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1、第六章 数控机床的伺服系统重点：1伺服系统的要求、分类、组成2 常用伺服电机工作原理及其驱动装置特点3 常用位置检测元件工作原理及特点 6-1 概述 一一 伺服系统概念伺服系统概念 1 1 概念概念 数控机床的伺服系统是指数控机床的伺服系统是指以机床移以机床移动部件位移和速度为控制对象的自动控制系动部件位移和速度为控制对象的自动控制系统统。数控机床伺服系统包括进给伺服驱动系统；数控机床伺服系统包括进给伺服驱动系统；主轴伺服驱动系统。主轴伺服驱动系统。伺服系统的组成伺服系统的组成 伺服系统由伺服电机、伺服驱动装置、机械伺服系统由伺服电机、伺服驱动装置、机械传动装置、传动装置、位置检测装置等组成位
2、置检测装置等组成。2 伺服系统的基本要求1）精度高精度高 伺服系统精度取决于机械传伺服系统精度取决于机械传动精度和伺服系统最小分辨率精度。动精度和伺服系统最小分辨率精度。2）响应快速）响应快速 响应速度提高，可以减小跟响应速度提高，可以减小跟随误差，一般在随误差，一般在200 ms以内。以内。3）稳定性好稳定性好 稳定性直接影响数控加工稳定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。精度和表面粗糙度。4）调速范围宽）调速范围宽 R=nmax/nmin 进给伺服与进给伺服与主轴范围不一样主轴范围不一样5）低速大转矩低速大转矩3 电气控制伺服系统从控制的角度来说，一般电气伺服系统结构为三闭环控制。位置PI
3、D速度PID电流PID伺服电机速度反馈位置反馈给定二 对伺服电机的要求1）在调速范围内，具有平稳的运行速度2）具有较大较长时间的过载能力3）具有较大的启动加速度4）能够承受频繁启动、制动和反转三 伺服系统的分类1 按控制方式划分：按控制方式划分：开环控制系统；半闭控开环控制系统；半闭控制环系统；闭环控制系统制环系统；闭环控制系统。2 按系统中执行元件电动机的类型划分按系统中执行元件电动机的类型划分（1）步进驱动系统）步进驱动系统 执行元件为步进电机执行元件为步进电机（2）直流伺服驱动系统）直流伺服驱动系统执行元件为直流执行元件为直流伺服电机。伺服电机。（3）交流伺服驱动系统）交流伺服驱动系统执
4、行元件为交流执行元件为交流伺服电机。伺服电机。6-2 步进电机及开环控制系统一一 步进电机结构特点及种类步进电机结构特点及种类步进电机又称为脉冲电机步进电机又称为脉冲电机它的输入既不它的输入既不是交流电，也不是直流电，而是电脉冲。是交流电，也不是直流电，而是电脉冲。其主要特点：步进电机输出的角位移与输其主要特点：步进电机输出的角位移与输入的脉冲个数成正比，转速与脉冲频率成入的脉冲个数成正比，转速与脉冲频率成正比。正比。分类：分类：根据其结构和材料大体分为根据其结构和材料大体分为可变磁可变磁阻式（反应式）、永磁式和混合式（永磁阻式（反应式）、永磁式和混合式（永磁感应式）三种基本类型感应式）三种基
5、本类型。按输出扭矩分：。按输出扭矩分：伺服式（功率较小伺服式（功率较小)，功率式，功率式(功率较大）。功率较大）。二 步进电机结构及工作原理1.结构与原理左图为径向分相式三相步进电机。步进电机定子齿距分布 步进电机工作原理工作原理：以三相反应式为例2 运行节拍与通电方式 在一个完整的通断电循环中，绕组通电状态的不同组合数称为运行拍数。每拍转子转过一个步距角。通电方式：ABCA；ABBCCAAB；AABBBCCCAA 3 径向分相式与轴向分相式4 步距角 s=360/mPN P 运行节拍与相数的比例，N转子齿数 m相数。三 步进电机进给控制1 转向控制 2 速度大小控制 控制步进电机相邻两种励磁
6、状态之间的时间，就可以实现步进电机速度控制。V=60f 式中f 输入到步进电机的脉冲频率Hz，脉冲当量mm/脉冲，V 单位 mm/min3 自动升降速控制当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；同样，从最高工作频率或高干突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。四 步进电机特性与选用1 步进电机的优点2 主要技术特性（1）步距角及其误差（不大于10）s=360/mPN P 运行节拍与相数的比例，N转子齿数 m相数（2）矩角特性与最大静转矩（3）启动频率（4）连续运行频率（5）矩频特性3.选用 （1）选定类型（2）确定脉冲当量（3）计算齿轮传动比 （L为丝杠螺距
7、、m一转的脉冲数）（4）确定高速运行的输出扭矩（大于负载转矩，并留余量）（5）确定电机启动频率计算机三相六拍环形分配表（查表法）步序 导电相 工作状态 数值（16进制）程序的数据表 正转 反转 CBA A00101H TAB0 DB 01H AB01103H TAB1 DB 03HB01002H TAB2 DB 02HBC11006H TAB3 DB 06HC10004H TAB4 DB 04HCA10105H TAB5 DB 05H6-2 直流、交流伺服驱动（闭环控制系统）闭环控制的伺服系统执行元件为直流、交流伺服电机。一 直流伺服电机 直流伺服电机具有良好的调速性能，在以往的数控机床上得到
8、广泛使用。直流伺服电机分为有刷和无刷两种基本类型。有刷直流伺服电机通常采用永久磁铁做定子。而无刷电机转子为永久磁铁，定子为电枢。1.直流伺服电机的工作原理直流伺服电机基本结构和工作原理与一般的直流电机相同，所不同的是为了满足快速响应的要求，从结构上做得细长一些。直流伺服电机工作原理图2.直流电机的输出特性直流电机的电枢电路：R+E=UE=KenT-Tf=Jdn/dt当电机稳定运行时 T=TfT=KT=KT(U E)/R=KT(U Ken)/RMUaEaIa机械特性和调速特性二 直流伺服电机驱动装置1 可控硅调速电路(SCR)采用三相全控桥式整流电路，通过对12个晶闸管触发角的控制，达到控制电机
9、电枢电压的目的。2 脉宽调制PWM 调速电路UAB=USt1-(T-t1)US/T=(2t1/T-1)US=(2 -1)-1)US =0.5 0.5 UAB=0 电机不转电机不转 0.5 0.5 UAB0 电机正转电机正转 0.5 0.5 UAB0 电机反转电机反转 3直流驱动系统的双闭环控制系统速度调节电流调节功率放大MTG电流反馈速度反馈三.交流伺服电动机直流伺服电机存在机械整流子、电刷维护困难，造价高，寿命短、应用环境受限制的缺点。而交流伺服电机结构简单，耐用可靠，动态响应好，驱动调速技术日益成熟。用三相交流电驱动的伺服电机叫AC伺服电机。AC伺服电机按工作原理划分为：永磁同步型；异步感应型。1.永磁同步型AC伺服电机永磁同步型AC伺服电机，转子用永磁材料制成，定子装有三相对称绕组，通入三相对称、相位相差120的交流电，可产生旋转磁场。多极永磁同步型AC伺服电机结构如下图示转子转速 n=n1=60f/p p磁极对数，f电源频率。2 AC伺服电机SPWM调速永磁同步型AC伺服电机的转速与电源频率存在严格的关系。因此，用变频调速驱动装置，非常适宜。为获得宽的调速范围，该驱动电源不仅要求电压和电流可调，而且频率也必须可以连续可调。因此调速的关键部件之一就是变频器，变频器分为：交 直交型；交交型。数控机床常用前者，而且其逆变器多采用脉宽调制PWM逆变器。