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1、第5章 数控伺服系统 第一节概述 第二节伺服电机及其调速 第三节位置检测装置 第四节典型进给伺服系统,5.1 概 述,伺服系统，即随动系统，是能够跟踪输入指令信号进行动作，从而获得精确位置、速度或力输出的自动控制系统。是数控装置(计算机)和机床的联系环节。数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元，执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强。,进给伺服系统（Feed Servo System）的定义及组成定义：以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。组成：位置控制单元；速度控制单
2、元；驱动元件(电机)；检测与反馈单元；机械执行部件。,5.1 概 述,5.1.1 进给伺服系统的技术要求,调速范围宽调速范围：最高进给速度与最低进给速度之比。普通机床：1mm/min-24m/min（24000）。高档：0-240m/min内连续可调；在调速范围内，速度均匀、稳定、低速无爬行。在零速时，伺服电机处于电磁锁住状态，以保持定位精度不变。位移精度高：输出的位移量有较高的精度。稳定性好：负载特性要硬，当负载发生变化时或承受外界干扰的情况下，输出速度不变，保持平稳均匀动态响应快：有高的灵敏性，达到最大稳态速度的时间要短。反映跟踪精度的高低，影响轮廓加工精度和表面加工质量。,1按调节理论分
3、类（1）开环伺服系统（2）闭环伺服系统（3）半闭环伺服系统,5.1.2 伺服系统的分类,5.1.2 伺服系统的分类,开环数控系统,故系统稳定性好。精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。以功率步进电机作为伺服驱动元件。结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉,5.1.2 伺服系统的分类,半闭环数控系统,环内不包括或只包括少量机械传动环节，稳定性：不如开环，比闭环好。,采样点：从驱动装置或丝杠引出端，采样信号：旋转角度；,精度较闭环差，较开环好。可进行误差补偿，获得满意的精度,结构简单、调试方便、精度也较高，在现代CNC机床中广泛应用。,5.1.2 伺服系统的分类,全闭环数
4、控系统,采样点：直接对运动部件的实际位置进行检测。,理论上可消除整个驱动和传动环节的误差。位置控制精度高。,机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，易造成系统不稳定，使其设计、安装和调试都相当困难,多用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及大型的数控机床等。,三环控制系统：,力环，电流反馈，取样电阻 速度环 速度反馈；测速发电机，光电编码器，旋转变压器等 位置环 位置反馈；光电编码器，旋转变压器，光栅等,5.1.2 伺服系统的分类,5.2 伺服电机及其调速,伺服电机：伺服驱动装置，指令执行的动力部分。进给伺服系统将给定速度指令经变换、放大，作为伺服电机的输入量，控制其在位移方向
5、上作一定速度的角位移或直线位移。常用的伺服电机：步进电机（开环，轻载、负荷变动不大）直流伺服电机（调速性能良好）交流伺服电机（主要使用的电机）直线电机（高速、高精度）,5.2.1 步进电机,流行于70年代现多用于小容量、低速、精度要不高的场合。如经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设备。,脉冲信号角位移。位移脉冲数量 速度脉冲频率 方向通电相序,组成：定子 有绕组，有齿，硅钢片叠成 转子 无绕组，有齿，硅钢片叠成,5.2.1 步进电机,分类：按产生力矩的原理分：反应式:大转矩输出，步进角一般为1.5度，噪声和振动大 永磁式:一般为两相，转矩和体积较小，步距角一般为7.5度 或15度；混合式
6、：兼有两者优点，现多为此。按输出力矩的大小分：伺服步进电动机 10Nm,一、步进电机的组成、分类、工作原理,5.2.1 步进电机,工作原理：电磁感应，异极相吸；（以三相反应式为例）通电方式：ABCA（单三拍）,思考：通电方式：AABBBCCCAA（三相六拍）ABBCCAAB（双三拍）电机细分原理,5.2.1 步进电机,1 步距角：,2 步距精度：直接影响执行部件的定位精度。单相通电时：取决于定子和转子的分齿精度、各相定子错位角度的精度；多相通电时：和加工装配精度、各相电流的大小、磁路性能等因素有关。步距精度是否累计？,3 最高启动频率fg和最高工作频率fmax 最高启动频率：由静止能够不失步启
7、动的最高频率。（1000Hz）最高工作频率fmax：连续运行时不丢步的最高运行频率（3000Hz）和驱动电流、负载、细分有关,二、主要特性及选用,4 输出的转矩频率特性 输入的频率增高，输出力矩要降低。应根据负载要求参照高频输出转矩来选用步进电机的规格。,5 保持转矩 通电状态下，定子锁住转子的转矩。,5.2.1 步进电机,步进电机的优缺点:优点:价格低廉，无积累误差。不足:低频振荡、噪声大、分辨率不高等。,5.2.1 步进电机,步进电机的选用一般步骤：1 根据系统要求的脉冲当量选择步距角2 按负载的阻力矩和惯量、传动系统效率求折算到电机轴上的负载转矩和负载惯量。3 确定电机的最大净转矩（折算
8、负载转矩的23倍）4 惯量匹配（电机转子惯量不小于折算的负载惯量）5 按速度要求确定电机所需运行频率。,5.2.1 步进电机,5.2.1 步进电机,三、步进电机的驱动电路,组成：,变频信号源：产生几Hz到几万HZ连续可调的脉冲信号,脉冲分配器（环行分配器）：按一定的顺序导通或截至功率放大器。（可软件，可硬件）,功率放大器：弱电（mA）强电（A），驱动电机。,5.2.1 步进电机,1.单电压功率放大电路,L：步进电机励磁绕组的电感Ra：绕组电阻并Rc：限流电阻，同时减少回路的时间常数L/(Ra+Rc)。C：加速电容，提高电动机的快速响应能力。VD：续流二极管，保护。,优点：线路简单缺点：效率低（
9、R0），电流上升不够快，高频时负载能力低，多用于小功率电机驱动,5.2.1 步进电机,2.高低压驱动,高压U1启动（力大、快）低压U2保持工作频率高时，纯高压供电。,优点：有利于提高启动频率和最高连续运行频率，功耗小（Rc小），矩频特性好。缺点：电流波形有凹陷，电路复杂,5.2.1 步进电机,8255并行口扩展器,5.2.2 直流伺服电机及其调速,结构相当于直流电机编码器。,(一)直流伺服电机的结构和工作原理,Ea,a,R,t,R,U,a,i,j,j,U,i,R,j,Ea为感应电动式,电机转子上的载流导体在定子磁场中，受到电磁转矩的作用旋转。,Ke电机转矩系数,5.2.2 直流伺服电机及其调速
10、,1调压（减小U）：恒定励磁，改变U的方式来实现调速控制，这种方法也称为电枢控制、恒转矩调速；多下调：Un，（多用）2调磁（减弱）：恒定电压，改变励磁磁通实现调速控制，也称为磁场控制、恒功率调速；Rj（Ke）n，激磁回路L大，调速快速性差，只能上调。3改变电枢回路电阻Rt来实现调速控制；Rt Ian，只能上调，铜耗大。,5.2.2 直流伺服电机及其调速,(二)直流伺服电机的调速方法：,(1)性能特点 1)低转速大惯量 2)转矩大 3)起动力矩大 4)调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小。（对比步进电机）(2)特性曲线和数据表描述 1)转矩-速度特性曲线（工作曲线）2)负载-工作周期曲线 过载倍
11、数Tmd，负载工作周期比 d。3)数据表：N、T、时间常数、转动惯量等等。,(二)直流伺服电机的特性：,5.2.2 直流伺服电机及其调速,5.2.2 直流伺服电机及其调速,包括 控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。主回路：可控硅整流放大器等。速度环：速度调节（PI），作用：好的静态、动态特性。电流环：电流调节(P或PI)。作用：加快响应、启动、低频稳定等。触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。,(二)直流伺服电机调速,5.2.2 直流伺服电机及其调速,1 SCR调速系统,5.2.2 直流伺服电机及其调速,5.2.2 直流
12、伺服电机及其调速,1 PWM调速系统,组成：,原理：,PWM脉宽调制波形,5.2.2 直流伺服电机及其调速,PWM系统,5.2.2 直流伺服电机及其调速,SCR和PWM比较：,1）SCR电枢电流脉动频率低，PWM高；PWM能避开机械共振点，较稳定；,2）PWM波形系数（有效值：平均值）小；同样输出转矩下发热少。,3）PWM工作在饱和和截至两种状态；功率消耗小 饱和：管压降小 截至：漏电流小,4）PWM与小惯量电动机匹配时，可获得宽的频带。且速度、精度高。,5）SCR可在高于额定电流510倍的峰值电流下工作，而PWM电流多限制在2倍以内。,5.2.2 直流伺服电机及其调速,5.2.3 交流伺服电
13、机及其调速,直流伺服电动机*良好的调速性能*电刷和换向器易磨损，换向器换向时产生火花，电动机的最高速度受到限制；*结构复杂，制造困难，所用铜铁材料消耗大，成本高。交流伺服电动机*无电刷，结构简单，转子的转动惯量较直流电机小，使得动态响应好，*输出功率较大（较直流电动机提高10%70%）*调速困难，但现在已经解决。,1 交流、直流伺服电机比较：,.分类,5.2.3 交流伺服电机及其调速,1.交流伺服电机的调速方法由电机学知，交流电机转速公式：式中：f 定子电源频率 p 磁激对数 S 转差率 ns 定子旋转磁场转速 n 转子转速,（6.11）,（6.12）,5.2.3 交流伺服电机及其调速,调速方法：变频调速 变转差率 矢量变换控制,鉴于课时有限，本结自学。,
