数控原理与系统第四章讲解

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1、第4章 伺服驱动系统 第4章 伺服驱动系统 4.1 伺服系统概述 4.2 开环步进电动机驱动系统 4.3 直流伺服系统 4.4 交流伺服系统 4.5典型数控伺服驱动系统简介 小结 习题 第4章 伺服驱动系统 4.1 伺服系统概述 1. 基本概念 伺服（Servo）系统又叫随动系统， 是一种能 够跟随指令信号的变化而动作的自动控制装置， 根据实现方法不同， 可以分为机械随动（仿形） 系统、 液压伺服系统、 电气伺服系统等， 目前 的数控机床均采用电气伺服系统。 第4章 伺服驱动系统 在数控机床中，CNC装置是发布命令的“大 脑”， 而伺服系统则是数控机床的“四肢”， 是 一种执行机构， 它能够准

2、确地执行来自CNC装 置的运动指令。 伺服系统由伺服驱动装置、伺服电动机、位 置检测装置等组成。伺服驱动装置的主要功能是 功率放大和速度调节，将弱信号转换为强信号， 并保证系统的动态性能；伺服电动机用来将电能 转换为机械能，拖动机械部件移动或转动。 第4章 伺服驱动系统 数控机床的伺服系统，包括进给伺服 系统和主轴伺服（驱动）系统，前者是以机 械位移（位置控制）为直接控制目标的自动 控制系统，用来保证加工轮廓；后者是以速 度控制为主，提供切削过程中需要的转矩和 功率。本章主要介绍进给伺服系统及其位置 检测装置的基本原理。 第4章 伺服驱动系统 2数控机床对进给伺服系统的要求数控机 床对进给伺服

3、系统的要求是： 调速范围宽，在大的速度范围内运转 稳定。 一般要求速比可达1:10000，最低稳 定运转速度nmin0.1r/min。 负载特性硬，抗扰动能力强。 能保证切削过程中受负载冲击时速度 不变，尤其在低速时，应有足够的负载能力 。 第4章 伺服驱动系统 反应速度快。 一般要求，伺服响应时间为几十毫秒 ，伺服电机角加速度4000rad/s2，即从静 止状态加速到额定转速1500r/min，所需时 间不大于0.2秒。 准确度高。 定位精度和重复定位精度可达到0.01 0.001mm，甚至0.1um。 第4章 伺服驱动系统 3进给伺服系统的分类 进给伺服系统按其结构可以分为开环控制和闭 环

4、控制两大类。开环控制系统用步进电动机作为驱 动元件，由于它没有位置反馈回路和速度控制回路 ，具有简单、经济的优点，被广泛用于中、低档数 控机床及一般的机床改造。闭环伺服系统是基于反 馈控制原理工作的，即通过位置测量装置反馈运动 部件的实际位置，再与CNC装置输出的指令位置进 行比较，根据比较结果的差值来控制伺服机构工作 。闭环伺服系统采用直流伺服电机或交流伺服电机 作为驱动元件，根据位置测量元件的安装位置不同 又分为半闭环和全闭环两种形式。 第4章 伺服驱动系统 半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在电动机 轴上(一般电机生产商已装好)，用以精确控制电动机的角 度，然后通过滚珠丝杠等传动机构，

5、将角度转换成工作台 的直线位移。半闭环的闭环环路短，不包括传动机构等大 惯性环节，因而系统容易达到较高的位置增益，不发生振 荡现象。且其快速性好，动态精度高，传动机构的非线性 因素对系统的影响小。因此被广泛采用。但如果传动机构 的误差过大或其误差不稳定，则数控系统难以补偿。如由 传动机构的扭曲变形所引起的弹性间隙，因其与负载力矩 有关，故无法补偿。由制造与安装所引起的重复定位误差 以及由于环境温度与丝杠温度变化所引起的丝杠螺距误差 也是不能补偿的。因此要进一步提高精度，只有采用全闭 环控制方式。 第4章 伺服驱动系统 全闭环方式直接从机床的移动部件上获取位置实际 移动值，因此其检测精度不受机械

6、传动精度的影响。但 不能认为全闭环方式可以降低对传动机构的要求，因闭 环环路包括了机械传动机构，其闭环动态特性不仅与传 动部件的刚性、惯性有关，还取决于阻尼、油的粘度、 滑动面摩擦系数等因素。而且这些因素对动态特性的影 响在不同条件下还会发生变化，这给位置闭环控制的调 整和稳定带来了许多困难。这些困难使调整闭环环路时 不得不降低位置增益，从而对跟随误差与轮廓加工误差 产生不利影响。所以采用全闭环方式时必须增大机床刚 性，改善滑动面摩擦特性，减小传动间隙，这样才有可 能提高位置增益。全闭环方式被应用在精度要求较高的 大型数控机床上。 第4章 伺服驱动系统 4.2 开环步进电动机驱动系统 开环伺服

7、系统不设位置检测反馈装置 ， 不构成运动反馈控制回路，电动机按 数控装置发出的指令脉冲工作， 对运动 误差没有检测反馈和处理修正过程。 其 典型代表是步进电动机开环进给伺服系统 ，如图4.1所示。 第4章 伺服驱动系统 图4.1 步进电动机开环进给伺服系统结构图 第4章 伺服驱动系统 图4.1中， 数控装置发出指令脉冲 通过环形分配器和功率放大器驱动步进 电动机， 每发出一个指令脉冲， 步进电 动机就转过一个角度， 此角度叫做步进 电动机的步距角。 步进电动机通过齿轮 箱、 滚珠丝杠驱动工作台运动， 其运动 的位移量与指令脉冲数成正比， 运动速 度与脉冲的频率成正比。 第4章 伺服驱动系统 4

8、.2.1 步进电动机 1. 步进电动机的特点 步进电动机是一种将电脉冲信号 转换成相应角位移的机电执行元件。给 一个电脉冲信号，步进电动机就回转一 个固定的角度，称为一步，所以称为步 进电动机。由于其转动角度由脉冲个数 控制，不需要反馈环节，所以在经济型 数控机床上得到了广泛的应用。概括起 来步进电机具有如下优点： 第4章 伺服驱动系统 （1）转子的角位移量和转速严格受脉冲 的数量和频率控制，有脉冲就走，无脉 冲则停，旋转方向由通电顺序决定。 （2）体积小，重量轻，价格低。 （3）驱动简单，工作可靠，误差不长期 积累。 （4）精度高，惯性小，容易调试。 第4章 伺服驱动系统 其主要缺点如下：

9、（1）使用不当时，会引起 “失步”或“过 冲”。 （2）运转时有振动和噪音。 （3）额定转速较低，最高频率一般不超 过18kHz。 第4章 伺服驱动系统 2. 步进电动机的分类 （1） 反应式步进电动机 反应式步进电机的定子和转子由硅 钢片或其他软磁材料制成，定子上有励磁绕 组，绕组相数一般为二、三、四、五、六相 ，步距角一般为0.363。反应式步进电 机结构简单，价格便宜，步距角小，其缺点 是励磁电流大，带惯性负载能力差，容易“ 失步” 和“振荡”，断电后无保持转矩。其产 品系列代号为BF，如：110BF02、110BF03 、130BF5、150BF5、160BF5等。 第4章 伺服驱动系

10、统 2） 永磁式步进电动机 永磁式步进电机的定子由软磁材 料制成，定子上有励磁绕组；转子由永 久磁铁制成，步距角一般为15、225 、30、45等。永磁式步进电机控制功 率小，省电，运行稳定，断电后有保持 转矩；但是其步距角太大。其产品系列 代号为BY。 第4章 伺服驱动系统 3） 混合式步进电动机 混合式步进电机又叫永磁反应式 步进电机，它在结构和性能上，兼有反 应式步进电机和永磁式步进电机两者的 特点，即具有反应式步进电机步距角小 、工作频率高的特点；又具有永磁式步 进电机控制功率小、运行稳定、断电后 有保持转矩的特点；更适合应用于数控 系统中。但是其制造工艺复杂，成本较 高。其产品系列代

11、号为BH。 第4章 伺服驱动系统 3. 步进电动机的工作原理 （1）反应式步进电机工作原理 三相反应式步进电机外形结构如 图4.2所示，其定子上有A、B、C三对磁 极，分别绕有A、B、C三相绕组，三对磁 极在空间上相互错开120；转子上有20 个齿，没有绕组，每个齿在空间上相隔 18，它在定子磁场中被磁化而呈现极性 。当A相磁极与转子齿对齐时，B相磁极 与转子齿错开18/3=6, C相磁极与转子 齿错开218/3=12。 第4章 伺服驱动系统 (a) 外形 定子铁芯 转子铁芯 定子绕组 (a) 展开图 (a) 横切面图 图4.2 反应式步进电机外形结构图 第4章 伺服驱动系统 步进电动机是在电

12、磁吸力作用下产生 位移的，当某相定子励磁后，该相定子磁极 吸引转子，转子的齿与该相定子磁极上的齿 对齐，转子转动一个角度，下一相定子通电 励磁时，转子又转过一个角度，每相不停地 轮流通电，转子就不停地转动。为便于理解 ，现以图4.3所示的反应式步进电机为例分析 其转动原理。该步进电机转子齿数为4，齿 距为90，当A相磁极与转子齿对齐时，B相 磁极与转子齿错开90/3=30, C相磁极与转 子齿错开290/3=60。 第4章 伺服驱动系统 图4.3 反应式步进电动机工作原理 第4章 伺服驱动系统 如图4.3(a)所示给各相定子绕组接通直 流电源。当A相绕组通电时，形成以A-A为 轴线的磁场，使转

13、子的1、3齿和定子的A-A 磁极对齐，如图4.3(b)所示；当A相断电、B 相绕组通电时，转子将在空间逆时针转过 30角；当B相断电、C相绕组通电时，转子 将在空间又逆时针转过30角。 按ABCA的顺序通电，转子就会 不断地按逆时针方向转动；如按ACBA 的顺序通电，转子就会不断地按顺时针方向 转动。从一相通电换到另一相通电，叫一拍 ；每一拍转子转动一步，每步转过角度叫步 距角。用表示。 第4章 伺服驱动系统 步进电动机的通电方式有以下三种。 （1）单拍 在上述各项轮流通电过程中 ，每拍只有一相通电，称为单拍。对于 m相步进电机，一个循环为m拍，称为m 相单m拍工作制。如上述情况，为三相 单三

14、拍工作制。单拍工作制的稳定性较 差，容易失步。 第4章 伺服驱动系统 （2）双拍 采用双相轮流通电方式，即每 拍都有两相通电，称为双拍。如三相步进电 机的通电顺序为ABBC CA AB，构成三 相双三拍工作制。这种通电方式，由于两相 同时通电，力矩大，定位精度高，每拍只改 变一相，另一相锁定，不易失步。 （3）单双拍 即单双相轮流通电。如对三 相步进电机来说，通电顺序为 AABBBCCCAA，一个循环为6拍 ，是单拍时的2倍，称为三相六拍工作制。 第4章 伺服驱动系统 由此看出，图4.3 中转子齿数为4的步 进电机在三相三拍时 ，三相六拍时 ；而图 4.2中转子齿数为20的步进电机在三相三拍

15、时 ，三相六拍时 。说明定子磁极对数和转 子齿数越多，步距角就越小，但是由于受控 制器复杂程度和制造工艺的限制，定子磁极 对数和转子齿数不可能很多，一般相数三到 五相，步距角在0.363范围的步进电机 较为常用。 第4章 伺服驱动系统 （2）永磁式步进电机工作原理 永磁式步进电机如图4.4所示，定子上 有两相（或多相）绕组，转子为两对（或多 对）永久磁铁制成的磁极，转子磁极数与每 相定子绕组磁极数相同。图4.4（b）画出的 是两相两对磁极的绕组（AO、BO），转子 为两对永久磁极。当定子绕组按AB-A -BA的顺序轮流通电时，转子将按顺时针 转动，步距角为45。步距角的计算公式为 式中 m为拍数，p为转子磁极对数。 第4章 伺服驱动系统 图4.4 永磁式步进电机外形结构图 (a) 外形 (b) 结构 第4章 伺服驱动系统 （3）混合式步进电机工作原理 混合式步进电机外形结构如图4.5所 示，它的定子结构与反应式步进电动机基本 相同，也分成若干个磁极，磁极上绕有定子 绕组，磁极端面有小齿。