进给伺服系统

第五章进给伺服系统提要本章介绍进给伺服系统的构成及工作原理，叙述步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等伺服驱动元件的结构及调速方法，阐述开环伺服系统、闭环伺服系统的构成及控制原理。学时：4学时第五章进给伺服系统目标

掌握伺服系统的功能、分类及其特点：数控机床对伺服系统的要求

掌握开环伺服系统的组成及工作原理

了解和掌握步进电机的结构、工作原理、脉冲分配方式了解直流和交流伺服电机位置控制原理第五章进给伺服系统建议本章内容既有理论分析，又有实验研究。学习中，应特别注意各种伺服驱动元件的调速方法和调速原理，了解各种驱动元件之间的性能比较及其应用场合。第五章进给伺服系统第一节概述

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、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是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。该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强。

进给伺服系统的定义及组成.定义：进给伺服系统(FeedServoSystem)——以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。一、进给伺服系统的定义及组成

进给伺服系统的作用接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。进给伺服系统能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。如把数控装置比作数控机床“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，则伺服系统就是数控机床的“四肢”，是执行“命令”的机构。

组成：进给伺服系统主要由以下几个部分组成：位置控制单元；速度控制单元；驱动元件(电机)；检测与反馈单元；机械执行部件。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈第一节概述图5-1进给伺服系统组成

NC机床对数控进给伺服系统的要求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：一般要求：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。

输出位置精度要高静态：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)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)灵敏度要高，有足够高的分辩率。

负载特性要硬在系统负载范围内，当负载变化时，输出速度应基本不变。即△F尽可能小；当负载突变时，要求速度的恢复时间短且无振荡。即△t尽可能短；应有足够的过载能力。这是要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。tF△t△F

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0→Fmax（Fmax→0），其时间应小于200ms，且不能有超调，否则对机械部件不利，有害于加工质量。tFtp

能可逆运行和频繁灵活启停。

系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。综上所述：对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面；对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更严。

数控机床的伺服系统按其控制原理和有无位置反馈装置分为开环和闭环伺服系统；按其用途和功能分为进给伺服系统和主轴伺服系统；按其驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统。电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统及直线电动机伺服系统。第二节伺服系统的分类

开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，没有位置反馈回路和速度反馈回路，因此设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小，主要用于中、低档数控机床及普通机床改造。步进电机转过的角度与指令脉冲个数成正比，其速度由进给脉冲的频率决定。特点：没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大开环伺服系统半闭环伺服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。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈全闭环伺服系统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。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈

进给驱动系统与主轴驱动系统进给伺服系统包括速度控制环和位置控制环，用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需转矩。主轴伺服系统只是一个速度控制系统，控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力，且保证任意转速的调节。

直流伺服系统、交流伺服系统与直线电动机伺服系统直流伺服系统就是控制直流电机的系统。目前使用比较多的是永磁式直流伺服电机。永磁直流伺服电机（也称为大惯量宽调速直流伺服电机），调速范围宽，输出转矩大，过载能力强，而且电机转动惯量较大，应用较方便。

但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格也高。进入20世纪80年代后，由于交流电机调速技术的突破，交流伺服驱动系统进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服电机，转子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修，制造简单，适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速度方向发展，其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统，交流伺服电机已在数控机床中得到广泛应用。

直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的一种推力装置，是一种较为理想的驱动装置。在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的最大区别是取消了从电动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和优点。步进电动机又称脉冲电动机。对应每一个指令脉冲，步进电机就旋转一个规定角度(步距角)。步进电动机输出角位移量θ与输入指令脉冲数K成正比；步进电动机的转速n与脉冲指令脉冲f频率成正比。第三节步进电机的工作原理、结构及特性在步进电机负载能力允许下，这种线性关系随着负载变化等因素而变化，可在较宽范围内；通过对指令脉冲频率和数量的控制，控制机床运动速度和位置。机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。

(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。

(3)改变脉冲顺序，改变方向。步进电机的实物图种类：有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。应用：

步进电机应用广泛。如数控机床、自动绘图仪等设备中都得到应用。

下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。

结构步进电机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极。定子转子定子绕组定子上有绕组分为若干相，每相磁极上有极齿。左图为三相定子：AA’,BB’,CC’A、B、C三相每相两极，每极上五个齿定子五个极齿

定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。

注意：这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同。步进电机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。ABC定子转子IAIBIC定子上线圈的绕法转子转子上有均匀分布的齿，没有绕组。转子齿间夹角为9o后面以四十齿为例来说明步进电机的原理工作方式

步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。（一）、三相单三拍（1）三相绕组联接方式：Y型（2）三相绕组中的通电顺序为：A相

B相

C相通电顺序也可以为：

A相C相B相

（3）工作过程吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A相通电，A方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁化，A相通电使转子1、3齿和AA'对齐。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412同理，B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30；C相通电再转30。1C'342CA'BB'A

这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过30。此角称为步距角，用S表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。（二）、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：

AABBBCCCAA

共六拍。工作过程：A相通电，转子1、3齿和A相对齐。CA'BB'C'A3412所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA'通电，转子转了15°。（1）BB'

磁场对2、4齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动。A、B相同时通电（2）AA'

磁场继续对1、3齿有拉力。CA'BB'C'A3412总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15。CA'BB'C'A3412B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。（三）、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：

AB

BC

CA

AB

共三拍。AB通电CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412BC通电以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30，即S=30。CA通电CA'BB'C'A3412小步距角的步进电动机

实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5度，步距角越小，机加工的精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子40个齿，定子仍是6个磁极，但每个磁极上也有五个齿。转子的齿距等于360/40=9，齿宽、齿槽各4.5。

为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。结论：1.步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度――即步进电机的步距角α；2.改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向将随之改变；3.步进电机定子绕组通电状态的变换频率越高，转子的转速越高；4.步进电机的步距角α与定子绕组的相数m，转子的齿数z，通电方式K有关，由如下关系：式中，三相三拍时（m相m拍）时：K＝1；三相六拍（m相2m拍）时：K＝2。

如右图所示步进电机，若转子齿数z＝40，以三相三拍通电时，步距角为图4－32反应式三相步进电机工作原理图以三相六拍通电时，步距角为

各种步进电机的不同分配方式及相应的步距角

步距角是两个相临脉冲时间内转子转过的角度。一般来说步距角越小,控制越精确。同一相数的步进电机可有两种步距角。通常为1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。步距误差直接影响执行部件的定位精度.步进电动机单相通电时,步距误差取决于定子和转子的分齿精度,和各相定子错位角度的精度。二、步进电机的主要性能指标

1.

步距角和步距误差

步距误差是指步进电机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。连续走若干步时，上述步距误差的累积值称为步距的累积误差。由于步进电机转过一转后，将重复上一转的稳定位置，步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。

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，转子齿力求与定子齿对齐，使磁路中磁阻最小，转子处在平衡位置不动（θ＝0）。

如在电机轴上外加一负载转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度θ，称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩，这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角θ的关系叫矩角特性，如图5-3，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Mjmax。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（θ＝0）。

图5-3静态矩角特性

3.最大启动转矩图5-4为三相单三拍矩角特性曲线，图中的A、B分别是相邻A相和B相的静态矩角特性曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电机的最大启动转矩。如果外加负载转矩大于，电机就不能启动。如图5-4所示,当A相通电时，若外加负载转矩，对应的失调角为，当励磁电流由A相切换到B相时，对应角，B相的静转矩为。从图中看出,电机不能带动负载做步进运动，因而启动转矩是电机能带动负载转动的极限转矩。a

bABC图5-4步进电机的启动转矩

4.启动频率空载时，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脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。步进电机在带负载下的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大启动频率会进一步降低。

5.连续运行频率步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。6.矩频特性与动态转矩矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系（见下图），该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。当步进电机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。

M

矩频特性f

典型进给伺服系统(位置控制).开环进给伺服系统(Open-LoopSystem)不带位置测量反馈装置的系统；驱动电机只能用步进电机；主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造A’相、B’相C’相、…A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大步进电机步进电机开环系统设计

步进电机开环系统设计要解决的主要问题： ①动力计算、②传动计算、③驱动电路设计或选择目的：传动计算选择合适的参数以满足脉冲当量和进给速度F的要求。图中：f—脉冲频率（HZ

）

α—

步距角（度）

Z1、Z2—

传动齿轮齿数

t—

螺距(mm)

—

脉冲当量（mm）步进电机Z1Z2tf，脉冲当量δ是指数控系统发出一个指令脉冲，工作台所移动的距离。它决定了数控机床的加工精度和驱动系统的最高工作频率。1．传动计算如下图所示的直线进给系统，进给系统的脉冲当量为δ(mm)，步进电机的步距角为α，齿轮传动链的传动比为i，滚珠丝杠的导程为t(mm)，它们之间的关系如下：则有

对于图(b)所示的圆周进给系统(如数控转台等)，设脉冲当量为δ0，蜗杆为Zk头，蜗轮为Zw齿，则有

步进电机开环进给系统的脉冲当量一般取为0.01mm或0.0010，也有选用0.005-0.002mm或者0.0050-0.0020，这时脉冲位移的分辨率和精度较高，但是由于进给速度v=60fδmm/min或ω＝60fδ(0)/min,在同样的最高工作频率f时δ越小则最大进给速度之值也越小。步进电机的进给系统使用齿轮传动，不仅是为了求得必需的脉冲当量，而且还有满足结构要求和增大转矩作用。

2步进电动机的选择

总体设计时，应根据工件加工精度及表面粗糙度、工件尺寸，最高和最低运行速度等要求，初步确定机械传动系统的参数，如滚珠丝杠的尺寸及螺距S(mm)；电机与丝杠联接的减速箱的传动比i。(1)步距角选择及脉冲当量的设定步距角选择及脉冲当量设定的原则已如前述。(2)负载力矩计算及最大静转矩的选择负载转矩计算，考虑伺服系统等因素的影响，并留有一定裕度(3)负载转动惯量估算依照机床要求的起动频率，参照电机的起动惯频特性、并留有一定裕度，以满足伺服系统的快速响应及最高运行速度要求。

第四节伺服电动机

直流伺服电动机和交流伺服电动机等。2、伺服电动机分类：

伺服电动机的作用是驱动控制对象。被控对象的转距和转速受信号电压控制，信号电压的大小和极性改变时，电动机的转动速度和方向也跟着变化。1、伺服电动机的作用一直流伺服电机及驱动

直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，电磁力的大小正比于电机中的气隙磁场，直流电机的励磁绕组所建立的磁场是电机的主磁场，按对励磁绕组的励磁方式不同，直流电机可分为：他激式、并激式、串激式、复激式、永磁式。20世纪80-90年代中期，永磁式直流伺服电机在NC机床中广泛采用。功率步进电机用作开环进给系统的伺服驱动装置。由它组成的开环进给系统，性能不能满足使用要求，而且它的性能的提高也受到了很大的限制。因此，从20世纪60年代初期出现了小惯量直流伺服电机，70年代初出现了大惯量直流伺服电机（又称宽调速电机）。目前许多数控机床均采用了大惯量直流伺服电机组成的闭环或半闭环进给系统直流伺服电动机伺服系统

直流伺服电动机与一般直流电机的基本原理是完全相同的，所示转子上的载流导体（即电枢绕组）在定子磁场中，受到电磁转距M的作用，使电机转子旋转。

直流伺服电动机的调速：

1.改变电枢电阻U;

2.改变磁通量;改变激磁回路的电阻RJ以改变激磁电流Ij,可以达到改变磁通的目的;

3.在电枢回路串联调节电阻;

4.在激磁回路串联调节电阻.结构：与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做得细长一些。工作原理：与直流电动机相同。供电方式：他励。励磁绕组和电枢(绕组)由两个独立电源供电：MU1IfIaU2放大器UU1为励磁电压，U2为电枢电压。由机械特性可知：(1)励磁电压U1（即磁通）不变时，一定的负载下，电枢电压U2,n。(2)电枢电压U2=0时，电机立即停转。反转：电枢电压的极性改变，电机反转。直流伺服电机的机械特性公式与他励直流电机一样：机械特性曲线U20.8U20.6U20.4U2nT

直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。经常用在功率稍大的系统中，它的输出功率一般为1-600W。其用途很多，如随动系统中的位置控制等。应用：直流伺服电机的特点过载倍数大，时间长；具有大的转矩/惯量比，电机的加速大，响应快。低速转矩大，惯量大，可与丝杆直接相联，省去了齿轮等传动机构。可提高了机床的加工精度。调速范围大，与高性能的速度控制单元组成速度控制系统时，调速范围超过1∶2000。带有高精度的检测元件(包括速度和转子位置检测元件)；电机允许温度可达150°～180℃，由于转子温度高，它可通过轴传到机械上去，这会影响机床的精度由于转子惯性较大，因此电源装置的容量以及机械传动件等的刚度都需相应增加。电刷、维护不便二、交流伺服电机及驱动

由于直流伺服电机具有优良的调速性能，80年代初至90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。但其却存在一些固有的缺点，即：电刷和换向器易磨损，维护麻烦结构复杂，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，人们一直在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速的方案。

在交流伺服系统中，按电机种类可分为同步型和异步型（感应电机）两种。数控机床进给伺服系统中多采用永磁式同步电机，同步电机的转速是由供电频率所决定的，即在电源电压和频率固定不变时，其转速稳定不变。由变频电源供电给同步电机时，能方便地获得与频率成正比的可变速度，可以得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。

交流伺服电动机

原理与两相交流异步电机相同，定子上装有两个绕组—

励磁绕组和控制绕组。励磁绕组和控制绕组在空间相隔90。控制绕组励磁绕组转子励磁绕组中串联电容C的目的是为了产生两相旋转磁场。接线：励磁绕组的接线放大器控制绕组的接线检测元件控制信号UI1U1UU