6數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)6.1概述伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它接受來(lái)自數(shù)控裝置的進(jìn)給指令信號(hào)，經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放大后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、伺服機(jī)構(gòu)或伺服單元。該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，綜合性強(qiáng)。.定義：進(jìn)給伺服系統(tǒng)(FeedServoSystem)——以移動(dòng)部件的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。2.進(jìn)給伺服系統(tǒng)的作用

接受數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)裝置作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給或快速運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)能根據(jù)指令信號(hào)精確地控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)速度與位置，以及幾個(gè)執(zhí)行部件按一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)所合成的運(yùn)動(dòng)軌跡。如把數(shù)控裝置比作數(shù)控機(jī)床“大腦”，是發(fā)布“命令”的指揮機(jī)構(gòu)，則伺服系統(tǒng)就是數(shù)控機(jī)床的“四肢”，是執(zhí)行“命令”的機(jī)構(gòu)。3.組成圖6.1數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4.對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求：①高精度②穩(wěn)定性好。③快速響應(yīng)，無(wú)超調(diào)。④低速大轉(zhuǎn)矩。機(jī)床加工的特點(diǎn)是在低速時(shí)進(jìn)行重切削。⑤調(diào)速范圍寬。6.2開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路1開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成。2步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電機(jī)。1)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)定子轉(zhuǎn)子定子繞組ABC定子轉(zhuǎn)子3.步進(jìn)電機(jī)的工作原理4.步進(jìn)電機(jī)的主要技術(shù)性能指標(biāo)1)步距角2)最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax3)空載啟動(dòng)(突跳)頻率fq4)啟動(dòng)矩頻特性5)空載運(yùn)行頻率fmax6)運(yùn)行矩頻特性圖6.6步進(jìn)電機(jī)的失調(diào)角及矩角特性圖6.790BF001型步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性圖6.890BF001型步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性5.步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路(1)環(huán)形分配器圖6.9三相六拍方式通電的環(huán)形分配器(2)功率放大器1)單電壓驅(qū)動(dòng)電路2)高低壓驅(qū)動(dòng)電路3)斬波驅(qū)動(dòng)電路圖6.10單電壓驅(qū)動(dòng)電路圖6.11高低壓驅(qū)動(dòng)電路圖6.12斬波驅(qū)動(dòng)電路6.3閉環(huán)伺服系統(tǒng)與反饋比較形式6.3.1閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)與半閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)圖6.13閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)原理6.3.2數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)圖6.14半閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)原理圖6.15數(shù)字脈沖比較系統(tǒng)的構(gòu)成圖6.16轉(zhuǎn)換器的形式圖6.17數(shù)字脈沖比較器的構(gòu)成原理(1)數(shù)字脈沖比較系統(tǒng)的構(gòu)成(2)數(shù)字脈沖比較系統(tǒng)的工作原理(3)主要功能部件1)數(shù)字脈沖-數(shù)碼轉(zhuǎn)換器2)比較器6.3.3相位比較伺服系統(tǒng)(1)相位比較伺服系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理(2)鑒相器鑒相器又稱相位比較器，它的作用是鑒別指令信號(hào)與反饋信號(hào)之間的相位差，把它變成一個(gè)帶極性的誤差電壓信號(hào)作為速度單元的輸入信號(hào)。圖6.18相位比較伺服系統(tǒng)的方框圖6.3.4幅值比較伺服系統(tǒng)(1)幅值比較伺服系統(tǒng)的組成圖6.19觸發(fā)器鑒相器圖6.20幅值伺服系統(tǒng)的組成框圖圖6.21測(cè)量元件及信號(hào)處理線路的框圖圖6.22解調(diào)器(鑒幅器)組成框圖圖6.23離散系統(tǒng)圖6.24離散系統(tǒng)PID控制(2)幅值比較伺服系統(tǒng)工作原理6.3.5數(shù)字伺服系統(tǒng)概述(1)數(shù)字伺服系統(tǒng)及其特點(diǎn)(2)高速、高精度伺服系統(tǒng)的發(fā)展圖6.25PID函數(shù)的采樣序列圖6.26數(shù)字PID軟件控制伺服系統(tǒng)方框圖圖6.27帶與不帶前饋控制的系統(tǒng)加工軌跡的比較圖6.28帶與不帶學(xué)習(xí)控制器的系統(tǒng)位置誤差的比較6.4直流伺服電機(jī)與調(diào)速系統(tǒng)1.直流電機(jī)與直流伺服電機(jī)有何區(qū)別?直流電動(dòng)機(jī)的物理模型圖定子：

主磁極（勵(lì)磁繞組主極鐵心）

換向極（繞組和鐵心）

機(jī)座

端蓋

電刷裝置轉(zhuǎn)子：

轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇

電樞繞組

電樞鐵心

換向器主磁極換向極電刷裝置電樞鐵心電樞繞組

換向器他勵(lì)直流電機(jī)

并勵(lì)直流電機(jī)

串勵(lì)直流電機(jī)

復(fù)勵(lì)直流電機(jī)

永磁直流伺服電機(jī)圖6.29永磁直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1)低轉(zhuǎn)速大慣量

2)轉(zhuǎn)矩大

3)起動(dòng)力矩大

4)調(diào)速泛圍大，低速運(yùn)行平穩(wěn)，力矩波動(dòng)小6.4.2直流伺服電機(jī)的特性(1)電機(jī)的靜態(tài)特性圖6.30定子磁極的結(jié)構(gòu)圖6.31直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性(2)直流伺服電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性(3)永磁直流伺服電機(jī)的特性曲線6.4.3直流伺服電機(jī)的調(diào)速控制(1)直流伺服電機(jī)的調(diào)速方法圖6.32永磁直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩速度特性曲線圖6.33永磁直流伺服電機(jī)的圖6.34晶閘管(可控硅)直流調(diào)速系統(tǒng)(2)直流速度控制單元1)晶閘管調(diào)速系統(tǒng)2)晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)以下介紹PWM調(diào)速系統(tǒng)的核心部分。①脈寬調(diào)制器②開(kāi)關(guān)功率放大器圖6.35三相全控橋無(wú)環(huán)流反并聯(lián)可逆電路圖6.36PWM調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成原理框圖圖6.37脈寬調(diào)制器圖6.38波形圖圖6.39H型開(kāi)關(guān)功率放大器6.5交流伺服電機(jī)與主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)6.5.1交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理nr=ns=60f/p圖6.40永磁式交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖6.41永磁式交流同步伺服圖6.42永磁交流同步伺服電機(jī)特性曲線6.5.2交流伺服電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)

在交流伺服系統(tǒng)中，按電機(jī)種類可分為同步型和異步型（感應(yīng)電機(jī)）兩種。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中多采用永磁式同步電機(jī)，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由供電頻率所決定的，即在電源電壓和頻率固定不變時(shí)，它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變的。由變頻電源供電給同步電機(jī)時(shí)，能方便地獲得與頻率成正比的可變速度，可以得到非常硬的機(jī)械特性及寬的調(diào)速范圍。交流主軸電機(jī)多采用交流異步電機(jī)，很少采用永磁同步電機(jī)，主要因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)的容量做得不夠大，且電機(jī)成本較高。另外主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不象進(jìn)給系統(tǒng)那樣要求很高的性能，調(diào)速范圍也不要太大。因此，采用異步電機(jī)完全可以滿足數(shù)控機(jī)床主軸的要求，籠型異步電機(jī)多用在主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。

一、數(shù)控機(jī)床用交流電機(jī)

據(jù)電機(jī)學(xué)知，交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：

二、交流電機(jī)的速度控制

(一)交流電機(jī)的調(diào)速

式中f1—定子電源頻率（Hz）；

p—磁極對(duì)數(shù)；

s—轉(zhuǎn)差率。由上式可知異步電機(jī)的調(diào)速方法，可以有變轉(zhuǎn)差率、變極對(duì)數(shù)及變頻三種?？扛淖冝D(zhuǎn)差率對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速時(shí)，低速時(shí)轉(zhuǎn)差率大，轉(zhuǎn)差損耗功率也大，效率低。變極調(diào)速只能產(chǎn)生二種或三種轉(zhuǎn)速，不可能做成無(wú)級(jí)調(diào)速，應(yīng)用范圍較窄。變頻調(diào)速是從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，故它具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能，可以認(rèn)為是一種理想的調(diào)速方法。

（r/min）由上述分析可知改變頻率f1，可平滑調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速。但在實(shí)際調(diào)速時(shí)，只改變頻率是不夠的，現(xiàn)在來(lái)看一下變頻時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性的變化情況，由電機(jī)學(xué)知：式中:E1—感應(yīng)電勢(shì)；

Kr1—基波繞組系數(shù)；

N1—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；

Φm—每極氣隙磁通量。當(dāng)略去定子阻抗壓降時(shí)，定子相電壓U1為:式中:KE—電勢(shì)系數(shù)，KE＝4.44Kr1N1。由上式可見(jiàn)，定子電壓不變時(shí)，隨f1的上升，氣隙磁通Φm將減小。又從轉(zhuǎn)矩公式:式中：CT—轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

I2—折算到定子上的轉(zhuǎn)子電流；

cos—轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)。可以看出，Φm減小導(dǎo)致電機(jī)允許輸出轉(zhuǎn)矩T下降，則電機(jī)利用率下降，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩也將降低，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過(guò)最大轉(zhuǎn)矩，電機(jī)就帶不動(dòng)了，即所謂堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。又當(dāng)電壓U1不變，減小f1時(shí)，Φm上升會(huì)造成磁路飽合，激磁電流會(huì)上升，鐵心過(guò)熱，功率因數(shù)下降，電機(jī)帶負(fù)載能力降低。故在調(diào)頻調(diào)速中，要求在變頻的同時(shí)改變定子電壓U1，以維持Φm接近不變，由U1，f1不同的相互關(guān)系,而得出不同的變頻調(diào)速方式、不同的調(diào)速機(jī)械特性。1.恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速

由轉(zhuǎn)子電流與主磁通作用而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩公式可知，T與φm、I2成正比。要保持T不變，即要求U1/f1為常數(shù)，可以近似地維持m恒定。此時(shí)的機(jī)械特性曲線族如右圖所示。

恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性曲線

由圖可見(jiàn)，保持U1/f1為常數(shù)進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，這些特性曲線的線性段基本平行，類似直流電機(jī)的調(diào)壓特性。但最大轉(zhuǎn)矩Tm隨著f1下降而減小。這是因?yàn)閒1高時(shí)，E1數(shù)值較大，此時(shí)定子漏阻抗壓降在U1中所占比例較小，可以認(rèn)為U1近似于定子繞組中感應(yīng)電勢(shì)E1。而當(dāng)f1相對(duì)很較低時(shí)，E1數(shù)值變小，U1值也變小，此時(shí)定子漏阻抗壓降在U1中所占比例增大，E1與U1相差很大，所以φm減小，從而使Tm下降。

2.

恒最大轉(zhuǎn)矩（Tm）調(diào)速

為了在低速時(shí)保持最大轉(zhuǎn)矩Tm不變，就必須采取E1/f1=常數(shù)的協(xié)調(diào)控制，顯然，這是一種理想的保持磁通恒定的控制方法。恒Tm調(diào)速的機(jī)械特性見(jiàn)圖所示，對(duì)應(yīng)于同一轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速降基本不變，即直線部分斜率不變，機(jī)械特性平行地移動(dòng)。

n

Tf4

f1

f1>f2>f3>f4

f2

f3

恒Tm調(diào)速特性曲線3.恒功率調(diào)速

為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，可以在額定頻率以上進(jìn)行調(diào)速。因電機(jī)繞組是按額定電壓等級(jí)設(shè)計(jì)的，超過(guò)額定電壓運(yùn)行將受到繞組絕緣強(qiáng)度的限制，因此定子電壓不可能與頻率成正比地提高。若頻率上升，額定電壓不變，那么氣隙磁通φm將隨著f1的升高而降低。這時(shí)，相當(dāng)于額定電流時(shí)的轉(zhuǎn)矩也減小，特性變軟。如右圖所示，隨著頻率增加，轉(zhuǎn)矩減少，而轉(zhuǎn)速增加，可得近似恒功率的調(diào)速特性。