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1、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。 数控机床伺服
2、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。 2、
3、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。在数控
4、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
5、必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
6、泛应用。一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
7、装置安装在机床的工作台上，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
8、点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声大、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
9、分类 （1）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。,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、 六相
10、、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,1）结构：由转子和定子两部分组成,极与极之间的夹角为60，每个定子磁极上均匀分布了五个齿，齿槽距相等，齿距角为9。转子铁心上无绕组，只有均匀分布的40个齿，齿槽距相等，齿距角为360/409。,单段式三相反应式步进电动机的结构： 定子铁心上有六个均匀分布的磁极，沿直径相对两个极上的线圈串联，构成一相励磁绕组。,特点：转子无绕组，定转子开小齿、步距小。应用最广。,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
11、理,小步距角的三相反应式步进电机,转子均匀分布40齿，定子每段极弧上有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,步进电机的实物图,(2) 永磁式步进电动机 工作原理：转子或定子的一方具有永久磁钢，另一方有软磁材料制成，由绕组轮流通电产生的磁场与永久磁钢相互作用，产生转矩是转子转动。 特点：不开小齿，步距角大，内阻较大，效率高，断电后有一定的定位转矩。 (3) 混合式步进电动机 （永磁感应子式） 定子结构与反应式基本相同，转子由环形磁钢及两段铁心组成。兼有以上两种的主要优点，是步进电动机的新产品。,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
12、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：,2. 步进电动机的控制原理,各部分的作用： 数控装置：根据控制要求发出指令脉冲，每发出一个脉冲电机旋转一个特定的角度，即步距角 环形分配：根据指令方向，依次产生步进电机的各相的通电步骤，分为硬件环分、软件环分两种。 放大电路：放大环形分配的各相指令，产生步进电机的各相的驱动电流,位移量的控制 向步进电动机送一个控制脉冲，其转轴就转过一
13、个角度或移动一个直线位移，称为一步；脉冲数增加，角位移(或线位移)随之增加，即脉冲数决定位移量。 进给速度的控制 脉冲频率高，则步进电动机的旋转速度就高，反之则低，即脉冲频率决定进给速度。 运动方向的控制 改变分配脉冲的相序，实现步进电动机的正、反转，从而改变运动方向。,与一般交流和直流电动机所不同的是，步进电动机定子绕组所加的电源形式为脉冲电压，而不是正弦电压或者恒定直流电压。,按电磁吸引的原理工作的。必须抓住两点： 磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩 各相定子齿之间彼此错齿1/m齿距，m为相数 几个概念的含义： “拍”- 定子相绕组每改变一次 通电状态，称为“一拍”。 “单”-
14、指只有一相绕组通电。 “双”- 指有两相绕组同时通电。,3. 反应式步进电动机的工作原理,“ 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。,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(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
15、(WU)A(U) A(U)AC(UW)C(W)CB(WV) B(V)BA(VU)A(U),通断电方式,(1) “单三拍”供电方式的步进电动机的工作原理 第一拍：A相励磁绕组通电，B、C相励磁绕组断电。A相定子磁极的电磁力要使相邻转子齿与其对齐(使磁阻最小)，B相和C相定、转子错齿分别为1/3齿距(3)和2/3齿距(6)。 第二拍：B相绕组通电，A、C相绕组断电。电磁反应力矩使转子顺时针方向转动3，与B相的定子齿对齐，此时A、C相的定、转子齿互相错开。,第三拍：C相绕组通电，A、B相绕组断电。电磁反应力距又使转子顺时针方向转动了3，与C相定子齿对齐，同时A相、B相定、转子齿错开，重复通电顺序：
16、A B C A ,三相单三拍,步进电机工作原理示意,单三拍步进电动机的反转 若定子绕组通电顺序为A C B A ，则电动机转子就逆时针方向旋转起来，其步距角仍为3。,单三拍步进电动机的步距角 重复单三拍的通电顺序，A B C A ，步进电机就顺时针方向旋转起来，对应每个指令脉冲，转子转动一固定角度3(步距角)。,单三拍通电控制方式的缺点 由于每拍只有一相绕组通电，在切换瞬间可能失去自锁力矩，容易失步。而且，只有一相绕组通电吸引转子，易在平衡位置附近产生振荡。因此，单三拍通电控制方式，工作稳定性差，一般较少采用。,每切换一次，步进电动机就顺时针方向转动1.5，步距角减小一半。原因是：当由A相切换到AB相通电时，A相定子磁极力图不让转子转动，而保持与其定子齿对齐，而B相定子磁极的电磁反应力矩也力图使其顺时针转动3，与B相定子齿对齐，此时，转子齿与A相、B相定子齿均未对齐，此位置是A相
