数控系统及伺服驱动系统
什么是伺服驱动系统？伺服驱动系统的基本概念及其组成分类
什么是伺服驱动系统？伺服驱动系统的基本概念及其组成分类伺服驱动系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，例如数控机床等。
伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量（机电系统中的伺服电机的转动惯量较大，为了能够和丝杠等机械部件直接相连，也为了得到极高的响应速度，伺服电机有一种专门的小惯量电机。
但这类电机的过载能力低，当使用在进给伺服系统中时，必须加减速装置。
转动惯量反映了系统的加速度特性，在选择伺服电机时，系统的转动惯量不能大于电机转动惯量的3倍。
）较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。
当然，其基本工作原理和普通的交直流电机没有什么不同。
该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有时简称为伺服，一般其内部包括电流、速度和/或位置闭环。
伺服驱动系统的基本概念伺服系统是数控机床的重要组成部分，是连接数控装置（计算机）和机床之间的关键桥梁，伺服系统的性能在很大程度上决定了数控机床的性能，如数控机床的定位精度、跟踪精度、最高移动速度等重要指标。
建议我们先来学习一些基础概念，再学习各种进给伺服系统的控制方式。
深刻理解掌握这部分知识，会对更好的学习后面的数控加工工艺有一定的帮助。
1、进给伺服系统
（1）组成
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。
见图1所示。
（2）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。
第五章 数控机床的伺服驱动系统
（7）惯性匹配 移动部件加速和降速时都有较大的惯量，由于要求系统
的快速响应性能好，因而电动机的惯量要与移动部件的惯量 匹配。通常要求电动机的惯量不小于移动部件惯量。
数控机床的伺服驱动系统
5.2 位置控制
D/A 转换器
伺服放大器
伺服 电动机
Pf 反馈脉冲
位置检测
脉冲处理
图 5-2 脉冲比较伺服系统结构框图
工作台
光栅或光 电编码器
数控机床的伺服驱动系统
(1) 由计算机数控制装置提供指令的脉冲。 (2) 反映机床工作台实际位置的位置检测器。 (3) 完成指令信号与反馈信号相比较的比较器。 (4) 将比较器输出数字信号转变成伺服电动机模拟控制 信号的数/模转换器。 (5) 执行元件（伺服电动机）。
数控机床的伺服驱动系统
（1）指令脉冲PC=0，这时反馈脉冲Pf=0，则Pe=0，则伺
服电动机的速度给定为零，工作台继续保持静止不动。
（2）现有正向指令PC+=2，可逆计数器加2，在工作台尚 未移动之前，反馈脉冲Pf+=0，可逆计数器输出Pe=Pc+－Pf+=2
－0=2，经转换，速度指令为正，伺服电动机正转，工作台 正向进给。
CP A9 ≥1
CP
RC
+Vcc B
A A10 RD Q +Vcc
A3
DS
A4
Q CP
≥1
A7
DS
CPQ
A8 ≥1
RC
+Vcc BQ
A A11 RD +Vcc
D Q7 A12
数控系统伺服驱动器接线及参数设定
数控系统伺服驱动器接线及参数设定数控系统是一种实现数控机床运动控制的系统，它通过数控程序控制伺服驱动器驱动电机实现机床各轴的精确定位和运动控制。
正确的接线和参数设定对于数控系统的稳定运行和良好性能至关重要。
一、数控系统伺服驱动器接线1.电源线接线：将电源线的两根火线分别接入伺服驱动器的AC1和AC2端口，将零线接入伺服驱动器的COM端口。
2.电动机线接线：将电动机的三根相线分别接入伺服驱动器的U、V、W端口，注意保持相序正确。
3.编码器线接线：将编码器的信号线分别接入伺服驱动器的A相、B相和Z相端口，注意保持对应关系。
4.I/O信号线接线：将数控系统的输入信号线分别接入伺服驱动器的I/O端口，将数控系统的输出信号线分别接入伺服驱动器的O/I端口。
二、数控系统伺服驱动器参数设定伺服驱动器的参数设定包括基本参数设定和运动参数设定。
1.基本参数设定：包括电源参数设定、电机参数设定和编码器参数设定。
-电源参数设定：设置电源电压和频率等基本参数，确保电源供电稳定。
-电机参数设定：设置电机类型、额定电流、极数等参数，确保驱动器与电机匹配。
-编码器参数设定：设置编码器型号、分辨率等参数，确保编码器信号精确反馈。
2.运动参数设定：包括速度参数设定、加速度参数设定和位置参数设定。
-速度参数设定：设置速度环的比例增益、积分增益和速度限制等参数，确保速度控制精度。
-加速度参数设定：设置加速度环的比例增益、积分增益和加速度限制等参数，确保加速度控制平稳。
-位置参数设定：设置位置环的比例增益、积分增益和位置限制等参数，确保位置控制准确。
3.其他参数设定：包括滤波参数设定、限位参数设定和插补参数设定等。
-滤波参数设定：设置滤波器的截止频率和衰减系数等参数，确保驱动器与电机的振动减小。
-限位参数设定：设置限位开关的触发逻辑和触发动作等参数，确保机床在限位时及时停止。
-插补参数设定：设置插补周期、插补梯度和插补速度等参数，确保插补运动的平滑与快速。
数控技术 第七章 数控机床的进给伺服系统
三 步进电动机的基本控制方法
（2） 双电压功率放大电路 优点：功耗低，改善了脉冲 优点：功耗低， 前沿。 前沿。 缺点：高低压衔接处电流波 缺点： 形呈凹形， 形呈凹形，使步进电机 输出转矩降低， 输出转矩降低，适用于 大功率和高频工作的步 进电机。 进电机。
三 步进电动机的基本控制方法
（3） 斩波恒流功放电路 优点： 优点：1）R3较小（小 R3较小（ 较小 于兆欧） 于兆欧）使整个 系统功耗下降， 系统功耗下降， 效率提高。 效率提高。 2）主回路不串 电阻， 电阻，电流上升 快，即反应快。 即反应快。 3）由于取样绕 组的反馈作用， 组的反馈作用， 绕组电流可以恒定在确定的数值上， 绕组电流可以恒定在确定的数值上，从而保证在很大频率范 围内，步进电机能输出恒定的转矩。 围内，步进电机能输出恒定的转矩。
二 数控机床对伺服系统的基本要求
1 高精度 一般要求定位精度为0.01~0.001mm； ； 一般要求定位精度为 高档设备的定位精度要求达到0.1um以上。 以上。 高档设备的定位精度要求达到 以上 2 快速响应 3 调速范围宽 调速范围指的是 max/nmin 。 调速范围宽:调速范围指的是 调速范围指的是:n 进给伺服系统:一般要求 进给伺服系统 一般要求0~30m/min，有的已达到 一般要求 ，有的已达到240m/min 主轴伺服系统:要求 主轴伺服系统 要求1:100~1:1000恒转矩调速 要求 恒转矩调速 1:10以上的恒功率调速 以上的恒功率调速
一 直流伺服电动机调速原理
7-30 直流电动机的机械特性
二 直流电动机的PWM调速原理 直流电动机的 调速原理
7-24 脉宽调制示意图 脉宽调制示意图
Ud =
τ
T
U = δ T U δ T 称为导通率
浅析伺服系统与数控机床两者的关系
数控英才网转载：在数控机床上，伺服调控系统是其不可缺少的一部门。
其任务是把数控信息转化为机床进给运动，从而实现精准控制。
卧式数控机床由CNC控制器，伺服驱动及电机、电器柜和数控机床的机架四部门组成。
模拟伺服用途单一，只接收模拟信号，位置控制通常由上位机实现。
配有数字接口，改变工作方式、更换电念头规格时，只需重设代码即可，故也称万能伺服。
具有较丰硕的自诊断、报警功能。
在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统，有三种类型：模拟形式、数字形式和软件形式。
交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并跟着新技术的发展而不断完善，详细体现在三个方面。
直接影响数控加工的精度和表面粗拙度；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；调速范围宽，其调速范围可达0—30m/min；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。
其工作原理是：通过CNC内配置的专用编程软件，将加工零件的的轨迹用坐标的方式表达出来，把这些信息转化成能使驱动伺服电机的带有功率的信号(脉冲串)，控制伺服电机带动相应轴来实现运动轨迹。
一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进提高前辈控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。
因为数控机床对产品加工时要求高，所以采用的伺服控制系统十分枢纽。
其将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电机的监控程序以软件实现。
作为数控机床的重要功能部件，伺服系统是影响系统加工机能的重要指标。
目前在机床行业，海内外众多厂商都有该行业的伺服产品，其中国外的西门子、博世力士乐，海内的东能、汇川、台达等产品在2011年的市场表现较好。
数控机床伺服系统的分类
数控机床伺服系统的分类数控机床伺服系统按用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按控制原理和有无检测反馈环节分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统；按使用的执行元件分为电液伺服系统和电气伺服系统。
1.按用途和功能分：(1)进给驱动系统：是用于数控机床工作台坐标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的力矩。
主要关心其力矩大小、调速范围大小、调节精度高低、动态响应的快速性。
进给驱动系统一般包括速度控制环和位置控制环。
(2)主轴驱动系统：用于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。
主要关心其是否有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围；它只是一个速度控制系统。
2.按使用的执行元件分：(1)电液伺服系统其伺服驱动装置是电液脉冲马达和电液伺服马达。
其优点是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；其缺点是液压系统需要供油系统，体积大、噪声、漏油等。
（2）电气伺服系统其伺服驱动装置伺服电机（如步进电机、直流电机和交流电机等）。
其优点是操作维护方便，可靠性高。
其中，1）直流伺服系统其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。
其优点是调速性能好；其缺点是有电刷，速度不高。
2）交流伺服系统其进给运动系统采用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）。
优点是结构简单、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。
3.按控制原理分（1）开环伺服系统系统中没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。
开环伺服系统的特点：1. 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。
2. 无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，机床运动精度主要取决于伺服驱动电机和机械传动机构的性能和精度。
步进电机步距误差，齿轮副、丝杠螺母副的传动误差都会反映在零件上，影响零件的精度。
数控机床的伺服驱动系统
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6.2 二维数组
6.2.3二维数组的初始化
一维数组初始化也是在类型说明时给各下标变量赋以初值。 一维数组可按行分段赋值，也可按行连续赋值。
6.2 步进电机及其驱动控制系统
4、根据结构分类 步进电机可制成轴向分相式和径向分相式，轴向分相式
又称多段式，径向分相式又称单段式。单段反应式步进电机， 是目前步进电机中使用最多的一种结构形式。还有一种反应 式步进电机是按轴向分相的，这种步进电机也称为多段反应 式步进电机。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
6.2.1步进电机的分类
1、根据相数分类 步进电机有二、四、五、六相等几种，相数越多，步距
角越小，而且采用多相通电，可以提高步进电机的输出转矩。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
2、根据力矩产生的原理分类 分为反应式和永磁反应式(也称混合式)两类。 反应式步进电机的定子有多相磁极，其上有励磁绕组， 而转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生 反应力矩实现步进运行。永磁反应式步进电机的定子结构与 反应式相似，但转子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁 力矩实现步进运行，这样可提高电机的输出转矩，减少定子 绕组的电流。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
1、三相三拍工作方式 在图6-2中，设A相通电，A相绕组的磁力线为保持磁阻
最小，给转子施加电磁力矩，使磁极A与相邻转子的1、3齿 对齐；接下来若B相通电，A相断电，磁极B又将距它最近的 2、4齿吸引过来与之对齐，使转子按逆时针方向旋转30°； 下一步C相通电，B相断电，
伺服驱动系统的分类
伺服驱动系统的分类数控机床的伺服驱动系统按其用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按其掌握原理和有无位置检测反馈环节分为开环系统和闭环系统；按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和沟通伺服驱动系统。
1.进给驱动与主轴驱动进给驱动是用于数控机床工作台或刀架坐标的掌握系统，掌握机床各坐标轴的切削进给运动，并供应切削过程所需的转矩。
主轴驱动掌握机床主轴的旋转运动，为机床主轴供应驱动功率和所需的切削力。
一般地，对于进给驱动系统，主要关怀它的转矩大小、调整范围的大小和调整精度的凹凸，以及动态响应速度的快慢。
对于主轴驱动系统，主要关怀其是否具有足够的功率、宽的恒功率调整范围及速度调整范围。
2.开环掌握和闭环掌握数控机床伺服驱动系统按有无位置反馈分两种基本的掌握结构，即开环掌握和闭环掌握。
由此形成位置开环掌握系统和位置闭环掌握系统。
闭环掌握系统又可依据位置检测装置在机床上安装的位置不同，进一步分为半闭环伺服驱动掌握系统和全闭环伺服驱动掌握系统。
若位置检测装置安装在机床的工作台上，构成的伺服驱动掌握系统为全闭环掌握系统；若位置检测装置安装在机床丝杠上，构成的伺服驱动掌握系统则为半闭环掌握系统。
现代数控机床的伺服驱动多采纳闭环掌握系统。
开环掌握系统常用于经济型数控或老设备的改造。
3.直流伺服驱动与沟通伺服驱动直流大惯量伺服电机具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载力量强，而且，由于电机惯性与机床传动部件的惯量相当，构成闭环后易于调整。
而直流中小惯量伺服电机及其大功率晶体管脉宽调制驱动装置，比较适应数控机床对频繁启动、制动，以及快速定位、切削的要求。
但直流电机一个最大的特点是具有电刷和机械换向器，这限制了它向大容量、高电压、高速度方向的进展，使其应用受到限制。
进入1980年月，在电机掌握领域沟通电机调速技术取得了突破性进展，沟通伺服驱动系统大举进入电气传动调速掌握的各个领域。
数控机床的进给伺服系统概述
• 当步进电机励磁绕组相数大于3时，多相通电多数 能提高输出转矩。
• 所以功率较大的步进电机多数采用多于三相的励磁 绕组，且多相通电。
3、启动转矩Mq
AB C Mq
e
当电机所带负载ML<Mq时，电机可不失步的启动。
2、最高启动频率和最高工作频率
最高启动频率fg： 步进电机由静止突然启动，并不失步地进 入稳速运行，所允许的启动频率的最高值。 最高启动频率fg与步进电机的惯性负载J有 关。
故电动机的转速n为：
n f (r/s) 60 f (r/min) f ——控制脉冲的频率
mzk
mzk
SB-58-1型五定子轴向分相反应式步进电机。
• 定子和转子都分为5段，呈轴向分布；有16个 齿均匀分布在圆周上，
• 齿距=360º/16=22.5º；各相定子彼此径向错开 1/5个齿的齿距；
如按5相5拍通电，则步距角为：
4）电动机定子绕组每改变一次通电方式——称为一拍 5）每输入一个脉冲信号，转子转过的角度——步距角αº • 上述通电方式称为：三相单三拍。（三相三拍） • 单——每次通电时，只有一相绕组通电； • 双——每次通电时，有两相绕组通电； • 三拍——经过三次切换绕组的通电状态为一个循环； • 除此之外的通电方式还有： • 三相双三拍： AB—BC—CA—AB • 三相单双六拍： A—AB—B—BC—C—CA—A
第三节 数控机床的检测装置
1、检测装置的作用
• 检测装置是数控机床闭环伺服系统的重要组成部分 • 其作用是：检测位移和速度，发送反馈信号，构成
（1） 直线进给系统 已知：进给系统的脉冲当量δmm；步进电机的
步距角αº；滚珠丝杠的导程t mm；
求： 齿轮传动比 i。
数控机床的伺服驱动系统
数控机床的伺服驱动系统
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，而在数控机床中，伺服系
2
统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统，它由执行组件（如步进电机、交直流电动机
等）和相应的控制电路组成，包括主驱动和进给驱动。伺服系统接收来自CNC装置的进给
脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有
（4）步进电动机的主要特点
步进电动机受脉冲信号的 控制，每输入一个脉冲， 就变换一次绕组的通电状 态，电动机就相应转动一 步。因此角位移与输入脉 冲个数成严格的比例关系。
一旦停止送入控制脉冲， 只要维持控制绕组电流不 变，电动机可以保持在其 固定的位置上，不需要机 械制动装置。
输出转角精度高，虽有相 邻齿距误差；但无积累误 差。
4.3.2.2 直流伺服电动机
直流伺服电动机是数控机床伺服系统中应用最早的，也是使用最广泛的 执行组件。直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种结构类型。随着磁性 材料的发展，用稀土材料制作的永磁式直流伺服电动机的性能超过了电 磁式直流伺服电动机，目前广泛应用于机床进给驱动。直流伺服电动机 的工作原理与普通直流电动机完全相同，但工作状态和性能差别很大。 机床进给伺服系统中使用的多为大功率直流伺服电动机，如低惯量电动 机和宽调速电动机等。
θb =
从上面的分析可以看 出，步进电动机转动 的角度取决于定子绕 组的相数、转子齿数 及供电的逻辑状态。 若以θb表示步距角， 则有
（4-12）
360
mzK 式中 m—步进电动机相数；z—转子齿数；K—由 步进电动机控制方式确定的拍数和相数的比例系 数，如三相三拍时，K＝１；而三相六拍制时，K ＝２。 为了提高加工精度，一般要求步距角很小，数控 机床中常用的步进电动机步距角为0.36ｏ～3ｏ
伺服驱动系统
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伺服系统,其驱动元件为步进 电机.
功率步进电机控制系统的结构最简单,控制最容易,维修最方 便,控制为全数字化,这完全符合数字化控制技术的要求,控 制系统与步进电机的驱动控制电路结为一体.
步进电机又称脉冲电机,每接受一个脉冲信号转子转过一个角度,称为步距 角.
脉冲数目：位移大小；脉冲频率：速度大小；通电顺序：方向控制. 步进电机的结构：单段式三相反应式步进电机结构：
工作原理：电磁吸合 转子：开槽形成齿 定子：有磁极
以三相单三拍为例说明工作原理：
✓ 第一拍：A相励磁绕组通电,B、C励磁绕组断电.A相定子绕组的磁力线为 保持磁阻最小,给转子施加力矩,使相邻转子齿与之对齐.
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.
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.0~30m/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
按使用场合分：有功率步进电机和控制步进电机.
按电机结构分：有单段式径向式、多段式轴向式、印刷绕组 式.
按工作相数分：有三相、四相、五相等.
按使用频率分：有高频步进电机和低频步进电机.
数控机床中使用较多的是反应式步进电机和永磁感应式步进 电机
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2步进电机的结构与工作原理
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如上所述,在电磁转矩的作用下,转子有一定的稳定平衡点.
数控车床工作原理
数控车床工作原理数控车床是一种通过计算机程序控制工具移动和工件加工的自动化机床。
它的工作原理是通过数控系统控制工具在三维空间内的移动轨迹，从而实现对工件的加工。
数控车床的工作原理主要包括数控系统、伺服驱动系统、主轴驱动系统和夹紧系统等几个方面。
首先，数控系统是数控车床的核心部件，它由控制器、输入设备和输出设备组成。
控制器是数控系统的大脑，它接收输入设备传来的指令，经过处理后控制伺服驱动系统的运动。
输入设备通常是键盘或者其他外部设备，用于输入加工工艺参数、工件图形和加工程序等信息。
输出设备则是显示屏或打印机，用于输出加工过程中的各种信息。
其次，伺服驱动系统是数控车床实现工具移动的关键部件。
它由伺服电机、滚珠丝杠、导轨和编码器等组成。
伺服电机是根据数控系统的指令，通过控制电流大小和方向来驱动工具在三维空间内的移动。
滚珠丝杠和导轨则是用于支撑和传动工具的移动，它们的精度和稳定性直接影响数控车床的加工精度。
再者，主轴驱动系统是数控车床实现工具转动的关键部件。
它由主轴电机、变速箱和主轴轴承等组成。
主轴电机是用来驱动主轴的旋转运动，它的转速和转矩会影响加工过程中的切削力和加工效率。
变速箱则是用来调节主轴的转速，以适应不同加工工艺的需求。
主轴轴承则是用来支撑和固定主轴，保证其在高速旋转时的稳定性和精度。
最后，夹紧系统是数控车床实现工件夹紧的关键部件。
它由卡盘、夹紧器和液压系统等组成。
卡盘是用来夹紧工件的装置，它通常有三爪或四爪，能够适应不同形状和尺寸的工件。
夹紧器是用来控制卡盘的夹紧力，以保证工件在加工过程中的稳定性和安全性。
液压系统则是用来提供夹紧力的动力来源，它通过液压缸和油泵等设备来实现对夹紧器的控制。
综上所述，数控车床的工作原理是通过数控系统控制工具在三维空间内的移动轨迹，从而实现对工件的加工。
它的核心部件包括数控系统、伺服驱动系统、主轴驱动系统和夹紧系统等几个方面，它们共同协作完成数控车床的加工任务。
《数控原理与系统》第4章__伺服驱动系统
第4章 伺服驱动系统
4.2.1 步進電動機 1. 步進電動機的特點 步進電動機是一種將電脈衝信號 轉換成相應角位移的機電執行元件。給 一個電脈衝信號，步進電動機就回轉一 個固定的角度，稱為一步，所以稱為步 進電動機。由於其轉動角度由脈衝個數 控制，不需要回饋環節，所以在經濟型 數控機床上得到了廣泛的應用。概括起 來步進電機具有如下優點：
第4章 伺服驱动系统
第4章 伺服驅動系統
4.1 伺服系統概述 4.2 開環步進電動機驅動系統 4.3 直流伺服系統 4.4 交流伺服系統 4.5典型數控伺服驅動系統簡介 小結 習題
第4章 伺服驱动系统
4.1 伺服系統概述
1. 基本概念 伺服（Servo）系統又叫隨動系統， 是一種能 夠跟隨指令信號的變化而動作的自動控制裝置， 根據實現方法不同， 可以分為機械隨動（仿形） 系統、 液壓伺服系統、 電氣伺服系統等， 目前 的數控機床均採用電氣伺服系統。
第4章 伺服驱动系统
在數控機床中，CNC裝置是發佈命令的“大 腦”， 而伺服系統則是數控機床的“四肢”， 是一種執行機構， 它能夠準確地執行來自 CNC 裝置的運動指令。 伺服系統由伺服驅動裝置、伺服電動機、位 置檢測裝置等組成。伺服驅動裝置的主要功能是 功率放大和速度調節，將弱信號轉換為強信號， 並保證系統的動態性能；伺服電動機用來將電能 轉換為機械能，拖動機械部件移動或轉動。
第4章 伺服驱动系统
半閉環伺服系統一般將位置檢測元件安裝在電動機 軸上(一般電機生產商已裝好)，用以精確控制電動機的角 度，然後通過滾珠絲杠等傳動機構，將角度轉換成工作臺 的直線位移。半閉環的閉環環路短，不包括傳動機構等大 慣性環節，因而系統容易達到較高的位置增益，不發生振 盪現象。且其快速性好，動態精度高，傳動機構的非線性 因素對系統的影響小。因此被廣泛採用。但如果傳動機構 的誤差過大或其誤差不穩定，則數控系統難以補償。如由 傳動機構的扭曲變形所引起的彈性間隙，因其與負載力矩 有關，故無法補償。由製造與安裝所引起的重複定位誤差 以及由於環境溫度與絲杠溫度變化所引起的絲杠螺距誤差 也是不能補償的。因此要進一步提高精度，只有採用全閉 環控制方式。
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三、数控机床对伺服系统的要求
➢ 高精度 要求定位准确（定位误差持别是重复定位误差要
小），跟随精度高（跟随误差小）。一般定位精度要求达到 mm级，高的达0.01~0.005 mm。
➢ 灵敏度高，响应快 提高生产率和保证加工质量，一般电
机升降速过渡过程，时间在0.2s以下。另外，当负载突变时， 要求速度的恢复时间短，且无振荡，这样才能得到光滑的加 工表面。
1、编码器分类
➢ 按码盘信号的读取方式可分为：光电式、接触式和电磁式 以光电式的精度和可靠性最好，NC机床常用光电式编码器
➢ 按测量坐标系又可分为：增量式和绝对式 ➢按每转发出的脉冲数分为：高分辨率 20000-30000p/r
普通分辨率 2000-3000p/r
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2. 增量式光电脉冲编码器
增量式光栅 绝对式光栅
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2. 直线透射光栅 （1）组成
光栅检测装置基本结构示意图
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透射光栅
光栅检测装置的结构 数控系统及伺服驱动系统
反射光栅
0
1
1,1
0,0 0,1 1,0
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（2） 直线透射光栅的工作原理
由于挡光效应和光的衍射，在与线纹几乎垂直方向上， 会出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为“莫尔条 纹” 。
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控制系统组成
➢ 直观分为三部分：
CNC装置 电控箱 安装与机械本体部分的控制部件
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CNC装置
数控系统及伺服驱动系统
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控制系统硬件结构
➢ 按功能结构分：
伺服控制器
CNC系统
主轴控制器 IO控制
用户接口
XYZ伺服马达
主轴
主电路继电器 按钮 报警器
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2B
B
光栅尺横向莫尔条纹及其参数
B
=
w
/
q
2尔条纹的特点（续）：
➢ 均化误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，栅距之 间的相邻误差被均化。短光栅的工作长度愈长,这一 均化误差的作用愈显著。
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（5）光栅特点 ➢ 优点：
数控技术
CNC控制系统
§ 5-1 概述 § 5-2 检测装置 § 5-3 步进电动机及其驱动系统 § 5-4 伺服电机及其速度控制 § 5-5 主轴驱动 § 5-6 位置控制
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§ 5-1 系统结构
刀库刀具定位电机 机械手旋转定位电机
带制动器伺服电机 主轴电机
伺服电机
数控系统及伺服驱动系加统工中心
（1）组成 由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光敏元件 (光电管)、整形放大电路和数字显示装置等组成。
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光电编码器在旋转工作台上的安装
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（2） 工作原理
光电盘按装在被测轴上，随主轴一起转动。光电盘转动时 ，光电元件把通过光电盘和光栏板射过来的忽明忽暗的光信 号(近似于正弦信号)转换为电信号，经整形、放大等电路的变 换后变成脉冲信号，通过计算脉冲的数目，即可测出工作轴 的转角，并通过数显装置进行显示。通过测定计数脉冲的频 率，即可测出工作轴的转速。
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莫尔条纹的特点
➢ 放大作用
莫尔条纹纹距B 与光栅节距w和倾角θ之间的关系：
B
=
w
/
q
2sin
由于θ很小，因此
2
B
w
q
光栅横向移动一个节距w ，莫尔条纹正好沿刻线上下 移动一个节距B，用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可 以测量光栅的位移。
例：当 w = 0.01mm， θ= 0.01 red， 则 B = 1mm，将栅距放大100倍的莫尔条纹宽度。
1）精度高 测直线：精度 0.5-3mm，分辨率 0.1mm 2）易实现动态测量和自动化测量 3）较强的抗干扰能力 ➢ 缺点： 1）对环境要求高，怕振动，怕油污 2）高精度光栅制作成本高
目前多用于精密定位的数控机床，数显机床中也 应用较多。
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二、编码器
一种旋转式的检测角位移的传感器。 将角位移用数字(脉冲)形式表示，故 又称脉冲编码器。广泛应用于NC机床的 位置检测，也常用它作为速度检测元件。
限位开关
鼠标键盘等
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伺服驱动系统（Servo System)
控制信号
CNC系统
驱动电机
反馈信号
检测装置
伺服驱动系统
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光栅尺
一、数控机床伺服系统的定义
伺服系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。 CNC装置是数控机床的“大脑” ， “指挥机构” 伺服系统是数控机床的“四肢” ， “执行机构”。 伺服系统的组成 检测装置：感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码器等。 电机及其控制器：
二、数控机床伺服系统的分类
按伺服系统控制方式分
➢开环系统 步进电机，无位置反馈，投资低，精度低 ➢闭环系统 直接测量实际位移进行反馈，精度高 ➢半闭环系统 间接测量位移进行反馈，精度低于闭环
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§ 5-2 检测装置
检测装置是伺服系统的重要组成部分。
作用 检测位置和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环，
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检测装置的分类
按检测信号分：数字式、模拟式 按测量基准分：增量式、绝对式 按安装位置关系分：直接测量、间接测量 按信号类型分：光、磁、电
装常 置见
检 测
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一、光栅尺
光栅尺属于光学元件，是一种高精度的位移传感器。
1. 光栅尺的种类
透射光栅 反射光栅 封闭式光栅 开放式光栅
对驱动装置进行控制。
要求 工作可靠，抗干扰能力强
满足精度、分辨率、测量范围 使用维修方便、成本低
性能指标
系统精度：是指在一定长度或转角内测量积累误差的最大值，如 ±0.002～0.02mm/m，±10"/360°等。
系统分辨率：是测量元件所能正确检测的最小位移量，如目前直线 位移的分辨率为0.001～0.01mm。角位移分辨率为2"。
➢ 调速范围宽 保证在任何情况下都能得到最佳切削条件和
加工质量，一般要求调速范围 ：最低转速/最高转速 =1/1000~1/10000，且通常是无级调速。
➢ 低速大转矩 一般是在低速进行重切削，所以在低速时进
给驱动要有大的转矩输出。
➢ 可靠性高 对环境的适应性强，性能稳定，使用寿命长。
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