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1、第7章 数控伺服系统,一、概述 （一）伺服系统的基本要求 1.要求具有可逆运行的能力 2.要求具有较宽的调速范围 3.要求具有足够的传动刚性和高的速度稳定性 4.要求具有快速响应的能力 5.要求具有高精度 6.要求低速时仍有较大的输出转矩,（二）数控机床伺服驱动系统的分类 数控机床的伺服驱动系统主要有两种：进给伺服系统和主轴伺服系统。前者是控制机床各坐标的进给运动，后者是控制机床主轴旋转运动。 伺服系统也可从控制方式的角度来分为开环、闭环和半闭环。开环控制不需要位置检测与反馈；闭环和半闭环控制需要有位置检测与反馈环节，它们是基于反馈控制原理工作的。,二、 电动机及其控制,（一）步进电动机,1、
2、步进电动机的工作原理,步进电动机主要有三类：反应式（VR型）步进电动机、永磁式（PM型）步进电动机和混合式（HB型）步进电动机。,如果按ABCA的顺序循环通电，电动机便按一定的方向转动。电动机的转速直接取决于绕组与电源接通或断开的变化频率。若按ACBA的顺序通电，则电动机反向转动。,电动机定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。此时电动机转子转过的空间角度称为步距角。上述通电方式称为三相单三拍。“单”是指每次通电时，只有一相绕组通电；“三拍”是指经过三次切换绕组的通电状态为一个循环，第四拍通电时，就重复第一拍通电的情况。显然，在这种通电方式时，三相步进电动机的步距角应为。若通电顺序为ABBCCA
3、AB，即每次通电时均有两相通电，就叫三相双三拍。,2.步进电动机的结构,如图某三相定子径向分相式步进电动机示意图，该电动机转子上有均匀分布的40个齿，没有绕组。A、B、C为三相定子绕组，每相两极，每极上有5个齿。 图7.2b所示为某五相轴向分相式步进电动机示意图，A、B、C、D、E为五相定子绕组。该步进电动机定子和转子均分为5段，呈轴向布置，各段定子和转子上均有16个齿。,步进电机的步距角由下式决定： 式中 步距角； 定子相数； 转子齿数； 控制方式确定的拍数与相数的比例系数,3、步进电动机的驱动,（1）环形分配器,环形分配器用来控制步进电动机的通电运行方式。其作用就是用数控装置送来的指令脉冲
4、来控制各相绕组按照一定的方式通断电。,步进电机控制方式有两种：一种是硬环分，它本身包括环形分配器，数控装置只要发脉冲即可，每一个脉冲即对应电动机转过一个固定的角度；另一种是软环分，它的驱动装置没有环形分配，环形分配需由数控装置中的计算机软件来完成，由数控装置直接控制步进电动机各相绕组的通、断电。,（2）驱动放大电路,驱动放大电路的功能是将环形分配器发出的TTL电平信号经放大后给步进电动机的绕组供电。驱动放大电路的控制方式种类较多，常使用单电压驱动、高低压切换驱动、恒流斩波、调频调压等驱动电路。,高低压切换驱动电路,这种电路的特点是绕组每次通电时，首先接通高压，以保证电流以较快的速度上升，然后改
5、由低压供电，维持绕组中的电流为定额值。,恒流斩波电路,恒流斩波驱动电路也称定电流驱动电路，或称波顶补偿控制驱动电路。它能克服高低压切换驱动电路的出现谷点的现象，并且提高电动机的效率和力矩。这种驱动电路也有高、低电压两个电源。它随时检测绕组的电流值，当绕组电流值下降到下限设定值时，便使高压功率管导通，采用高压供电，使绕组电流上升；当绕组电流值上升到上限值时，便关断高压管，采用低压供电，使绕组电流下降。,这样，在一个步进周期内，高压管多次通断，使绕组电流在上、下限之间波动，接近恒定值，提高了绕组电流的平均值，有效的抑制了电动机输出转矩的降低。,细分驱动电路,前述的各种驱动电路，都是按电动机工作方式
6、轮流给各相绕组供电，每来一个脉冲，就换一次相，但通电相的电流大小是一定的。如果一拍中，通电相的电流不是一次达到最大值。而是分成多次，每次绕组中的电流增加一些。每次增加，都使转子转过一小步。同样，绕组电流的下降也是分多次完成的。这样步进电机原来一个步距，便分成许多微步运动来完成，即实现了步距的细分。,这样便提高了步进电机的分辨力，运动更加平稳，减小了振动，降低了噪声，且不易失步。要实现细分，需将绕组中的矩形脉冲电流变成梯形电流。,（二）直流伺服电动机,1、直流伺服电动机的基本结构,直流伺服电动机的结构主要包括定子、转子、电刷与换向片： （1）定子 定子的作用是用来产生磁场。 （2）转子 转子也常
7、称为电枢。 （3）电刷与换向片 电刷与换向片的作用是使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀地连续旋转。,2、直流伺服电动机的分类,直流伺服电动机的力矩/惯性比对伺服系统的性能有很大影响，可采用多种方式来提高力矩/惯性比，由此产生了小惯量直流伺服电动机和宽调速直流伺服电动机。 （1）小惯量直流伺服电动机 小惯量直流伺服电动机是通过减小电枢的转动惯量来提高力矩/惯性比的。 （2）宽调速直流伺服电动机 宽调速直流伺服电动机又叫大惯量直流伺服电动机，他是通过提高输出力矩来提高力矩/惯性比的。,3、直流电动机的调速原理,根据电机学的基本知识，有,根据上述三式，得到他励电动机的机械特性方程,
8、式中 理想空载转速。,由上式可见，可以通过改变电枢电压U、改变励磁电流If以改变磁通、改变电枢回路电阻Ra三种方法对直流电动机进行调速。,调压调速属于恒转矩调速。在调压调速方式时，可通过改变电枢电压U来改变理想空载转速n0。由于U只能小于电枢额定电压Ue，故nen0e，ne为额定转矩时的额定转速，ne为额定速降。随着电枢电压U的降低，特性曲线平行下移。在调速过程中，若保持电枢电流Ia不变化，励磁磁通也不变，则电磁转矩T为恒定值。,调磁调速属于恒功率调速。在调磁调速方式时，通常保持电枢电压为额定电压（即U=Ue）而改变励磁电流。而励磁电流总是向减小的一方调整，即e。此时，n0将随的下降而上升，使
9、得机械特性变软。调速的结果是减少磁通使电动机转速升高。由于调速过程中，电枢电压U不变，若电枢电流Ia也不变，则调速前后功率是不变的。,直流电动机的技术指标主要有两个：,（1）调速范围 指系统在额定负载时电动机的最高转速与最低转速之比即 。在调压调速系统中，通常认为 即是电动机的额定转速 。 （2）静差率 静差率是指电动机在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降ne与理想空载转速n0之比，即 S=ne/n0 或 S=ne/n0100% 静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。系统静差率大，当负载增加时，电动机转速就会下降很多，就会降低数控机床的加工效率，同时影响
10、工件的表面质量。 在调压调速时，不同的电枢电压U对应不同的理想转速n0，而静态转速降ne却是常数。可见高速时，S小；低速时，S大。所以，一般提到静态转差率时，均以系统最低转速时的n0max为准。这样低速达到了要求，高速时就不成问题了。,4、PWM调速,由脉冲宽度调制变换器向直流电动机供电的系统称为脉冲宽度调制调速控制系统，简称PWM调速系统。,式中 为一个周期内，VT导通时间的比率，称为负载率或占空比。使用下面三种方法中的任一种，都可以改变的值，从而达到调压的目的，实现电动机的平滑调速。 （1）定宽调频法 Ton保持一定，使Toff在0范围内变化。 （2）调宽调频法 Toff保持一定，使Ton
11、在0范围内变化。 （3）定频调宽法 Ton+Toff保持一定，使Ton在0T范围内变化。,假定IGBT VT先导通TON秒（忽略VT的管压降，这期间电源电压Us全部加到电枢上），然后关断Toff秒，电枢失去电源，经二极管VD续流。电动机电枢端电压Ud为其平均值,（三） 交流伺服电动机,1、交流伺服电动机的种类,（1）异步型交流伺服电动机（IM） 异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机，它有三相和单向之分，也有鼠笼式和绕线式之分，通常多用鼠笼式三相感应电动机。 （2）同步型交流伺服电动机（SM） 同步型交流伺服电动机虽然较感应电动机复杂，但比直流电动机简单。它的定子与感应电动机一样，都在定子上
12、装有对称三相绕组。区别在转子上。,2、交流伺服电动机的结构和工作原理,当定子三相绕组中通入三相电源后，就会在电动机的定、转子之间产生一个旋转磁场，这个旋转磁场的转速称为同步转速，由于转子是一个永久磁极，因此，转子的转速也就是转子磁场的转速。 交流伺服电动机通常在轴端装有转子位置检测器，可以检测出转子角度用来实现变频控制，转子位置检测器一般由光电编码器或霍尔开关组成。,3、交流伺服电动机的调速原理,由此可见，要改变电机转速可采用以下几种方法。 改变磁极对数P 它是通过改变定子绕组接线以改变磁极对数来调速的。 改变转差率调速 常用的是降低定子电压调速、电磁转差离合器调速、绕线式异步电动机转子串电阻
13、调速或串级调速等。 变频调速 变频调速是平滑改变定子供电电压频率而使转速平滑变化的调速方法，这是交流电动机的一种理想调速方法。电机从高速到低速其转差率都很小，因而变频调速的效率和功率因数都很高。,（四）主轴电动机,主轴电动机有直流主轴电动机和交流主轴电动机两种。 1、直流主轴电动机 2、交流主轴电动机,主轴电动机具备以下特点： 电动机功率要大，且在大的调速范围内速度要稳定，恒功率调速范围宽。 在断续负载下电动机转速波动要小。 加速、减速时间短。 温度低，噪声和振动小，可靠性高，寿命长。 电动机过载能力强。,（五）变频调速的应用,1、变频调速技术分类,变频器可分为交交变频器与交直交变频器两种。,
14、2、变频调速的控制方式,定子感应电势平衡方程式为 E=4.44f1W1K1,电动机转矩关系,变频调速时，必须根据不同的要求，在调节频率 的同时，也要改变定子的电势E值，以维持气隙磁通不变。这就是恒定电势频率比的调速方式，即 =常数,但定子电势E是很难控制的，也不便测量出来。 频率较高时，定子绕组上的阻抗压降可以忽略，即可认为定子电压U1E，即 =常数，此方式称为恒压频比控制方式。,异步电动机变频调速控制特征 异步电动机变频调速的机械特性,3、正弦脉冲宽度调制（SPWM）变频器,SPWM变频器属于交直交变频装置，它将50Hz的交流电经变压器变到所需的电压后，经二极管整流和电容滤波，形成恒定直流电
15、压，再送入由6个大功率晶体管构成的逆变器主电路，输出三相频率和电压均可调节的等效正弦波的脉宽调制波（SPWM波）来拖动三相异步电动机运转。,（1）SPWM波形,（2）SPWM波形的产生,当控制信号载波信号（三角波信号）时，输出正电压；当控制信号载波信号（三角波信号）时，输出负电压。,（3）SPWM变频器的主电路,为6大功率晶体管，并各有1个二极管与之反并联，起续流作用。来自控制电路的SPWM波形作为基极控制电压加于6个功率晶体管基极，作为驱动控制信号。,4、矢量变换变频器,（1）矢量控制原理,矢量控制变频调速的思路是：三相交流电动机的三相定子绕组的正弦平衡电流 、 、 通过三相/二相变换，等效
16、成两相静止座标系下的交流电流 、 ，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转座标系下的直流电流 、 ( 相当于直流电动机的励磁电流； 相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的座标反变换，实现对异步电动机的控制。,（2）矢量控制的等效过程,三、数控伺服系统,（一）进给伺服系统,1、开环、闭环和半闭环,2、点位和连续轨迹控制的伺服系统,在点位控制系统中，重要的是定位精度和定位时间（影响到效率），而趋近定位点的路线及趋近过程中的精度则无关要紧，因此，可能采用分级降速，单方向趋近等提高定位精度的办法，一般属于闭环断续控制方式。 连续切削控制的伺服系统与点位控制的伺服系统有很大的不同。因为运动路线与加工工件的轮廓需要一致，所以除了定位精度要求准确之外，在整个进给过程中，为使工件精度高而且表面粗糙度值低，要求伺服系统速度
