数控机床的进给伺服系统培训教程

第五章数控机床进给伺服系统内容提要进给伺服系统软件硬件结构；进给伺服系统基本功效原理及实现方法。1数控机床的进给伺服系统培训教程第1页进给伺服系统是数控系统主要子系统。假如说CNC装置是数控系统“大脑”，是公布“命令”“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统“四肢”，是一个“执行机构”。它忠实地执行由CNC装置发来运动命令，准确控制执行部件运动方向，进给速度与位移量。2数控机床的进给伺服系统培训教程第2页第一节概述一、进给伺服系统定义及组成.定义

进给伺服系统(FeedServoSystem)——以移动部件位置和速度作为控制量自动控制系统。3数控机床的进给伺服系统培训教程第3页组成：

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整器速度控制调整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数控机床的进给伺服系统培训教程第4页二、NC机床对数控进给伺服系统要求1.调速范围要宽且要有良好稳定性

调速范围：

普通要求：

稳定性：指输出速度波动要少，尤其是在低速时平稳性显得尤其主要。5数控机床的进给伺服系统培训教程第5页2.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，有足够高分辩率。6数控机床的进给伺服系统培训教程第6页负载特征要硬

▢当负载改变时，输出速度应基本不变，即△F尽可能小；▢当负载突变时，要求速度恢复时间短且无振荡，即△t尽可能短；▢应有足够过载能力。即，要求伺服系统有良好静态与动态刚度。

tF△t△F7数控机床的进给伺服系统培训教程第7页响应速度快且无超调这是对伺服系统动态性能要求，即在无超调前提下，执行部件运动速度建立时间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，不然对机械部件不利，有害于加工质量。tFtp8数控机床的进给伺服系统培训教程第8页总而言之：▢对伺服系统要求包含静态和动态特征两方面；▢对高精度数控机床，对其动态性能要求更严。5.能可逆运行和频繁灵活启停。6.系统可靠性高，维护使用方便，成本低。9数控机床的进给伺服系统培训教程第9页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动力部件，它提供执行部分运动所需动力，在数控机床上惯用电机有：步进电机

直流伺服电机交流伺服电机直线电机10数控机床的进给伺服系统培训教程第10页3.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给，其性能参数都是进行了相互匹配，这么才能取得高性能系统指标。4.速度控制单元主要作用：接收来自位置控制单元速度指令信号，对其进行适当调整运算(目标是稳速)，将其变换成电机转速控制量(频率，电压等)，再经功率放大部件将其变换成电机驱动电量，使驱动电机按要求运行。

即，调整、变换、功放。11数控机床的进给伺服系统培训教程第11页进给驱动系统特点（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数控机床的进给伺服系统培训教程第12页、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、控制轻易、维修方面，且控制为全数字化。伴随计算机技术发展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而深入简化结构。所以，这类系统当前仍有相当市场。当前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高场所，如经济型数控、打印机、绘图机等计算机外部设备。13数控机床的进给伺服系统培训教程第13页14数控机床的进给伺服系统培训教程第14页15数控机床的进给伺服系统培训教程第15页步进电机是一个将电脉冲信号转化为机械角位移电磁机械装置。因为所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲马达。

步进电机和普通电机不一样，普通电机通电后连续转动，而步进电机则随输入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角度，称为一步。每一步所转过角度叫做步距角。

▢步进电机16数控机床的进给伺服系统培训教程第16页

步进电机角位移量和输入脉冲数成正比。在时间上与输入脉冲同时。所以，只需要控制输入脉冲数量、频率及电机绕组通电相序，便能够取得所需要转角、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位置而处于定位状态。▢步进电机17数控机床的进给伺服系统培训教程第17页▢步进电机分类

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）

按使用场所分：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一样步进电机，其工作原理、驱动装置也不完全一样。18数控机床的进给伺服系统培训教程第18页▢步进电机工作原理如图所表示，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带齿廓形状铁心。假如在定子上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19数控机床的进给伺服系统培训教程第19页BACBCABACBCABACBCA12341234逆时针回转300逆时针回转300当A、B、C三对磁极绕组依次轮番通电，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AA轴方向产生磁通，在磁拉力作用下，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数控机床的进给伺服系统培训教程第20页√当B相通电时，C相和A相断电，电机铁心BB轴方向产生磁通，在磁拉力作用下，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CC轴方向产生磁通，在磁拉力作用下，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数控机床的进给伺服系统培训教程第21页

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，这么“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。（见下列图）22数控机床的进给伺服系统培训教程第22页B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。伴随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数控机床的进给伺服系统培训教程第23页转子又逆时针转150，2、4齿与B相磁极对齐，假如继续按BCCCAA。。。相序通电，步进电机就沿着逆时针方向，以150步距角一步一步移动。这种通电方式采取单、双相轮番通电，在通电换接时，总有一相通电，所以工作较平稳。实际使用步进电机，普通都要求有较小步距角，因为步距角越小所到达位置精度越高。以上所述，步进电机步距角大小不但与通电方式相关，还与转子齿数相关。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数控机床的进给伺服系统培训教程第24页步进电机转速计算：360

o=n

60f=6

fo式中：n——转速（r/min);f——脉冲频率，即每秒输入步进电机脉冲数；——用度数表示步距角。式中，当转子步距角一定时，步进电机转速与输入脉冲频率成正比。25数控机床的进给伺服系统培训教程第25页步进电机特点：（1）步进电机输出转角与脉冲频率严格成正比，所以控制输入步进电机脉冲个数就能控制位移量。（2）步进电机转速与输入脉冲频率成正比，只要控制脉冲频率就能调整步进电机转速。（3）当停顿送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电机轴能够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数控机床的进给伺服系统培训教程第26页第三节经典进给伺服系统(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数控机床的进给伺服系统培训教程第27页.步进电机开环系统设计

要处理主要问题：

①动力计算②传动计算③驱动电路设计或选择目标：传动计算选择适当参数以满足脉冲当量

和进给速度F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Z1Z2

tf，

28数控机床的进给伺服系统培训教程第28页

传动比选择：

为了凑脉冲当量

mm，也为了增大传递扭矩，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之间有以下关系：

α—步距角，

－－脉冲当量，

t－－丝杠导程。29数控机床的进给伺服系统培训教程第29页例1：=0.01mm,t=6mm,α=0.75°步进电机Z1Z2

tf，

30数控机床的进给伺服系统培训教程第30页

进给速度F：普通步进电机：若：δ=0.01mm则：若δ=0.001mm则：所以，当一定时，与δ成正比，故我们在谈到步进电机开环系统最高速度时，都应指明是在多大脉冲当量δ下,不然是没有意义。31数控机床的进给伺服系统培训教程第31页.提升步进电机开环伺服系统传动

精度办法▢概述

影响步进电机开环系统传动精度原因：步进电机步距角精度；机械传动部件精度；丝杆等机械传动部件、支承传动间隙；传动件和支承件变形。提升步进电机开环系统传动精度办法适当提升系统组成步骤精度；采取各种精度赔偿办法。32数控机床的进给伺服系统培训教程第32页

▢传动间隙赔偿

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间隙赔偿单元，当进给系统反向运动时，数控系统自动将赔偿值加到进给指令中，从而到达赔偿目标。▢螺距误差赔偿利用计算机运算处理能力，能够赔偿滚珠丝杠螺距累积误差，以提升进给位移精度。方法：首先测量出进给丝杠螺距误差曲线(规律)，然后可采取以下两种方法实现误差赔偿：硬件赔偿、软件赔偿。

33数控机床的进给伺服系统培训教程第33页例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）微机发出脉冲总数是多少？步进电机Z1Z2

tf，

34数控机床的进给伺服系统培训教程第34页(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数控机床的进给伺服系统培训教程第35页例3步进电机直接经丝杆螺母驱开工作台，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，假如步进电机从500Hz线性加速到Hz，加速时间为0.2S，求步进电机驱动转距？解：（1）忽略滚珠丝扛及电机转动惯量，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

)236数控机床的进给伺服系统培训教程第36页J=m(V

)2所以，=（100+50）

（5/2）=95.0810-6(kg.m)22(2)求电机轴等效转矩：T=F（）V

F——为切削负载4000N;V——5mm/s=4000（5/2）=3184.7N.mm=3.184N.M(3)步进电动机角加速度：

=d

dt=dfdt

=(

t

–

0)t2

3600.72.=

–5000.2

2

360

0.72=94.2rad/s237数控机床的进给伺服系统培训教程第37页所以，步进电机开启转矩为：Tq

T+JT——等效转矩；J——空载开启时,产生最大加速度所需转矩;

——步进电动机角加速度。所以，

Tq

T+J=3.184+95.0810-694.2=3.27N·m38数控机床的进给伺服系统培训教程第38页例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，每走一步对应电角度是多少？解：（1）步距角：360=mKz

0Z——齿数；m——相数；K——1五拍（单拍）2十拍（双拍）39数控机床的进给伺服系统培训教程第39页所以，五拍运行时：360=mKz

0=1.5

0K=1m=5Z=360

0/51=48齿十拍运行时：360=5

248

0=0.75

0(2)齿距角：

c=360

48

0=7.5

0齿距角电角度：

e=360mK

0五拍运行时：

e=36051

0=72

040数控机床的进给伺服系统培训教程第40页十拍运行时：

e=36052

=36

0

041数控机床的进给伺服系统培训教程第41页例5

设有一步进电机驱动工作台，步进电机经过减速齿轮副驱动滚珠丝杆，其参数符号以下：脉冲当量，滚珠丝杆基本导程为L。步进电机步距角为，减速齿轮比为1：i。问题：（1）试写出、、L、i之间关系；（2）若=0.001mm，L。=5mm;减速比为1：5，问选择步进电机步距角应为多少？42数控机床的进给伺服系统培训教程第42页360=L0

i

=36050.001/5=0.36

0

0360=

L0

0i解：（1）求脉冲当量：(2)步进电机步距角43数控机床的进给伺服系统培训教程第43页44数控机床的进给伺服系统培训教程第44页二、直流伺服电机及驱动

直流电机工作原理是建立在电磁力定律基础上，电磁力大小正比于电机中气隙磁场，直流电机励磁绕组所建立磁场是电机主磁场，按对励磁绕组励磁方式不一样，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机床中广泛采取。45数控机床的进给伺服系统培训教程第45页直流伺服电机特点

过载倍数大，时间长；

含有大转矩/惯量比，电机加速大，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。可提升了机床加工精度。

调速范围大，与高性能速度控制单元组成速度控制系统时，调速范围超出1∶。46数控机床的进给伺服系统培训教程第46页

直流伺服电机含有优良调速性能，80年代初至90年代中，在要求调速性能较高场所，直流伺服电机调速系统应用一直占据主导地位。但其却存在一些固有缺点，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。尤其是在一样体积下，交流伺服电机输出功率比直流电机提升10%～70%，且可到达转速比直流电机高。所以，人们一直在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速方案。47数控机床的进给伺服系统培训教程第47页1.分类三、交流伺服电机及驱动48数控机床的进给伺服系统培训教程第48页

调频调压电源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数控机床的进给伺服系统培训教程第49页

电压型变频器工作原理LdUdT3T4T5T3T1T2CdUVWABC结论：变频器实现变频调压关键是逆变器控制端取得要求控制波形（如SPWM波）。50数控机床的进给伺服系统培训教程第50页

控制波形实现方式（电机调速控制方式）：

相位控制

矢量变换控制

PWM控制

磁场控制51数控机床的进给伺服系统培训教程第51页2.闭环、半闭环进给伺服系统▢闭环进给伺服系统实现方案分类和特征按系统控制信号类型分：模拟型系统、数字型系统。模拟型系统：特征：这类系统全部采取模拟元件组成；其输入（控制）信号、输出位置、速度信号也是模拟量；速度和位置检测元也是模拟式。52数控机床的进给伺服系统培训教程第52页优点：抗干扰能力强，普通不会因峰值误差造成致命误动作。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基本情况。53数控机床的进给伺服系统培训教程第53页缺点：对弱信号信噪分离困难，控制精度提升受到限制。在零点附近轻易受到温度漂移影响，使位置控制产生漂移误差。位置、速度调整器结构和参数调整困难，适应负载改变能力较差。

模拟系统这种本质缺点，使它极难满足高精度位置伺服控制要求，当前已逐步被数字伺服系统所取代。54数控机床的进给伺服系统培训教程第54页

数字型系统：特征：这类系统是指最少其位置环控制与调整采取数字控制技术，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）系统。55数控机床的进给伺服系统培训教程第55页特点：能够经过增加数字信息字长，来满足要求控制精度。对逻辑电平以下漂移、噪声不予响应，零点定位精度能够得到充分确保。轻易对其结构和参数进行修改（依据控制要求），且易于与计算机进行数据交换。噪声峰值大于逻辑电平时，对数据最高位和最低位干扰犯错程序是相同，这种错误可能造成系统致命危害。传送数据数字电路要求含有很宽频带。以确保脉冲上、下降沿有足够陡峭度。抑制干扰、预防数据犯错，是数字伺服系统设计成功关键。56数控机床的进给伺服系统培训教程第56页.数字伺服系统类型57数控机床的进给伺服系统培训教程第57页

全硬件伺服系统

全硬件伺服系统又称脉冲比较伺服系统，其经典组成方式如图所表示：_

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数控机床的进给伺服系统培训教程第58页

组成：该系统中，位置闭环控制与调整运算主要由偏差计数器（普通为可逆计数器）和D/A完成。

柔性差：系统全由硬件组成，使得它各调整器参数在机电联调整定后就固定下来了，不易改变，这对负载惯量改变不大位置伺服系统（如车床刀架进给控制），可取得满意控制性能指。而对一些负载惯量较大系统，则极难在整个范围内（负载惯量改变）都取得满意控制效果。59数控机床的进给伺服系统培训教程第59页

零漂将影响精度：这类系统依靠D/A，将位置调整输出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，所以，其零点漂移将影响定位精度。60数控机床的进给伺服系统培训教程第60页+调整运算零漂赔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数控机床的进给伺服系统培训教程第61页

位置控制软件现能够由NC装置CPU实现，也能够由位置控制板上自带CPU实现。

位置控制调整运算部分由软件实现，增加了灵活性：调整器参数能够经过进行修改、设定调整算法能够采取较复杂算法，以提升控制性能（变结构、变增益）可增加许多辅助功效（故障诊疗、脉冲当量变换等）零点漂移可经过软件进行赔偿62数控机床的进给伺服系统培训教程第62页

因为其速度单元仍是模拟型，全硬件型系统中存在问题并未显著处理，如它内环参数（速度、电流）和位置环中D/A转换器位数依然是固定。所以难以兼顾负载惯量大改变。因为利用软件采取一些赔偿办法，这就使得半软件位置伺服系统位置控制精度和控制性能要高于全硬件型位置伺服系统。63数控机床的进给伺服系统培训教程第63页

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

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数控机床的进给伺服系统培训教程第64页

图中微机位置、速度控制既能够是单微机，又能够是双微机（一个是位置控制，另一个是速度控制）。不过系统中微机常由单片机来组成。

因为微机应用，使系统控制愈加灵活，其特点是：位置、速度调整器结构和参数能够按工作环境自动进行切换，使之适应负载改变能力显著增强，应用优化理论还可使调整器参数自动化，使系统可驱动不一样执行机械，通用化程度大大提升。其余与半软件型系统相同。65数控机床的进给伺服系统培训教程第65页

这种系统输出经过D/A转换成模拟电压作为电流指令送往模拟电流环，这么，模拟量零点漂移只会使电流指令产生微小改变，普通这种改变不足以产生驱动伺服电机运动力矩，也不会对位置控制精度产生不良影响。66数控机床的进给伺服系统培训教程第66页

因为电流环结