数控机床进给伺服驱动系统

1、第五章 数控机床的进给伺服系统 一、定义：一、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 位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称位置随动系统、位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称位置随动系统、 驱动系统、伺服机构或伺服单元。驱动系统、伺服机构或伺服单元。 伺服系统是数控装置和机床主机的联系环节，接收伺服系统是数控装置和机床主机的联系环节，接收CNC装装 置插补器发出的进给脉冲或进给位移量信息，经过变换和放大置插补器发出的进给脉冲或进给位移量信息，经过变换和放大 由伺服电机带动传动机构，最后转化为机床的直线或转动位移。由伺服电机带动传动机

2、构，最后转化为机床的直线或转动位移。 第一节 概述 数控机床的伺服包括：数控机床的伺服包括：进给伺服驱动系统进给伺服驱动系统和和主轴伺服系统主轴伺服系统 两部分。根据两部分。根据CNC发出的动作指令，伺服系统准确、快速发出的动作指令，伺服系统准确、快速 地完成各坐标轴的进给运动，与主轴驱动相配合，完成加地完成各坐标轴的进给运动，与主轴驱动相配合，完成加 工件的高精度加工。工件的高精度加工。 因此，伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分，其性能因此，伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分，其性能 的优劣直接影响零件的加工精度和生产效率，它的价格在的优劣直接影响零件的加工精度和生产效率，它的价格在 这

3、个数控机床的成本构成中占有相当大的份额。这个数控机床的成本构成中占有相当大的份额。 第一节 概述 第一节 概述 第一节 概述 1.1.调速范围要宽调速范围要宽 2.2.位移精度要高位移精度要高 3.3.跟随误差要小跟随误差要小, ,响应要快响应要快 4.4.稳定性要好，可靠性要高。稳定性要好，可靠性要高。 一数控机床对伺服系统的要求一数控机床对伺服系统的要求 二伺服驱动系统的组成二伺服驱动系统的组成 1. 按控制理论分类按控制理论分类 开环伺服系统开环伺服系统 闭环伺服系统闭环伺服系统 半闭环伺服系统半闭环伺服系统 2. 按驱动执行元件的动作原理分类按驱动执行元件的动作原理分类 电液伺服系统电

4、液伺服系统 电气伺服系统电气伺服系统 三伺服驱动系统的分类三伺服驱动系统的分类 第一节 概述 3. 按被控对象分类按被控对象分类 进给伺服系统进给伺服系统 主轴伺服系统主轴伺服系统 4. 按反馈比较控制方式分类按反馈比较控制方式分类 脉冲、数字比较伺服系统脉冲、数字比较伺服系统 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 全数字伺服系统全数字伺服系统 三伺服驱动系统的分类三伺服驱动系统的分类 第一节 概述 5. 5. 按执行电动机类型分类按执行电动机类型分类 直流伺服系统直流伺服系统 交流伺服系统交流伺服系统 在数控机床中使用的伺服电动机有步进在数控机床中使用的伺服电动

5、机有步进 电动机、直流伺服电动机、交流伺电动机和电动机、直流伺服电动机、交流伺电动机和 直线电动机等。步进伺服驱动系统的执行元直线电动机等。步进伺服驱动系统的执行元 件是件是步进电机步进电机。 第二节 步进伺服驱动控制 步进电动机一般用于开环伺服系统中，没有步进电动机一般用于开环伺服系统中，没有 位置反馈环节，位置控制精度由步进电动机和进位置反馈环节，位置控制精度由步进电动机和进 给链来决定。给链来决定。 步进电机的种类步进电机的种类 按电机的结构和材料分类按电机的结构和材料分类 反应式：反应式：不用永久磁铁，靠定子和转子的软钢齿不用永久磁铁，靠定子和转子的软钢齿 之闭的电磁引力产生力矩，结构

6、简单，步距角可之闭的电磁引力产生力矩，结构简单，步距角可 以做得很小，应用最广。以做得很小，应用最广。 永磁式：永磁式：转子有多条永久磁铁组成，定子和转子转子有多条永久磁铁组成，定子和转子 间的引力和斥力都产生力矩，功率密度大，但步间的引力和斥力都产生力矩，功率密度大，但步 距角不可能做的很小。距角不可能做的很小。 混合式：混合式：结合上述两种的优点，永久磁铁提高功结合上述两种的优点，永久磁铁提高功 率密度，细密的极齿减小步距角，但加工困难，率密度，细密的极齿减小步距角，但加工困难， 成本高。成本高。 第二节 步进伺服驱动控制 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的步进电动机是一种将电脉

7、冲信号转换成机械位移的 机电执行元件。机电执行元件。 步进电动机由步进电动机由转子转子和和定子定子绕组组成。当某相定子绕组由绕组组成。当某相定子绕组由 脉冲电流励磁后，便能吸引转子，使转子转一个角度，即步脉冲电流励磁后，便能吸引转子，使转子转一个角度，即步 距角，每一个步距角对应一个位移量，指令脉冲的频率就对距角，每一个步距角对应一个位移量，指令脉冲的频率就对 应工作台的移动速度。应工作台的移动速度。 第二节 步进伺服驱动控制 步进电机的结构步进电机的结构 第二节 步进伺服驱动控制 步进电机的原理步进电机的原理 结论结论 (1) 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转步进电机定子绕组的通

8、电状态每改变一次，它的转 子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角 ； (2) 改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方 向随之改变；向随之改变； (3) 步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转 子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高， 转子的转速越高；转子的转速越高； (4) 步进电机步距角步进电机步距角 与定子绕组的相数与定子绕组的相数m、转子的齿、转子的齿 数数z、通电方式、通电方式k有关，可用下式表

9、示有关，可用下式表示 式中式中m相相m拍时，拍时，k=1；m相相2m拍时，拍时，k=2；依；依 此类推。此类推。 第二节 步进伺服驱动控制 步进电机的原理步进电机的原理 0 360mzk 步距角步距角 0.53，决定控制精度，是决定步进伺服系统脉，决定控制精度，是决定步进伺服系统脉 冲当量的重要参数。冲当量的重要参数。 启动频率启动频率 fq。 空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的 正常运行所允许的最高频率正常运行所允许的最高频率 矩角特性、最大静态转矩矩角特性、最大静态转矩 和启动转矩和启动转矩 。 矩角特性是步进电机的一个重要特性，它

10、矩角特性是步进电机的一个重要特性，它 是指步进电机产生的静态转矩是指步进电机产生的静态转矩 与失调角与失调角 的的 变化规律。变化规律。 第二节 步进伺服驱动控制 步进电机的特性步进电机的特性 maxj M q M maxj M 连续运行的最高工作频率连续运行的最高工作频率 保证不丢步运行的极限频率保证不丢步运行的极限频率 加减速特性加减速特性 描述步进电机由静止到工作频率和由工作频描述步进电机由静止到工作频率和由工作频 率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状 态的变化频率与时间的关系。态的变化频率与时间的关系。 第二节 步进伺服驱动控制 系统由步进电机驱

11、动线路系统由步进电机驱动线路+步进电机组成，对工作台位步进电机组成，对工作台位 移、速度和运动方向进行控制。移、速度和运动方向进行控制。 第二节 步进伺服驱动控制 步进式伺服系统工作原理步进式伺服系统工作原理 1. 工作台位移的控制工作台位移的控制 进给脉冲的个数进给脉冲的个数N 定子绕组通电状态变化次数定子绕组通电状态变化次数N 角角 位移位移= N 工作台位移工作台位移L= t/360 2.工作台进给速度的控制工作台进给速度的控制 进给脉冲的频率进给脉冲的频率f 定子绕组通电状态的变化频率定子绕组通电状态的变化频率 f 步进电机的转速步进电机的转速工作台的进给速度工作台的进给速度v 3.工

12、作台方向的控制工作台方向的控制 定子绕组通电顺序的改变定子绕组通电顺序的改变-工作台运动方向改变工作台运动方向改变 第二节 步进伺服驱动控制 功能：功能：将一定频率将一定频率f、数量、数量N和方向的进给和方向的进给 脉冲转换为控制步进电机定子各相绕组通脉冲转换为控制步进电机定子各相绕组通 断电状态变化的频率、次数和顺序的功率断电状态变化的频率、次数和顺序的功率 信号。信号。 第二节 步进伺服驱动控制 步进电机的驱动控制线路步进电机的驱动控制线路 1.脉冲混合电路脉冲混合电路 将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合为将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合为 正向或负向脉冲进给

13、信号正向或负向脉冲进给信号 2. 加减脉冲分配电路加减脉冲分配电路 将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲。将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲。 3.加减速电路加减速电路 将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性的将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性的 脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数 第二节 步进伺服驱动控制 4. 环形分配器环形分配器 将来自加减速电路的一系列进给脉冲转换成控制步进电机将来自加减速电路的一系列进给脉冲转换成控制步进电机 定子绕组通断电的电平信号，电平信号状态的改变次数

14、及定子绕组通断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及 顺序与进给脉冲的个数及方向对应。顺序与进给脉冲的个数及方向对应。 常用电机有三、四、五相。常用电机有三、四、五相。 脉冲分配也可用软件实现。脉冲分配也可用软件实现。 5. 功率放大器功率放大器 将环形分配器输出的将环形分配器输出的mA级电流进行功率放大，一般由前级电流进行功率放大，一般由前 置放大器和功率放大器组成。置放大器和功率放大器组成。 第二节 步进伺服驱动控制 四、提高步进式伺服驱动系统精度的措施四、提高步进式伺服驱动系统精度的措施 影响步进式伺服驱动系统精度的因素：影响步进式伺服驱动系统精度的因素： 步进电机的质量步进电机的质量

15、机械传动部分的结构和质量机械传动部分的结构和质量 控制线路控制线路 由于受工艺和结构的限制，常常从控制线路采取措施，由于受工艺和结构的限制，常常从控制线路采取措施， 通常采用的措施有：通常采用的措施有： 细分电路细分电路 齿隙补偿（反向间隙补偿）齿隙补偿（反向间隙补偿） 螺距误差补偿螺距误差补偿 第二节 步进伺服驱动控制 1. 细分电路细分电路 把步进电机的一步再分得细一些，减小脉冲当量把步进电机的一步再分得细一些，减小脉冲当量 2.齿隙补偿（反向间隙补偿）齿隙补偿（反向间隙补偿） 原因原因：机械传动链在改变方向时，：机械传动链在改变方向时， 由于间隙的存在，会引起步进电机的空走；由于间隙的存

16、在，会引起步进电机的空走； 补偿原理补偿原理：对实际间隙进行实测并保存，当工作台换向：对实际间隙进行实测并保存，当工作台换向 时增加输出脉冲进行补偿。时增加输出脉冲进行补偿。 第二节 步进伺服驱动控制 O t 图5-15 细分前后一步角位移波形图 O t (a) 无细分 (b) 细分后 (a) (b) 细分前后一步角位移波形图 （a） 无细分 （b） 细分后 3. 螺距误差补偿螺距误差补偿 原因原因：丝杠螺距存在制造误差，会直接影响工作台的位：丝杠螺距存在制造误差，会直接影响工作台的位 置精度，需要进行补偿；置精度，需要进行补偿； 补偿原理补偿原理：对实际间隙进行实测并保存，当工作台换向：对实

17、际间隙进行实测并保存，当工作台换向 时增加输出脉冲进行补偿。时增加输出脉冲进行补偿。 实现方法实现方法： 安置两个补偿杆安置两个补偿杆 按照螺距误差在补偿杆上设置挡块按照螺距误差在补偿杆上设置挡块 工作台移动时行程开关与挡块接触工作台移动时行程开关与挡块接触 时进行补偿。时进行补偿。 第二节 步进伺服驱动控制 O 误差 脉冲数 O 误差 补偿脉冲 O 机床运动 脉冲数 0.01 mm 1 2 -1 -2 0 3 A B 微动开关 补偿杆 A 补偿杆 B 负补偿脉冲 A 正补偿脉冲 B 图5-16 螺距误差补偿原理 l 1 2 曲线 1 - 理想的移动（没有螺距的误差） 曲线 2 - 实际的移动

18、（有螺距的误差） 曲线 3 - 补偿前的误差曲线曲线 3 - 补偿后的误差曲线 第二节 步进伺服驱动控制 曲线1理想的移动 （没有螺距误差） 曲线2实际的移动 （有螺距的误差） 曲线3补偿前的误 差曲线 曲线4补偿后的误 差曲线 第三节 闭环伺服控制原理与系统 闭环控制的特点：工作可靠，抗干扰性强，精度高，但增加了位闭环控制的特点：工作可靠，抗干扰性强，精度高，但增加了位 置检测、反馈、比较等环节，结构复杂，调试困难。置检测、反馈、比较等环节，结构复杂，调试困难。 一、闭环伺服系统的执行元件一、闭环伺服系统的执行元件 数控系统对执行元件数控系统对执行元件（能量转换和信号转换）（能量转换和信号转

19、换）的要求：的要求： 尽可能减少电机的转动惯量，以提高系统的快速动态尽可能减少电机的转动惯量，以提高系统的快速动态 响应；响应； 尽可能提高电机的过载能力，以适应经常出现的冲击尽可能提高电机的过载能力，以适应经常出现的冲击 现象；现象； 尽可能提高电机低速运行的稳定性和均匀性，以保证尽可能提高电机低速运行的稳定性和均匀性，以保证 低速时伺服系统的精度。低速时伺服系统的精度。 1. 直流伺服电机直流伺服电机 第三节 闭环伺服控制原理与系统 直流伺服电机与普通直流电机的工作原理与基本结构是一样的，直流伺服电机与普通直流电机的工作原理与基本结构是一样的， 从结构特点上可以分为有刷和无刷两种基本类型。

20、两者的静态特性和从结构特点上可以分为有刷和无刷两种基本类型。两者的静态特性和 动态特性完全相同，控制方法也相同。动态特性完全相同，控制方法也相同。 常用的直流电机多为大功率直流伺服电机，如低惯量电机和宽常用的直流电机多为大功率直流伺服电机，如低惯量电机和宽 调速电机等。调速电机等。 (1) 低惯量直流伺服电机低惯量直流伺服电机。主要有无槽电枢直流伺服电机及其他一些。主要有无槽电枢直流伺服电机及其他一些 类型的电机。无槽电枢直流伺服电机的工作原理与一般直流电机相同，类型的电机。无槽电枢直流伺服电机的工作原理与一般直流电机相同， 其结构的其结构的差别差别和和特点特点是：电枢铁心是光滑无槽的圆体，电

21、枢绕组用环是：电枢铁心是光滑无槽的圆体，电枢绕组用环 氧树脂固化成型并粘结在电枢铁心表面上，电枢的长度与外径之比在氧树脂固化成型并粘结在电枢铁心表面上，电枢的长度与外径之比在 5倍以上，气隙尺寸比一般的直流电机大倍以上，气隙尺寸比一般的直流电机大10倍以上。它的输出功率在倍以上。它的输出功率在 几十瓦至几十瓦至10 kW以内。主要用于要求快速动作、功率较大的系统。以内。主要用于要求快速动作、功率较大的系统。 (2) 宽调速直流力矩电机宽调速直流力矩电机。这种电机用提高转矩的方法来改善其。这种电机用提高转矩的方法来改善其 动态性能。它的结构形式与一般直流电机相似，通常采用他激式。动态性能。它的结

22、构形式与一般直流电机相似，通常采用他激式。 目前几乎都用永磁式电枢控制。目前几乎都用永磁式电枢控制。 直流伺服电机的调速原理直流伺服电机的调速原理 = 调速方法调速方法： 改变电枢电压改变电枢电压V 改变电势系数（实际是改变励磁回路参数）改变电势系数（实际是改变励磁回路参数） 改变电阻（串联电阻）改变电阻（串联电阻） 第三节 闭环伺服控制原理与系统 V RaV Ra Kt KtKvKt KtKv M M- - 直流伺服电机的调速原理直流伺服电机的调速原理 目前使用最广泛的是脉宽调速目前使用最广泛的是脉宽调速PWM（改变电枢电压（改变电枢电压V） 第三节 闭环伺服控制原理与系统 直流伺服电机调速

23、的优点：直流伺服电机调速的优点： 直流伺服电机具有优良的控制特性，单一通过控制电直流伺服电机具有优良的控制特性，单一通过控制电 机的输入电压就可实现转速的控制，负载力矩对电机转机的输入电压就可实现转速的控制，负载力矩对电机转 速的影响相对较小，电机的动态特性较好，能满足伺服速的影响相对较小，电机的动态特性较好，能满足伺服 系统对响应的要求，正是由于这些优点，使得伺服电机系统对响应的要求，正是由于这些优点，使得伺服电机 在数控机床及其他数控设备中得到广泛应用。在数控机床及其他数控设备中得到广泛应用。 第三节 闭环伺服控制原理与系统 2. 交流伺服电机交流伺服电机 用三相正弦电流驱动的伺服电机，按

24、工作原理分为：用三相正弦电流驱动的伺服电机，按工作原理分为： 永磁同步型（永磁同步型（SM型）型） 异步感应型（异步感应型（IM型）型） AC伺服电机本身结构简单，坚固耐用，体积较小，伺服电机本身结构简单，坚固耐用，体积较小， 重量较轻，没有整流子机械换向，远比重量较轻，没有整流子机械换向，远比DC伺服电机便于伺服电机便于 维护，但速度的控制方法比维护，但速度的控制方法比DC伺服电机要复杂的多，对伺服电机要复杂的多，对 控制元件的容量及速度的要求也很高。控制元件的容量及速度的要求也很高。AC伺服电机（包伺服电机（包 括伺服单元）的价格高于同等括伺服单元）的价格高于同等DC伺服电机。伺服电机。

25、第三节 闭环伺服控制原理与系统 第三节 闭环伺服控制原理与系统 交流伺服电机的控制方法交流伺服电机的控制方法 幅值控制、相位控制和幅值相位混合控制幅值控制、相位控制和幅值相位混合控制 鉴相式伺服系统鉴相式伺服系统 鉴相式伺服系统是数控机床中使用较多的一种位置控制系统，它鉴相式伺服系统是数控机床中使用较多的一种位置控制系统，它 是采用相位比较的方式实现闭环（半闭环）控制的伺服系统。是采用相位比较的方式实现闭环（半闭环）控制的伺服系统。 特点：特点：工作可靠，抗干扰性强，精度高，由于增加了位置检测、反工作可靠，抗干扰性强，精度高，由于增加了位置检测、反 馈、比较等元件，与步进式伺服系统相比它的结构比较复杂，调馈、比较等元件，与步进式伺服系统相比它的结构比较复杂，调 试较困难。试较困难。 鉴相式伺服系统的基本组成鉴相式伺服系统的基本组成 第三节 闭环伺服控制原理与系统 各组成部分的功能介绍各组成部分的功能介绍 1.基准信号发生器基准信号发生器 2.脉冲调相器脉冲调相器 3.检测元件及信号处理线路检测元件及信号处理线路 4.鉴相器鉴相器 鉴相器的输入信号有两路，一路是来自脉冲调相