第三章进给伺服系统

动作 机床 位移、速度
工作台

步进伺服系统
CNC
驱动放大
步进电机
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二.构成
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
位臵调节单元 速度调节单元 电流调节单元 检测装臵
一般闭环系统为三环结构：位臵环、速度环、电流环。
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二.构成
位置调解 速度调解 电流调解 转换驱动 M 工作台
脉冲 驱动电路 步进电机 工作台
（2）闭环伺服系统
指令
位置控制
速度控制
伺服电机
速度检测
位置检测
（3）半闭环伺服系统
工作台 指令 位置控制 速度控制 伺服电机 脉冲编码器
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四.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→进给系统），故系统稳定性好。
脉冲频率f f、n 脉冲环 形分配 脉冲个数n 变换 换算
第三章 进给伺服系统
2.步进电机的结构
2) 转子
左图为一转子示意图：
转子上有均匀分布的
齿，没有绕组。
以四十齿为例来说明 步进电机的原理
转子齿间夹角为9o
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第三章 进给伺服系统
3. 步进电机的实物图
第三章 进给伺服系统
3. 步进电机的实物图
第三章 进给伺服系统
3. 步进电机的实物图
第三章 进给伺服系统
3. 步进电机的实物图
第三章 进给伺服系统
3. 步进电机的实物图
第三章 进给伺服系统
3. 步进电机的实物图
第三章 进给伺服系统
3. 步进电机的实物图
第三章 进给伺服系统
3. 步进电机的实物图
第三章 进给伺服系统
3. 步进电机的实物图
第三章 进给伺服系统
3. 步进电机的实物图
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第三章 进给伺服系统
四.分类
数字伺服系统
5. 按控制信号分
模拟伺服系统
数字模拟混合伺服系统
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四.分类
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）
B相
6o
C相
转子
转子
转子
4.工作原理
步进驱动的原理：步进电机是一种将电脉冲转化为角位 移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱 动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 (1) 组成：步进驱动控制装置、步进电机、减速机构。 实例如下图
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四.分类
– 全闭环数控系统

全闭环数控系统的位臵采样点如图的虚线所示，
直接对运动部件的实际位臵进行检测。
位置控制单元
CNC 插补 指令 + 位置控制调节 器
速度控制单元 + 速度控制 调节与驱动
机械执行部件
实际 速度 反馈 检测与反馈 单元
实际 位置 反馈
电机
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电流反馈
G
速度反馈 位置反馈
位臵、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈
部分组成。电力电子驱动装臵由驱动信号产生电路和功率
放大器组成。 严格来说：位臵控制包括位臵、速度和电流控制；速度
控制包括速度和电流控制。
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三.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。准确、可靠地执行指令。
直线电机（高速、高精度）
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第三章 进给伺服系统
第一节 概述
习 题
1.数控机床对伺服驱动系统有哪些要求？ (1) 调速范围宽并有良好的稳定性，尤其是低速时的平稳性； (2) 负载特性硬，即使在低速时也应有足够的负载能力； (3) 动态响应速度快； (4) 高的位移精度； (5) 能够频繁地启动；
3．快速响应 快速跟随指令脉冲，可频繁起、停、反向；尽快消 除负载扰动。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。 10000：1以上，且稳定性好 。0～24m / 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。负载特性硬；足够大的加（减）速力矩 6. 误差无累积
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第三章 进给伺服系统
第二节

开环伺服系统
一、组成
伺服驱动单元、执行元件、传动机构
工作台
CNC
驱动放大
步进电机
二、步进电机
将电脉冲转变成机械角位移的装置
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第三章 进给伺服系统
1.分类
按输出转矩分： 快速步进电机、功率 步进电机。 按励磁相数分： 三相、四相、五相、六相、八相 等 按工作原理分： 反应式、激磁式、混合式（永磁反应式）
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第三章 进给伺服系统
四.分类
速度倥制电路 开环进给伺服系统 伺服驱动电路（系统） 伺服驱动电路（系统）
σ ,x 机械传动及执行部件
按 有 无 反 馈 分
CNC CNC
位 位 置 置 反 反 馈 馈
wk.baidu.com
位置控 位置控 制电路 制电路 速 速 度 度 反 反 馈 馈
Z2
步进 电机 电流反馈 电流反馈 t
第三章 进给伺服系统
第一节 概述
第二节 开环伺服系统
第三节 闭环伺服系统
第三章提要 进给伺服系统
本章介绍进给伺服系统的构成及工作原理，
提 要
叙述步进电机、直流伺服电机、交流伺服电
机等伺服驱动元件的结构及调速方法，阐述
开环伺服系统、闭环伺服系统的构成及控制 原理。
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目标 第三章 进给伺服系统
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第三章 进给伺服系统
2.步进电机的结构
步进电机由转子和定子两部分组成 1) 定子 定子上有绕组分为若干相，每相磁极上有极齿。
左图为三相定子：AA’,BB’,CC’
A、B、C三相每相两极， 每极上五个齿
五个极齿
第三章 进给伺服系统
2.步进电机的结构
定子上线圈的绕法
A相
C相
B相
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掌握伺服系统的功能、分类及其特点：数控机床 对伺服系统的要求 掌握开环伺服系统的组成及工作原理
目 标
步进电机的工作原理、脉冲分配方式、驱动电源 的类型及工作原理 了解提高步进开环伺服系统精度的措施
掌握感应同步器、光栅等检测元件的工作原理
掌握直流伺服电机位置控制原理 了解交流伺服电机位置控制原理
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如果说CNC装臵是数控系统的“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装臵发来的运动命令，精确 控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。
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第三章 进给伺服系统
第一节 概述
二.构成
伺服系统构成

指令信息 CNC 伺服系统 位置、速度
————————————————、——————————————————三类。
模拟伺服系统
数字模拟混合伺服系统
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第一节 概述
习 题
4. 伺服系统按控制元件可分为 ————————————————、 交流伺服系统 、——————————————————三类。 ———————————————— 直流伺服系统 步进伺服系统
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第一节 概述
习 题
开环进给伺服系统 2. 伺服系统按有无反馈可分为 ————————————————、
————————————————、——————————————————三类。
闭环进给伺服系统
半闭环进给伺服系统
数字伺服系统
3. 伺服系统按控制信号可分为 ————————————————、
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三.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。
4.工作原理
第三章 进给伺服系统
如果A相通电则转子齿与A相极齿对齐，这时在B相两极下 定子齿与转子齿中心线并不对齐，而是转子齿中心线较定 子齿中心线反时针方向落后1/3齿距，即3o。 C相下，转子齿超前6o。 因此，当通电状态由A相变为B相时，转子顺时针方向 转过3o，C相通电再转3o。
9o
A相
3o
CNC
插补指令
A相、B 相 功率 放大 C相、…
机械执行部件
电机
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四.分类
–
无位臵反馈，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。
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四.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） 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。
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四.分类
– 半闭环数控系统

半闭环数控系统的位臵采样点如图所示，是从驱 动装臵(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臵。
速度控制单元
位置控制调节 器
位置控制单元
CNC 插补 指令 + -
+
-
速度控制 调节与驱动
机械执行部件
实际 位置 反馈
臵的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为 直线或旋转运动。
• CNC装臵与机床的联系环节,是数控机床的重要组成部分。
• 其性能直接决定和影响CNC系统的快速性、稳定性、精确性 •数控机床伺服系统又称为位臵随动系统、驱动系统、伺服机构
或伺服单元。
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进给伺服系统是数控系统主要的子系统。
实际 速度 反馈 检测与反馈单 元
电机
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四.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。
闭环进给伺服系统 驱动 CNC
电路
伺服
指令脉冲
Z1
D.C或 机械传动及执行部件 A.C
位置检测装置
位置检测装置
伺服驱动电路
伺服驱动装置 伺服驱动装置 伺服驱动装置
开环进给伺服系统 半闭环伺服驱动装置 闭环伺服驱动装置 半闭环进给伺服系统
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四.分类
1．按调节理论分类
（1）开环伺服系统
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四.分类
3．按被控对象分类 （1）进给伺服系统 指一般概念的位臵伺服系统， 包括速度控制环和位臵控制环。 （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 （4）全数字伺服系统
四.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。具有很高的位臵控制精
度。

由于位臵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。
建议 第三章
进给伺服系统
本章内容既有理论分析，又有实验
建 议
研究，同时还涉及设计计算方法。学
习中，应特别注意各种伺服驱动元件
的调速方法和调速原理，了解各种驱
动元件之间的性能比较及其应用场合。
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第三章 进给伺服系统

第一节 概述
一、作用
•以位臵和速度作为控制量的自动控制系统，它接受来自数控装