2019年伺服.ppt

2. 稳定性好
稳定性是指系统在给定外界干扰作用下， 能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到 原来平衡状态的能力。要求伺服系统具有较强 的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳 定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。
3. 快速响应
快速响应是伺服系统动态品质的重要指标， 它反映了系统跟踪精度。机床进给伺服系统实 际上就是一种高精度的位置随动系统，为保证 轮廓切削形状精度和低的表面粗糙度，要求伺 服系统跟踪指令信号的响应要快，跟随误差小。
开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，它没有
位置反馈回路和速度反馈回路，因此设备投资低，调
试维修方便，但精度差，高速扭矩小，被用于中、低
档数控机床及普通机床改造。如图6-2为开环伺服系统
简图定。
工作台
指令脉冲
齿轮箱 步进电机 驱动控制 线路
指令
伺服驱动装置
位置控制模 块
速度控制单 元
速度环
工作台 位置检测
速度检测
伺服电 机
位置环
测量反 馈
图5-1 闭环进给伺服系统结构
二、 对伺服系统的基本要求
1. 位移精度高
伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的 精确程度。伺服系统的位移精度是指指令脉冲 要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经 伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合 程度。两者误差愈小，位移精度愈高。
一对齿产生电磁引力，将其吸引过来，而使转
子一步步转动。每当转子某一对齿的中心线与
定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零。
如果控制线路不停地按一定方向切换定子绕组
各相电流，转子便按一定方向不停地转动。步 进电机每次转过的角度称为步距角。
图5-4 三相反应式步进电机结构
为进一步了解步进电机的工作原理，以图5-5为例来
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。在数控机床中，由 于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同， 为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件， 就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。
5. 低速大扭矩 要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功 率。机床加工的特点是，在低速时进行重切削。 因此，伺服系统在低速时要求有大的转矩输出。
三、伺服系统的分类 数控机床的伺服系统按其控制原理和有无位 置反馈装置分为开环和闭环伺服系统；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、交流伺服驱动系 统及直线电动机伺服系统。
（一）开环和闭环伺服系统
数控机床闭环进给系统的一般结构如图5-1所示， 这是一个双闭环系统，内环为速度环，外环为位置环。 速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速度 控制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机 转速的，是速度控制系统的核心。速度检测装置有测 速发电机、脉冲编码器等。位置环是由CNC装置中的 位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制 等部分组成。由速度检测装置提供速度反馈值的速度 环控制在进给驱动装置内完成，而装在电动机轴上或 机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈值构成的 位置环由数控装置来完成。伺服系统从外部来看，是 一个以位置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控 制系统。但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，才实现实际位移的。
直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向
剖开，然后拉直演变而成，利用电磁作用原理， 将电能直接转换成直线运动动能的一种推力装 置，是一种较为理想的驱动装置。在机床进给 系统中，采用直线电动机直接驱动与旋转电动 机的最大区别是取消了从电动机到工作台之间 的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩 短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电 动机驱动方式无法达到的性能指标和优点。由 于直线电动机在机床中的应用目前还处于初级 阶段，还有待进一步研究和改进。随着各相关 配套技术的发展和直线电动机制造工艺的完善， 相信用直线电动机作进给驱动的机床会得到广 泛应用。
＝
360
KmZ
(5-1)
式中 —步进电机的步距角；
m—电机相数；
Z—转子齿数；
K—系数，相邻两次通电相数相同，K＝1；
相邻两次通电相数不同，K＝2。
同一相数的步进电机可有两种步距角，通常为 1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。步距误差是指 步进电机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论 步距角之差值。连续走若干步时，上述步距误差的累 积值称为步距的累积误差。由于步进电机转过一转后， 将重复上一转的稳定位置，即步进电机的步距累积误 差将以一转为周期重复出现。
说明其转动的整个过程，假设转子上有四个齿，相邻 两齿间夹角（齿距角）为900。当A相通电时，转子1、 3齿被磁极A产生的电磁引力吸引过去，使1、3齿与A 相磁极对齐。接着B相通电，A相断电，磁极B又把距 它最近的一对齿2、4吸引过来，使转子按逆时针方向 转动30o。然后C相通电，B相断电，转子又逆时针旋转 30o，依次类推，定子按A→B→C→A顺序通电，转子 就一步步地按逆时针方向转动，每步转30o。若改变通 电顺序，按A→C→B→A使定子绕组通电，步进电机 就按顺时针方向转动，同样每步转30o。这种控制方式
指令 + 位置比
较
—-
速度控 制
速度反馈
伺服电 机
工作台
位置反馈
图6-3 半闭环伺服系统简图
（ 二） 进给驱动与主轴驱动
进给伺服系统包括速度控制环和位置控制环，用于 数控机床工作台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转矩。 主轴伺服系统只是一个速度控制系统，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，且保证任意转速的调节。
第五章 伺服系统
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第一节 概述
一、 伺服系统的组成与分类
数控机床的伺服系统按其功能可分为：进给伺 服系统和主轴伺服系统。
主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动。
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。
2. 静态转矩与矩角特性
当步进电机上某相定子绕组通电之后，转子
齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻最小， 转子处在平衡位置不动（θ＝0）。如果在电机 轴置上向外负加载一转个矩负方载向转转矩过M一z个，角转度子θ会，偏角离度平θ衡称位为 失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个 静态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩 等于负载转矩。静态转矩与失调角θ的关系叫 矩角特性，如图5-6所示，近似为正弦曲线。该 矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩。 在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转 子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位 置（θ＝0）。
第二 节 步进电机及其驱动装置
一、步进电机工作原理
步进电机伺服系统是典型的开环控制系统， 在此系统中，步进电机受驱动线路控制，将进 给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速 度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工 作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度， 脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步 进电机的各相通电顺序来决定，并且保持电机 各相通电状态就能使电机自锁。但由于该系统 没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来 决定，速度也受到步进电机性能的限制。
图5-6 静态矩角特性
3. 最大启动转矩
图5-7为三相单三拍矩角特性曲线，图中的A、 B分别是相邻A相和B相的静态矩角特性曲线， 它们的交点所对应的转矩是步进电机的最大启 动转矩。如果外加负载转矩大于，电机就不能 启动。如图5-7所示,当A相通电时，若外加负载 转矩，对应的失调角为，当励磁电流由A相切 换到B相时，对应角，B相的静转矩为。从图中 看出,电机不能带动负载做步进运动，因而启动 转矩是电机能带动负载转动的极限转矩。
图6-2开环伺服系统简图
闭环伺服系统又可进一步分为闭环和半闭环伺服系
统。闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作 台上（图6-1），检测装置测出实际位移量或者实际所 处位置，并将测量值反馈给CNC装置，与指令进行比 较，求得差值，依此构成闭环位置控制。闭环方式被 大量用在精度要求较高的大型数控机床上。
Aa B C
b
图5-7 步进电机的启动转矩
4. 启动频率
空载时，步进电机由静止状态突然起动，并 进入不失步的正常运行的最高频率，称为启动 频率或突跳频率，加给步进电机的指令脉冲频 率如大于启动频率，就不能正常工作。步进电 机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率 比空载要低。而且，随着负载加大（在允许范 围内），启动频率会进一步降低。
进给伺服系统的作用：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。
数控机床的进给伺服系统能根据指令信号
精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及 几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨 迹。如果把数控装置比作数控机床的“大脑”， 是发布“命令”的指挥机构，那么伺服系统就 是数控机床的“四肢”，是执行“命令”的机 构，它是一个不折不扣的跟随者。
换过程中始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此 这种方式被大量采用。
实际应用的步进电机如图5-4所示，转子铁心和定子 磁极上均有齿距相等的小齿，且齿数要有一定比例的 配合。
图5-5 步进电机工作原理
二、步进电机的主要性能指标
1. 步距角和步距误差
步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿
数的关系如下：
叫三相单三拍方式，“单”是指每次只有一相绕组通
电，“三拍”是指每三次换接为一个循环。由于每次