第1章 伺服系统概述

1、嘉兴学院嘉兴学院jaxing University主讲 张今朝相关专业课程相关专业课程1.电机学电机学2.电力拖动与控制基础电力拖动与控制基础.3. 电力电子技术电力电子技术. 4. 自动控制原理自动控制原理5.积分变换积分变换.7.单片机原理与应用单片机原理与应用8.计算机控制技术计算机控制技术.9.DSP控制技术控制技术成绩划分：成绩划分：考试成绩考试成绩=30%平时平时+70%期期末末1.10%课堂表现课堂表现2.10%实验创新实验创新3.10%作业作业+期中考试期中考试主要参考课程主要参考课程 1.单片机原理与应用单片机原理与应用 第第2版版 赵德安赵德安 主编主编 机械工业出版社机械

2、工业出版社2. 交流伺服电机及其控制交流伺服电机及其控制 寇宝泉寇宝泉 程树康程树康 编著编著 机械工业出版社机械工业出版社第一章第一章 概论概论第一节第一节 伺服系统的作用及组成伺服系统的作用及组成第二节第二节 伺服系统的基本要求和特点伺服系统的基本要求和特点第三节第三节 伺服系统的分类伺服系统的分类补充及引言补充及引言l伺服概念：伺服概念：l这是英文这是英文servo的谐音，念起来与外文的伺服发音的谐音，念起来与外文的伺服发音差不多。但伺服这个字就是差不多。但伺服这个字就是“侍候侍候”，就是非常，就是非常听话，让走到哪，就走到哪。听话，让走到哪，就走到哪。l 在数控机床中，由计算机发出在数

3、控机床中，由计算机发出指令脉冲指令脉冲，让哪，让哪一个驱动电动机拖着工作台动，这一台电动机就一个驱动电动机拖着工作台动，这一台电动机就动，而且这台电动机的运动速度、运动的距离，动，而且这台电动机的运动速度、运动的距离，完全按着计算机的指令行事，非常准确无误地完完全按着计算机的指令行事，非常准确无误地完成指令要求的任务。成指令要求的任务。l很显然，伺服系统所以能作到这一点，也是非很显然，伺服系统所以能作到这一点，也是非常不容易的。因为电动机拖着一个重量很重的常不容易的。因为电动机拖着一个重量很重的工作台，而且摩擦力随着季节、新旧程度、润工作台，而且摩擦力随着季节、新旧程度、润滑状态等因素而变化，

4、控制了一个稳定速度，滑状态等因素而变化，控制了一个稳定速度，精确定位，可以想象其难度之大。精确定位，可以想象其难度之大。数控机床相关数控机床相关( (补充补充) ) 第一台数控机床是第一台数控机床是1952年美国年美国PARSONS公司与麻省理工学公司与麻省理工学院（院（MIT）合作研制的三坐标数控铣床，）合作研制的三坐标数控铣床，它综合应用了电它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结构等多方面的技术成果，可用于加工复杂曲面零件。构等多方面的技术成果，可用于加工复杂曲面零件。 数控机床的发展先后经历了电子管（数控机床的发

5、展先后经历了电子管（1952年）、晶体管（年）、晶体管（1959年）、小规摸集成电路（年）、小规摸集成电路（1965年）、大规模集成电年）、大规模集成电路及小型计算机（路及小型计算机（1970年）和微处理机或微型机算机（年）和微处理机或微型机算机（1974年）等五代数控系统。年）等五代数控系统。l中国中国1958年第一台数控机床年第一台数控机床（一）数控机床的制造（一）数控机床的制造（二）数控机床的发展趋势（二）数控机床的发展趋势1 高速化高速化 ：采用高速的：采用高速的32位以上的微处理器，可提位以上的微处理器，可提高数控系统的分辨率及实现连续小程序段的高速高数控系统的分辨率及实现连续小程序

6、段的高速、高精加工。日本产的、高精加工。日本产的FANUC15系统开发出系统开发出64位位CPU系统，能达到最小移动单位系统，能达到最小移动单位0.1um时，最大时，最大进给速度为进给速度为100m/min。2 多功能化多功能化3 智能化：引进了自适应控制技术智能化：引进了自适应控制技术.自适应控制（自适应控制（Adaptive Control，简称，简称AC）技术是能调节在加）技术是能调节在加工过程中所测得的工作状态特性，且能使切削过工过程中所测得的工作状态特性，且能使切削过程达到并维持最佳状态的技术。程达到并维持最佳状态的技术。4 高精度化：通过减少数控系统误差和采用补偿技高精度化：通过减

7、少数控系统误差和采用补偿技术可提高数控机床的加工精度。术可提高数控机床的加工精度。5 高可靠性：通过提高数控系统的硬件质量，采用高可靠性：通过提高数控系统的硬件质量，采用模块化、标准化和通用化来提高其可靠性。模块化、标准化和通用化来提高其可靠性。 （三）、（三）、 数控技术的基本概念数控技术的基本概念1 数字控制（数字控制（Numerical Control)，简称，简称NC，它是采用数字，它是采用数字化信息实现加工自动化的控制技术，用数字化信号对机床化信息实现加工自动化的控制技术，用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的运动及其加工过程进行控制的机床称作数控机床。的机床称作数控机床。

8、2 NC机床：早期的数控机床的机床：早期的数控机床的NC装置是由各种逻辑元件、装置是由各种逻辑元件、记忆元件组成随机逻辑电路由硬件来实现数控功能，称作记忆元件组成随机逻辑电路由硬件来实现数控功能，称作硬件数控，用这种技术实现的数控机床称作硬件数控，用这种技术实现的数控机床称作NC机床机床。3 CNC 机床：现代数控系统采用微处理器或专用微机的数控机床：现代数控系统采用微处理器或专用微机的数控系统（系统（Computerized Numerical Control）由事先存放在）由事先存放在存储器里的系统程序（软件）来实现控制逻辑，实现部分存储器里的系统程序（软件）来实现控制逻辑，实现部分或全部

9、数控功能，并通过接口与外围设备进行联接，这样或全部数控功能，并通过接口与外围设备进行联接，这样的机床称作的机床称作CNC机床机床。（四）、（四）、 数控机床的组成及工作原理数控机床的组成及工作原理 1 工作原理工作原理图纸存储介质数控装置输入输出CNC装置伺服驱动装置伺服系统执行机构切削驱动装置机床主体检测装置2 组成组成（1）程序的存储介质（纸带、磁带或磁盘等）程序的存储介质（纸带、磁带或磁盘等）（2）输入输出装置）输入输出装置（3）数控装置（是数控机床的核心，接受脉冲信）数控装置（是数控机床的核心，接受脉冲信号经过译码、运算和逻辑处理将指令信息输出号经过译码、运算和逻辑处理将指令信息输出给

10、伺服系统，使设备按轨定的动作执行）给伺服系统，使设备按轨定的动作执行）（4）伺服装置（是数控机床执行机构的驱动部件）伺服装置（是数控机床执行机构的驱动部件，作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机，作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床执行部件的运动）床执行部件的运动） （5）检测反馈装置（作用是对机床的实际运动速度）检测反馈装置（作用是对机床的实际运动速度、方向、位移量以及加工状态加以检测并将结果、方向、位移量以及加工状态加以检测并将结果反馈给数控装置，计算出与指令位移之间的偏差反馈给数控装置，计算出与指令位移之间的偏差并发出纠正误差指令）并发出纠正误差指令）（6）机床主体（是加工运动的实际

11、机械部件，主要）机床主体（是加工运动的实际机械部件，主要包括主运动部件、进给运动执行部件如工作台、包括主运动部件、进给运动执行部件如工作台、拖板、刀架，和支承部件如床身、立柱等，还有拖板、刀架，和支承部件如床身、立柱等，还有冷却、润滑、转位部件、夹紧、换刀机械手等辅冷却、润滑、转位部件、夹紧、换刀机械手等辅助装置。助装置。（3）轮廓控制系统轮廓控制系统（Contour Control）是对两个）是对两个或两个以上的坐标轴同时进行连续控制，并能对或两个以上的坐标轴同时进行连续控制，并能对机床移动部件的位移和速度进行严格的控制，即机床移动部件的位移和速度进行严格的控制，即要控制加工的轨迹，加工出要

12、求的轮廓。其运动要控制加工的轨迹，加工出要求的轮廓。其运动轨迹是轨迹是任意斜率的直线、圆弧、螺旋线任意斜率的直线、圆弧、螺旋线等。等。（五）、数控机床的分类（五）、数控机床的分类 1 按工业用途分类按工业用途分类（1）数控车床（）数控车床（ NC Lathe） （2）数控铣床）数控铣床(NC Milling Machine)（3）数控钻床）数控钻床(NC Drilling Machine) （4） 数控镗床数控镗床(NC Boring Machine)（5）数控齿轮加工机床）数控齿轮加工机床(NC Gearing Holding Machine)（6）数控平面磨床）数控平面磨床(NC Surf

13、ace Grinding Machine)（7）数控外圆磨床）数控外圆磨床(NC External Cylindrical Grinding Machine)（8）数控轮廓磨床）数控轮廓磨床(NC Contour Grinding Machine)（9）数控工具磨床）数控工具磨床(NC Tool Grinding Machine)（10）数控坐标磨床）数控坐标磨床(NC Jig Grinding Machine)（11）数控电火花加工机床）数控电火花加工机床(NC Dieseling Electric Discharge Machine)（12）数控线切割机床）数控线切割机床(NC Wire

14、Discharge Machine)（13）数控激光加工机床）数控激光加工机床(NC Laser Beam Machine) （14）数控冲床）数控冲床(NC Punching Press) （15）加工中心）加工中心(Machine Center)（16）数控超声波加工机床）数控超声波加工机床NC Ultrasonic Machine) （17）其他（如三坐标测量机等）其他（如三坐标测量机等）2 按运动方式分类按运动方式分类 （1）点位控制系统点位控制系统（Positioning Control）只控制刀具从）只控制刀具从一点到另一点的位置，而不控制移动轨迹，在移动过程一点到另一点的位置，而

15、不控制移动轨迹，在移动过程中刀具不进行切削加工。中刀具不进行切削加工。 刀具的三种路径刀具的三种路径 （1） （2） （3）（2）直线控制系统直线控制系统（Straight-line Control）是控）是控制刀具或机床工作台以给定的速度，沿平行于某一制刀具或机床工作台以给定的速度，沿平行于某一坐标轴方向，由一个位置到另一个位置的精确移动坐标轴方向，由一个位置到另一个位置的精确移动，并且在移动过程中进行直线切削加工。，并且在移动过程中进行直线切削加工。(2014年)据美国电气和电子工程师协会（IEEE）统计，目前世界各地已经部署了100多万台各种工业机器人。其中，在机器人数量位列世界第一的日

16、本，其工业机器人的规模将近40万台，整整占据了全球40%的比例。但日本政府并未止步，他们打算在2025年左右，将工业机器人使用量提高到100万台。 东莞市机器人技术协会副会长罗百辉认为，国内工业机器人行业已经步入黄金发展期。作为劳动力成本快速上升和产业结构调整升级带来的令人惊喜的“副产品”，机器人替代人工劳动力成为了行业快速发展的催化剂，并且使得产业的经济性拐点加速到来。目前，工业机器人在国内尚处于起步阶段，但未来发展空间无比巨大，相关项目产品具备广阔的市场前景。 目前，中国是全球机器人行业增长最快的市场。数据显示2012年中国工业机器人销量达到了2.7万台，虽然落后于日本，但预测数据表明，国

17、内的高增长将使得中国在未来两年内超越日本，成为世界上最大的工业机器人市场。国际机器人联合会（IFR）也预计中国也将会在2014年成为最大的工业机器人市场。( (工业工业) )机器人及伺服系统机器人及伺服系统机器换人机器换人 伺服系统（servo mechanism）又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服系统是工业控制领域重要的一部分，下面是在中国伺服系统领域的十大企业，排名不分先后。1、深圳市汇川技术股份有限公司、深圳市汇川技术股份有限公司深圳汇川成立于成

18、立于2003年4月，并于2010年9月28日在A股创业板成功上市（股票简称：汇川技术，股票代码:300124）。上市发行股票2700万股，募集资金总额19.41亿元，目前公司市值约120亿元。 2、安川电机（中国）有限公司、安川电机（中国）有限公司安川电机（中国）有限公司是安川电机在中国的总公司，前身为安川电机在上海市的销售子公司，与2011年向该子公司增资成立“安川电机（中国）有限公司”总公司，统一管理位于上海、北京、辽宁省沈阳市的六家子公司，并在管理、销售、生产方面实现相互协作。安川电机的驱动控制事业部把多样的革新及世界最新技术整合到变频器之中并进行了产品化,取得了行业的领先地位。这些最尖

19、端的技术作为世界标准已经渗透到各个领域，而变频器的品质、性能、功能享誉于世界，由此确保了全球No.1的市场份额。3、北京发那科机电有限公司、北京发那科机电有限公司北京发那科机电有限公司是由北京机床研究所与日本FANUC公司于1992年共同组建的合资公司，专门从事机床数控装置的生产、销售与维修。注册资金1130万美元，美国GE-Fanuc和北京实创开发总公司各参股10%，中外双方股比各占50%。4、卧龙电气集团股份有限公司、卧龙电气集团股份有限公司卧龙电气集团股份有限公司（股票代码：600580），地处长三角中心区域-浙江省上虞经济开发区。公司现有4个事业部、8家控股子公司。控股子公司包括有与全

20、球500强日本松下合资经营的家用电机公司、与意大利欧力合资经营的欧力卧龙振动机械有限公司等，目前已拥有浙江上虞、浙江绍兴、浙江杭州、宁夏银川、湖北武汉、北京六大生产基地、六大产业园区，具备了年产上亿台的生产能力。5、深圳市英威腾电气股份有限公司、深圳市英威腾电气股份有限公司深圳市英威腾电气股份有限公司成立于2002年，致力于成为全球领先、受人尊敬的电气传动、工业控制、新能源领域的产品与服务供应商。英威腾是国家火炬计划重点高新技术企业，目前拥有11家控股子公司，依托于电力电子、自动控制、电机控制、节能环保、物联网、信息化等关键技术的掌握，主要产品涵括高、中、低压变频器、电梯智能整体机、伺服系统、

21、PLC、HMI、电机和电主轴、SVG、UPS、光伏逆变器等。英威腾现有员工1600多人，大型生产基地4个，营销网络遍布国内及海外60多个国家和地区。6、大连电机集团有限公司、大连电机集团有限公司大连电机集团有限公司的前身是大连电机厂，是改制而成的股份制企业，成立于1946年，是一家电机与拖动、控制与驱动产品的开发、设计、制造、销售的技术型专业公司。是中国第一台变频电机的诞生地，是中国电机行业质量金奖的唯一获得者。大连电机有限公司现有职工近2000人，包含200名工程技术人员，是一支具有专业精深技术背景和长期实践经验的年轻的知识性团队。 1)开发出具有现在最新技术水准的YSFZ/YSFJ系列交流

22、伺服电机和DMS系列交流永磁伺服控制器并且已经广泛用于各种数控机床的伺服主轴和进给系统;2）从日本引进永磁伺服电机的制造技术与工艺，经提高、再创新后,新一代的交流永磁伺服电机业开始进入市场；3)在特殊伺服电机方面,我公司为机床行业开发了多种助理电机以及高速伺服电机和低频低速大扭矩伺服电机等等（10HZ、15HZ、20HZ、25HZ）。4）伺服控制类主轴伺服电机销售量在国内市场占有率第一；5)电站风冷岛变频调速电机市场占有率第一,达95%以上（全世界只有西门子,ABB和大连电机厂生产）；6）数控车床用低频大扭矩矢量控制型变频调速电机占有率第一。7)隔爆式直驱式螺杆泵伺服电机8）电动汽车专用电机7

23、、广州数控设备有限公司、广州数控设备有限公司广州数控(GSK)中国南方数控产业基地，广东省20家重点装备制造企业之一，国家863重点项目中档数控系统产业化支撑技术承担企业，拥有全国最大的数控机床连锁超市。公司秉承科技创新、追求卓越品质，以提高用户生产力为先导，以创新技术为动力，为用户提供GSK全系列机床控制系统、进给伺服驱动装置和伺服电机、大功率主轴伺服驱动装置和主轴伺服电机等数控系统的集成解决方案，积极推广机床数控化改造服务，开展数控机床贸易。GSK是国内最大的机床数控系统研发、生产基地、科研开发人员800多人、年投入科研经费占销售收入8%以上，年新产品收入占总销售的75%以上。GSK拥有国

24、内一流的生产设备和工艺流程，年产销数控系统连续10年全国第一，占国内同类产品市场的1/2份额。8、罗克韦尔自动化制造（上海）有限公司、罗克韦尔自动化制造（上海）有限公司罗克韦尔自动化制造（上海）有限公司成立于2004年6月，其母公司为罗克韦尔自动化有限公司总部位于美国威斯康星州密尔沃基市，在全球80多个国家设有分支机构，现有雇员约22,000人。其在伺服系统领域具有强大的优势，它的产品有ABMicroLogix1500可编程序控制器ABPowerFlex7000中压变频器ABPowerFlex6000中压变频器ABPowerFlex4交流变频器ABPowerFlex700交流变频器ABProc

25、essLogix过程控制系统AB设备网（DeviceNet）网络AB智能马达控制器9、珠海松下马达有限公司、珠海松下马达有限公司珠海松下马达有限公司（PMRZ）成立于1993年5月。隶属于松下电器产业株式会社电化住宅设备机器社，为日本独资企业。公司主要研究开发、设计、生产和销售自产的新型机电元件，精密轴承，三轴以上联动的数控系统及伺服装置，上述产品的零部件、半成品、精冲模、模具标准件，及其技术服务和售后服务；相关生产设备的研究开发、设计；从事非配额许可证管理非专营商品的收购出口业务。10、武汉华中数控股份有限公司、武汉华中数控股份有限公司武汉华中数控股份有限公司创立于1994年，注册资本650

26、6万元，公司有一支精干的专门从事产品市场服务和支持的技术团队，80%员工具有大学以上学历，还有数十名硕士、博士研究生常年在公司从事前沿技术研究和开发。主导产品：数控系统：具有自主版权的华中I型数控系统荣获了国家科技进步二等奖和国家教委科技进步一等奖；具有自主知识产权的华中“世纪星”高、中、低端系列数控系统产品，销售近万台套，与国内数十家著名主机厂实现了批量配套，其中五轴联动五轴联动数控产品打破国外技术封锁，成为我国军工企业（南昌洪都航空集团）选用的首台全国产化高档数控设备。伺服驱动：具有自主知识产权的数字交流伺服驱动单元和主轴伺服驱动单元系列产品，销售2.5万台，已列入军方采购目录，并已为6条

27、军舰雷达和8台车载雷达的伺服驱动的配套合同。伺服电机与伺服主轴：具有自主知识产权的GK6、GK7全系列永磁同步交流伺服电机和GM7系列交流伺服主轴实现了批量生产，成为目前国内唯一拥有成套核心技术自主知识产权（包括数控系统、伺服单元和电机、主轴单元及主轴电机等）和自主配套能力的企业。 嘉兴德欧电气技术有限公司是一家专业从事高品质自动化控制软件及伺服驱动器系列产品的研发、生产、销售和服务于一体的高新技术企业。公司位于浙江省嘉兴秀州工业区内，拥有办公及厂房10000多平方米，现有员工70余名，其中专业技术人员占公司员工的80%以上。公司主打产品数字式交流伺服驱动器产品主要应用于数控机床、包装机械、纺

28、织机械、印刷机械及自动化生产线等领域。 德欧电气始终以科学发展为先导，以优质产品为目标，以诚信服务为追求，通过先进的加工和检验设备，严格的生产检验程序，确保产品质量的稳定；通过对市场的刚性需求的分析，研发具有强大竞争力的高效产品。公司更强调以人为本的管理理念，注重文化建设，拥有一支有文化，懂管理，善经营，创新务实，团结拼搏的经营管理团队和一套健全完善的管理机制。当下，德欧人正以开拓者的气概和步伐向着“全面服务运动控制产业”的目标大踏步迈进。嘉兴德欧电气技术有限公司嘉兴德欧电气技术有限公司嘉兴地区嘉兴地区嘉兴学院嘉兴学院&德欧电气校外实习基地德欧电气校外实习基地嘉兴学院嘉兴学院&

29、德欧电气校外实习基地德欧电气校外实习基地嘉兴学院嘉兴学院&德欧电气校外实习基地德欧电气校外实习基地第一节插补运算：插补运算是指根据工件轮廓通过最简单的数学计算，产生沿坐标轴的脉冲当量，利用刀具的微小直线轨迹逼近工件轮廓进行加工的运算过程。它具有实时性、会直接影响刀具的运动，数控加工中插补运算的速度与精度是衡量数控装置的核心指标。 插补指令：数控加工程序中的插补指令大多数情况下指的就是“G、M、S、T四种功能指令”，指令分别由地址符和数字组成，可分为模态（持续有效）和非模态（只在当前程序有效），其中不同的指令代码代表着不同的功能。 比如G00-快速定位G01-直线插补 G02-顺时针方向

30、圆弧插补 G03-逆时针方向圆弧插补，M指令可用来控制主轴正反转停止如（M03、M04、M05）指令等。同时还有其他的辅助指令构成（F指令可用来控制移动速度等）相互关系：1）从概念上来讲：插补指令是按零件的轮廓编制的加工运动轨迹，根据轮廓形状的差异，使用代表不同功能的程序指令从而实现插补运算。而插补运算的实现是通过一系列的地址和数字组成功能各异的指令，当数控装置对指令发号施令并完成规定动作时就完成了相应的插补运算2）从逻辑关系：插补运算是原理，插补指令是对插补运算的实现3）从先后顺序：先有插补运算再有插补指令4）从相互关系：插补指令一定经过了插补运算，没有插补运算不能发出插补指 令，插补运算没

31、有插补指令失去了意义5）总的来说：插补指令和插补运算相互依存，缺一不可，插补指令和插补运算共同构成了数控系统的核心内容。伺服驱动系统的基本要求和特点伺服驱动系统的基本要求和特点 第二节1 1稳定性好稳定性好 稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。静态小于直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。静态小于5%,动态小动态小于于10%2 2精度高精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确伺服系统的精度是指输出

32、量能复现输入量的精确程度。包括定位精度和轮廓加工精度。程度。包括定位精度和轮廓加工精度。 允许偏差允许偏差: :一般一般0.010.001mm(101um)0.010.001mm(101um)； 要求高要求高 分辨率分辨率: :3 3快速响应并无超调快速响应并无超调 快速响应是伺服系统动态品质的重要指快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。标，它反映了系统的跟踪精度。表现在两个方面。表现在两个方面。0 00010 000050 10 05.(.)mmm1 m0 1 .m一、对伺服系统的基本要求4 4低速大转矩和调速范围宽低速大转矩和调速范围宽 进给坐标的伺服控制属于恒转矩

33、控制，在整个速度范围内都要进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；保持这个转矩； 主轴坐标的伺服控制在主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩。，能提供较大转矩。在在高速时为恒功率控制高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。，具有足够大的输出功率。 目前，先进的水平是在进给脉冲当量为目前，先进的水平是在进给脉冲当量为 的情况下，进给的情况下，进给速度在速度在0240m/min范围内连续可调。范围内连续可调。 一般的数控机床，进给速度范围在一般的数控机床，进给速度范围在024000mm/min.在在124000mm/min即即1:24

34、000的调速范围内，要求速度均匀、稳定、的调速范围内，要求速度均匀、稳定、无爬行，且速降小；无爬行，且速降小； 在在1mm/min以下以下具有一定的瞬时速度，但平均速度低；具有一定的瞬时速度，但平均速度低； 在在零速零速时，即工作台停止运行时，要求电动机有电磁转矩以维时，即工作台停止运行时，要求电动机有电磁转矩以维持定位精度，即定位误差不超过系统的充许范围，即电动机处持定位精度，即定位误差不超过系统的充许范围，即电动机处于伺服锁定状态。于伺服锁定状态。 1 m二、伺服系统的主要特点 一一按调节理论分类按调节理论分类（1 1）开环伺服系统）开环伺服系统 （2）闭环伺服系统）闭环伺服系统 （3）半

35、闭环伺服系统）半闭环伺服系统指令指令驱动电路驱动电路步进电机步进电机工作台工作台脉冲脉冲伺服电机伺服电机速度检测速度检测速度控制速度控制位置控制位置控制位置检测位置检测伺服电机伺服电机速度控制速度控制位置控制位置控制工作台工作台脉冲编码器脉冲编码器指令指令l开环数控系统开环数控系统l没有位置测量装置，信号流是单向的（数没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置控装置进给系统），故系统稳定性好。进给系统），故系统稳定性好。电机电机机械执行部件机械执行部件A相、相、B相相C相、相、f、nCNC插补指令插补指令脉冲频率脉冲频率f脉冲个数脉冲个数n换算换算脉冲环脉冲环形分配形分配变换变换功率功率放大放

36、大l无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。精度。l一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。l这类系统具有这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉修简单、价格低廉等优点，在等优点，在精度和速度要求不高、精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济。一般用于经济型数控机床。型数控机床。l 半闭环数控系统半闭环数控系统l半闭环

37、数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置置(常用伺服电机常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。测，不是直接检测运动部件的实际位置。位置控制调位置控制调节器节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈单检测与反馈单元元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈l半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得

38、稳定的控制性能，可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好统，但比闭环要好。l半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代而在现代CNC机床中得到了广泛应用。机床中得到了广泛应用。l 全闭环数控系统全闭环数控系统l全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。运动部件的实际位置进行检测。位置控制调位置控制调节器节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈检测与反馈单元单元位置控制单元位置控制单元速度控制单

39、元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈l从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。l由于由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。机械传动环节的摩擦特性、刚性和间难以消除。机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。使闭环系统的设计、

40、安装和调试都相当困难。l该系统主要用于该系统主要用于精度要求很高精度要求很高的镗铣床、超精车的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。床、超精磨床以及较大型的数控机床等。优点优点：控制精度高控制精度高响应速度快响应速度快输出功率大输出功率大信号处理灵活信号处理灵活易于实现各种参易于实现各种参量的反馈量的反馈电液伺服系统电液伺服系统电气、液压电气、液压适用场合：适用场合：负载质量大且要负载质量大且要求响应速度快求响应速度快二二按使用的执行元件分类按使用的执行元件分类 （1）电液伺服系统 电液脉冲马达和电液伺服马达。 优点优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和

41、速度平稳。 缺点缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。电液伺服系统的类型电液伺服系统的类型l位置控制、速度控制、力控制位置控制、速度控制、力控制 阀控系统、泵控系统阀控系统、泵控系统 大功率系统、小功率系统大功率系统、小功率系统 开环控制系统、闭环控制系统开环控制系统、闭环控制系统 模拟伺服系统、数字伺服系统模拟伺服系统、数字伺服系统（2）电气伺服系统电气伺服系统 伺服电机（伺服电机（步进电机步进电机、直流电机和交流电机）、直流电机和交流电机） 优点：操作维护方便，可靠性高。优点：操作维护方便，可靠性高。 1) 步进伺服系统步进伺服系统 耗能太大，速度不高，功率越大移动速度越低。耗能

42、太大，速度不高，功率越大移动速度越低。 其脉冲当量为其脉冲当量为 时，最高移动速度仅为时，最高移动速度仅为2mm/min.主要用于速度和主要用于速度和精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造中。精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造中。 2）直流伺服系统直流伺服系统 进给运动系统采用大进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺惯量宽调速永磁直流伺 服电机服电机和和中小惯量直流伺服电机中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺；主运动系统采用他激直流伺 服电机。服电机。优点优点：调速性能好。：调速性能好。缺点缺点：有电刷，速度不高。：有电刷，速度不高。 3）交流伺服系统交流伺服系统 交流感应异

43、步伺服电机（一般用于主轴伺服系交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系 统）统） 和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。 优点优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动 态响态响 应好、转速高和容量大。在同样体积下，输出功率比直流提高应好、转速高和容量大。在同样体积下，输出功率比直流提高 10%70% 从从20世纪世纪80年代后期开始，大量使用交流伺服系统；有的国家厂家，年代后期开始，大量使用交流伺服系统；有的国家厂家，已全部使用了交流伺服系统。已全部使用了交流伺服系统。1 m三、按进给

44、驱动和主轴驱动分类三、按进给驱动和主轴驱动分类 （1）进给伺服系统）进给伺服系统 指一般概念的指一般概念的位置伺服位置伺服系统，包系统，包 括速度控制环和位置控制环（定位、轮廓跟踪）。括速度控制环和位置控制环（定位、轮廓跟踪）。 是数控机床中要求最高的伺服控制系统。是数控机床中要求最高的伺服控制系统。 （2）主轴伺服系统）主轴伺服系统 只是一个只是一个速度控制系统速度控制系统，实现主轴旋转运动，实现主轴旋转运动 实现转速范围无级调速，无需丝杠或其他直实现转速范围无级调速，无需丝杠或其他直 线运动的装置线运动的装置四、按反馈比较控制方式分类四、按反馈比较控制方式分类 （1）脉冲、数字比较伺服系统

45、脉冲、数字比较伺服系统 (应用最广泛应用最广泛) *(2）相位比较伺服系统）相位比较伺服系统(应用次最广泛应用次最广泛) （1）能输出一系列具有一定频率的脉冲信号，为伺服系统提供一个相位比较基准的基准信号发生器。（2）将来自计算机数控装置的进给脉冲转变为相位变化信号的脉冲调相器。（3）检测工作台位移的位置检测元件（感应同步器）。它主要由以下部分组成。 图1-6 相位比较伺服系统P70000FF（4）将控制信号与反馈信号进行比较，输出与相位差成正比电压信号的鉴相器。（5）将鉴相器输出的电压信号进行功率和电压放大的伺服放大器。（6）实现电信号到机械位移转换的执行元件。 （3）幅值比较伺服系统）幅值

46、比较伺服系统(应用较不广泛应用较不广泛) 位置检测元件旋转变压器或感应同步器采用幅值工作状态，输出模拟信号，其特点是幅值大小与检械位移量成正比。将此信号作为位置反馈信号与指令信号比较而构成的闭环系统就称为幅值比较伺服系统，简称幅值伺服系统。/U f完成指令脉冲与反馈脉冲比较的比较器。将比较器输出数字信号转变成伺服电动机模拟控制信号的数/模转换器。将模拟控制信号进行功率和电压放大的伺服放大器。检测工作台位移的位置检测元件。为感应同步器正、余弦绕组提供信号的励磁电路。将定尺的输出信号转变为幅值信号的鉴幅器。将鉴幅器的直流电压转变成反馈脉冲的电压频率变换器。实现电信号到机械位移转换的执行元件。/U f/U f电压频率转换器也称为电压控制振荡电路（VCO），简称压控振荡电路。电压频率转换实际上是一种模拟量和数字量之间的转换技术。当模拟信号（电压或电流）转换为数字信号时，转换器的输出是一串频率正比于模拟信号幅值的矩形波，显然数据是串行的。在全数字式伺服系统中，CNC系统直接将插补运算得到的位置指令以数字信号的形式传送给伺服驱动装置，伺服驱动装置本身具有位置反馈和位置控制功能，独立完成位置控制。 CNC与伺服驱动之间通过通信联系，传递如下信息： （1）位置指令和实际位置；（2）速度指令和实际速度；（3）扭矩指令和实际扭矩；（4）伺服系统及伺服电动机参数；（