激光设备控制技术教材——第一章第十二节讲解

1、第十二节伺服系统一、进给伺服系统概述伺服一词来自英文单词 Servo，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素 包括位置、速度和力矩。在数控机床中伺服系统一般有主轴伺服系统和进给伺服系统。主轴伺服提供加工各类工件所需的切削功率，因此，只需完成主轴调速及正反转功能。但当要求机床有螺纹加工、准停和恒线速加工等功能时，对主轴也提出了相应的位置控制要求，因此，要求其输出功率大，具有恒转矩段及恒功率段，有准停控制，主轴与进给联动。主轴伺服经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动。随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代。而在激光机床设备中，主轴伺服一般由激

2、光器组成。进给伺服系统是以运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，它是一个很典型的机电一体化系统， 主要由位置控制单元、速度控制单元、驱动元件 （电机）、检测与反馈单 元和机械执行部件几个部分组成。机床对进给伺服系统有以下几方面的要求：1. 调速范围要宽调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比，即on maxRn _n1 !min式中，Rn为调速范围，nmax和nmin分别为生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速，一般都指额定负载时的转速（对于少数负载很轻的机械，也可以是实际负载时的转速）。在数控机床中，往往加工刀具、被加工材质以及零件加工要求不冋，为保证在任何情况

3、下都能得到最佳切削条件， 就要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围。实现如此宽的调速范围是伺服系统设计的一个难题。2.输出位置精度要咼为了保证加工出高精度零件，进给伺服系统必须具有足够高的精度。常用的精度指标是定位精度和零件的综合加工精度：定位精度是指工作台或刀架由某点移到另一点时，指令值与实际移动距离的最大差值；综合加工精度是指最后加工出来的工件尺寸与所要求尺寸的误 差。伺服系统要具有较好的静态特性和较高的伺服刚度，才能达到较高的定位精度，以保证机床具有较小的定位误差与重复定位误差（目前进给伺服系统的分辨率可达1或0.1 ，甚至0.01 ）。同时伺服系统还要具有较好的动态性能，以保证机床具有较

4、高的轮廓跟随精度。影 响伺服系统工作精度的参数很多，关系也很复杂，因数控装置的精度完全能满足机床的精度要求，故机床本身精度，尤其是伺服传动机构和伺服执行机构的精度是影响伺服系统工作精 度的主要因素。3低速大扭矩根据机床的加工特点，经常在低速进行重切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出， 这就要求动力源尽量靠近机床的执行机构，从而可缩短进给驱动的传动链，使传动装置的机械部分结构简化，系统刚性增加，从而也使传动装置的动态质量和中间传动的运动精度得到 提高。4.响应速度快且无超调为了提高生产率和保证加工质量，在启、制动时，要求加、减速加速度足够大，以缩短 伺服系统的过渡过程时间 （一般电动机的速度

5、从零变到最高转速，或从最高转速降至零的时间小于200 ms）,减小轮廓过渡误差。一般说来，系统增益大，时间常数小，响应快，但是 加大系统增益将增大超调量，延长调节时间，使过渡过程性能指数下降，甚至造成系统不稳定；若减小系统增益，又会增加稳态误差。 这就要求伺服系统要能快速响应，但又不能超调，否则将形成过切，影响加工质量。所以应当适当选择系统增益，以便获得合理的响应速度。同时，当负载突变时，要求速度的恢复时间也要短，且不能有振荡，这样才能得到光滑的加 工表面。5 稳定性好稳定性是伺服系统能否正常工作的前提，特别要求数控机床在低速进给情况下不产生爬行现象，并要求负载变化而不产生共振。稳定性与系统的

6、惯性、刚性、阻尼及增益等有关， 应适当选择上述各项参数，以达到最佳工作性能。对数控机床伺服系统，影响机床加工过程 的伺服特性是稳态特性，而影响稳态特性的两个重要参数是系统增益和伺服刚度。二、伺服系统的分类伺服系统按其驱动元件划分有步进式伺服系统、直流电动机伺服系统、交流电动机伺服系统等；按控制方式划分有开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统等。数控系统也分为开环、闭环和半闭环三种类型，就是与伺服系统的这三种方式相关。1. 开环系统开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，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，高速扭矩小，主要用于中、低档数控机床及普通机 床。

7、开环系统的特点是没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置t进给系统），故系统稳定性好。图1-55是开环伺服系统的组成框图。图1-55 开环伺服系统框图2. 闭环系统闭环系统主要有执行元件、检测元件、比较环节、驱动电路和被控对象五部分组成。其构成款图如图1-56所示。在闭环系统中，检测单元将被控对象移动部件的实际位置检测出 来并转换成电信号反馈给比较和控制单元。常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和编码器等。通常我们把安装在电机轴端的检测单元组成的伺服系统称为半闭环系统，而把安装在被控对象上的检测单元组成的伺服系统称为闭环系统。由于电机轴端和被控对象之间传动误差的存在，半闭环伺服

8、系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些。:位置控制单元 CNCffi !+补因一指令1图1-56闭环伺服系统框图楡测与反懺傥且控制调节 器际度馈实速反:机械执行部件际K馈实位反比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随 误差，经驱动电路、执行元件带动工作台继续移动，直到跟随误差为零。由于比较环节输出的信号比较微弱，不足以驱动执行元件，故需对其进行放大，驱动 电路为此而设的。执行元件的作用是根据控制信号将表示位移的电信号转换为机械位移的部件。常用的 执行元件有直流宽调速电机、交流电动机等。三、步进电机工作原理步进电动机又称脉冲电动机。对应每一个指令脉冲，步进电机就

9、旋转一个规定角度(步距角)。步进电机外观和内部结构如图1-57所示。(a)步进电机外观帘于转干1出力轴转予2(b)步进电机内部结构A相c+gQ相E用图1-57 步进电机步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。步进电机的特点是：来一个脉冲，转 一个步距角。控制脉冲频率，可控制电机转速。改变脉冲顺序，改变方向。我们以三相 步进电机为例说明其结构和工作方式步进电机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成。图1-58步进电机的结构图1-58是最常见的三相反应式步进电动机的剖面示意图。电机的定子上有六个均布的 磁

10、极，其夹角是600。各磁极上套有线圈，连成 A、B、C三相绕组。转子上均布 40个小齿。 所以每个齿的齿距为0 E=360o/40=9o而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。由于定子和转子的小齿数目分别是30和40,其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐，如图1，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3q因此，B、C极下的磁阻比A磁极下的磁阻大。若给 B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到B磁极上的齿与转子齿

11、对齐，恰好转子转过30；此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。接着停止对 B相绕组通电，而改为 C相绕组通电，同理受反应转矩的作用， 转子按顺时针方向再转过 3a依次类推，当三相绕组按At Bt CA顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉冲转动3o的规律步进式转动起来。若改变通电顺序，按At Ct BtA顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动30的规律转动。因为每一瞬间只有一相绕组通电，并且按三种通电状态循环通电，故称为单三拍运行方式。单三拍运行时的步矩角0 b为30c。三相步进电动机还有两种通电方式，它们分别是双三拍运行，即按A4 BCT Cat AB顺

12、序循环通电的方式，以及单、双六拍运行，即按At ABt Bt BCt Ct CAtA顺序循环通电的方式。六拍运行时的步矩角将减小一半。反应式步进电动机的步距角可按下式计算：0 b=360o/NEr式中 Er 转子齿数；N运行拍数，N=km , m为步进电动机的绕组相数，k=1或2。四、交流伺服电动机原理伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W 三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似。如图

13、1-59 所示其定子上装有两个位置互差 90°的绕组，一个是励磁绕组 Rf,它始终接在交流电压 Uf上； 另一个是控制绕组 L,联接控制信号电压 Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。图1-59交流伺服电动机示意图交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0

14、.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子。空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。交流伺服电动机在没有控制电压时， 定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场， 转子静止不 动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化， 当控制电压的相位相反时， 伺服电动 机将反转。交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点：1. 起动转矩大由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图1-60中曲线1所示

15、，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率S。1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压， 转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。图1-60伺服电动机的转矩特性2. 运行范围较广如图1-60所示，较差率 S在0到1的范围内伺服电动机都能稳定运转。3无自转现象正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控 制电压后，它处于单相运行状态， 由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与 转子作用所产生的两个转矩特性（T1 S1、T2 S2曲线）以及合成转矩特性 （T S曲线）6

16、如图1-61所示，与普通的单相异步电动机的转矩特性（图中T' S曲线）不同。这时的合成转矩T是制动转矩，从而使电动机迅速停止运转。7图1-62是伺服电动机单相运行时的机械特性曲线。负载一定时，控制电压Uc愈高，转速也愈高，在控制电压一定时，负载增加，转速下降。交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。当电源频率为50Hz,电压有36V、110V、220、380V ;当电源频率为 400Hz，电压有20V、26V、36V、115V等多种。不同类型的交流伺服电动机具有不同的特点。笼型转子交流伺服电动机具有励磁电流较小、体积较小、机械强度高等特点；但是低速运行不够平稳，有抖动现象。空心

17、杯形转子交 流伺服电动机具有结构简单、维护方便、转动惯量小、运行平滑、噪声小、没有无线电干扰、 无抖动现象等优点；但是励磁电流较大， 体积也较大，转子易变形，性能上不及直流伺服电动机。交流伺服电动机运行平稳、噪音小。 但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大， 损耗 大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比， 体积大、重量重，所以只适用于0.5-100W 的小功率自动控制系统中，频率有 50Hz、400Hz等多种。五、交流伺服系统的控制方式交流伺服控制器主要由速度控制器、电流控制器和PWM生成电路组成。控制方式上交流伺服控制用脉冲串和方向信号实现。交流伺服控制系统有三种控制方式：速度控制、转

18、矩控制和位置控制。伺服系统内部有三个控制环：电流环、速度环、位置环。速度控制、转矩控制和位置控制三种控制方式分别基于以上三个控制环。1. 基于电流环的转矩控制方式它是最内环。此环完全在伺服驱动器内部进行， 通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相 的输出电流，负反馈给电流的设定进行 PID调节，从而达到输出电流尽量接近等于设定电 流，电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最快。2. 基于速度环的速度控制方式通过检测的电机编码器的信号来进行负反馈PID调节，它的环内 PID输出直接就是电流环的设定，所以速度环控制时就包含了速度环和电流环，换句话说任何模式都必须使用电流环，

19、电流环是控制的根本，在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流（转矩）的控制以达到对速度和位置的相应控制。3. 基于位置环的位置控制方式它是最外环，可以在驱动器和电机编码器间构建也可以在外部控制器和电机编码器或最 终负载间构建，要根据实际情况来定。 由于位置控制环内部输出就是速度环的设定，位置控制模式下系统进行了所有三个环的运算，此时的系统运算量最大，动态响应速度也最慢。六、伺服驱动器的基本参数伺服驱动器的主要参数有位置比例增益、速度比例增益、 PID 参数、惯量比等。1. 位置比例增益设定位置环调节器的比例增益。 设置值越大， 增益越高， 刚度越大，相同频率指令脉冲 条件下， 位置滞后量越小

20、。 但数值太大可能会引起振荡或超调。 参数数值由具体的伺服系统 型号和负载情况确定。2. 位置前馈增益设定位置环的前馈增益。 设定值越大时， 表示在任何频率的指令脉冲下， 位置滞后量越 小位置环的前馈增益大， 控制系统的高速响应特性提高， 但会使系统的位置不稳定， 容易产 生振荡。不需要很高的响应特性时，本参数通常设为 0 表示范围： 0100% 。3. 速度比例增益 设定速度调节器的比例增益。设置值越大，增益越高，刚度越大。 参数数值根据具体的 伺服驱动系统型号和负载值情况确定。一般情况下，负载惯量越大，设定值越大。 在系统不 产生振荡的条件下，尽量设定较大的值。4. 速度积分时间常数 设定

21、速度调节器的积分时间常数。 设置值越小， 积分速度越快。 参数数值根据具体的伺 服驱动系统型号和负载情况确定。一般情况下，负载惯量越大，设定值越大。在系统不产生 振荡的条件下，尽量设定较小的值。 。5. 速度反馈滤波因子 设定速度反馈低通滤波器特性。 数值越大，截止频率越低，电机产生的噪音越小。 如果 负载惯量很大，可以适当减小设定值。数值太大，造成响应变慢，可能会引起振荡。数值越 小，截止频率越高，速度反馈响应越快。如果需要较高的速度响应，可以适当减小设定值。6. 最大输出转矩设置 设置伺服驱动器的内部转矩限制值。 设置值是额定转矩的百分比， 任何时候， 这个限制 都有效定位完成范围设定位置

22、控制方式下定位完成脉冲范围。 本参数提供了位置控制方式下 驱动器判断是否完成定位的依据， 当位置偏差计数器内的剩余脉冲数小于或等于本参数设定 值时，驱动器认为定位已完成，到位开关信号为 ON ，否则为 OFF。在位置控制方式时，输出位置定位完成信号，加减速时间常数设置值是表示电机从 02000r/min 的加速时间或从 20000r/min 的减速时间。加减速特性是线性的到达速度范围 设置到达速度在非位置控制方式下， 如果伺服电机速度超过本设定值， 则速度到达开关信号 为ON，否则为 OFF。在位置控制方式下，不用此参数。与旋转方向无关。7. 手动调整增益参数调整速度比例增益 KVP 值。当伺

23、服系统安装完后，必须调整参数，使系统稳定旋转。 首先调整速度比例增益 KVP 值调整之前必须把积分增益 KVI 及微分增益 KVD 调整至零， 然后将 KVP 值渐渐加大； 同时观察伺服电机停止时足否产生振荡， 并且以手动方式调整 KVP 参数，观察旋转速度是否明显忽快忽慢 KVP 值加大到产生以上现象时，必须将 KVP 值往 回调小，使振荡消除、旋转速度稳定。此时的 KVP 值即初步确定的参数值。如有必要，经K W和KVD调整后，可再作反复修正以达到理想值。调整积分增益 KW值。将积分增益 KVI值渐渐加大，使积分效应渐渐产生。由前述对积分控制的介绍可看出， KVP 值配合积分效应增加到临界

24、值后将产生振荡而不稳定，如同 KVP 值一样，将 KVI 值往回调小，使振荡消除、旋转速度稳定。此时的 KVI 值即初步确定 的参数值。调整微分增益KVD值。微分增益主要目的是使速度旋转平稳，降低超调量。因此，将 KVD值渐渐加大可改善速度稳定性。调整位置比例增益 KPP值。如果KPP值调整过大，伺服电机定位时将发生电机定位超 调量过大，造成不稳定现象。此时，必须调小KPP值，降低超调量及避开不稳定区；但也不能调整太小，使定位效率降低。因此，调整时应小心配合。8自动调整增益参数现代伺服驱动器均已微计算机化，大部分提供自动增益调整(autotuning)的功能，可应付多数负载状况。在参数调整时，

25、可先使用自动参数调整功能，必要时再手动调整。事实上，自动增益调整也有选项设置，一般将控制响应分为几个等级，如高响应、中响应、 低响应，用户可依据实际需求进行设置。七、电液伺服系统简介电液伺服系统是在液压控制系统的基础上发展出来的。电液伺服系统通过使用电液伺服阀，将小功率的电信号转换为大功率的液压动力，从而实现了一些重型机械设备的伺服控制。电液伺服系统综合了电气和液压两方面的特长，具有控制精度高、响应速度快、输出功率大、信号处理灵活、易于实现各种参量的反馈等优点。电液伺服系统的结构如图1-63所液压源被控制对象 !Q亠液压执 远生控制示。Ug -、Ue 伺服r放大器Ufl馈元件图1-63电液伺服

26、系统组成框图电液伺服系统的分类方法很多， 可以从不同角度分类， 如电液位置控制系统、 电液速度 控制系统、力控制系统等；阀控系统、泵控系统；大功率系统、小功率系统；开环控制系统、 闭环控制系统等。根据输入信号的形式不同，又可分为模拟伺服系统和数字伺服系统两类。相对电气伺服系统电液伺服系统有如下的优点：优点：1 液压执行机构的动作快，换向迅速。2 液压执行机构的体积和重量远小于相同功率的机电执行机构的体积和重量。3液压执行机构传动平稳、抗干扰能力强，特别是低速性能好，而机电系统的传递平 稳性较差，而且易受到电磁波等各种外干扰的影响。4. 液压执行机构的调速范围广，功率增益高。当然也存在一些缺点：

27、1 液压伺服系统的结构复杂、加工精度高，成本高。2. 温度敏感。3 漏油是液压系统的弱点，它不仅污染环境，而且容易引发火灾。液压油易受污染， 并可造成执行机构堵塞。八、伺服系统的抗干扰设计伺服系统中干扰类型和途径一般有如下几种，其抗干扰的方法也不相同。1 来自空间的干扰(辐射干扰)对付辐射干扰最为有效的措施就是金属屏蔽。2 来自系统配线的干扰（传导干扰）对付传导干扰的有效措施就是采用电源滤波器、隔离电源、屏蔽电缆、以及合理和可 靠的接地来解决问题。理和可靠的接地来解决问题。抗干扰的常用方法有以下几种：1.合理设计和安装电气控制柜合理设计和安装电气控制柜有如下要求：使用金属材料；合理布局，变频器

28、、 伺服驱动器安装在柜子底部， 用接地金属板隔离， 或者独立安装在金属柜中；元器件间留有间距，利 于通风散热；配电柜中强弱电分离，动力线和信号线分离；AC接触器和DC继电器安装要远离I/O部件和信号电缆2 合理设计动力电源电路合理设计动力电源电路可以采用隔离变压器，增加设备的抗干扰能力。 采用独立的控制变压器提供控制电压。3. 正确接地接地的目的有两个：一是为了安全；二是为了抑制干扰地线的连接方式不当 ，会引起地环 流。地环流在屏蔽线内部产生电磁场 ，进而干扰屏蔽线，造成信号的失真。图1-64为正确的接 地方式，坚决避免串联接地。图1-64并联接地4、使用EMI滤波器采用EMI滤波器抗干扰时要

29、注意，伺服驱动器及EMI滤波器都必须要安装在同一块金属平面上。伺服驱动器及EMI滤波器安装时，请尽量将伺服驱动器安装在 EMI滤波器之上。 配线尽可能的缩短。金属平面要有良好的接地。小结直流电机是直流电能和机械能相互转换的一种旋转电机。直流电机的工作原理是建立 在电磁感应原理和电磁力定律的基础上的，它赖以实现机电能量转换的媒介是气隙磁场。 任何一台直流电机既可作为发电机运行，也可以作为电动机运行，这就是直流电机运行的 可逆性。常用的直流电机是换向器式电机，直流电机电枢旋转时，从电机外部看，它的电压、电流和电动势都是直流， 但是每个线圈中的电压、 电流和电动势都是交流。 这种交直流之间的 转换是通过换向器和电刷的配合作用实现的。直流电机由定子和转子两大部分组成，定子部分包括主磁极、机座、换向极、电刷装置、端盖等。转子部分包括转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器等。定子的作用是建立主磁场和 进行机械固定。转子的作用是产生电动势，流过电流，产生电磁转矩。额定值是电机长期运行时允许的各物理量的值。直流电机的额定值主要有额