数控技术第四章开环伺服系统

数控技术第四章开环伺服系统第1页，共81页，2023年，2月20日，星期六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。返回提要第四章进给伺服系统下一页上一页第2页，共81页，2023年，2月20日，星期六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步进电机的工作原理、脉冲分配方式、驱动电源的类型及工作原理掌握感应同步器、光栅等检测元件的工作原理掌握直流伺服电机位置控制原理

了解交流伺服电机位置控制原理

了解提高步进开环伺服系统精度的措施返回目标第四章进给伺服系统下一页上一页第3页，共81页，2023年，2月20日，星期六建议本章内容既有理论分析，又有实验研究，同时还涉及设计计算方法。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。返回建议第四章进给伺服系统下一页上一页第4页，共81页，2023年，2月20日，星期六第四章进给伺服系统第一节概述

一、作用

以位置和速度作为控制量的自动控制系统

CNC装置与机床的联系环节

其性能直接决定和影响CNC系统的快速性、稳定性、精确性返回下一页上一页第5页，共81页，2023年，2月20日，星期六第一节概述

指令信息动作

位置、速度

位移、速度

CNC伺服系统

机床

第四章进给伺服系统

步进伺服系统

伺服系统构成

CNC步进电机

驱动放大

工作台

返回一.构成下一页上一页第6页，共81页，2023年，2月20日，星期六二.要求第四章进给伺服系统准确、可靠地执行指令

调速范围宽-----10000：1以上，且稳定性好带负载能力强------负载特性硬；足够大的加（减）速力矩

动态响应快-----快速跟随指令脉冲，可频繁起、停、反向；尽快消除负载扰动

误差无累积

位置精度高

返回下一页上一页第7页，共81页，2023年，2月20日，星期六开环进给伺服系统闭环进给伺服系统半闭环进给伺服系统三.分类第四章进给伺服系统返回按有无反馈分下一页上一页第8页，共81页，2023年，2月20日，星期六三.分类按控制信号分按控制元件分数字伺服系统模拟伺服系统数字模拟混合伺服系统步进伺服系统直流伺服系统交流伺服系统第四章进给伺服系统下一页上一页返回第9页，共81页，2023年，2月20日，星期六第一节概述习题第四章进给伺服系统1.数控机床对伺服驱动系统有哪些要求？

返回(1)调速范围宽并有良好的稳定性，尤其是低速时的平稳性；(2)负载特性硬，即使在低速时也应有足够的负载能力；(3)动态响应速度快；(4)高的位移精度；(5)能够频繁地启动；下一页上一页第10页，共81页，2023年，2月20日，星期六伺服系统按有无反馈可分为————————————————、————————————————、——————————————————三类。习题

开环进给伺服系统闭环进给伺服系统半闭环进给伺服系统伺服系统按控制信号可分为————————————————、————————————————、——————————————————三类。数字伺服系统模拟伺服系统数字模拟混合伺服系统第一节概述下一页上一页返回第11页，共81页，2023年，2月20日，星期六伺服系统按控制元件可分为————————————————、————————————————、——————————————————三类。第一节概述习题

步进伺服系统直流伺服系统交流伺服系统下一页上一页返回第12页，共81页，2023年，2月20日，星期六第二节开环伺服系统

一、组成

伺服驱动单元、执行元件、传动机构

二、步进电机将电脉冲转变成机械角位移的装置第四章进给伺服系统

CNC步进电机

驱动放大

工作台

返回下一页上一页第13页，共81页，2023年，2月20日，星期六1.分类第四章进给伺服系统按输出转矩分：快速步进电机、功率

步进电机。

按励磁相数分：

三相、四相、五相、六相、八相

等

按工作原理分：

反应式、激磁式、混合式（永磁反应式）返回下一页上一页第14页，共81页，2023年，2月20日，星期六2.步进电机的结构第四章进给伺服系统步进电机由转子和定子两部分组成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1)定子五个极齿第15页，共81页，2023年，2月20日，星期六2.步进电机的结构第四章进给伺服系统定子上线圈的绕法下一页上一页返回第16页，共81页，2023年，2月20日，星期六2.步进电机的结构2)转子第四章进给伺服系统转子上有均匀分布的齿，没有绕组。转子齿间夹角为9o左图为一转子示意图：以四十齿为例来说明步进电机的原理下一页上一页返回第17页，共81页，2023年，2月20日，星期六3.步进电机的实物图

第四章进给伺服系统第18页，共81页，2023年，2月20日，星期六3.步进电机的实物图

第四章进给伺服系统第19页，共81页，2023年，2月20日，星期六3.步进电机的实物图

第四章进给伺服系统第20页，共81页，2023年，2月20日，星期六3.步进电机的实物图

第四章进给伺服系统第21页，共81页，2023年，2月20日，星期六3.步进电机的实物图

第四章进给伺服系统第22页，共81页，2023年，2月20日，星期六3.步进电机的实物图

第四章进给伺服系统第23页，共81页，2023年，2月20日，星期六3.步进电机的实物图

第四章进给伺服系统第24页，共81页，2023年，2月20日，星期六3.步进电机的实物图

第四章进给伺服系统第25页，共81页，2023年，2月20日，星期六3.步进电机的实物图

第四章进给伺服系统第26页，共81页，2023年，2月20日，星期六3.步进电机的实物图

第四章进给伺服系统第27页，共81页，2023年，2月20日，星期六4.工作原理如果A相通电则转子齿与A相极齿对齐，这时在B相两极下定子齿与转子齿中心线并不对齐，而是转子齿中心线较定子齿中心线反时针方向落后1/3齿距，即3o。因此，当通电状态由A相变为B相时，转子顺时针方向转过3o，C相通电再转3o。C相下，转子齿超前6o。第四章进给伺服系统第28页，共81页，2023年，2月20日，星期六4.工作原理第四章进给伺服系统三拍通电激磁，步距角α==3o一般α=m——绕组相数；Z——转子齿数，单拍k=1,双拍k=2。六拍通电激磁，步距角α

==1.5o下一页上一页返回第29页，共81页，2023年，2月20日，星期六4.工作原理第四章进给伺服系统定子绕组通断电顺序→转子转向

定子绕组通断电转换频率→转子转速

定子绕组通断电次数→转子转角

三相单三拍

A→B→C→A（K=1）

三相双三拍

AB→BC→CA→AB（K=1）

三相六拍

A→AB→B→BC→C→CA→A（K=2）

通断电方式下一页上一页第30页，共81页，2023年，2月20日，星期六5.主要控制特性第四章进给伺服系统最高工作频率（fmax）

加减速特性

启动矩频特性

运行矩频特性

启动频率（fst）

步距角（θ）及步距误差

下一页上一页第31页，共81页，2023年，2月20日，星期六1)步距角（θ）及步距误差

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。第四章进给伺服系统5.主要控制特性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。多相通电时,其不仅与上述因素有关,还和各相电流大小,磁路性能有关。返回下一页上一页第32页，共81页，2023年，2月20日，星期六2）最高启动频率第四章进给伺服系统5.主要控制特性空载时，步进电机由静止突然启动，并不失步的进入稳速运行，所允许的启动频率的最高值为最高启动频率.启动频率大于比值时步进电机不能正常工作，最高启动频率与步进电机的惯性负载有关.第33页，共81页，2023年，2月20日，星期六3）最高工作频率步进电机工作频率连续上升时，电动机不失步运行的最高频率称为最高工作频率。它的值也和负载有关。很显然，在同样负载下，最高工作频率远大于己于启动频率.第四章进给伺服系统5.主要控制特性在连续运行状态下，步进电机的电磁力矩随频率的升高而急剧下降，这两者的关系称为矩频特性.4）矩频特性第34页，共81页，2023年，2月20日，星期六第四章进给伺服系统5.主要控制特性4）矩频特性第35页，共81页，2023年，2月20日，星期六6.步进电机的选择第四章进给伺服系统1)步进电机选择原则：

①步矩角与机械系统相匹配，以得到系统所需的

②保证电机输出转矩，大于负载所需转矩

③能与机械系统的负载惯量相匹配

为使电机具有良好的起动性能及较快的响应速度推荐Jleq/Jm<=4式中Jleq为系统等效负载转动惯量

Jm

为电机转动惯量

④电机运行速度和最高工作频率能满足工作台切削加工和快移要求。

=

t/360i下一页上一页第36页，共81页，2023年，2月20日，星期六2)步进电机选择步骤第四章进给伺服系统

①

初定步进电机步距角，计算减速比，确定齿轮副

初选步进电机型号，根据其工作方式，初定步距角

i=Z1/Z2=

t/360

确定齿轮副齿数时，尽量选择一级降速;若需二级，则降速比大的齿轮副应远离电机，以利于提高传动系统的刚度和精度。下一页上一页θ:步进电机步距角,(o)/脉冲t:滚珠丝杆导程，mmδ:脉冲当量，mm/脉冲第37页，共81页，2023年，2月20日，星期六第四章进给伺服系统

②

计算惯量

下一页上一页2)步进电机选择步骤设传动系统如右图所示：伺服系统总惯量JG为

JG=Jm+Jleq式中：Jm——步进电机转子转动惯量

Jleq——换算到电机轴上的等效负载转动惯量第38页，共81页，2023年，2月20日，星期六第四章进给伺服系统2)步进电机选择步骤②计算惯量

nm

——步进电机速度

r/minni

——第i个转动部件的转速r/minJi

——第i个转动部件的转动惯量

kg.m2Vj

——第j个移动部件的移动速度

m/minMj——第j个移动部件的质量kg第39页，共81页，2023年，2月20日，星期六②计算惯量第四章进给伺服系统2)步进电机选择步骤图示的一级齿轮减速系统V=nz2.t式中V——工作台移动速度m/min

t——丝杆导程m第40页，共81页，2023年，2月20日，星期六②计算惯量第四章进给伺服系统2)步进电机选择步骤式中Jz1——齿轮1的转动惯量kg.m2

Jz2——齿轮2的转动惯量kg.m2

Js

——丝杆2的转动惯量kg.m2

Mw

——工作台的质量kg第41页，共81页，2023年，2月20日，星期六②计算惯量

第四章进给伺服系统2)步进电机选择步骤其中，齿轮、丝杆的转动惯量（J）可按圆柱体转动惯量计算Kg/cm3式中D——齿轮分度圆直径或丝杆名义直径mmL——齿轮宽度或丝杆长度mmγ——材料比重kg/cm3第42页，共81页，2023年，2月20日，星期六②计算惯量第四章进给伺服系统2)步进电机选择步骤对下图所示的二级齿轮减速系统第43页，共81页，2023年，2月20日，星期六③

计算转矩

系统所需转矩包括加速转矩和等效负载转矩

快速空载启动时所需转矩M

M=Mamax+Mf式中:

Mamax——快速空载启动时产生最大加速度所需转矩

Nm

Mf

——克服摩擦力所需转矩

Nm2)步进电机选择步骤第四章进给伺服系统第44页，共81页，2023年，2月20日，星期六③

计算转矩

2)步进电机选择步骤第四章进给伺服系统由动力学知：式中：J——系统总惯量

N·m·s2

ε——步进电机转子的角加速度

r/s2

ωo——初速度

r/s

ωt——末速度

r/s

T——加速时间

s第45页，共81页，2023年，2月20日，星期六③

计算转矩

2)步进电机选择步骤第四章进给伺服系统对于空载启动时ω0=0，T为升速时间常数，则ωt为升速T秒后电机的角速度此时的等效负载转矩主要是T作台移动的磨擦力引起的。式中μ工作台与导轨之间的磨擦系数

W为工作台和工件的总重量

N第46页，共81页，2023年，2月20日，星期六③

计算转矩

2)步进电机选择步骤第四章进给伺服系统式中μ工作台与导轨之间的磨擦系数

W为工作台和工件的总重量

NNm为电机转速

r/mint为丝杆导程

mmVw为工作台的移动速度

m/min第47页，共81页，2023年，2月20日，星期六③

计算转矩

2)步进电机选择步骤第四章进给伺服系统最大切削力时所需转矩M为了安全，此时不仅要考虑最大切削力，而且还应考虑在切削过程中产生相庆加速度所需转矩，这时所需转矩M为：式中Mat为切削时产生加速度所需加速转矩

N·mMf为克服磨擦所需转矩

N·mMt为克服切削力所需转矩

N·m第48页，共81页，2023年，2月20日，星期六③

计算转矩

2)步进电机选择步骤第四章进给伺服系统设与运动方向相反的最大切削力为,垂直于等轨的切削分力为。

则：第49页，共81页，2023年，2月20日，星期六第四章进给伺服系统④

计算步进电机运行频率

工作台快速空载速度Vmax

电机最高工作频率fmax

工作台工作进给时的最低速度Vmin电机最小运行频率fmin

工作台工作进给时的最高速度VF电机最大运行频率fF

伺服系统在fmin–

fF范围内可用软件实现无级调速

步进电机运行频率

f(Hz)

f=V/60式中,V——工作台进给速度

mm/min下一页上一页2)步进电机选择步骤第50页，共81页，2023年，2月20日，星期六确定步进电机型号第四章进给伺服系统根据步进电机最高工作频率fmax和正常工作进给频率fmin~fF，以及快速空载启动和最大切削力时所需转矩，选择步进电机型号，主要从两方面考虑:

ⅰ)步进电机启动矩频特性定否能满足要求

查电机启动矩频特性曲线，得到对应于最高工作频率fmax，电机能提供的启动力矩Mq。若Mq

大于计算出的快速空载启动所需力矩，则说明所选步进电机能满足快速空载启动时所需启动力矩要求。下一页上一页2)步进电机选择步骤第51页，共81页，2023年，2月20日，星期六ⅱ)步进电机运行矩频特性是否能满足要求第四章进给伺服系统

查电机运行矩频特性曲线，得到对应于正常工作进给最大运行频率fF电机所能提供的力矩M。若M大于计算出的最大切削力所需转矩，则说明所选电机能满足伺服系统正常工作时所需力矩要求。

下一页上一页2)步进电机选择步骤第52页，共81页，2023年，2月20日，星期六3)步进电机选择实例第四章进给伺服系统例：一个工作台驱动系统如图所示，已知参数见表1，工作台与导轨磨擦系数为0.04，加速时间0.25s，求转换到电机轴上的等效转动惯量和等效力矩。第53页，共81页，2023年，2月20日，星期六3)步进电机选择实例第四章进给伺服系统例：一个工作台驱动系统如图所示，已知参数见表1，工作台与导轨磨擦系数为0.04，加速时间0.25s，求转换到电机轴上的等效转动惯量和等效力矩。第54页，共81页，2023年，2月20日，星期六3)步进电机选择实例第四章进给伺服系统例：一个工作台驱动系统如图所示，已知参数见表1，工作台与导轨磨擦系数为0.04，加速时间0.25s，求转换到电机轴上的等效转动惯量和等效力矩。计算转矩：第55页，共81页，2023年，2月20日，星期六三.步进伺服驱动电路第四章进给伺服系统下一页上一页第56页，共81页，2023年，2月20日，星期六三.步进伺服驱动电路第四章进给伺服系统（一）脉冲分配

按一定的规律将进给脉冲分配给步进电机定子绕组的各相实现方法：1.硬件集成脉冲分配器TTL:B013,BY014BY015,BY016CMOS:CH250PA=P+•

PB

+P_•

PCPB=P+•

PC

+P_•

PAPC=P+•

PA

+P_•

PB各相通电状态CBA正

反001A011AB010B110BC100C101CA下一页上一页第57页，共81页，2023年，2月20日，星期六三.步进伺服驱动电路第四章进给伺服系统（一）脉冲分配

1.软件移位法查表法50C

BA00000001初始通电→A01000000

右移三次 10111111按位取反00001001清无关位→AB

D7D6D5D4D3D2D1D0

CY返回下一页上一页第58页，共81页，2023年，2月20日，星期六（二）步进电机驱动电源第四章进给伺服系统1．对驱动电源的要求

实际上，步进电机是感性负载，绕组中电流不能突变，而是按指数规律上升或下降,从而使整个通电周期内，绕组电流平均值下降，电机输出转矩下降。

理想驱动电源使电机绕组电流尽量接近矩形波。而当电机运行频率很高时，电流峰值显著小于额定励磁电流，从而导致电机转矩进一步下降，严重时不能启动。

下一页上一页第59页，共81页，2023年，2月20日，星期六第四章进给伺服系统上升时电流时间常数Ti=L/R

L——步进电机绕组平均电感量

R——通电回路电阻，包括：

绕组内阻、功率放大器输出级内阻、串联电阻

下降时电流时间常数Td=L/RDRD——放大回路电阻

为了提高步进电机动态特性，必须改善电流波形，使前后沿陡度增大，方法有：

下一页上一页第60页，共81页，2023年，2月20日，星期六1)电阻法第四章进给伺服系统

从Ti=L/R知，为，可R，故可在进电机绕组回路中串联一个电阻Ro此时，Ti

=L/(r+R0

)

特点：线路简单，但

Ro(10Ω)上消耗一定功率，发热量大，也降低了放大器的效率，只适于小功率步进电机。

下一页上一页第61页，共81页，2023年，2月20日，星期六2)电压法

第四章进给伺服系统

电感绕组通电状态时，绕组上电流为

Im=(E/r)(1-e-t/Ti)

E——电源电压

电流增长率为

dIm/dt=Im=(E/r)(1-e-t/Ti)可见，增大电源电压可以有效地改善电流上升陡度

特点：线路复杂，需采用双电源，但效率较高，效果好，适于中小型功率步进电机。下一页上一页第62页，共81页，2023年，2月20日，星期六返回下一页上一页2．单电压型驱动电源第四章进给伺服系统

电容C:在接通瞬间短接R

电流由ELCT1

故C称加速电容

电阻Rc:在电流达到恒定后还起限流作用，此时电流由

ELtRoT1

输入脉冲为“0”时，T1截止，il=0输入脉冲为“1”时，T1导通

第63页，共81页，2023年，2月20日，星期六返回下一页上一页第四章进给伺服系统输入脉冲消失后，T1截止，L两端将产生一感应电压。V=L(di/dt)，由于T1关断时间dt很短，故感应电压U很大，将击穿晶体管，为此增加二极管D续流，续流电流:LRoDL

2．单电压型驱动电源第64页，共81页，2023年，2月20日，星期六第四章进给伺服系统而T2在高压控制电路下导通时间t1较短(100-600s)绕组在高压EH下电流迅速增大至额定值，此时低压EL无效。3．高低压双压型驱动电源输入脉冲信号为“0”时，

T1、T2均截止，IL=0输入信号为“1”时，T1导通t1之后，T2截止，低压供压，维持绕组所需的额定电流IeEHEL下一页上一页第65页，共81页，2023年，2月20日，星期六第四章进给伺服系统

输入脉冲信号消失(为“0”)，

T1、T2均截止，L上电流经放电回路：

LRoD2EHELD1L

迅速下降

EH供电，励磁电流前沿电流Ip=[EH/(r+R0)](1-e-t/Ti)

由此计算t1

t1=T/n{EH/[EH+In(r+R0)]}In—要求高压通电，电流达到的数值3．高低压双压型驱动电源EHEL下一页上一页第66页，共81页，2023年，2月20日，星期六第四章进给伺服系统绕组上电流Il随外加电压(EH、EL)变化而变化，当外加电压变化时，电机特性变差，工作不稳定绕组电流波形下凹，使电机输出转矩降低

3)

R的存在使效率降低

EHELEHEL返回存在的问题：下一页上一页第67页，共81页，2023年，2月20日，星期六4．电流斩波型第四章进给伺服系统

在绕组回路中串接电流检测电路：当绕组电流下降至一定下限时，由检测电路发生信号、控制

高压管再度接通，使绕组

电流回升；当电流增至某一上限时，再次断开高压源。下一页上一页第68页，共81页，2023年，2月20日，星期六返回下一页上一页第四章进给伺服系统第69页，共81页，2023年，2月20日，星期六5．细分驱动电源第四章进给伺服系统若励磁电流以方波达到额定值，则转子转过一个步距角；而若励磁电流以若干级上升到额定值，则转子以同样的若干级转过一个步距角，即可使步进电机步距变小。细分即使电机通电电流由矩形波转变为阶梯波，即使励磁电流以若干个等幅、等宽的阶梯上升到额定值，并以同样的阶梯从额定值下降到零。下一页上一页第70页，共81页，2023年，2月20日，星期六下一页上一页第四章进给伺服系统第71页，共81页，2023年，2月20日，星期六第四章进给伺服系统返回下一页上一页第72页，共81页，2023年，2月20日，星期六下一页上一页第四章进给伺服系统步进电机返回第73页，共81页，2023年，2月20日，星期六第四章进给伺服系统步进电机功率驱动器下一页上一页返回第74页，共81页，2023年，2月20日，星期六下一页上一页第四章进给伺服系统步进电机功率驱动器返回第75页，共81页，2023年，2月20