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1、第 6 章 数控伺服系统,6.1 概 述,伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。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。该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强。,6.1 概 述,进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说C装置是数控系统的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制
2、执行部件的运动方向，进给速度与位移量。,6.1.1 伺服系统的组成,组成：伺服电机 驱动信号控制转换电路 电子电力驱动放大模块 位置调节单元 速度调节单元 电流调节单元 检测装置一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环。,6.1.1 伺服系统的组成,位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。,6.1.2 对伺服系统的基本要求,1精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程 度。包括定位精度和轮廓加工精度。2稳定性好 稳定是指系统在给定输入或外
3、界干扰作用下，能在 短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接 影响数控加工的精度和表面粗糙度。3快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。4调速范围宽 调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速 和最低转速之比。024m/min。5低速大转矩 进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度 范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转 矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大 的输出功率。,6.1.2 对伺服系统的基本要求,对伺服电机的要求：（1）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时的速度平稳性（2）电机应具有大的、较长时
4、间的过载能力，以满足低速 大转矩的要求。（3）反应速度快，电机必须具有较小的转动惯量、较大的 转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度(400rad/s2以上)。（4）能承受频繁的起动、制动和正反转。,6.1.2 伺服系统的分类,1按调节理论分类（1）开环伺服系统（2）闭环伺服系统（3）半闭环伺服系统,伺服系统的分类,开环数控系统没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好。,伺服系统的分类,无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其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。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简
5、单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。,伺服系统的分类,半闭环数控系统半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。,伺服系统的分类,半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广
6、泛应用。,伺服系统的分类,全闭环数控系统全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。,6.1.2 伺服系统的分类,从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。,伺服系统的分类,2按使用的执行元件分类（1）电液伺服系统 电液脉冲马达和电液伺服马达。优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常 数小、反应快和速度
7、平稳。缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。（2）电气伺服系统 伺服电机（步进电机、直流电机和交流电机）优点：操作维护方便，可靠性高。1）直流伺服系统 进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺 服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺 服电机。优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高。2）交流伺服系统 交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系 统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动 态响 应好、转速高和容量大。,伺服系统的分类,3按被控对象分类（1）进给伺服系统 指一般概念的位置伺服系统，包 括速度控制环和位置
8、控制环。（2）主轴伺服系统 只是一个速度控制系统。C 轴控制功能。4按反馈比较控制方式分类（1）脉冲、数字比较伺服系统（2）相位比较伺服系统（3）幅值比较伺服系统（4）全数字伺服系统,6.2 伺服电动机,伺服电动机为数控伺服系统的重要组成部分，是速 度和轨迹控制的执行元件。数控机床中常用的伺服电机：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）步进电机（适于轻载、负荷变动不大）直线电机（高速、高精度）,6.2.1 直流伺服电机及工作特性,常用的直流电动机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、印刷绕组）励磁式直流电机 混合式直流电机 无刷直流电机 直流力矩电机 直流进给伺服系统：永磁
9、式直流电机类型中的有槽电枢永磁 直流电机（普通型）；直流主轴伺服系统：励磁式直流电机类型中的他激直流电机。,1直流伺服电机的结构,2 直流电机的工作特性,静态特性 电磁转矩由下式表示:（6.1）KT 转矩常数；磁场磁通；Ia 电枢电流；TM 电磁 转矩。电枢回路的电压平衡方程式为:（6.2）Ua 电枢上的外加电压；Ra 电枢电阻；Ea 电枢反电势。电枢反电势与转速之间有以下关系：（6.3）Ke电势常数；电机转速（角速度）。根据以上各式可以求得：（6.4）,2 直流电机的工作特性,当负载转矩为零时：理想空载转速（6.5）当转速为零时：启动转矩(6.6）当电机带动某一负载TL时 电机转速与理想空载
10、转速的差（6.7）,2 直流电机的工作特性,动态特性直流电机的动态力矩平衡方程式为（6.8）式中 TM 电机电磁转矩；TL 折算到电机轴上的负载转矩；电机转子角速度；J 电机转子上总转动惯量；t 时间自变量。,3永磁直流伺服电机的工作特性,(1)永磁直流伺服电机的性能特点 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(2)永磁直流伺服电机性能用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。,3永磁直流伺服电机的工作特性,d%80 110%1
11、20%60 130%140%40 160%d 180%20 200%0 1 3 tR 6 10 30 60 100 tR(min)图69负载-工作周期曲线,4主轴直流伺服电机的工作原理和特性,6.2 2 交流伺服电机及工作特性,直流伺服电机的缺点：它的电刷和换向器易磨损；电机最高转速的限制，应用环境的限制；结构复杂，制造困难，成本高。交流伺服电机的优点：动态响应好；输出功率大、电压和转速提高交流伺服电机形式：同步型交流伺服电机和 异步型交流感应伺服电机。,VS,VS,1永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理,交流同步伺服电机的种类：励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式（1）永磁交流同步伺服电机的结构,
12、VS,VS,定子,转子,脉冲编码器,定子三相绕组,接线盒,图611 永磁交流同步伺服电机结构,1永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理,（2）永磁交流同步伺服电机工作原理和性能,n（r/min）,2交流主轴伺服电机的结构和工作原理,交流主轴电机的要求：大功率低速恒转矩、高速恒功率 鼠笼式交流异步伺服电机,图615 交流主轴伺服电机 的 特性曲线,图614 交流主轴电机与普通交流异步感应电机的比较图示意图,3、交流伺服电机的发展,（1）永磁交流同步伺服电机的发展 新永磁材料的应用 钕铁硼 永久磁铁的结构改革 内装永磁交流同步伺服电机 与机床部件一体化的电机 空心轴永磁交流同步伺服电机（2）交流主轴
13、伺服电机的发展 输出转换型交流主轴电机 三角-星形切换，绕组数切换或二者组合切换。液体冷却电机 内装式主轴电机,6.3 速度控制,概述：速度控制系统由速度控制单元、伺服电机和速度检测装置 组成。分为主运动和进给运动。进给运动：是保证轨迹、尺寸和形位精度的。不但有速度控制，还有位置控制。在整个速度范围内，保持恒转矩。与 主运动相比功率较小。主运动：主要无级调速，但还要有下面的控制功能：主轴于进给驱动的同步控制；准停控制；分度控制；恒线速度控制。速度控制：主要是调速，调速有机械、液压和电气方法，电气调 速最有利于实现自动化。,6.3.1 直流进给运动的速度控制,1.、直流伺服电机的调速原理 根据机
14、械特性公式可知调速有二种方法:电枢电压Ua和气隙磁通 改变电枢外加电压Ua:由于绕组绝缘耐压的限制，调压只能在额定 转速以下进行。属于恒转矩调速。改变气隙磁通量：改激磁电流即可改，在Ua恒定情况下，磁场接 近饱和，故只能弱磁调速，在额定转速以上进行。属于恒功率调速。2.直流速度控制单元调速控方式 晶闸管（可控硅）调速系统 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统,（6.18）,（6.19）,晶闸管调速系统1）系统的组成,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
15、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。,2）主回路工作原理,组成：由大功率晶闸 管构成的三相全控桥式（三相全波）反并接可逆电路，分成二大部分（和），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，分别实现正转 和反转。,原理：三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部分内又分成共阴极组（1、3、5）和共阳极组（2、4、6）。为构成回路，这二组中必须各有一 个可控硅同时导通。1、3、5在正半周导通，2、4、6在负半周导通。每 组内（即二相间）触发脉冲相位相差120，每相内二个触发脉冲相差180。按管号排列，触发脉冲的顺序：1-2-3-
16、4-5-6，相邻之间相位差60。为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通，或已截止的相再次导通，采用双脉冲控制。既每个触发脉冲在导通60后，在补发一个辅助脉冲；也 可以采用宽脉冲控制，宽度大于60，小于120。,e),只要改变可控硅触发角（即改变导通角），就能改变可控硅的整流输出电压，从而改变直流伺服电机的转速。触发脉冲提前来，增大整流输出电压；触发脉冲延后来，减小整流输出电压。,主回路波形图,3）控制回路分析,窄脉冲：即移相触发脉冲,（可控硅导通时间），可调速。没反馈是开环，特性软。,1-同步电路 2-移向控制电路3-脉冲分配器,电流调节器:同上，加快电流的反应。触发脉冲发生器：正弦波同步锯齿波
17、触发 电路，与F直流信号叠加。,速度调节器：比例积分PI，高放大（相当 C短路）缓放大增放大稳定（相当C 开路）无静差。,（2）晶体管脉宽调制（PWM）调速系统1）系统的组成及特点,主回路：大功率晶体管开关放大器；功率整流器。控制回路：速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。区别：与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。,直流脉宽调调制的基本原理,功率放大器中的大功率晶体管工作在开关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度）的方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制脉冲
18、控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用则为波动很小的直流电压（平均电压）。脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。脉冲宽度正比（代表）速度F值的直流电压,2）脉宽调制器,t,同向加法放大器电路图U S r 速度指令转化过 来的直流电压U-三角波USC-脉宽调制器的输 出（U S r+U）调制波形图,US r为0时,调制出正负脉宽一样方波平均电压为0,US r为正时,US r为负时,调制出脉宽较宽的波形平均电压为正,调制出脉宽较窄的波形平均电压为负,3）开关功率放大器,主回路：可逆H型双极式PWM 开关功率放大器,电路图:由四个大功率晶体管（GTR）T 1、T 2、T 3、T4 及四个续流二极管
19、组成的桥 式电路。,H型：又分为双极式、单极式和受限单极式三种。Ub1、Ub2、Ub3Ub4 为调制器输出，经脉冲分配、基极驱动转换过来的脉冲电压。分别加到T1、T2、T3、T4的基极。,t,（4）PWM调速系统的特点,频带宽、频率高:晶体管“结电容”小，开关频率远高于可控（50Hz)，可达2-10KHz。快速性好。电流脉动小:由于PWM调制频率高，电机负载成感性对电流脉动 由平滑作用，波形系数接近于1。电源的功率因数高:SCR系统由于导通角的影响，使交流电源的波形畸 变、高次谐波的干扰，降低了电源功率因数。PWM 系统的直流电源为不受控的整流输出，功率因数高。动态硬度好:校正瞬态负载扰动能力
20、强，频带宽，动态硬度高。,6.3.3 交流进给运动的速度控制,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：f1 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,由此可知调速方法：,（6.20）,对于进给系统常使用交流同步电机，该电机没有转差率，电机转速公式变为：,从式中可以看出：只能用变频调速，并且是有效方法。变频调速的主要环节是为交流电机提供变频、变压电源的变频器，变频器分为：交直交变频器 分电压型和电流型。电压型先将电网的交流电经整流器变为直流，再经逆变器变为频率和电压都可变的交流电压。电流型是切换一串方波，方波电流供电，用于大功率。交交变频
21、器 该变频器没有中间环节，直接将电网的交流电变为频率和电压都可变的交流电。目前对于中小功率电机，用得最多的是电压型交直交变频器。,（6.21）,交流电机的调速方法,2.正弦脉宽调制（SPWM）变压变频器 基本概念 脉宽调制变频思想，是把通讯系统中的调制技术应用于交流变频器。调制方法很多，目前用得最多的是正弦脉宽调制。还有空间电压矢量PWM、最优PWM、预测PWM、随机PWM、规则采样数字化PWM等等。SPWM交直交变压变频器的原理框图如下：,UR整流器 固定电压不可控整流器，常采用六个二级管桥式整流器 结构将交流变为直流，电压幅值不变。为逆变器的供电。UI 逆变器 由六个功率开关器件组成，常采
22、用大功率晶体管。其控 制极（大功率晶体管GTR为基极）输入由基准正弦波（由速度指 令转化过来的）和三角波叠加出来的SPWM调制波（等幅、不等 宽的矩形脉冲波），使这些大功率晶体管按一定规律导通、截止，输出一系列功率级等效于正弦交流电的可变频变压的等幅、不等 宽的矩形脉冲电压波，即功率级SPWM电压，使电机转动。,正弦脉宽调制原理（以单相为例）正弦脉宽调制（SPWM）波形:与正弦波等效的一系列等幅不等 宽的矩形脉冲波，如右下图所示。,等效原理：把正弦分成 n 等分，每一区间的面积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替。正弦的正负半周均如此处理。,SPWM控制波的生成:正弦波三角波调制、方波三角波调
23、制。,1.系统的组成：速度环、电流环 SPW电路、功放电路 检测反馈电路,交流进给伺服电机的速度控制系统,2.SPWM电路原理,SPWM的控制方法：模拟控制 原始的控制方法；数字控制微机存储事先算好的SPWM数据表格，由指令调出，或通过软 件实时生成。专用集成芯片单片机微处理器直接带有SPWM信号产生功能，并有其输出端 口，如8098、8XC196MC。,SPWM变压变频调速的优点：1.主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构；2.采用了不可控整流器。使电网功率因数提高；3.逆变器同时调频调压，动态相应不受中间环节影响；4.可获得更接近于正弦波的输出电压波形。,6.3.5 交流主轴电机的速度控
24、制,交流主轴驱动系统：交流感应异步电机调速方法很多，变频调速是最适用的方法，主要有：压频（u/f）调速 矢量变换控制调速三相异步电机定子每相电动势的有效值为：E1=4.44f1N1kN1m u1 式中：f1 定子频率（Hz）；N1 定子电动绕组串联匝数；kN1 基波绕组系数；m 每极气隙磁通量由上式可知 m u1/4.44f1N1kN11.变压变频调速的基本控制方式 在电机调速时，希望保持每极磁通为额定值。磁通过弱 没有充分利用铁心，是一种浪费。磁通过强 使铁心饱和，产生过大的励磁电流，严重时因绕组过热烧毁电机。交流异步电机中，磁通是定子和转子磁动势合成产生的，所以不能单独调频。,6.3.5
25、交流主轴电机的速度控制,恒转矩调速,T不变，则需u1/f1为常数,若低速时Tm不变，则需E1/f1为常数,恒最大转矩Tm调速,（1）基频以下调速,恒功率调速,6.3.5 交流主轴电机的速度控制,（2）基频以上调速,恒P,1.交流感应伺服电机的矢量控制 在伺服系统中，直流伺服电机能获得优良的动态与静态性能，其根本原因是被控制只有电机磁通和电枢电流Ia，且这两个量是独立的。此外，电磁转矩（Tm=KT Ia）与磁通和电枢电流Ia分别成正比关系。因此，控制简单，性能为线性。如果能够模拟直流电机，求出交流电机与之对应的磁场与电枢电流，分别而独立地加以控制，就会使交流电机具有与直流电机近似的优良特性。为此
26、，必须将三相交变量（矢量）转换为与之等效的直流量（标量），建立起交流电机的等效模型，然后按直流电机的控制方法对其进行控制。,6.3.6 交流伺服电机的矢量控制,图6-44a所示三相异步交流电机在空间上产生一个角速度为0的旋转磁场。如果用图6-44b中的两套空间相差900的绕组和来代替，并通以两相在时间上相差900的交流电流，使其也产生角速度为0的旋转磁场,则可以认为图6-44a和图6-44b中的两套绕组是等效的。若给图6-44c所示模型上两个互相垂直绕组d 和 q，分别通以直流电流id 和iq，则将产生位置固定的磁场,如果再使绕组以角速度0旋转，则所建立的磁场也是旋转磁场，其幅值和转速也与图6
27、-44a一样。,图6.4 交流机三相-二相直流机变换,1)三相A、B、C系统变换到两相、系统,这种变换是将三相交流电机变为等效的二相交流电机。图6-44a所示的三相异步电机的定子三相绕组，彼此相差1200空间角度，当通以三相平衡交流电流 iA,iB,iC 时，在定子上产生以同步角速度0旋转的磁场矢量。三相绕组的作用，完全可以用在空间上互相垂直的两个静止的、绕组代替，并通以两相在时间上相差900的交流平衡电流 i 和 i，使其产生的旋转磁场的幅值和角速度也分别和0，则可以认为图6-44a、b中的两套绕组是等效的。,应用三相/二相的数学变换公式，将其化为二相交流绕组的等效交流磁场。则产生的空间旋转
28、磁场与三相A、B、C绕组产生的旋转磁场一致。令三相绕组中的A相绕组的轴线与坐标轴重合，其磁势为。,按照磁势与电流成正比关系，可求得对应的电流值i 和 i,除磁势的变换外，变换中用到的其它物理量，只要是三相平衡量与二相平衡量，则转换方式相同。这样就将三相电机转换为二相电机，如图6-44b。,2)矢量旋转变换 将三相电机转化为二相电机后，还需将二相交流电机变换为等效的直流电机，见图6-44c。若设图6-44c中d为激磁绕组，通以激磁电id，q为电枢绕组，通以电枢电流iq，则产生固定幅度的磁场，在定子上以角速度0旋转。这样就可看成是直流电机了。将二相交流电机转化为直流电机的变换，实质就是矢量向标量的
29、转换，是静止的直角坐标系向旋转的直角坐标系之间的转换。这里，就是把i 和 i 转化为 id 和 iq，转化条件是保证合成磁场不变。在图6-45b中，i 和 i的合成矢量是 i1，将其在方向及垂直方向投影，即可求得id 和 iq。id 和 iq 在空间以角速度0旋转。转换公式为,3)直角坐标与极坐标的变换 矢量控制中，还要用到直角坐标系与极坐标系的变换。如图6-45b中，由 和 求，其公式为 采用矢量变换的感应电机具有和直流电机一样的控制特点，而且结构简单、可靠，电机容量不受限制，与同等直流电机相比机械惯量小。,6.4 位置控制,6.4.1 位置控制的基本原理,6.4.2 数字脉冲比较位置控制伺服系统,全数字控制伺服系统,本课程全部结束谢谢大家！,
