第六章进给伺服系统

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 360 关系如下： ＝ 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 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。
步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或线位移 的一种机电式数模转换器。在结构上分为定子和 转子两部分，现以图6-5所示的反应式三相步进电 机为例加以说明。定子上有六个磁极，每个磁极 上绕有励磁绕组，每相对的两个磁极组成一相， 分成A、B、C三相。转子无绕组，它是由带齿的铁 心做成的。步进电机是按电磁吸引的原理进行工 作的。当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三 对磁极就依次产生磁场，并每次对转子的某一对 齿产生电磁引力，将其吸引过来，而使转子一步 步转动。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极 中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零。如果控制 线路不停地按一定方向切换定子绕组各相电流， 转子便按一定方向不停地转动。步进电机每次转 过的角度称为步距角。
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。
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。
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。
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 机轴上外加一个负载转矩Mz，转子会偏离平衡 位置向负载转矩方向转过一个角度θ，角度θ 称为失调角。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 系叫矩角特性，如图 6-6 所示，近似为正弦曲 线。该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大 静转矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除 去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定 平衡点位置（θ＝0）。
指令
伺服驱动装置
位置控制模 块 速度控制单 元
工作台 位置检测
速度环
速度检测
测量反 馈
伺服电 机
位置环
图6-2 闭环进给伺服系统结构
这种系统不反映反馈回路之外的误差，由于高分辨率的检 测元件也可以获得比较满意的精度
指令+
—-
位置比 较
速度控 制
工作台
速度反馈 位置反馈
伺服电 机
图6-3 半闭环伺服系统简图
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。
返回课件首页
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பைடு நூலகம்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。
C 逆 时 针 转 300 A C 1 B 4 2 B 3C A B 4
1
A 2 A 3 B C 3 逆 时 针 转 300 A 2 3 4 A
C 1 B 逆 时 针 转 300
B C
图6-5 步进电机工作原理
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。
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
A C B
定子
绕组
B A
C
转子
图6-4 三相反应式步进电机结构
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。
（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。
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 （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，调速范围不大。
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。
3. 快速响应快 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反 映了系统跟踪精度。机床进给伺服系统实际上就 是一种高精度的位置随动系统，为保证轮廓切削 形状精度和低的表面粗糙度，要求伺服系统跟踪 指令信号的响应要快，跟随误差小。 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。在数控机床中，由于所用刀 具、加工材料及零件加工要求的不同，为保证在 各种情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服 系统具有足够宽的调速范围。
工作台
齿轮箱 步进电机 指令脉冲
驱动控制 线路
图6-1开环伺服系统简图
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。 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 小型数控机床上，使用半闭环系统较多。
（ 二） 进给驱动与主轴驱动 进给伺服系统包括速度控制环和位置控制环，用 于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制 机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程 所需转矩。主轴伺服系统只是一个速度控制系统， 控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动 功率和所需的切削力，且保证任意转速的调节。 （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。