6-6数控技术第六章进给伺服系统

KmZ
(6-1)
式中 —步进电机的步距角；
m—电机相数； Z—转子齿数；
K—系数，相邻两次通电相数相同，K＝1；
相邻两次通电相数不同，K＝2。
同 一 相 数 的 步 进 电 机 可 有 两 种 步 距 角 ， 通 常 为 1.2/0.6 、 1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。步距误差是指步进电机运行
失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个 静态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩
等于负载转矩。静态转矩与失调角θ的关系叫
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进给伺服系统的作用：接受数控装置发出 的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置 作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、 交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动 机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作 进给或快速运动。 数控机床的进给伺服系统与一般机床的进给系 统有着本质的区别：能根据指令信号精确地控 制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行 部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。如果 把数控装置比作数控机床的“大脑”，是发布 “命令”的指挥机构，那么伺服系统就是数控 机床的“四肢”，是执行“命令”的机构，它 是一个不折不扣的跟随者。
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5. 低速大扭矩
要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。机 床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此， 伺服系统在低速时要求有大的转矩输出。
三、伺服系统的分类
数控机床的伺服系统按其控制原理和有无位置反 馈装置分为开环和闭环伺服系统；按其用途和 功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按其 驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动系 统和电气伺服驱动系统。电气伺服驱动系统又 分为直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统及 直线电动机伺服系统。本章主要介绍进给伺服 驱动系统
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二、 对伺服系统的基本要求
1. 位移精度高
伺服系统的精度是指输出量跟随输入量的精确 程度。伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求 机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服 系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。 两者误差愈小，位移精度愈高。
2. 稳定性好
稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在 短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来 平衡状态的能力。要求伺服系统具有较强的抗 干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性 直接影响数控加工精度和表面粗糙度。
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（一）开环和闭环伺服系统 1、如图6-1为开环伺服系统简图，步进电机转过的角度与指令脉冲
个数成正比，其速度由进给脉冲的频率决定,反映到工作台上是其移 动速度和位移大小。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序， 就可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。由于系统中没有 监测和反馈环节，工作中移动到不到位，取决于不进电机的步距角精 度，齿轮传动间隙，丝杠螺母副的精度等。
（3）步进电机的步距角a与定子绕组的相数m、转子 的齿数z、通电方式k有关
（4）步进电机效率低，拖动负载能力不大，调速范围不1大9 。
二、步进电机的主要性能指标
1. 步距角和步距误差 每输入一个脉冲电信号，步进电机转子转过的角度成为步距
角。 步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的
关系如下： ＝ 360
指令脉冲
齿轮箱 步进电机
工作台
驱动控制 线路
图6-1开环伺服系统简图
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2、闭环伺服系统又可进一步分为全闭环和半闭
环伺服系统。全闭环伺服系统的位置检测装置 安装在机床的工作台上（图6-2），检测装置测 出实际位移量或者实际所处位置，并将测量值 反馈给CNC装置，与指令进行比较，求得差值， 依此构成闭环位置控制。闭环方式被大量用在 精度要求较高的大型数控机床上。
小型数控机床上，使用半闭环系统较多。 7
指令
伺服驱动装置
位置控制模 块
速度控制单 元
速度环
工作台 位置检测
速度检测
伺服电 机
位置环
测量反 馈
图6-2 闭环进给伺服系统结构
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这种系统不反映反馈回路之外的误差，由于高分辨率的检 测元件ห้องสมุดไป่ตู้可以获得比较满意的精度
指令+ 位 置 比 —- 较
速度控 制
速度反馈 位置反馈
（三）直流、交流伺服系统与直线电动机伺服系统
直流伺服系统就是控制直流电机的系统。目前使用 比较多的是永磁式直流伺服电机。永磁直流伺服电 机（也称为大惯量宽调速直流伺服电机），调速范 围宽，输出转矩大，过载能力强，而且电机转动惯 量较大，应用较方便 ，适合数控机床对频繁启动、 制动、以及速度定位、切削的要求。
时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。步
距误差直接影响执行部件的定位精度及步进电机的动态特
性。大小由制造精度、齿槽的分布及定子和转子间气隙不
均匀等因素造成。
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2. 静态转矩与矩角特性
当步进电机上某相定子绕组通电之后，转子齿 将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻最小，
转子处在平衡位置不动（θ＝0）。如果在电机 轴置上向外负加载一转个矩负方载向转转矩过M一个z，角转度子θ会，偏角离度平θ称衡为位
3、半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在 电动机轴上，用以精确控制电机的角度，然后 通过滚珠丝杠等传动部件，将角度转换成工作 台的位移，为间接测量(图6-3)。即坐标运动的 传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差 没有得到系统的补偿，因而半闭环伺服系统的 精度低于闭环系统。目前在精度要求适中的中
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第六章 数控机床的伺服系统
第一节 概述
一、 伺服系统的组成
数控机床的伺服系统按其功能可分为： 进给伺服系统和主轴伺服系统。主轴伺服 系统用于控制机床主轴的转动。进给伺服 系统是以机床移动部件（如工作台）的位 置和速度作为控制量的自动控制系统，通 常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动 机构及执行部件组成。
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但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且 结构复杂，价格也高。进入80年代后，由于交 流电机调速技术的突破，交流伺服驱动系统进 入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服电 机，转子惯量比直流电机小，动态响应好。而 且容易维修，制造简单，适合于在较恶劣环境 中使用，易于向大容量、高速度方向发展，其 性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统， 另外从减少伺服驱动系统外形尺寸和提高可靠 性角度来看，采用交流电机比采用直流电及更 合适。交流伺服电机已在数控机床中得到广泛 应用。
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A
定子
C
B
绕组
B
C
A
转子
图6-4 三相反应式步进电机结构
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为进一步了解步进电机的工作原理，以图6-5为例来说 明其转动的整个过程，假设转子上有四个齿，相邻两 齿间夹角（齿距角）为900。当A相通电时，转子1、3 齿被磁极A产生的电磁引力吸引过去，使1、3齿与A相 磁极对齐。接着B相通电，A相断电，磁极B又把距它最 近的一对齿2、4吸引过来，使转子按逆时针方向转动 30o。然后C相通电，B相断电，转子又逆时针旋转30o， 依次类推，定子按A→B→C→A顺序通电，转子就一步 步地按逆时针方向转动，每步转30o。若改变通电顺序， 按A→C→B→A使定子绕组通电，步进电机就按顺时针 方向转动，同样每步转30o。这种控制方式叫三相单三 拍方式，“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍” 是指每三次换接为一个循环。由于每次只有一相绕组 通电，在切换瞬间将失去自锁转矩，容易失步，另外， 只有一相绕组通电，易在平衡位置附近产生振荡，稳 定性不佳，故实际应用中不采用单三拍工作方式。
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综上所述，可以得出以下结论：
（1）步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它 的转子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距 角。步进电机受脉冲电流的控制，其转子的角位移 和角速度严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正 比。改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋 转方向随之改变
（2）步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快， 其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越 高，转子的转速越高
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直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开， 然后拉直演变而成，利用电磁作用原理，将电 能直接转换成直线运动动能的一种推力装置， 是一种较为理想的驱动装置。在机床进给系统 中，采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的 最大区别是取消了从电动机到工作台之间的机 械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为 零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动机 驱动方式无法达到的性能指标和优点。由于直 线电动机在机床中的应用目前还处于初级阶段， 还有待进一步研究和改进。随着各相关配套技 术的发展和直线电动机制造工艺的完善，相信 用直线电动机作进给驱动的机床会得到广泛应 用。
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第二节 步进电机及其驱动装置
一、步进电机工作原理
• 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的 驱动元件。给一个电脉冲信号，步进电动机就回转一 个固定的角度，称为一步，所以称为步进电动机。由 于它输入的是脉冲电流，也称为脉冲电动机。
• 步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系统 中，步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换 成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并 通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代 表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方 向是由步进电机的各相通电顺序来决定，并且保持电 机各相通电状态就能使电机自锁。但由于该系统没有 反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定，速度 也受到步进电机性能的限制。
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逆 时 针 转 300
A C 1 2B
4 B
3 C3
A
逆 时 针 转 300
A C1 2 B
B 4 3C A
A C 2B 1
3 B4 C
A
逆 时 针 转 300 图6-5 步进电机工作原理
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采用三相双三拍控制方式，即通电顺序按AB→BC→CA→AB （逆时针方向）或AC→CB→BA→AC（顺时针方向）进行， 其步距角仍为300。由于双三拍控制每次有二相绕组通电， 而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作比较稳定。如 果按A→AB→B→BC→C→CA→A顺序通电，即首先A相通电， 然后A相不断电，B相再通电，即A、B两相同时通电，接着 A相断电而B相保持通电状态，然后再使B、C两相通电，依 次类推，每切换一次，步进电机逆时针转过15°。如通电 顺序改为A→AC→C→CB→B→BA→A，则步进电机以步距角 15°顺时针旋转。这种控制方式为三相六拍，它比三相三 拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且转换过程中 始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被大 量采用。 实际应用的步进电机如图6-5所示，转子铁心和定子磁极 上均有齿距相等的小齿，且齿数要有一定比例的配合。