数控技术CNC第5章数控机床伺服系统

1、第五章第五章 数控机床伺服系统数控机床伺服系统l重点：重点：l1伺服系统的作用、要求、分类、组成伺服系统的作用、要求、分类、组成l2 常用伺服电机工作原理及其驱动装置特点常用伺服电机工作原理及其驱动装置特点 5-1 5-1 概述概述 一、一、 伺服系统概念伺服系统概念 1. 1. 概念：概念： 数控机床的伺服系统是指数控机床的伺服系统是指以机床移动部件以机床移动部件位移和速度为控制对象的自动控制系统位移和速度为控制对象的自动控制系统。 数控机床伺服系统包括进给伺服驱动系统；数控机床伺服系统包括进给伺服驱动系统；主轴伺服驱动系统。主轴伺服驱动系统。 伺服系统的组成伺服系统的组成 伺服系统由伺服电

2、机、伺服驱动装置、机械伺服系统由伺服电机、伺服驱动装置、机械传动装置、传动装置、位置检测装置等组成位置检测装置等组成。 2 . 伺服系统的基本要求伺服系统的基本要求l1 ） 精度高精度高 伺服系统精度取决于机械传伺服系统精度取决于机械传动精度和伺服系统最小分辨率精度。动精度和伺服系统最小分辨率精度。l2）响应快速）响应快速 响应速度提高，可以减小跟响应速度提高，可以减小跟随误差，一般在随误差，一般在200 ms以内。以内。l3） 稳定性好稳定性好 稳定性直接影响数控加工稳定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。精度和表面粗糙度。l4）调速范围宽）调速范围宽 R=nmax/nmin 进给伺服与进给

3、伺服与主轴范围不一样主轴范围不一样l5 ） 低速大转矩低速大转矩二、伺服系统的组成二、伺服系统的组成l 数控伺服系统由伺服电机（数控伺服系统由伺服电机（M M）、驱动信号控制转换电路、）、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、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（如光电脉冲编码器位置调解单元和相应的检测装置（如光电脉冲编码器G G）等组成。一般闭环伺服系统的结构如图等组成。一般闭环伺服系统的结构如图5.15.1所示。它是一所示。它是一个三环结构系统，其中，外环是位置环，中环是速度环，个三环结构系统，其中，外环是位置环，

4、中环是速度环，内环为电流环。内环为电流环。l 位置环位置环由位置调节控制模块、位置检测和反馈控由位置调节控制模块、位置检测和反馈控制部分组成；制部分组成；l 速度环速度环由速度比较调节器、速度反馈和速度检测由速度比较调节器、速度反馈和速度检测装置（如测速发电机、光电脉冲编码器等）组成；装置（如测速发电机、光电脉冲编码器等）组成；l 电流环电流环由电流调节器、电流反馈和电流检测环节由电流调节器、电流反馈和电流检测环节组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器等组成。功率放大器等组成。 二、伺服系统的组成二、伺服系统的组成三、三、 对伺服电机的要

5、求对伺服电机的要求l1）在调速范围内，具有平稳的运行速度）在调速范围内，具有平稳的运行速度l2）具有较大较长时间的过载能力）具有较大较长时间的过载能力l3）具有较大的启动加速度）具有较大的启动加速度l4）能够承受频繁启动、制动和反转）能够承受频繁启动、制动和反转四四 、 伺服系统的分类伺服系统的分类l1 按控制方式划分：按控制方式划分： 开环控制系统；半闭控制环系统；闭环控开环控制系统；半闭控制环系统；闭环控制系统制系统。l2 按系统中执行元件电动机的类型划分按系统中执行元件电动机的类型划分 （1）步进驱动系统）步进驱动系统 执行元件为步进电机执行元件为步进电机（2）直流伺服驱动系统）直流伺服

6、驱动系统执行元件为直流执行元件为直流伺服电机。伺服电机。 （3）交流伺服驱动系统）交流伺服驱动系统执行元件为交流执行元件为交流伺服电机。伺服电机。 5-2 5-2 步进电机及开环控制系统步进电机及开环控制系统l一一 、 步进电机结构特点及种类步进电机结构特点及种类l步进电机又称为脉冲电机步进电机又称为脉冲电机它的输入既不它的输入既不是交流电，也不是直流电，而是电脉冲。是交流电，也不是直流电，而是电脉冲。l其主要特点：步进电机输出的角位移与输其主要特点：步进电机输出的角位移与输入的脉冲个数成正比，转速与脉冲频率成入的脉冲个数成正比，转速与脉冲频率成正比。正比。l分类：分类：根据其结构和材料大体分

7、为根据其结构和材料大体分为可变磁可变磁阻式（反应式）、永磁式和混合式（永磁阻式（反应式）、永磁式和混合式（永磁感应式）三种基本类型感应式）三种基本类型。按输出扭矩分：。按输出扭矩分：伺服式（功率较小伺服式（功率较小)，功率式，功率式(功率较大）。功率较大）。二二 、 步进电机结构及工作原理步进电机结构及工作原理l 1. 结构与原理结构与原理l 左图为径向分左图为径向分相式三相步进相式三相步进电机。电机。 步进电机工作原理l工作原理：以三相反应式为例步进电动机工作原理步进电动机工作原理p步进电动机（步进电动机（Step MotorStep Motor），是一种用电脉冲信），是一种用电脉冲信号控制

8、，可将电脉冲信号按正比关系转换为角位号控制，可将电脉冲信号按正比关系转换为角位移的执行器。步进电动机的转速与电脉冲频率成移的执行器。步进电动机的转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电动机的转正比，通过改变脉冲频率就可以调节电动机的转速。如果停机后某些相的绕组仍保持通电状态，速。如果停机后某些相的绕组仍保持通电状态，则还具有自锁能力。则还具有自锁能力。p目前，步进电动机主要用于经济型数控机床的进目前，步进电动机主要用于经济型数控机床的进给驱动，一般采用开环控制结构。也有的采用步给驱动，一般采用开环控制结构。也有的采用步进电动机驱动的数控机床同时采用了位置检测元进电动机驱动的数控机床

9、同时采用了位置检测元件，构成了反馈补偿型的驱动控制结构。件，构成了反馈补偿型的驱动控制结构。p 三相步进电动机除了单三拍通电方式外，还经常工作在三三相步进电动机除了单三拍通电方式外，还经常工作在三相六拍通电方式。这时通电顺序为相六拍通电方式。这时通电顺序为AABBBCBAABBBCBCAACAA，或为，或为AABCCBBAAAABCCBBAA。也就是说，先接通。也就是说，先接通A A相绕组；以后再同时接通相绕组；以后再同时接通A A、B B相绕组；然后断开相绕组；然后断开A A相绕组，相绕组，使使B B相绕组单独接通；再同时接通相绕组单独接通；再同时接通B B、C C相绕组，依此进行。相绕组，

10、依此进行。在这种通电方式时，定子三相绕组需经过六次切换才能完在这种通电方式时，定子三相绕组需经过六次切换才能完成一个循环，故称为成一个循环，故称为“六拍六拍”，而且在通电时，有时是单，而且在通电时，有时是单个绕组接通，有时又为两个绕组同时接通，因此称为三相个绕组接通，有时又为两个绕组同时接通，因此称为三相六拍。在这种通电方式时，步进电动机的步距角与单三拍六拍。在这种通电方式时，步进电动机的步距角与单三拍时的情况有所不同。在单三拍通电方式中，步进电动机每时的情况有所不同。在单三拍通电方式中，步进电动机每经过一拍，转子转过的步距角经过一拍，转子转过的步距角3030 。采用单、双六拍通。采用单、双六

11、拍通电方式后，步进电动机由电方式后，步进电动机由A A相绕组单独通电到相绕组单独通电到B B相绕组单独相绕组单独通电，中间还要经过通电，中间还要经过A A、B B两相同时通电这个状态，也就是两相同时通电这个状态，也就是说要经过二拍转子才转过说要经过二拍转子才转过3030。所以这种通电方式下，三。所以这种通电方式下，三相步进电动机的步距角相步进电动机的步距角 。152/30s步进电动机工作原理步进电动机工作原理p 同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时的步距角也同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时的步距角也是不同的。采用单、双拍通电方式时，步距角要比单拍通是不同的。采用单、双拍通电方式时，

12、步距角要比单拍通电方式减少一半。实际使用中，单三拍通电方式由于在切电方式减少一半。实际使用中，单三拍通电方式由于在切换时一相绕组断电而另一相绕组开始通电容易造成失步。换时一相绕组断电而另一相绕组开始通电容易造成失步。此外，由单一绕组通电吸引转子，也容易使转子在平衡位此外，由单一绕组通电吸引转子，也容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行的稳定性较差，所以很少采用。通置附近产生振荡，运行的稳定性较差，所以很少采用。通常将它改成双三拍通电方式，即按常将它改成双三拍通电方式，即按ABBCCAABABBCCAAB的通电的通电顺序运行，这时每个通电状态均为两相绕组同时通电。在顺序运行，这时每个通电状态均为

13、两相绕组同时通电。在双三拍通电方式下步进电动机的转子位置与单、双六拍通双三拍通电方式下步进电动机的转子位置与单、双六拍通电方式时两个绕组同时通电的情况相同。所以步进电动机电方式时两个绕组同时通电的情况相同。所以步进电动机按双三拍通电方式运行时，它的步距角和单三拍通电方式按双三拍通电方式运行时，它的步距角和单三拍通电方式相同，也是相同，也是3030。p反应式步进电动机的转子齿数反应式步进电动机的转子齿数z l步进电动机的步距角：步进电动机的步距角： 步距角指步进电机定子绕组通电状态每改步距角指步进电机定子绕组通电状态每改变一次，转子转过的角度。变一次，转子转过的角度。 z转子的齿数，转子的齿数，

14、k状态系数。状态系数。)1(2mKpzmzk3602.步进电动机特性步进电动机特性p步距角和静态步距误差：步距角和静态步距误差： 步进电动机的步进电动机的步距角步距角是决定开环伺服系统脉冲当是决定开环伺服系统脉冲当量的重要参数，数控机床中常见的反应式步进电量的重要参数，数控机床中常见的反应式步进电动机的步距角一般为动机的步距角一般为0.50.533，一般情况下，一般情况下，步距角越小，加工精度越高。步距角越小，加工精度越高。 静态步距误差静态步距误差指理论的步距角和实际的步距角之指理论的步距角和实际的步距角之差，以分表示，一般在差，以分表示，一般在10/10/之内。步距误差主要之内。步距误差主

15、要由步进电动机齿距制造误差，定子和转子间气隙由步进电动机齿距制造误差，定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成的。不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成的。步距误差直接影响加工精度及步进电动机的动态步距误差直接影响加工精度及步进电动机的动态特性。特性。 步进电动机特性步进电动机特性p起动频率起动频率fq 步进电动机空载时，由静止突然起动，并进步进电动机空载时，由静止突然起动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率值，称入不丢步的正常运行所允许的最高频率值，称为起动频率或突跳频率，用为起动频率或突跳频率，用fqfq表示。若起动时表示。若起动时频率大于突跳频率，步进电动机就不能正常起

16、频率大于突跳频率，步进电动机就不能正常起动。动。fqfq与负载惯量有关，一般说来随着负载惯与负载惯量有关，一般说来随着负载惯量的增长而下降。空载起动时，步进电动机定量的增长而下降。空载起动时，步进电动机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。率。步进电动机特性步进电动机特性p连续运行最高工作频率连续运行最高工作频率fmax：p步进电动机连续运行时，它所能接受的，步进电动机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率值。即保证不丢步运行的极限频率值。fmaxfmax称称为最高工作频率。它是决定定子绕组通电为最高工作频率。它是决定定子绕组通电状

17、态最高变化频率的参数，它决定了步进状态最高变化频率的参数，它决定了步进电动机的最高转速。其值远大于电动机的最高转速。其值远大于fqfq，且随，且随负载的性质和大小而异，与驱动电源也有负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。很大关系。步进电动机特性步进电动机特性p加、减速特性加、减速特性 步进电动机的加、减速特性是描步进电动机的加、减速特性是描述步进电动机由静止到工作频率和由工作频率到述步进电动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，定子绕组通电状态的变静止的加、减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电动机起动到化频率与时间的关系。当要求步进电动机起动

18、到大于突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须大于突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速时间，减速时逐渐下降。逐渐上升和下降的加速时间，减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。这里用加、间不能过小，否则会出现失步或超步。这里用加、减速时间常数减速时间常数TaTa和和TdTd来描述步进电动机的升速和来描述步进电动机的升速和降速特性，如图降速特性，如图5.245.24所示。所示。步进电动机特性步进电动机特性p矩频特性和动态转矩矩频特性和动态转矩 矩频特性描述步进电矩频特性描述步进电动机连续稳定运行时输出转矩与连续运行动机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系，如

19、图所示。该特性上每频率之间的关系，如图所示。该特性上每一频率值对应的转矩称为动态转矩，动态一频率值对应的转矩称为动态转矩，动态转矩随连续运行频率的上升而下降。转矩随连续运行频率的上升而下降。（3）步进电动机的选用）步进电动机的选用p 合理选用步进电动机对开环伺服控制系统相当重要。通合理选用步进电动机对开环伺服控制系统相当重要。通常希望步进电动机的输出转矩大，起动频率和运行频率常希望步进电动机的输出转矩大，起动频率和运行频率高，步距误差小，性能价格比高。但增大转矩与快速运高，步距误差小，性能价格比高。但增大转矩与快速运行存在一定矛盾，高性能与低成本存在矛盾。因此，在行存在一定矛盾，高性能与低成本

20、存在矛盾。因此，在实际选用时必须综合考虑。首先，应考虑系统的精度和实际选用时必须综合考虑。首先，应考虑系统的精度和速度的要求。为了提高精度，希望脉冲当量小。但是脉速度的要求。为了提高精度，希望脉冲当量小。但是脉冲当量越小，系统的运行速度越低。故应兼顾精度与速冲当量越小，系统的运行速度越低。故应兼顾精度与速度的要求来选定系统的脉冲当量。在脉冲当量确定以后，度的要求来选定系统的脉冲当量。在脉冲当量确定以后，又可以此为依据来选择步进电动机的步距角和传动机构又可以此为依据来选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。步进电动机的步距角从理论上说是固定的，的传动比。步进电动机的步距角从理论上说是固定的，但

21、实际上还是有误差的。另外，负载转矩也将引起步进但实际上还是有误差的。另外，负载转矩也将引起步进电动机的定位误差。通常应将步进电动机的步距误差、电动机的定位误差。通常应将步进电动机的步距误差、负载引起的定位误差和传动机构的误差全部考虑在内，负载引起的定位误差和传动机构的误差全部考虑在内，使总的误差小于数控机床允许的定位误差。使总的误差小于数控机床允许的定位误差。步进电动机的选用步进电动机的选用 （4）步进电动机驱动）步进电动机驱动p 步进电动机工作方式：步进电动机的工作方式和一般电动步进电动机工作方式：步进电动机的工作方式和一般电动机的不同，它是采用脉冲控制方式工作的。只有按机的不同，它是采用脉

22、冲控制方式工作的。只有按定规定规律对各相绕组轮流通电，步进电动机才能实现转动。数控律对各相绕组轮流通电，步进电动机才能实现转动。数控机床中采用的功率步进电动机有三相、四相、五相和六相机床中采用的功率步进电动机有三相、四相、五相和六相等。工作方式有单等。工作方式有单m m拍，双拍，双m m拍、三拍、三m m拍及拍及2m2m拍等，拍等，m m是电动是电动机的相数。所谓单机的相数。所谓单m m拍是指每拍只有一相通电，循环拍数拍是指每拍只有一相通电，循环拍数为为m m；双；双m m拍是指每拍同时有两相通电，循环拍数为拍是指每拍同时有两相通电，循环拍数为m m；三；三m m拍是每拍有三相通电，循环拍数为

23、拍是每拍有三相通电，循环拍数为m m拍；拍；2m2m拍是各拍既有拍是各拍既有单相通电，也有两相或三相通电，通常为单相通电，也有两相或三相通电，通常为1212相通电或相通电或2 23 3相通电，循环拍数为相通电，循环拍数为2m2m，步进电动机相数越多，工作方，步进电动机相数越多，工作方式也越多。式也越多。p步进电动机驱动电路步进电动机驱动电路 步进电动机驱动电路p 脉冲分配 采用软件实现。利用查表或计算来进行脉冲的环形分配，简称软环分。表5.3为三相六拍分配状态，可将表中状态代码01H、03H、02H、06H、04H、05H列入程序数据表中，通过软件可顺次在数据表中提取数据并通过输出接口输出即可

24、，通过正向顺序读取和反向顺序读取可控制电动机进行正、反转。通过控制读取一次数据的时间间隔可控制电动机的转速。该方法能充分利用计算机软件资源以降低硬件成本，尤其是对多相的脉冲分配具有更大的优点。但由于软环分占用计算机的运行时间，故会使插补次的时间增加，从而影响步进电动机的运行速度。脉冲分配脉冲分配 采用小规模集成电路搭接而成的三相六拍环形脉冲分配器，如图5.27所示。图中C1、C2、C3为双稳态触发器。这种方式灵活性很大，可搭接任意相任意通电顺序的环形分配器，同时在工作时不占用计算机的工作时间。 脉冲分配 采用专用环形分配器器件，如市售的CH250即为一种三相步进电动机专用分配器。它可以实现三相

25、步进电动机的各种环形分配，使用方便、接口简单。图5.28（a）所示为CH250的管脚，图5.28（b）为三相六拍接线。其工作状态如表5.4所列。计算机三相六拍环形分配表（查表法）步序 导电相 工作状态 数值（16进制） 程序的数据表 正转 反转 CBA A00101H TAB0 DB 01H AB01103H TAB1 DB 03HB01002H TAB2 DB 02HBC11006H TAB3 DB 06HC10004H TAB4 DB 04HCA10105H TAB5 DB 05H5-3 5-3 直流、交流伺服驱动直流、交流伺服驱动 （闭环控制系统）（闭环控制系统）l闭环控制的伺服系统执行

26、元件为直流、交流闭环控制的伺服系统执行元件为直流、交流伺服电机。伺服电机。l一、一、 直流伺服电机直流伺服电机l 直流伺服电机具有良好的调速性能，在以往直流伺服电机具有良好的调速性能，在以往的数控机床上得到广泛使用。直流伺服电机的数控机床上得到广泛使用。直流伺服电机分为有刷和无刷两种基本类型。分为有刷和无刷两种基本类型。l有刷直流伺服电机通常采用永久磁铁做定子有刷直流伺服电机通常采用永久磁铁做定子。而无刷电机而无刷电机转子为永久磁铁转子为永久磁铁，定子为电枢。，定子为电枢。1.直流伺服电动机结构和工作原理直流伺服电动机结构和工作原理p直流伺服电动机主要由定子、转子和电刷三部分直流伺服电动机主要

27、由定子、转子和电刷三部分组成。定子磁场由定子的磁极产生。根据产生磁组成。定子磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式，将直流伺服电动机分为永磁式和电磁场的方式，将直流伺服电动机分为永磁式和电磁式（它励式）。式（它励式）。p永磁式的磁极由永磁材料制成，电磁式（它励式）永磁式的磁极由永磁材料制成，电磁式（它励式）的磁极由冲压硅钢片叠压而成，需要在励磁线圈的磁极由冲压硅钢片叠压而成，需要在励磁线圈中通直流电流才能产生恒定磁场。中通直流电流才能产生恒定磁场。p转子又叫电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线转子又叫电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场使用下产生带动圈，通以直流电时，

28、在定子磁场使用下产生带动负载旋转的电磁转矩。为使所产生的电磁转矩保负载旋转的电磁转矩。为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，需要采用机械方式（电刷、换向片）持恒定方向，需要采用机械方式（电刷、换向片）换向。一般电刷与外加直流电源相接，换向片与换向。一般电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。直流伺服电动机的工作原理与普电枢导体相接。直流伺服电动机的工作原理与普通直流电动机相同，只是为满足快速响应的要求，通直流电动机相同，只是为满足快速响应的要求，结构上细长一些。结构上细长一些。 p电磁式（它励式）和永磁式直流伺服电动机的原电磁式（它励式）和永磁式直流伺服电动机的原理和接线如图所示：理和接线如

29、图所示： 直流伺服电机工作原理图p依据电机学原理，可推导出直流伺服电动机电磁依据电机学原理，可推导出直流伺服电动机电磁转矩转矩T计算公式，即计算公式，即cmcTICIKT二二. 交流伺服电动机交流伺服电动机l直流伺服电机存在机械整流子、电刷维护直流伺服电机存在机械整流子、电刷维护困难，造价高，寿命短、应用环境受限制困难，造价高，寿命短、应用环境受限制的缺点。而交流伺服电机结构简单，耐用的缺点。而交流伺服电机结构简单，耐用可靠，动态响应好，驱动调速技术日益成可靠，动态响应好，驱动调速技术日益成熟。熟。l用三相交流电驱动的伺服电机叫用三相交流电驱动的伺服电机叫AC伺服电伺服电机。机。AC伺服电机按工作原理划分为：永磁伺服电机按工作原理划分为：永磁同步型；异步感应型。同步型；异步感应型。1. 永磁同步型永磁同步型AC伺服电机伺服电机l永磁同步型永磁同步型AC伺服电机，转子用伺服电机，转子用永磁材料制成，定子装有三相对称永磁材料制成，定子装有三相对称绕组，通入三相对称、