第6章 数控机床的伺服驱动系统

第6章

数控机床的伺服驱动系统1主要内容

6.1概述

6.2步进电机及其驱动控制系统

6.3直流伺服电机及其速度控制

6.4交流伺服电机及其速度控制系统

6.5主轴驱动26.1概述

6.1.1进给伺服系统的定义及组成定义：伺服系统是以机械位置或角度作为控制量的自动控制系统。又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元，是实现切削刀具与工件间运动的进给驱动和执行机构。作用：伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。功能：接收来自CNC装置（插补装置或插补软件）的进给指令脉冲，经过信号变换及电压、功率放大，驱动各坐标轴按指令脉冲运动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。36.1.1进给伺服系统的定义及组成进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说C装置是数控系统的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。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。46.1.1进给伺服系统的定义及组成数控机床伺服驱动系统的基本组成由比较环节、驱动控制装置、检测反馈装置和执行元件四部分组成

5伺服系统（ServoSystem)CNC系统驱动电机检测装置控制信号反馈信号光栅尺伺服驱动系统678比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。控制器通常是计算机CNC或PLC控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。9伺服驱动元件又称为执行电机，在输入电信号之前，转子静止不动；电信号到来之后，转子立即转动，且转向、转速随电信号的方向和大小而改变，同时带动一定的负载运动；电信号一旦消失，转子立即自行停转。10驱动电机：是进给系统的动力部件，它提供执行部分运动所需的动力，在数控机床上常用的电机有：步进电机直流伺服电机交流伺服电机直线电机。

检测装置：在闭环、半闭环控制系统中，它的主要作用是检测位移和速度，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制,对驱动装置进行控制。常用的检测装置有：感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码器等。11进给驱动系统用途和功能主轴驱动系统电液伺服系统驱动元件的类型直流伺服驱动系统电气驱动系统交流伺服驱动系统开环系统控制原理半闭环系统闭环系统6.1.2伺服驱动系统的分类伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有以下三种。

步进电机伺服驱动系统12主要内容开环控制(Open-LoopServo-Drive)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按控制原理分类采用步进电机作为驱动元件；无位置反馈，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；结构简单、调试维修方便，工作稳定、设备投资低，一般用于精度和速度要求不高、驱动力矩不大的经济型数控机床。13步进电机步进电机14半闭环控制(Half-Closed-LoopServo-Drive)速度控制电路工作台伺服电机位置比较电路指令脉冲速度反馈位置反馈检测元件半闭环数控系统的位置采样点是从驱动装置(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。按控制原理分类15半闭环数控系统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。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。半闭环数控系统结构简单、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。16交流伺服电机17主要内容闭环控制(Closed-LoopServo-Drive)位置采样点直接对运动部件的实际位置进行检测。位置反馈速度控制电路工作台伺服电机位置比较电路指令脉冲速度反馈按控制原理分类18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。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，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。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。闭环控制(Closed-LoopServo-Drive)19光栅尺光栅尺20（1）步进电机伺服驱动系统。步进电机将进给指令信号变换为具有一定方向、大小和速度的机械角位移，通过齿轮和丝杠螺母副带动工作台移动。特点：在大负载和速度较高的情况下容易失步、能耗大、速度低、精度较差。应用：故主要用于速度和精度要求不太高的经济型数控机床和旧机床改造。按驱动电机的类型分：21（2）直流电机伺服驱动系统。特点：有良好的宽调速性能，输出转矩大、过载能力强。在上世纪70年代和80年代初，数控机床多采用直流电机伺服系统。但直流伺服电机由于具有电刷和机械换向器，使结构与体积受限制，现已基本被交流伺服电机取代。按驱动电机的类型分：22（3）交流电机伺服驱动系统。常永磁同步伺服电机。特点：相对于直流伺服电机，具有结构简单、体积小、惯量小、响应速度快、效率高等特点。采用变频调速。应用：它更适应大容量、高速加工的要求。交流电机伺服驱动系统在进给伺服驱动中已逐渐取代了直流电机伺服驱动系统。按驱动电机的类型分：23（4）直线电机伺服驱动系统。直接驱动机床工作台运动，取消了电机和工作台之间的一切中间传动环节，形成了所谓的“直接驱动”或“零传动”。特点：克服了传统驱动方式中传动环节带来的缺点，显著提高了机床的动态灵敏度、加工精度和可靠性。按驱动电机的类型分：直线电机24精度要高数控机床伺服系统的精度是指机床工作的实际位置复现插补器指令信号的精确程度。

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。高档数控机床微米级，超精密机床亚微米级。（以保证尺寸精度）动态：跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误差表示。

（以保证轮廓精度）灵敏度要高：有足够高的分辩率。6.1.3数控机床对进给伺服驱动系统的要求

252.工作稳定性好工作稳定性是指伺服系统在突变指令信号或外界干扰的作用下，能够快速的达到新平衡状态或恢复原有平衡状态的能力。

工作稳定性越好，机床运动平稳性越高，工件的加工质量就越好。

速度稳定性：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较强的抗干扰能力是获得均匀进给速度的重要保证。6.1.3数控机床对进给伺服驱动系统的要求

26加工过程中，进给伺服驱动系统跟踪指令信号的速度要快，过渡时间要短，且无超调，这样跟随误差才小。否则对机械部件不利，有害于加工质量。过渡过程一般应在几十毫秒以内。tFtp6.1.3数控机床对进给伺服驱动系统的要求

3.响应速度快，无超调

快速响应是伺服系统动态品质的一项重要指标，它反映了系统对插补指令的跟踪精度。274.调速范围要宽

调速范围是指电机在额定负载时所能提供的最高转速和最低转速之比。为保证在任何切削条件下都能获得最佳的切削速度，要求进给伺服驱动系统必须提供较大的调速范围，一般调速范围应达到1︰2000。现有的高性能进给伺服系统已具备无级调速，且调速范围在1︰10000以上。

6.1.3数控机床对进给伺服驱动系统的要求

285.低速转矩要大在切削加工中，粗加工一般要求低进给速度、大切削量，为此，要求进给伺服驱动系统在低速进给时输出足够大的转矩，提供良好的切削能力。6.能可逆运行和频繁灵活启停。7.可靠性高6.1.3数控机床对进给伺服驱动系统的要求

29对主轴伺服系统，还应满足如下要求：1．主轴与进给驱动的同步控制为使数控机床具有螺纹和螺旋槽加工的能力，要求主轴驱动与进给驱动实现同步控制。2．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．角度分度控制有两种类型：一是固定的等分角度控制；二是连续的任意角度控制。（称为“C”轴控制）306.2步进电机及其驱动控制系统步进电动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动机。

步进电机和一般电机不同，一般电机通电后连续转动，而步进电机则随输入的脉冲按节拍一步一步地转动。

对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就旋转一个固定的角度，称为一步。每一步所转过的角度叫做步距角。例：步进电机每转400步，即步距角为：若丝杠的导程为10mm，齿轮传动比是1，系统的脉冲当量为：31步进电机的角位移量和输入的电脉冲数成正比。步进电机的转速与输入的电脉冲信号的频率成正比步进电机的转动方向与步进电机的工作方式(通电顺序)有关。只需要控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组通电相序，便可以获得所需要的转角、转速及转动方向。

在无脉冲输入时，步进电机在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有的位置而处于定位状态。32优点：结构简单，价格便宜，工作可靠；缺点：

–容易失步（尤其在高速、大负载时），影响定位精度；

–

在低速时容易产生振动；

–细分技术的应用，明显提高了定位精度，降低了低速振动。应用：要求一般的开环伺服驱动系统，如经济型数控机床的进给驱动。336.2.1步进电机工作原理步进电机的步距角大小与那些因素有关？定子励磁绕组相数、通电方式

和转子的齿数。计算公式为：m——定子励磁绕组相数Z——转子齿数K——通电方式，若连续两次通电相数相同为1，若不同则为2。m相m拍，k＝1；m相2m拍，k＝2。步距角越小所达到的位置精度越高。实际使用的步进电机转子齿数很多k=拍数p/相数m34例如：转子40个齿，定子仍是3对磁极，三相六拍。问步距角是多少？35步进电机转速计算：式中，当转子的步距角一定时，步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比。式中：

n——转速（r/min);f——脉冲频率，即每秒输入步进电机的脉冲数；

α——用度数表示的步距角。36结论：

步进电机定子绕阻通电状态每改变一次，它的转子转过一个固定的角度，即电机的步距角；改变步进电机定子绕阻的通电顺序，其转子的旋转方向随之改变；步进电机定子绕阻通电状态变化的频率越高，转子的转速越高；步距角与定子绕阻相数m、转子齿数z、通电方式k有关：37主要特性有：

步距角；

矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq矩频特性与动态转矩.最大静转距启动频率fq

；运行矩频特性；加减速特性；6.2.2步进电机的主要特性386.2.3步进电机的分类1．根据相数分类有三、四、五、六相等，相数越多，步距角越小。通电方式：采用m相m拍、双m拍和m相2m拍，

在m相m拍和m相2m拍通电方式中，可采用一/二相、二/三相转换通电，如五相步进电机，五相十拍的二／三相转换方式：

AB→ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB392．根据产生力矩的原理分类根据定子与转子间磁场建立方式，可分：反应式、永磁式、混合式。反应式步进电机的定子有多相磁极，其上有励磁绕组，而转子无绕组，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。永磁反应式步进电机的定子结构与反应式相似，但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。这样可提高电机的输出转矩，减少定子绕组的电流。403．根据输出力矩的大小分类根据输出力矩的大小可将步进电机分为两类：

伺服步进电机和功率步进电机。伺服步进电机又称为快速步进电机，输出力矩在几十到数百mN·m，只能带动小负载，加上液压扭矩放大器可驱动工作台。功率步进电机输出力矩在5～50N·m以上，能直接驱动工作台。414．根据结构分类步进电机可制成轴向分相式（多段式）、径向分相式（单段式）426.3直流伺服电动机及其速度控制一、直流伺服电动机伺服电动机是指能够精密地控制其位置的一种电动机。直流伺服电动机是伺服电动机的一种。1.直流伺服电动机分类及结构特点

永磁直流伺服电动机无槽转子直流伺服电动机空心杯转子直流伺服电动机印刷绕组直流伺服电动机后三种直流伺服电动机为小惯量直流伺服电动机。43

直流伺服电动机的组成电动机本体:主要由机壳、定子磁极和转子组成。检测部件:有高精度的测速发电机、旋转变压器以及脉冲编码器等。特点小惯量直流伺服电动机:惯量小，响应速度快，但过载能力低。永磁直流伺服电动机:转矩大，惯量大，稳定性好，调速范围宽。但有电刷，限制速度的提高（1000~1500r/min）。446.4交流伺服电动机及其速度控制直流伺服电动机具有优良的调速性能，但直流伺服电动机的电刷和换向器容易磨损，需要经常维护；由于换向器换向时会产生火花而使最高转速受到限制，也使应用环境受到限制；直流伺服电动机结构复杂、制造困难，成本高。自20世纪80年代中期以来，以交流伺服电动机作为驱动元件的交流伺服系统得到迅速发展，有逐渐代替直流伺服电机的趋势。45一、交流伺服电动机二、永磁同步交流伺服电动机的结构三、永磁同步交流伺服电动机的工作原理四、同步交流伺服电动机的变频调速五、直线电机46一、交流伺服电动机交流伺服电动机分类异步型同步型同步型交流伺服电动机又分为永磁式和励磁式。数控机床进给伺服系统中多采用永磁同步交流伺服电动机。2.永磁同步交流伺服电动机的特点：结构简单，运行可靠，效率较高调速方便由于它的转速与所接电源频率之间存在一种严格关系，所以可获得与频率成正比的可变速度，并且可以得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。缺点体积较大，起动较困难47二、永磁同步交流伺服电动机的结构

组成：定子、转子和检测元件。

定子具有齿槽，内有三相绕组，形状与普通交流电动机的定子相同，但其外形多呈多边形，且无外壳，利于散热。转子由多块永久磁铁和冲片组成。这种结构的优点是气隙磁密较高，极数较多。48三、永磁同步交流伺服电动机的工作原理定子三相绕组接上交流电源后，就会产生一个旋转磁场，以同步转速ns旋转。定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极互相吸引，并带着转子一起旋转。使转子也以同步转速ns旋转。当转子加上负载转矩之后，将造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合，其夹角为θ。若负载发生变化，θ角也跟着变化，但只要不超过一定的限度，转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速ns旋转。转子转速为

n＝ns＝60f/p(r/min)式中f—电源的频率

p—磁极对数49四、同步交流伺服电动机的变频调速1.调速原理分析根据永磁同步交流伺服电动机转子转速公式

n＝ns＝60f/p(r/min)

可以通过改变电动机电源频率f来调节电动机的转速。此法可以实现无级调速，能够较好地满足数控机床的要求。变频调速的关键是设计能为电动机提供变频电源的变频器。2.变频器交—交变频器直接将固定频率的交流电变换为另一种频率的交流电。交—直—交变频器先将电网交流电通过整流变为直流，再经过电容或电感或电容、电感组合电路滤波后供给逆变器。逆变器输出的是电压和频率可调的交流电。50五、直线电机1.直线电机的结构直线电机是指一种利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的驱动装置，是一种能实现往复直线运动的电动机。直线电机是从旋转电机转化而来的。(1)直线电机的结构可以认为直线电机是将旋转电机沿其轴向剖开，然后将其定子和转子展开，变成如图所示的由定子和动子组成的直线电机。51直线电动机的实质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。与旋转电动机的最大区别在机床进给系统中，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。应用前景由于直线电动机在机床中的应用目前还处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。随着各相关配套技术的发展和直线电动机制造工艺的完善，直线电动机在机床进给驱动中将会得到广泛应用。

2.直线电机的应用526.5主轴驱动数控机床的主轴驱动不同于进给驱动，主轴的工作运动通常为旋转运动。主轴驱动的主要要求：输出功率大2.2~250kw，结构上不能采用永磁式宽的调速范围1：100~1000恒转矩，1：10恒功率调速主轴既能正转、又能反转，且能快速制动特殊要求如：加工螺纹，要求主轴驱动与进给驱动实行同步控制；为了保证端面加工的光洁度，要求主轴驱动系统具有恒线速切削控制；在加工中心上，由于自动换刀的需要，要求主抽驱动系统具有高精度的停位控制；有的数控机床还要求主轴驱动系统具有角度控制功能等。53分类

直流主轴驱动系统早期的数控机床多采用直流主轴驱动系统。

交流主轴驱动系统

自20世纪70年代末80年代初，在数控机床主轴驱动中开始采用交流主轴驱动系统。现代数控机床多采用交流