数控机床的进给伺服系统培训教程

第五章数控机床的进给伺服系统内容提要进给伺服系统的软件硬件结构；进给伺服系统基本功能的原理及实现方法。1进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说CNC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。2第一节概述一、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。3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。实际速度反馈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+-机械执行部件CNC插补指令+-电机4二、NC机床对数控进给伺服系统的要求1.调速范围要宽且要有良好的稳定性

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。52.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。6负载特性要硬

▢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。即，要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。

tF△t△F7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。tFtp8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。5.能可逆运行和频繁灵活启停。6.系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。9第二节进给伺服驱动系统、概述

1.进给伺服驱动系统由进给伺服系统中的驱动电机及其控制和驱动装置组成。2.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103.速度单元是上述驱动电机及其控制和驱动装置，通常驱动电机与速度控制单元是相互配套供应的，其性能参数都是进行了相互匹配，这样才能获得高性能的系统指标。4.速度控制单元主要作用：接受来自位置控制单元的速度指令信号，对其进行适当的调节运算(目的是稳速)，将其变换成电机转速的控制量(频率，电压等)，再经功率放大部件将其变换成电机的驱动电量，使驱动电机按要求运行。

即，调节、变换、功放。11进给驱动系统的特点（与主运动（主轴）系统比较）：功率相对较小；控制精度要求高；控制性能要求高，尤其是动态性能。12、步进电机及其驱动装置

步进电机流行于70年代，该系统结构简单、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，从而进一步简化结构。因此，这类系统目前仍有相当的市场。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备。131415步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移的电磁机械装置。由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲马达。

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。

▢步进电机16

步进电机的角位移量和输入的脉冲数成正比。在时间上与输入的脉冲同步。因此，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。▢步进电机17▢步进电机的分类按运动方式分：旋转运动、直线运动式步进电机按工作原理分：反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式；按结构分：单段式（径向式）、多段式（轴向式）按使用场合分：功率步进电机和控制步进电机；按相数分：三相、四相、五相、六相、八相等按使用频率分：高频率和低频步进电机不同的步进电机，其工作原理、驱动装置也不完全一样。18▢步进电机的工作原理如图所示，三相反应式步进电机工作原理图。由转子和定子组成。定子上有A、B、C三对磁极绕组，分别为A相、B相、C相。转子是硅钢片软磁材料迭合成的带齿廓形状的铁心。如果在定子上的三对绕组中通直流电流，就会产生磁场。B相通电A相通电C相通电19BACBCABACBCABACBCA12341234逆时针回转300逆时针回转300当A、B、C三对磁极的绕组依次轮流通电，则A、B、C三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。√当A相通电时，B相和C相不通电，电机铁心的AA轴方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子1、3齿与A相磁极对齐，2、4两齿与B、C两磁极相对错开30020√当B相通电时，C相和A相断电，电机铁心的BB轴方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向旋转300，2、4齿与B相磁极对齐。1、3两齿与C、A两磁极相对错开300√当C相通电时，A相和B相断电，电机铁心的CC轴方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向旋转300，1、3齿与C相磁极对齐。2、4两齿与A、B两磁极相对错开300若按A

B

C。。。通电相序连续通电，则步进电机就连续地沿逆时针方向转动，每换接一次相序，步进电机沿逆时针方向转动300，即步距角为300。21若按A

C

B。。。进行，则转子沿顺时针方向旋转。上述通电方式称为三相单三拍通电方式。所谓“单”是指每次只有一相绕组通电的意思。√“一拍”——从一相通电换接到另一相通电称为一拍。√“三拍”——每一拍转子转过一个步距角，这样“三拍”是指通电换接三次后完成一个通电周期。三相六拍通电方式——即按AABBBCCCA相序通电。（见下图）22B相通电BC相通电C相通电AB相通电A相通电CA相通电工作原理：当A相通电，1、3齿与A相磁极对齐。当A、B两相同时通电，因A极吸引1、3齿，B极吸引2、4齿，转子逆时针旋转150。随着A相断电，只有B相通电13A吸1、3两齿A吸1、3两齿B吸2、4两齿B吸2、4两齿B吸2、4两齿C吸1、324C吸1、3A吸2、4C吸1、323转子又逆时针转150，2、4齿与B相磁极对齐，如果继续按BCCCAA。。。相序通电，步进电机就沿着逆时针方向，以150的步距角一步一步移动。这种通电方式采用单、双相轮流通电，在通电换接时，总有一相通电，所以工作较平稳。实际使用的步进电机，一般都要求有较小的步距角，因为步距角越小所达到的位置精度越高。以上所述，步进电机的步距角大小不仅与通电方式有关，还与转子的齿数有关。计算公式为：mzk360=m——定子励磁绕组相数Z——转子齿数K——通电方式，单为1，双为224步进电机转速计算：360o=n60f=6fo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；——用度数表示的步距角。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。25步进电机的特点：（1）步进电机的输出转角与脉冲频率严格成正比，所以控制输入步进电机的脉冲个数就能控制位移量。（2）步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比，只要控制脉冲频率就能调节步进电机的转速。（3）当停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电机轴可以保持在某固定位置上，不需要机械装制装置。（4）改变通电相序即可改变电机转向。（5）步进电机存在齿间相邻误差，但不存在累积误差26第三节典型进给伺服系统(位置控制)一、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和脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大步进电机27.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，28

传动比选择：

为了凑脉冲当量mm，也为了增大传递的扭矩，在步进电机与丝杆之间，要增加一对齿轮传动副，那么，传动比

i=Z1/Z2与α、、t之间有如下关系：

α—步距角，

－－脉冲当量，

t－－丝杠导程。29例1：=0.01mm,t=6mm,α=0.75°步进电机Z1Z2tf，30

进给速度F：一般步进电机：若：δ=0.01mm则：若δ=0.001mm则：因此，当一定时，与δ成正比，故我们在谈到步进电机开环系统的最高速度时，都应指明是在多大的脉冲当量δ下的,否则是没有意义的。31.提高步进电机开环伺服系统传动

精度的措施▢概述

影响步进电机开环系统传动精度的因素：步进电机的步距角精度；机械传动部件的精度；丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙；传动件和支承件的变形。提高步进电机开环系统传动精度的措施适当提高系统组成环节的精度；采取各种精度补偿措施。32

▢传动间隙补偿

在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值存放在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系统反向运动时，数控系统自动将补偿值加到进给指令中，从而达到补偿目的。▢螺距误差补偿利用计算机的运算处理能力，可以补偿滚珠丝杠的螺距累积误差，以提高进给位移精度。方法：首先测量出进给丝杠螺距误差曲线(规律)，然后可采用下列两种方法实现误差补偿：硬件补偿、软件补偿。

33例2设X-Y工作台由步进电机直接经丝杆螺母副驱动，丝杆螺距为5mm，步进电机步距角为150，工作方式三相六拍，工作台最大行程为400mm，求：（1）脉冲当量；（2）微机发出的脉冲总数是多少？步进电机Z1Z2tf，34(2)计算脉冲数n，由n=L(工作台最大行程）所以，脉冲数为：n=L/=400/0.02083=19200步解：

（1）由计算脉冲当量：360=L0已知，

L0=5mm，=150求脉冲当量=？=5/3601.5=0.02083(mm)35例3步进电机直接经丝杆螺母驱动工作台，步进电机步距角0.720,工作台质量为100kg，负载质量为50kg，切削负载为4000N，丝杆螺距为5mm，如果步进电机从500Hz线性加速到2000Hz，加速时间为0.2S，求步进电机的驱动转距？解：（1）忽略滚珠丝扛及电机的转动惯量，则折算到电机轴上等效转动惯量：V=f·=500

0.01=5mm/s360=L0=0.01mmJ=m(V)236J=m(V)2所以，=（100+50）

（5/2）=95.0810-6(kg.m)22(2)求电机轴的等效转矩：T=F（）VF——为切削负载4000N;V——5mm/s=4000（5/2）=3184.7N.mm=3.184N.M(3)步进电动机的角加速度：=ddt=dfdt=(t

–0)t23600.72.=2000–5000.223600.72=94.2rad/s237所以，步进电机的启动转矩为：Tq

T+JT——等效转矩；J——空载启动时,产生最大加速度所需的转矩;——步进电动机的角加速度。所以，

Tq

T+J=3.184+95.0810-694.2=3.27N·m38例4

一台五相步进电机，五相五拍运行时其步距角是1.50，此电动机转子上应有几个齿？齿距角是多少？此电动机若按十拍运行，齿距角度是多少度？按五拍和十拍运行时，每走一步对应的电角度是多少？解：（1）步距角：360=mKz0Z——齿数；m——相数；K——1五拍（单拍）2十拍（双拍）39所以，五拍运行时：360=mKz

0=1.5

0K=1m=5Z=360

0/51=48齿十拍运行时：360=5248

0=0.75

0(2)齿距角：c=360

48

0=7.5

0齿距角的电角度：e=360mK

0五拍运行时：e=36051

0=72

040十拍运行时：e=36052

=36

0

041例5

设有一步进电机驱动的工作台，步进电机通过减速齿轮副驱动滚珠丝杆，其参数符号如下：脉冲当量，滚珠丝杆的基本导程为L。步进电机的步距角为，减速齿轮比为1：i。问题：（1）试写出、、L、i之间的关系；（2）若=0.001mm，L。=5mm;减速比为1：5，问选择步进电机的步距角应为多少？42360=L0i=36050.001/5=0.36

0

0360=L00i解：（1）求脉冲当量：(2)步进电机的步距角4344二、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：他励式、并励式、串励式、复励式、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。45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。46

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。471.分类三、交流伺服电机及驱动48

调频调压电源的分类可控硅整流器逆变器整流器逆变器电压型变频器方案示意图49

电压型变频器工作原理LdUdT3T4T5T3T1T2CdUVWABC结论：变频器实现变频调压的关键是逆变器控制端获得要求控制波形（如SPWM波）。50

控制波形的实现方式（电机调速的控制方式）：相位控制矢量变换控制PWM控制磁场控制512.闭环、半闭环进给伺服系统▢闭环进给伺服系统的实现方案分类和特征按系统的控制信号类型分：模拟型系统、数字型系统。模拟型系统：特征：这类系统全部采用模拟元件构成；其输入（控制）信号、输出的位置、速度信号也是模拟量；速度和位置检测元也是模拟式的。52优点：抗干扰能力强，一般不会因峰值误差导致致命的误动作。可用常规仪器仪表（示波器，万用表等）直接读取信息，易于随时把握系统工作的基本情况。53缺点：对弱信号信噪分离困难，控制精度的提高受到限制。在零点附近容易受到温度漂移的影响，使位置控制产生漂移误差。位置、速度调节器的结构和参数调整困难，适应负载变化的能力较差。

模拟系统这种本质缺陷，使它很难满足高精度位置伺服控制的要求，目前已逐渐被数字伺服系统所取代。54

数字型系统：特征：这类系统是指至少其位置环控制与调节采用数字控制技术，即位置指令和反馈信号都不再是模拟信号改用数字信号（逻辑电平脉冲信号）的系统。55特点：可以通过增加数字信息的字长，来满足要求的控制精度。对逻辑电平以下的漂移、噪声不予响应，零点定位精度可以得到充分保证。容易对其结构和参数进行修改（根据控制要求），且易于与计算机进行数据交换。噪声峰值大于逻辑电平时，对数据的最高位和最低位的干扰出错程序是相同的，这种错误可能导致系统致命的危害。传送数据的数字电路要求具有很宽的频带。以保证脉冲上、下降沿有足够的陡峭度。抑制干扰、防止数据出错，是数字伺服系统设计成功的关键。56.数字伺服系统的类型57

全硬件伺服系统

全硬件伺服系统又称脉冲比较伺服系统，其典型的组成方式如图所示：_

NC装置－F/V偏差计数器D/A速度控制与驱动单元A、B、Z++_++－整形.倍频.辨向工作台PG电压Z58构成：该系统中，位置闭环的控制与调节运算主要由偏差计数器（一般为可逆计数器）和D/A完成。柔性差：系统全由硬件构成，使得它的各调节器参数在机电联调整定后就固定下来了，不易改变，这对负载惯量变化不大的位置伺服系统（如车床刀架进给控制），可获得满意的控制性能指。而对某些负载惯量较大的系统，则很难在整个范围内（负载惯量变化）都获得满意的控制效果。59零漂将影响精度：这类系统依靠D/A，将位置调节输出的数字量转化成模拟电压作速度指令信号。提供给速度伺服单元，因此，其零点漂移将影响定位精度。60+调节运算零漂补偿硬件速度控制与驱动单元D/A软件位置控制ZA、BD0-++-F/V倍频计数器工作台PG电机+DAV1△SV0U0UA△D△U实际位置计算△DA指令位置计算△D0/nZ半软件型伺服系统61位置控制的软件现可以由NC装置的CPU实现，也可以由位置控制板上自带的CPU实现。位置控制的调节运算部分由软件实现，增加了灵活性：调节器的参数可以通过进行修改、设定调节算法可以采用较复杂的算法，以提高控制性能（变结构、变增益）可增加许多辅助功能（故障诊断、脉冲当量变换等）零点漂移可通过软件进行补偿62由于其速度单元仍是模拟型的，全硬件型系统中存在的问题并未明显解决，如它的内环参数（速度、电流）和位置环中D/A转换器的位数依然是固定的。因此难以兼顾负载惯量大的变化。由于利用软件采用一些补偿措施，这就使得半软件位置伺服系统的位置控制精度和控制性能要高于全硬件型的位置伺服系统。63

全软件位置伺服系统除电流环仍为模拟结构外，位置、速度控制均由微机通过控制软件来实现，系统组成如图所示：

NC系统微机位、速度控制(D/A输出)模拟电流控制与功放整形.倍频.辨向A、BZ工作台PG电压64图中的微机位置、速度控制既可以是单微机，又可以是双微机（一个是位置控制，另一个是速度控制）。不过系统中的微机常由单片机来构成。由于微机的应用，使系统的控制更加灵活，其特点是：位置、速度调节器的结构和参数可以按工作环境自动进行切换，使之适应负载变化的能力显著增强，应用优化理论还可使调节器的参数自动化，使系统可驱动不同的执行机械，通用化程度大大提高。其余与半软件型系统相同。65这种系统的输出通过D/A转换成模拟电压作为电流指令送往模拟电流环，这样，模拟量的零点漂移只会使电流指令产生微小的变化，一般这种变化不足以产生驱动伺服电机运动的力矩，也不会对位置控制精度产生不良影响。66由于电流环的结构和参数还是固定的，所以还不能通过微机改变控制策略，以获得较理想的控制效果。由于该系统工作可靠，结构紧凑，控制性能也优于前述两种系统，使得它在80年代中期以来的交、直流位置伺服系统的产品中逐渐占据了主导地位，成为位置伺服系统的首选方案。67全数字位置伺服系统

自软件位置伺服系统诞生以来，人们就一直致力于用软件尽可能多地去取代硬件的工作，以降低成本，提高性能。随着可直接用逻辑电平控制通断的电子半导体器件——功率晶体管，功率场效应管的商品化，以及高性能单片机的出现，使得全数字位置伺服系统的实现成为现实。

68

NC装置单片微机位置速度电流控制(PWM输出)晶体管放大器电流检测整形、倍频、辨向A.B工作台PG电压全数字、脉宽调制（PWM——pulsewidthmodulation）位置伺服系统69特点：系统的所有控制调节全部由软件完成，最后直接输出逻辑电平的脉宽调制控制信号驱动功率晶体管放大器，对伺服电机进行控制。调节器的全部软件化使控制理论中的许多控制思想和手段，可以方便地引进来，例如：鲁棒控制、自适应控制、变参数控制、变结构控制、神经网络控制、模糊控制、专家系统控制等等。还可以完成参数的自动优化和故障的自动诊断等。70.典型闭环伺服系统示例以半软件型位置伺服系统为例+调节运算零漂补偿硬件速度控制与驱动单元D/A软件位置控制ZA、BD0-++-F/V倍频计数器工作台PG电机+DAV1△SV0U0UA△D△U实际位置计算△DA指令位置计算△D0/

nZ71位置控制软件部分的任务：指令位置计算（含反向间隙、螺距误差补偿、限位处理）实际位置计算（反馈累积）跟随误差计算调节运算零点漂移补偿72▢硬件部分的任务系统总线数字接口计数器锁存器光电隔离器件D/A转换器方向控制与功率放大频率/电压（f/u）转换电路方向控制与功率放大展宽选通电路反馈脉冲倍频电路幅值比较电路位置反馈脉冲速度反馈电压速度指令电压CKABZQU0AA*BB*ZZ*UAZV0+-△DA-+73谢谢观看/欢迎下载BYFAITHIMEANAVISIONOFGOODONECHERISHESANDTHEENTHUSIASMTHATPUSHES