1、数控伺服系统,第六章,第六章 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。,第六章 数控伺服系统,6.1 概 述,数控机床伺服系统是数控系统的重要组成部分，是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。它接受来自数控装置的进给
2、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。,第六章 数控伺服系统,6.1 概 述,进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说CNC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，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。,第六章 数控伺服系统,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：
3、位置环、速度环、电流环。,第六章 数控伺服系统,6.1.1 伺服系统的组成,如图所示，这是一个三环结构系统， 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。位置控制主要用于进给运动坐标轴，对进给袖的控制是要求最高的位置控制，不仅对单个轴的运动速度和位置精度的控制有严格要求，而且在多轴联动时，还要求各进给运动轴有很好的动态配合，才能保证加工精度和表面质量。位置控制功能包括位置控制、速度控制和电流控制。速度控制功能只包括速度控制和电流 控制，一般用于对主运动坐标轴
4、的控制。,第六章 数控伺服系统,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 度。包括定位精度和轮廓加工精度。定位精度一般允许的偏差为0.010.001mm，甚至 0.1um。轮廓加工精度与速度控制、联动坐标的协调一致控制有关。 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。为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面租糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。一 方面要求过渡过程(电机从
5、静止到额定转速)的时间要短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒，另一方面要求超调要小。 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。,第六章 数控伺服系统,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
6、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。,第六章 数控伺服系统,6.1.3 伺服系统的分类,第六章 数控伺服系统,6.1.3 伺服系统的分类,第六章 数控伺服系统,6.1.3 伺服系统的分类,第六章 数控伺服系统,6.1.3 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）
7、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。,第六章 数控伺服系统,6.1.3 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，包速度控制环和位置控制环。（2）主轴伺服系统 一般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
8、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,第六章 数控伺服系统,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）,第六章 数控伺服系统,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：永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直流电机（普通型）
9、；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。,第六章 数控伺服系统,1直流伺服电机的结构,第六章 数控伺服系统,2 一般直流电机的工作特性, 静态特性,此公式表明了电机转速与电磁力矩的关系，此关系称为机械特性，是静态特性，是稳定运行时带动负载的特性，稳定运行时，电磁转矩与所带负载转矩相等。,第六章 数控伺服系统,2 一般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,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。,电机的动态性直接影响生产率、加工精度和表面质量。该式表明动态过程中，电机由直流电
10、能转换来的电磁转矩TM,克服负载转矩后，其剩余部分用来克服机械惯量，产生加速度，已使电机由一种稳定状态过渡到另一种稳定状态。,第六章 数控伺服系统,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。,第六章 数控伺服系统,3永磁直流伺服电机的工作特性,第六章 数控伺服系统,4主轴直流伺服电机的工作原理和
11、特性,第六章 数控伺服系统,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。,第六章 数控伺服系统,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,图611 永磁交流同步伺服电机结构,第六章 数控伺服系统,1永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理,第六章 数控伺服系统,1永磁交流同步伺
12、服电机的结构和工作原理,第六章 数控伺服系统,2交流主轴伺服电机的结构和工作原理,步进电动机,1、步进电动机的定义：步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。步进电动机又称为电脉冲马达，是伺服电动机的一种。它是开环控制元件。 步进电机实质上是一种数模转换装置。 2、步进电动机名字的由来：电脉冲信号一个一个地输入，电动机便一步一步地转动，步进电动机的名字因之得名。,步进电动机的两种工作状态,1、运转当有脉冲输入步进电动机时，步进电动机就一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。 2、定位当没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置
13、，处于定位状态。,步进电动机的应用,由于步进电机的成本较低，易于采用计算机控制，被广泛应用于开环控制的伺服系统中。如数控机床中等。,1、步距角：当步进电动机每输入一个电脉冲时，它便转过一个固定的角度，这个角度称为步距角，简称为步距。2、步进电动机的位移量与输入脉冲数严格成比例，转速与脉冲频率和步距角有关。3、控制输入脉冲数量、频率及电动机各项绕组的接通次序，可以得到各种需要的运行特性。,步距角的概念及影响因素,步进电动机的结构和工作原理,1、结构特点步进电动机在结构上分为定子和转子两部分。定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组。转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构。 反应式步进电动机：
14、转子本身没有励磁绕组。 永磁式步进电动机：转子由永久磁铁做的。,2、步进电动机的工作原理,三相反应式步进电动机的工作原理图,上图所示为一台三相六拍反应式步进电动机， 定子上有三对磁极，每对磁极上绕有一相控制 绕组，转子有四个分布均匀齿，齿上没有绕组。,a,b,c,由环形分配器送来的脉冲信号，对定子绕组轮流通电，设先对A相控制绕组通电，而B相和C相不通电。由于磁通具有力图沿磁阻最小路径通过的特点，图a中转子齿1和3的轴线与定子A极轴线对齐，即在电磁吸力的作用下，将转子1、3齿吸引到A极下，此时转子只受径向力，无切向力，转矩为0，转子自锁在这个位置上，而B、C两项的定子齿与转子齿在不同方向上各错开
15、30度。,如果A、C相断电，B项通电，此时转子受反应转矩而转动，使转子齿2、4与定子极B、B对齐，转子在空间上逆时针转过30度，即前进了一步，转过一个步距角，如图b所示。同样，若A、B相断电，C项通电，此时转子也受反应转矩而转动，使转子齿1、3与定子极C、C对齐，转子在空间上逆时针转过30度，即前进了一步，转过一个步距角，如图c所示。,若转子按A-B-C-A顺序不断地接通和断开控制绕组，电动机便按一定的方向一步一步地转动，若按A-C-B-A的顺序通电，则电动机反向一步一步转动。在步进电机中，控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍，每一拍转子就转过一个步距角，上述的运行方式每次只有一个绕组单独通电
16、，控制绕组每换接三次构成一个循环。,3、步进电动机的通电方式,1、拍：从一种通电状态转换到另一种通电状态。 2、单：每次切换前只有一相绕组通电。 3、双：每次切换前有两相绕组通电。 4、三相单三拍通电：步进电机若以A-B-C-A方式通电，因为定子绕组为三相，每一次只有一相绕组通电，而每一个循环只有三次通电，故称为。三相单三拍通电方式下，步距角为30 。,5、三相六拍通电：步进电机若按A-AB-B-BC-C-CA-A的方式循环通电，则称为。三相六拍通电方式下，步距角为15 。 6、三相双三拍通电：步进电机若按AB-BC-CA-AB的方式循环通电，则称为。三相双三拍通电方式下，步距角为30 ，与单
17、相单三拍时的步距角相同。,对于同一台步进电动机，其通电方式不同，步距角可能不一样，采用单、双拍通电方式，其步矩角是单拍或双拍的一半；采用双极通电方式，其稳定性比单极要好。 上述构的步进电动机无论采用哪种通电方式，角距角要么为30，要么为15，都太大，无法满足生产中对精度的要求，在实践中一般采用转子齿数很多、定子磁极上带有小齿的反应式结构。,小步距角步进电机,三相反应式步进电动机结构示意图,为了满足生产中精度的要求，一般采用转子齿数很多、定子磁极上带有小齿的反应式结构，如右图可以看出，定子上有三对磁极，转子上有三相绕组，定子内圆和转子外圆均有齿和槽，且定子和转子的齿宽和齿距相等。,定子极面上的小
18、齿与转子上的小齿应符合下面的规律：当A相的定子齿和转子齿对齐时，B相的定子齿应相对于转子齿顺时针方向相差1/3齿距，C相的定子齿应相对于转子齿顺时针方向相差2/3齿距，即当某一磁极下定子与转子牛仔 相对时，下一相磁极下定子与转子齿的位置则刚好错开 ，其中， 为齿距， 为模数。再下一个磁极定子与转子的齿则错开 。,当步进电动机定子绕组按A-B-C-A的顺序轮流通电时，转子就沿顺时针方向一步一步地转动，各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。设转子的齿数为Z，则齿距为：,小步距角步进电机步距角的计算,因为步进电动机每通电一次（即运行一拍），转子就走一步，故步距角为：,式中， 是状态系数，（单双三
19、拍时， ；单、双六拍时， ）。,举例说明,若步进电动机的齿数Z40，三相单三拍运行时，其步距角：,三相三拍步距角展开图,若三相六拍运行时，其步距角：,由此可见，步进电动机的转子齿数和定子相数越多，步距角越小，控制越精确。,步进电动机转速的计算,当定子绕组按着一定顺序不断轮流通电时，步时电动机就持续不断地旋转。若设电脉冲的频率为 ，步距角用孤度表示，则步进电动机的转速为：,步进电动机的分类,1、按步进电动机的工作原理分 （1）励磁式：电动机的定子和转子都有绕组，靠电磁力矩使转子转动。 （2）反应式：转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动。是我国步时电动机的主型。 （3）混合式（永磁感
20、应子式）：与反应式的主要区别是转子上置有磁钢。具有驱动电流小、效率高、过载能力强等优点。,2、按输出转矩大小分 （1）快速步进电动机：输出转矩一般为0.074N*m。用于控制小型精密机床的工作台。 （2）功率步进电动机：输出转矩一般为540N*m，可直接驱动机床移动部件。此外，还可按励磁相数分为三相、四相、五相、六相等。,第六章 数控伺服系统,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
21、，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。,第六章 数控伺服系统,6.3.1 直流进给运动的速度控制,第六章 数控伺服系统,晶闸管调速系统 1）系统的组成,第六章 数控伺服系统,2）主回路工作原理,第六章 数控伺服系统,主回路波形图,第六章 数控伺服系统,3）控制回路分析,第六章 数控伺服系统,运算放大器的类型,第六章 数控伺服系统,功率因数(以单向为例）,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
22、=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，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。,第六章 数控伺服系统,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
23、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
24、时的大转矩、加减速的良好动态性能。,第六章 数控伺服系统,（2） 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统 1）系统的组成及特点,第六章 数控伺服系统, 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
25、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。,第六章 数控伺服系统,直流脉宽调制的基本原理,第六章 数控伺服系统,2） 脉宽调制器,第六章 数控伺服系统,3） 开关功率放大器,第六章 数控伺服系统,（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
26、率因数高。 动态硬度好:校正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高。,第六章 数控伺服系统,6.3.2直流主轴驱动的速度控制,1.对直流主轴伺服系统的要求 N、Mn 特性，低速恒转矩，高速恒功率。 良好的加、减速及换向功能。 过载能力，150%（额定电流的1.5倍）。 大的调速范围。 准停、同步、恒线速度控制功能。 2.直流主轴速度控制单元：没有位置控制，只是速度控制系统。,第六章 数控伺服系统,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：f 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,第六章 数控伺服系统,6
27、.3.3 交流进给运动的速度控制,第六章 数控伺服系统,6.3.3 交流进给运动的速度控制,2.正弦脉宽调制（SPWM）变压变频器 基本概念,1964年德国人率先提出脉宽调制变频思想，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。功率开关器件还可采用：可关断晶闸管GTO、功率场效应晶体管MOSFET、绝缘门极晶体管IGBT等。,第六章 数控伺服系统,第六章 数控伺服系统,
