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1、第6章 数控机床的伺服系统 第6章 数控机床的伺服系统 6.1 概述 一、 伺服系统的组成 数控机床的伺服系统按其功能可分为：进给伺服系统和主轴伺服系统 。 主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动。 进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制 量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执 行部件组成。 进给伺服系统的作用：接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号 ，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服 电机、功率步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件 实现工作进给或快速运动。 数控机床的进给伺服系统能根据指令信号精确地
2、控制执行部件的运动 速度与位置，以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。 如果把数控装置比作数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机 构，那么伺服系统就是数控机床的“四肢”，是执行“命令”的机构，它 是一个不折不扣的跟随者。 第6章 数控机床的伺服系统 图6-1 闭环进给伺服系统结构 位置控制模块速度控制单元 伺服电机 工作台 位置检测 测量反馈 伺服驱动装置 速度环 速度检测 位置环 数控机床闭环进给系统的一般结构如图，这是一个双闭环系统，内 环为速度环，外环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成 。速度控制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度 控制
3、系统的核心。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由 CNC装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组 成。 第6章 数控机床的伺服系统 由速度检测装置提供速度反馈值的速度环控制在进给驱动装置内 完成，而装在电动机轴上或机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈 值构成的位置环由数控装置来完成。伺服系统从外部来看，是一个以位 置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控制系统。但从内部的实际工 作来看，它是先把位置控制指令转换成相应的速度信号后，通过调速系 统驱动伺服电机，才实现实际位移的。 第6章 数控机床的伺服系统 1. 调速范围宽 为保证在各种情况下都能得到最佳切削条
4、件，就要求伺服系统 具有足够宽的调速范围。一般0-24m/min. 2. 可逆运行 3. 足够的传动刚度和高的速度稳定性 4. 快速响应和无超调 5高精度 6低速大转矩 7对伺服电机的要求 1.速度变化平滑；过载、低速能力；小惯量高响应。 8对主轴驱动的要求 高切削效率；调速宽；一定的恒转矩和恒功率 6.1.2 对伺服系统的基本要求 第6章 数控机床的伺服系统 一、步进电机工作原理 步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系统中，步进电机受驱 动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转 角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速 度，脉冲的数量
5、代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序来 决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。但由于该系统没有反馈 检测环节，其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制 。 6.2 步进电机及其驱动装置 工作台 驱动控制 线路 图6-2开环伺服系统简图 指令脉冲 步进电机 齿轮箱 第6章 数控机床的伺服系统 步进电机在结构上分为定子和转子两部分。 有永磁式(PM,permanent magnet),磁阻式(VR,variable reluctance),和 混合式(HB,hybrid)等。 以图6-3所示反应式(磁阻式)三相步进电机. 图6-3 三相反应式步进电机结构 定子
6、上有六个磁极，每个磁极上绕有 励磁绕组，每相对的两个磁极组成一相， 分成A、B、C三相。转子无绕组，它是由 带齿的铁心做成的。步进电机是按电磁吸 引的原理进行工作的。当定子绕组按顺序 轮流通电时，A、B、C三对磁极就依次产 生磁场，并每次对转子的某一对齿产生电 磁引力，将其吸引过来，而使转子一步步 转动。每当转子某一对齿的中心线与定子 磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零 。如果控制线路不停地按一定方向切换定 子绕组各相电流，转子便按一定方向不停 地转动。步进电机每次转过的角度称为步 距角。 第6章 数控机床的伺服系统 图6-5为例来说明其转动的整个过程，假设转子上有四个齿，相邻两齿间夹角 （
7、齿距角）为90。当A相通电时，转子1、3齿被磁极A产生的电磁引力吸引过去 ，使1、3齿与A相磁极对齐。接着B相通电，A相断电，磁极B又把距它最近的一 对齿2、4吸引过来，使转子按逆时针方向转动30。然后C相通电，B相断电，转 子又逆时针旋转30，依次类推，定子按ABCA顺序通电，转子就一步步地 按逆时针方向转动，每步转30。若改变通电顺序，按ACBA使定子绕组通 电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转30o。 这种控制方式叫三相单三拍方式，“单”是指每次只有一相绕组通电，“ 三拍”是指每三次换接为一个循环。由于每次只有一相绕组通电，在切换瞬间 将失去自锁转矩，容易失步，另外，只有一相绕组通
8、电，易在平衡位置附近产 生振荡，稳定性不佳，故实际应用中不采用单三拍工作方式。 A A B B C C 1 2 3 4 A A B B C C 1 2 3 4 A A B B C C 1 2 3 4 逆时针转30 逆时针转30 逆时针转30 第6章 数控机床的伺服系统 采用三相双三拍控制方式，即通电顺序按ABBCCAAB（逆时针 方向）或ACCBBAAC（顺时针方向）进行，其步距角仍为30。由于 双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以 工作比较稳定。 如果按AABBBCCCAA顺序通电，即首先A相通电，然 后A相不断电，B相再通电，即A、B两相同时通电，接着A相断电而
9、B相 保持通电状态，然后再使B、C两相通电，依次类推，每切换一次，步进 电机逆时针转过15。如通电顺序改为AACCCBBBAA，则 步进电机以步距角15顺时针旋转。这种控制方式为三相六拍，它比三相 三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且转换过程中始终保证有 一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被大量采用。 第6章 数控机床的伺服系统 设 A 相首先通电，转子齿与定子 A 、 A 对齐（图 3a ）。然后在 A 相继续通电的情 况下接通 B 相。这时定子 B 、 B 极对转子 齿 2 、 4 产生磁拉力，使转子顺时针方向转 动，但是 A 、 A 极继续拉住齿 1 、 3 ，因 此，转子转到两
10、个磁拉力平衡为止。这时转 子的位置如图 3b 所示，即转子从图 (a) 位 置顺时针转过了 15 。接着 A 相断电， B 相继续通电。这时转子齿 2 、 4 和定子 B 、 B 极对齐（图 c ），转子从图 (b) 的位置又 转过了 15 。其位置如图 3d 所示。这样， 如果按 AA 、 BBB 、 CCC 、 AA 的顺序轮流通电，则转子便顺时针 方向一步一步地转动，步距角 15 。电流换 接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿 距角。如果按 AA 、 CCC 、 BBB 、 AA 的顺序通电，则电机转 子逆时针方向转动。这种通电方式称为六拍 方式。 a.)A 相通电 .A 、 B 相通
11、电 .B 相通电 .B 、 C 相通电 第6章 数控机床的伺服系统 实际应用的步进电机如图所示， 转子铁心和定子磁极上均有齿距 相等的小齿，且齿数要有一定比 例的配合。 第6章 数控机床的伺服系统 式中 步进电机的步距角；, s步进电机的基本步距角； m电机相数； Z转子齿数； K系数，相邻两次通电相数相同，K1； 相邻两次通电相数不同，K2。 同一相数的步进电机可有两种步距角，通常为1.2/0.6、1.5/0.75、 1.8/0.9、3/1.5度等。步距误差是指步进电机运行时，转子每一步实际转过 的角度与理论步距角之差值。连续走若干步时，上述步距误差的累积值称 为步距的累积误差。由于步进电机
12、转过一转后，将重复上一转的稳定位置 ，即步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。 6.2.2 步进电机的主要性能指标 1. 步距角和步距误差 反应式步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系 如下： (6-14) 第6章 数控机床的伺服系统 2. 静态转矩与矩角特性 当步进电机上某相定子绕组通电之后，转子齿将力求与定子齿对齐，使磁 路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（0）。如果在电机轴上外加一个 负载转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度，角度称 为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为电磁转矩） ，这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角
13、的关系叫矩角特性，如图6 -5所示，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩。 在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到 稳定平衡点位置（0）。 图6-5 静态矩角特性 最大静转矩 最大静转矩 （保持转矩）： 通电时能够维持 静止状态的最大 转矩。 第6章 数控机床的伺服系统 3. 最大启动转矩Mq 图6-7为三相单三拍矩角特性曲线，图中的A、B分别是相邻A相和B相的 静态矩角特性曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电机的最大启动转矩 Mq 。如果外加负载转矩大于Mq ，电机就不能启动。如图6-7所示,当A相通 电时，若外加负载转矩Ma Mq ，对应
14、的失调角为a ，当励磁电流由A相切 换到B相时，对应角，B相的静转矩为b。从图中看出Mbf2f3f4 f2 f3 图6-19 恒Tm调速特性曲线 第6章 数控机床的伺服系统 n T f4 f1 f1f2f3f4 f2 f3 3. 恒功率调速 为了扩大调速范围，可以在额定频率以上进行调速。因电机绕组是按 额定电压等级设计的，超过额定电压运行将受到绕组绝缘强度的限制， 因此定子电压不可能与频率成正比地提高。若频率上升，额定电压不变 ，那么气隙磁通m将随着f1的升高而降低。这时，相当于额定电流时的转 矩也减小，特性变软。如图6-20所示，随着频率增加，转矩减少，而转 速增加，可得近似恒功率的调速特性
15、。 图6-20 恒功率调速特性曲线 第6章 数控机床的伺服系统 6.3.2 交流感应电机矢量控制原理 矢量控制理论是在1971年由德国学者F.Blachke提出的。 在伺服系统中，直流伺服电机能获得优良的动态与静态性能， 其根本原因是被控制只有电机磁通和电枢电流Ia，且这两个量 是独立的。此外，电磁转矩（Tm=KT Ia）与磁通和电枢电流Ia 分别成正比关系。因此，控制简单，性能为线性。如果能够模拟 直流电机，求出交流电机与之对应的磁场与电枢电流，分别而独 立地加以控制，就会使交流电机具有与直流电机近似的优良特性 。为此，必须将三相交变量（矢量）转换为与之等效的直流量（ 标量），建立起交流电机的等效模型，然后按直流电机的控制方 法对其进行控制。 第6章 数控机床的伺服系统 图6-21a所示三相异步交流电机在空间上产生一个角速度为0的旋 转磁场。如果
