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1、1,第六章 数控机床的伺服系统控制,本章要点 伺服系统的组成，基本要求，分类 步进电机及其驱动 数控机床用交流电机驱动,2,6.1 数控机床的伺服系统概述,6.1.1伺服系统的组成 伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。其作用是：接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。,3,数控机床闭环进给系统,数控机床闭环进给系统的一般结构如图6-1所示。伺服系统从外部来看，是一个以位置指令输入和位置控
2、制为输出的位置闭环控制系统。但从内部的实际工作来看，它是先把位置控制指令转换成相应的速度信号后，通过调速系统驱动伺服电机，才实现实际位移的。,4,5,6.1.2对伺服系统的基本要求,稳定性好 精度高 快速性好 调速范围宽 低速大扭矩,6,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。,7,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
3、移量之间的符合程度。两者误差愈小，位移精度愈高。,8,快速性好,快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统跟踪速度。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。,9,调速范围宽,调速范围是指电机能提供的最高转速和最低转速之比。在数控机床中，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。,10,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
4、出。,11,6.1.2伺服系统的分类,1开环和伺服系统 2. 闭环伺服系统 3. 半闭环伺服系统 4直流伺服系统 5. 交流伺服系统,12,开环伺服系统,开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，它没有反馈回路，因此设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小，被用于经济型数控机床及普通机床的数控化改造。,13,图6-2 开环伺服系统原理示意图,14,闭环伺服系统,闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上（图6-1），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，构成闭环位置控制。闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上,15,图6-3
5、 半闭环伺服系统简图,16,半闭环伺服系统,半闭环伺服系统如图6-3所示。半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在电动机轴上，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。目前在精度要求适中的中小型数控机床上，使用半闭环系统较多。,17,直流伺服系统,直流伺服系统就是控制直流电机的系统。目前使用比较多的是永磁式直流伺服电机。永磁直流伺服电机，调速范围宽，输出转矩大，过载能力强，而且电机转动惯量较大，应用较方便 直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格较贵。,18,交流伺服驱动系统,由于交流电机调速技术的突破，交流伺服驱动系统在80年代进入电
6、气传动调速控制的各个领域。交流伺服电机，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，交流伺服电机已在数控机床中得到广泛应用。,19,6.2 步进电机及其驱动装置,6.2.1 步进电机工作原理 步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在系统中，步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量。由于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制。,20,1 步进
7、电机的结构,步进电机在结构上分为定子和转子两部分，现以图6-4所示的反应式三相步进电机为例加以说明。定子上有六个磁极，每个磁极上绕有励磁绕组，每相对的两个磁极组成一相，分成A、B、C三相。转子无绕组，它是由带齿的铁心做成的。步进电机是按电磁吸引的原理进行工作的。,21,图6-4 三相反应式步进电机结构,22,2 步进电机的工作原理,假设转子上有四个齿，相邻两齿间夹角（齿距角）为900。当A相通电时，转子1、3齿被磁极A产生的电磁引力吸引过去，使1、3齿与A相磁极对齐。接着B相通电，A相断电，磁极B又把距它最近的一对齿2、4吸引过来，使转子按逆时针方向转动30o。然后C相通电，B相断电，转子又逆
8、时针旋转30o，依次类推，定子按ABCA顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步转30o。若改变通电顺序，按ACBA使定子绕组通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转30o。这种控制方式叫三相单三拍方式。,23,三相双三拍控制方式,三相双三拍控制方式，即通电顺序按ABBCCAAB（逆时针方向）或ACCBBAAC（顺时针方向）进行，其步距角仍为300。由于双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作比较稳定。它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且转换过程中始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被大量采用,24,图6-5 步进电机工作原理,25
9、,6.2.2步进电机的主要性能指标,1. 步距角和步距误差 2. 静态转矩与矩角特性 3. 最大启动转矩 4. 启动频率 5. 连续运行频率 6. 矩频特性与动态转矩,26,1. 步距角和步距误差,步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下： （6-1） 式中 步进电机的步距角；m电机相数； Z转子齿数；K系数，相邻两次通电相数相同，K1；相邻两次通电相数不同，K2。,27,2. 静态转矩与矩角特性,当步进电机上某相定子绕组通电之后，转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（0）。如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一
10、个角度，角度称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角的关系叫矩角特性，如图6-6所示。,28,图6-6 静态矩角特性,29,4. 启动频率,空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。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。而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。,30,5. 连续运行频率,步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频
11、率。其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有关系。,31,6. 矩频特性与动态转矩,矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系。当步进电机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。,32,6.2.3步进电机功率驱动,1 环形脉冲分配器 2驱动电路,33,1 环形脉冲分配器,硬件环形分配器是根据真值表或逻辑关系式采用逻辑门电路和触发器来实现，该线路由与非门和JK触发器组成。指令脉冲加到三个触发器的时钟输入端CP，旋转方向由正、反控制端的状态决定。
12、软件环形分配器实现较为简单、方便。计算机控制的步进电机驱动系统中，使用软件实现脉冲分配，常用的是查表法。,34,图6-8 三相六拍环形分配器,35,2驱动电路,功率放大器的作用是将环形分配器发出的电平信号放大至几安培到几十安培的电流送至步进电机各绕组，每一相绕组分别有一组功率放大电路。以下介绍三种典型的驱动电路：单电压简单驱动、高低压驱动和恒流斩波驱动。,36,图6-9 单电压驱动电路原理图,37,高低压电路,电路特点是高压充电，低压维持。当环形分配器输出高电平时，两只功率放大管T1，T2同时导通，绕组电流快速上升，前沿很陡，当接近额定电流时，单稳延时时间到，T1管截止，改由低压12V供电，维
13、持绕组额定电流。当低压断开时，电感中储能通过构成的放电回路放电，因此也加快了放电过程。这种供电线路有利于提高步进电机的启动频率和最高连续工作频率。由于额定电流是由低压维持的，只需较小的限流电阻，功耗小,38,图6-10 高低压驱动电路原理图,39,恒流斩波驱动电路,工作原理是：环形分配器输出的正脉冲将T1，T2导通，由于U1电压较高，绕组回路没串电阻，所以绕组电流迅速上升，当绕组电流上升到额定值以上的某一数值时，由于采样电阻Re的反馈作用，经整形、放大后送自T1的基极，使T1管截止。接着绕组由U2低压供电，绕组中的电流立即下降，但刚降到额定值以下时，由于采样电阻Re的反馈作用，使整形电路无信号
14、输出，此时高压前置放大电路又使T1导通，电流又上升。如此反复进行，形成一个在额定电流值上下波动呈锯齿状的绕组电流波形，近似恒流。,40,图6-11恒流斩波驱动电路原理,41,6.2.4开环控制步进式伺服系统的工作原理,1. 工作台位移量的控制 2. 工作台进给速度的控制 3. 工作台运动方向的控制,42,1. 工作台位移量的控制,数控装置发出N个脉冲，经驱动线路放大后，使步进电机定子绕组通电状态变化N次，如果一个脉冲使步进电机转过的角度为，则步进电机转过的角位移量N，再经减速齿轮、丝杠、螺母之后转变为工作台的位移量L，即进给脉冲数决定了工作台的直线位移量L。,43,2. 工作台进给速度的控制,
15、数控装置发出的进给脉冲频率为f，经驱动控制线路，表现为控制步进电机定子绕组的通电、断电状态的电平信号变化频率，定子绕组通电状态变化频率决定步进电机的转速，该转速经过减速齿轮及丝杠、螺母之后，表为工作台的进给速度V，即进给脉冲的频率决定了工作台的进给速度。,44,3. 工作台运动方向的控制,改变步进电机输入脉冲信号的循环顺序方向，就可改变定子绕组中电流的通断循环顺序，从而使步进电机实现正转和反转，相应的工作台进给方向就被改变。,45,6.3 交流伺服系统,6.3.1数控机床用交流电机 6.3.2交流电机的速度控制 1交流感应电机矢量控制原理 2. 矢量旋转变换 3. 直角坐标与极坐标的变换 4交
16、流电机的变频调速,46,6.3.1数控机床用交流电机,在交流伺服系统中，按电机种类可分为同步型和异步型（感应电机）两种。数控机床进给伺服系统中多采用永磁式同步电机。由变频电源供电给同步电机时，能方便地获得与频率成正比的可变速度，可以得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。 交流主轴电机多采用交流异步电机，很少采用永磁同步电机，主要因为永磁同步电机的容量不大，且电机成本较高。,47,6.3.2交流电机的速度控制,1交流感应电机矢量控制原理 在伺服系统中，直流伺服电机能获得优良的动态与静态性能，其根本原因是被控制量只有电机磁场和电枢电流Ia，且这两个量是独立的。,48,三相/二相直流电机变换,图6-12a所示三相异步交流电机在空间上产生一个角速度为0的旋转磁场。如果用图6-12b中的两套空间相差90的绕组和来代替，并通以两相在时间上相差90的交流电流，使其也产生角速度为0的旋转磁场，则可以认为图6-12a和图6-12b中的两套绕组是等效的
