数控机床伺服系统

6数控机床伺服系统6.1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。.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。2.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。3.组成图6.1数控机床伺服系统结构4.对进给伺服系统的基本要求：①高精度②稳定性好。③快速响应，无超调。④低速大转矩。机床加工的特点是在低速时进行重切削。⑤调速范围宽。6.2开环控制系统与步进电机驱动电路1开环控制系统的构成。2步进电机步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电机。1)反应式步进电机的结构定子转子定子绕组ABC定子转子3.步进电机的工作原理4.步进电机的主要技术性能指标1)步距角2)最大静转矩Tjmax3)空载启动(突跳)频率fq4)启动矩频特性5)空载运行频率fmax6)运行矩频特性图6.6步进电机的失调角及矩角特性图6.790BF001型步进电机的启动矩频特性图6.890BF001型步进电机的运行矩频特性5.步进电机的驱动电路(1)环形分配器图6.9三相六拍方式通电的环形分配器(2)功率放大器1)单电压驱动电路2)高低压驱动电路3)斩波驱动电路图6.10单电压驱动电路图6.11高低压驱动电路图6.12斩波驱动电路6.3闭环伺服系统与反馈比较形式6.3.1闭环伺服进给系统与半闭环伺服进给系统图6.13闭环伺服进给系统原理6.3.2数字脉冲比较伺服系统图6.14半闭环伺服进给系统原理图6.15数字脉冲比较系统的构成图6.16转换器的形式图6.17数字脉冲比较器的构成原理(1)数字脉冲比较系统的构成(2)数字脉冲比较系统的工作原理(3)主要功能部件1)数字脉冲-数码转换器2)比较器6.3.3相位比较伺服系统(1)相位比较伺服系统的构成及工作原理(2)鉴相器鉴相器又称相位比较器，它的作用是鉴别指令信号与反馈信号之间的相位差，把它变成一个带极性的误差电压信号作为速度单元的输入信号。图6.18相位比较伺服系统的方框图6.3.4幅值比较伺服系统(1)幅值比较伺服系统的组成图6.19触发器鉴相器图6.20幅值伺服系统的组成框图图6.21测量元件及信号处理线路的框图图6.22解调器(鉴幅器)组成框图图6.23离散系统图6.24离散系统PID控制(2)幅值比较伺服系统工作原理6.3.5数字伺服系统概述(1)数字伺服系统及其特点(2)高速、高精度伺服系统的发展图6.25PID函数的采样序列图6.26数字PID软件控制伺服系统方框图图6.27带与不带前馈控制的系统加工轨迹的比较图6.28带与不带学习控制器的系统位置误差的比较6.4直流伺服电机与调速系统1.直流电机与直流伺服电机有何区别?直流电动机的物理模型图定子：

主磁极（励磁绕组主极铁心）

换向极（绕组和铁心）

机座

端盖

电刷装置转子：

转轴、风扇

电枢绕组

电枢铁心

换向器主磁极换向极电刷装置电枢铁心电枢绕组

换向器他励直流电机

并励直流电机

串励直流电机

复励直流电机

永磁直流伺服电机图6.29永磁直流伺服电机的结构特点1)低转速大惯量

2)转矩大

3)起动力矩大

4)调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小6.4.2直流伺服电机的特性(1)电机的静态特性图6.30定子磁极的结构图6.31直流伺服电机的机械特性(2)直流伺服电机的动态特性(3)永磁直流伺服电机的特性曲线6.4.3直流伺服电机的调速控制(1)直流伺服电机的调速方法图6.32永磁直流伺服电机的转矩速度特性曲线图6.33永磁直流伺服电机的图6.34晶闸管(可控硅)直流调速系统(2)直流速度控制单元1)晶闸管调速系统2)晶体管脉宽调制调速系统以下介绍PWM调速系统的核心部分。①脉宽调制器②开关功率放大器图6.35三相全控桥无环流反并联可逆电路图6.36PWM调速系统构成原理框图图6.37脉宽调制器图6.38波形图图6.39H型开关功率放大器6.5交流伺服电机与主轴驱动系统6.5.1交流伺服电机的结构和工作原理nr=ns=60f/p图6.40永磁式交流伺服电机的结构图6.41永磁式交流同步伺服图6.42永磁交流同步伺服电机特性曲线6.5.2交流伺服电机的调速系统

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，它的转速是稳定不变的。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。交流主轴电机多采用交流异步电机，很少采用永磁同步电机，主要因为永磁同步电机的容量做得不够大，且电机成本较高。另外主轴驱动系统不象进给系统那样要求很高的性能，调速范围也不要太大。因此，采用异步电机完全可以满足数控机床主轴的要求，笼型异步电机多用在主轴驱动系统中。

一、数控机床用交流电机

据电机学知，交流异步电机的转速表达式为：

二、交流电机的速度控制

(一)交流电机的调速

式中f1—定子电源频率（Hz）；

p—磁极对数；

s—转差率。由上式可知异步电机的调速方法，可以有变转差率、变极对数及变频三种。靠改变转差率对异步电机进行调速时，低速时转差率大，转差损耗功率也大，效率低。变极调速只能产生二种或三种转速，不可能做成无级调速，应用范围较窄。变频调速是从高速到低速都可以保持有限的转差率，故它具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，可以认为是一种理想的调速方法。

（r/min）由上述分析可知改变频率f1，可平滑调节同步转速。但在实际调速时，只改变频率是不够的，现在来看一下变频时电动机的机械特性的变化情况，由电机学知：式中:E1—感应电势；

Kr1—基波绕组系数；

N1—定子每相绕组串联匝数；

Φm—每极气隙磁通量。当略去定子阻抗压降时，定子相电压U1为:式中:KE—电势系数，KE＝4.44Kr1N1。由上式可见，定子电压不变时，随f1的上升，气隙磁通Φm将减小。又从转矩公式:式中：CT—转矩常数；

I2—折算到定子上的转子电流；

cos—转子电路功率因数。可以看出，Φm减小导致电机允许输出转矩T下降，则电机利用率下降，电机的最大转矩也将降低，严重时可能发生负载转矩超过最大转矩，电机就带不动了，即所谓堵转现象。又当电压U1不变，减小f1时，Φm上升会造成磁路饱合，激磁电流会上升，铁心过热，功率因数下降，电机带负载能力降低。故在调频调速中，要求在变频的同时改变定子电压U1，以维持Φm接近不变，由U1，f1不同的相互关系,而得出不同的变频调速方式、不同的调速机械特性。1.恒转矩调速

由转子电流与主磁通作用而产生的电磁转矩公式可知，T与φm、I2成正比。要保持T不变，即要求U1/f1为常数，可以近似地维持m恒定。此时的机械特性曲线族如右图所示。

恒转矩调速特性曲线

由图可见，保持U1/f1为常数进行变频调速时，这些特性曲线的线性段基本平行，类似直流电机的调压特性。但最大转矩Tm随着f1下降而减小。这是因为f1高时，E1数值较大，此时定子漏阻抗压降在U1中所占比例较小，可以认为U1近似于定子绕组中感应电势E1。而当f1相对很较低时，E1数值变小，U1值也变小，此时定子漏阻抗压降在U1中所占比例增大，E1与U1相差很大，所以φm减小，从而使Tm下降。

2.

恒最大转矩（Tm）调速

为了在低速时保持最大转矩Tm不变，就必须采取E1/f1=常数的协调控制，显然，这是一种理想的保持磁通恒定的控制方法。恒Tm调速的机械特性见图所示，对应于同一转矩，转速降基本不变，即直线部分斜率不变，机械特性平行地移动。

n

Tf4

f1

f1>f2>f3>f4

f2

f3

恒Tm调速特性曲线3.恒功率调速

为了扩大调速范围，可以在额定频率以上进行调速。因电机绕组是按额定电压等级设计的，超过额定电压运行将受到绕组绝缘强度的限制，因此定子电压不可能与频率成正比地提高。若频率上升，额定电压不变，那么气隙磁通φm将随着f1的升高而降低。这时，相当于额定电流时的转矩也减小，特性变软。如右图所示，随着频率增加，转矩减少，而转速增加，可得近似恒功率的调速特性。