第7章數(shù)控伺服系統(tǒng)(成教)

第7章數(shù)控伺服系統(tǒng)1/16/20237.1概

述

伺服系統(tǒng)是指以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的進給指令信號，經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放大后驅(qū)動執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運動。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置(計算機)和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成部分。數(shù)控機床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、伺服機構或伺服單元。該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，結構復雜，綜合性強。1/16/2023進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說C裝置是數(shù)控系統(tǒng)的“大腦”，是發(fā)布“命令”的“指揮所”，那么進給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢”，是一種“執(zhí)行機構”。它忠實地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來的運動命令，精確控制執(zhí)行部件的運動方向，進給速度與位移量。1/16/20231．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。包括定位精度和輪廓加工精度。2．穩(wěn)定性好:穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達到新的或者恢復到原來的平衡狀態(tài)。直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。7．快速響應:快速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。4．調(diào)速范圍寬:調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機械要求電機能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。0～24m/min。5．低速大轉(zhuǎn)矩:進給坐標的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個速度范圍內(nèi)都要保持這個轉(zhuǎn)矩；主軸坐標的伺服控制在低速時為恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩。在高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。7.1.1對伺服系統(tǒng)的基本要求

1/16/20237.1.2伺服系統(tǒng)的組成

位置調(diào)解速度調(diào)解電流調(diào)解轉(zhuǎn)換驅(qū)動工作臺電流反饋速度反饋位置反饋MG位置、速度和電流環(huán)均由：調(diào)節(jié)控制模塊、檢測和反饋部分組成。電力電子驅(qū)動裝置由驅(qū)動信號產(chǎn)生電路和功率放大器組成。嚴格來說：位置控制包括位置、速度和電流控制；速度控制包括速度和電流控制。1/16/2023

組成：伺服電機驅(qū)動信號控制轉(zhuǎn)換電路電子電力驅(qū)動放大模塊

位置調(diào)節(jié)單元速度調(diào)節(jié)單元電流調(diào)節(jié)單元檢測裝置一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結構：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。1/16/20231．按調(diào)節(jié)理論分類（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)

（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)

（7）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)7.1.7伺服系統(tǒng)的分類指令驅(qū)動電路步進電機工作臺脈沖伺服電機速度檢測速度控制位置控制位置檢測伺服電機速度控制位置控制工作臺脈沖編碼器指令1/16/2023開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置→進給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。電機機械執(zhí)行部件A相、B相C相、…f、nCNC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1/16/2023無位置反饋，精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動系統(tǒng)和機械傳動機構的性能和精度。一般以功率步進電機作為伺服驅(qū)動元件。這類系統(tǒng)具有結構簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合得到廣泛應用。一般用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。1/16/2023半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖所示，是從驅(qū)動裝置(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)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1/16/2023半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結構簡單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機床中得到了廣泛應用。1/16/2023全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進行檢測。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)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1/16/2023從理論上講，可以消除整個驅(qū)動和傳動環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。由于位置環(huán)內(nèi)的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設計、安裝和調(diào)試都相當困難。該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機床等。1/16/20232．按使用的執(zhí)行元件分類

（1）電液伺服系統(tǒng)電液脈沖馬達和電液伺服馬達。優(yōu)點：在低速下可以得到很高的輸出力矩，剛性好，時間常數(shù)小、反應快和速度平穩(wěn)。缺點：液壓系統(tǒng)需要供油系統(tǒng)，體積大。噪聲、漏油。（2）電氣伺服系統(tǒng)伺服電機（步進電機、直流電機和交流電機）優(yōu)點：操作維護方便，可靠性高。1）直流伺服系統(tǒng)

進給運動系統(tǒng)采用大慣量寬調(diào)速永磁直流伺服電機和中小慣量直流伺服電機；主運動系統(tǒng)采用他激直流伺服電機。優(yōu)點：調(diào)速性能好。缺點：有電刷，速度不高。2）交流伺服系統(tǒng)交流感應異步伺服電機（一般用于主軸伺服系統(tǒng)）和永磁同步伺服電機（一般用于進給伺服系統(tǒng)）。優(yōu)點：結構簡單、不需維護、適合于在惡劣環(huán)境下工作。動態(tài)響應好、轉(zhuǎn)速高和容量大。1/16/20237．按被控對象分類（1）進給伺服系統(tǒng)指一般概念的位置伺服系統(tǒng)，包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。（2）主軸伺服系統(tǒng)只是一個速度控制系統(tǒng)。

C軸控制功能。4．按反饋比較控制方式分類（1）脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)（2）相位比較伺服系統(tǒng)（7）幅值比較伺服系統(tǒng)

（4）全數(shù)字伺服系統(tǒng)1/16/20237.2伺服元件的驅(qū)動元件

伺服電動機為數(shù)控伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是速度和軌跡控制的執(zhí)行元件。

數(shù)控機床中常用的伺服電機：直流伺服電機（調(diào)速性能良好）交流伺服電機（主要使用的電機）步進電機（適于輕載、負荷變動不大）直線電機（高速、高精度）

1/16/20237.2.1步進電機一、步進電機的分類按力矩產(chǎn)生的原理分1.反應式步進電機2.激磁式步進電機按輸出力矩大小分1.伺服式步進電機2.功率式步進電機按定子數(shù)分1.單定子式2.雙定子式7.三定子式步進電機4.多定子式步進電機按各相繞組分布分:1.徑向分相式:電機各相按圓周依次排列2.軸向分相式:電機各相按軸向依次排列1/16/20231、工作原理：

當?shù)谝粋€脈沖通入A相時，磁通企圖沿著磁阻最小的路徑閉合，在此磁場力的作用下，轉(zhuǎn)子的1、7齒要和A級對齊。當下一個脈沖通入B相時，磁通同樣要按磁阻最小的路徑閉合，即2、4齒要和B級對齊，則轉(zhuǎn)子就順逆時針方向轉(zhuǎn)動一定的角度。1/16/2023若通電脈沖的次序為A、C、B、A…，則不難推出，轉(zhuǎn)子將以順時針方向一步步地旋轉(zhuǎn)。這樣，用不同的脈沖通入次序方式就可以實觀對步進電動機的控制。脈沖的數(shù)量控制電機的轉(zhuǎn)角；脈沖的頻率控制電機的轉(zhuǎn)速；脈沖的通入次序控制電機的方向。定子繞組每改變一次通電方式，稱為一拍。上述的通電方式稱為三相單三拍。所謂“單”是指每次只有一相繞組通電；所謂“三拍”是指經(jīng)過三次切換控制繞組的通電狀態(tài)為一個循環(huán)。1/16/2023 式中為步距角；為轉(zhuǎn)子上的齒數(shù)；為步進電動機運行的拍數(shù)。同一臺步進電動機，因通電方式不同，運行時步距角也是不同的2.性能參數(shù)步距角步進電動機走一步所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，可按下面公式計算1/16/2023小結:1.步進電機受脈沖電流控制，轉(zhuǎn)子的角位移正比于輸入脈沖的數(shù)量轉(zhuǎn)子的角速度正比于輸入脈沖的頻率轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于定子繞組的通電順序2.步進電機有一定的步距誤差,但沒有累計誤差7.若維持控制繞組的電流不變,則步進電機就可停在某一位置不動1/16/2023永磁式直流電機（有槽、無槽、杯型、印刷繞組）勵磁式直流電機混合式直流電機無刷直流電機直流力矩電機

永磁式直流電機類型中的有槽電樞永磁直流電機（普通型）；

勵磁式直流電機類型中的他激直流電機。7.2.2直流伺服電機常用的直流電動機有：直流進給伺服系統(tǒng)：直流主軸伺服系統(tǒng)：1/16/2023

1．直流伺服電機的結構極靴機殼瓦狀永磁材料（定子）電樞（轉(zhuǎn)子）換向極主磁極定子轉(zhuǎn)子線圈圖7.5永磁直流伺服電機的結構

圖7.6直流主軸電機結構示意圖1/16/2023

(1)永磁直流伺服電機的性能特點

1)低轉(zhuǎn)速大慣量2)轉(zhuǎn)矩大7)起動力矩大4)調(diào)速泛圍大，低速運行平穩(wěn)，力矩波動小(2)永磁直流伺服電機性能用特性曲線和數(shù)據(jù)表描述1)轉(zhuǎn)矩-速度特性曲線（工作曲線）

2)負載-工作周期曲線

過載倍數(shù)Tmd，負載工作周期比d。

7)數(shù)據(jù)表：N、T、時間常數(shù)、轉(zhuǎn)動慣量等等。

2．永磁直流伺服電機的工作特性

1/16/2023直流伺服電機的缺點：

◆它的電刷和換向器易磨損；◆電機最高轉(zhuǎn)速的限制，應用環(huán)境的限制；◆結構復雜，制造困難，成本高。交流伺服電機的優(yōu)點：◆動態(tài)響應好；◆輸出功率大、電壓和轉(zhuǎn)速提高交流伺服電機形式：◆同步型交流伺服電機和◆異步型交流感應伺服電機。

7.2.7交流伺服電機1/16/2023交流同步伺服電機的種類：勵磁式、永磁式、磁阻式和磁滯式

（1）永磁交流同步伺服電機的結構1．永磁交流同步伺服電機的結構和工作原理

VSVS定子轉(zhuǎn)子脈沖編碼器定子三相繞組接線盒圖7﹒7永磁交流同步伺服電機結構

1/16/2023圖7﹒8永磁交流同步伺服電機結構1/16/2023

（1）永磁交流同步伺服電機的發(fā)展①新永磁材料的應用