数控机床的伺服系统1

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1、CNC第七章 数控机床的伺服驱动系统 主要内容 7.1 概述 7.2 步进电机及其驱动控制系统 7.3 直流伺服电机及其速度控制 7.4 交流伺服电机及其速度控制系统 7.5 直线电机及其在数控机床中的应用简介 7.6 位置控制CNC7.1 概述伺服驱动系统的定义:伺服驱动系统接收数控单元的位移/速度控制指令,驱动工作台/主轴按照控制指令的要求进行运动。伺服驱动系统直接影响移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标，是数控机床的关键技术。CNC7.1 概述伺服驱动系统的作用:接受CNC装置发出的位移指令信号，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、步进电机等）和

2、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。CNC数控机床的伺服驱动7.1 概述CNC数控机床的伺服驱动7.1 概述Umrichter SIMODRIVE 611 digital mit CNC SINUMERIK 840DE/R- ModulNCU LeistungsteilBedientafelfront mit PCU 20/50/70Drehstrom- ServomotorenPeripherie SIMATIC S7-300Drehstrom- HauptspindelmotorCNC7.1 概述一、数控机床对进给伺服系统的要求有：1高精度（输出量能复现输入

3、量的精确程度）2稳定性好（抗干扰能力）3响应速度快（系统跟踪精度）4电机调速范围宽（最高转速和最低转速比）5低速大转矩6可靠性高(对环境的适应性)CNC7.1 概述二、伺服系统的基本组成比较控制环节比较控制环节驱动控制单元驱动控制单元执行元件执行元件反馈检测单元反馈检测单元机床机床进给进给 指令指令CNC7.1 概述三、伺服系统的分类按控制原理和有无检测反馈装置：开环和闭环伺 服系统；按其用途和功能：进给驱动系统和主轴驱动系统 ；按其驱动执行元件的动作原理：电液伺服驱动系 统、电气伺服驱动系统（直流伺服驱动系统、交流 伺服驱动系统及直线电机伺服系统）CNC7.1 概述CNC7.1 概述闭环进给

4、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速度检测指令 速度环位置环CNC7.2 步进电机及其驱动控制系统CNC7.2.1步进电机工作原理按电磁吸引原理工作（以反应式步进电机为例） 反应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有 激磁绕组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠 磁极对齿的吸合工作。7.2 步进电机及其驱动控制系统定子转子定子绕组CNC7.2 步进电机及其驱动控制系统AB定子转子IAIBIC两个相对的磁 极组成一相。注意：这里的 “相”和三相交 流电中的“相” 的概念不同。 步进电机通的 是电脉冲，主 要是指线图的 联接和组数的 区别。CNC7.2 步进电机

5、及其驱动控制系统步进电机的工作方式(通电顺序)可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。1）三相单三拍：（1）三相绕组联接方式：Y 型（2）三相绕组中的通电顺序为：A 相 B 相 C 相通电顺序也可以为：A 相 C 相 B 相CNC7.2 步进电机及其驱动控制系统1）三相单三拍工作方式：CNC7.2 步进电机及其驱动控制系统BACCBA341 2A 相通电使 转子1、3 齿和 AA 对齐B ACCBA341 2BBACCAB相通电， 转子2、4 齿和B相轴 线对齐CC相通电， 转子1、3 齿和C相轴 线对齐341 2ABC132 4ABC1324ACNC7.2 步进电机及其驱动控制系统三

6、相单三拍的特点： （1）每来一个电脉冲，转子转过 30。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。（3）每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失 去自锁转矩，容易产生失步，只有一相绕组产生力 矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡 。CNC7.2 步进电机及其驱动控制系统2)三相六拍工作方式 通电顺序为：AABBBCCCAA 六拍。CNC通电顺序AABBBCCCAA（逆时针）AACCBCBCAA（顺时针）每步转过15，步距角是三相三拍工作方式的一半，特点：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比 较平稳。 7.2 步进电机及其驱动控制系统CNC3)双三拍工作方式定子绕组通电顺序为 ABBCCAAB

7、（转子逆时针旋转）ACBCCA（转子顺时针旋转）有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍 旋转30。特点：始终有一相定子绕组通电，工作比较平稳。 避免了单三拍通电方式的缺点7.2 步进电机及其驱动控制系统CNC实际上步进电机转子齿数很多，齿数越多，步 距角越小7.2 步进电机及其驱动控制系统为改善运行性能，定子磁极上的齿的齿距与转子的 齿距相同，但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的1 m（m电机相数）。每次定子绕组通电状态改变时 ，转子只转过齿距的1m（如三相三拍）或12m（ 如三相六拍）达到新的平衡位置。CNC7.2 步进电机及其驱动控制系统齿距的1m（m电机相数）3600/ ZCNC转子

8、40个齿，若通电为三相三拍，当转子齿与 A相定子齿对齐时，转子齿与B相定子齿相差（3） ，与C相定子齿相差（6）。7.2 步进电机及其驱动控制系统CNC每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。7.2.2 步进电机的主要特性1步距角m定子相数；z转子齿数；k通电系数， m相m拍，k1；m相2m拍，k2。 一般很小，如：31.5，1.50.75， 0.720.36等7.2 步进电机及其驱动控制系统CNC静态：步进电机处于通电状态，转子处在不动状态。静态转矩Mj ：在电机轴上施加一个负载转矩M，转 子会在载荷方向上转过一个角度（失调角），转子因 而受到一个电磁转矩Mj的作用与负载平衡。2矩角特性

9、、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq 7.2 步进电机及其驱动控制系统矩角特性：步进电机 单相通电的静态转矩 Mj随失调角的变化 曲线。CNC启动频率或突跳频率fq：空载时，步进电机由静止突 然启动并进入不丢步的正常运行状态所允许的最高频 率。 高于启动频率，将不能正常起动。启动时的惯频特性：是指电机带动纯惯性负载时启动 频率和负载转动惯量之间的关系。3启动频率fq和启动时的惯频特性 7.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频 率比空载要低。CNC连续运行频率：步进电机启动后，其运行速度能跟踪 指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率。其 值远大于启动频率

10、。 运行矩频特性：是描述步进电机在连续运行时，输出 转矩与连续运行频率之间的关系。4运行矩频特性 7.2 步进电机及其驱动控制系统CNC步进电机的加减速特性描述步进电机由静止到工 作频率和由工作频率到静止的加、减速过程中，定子 绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动到大于启动频率的工作频率 时，变化速度必须逐渐上升；从最高工作频率或高于 启动频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降 。逐渐上升和下降的加速、减速时间不能过小，否则 会失步或超步。5加、减速特性 7.2 步进电机及其驱动控制系统CNC1根据相数分类有三、四、五、六相等，相数越多，步距角越小，通电方式采用m相m拍、

11、双m拍和m相2m拍，m相m 拍和m相2m拍通电方式中，可采用一/二相、二三 相转换通电，如五相步进电机，五相十拍的二三相转换方式： ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB 7.2.3 步进电机的分类 7.2 步进电机及其驱动控制系统CNC根据定子与转子间磁场建立方式，可分：反应 式、永磁反应式（混合式）两类。反应式步进电机：定子有多相磁极，其上有励磁绕 组，转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定 子绕组产生反应力矩实现步进运行永磁反应式步进电机：定子结构与反应式相似，转 子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁力矩实现 步进运行。2根据产生力矩的原理分类 7.2 步进电机及其驱动控制

12、系统CNC可将步进电机分两类：伺服步进电机功率步进电机伺服步进电机（快速步进电机），输出力矩在几 十数百Nm，只能带动小负载，加上液压扭矩 放大器可驱动工作台。功率步进电机输出力矩在550Nm以上，能直接 驱动工作台。 3根据输出力矩的大小分类 7.2 步进电机及其驱动控制系统CNC7.2 步进电机及其驱动控制系统4根据结构分类 步进电机可制成轴向分相式（多段式）径向分相式（单段式） CNC步进电机的驱动控制由环形分配器和功率放大器组成。 环形分配器的主要功能：将数控装置送来的一串指令脉冲，按步进电机所要求的通电顺序分配给步进电机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的通断，实现步进电机的运行及

13、换向。7.2.4 步进电机的环形分配器 7.2 步进电机及其驱动控制系统CNC1硬件环形分配器可由D触发器或JK触发器构成，亦可用专用集成芯片 或通用可编程逻辑器件。CNC 装置电源环形 分配器A相驱动B相驱动C相驱动FULL/HALFDIRCLKM7.2 步进电机及其驱动控制系统硬件环形分配驱动与数控装置的连接CNCCH250是国产三相反应式步进电机环形分配器专用 集成电路芯片，通过控制端的不同接法可组成三相 双三拍和三相六拍的工作方式7.2 步进电机及其驱动控制系统三相六拍接线图:CNC2软件环形分配器由数控装置中的软件完成环形分配，直接 驱动步进电机各绕组的通、断电。用软件环形分配器只需

14、编制不同的环形分 配程序，可使线路简化，成本下降，可灵活地 改变步进电机的控制方案。CNC 装置电源A相驱动B相驱动C相驱动CBAM7.2 步进电机及其驱动控制系统CNC软件环形分配器的设计方法:查表法、比较法、 移位寄存器法等，常用查表法。7.2 步进电机及其驱动控制系统CNC以三相反应式步进电机的环形分配器为例，说 明查表法工作原理。 7.2 步进电机及其驱动控制系统CNC7.2 步进电机及其驱动控制系统16进制CNC7.2 步进电机及其驱动控制系统：MOV DPTR，#2A00HMOV R0，#00 LOOP：MOV A，R0MOVC A，A+DPTRMOV P1，ALCALL 1000

15、INC R0CJNE R0，#06H，LOOPAJMP 2100 DB 01H，03H，02H，06H，04H，05H 1000：MOV R3，#FF DT1： MOV R4，#FF DT2： DJNZ R4，DT2DJNZ R3，DT1RETCNC步进电机的速度控制进给脉冲频率f 定子绕组通电/断电状态变化频率f 步进电机转速 工作台的进给速度V。V=60f7.2 步进电机及其驱动控制系统CNC作用：是将环形分配器或微处理机送来的弱电信号变为强电信号，以得到步进电机控制绕组所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形。7.2 步进电机及其驱动控制系统7.2.5 功率放大电路CNC7.2.5 功率放大电

16、路种类：就其采用的功率放大器件分，有中功率晶体管、大功 率晶体管、大功率达林顿晶体管、可控硅等；就其工作原理分，有单电压驱动、高低电压驱动、恒 流斩波、调频调压、细分电路等。 步进电机有几相，就需要几组功率放大电路。7.2 步进电机及其驱动控制系统CNC1高低电压切换驱动电路特点：高压充电，保证电流以较快的速度上升，低压供电，维持绕组中的电流为额定值。7.2 步进电机及其驱动控制系统CNC2恒流斩波电路7.2 步进电机及其驱动控制系统CNC7.2 步进电机及其驱动控制系统3调频调压驱动电路CNC4细分驱动电路7.2 步进电机及其驱动控制系统CNC根据磁场产生方式分：他励式、永磁式、并励式、 串励式和复励式五种。结构上：有一般电枢式、无槽电枢式、印刷电枢式 、绕线盘式和空心杯电枢式等。为避免电刷换