第3章 數(shù)控伺服系統(tǒng)

第3章數(shù)控伺服系統(tǒng)

主要內(nèi)容主要內(nèi)容

概述

伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件

步進(jìn)式伺服系統(tǒng)

鑒相式伺服系統(tǒng)鑒幅式伺服系統(tǒng)

脈沖比較式伺服系統(tǒng)CNC數(shù)字伺服系統(tǒng)1數(shù)控伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件(如工作臺(tái)、主軸和刀具等)的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。數(shù)控伺服系統(tǒng)的作用在于接受來(lái)自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定的信號(hào)變換及電壓、功率放大，驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，并保證動(dòng)作的快速性和準(zhǔn)確性。數(shù)控伺服系統(tǒng)作為數(shù)控裝置和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，數(shù)控機(jī)床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)很大程度上取決于伺服系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。3.1概述21.輸出位置精度要高

靜態(tài)：定位精度和重復(fù)定位精度要高，即定位誤差和重復(fù)定位誤差要小。(尺寸精度)

動(dòng)態(tài)：跟隨精度，動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，用跟隨誤差表示。(輪廓精度)

靈敏度要高，有足夠高的分辯率。3.1.1對(duì)數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求3.1概述32.響應(yīng)速度快且無(wú)超調(diào)對(duì)伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的要求，即在無(wú)超調(diào)的前提下，執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)速度的建立時(shí)間tp

應(yīng)盡可能短。要求從0→Fmax（Fmax→0），時(shí)間應(yīng)盡可能小，且不能有超調(diào)，否則對(duì)機(jī)械部件不利，有害于加工質(zhì)量。tFtp3.1.1對(duì)數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求3.1概述43.1.1對(duì)數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求3.調(diào)速范圍要寬且要有良好的穩(wěn)定性

調(diào)速范圍：一般要求：

穩(wěn)定性：指輸出速度的波動(dòng)要少，尤其是在低速時(shí)的平穩(wěn)性顯得特別重要。3.1概述54.系統(tǒng)的可靠性高

平均無(wú)故障時(shí)間

對(duì)伺服系統(tǒng)的要求包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性兩方面；對(duì)高精度的數(shù)控機(jī)床，對(duì)其動(dòng)態(tài)性能的要求更

嚴(yán)。3.1.1對(duì)數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求3.1概述6按有無(wú)反饋檢測(cè)元件分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)(含半閉環(huán))兩種類型

開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)控制單元、執(zhí)行元件和機(jī)床組成。

閉環(huán)(半閉環(huán))伺服系統(tǒng)由執(zhí)行元件、驅(qū)動(dòng)控制單元、機(jī)床以及反饋檢測(cè)元件、比較環(huán)節(jié)組成。

3.1.2數(shù)控伺服系統(tǒng)的基本組成3.1概述73.1.3數(shù)控伺服系統(tǒng)的分類按反饋比較控制方式分類數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)鑒相式伺服系統(tǒng)鑒幅式伺服系統(tǒng)全數(shù)字伺服系統(tǒng)按伺服系統(tǒng)的用途和功能分類進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按執(zhí)行元件的類別分類直流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)步進(jìn)伺服系統(tǒng)3.1概述8伺服驅(qū)動(dòng)元件又稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)數(shù)控伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，是根據(jù)輸入的控制信號(hào)產(chǎn)生角位移或角速度，帶動(dòng)被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)。數(shù)控伺服系統(tǒng)中常用的驅(qū)動(dòng)元件有：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件93.2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

步進(jìn)電機(jī)流行于70年代，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制容易、維修方面，且控制為全數(shù)字化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動(dòng)電路之外，其它部分均可由軟件實(shí)現(xiàn)，從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。目前步進(jìn)電機(jī)僅用于小容量、低速、精度要不高的場(chǎng)合，如經(jīng)濟(jì)型數(shù)控；打印機(jī)、繪圖機(jī)等計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移的機(jī)電元件。每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過(guò)一定角度。

3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件10步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類運(yùn)動(dòng)方式：旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的、直線運(yùn)動(dòng)的和平面運(yùn)動(dòng)；結(jié)構(gòu)上：反應(yīng)式、勵(lì)磁式；按定子數(shù)目：?jiǎn)味味ㄗ邮健⒍喽味ㄗ邮剑?/p>

按相數(shù)：?jiǎn)蜗?、兩相、三相及多相?/p>

3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件11三相三拍反應(yīng)式的工作原理

三相是指步進(jìn)電機(jī)有三相定子繞組，三拍是指每三次轉(zhuǎn)換為一個(gè)循環(huán)三相步進(jìn)電機(jī)，定子有六個(gè)磁極，分為三對(duì)，每個(gè)磁極上裝有控制繞組。一對(duì)磁極通電后，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生N/S極磁場(chǎng)；轉(zhuǎn)子為帶齒的鐵心（反應(yīng)式）或磁鋼（混合式）。當(dāng)定子三相依次通電時(shí)，三對(duì)磁極依次產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)，吸引轉(zhuǎn)子一步步轉(zhuǎn)動(dòng)。3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件12步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性

步距角:步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度

起動(dòng)頻率:空載時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然起動(dòng)，進(jìn)入不丟步的正常運(yùn)行的最高頻率

連續(xù)運(yùn)行頻率:步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)以后．其運(yùn)行速度能跟蹤指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率

加減速特性:描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過(guò)程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時(shí)間的關(guān)系3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件133.2.2直流伺服電動(dòng)機(jī)小慣量直流電動(dòng)機(jī):轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，反應(yīng)靈敏，動(dòng)態(tài)特性好，適用于高速與負(fù)載慣量較小的場(chǎng)合。大慣量寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī):既具有一般直流電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，又具有小慣量直流電動(dòng)機(jī)的快速響應(yīng)性能，易與較大的負(fù)載慣量匹配，能較好地滿足伺服驅(qū)動(dòng)的要求。

3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件14直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

按磁極的種類，寬調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)分為電勵(lì)磁和永久磁鐵兩種

3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件15寬調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)性能

輸出力矩大

過(guò)載能力強(qiáng)

動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好

低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)

易于調(diào)試

因此，寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)是目前機(jī)電一體化閉環(huán)伺服系統(tǒng)中應(yīng)用較多的控制電動(dòng)機(jī)。

3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件16直流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速方式

晶閘管直流調(diào)速（SCR）脈寬調(diào)制直流調(diào)速(PWM)頻帶寬

電動(dòng)機(jī)脈動(dòng)小

電源的功率因數(shù)高

動(dòng)態(tài)硬度好，系統(tǒng)具有良好的線性

3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件173.2.3交流伺服電動(dòng)機(jī)

由于直流伺服電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，80年代初至90年代中，在要求調(diào)速性能較高的場(chǎng)合，直流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用一直占據(jù)主導(dǎo)地位。但其卻存在一些固有的缺點(diǎn)，即：電刷和換向器易磨損，維護(hù)麻煩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高而交流伺服電機(jī)則沒(méi)有上述缺點(diǎn)。特別是在同樣體積下，交流伺服電機(jī)的輸出功率比直流電機(jī)提高10%～70%，且可達(dá)到的轉(zhuǎn)速比直流電機(jī)高。因此，人們一直在尋求交流電機(jī)調(diào)速方案來(lái)取代直流電機(jī)調(diào)速的方案。3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件18交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

交流伺服電動(dòng)機(jī)采用全封閉無(wú)刷構(gòu)造，不需定期檢查和維修。

定子省去了鑄件殼體，結(jié)構(gòu)緊湊，外形小，重量輕

它的轉(zhuǎn)子采用具有精密磁極形狀的永久磁鐵，常做成鼠籠式，為了使伺服電動(dòng)機(jī)反應(yīng)迅速，轉(zhuǎn)子做得較細(xì)長(zhǎng)。

空心杯形轉(zhuǎn)子，杯壁很薄

3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件19交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理

與單相異步電動(dòng)機(jī)相似交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速通常由調(diào)頻調(diào)速的方法實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓方法：

脈沖幅值調(diào)制(PAM)方法

脈寬調(diào)制(PWM)方法

3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件203.2.4直線電動(dòng)機(jī)直線電動(dòng)機(jī)是一種能將電信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成為直線位移的電動(dòng)機(jī)。直線電動(dòng)機(jī)沒(méi)有傳動(dòng)機(jī)械的磨損，并且噪音低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作維護(hù)方便。

直線電動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用的機(jī)型有直流直線電動(dòng)機(jī)、交流直線電動(dòng)機(jī)以及直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等，在實(shí)際中應(yīng)用較多的是交流直線電動(dòng)機(jī)。

3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件21直線電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單應(yīng)用范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)

反應(yīng)速度快，靈敏度高，隨動(dòng)性好

額定值高、冷卻條件好

有精密定位和自鎖能力

工作穩(wěn)定可靠，壽命長(zhǎng)

3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件22優(yōu)點(diǎn)：是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單用較多的是以光柵和光電編碼器作為位置檢測(cè)裝置的閉環(huán)控制系統(tǒng)。組成3.6脈沖比較式伺服系統(tǒng)23脈沖比較式伺服系統(tǒng)的組成指令信號(hào)

：由數(shù)控裝置提供，數(shù)字脈沖信號(hào)，也可以是數(shù)碼信號(hào)

反饋測(cè)量信號(hào)：由檢測(cè)裝置提供的機(jī)床速度、位置反饋信號(hào)，可以是脈沖信號(hào)，也可以是數(shù)碼信號(hào)

常用的檢測(cè)裝置：光柵和脈沖編碼器比較器

作用：完成指令信號(hào)與反饋測(cè)量信號(hào)比較的環(huán)節(jié)

有三類：數(shù)碼比較器、數(shù)字脈沖比較器和數(shù)碼與數(shù)字脈沖比較器。

轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器是數(shù)字脈沖信號(hào)與數(shù)碼的相互轉(zhuǎn)換部件

驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件：根據(jù)比較器的輸出帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)

3.6脈沖比較式伺服系統(tǒng)243.6脈沖比較式伺服系統(tǒng)25脈沖比較式伺服系統(tǒng)工作原理

以采用光電脈沖編碼器為測(cè)量元件的系統(tǒng)為例說(shuō)明數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)的工作原理。光電編碼器與伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)軸連接，隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生脈沖序列輸出，其脈沖的頻率將隨著轉(zhuǎn)速的快慢而升降。若工作臺(tái)處于靜止?fàn)顟B(tài)，指令脈沖Pc=0，這時(shí)反饋脈沖Pf亦為零，經(jīng)比較器可得偏差e=Pc－Pf=0，則伺服電機(jī)的速度給定為零，工作臺(tái)繼續(xù)保持靜止不動(dòng)。

3.6脈沖比較式伺服系統(tǒng)26脈沖比較式伺服系統(tǒng)工作原理

隨著指令脈沖的輸入，Pc≠0，在工作臺(tái)尚未移動(dòng)之前，反饋脈沖Pf仍為零。經(jīng)比較器比較，得偏差e=Pc－Pf≠0，若指令脈沖為正向進(jìn)給脈沖，則e>0，由速度控制單元驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)正向進(jìn)給。隨著電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，光電脈沖編碼器將輸出反饋脈沖Pf送入比較器，與指令脈沖Pc進(jìn)行比較，若e=Pc—Pf≠0，工作臺(tái)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，不斷反饋，直到e=Pc－Pf=0，即反饋脈沖數(shù)等于指令脈沖數(shù)，工作臺(tái)停在指令規(guī)定的位置上。當(dāng)指令脈沖為反向運(yùn)動(dòng)脈沖時(shí)，控制過(guò)程與Pc為正時(shí)基本上類似。只是e<0，工作臺(tái)作反向進(jìn)給，直至e=0，工作臺(tái)停在指令所規(guī)定的反向某個(gè)位置上。主要工作部件⒈數(shù)字脈沖—數(shù)碼轉(zhuǎn)換器⑴數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換為數(shù)碼對(duì)于數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)化為數(shù)碼，其最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法就是采用一個(gè)可逆計(jì)數(shù)器，它將輸入的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，以數(shù)碼值輸出。圖所示是由兩個(gè)二—十進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成的數(shù)字脈沖—數(shù)碼轉(zhuǎn)換器。

3.6脈沖比較式伺服系統(tǒng)主要工作部件⒈數(shù)字脈沖—數(shù)碼轉(zhuǎn)換器⑵數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖對(duì)于數(shù)碼轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖，常用的有兩種方法。第一種方法是采用減法計(jì)數(shù)器組成的線路，如圖所示，3.6脈沖比較式伺服系統(tǒng)主要工作部件⒈數(shù)字脈沖—數(shù)碼轉(zhuǎn)換器⑵數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖第二種方法是用一個(gè)脈沖乘法器，數(shù)字脈沖乘法器實(shí)質(zhì)上就是將輸入的二進(jìn)制數(shù)碼轉(zhuǎn)化為等值的脈沖數(shù)輸出，其示意圖如圖3.37所示。3.6脈沖比較式伺服系統(tǒng)主要工作部件2.比較器

在脈沖比較系統(tǒng)中，使用的比較器有多種結(jié)構(gòu)，根據(jù)其功能可分為兩種：一種是數(shù)碼比較器，另一種是數(shù)字脈沖比較器。數(shù)字脈沖比較器中常采用帶有可逆回路的可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行工作。下面介紹一種具有脈沖分離功能的數(shù)字脈沖比較器。比較器的構(gòu)成原理圖如圖所示。3.6脈沖比較式伺服系統(tǒng)3.6脈沖比較式伺服系統(tǒng)用于高精度CNC機(jī)床，