进给伺服系统-精品
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• 调速范围宽
– 需要足够的调速范围来达到最优的金属切除率
• 反向死区小 • 能频繁启、停和正反转 • 快速性和稳定性
2020/8/4
快速性和稳定性
• 动态响应快（快速性）：
– 到达稳态值的时间越短越好 – 200~100ms，<几十ms – 反映系统跟踪精度的高低，直接影响轮廓加工精度
高度和表面加工质量
2020/8/4
步距角及误差
• 步距角
– K：比例系数，相邻两次通 电的相数相同K=1，否则K=2 。
– m：定子相数 – z：转子齿数
• 步距误差：一周内各步误差 的最大值，由制造精度、齿 槽分布、气隙因素决定。误 差不累积，下一周误差分布 情况与这一周相同。
2020/8/4
静态矩角特性
2020/8/4
– 硬件、软件
• 功率放大器
– 功率放大，脉冲电流 1~10A，每一相绕组 都有一套
– 2020/8/4 单电压功率放大器
功率放大器
单电压供电功放器用于小功率步进电机驱动 2020/8/4
步进电机的特征参数
• 步距角及误差 • 静态矩角特性 • 最大启动转矩 • 最高启动频率 • 连续运行的最高工作频率 • 转矩—频率特性
• 稳定性：
– 信号经过振荡后达到的稳态值与理论稳态的差值e 越小越好
– 负载特性要硬，当负载发生变化或受外界干扰时， 输出基本不变，保持平稳均匀
2020/8/4
4.1.3 分类
• 根据有无反馈环分
– 开环、闭环、半闭环
• 根据驱动装置分
– 步进电机驱动系统 – 直流电机驱动系统 – 交流电机驱动系统
• 驱动装置：
– 直流或交流伺服电机、电液伺服阀—液压马达。
• 位移精度取决于：
– 检测装置的分辨率和精度
• 性能指标：
– 定位精度：±0.005~0.01mm，±0.1μm – 移动速度：与导程为10mm的丝杠直连，
1~30m/min
• 特点：
– 控制执行部件以给定的速度向消除偏差的方向运动 。
– 结构较复杂，成本较高；机械传动机构包含在系统 2020/8/4 之内成为不稳定因素，设计和调试较困难
• 位移精度取决：
– 步进电机的角位移精度 – 齿轮丝杠等传动元件的导程或节矩精度 – 系统的摩擦阻尼特性
• 性能
– 定位精度：±0.02mm，±0.01mm – 速度：脉冲当量为0.01mm时，不超过5m/min
• 特点：
– 结构简单，用于精度要求不高的机床
2020/8/4
闭环和半闭环进给伺服系统
4.2 步进电机及其调速
• 步进电机的结构与工作原理 • 步进电机的特征参数 • 步进电机开环进给的传动计算及电机选
用 • 步进电机的驱动
2020/8/4
步进电机的结构与工作原理
• 步进电机控制原理：
– 电脉冲信号→角位移 – 脉冲数→位移 – 脉冲频率→转速
• 缺点：
– 容易失步（大负载和高速情况下）
转矩——频率特性
• 负载转矩越大，工作频 率越低，符合加工实际 需求
• 在步进电机运行时，对 应于某一频率，只有当 负载转矩小于它在该频 率时的最大动态转矩， 电机才能正常运转
• 应根据负载要求参照高 频输出转矩来选用步进 电机的规格
2020/8/4
步进电机开环进给的传动计算及电机选用 • 传动计算
2020/8/4
• 开环
开环与闭环
• 闭环
– 负载变化时，速度也随着 变化，需人为修正
– 结构简单，易于控制，精 度差，低速不平稳，高速 扭矩小
– 用于轻负载且负载变化不 大的场合
– 不间断的比较系统输 入与驱动输出
– 全闭环 – 半闭环
2020/8/4
开环进给伺服系统
• 伺服驱动装置：
– 步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达
2020/8/4
步进电机的结构与工作原理
• 单三拍：A→B →C →A • 双三拍：AB →BC →CA →AB • 三相六拍：A →AB →B →BC → C→ CA →A
2020/8/4
步进电机的驱动电路
• 环形分配器（环分器 ）
– 控制脉冲通过环分器 控制步进电机励磁绕 组按一定顺序通、断 电
• 组成
– 伺服驱动电路 – 伺服驱动装置（电机
） – 位置检测装置 – 机械传动机构 – 执行部件
• 性能取决于
– 各组成环节的特性 – 各环节性能参数的合
理匹配
2020/8/4
4.1.2 伺服系统的技术要求
• 位移精度
– 控制分辨率、位置精度、重复精度 – 0.01~0.001mm 0.1μm
2020/8/4
直流伺服电机调速
2020/8/4
直流电机调速方法
• 改变电枢电压U • 改变Ke
– 即改变磁通量Φ（改 变激磁回路电阻Rj以 改变激磁电流Ij）
• 在电枢回路中串联调 节电阻Rt，此时，转 速公式变为
20Baidu Nhomakorabea0/8/4
4.1 概述
• 4.1.1 基本定义 • 4.1.2 伺服系统的基本要求 • 4.1.3 分类
2020/8/4
4.1.1 基本定义
• 伺服系统
– 根据数控装置给出的指令控制工作台的速度 、位移或主轴转速的控制系统。
• 分类：
– 进给伺服系统 – 主轴伺服系统
2020/8/4
进给伺服系统
• fg与步进电机的惯性负载J有关，J↑ fg ↓ • CNC机床加速度受限于fg
2020/8/4
连续运行的最高工作频率
• 步进电机连续运行时所能接受的最高控 制频率
• 远大于启动频率 • 与步距角一起决定执行部件的最大运动
速度。 • 决定于负载惯量J、定子相数、通电方式
、控制电路的功率放大级
2020/8/4
最大启动转矩
• 步进电机启动时能承受的最大负载转矩 Mq。若大于Mq ，电机不能启动。
• 在最大静转矩相同的条件下，相数增大 时，步进电动机带负载能力也相应增大 。
2020/8/4
最高启动频率
• 空载时，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fg的最高值。
• 启停频率>fg时，步进电机不能正常运行 。
α：步距角 i：齿轮传动链的传动比 δ：脉冲当量 t：滚珠丝杠导程
2020/8/4
电机选用原则
• 满足精度要求 • 输出转矩>负载转矩（工作矩频特性、起
动矩频特性曲线，由频率f查找M） • 步距角与机械系统匹配，以得到机床所
需的脉冲当量 • 最高运行频率必须满足机床快速性要求
。
2020/8/4
4.3 直流伺服电机及其调速系 统
– 需要足够的调速范围来达到最优的金属切除率
• 反向死区小 • 能频繁启、停和正反转 • 快速性和稳定性
2020/8/4
快速性和稳定性
• 动态响应快（快速性）：
– 到达稳态值的时间越短越好 – 200~100ms，<几十ms – 反映系统跟踪精度的高低，直接影响轮廓加工精度
高度和表面加工质量
2020/8/4
步距角及误差
• 步距角
– K：比例系数，相邻两次通 电的相数相同K=1，否则K=2 。
– m：定子相数 – z：转子齿数
• 步距误差：一周内各步误差 的最大值，由制造精度、齿 槽分布、气隙因素决定。误 差不累积，下一周误差分布 情况与这一周相同。
2020/8/4
静态矩角特性
2020/8/4
– 硬件、软件
• 功率放大器
– 功率放大，脉冲电流 1~10A，每一相绕组 都有一套
– 2020/8/4 单电压功率放大器
功率放大器
单电压供电功放器用于小功率步进电机驱动 2020/8/4
步进电机的特征参数
• 步距角及误差 • 静态矩角特性 • 最大启动转矩 • 最高启动频率 • 连续运行的最高工作频率 • 转矩—频率特性
• 稳定性：
– 信号经过振荡后达到的稳态值与理论稳态的差值e 越小越好
– 负载特性要硬，当负载发生变化或受外界干扰时， 输出基本不变，保持平稳均匀
2020/8/4
4.1.3 分类
• 根据有无反馈环分
– 开环、闭环、半闭环
• 根据驱动装置分
– 步进电机驱动系统 – 直流电机驱动系统 – 交流电机驱动系统
• 驱动装置：
– 直流或交流伺服电机、电液伺服阀—液压马达。
• 位移精度取决于：
– 检测装置的分辨率和精度
• 性能指标：
– 定位精度：±0.005~0.01mm，±0.1μm – 移动速度：与导程为10mm的丝杠直连，
1~30m/min
• 特点：
– 控制执行部件以给定的速度向消除偏差的方向运动 。
– 结构较复杂，成本较高；机械传动机构包含在系统 2020/8/4 之内成为不稳定因素，设计和调试较困难
• 位移精度取决：
– 步进电机的角位移精度 – 齿轮丝杠等传动元件的导程或节矩精度 – 系统的摩擦阻尼特性
• 性能
– 定位精度：±0.02mm，±0.01mm – 速度：脉冲当量为0.01mm时，不超过5m/min
• 特点：
– 结构简单，用于精度要求不高的机床
2020/8/4
闭环和半闭环进给伺服系统
4.2 步进电机及其调速
• 步进电机的结构与工作原理 • 步进电机的特征参数 • 步进电机开环进给的传动计算及电机选
用 • 步进电机的驱动
2020/8/4
步进电机的结构与工作原理
• 步进电机控制原理：
– 电脉冲信号→角位移 – 脉冲数→位移 – 脉冲频率→转速
• 缺点：
– 容易失步（大负载和高速情况下）
转矩——频率特性
• 负载转矩越大，工作频 率越低，符合加工实际 需求
• 在步进电机运行时，对 应于某一频率，只有当 负载转矩小于它在该频 率时的最大动态转矩， 电机才能正常运转
• 应根据负载要求参照高 频输出转矩来选用步进 电机的规格
2020/8/4
步进电机开环进给的传动计算及电机选用 • 传动计算
2020/8/4
• 开环
开环与闭环
• 闭环
– 负载变化时，速度也随着 变化，需人为修正
– 结构简单，易于控制，精 度差，低速不平稳，高速 扭矩小
– 用于轻负载且负载变化不 大的场合
– 不间断的比较系统输 入与驱动输出
– 全闭环 – 半闭环
2020/8/4
开环进给伺服系统
• 伺服驱动装置：
– 步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达
2020/8/4
步进电机的结构与工作原理
• 单三拍：A→B →C →A • 双三拍：AB →BC →CA →AB • 三相六拍：A →AB →B →BC → C→ CA →A
2020/8/4
步进电机的驱动电路
• 环形分配器（环分器 ）
– 控制脉冲通过环分器 控制步进电机励磁绕 组按一定顺序通、断 电
• 组成
– 伺服驱动电路 – 伺服驱动装置（电机
） – 位置检测装置 – 机械传动机构 – 执行部件
• 性能取决于
– 各组成环节的特性 – 各环节性能参数的合
理匹配
2020/8/4
4.1.2 伺服系统的技术要求
• 位移精度
– 控制分辨率、位置精度、重复精度 – 0.01~0.001mm 0.1μm
2020/8/4
直流伺服电机调速
2020/8/4
直流电机调速方法
• 改变电枢电压U • 改变Ke
– 即改变磁通量Φ（改 变激磁回路电阻Rj以 改变激磁电流Ij）
• 在电枢回路中串联调 节电阻Rt，此时，转 速公式变为
20Baidu Nhomakorabea0/8/4
4.1 概述
• 4.1.1 基本定义 • 4.1.2 伺服系统的基本要求 • 4.1.3 分类
2020/8/4
4.1.1 基本定义
• 伺服系统
– 根据数控装置给出的指令控制工作台的速度 、位移或主轴转速的控制系统。
• 分类：
– 进给伺服系统 – 主轴伺服系统
2020/8/4
进给伺服系统
• fg与步进电机的惯性负载J有关，J↑ fg ↓ • CNC机床加速度受限于fg
2020/8/4
连续运行的最高工作频率
• 步进电机连续运行时所能接受的最高控 制频率
• 远大于启动频率 • 与步距角一起决定执行部件的最大运动
速度。 • 决定于负载惯量J、定子相数、通电方式
、控制电路的功率放大级
2020/8/4
最大启动转矩
• 步进电机启动时能承受的最大负载转矩 Mq。若大于Mq ，电机不能启动。
• 在最大静转矩相同的条件下，相数增大 时，步进电动机带负载能力也相应增大 。
2020/8/4
最高启动频率
• 空载时，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fg的最高值。
• 启停频率>fg时，步进电机不能正常运行 。
α：步距角 i：齿轮传动链的传动比 δ：脉冲当量 t：滚珠丝杠导程
2020/8/4
电机选用原则
• 满足精度要求 • 输出转矩>负载转矩（工作矩频特性、起
动矩频特性曲线，由频率f查找M） • 步距角与机械系统匹配，以得到机床所
需的脉冲当量 • 最高运行频率必须满足机床快速性要求
。
2020/8/4
4.3 直流伺服电机及其调速系 统