第3章 数控伺服系统

1、CNC第第3 3章章 数控伺服系统数控伺服系统 主要内容主要内容主要内容 概述概述 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件 步进式伺服系统步进式伺服系统 鉴相式伺服系统鉴相式伺服系统鉴幅式伺服系统鉴幅式伺服系统 脉冲比较式伺服系统脉冲比较式伺服系统CNCCNC数字伺服系统数字伺服系统1CNC数控伺服系统是指以机床运动部件(如工作台、主轴和刀具等)的位置和速度作为控制量的自动控制系统。数控伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给脉冲信号，经过一定的信号变换及电压、功率放大，驱动机床运动部件实现运动，并保证动作的快速性和准确性。 数控伺服系统作为数控装置和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分，数

2、控机床的精度和速度等技术指标很大程度上取决于伺服系统的性能优劣。3.1 3.1 概述概述2CNC1. 输出位置精度要高输出位置精度要高 静态静态：定位精度定位精度和和重复定位精度重复定位精度要高，即要高，即定位误差和重复定位误差要小。定位误差和重复定位误差要小。(尺寸精度尺寸精度) 动态动态：跟随精度跟随精度，动态性能指标，用跟随，动态性能指标，用跟随误差表示。误差表示。 (轮廓精度轮廓精度) 灵敏度要高，有足够高的分辩率。灵敏度要高，有足够高的分辩率。3.1.1 3.1.1 对数控伺服系统的要求对数控伺服系统的要求3.1 3.1 概述概述3CNC2. 响应速度快且无超调响应速度快且无超调 对

3、伺服系统动态性能的要对伺服系统动态性能的要求，即在无超调的前提下，执求，即在无超调的前提下，执行部件的运动速度的建立时间行部件的运动速度的建立时间 tp 应尽可能短。应尽可能短。 要求从要求从 0Fmax（Fmax0），时间应尽可能小，且不能有，时间应尽可能小，且不能有超调，否则对机械部件不利，超调，否则对机械部件不利，有害于加工质量。有害于加工质量。 t F tp3.1.1 3.1.1 对数控伺服系统的要求对数控伺服系统的要求3.1 3.1 概述概述4CNC3.1.1 3.1.1 对数控伺服系统的要求对数控伺服系统的要求3. 调速范围要宽且要有良好的稳定性调速范围要宽且要有良好的稳定性 调速

4、范围：调速范围： 一般要求：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。的平稳性显得特别重要。minmaxFFRNm in1 0 0 0 0 00 .1m in1m inNRm mFm m且3.1 3.1 概述概述5CNC4.系统的可靠性高系统的可靠性高 平均无故障时间平均无故障时间 对伺服系统的要求包括对伺服系统的要求包括静态静态和和动态特性动态特性两方面；两方面； 对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更 严。严。3.1.1 3.1.1 对数控伺服系统的要求对数控伺服系统的

5、要求3.1 3.1 概述概述6CNC 按有无反馈检测元件分为按有无反馈检测元件分为开环开环和和闭环闭环(含半闭环含半闭环)两种类型两种类型 开环伺服系统由开环伺服系统由驱动控制单元驱动控制单元、执行元件执行元件和和机床组成机床组成。 闭环闭环(半闭环半闭环)伺服系统由伺服系统由执行元件执行元件、驱动控制单元驱动控制单元、机床机床以以及及反馈检测元件反馈检测元件、比较环节比较环节组成。组成。 3.1.2 3.1.2 数控伺服系统的基本组成数控伺服系统的基本组成3.1 3.1 概述概述7CNC3.1.3 3.1.3 数控伺服系统的分类数控伺服系统的分类按反馈比较控制方式分类数字脉冲比较伺服系统鉴相

6、式伺服系统鉴幅式伺服系统全数字伺服系统按伺服系统的用途和功能分类进给驱动系统主轴驱动系统按执行元件的类别分类直流伺服系统交流伺服系统步进伺服系统3.1 3.1 概述概述8CNC 伺服驱动元件又称为执行电动机 数控伺服系统的执行元件，是根据输入的控制信号产生角位移或角速度，带动被控对象运动。 数控伺服系统中常用的驱动元件有：步进电动机直流伺服电动机交流伺服电动机 3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件9CNC3.2.1 3.2.1 步进电动机步进电动机 步进电机流行于步进电机流行于70年代，系统结构简单、控制容易、年代，系统结构简单、控制容易、维修方面，且控制为全数字化。随着计算机

7、技术的发展，除维修方面，且控制为全数字化。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步简化结构。目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高简化结构。目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高的场合，如经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设的场合，如经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设备。备。 步进电动机是一种步进电动机是一种用电脉冲信号用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲进行控制，并将电脉冲信号转换成角位移的机电元件。信号转换成角位移的机电元件。每输入一个脉冲，步进电动每输入一个脉冲，步进电动机转轴就转过

8、一定角度机转轴就转过一定角度。 3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件10CNC步进电动机的种类步进电动机的种类 运动方式：旋转运动的、直线运动的和平面运动方式：旋转运动的、直线运动的和平面运动运动 ； 结构上：反应式、励磁式结构上：反应式、励磁式 ； 按定子数目：单段定子式、多段定子式；按定子数目：单段定子式、多段定子式； 按相数：单相、两相、三相及多相。按相数：单相、两相、三相及多相。 3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件11CNC三相三拍反应式的工作原理三相三拍反应式的工作原理 三相是指步进电机有三相定子绕组，三拍是指每三次转换为一个循环 三相步进电机，定子

9、有六个磁极，分为三对，每个磁极上装有控制绕组。一对磁极通电后，对应产生N/S极磁场；转子为带齿的铁心（反应式）或磁钢（混合式）。 当定子三相依次通电时，三对磁极依次产生气隙磁场，吸引转子一步步转动。3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件12CNC步进电动机的主要特性步进电动机的主要特性 步距角步距角 :步进电动机绕组的通电状态每改变一次，转子转步进电动机绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度过的角度 起动频率起动频率 :空载时，步进电动机由静止状态突然起动，进空载时，步进电动机由静止状态突然起动，进入不丢步的正常运行的最高频率入不丢步的正常运行的最高频率 连续运行频率连续运行频

10、率 :步进电动机起动以后其运行速度能跟踪步进电动机起动以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工作频率指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率 加减速特性加减速特性 :描述步进电动机由静止到工作频率和由工作描述步进电动机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系与时间的关系 3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件13CNC3.2.2 3.2.2 直流伺服电动机直流伺服电动机 小惯量直流电动机小惯量直流电动机: :转动惯量小，反应灵敏，转动惯量小，反应灵敏，动态特性好，

11、适用于高速与负载惯量较小的场动态特性好，适用于高速与负载惯量较小的场合。合。 大惯量宽调速直流伺服电动机大惯量宽调速直流伺服电动机: :既具有一般直既具有一般直流电动机的各项优点，又具有小惯量直流电动流电动机的各项优点，又具有小惯量直流电动机的快速响应性能，易与较大的负载惯量匹配机的快速响应性能，易与较大的负载惯量匹配，能较好地满足伺服驱动的要求。，能较好地满足伺服驱动的要求。 3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件14CNC直流伺服电动机的结构特点直流伺服电动机的结构特点 按磁极的种按磁极的种类，宽调速类，宽调速直流电动机直流电动机分为分为电励磁电励磁和和永久磁铁永久磁铁两种两

12、种 3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件15CNC宽调速直流电动机性能宽调速直流电动机性能 输出力矩大输出力矩大 过载能力强过载能力强 动态响应性能好动态响应性能好 低速运转平稳低速运转平稳 易于调试易于调试 因此，宽调速直流伺服电动机是目前机电一因此，宽调速直流伺服电动机是目前机电一体化闭环伺服系统中应用较多的控制电动机。体化闭环伺服系统中应用较多的控制电动机。 3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件16CNC直流伺服电动机调速方式直流伺服电动机调速方式 晶闸管直流调速（晶闸管直流调速（SCR ） 脉宽调制直流调速脉宽调制直流调速(PWM) 频带宽频带宽 电动机

13、脉动小电动机脉动小 电源的功率因数高电源的功率因数高 动态硬度好，系统具有良好的线性动态硬度好，系统具有良好的线性 3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件17CNC3.2.3 3.2.3 交流伺服电动机交流伺服电动机 由于直流伺服电机具有优良的调速性能，由于直流伺服电机具有优良的调速性能， 80年代初年代初至至90年代中，在要求调速性能较高的场合，直流伺服电年代中，在要求调速性能较高的场合，直流伺服电机调速系统的应用一直占据主导地位。但其却存在一些机调速系统的应用一直占据主导地位。但其却存在一些固有的缺点，即：固有的缺点，即：电刷和换向器易磨损，维护麻烦电刷和换向器易磨损，维护麻

14、烦结构复杂，制造困难，成本高结构复杂，制造困难，成本高 而交流伺服电机则没有上述缺点。特别是在同样体而交流伺服电机则没有上述缺点。特别是在同样体积下，交流伺服电机的输出功率比直流电机提高积下，交流伺服电机的输出功率比直流电机提高10%70%，且可达到的转速比直流电机高。因此，人们一直，且可达到的转速比直流电机高。因此，人们一直在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速的方案。在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速的方案。3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件18CNC交流伺服电动机的结构特点交流伺服电动机的结构特点 交流伺服电动机采用全封闭无刷构造，不需定期检查和维修。 定子省去

15、了铸件壳体，结构紧凑，外形小，重量轻 它的转子采用具有精密磁极形状的永久磁铁，常做成鼠笼式，为了使伺服电动机反应迅速，转子做得较细长。 空心杯形转子，杯壁很薄 3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件19CNC 交流伺服电动机的工作交流伺服电动机的工作原理原理 与单相异步电动机相似 交流伺服电动机调速交流伺服电动机调速 交流伺服电动机调速通常由调频调速的方法实现。 实现调频调压方法： 脉冲幅值调制脉冲幅值调制(PAM)(PAM)方法方法 脉宽调制脉宽调制(PWM)(PWM)方法方法 3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件20CNC3.2.4 3.2.4 直线电动机直线

16、电动机 直线电动机是一种能将电信号直接转换成为直线位移的电动机。直线电动机没有传动机械的磨损，并且噪音低、结构简单、操作维护方便。 直线电动机主要应用的机型有直流直线电动机直流直线电动机、交流直线电动机交流直线电动机以及直线步进电动机直线步进电动机等，在实际中应用较多的是交流直线电动机。 3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件21CNC直线电动机的优点直线电动机的优点 结构简单结构简单 应用范围广、适应性强应用范围广、适应性强 反应速度快，灵敏度高，随动性好反应速度快，灵敏度高，随动性好 额定值高、冷却条件好额定值高、冷却条件好 有精密定位和自锁能力有精密定位和自锁能力 工作稳定

17、可靠，寿命长工作稳定可靠，寿命长 3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件22CNC 优点：优点：是结构比较简单用较多的是以光栅和光电编码器作为位置检测装置的闭环控制系统。 组成组成3.6 3.6 脉冲比较式伺服系统脉冲比较式伺服系统 23CNC脉冲比较式伺服系统的组成脉冲比较式伺服系统的组成 指令信号指令信号 ：由数控装置提供，数字脉冲信号，也可以是数码信号 反馈测量信号反馈测量信号 ：由检测装置提供的机床速度、位置反馈信号，可以是脉冲信号，也可以是数码信号 常用的检测装置：光栅光栅和脉冲编码器脉冲编码器 比较器比较器 作用：完成指令信号与反馈测量信号比较的环节 有三类：数码比较

18、器数码比较器、数字脉冲比较器数字脉冲比较器和数码与数字脉冲数码与数字脉冲比较器比较器。 转换器转换器 ：转换器是数字脉冲信号与数码的相互转换部件 驱动执行元件驱动执行元件 ：根据比较器的输出带动工作台移动 3.6 3.6 脉冲比较式伺服系统脉冲比较式伺服系统 24CNC3.6 3.6 脉冲比较式伺服系统脉冲比较式伺服系统 25脉冲比较式伺服系统工作原理脉冲比较式伺服系统工作原理 以采用光电脉冲编码器为测量元件的系统为例说明数字脉冲比较伺服系统的工作原理。 光电编码器与伺服电机的转轴连接，随着电机的转动产生脉冲序列输出，其脉冲的频率将随着转速的快慢而升降。若工作台处于静止状态，指令脉冲Pc=0，

19、这时反馈脉冲Pf亦为零，经比较器可得偏差e=PcPf=0，则伺服电机的速度给定为零，工作台继续保持静止不动。 CNC3.6 3.6 脉冲比较式伺服系统脉冲比较式伺服系统 26脉冲比较式伺服系统工作原理脉冲比较式伺服系统工作原理 随着指令脉冲的输入，Pc0，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲Pf仍为零。经比较器比较，得偏差e=PcPf0，若指令脉冲为正向进给脉冲，则e0，由速度控制单元驱动电机带动工作台正向进给。 随着电机运转，光电脉冲编码器将输出反馈脉冲Pf送入比较器，与指令脉冲Pc进行比较，若e=PcPf0，工作台继续运动，不断反馈，直到e=PcPf=0，即反馈脉冲数等于指令脉冲数，工作台停在指

20、令规定的位置上。 当指令脉冲为反向运动脉冲时，控制过程与Pc为正时基本上类似。只是e0，工作台作反向进给，直至e=0，工作台停在指令所规定的反向某个位置上。CNC主要工作部件主要工作部件 数字脉冲数字脉冲数码转换器数码转换器 数字脉冲转换为数码数字脉冲转换为数码 对于数字脉冲转化为数码，其最简单的实对于数字脉冲转化为数码，其最简单的实现方法就是采用一个可逆计数器，它将输入的现方法就是采用一个可逆计数器，它将输入的脉冲进行计数，以数码值输出。脉冲进行计数，以数码值输出。图所示是由两图所示是由两个二个二十进制计数器组成的数字脉冲十进制计数器组成的数字脉冲数码转数码转换器。换器。 3.6 3.6 脉冲比较式伺服系统脉冲比较式伺服系统 CNC主要工作部件主要工作部件 数字脉冲数字脉冲数码转换器数码转换器 数码转换为数字脉冲数码转换为数字脉冲 对于数码转化为数字脉冲，常用的有两种方对于数码转化为数字脉冲，常用的有两种方法。第一种方法是采用减法计数器组成的线路法。第一种方法是采用减法计数器组成的线路，如图所示，如图所示， 3.6 3.6 脉冲比较式伺服系统脉冲比较式伺服系统 CNC主要工作部件主要工作部件 数字脉冲数字脉冲数码转换器数码转换器 数码转换为数字脉冲数码转换为数字脉冲 第二种方法是用一个第二种方法是用一个脉冲乘法器脉冲乘法器，数字脉冲，数字脉冲乘法器实质