1、2019/10/10,第 6 章 数控伺服系统,2019/10/10,6.1 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。,2019/10/10,6.1 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
2、一种“执行机构”。它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。,2019/10/10,6.1.1 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。,2019/10/10,6.1.1 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。,2019/10/10,1精度高 伺服系统的精度是指输出
3、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,201
4、9/10/10,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 对伺服系统的基本要求,2019/10/10,1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,6.1.2 伺服系统的分类,2019/10/10,6.1.2 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
5、系统），故系统稳定性好。,2019/10/10,6.1.2 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。,2019/10/10,6.1.2 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。,2019/10/10,6.1.2 伺服系统的
6、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机床中得到了广泛应用。,2019/10/10,6.1.2 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。,2019/10/10,6.1.2 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
7、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。,2019/10/10,2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
8、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。,6.1.2 伺服系统的分类,2019/10/10,3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（
9、4）全数字伺服系统,6.1.2 伺服系统的分类,2019/10/10,6.2 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）,2019/10/10,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。,6.2.1 直流伺服电机及工
10、作特性,2019/10/10,1直流伺服电机的结构,2019/10/10, 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 一般直流电机的工作特性,2019/10/10,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转速的差 （6.7）,2一般直流电机的工作特性
11、,O,2019/10/10, 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。,2一般直流电机的工作特性,2019/10/10,(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,20
12、19/10/10,3永磁直流伺服电机的工作特性,d%80 110% 120% 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,2019/10/10,4主轴直流伺服电机的工作原理和特性,2019/10/10,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。,6.2 2 交流伺服电机及工作特性,VS,
13、VS,2019/10/10,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,1永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理,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,2019/10/10,1永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理,2019/10/10,（2）永磁交流同步伺服电机工作原理和性能,1永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理,n（r/min）,2019/10/10,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 图615
14、 交流主轴伺服电机的特性曲线,2交流主轴伺服电机的结构和工作原理,2019/10/10,（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,3、交流伺服电机的发展,2019/10/10,6.3 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
15、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。,2019/10/10,6.3.1 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
16、。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,2019/10/10,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。,2019/10/10,2）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
17、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：1-2-3-4-5-6，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。,2019/10/10,原理：,e
18、),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,2019/10/10,3）控制回路分析,触发脉冲产生的过程： 改变触发角，即改变控制角,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
19、）无静差。,2019/10/10,运算放大器的类型,反向比例放大器 反向比例加法运算放大器 同向比例放大器 积分运算放大器比例积分运算放大器： 比较器,R3,R3,二个输入端的内阻非常大，不向运放内流电流放大倍 数非常大。同相端接地，电位为0，为实地；方向端 电为也为0，虚地。U2=-U1R3/R2,2019/10/10,功率因数,交流电阻电路：功率(平均) P = UI =I2R =U 2/ R 交流电阻电容电路：纯电容电路电流超前电压相位=90功率 (平均) P =UIcos 交流电阻电感电路：纯电感电路电流落后电压相位=90功率 (平均) P =UIcos 由于交流电路中电感电容的存在，
20、平均功率不等于电 压电流的乘积，而差一个cos ，既与电压电流的相位差 有关。其中cos 称为功率因数。 cos 越高越好。造成功率因数不高的主要原因是感性负载，如异步电 机、工频炉、日光灯的功率因数都不高；提高功率因数的 办法是在感性负载上并联电容。,2019/10/10,总结 速度控制的原理：调速：当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器的输入端，产生前移的触发脉冲，可控硅整流器输出直流电压提高，电机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定相匹配达到新的平衡，电机以较高的转速运行。干扰：假如系统受到外界干扰，如负载增加，电机转速下降，速度反馈电压降低，则速度调节器的输入
21、偏差信号增大，其输出信号也增大，经电流调节器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使电机转速恢复到干扰前的数值。电网波动：电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电机转速由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使电流调节器的输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原来值，从而抑制了主回路电流的变化。启动、制动、加减速：电流调节器还能保证电机启动、制动时的大转矩、加减速的良好动态性能。,2019/10/10,（2） 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统 1）系统的组成及特点,U,usr,us f,整流,功放,20
22、19/10/10, 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。直流脉宽调制：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。,2019/10/10,直流脉宽调调制的基本原理,周期
23、不变,周期不变,脉宽,脉宽,脉宽,脉宽,平均直流电压,脉冲宽度正比代表速度F值的直流电压,U,t,2019/10/10,2） 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,2019/10/10,3） 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 、T
24、4及四个续流二极管组成的桥式电路。,H型： 又分为 双极式、单极 式和受限单极 式三种。 Ub1、 Ub2、Ub3 Ub4 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,2019/10/10,工作原理：T1 和T4 同时导通和关断，其基极驱动电压Ub1= Ub4。T2和T3同时导通和关断，基极驱动电压Ub2= Ub3 = Ub1。以正脉冲较宽为例，既正转时。负载较重时： 电动状态：当0t t1时， Ub1、Ub4为正， T1 和T4 导通；Ub2、Ub3 为负， T2和T3截止。电机端电压UAB=US，电枢电流id= id1，
25、由US T1 T4 地。 续流维持电动状态：在t1 t T时， Ub1、Ub4为负， T1 和T4截止； Ub2、Ub3 变正，但T2和T3并不能立即导通，因为在电枢电感储能的作用下，电枢电流id= id2，由D2 D3续流，在D2、 D3 上的压降使T2 、 T3的c-e极承受反压不能导通。 UAB=-US。接着再变到电动状态、续流维持电动状态反复进行，如上面左图。负载较轻时： 反接制动状态，电流反向： 状态中，在负载较轻时，则id小，续流电流很快衰减到零，即t =t2 时（见上面右图），id=0。在t2 T 区段， T2 、T3 在US 和反电动势E的共同作用下导通，电枢电流反向，id=
26、id3由US T3 T2 地。电机处于反接制动状态。 电枢电感储能维持电流反向：在T t3区段时，驱动脉冲极性改变，T2 、T3截止，因电枢电感维持电流， id= id4，由D4 D1。,2019/10/10,电机正转、反转、停止：由正、负驱动电压脉冲宽窄而定。当正脉冲较宽时，既t1 T/2，平均电压为正，电机正转；当正脉冲较窄时，既t1 T/2 ，平均电压为负，电机反转；如果正、负脉冲宽度相等，t1=T/2 ，平均电压为零，电机停转。电机速度的改变：电枢上的平均电压UAB越大，转速越高。它是由驱动电压脉冲宽度决定的。双极性： 由以上分析表明： 可逆H型双极式PWM开关功率放大器，无论负载是重
27、还是轻、电机 是正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都在 US和 US之间变换一次，故称为双极性。,2019/10/10,（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:较正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高。,2019/10/10,6.3.2直流主轴驱动的速度控制,2019/10/10,6.3.3 交流进给与动的速度控制,1.交流伺服电机的调速方法 2.正弦脉宽调制（SPWM）变压变频调速,2019/10/10,6.3.4,2019/10/10,6.3.5,2019/10/10,6.3.6,2019/10/10,6.4 位置控制,2019/10/10,谢谢听讲 欢迎提出宝贵意见和建议,
