1、2020/7/30,1,第六章 數控伺服系統(tǒng),6.1 概述 6.1.1 伺服系統(tǒng)的概念 伺服系統(tǒng)是指以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。數控機床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動系統(tǒng), 簡稱為伺服系統(tǒng)。 常見的伺服系統(tǒng)有開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)之分，直流與交流伺服系統(tǒng)之分，進給伺服與主軸驅動系統(tǒng)之分，電液伺服與電氣伺服系統(tǒng)之分。 伺服系統(tǒng)是一種執(zhí)行機構，它接受來自數控裝置的進給指令信號，經變換、調節(jié)和放大后驅動執(zhí)行件，轉化為直線或旋轉運動。,2020/7/30,2,伺服驅動系統(tǒng),（1）進給驅動 控制機床各坐標軸的切削進給運動，是一種精密的位置跟蹤與定位系統(tǒng)，它包括速度控制，也是一般概念的伺服驅動系統(tǒng)。 （2

2、）主軸驅動 控制機床主軸的旋轉運動和切削過程中的轉矩和功率，一般以速度控制為主。對C坐標功能的主軸驅動也需要位置控制。 （3）輔助驅動 在各類加工中心或多功能數控機床中，控制刀庫、料庫等輔助系統(tǒng)，多采用簡易的位置控制。,2020/7/30,3,伺服系統(tǒng)的組成,組成：伺服電機 驅動信號控制轉換電路 電子電力驅動放大模塊 位置調節(jié)單元 速度調節(jié)單元 電流調節(jié)單元 檢測裝置 一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結構：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。,2020/7/30,4,6.1.1 伺服系統(tǒng)的組成,位置、速度和電流環(huán)均由調節(jié)控制模塊、檢測和反饋部分組成。電力電子驅動裝置由驅動信號產生電路和功率放大器組成。 嚴格來說： 位置

3、控制包括位置、速度和電流控制； 速度控制包括速度和電流控制。,2020/7/30,5,(1)精度高 伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復現輸入量的精確程度。包括定位精度和輪廓加工精度。 (2)穩(wěn)定性好 穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調節(jié)過程后，達到新的或者恢復到原來的平衡狀態(tài)。直接影響數控加工的精度和表面粗糙度。 (3)快速響應 快速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質的重要指標，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。 (4)調速范圍寬 調速范圍是指生產機械要求電機能提供的最高轉速和最低轉速之比。030m/min。 (5)低速大轉矩 進給坐標的伺服控制屬于恒轉矩控制，在整個速度范圍內都要保持這個轉矩；主軸坐標

4、的伺服控制在低速時為恒轉矩控制，能提供較大轉矩。在高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。,6.1.2 數控機床對伺服系統(tǒng)的要求,2020/7/30,6,伺服驅動電機是伺服系統(tǒng)的重要驅動元件。為滿足上述要求，對伺服電動機的要求應該是： 從最低速到最高速電機都要平穩(wěn)運轉，轉距波動要小，尤其是在低速如0.1r/min或更低轉速時，仍有穩(wěn)定的速度而無爬行現象。 電機應具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般直流伺服電機要求在數分鐘內過載4-6倍而不損壞。 為了滿足快速響應的要求，電機應該有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩，并且有盡可能小的時間常數和啟動電壓。電機應具有耐受4000rad

5、/s2以上角加速度的能力，才能保證電機在0.2s以內從靜止到額定轉速。 電機應能承受頻繁啟動、制動和反轉。,6.1.2 數控機床對伺服系統(tǒng)的要求(續(xù)),2020/7/30,7,6.2 步進電動機伺服系統(tǒng),開環(huán)位置伺服系統(tǒng)也叫步進式伺服系統(tǒng)，其驅動元件為步進電機。 功率步進電機控制系統(tǒng)的結構最簡單，控制最容易，維修最方便，控制為全數字化，這完全符合數字化控制技術的要求，控制系統(tǒng)與步進電機的驅動控制電路結為一體。 隨著計算機技術的發(fā)展，除功率驅動電路之外，其它硬件電路均可由軟件實現，從而簡化了系統(tǒng)結構，降低成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。 而步進電機的功耗太多，速度也不高。 目前的步進電機在脈沖當量為1

6、微米時，最高移動僅僅為2m/min，且功率越大，移動速度越低，故主要用于速度與精度要求不高的經濟型數控機床及舊設備改造中。,2020/7/30,8,6.2.1 步進電機的工作原理及類型,步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相應的機械角位移或直線位移的控制電機。步進電機又稱脈沖電動機或電脈沖馬達。 其角位移量與電脈沖數成正比，其轉速與電脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率就可以調節(jié)電動機的轉速。 最大缺點是容易失步，特別是在大負載和速度較高的情況下，失步更容易發(fā)生。 但是近年來發(fā)展起來的恒流斬波驅動、PWM驅動、微步驅動、超微步驅動及其他們的綜合運用，使得步進電機的驅動能力有很大提高 主要用于數控機床的

7、開環(huán)伺服系統(tǒng)。,2020/7/30,9,（1）步進電機的分類,按運動方式分：有旋轉式、直線運動式、平面運動式和滾動運動式。 按工作原理分：有反應式（磁阻式）、電磁式、永磁式、永磁感應式（混合式）。 按使用場合分：有功率步進電機和控制步進電機。 按電機結構分：有單段式（徑向式）、多段式（軸向式）、印刷繞組式。 按工作相數分：有三相、四相、五相等。 按使用頻率分：有高頻步進電機和低頻步進電機。 數控機床中使用較多的是反應式步進電機和永磁感應式步進電機,2020/7/30,10,2020/7/30,11,（2）步進電機的結構與工作原理,步進電機又稱脈沖電機，每接受一個脈沖信號轉子轉過一個角度，稱為步

8、距角。 脈沖數目：位移大??；脈沖頻率：速度大?。煌婍樞颍悍较蚩刂?。 步進電機的結構：（單段式三相反應式步進電機結構）： 工作原理：電磁吸合 轉子：開槽形成齒 定子：有磁極 以三相單三拍為例說明工作原理： 第一拍：A相勵磁繞組通電，B、C勵磁繞組斷電。A相定子繞組的磁力線為保持磁阻最小，給轉子施加力矩，使相鄰轉子齒與之對齊。 第二拍：B相勵磁繞組通電，C、A勵磁繞組斷電。 第三拍：C相勵磁繞組通電，A、B勵磁繞組斷電。 如通電順序：A、B、C逆時針旋轉；如通電順序相反，則順時針旋轉 通電順序也可以A-AB-B-BC-C-CA,2020/7/30,12,2020/7/30,13,2020/7/3

9、0,14,同一臺步進電機，因通電方式的不同，運行時的步距角也是不同的，采用單、雙拍通電方式時，步距角要比單拍通電方式減小一半。 實際使用中，單三拍通電方式由于在切換時一相繞組斷電，而另一相繞組開始通電容易造成失步。此外，由單一繞組通電吸引轉子，也容易使轉子在平衡位置附近產生振蕩，運行的穩(wěn)定性差，所以很少采用。通常將它改成“雙三拍通電方式”。 上述這種簡單結構的反應式步進電機的步距角較大，如在數控機床中應用就會影響到加工工件的精度。實際中采用的是小步距角的步進電機。,2020/7/30,15,6.2.2 步進電機的主要特性,（1）步距角和靜態(tài)步距角（誤差） 步距角計算公式：,式中：m定子磁極項數

10、 z轉子齒數 k通電方式相鄰兩次通電項數相同取k=1；否則k=2。 當步進電機空載且以單脈沖輸入時，其實際步距角與理論步距角之差稱為靜態(tài)步距角誤差，它隨步進電機制造精度而變化。一般在10-30 的范圍內。,2020/7/30,16,圖所示為步進電動機的展開圖。其中定子有6個極，轉子有40個齒。當A極下的定、轉子齒對齊時，B極和C極下的齒就分別和轉子齒相錯三分之一的轉子齒距。 反應式步進電動機的轉子齒數Zr，基本上由步距角的要求所決定。但是為了能實現上述“自動錯位”，轉子的齒數就必須滿足一定條件，而不能為任意數值。當定子的相鄰極屬于不同的相時，在某一極下若定子和轉子的齒對齊時，則要求在相鄰極下的

11、定子和轉子之間應錯開轉子齒距的1/m。,2020/7/30,17,（2）靜態(tài)轉矩與矩角特性,當步進電機不改變通電狀態(tài)，轉子處于不動狀態(tài)，如果在電機軸上外加一個負載轉矩，使轉子按一定的方向轉過一個角度，此時轉子所受的電磁轉矩，稱為靜態(tài)轉矩，角度稱為失調角。描述靜態(tài)轉矩與的關系叫作步進電機的靜態(tài)矩角特性。,2020/7/30,18,各項的矩角特性差異不應該太大，否則會影響步距精度及引起低頻振蕩。可以通過調整相電流的方法，使電動機矩角特性大致相同。 兩個齒中心線之間的距離叫齒距，當轉子轉過一個齒距，矩角特性就變化一個周期，相當于2電角度。,2020/7/30,19,在定子、轉子齒槽對準時，定、轉子槽

12、中心線重合，失調角為=0，電磁轉矩T=0。 若轉子齒的中心線對準定子槽中心線，失調角=，這時相鄰兩定子齒對這轉子齒有同樣的拉力，但方向相反，故電磁轉矩T=0。 在失調角=/2（即1/4齒距處），轉矩最大，轉矩方向是使轉子位置趨向失調角為零。 當失調角小于-或大雨+時，該轉子齒已進入了另一個定子齒的拉力范圍，轉矩方向趨于使轉子齒與下一個齒對齊。當=2，轉子齒與另一個定子齒對齊，轉矩又為零。,2020/7/30,20,如上所述，在電磁轉矩的作用下，轉子有一定的穩(wěn)定平衡點。 如果步進電機空載，則穩(wěn)定在平衡點為=0，而=處為不穩(wěn)定平衡點。 穩(wěn)定平衡點只有一個。 在靜態(tài)情況下，如受外負載轉矩的作用，使轉

13、子偏離它的平衡點，但沒有超過相鄰的不穩(wěn)定平衡點，則當外轉矩除去后，轉子在電磁轉矩的作用下，仍能回到原來的平衡點。,2020/7/30,21,（3）最大靜態(tài)轉矩,步進電機矩角特性曲線上電磁轉矩的最大值稱為最大靜態(tài)轉矩。它與通電狀態(tài)及繞組內電流值有關。在一定的通電狀態(tài)下，最大靜轉矩與繞組內電流的關系，稱為最大靜轉矩特性。 當控制電流很小時，最大靜轉矩與電流的平方成正比地增大，當電流稍大時，受磁路飽和的影響，最大轉矩Tmax上升變緩，電流很大時曲線趨向飽和。,2020/7/30,22,（4）起動轉矩,下圖為三相步進電機的矩角特性曲線，則A相和B相的矩角特性交點的縱坐標值為起動轉矩。它表示步進電機單相

14、激勵時所能帶動的極限負載轉矩。,2020/7/30,23,（5）連續(xù)運行狀態(tài)時的動特性_工作頻率,步進電機的工作頻率是指電動機按指令的要求進行正常工作的最大脈沖頻率。 所謂正常工作就是指步進電機不失步地工作，即一個脈沖移動一個步距角。所謂失步的內容包括：丟步和越步。 步進電動機的工作頻率，通常分為啟動頻率、制動頻率及連續(xù)工作頻率。對于同樣負載轉矩來說，正、反向起動頻率和制動頻率都是一樣的，而連續(xù)工作頻率要高得多。 一般步進電動機的技術參數中只給出起動頻率和連續(xù)工作頻率。,2020/7/30,24,起動頻率 空載時，步進電機由靜止狀態(tài)突然啟動，并進入不丟步的正常運行的最高頻率，稱為空載起動頻率。

15、 加給步進電機的指令脈沖頻率如果大于起動頻率，就不能正常工作。步進電機加負載時啟動頻率比空載要低。而且隨著負載加大，起動頻率會進一步降低。 起動頻率的大小由許多因素決定，繞組時間常數越小，負載轉矩和轉動慣量越小、步距角越小，則起動頻率越高。,2020/7/30,25,連續(xù)運行頻率 步進電機啟動后，其運行速度能跟蹤指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高頻率，稱為連續(xù)運行頻率。其值遠大于起動頻率，它也隨著電動機所帶負載得性質和大小而異，與驅動電源也有很大關系。 連續(xù)運行狀態(tài)時的動特性_矩頻特性 描述連續(xù)穩(wěn)定運行輸出轉矩與連續(xù)運行頻率之間的關系 運行矩頻特性是描述步進電動機在連續(xù)運行時，輸出轉矩與連續(xù)運

16、行頻率之間的關系，它是衡量步進電動機運轉時承載能力的動態(tài)指標。 下頁圖中每一頻率所對應的轉矩稱為動態(tài)轉矩。從圖中可以看出，隨著運行頻率的上升，輸出轉矩下降，承載能力下降。當運行頻率超過最高頻率是，步進電動機便無法工作。,2020/7/30,26,2020/7/30,27,對矩頻特性曲線進一步說明,因步進電動機的控制繞組中存在電感，相應地有一定的電氣時間常數，所以控制繞組中電流增長也有一個過程。 當脈沖頻率很高時控制繞組中的電流不能達到穩(wěn)定值,故電動機的最大動態(tài)轉矩小于最大靜轉矩。 而且脈沖頻率越高，最大動態(tài)轉矩也就越小，在步進電動機運行時，對應于某一頻率，只有當負載轉矩小于它在該頻率的最大動態(tài)

17、轉矩，電動機才能夠正常運轉。,2020/7/30,28,2020/7/30,29,2020/7/30,30,2020/7/30,31,2020/7/30,32,2020/7/30,33,2020/7/30,34,2020/7/30,35,2020/7/30,36,6.2.4 步進電機的控制方法,由步進電機的工作原理知道，要使步進電機正常一步一步地運行，控制脈沖必須按一定的順序分別供給電動機各項脈沖分配。實現脈沖分配可以采用如下兩種形式：一種是硬件脈沖分配（或稱脈沖分配器），另一種是軟件脈沖分配器，是由計算機的軟件完成的。 硬件環(huán)行分配器 目前已經有很多可靠性高、尺寸小、使用方便的集成電路脈沖分

18、配器。 TTL脈沖分配器：YB013、YB014、YB015、YB016，均為18個管角的直插式封裝。 CMOS型：如CH250為16個管角的直插式封裝,2020/7/30,37,2020/7/30,38,2020/7/30,39,2020/7/30,40,2020/7/30,41,6.2.5 步進電機的驅動電源,2020/7/30,42,高低壓驅動電路,2020/7/30,43,斬波驅動電路,2020/7/30,44,三種驅動電路電流波形,三種驅動電路電流波形比較,2020/7/30,45,單電壓驅動電路的優(yōu)點是線路簡單，缺點是電流上升不夠快，高頻時帶負載能力低。 高低壓驅動電路的優(yōu)點是在較

19、寬的頻率范圍有較大的平均電流，能產生較大且穩(wěn)定的平均轉矩，其缺點是電流波頂有谷點。 斬波驅動電路雖然復雜，但它的優(yōu)點比較突出： （1）繞組的脈沖電流邊沿陡，快速響應好。 （2）功率小，效率高。因為電路無外接電阻Rc，而采樣電阻Re又很小（一般0.2左右），所以整個系統(tǒng)的功耗下降很多，相應地提高了效率。 （3）輸出轉矩恒定。由于采樣電阻Re的反饋作用，使繞組中電流可以恒定在額定電流數值左右，而且不隨步進電機的轉速而變化，從而保證在很大的頻率范圍內，步進電機都能輸出恒定的轉矩。,2020/7/30,46,（4）調頻調壓電路,在電源電壓一定時，步進電機繞組電流的上沖值是隨工作頻率的升高而降低的，使輸

20、出轉矩隨電機轉速的提高而下降。要保證步進時的輸出轉矩就需要提高供電電壓。 從上述的驅動電路來看，為了提高驅動系統(tǒng)的快速響應，采用提高供電電壓、加快電流上升的措施。但在低頻工作時，步進電機的振蕩加劇，甚至失步。 從原理上講，為了減小低頻振蕩，應使低速時繞組中的電流上升沿較平緩，這樣才能使轉子在到達新的穩(wěn)定平衡位置時不產生過沖。而在高速使則用使電流前沿陡，以產生足夠的繞組電流，才能提高步進電機的帶負載能力。這就要求驅動電源對繞組提供的電壓與電動機運行頻率建立直接關系，即低頻時用較低的電壓供電，高頻時用較高電壓供電。 電壓隨頻率可以由不同的方法實現，如分頻來調壓、隨電壓頻率線性地變化等。,2020/

21、7/30,47,（5）步進電動機細分的驅動原理,在前述步進電動機工作原理中，講到步距角由步進電動機的齒距角及繞組相數等電動機結構所決定。在實際應用中，為了提高進給運動的分辨率，要求對步距角進一步細分。在不改變步進電機結構的前提下，為了達到這一目的，將額定電流以階梯波的方式輸入。此時電流分成多個臺階，則轉子就以同樣的步數轉過一個步進電機的固定步距角。這樣將一個步距角細分成若干步的驅動方法稱為細分驅動。 獲得階梯電流一般有兩種方法： 一是先產生時序脈沖，放大后在電動機電樞內疊加，電樞繞組是它們的公共負載； 二是先在加法器內將時序脈沖疊加成階梯電壓，后進行放大，在電樞內獲得階梯電流波形。 細分驅動的

22、優(yōu)點是使步距角減小、運行平穩(wěn)，提高勻速性，并能減弱或消除振蕩。,2020/7/30,48,*提高步進式伺服驅動系統(tǒng)精度的措施,步進式伺服驅動系統(tǒng)是一個開環(huán)系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，步進電機的質量、機械傳動部分的結構和質量以及控制電路的完善與否，減小步距角，采用精密傳動副，減小傳動鏈中傳動間隙等。但這些因素往往由于結構和工藝的關系而受到一定的限制。為此，需要從控制方法上采取一些措施，彌補其不足。 1.細分線路 所謂細分線路，是把步進電機的一步再分得細一些。如十細分線路，將原來輸入一個進給脈沖步進電機走一步變?yōu)檩斎?0個脈沖才走一步。換句話說，采用十細分線路后，在進給速度不變的情況下，可使脈沖當量縮小到原

23、來的110。,2020/7/30,49,若無細分，定子繞組的電流是由零躍升到額定值的，相應的角位移如圖(a)所示。采用細分后，定子繞組的電流要經過若干小步的變化，才能達到額定值，相應的角位移如圖(b)所示。,2020/7/30,50,2.齒隙補償 齒隙補償又稱反向間隙補償。 機械傳動鏈在改變轉向時，由于齒隙的存在，會引起步進電機的空走，而無工作臺的實際移動。 在開環(huán)伺服系統(tǒng)中，這種齒隙誤差對于機床加工精度具有很大的影響，必須加以補償。 齒隙補償的原理是：先測出齒隙的大小，在加工過程中，每當檢測到工作臺的進給方向改變時，在改變后的方向增加進給脈沖指令，用以克服因步進電機的空走而造成的齒隙誤差。,

24、2020/7/30,51,3.螺距誤差補償 在步進式開環(huán)伺服驅動系統(tǒng)中，絲杠的螺距積累誤差直接影響著工作臺的位移精度，若想提高開環(huán)伺服驅動系統(tǒng)的精度，就必須予以補償。 補償原理: 通過對絲杠的螺距進行實測，得到絲杠全程的誤差分布曲線。 誤差有正有負，當誤差為正時，表明實際的移動距離大于理論的移動距離，應該采用扣除進給脈沖指令的方式進行誤差的補償，使步進電機少走一步； 當誤差為負時，表明實際的移動距離小于理論的移動距離，應該采取增加進給脈沖指令的方式進行誤差的補償，使步進電機多走一步。,2020/7/30,52,具體的做法是： (1)安置兩個補償桿分別負責正誤差和負誤差的補償； (2)在兩個補償

25、桿上，根據絲杠全程的誤差分布情況及如上所述螺距誤差的補償原理，設補償開關或擋塊； (3)當機床工作臺移動時，安裝在機床上的微動開關每與擋塊接觸一次，就發(fā)出一個誤差補償信號，對螺距誤差進行補償，以消除螺距的積累誤差。,2020/7/30,53,2020/7/30,54,*步進電機與微機的接口技術,2020/7/30,55,6.3 直流伺服電動機的調速原理,6.3.1 直流伺服電動機的結構和工作原理 直流伺服電動機的種類很多，但在機床系統(tǒng)中，目前使用最多的是永磁式的直流寬調速電動機。,2020/7/30,56,永磁直流伺服電動機的工作原理與普通他勵直流電動機的工作原理相同。只不過他勵直流電動機的定

26、子磁動勢由勵磁電流if產生，而永磁直流伺服電動機的定子磁動勢由永磁體產生。 圖所示為他勵直流電動機原理圖。,2020/7/30,57,根據他勵直流電動機的機械特性： 改變電樞電壓、勵磁電流或電樞回路電阻即可改變電機的轉速。調速方法：改變電樞供電電壓；改變勵磁磁通；改變電樞回路電阻調速。,2020/7/30,58,6.3.2 直流電動機的PWM調速原理,永磁式寬調速直流伺服電動機的磁場磁通是恒定的，只能按電壓控制方式調速，目前有兩種驅動方式，一種是晶閘管驅動(SCR)方式，另一種是晶體管脈寬調制方式（PWM）. 所謂脈寬調速，其原理是利用脈寬調制器對大功率晶體管開關時間進行控制，將直流電壓轉換成

27、某一頻率的方波電壓，加到直流電動機電樞兩端，通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞兩端的平均電壓，從而達到調節(jié)電動機轉速的目的。 脈寬調制速度控制單元的核心由兩部分構成：一是主回路，即脈寬調制式的開關放大器，二是脈寬調制器，這兩部分也是PWM控制方式的核心。,2020/7/30,59,1PWM系統(tǒng)功率轉換電路主回路 PWM系統(tǒng)功率轉換電路有多種方式，這里僅以H形 雙極可逆功率轉換電路為例說明其工作原理。如圖所示，它由四個大功率晶體管和四個續(xù)流二極管組成，四個大功率管分為兩組，VT1和VT4為一組，VT2和VT3為另一組。同一組中的兩個晶體管同時導通或同時關斷，兩組交替導通和關斷。把一組控制方波加到一組大功率晶體管的基極上，同時把反向后的該組方波加到另一組的基極上，就能達到上述目的。,2020/7/30,60,2.脈寬調制器,脈寬調制的任務是將連續(xù)控制信號變成方波脈沖信號，作為功率轉換電路的基極輸入信號，控制直流電動機的轉速和轉矩。方波脈沖信號可由脈寬調制器生成，也可由全數字軟件生成。 脈寬調制器是PWM控制方式的另一個核心部分。脈寬調制器由調制脈沖發(fā)生器和比較放大器組成。調制脈沖發(fā)生器有三角波發(fā)生器和鋸形波發(fā)生器。 （1）三角波發(fā)生器 （2）比較放大器,2020/7/30,61,6.4 交流伺服電動機調速系統(tǒng),6.4.1 交流伺服電動機 直流伺服電動機具有優(yōu)良的調速性能，但由于它的電