数控伺服系统概述(ppt 42页)_12079
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反馈检测元件、比较环节组成。 7
CNC
3.1 概述
3.1.3 数控伺服系统的分类
▪按反馈比较控制方式分类 ▪数字脉冲比较伺服系统 ▪鉴相式伺服系统 ▪鉴幅式伺服系统 ▪全数字伺服系统
▪按伺服系统的用途和功能分类 ▪进给驱动系统 ▪主轴驱动系统
▪按执行元件的类别分类
▪直流伺服系统
▪交流伺服系统
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CNC
跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率
• 加减速特性 :描述步进电动机由静止到工作频率和由
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
13
CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
3.2.2 直流伺服电动机
• 小惯量直流电动机:转动惯量小，反应灵敏， 动态特性好，适用于高速与负载惯量较小的场 合。
频带宽
电动机脉动小
电源的功率因数高
动态硬度好，系统具有良好的线性
17
CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
3.2.3 交流伺服电动机
由于直流伺服电机具有优良的调速性能， 80年代初至 90年代中，在要求调速性能较高的场合，直流伺服电机 调速系统的应用一直占据主导地位。但其却存在一些固 有的缺点，即：
• 电刷和换向器易磨损，维护麻烦
对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面； 对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更 严。
6
CNC
3.1 概述
3.1.2 数控伺服系统的基本组成
▪ 按有无反馈检测元件分为开环和闭环(含半闭环)两种类型 ▪ 开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。 ▪ 闭环(半闭环)伺服系统由执行元件、驱动控制单元、机床以及
3.2 伺服系统的驱动元件
▪ 伺服驱动元件又称为执行电动机 ▪ 数控伺服系统的执行元件，是根据输入的控制信
号产生角位移或角速度，带动被控对象运动。 ▪ 数控伺服系统中常用的驱动元件有：
–步进电动机 –直流伺服电动机 –交流伺服电动机
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CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
3.2.1 步进电动机
步进电机流行于70年代，系统结构简单、控制容易、 维修方面，且控制为全数字化。随着计算机技术的发展，除 功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步 简化结构。目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高 的场合，如经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设 备。
▪ 按相数：单相、两相、三相及多相。
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CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
三相三拍反应式的工作原理
三相是指步进电机有三相定子绕组，三拍是指每三次转换为 一个循环
三相步进电机，定子有六个磁极，分为三对，每个磁极上装 有控制绕组。一对磁极通电后，对应产生N/S极磁场；转子为带 齿的铁心（反应式）或磁钢（混合式）。
步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲 信号转换成角位移的机电元件。每输入一个脉冲，步进电动 机转轴就转过一定角度。
10
CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
步进电动机的种类
▪ 运动方式：旋转运动的、直线运动的和平面 运动 ；
▪ 结构上：反应式、励磁式 ； ▪ 按定子数目：单段定子式、多段定子式；
• 结构复杂，制造困难，成本高
而交流伺服电机则没有上述缺点。特别是在同样体 积下，交流伺服电机的输出功率比直流电机提高10%～ 70%，且可达到的转速比直流电机高。因此，人们一直 在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速的方案。
宽调速直流电动机性能
• 输出力矩大 • 过载能力强 • 动态响应性能好 • 低速运转平稳 • 易于调试
因此，宽调速直流伺服电动机是目前机电一 体化闭环伺服系统中应用较多的控制电动机。
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CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
直流伺服电动机调速方式
• 晶闸管直流调速（SCR ）
• 脉宽调制直流调速(PWM)
CNC
数控伺服系统概述(ppt 42页)
CNC
3.1 概述
数控伺服系统是指以机床运动部件(如工作台、主轴和 刀具等)的位置和速度作为控制量的自动控制系统。 数控伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给脉 冲信号，经过一定的信号变换及电压、功率放大，驱 动机床运动部件实现运动，并保证动作的快速性和准 确性。 数控伺服系统作为数控装置和机床的联系环节，是数 控机床的重要组成部分，数控机床的精度和速度等技 术指标很大程度上取决于伺服系统的性能优劣。
调速范围：
R NF maF xmin
一般要求：
R N 1 0 0 0 0 且 0 . 1 m m m i n F m i n 1 m m m i n
稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是 在低速时的平稳性显得特别重要。
5
CNC
3.1 概述
3.1.1 对数控伺服系统的要求
4.系统的可靠性高
综上所述：
2. 响应速度快且无超调
对伺服系统动态性能的要求 F ，即在无超调的前提下，执行 部件的运动速度的建立时间 tp 应尽可能短。
要求从 0→Fmax（Fmax→0）， 时间应尽可能小，且不能有超
tp
t
调，否则对机械部件不利，有
害于加工质量。
4
CNC
3.1 概述
3.1.1 对数控伺服系统的要求
3. 调速范围要宽且要有良好的稳定性(在调速 范围内)
2
CNC
3.1 概述
3.1.1 对数控伺服系统的要求
1. 输出位置精度要高
– 静态：定位精度和重复定位精度要高，即 定位误差和重复定位误差要小。(尺寸精度)
– 动态：跟随精度，动态性能指标，用跟随 误差表示。 (轮廓精度)
– 灵敏度要高，有足够高的分辩率。
3
CNC3Biblioteka 1 概述3.1.1 对数控伺服系统的要求
• 大惯量宽调速直流伺服电动机:既具有一般直 流电动机的各项优点，又具有小惯量直流电动 机的快速响应性能，易与较大的负载惯量匹配 ，能较好地满足伺服驱动的要求。
14
CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
直流伺服电动机的结构特点
按磁极的种 类，宽调速 直流电动机 分为电励磁 和永久磁铁
两种
15
CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
当定子三相依次通电时，三对磁极依次产生气隙磁场，吸引 转子一步步转动。
12
CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
步进电动机的主要特性
• 步距角 :步进电动机绕组的通电状态每改变一次，转
子转过的角度
• 起动频率 :空载时，步进电动机由静止状态突然起动
，进入不丢步的正常运行的最高频率
• 连续运行频率 :步进电动机起动以后．其运行速度能
CNC
3.1 概述
3.1.3 数控伺服系统的分类
▪按反馈比较控制方式分类 ▪数字脉冲比较伺服系统 ▪鉴相式伺服系统 ▪鉴幅式伺服系统 ▪全数字伺服系统
▪按伺服系统的用途和功能分类 ▪进给驱动系统 ▪主轴驱动系统
▪按执行元件的类别分类
▪直流伺服系统
▪交流伺服系统
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CNC
跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率
• 加减速特性 :描述步进电动机由静止到工作频率和由
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
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CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
3.2.2 直流伺服电动机
• 小惯量直流电动机:转动惯量小，反应灵敏， 动态特性好，适用于高速与负载惯量较小的场 合。
频带宽
电动机脉动小
电源的功率因数高
动态硬度好，系统具有良好的线性
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CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
3.2.3 交流伺服电动机
由于直流伺服电机具有优良的调速性能， 80年代初至 90年代中，在要求调速性能较高的场合，直流伺服电机 调速系统的应用一直占据主导地位。但其却存在一些固 有的缺点，即：
• 电刷和换向器易磨损，维护麻烦
对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面； 对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更 严。
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CNC
3.1 概述
3.1.2 数控伺服系统的基本组成
▪ 按有无反馈检测元件分为开环和闭环(含半闭环)两种类型 ▪ 开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。 ▪ 闭环(半闭环)伺服系统由执行元件、驱动控制单元、机床以及
3.2 伺服系统的驱动元件
▪ 伺服驱动元件又称为执行电动机 ▪ 数控伺服系统的执行元件，是根据输入的控制信
号产生角位移或角速度，带动被控对象运动。 ▪ 数控伺服系统中常用的驱动元件有：
–步进电动机 –直流伺服电动机 –交流伺服电动机
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CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
3.2.1 步进电动机
步进电机流行于70年代，系统结构简单、控制容易、 维修方面，且控制为全数字化。随着计算机技术的发展，除 功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步 简化结构。目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高 的场合，如经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设 备。
▪ 按相数：单相、两相、三相及多相。
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CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
三相三拍反应式的工作原理
三相是指步进电机有三相定子绕组，三拍是指每三次转换为 一个循环
三相步进电机，定子有六个磁极，分为三对，每个磁极上装 有控制绕组。一对磁极通电后，对应产生N/S极磁场；转子为带 齿的铁心（反应式）或磁钢（混合式）。
步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲 信号转换成角位移的机电元件。每输入一个脉冲，步进电动 机转轴就转过一定角度。
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CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
步进电动机的种类
▪ 运动方式：旋转运动的、直线运动的和平面 运动 ；
▪ 结构上：反应式、励磁式 ； ▪ 按定子数目：单段定子式、多段定子式；
• 结构复杂，制造困难，成本高
而交流伺服电机则没有上述缺点。特别是在同样体 积下，交流伺服电机的输出功率比直流电机提高10%～ 70%，且可达到的转速比直流电机高。因此，人们一直 在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速的方案。
宽调速直流电动机性能
• 输出力矩大 • 过载能力强 • 动态响应性能好 • 低速运转平稳 • 易于调试
因此，宽调速直流伺服电动机是目前机电一 体化闭环伺服系统中应用较多的控制电动机。
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CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
直流伺服电动机调速方式
• 晶闸管直流调速（SCR ）
• 脉宽调制直流调速(PWM)
CNC
数控伺服系统概述(ppt 42页)
CNC
3.1 概述
数控伺服系统是指以机床运动部件(如工作台、主轴和 刀具等)的位置和速度作为控制量的自动控制系统。 数控伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给脉 冲信号，经过一定的信号变换及电压、功率放大，驱 动机床运动部件实现运动，并保证动作的快速性和准 确性。 数控伺服系统作为数控装置和机床的联系环节，是数 控机床的重要组成部分，数控机床的精度和速度等技 术指标很大程度上取决于伺服系统的性能优劣。
调速范围：
R NF maF xmin
一般要求：
R N 1 0 0 0 0 且 0 . 1 m m m i n F m i n 1 m m m i n
稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是 在低速时的平稳性显得特别重要。
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CNC
3.1 概述
3.1.1 对数控伺服系统的要求
4.系统的可靠性高
综上所述：
2. 响应速度快且无超调
对伺服系统动态性能的要求 F ，即在无超调的前提下，执行 部件的运动速度的建立时间 tp 应尽可能短。
要求从 0→Fmax（Fmax→0）， 时间应尽可能小，且不能有超
tp
t
调，否则对机械部件不利，有
害于加工质量。
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CNC
3.1 概述
3.1.1 对数控伺服系统的要求
3. 调速范围要宽且要有良好的稳定性(在调速 范围内)
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CNC
3.1 概述
3.1.1 对数控伺服系统的要求
1. 输出位置精度要高
– 静态：定位精度和重复定位精度要高，即 定位误差和重复定位误差要小。(尺寸精度)
– 动态：跟随精度，动态性能指标，用跟随 误差表示。 (轮廓精度)
– 灵敏度要高，有足够高的分辩率。
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CNC3Biblioteka 1 概述3.1.1 对数控伺服系统的要求
• 大惯量宽调速直流伺服电动机:既具有一般直 流电动机的各项优点，又具有小惯量直流电动 机的快速响应性能，易与较大的负载惯量匹配 ，能较好地满足伺服驱动的要求。
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CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
直流伺服电动机的结构特点
按磁极的种 类，宽调速 直流电动机 分为电励磁 和永久磁铁
两种
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CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
当定子三相依次通电时，三对磁极依次产生气隙磁场，吸引 转子一步步转动。
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CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
步进电动机的主要特性
• 步距角 :步进电动机绕组的通电状态每改变一次，转
子转过的角度
• 起动频率 :空载时，步进电动机由静止状态突然起动
，进入不丢步的正常运行的最高频率
• 连续运行频率 :步进电动机起动以后．其运行速度能