伺服系统上课课件

2. 步进电机的结构
（1）反应式步进电机 步进电机由定子和转子组成，定 子分定子铁芯和定子励磁绕组。 1－定子绕组；2－转子铁芯；3 －A相磁通；4－定子铁芯。 定子铁芯由电工硅钢片叠压而成， 定子绕组是绕置在定子铁芯6个 均匀分布的齿上的线圈，在直径 方向上相对的两个齿上的线圈串 联在一起，构成一相控制绕组。 步进电机可构成A、B、C三相控 制绕组，称为三相步进电机。若 任一相绕组通电，就形成一组定 子磁极。
第3章 数控机床的伺服系统
3.1 概 述
伺服系统：以位置和速度作为控制对象的自
动控制系统。 伺服系统接受数控装置发来的进给脉冲指令 信号，经过信号变换和电压、功率放大由驱 动元件将其转变为角位移，以驱动数控设备 各运动部件实现运动。
一、伺服系统概念
伺服系统，也称为随动系统，是一种能够
及时跟踪输入给定信号并产生动作，从而 获得精确的位置、速度等输出的自动控制 系统。伺服系统是自动控制系统的一类， 它的输出变量通常是机械或位置的运动， 它的根本任务是实现执行机构对给定指令 的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态 能够自动、连续、精确地复现输入指令信 号的变化规律。

伺服系统结构
3.2 步进电机伺服系统
3.2.1 步进电机

步进电机：一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或 直线位移的机电执行元件。 数控装置输出的进给脉冲数量、频率和方向经过驱动 控制电路达到步进电机后，可以转换为工作台的位移 量、进给速度和方向。
工作台
指令脉冲
驱动控制线路
步进电机
丝杠
开环步进式伺服系统组成框图
步进电机转速计百度文库：
n

360
o
60f =
f
6
o
式中：n——转速（r/min); f——脉冲频率，即每秒输入 步进电机的脉冲数；
——用度数表示的步距角。
式中，当转子的步距角一定时，步进电机的转速与输 入的脉冲频率成正比。
（2）静态转矩与矩角特性 静态转矩：当步进电机某相通电时，转子处于不动 状态，此时在电机轴上加一个负载转矩，转子就按 一定方向转过一个角度θ（失调角），此时转子所 受的电磁转矩M即为静态转矩。 矩角特性：静态转矩M与θ的关系。
2. 数控机床对主轴伺服系统的要求 （1）足够的输出功率。 主轴转速高，输出转矩小；主轴转速低，输出转 矩大。要求主轴驱动装置具有恒功率性质。 （2）调速范围宽。 数控机床的变速依照指令自动执行，要求能够在 较宽的转速范围内进行无级调速，较少中间传递 环节，简化主轴箱。 （3）定位准停功能。 为使得数控车床具有螺纹切削等功能，要求主轴 能与进给驱动实行同步控制。 在加工中为自动换刀，要求主轴具有高精度的准 停功能。

（2）闭环伺服系统 有位置检测装置，且装在机床工作台上，直接检 测工作台的实际位移。 利用CNC装置的指令值与位置检测装置的检测值 的差值进行位置控制。 精度高，其运动精度取决于检测装置的精度，与 传动链的误差无关。 适用于大型或比较精密的数控设备。 （3）半闭环伺服系统 有位置检测装置，且装在电机或丝杠的端头，检 测角位移，间接获得工作台的位移。 精度比闭环控制低，滚珠丝杠的精度影响位置检 测的精度。适用于中小型数控机床。
2. 按使用的驱动元件分类
（1）电液伺服系统 执行元件：电液脉冲马达或电液伺服马达。 驱动元件：液动机或液压缸。 优点：低速高输出力矩，刚性好，时间常数小，反 应快，速度平稳。 缺点：需要供油系统，体积大，产生噪声和漏油等 问题。 （2）电气伺服系统 执行元件：伺服电机（步进电机、交流或直流伺服 电机）。 驱动元件：电力电子器件。 现代数控机床均采用电气伺服系统。（经历了四个 阶段）
3. 按被控对象分类
（1）进给伺服系统 控制机床各坐标轴的切削进给运动，提供 切削所需的转矩。 包括速度控制环和位置控制环。 （2）主轴伺服系统 控制机床主轴的旋转运动，提供所需的驱 动功率和切削力。
伺服系统的组成
由控制器、功率驱动装置、检测反馈装置和伺服电机组成。 （1）控制器：由位置调解单元、速度调解单元和电流调解单 元组成。 控制器最多构成三闭环控制：外环为位置环，中环为速度环， 内环为电流环。 （2）功率驱动装置：由驱动信号产生电路和功率放大器等组 成。 功能：一方面按控制量大小将电网中的电能作用到电机上， 调节电机力矩的大小；另一方面按电机要求将恒压恒频的电 网供电转换为电机所需直流电或交流电。 （3）位置检测装置：闭环和半闭环伺服系统有位置检测装置， 其安装位置不同；开环伺服系统无位置检测装置。 （4）伺服电机：闭环和半闭环伺服系统采用交流或直流伺服 电机；开环伺服系统采用步进电机。
数控机床对伺服系统的要求
1. 数控机床对进给伺服系统的要求 （1）调速范围大，低速转矩大。 调速范围：机械装置要求电机能提供的最高进给速 度相对于最低进给速度之比。 为保证所有加工条件下，均能得到最佳切削条件和 加工质量，就要求进给速度在较大的范围内变化。 低速切削要求电机输出较大的转矩，避免出现低速 爬行现象。 （2）精度高。 精度：伺服系统的输出量跟随输入量的精确程度。 为保证数控加工精度要求，主要保证机床的定位精 度和进给跟踪精度。
4. 反应式步进电机主要特征
（1）步距角和静态步距误差 步进电机步距角α与定子绕组的相数m、转子的齿数z、 通电方式k有关，即有：α＝360°/(mzk)。 其中：m相m拍时，k＝1；m相2m拍时，k＝2，依此 类推。例如，三相三拍，z＝40时，α＝ 360°/(3×40×1)＝3°。 静态步距误差：在空载情况下，理论的步距角与实际 的步距角之差，以分表示，一般在10′之内。 步距误差主要由步进电机步距制造误差，定子和转子 间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成。
3. 反应式步进电机工作原理


步进电机：基于电磁力的吸引和排斥产生转矩。 定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式，也称为脉冲电 机。 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，即送给步进 电机一个电流脉冲，其转子就转过一个确定的角度，即 步距角α；脉冲数增加，角位移也增加；无脉冲时，电机 停止。 改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向改 变。 步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋 转速度越快，即脉冲频率越高，转子转速越高；但脉冲 频率不能过高，否则产生失步或超步。
1. 环形脉冲分配器
功能：将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕 组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强 电）。即将数控装置的插补脉冲，按步进电机 所要求的规律分配给步进电机的各相输入端， 以控制励磁绕组的通、断电。 分类：硬件环形分配器和软件环形分配器。 硬件环形分配器：步进电机驱动装置本身带有 环形分配器。 软件环形分配器：驱动装置本身无环形分配器， 环形分配需要软件完成。。
数控系统发出指令脉冲经过驱动线路变换与放大， 传给步进电机。步进电机每接收一个指令脉冲， 就旋转一个角度，再通过齿轮副和丝杠螺母副带 动机床工作台移动。 指令脉冲的频率决定了步进电机的转速，进而决 定了工作台的移动速度；指令脉冲的数量决定了 步进电机转动的角度，进而决定了工作台的位移 大小。 开环伺服系统加工精度低。由于无位置检测装置， 其精度取决于步进电机的步距精度和工作频率以 及传动机构的传动精度。 结构简单，成本较低，适用于对精度和速度要求 不高的经济型、中小型数控系统。
（6）矩频特性与动态转矩 矩频特性：描述步进电机连续稳定运行时输出转矩M与 连续运行频率f之间的关系。 动态转矩：矩频特性曲线上每个频率对应的转矩。 步进电机正常运行时，动态转矩随连续运行频率的上升 而下降。
3.2.2 步进电机的驱动控制器


功能：将具有一定频率f、一定数量N和方向的进给脉冲转 换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变化 频率、变化次数和通断电顺序。 驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成。
(3) 最大静转矩和失调角 当转子带有负载力矩通电时，转子就不再能和 定子上的某极对齐，而是相差一定的角度，该角 度所形成的电磁转矩正好和负载力矩相平衡。这 个角度称为失调角。 步进电动机所能带的静转矩是受到限制的，最 大静转矩表示步进电机的承受载荷的能力。

（3）启动频率 启动频率：空载时，步进电机由静止状态突然启动，并 进入不丢步的正常运行的最高频率。 步进电机带负载下的启动频率要比空载启动频率低，并 随负载增加而进一步降低。 （4）连续运行的最高工作频率 最高工作频率：步进电机启动后，保证连续不丢步运行 的最高工作频率。 决定了定子绕组通电状态下最高变化的频率，即决定了 步进电机的最高转速。 （5）加减速特性 加减速特性：步进电机由静止刀工作频率和由工作频率 到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率 与时间的关系。
2）稳定性好 稳定性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，对伺 服系统要求有较强的抗干扰能力。稳定 性是保证数控机床正常工作的条件，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。为了保证轮廓切削形 状精度和低的加工表面粗糙度，要求伺服系统 跟踪指令信号的响应要快。一方面要求过渡过 程（电机从静止到额定转速）的时间要短，一 般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面 要求超调要小。这二方面的要求往往是矛盾的， 实际应用中要采取一定措施，按工艺加工要求 做出一定的选择。
1. 步进电机的类型
分类方式 具体类型 转矩产生原理 ①反应式（磁阻式）；②永磁式；③永磁感应式（混合式）。 ①伺服式：输出力矩在百分之几至十分之几（N•m），只能驱 动较小的负载，要求与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工 输出力矩大小 作台等较大的负载。 ②功率式：输出力矩在5-50（N•m）以上，可以直接驱动机床 工作台等较大的负载。 相数 各相绕组分布 运动方式 定子数 ①三相；②四相；③五相；④六相。 ①径向分相式：电机各相按圆周依次排列。 ②轴向分向式：电机各相按轴依次排列。 ①旋转运动式；②直线运动式；③平面运动式；④滚动运动式。 ①单定子式；②双定子式；③三定子式；④多定子式。
（3）快速响应无超调。 快速响应反映系统的跟踪精度。 （4）稳定性好，可靠性高。 稳定性：系统在给定输入或外界干扰作用下，能经 过短暂的调节达到新的或恢复到原来平衡状态。 系统具有较好的抗干扰能力能保证进给速度均匀、 平稳。 （5）足够的传动刚性，较强的过载能力，电机的惯 量与移动部件的惯量相匹配，伺服电机能够频繁启 停和可逆运行。
5）低速大转矩 机床加工的特点是，在低速时进行重切 削。因此，要求伺服系统在低速时要有 大的转矩输出。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。
伺服系统的分类 1. 按照调节理论分类 1）开环伺服系统 开环伺服系统由步进电机及其驱动电路 组成，无位置检测装置。
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。通常表示为：Rn
nmax Rn nmin

在数控机床中，由于加工用刀具，被加工材质及零件 加工要求的不同，进给伺服系统需要具有足够宽的调 速范围。目前较先进的水平是，在分辨率为1的情况下， 进给速度范围为0~240m/min，且无级连续可调。但对 于一般的数控机床而言，要求进给伺服系统在 0~24m/min进给速度范围内都能工作就足够了。
数控机床对伺服系统的基本要求
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。作为数控加工，对定位精度和轮廓加 工精度要求都比较高，定位精度一般允许的偏 差为0.01~0.001mm，甚至0.1微米。轮廓加工精 度与速度控制、联动坐标的协调一致控制有关。 在速度控制中，要求较高的调速精度，具有比 较强的抗负载扰动能力，对静态、动态精度要 求都比较高。