺点：缺点：对对对对弱弱弱弱信信信信号号号号信信信信噪噪噪噪分分分分离离离离困困困困难难难难，控控控控制制制制精精精精度度度度的的的的提提提提高高高高受受受受到限制。到限制。到限制。到限制。在在在在零零零零点点点点附附附附近近近近容容容容易易易易受受受受到到到到温温温温度度度度漂漂漂漂移移移移的的的的影影影影响响响响，使使使使位位位位置控制产生漂移误差。置控制产生漂移误差。置控制产生漂移误差。置控制产生漂移误差。位位位位置置置置、速速速速度度度度调调调调节节节节器器器器的的的的结结结结构构构构和和和和参参参参数数数数调调调调整整整整困困困困难难难难，适应负载变化的能力较差。适应负载变化的

45、能力较差。适应负载变化的能力较差。适应负载变化的能力较差。模模模模拟拟拟拟系系系系统统统统这这这这种种种种本本本本质质质质缺缺缺缺陷陷陷陷，使使使使它它它它很很很很难难难难满满满满足足足足高高高高精精精精度度度度位位位位置置置置伺伺伺伺服服服服控控控控制制制制的的的的要要要要求求求求，目目目目前前前前已已已已逐逐逐逐渐渐渐渐被被被被数数数数字字字字伺伺伺伺服服服服系统所取代。系统所取代。系统所取代。系统所取代。54 数字型系统：数字型系统：特特特特征征征征：这这这这类类类类系系系系统统统统是是是是指指指指至至至至少少少少其其其其位位位位置置置置环环环环控控控控制制制制与与与与调调调调节节节节采

46、采采采用用用用数数数数字字字字控控控控制制制制技技技技术术术术，即即即即位位位位置置置置指指指指令令令令和和和和反反反反馈馈馈馈信信信信号号号号都都都都不不不不再再再再是是是是模模模模拟拟拟拟信信信信号号号号 改改改改用用用用数数数数字字字字信信信信号号号号（逻逻逻逻辑辑辑辑电电电电平平平平脉脉脉脉冲冲冲冲信信信信号）的系统。号）的系统。号）的系统。号）的系统。55特点特点：可可可可以以以以通通通通过过过过增增增增加加加加数数数数字字字字信信信信息息息息的的的的字字字字长长长长，来来来来满满满满足足足足要要要要求求求求的的的的控制精度。控制精度。控制精度。控制精度。对对对对逻逻逻逻辑辑辑辑电电

47、电电平平平平以以以以下下下下的的的的漂漂漂漂移移移移、噪噪噪噪声声声声不不不不予予予予响响响响应应应应，零零零零点点点点定位精度可以得到充分保证。定位精度可以得到充分保证。定位精度可以得到充分保证。定位精度可以得到充分保证。容容容容易易易易对对对对其其其其结结结结构构构构和和和和参参参参数数数数进进进进行行行行修修修修改改改改（根根根根据据据据控控控控制制制制要要要要求求求求），且易于与计算机进行数据交换。，且易于与计算机进行数据交换。，且易于与计算机进行数据交换。，且易于与计算机进行数据交换。噪噪噪噪声声声声峰峰峰峰值值值值大大大大于于于于逻逻逻逻辑辑辑辑电电电电平平平平时时时时，对对对对数

48、数数数据据据据的的的的最最最最高高高高位位位位和和和和最最最最低低低低位位位位的的的的干干干干扰扰扰扰出出出出错错错错程程程程序序序序是是是是相相相相同同同同的的的的，这这这这种种种种错错错错误误误误可可可可能导致系统致命的危害。能导致系统致命的危害。能导致系统致命的危害。能导致系统致命的危害。传传传传送送送送数数数数据据据据的的的的数数数数字字字字电电电电路路路路要要要要求求求求具具具具有有有有很很很很宽宽宽宽的的的的频频频频带带带带。以以以以保证脉冲上、下降沿有足够的陡峭度。保证脉冲上、下降沿有足够的陡峭度。保证脉冲上、下降沿有足够的陡峭度。保证脉冲上、下降沿有足够的陡峭度。抑抑抑抑制制制

49、制干干干干扰扰扰扰、防防防防止止止止数数数数据据据据出出出出错错错错，是是是是数数数数字字字字伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统设设设设计计计计成成成成功功功功的关键。的关键。的关键。的关键。562.数字伺服系统的类型57qq 全硬件伺服系统全硬件伺服系统 全全全全硬硬硬硬件件件件伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统又又又又称称称称脉脉脉脉冲冲冲冲比比比比较较较较伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统，其典型的组成方式如图所示：其典型的组成方式如图所示：其典型的组成方式如图所示：其典型的组成方式如图所示：_ NC装装 置置F/V偏差偏差计数器计数器D/A速度控速度控制与驱制与驱动单元动单元A、B、Z+_+

50、整整形形.倍倍频频.辨向辨向工作台工作台PG电电压压Z58 构构构构成成成成：该该该该系系系系统统统统中中中中，位位位位置置置置闭闭闭闭环环环环的的的的控控控控制制制制与与与与调调调调节节节节运运运运算算算算主主主主要要要要由由由由偏偏偏偏差差差差计计计计数数数数器器器器（一一一一般般般般为为为为可可可可逆逆逆逆计计计计数数数数器器器器）和和和和D/AD/A完成。完成。完成。完成。柔柔柔柔性性性性差差差差：系系系系统统统统全全全全由由由由硬硬硬硬件件件件构构构构成成成成，使使使使得得得得它它它它的的的的各各各各调调调调节节节节器器器器参参参参数数数数在在在在机机机机电电电电联联联联调调调调整整