数控技术CNC第5章-数控机床伺服系统

先接通A相绕组；以后再同时接通A、B相绕组；然后断开
A相绕组，使B相绕组单独接通；再同时接通B、C相绕组，
依此进行。在这种通电方式时，定子三相绕组需经过六次
切换才能完成一个循环，故称为“六拍”，而且在通电时，
有时是单个绕组接通，有时又为两个绕组同时接通，因此
称为三相六拍。在这种通电方式时，步进电动机的步距角
5-2 步进电机及开环控制系统
一 、 步进电机结构特点及种类
步进电机又称为脉冲电机—它的输入既不 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 入的脉冲个数成正比，转速与脉冲频率成 正比。
分类：根据其结构和材料大体分为可变磁 阻式（反应式）、永磁式和混合式（永磁 感应式）三种基本类型。按输出扭矩分： 伺服式（功率较小)，功率式(功率较大）。
步进电动机的选用
（4）步进电动机驱动
步进电动机工作方式：步进电动机的工作方式和一般电动 机的不同，它是采用脉冲控制方式工作的。只有按—定规 律对各相绕组轮流通电，步进电动机才能实现转动。数控 机床中采用的功率步进电动机有三相、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 是电动机的相数。所谓单m拍是指每拍只有一相通电，循 环拍数为m；双m拍是指每拍同时有两相通电，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 1~2相通电或2～3相通电，循环拍数为2m，步进电动机 相数越多，工作方式也越多。
5 ） 低速大转矩
二、伺服系统的组成
数控伺服系统由伺服电机（M）、驱动信号控制转换电路、 电力电子驱动放大模块、电流调解单元、速度调解单元、 位置调解单元和相应的检测装置（如光电脉冲编码器G） 等组成。一般闭环伺服系统的结构如图5.1所示。它是一 个三环结构系统，其中，外环是位置环，中环是速度环， 内环为电流环。
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
四 、 伺服系统的分类
1 按控制方式划分： 开环控制系统；半闭控制环系统；闭环控 制系统。
2 按系统中执行元件电动机的类型划分 （1）步进驱动系统— 执行元件为步进电机 （2）直流伺服驱动系统—执行元件为直流 伺服电机。 （3）交流伺服驱动系统—执行元件为交流 伺服电机。
目前，步进电动机主要用于经济型数控机床的进 给驱动，一般采用开环控制结构。也有的采用步 进电动机驱动的数控机床同时采用了位置检测元 件，构成了反馈补偿型的驱动控制结构。
三相步进电动机除了单三拍通电方式外，还经常工作在三
相六拍通电方式。这时通电顺序为A—AB—B—BC—
B—CA—A，或为A—AB—C—CB—BA—A。也就是说，
第五章 数控机床伺服系统
重点： 1伺服系统的作用、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
5-1 概述
一、 伺服系统概念
1. 概念： 数控机床的伺服系统是指以机床移动部件位
移和速度为控制对象的自动控制系统。 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。
伺服系统的组成 伺服系统由伺服电机、伺服驱动装置、机械 传动装置、位置检测装置等组成。
脉冲分配
脉冲分配
• 采用小规模集成电路搭接而成的三相六拍环形脉 冲分配器，如图5.27所示。图中C1、C2、C3为 双稳态触发器。这种方式灵活性很大，可搭接任 意相任意通电顺序的环形分配器，同时在工作时 不占用计算机的工作时间。
脉冲分配
• 采用专用环形分配器器件，如市售的CH250即为 一种三相步进电动机专用分配器。它可以实现三 相步进电动机的各种环形分配，使用方便、接口 简单。图5.28（a）所示为CH250的管脚，图5.28 （b）为三相六拍接线。其工作状态如表5.4所列。
减速时间常数Ta和Td来描述步进电动机的升速和
降速特性，如图5.24所示。
步进电动机特性
矩频特性和动态转矩 矩频特性描述步进电 动机连续稳定运行时输出转矩与连续运行 频率之间的关系，如图所示。该特性上每 一频率值对应的转矩称为动态转矩，动态 转矩随连续运行频率的上升而下降。
（3）步进电动机的选用
与单三拍时的情况有所不同。在单三拍通电方式中，步进
电动机每经过一拍，转子转过的步距角30° 。采用单、双
六拍通电方式后，步进电动机由A相绕组单独通电到B相
绕组单独通电，中间还要经过A、B两相同时通电这个状
态，也就是说要经过二拍转子才转过30°。所以这种通电
方式下，三相步进电动机s的3步0距/2 角15
步进电动机驱动电路
步进电动机驱动电路
脉冲分配 • 采用软件实现。利用查表或计算来进行脉冲的环形分配，
简称软环分。表5.3为三相六拍分配状态，可将表中状态 代码01H、03H、02H、06H、04H、05H列入程序数据表 中，通过软件可顺次在数据表中提取数据并通过输出接口 输出即可，通过正向顺序读取和反向顺序读取可控制电动 机进行正、反转。通过控制读取一次数据的时间间隔可控 制电动机的转速。该方法能充分利用计算机软件资源以降 低硬件成本，尤其是对多相的脉冲分配具有更大的优点。 但由于软环分占用计算机的运行时间，故会使插补—次的 时间增加，从而影响步进电动机的运行速度。
树立遵纪
二、伺服系统的组成
位置环由位置调节控制模块、位置检测和反馈控 制部分组成；
速度环由速度比较调节器、速度反馈和速度检测 装置（如测速发电机、光电脉冲编码器等）组成；
电流环由电流调节器、电流反馈和电流检测环节 组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和 功率放大器等组成。
三、 对伺服电机的要求
反应式步进电动机的转子齿数z
z 2p(K 1) m
步进电动机的步距角： 步距角指步进电机定子绕组通电状态每改变 一次，转子转过的角度。
360
mzk
z——转子的齿数，k——状态系数。
2.步进电动机特性
步距角和静态步距误差：
步进电动机的步距角是决定开环伺服系统脉冲当 量的重要参数，数控机床中常见的反应式步进电 动机的步距角一般为0.5°~3°，一般情况下，步 距角越小，加工精度越高。
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为最高工作频率。它是决定定子绕组通电 状态最高变化频率的参数，它决定了步进
电动机的最高转速。其值远大于fq，且随
负载的性质和大小而异，与驱动电源也有 很大关系。
步进电动机特性
加、减速特性 步进电动机的加、减速特性是描
述步进电动机由静止到工作频率和由工作频率到 静止的加、减速过程中，定子绕组通电状态的变 化频率与时间的关系。当要求步进电动机起动到 大于突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须 逐渐下降。逐渐上升和下降的加速时间，减速时 间不能过小，否则会出现失步或超步。这里用加、
计算机三相六拍环形分配表 （查表法）
步序
导电相
正转 反转
A
AB
B
BC
C
CA
工作状态
CBA 001 011 010 110 100 101
数值（16进制） 程序的数据表
01H 03H 02H 06H 04H 05H
TAB0 DB 01H TAB1 DB 03H TAB2 DB 02H TAB3 DB 06H TAB4 DB 04H TAB5 DB 05H
合理选用步进电动机对开环伺服控制系统相当重要。通常 希望步进电动机的输出转矩大，起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，在实际选用 时必须综合考虑。首先，应考虑系统的精度和速度的要求。 为了提高精度，希望脉冲当量小。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 选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。步进电动 机的步距角从理论上说是固定的，但实际上还是有误差的。 另外，负载转矩也将引起步进电动机的定位误差。通常应 将步进电动机的步距误差、负载引起的定位误差和传动机 构的误差全部考虑在内，使总的误差小于数控机床允许的 定位误差。
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。