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1、数控技术第七章数控机床的伺服系统 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7.17.1进给伺服系统的类型进给伺服系统的类型7.27.2步进电动机及其驱动系统步进电动机及其驱动系统7.37.3直流伺服驱动系统直流伺服驱动系统7.47.4交流伺服驱动系统交流伺服驱动系统7.57.5主轴驱动系统主轴驱动系统复习与思考题复习与思考题11/13/202227.1进给伺服系统的类型进给伺服系统的类型7.1.17.1.1进给伺服系统的技术要求进给伺服系统的技术要求7.1.
2、27.1.2开环和闭环进给伺服系统开环和闭环进给伺服系统7.1.37.1.3按电动机分类的伺服系统按电动机分类的伺服系统11/13/20223概概 述述 伺服驱动系统概念伺服驱动系统概念1.什么是伺服驱动系统在自动控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统。数控机床伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。11/13/20224数控机床伺服驱动系统是CNC装置和机床的联系环节，作用在于接收来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令信号运动，并保证动作的快速和准确。CNC装置发出的控制信息通过伺服驱动系统转换成坐标轴的运
3、动，完成程序所规定的操作。伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。伺服驱动系统的作用归纳如下：(1)伺服驱动系统能放大控制信号，具有输出功率的能力；(2)伺服驱动系统根据CNC装置发出的控制信息对机床移动部件的位置和速度进行控制。11/13/202252.数控机床对伺服驱动系统的要求数控机床的性能在很大程度上取决伺服驱动系统的性能，对伺服驱动系统的主要要求如下：1)可逆运行可逆运行要求能灵活地正反向运行。在加工过程中，机床工作台处于随机状态，根据加工轨迹的要求，随时都可能实现正向或反向运动。同时要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动的损失。11/13/202262)进给调速范围要宽为适应不同的加
4、工条件，例如加工用刀具、被加工材料及零件加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围。11/13/202273)位置精度要高 使用数控机床主要是为了保证加工质量的稳定性和一致性，减少废品率；解决复杂曲面零件的加工问题；解决复杂零件的加工精度问题，缩短制造周期等。为了满足这些要求，关键之一是保证数控机床的定位精度和加工精度。数控机床在加工时免除了操作者的人为误差，它是按预先的程序自动进行加工，不可能应付事先没有预料到的情况。就是说，数控机床不能像普通机床那样，可随时用手动操作来调整和补偿各种因素对加工精度的影响。因此，要求定位精度和轮廓切削精度能
5、达到数控机床要求的指标。为此，在位置控制中要求具有高的定位精度，如精确到1m甚至0.1m。在速度控制中，要求具有很高的调速精度和很强的抗干扰的能力，即要求工作稳定性要好。11/13/20228 4)速度响应要快 为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。一方面，要求过渡过程时间要短，一般在200 ms以内，甚至有时需要小于几十毫秒；另一方面，要使过渡过程的前沿陡，即上升率要大。11/13/202295)低速大转矩根据数控机床的加工特点，大都是在低速进行重切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。这要求使动
6、力源尽量靠近机床的执行机构，使传动装置机械部分的结构简化，系统刚性增加，传动精度提高。11/13/2022107.1.27.1.2开环和闭环进给伺服系统开环和闭环进给伺服系统1开环控制系统图图71 开开环环伺服伺服驱动结驱动结构示意构示意图图11/13/2022112半闭环控制系统图图72 半半闭环闭环伺服伺服驱动结驱动结构示意构示意图图11/13/2022123 3闭环控制系统闭环控制系统 图图73 闭环闭环伺服伺服驱动结驱动结构示意构示意图图11/13/2022134 4混合控制系统混合控制系统 图图74 混合混合闭环闭环控制的控制的进给驱动进给驱动系系统统11/13/2022147.1.
7、37.1.3按电动机分类的伺服系统按电动机分类的伺服系统1步进伺服系统2直流伺服系统3交流伺服系统4直线伺服系统11/13/2022157.2步进电动机及其驱动系统步进电动机及其驱动系统7.2.17.2.1步进电动机的结构类型步进电动机的结构类型7.2.27.2.2步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理7.2.37.2.3反应式步进电机的主要性能指标反应式步进电机的主要性能指标7.2.47.2.4驱动控制系统组成驱动控制系统组成7.2.57.2.5步进电动机驱动控制技术步进电动机驱动控制技术7.2.67.2.6步进电机的应用步进电机的应用11/13/202216步进电机及其控制系统步进电机及
8、其控制系统 步进电机的分类步进电机的分类步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的一种机电式数模转换器。其转子的转角与输入的电脉冲数成正比，它的速度与脉冲频率成正比，而运动方向是由步进电机通电的顺序所决定的。11/13/2022177.2.17.2.1步进电动机的结构类型步进电动机的结构类型11/13/20221811/13/2022193步进电动机的结构 图图75 三相反三相反应应式步式步进电动进电动机机结结构原理构原理图图 图图76 步步进电动进电动机的机的齿齿距距11/13/202220步进电动机的矩角特性 11/13/202221步进电动机的工作原理 步进电机由转子和定子组成。定子上
9、有A、B、C三对绕组磁极，分别称为A相、B相、C相。转子是硅钢片等软磁材料迭合成的带齿廓形状的铁芯。这种步进电机称为三相步进电机。如果在定子的三对绕组中通直流电流，就会产生磁场。当A、B、C三对磁极的绕组依次轮流通电，则A、B、C三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。11/13/202222图图77 五定子反五定子反应应式步式步进电动进电动机机结结构原理构原理图图 图图78 一段定子、一段定子、转转子及磁子及磁电电路路11/13/202223反应式步进电动机工作原理 11/13/202224步进电机工作原理 11/13/2022257.2.27.2.2步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理图图7
10、9 反反应应式步式步进电动进电动机机结结构原理构原理图图三相步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。11/13/202226a)b)c）图图710 三相三相单单三拍的工作三拍的工作过过程程11/13/202227若按ABC通电相序连续通电，则步进电机就连续地沿逆时针方向旋动，每换接一次通电相序，步进电机沿逆时针方向转过30，即步距角为30。如果步进电机定子磁极通电相序按ACB进行，则转子沿顺时针方向旋转。上述通电方式称为三相单三拍通电方式。所谓“单”是指每次只有一相绕组通电的意思。从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每一拍转子转动一个步距角，故所谓“三拍”是指通电换接
11、三次后完成一个通电周期。11/13/202228a)b)图图711 三相三相单单双六拍的工作双六拍的工作过过程程11/13/202229图4-3 三相六拍通电方式工作原理 11/13/202230还有一种通电方式称为三相六拍通电方式，即按照AABBBCCCA相序通电，工作原理如图4-3所示。如果相通电，1、3齿与A相磁极对齐。当A、B两相同时通电，因A极吸引1、3齿，极吸引2、4齿，转子逆时旋转15。随后A相断电，只有B相通电，转子又逆时旋转15，2、4齿与B相磁极对齐。如果继续按BCCCAA的相序通电，步进电机就沿逆时针方向，以15的步距角一步一步移动。这种通电方式采用单、双相轮流通电，在通
12、电换接时，总有一相通电，所以工作比较平稳。11/13/20223111/13/202232实际使用的步进电机，一般都要求有较小的步距角。因为步距角越小它所达到的位置精度越高。图是步进电机实例。图中转子上有40个齿，相邻两个齿的齿距角360/409。三对定子磁极均匀分布在圆周上，相邻磁极间的夹角为60。定子的每个磁极上有5个齿，相邻两个齿的齿距角也是9。因为相邻磁极夹角(60)比7个齿的齿距角总和(9763)小3，而120比14个齿的齿距角总和(914126)小6，这样当转子齿和A相定子齿对齐时，B相齿相对转子齿逆时针方向错过3，而C相齿相对转子齿逆时针方向错过6。按照此结构，采用三相单三拍通电
13、方式时，转子沿逆时针方向，以3步距角转动。采用三相六拍通电方式时，则步距角减为1.5。如通电相序相反，则步进电机将沿着顺时针方向转动。11/13/202233步进电机实例 11/13/202234步进电机的特点步进电机的主要特点如下：(1)步进电机的输出转角与输入的脉冲个数严格成正比，故控制输入步进电机的脉冲个数就能控制位移量。(2)步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比，只要控制脉冲频率就能调节步进电机的转速。(3)当停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电机轴可以保持在某固定位置上，不需要机械制动装置。11/13/202235(4)改变通电相序即可改变电机转向。(5)步进电机存在齿间相邻误
14、差，但是不会产生累积误差。(6)步进电机转动惯量小，启动和停止迅速。由于步进电机有这些特点，所以在开环数控系统中获得广泛应用。11/13/2022367.2.37.2.3反应式步进电机的主要性能指标反应式步进电机的主要性能指标1 1步距角及步距精度步距角及步距精度2 2最大静转矩最大静转矩 Tmax Tmax与起动转矩与起动转矩TqTq3 3加减速特性加减速特性4 4连续运行频率连续运行频率11/13/202237步进电机的最大负载能力 11/13/202238 当电机所带负载 时，A相通电，工作点在m点，在此点MAmML。当励磁电流从A相切换到B相，而转子在点位置时，B相励磁绕组产生的电磁转
15、矩是MBmML，转子旋转，前进到点时，MBnML，转子到达新的平衡位置。显然，负载转矩不可能大于A、B两交点的转矩Mq，否则转子无法转动，产生“失步”现象。不同相数的步进电机的启动转矩不同，启动转矩如表4-2所示。11/13/202239表表4-2 步进电机启动转矩步进电机启动转矩 11/13/202240空载启动频率空载启动频率fq 步进电机在空载情况下，不失步启动所能允许的最高频率称为空载启动频率。在有负载情况下，不失步启动所能允许的最高频率将大大降低。例如70BF3型步进电机的空载启动频率是1400 Hz，负载达到最大静转矩Mjmax的0.5倍时，降为50 Hz。为了缩短启动时间，可使加
16、到电机上的电脉冲频率按一定速率逐渐增加。11/13/202241运行矩频特性与动态转矩运行矩频特性与动态转矩 在步进电机正常转动时，若输入脉冲的频率逐渐增加，则电机所能带动的负载转矩将逐渐下降，如图所示，图中的曲线称为步进电机的矩频特性曲线。可见，矩频特性曲线是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与运行频率之间的关系。在不同频率下步进电机产生的转矩称为动态转矩。11/13/202242运行矩频特性 11/13/202243 低频区：步进电动机的运行为连续的单步运动，每次换相时，转子都要来回振荡若干次，如图9.6(a)所示。高频区：这时脉冲间隔短，前一步还没有振荡结束，后一个脉冲就已经到来，从而使
17、步进电动机连续平滑地转动，运转比较平稳，如图所示。共振区:当脉冲频率介于低频和高频之间且接近电动机本身固有的振荡频率时，电动机将产生强烈的振荡，甚至“走一步退两步”，左右摇摆，无法正常工作，这种情况应设法避免。11/13/202244 步进电动机的运行特性 (a)低频区；(b)高频区 11/13/2022454.2.4 4.2.4 步进电机的选用步进电机的选用 合理选用步进电机是相当重要的，通常希望步进电机的输出转矩大，启动频率和运行频率高，步距误差小，性能价格比高。但增大转矩与快速运行存在一定矛盾，高性能与低成本存在矛盾，因此实际选用时，必须全面考虑。首先，应考虑系统的精度和速度的要求。为了
18、提高精度，需要脉冲当量小，但是脉冲当量越小，系统的运行速度越低，故应兼顾精度与速度的要求来选定系统的脉冲当量。在脉冲当量确定以后，又可以此为依据来选择步进电机的步距角和传动机构的传动比。11/13/202246步进电机有两条重要的特性曲线，即反映启动频率与负载转矩之间关系的曲线和反映转矩与连续运行频率之间关系的曲线。这两条曲线是选用步进电机的重要依据。一般将反映起启动频率与负载转矩之间关系的曲线称之为启动矩频特性，将反映转矩与连续运行频率之间关系的曲线称为工作矩频特性。已知负载转矩，可以在启动矩频特性曲线中查出启动频率。这是启动频率的极限值，实际使用时，只要启动频率小于或等于这一极限值，步进电
19、机就可以直接带负载启动。11/13/202247若已知步进电动机的连续运行频率，就可以从工作矩频特性曲线中查出转矩Mdm，这也是转矩的极限值，又是称其为失步转矩。也就是说，若步进电机以频率运行，它所拖动的负载转矩必须小于Mdm，否则就会导致失步。数控机床的运行可分为两种情况：快速进给和切削进给。这两种情况下，对转矩和进给速度有不同的要求。我们选用步进电机时应注意使其在两种情况下都能满足要求。11/13/202248 假若要求进给驱动装置有如下性能：切削进给时的转矩为，最大切削进给速度为ve；在快速进给时的转矩为，最大快进速度为vk。我们可按下面的步骤来检查步进电动机能否满足要求。首先，依据下式
20、，将进给速度值转变成电机的工作频率。式中，v为进给速度(m/min)；为脉冲当量(mm)；f为步进电机工作频率。在上式中，若将最大切削进给速度ve代入，可求得在切削进给时的最大工作频率；若将最大快速进给速度vk代入，就可求得在快速进给时的最大工作频率。11/13/2022491一台三相六拍运行的步进电机，转子齿数Z48，已知电机运行速度为125（转/分）求：写出正反向电机通电顺序；求步距角和电机控制的脉冲频率。11/13/202250步进电机的控制步进电机的控制 1.1.步进电机的工作方式步进电机的工作方式 由前述可知，步进电机的工作方式和一般电机不同，是采用脉冲控制方式工作的。只有按一定规律
21、对各项绕组轮流通电，步进电机才能实现转动。数控机床中采用的功率步进电机有三相、四相、五相和六相等。工作方式有单m拍，双m拍、三m拍及2m拍等，m是电机的相数。所谓单m拍是指每拍只有一相通电，循环拍数为m；双m拍是指每拍同时用两相通电，循环拍数为m；三m拍是每拍有三相通电，循环拍数为m拍；2m拍是各拍既有单相通电，也有两相或三相通电，通常为12相通电或23相通电，循环拍数为2m，如表4-5所示。一般电机的相数越多，工作方式也越多。若按表4-5中相反的顺序通电，则电机反转。11/13/202251表表4-5 反应式步进电机工作方式反应式步进电机工作方式 11/13/2022527.2.47.2.4
22、驱动控制系统组成驱动控制系统组成图图715 步步进进式伺服系式伺服系统统原理框原理框图图（1）工作台位移量的控制（2）工作台进给速度的控制（3）工作台运动方向的控制 11/13/2022532.2.步进电机的控制系统步进电机的控制系统步进电机由于采用脉冲方式工作，且各相需要按照一定规律分配脉冲，因此，在步进电机控制系统中，需要脉冲分配逻辑和脉冲产生逻辑。脉冲的多少需要根据控制对象的运行轨迹计算得到，因此还需要插补运算器。数控机床所用的功率步进电机要求控制驱动系统必须有足够的驱动功率，所以还要求有功率驱动部分。为了保证步进电机不失步的启/停，要求控制系统具有升降速控制环节。11/13/20225
23、47.2.57.2.5步进电动机驱动控制技术步进电动机驱动控制技术1 1环形分配器环形分配器 图图716 三相六拍环形分配器三相六拍环形分配器 11/13/2022552 2功率放大功率放大 图图717 单电压驱动电路原理图单电压驱动电路原理图 11/13/202256图图718 高低高低压驱动电压驱动电路原理路原理图图11/13/2022577.2.67.2.6步进电机的应用步进电机的应用 图图722 选择电选择电机的一般步机的一般步骤骤11/13/2022587.3直流伺服驱动系统直流伺服驱动系统7.3.17.3.1SCRSCR速度控制系统速度控制系统7.3.27.3.2PWM PWM 速
24、度控制系统速度控制系统11/13/2022594.3 直流伺服电动机及其速度控制直流伺服电动机及其速度控制 直流伺服电动机分类直流伺服电动机分类 1.1.改进型直流电动机改进型直流电动机如果把传统用的直流电动机在设计时减少转动惯量、增大其过载能力、改进其换向性能，使它在静态与动态特性方面有所改善，就可成为数控机床的进给驱动伺服电动机。在早期的欧美数控机床中较多采用这种改进型的直流电动机。11/13/2022602.2.永磁直流伺服电动机永磁直流伺服电动机由于永磁直流伺服电动机能在较大过载转矩下长期地工作以及电动机的转子惯量较前述两种电动机都大，因此它能直接与丝杠相连而不需要中间传动装置。而且因
25、为无励磁回路损耗，所以它的外形尺寸比与其相类似的励磁式直流电动机小。它还有一个特点是可在低速下运转，如能在1 r/min甚至在0.1 r/min下平稳地运转，因此，这种电动机在数控机床上获得了广泛的应用。自20世纪70年代至80年代中期，在数控机床应用中，它占据着绝对统治地位，至今，许多数控机床上仍然使用永磁直流伺服电动机。11/13/20226111/13/2022624.4.无刷直流电动机无刷直流电动机无刷直流电动机也叫无换向器直流电动机，是由同步电动机和逆变器组成，而逆变器是由装在转子上的转子位置传感器控制，因此，它实质上是交流调速电动机的一种。由于这种电动机的性能达到直流电动机的水平，
26、又取消了换向器及电刷部件，使电动机寿命大约提高了一个数量级，因此多年来引起了人们很大的兴趣。下面以永磁式直流伺服电动机为例简单介绍直流伺服电机的结构及工作原理。11/13/202263 2.2.工作原理工作原理 永磁式直流伺服电动机的工作原理与普通直流电机相同。用永久磁铁代替普通直流电机的励磁绕组和磁极铁芯，在电机气隙中建立主磁通，产生感应电势和电磁转矩。图示为永磁他激直流伺服电动机电路原理。他激直流伺服电机电路原理图 11/13/202264电机电枢电路的电压平衡方程式为 (4-1)感应电动势为 (4-2)由以上两个方程可得电动机转速特性(4-3)式中U为电动机电枢回路外加电压；Rd为电枢回
27、路电阻；Id为电枢回路电流；Ce为反电动势系数；Kv为反电动势常数；为气隙磁通量。11/13/202265电动机的电磁转矩为(4-4)因此可得电动机机械特性方程式为 (4-5)式中Cm为转矩系数。11/13/2022667.3.17.3.1SCRSCR速度控制系统速度控制系统图图723 双双环调环调速系速系统统的原理框的原理框图图11/13/2022677.3.27.3.2PWM PWM 速度控制系统速度控制系统图图724 PWM直流伺服系直流伺服系统统原理原理图图11/13/202268图图725 PWM速度控制速度控制单单元原理框元原理框图图11/13/202269图图 726 各信号的波
28、形各信号的波形11/13/2022707.4交流伺服驱动系统交流伺服驱动系统7.4.17.4.1交流伺服系统的特点交流伺服系统的特点7.4.27.4.2模拟式交流伺服控制系统模拟式交流伺服控制系统7.4.37.4.3数字式交流伺服系统数字式交流伺服系统7.4.47.4.4交流伺服电动机驱动简介交流伺服电动机驱动简介11/13/2022717.4.17.4.1交流伺服系统的特点交流伺服系统的特点11/13/2022727.4.27.4.2模拟式交流伺服控制系统模拟式交流伺服控制系统图图727 交流模交流模拟拟伺服系伺服系统统原理原理图图11/13/2022737.4.37.4.3数字式交流伺服系
29、统数字式交流伺服系统11/13/202274图图729 数字伺服系数字伺服系统统的的简简化框化框图图11/13/202275图图730 无刷直流无刷直流电动电动机的数字化控制方案机的数字化控制方案一种简单实用的数字化无刷直流电动机的控制方案一种简单实用的数字化无刷直流电动机的控制方案 11/13/202276图图731 全数字永磁同步全数字永磁同步电动电动机控制系机控制系统统框框图图11/13/2022777.5主轴驱动系统主轴驱动系统7.5.17.5.1直流主轴驱动系统直流主轴驱动系统7.5.27.5.2交流主轴驱动系统交流主轴驱动系统7.5.37.5.3主轴定向准停的控制主轴定向准停的控制11/13/2022787.5.17.5.1直流主轴驱动系统直流主轴驱动系统11/13/202279图图732 直流主直流主轴驱动轴驱动系系统统原理原理图图11/13/2022807.5.27.5.2交流主轴驱动系统交流主轴驱动系统11/13/2022817.5.37.5.3主轴定向准停的控制主轴定向准停的控制a）使用位置）使用位置编码编码器器11/13/202282b）使用磁性）使用磁性传传感器感器图图734 主主轴轴定向准停控制示意定向准停控制示意图图11/13/202283复习与思考题复习与思考题11/13/202284