数控机床的伺服系统

正转 反转
CBA A
AB B BC
001
011 010 110
01H
03H 02H 06H
TAB0 DB 01H
TAB1 DB 03H TAB2 DB 02H TAB3 DB 06H
C
CA
100
101
04H
05H
Biblioteka Baidu
TAB4 DB 04H
TAB5 DB 05H
§6-2 直流、交流伺服驱动 （闭环控制系统） 闭环控制的伺服系统执行元件为直流、交流 伺服电机。 一 直流伺服电机 直流伺服电机具有良好的调速性能，在以往 的数控机床上得到广泛使用。直流伺服电机 分为有刷和无刷两种基本类型。有刷直流伺 服电机通常采用永久磁铁做定子。而无刷电 机转子为永久磁铁，定子为电枢。
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）。
（1）选定类型 m 360 （2）确定脉冲当量δ i L L （3）计算齿轮传动比 （L为丝杠螺距、m一转的脉冲数） （4）确定高速运行的输出扭矩（大于负载 转矩，并留余量） （5）确定电机启动频率
计算机三相六拍环形分配表 （查表法）
步序 导电相 工作状态 数值（16进制） 程序的数据表
1. 直流伺服电机的工作原理 直流伺服电机基本结构和工作原理与一般的 直流电机相同，所不同的是为了满足快速响 应的要求，从结构上做得细长一些。
直流伺服电机工作原理图
2. 直流电机的输出特性
直流电机的电枢电路： Ιа×Rа +Eа =Uа Ea Ua M Eа=Ke×Ф×n Ia T-Tf=J×dn/dt 当电机稳定运行时 T=Tf T=KT×Ф×Ιа = KT×Ф×(Uа –Eа )/Rа = KT×Ф×(Uа –Ke×Ф×n)/ Rа
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。
步进电机定子齿距分布
步进电机工作原理
工作原理：以三相反应式为例
2 运行节拍与通电方式 在一个完整的通 断电循环中，绕组通电状态的不同组合数 称为运行拍数。每拍转子转过一个步距角。 通电方式： A—B—C—A；AB—BC— CA—AB；A—AB—B—BC—C—CA—A 3 径向分相式与轴向分相式 4 步距角 θs =360/mPN P —运行节拍与相数的比例， N—转子齿数 m—相数 。
三 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。
§6-2 步进电机及开环控制系统
3 电气控制伺服系统
从控制的角度来说，一般电气伺服系统结构为 三闭环控制。
给定
位置PID
速度PID
电流PID
伺服电机
速度反馈 位置反馈
二 对伺服电机的要求
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
2 伺服系统的基本要求
1 ） 精度高 伺服系统精度取决于机械传 动精度和伺服系统最小分辨率精度。 2）响应快速 响应速度提高，可以减小跟 随误差，一般在200 ms以内。 3） 稳定性好 稳定性直接影响数控加工 精度和表面粗糙度。 4）调速范围宽 R=nmax/nmin 进给伺服与 主轴范围不一样 5 ） 低速大转矩
三 步进电机进给控制
1 转向控制 2 速度大小控制 控制步进电机相邻两种励 磁状态之间的时间，就可以实现步进电机速 度控制。V=60δf 式中f —输入到步进电机 的脉冲频率Hz，δ—脉冲当量mm/脉冲，V 单 位 mm/min 3 自动升降速控制
当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作 频率时，变化速度必须逐渐上升；同样，从 最高工作频率或高干突跳频率的工作频率停 止时，变化速度必须逐渐下降。
第六章 数控机床的伺服系统
重点： 1伺服系统的要求、分类、组成 2 常用伺服电机工作原理及其驱动装置特点 3 常用位置检测元件工作原理及特点
§6-1
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。
四 步进电机特性与选用
1 步进电机的优点 2 主要技术特性 （1）步距角及其误差（不大于10´） θs =360/mPN P —运行节拍与相数的比例， N—转子齿数 m—相数
（2）矩角特性与最大静转矩
（3）启动频率
（4）连续运行频率 （5）矩频特性
3.选用

3直流驱动系统的双闭环控制系统
×
速度调节
×
电流调节
功率放大
M
电流反馈 速度反馈
TG
三. 交流伺服电动机
直流伺服电机存在机械整流子、电刷维护 困难，造价高，寿命短、应用环境受限制 的缺点。而交流伺服电机结构简单，耐用 可靠，动态响应好，驱动调速技术日益成 熟。 用三相交流电驱动的伺服电机叫AC伺服电 机。AC伺服电机按工作原理划分为：永磁 同步型；异步感应型。
机械特性和调速特性
二 直流伺服电机驱动装置
1 可控硅调速电路(SCR) 采用三相全控桥式整流电路 ，通过对 12个晶闸管触发角的控制，达到控制 电机电枢电压的目的。
2 脉宽调制PWM 调速电路
UAB=[USt1-(T-t1) US]/T=(2t1/T -1) US=(2 а -1) US а = 0.5 UAB=0 电机不转 а > 0.5 UAB>0 电机正转 а < 0.5 UAB<0 电机反转
1. 永磁同步型AC伺服电机
永磁同步型AC伺服电机，转子用 永磁材料制成，定子装有三相对称 绕组，通入三相对称、相位相差 120º 的交流电，可产生旋转磁场。
多极永磁同步型AC伺服电机结构如下图示 转子转速 n=n1=60f/p p磁极对数，f电源频率。
2 AC伺服电机SPWM调速
永磁同步型AC伺服电机的转速与电源频率存 在严格的关系。因此，用变频调速驱动装置， 非常适宜。为获得宽的调速范围，该驱动电 源不仅要求电压和电流可调，而且频率也必 须可以连续可调。 因此调速的关键部件之一就是变频器，变频 器分为：交— 直—交型；交—交型。数控机 床常用前者，而且其逆变器多采用脉宽调制 PWM逆变器。