第四章伺服系統(tǒng)專題1

1、數(shù)控技術 * 1 進給伺服驅動系統(tǒng)進給伺服驅動系統(tǒng) 數(shù)控技術 * 2 教學內容教學內容 數(shù)控技術 * 3 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)是以機械位移、速度為直接控制目標的自動 控制系統(tǒng)，也可稱為隨動系統(tǒng)，簡稱為伺服系統(tǒng)。 1.1 伺服系統(tǒng)的概念 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)主要有兩種：一種是進給伺服系統(tǒng)，它 控制機床各坐標軸的切削進給運動，以直線運動為主；另一 種是主軸伺服系統(tǒng)，它控制主軸的切削運動，以旋轉運動為 主,本章只介紹第一種伺服系統(tǒng)。 速度控制單元 機床 CNC 位置控 制模塊 速度控 制單元 速 度 反 饋 速度環(huán) 速度檢測 伺服電機 工作臺 位置檢測 測量與反饋 位置環(huán) 位 置 反 饋 + 圖6.1.1

2、伺服系統(tǒng)結構圖 + 指令 伺服系統(tǒng)結構圖 數(shù)控技術 * 5 電機電機 機械執(zhí)行部件 A相、B相 C相、 f、n CNC 插補指令 脈沖頻率f 脈沖個數(shù)n 換算 脈沖環(huán)形 分配變換 功率 放大 1.2 伺服系統(tǒng)的分類 伺服系統(tǒng)的控制方法主要分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種控制方法。它實際 上是指伺服系統(tǒng)實現(xiàn)位置伺服控制的三種方式。 數(shù)控技術 * 6 驅動電路 工作臺 步進電機 指令脈沖 開環(huán)伺服系統(tǒng) 開環(huán)控制只有從發(fā)出的位置指令輸入到最后的位置輸出的前向 通道控制，而沒有測量實際位置輸出的反饋通道。由步進電動機 直接驅動滾珠絲桿副的結構就是開環(huán)控制系統(tǒng)的實例。定位精度 較低，此外，它的速度低，低速平穩(wěn)

3、性差，效率也較低。 數(shù)控技術 * 7 位置比較 速度比較 伺復電機 測速機 旋變 + 指令 半閉環(huán)控制 如果在電動機軸或絲桿上安裝一個旋轉變壓器反饋轉角的變 化，則系統(tǒng)變成了半閉環(huán)系統(tǒng)。這樣，與開環(huán)系統(tǒng)相比，半閉 環(huán)系統(tǒng)，提高了精度，但它檢測的反饋信號來自于系統(tǒng)中某一 個非最終輸出的環(huán)節(jié)，使得系統(tǒng)無法對這一環(huán)節(jié)到最終控制目 標之間的誤差自動進行補償。 位置控制 調節(jié)器 速度控制 調節(jié)與驅動 檢測與反饋 單元 位置控制單 元 速度控制單 元 + + - - 電機 機械執(zhí)行部 件 CNC 插補 指令 實際 位置 反饋 實際 速度 反饋 半閉環(huán)控制系統(tǒng) 數(shù)控技術 * 9 在前向控制通道的基礎上在加上

4、直接檢測最終輸出的反饋控制 通道就形成了閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)。檢測元件通常為直線感應同 步器和光柵等直線行位檢元件，安裝在最終的移動目標工作臺上。 位置控制調節(jié)器 速度控制 調節(jié)與驅動 檢測與反饋單元 位置控制單元速度控制單元 + + - 電機 機械執(zhí)行部件 CNC插 補 指令 實際位 置反饋 實際速 度反饋 數(shù)控技術 * 10 位置控制調節(jié)器 速度控制 調節(jié)與驅動 檢測與反饋單元 位置控制單元速度控制單元 + + - 電機 機械執(zhí)行部件 CNC插 補 指令 實際位 置反饋 實際速 度反饋 全閉環(huán)控制 伺服驅動系統(tǒng)的性能在很大程度上決定了數(shù)控機床的性能。數(shù) 控機床的最高移動速度，跟蹤速度，定位精

5、度等重要的指標都取 決于伺服系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)特性。它一直是數(shù)控機床研究的重要 課題之一。 數(shù)控技術 * 11 指令 位置比較 速度比較 伺服 電機 速度反饋 位置反饋 測量元件 - + 全閉環(huán)控制 數(shù)控技術 * 12 數(shù)控機床完成各種不同的加工任務，對進給伺服系統(tǒng)的要求也不 盡相同，可概括為以下幾點要求。 1.3 數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)的要求 1.精度高 伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復現(xiàn)輸入量的精確程度。直 接影響機床的定位精度和重復定位精度，因而對零件的加工精 度影響很大。精密加工的數(shù)控機床要求定位和輪廓切削精度都 比較高，一般允許偏差在0.010.001mm之間，甚至到0.1um。 數(shù)控技術 *

6、 13 2.穩(wěn)定性好系統(tǒng)受外界干擾小，或在外界的干擾下，能在最短 的時間內恢復到原來的平衡狀態(tài)。 3.調速范圍寬 調速范圍Rn為： Rn=nmax/nmin 式中nmax 、nmin 額定負載時的最高、最低轉速，單位為r/min。 數(shù)控技術 * 14 對一般的數(shù)控機床而言，進給伺服系統(tǒng)的調速范圍Rn為 1:24000就足夠了，即在124000mm/min調速范圍內速度能夠均 衡、穩(wěn)定、無爬行地工作。較為先進的機床可以獲得更大的調速 范圍。 數(shù)控技術 * 15 4.快速響應 為了保證輪廓切削形狀精度和表面粗糙度，除了保證較高 的定位精度外，還要求跟蹤指令信號響應快，一般在200ms以內， 甚至小

7、于幾十ms。 5.低速大轉矩 切削加工的特點一般是在低速時進行重切削。為適應加工要 求對伺服系統(tǒng)要求低速大轉矩。系統(tǒng)具有這一特性，可以簡化 傳動鏈，使傳動裝置機械結構得道簡化系統(tǒng)剛性加強，使傳動 裝置的動態(tài)質量和傳動精度得到提高。 數(shù)控技術 * 16 伺服電動機的要求： 從最低速度到最高速度能平滑運轉，具有大的、較長時間的 過載能力、響應快，還要求能承受平凡的啟動、制動和反轉。 進給驅動用的伺服電動機主要有： 步進電動機，直流和交流調速電動機。 v交流調速電動機是機床進給驅動的一個方向。 數(shù)控技術 * 17 自80年代中期開始，交流進給驅動得到了迅速的發(fā)展。今天， 一些先進的國家?guī)缀跞坎捎媒?/p>

8、流進給驅動。 交流調速電動機是以異步電動機和永磁同步電動機為基礎的交 流電動機，而所采用的異步電動機多為批量生產(chǎn)的普通結構形式的 異步電動機， 可以預見，交流調速電動機將是最有發(fā)展前途的進給驅動裝 置。 數(shù)控技術 * 18 2.1 步進電機簡介 步進電機本體、驅動器和控制器構成步進電機系統(tǒng)不可分割 的三大部分。 步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成機械角位移的驅動元件。 給一個電脈沖信號，步進電動機就回轉一個固定的角度，稱為一步， 所以稱為步進電動機。有由于它輸入的是脈沖電流，也稱為脈沖電 動機。 數(shù)控技術 * 19 步進電動機具有精度高，慣性小的特點，對各種干擾因素不敏感 ，誤差不會長期積累，

9、轉過360以后其積累誤差為“0”。它主要用 于開環(huán)控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)的結構簡單、運行可靠，也可用于閉環(huán)控 制系統(tǒng)。 按勵磁方式的不同，步進電動機可分為反應式、永磁式、感應 式和混合式等。 數(shù)控技術 * 20 混合式步進電動機的結構和原理具有反應式和永磁式兩種電動機 的特點，在同樣的勵磁電流下，它可以產(chǎn)生更大的轉矩。目前這種 電動機以在數(shù)控機床等領域得到了廣泛的應用。反應式步進電動機 應用普遍，結構也簡單，是我們分析的重點對向。 數(shù)控技術 * 21 下圖所示為反應式步進電動機的結構原理圖。它的定子和轉子 鐵心通常由硅鋼片疊成。定子上有A、B、C三對磁極，在相對應的 磁極上繞有A、B、C三向控制繞組

10、。假設轉子上有四個齒，齒寬與 定子的極靴寬相等，相鄰兩齒所對應的空間角度為齒距角。 2.2 步進電動機的工作原理 S N B S C A N B S C N A 繞組 定子鐵心 轉子鐵心 A向磁通A 數(shù)控技術 * 22 齒距角Ot為 Ot=360/Zr 式中Zr轉子齒數(shù)。 在圖中所示的三相(A、B、C) 步進電動機中，Zr=4,齒距角 Ot=90。 A B C C B A A B C C B A 逆時針轉30 逆時針轉30 數(shù)控技術 * 23 A B C C B A A B C C B A 逆時針轉30 逆時針轉30 定子上有六個磁極，分成A，B，C三相，每個磁極上繞有激磁繞組，按 串聯(lián)（或并

11、聯(lián)）方式連接，使電流產(chǎn)生的磁場方向一致。轉子無繞組，它 是由帶齒的鐵心做成的，當定子繞組按順序輪流通電時，A，B，C三對磁 極就依次產(chǎn)生磁場，并每次對轉子的某一隊齒產(chǎn)生電磁轉矩，吸引過來使 它一步步轉動。 數(shù)控技術 * 24 每當轉子某一對齒的中心線與釘子繞極中心線對齊時，磁組最 小，轉矩為零，此時按一定方向切換定字繞組各相電流，使轉子按 一定方向一步步轉動。步進電機每步轉過的角度稱做步矩角。 A B C C B A A B C C B A 逆時針轉30 逆時針轉30 數(shù)控技術 * 25 設A相通電，轉子1、3齒被磁極A產(chǎn)生的電磁轉矩吸引過去，當1、3齒與A對齊 時，轉動停止；此時，B相通電，

12、A相斷電，磁極B又把距它最近的一對齒2、4吸 引過來，使轉子按逆時針方向轉過30度。 A B C C B A A B C C B A 逆時針轉30 逆時針轉30 數(shù)控技術 * 26 接著C相通電，B斷電，轉子又逆時針旋轉30度，依此類推，定子按 ABCA.使定子繞組通電，轉子就一步步地按逆時針方向轉動，每步轉30 度。若改變通電順序，按ACBA.使定子繞組通電，步進電機就按順時針 方向轉動，同樣每步轉30度。這種控制方式叫單三拍方式。 A B C C B A A B C C B A 逆時針轉30 逆時針轉30 數(shù)控技術 * 27 由于雙三拍控制每次有二相通電，而且切換時總保持一相繞組通電，所以

13、工 作比較穩(wěn)定。如果按AABBBCCCAA.順序通電，就是三相六拍工 作方式。每切換一次，步進電機按順時針方向轉過15度。同樣，若按 AACCCBBBAA.S順序通電，則步進電機每步按順時針方向轉過 15度。三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半。 A B C C B A A B C C B A 逆時針轉30 逆時針轉30 數(shù)控技術 * 28 由于每次只有一相繞組通電，在切換瞬間失去自鎖轉矩，容易失步，此外， 只有一相繞組通電吸引轉子，易在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，故實際不采用單三拍 工作方式，而采用雙三拍控制方式，即通電順序按ABBCCAAB.（逆 時針方向）或按ACCBBAAC.（順時

14、針方向）進行。 A B C C B A A B C C B A 逆時針轉30 逆時針轉30 數(shù)控技術 * 29 2.3 步進電動機的主要性能指標 1)步距角 步進電機的步距角是反映步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改 變一次，轉子轉過的角度。它取決于電機結構和控制方式。步 距角b可按下式計算： 1.步距角及靜態(tài)步距角誤差 b=360/mzKc（度） 數(shù)控技術 * 30 b=360/mzKc（度） 式中：m定子相數(shù)； z轉子齒數(shù)； Kc控制方式確定的拍數(shù)的比例系數(shù)。 例如三相三拍時，k=1，三相六拍時，k=2。 數(shù)控技術 * 31 同一相數(shù)的步進電動機通常有兩種步距角，如 1.5/0.75、1.2/0

15、.6、3/1.5等。單、雙拍 制的步距角比單拍制或雙拍制的步距角減小一半。 數(shù)控技術 * 32 步進電機每走一步的步距角b應是圓周360度的等分值。但是，實 際的步距角與理論值有誤差。它的大小是由制造精度、齒槽的分布 不均勻等因素決定的。 步進電機的靜態(tài)步距誤差通常在10以內。它的值越小，就表 示精度越高。按靜態(tài)步距角誤差，步進電動機的精度分為兩級， 如表4-1所示。 2)靜態(tài)步距角誤差 數(shù)控技術 * 33 步距角 1級精度 2級精度 b1.5 +-25% +-25% 1.5 b 7.5 +-15% +-25% 7.5 b 15 +-5% +-10% 表4-1 步進電動機步距角精度分級 數(shù)控技

16、術 * 34 步進電動機的精度可用步距角的誤差或累積誤差衡量。 累積誤差 是指轉子從任意位置開始，經(jīng)過任意步后，轉子的實際轉角 與理論轉角之間的最大值。電動機轉一周，其積累誤差應為零， 在一周內積累誤差可大可小，可正可負。 數(shù)控技術 * 35 1)最大靜轉矩Tmax 當定子一相繞組通電時，轉子在-到之間任何一個位置 停留，當定子通電后，轉子與定子齒都會對準，回到初始平衡位 置；所以把空載靜穩(wěn)定區(qū)定為-到之間。 2.4 最大靜轉矩 T max與起動轉矩T q 數(shù)控技術 * 36 當轉子受到外力的作用后，轉子齒要偏離初始位置，這時定轉 子之間產(chǎn)生的定子轉矩用以克服負載轉矩，直到相互平衡，轉子 停在

17、一個新的平衡點，這時轉子齒所偏離的角度成為失調角e。這 時，電動機的靜態(tài)轉矩與失調角之間關系接近正弦變化，稱之為 矩角特性（如圖示）。 0 矩轉 靜大最 點衡平 定穩(wěn)不 點衡平 定穩(wěn)不 點衡平 定穩(wěn) 靜態(tài)穩(wěn)定區(qū) T=-Tm *sine 數(shù)控技術 * 37 0 矩轉 靜大最 點衡平 定穩(wěn)不 點衡平 定穩(wěn)不 點衡平 定穩(wěn) 靜態(tài)穩(wěn)定區(qū) 靜態(tài)矩角特性 當e=+-（/2）時，T為最大靜轉矩，它表示步進電動機所 能承受的最大靜態(tài)轉矩Tmax。 數(shù)控技術 * 38 顯然，當轉子加上負載后，其負載靜穩(wěn)定區(qū)在-/2， /2之間。當轉子受到的負載轉矩是脈動的情況下，轉子的失調角 將隨負載變化而變化，可以看見轉子在

18、作輕微的晃動，這種現(xiàn)象是 正常的，步矩角越小，晃動范圍越小，對數(shù)控系統(tǒng)精度的影響也就 越小。 數(shù)控技術 * 39 當多相通電時，矩角特性可由單項矩角特性以矢量和的方式算 出，當繞組數(shù)大于3時，多相通電多數(shù)能提高靜態(tài)轉矩（見表4-2 ）。功率較大的步進電動機多數(shù)采用大于三相的勵磁繞組，而且 多相通電。 數(shù)控技術 * 40 表4-2 步進電動機多相通電時的轉矩 步進電動 機相數(shù) 3 4 5 同時通電 相數(shù) 121 231231234 合成轉矩 /Tmax 1111.4111.61.611.721.7 數(shù)控技術 * 41 2)最大起動轉矩T q 它代表步進電動機單相勵磁時所能驅動的極限轉矩。 不同相

19、數(shù)的步進電動機的起動轉矩不同，一般相數(shù)越多，拍 數(shù)越多，則起動轉矩越大。 根據(jù)步進電動機的相數(shù)、拍數(shù)選取起動轉矩，見表4-3。表中 T max為步進電動機的最大靜轉矩。 數(shù)控技術 * 42 表4-3 步進電動機相數(shù)、拍數(shù)、最大負載轉矩表 運行 方式 相數(shù) 3456 拍數(shù) 3648510612 Tq/Tmax 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 數(shù)控技術 * 43 2.5 起動頻率和起動特性 起動頻率是指步進電動機不失步起動所能施加的最高控制脈 沖頻率。在電動機空載情況下，成為空載起動頻率。在有負載 情況下，不失步起動所允許的最高頻率將大大

20、降低。例如70BF3 型步進電動機空載起動頻率是1400Hz，當負載為最大轉矩T max 的0.55倍時，起動頻率下降到50Hz。 數(shù)控技術 * 44 步進電動機帶一定負載起動后，連續(xù)緩慢提高脈沖頻率直到不 丟步運行的最高頻率稱為運行頻率。它比起動頻率大得多。因此 步進電動機常采用升降速控制，起停時頻率降低，正常運行時， 頻率升高。 數(shù)控技術 * 45 2.6 連續(xù)運行頻率 步進電動機在實際應用中一般均處在連續(xù)脈沖運行狀態(tài)，控 制脈沖的變化及對它的影響可分為三個區(qū)段： 1）脈沖頻率極低 這時電動機的運行為連續(xù)的單步運動。 2）脈沖頻率很高 這時脈沖間隔短，在前一步還沒有振蕩結束，后一個脈沖就

21、已經(jīng)來臨，使步進電動機連續(xù)平滑的轉動，轉速比較穩(wěn)定。 數(shù)控技術 * 46 3）低頻共振 當脈沖頻率介于低頻和高頻之間，容易接近于電動機本身的振 蕩頻率，這時電動機將產(chǎn)生強烈振動，甚至失步無法工作。這就是 步進電動機低頻共振丟步現(xiàn)象。 設置專門的阻尼器，消耗振動能量，限制振幅。 數(shù)控技術 * 47 工作臺的縱向軸是導程P=1.25mm的普通絲桿副，步進電動 機通過一對降速齒輪副與絲桿連接。 設絲桿軸向的負載Fa=500N； 最大進給速度vmax=0.8m/min； 脈沖當量=0.002mm/step； 傳動的總效率是=0.255。 請選用步進電動機。 數(shù)控技術 * 48 1）確定步進電動機的起動

22、力矩T q 當電動機在起動力矩Tq作 用下轉一個步矩角b時，所作的功為: 設選用的步進電動機的步矩角b=0.75/step WD=T q*（b/360）*2 工作臺克服負載F a、位移所做的功: W a=F a* 根據(jù)能量守恒 WD=Wa 數(shù)控技術 * 49 得 Tq=360*Fa/2*b*=360*0.002*5000/2*3.14*0.75*0. 255N.mm=2997.3N.mm 數(shù)控技術 * 50 根據(jù)以上參數(shù)選電動機100BF003。它的 Tmax=800N.cm,b=0.75/1.5 f max=7000。 2）確定步進電動機最大靜轉矩Tmax 為滿足最小步矩要求，電動 機選用三相六拍工作方式，根據(jù)表4-3得Tq/Tmax=0.866, 則 Tmax=299.73/0.866N.cm=346.11N.cm 3）確定步進電動機運行頻率 fmax=100