数控机床的伺服驱动系统设计

第一章绪论1-1选题背景与意义数控技术也叫计算机数控技术（CNC，Compute Numerical Control），目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。

数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低关系到国家战略地位和体现国家综合国力的水平，数控技术的广泛应用给传统的制造业的生产方式，产品结构带来了深刻的变化。

也给传统的机械，机电专业的人才带来新的机遇和挑战。

我国经济全面与国际接轨，并逐步成为全球制造中心，我国企业广泛应用现代化数控技术参与国际竞争。

数控技术是制造实现自动化，集成化的基础，是提高产品质量，提高劳动生产率不可少的物资手段。

数控机床的伺服驱动系统作为一种实现切削刀具与工件间运动的进给驱动和执行机构，是数控机床的一个重要组成部分，它在很大程度上决定了数控机床的性能，如数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标取决于伺服驱动系统性能的优劣。

因此，随着数控机床的发展，研究和开发高性能的伺服驱动系统，一直是现代数控机床研究的关键技术之一。

在数控机床中，伺服系统是数控机床里的一个非常重的部分，对于它的控制的好坏一定程度上反应一个机床的控制柔性的程度。

步进电机驱动系统控制数控车床进给运动，为车床主轴提供驱动功率以及所需的切削力。

目前在数控车床开环系统中，进给驱动常使用伺服步进电机，由于直流伺服电动机存在着一些的固有的缺点（比如，有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格较贵。

），使其应用环境受到限制。

交流伺服电动机没有这些缺点，且转子惯量比直流电动机小，使得动态响应好。

另外在同样体积下，交流电动机的输出功率可比直流电动机提高10％～70％；其容量也可以比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。

因此，交流伺服系统得到了迅速发展，已经形成潮流。

从20世纪80年代后期开始，大量使用交流伺服系统，目前，已基本取代了直流电动机，直流电动机已逐渐被淘汰，在数控机床的主轴驱动中，均采用笼型异步电动机。

为了获得良好的主轴特性，主轴驱动系统中采用矢量变频控制的交流主轴电动机，矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种方式，后者具有更高的速度控制精度，在数控车床中无速度传感器的矢量变频器已符合控制要求，而在进给驱动系统中一般都采用永磁同步电机，1964年德国人率先提出脉宽调制变频思想，把通讯系统中的调制技术应用于交流变频器。

调制方法很多，目前用得最多的是正弦脉宽调制[1]。

1-2数控机床对伺服系统的要求伺服系统是数控机床中及其重要的一部分，伺服系统的性能直接影响到机床的加工精度，面对国内外伺服系统的发展趋势对伺服驱动系统有下几点基本要求。

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。

包括定位精度和轮廓加工精度。

为了保证数控机床的加工精度，除了要求数控系统精度和机床机械精度有足够高以外，还要求具有足够高的伺服系统定位精度和进给跟踪精度，并且还起着主要作用。

一般要求定位精度为0.01-0.001m；而高档设备的定位精度还应在0-1μm以内。

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。

要求伺服系统有较高的可靠性、稳定性，并且受电源、环境、负载等的影响要小。

还要具有足够的传动刚性和速度稳定性。

也就是说伺服系统在负载或切削条件发生变化时，应使进给速度保持恒定。

刚性良好的系统，负载力矩的变化对进给速度的影响很小。

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加工表面粗糙度，要求伺服系统除了要有较高的定位精度外，还要有良好的快速响应特性，也就是要求伺服电动机起、停的升降速过程要短，要有较高的加速度。

电动机转速从0升至1500r/min的时间控制在0-2s以内。

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。

0～24m / min[2]。

为适应不同的加工条件，例如加工零件的材料、尺寸、部位以及刀具的种类和冷却方式等不同，数控机床的进给速度需要在很宽的范围内无级变化。

这就要求伺服电机要有很宽的调速范围和优异的调速特性。

一般数控机床进给伺服系统的调速范围都在0～30m/min，高的可达240m/min。

5）低速大转矩。

由于机床在低速切削时，切深和进给都比较大，也就是说吃刀抗力较大，这就要求主轴电动机输出的转矩也应该较大。

现代数控机床的伺服电动机通常都是与丝杠直接相连，中间没有减速齿轮，这就要求进给电动机能输出较大的转矩。

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。

除上面的一般要求之外，还具有下面的控制功能：1)准停控制为了自动换刀，要求主轴能进行高精度的准确位置停止。

2)角度分析控制分度有两种：一是固定的等分角位置控制。

二是连续的任意角度控制。

（作特殊加工时，主轴坐标有了进给坐标的功能，称为“C”轴控制。

）为了满足对伺服系统的要求，对伺服系统的执行元件——伺服电机也相应提出高精度、快反映、宽调速和大转矩的要求，一般具备小惯量大转矩的具体特征。

最低进给速度到最高进给速度范围都能稳定运行平滑过度。

进给电机应具有大的较长时间的过载能力，一般能过载4-5倍左右，持续时间达10分钟以上，转动惯量要小，满足快速响应的要求，一般进给伺服电机做成细长，高档进给具备400rad/s2以上的加速度，保证电机在0.2s以内从静止起动到1500rad/min。

电机应能承受频繁的起动制动和反转，20次/min以上。

1-3数控机床伺服驱动系统设计的总体方案数控机床（CNC machinery）集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品, 具有模块化特点。

因此数控机床在控制设计上具有很大的灵活与实际应用性。

本文设计的根据现代化发展的趋势，通过各类伺服驱动系统的介绍，进而用步进电机的伺服驱动系统与交流伺服驱动系统进行多反面比较，无论从起结构方式，应用范围，得出交流伺服驱动系统的优越性，进而对交流伺服系统的典型系统（永磁同步伺服系统）进行基于DSP的永磁同步伺服系统设计。

第二章伺服驱动系统的基本组成和工作原理2-1伺服驱动系统的基本结构伺服系统是数控机床的重要组成部分。

伺服系统位于数控机床数控系统与机床主体之间，伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系环节。

数控装置发出的控制信息，通过伺服驱动系统转换成坐标轴的运动，完成程序所规定的操作。

伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统或伺服单元。

伺服系统的主要功能就是从数控系统接收微小的电控信号（5V左右，mA级），放大成强电的驱动信号（几十、上百伏、安培级），用以驱动伺服系统的执行元件——伺服电动机，将电控信号的变化，转换成电动机输出轴的角位移或角速度的变化，从而带动机床主体部件（如工作台、主轴或刀具进给等）运动，实现对机床主体运动的速度控制和位置控制,达到加工出工件的外形和尺寸的最终目标[3]。

其基本组成如图2-1所示。

图2-1伺服系统的基本组成2-2数控机床的伺服系统的组成数控机床伺服驱动系统由驱动信号控制转换电路，电子电力驱动放大模块，速度调节单元，电流调节单元，检测装置。

一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环。

位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈部分组成。

电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。

严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。

速度控制单元：用来控制电机转速，是速度控制系统的核心。

速度检测装置：测速发电机、脉冲编码器等。

速度环控制在进给驱动装置内完成，位置环由数控装置来完成。

特点：外部看：以位置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控制系统。

从内部的实际工作来看，它是先把位置控制指令转换成相应的速度信号后，通过调速系统驱动伺服电机，实现实际位移的。

2-3数控伺服系统的分类数控机床伺服系统种类繁多，按照不同参照可分如下几类1）按控制原理和有无位置反馈装置分：开环和闭环伺服系统；2）按用途和功能分：进给驱动和主轴驱动系统；3）按驱动执行元件的动作原理分：电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统。

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。

无位置反馈，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，如图2-2所示。

图2-2开环伺服系统半闭环数控系统。

半闭环数控系统的位置采样点如图2-3所示，是从驱动装置(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置。

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。

图2-3半闭环伺服系统全闭环数控系统。

全闭环数控系统的位置采样点如图2-4的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。

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。

具有很高的位置控制精度。

由于位置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[4]。

图2-4全闭环伺服系第三章伺服驱动系统方案的选择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。

数控机床中常用的驱动元件—伺服电机：1）直流伺服电机（调速性能良好）2）交流伺服电机（主要使用的电机）3）步进电机（适于轻载、负荷变动不大）4）直线电机（高速、高精度）电机控制系统按照驱动电机的类型主要分为直流传动系统和交流传动系统以及步进电机伺服驱动系统。

在70年代直流伺服电机己经实用化了，在各类机电一体化产品中，大量使用着各种结构的直流伺服电动机。

传统直流电动机采用的是机械式换向且存在电刷，使其在应用过程中面临着以下一些难以克服的缺点:1）维护工作量大、维护成本高；2) 使用寿命短、可靠性低；3) 结构复杂、体积大、转动惯量大、响应速度慢；4) 易对其它设备产生干扰、现场环境适应能力差；从而极大地限制了其在高精度、高性能要求的伺服驱动场合的应用。