数控技术第四章开环伺服系统

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第一节
一.构成
第四章 进给伺服系统
概述
伺服系• 统构成
• 动作 CNC
指令信息 伺服系统
机床
•
位置、速度
步进伺服系统
位移、速度
工作台
CNC 驱动放大 步进电机
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第四章 进给伺服系统
二.要求
准确、可靠地执行指令 位置精度高 调速范围宽 ----- 10000：1以上，且稳定性好 带负载能力强 ------ 负载特性硬；足够大的加（减）速力矩 动态响应快 ----- 快速跟随指令脉冲，可频繁起、停、反向； 尽快消除负载扰动 误差无累积
❖对于空载启动时ω0=0，T为升速 时间常数，则ωt为升速 T秒后电机的角速度此时的等效负载转矩主要是T作台移 动的磨擦力引起的。
Mf
W Vw 2 nm
W
t
2 i 1000
N m N m
式中 μ工作台与导轨之间的磨擦系数 W为工作台和工件的总重量 N
第四章 进给伺服系统
2)步进电机选择步骤
掌握伺服系统的功能、分类及其特点：数控机床
对伺服系统的要求
掌握开环伺服系统的组成及工作原理
目
步进电机的工作原理、脉冲分配方式、驱动电源
的类型及工作原理
标
了解提高步进开环伺服系统精度的措施
掌握感应同步器、光栅等检测元件的工作原理
掌握直流伺服电机位置控制原理
了解交流伺服电机位置控制原理
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7.8 10-13D4L Kg/cm3
式中
D —— 齿轮分度圆直径或丝杆名义直径 mm L —— 齿轮宽度或丝杆长度 mm γ—— 材料比重 kg/cm3
第四章 进给伺服系统
2)步进电机选择步骤
② 计算惯量 ii. 对下图所示的二级齿轮减速系统
M
Z1
Z3
FL
Vw Mu
Z2
Z4
i1
Z2 Z1
,
i2
Z4 Z3
六拍
3
2
1
0 500
第四章 进给伺服系统
双三拍 单三拍
1000
1500
第四章 进给伺服系统
6.步进电机的选择
1)步进电机选择原则： ① 步矩角与机械系统相匹配，以得到系统所需的
= t/360i
② 保证电机输出转矩，大于负载所需转矩
③ 能与机械系统的负载惯量相匹配 为使电机具有良好的起动性能及较快的响应速度
3o
B相
6o
C相
转子
转子
转子
4.工作原理
360 一般 α= mzk
第四章 进给伺服系统
m——绕组相数； Z——转子齿数，单拍k=1,双拍k=2。
360
. . 三拍通电激磁，步距角α= 3 40 1
. . 六拍通电激磁，步距角α = 3
360 40
2
= 3o = 1.5o
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第四章 进给伺服系统
③ 计算转矩
3. 步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3. 步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3. 步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3. 步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3. 步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3. 步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3. 步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
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2.步进电机的结构
第四章 进给伺服系统
❖步进电机由转子和定子两部分组成
1) 定子 定子上有绕组分为若干相，每相磁极上有极齿。
左图为三相定子：AA’,BB’,CC’ A、B、C三相每相两极， 每极上五个齿
五个极齿
2.步进电机的结构
定子上线圈的绕法
A相
第四章 进给伺服系统
C相
B相
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2
)
kg m 2
nm —— 步进电机速度 r/min
ni —— 第i个转动部件的转速r/min
Ji —— 第i个转动部件的转动惯量 kg . m2
Vj —— 第j个移动部件的移动速度 m/min Mj —— 第j个移动部件的质量 kg
2)步进电机选择步骤 ② 计算惯量
第四章 进给伺服系统
i. 图示的一级齿轮减速系统
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第四章 进给伺服系统
5.主要控制特性
步距角（θ）及步距误差 启动频率（fst） 最高工作频率（fmax） 加减速特性 启动矩频特性 运行矩频特性
3 2 1
0 4 8 12 16 f/ 103Hz
步进电机的转矩--频率特性
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5.主要控制特性
第四章 进给伺服系统
1) 步距角（θ）及步距误差
3）最高工作频率
步进电机工作频率连续上升时，电动机不失步运行的最 高频率称为最高工作频率。
它的值也和负载有关。很显然，在同样负载下，最高工 作频率远大于己于启动频率.
4）矩频特性 在连续运行状态下，步进电机的电磁力矩随频率的升高而 急剧下降，这两者的关系称为矩频特性.
5.主要控制特性
4）矩频特性
4
2 nm
)
2
Jz1
1 [ Jz2 i2
Js
M wt 2
4 2
]
式中 Jz1 —— 齿轮1的转动惯量 kg . m2
g . m2 g . m2
Hale Waihona Puke BaiduJz2 —— 齿轮2的转动惯量 k
Js —— 丝杆2的转动惯量 k
Mw —— 工作台的质量
k
2)步进电机选择步骤 ② 计算惯量
第四章 进给伺服系统
其中 ，齿轮、丝杆的转动惯量（J）可按圆柱体转动惯量计算
第一节 概述
习题
2. 伺服系统按有无反馈可分为 ———开—环——进—给——伺—服——系—统———、
———闭——环—进——给—伺——服—系——统——、———半——闭—环——进—给——伺—服——系—统———三类。
数字伺服系统 3. 伺服系统按控制信号可分为 ————————————————、
模拟伺服系统
式中：Jm ——步进电机转子转动惯量
Jleq —— 换算到电机轴上的等效负载转动惯
量
m
Jleq=∑Ji(
i-1
ni nm
2
)
+
n
∑Mj(
j-1
Vj 2πnm
2
)
kg m 2
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2)步进电机选择步骤
第四章 进给伺服系统
② 计算惯量
m
Jleq=∑Ji(
i-1
ni nm
2
)
+
n
∑Mj(
j-1
Vj 2πnm
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第四章 进给伺服系统
三.分类
开环进伺伺给服服伺驱驱动服动电系路统（系统） 速度倥制电路
机械传动σ及执,行x 部件
按
CCNNCC
位位置置控控 制制电电路路
Z2
有
位位
速速 步进
无 反
馈
闭C环N置反馈置反馈进C 给伺伺 驱服服 动系度反馈统度反馈 电电电机流流反反馈馈
电路 指令脉冲
Z1
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第四章 进给伺服系统
第二节 开环伺服系统
• 一、组成 伺服驱动单元、执行元件、传动机构
工作台
CNC 驱动放大 步进电机
二、步进电机
将电脉冲转变成机械角位移的装置
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第四章 进给伺服系统
1.分类
❖按输出转矩分： 快速步进电机、功率 步进电机。 ❖按励磁相数分： 三相、四相、五相、六相、八相 等 ❖按工作原理分： 反应式、激磁式、混合式（永磁反应式）
t
D.机CA或.C械传动及执行部件
分
位置检测装置
位置检测装置
伺服驱动电路 伺服伺伺驱 服服驱驱动动装置装置
半闭环进给伺服系开统闭半环环闭进伺环给服伺伺驱服服动驱系装动统置装置
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第四章 进给伺服系统
三.分类
按
数字伺服系统
控
制 信
模拟伺服系统
号
分
数字模拟混合伺服系统
按
步进伺服系统
控
制
直流伺服系统
Mf
——克服摩擦力所需转矩 Nm
第四章 进给伺服系统
2)步进电机选择步骤
③ 计算转矩
由动力学知：
M a max
J
J
(t
o )
T
式中 ： J——系统总惯量 N·m·s2
ε——步进电机转子的角加速度 r/s2
ωo——初速度 r/s ωt——末速度 r/s T ——加速时间 s
第四章 进给伺服系统
2)步进电机选择步骤 ③ 计算转矩
θ: 步进电机步距角, (o)/ 脉冲
t : 滚珠丝杆导程，mm
δ: 确脉定冲齿当轮量副，齿mm数/脉时冲，尽量选择一级降速;
若需二级，则降速比大的齿轮副应远离电机，
以利于提高传动系统的刚度和精度。
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2)步进电机选择步骤
第四章 进给伺服系统
② 计算惯量 设传动系统如右图所示：
伺服系统总惯量JG为 JG=Jm+Jleq
第四建章议 进给伺服系统
❖本章内容既有理论分析，又有实验
建
研究，同时还涉及设计计算方法。学
习中，应特别注意各种伺服驱动元件
议
的调速方法和调速原理，了解各种驱
动元件之间的性能比较及其应用场合。
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第四章 进给伺服系统
• 第一节 概述
一、作用
• 以位置和速度作为控制量的自动控制系统 • CNC装置与机床的联系环节 • 其性能直接决定和影响CNC系统的快速性、 稳定性、精确性
,
Jleq
J z1
1 i12
[Jz2
Jz3]
1 i12 i22
[Jz4
Js
M wt 2
4 2
]
2)步进电机选择步骤 ③ 计算转矩
第四章 进给伺服系统
系统所需转矩包括加速转矩和等效负载转矩 i. 快速空载启动时所需转矩M
M = Mamax+Mf
式中:
Mamax ——快速空载启动时产生最大加速度所需转矩 Nm
4.工作原理
第四章 进给伺服系统
如果A相通电则转子齿与A相极齿对齐，这时在B相两极下 定子齿与转子齿中心线并不对齐，而是转子齿中心线较定 子齿中心线反时针方向落后1/3齿距，即3o。 C相下，转子齿超前6o。 因此，当通电状态由A相变为B相时，转子顺时针方向 转过3o，C相通电再转3o。
9o A相
nz1 nz2
nm nz2
V=nz2 . t
式中 V——工作台移动速度
m/min
t——丝杆导程 m
第四章 进给伺服系统
2)步进电机选择步骤
② 计算惯量
J leq
Jz1 J
J z1
z2(
1 i2
nz 2 nm
Jz
)2
2
Js
1 i2
( nz2 ) nm
Js
2 Mw(
M wt 2
4 2i 2
Vw
步距角是两个相临脉冲时间内转子转过的角度,一般来 说步距角越小,控制越精确。 步距误差直接影响执行部件的定位精度. 步进电动机单相通电时,步距误差取决于定子和转子的分齿 精度,和各相定子错位角度的精度。 多相通电时,其不仅与上述因素有关,还和各相电流大小,磁 路性能有关。
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5.主要控制特性
第四章 进给伺服系统
2）最高启动频率
空载时，步进电机由静止突然启动，并不失步的进入稳速 运行，所允许的启动频率的最高值为最高启动频率. 4启动Md频率/ 大Nm于比值时步进电机不能正常工作，最高启动频率与 3步进电机的惯性负载有关.
2 1
0
4
8
12
16*1000
f /Hz
5.主要控制特性
第四章 进给伺服系统
数字模拟混合伺服系统
————————————————、——————————————————三类。
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第一节 概述
习题
步进伺服系统 4. 伺服系统按控制元件可分为 ————————————————、 ———直——流—伺——服—系——统—————、————交——流—伺——服—系——统——————三类。
元
件
分
交流伺服系统
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第四章 进给伺服系统
第一节 概述
习题
1.数控机床对伺服驱动系统有哪些要求？
(1) 调速范围宽并有良好的稳定性，尤其是低速时的平稳 性；
(2) 负载特性硬，即使在低速时也应有足够的负载能力；
(3) 动态响应速度快；
(4) 高的位移精度；
(5) 能够频繁地启动；
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第四章 进给伺服系统
第一节 概述 第二节 开环伺服系统 第三节 闭环伺服系统
第四章提要 进给伺服系统
❖本章介绍进给伺服系统的构成及工作原理，
提
叙述步进电机、直流伺服电机、交流伺服电
机等伺服驱动元件的结构及调速方法，阐述
要
开环伺服系统、闭环伺服系统的构成及控制
原理。
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第四章目标 进给伺服系统
推荐 Jleq/Jm<=4 式中 Jleq为系统等效负载转动惯量
Jm 为电机转动惯量
④ 电机运行速度和最高工作频率能满足工作台切削加工 和快移要求。
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2)步进电机选择步骤
第四章 进给伺服系统
① 初定步进电机步距角，计算减速比，确定齿轮副 初选步进电机型号，根据其工作方式，初定步距角
i=Z1/Z2= t / 3 60
2.步进电机的结构
2) 转子
第四章 进给伺服系统
左图为一转子示意图： 转子上有均匀分布的 齿，没有绕组。 以四十齿为例来说明 步进电机的原理 转子齿间夹角为9o
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3. 步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3. 步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3. 步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
4.工作原理 步进电机原理动画演示.exe
定子绕组通断电顺序
→ 转子转向
定子绕组通断电转换频率 → 转子转速
定子绕组通断电次数
→ 转子转角
❖ 通断电方式
三相单三拍 三相双三拍 三相六拍
A →B →C →A （K=1） AB →BC →CA →AB （K=1） A →AB →B →BC →C →CA →A （K=2）