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1、第5章 数控机床的伺服驱动系统 5.1 概述 数控机床伺服驱动系统是指以机床移动部件(如工作台、动力头等)的位置和 速度作为控制量的自动控制系统，又称拖动系统。在数控机床上，伺服驱动系统接收 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，将其转化为机床工作台相对于切削刀具的运动。目前，这主要通过对交、直流伺 服电机或步进电机等进给驱动元件的控制来实现。数控机床的伺服驱动系统作为一种实现切削刀具与工件间运动的进给驱动和 执行机构，是数控机床的一个重要组成部分，它在很大程度上决定了数控机床的性能 ，如数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标取决于
2、伺服驱 动系统性能的优劣。因此，随着数控机床的发展，研究和开发高性能的伺服驱动系统 ，一直是现代数控机床研究的关键技术之一。 主要内容7.1 概述位置控制 单元速度控制 单元电流控制 单元功放驱动工作台电流反馈速度反馈位置反馈MG闭环进给伺服系统组成主要内容7.1 概述数控机床对进给伺服系统的要求？u高精度（输出量能复现输入量的精确程度）u稳定性好（抗干扰能力）u响应速度快（系统跟踪精度）u电机调速范围宽（最高转速和最低转速比）u低速大转矩（便于直接驱动）u可靠性高(对环境的适应性)主要内容7.1 概述伺服系统的分类: 按控制原理和有无检测反馈装置：开环、半闭环、闭环 按被控对象：进给驱动、主
3、轴驱动； 按使用的执行元件：电液、电气伺服（步进、直流、交流、直线电机）； 按反馈比较控制方式分类：脉冲数字比较伺服系统，相位比较伺服系统 ，幅值比较伺服系统，全数字伺服系统7.1 概述机械执行部件A相、B相C相、f、nCNC 插补指令脉冲频率f 脉冲个数n 换算脉冲环 形分配 变换功 率 放 大开环数控系统主要内容7.1 概述位置控制 调节器速度控制 调节与驱动检测与反馈 单元位置控制单元速度控制单元+ -电 机机械执行部件CNC 插补 指令实际 位置 反馈实际 速度 反馈半闭环数控系统7.1 概述主要内容位置控制 调节器速度控制 调节与驱动检测与反馈 单元位置控制单元速度控制单元+-机械执
4、行部件CNC 插补 指令实际 位置 反馈实际 速度 反馈闭环数控系统7.1 概述伺服电机是速度和轨迹控制的执行元件。数控机床中常用伺服电机？各自特点？ 直流伺服电机（良好的调速性能）交流伺服电机（调速性能接近直流，成为目前数控应用的主流产品）步进电机（适于中低速、轻载、负荷较稳定）直线电机（高速、高精度）5.2步进电动机 1.步进电动机的结构与工作原理 步进电动机按其工作原理主要可分为永磁式（PM ）、反应式（VR）和混合式（HB）三大类，这里只介绍常用 的反应式步进电动机的工作原理。三相反应式步进电动机的工 作原理如图4-12所示，其中步进电动机的定子上有6个齿，其上 分别缠有U、V、W三相
5、绕组，构成三对磁极；转子上则均匀分 布着4个齿。步进电动机采用直流电源供电。当U、V、W三相 绕组轮流通电时，通过电磁力的吸引，步进电动机转子一步一 步地旋转。图4-12 步进电动机运动原理图 工作原理：当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁阻最小的路 径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1、3齿要和A级对齐 。当下一个脉冲通入B相时，磁通同样要按磁阻最小的路径 闭合，即2、4齿要和B级对齐，则转子就顺逆时针方向转动 一定的角度。假设U相绕组首先通电，则转子上、下两齿被 磁场吸住，转子就停留在U相通电的位置上。然后U相断电， V相通电，则磁极U的磁场消失，磁极V产生了磁场，磁极V的 磁场把离它最
6、近的另外两齿吸引过去，停止在V相通电的位置 上，这时转子逆时针转了30。随后V相断电，W相通电，根 据同样的道理，转子又逆时针转了30，停止在W相通电的位 置上。若再U相通电，W相断电，那么转子再逆转30。定子 各相轮流通电一次，转子转一个齿。 步进电动机绕组按 UVWUVWU依次轮流通电，步进电动机转子就一步步地按逆时针方向旋转。反之，如果步进电动机按倒 序依次使绕组通电，即UWVUWVU则步进电 动机将按顺时针方向旋转。步进电动机绕组每次通断电使转子转过的角度称之为步距角。上述分析中的步进电动机步距角为30。对于一个真实的步进电动机，为了减少每通电一次的转角，在转子和定子上开有很多定分的小
7、齿。其中定子的三 相绕组铁心间有一定角度的齿差，当U相定子小齿与转子小齿对正时，V相和W相定子上的齿则处于错开状态，如图4-13所示。真实步进电动机的工作原理与上同，只是步距角是小齿距夹角的1/3。图4-13 三相反应式步进电动机齿距角z：转子相邻两齿的夹角Z：转子的齿数转子 （40齿）2.步进电动机的通电方式如果步进电动机绕组的每一次通断电操作(每改变一次通 电方式)称为一拍。每拍中只有一相绕组通电，其余绕组断电，则这种通电方式称为单相通电方式。三相步进电动机的单 相通电方式称为三相单三拍通电方式。如果步进电动机通电循环的每拍中都有两相绕组通电，则这种通电方式称为双相通电方式。三相步进电动机
8、采用双 相通电方式时，称为三相双三拍通电方式。如果步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态，则这种通电方式称为单双相轮流通电方式。三相步 进电动机采用单双相轮流通电方式时，每个通电循环中共有 六拍，因而又称为三相六拍通电方式。 一般情况下，m相步进电动机可采用单相通电、双相通电或单双相轮流通电方式工作，对应的通电方式分别称为m相单m拍、m相双m拍或m相2m拍通电方式。由于采用单相通电方式工作时，步进电动机的矩频特性（输出转矩与输入脉冲频率的关系）较差，在通电换相过程中，转子状态不稳定，容易失步，因而实际应用中较少采用 。图4-14是某三相反应式步进电动机在不同通电方式下工作时的矩频特
9、性曲线。显然，采用单双相轮流通电方式可使步 进电动机在各种工作频率下都具有较大的负载能力。图4-14 不同通电方式时的矩频特性通电方式不仅影响步进电动机的矩频特性，对步距角也有影响。一个m相步进电动机，如其转子上有z个小齿，则其步距角可通过下式计算：(4-12)式中，k是通电方式系数。当采用单相或双相通电方式时，k1；当采用单双相轮流通电方式时，k2。可见，采用单双相轮流通电方式还可使步距角减小一半。步进电机的步距角决定了系统的最小位移，步距角越小，位移的控制精 度越高。 如: 脉冲当量：步进电机每接受一个脉冲时，工作台走过的位移 单位为 mm/pulse=0.0010.0025 精密机床 0
10、.0050.01 数控机床 0.10.15 一般机床角脉冲当量：就是步距角(/pulse)当通过中间传动装置时，角脉冲当量为 ：M驱动器指令脉冲如下图，步进电机通过丝杠螺母副带动工作台运动时， 其脉冲当量为：Z1Z2设计时，先根据运动精度选定，再根据负载确定步进电机的参数，并选定丝杠的导程p,计算出传动比i后，最后设计传动齿轮的各参数等。 工作台进给速度控制:进给脉冲频率f 定子绕组通/断电状态的变化频率f 步进 电动机转速 工作台的进给速度F。步进驱动系统的进给速度：F=60f (mmmin) 其中：f为输入到步进电动机的脉冲频率。3. 步进电动机的使用特性（1） 最大连续运行频率 ，步进电
11、机连续运行 时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率 ，称为最 高工作频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数 ，它决定了步进电机的最高转速。 。（2） 最大启动频率 ，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所允许的最高频率，称为启动频 率。若启动时频率大于启动频率，步进电机就不能正常启动。 空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于 该启动频率 。 （3） 启动矩频特性。（4）最大静转矩Tmax：在规定的通电相数下，转矩的最 大值。绕组的电流越大，静转矩越大，一般取TL=（3050% ）Tmax。图4-15 启动矩频特性当伺服系统要求步进电动机的运行
12、频率高于最大允许 启动频率时，可先按较低的频率启动，然后按一定规律逐 渐加速到运行频率。图4-15给出了90BF002型步进电动机的 启动矩频特性曲线。 由图可见， 负载转矩越大， 所允许的 最大启动频率越小。图4-16 运行矩频特性（5）运行矩频特性。图4-16是90BF002型步进电动机的运行矩频特性曲线。 (6)加减速特性。步进电机的加减速特性是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；同样， 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
13、渐下降。逐渐上升和下降的加速时间、减速时 间不能过小，否则会出现失步或超步。我们用加速时间常 数Ta和减速时间常数Td来描述步进电机的升速和降速特性， 如图所示。 加减速特性曲线图直流伺服电机内容分析电机的结构与原理；主要内容7.3 直流伺服电机及其速度控制根据磁场产生的方式：他励式、永磁式、并励式、串励式和复励式。在结构上：无刷、有刷（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。）根据控制方式：磁场控制方式、电枢控制方式。 5.3.1 直流伺服电机分类7.3 直流伺服电机及其速度控制数控机床上常用的直流电机：永磁式直流伺服电机进给驱动；小惯性直流伺服电机快速运动的伺服系统；大惯
14、量宽调速直流电机直接驱动负载，过载能力强；无刷直流伺服电机低噪音、高真空、无干扰伺服系统；主要内容组成：磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片工作原理：直流电源接在两电刷间，电流通入电枢线圈，切割磁力线，产生电磁转矩。7.3 直流伺服电机及其速度控制5.3.2 直流伺服电机的调速原理与方法（以他励式为例）主要内容7.3 直流伺服电机及其速度控制（ 一定）电枢回路电压平衡方程式感应电势与转速关系电磁转矩5.3.2 直流伺服电机的调速原理与方法原 理 图等 效 图转速公式：三种调速方式: 调节电阻Ra 调节电枢电压Ua 调节磁通7.3 直流伺服电机及其速度控制转速公式：机械特性 电枢电阻调速很少
15、采用，缺点： 不经济：要得到低速，R很大，则消耗大量电能；低速，特性很软，运转稳定性很差； 调节平滑性差，操作费力。7.3 直流伺服电机及其速度控制主要内容Tn n0 R0R2R1主要内容调节电枢电压（调压调速）时，直流电机机械特性为一组平 行线，只改变电机的理想转速n0 ，保持了原有较硬的机械特性，所以调压调速主要用于伺服进给驱动系统电机的调速如果n值较大，不可能实现宽范围的调速。永磁式直流伺 服电机的n值较小，因此，进给系统常采用永磁式直流电机。 7.3 直流伺服电机及其速度控制主要内容调节磁通（调磁调速）不但改变了电机的理想转速 ，而且使直流电机机械特性变软，所以调磁调速主 要用于机床主
16、轴电机调速。 7.3 直流伺服电机及其速度控制主要内容为调节电机转速和方向，需对直流电压的大小和方向 进行控制，如何控制？直流伺服电机速度控制单元的作用：将转速指令信号 转换成电枢的电压值，达到速度调节的目的。直流电机速度控制单元常采用的调速方法：晶闸管（可控硅）调速系统适用于大功率场合晶体管脉宽调制（PWM）调速系统 7.3 直流伺服电机及其速度控制5.3.3 直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式交流伺服电机及其调速系统 内容分析电机结构、原理、类型；交流主轴电机的变频调速；主要内容交流伺服电机克服了直流电机结构上的缺点，充分发挥了坚固耐用、经济可靠、动态响应好，输出功率大等优点。随着交流伺服控制技术的发展，交流电机性能已接近直流伺服电机，并逐渐取代直流伺服电机。 7.
