数控机床的伺服系统

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三 伺服系统的分类
▪ 1 按控制方式划分：开环控制系统；半闭控 制环系统；闭环控制系统。
▪ 2 按系统中执行元件电动机的类型划分（1） 步进驱动系统— 执行元件为步进电机（2） 直流伺服驱动系统—执行元件为直流伺服 电机。
（3）交流伺服驱动系统—执行元件为交流 伺服电机。
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§6-2 步进电机及开环控制系统
伺服系统的组成
伺服系统由伺服电机、伺服驱动装置、机械 传动装置、位置检测装置等组成。
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2 伺服系统的基本要求
▪ 1 ） 精度高 伺服系统精度取决于机械传 动精度和伺服系统最小分辨率精度。
▪ 2）响应快速 响应速度提高，可以减小跟 随误差，一般在200 ms以内。
▪ 3） 稳定性好 稳定性直接影响数控加工 精度和表面粗糙度。
▪ 一 步进电机结构特点及种类
▪ 步进电机又称为脉冲电机—它的输入既不 是交流电，也不是直流电，而是电脉冲。
▪ 其主要特点：步进电机输出的角位移与输 入的脉冲个数成正比，转速与脉冲频率成 正比。
▪ 分类：根据其结构和材料大体分为可变磁
阻式（反应式）、永磁式和混合式（永磁
感应式）三种基本类型。按输出扭矩分：
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▪ 当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作 频率时，变化速度必须逐渐上升；同样，从 最高工作频率或高干突跳频率的工作频率停 止时，变化速度必须逐渐下降。
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四 步进电机特性与选用
▪ 1 步进电机的优点 ▪ 2 主要技术特性 ▪ （1）步距角及其误差（不大于10´） ▪ θs =360/mPN
3 径向分相式与轴向分相式
▪ 4 步距角 θs =360/mPN
P —运行节拍与相数的比例，
N—转子齿数 m—相数 。
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三 步进电机进给控制
▪ 1 转向控制 ▪ 2 速度大小控制 控制步进电机相邻两种励
磁状态之间的时间，就可以实现步进电机速 度控制。V=60δf 式中f —输入到步进电机 的脉冲频率Hz，δ—脉冲当量mm/脉冲，V 单 位 mm/min ▪ 3 自动升降速控制
12个晶闸管触发角的控制，达到控制 电机电枢电压的目的。
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2 脉宽调制PWM 调速电路
▪ UAB=[USt1-(T-t1) US]/T=(2t1/T -1) ▪ US=(2 а -1) US ▪ а= 0.5 UAB=0 电机不转 ▪ а > 0.5 UAB>0 电机正转 ▪ а < 0.5 UAB<0 电机反转
▪ （4）确定高速运行的输出扭矩（大于负载 转矩，并留余量）
▪ （5）确定电机启动频率
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计算机三相六拍环形分配表 （查表法）
步序
导电相
正转 反转
A
AB
B
BC
C
CA
工作状态 数值（16进制） 程序的数据表
CBA
001
01H
TAB0 DB 01H
011
03H
TAB1 DB 03H
010
02H
▪ 4）调速范围宽 R=nmax/nmin 进给伺服与 主轴范围不一样
▪ 5 ） 低速大转矩
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3 电气控制伺服系统
▪ 从控制的角度来说，一般电气伺服系统结构为 三闭环控制。
给定
位置PID
速度PID
电流PID
伺服电机
速度反馈
位置反馈
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二 对伺服电机的要求
▪ 1）在调速范围内，具有平稳的运行速度 ▪ 2）具有较大较长时间的过载能力 ▪ 3）具有较大的启动加速度 ▪ 4）能够承受频繁启动、制动和反转
第六章 数控机床的伺服系统
▪ 重点： ▪ 1伺服系统的要求、分类、组成 ▪ 2 常用伺服电机工作原理及其驱动装置特点 ▪ 3 常用位置检测元件工作原理及特点
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Байду номын сангаас
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§6-1 概述
一 伺服系统概念 1 概念 数控机床的伺服系统是指以机床移 动部件位移和速度为控制对象的自动控制系 统。
数控机床伺服系统包括进给伺服驱动系统； 主轴伺服驱动系统。
Ua
Ea M
▪ T-Tf=J×dn/dt
Ia
▪ 当电机稳定运行时 T=Tf
▪ T=KT×Ф×Ιа = KT×Ф×(Uа –Eа)/Rа= KT×Ф×(Uа –Ke×Ф×n)/ Rа
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机械特性和调速特性
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二 直流伺服电机驱动装置
▪ 1 可控硅调速电路(SCR) ▪ 采用三相全控桥式整流电路 ，通过对
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3直流驱动系统的双闭环控制系统
TAB2 DB 02H
110
06H
TAB3 DB 06H
100
04H
TAB4 DB 04H
101
05H
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TAB5 DB 05H
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§6-2 直流、交流伺服驱动 （闭环控制系统）
▪ 闭环控制的伺服系统执行元件为直流、交流 伺服电机。
▪ 一 直流伺服电机
▪ 直流伺服电机具有良好的调速性能，在以往 的数控机床上得到广泛使用。直流伺服电机 分为有刷和无刷两种基本类型。有刷直流伺 服电机通常采用永久磁铁做定子。而无刷电 机转子为永久磁铁，定子为电枢。
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▪ 1. 直流伺服电机的工作原理
▪ 直流伺服电机基本结构和工作原理与一般的 直流电机相同，所不同的是为了满足快速响 应的要求，从结构上做得细长一些。
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直流伺服电机工作原理图
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2. 直流电机的输出特性
▪ 直流电机的电枢电路：
▪ Ιа×Rа+Eа=Uа ▪ Eа=Ke×Ф×n
伺服式（功率较小)，功率式(功率较大）。
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二 步进电机结构及工作原理
▪ 1. 结构与原理 ▪ 左图为径向分
相式三相步进 电机。
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步进电机定子齿距分布
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步进电机工作原理
▪ 工作原理：以三相反应式为例
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▪ 2 运行节拍与通电方式 在一个完整的通 断电循环中，绕组通电状态的不同组合数 称为运行拍数。每拍转子转过一个步距角。 通电方式： A—B—C—A；AB—BC— CA—AB；A—AB—B—BC—C—CA—A
P —运行节拍与相数的比例， N—转子齿数 m—相数
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（2）矩角特性与最大静转矩
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▪ （3）启动频率
▪ （4）连续运行频率 （5）矩频特性
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3.选用
（1）选定类型
▪ （2）确定脉冲当量δ ▪ （3）计算齿轮传动比
i m 360 L L
▪ （L为丝杠螺距、m一转的脉冲数）