数控装备技术进给伺服A2)

1、1第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统概述开环步进伺服驱动系统直流伺服控制系统交流伺服控制系统进给伺服系统设计234 进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说CNC装置是数控系统的”大脑大脑”，是发布“命令”的“指挥所指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢四肢”，是一种“执执行机构行机构”。它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向、进给速度与位移量。5一、进给伺服系统的定义及组成一、进给伺服系统的定义及组成1、定义： 进给伺服系统(Feed Servo System)以移动部件的位置位置和速度速度作为控制量的自动控制系统。6从控制角度上，一般电气伺服系统三

2、闭环结构：电流、速度、位置。7p数控伺服：位置位置和速度速度u位置环的输入信号是计算机给出的指令信号和位置检测装置反馈的位置信号，负反馈u指令信号向位置环送去加数，反馈信号送去减数速度环是一个非常重要的环节，由速度调节器、电流调节器及功率放大器等部分组成速度环的输入：一个是位置环的输出，作为速度环的指令信号送给速度环；另一个是电机转速检测装置测得的速度信号作为负反馈送给速度环。82. 组成：进给伺服系统主要由以下几个部分组成：位置位置控制单元控制单元；速度控制单元；驱动元件速度控制单元；驱动元件(电机电机)；检测与；检测与反馈单元；机械执行部件反馈单元；机械执行部件。910 、进给伺服驱动系统

3、、进给伺服驱动系统由驱动电机及其控制和驱动装置组成。 、驱动电机、驱动电机是进给系统的动力部件，它提供执行运动所需的动力，在数控机床上常用的电机有： u步进电机 u直流伺服电机u交流伺服电机u直线电机。 11 5、速度控制单元主要作用、速度控制单元主要作用：接受来自位置控制单元的速度指令信号，对其进行适当的调节运算(目的是稳速目的是稳速)，将其变换成电机转速的控制量(频率，电压等频率，电压等)，再经功率放大部件将其变换成电机的驱动电量，使驱动电机按要求运行。简言之：调节、变换、功放调节、变换、功放。6、进给驱动系统的特点（、进给驱动系统的特点（与主运动（主轴）系统比较）：q功率相对较小；q控制

4、精度要求高；q控制性能要求高，尤其是动态性能。121、调速范围要宽且要有良好的稳定性(在调速范围内)调速范围调速范围： 一般要求： 稳定性稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要。minmaxFFRNminmin.minmm1Fmm1010000RN且132、输出位置精度要高p静态：静态：定位精度和重复定位精度要高，即定位误差和重复定位误差要小。(尺寸精度)p动态：动态：跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误差表示。 (轮廓精度) p灵敏度要高，有足够高的分辩率。14 3、负载特性要硬、负载特性要硬 在系统负载范围内，在系统负载范围内，l当负载变化时，输出速度应基当负载变

5、化时，输出速度应基本不变。即本不变。即F尽可能小尽可能小；l当负载突变时，要求速度的恢当负载突变时，要求速度的恢复时间短且无振荡。即复时间短且无振荡。即t尽可尽可能短；能短；l应有足够的过载能力，以满足应有足够的过载能力，以满足低速大转矩的要求。（高速恒低速大转矩的要求。（高速恒功率，低速恒转矩）功率，低速恒转矩）这就要求伺服系统有良好的静态这就要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。与动态刚度。 t F t F154、响应速度快且无超调响应速度快且无超调 这是对伺服系统动态性能的要求，即在无超调的前提下，执行部件的运动速度的建立时间 tp 应尽可能短。 通常要求从 0Fmax（Fmax0），其时

6、间应小于200ms，且不能有超调，否则对机械部件不利，有害于加工质量。 t F tp165、能可逆运行和频繁灵活启停。6、系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。综上所述：u对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面；u对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更严。171按调节理论分类（1）开环伺服系统 （2）闭环伺服系统 （3）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18开环数控系统没有位置测量装置

7、，信号流是单向的（数控装置进给系统），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换算换算脉冲环形脉冲环形分配变换分配变换功率功率放大放大1920u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精度。u一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。u这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。21半闭环数控系统 半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服

8、电机)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。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2223u半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。u由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除，因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。u半闭环数控系统结构简单

9、、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。24全闭环数控系统 全闭环数控系统的位置采样点如图所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。位置控制调节位置控制调节器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2526u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。 u由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的

10、设计、安装和调试都相当困难。u该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。272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。28（2）电气伺服系统：伺服电机（步进电机、直流电机、交流电机、直线电机） 优点：操作维护方便，可靠性高操作维护方便，可靠性高。 10 直流伺服系统：直流伺服系统：进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用它激直流伺服电机。 优点：调速

11、性能好调速性能好。缺点：有电刷，速度不高有电刷，速度不高。 20 交流伺服系统：交流伺服系统：交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。 优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动态响应好、转速高和容量大作。动态响应好、转速高和容量大。293按被控对象分类 （1）进给伺服系统 指一般概念的位置伺服系统，包括速度控制环和位置控制环。 （2）主轴伺服系统 只是一个速度控制系统。 C 轴控制功能。4按反馈比较控制方式分类 （1）脉冲、数字比较伺服系统 （2）相位比较伺服系统 （3）幅值比较伺服系统 （4）

12、全数字伺服系统3031 步进电机一种将电脉冲信号转换成相应角位移（或线位移）的控制电机。 对它送一个控制脉冲，其转轴就转过一个角度，称为一步。324-2 4-2 步进电机及其驱动系统步进电机及其驱动系统一.步进电机的种类、结构与工作原理 反应式：反应式：定子有多相磁极，其上有励磁绕组，转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行 激磁式：激磁式：定子结构与反应式相似，转子用永磁材料制成或有励磁绕组，由电磁力矩实现步进运行。33 伺服步进电机伺服步进电机（快速步进电机），输出力矩在百分之几 至十分之几Nm，只能带动小负载，加上液压扭矩 放大器可驱动工作台。 功率步进电机

13、功率步进电机输出力矩在550Nm以上，能直接 驱动工作台。344-2 4-2 步进电机及其驱动系统步进电机及其驱动系统354-2 4-2 步进电机及其驱动系统步进电机及其驱动系统2、步进电机的结构步进电机在结构上分为定子定子和转子转子两部分。 以三相为例，定子上有六个磁极，每个磁极上绕有励磁绕组，每相对的两个磁极组成一相，分成A、B、C三相。转子无绕组，它是由带齿的铁心做成的。步进电机是按电磁吸引的原理进行工作的。当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极就依次产生磁场，并每次对转子的某一对齿产生电磁引力，将其吸引过来，而使转子一步步转动。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁

14、阻最小，转矩为零。如果控制线路不停地按一定方向切换定子绕组各相电流，转子便按一定方向不停地转动。步进电机每次转过的角度称为步距角。 磁力线力图走磁阻磁力线力图走磁阻最小路径，使磁力线最最小路径，使磁力线最短，定、转子间磁拉力短，定、转子间磁拉力的切向力产生转矩；的切向力产生转矩；各相定、转子的齿间彼各相定、转子的齿间彼此相错此相错1/m 转子齿距角转子齿距角(360 /Z)。 3637两个相对的磁两个相对的磁极组成一相。极组成一相。注意：这里的“相”和三相交流电中的“相”的概念不同。步进电机通的是电脉冲，主要是指线路的联接和组数的区别。384-2 4-2 步进电机及其驱动系统步进电机及其驱动系

15、统通电方式（以（以m=3, Z=4为例为例, 齿距角齿距角360 /4=90 , 定、定、 转子齿间相错转子齿间相错90 /3=30 ）39（1）三相单三拍（）三相单三拍（1相通电）相通电）: 步距角步距角30 逆时针：逆时针：ABCA 顺时针：顺时针：ACBA m相单相单m拍拍4041三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过30。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。（3）每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失去自锁转矩，容易产生失步失步，只有一相绕组产生力矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡。42 （2）三相双三拍（）三相双三拍（2相通电）：相通电）：AB BC CA AB （

16、逆时针逆时针,步距角步距角30 ）; m相双相双m拍拍 （3） 三相六拍（三相六拍（1-2相通电）：相通电）：AAB B BC C CA A（逆时针（逆时针,步距步距角角15 ） m相相2m拍拍m3的通电方式（四相八拍、五相十拍等）的通电方式（四相八拍、五相十拍等） 43实际上步进电机转子齿数很多，齿数越多，步距角越小为改善运行性能，定子磁极上的齿的齿距与转子的齿距相同，但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的1m（m电机相数）。每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距的1m（如三相三拍）或12m（如三相六拍）达到新的平衡位置。44实际应用的步进电机如图所示，转子铁心和定子磁极上均有齿距相等的小齿

17、，且齿数要有一定比例的配合。 454-2 4-2 步进电机及其驱动系统步进电机及其驱动系统464-2 4-2 步进电机及其驱动系统步进电机及其驱动系统4. 步进电机的主要技术性能指标（1）步距角：每步的转角360( )Z m km步进电动机相数Z转子齿数；K控制方式系数，是拍数与相数的比例系数。m相m拍，k1；m相2m拍，k2。47（2）静态转矩与矩角特性 当步进电机上某相定子绕组通电之后，转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（0）。如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度，角度称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静

18、态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角的关系叫矩角特性，如图所示，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（0）。 O Mjm ax M 静 态 稳 定 区 - - /2 /2 最大静转矩最大静转矩（保持转矩）： 通电时能够维持静止状态的最大转矩。48tMMMLMmax0初始平衡点静态稳定区定子转子t49（3）空载启动频率空载启动频率fq （步步/s) 空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，加给步进电机的指令

19、脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作，可能发生丢步或堵转。 步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。（4）启动矩频特性启动矩频特性 步进电机在带动负载转矩时启动频率与负载转矩的关系步进电机在带动负载转矩时启动频率与负载转矩的关系50（5）空载运行频率（连续运行频率）空载运行频率（连续运行频率）fmax 步进电机空载启动后能不失步连续运行的最高频率步进电机空载启动后能不失步连续运行的最高频率（6）运行矩频特性运行矩频特性 步进电机连续稳定运行时输出电磁转矩步进电机连续稳定运行时输出电磁转矩T与连续运行频与连续运行频 率

20、率f之间的关系（衡量电机之间的关系（衡量电机 运转时承载能力的动态性能运转时承载能力的动态性能 运行矩频特性运行矩频特性 指标）。指标）。f绕组感抗绕组感抗 电流波形变坏电流波形变坏电流幅值电流幅值 T514-2 4-2 步进电机及其驱动系统步进电机及其驱动系统二、步进式伺服驱动系统工作原理524-2 4-2 步进电机及其驱动系统步进电机及其驱动系统三.步进电机的驱动驱动及控制系统组成：驱动及控制系统组成： 环形脉冲分配器环形脉冲分配器+功率放大器功率放大器功率放大脉冲分配BCAABC531、环形分配器 作用：将数控装置发出的脉冲分配给步进电动机的各相输入端， 使步进电动机各绕组按一定的顺序和

21、时间通电和断电，并使电机正转或反转。环形脉冲分配器165432165342A相驱动B相驱动C相驱动54环形分配器环形分配器硬件环形分配硬件环形分配：I/O线少，速度高，专用集线少，速度高，专用集 成电路芯片；成电路芯片；软件环形分配软件环形分配：线路简化，灵活性大，成本：线路简化，灵活性大，成本低，低，I/O线多，线多， 速度慢速度慢55硬件环分硬件环分u可由D触发器或JK触发器构成，亦可用专用集成芯片或通用可编程逻辑器件。u CH250是国产三相反应式步进电机环形分配器专用集成电路芯片，通过控制端的不同接法可组成三相双三拍和三相六拍的工作方式56软件环分软件环分由数控装置中的软件完成环形分配，直接驱动步进电机各绕组的通、断电。用软件环形分配器只需编制不同的环形分配程序，可使线路简化，成本下降，可灵活地改变步进电机的控制方案。57软件环形分配器的设计方法:查表法、比较法、移位寄存器查表法、比较法、移位寄存器法法等，常用查表法。58592、功率放大器（功率驱动器）功率放大器（功率驱动器） 作用及分类作用及分类 作用：将环形分配器或作用：将环形分配器或I/O口输出的弱