数控机床进给伺服驱动系统

第二节 步进伺服驱动控制
• 3. 螺距误差补偿
– 原因：丝杠螺距存在制造误差，会直接影响工作台的位 置精度，需要进行补偿； – 补偿原理：对实际间隙进行实测并保存，当工作台换向 时增加输出脉冲进行补偿。 – 实现方法：
• 安置两个补偿杆 • 按照螺距误差在补偿杆上设置挡块 • 工作台移动时行程开关与挡块接触 时进行补偿。
第三节 闭环伺服控制原理与系统
• 直流伺服电机的调速原理
目前使用最广泛的是脉宽调速PWM（改变电枢电压V）
第三节 闭环伺服控制原理与系统
• 直流伺服电机调速的优点： 直流伺服电机具有优良的控制特性，单一通过控制电 机的输入电压就可实现转速的控制，负载力矩对电机转 速的影响相对较小，电机的动态特性较好，能满足伺服 系统对响应的要求，正是由于这些优点，使得伺服电机 在数控机床及其他数控设备中得到广泛应用。
第三节 闭环伺服控制原理与系统
1. 直流伺服电机
直流伺服电机与普通直流电机的工作原理与基本结构是一样的， 从结构特点上可以分为有刷和无刷两种基本类型。两者的静态特性和 动态特性完全相同，控制方法也相同。 常用的直流电机多为大功率直流伺服电机，如低惯量电机和宽 调速电机等。 • (1) 低惯量直流伺服电机。主要有无槽电枢直流伺服电机及其他一些 类型的电机。无槽电枢直流伺服电机的工作原理与一般直流电机相同， 其结构的差别和特点是：电枢铁心是光滑无槽的圆体，电枢绕组用环 氧树脂固化成型并粘结在电枢铁心表面上，电枢的长度与外径之比在 5倍以上，气隙尺寸比一般的直流电机大10倍以上。它的输出功率在 几十瓦至10 kW以内。主要用于要求快速动作、功率较大的系统。
第三节 闭环伺服控制原理与系统 鉴相式伺服系统的工作原理
进给脉冲经过脉冲调相器转变为相对于基准信号的相 位差，设为φ； 反馈信号经过脉冲调相器转变为相对于基准信号的相 位差，设为 ； 两者送入鉴相器中得到跟随误差φ- 。 进给开始时： =0， φ = φ1 跟随误差φ- = φ1 工作台进给后： = 1 跟随误差φ- = φ1 - 1
馈、比较等元件，与步进式伺服系统相比它的结构比较复杂，调 试较困难。 鉴相式伺服系统的基本组成
第三节 闭环伺服控制原理与系统
• 各组成部分的功能介绍
1.基准信号发生器 2.脉冲调相器 3.检测元件及信号处理线路 4.鉴相器
– 鉴相器的输入信号有两路，一路是来自脉冲调相器的指令信号； 另一路是来自检测元件及信号处理线路的反馈信号，它反映了工 作台的实际位移大小。
第三节 闭环伺服控制原理与系统
• (2) 宽调速直流力矩电机。这种电机用提高转矩的方法来改善其 动态性能。它的结构形式与一般直流电机相似，通常采用他激式。 目前几乎都用永磁式电枢控制。
• 直流伺服电机的调速原理 V Ra • ω= M Kt KtKv • 调速方法： 改变电枢电压V 改变电势系数（实际是改变励磁回路参数） 改变电阻（串联电阻）
3600 mzk
式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2；依 此类推。
第二节 步进伺服驱动控制
• 步进电机的特性
• 步距角 0.5~3°，决定控制精度，是决定步进伺服系统脉 冲当量的重要参数。 • 启动频率 fq。 空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的 正常运行所允许的最高频率 • 矩角特性、最大静态转矩 M j max和启动转矩 M q 。 矩角特性是步进电机的一个重要特性，它 是指步进电机产生的静态转矩 M j max 与失调角的 变化规律。
第二节 步进伺服驱动控制 • 在数控机床中使用的伺服电动机有步进 电动机、直流伺服电动机、交流伺电动机和 直线电动机等。步进伺服驱动系统的执行元 件是步进电机。
步进电动机一般用于开环伺服系统中，没有 位置反馈环节，位置控制精度由步进电动机和进 给链来决定。
第二节 步进伺服驱动控制
• 步Leabharlann Baidu电机的种类
5.驱动线路和执行元件
第三节 闭环伺服控制原理与系统
鉴相式伺服系统的工作原理
鉴相式伺服系统利用相位比较的原理进行工作
当数控机床的数控装置要求工作台沿一个方向进给 时，插补器或插补软件便产生一系列进给脉冲。 该进给脉冲作为指令脉冲，其数量代表了工作台的 指令进给量，其频率代表了工作台的进给速度，其方向 代表了工作台的进给方向。
第二节 步进伺服驱动控制
• 1. 细分电路
把步进电机的一步再分得细一些，减小脉冲当量
¦Θ ¦Θ
O
(a)
t
O
• 2.齿隙补偿（反向间隙补偿）
(a) 无细分 (b) 细分后
细分前后一步角位移波形图 （ ） 无细分 （b） 细分后 图5-15 a细分前后一步角位移波形图
(b)
t
– 原因：机械传动链在改变方向时， 由于间隙的存在，会引起步进电机的空走； – 补偿原理：对实际间隙进行实测并保存，当工作台换向 时增加输出脉冲进行补偿。
第二节 步进伺服驱动控制
机床运动
1
O
误差
l
2
3
脉冲数
1 2
0.01 mm
O
0 -1 -2
脉冲数
微动开关
A
补偿杆 A
补偿杆 B
B
负补偿脉冲 A
正补偿脉冲 B 误差
O
曲线1—理想的移动 （没有螺距误差） 曲线2—实际的移动 （有螺距的误差） 曲线3—补偿前的误 差曲线 曲线4—补偿后的误 差曲线
补偿脉冲
2. 按驱动执行元件的动作原理分类
• 电液伺服系统
• 电气伺服系统
第一节 概述
三．伺服驱动系统的分类
3. 按被控对象分类
• 进给伺服系统 • 主轴伺服系统
5. 按执行电动机类型分类
直流伺服系统 交流伺服系统
4. 按反馈比较控制方式分类
• 脉冲、数字比较伺服系统
• 相位比较伺服系统
• 幅值比较伺服系统 • 全数字伺服系统
– 按电机的结构和材料分类
• 反应式：不用永久磁铁，靠定子和转子的软钢齿 之闭的电磁引力产生力矩，结构简单，步距角可 以做得很小，应用最广。 • 永磁式：转子有多条永久磁铁组成，定子和转子 间的引力和斥力都产生力矩，功率密度大，但步 距角不可能做的很小。 • 混合式：结合上述两种的优点，永久磁铁提高功 率密度，细密的极齿减小步距角，但加工困难， 成本高。
第二节 步进伺服驱动控制
• 步进电机的驱动控制线路 • 功能：将一定频率f、数量N和方向的进给 脉冲转换为控制步进电机定子各相绕组通 断电状态变化的频率、次数和顺序的功率 信号。
第二节 步进伺服驱动控制
1.脉冲混合电路
将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合为 正向或负向脉冲进给信号
2. 加减脉冲分配电路
第二节 步进伺服驱动控制
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的 机电执行元件。
步进电动机由转子和定子绕组组成。当某相定子绕组由
脉冲电流励磁后，便能吸引转子，使转子转一个角度，即步 距角，每一个步距角对应一个位移量，指令脉冲的频率就对
应工作台的移动速度。
第二节 步进伺服驱动控制
• 步进电机的结构 • 步进电机的原理
将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲。
3.加减速电路
将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性的 脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数 fa fb 同步器 可逆计数器 数模转换 振荡器
第二节 步进伺服驱动控制
4. 环形分配器
将来自加减速电路的一系列进给脉冲转换成控制步进电机 定子绕组通断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及 顺序与进给脉冲的个数及方向对应。 常用电机有三、四、五相。 脉冲分配也可用软件实现。
图5-16 螺距误差补偿原理 曲线 1 - 理想的移动（没有螺距的误差）曲线 2 - 实际的移动（有螺距的误差）
第三节 闭环伺服控制原理与系统
闭环控制的特点：工作可靠，抗干扰性强，精度高，但增加了位 置检测、反馈、比较等环节，结构复杂，调试困难。
一、闭环伺服系统的执行元件 数控系统对执行元件（能量转换和信号转换）的要求： • 尽可能减少电机的转动惯量，以提高系统的快速动态 响应； • 尽可能提高电机的过载能力，以适应经常出现的冲击 现象； • 尽可能提高电机低速运行的稳定性和均匀性，以保证 低速时伺服系统的精度。
5. 功率放大器
将环形分配器输出的mA级电流进行功率放大，一般由前 置放大器和功率放大器组成。
第二节 步进伺服驱动控制
四、提高步进式伺服驱动系统精度的措施 影响步进式伺服驱动系统精度的因素：
步进电机的质量 机械传动部分的结构和质量 控制线路 由于受工艺和结构的限制，常常从控制线路采取措施， 通常采用的措施有： 细分电路 齿隙补偿（反向间隙补偿） 螺距误差补偿
第二节 步进伺服驱动控制 1. 工作台位移的控制
进给脉冲的个数N →定子绕组通电状态变化次数N →角 位移Φ= N →工作台位移L=Φ t/360°
2.工作台进给速度的控制
进给脉冲的频率f →定子绕组通电状态的变化频率 f → 步进电机的转速ω→工作台的进给速度v
3.工作台方向的控制
定子绕组通电顺序的改变--工作台运动方向改变
第三节 闭环伺服控制原理与系统
鉴相式伺服系统的类别
1. 以旋转变压器为测量元件的半闭环伺服系统
第三节 闭环伺服控制原理与系统
鉴相式伺服系统的类别
2. 以光栅为测量元件的半闭环伺服系统
第一节 概述
第一节 概述
一．数控机床对伺服系统的要求
1.调速范围要宽 2.位移精度要高 3.跟随误差要小,响应要快 4.稳定性要好，可靠性要高。
二．伺服驱动系统的组成
进 给 指 令
比较控制环节
驱动控制单元 反馈检测单元
执行元件 机 床
第一节 概述
三．伺服驱动系统的分类
1. 按控制理论分类
• 开环伺服系统 • 闭环伺服系统 • 半闭环伺服系统
第三节 闭环伺服控制原理与系统
交流伺服电机的控制方法 幅值控制、相位控制和幅值相位混合控制
第三节 闭环伺服控制原理与系统
• 鉴相式伺服系统
鉴相式伺服系统是数控机床中使用较多的一种位置控制系统，它 是采用相位比较的方式实现闭环（半闭环）控制的伺服系统。
特点：工作可靠，抗干扰性强，精度高，由于增加了位置检测、反
第二节 步进伺服驱动控制
• 步进电机的原理
• 结论
(1) 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转 子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角 ； (2) 改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方 向随之改变； (3) 步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转 子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高， 转子的转速越高； (4) 步进电机步距角 与定子绕组的相数m、转子的齿 数z、通电方式k有关，可用下式表示
第三节 闭环伺服控制原理与系统 2. 交流伺服电机
用三相正弦电流驱动的伺服电机，按工作原理分为： 永磁同步型（SM型） 异步感应型（IM型） AC伺服电机本身结构简单，坚固耐用，体积较小， 重量较轻，没有整流子机械换向，远比DC伺服电机便于 维护，但速度的控制方法比DC伺服电机要复杂的多，对 控制元件的容量及速度的要求也很高。AC伺服电机（包 括伺服单元）的价格高于同等DC伺服电机。
第二节 步进伺服驱动控制
• 连续运行的最高工作频率
保证不丢步运行的极限频率
• 加减速特性
描述步进电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。
第二节 步进伺服驱动控制
• 步进式伺服系统工作原理
• 系统由步进电机驱动线路+步进电机组成，对工作台位 移、速度和运动方向进行控制。
第一节 概述
• 数控机床的伺服包括：进给伺服驱动系统和主轴伺服系统 两部分。根据CNC发出的动作指令，伺服系统准确、快速 地完成各坐标轴的进给运动，与主轴驱动相配合，完成加 工件的高精度加工。
• 因此，伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分，其性能 的优劣直接影响零件的加工精度和生产效率，它的价格在 这个数控机床的成本构成中占有相当大的份额。
第五章 数控机床的进给伺服系统
第一节 概述 一、定义：
进给伺服系统(Feed Servo System)——以移动部件的
位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称位置随动系统、
驱动系统、伺服机构或伺服单元。 伺服系统是数控装置和机床主机的联系环节，接收CNC装 置插补器发出的进给脉冲或进给位移量信息，经过变换和放大 由伺服电机带动传动机构，最后转化为机床的直线或转动位移。