第8章_伺服驱动系统

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1、第8章 伺服驱动系统8.1 概 述 8.1.1 伺服驱动系统的概念 1什么是伺服驱动系统 伺服驱动系统亦称随动系统，是一种能够跟 踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的 位置、速度或力输出的自动控制系统。 数控机床的进给伺服系统它是以机床移动部件的位置和速度为控制量，接受来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大、检测反馈，最终实现机床工作台相对于刀具运动的控制系统。伺服驱动系统的作用伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。伺服驱动系统的作用可归纳如下：（1）伺服驱动系统能放大控制信号，具有输出功率的能力；（2）伺服驱动系统根据CNC装置发出的控制信息对机床移

2、动部件的位置和速度进行控制。 2数控机床对伺服驱动系统的要求 （1）可逆运行 在加工过程中，随时都可能实现正向或反向运动。同时要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动的损失。 （2）进给调速范围要宽 对一般机床而言，进给速度范围在 024m/min时，即可满足加工要求。 具体技术要求如下。 在124000mm/min即124000调速范围内，要求均匀、稳定、无爬行，且速降小。 在1mm/min以下时，具有一定的瞬时速度，但瞬时速度要低。 在零速时，即工作台停止运动时，要求电动机有电磁转矩以维持定位精度，使定位误差 不超过系统的允许范围，即零速时电动机处于伺 服锁定状态。（3）具有足够的传动刚性和

3、速度稳定性 （4）快速响应无超调 快速响应是衡量伺服系统动态性能的一项重要性能指标，它反映了系统的跟 踪精度。要求跟踪指令信号的响应要快。一方面，在伺服系统处于频繁启动、制动、加速、减速等动 态过程中，要求加、减速度足够大，以缩短过渡过 程时间，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒，且速度变化不应有超调；另一方面，当负载突变时 ，过渡过程恢复时间要短，且无振荡。（5）高精度为了满足数控加工精度，关键是保证数控机床的定位精度和位移精度。 位移精度 位移精度是指指令脉冲要求机床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，伺服系统的位移 精度愈高。目前，位

4、移精度可达到在全程范围内5m，一 般数控机床的脉冲当量为0.010.005mm/脉冲，高精度 的数控机床其脉冲当量可达0.001mm/脉冲，甚至更高。 定位精度 定位精度是指输出量能复现输入量的精确程度。进给伺服系统的定位精 度一般要求能达到1m，甚至0.1m。 （6）低速大转矩 根据数控机床的加工特点，大都是在低速进行重切削，即在低速时进给驱动要有大 的转矩输出。应使动力源尽量靠近机床的执 行机构，使传动装置机械部分的结构简化， 系统刚性增加，传动精度提高。 8.1.2 伺服系统的组成和工作原理闭环伺服系统结构原理如图8-1所示： 图8-1 闭环伺服系统结构原理图 数控机床的位置控制过程：

5、安装在工作台的位置检测元件把机械位移变成位置数字量，并由位置反馈电路送到微机内 部，该位置反馈量与输入微机的指令位置进行 比较； 如果比较结果不一致，微机送出差值信号，经驱动电路将差值信号进行变换、放大后驱 动电动机，经减速装置带动工作台移动。 当比较后的差值信号为零时，电动机停止转动，此时，工作台移到指令所指定的位置。 速度控制过程：图8-1中的测速发电机和速度反馈电路组成的反馈回路可实现速度恒值控制。测速发电机和伺服电动机同步旋转，假如因外负载增大而使电动机的转速下降，则测速发电机的转速下降，经速度反馈电路，把转速变化的信号转变成 电信号，送到驱动电路，与输入信号进行比较，比较 后的差值信

6、号经放大后，产生较大的驱动电压，从而 使电动机转速上升，恢复到原先调定转速，使电动机 排除负载变动的干扰，维持转速恒定不变。 伺服系统结构原理图可以用框图表示如下： 图8-2 伺服系统框图 闭环伺服系统的主要组成部分：从上述原理图及框图可知，闭环伺服系统主要由以下几个部分组成： （1）微型计算机 它能接收输入的加工程序和反馈信号，经系统软件运行处理后，由输出口送出指令信号。 （2）驱动电路 接收微机发出的指令，并将输入信号转换成电压信号，经过功率放大后，驱动电动机旋转。转速的大小由指令控制。若要实现恒速控制功能，驱动电路应能接收速度反馈信号，将反馈信号与微机的输入信号进行比较，将差值信号作为控

7、制信号，使电动机保持恒速转动。 （3）执行元件 可以是直流电动机、交流电动机，也可以是步进电动机。采用步进电动机通常是开环控制。 （4）传动装置 包括减速箱和滚珠丝杠等。 （5）位置检测元件及反馈电路 位置检测元件有直线感应同步器、光栅和磁尺等。位置检测元件检测的位移信号由反馈电路转变成计算机能识别反馈信号送入计 算机，由计算机进行数据比较后送出差值信号。 （6）测速发电机及反馈电路 测速发电机实际是小型发电机，发电机两端的电压值和发电机的转速成正比 ，故可将转速的变化量转变成电压的变化量。 8.1.3 伺服系统的分类（1）按驱动方式分 可分为液压伺服系统、气压伺服系统和电气伺服系统。 （2）

8、按执行元件的类别分类 可分为直流电动机伺服系统、交流电动机伺服系统和步进电动机伺服系统 。 （3）按有无检测元件和反馈环节分类 可分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。 （4）按输出被控制量的性质分类 可分为位置伺服系统、速度伺服系统。 伺服系统类型对应的数控机床精度： （1）步进电动机开环伺服系统的定位精度一般为0.010.005mm； （2）精度要求高的大型数控设备，通常采用交流或直流伺服电动机，闭环或半闭环伺服系统。闭环伺服系统定位精度可达0.0010.003mm。8.1.4 进给电动机分类 进给驱动用的伺服电动机主要有以下几种：（1）改进型直流电动机 结构上与传统的直流电动机

9、没有区别，只是它的转动惯量很小，过载能力很强，且具有较好的换向性能，早期的数控机床上多用这种电动机。（2）小惯量直流电动机 它最大限度地减少了电枢的转动惯量，所以获得较好的快速性，在早期的数控机床应用这类电动机也较多。 （3）步进电动机 由于步进电动机制造容易，它所组成的开环进给驱动装置也比较简单易调，在60年代至70年代初，这种电动机在数控机床上曾风行一时。目前，经济型数控机床仍使用步进电动机；另外，在某些机床上也有用作补偿刀具磨损运动以及精密角位移的驱动。（4）永磁直流伺服电动机 永磁直流电动机能在较大转矩下长期工作以及电动机的转子惯量较大，因此，它能直接与丝杠相 连而不需要中间传动装置，

10、且因为无励磁回路损耗 ，所以它的外形尺寸比励磁式直流电动机小。它还 有一个特点是可在低速下运行，如能在1rpm甚至 0.1rpm下平稳运行。因此，这种电动机获得广泛的 应用，从70年代到80年代中期，在数控机床的进给驱动装置中，它占据着绝对的优势地位。至今，许 多数控机床上仍使用永磁直流伺服电动机。 （5）无刷直流电动机 无刷直流电动机也叫无换向器直流电动机。是由同步电动机和逆变器组成，而逆变器由装在转子上的转子传感器控制。因此，它实际上是交流调速电动机的一种。由于这种电动机的性能达到直流电动机的水平，又取消换向器和电刷部件，使电动机的寿命大约提高了一个数量级。 （6）交流调速电动机自80年代

11、中期开始，异步电动机和永磁同步电动机为基础的交流进给驱动电动机得到了迅速的发展，是数控机床进给驱动的一个方向。某些国家生产的数控机床已全部采用交流进给驱动。8.2 开环进给伺服系统 数控机床进给伺服系统的负载不大，加工精度要求不高时，可采用开环控制。 数控机床开环进给伺服系统的执行组件多采用功率步进电动机，系统没有位置检测反馈回路和速度检测反馈回路，结构简单，成本低，且易于与机床配接。图8-3为采用功率步进电动机的开环进给伺服系统机构示意图。图8-3 开环进给伺服系统示意图 8.2.1 步进电动机 它是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁机械装置。由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲马达。

12、 1步进电动机的分类（1）按步进电动机输出转矩的大小，可分为快速步进电动机和功率步进电动机。（2）按励磁绕组可分为三相、四相、五相、六相甚至八相步进电动机。（3）按转矩产生的工作原理可分为电磁式、反应式以及混合式步进电动机。（4）按步进电动机输出运动的轨迹形式可分为旋转式步进电动机和直线式步进电动机。 2步进电动机的特点 (1) 步进电动机的输出角与输入的脉冲个数严格成正比，故控制输入步进电动机的 脉冲个数就能控制位移量； (2) 步进电动机的转速与输入的脉冲频率成正比，只要控制脉冲频率就能调节步进电动机的转速； (3) 当停止输入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电动机轴可以保持在某固定位置上

13、，不需要机械制动装置； (4) 改变通电相序即可改变电动机转向； (5) 步进电动机存在齿间相邻误差，但是不会产生积累误差； (6) 步进电动机转动惯量小，启动、停止迅速； (7) 步进电动机的缺点是效率低，负载能力低，调速范围小，最高输入脉冲频率一般不超过 18kHz。8.2.2 步进电动机的驱动与控制 1.步进电动机的工作原理 该电动机定子有A、B、 C三相，转子上有四个齿。当A相绕组通以直流电 时，转子齿1、3在磁力线的 作用下迅速与A相磁极对齐，对齐后停止转动。此时， 若B相通电，A相断电，磁 相B又把距它最近的一对齿 2、4吸引过去，使转子按逆 时针方向转过30。接着C 相通电，B相

14、断电，转子又 逆时针转过30。依此类推 ，定子按ABCA顺序通电，转子就一步一步 地按逆时针方向转动，每步 转30。同理，若改变通电顺序 ，按ACBA顺序通电，步进电动机就按顺时 针方向转动，同样每步转 30。 图8 -4 三相反应式步进电动机的工作原理模型图 由此可见，步进电动机的工作原理类似于电磁铁作用原理。当某相绕组通电时，定子产生磁场，并与转子形成磁路，如果此时定子与转子齿没有对齐，则由于磁力线力图走磁阻最小的路线，而带动转子转动，使定子齿与转子齿对齐，从而实现转动一个角度。 步距角: 步进电动机绕组的通电状态每改变一次转子转过的角度为步距角。该电动机的步距角为30。 厂家对于每种步进

15、电动机给出两种步距角，彼此相差一倍。大步距角：指控制供电拍数与相数相等时的步距角;小步距角：指控制供电拍数是相数两倍时的步距角。 三相三拍控制方式：图84 所示的三相步进电动机的控制方式，每次只有一相绕组通电，叫三相三拍控制方式。工作在这种方式时，切换瞬间步进电动机失去自锁转矩，容易失步。此外，只有一相绕组通电吸引转子，易在平衡位置产生振荡。因此，一般不采用三相三拍控制方式，而采用三相六拍控制方式。 三相六拍控制方式：三相六拍控制方式的通电顺序按 A AB BBCCCAA 进行，每改变一次通电状态，步进电动机逆时针旋转15，比三相三拍控制方式的步距角小一半，在通电状态改变时总能保持一相绕组通电，因此工作稳定，转换频率也提高一倍，是三相步进电动机较常用的控制方式。 双三拍控制方式：如果要采用三相三拍控制方式，可以采用双三拍控制方式，即通电顺序按AB BC CA AB 进行。由于双三拍控制方式每次有两相绕组通电，而且切换时总保持一相通电，故工作较稳定。 综上所述，可以得出如下一些结论: （1）步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步距角。 （2）改变步进电动机定子绕组的通电顺序，