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1、数控机床故障诊断与维修第四章4 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望课题四课题四 伺服单元的结构及工作原理伺服单元的结构及工作原理 一一.伺服系统基础知识伺服系统基础知识 课题四课题四 伺服单元的结构及工作原理伺服单元的结构及工作原理 一一.伺服系统基础知识伺服系统基础知识 1.伺服的含义伺服的含义 4.4.直流伺服系统直流伺服系统5.5.交流伺服系统交流伺服系统 2.三环结构三环结构3.位置控制环节位置控制环节本节学习内容本节学习内容一一.伺服系统基础
2、知识伺服系统基础知识 .伺服的含义伺服的含义 伺服是英文单词伺服是英文单词Servo的谐音，意为的谐音，意为“待待侯侯”及及“听话听话”等等，引进到控制技术中来，指引进到控制技术中来，指受控制部件服从指挥，如工作台让走到哪里就受控制部件服从指挥，如工作台让走到哪里就走到哪里。走到哪里。一一.伺服系统基础知识伺服系统基础知识 数控机床中的伺服系统数控机床中的伺服系统（Servo System）就是为了实现各轴向上速度及位置等的精确控制就是为了实现各轴向上速度及位置等的精确控制，如主轴速度控制和定位控制，如主轴速度控制和定位控制，特别是特别是X.Z等等轴向工作台的进给伺服控制，控制好定位精度为轴向
3、工作台的进给伺服控制，控制好定位精度为切削精度提供了保证。切削精度提供了保证。伺服系统中的电动机又被伺服系统中的电动机又被称为伺服电动机。主轴上早期采用直流电动机称为伺服电动机。主轴上早期采用直流电动机，现在采用交流异步电动机现在采用交流异步电动机。由于进给系统要求更由于进给系统要求更高高,依次采用了步进电动机依次采用了步进电动机.直流伺服电动机和交直流伺服电动机和交流永磁同步式伺服电动机。因交流电动机无换向流永磁同步式伺服电动机。因交流电动机无换向装置几乎免维修，且成本相对较低，现在广泛使装置几乎免维修，且成本相对较低，现在广泛使用。用。一一.伺服系统基础知识伺服系统基础知识 2.三环结构三
4、环结构 通过长期的生产实践发现，伺服系统中采用通过长期的生产实践发现，伺服系统中采用三环结构是目前实现高精度控制的最好方法，即三环结构是目前实现高精度控制的最好方法，即位置环位置环.速度环速度环.电流环。又分别被称为外环电流环。又分别被称为外环.中环中环.内环。这三环是相互制约关系，使控制达到了极内环。这三环是相互制约关系，使控制达到了极其完善其完善。一一.伺服系统基础知识伺服系统基础知识 提示提示:对于主轴驱动而言对于主轴驱动而言，要求有较大调速范围要求有较大调速范围和较大转矩，其精度要求低于进给系统，常常和较大转矩，其精度要求低于进给系统，常常只需控制速度的稳定性且无需位置环只需控制速度的
5、稳定性且无需位置环。所以伺所以伺服系统的讲解以进给系统为主进行。服系统的讲解以进给系统为主进行。一一.伺服系统基础知识介伺服系统基础知识介绍绍 一一.伺服系统基础知识伺服系统基础知识 位置环位置环 速度环速度环 电流环电流环转换驱动转换驱动工作台工作台电流反馈电流反馈速度反馈速度反馈位置反馈位置反馈MG 位置环、速度环和电流环均由：调节控制模块、检测和反位置环、速度环和电流环均由：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馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功功率放大器率放大器组成。严格来说：位置控制包括位置、速度和电组成。严格来说：位置控制包括位置、速
6、度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。流控制；速度控制包括速度和电流控制。一一.伺服系统基础知识伺服系统基础知识n位置环（外环）：输入信号为位置环（外环）：输入信号为CNC的指令和位置检测的指令和位置检测器反馈的位置信号器反馈的位置信号n速度环（中环）：输入信号为位置环的输出和测速发速度环（中环）：输入信号为位置环的输出和测速发电机电机(多数为光电编码器多数为光电编码器)经反馈网络处理后的信号经反馈网络处理后的信号n电流环（内环）：输入信号为速度环的输出信号和经电流环（内环）：输入信号为速度环的输出信号和经电流互感器得到的电动机电枢回路电流信号电流互感器得到的电动机电枢回路电流信号n在三环
7、系统中，位置环的输出是速度环的输入；速度在三环系统中，位置环的输出是速度环的输入；速度环的输出是电流环的输入；环的输出是电流环的输入；电流环的输出电流环的输出再去直接控再去直接控制功率变换单元，这三个环的反馈信号都是负反馈制功率变换单元，这三个环的反馈信号都是负反馈。一一.伺服系统基础知识介伺服系统基础知识介绍绍 一一.伺服系统基础知识伺服系统基础知识 位置环位置环 速度环速度环 电流环电流环转换驱动转换驱动工作台工作台电流反馈电流反馈速度反馈速度反馈位置反馈位置反馈MG 从电路结构看从电路结构看，三个环的控制模块都是调节器，有时采用比例三个环的控制模块都是调节器，有时采用比例调节器调节器(P
8、调节器调节器)，有时采用比例积分调节器有时采用比例积分调节器(PI调节器调节器)，有时为有时为比例积分微分调节器比例积分微分调节器(PID调节器调节器)。从具体电路来讲，有时相当复从具体电路来讲，有时相当复杂，有时简单到只有一个电位器或滤波电路杂，有时简单到只有一个电位器或滤波电路。最近发展技术是利用最近发展技术是利用CNC内部硬件或软件形式完成三环的工作内部硬件或软件形式完成三环的工作，提高了控制精度且降低提高了控制精度且降低了维修难度了维修难度，如位置环上的故障我们着重去检查位置检测器了。如位置环上的故障我们着重去检查位置检测器了。一一.伺服系统基础知识伺服系统基础知识现代技术中位置环控制
9、模块交给现代技术中位置环控制模块交给CNC实现实现(硬件或软件方法硬件或软件方法)一一.伺服系统基础知识伺服系统基础知识 位置环是进给伺服系统中十分重要的环节位置环是进给伺服系统中十分重要的环节，根根据位置环上有无检测器及检测方式的不同可分为据位置环上有无检测器及检测方式的不同可分为:开环控制开环控制 (早期，精度低，使用步进电动机早期，精度低，使用步进电动机)半闭环控制半闭环控制(间接检测反馈间接检测反馈，精度较高精度较高)闭环控制闭环控制 (直接检测反馈直接检测反馈，精度高，机床不易精度高，机床不易 调整，易出现工作台振荡或爬行调整，易出现工作台振荡或爬行)3.位置控制环节位置控制环节一一
10、.伺服系统基础知识伺服系统基础知识 开环进给伺服系统示意开环进给伺服系统示意图图一一.伺服系统基础知识伺服系统基础知识半闭环控制系统示意图半闭环控制系统示意图一一.伺服系统基础知识伺服系统基础知识闭环控制系统示意图闭环控制系统示意图一一.伺服系统基础知识伺服系统基础知识 速度环检测元器件：测速发电机和光电编码器速度环检测元器件：测速发电机和光电编码器(有的在有的在 电动机出厂前己安装在其内部电动机出厂前己安装在其内部)电流环检测元器件：电流互感器电流环检测元器件：电流互感器 位置环检测元器件位置环检测元器件:用于半闭环的有用于半闭环的有脉冲编码器脉冲编码器(又分为又分为 光电式光电式.接触式和
11、电磁感应式三种接触式和电磁感应式三种).旋转变压器和旋转式感应同步器等旋转变压器和旋转式感应同步器等.用于闭环的有用于闭环的有光栅尺光栅尺.磁栅尺和直线磁栅尺和直线 式感应同步器等。式感应同步器等。编码器光栅尺光栅尺1光栅尺工作原理光栅尺工作原理一一.伺服系统基础知识伺服系统基础知识 光栅尺工作原理光栅尺工作原理:标尺光栅和指示光栅都是由窄的矩形不透标尺光栅和指示光栅都是由窄的矩形不透明的线纹和其等宽的透明间隔所组成的，标尺明的线纹和其等宽的透明间隔所组成的，标尺光栅不动，指示光栅沿标尺光栅移动时，光电光栅不动，指示光栅沿标尺光栅移动时，光电元件所产生出来的光电流变化也是连续的，近元件所产生出
12、来的光电流变化也是连续的，近似于正弦波，根据波形数量可确定移动距离。似于正弦波，根据波形数量可确定移动距离。并且指示光栅的线纹部分分成两相，彼此错开并且指示光栅的线纹部分分成两相，彼此错开1/4栅距，并配上两相物镜和光电元件使其输栅距，并配上两相物镜和光电元件使其输出信号在相位上相差出信号在相位上相差90度，其中一相作为参考，其中一相作为参考信号，则根据另一相信号超前或滞后参考信号信号，则根据另一相信号超前或滞后参考信号90度，可用来确定指示光栅向哪一方向移动。，可用来确定指示光栅向哪一方向移动。一一.伺服系统基础知识伺服系统基础知识 4.直流伺服系统直流伺服系统 直流伺服系统是以直流电动机为
13、控制对象直流伺服系统是以直流电动机为控制对象的系统，是由三环结构的系统，是由三环结构.功率变换单元功率变换单元.伺服驱伺服驱动单元动单元.直流电动机等组成。直流电动机等组成。直流电机有起动转矩大，调速方便等优点，直流电机有起动转矩大，调速方便等优点，早期数控机床上得到广泛应用，但其有换向器早期数控机床上得到广泛应用，但其有换向器及电刷，极易出故障且成本高，现在逐步被交及电刷，极易出故障且成本高，现在逐步被交流电动机所取代，流电动机所取代，交流伺服的很多控制方法与交流伺服的很多控制方法与直流伺服大到相同直流伺服大到相同，所以有必要加以学习。，所以有必要加以学习。0n0一一.伺服系统基础知识伺服系
14、统基础知识 直流伺服系统中直流电动机的速度控制主直流伺服系统中直流电动机的速度控制主电路主要有两种电路主要有两种:早期的晶闸管早期的晶闸管(SCR俗称可控硅俗称可控硅)控制和现控制和现代较普遍采用的大功率晶体管控制。代较普遍采用的大功率晶体管控制。晶闸管控制多采用三相全控桥式整流电路，晶闸管控制多采用三相全控桥式整流电路，输出一个可变电压的直流电源，通过调节晶闸输出一个可变电压的直流电源，通过调节晶闸管的触发角就可改变输出电压值，从而使电动管的触发角就可改变输出电压值，从而使电动机转速发生变化。机转速发生变化。一一.伺服系统基础知识伺服系统基础知识 采用大功率晶体管控制主要为脉冲宽度调采用大功
15、率晶体管控制主要为脉冲宽度调制制(PWM)技术。技术。脉冲宽度调制就是调节输出信号的占空比，脉冲宽度调制就是调节输出信号的占空比，晶体管通就是给电动机提供电能，断就是停止晶体管通就是给电动机提供电能，断就是停止供给电能，因此供给电能，因此调节占空比就能调节加在电动调节占空比就能调节加在电动机电枢两端的平均电压值机电枢两端的平均电压值，达到控制速度的目，达到控制速度的目的。的。一一.伺服系统基础知识伺服系统基础知识 5.交流伺服系统交流伺服系统 虽然交流电动机成本低，结构简单维修方便，但虽然交流电动机成本低，结构简单维修方便，但早期交流电动机调速非常困难，难于实现无极调速且早期交流电动机调速非常
16、困难，难于实现无极调速且起动转矩小，因此在数控机床上无法使用。起动转矩小，因此在数控机床上无法使用。随着电力电子技术随着电力电子技术.计算机科学技术的飞速发展，计算机科学技术的飞速发展，出现了电力半导体变频电源，用变频器可以很方便地出现了电力半导体变频电源，用变频器可以很方便地调节交流电动机速度。特别是西门子公司的交流矢量调节交流电动机速度。特别是西门子公司的交流矢量变换调速技术出现，又开劈了一条新的途径，随着交变换调速技术出现，又开劈了一条新的途径，随着交流永磁同步电动机的大力发展，交流伺服系统取代直流永磁同步电动机的大力发展，交流伺服系统取代直流伺服系统已成定局。流伺服系统已成定局。入交流
17、异步电机主要用于速度要求稍低的主轴系统驱动交流异步电机主要用于速度要求稍低的主轴系统驱动异步异步转子旋转速度总是低于旋转磁埸的同步转速转子旋转速度总是低于旋转磁埸的同步转速同步同步转子转速与定子上旋转磁场同步转速相同转子转速与定子上旋转磁场同步转速相同 同步电动机主要用于进给伺服系统当中同步电动机主要用于进给伺服系统当中现代使用永磁材料制成转子的交流永磁同步电机结构更为简单现代使用永磁材料制成转子的交流永磁同步电机结构更为简单一一.伺服系统基础知识伺服系统基础知识 交流电动机调速方法交流电动机调速方法 交流电动机调速方法有交流电动机调速方法有:改变定子上磁极对数改变定子上磁极对数.改变电源的频
18、率和变转差率改变电源的频率和变转差率(针对线绕式针对线绕式)。改变电源频率可以做到无极调速，过去是采改变电源频率可以做到无极调速，过去是采用变频机组来改变频率，投资大体积也大，现在用变频机组来改变频率，投资大体积也大，现在使用以电力半导体为核心，微电脑控制的变频器，使用以电力半导体为核心，微电脑控制的变频器，为了给电动机提供足移电能其中还包含有功率转为了给电动机提供足移电能其中还包含有功率转换模块。换模块。一一.伺服系统基础知识伺服系统基础知识 变频器介绍变频器介绍 PWM逆变器逆变器是当前变频器的主要形式，变频器在指令是当前变频器的主要形式，变频器在指令信号控制下信号控制下(如来自如来自CN
19、C中中S600程序命令转换的信号程序命令转换的信号)，按，按一定规律控制开关元件的通断，即调节占空比，从逆变器输一定规律控制开关元件的通断，即调节占空比，从逆变器输出一组等幅而宽度可控的矩形脉冲波，近似于频率可调的正出一组等幅而宽度可控的矩形脉冲波，近似于频率可调的正弦交流电去控制交流电机。弦交流电去控制交流电机。在额定频率在额定频率(我国额定频率为我国额定频率为50Hz)以下为恒转矩调节，以下为恒转矩调节，即即U/f=常数，电压与频率成正比。以上为恒功率调节，电常数，电压与频率成正比。以上为恒功率调节，电压不变。压不变。西门子提出了按磁场定向的矢西门子提出了按磁场定向的矢(相相)量变换调速技
20、术，并量变换调速技术，并应用于交流电动机，发挥了电机更大潜力。应用于交流电动机，发挥了电机更大潜力。一一.伺服系统基础知识伺服系统基础知识 主轴驱动主轴驱动 主轴驱动早期使用直流电动机，直流主轴主轴驱动早期使用直流电动机，直流主轴控制系统类似于前面直流速度控制系统，直流控制系统类似于前面直流速度控制系统，直流电动机易出故障成本高，并且功率一大，就会电动机易出故障成本高，并且功率一大，就会出现换向困难等问题。由于主轴控制没有进给出现换向困难等问题。由于主轴控制没有进给伺服系统那么高的性能要求，加之变频器的发伺服系统那么高的性能要求，加之变频器的发展展，现在采用交流异步电动机作为主轴电机，现在采用
21、交流异步电动机作为主轴电机，已能足够满足数控主轴驱动的要求。已能足够满足数控主轴驱动的要求。一一.伺服系统基础知识伺服系统基础知识 主轴驱动主轴驱动早期早期 直流电动机直流电动机 现在现在 交流异步电动机交流异步电动机驱动装置驱动装置 变频器变频器双环控制双环控制 速度环和电流环速度环和电流环 进给伺服系统进给伺服系统早期早期 步进电动机步进电动机 中期中期 小惯量大惯量直流电动机小惯量大惯量直流电动机 现在现在 交流永磁同步电动机交流永磁同步电动机 驱动装置驱动装置 步进电机驱动器步进电机驱动器 伺服驱动器伺服驱动器 三环结构三环结构 位置环位置环.速度环速度环.电流环电流环 变频器步进电机驱动器和伺服驱动器内部都有功率转换变频器步进电机驱动器和伺服驱动器内部都有功率转换 模块，为电动机提供足够电能有时又称为主轴放大器和伺服模块，为电动机提供足够电能有时又称为主轴放大器和伺服 放大器等放大器等步进电机驱动器步进电机驱动器交直流两用伺服驱动器交直流两用伺服驱动器 FANUC FANUC 系统配置系统配置显示装置和MDI键盘机床操作面板 CNCCNC装置装置系列伺服单元C系列伺服电动机主轴电动机 变频器 计算机 图图3-2 系统连接图系统连接图