伺服驱动系统东大ppt课件

1、6 6 伺服驱动系统伺服驱动系统 n伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和统。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。n伺服系统是数控装置伺服系统是数控装置( (计算机计算机) )和机床的联系环节，是数控机和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。床的重要组成部分。n数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。构或伺

2、服单元。n系统包括大量的电力电子器件，结构复杂、综合性强。系统包括大量的电力电子器件，结构复杂、综合性强。6 伺服驱动系统伺服驱动系统 （1）进给驱动进给驱动n控制机床各坐标轴的切削进给运动，是一种精密的位置跟踪与定位系统，它包括速度控制，也是一般概念的伺服驱动系统。（2）主轴驱动主轴驱动n控制机床主轴的旋转运动和切削过程中的转矩和功率，一般以速度控制为主。对C坐标功能的主轴驱动也需要位置控制。（3）辅助驱动辅助驱动n在各类加工中心或多功能数控机床中，控制刀库、料库等辅助系统，多采用简易的位置控制。6.1.1 伺服系统的组成伺服系统的组成 组成：组成：伺服电机伺服电机 驱动信号控制转换电路驱动

3、信号控制转换电路 电子电力驱动放大模块电子电力驱动放大模块 位置调节单元位置调节单元 速度调节单元速度调节单元 电流调节单元电流调节单元 检测装置检测装置一般闭环系统为三环结构一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环。：位置环、速度环、电流环。6.1.1 伺服系统的组成 位置调解位置调解速度调解速度调解电流调解电流调解转换驱动转换驱动工作台工作台电流反馈电流反馈速度反馈速度反馈位置反馈位置反馈MGw位置、速度和电流环均由位置、速度和电流环均由调节控制模块调节控制模块、检测检测和和反馈反馈部分组成。部分组成。电力电子驱动装置由电力电子驱动装置由驱动信号产生电路驱动信号产生电路和和功率放大器

4、功率放大器组成。组成。w严格来说：严格来说：w位置控制包括位置、速度和电流控制；位置控制包括位置、速度和电流控制；w速度控制包括速度和电流控制。速度控制包括速度和电流控制。1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程度。包括定位精度和轮廓加工精度。2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。3快速响应快速响应 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。4调速范围宽调速范围宽 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。024m / mi

5、n。5低速大转矩低速大转矩 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；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。6.1.2 对伺服系统的基本要求 对伺服电机的要求：（1）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时的速度平稳性（2）电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速 大转矩的要求。（3）反应速度快，电机必须具有较小的转动惯量、较大的 转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度 (400rad / s2以上)。（4）能承受频繁的起动、制动和正反转。 6.1.2 6.1.2 对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要

6、求 （7 7）伺服系统对伺服电机的要求）伺服系统对伺服电机的要求 由于数控对伺服系统提出了如上的严格技术要求，伺服系统对其自身的执行机构-电动机-提出了严格的要求。 从最低速到最高速电机都要平稳运转，转距波动要小，尤其是在低速如0.1r/min或更低转速时，仍有稳定的速度而无爬行现象。 电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。 为了满足快速响应的要求，电机应该有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并且有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受4000rad/s2以上角加速度的能力，才能保证电机在0.2s以内从静止到额定转速。

7、电机应能承受频繁启动、制动和反转。6.1.2 6.1.2 对主轴伺服系统的要求对主轴伺服系统的要求 对主轴伺服系统，除上述要求外，还应满足如下要求： （1 1）主轴与进给驱动的同步控制）主轴与进给驱动的同步控制 该功能使数控机床具有螺纹和螺旋槽加工的能力。 （2 2）准停控制）准停控制 在加工中心上，为了实现自动换刀，要求主轴能进行高精确位置的停止。 （3 3）角度分度控制）角度分度控制 角度分度控制有两种类型：一是固定的等分角度控制；二是连续的一是固定的等分角度控制；二是连续的任意角度控制。任意角度控制。任意角度控制是带有角位移反馈的位置伺服系统，这种主轴坐标具有进给坐标的功能，称为“C”轴

8、控制。“C”轴控制可以用一般主轴控制与“C”控制切换的方法实现，也可以用大功率的进给伺服系统代替主轴系统。6.1.3 6.1.3 伺服系统的分类伺服系统的分类 （1 1）按调节理论分类）按调节理论分类 闭环 半闭环 开环（2 2）按驱动部件的动作原理）按驱动部件的动作原理 电液控制系统 电液伺服系统的执行元件为液压元件，其前一级为电气元件。驱动元件为液动机和液压缸，常用的有电液脉冲马达和电液伺服马达。 数空机床发展的初期，多数采用电液伺服系统。电液伺服系统具有在低速下可以得到很高的输出转矩，以及刚性好、时间常数小、反映快速度平稳等特点。 然而，液压系统需要油箱、油管等供油系统，体积大。此外还有

9、噪声、漏油等问题，故从20世纪70年代起逐步被电气伺服系统代替。只是具有特殊要求，才采用电液伺服系统。 电气控制系统 电气伺服系统全部采用电子器件和电机部件，操作维护方便、可靠性高。电器伺服系统中的驱动元件主要有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。它们没有液压系统中的噪声、污染和维修费用高等问题，但反应速度和低速转矩不如液压系统高，现在电机的驱动电路、电机本身的结构都得到很大改善，性能大大提高，已经在更大范围内取代了液压伺服系统。（3 3）按伺服电机类型）按伺服电机类型直流伺服系统直流伺服系统a.a.小惯量直流电机、细长电机小惯量直流电机、细长电机 最大限度地减小电枢的转动惯量，所以能获得最

10、好的快速性。小惯量伺服电机一般都设计成高的额定转速和底的惯量，所以应用时，要经过中间机械传动，才能够与丝杠连接。 齿轮或齿型带降速，满足惯性匹配要求 b. b.永磁直流伺服电机（大惯量宽调速直流伺服电机）永磁直流伺服电机（大惯量宽调速直流伺服电机） 永磁直流伺服电机能在较大过载转矩下长时间工作以及电机的转子惯量较大，能直接与丝杠相连而不需中间传动装置。此外，它还有一个特点是可在低速下运转，如能在1r/min甚至在0.1r/min下平稳地运转。因此这种直流伺服系统在数控机床上获得了广泛的应用。 自20世纪70年代至80年代中期，在数控机床上应用占绝对统治的地位，至今许多数控机床上仍然使用这种电机

11、的直流伺服系统。 缺点：缺点：有电刷，限制了速度的提高一般额定转速为1000-1500r/min ；结构复杂、价格昂贵 c.c.步进电机步进电机 电磁吸合原理电磁吸合原理交流伺服系统交流伺服系统 a.a.交流异步电动机（一般用于主轴伺服电机）交流异步电动机（一般用于主轴伺服电机） b.b.永磁同步伺服电机永磁同步伺服电机 （一般用于进给伺服电机）（一般用于进给伺服电机） 由于直流电机存在一些固有的缺点，使其应用环境受到限制。交流伺服电机没有这些缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应好。 另外在同样体积下，交流电机的输出功率可比直流电机高10%-70%。 还有交流电机的容量可以比直流电机造得

12、大，达到更高的电压和转速。 因此交流电机得到了迅速发展，已经形成潮流。从20世纪80年代后期开始，大量使用交流伺服系统，到今天有些国家的厂家，已经全部使用交流伺服系统。 (4)按进给驱动和主轴驱动分类按进给驱动和主轴驱动分类 进给伺服系统进给伺服系统 进给伺服系统是一般意义上的伺服系统，它包括：速度控制环速度控制环和位置控制环。和位置控制环。进给伺服系统完成各坐标轴的进给运动，具有定位和轮廓跟踪功能，是数控机床中要求最高的伺服控制。 主轴伺服系统主轴伺服系统 严格地说、一般主轴控制只是一个速度控制系统。主要完成主轴的旋转运动，提供切削过程中的转矩和功率，且保证任意转速的调节，完成转速范围内的无

13、级变速。具有C轴控制的主轴与进给伺服系统一样，为一般概念的位置伺服控制系统。 此外，刀库位置控制是为了在刀库的不同位置选择刀具，与进给坐标轴的位置控制相比，性能要底得多，故称为简易位置伺服系统。（5 5）按反馈比较控制方式）按反馈比较控制方式 （1 1）脉冲、数字比较伺服系统）脉冲、数字比较伺服系统 将数控装置发出的数控装置发出的数字（或脉冲）指令与检测反馈得检测反馈得的以数字（或脉冲）形式表示的信号进行比较进行比较， 以产生位置误差，达到闭环控制。 （2 2）相位比较伺服系统）相位比较伺服系统 在相位比较伺服系统中，位置检测装置工作在鉴相工作方式，将指令信号指令信号和反馈信号反馈信号都变换成

14、某种载波相位信号变换成某种载波相位信号，通过两个载波信号的相位比较，获得对应的位置偏差，给位置调节器，实现系统的位置闭环控制 （3 3）幅值比较伺服系统（鉴幅式）幅值比较伺服系统（鉴幅式） 以位置检测信号得幅值大小位置检测信号得幅值大小来反映机械位移得数值；指令位移信号同反馈位移信号进行比较(将此信号转换成数字信号才能与指令数字信号进行比较) （4 4）全数字伺服系统）全数字伺服系统 6.2 步进电机及其驱动控制系统 n开环位置伺服系统开环位置伺服系统也叫步进式伺服系统，其驱动元件为步进电机。功率步进盛行于20世纪70年代，且控制系统的结构最简单，控制最容易，维修最方便，控制为全数字化（即数字

15、化的输入指令脉冲对应数字化的位置输出），这完全符合数字化控制技术的要求，控制系统与步进电机的驱动控制电路结为一体。n随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它硬件电路均可由软件实现，从而简化了系统结构，降低成本，提高了系统的可靠性。而步进电机的功耗太多，速度也不高。目前的步进电机在脉冲当量为1微米时，最高移动仅仅为2m/min，且功率越大，移动速度越低，故主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造中。6.2.1 步进电机的工作原理及类型 步进电机步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的机械角位移或直线位移的控制电机。步进电机又称脉冲电动机或电脉冲马达。 其角位移量与电脉冲数成正比

16、，其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速。如果停电后某些相的绕组仍然保持通电状态，则还具有自锁能力。步进电机每转一周都有固定的步数，从理论上说其步距误差不会累积。 步进电机的最大缺点最大缺点是容易失步，特别是在大负载和速度较高的情况下，失步更容易发生。但是近年来发展起来的恒流斩波驱动、PWM驱动、微步驱动、超微步驱动及其他们的综合运用，使得步进电机的驱动能力有很大提高 主要用于数控机床的开环伺服系统（开环伺服控制是指机床运动部件的位移没有检测反馈装置，数控装置发出的信号是单向的。）（1 1） 步进电机的分类步进电机的分类 按运动方式分：有旋转式、直线运动式、平面运动式

17、和滚动运动式。 按工作原理分：有反应式（磁阻式）有反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式、永磁感应式永磁感应式（混合式）（混合式）。 按使用场合分：有功率步进电机和控制步进电机。 按电机结构分：有单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。 按工作相数分：有三相、四相、五相、六相和八相等有三相、四相、五相、六相和八相等。 按使用频率分：有高频步进电机和低频步进电机。 数控机床中使用较多的是反应式步进电机反应式步进电机和永磁感应式步进电机永磁感应式步进电机（2 2）步进电机的结构与工作原理）步进电机的结构与工作原理 步进电机又称脉冲电机，每接受一个脉冲信号转子转过一个角度，称为步距角。步距角。 脉

18、冲数目：位移大小；脉冲频率：速度大小；通电顺序：方向控制。 步进电机的结构：（单段式三相反应式步进电机结构）：步进电机的结构：（单段式三相反应式步进电机结构）： 工作原理：工作原理：电磁吸合 转子：转子：开槽形成齿 定子：定子：有磁极 以三相单三拍为例说明工作原理： 第一拍：第一拍：A相励磁绕组通电，B、C励磁绕组断电。A相定子绕组的磁力线为保持磁阻最小，给转子施加力矩，使相邻转子齿与之对齐。 第二拍：第二拍：B相励磁绕组通电，C、A励磁绕组断电。 第三拍：第三拍：C相励磁绕组通电，A、B励磁绕组断电。 如通电顺序：A、B、C逆时针旋转；如通电顺序相反，则顺时针旋转 通电顺序也可以A-AB-B

19、-BC-C-CA 同一台步进电机，因通电方式的不同，运行时的步距角也是不同的，采用单、双拍通电方式时，步距角要比单拍通电方式减小一半。 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。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，运行的稳定性差，所以很少采用。通常将它改成“双三拍通电方式双三拍通电方式”。 上述这种简单结构的反应式步进电机的步距角较大，如在数控机床中应用就会影响到加工工件的精度。实际中采用的是小步实际中采用的是小步距角的步进电机。距角的步进电机。6.2.2 步进电机的主要特性 （1 1）步距角和静态步距角（误差）步距角和

20、静态步距角（误差） 步距角计算公式： 式中：m定子磁极项数 z转子齿数 k通电方式相邻两次通电项数相同取k=1；否则k=2。 当步进电机空载且以单脉冲输入时，其实际步距角与理论步距角之差称为静态步距角误差，静态步距角误差，它随步进电机制造精度而变化。一般在10-30 的范围内。mzK360 图所示为步进电动机的展开图。其中定子有6个极，转子有40个齿。当A极下的定、转子齿对齐时，B极和C极下的齿就分别和转子齿相错三分之一的转子齿距。 反应式步进电动机的转子齿数Zr，基本上由步距角的要求所决定。但是为了能实现上述“自动错位”，转子的齿数就必须满足一定条件，而不能为任意数值。当定子的相邻极属于不同

21、的相时，在某一极下若定子和转子的齿对齐时，则要求在相邻极下的定子和转子之间应错开转子齿距的1/m。（2 2）静态转矩与矩角特性）静态转矩与矩角特性 当步进电机不改变通电状态，转子处于不动状态，如果在电机轴上外加一个负载转矩，使转子按一定的方向转过一个角度，此时转子所受的电磁转矩，称为静态转矩静态转矩，角度称为失调角失调角。描述静态转矩与的关系叫作步进电机的静态矩角特性矩角特性。 各项的矩角特性差异不应该太大，否则会影响步距精度及引起低频振荡。可以通过调整相电流的方法，使电动机矩角特性大致相同。 两个齿中心线之间的距离叫齿距齿距，当转子转过一个齿距，矩角特性就变化一个周期，相当于22电角度。 在

22、定子、转子齿槽对准时，定、转子槽中心线重合在定子、转子齿槽对准时，定、转子槽中心线重合，失调角为=0，电磁转矩T=0。若转子齿的中心线对准定子槽中心线转子齿的中心线对准定子槽中心线，失调角=，这时相邻两定子齿对这转子齿有同样的拉力，但方向相反，故电磁转矩T=0。在失调角在失调角=/2/2（即（即1/41/4齿距处）齿距处），转矩最大，转矩方向是使转子位置趋向失调角为零。当失调角小于当失调角小于-或大或大雨雨+时时，该转子齿已进入了另一个定子齿的拉力范围，转矩方向趋于使转子齿与下一个齿对齐。当当=22，转子齿与另一个定子齿对齐，转矩又为零。 如上所述，在电磁转矩的作用下，转子有一定的稳定平衡点稳

23、定平衡点。如果步进电机空载，则稳定在平衡点为=0，而=处为不稳定平不稳定平衡点衡点。稳定平衡点只有一个。在静态情况下，如受外负载转矩的作用，使转子偏离它的平衡点，但没有超过相邻的不稳定平衡点不稳定平衡点，则当外转矩除去后，转子在电磁转矩的作用下，仍能回到原来的平衡点。（3 3）最大静态转矩）最大静态转矩 步进电机矩角特性曲线上电磁转矩的最大值称为最大静态转矩。它与通电状态及绕组内电流值有关。在一定的通电状态下，最大静转矩与绕组内电流的关系，称为最大静转矩特性。最大静转矩特性。 当控制电流很小时，最大静转矩与电流的平方成正比地增大，当电流稍大时，受磁路饱和的影响，最大转矩Tmax上升变缓，电流很

24、大时曲线趋向饱和。（4）起动转矩）起动转矩 右图为三相步进电机的矩角特性曲线，则相和B相的矩角特性交点的纵坐标值为起动转矩。它表示步进电机单相激励时所能带动的极限负载转矩。（5 5）连续运行状态时的动特性）连续运行状态时的动特性_工作频率工作频率 步进电机的工作频率是指电动机按指令的要求进行正常工作的最大脉冲频率。 所谓正常工作就是指步进电机不失步地工作，即一个脉冲移动一个步距角。所谓失步的内容包括：丢步和越步丢步和越步。 步进电动机的工作频率，通常分为启动频率、制动频率及启动频率、制动频率及连续工作频率连续工作频率。对于同样负载转矩来说，正、反向起动频率和制动频率都是一样的，而连续工作频率要

25、高得多。 一般步进电动机的技术参数中只给出起动频率和连续工作频率。 起动频率起动频率 空载时，步进电机由静止状态突然启动，并进入不丢步的正常运行的最高频率，称为空载起动频率。空载起动频率。加给步进电机的指令脉冲频率如果大于起动频率，就不能正常工作。步进电机加负载（尤其是惯性负载）时启动频率比空载要低。而且随着负载加大（在允许的范围内），起动频率会进一步降低。 起动频率的大小由许多因素决定，绕组时间常数越小，负载转矩和转动惯量越小、步距角越小，则起动频率越高。 连续运行频率连续运行频率 步进电机启动后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高频率，称为连续运行频率运行频率。其值远大于起

26、动频率，其值远大于起动频率，它也随着电动机所带负载得性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。 （5 5）连续运行状态时的动特性）连续运行状态时的动特性_矩频特性矩频特性 描述连续稳定运行输出转矩与连续运行频率之间的关系 运行矩频特性是描述步进电动机在连续运行时，输出转矩与连续运行频率之间的关系，它是衡量步进电动机运转时承载能力的动态指标。 下页图中每一频率所对应的转矩称为动态转矩。从图中可以看出，随着运行频率的上升，输出转矩下降，承载能力下降。当运行频率超过最高频率是，步进电动机便无法工作。 对矩频特性曲线进一步说明 因步进电动机的控制绕组中存在电感，相应地有一定的电气时间常数，所以控制绕组中

27、电流增长也有一个过程。当脉冲频率很高时控制绕组中的电流不能达到稳定值,故电动机的最大动态转矩小于最大静转矩。而且脉冲频率越高，最大动态转矩也就越小，在步进电动机运行时，对应于某一频率，只有当负载转矩小于它在该频率的最大动态转矩，电动机才能够正常运转。6.2.4 6.2.4 步进电机的控制方法步进电机的控制方法 由步进电机的工作原理知道，要使步进电机正常一步一步地运行，控制脉冲必须按一定的顺序分别供给电动机各项脉冲分配。实现脉冲分配可以采用如下两种形式：一种是硬件脉冲分配（或称脉冲分配器），另一种是软件脉冲分配器，是由计算机的软件完成的。 硬件环行分配器硬件环行分配器 目前已经有很多可靠性高、尺

28、寸小、使用方便的集成电路脉冲分配器。 TTL脉冲分配器：YB013、YB014、YB015、YB016，均为18个管角的直插式封装。 CMOS型：如CH250为16个管角的直插式封装6.2.5 步进电机的驱动电源 高低压驱动电路（3）斩波驱动电路 三种驱动电路电流波形 三种驱动电路电流波形比较 单电压驱动电路单电压驱动电路的优点是线路简单，缺点是电流上升不够快，高频时带负载能力低。 高低压驱动电路高低压驱动电路的优点是在较宽的频率范围有较大的平均电流，能产生较大且稳定的平均转矩，其缺点是电流波顶有谷点。 斩波驱动电路斩波驱动电路虽然复杂，但它的优点比较突出： （1）绕组的脉冲电流边沿陡，快速响

29、应好。 （2）功率小，效率高。因为电路无外接电阻Rc，而采样电阻Re又很小（一般0.2左右），所以整个系统的功耗下降很多，相应地提高了效率。 （3）输出转矩恒定。由于采样电阻Re的反馈作用，使绕组中电流可以恒定在额定电流数值左右，而且不随步进电机的转速而变化，从而保证在很大的频率范围内，步进电机都能输出恒定的转矩。（4）调频调压电路 在电源电压一定时，步进电机绕组电流的上冲值是随工作频率的升高而降低的，使输出转矩随电机转速的提高而下降。要保证步进时的输出转矩就需要提高供电电压。 从上述的驱动电路来看，为了提高驱动系统的快速响应，采用提高供电电压、加快电流上升的措施。但在低频工作时，步进电机的振

30、荡加剧，甚至失步。 从原理上讲，为了减小低频振荡，应使低速时绕组中的电流上升沿较平缓，这样才能使转子在到达新的稳定平衡位置时不产生过冲。而在高速使则用使电流前沿陡，以产生足够的绕组电流，才能提高步进电机的带负载能力。这就要求驱动电源对绕组提供的电压与电动机运行频率建立直接关系，即低频时用较低的电压供电，高频时用较高电压供电低频时用较低的电压供电，高频时用较高电压供电。 电压随频率可以由不同的方法实现，如分频来调压、随电压频率线分频来调压、随电压频率线性地变化性地变化等。（5 5）步进电动机细分的驱动原理）步进电动机细分的驱动原理 在前述步进电动机工作原理中，讲到步距角由步进电动机的齿距角及绕组相数等电动机结构所决定。在实际应用中，为了提高进给运动的分辨率，要求对步距角进一步细分。在不改变步进电机结构的前提下，为了达到这一目的，将额定电流以阶梯波的方式输入。此时电流分成多个台阶，则转子就以同样的步数转过一个步进电机的固定步距角。这样将一个步距角细分成若干步的驱动方法称为细分驱动细分驱动。 获得阶梯电流一般有两种方法获得阶梯电流一般有两种方法： 一是先产生时序脉冲，放大后在电动机电枢内叠加，电枢绕组是它们的公共负载； 二是先在加法器内将时序脉冲叠加成阶梯电压，后进行放大，在电枢内获得阶梯电流波形。