数控伺服驱动系统

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1、第五章 数控伺服驱动系统,、数控伺服系统的定义及组成1、定义： 伺服(Servo)，本意为“服从”的含义。进给伺服系统(Feed Servo System)就是以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。 2、组成： 进给伺服系统主要由以下几个部分组成：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。,第一节 概 述,数控伺服系统的基本组成,伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。 数控机

2、床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。 该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强。,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。,二、对伺服系统的基本要求 1、位移精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差愈小，位移精度愈高。

3、 2、稳定性好 稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。要求伺服系统具有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。,3、 动态响应要快 动态响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统跟踪精度。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置随动系统，为保证轮廓切削形状精度和低的表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，跟随误差小。4、调速范围宽 调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。目前数控机床一般要求进给伺服系统的调速范围是024m/min，有的已达到240m/min。在

4、数控机床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。,5、低速大扭矩 要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，伺服系统在低速时要求有大的转矩输出。 进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。,对伺服电机的要求：（1）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时速度平稳。（2）电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。（3）反应速度快，电机必

5、须具有较小的转动惯量、较大的转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度(4000rad/s2以上)。（4）能承受频繁的起动、制动和正反转。,1按调节理论分类,（1）开环伺服系统,（2）闭环伺服系统,（3）半闭环伺服系统,三、伺服系统的分类,（1）开环数控系统开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，它没有位置反馈回路和速度反馈回路，系统稳定性好。,无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一

6、般用于经济型数控机床。,2）半闭环数控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或丝杠端部，用以精确控制电机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动部件，将角度转换成工作台的位移，为间接测量。,半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。,检测与反馈单元,3）闭环数控系统 闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工

7、作台上，检测装置测出实际位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给CNC装置，与指令进行比较，求得差值，依此构成闭环位置控制。,从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。 由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。,2、按使用的执行元件分类 （1）电液伺服系统 电液脉冲马达和电液伺服马达。 优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳。 缺点：液压系统需要供油

8、系统，体积大。噪声、漏油。,（2）电气伺服系统 1）直流伺服系统 进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机。 优点：调速性能好（调速范围宽），输出转矩大，过载能力强。 缺点：有电刷，速度不高。 2）交流伺服系统 交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。 优点：转子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修，制造简单，适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速度方向发展，其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统，交流伺服电机已在数控机床中得到广泛应用。,3、按被控对象分类 （1）进给伺服系

9、统进给伺服系统包括速度控制环和位置控制环，用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需转矩。 （2）主轴伺服系统主轴伺服系统只是一个速度控制系统，控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力，且保证任意转速的调节。 C 轴控制功能。,4、按反馈比较控制方式分类 （1）脉冲、数字比较伺服系统 （2）相位比较伺服系统 （3）幅值比较伺服系统 （4）全数字伺服系统,第二 节开环步进驱动系统,一、步进电机的分类,步进电机：是一种将电脉冲转变成机械角位移的装置,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、

10、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）,1、反应式步进电机,定子:定子上有绕组分为若干相，每相磁极上有极齿。下图为三相定子：AA,BB,CCA、B、C三相每相两极。,1）结构：由转子和定子两部分组成,定子上线圈的绕法,A相,B相,C相,转子,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,步进电机的实物图,工作原理,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(U)B(V)C(W)A(U) A(U)C(W)B(V)A(U),三相双三拍 AB

11、(UV)BC(VW)CA(WU)AB(UV) BA(VU)AC(UW)CB(WV)BA(VU),三相单双六拍 A(U)AB(UV)B(V)BC(VW) C(W)CA(WU)A(U) A(U)AC(UW)C(W)CB(WV) B(V)BA(VU)A(U),通断电方式,有关术语相数：电动机定子上有磁极，磁极对数称为相数。如6个磁极，则为三相，称该电动机为三相步进电动机。10个磁极为五相，称该电动机为五相步进电动机。拍数：电动机定子绕组每改变一次通电方式称为一拍。,三相单三拍,A(U)B(V)C(W)A(U),三相单双六拍 AABBBCCCAA,小步距角的三相反应式步进电机,转子均匀分布40齿，定子

12、每段极弧上有5个齿，定转子齿宽、齿距相同。,实际步进电机结构,定子、转子展开图,2）混合式步进电机,（c）N极性转子径 向剖面图,混合式步进电动机结构原理图,（a）S极性转子段 径向剖面图,（b）轴向视图,A-A与B-B两块齿片在空间错开半个齿距，保证转矩的连续性。,混合式步进电机与反应式的主要区别是转子上置有磁钢。产生的转矩比反应式步进电机大，且步距角常可以做的较小，因此在工作空间受限而需要小步距角和大转矩的应用中。 反应式电动机转子上无磁钢，输入能量全靠定子励磁电流供给，静态电流比永磁式大许多。转子得到机械惯量较混合式步进电机低，可以实现更快的加减速。,混合式步进电机与反应式步进电机的比较

13、：,三、步进电机的特性,1、步距角与步距角误差步距角：每输入一个电脉冲信号，步进电机转子转过的角度，称为步进电机的步距角，用 表示。,m步进电机的相数Z（Zr）步进电机转子齿数K（C）状态系数（与通电有关的系数） K1：单拍或双三拍 K2：单双六拍,（1）某步进电动机转子有40齿并且采用单三拍工作的，其步距角为：,步距角计算示例：,（2）按单、双相通电方式运行的三相步进电动机，转子齿数z=40，其步距角为：,若步进电动机的频率为f，则步进电动机的转速为：,计算示例：1、某步进电机定子60齿，5相十拍工作方式，直接驱动机床工作台，其转速为600r/min，计算其稳定工作频率和步距角,解：由,有：

14、,步距角误差：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。,步距角误差,2、静特性 1）静态矩角特性,当步进电动机某相通电时，转子处于不动状态，这时转子上无转矩输出。如果在电动机轴上加一个负载转矩，转子按一定方向转过一个角度，重新处于不动（稳定）状态，这时转子上受到的电磁转矩T称为静态转矩，它与负载转矩相等，转过的角度称为失调角。静态时T与的关系称为矩角特性，它近似于正弦曲线。,静态矩角特性,2)最大静转矩 静态矩角特性上的

15、电磁转矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定区域内，当外转矩除去后，转子在电磁转矩的作用下，仍能回到稳定平衡点位置。 最大静转矩表示步进电动机承受负载的能力。它越大，电动机带动负载能力越强，运行的快速性和稳定性越好。,3、动特性,（1）最大起动转矩 电动机相邻两相的静态矩角特性曲线交点所对应的转矩即为最大起动转矩Tq。当外界负载超过最大起动转矩时，步进电动机就不能起动。如下图所示。,（2）最大启动频率 空载时，步进电动机由静止状态启动，达到不丢步的正常运行的最高频率称为最大起动频率。 启动时指令脉冲频率应小于起动频率，否则将产生失步。 步进电机在带负载下的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。这种特性称为启动矩频特性。,