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1、西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程数控技术基础数控技术基础主讲教师：马有良主讲教师：马有良联系邮箱联系邮箱：第一节第一节 概述概述第二节第二节 伺服系统速度控制伺服系统速度控制第三节第三节 伺服系统位置控制伺服系统位置控制西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程第五章 伺服系统西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程 伺服系统是以机械位置或角度作为控制对象的自动控伺服系统是以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。伺服系统是连接数控系统与数控设备的枢纽，它制系统。伺服系统是连接数控系统与数控设备的枢纽，它的性能是影响数控设备精度、稳定性、可靠性、加工效率的性能是影响数控设备精度、稳定性
2、、可靠性、加工效率以及价格等方面的重要因素。以及价格等方面的重要因素。 1 1、伺服系统的特点和要求、伺服系统的特点和要求 特点特点: : （1 1）伺服系统的运动来源与偏差信号）伺服系统的运动来源与偏差信号 （2 2）伺服系统具有负反馈回路）伺服系统具有负反馈回路 （3 3）伺服运动始终处于过渡过程状态）伺服运动始终处于过渡过程状态 （4 4）伺服系统具有力）伺服系统具有力( (转矩转矩) )的放大作用的放大作用第一节第一节 概述概述西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程 数控机床对伺服系统的要求：数控机床对伺服系统的要求： (1)(1)位置精度高位置精度高 (2)(2)调速范围宽调速范围
3、宽 (3)(3)快速响应快速响应 (4)(4)稳定性好稳定性好 (5)(5)低速大转矩低速大转矩2 2、伺服系统的组成、伺服系统的组成 常用的伺服系统有电气伺服系统和液压伺服系统。常用的伺服系统有电气伺服系统和液压伺服系统。 数控伺服系统由伺服电机，驱动系统，速度检测器，数控伺服系统由伺服电机，驱动系统，速度检测器，位置检测器以及位置比较电路组成。位置检测器以及位置比较电路组成。 驱动系统包括从给定值输入到伺服电机或液动机的驱动系统包括从给定值输入到伺服电机或液动机的输出，即伺服电机及其驱动部分。输出，即伺服电机及其驱动部分。 西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程 主轴伺服系统一般为速度控
4、制系统，除具有主轴伺服系统一般为速度控制系统，除具有上述的一般要求外，还应具有以下控制功能：上述的一般要求外，还应具有以下控制功能： (1) (1) 准停控制准停控制 (2) (2) 主轴与进给驱动同步控制主轴与进给驱动同步控制 (3) (3) 分度控制分度控制3 3、伺服系统的分类、伺服系统的分类 按调节理论分类按调节理论分类 (1) (1)开环伺服系统开环伺服系统 (2) (2)闭环伺服系统闭环伺服系统 (3) (3)半闭环系统半闭环系统 西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程 工作台工作台驱驱动动控控制制线路线路齿轮箱齿轮箱步进电机步进电机指令脉冲指令脉冲开环伺服系统开环伺服系统简图简
5、图西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程闭环伺服系统闭环伺服系统简图简图位位置置控控制制模模块块速速度度控控制制单单元元伺伺 服服 电电机机 工作台工作台 位置检测位置检测测量反馈测量反馈伺服驱动装置伺服驱动装置指令指令速度环速度环速度检测速度检测位置环位置环西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程位位置置比比较较速速度度控控制制 工作台工作台伺伺服服电电机机指令指令速度反馈速度反馈位置反馈位置反馈+ 半闭环伺服系统简图半闭环伺服系统简图西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程按使用的驱动元件分类按使用的驱动元件分类(1)(1)电液伺服系统电液伺服系统 (2)(2)电气伺服系统电气伺服系统
6、按使用的伺服电机分类按使用的伺服电机分类(1)(1)直流伺服系统直流伺服系统 (2)(2)交流伺服系统交流伺服系统 按进给驱动和主轴驱动分类按进给驱动和主轴驱动分类 (1)(1)进给伺服系统进给伺服系统 (2)(2)主轴伺服系统主轴伺服系统 按位置控制方式分类按位置控制方式分类 (1)(1)脉冲，数字比较伺服系统脉冲，数字比较伺服系统 (2)(2)相位比较伺服系统相位比较伺服系统 (3)(3)幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 (4)(4)全数字伺服系统全数字伺服系统 西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程第二节第二节 伺服系统速度控制伺服系统速度控制 为了能够调节机床的切削速度和进给量，机床
7、的为了能够调节机床的切削速度和进给量，机床的主运动、进给运动和辅助运动都需要变速控制。都要主运动、进给运动和辅助运动都需要变速控制。都要求在变速范围内，速度变化连续可调，且精度高、稳求在变速范围内，速度变化连续可调，且精度高、稳定性好。速度控制系统是伺服系统中的重要组成部分，定性好。速度控制系统是伺服系统中的重要组成部分，它由速度控制单元、伺服电机、速度检测装置等构成。它由速度控制单元、伺服电机、速度检测装置等构成。1 1、直流伺服系统速度控制、直流伺服系统速度控制 直流伺服电机的特性：直流伺服电机的特性： 直流电机的机械特性（静特性）直流电机的机械特性（静特性） 机械特性是指调速系统机械特性
8、是指调速系统的输出转速和输出转矩之间的关系，它是衡量调速系统在承受的输出转速和输出转矩之间的关系，它是衡量调速系统在承受负载时的转速与空载是相比下降的程度的一种指标负载时的转速与空载是相比下降的程度的一种指标。 西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程机械特性方程为：机械特性方程为： 2、交流伺服系统速度控制、交流伺服系统速度控制 由于直流电机存在许多缺点：结构复杂、制造困难、由于直流电机存在许多缺点：结构复杂、制造困难、换向器需要维护、电机高速受到限制等。但交流电机，换向器需要维护、电机高速受到限制等。但交流电机，特别是感应电机没有上述缺点，且转子惯量小，动态特特别是感应电机没有上述缺点，且
9、转子惯量小，动态特性好。交流同步电动机的转速与所接的电源频率之间存性好。交流同步电动机的转速与所接的电源频率之间存在一种严格的关系，可以方便的改变频率获得可变的速在一种严格的关系，可以方便的改变频率获得可变的速度，和非常硬的机械特性，鼓得到更广泛的应用。度，和非常硬的机械特性，鼓得到更广泛的应用。 西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程第三节第三节 伺服系统位置控制伺服系统位置控制开环控制系统开环控制系统 驱动机构驱动线路数控装置环形分配器功率放大器步进电机或电液脉冲马达传动机构机床西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程 步进电机又称脉冲电机，它是一种将数字脉冲步进电机又称脉冲电机，它是一
10、种将数字脉冲信号转换成为具有一角位移或线位移即转变为一种信号转换成为具有一角位移或线位移即转变为一种模拟信号的电磁装置，步进电机是开环驱动机构中模拟信号的电磁装置，步进电机是开环驱动机构中的一个关键元件。常见的步进电机有反应式步进电的一个关键元件。常见的步进电机有反应式步进电机与混合式步进电机两种。机与混合式步进电机两种。1 1、步进电机的特点、步进电机的特点 （1 1）步进电机输出的角位移或线位移与输入脉冲）步进电机输出的角位移或线位移与输入脉冲数成正比。即每输入一个脉冲，经分配装置使电机数成正比。即每输入一个脉冲，经分配装置使电机转子相应转动一步，且在时间上与输入脉冲同步。转子相应转动一步
11、，且在时间上与输入脉冲同步。 （2 2）转速与脉冲频率成正比。）转速与脉冲频率成正比。 （3 3）能快速地起动，制动和反转。）能快速地起动，制动和反转。西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程 （4 4）转子的转动惯量小，起动，停止时间短。）转子的转动惯量小，起动，停止时间短。（5 5）无积累误差，所以定位精度高。）无积累误差，所以定位精度高。 右图为三相反右图为三相反应式步进电机应式步进电机结构图；结构图；西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程2 2、步进电机的工作原理、步进电机的工作原理 1 1）工作原理：）工作原理： 步进电机的工作原理是按电磁吸引的原理工作的。步进电机的工作原理是按电
12、磁吸引的原理工作的。错齿是其工作的关键，是推动其工作的根本原因。错齿是其工作的关键，是推动其工作的根本原因。 反应式三相步进电机为例加以说明。定子上有六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，分成极组成一相，分成A A、B B、C C三相。转子无绕组，它是由三相。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。当定子绕组按顺序轮流通电时，行工作的。当定子绕组按顺序轮流通电时，A A、B B、C C三三对磁极就依次产生磁
13、场，并每次对转子的某一对齿产对磁极就依次产生磁场，并每次对转子的某一对齿产生电磁引力，将其吸引过来，而使转子一步步转动。生电磁引力，将其吸引过来，而使转子一步步转动。 西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程 若开始是若开始是A A相通电，相通电，B B相、相、C C相断电，由相断电，由于定子磁场吸于定子磁场吸引转子，使转引转子，使转子齿与定子子齿与定子A A相磁极上的齿相磁极上的齿对齐，由于电对齐，由于电机的结构使三机的结构使三相磁极的在周相磁极的在周向相互错开向相互错开1/31/3齿距，齿距，西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程 随后随后B B相相通电，通电， A A相、相、C C相断
14、电，相断电，于是定子磁于是定子磁场吸引转子场吸引转子回转回转1/31/3齿齿距，距，西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程 再使再使C C相相通电，转子通电，转子又转过又转过1/31/3齿距，依次齿距，依次通电，步进通电，步进电机就会按电机就会按通电顺序方通电顺序方向旋转。向旋转。西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程2 2）、步进电机的通电方式：）、步进电机的通电方式： a a：三相单三拍：三相单三拍 通电顺序为通电顺序为ABCABC ABCABC 由于每次只有一相绕组通电，在切换瞬间将失由于每次只有一相绕组通电，在切换瞬间将失去自锁转矩，容易失步，易在平衡位置附近产生振去自锁转矩，容易
15、失步，易在平衡位置附近产生振荡，稳定性不佳，故实际应用中不采用单三拍工作荡，稳定性不佳，故实际应用中不采用单三拍工作方式。方式。 b b：三相双三拍：三相双三拍 通电顺序为通电顺序为ABBCCA ABBCCA 或反或反 之之ACCBBA ACCBBA 由于双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切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。换时总保持一相绕组通电，所以工作比较稳定。西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程步矩角步矩角 、频率、频率 、和转速、和转速 n n 的关系：的关系：c c：三相六拍：三相六拍 通电顺序为通电顺序为 AABBBCCCAA A
16、ABBBCCCAA 或反之，或反之， AACCCBBBA AACCCBBBA 它它比比三三相相三三拍拍控控制制方方式式步步距距角角小小一一半半，因因而而精精度度更更高高，且且转转换换过过程程中中始始终终保保证证有有一一个个绕绕组组通通电，工作稳定，因此这种方式被大量采用。电，工作稳定，因此这种方式被大量采用。西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程 步距角和步距误差步距角和步距误差 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：转子齿数的关系如下：式中式中 步进电机的步距角；步进电机的步距角；m m电机相数；电机相数； Z Z转子齿数；转子齿数
17、；K K系数，相邻两次通电相数相同，系数，相邻两次通电相数相同，K K1 1； 相邻两次通电相数不同，相邻两次通电相数不同，K K2 2。西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程3 3、步进电机的主要特征、步进电机的主要特征 （1 1）最大静转矩）最大静转矩Tmax Tmax （2 2）启动频率）启动频率（3 3）连续运行频率）连续运行频率（4 4）矩频特性）矩频特性（5 5）静态步矩误差）静态步矩误差 空载时，以单脉冲输入，步进电空载时，以单脉冲输入，步进电机的实际步矩角与理论步矩角之差，称为静态步矩误机的实际步矩角与理论步矩角之差，称为静态步矩误差，以分表示。差，以分表示。 西南科技大学品
18、牌课程西南科技大学品牌课程静态矩角特性静态矩角特性矩频特性矩频特性西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程4 4、步进电机功率驱动、步进电机功率驱动 步进电机驱动线路完成由弱电到强电的转换和步进电机驱动线路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号。的具有一定功率的电流脉冲信号。 驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成。驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成。 环形分配器是用于控制步进电机的通电方式的，环形分配器是用于控制步进电机的通电方式的，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一其作用
19、是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上，控制各相定的顺序和分配方式加到功率放大器上，控制各相绕组的通电、断电。绕组的通电、断电。 环形分配器功能可由硬件或软件产生。环形分配器功能可由硬件或软件产生。西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程前置放大前置放大输入输入 U L单电压驱动电路原理图单电压驱动电路原理图功率放大器功率放大器西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程单稳单稳延时延时前置放大前置放大前置放大前置放大U2 12VU180VLV1V2 t1 t2高低压驱动电路原理图高低压驱动电路原理图输入输入西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程高压前置放大高压
20、前置放大低压前置放大低压前置放大控制门控制门整形整形输入输入恒流斩波驱动电路原理图恒流斩波驱动电路原理图U1ReV1V2U2VD1L西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程5 5、开环控制步进式伺服系统的工作原理、开环控制步进式伺服系统的工作原理1. 1. 工作台位移量的控制工作台位移量的控制 数数控控装装置置发发出出N N个个脉脉冲冲，经经驱驱动动线线路路放放大大后后，使使步步进进电电机机定定子子绕绕组组通通电电状状态态变变化化N N次次，如如果果一一个个脉脉冲冲使使步步进进电电机机转转过过的的角角度度为为，则则步步进进电电机机转转过过的的角角位位移移量量NN，再再经经减减速速齿齿轮轮、丝丝
21、杠杠、螺螺母母之之后后转转变变为为工工作作台台的的位位移移量量L L，即即进进给给脉脉冲冲数数决决定了工作台的直线位移量定了工作台的直线位移量L L。 西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程2. 2. 工作台进给速度的控制工作台进给速度的控制 数数控控装装置置发发出出的的进进给给脉脉冲冲频频率率为为f f，经经驱驱动动控控制制线线路路，表表现现为为控控制制步步进进电电机机定定子子绕绕组组的的通通电电、断断电电状状态态的的电电平平信信号号变变化化频频率率，定定子子绕绕组组通通电电状状态态变变化化频频率率决决定定步步进进电电机机的的转转速速，该该转转速速经经过过减减速速齿齿轮轮及及丝丝杠杠、螺螺母母之之后后，体体现现为为工工作作台台的的进进给给速速度度V V，即即进进给给脉脉冲冲的频率决定了工作台的进给速度。的频率决定了工作台的进给速度。3. 3. 工作台运动方向的控制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电机实现正转和反转，相应的工作台进给方向就被改变。变。 主编：撰稿教师：（以姓氏为序）制作：责任编辑：电子编辑：
