第4章数控机床的伺服系统

(3)脉冲、数字比较伺服系统。脉冲、数字比较伺服系统是将数控装置 发出的数字(脉冲)指令信号与检测装置的反馈信号(脉冲)直接进行 比较，得到位置误差，实现闭环控制。如图4一4所示
(4)数字式伺服系统。所谓数字式伺服系统是指伺服系统中的控制信息 用数字量来处理。在数控系统中要处理的控制信息有位置环、速 度环和电流环。根据这些信息是用软件来处理还是用硬件来处理， 可分为全数字式和混合式。
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4. 3执行元件—步进电动机
4. 3. 3步进电动机的控制方法
由步进电动机的工作原理知道，要使电动机正常的一步一步 地运行，控制脉冲必须按一定的顺序分别供给电动机各相，例如 三相单拍驱动方式，供给脉冲的顺序为A→B → C → A或A → C → B → A，称为环形脉冲分配。脉冲分配有两种方式:一种是硬件 脉冲分配(或称为脉冲分配器)，另一种是软件脉冲分配，是由计算 机的软件完成的。
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4. 3执行元件—步进电动机
3.步进电动机的工作原理 步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。现以图4
一18所示三相反应式步进电动机为例说明步进电动机的工作原理。
4. 3. 2步进电动机的主要特性
1.步距角和静态步距误差 步进电动机的步距角是反应步进电动机定子绕组的通电状态，
每改变一次，转子转过的角度。它取决于电动机结构和控制方式。 步进电动机每走一步的步距角α应是圆周360°的等分值。但
空载时，步进电动机由静止状态突然启动，并进入不丢步的 正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率。加给步进电动 机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。步进电动 机在负载(尤其是惯性负载)下的启动频率比空载要低，而且随着负 载加大(在允许范围内)，启动频率会进一步降低
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4. 3执行元件—步进电动机
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4. 2主轴通用变频器
4. 2. 4正弦波脉宽调制(SPWM)变频器
1. SPWM波形与等效正弦波 SPWM逆变器用来产生正弦脉宽调制波即SPWM波形。其
工作原理是:把1个正弦半波分成N等分，然后把每一等分的正弦曲 线与横坐标轴所包围的面积都用1个与此面积相等的等高矩形脉冲 来代替，这样可得到N个等高而不等宽的脉冲序列。它对应着1个 正弦波的半周，对正负半周都这样处理，即可得到相应的2N个脉 冲，这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制波。其波形如图4一10所 示
伺服系统结构原理可以用如图4一1所示框图表示。
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4. 1伺服系统组成与分类
4.1.2伺服系统的类型
1.从伺服电机类型的角度分类 (1)直流伺服系统。直流伺服系统常用的伺服电动机有小惯量直流伺
服电动机和永磁直流伺服电动机(也称为大惯量宽调速直流伺服电 动机)。小惯量直流伺服电动机最大限度地减少了电枢的转动惯量， 快速性较好，早期的数控机床上应用较多。 (2)交流伺服系统。交流伺服系统使用交流异步伺服电动机(一般用于 主轴伺服电动机)和永磁同步伺服电动机(一般用于进给伺服电动 机)，由于交流伺服电动机没有直流伺服电动机的缺点，而且有较 大的输出功率、更高的电压和转速。因此，目前交流伺服电动机 的应用得到了迅速地发展
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4. 2主轴通用变频器
4. 2. 3脉宽调制型(PWM)变频器
脉宽调制变频器的设计思想源于通信系统中的载波调制技术， 用这种技术构成的PWM交频器基本上解决常规阶梯波变频器中存 在的问题，为近代交流调速开辟了新的发展领域，目前PWM已成 为现代变频器产品的主导设计思想。图4一9是PWM变频器示意图。
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4. 1伺服系统组成与分类
3.按进给驱动和主轴驱动分类 (1)进给伺服系统。进给伺服系统是指驱动工作台等移动部件，使相 应坐标轴按指令要求的运动方式达到目标位置。它完成各坐标轴 的进给运动，包含速度控制和位置控制的双闭环结构，具有定位 和轮廓跟踪功能，是数控机床中要求最高的伺服控制。 (2)主轴伺服系统。主轴伺服系统是一个速度控制系统，具备主轴启 停、调速及正、反转即可，且有螺纹加工、准停和恒线速控制等 功能。
4.连续运行频率 步进电动机启动以后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续
上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率，其值远大于 启动频率。它也随电动机所带负载的性质和大小而异，与驱动电 源也有很大关系。 5.矩频特性与动态转矩
矩频特性T=F(f)是描述步进电动机连续稳定运行时输出转矩与 连续运行频率之间的关系。该特性上每一个频率对应的转矩称为 动态转矩。使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升 而下降的特点。
4. 3执行元件—步进电动机
4. 3. 1步进电动机的分类、结构和工作原理
1.步进电动机的分类 步进电动机的分类方法很多，根据不同的分类方式，可将步
进电动机分为多种类型，如表4一1所示。 2.步进电动机的结构
目前，我国使用的步进电动机多为反应式步进电动机。在反 应式步进电动机中，有轴向分相和径向分相两种。图4一15所示是 一典型的单定子、径向分相、反应式伺服步进电动机的结构原理 图。它与普通电动机一样，也是由定子和转子构成，其中定子又 分为定子铁芯和定子绕组。定子铁芯由电工钢片叠压而成，定子 绕组是绕置在定子铁芯6个均匀分布的齿上的线圈，在直径方向上 相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。
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4. 1伺服系统组成与分类
4.按反馈比较控制方式分类 (1)相位伺服系统。相位伺服系统是采用相位比较方法实现位置闭环 (及半闭环)控制的伺服系统，是数控机床常用的一种位置控制系统。 在相位伺服系统中，位置检测装置采用相位工作方式，指令信号 与反馈信号是用相位表示的，即是某个载波的相位。通过指令信 号与反馈信号相位的比较，获得实际位置与指令位置的偏差，实 现闭环控制。如图4 -2所示
是，实际的步距角与理论值有误差。在一转内各步距误差的最大 值，被定为步距误差。步进电动机的静态步距误差通常在10′以内 。
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4. 3执行元件—步进电动机
2.静态矩角特性 当步进电动机不改变通电状态时，转子处在不动状态。如果
在电动机轴上外加一个负载转矩，使转子按一定方向转过一个角 度θ ，此时转子所受的电磁转矩T称为静态转矩，角度θ称为失调 角。描述静态时T与θ的关系叫矩角特性，该特性上的电磁转矩最 大值称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加转矩除去时，转 子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置(θ =0)，如图4一 19所示 3.启动频率
SPWM变频器的主电路原理及电动机线电压波形如图4一12所 示。
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4. 2主轴通用变频器
4.用单片微机实现的SPWM控制 如图4一13给出了一个以单片微机结构构成的原理框。该电路
原理简单、工作可靠、控制灵活。可对频率、电压实现精确计算， 还可以对系统运行进行监控和故障保护。
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4. 1伺服系统组成与分类
4.1.3数控机床对伺服系统要求
1.精度高 2.稳定性好 3.速度响应要快 4.调速范围要宽 5.低速大转矩
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4. 2主轴通用变频器
4. 2. 1变频器技术简介
随着交流调速技术的发展，目前数控机床的主轴驱动多采用 交流主轴配变频器控制的方式。变频器的控制方式从最初的电压 空间矢量控制(磁通轨迹法)到矢量控制(磁通定向控制)，发展至今 为直接转矩控制，从而能方便地实现无速度传感器化;脉宽调制 (PWM)技术从正弦PWM发展至优化PWM技术和随机PWM技术， 以实现电流谐波畸变小，电压利用率最高、效率最优、转矩脉冲 最小及噪声强度大幅度削弱的目标;功率器件由GTO,GTR , IGBT 发展到智能模块IPM，是开关速度快、驱动电流小、控制驱动简 单、故障率降低、干扰得到有效控制及保护功能进一步完善。
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4. 2主轴通用变频器
4. 2. 2变频器的类型
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4. 1伺服系统组成与分类
2.按驱动装置类型分类 (1)电液伺服系统。电液伺服系统的执行元件为液压元件，控制系统 为电器元件。执行元件常用的有电液脉冲马达和电液伺服系统在 低速下可以得到很高的输出力矩，并且刚性好、时间常数小、反 应快、速度平稳 (2)电气伺服系统。电气伺服系统全部采用电子器件和电动机，操作 维护方便、可靠性高。电气伺服系统采用的驱动装置有步进电动 机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。
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4. 2主轴通用变频器
2.产生SPWM波形的原理 SPWM波形可用计算机技术产生，即对给定的正弦波用计算
机算出相应脉冲宽度，通过控制电路输出相应波形，或用专门集 成电路芯片产生;也可采用模拟式电路以“调制”理论为依据产生。 其方法是以正弦波为调制波，对等腰三角波为载波的信号进行 “调制”。调制电路仍可采用电压比较放大器。 3. SPWM变频器的主要电路
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4. 3执行元件—步进电动机
6.加减速特性 步进电动机的加减速特性是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。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。逐渐上升和 下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。
第4章数控机床的伺服系统
4. 1伺服系统组成与分类 4. 2主轴通用变频器 4. 3执行元件—步进电动机 4. 4执行元件—直流伺服电动机 4. 5执行元件—交流伺服电动机
4. 1伺服系统组成与分类
4.1.1伺服系统的概念及组成
伺服系统位于数控装置与机床主体之间，它的作用是接受来 自数控装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变 换及电压、功率放大、检测反馈，然后将接收到的数字信息转换 成模拟量信息，驱动执行电机最终实现机床工作台相对于刀具运 动的控制系统。
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4. 1伺服系统组成与分类
(2)幅值伺服系统。幅值伺服系统是以位置检测信号的幅值大小反映机 械位移的数值，并以此信号作为位置反馈信号，一般还要转换成 数字信号才能与指令信号进行比较，而后获得位置偏差信号构成 闭环控制系统。此类伺服系统的位置检测装置多用感应同步器或 旋转变压器，其系统结构如图4
4. 4. 1直流伺服电机的结构和工作原理