伺服驱动系统

1、任务二 伺服驱动系统教学任务：通过本次课的学习，使学生掌握伺服系统的构成、工作原理及典型伺服系统执行元件的工作原理。1.伺服系统在自动控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统。数控机床伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。数控机床伺服驱动系统是CNC装置和机床的联系环节，作用在于接收来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令信号运动，并保证动作的快速和准确。CNC装置发出的控制信息，通过伺服驱动系统，转换成坐标轴的运动，完成程序所规定的操作。伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。伺服驱动系统的作用归纳如下：伺服驱

2、动系统能放大控制信号，具有输出功率的能力；伺服驱动系统根据CNC装置发出的控制信息对机床移动部件的位置和速度进行控制。2.伺服系统组成及工作原理图3-2所示为数控机床进给伺服系统的组成。它是一个双闭环伺服系统，内环是速度环，外环是位置环。速度环中用作速度反馈的检测装置为测速发电机、脉冲编码器等。速度控制单元是一个独立的单元部件，它由速度调节器、电流调节器及功率驱动放大器等各部分组成。位置环是由CNC装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等各部分组成。位置控制主要是对机床运动坐标进行控制，轴控制是要求最高的位置控制。图 3-2伺服系统结构原理图微型计算机；驱动电路；执行元件；传动

3、装置；位置检测元件及反馈电路；测速发电机及反馈电路3步进电动及直流伺服系统1）步进电机的工作原理步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的一种机电式数模转换器。其转子的转角与输入的电脉冲数成正比，它的速度与脉冲频率成正比，而运动方向是由步进电机通电的顺序所决定的。步进电机是一种特殊的电机，一般电机通电后连续旋转，而步进电机则跟随输入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。每一步所转过的角度叫做步距角。步进电机的角位移量和输入脉冲的个数严格地成正比例，在时间上与输入脉冲同步。因此，只需控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组通电相序，便可获得

4、所需的转角、转速及旋转方向。在无脉冲输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于定位状态。图 3-3 步进电机工作原理图2）步进电机驱动图是开环步进伺服系统中步进电机驱动原理图。图中脉冲信号源是一个脉冲发生器，脉冲的频率可以连续调整，送出的脉冲个数和脉冲频率由控制信号进行控制。在CNC系统中由数控装置根据程序控制脉冲个数和脉冲频率。脉冲分配器是将脉冲信号按一定顺序分配，然后送到驱动电路中并进行功率放大，驱动步进电机工作。我们先来介绍脉冲分配器，在下一小节介绍开环步进伺服系统的驱动电路。图 3-4步进电机驱动原理图在开环步进伺服系统步进电机各励磁绕组按一定节拍，依次轮流通电工作，

5、为此，需将控制脉冲按规定通电方式分配到定子各励磁绕组中。完成脉冲分配的功能元件称脉冲分配器。脉冲分配可由硬件实现，也可以用软件完成。4. 交流伺服系统的构成、调整及使用在闭环伺服驱动系统多采用直流伺服电机和交流伺服电机。伺服电机构成的系统常称为伺服驱动系统。伺服驱动系统对伺服电机的要求很高，既要求高精度，又要求动态响应性能好。直流伺服电机同交流伺服电机比较具有容易调速，调速范围大等优点。但是，直流伺服电机结构复杂，造价贵，使用维修不方便。进入年代中期交流伺服驱动系统有取代了直流伺服驱动系统而占据了主导地位的趋势。在交流伺服系统中既可以用交流感应电机也可以用交流同步电机。1）永磁交流伺服电机的结

6、构及工作原理 图3-5永磁交流伺服电机 图3-6永磁交流伺服电机工作原理图1-定子 2-永久磁铁 3-轴向通风孔 4-转轴永磁交流伺服电机结构示意如图3-5和图3-6所示。由图可见，永磁交流伺服电机主要由三部分组成：定子、转子和检测元件。其中定子具有齿槽，内有三相绕组，形状与普通感应电机的定子相同。但其外部表面呈多边形，并且无外壳，这有利于散热，可以避免电机发热对机床精度的影响。转子由多块永久磁铁2等组成，这种结构的优点是气隙磁密较高，极数较多。图是永磁交流伺服电机工作原理简图，图中只画了一对永磁转子，当定子三相绕组通上交流电源后，就产生一个旋转磁场。旋转磁场将以同步转速旋转。根据磁极的同性相斥，异性相吸的原理，定子旋转磁极吸引转子永磁磁极，并带动转子一起同步旋转。当转子加上负载转矩后，将造成定子磁场轴线与转子磁极轴线的不重合，如图3-6中所示的角。随着负载的增加，角也随着增大，当负载减小时，角也随着减小。当负载超过一定极限后，转子不再按同步转速旋转，甚至可能不转。这就是同步电机的失步现象。因此负载极限称为最大同步转矩。2）交流伺服电动机调速原理根据交流电动机工作原理，当电机定子三相绕组通三相交流正弦电源时，将建立旋转磁场，其