第四章 伺服系统

1、第四章 伺服系统 本章着重介绍了伺服系统的概念及分类；步进电动机本章着重介绍了伺服系统的概念及分类；步进电动机及其驱动电路；交流电动机伺服系统的工作原理及控制方及其驱动电路；交流电动机伺服系统的工作原理及控制方法，典型交流伺服驱动装置的介绍；直流伺服电动机的工法，典型交流伺服驱动装置的介绍；直流伺服电动机的工作原理及调速特性。通过学习重点掌握步进电动机的工作作原理及调速特性。通过学习重点掌握步进电动机的工作原理、主要特性及其驱动控制；初步了解步进电动机的选原理、主要特性及其驱动控制；初步了解步进电动机的选择方法；掌握交流电动机伺服系统的工作原理及其调速方择方法；掌握交流电动机伺服系统的工作原理

2、及其调速方法。法。 第一节第一节 概概 述述 一、伺服系统的组成与分类一、伺服系统的组成与分类1.开环伺服系统开环伺服系统 图4-1 开环伺服系统 第一节第一节 概概 述述 2.半闭环伺服系统半闭环伺服系统图4-2 半闭环伺服系统 第一节第一节 概概 述述 3.闭环伺服系统闭环伺服系统 图4-3 闭环控制系统第一节第一节 概概 述述 二、伺服系统的基本要求二、伺服系统的基本要求 根据机械切削加工的特点，数控机床对进给驱动有如下要求： 1位移精度高 2调速范围宽 3响应速度快 4稳定性好 5低速大转矩第一节第一节 概概 述述 数控机床对主轴驱动的要求： 1)能提供大的切削功率； 2)调速范围达2

3、00：1，以利于选择合适的主轴转速； 3)能满足不同的加工要求，在一定速度范围内保持恒转矩或恒功率切削。第二节第二节 步进电动机及驱动电路步进电动机及驱动电路一、步进电动机的工作原理和主要特性一、步进电动机的工作原理和主要特性(一)步进电动机的工作原理图4-4 三相反应式步进电动机的结构图第二节第二节 步进电动机及驱动电路步进电动机及驱动电路图4-5 三相反应式步进电动机工作原理图第二节第二节 步进电动机及驱动电路步进电动机及驱动电路 （二）步进电动机的主要特性 1步距角s和步距误差s 2静态转矩和矩角特性图4-6 步进电动机的静态矩角特性 第二节第二节 步进电动机及驱动电路步进电动机及驱动电

4、路 3最大起动转矩Mq 4最高起动频率 fq 5连续运行的最高工作频率fmax 6矩频特性曲线 7步进电动机的选用图4-7步进电动机的起动转矩第二节第二节 步进电动机及驱动电路步进电动机及驱动电路 二、步进电动机的驱动控制二、步进电动机的驱动控制 1环形脉冲分配器环形脉冲分配器 2步进电动机驱动电源（功率放大器）步进电动机驱动电源（功率放大器） （1）单电压驱动电路 如图4-9所示 图4-9 单电压驱动电路原理图第二节第二节 步进电动机及驱动电路步进电动机及驱动电路 （2）高低压驱动电路 图4-11 高低压驱动电路原理图 第二节第二节 步进电动机及驱动电路步进电动机及驱动电路 （3）恒流斩波驱

5、动电路 图4-10 驱动电路波形图第二节第二节 步进电动机及驱动电路步进电动机及驱动电路图4-12 斩波驱动电路原理图第二节第二节 步进电动机及驱动电路步进电动机及驱动电路三、开环控制步进电动机伺服系统的工作原理三、开环控制步进电动机伺服系统的工作原理 1工作台位移量的控制 2工作台运动方向的控制四、步进电动机驱动装置应用实例介绍四、步进电动机驱动装置应用实例介绍第二节第二节 步进电动机及驱动电路步进电动机及驱动电路 为使初学者了解和掌握步进电动机在实际使用时接线方式及控制方法。下面以上海开通数控公司KT350系列五相混合式步进电动机驱动器为例，介绍步进电动机驱动器的使用方法。如图4-13所示

6、步进电动机驱动器的外形图。在实现步进电动机的控制中，用户需要掌握接线端子排、D型连接器CN1及4位拔动开关使用方法，其中接线端子排的意义见表4-3。第二节第二节 步进电动机及驱动电路步进电动机及驱动电路图4-13 步进电动机驱动器的外形图4-13中的拔动开关SW是一个四位开关，如图4-14所示。通过该开关可设置步进电动机的控制方式，其各位的意义如下。第二节第二节 步进电动机及驱动电路步进电动机及驱动电路图4-14 设定用拔动开关第二节第二节 步进电动机及驱动电路步进电动机及驱动电路第一位：控制方式的选择ON位置为双脉冲控制方式，OFF位置为单脉冲控制方式。在双脉冲控制方式下，连接器CN1的CW

7、、 端子输入正转运行脉冲信号，CCW、 端子则输入反转脉冲信号。在单脉冲控制方式下，连接器CN1的CP、 端子输入正、反转运行脉冲信号，DIR、 端子输入正、反转运行方向信号。第二位：运行方向的选择（仅在单脉冲方式时有效）OFF位置为标准设定，ON位置为单方向转，与OFF状态转向相反。第三位：整/半步运行模式选择ON位置时步进电动机以整步方式运行，OFF位置时步进电动机以半步方式运行。第四位：自动试机运行ON位置时自动试机运行，此时步进电动机在半步控制方式下以50r/min速度自动运行；在整步控制方式下以100r/min速度自动运行，而不需外部脉冲输入，OFF位置时驱动器接受外部脉冲才能运行，

8、 此外，在驱动器的面板上还有两个LED指示灯：CP驱动器通电情况下，步进电动机运行时闪烁，其闪烁的频率等于电气循环原点信号的频率。PWR驱动器工作电源指示灯，驱动器通电时亮。第二节第二节 步进电动机及驱动电路步进电动机及驱动电路综上述，步进电动机的控制信号主要是通过计算机数控装置经D型连接器CN1传送给步进驱动器来实现，步进电动机的控制方式主要是通过四位拔动开关SW来设置，其典型的接线如图4-15所示。图4-15 步进电动机的典型接线图 第三节第三节 交流电动机伺服系统交流电动机伺服系统 一、交流伺服电动机的类型一、交流伺服电动机的类型 图4-16 交流伺服电动机及其驱动实形图第三节第三节 交

9、流电动机伺服系统交流电动机伺服系统 二、交流伺服电动机的工作原理二、交流伺服电动机的工作原理图4-17 永磁式同步型电动机的工作原理第三节第三节 交流电动机伺服系统交流电动机伺服系统 三、交流伺服系统的控制方法三、交流伺服系统的控制方法 1交流伺服电动机的调速方法交流伺服电动机的调速方法 （1）恒转矩调速）恒转矩调速 （2）恒功率调速）恒功率调速 （3）恒最大转矩调速）恒最大转矩调速 第三节第三节 交流电动机伺服系统交流电动机伺服系统 2变频器的类型 变频器可分为“交交”型和“交直交”型两类。前者又称直接式变频器，后者又称带直流环节的间接式变频器。（1）“交交”型变频器 （2）“交直交”型变频

10、器 第三节第三节 交流电动机伺服系统交流电动机伺服系统 3SPWM变频控制器图4-22 与正弦波等效的SPWM波形 第三节第三节 交流电动机伺服系统交流电动机伺服系统 四、交流伺服电动机驱动系统应用实例四、交流伺服电动机驱动系统应用实例 下面以上海开通数控公司下面以上海开通数控公司KT270系列全数字交流伺服系列全数字交流伺服驱动系统为例，介绍交流伺服电动机驱动装置的使用方法。驱动系统为例，介绍交流伺服电动机驱动装置的使用方法。为了解交流伺服电动机及其驱动装置的功能及性能指标，为了解交流伺服电动机及其驱动装置的功能及性能指标，表表4-5和表和表4-6分别给出了交流伺服电动机部分驱动模块及分别给

11、出了交流伺服电动机部分驱动模块及电动机的规格。电动机的规格。第三节第三节 交流电动机伺服系统交流电动机伺服系统第三节第三节 交流电动机伺服系统交流电动机伺服系统第三节第三节 交流电动机伺服系统交流电动机伺服系统 由表4-5可知,交流伺服电动机本身已附装了增量式光电编码器，用于电动机速度及位置的反馈控制。目前许多数控机床均采用这种半闭环的控制方式，而无需在机床导轨上安装检测装置。若采用全闭环控制方式，则需在机床上安装光栅或其它位移检测装置。 全数字交流伺服电动机驱动器的外形如图4-23所示。其面板由四部分组成，即数码显示与按键、接线端子排、CN连接器、状态指示灯。作为用户,应重点掌握这几部分的接

12、线方法及与电动机的连接方式。表4-7给出了外部接线端子及线径。第三节第三节 交流电动机伺服系统交流电动机伺服系统图4-23 交流伺服电动机驱动器外形图 第三节第三节 交流电动机伺服系统交流电动机伺服系统第三节第三节 交流电动机伺服系统交流电动机伺服系统 表4-7中再生放电电阻的作用是通过泄放能量来达到限制电压的目的。KT270-20、30伺服驱动器需外接再生放电电阻。KT270-50、75伺服驱动器必须采用外部再生放电电阻（38/220V）。机械负载惯量折算到电动机轴端为电动机惯量的4倍以下时，一般都能正常运行。当惯量太大时或降速时间过小时，在电动机减速或制动过程中将出现主电路过电压报警。 图

13、4-24为KT270-20、30标准接线图，各端子脚号的含义见表4-8表4-12。第三节第三节 交流电动机伺服系统交流电动机伺服系统图4-24 KT270标准接线图第三节第三节 交流电动机伺服系统交流电动机伺服系统第三节第三节 交流电动机伺服系统交流电动机伺服系统第三节第三节 交流电动机伺服系统交流电动机伺服系统第三节第三节 交流电动机伺服系统交流电动机伺服系统第三节第三节 交流电动机伺服系统交流电动机伺服系统第三节第三节 交流电动机伺服系统交流电动机伺服系统图4-23中部分功能说明如下：（1）6个LED显示和系统按键KT270交流伺服电动机驱动系统面板有6个LED数码管显示器和4个按键 组成

14、，用来显示系统各种状态、设置参数等。操作是分层操作， 键表示层次的后退和前进， 键有进入、确定的意义， 键有退出、取消的意义； 、 键表示增加、减少序号或数值大小。如果按下 、 键并保持，则具有重复效果，并且保持时间越长，重复速率越高。如果6个数码管或最右边数码管的小数点显示闪烁，表示发生报警。（2）SON、CHG指示灯 SON为伺服开启信号；CHG为伺服系统电源指示。（3）CN3为型连接器（9芯），用于伺服系统接受外部脉冲输入。（4）CN4为D型连接器（15芯），用于伺服系统接受外部控制信号和输出反馈信号。（5）CN5为D型连接器（15芯），用于伺服系统接受电动机编码器检测信号。（6）CN6

15、为D型连接器（15芯），用于伺服系统接受CNC输入的模拟量速度信号。图4-25为KT270伺服系统与KT590数控系统连接图。第四节第四节 直流伺服电动机直流伺服电动机 直流伺服系统在上世纪七八十年代的数控机床上占据直流伺服系统在上世纪七八十年代的数控机床上占据主导地位，但由于直流伺服电动机的结构较复杂，电刷和主导地位，但由于直流伺服电动机的结构较复杂，电刷和换向器需经常维护，因此，它逐渐被交流伺服电动机取代。换向器需经常维护，因此，它逐渐被交流伺服电动机取代。如图如图4-26所示，直流伺服电动机及其驱动器的实形图。所示，直流伺服电动机及其驱动器的实形图。 图4-26 直流伺服电动机及其驱动器

16、的实形图第四节第四节 直流伺服电动机直流伺服电动机 一、直流伺服电动机的类型一、直流伺服电动机的类型 直流伺服电动机按励磁方式不同，可分为电磁式和永磁式两种。电磁式采用励磁绕组励磁，永磁式则采用永久磁铁励磁。电磁式按励磁绕组与电枢绕组的连接方式不同，又分为并励、串励和复励三种形式。按电动机转子的转动惯量的不同，又可分为小惯量和大惯量两种。二、直流伺服电动机的结构与工作原理二、直流伺服电动机的结构与工作原理 直流电动机工作原理是建立在电磁力和电磁感应基础上的，带电导体在磁场中受到电磁力的作用。 第四节第四节 直流伺服电动机直流伺服电动机 三、直流电动机的静态特性三、直流电动机的静态特性 当直流电动机的控制电压Ua和负载转矩T不变，电动机的电流Ia和转速n达到恒定的稳定值时，就称电动机处于静态（或稳态），此时直流电动机所具有的特性称为静态特性。它一般包括机械特性（n与T的关系）和调节特性（n与Ua的关系）。 四、直流电动机的调速四、直流电动机的调速 由式（4-11）可知，直流电动机的调速方式有：改变电枢电压Ua；改变励磁电流If以改变磁通；改变电枢回路电阻Ra。 第四节第四节 直流伺服电动机直流伺服电动机 1机械调速特性图4-29 直流电动机的机械调速特性图