Clicktoaddyourtext第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)§7-2步進(jìn)電機及驅(qū)動控制系統(tǒng)§7-1概述§7-3直流伺服系統(tǒng)§7-4交流伺服系統(tǒng)第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)一、

伺服系統(tǒng)的組成

數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)按其功能可分為：進(jìn)給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)。主軸伺服系統(tǒng)用于控制機床主軸的轉(zhuǎn)動。進(jìn)給伺服系統(tǒng)是以機床移動部件（如工作臺）的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)，通常由伺服驅(qū)動裝置、伺服電機、機械傳動機構(gòu)及執(zhí)行部件組成。第一節(jié)

概述第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)數(shù)控機床閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖7-1所示，這是一個雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)。速度環(huán)由速度控制單元、速度檢測裝置等構(gòu)成。速度控制單元是一個獨立的單元部件，它是用來控制電機轉(zhuǎn)速的，是速度控制系統(tǒng)的核心。速度檢測裝置有測速發(fā)電機、脈沖編碼器等。位置環(huán)是由CNC裝置中的位置控制模塊、速度控制單元、位置檢測及反饋控制等部分組成。由速度檢測裝置提供速度反饋值的速度環(huán)控制在進(jìn)給驅(qū)動裝置內(nèi)完成，而裝在電動機軸上或機床工作臺上的位置反饋裝置提供位置反饋值構(gòu)成的位置環(huán)由數(shù)控裝置來完成。伺服系統(tǒng)從外部來看，是一個以位置指令輸入和位置控制為輸出的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。但從內(nèi)部的實際工作來看，它是先把位置控制指令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度信號后，通過調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動伺服電機，才實現(xiàn)實際位移的。第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)位置控制模塊速度控制單元伺服電機工作臺

位置檢測測量反饋

速度環(huán)

速度檢測

位置環(huán)

圖7-1閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

指令伺服驅(qū)動裝置第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)二、

對伺服系統(tǒng)的基本要求1.位移精度高伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。伺服系統(tǒng)的位移精度是指指令脈沖要求機床工作臺進(jìn)給的位移量和該指令脈沖經(jīng)伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為工作臺實際位移量之間的符合程度。兩者誤差愈小，位移精度愈高。2.

穩(wěn)定性好穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在給定外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)的能力。要求伺服系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力，保證進(jìn)給速度均勻、平穩(wěn)。穩(wěn)定性直接影響數(shù)控加工精度和表面粗糙度。第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)5.低速大扭矩要求伺服系統(tǒng)有足夠的輸出扭矩或驅(qū)動功率。機床加工的特點是，在低速時進(jìn)行重切削。因此，伺服系統(tǒng)在低速時要求有大的轉(zhuǎn)矩輸出。三、伺服系統(tǒng)的分類數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)按其控制原理和有無位置反饋裝置分為開環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)；按其用途和功能分為進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)和主軸驅(qū)動系統(tǒng)；按其驅(qū)動執(zhí)行元件的動作原理分為電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)和電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)。電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)又分為直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)、交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)及直線電動機伺服系統(tǒng)。第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)1.進(jìn)給驅(qū)動與主軸驅(qū)動進(jìn)給伺服系統(tǒng)包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)，用于數(shù)控機床工作臺或刀架坐標(biāo)的控制系統(tǒng)，控制機床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運動，并提供切削過程所需轉(zhuǎn)矩。主軸伺服系統(tǒng)只是一個速度控制系統(tǒng)，控制機床主軸的旋轉(zhuǎn)運動，為機床主軸提供驅(qū)動功率和所需的切削力，且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。2.直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)與直線電動機伺服系統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)就是控制直流電機的系統(tǒng)。目前使用比較多的是永磁式直流伺服電機。永磁直流伺服電機（也稱為大慣量寬調(diào)速直流伺服電機），調(diào)速范圍寬，輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強，而且電機轉(zhuǎn)動慣量較大，應(yīng)用較方便。第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)

但直流電機有電刷，限制了轉(zhuǎn)速的提高，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格也高。進(jìn)入80年代后，由于交流電機調(diào)速技術(shù)的突破，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)入電氣傳動調(diào)速控制的各個領(lǐng)域。交流伺服電機，轉(zhuǎn)子慣量比直流電機小，動態(tài)響應(yīng)好。而且容易維修，制造簡單，適合于在較惡劣環(huán)境中使用，易于向大容量、高速度方向發(fā)展，其性能更加優(yōu)異，已達(dá)到或超過直流伺服系統(tǒng)，交流伺服電機已在數(shù)控機床中得到廣泛應(yīng)用。第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)四、常用驅(qū)動元件驅(qū)動元件是伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對系統(tǒng)的特性有極大的影響，它的發(fā)展和進(jìn)步是推動數(shù)控機床發(fā)展的重要因素。驅(qū)動元件的發(fā)展大致分為以下幾個階段：

50年代，采用步進(jìn)電機。目前只應(yīng)用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。

60～70年代，采用步進(jìn)電機和電液伺服電機?，F(xiàn)已基本不用。

70～80年代，采用直流伺服電機，在我國廣泛使用。

80年代以后，采用交流伺服電機，是比較理想的驅(qū)動元件。第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)一、步進(jìn)電機的分類１按其運動方式分：有旋轉(zhuǎn)式、直線運動式、平面運動式和滾切運動式。２按其勵磁相數(shù)可分為三相、四相、五相、六相甚至八相步進(jìn)電機等；３按使用場合分：有功率步進(jìn)電機和控制步進(jìn)電機；４按其工作原理分：有磁電式、反應(yīng)式（磁阻式）、永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機等；５按使用頻率分：有高頻步進(jìn)電機和低頻步進(jìn)電機；６按結(jié)構(gòu)分：有單段式（徑向式）、多段式（軸向式）等。第二節(jié)

步進(jìn)電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)二、步進(jìn)電機工作原理步進(jìn)電機伺服系統(tǒng)是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，步進(jìn)電機受驅(qū)動線路控制，將進(jìn)給脈沖序列轉(zhuǎn)換成為具有一定方向、大小和速度的機械轉(zhuǎn)角位移，并通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。進(jìn)給脈沖的頻率代表了驅(qū)動速度，脈沖的數(shù)量代表了位移量，而運動方向是由步進(jìn)電機的各相通電順序來決定，并且保持電機各相通電狀態(tài)就能使電機自鎖。但由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測環(huán)節(jié)，其精度主要由步進(jìn)電機來決定，速度也受到步進(jìn)電機性能的限制。第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)圖7-4三相反應(yīng)式步進(jìn)電機結(jié)構(gòu)第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)為進(jìn)一步了解步進(jìn)電機的工作原理，以圖7-5為例來說明其轉(zhuǎn)動的整個過程，假設(shè)轉(zhuǎn)子上有四個齒，相鄰兩齒間夾角（齒距角）為900。當(dāng)A相通電時，轉(zhuǎn)子1、3齒被磁極A產(chǎn)生的電磁引力吸引過去，使1、3齒與A相磁極對齊。接著B相通電，A相斷電，磁極B又把距它最近的一對齒2、4吸引過來，使轉(zhuǎn)子按逆時針方向轉(zhuǎn)動30o。然后C相通電，B相斷電，轉(zhuǎn)子又逆時針旋轉(zhuǎn)30o，依次類推，定子按A→B→C→A順序通電，轉(zhuǎn)子就一步步地按逆時針方向轉(zhuǎn)動，每步轉(zhuǎn)30o。若改變通電順序，按A→C→B→A使定子繞組通電，步進(jìn)電機就按順時針方向轉(zhuǎn)動，同樣每步轉(zhuǎn)30o。這種控制方式叫三相單三拍方式，“單”是指每次只有一相繞組通電，“三拍”是指每三次換接為一個循環(huán)。由于每次只有一相繞組通電，在切換瞬間將失去自鎖轉(zhuǎn)矩，容易失步，另外，只有一相繞組通電，易在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，穩(wěn)定性不佳，故實際應(yīng)用中不采用單三拍工作方式。第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)采用三相雙三拍控制方式，即通電順序按AB→BC→CA→AB（逆時針方向）或AC→CB→BA→AC（順時針方向）進(jìn)行，其步距角仍為300。由于雙三拍控制每次有二相繞組通電，而且切換時總保持一相繞組通電，所以工作比較穩(wěn)定。如果按A→AB→B→BC→C→CA→A順序通電，即首先A相通電，然后A相不斷電，B相再通電，即A、B兩相同時通電，接著A相斷電而B相保持通電狀態(tài)，然后再使B、C兩相通電，依次類推，每切換一次，步進(jìn)電機逆時針轉(zhuǎn)過15°。如通電順序改為A→AC→C→CB→B→BA→A，則步進(jìn)電機以步距角15°順時針旋轉(zhuǎn)。這種控制方式為三相六拍，它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且轉(zhuǎn)換過程中始終保證有一個繞組通電，工作穩(wěn)定，因此這種方式被大量采用。實際應(yīng)用的步進(jìn)電機如圖7-4所示，轉(zhuǎn)子鐵心和定子磁極上均有齒距相等的小齒，且齒數(shù)要有一定比例的配合。第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)三、步進(jìn)電機的主要性能指標(biāo)1.

步距角和步距誤差步距角和步進(jìn)電機的相數(shù)、通電方式及電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)的關(guān)系如下：

(7-1)

式中—步進(jìn)電機的步距角；m—電機相數(shù)；

Z—轉(zhuǎn)子齒數(shù)；K—系數(shù)，相鄰兩次通電相數(shù)相同，K＝1；相鄰兩次通電相數(shù)不同，K＝2。第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)同一相數(shù)的步進(jìn)電機可有兩種步距角，通常為1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。步距誤差是指步進(jìn)電機運行時，轉(zhuǎn)子每一步實際轉(zhuǎn)過的角度與理論步距角之差值。連續(xù)走若干步時，上述步距誤差的累積值稱為步距的累積誤差。由于步進(jìn)電機轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)后，將重復(fù)上一轉(zhuǎn)的穩(wěn)定位置，即步進(jìn)電機的步距累積誤差將以一轉(zhuǎn)為周期重復(fù)出現(xiàn)。第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)2.靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性當(dāng)步進(jìn)電機上某相定子繞組通電之后，轉(zhuǎn)子齒將力求與定子齒對齊，使磁路中的磁阻最小，轉(zhuǎn)子處在平衡位置不動（θ＝0）。如果在電機軸上外加一個負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mz，轉(zhuǎn)子會偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過一個角度θ，角度θ稱為失調(diào)角。有失調(diào)角之后，步進(jìn)電機就產(chǎn)生一個靜態(tài)轉(zhuǎn)矩（也稱為電磁轉(zhuǎn)矩），這時靜態(tài)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角θ的關(guān)系叫矩角特性，如圖7-6所示，近似為正弦曲線。該矩角特性上的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，當(dāng)外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩除去時，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點位置（θ＝0）。第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)3.最大啟動轉(zhuǎn)矩圖7-7為三相單三拍矩角特性曲線，圖中的A、B分別是相鄰A相和B相的靜態(tài)矩角特性曲線，它們的交點所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩是步進(jìn)電機的最大啟動轉(zhuǎn)矩。如果外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于，電機就不能啟動。如圖7-7所示,當(dāng)A相通電時，若外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩，對應(yīng)的失調(diào)角為，當(dāng)勵磁電流由A相切換到B相時，對應(yīng)角，B相的靜轉(zhuǎn)矩為。從圖中看出,電機不能帶動負(fù)載做步進(jìn)運動，因而啟動轉(zhuǎn)矩是電機能帶動負(fù)載轉(zhuǎn)動的極限轉(zhuǎn)矩。第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)a

bABC圖7-7步進(jìn)電機的啟動轉(zhuǎn)矩第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)四、步進(jìn)電機功率驅(qū)動

步進(jìn)電機驅(qū)動線路完成由弱電到強電的轉(zhuǎn)換和放大，也就是將邏輯電平信號變換成電機繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號。驅(qū)動控制電路由環(huán)形分配器和功率放大器組成。環(huán)形分配器是用于控制步進(jìn)電機的通電方式的，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按照一定的順序和分配方式加到功率放大器上，控制各相繞組的通電、斷電。環(huán)形分配器功能可由硬件或軟件產(chǎn)生，硬件環(huán)形分配器是根據(jù)步進(jìn)電機的相數(shù)和控制方式設(shè)計的，數(shù)控機床上常用三相、四相、五相及六相步進(jìn)電機。第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)由于數(shù)控機床的自身特點，如位移精度高、調(diào)速范圍廣、承載能力強、運動穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等，對伺服電機的要求較高，特別是要具有較大的轉(zhuǎn)矩——慣量比。直流伺服電機具有較好的調(diào)速特性，尤其是直流電機具有較硬的機械特性，因此直流電機在數(shù)控機床中使用較廣泛。然而一般的直流電機因其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量較大，其輸出轉(zhuǎn)矩相對小，動態(tài)特性不好，不能滿足機械加工的要求，特別是在低速運轉(zhuǎn)條件下更是如此。因此，直流電機必須改進(jìn)結(jié)構(gòu)提高其特性，才能用于數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)。

第三節(jié)直流伺服系統(tǒng)第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)1．小慣量直流伺服電機為使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量盡可能的小，這種電機一般都做成細(xì)長形，轉(zhuǎn)子光滑無槽。其特點是轉(zhuǎn)動慣量比一般直流電機小一個數(shù)量級，機械時間常數(shù)小，加減速能力強，響應(yīng)快，動態(tài)特性好。再加上其氣隙尺寸大，采用高磁能永久磁鐵，勵磁繞組在鐵心表面，因而繞組自磁小，電樞電流可增大。所以其瞬時峰值轉(zhuǎn)矩可為額定轉(zhuǎn)矩的十倍以上，調(diào)速范圍寬，低速運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)

2調(diào)速直流電機小慣量直流電機是從減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量來改善電機動態(tài)特性的，然而正是因其慣量小，熱容量也小，過載時間不能過長。其另一特點是轉(zhuǎn)速高，慣量小，而機床的慣量大，兩者之間必須使用齒輪減速才能很好地匹配。這在客觀上就需要一種大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速的電機。

第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)調(diào)速直流伺服電機是在維持一般直流電機轉(zhuǎn)動慣量不變的前提下，通過提高轉(zhuǎn)矩來改善其特性，電機定于采用矯頑力強的永磁材料。這種材料可使電機電流過載10倍而不會去磁，因而提高了電機的瞬時加速力矩，改善了動態(tài)響應(yīng)，因此調(diào)速直流伺服電機具有以下特性：（1）動態(tài)響應(yīng)好（2）過載能力強（3）轉(zhuǎn)矩大（4）調(diào)速范圍寬調(diào)速范圍可達(dá)0.1～2000r/min。（5）可直接接有高精度檢測元件第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)3．直流伺服電機的調(diào)速對于直流電機的調(diào)速，在理論上有三種方法：①改變電樞回路電阻；②改變氣隙磁通量；③改變外加電壓。用于數(shù)控機床的電機要求既能正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，又能快速制動。因此數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)一般都是可逆系統(tǒng)，但前兩種方法不能滿足數(shù)控機床的要求。因此，主要采用調(diào)整電樞電壓的方法來調(diào)節(jié)直流伺服電機的轉(zhuǎn)速，它的供電系統(tǒng)能靈活地控制直流電壓的大小和方向。目前主要用晶閘管控制方式（SCR——M）和脈寬調(diào)制方式（PWM——M）來提供可調(diào)的直流電源。第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)（１）晶閘管控制方式，用SCR三相全控橋式整流，通過改變觸發(fā)角來改變電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)直流伺服電機的目的，此方法以前應(yīng)用較廣。缺點是其電樞電流脈動頻率低，波形差，使電機的工作情況惡化，從而限制了調(diào)速范圍的進(jìn)一步擴大。第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)．．．M．KUaτ１Tτ2TUt（２）近年來，晶體管脈寬調(diào)制方式在世界上得到了廣泛應(yīng)用，并且逐步取代晶閘管控制方式。第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)如圖所示開關(guān)K周期性的開關(guān),周期為T,接通時間為τ,外加電源電壓U為常數(shù)，則加到電樞上的波形是一個高為U，寬為τ，周期為T的方波。則它的平均值為：Ua=∫Udt/T=τU/T=δTU其中δT＝τ/T0T由上式可知：當(dāng)T不變時，只要連續(xù)地改變τ（0～T）就可使電樞電壓平均值連續(xù)地由0～U變化，從而改變電機的轉(zhuǎn)速。實際上的PWM系統(tǒng)用大功率M極管代替開關(guān)K，其開關(guān)頻率是2000Hz，T＝l／2000s＝0.5ms。圖中二極管為續(xù)流二極管，當(dāng)K斷開時，由于電樞電感的存在，電機電樞電流Ia可通過它形成回路而繼續(xù)流通。第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)直流電機的優(yōu)點：晶體管脈寬調(diào)制系統(tǒng)，因晶體管的開關(guān)頻率很高，其輸出電流接近于純直流，使電機調(diào)速平穩(wěn)。另一方面，轉(zhuǎn)子也跟不上如此高的頻率變化，避開了機械諧振，使機械工作平穩(wěn)。這種方式還具有優(yōu)良的動態(tài)硬度，電機既能驅(qū)動負(fù)載，也能制動負(fù)載，因而響應(yīng)很快。與晶閘管比較，在相同的輸出轉(zhuǎn)矩下（即平均電流相同）運行效率高，發(fā)熱小，低速下限更小，調(diào)速范圍更寬。直流電機的缺點：它的電刷和換向器易磨損，換向時產(chǎn)生火花，使電機的最高轉(zhuǎn)速受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受限制，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)在交流伺服系統(tǒng)中，按電機種類可分為同步型和異步型（感應(yīng)電機）兩種。數(shù)控機床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中多采用永磁式同步電機，同步電機的轉(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，它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變的。由變頻電源供電給同步電機時，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械特性及寬的調(diào)速范圍。第四節(jié)

交流伺服系統(tǒng)第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)１.交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)點：交流異步電機結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，無直流伺服電機的缺點，而且轉(zhuǎn)子慣量較直流電機的小，這意味著動態(tài)響應(yīng)更好