伺服驅動系統(tǒng)東北大學

2023/9/216伺服驅動系統(tǒng)（1）進給驅動控制機床各坐標軸的切削進給運動，是一種精密的位置跟蹤與定位系統(tǒng)，它包括速度控制，也是一般概念的伺服驅動系統(tǒng)。（2）主軸驅動控制機床主軸的旋轉運動和切削過程中的轉矩和功率，一般以速度控制為主。對C坐標功能的主軸驅動也需要位置控制。（3）輔助驅動在各類加工中心或多功能數(shù)控機床中，控制刀庫、料庫等輔助系統(tǒng)，多采用簡易的位置控制。2023/9/226.1.1伺服系統(tǒng)的組成組成：伺服電機驅動信號控制轉換電路電子電力驅動放大模塊位置調節(jié)單元速度調節(jié)單元電流調節(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)。2023/9/236.1.1伺服系統(tǒng)的組成

位置調解速度調解電流調解轉換驅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)均由調節(jié)控制模塊、檢測和反饋部分組成。電力電子驅動裝置由驅動信號產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。2023/9/241．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。3．快速響應

快速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質的重要指標，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。4．調速范圍寬

調速范圍是指生產機械要求電機能提供的最高轉速和最低轉速之比。0～24m/min。5．低速大轉矩

進給坐標的伺服控制屬于恒轉矩控制，在整個速度范圍內都要保持這個轉矩；主軸坐標的伺服控制在低速時為恒轉矩控制，能提供較大轉矩。在高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。6.1.2對伺服系統(tǒng)的基本要求2023/9/25對伺服電機的要求：（1）調運范圍寬且有良好的穩(wěn)定性，低速時的速度平穩(wěn)性（2）電機應具有大的、較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。（3）反應速度快，電機必須具有較小的轉動慣量、較大的轉矩、盡可能小的機電時間常數(shù)和很大的加速度

(400rad/s2以上)。（4）能承受頻繁的起動、制動和正反轉。6.1.2對伺服系統(tǒng)的基本要求2023/9/26（7）伺服系統(tǒng)對伺服電機的要求

由于數(shù)控對伺服系統(tǒng)提出了如上的嚴格技術要求，伺服系統(tǒng)對其自身的執(zhí)行機構-電動機-提出了嚴格的要求。①從最低速到最高速電機都要平穩(wěn)運轉，轉距波動要小，尤其是在低速如0.1r/min或更低轉速時，仍有穩(wěn)定的速度而無爬行現(xiàn)象。②電機應具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般直流伺服電機要求在數(shù)分鐘內過載4-6倍而不損壞。③為了滿足快速響應的要求，電機應該有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩，并且有盡可能小的時間常數(shù)和啟動電壓。電機應具有耐受4000rad/s2以上角加速度的能力，才能保證電機在0.2s以內從靜止到額定轉速。④電機應能承受頻繁啟動、制動和反轉。2023/9/276.1.2對主軸伺服系統(tǒng)的要求

對主軸伺服系統(tǒng)，除上述要求外，還應滿足如下要求：

（1）主軸與進給驅動的同步控制該功能使數(shù)控機床具有螺紋和螺旋槽加工的能力。

（2）準停控制在加工中心上，為了實現(xiàn)自動換刀，要求主軸能進行高精確位置的停止。

（3）角度分度控制角度分度控制有兩種類型：一是固定的等分角度控制；二是連續(xù)的任意角度控制。任意角度控制是帶有角位移反饋的位置伺服系統(tǒng)，這種主軸坐標具有進給坐標的功能，稱為“C”軸控制?！癈”軸控制可以用一般主軸控制與“C”控制切換的方法實現(xiàn)，也可以用大功率的進給伺服系統(tǒng)代替主軸系統(tǒng)。2023/9/286.1.3伺服系統(tǒng)的分類（1）按調節(jié)理論分類

①閉環(huán)

②半閉環(huán)③開環(huán)（2）按驅動部件的動作原理

①電液控制系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件為液壓元件，其前一級為電氣元件。驅動元件為液動機和液壓缸，常用的有電液脈沖馬達和電液伺服馬達。數(shù)空機床發(fā)展的初期，多數(shù)采用電液伺服系統(tǒng)。電液伺服系統(tǒng)具有在低速下可以得到很高的輸出轉矩，以及剛性好、時間常數(shù)小、反映快速度平穩(wěn)等特點。然而，液壓系統(tǒng)需要油箱、油管等供油系統(tǒng)，體積大。此外還有噪聲、漏油等問題，故從20世紀70年代起逐步被電氣伺服系統(tǒng)代替。只是具有特殊要求，才采用電液伺服系統(tǒng)。2023/9/29

②電氣控制系統(tǒng)電氣伺服系統(tǒng)全部采用電子器件和電機部件，操作維護方便、可靠性高。電器伺服系統(tǒng)中的驅動元件主要有步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機。它們沒有液壓系統(tǒng)中的噪聲、污染和維修費用高等問題，但反應速度和低速轉矩不如液壓系統(tǒng)高，現(xiàn)在電機的驅動電路、電機本身的結構都得到很大改善，性能大大提高，已經在更大范圍內取代了液壓伺服系統(tǒng)。（3）按伺服電機類型①直流伺服系統(tǒng)a.小慣量直流電機、細長電機最大限度地減小電樞的轉動慣量，所以能獲得最好的快速性。小慣量伺服電機一般都設計成高的額定轉速和底的慣量，所以應用時，要經過中間機械傳動，才能夠與絲杠連接。齒輪或齒型帶降速，滿足慣性匹配要求2023/9/210b.永磁直流伺服電機（大慣量寬調速直流伺服電機）永磁直流伺服電機能在較大過載轉矩下長時間工作以及電機的轉子慣量較大，能直接與絲杠相連而不需中間傳動裝置。此外，它還有一個特點是可在低速下運轉，如能在1r/min甚至在0.1r/min下平穩(wěn)地運轉。因此這種直流伺服系統(tǒng)在數(shù)控機床上獲得了廣泛的應用。自20世紀70年代至80年代中期，在數(shù)控機床上應用占絕對統(tǒng)治的地位，至今許多數(shù)控機床上仍然使用這種電機的直流伺服系統(tǒng)。缺點：有電刷，限制了速度的提高一般額定轉速為1000-1500r/min；結構復雜、價格昂貴

c.步進電機電磁吸合原理2023/9/211②交流伺服系統(tǒng)

a.交流異步電動機（一般用于主軸伺服電機）

b.永磁同步伺服電機（一般用于進給伺服電機）由于直流電機存在一些固有的缺點，使其應用環(huán)境受到限制。交流伺服電機沒有這些缺點，且轉子慣量較直流電機小，使得動態(tài)響應好。另外在同樣體積下，交流電機的輸出功率可比直流電機高10%-70%。還有交流電機的容量可以比直流電機造得大，達到更高的電壓和轉速。因此交流電機得到了迅速發(fā)展，已經形成潮流。從20世紀80年代后期開始，大量使用交流伺服系統(tǒng)，到今天有些國家的廠家，已經全部使用交流伺服系統(tǒng)。2023/9/212(4)按進給驅動和主軸驅動分類

①進給伺服系統(tǒng)進給伺服系統(tǒng)是一般意義上的伺服系統(tǒng)，它包括：速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。進給伺服系統(tǒng)完成各坐標軸的進給運動，具有定位和輪廓跟蹤功能，是數(shù)控機床中要求最高的伺服控制。

②主軸伺服系統(tǒng)嚴格地說、一般主軸控制只是一個速度控制系統(tǒng)。主要完成主軸的旋轉運動，提供切削過程中的轉矩和功率，且保證任意轉速的調節(jié)，完成轉速范圍內的無級變速。具有C軸控制的主軸與進給伺服系統(tǒng)一樣，為一般概念的位置伺服控制系統(tǒng)。此外，刀庫位置控制是為了在刀庫的不同位置選擇刀具，與進給坐標軸的位置控制相比，性能要底得多，故稱為簡易位置伺服系統(tǒng)。2023/9/213（5）按反饋比較控制方式

（1）脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)將數(shù)控裝置發(fā)出的數(shù)字（或脈沖）指令與檢測反饋得的以數(shù)字（或脈沖）形式表示的信號進行比較，以產生位置誤差，達到閉環(huán)控制。（2）相位比較伺服系統(tǒng)在相位比較伺服系統(tǒng)中，位置檢測裝置工作在鑒相工作方式，將指令信號和反饋信號都變換成某種載波相位信號，通過兩個載波信號的相位比較，獲得對應的位置偏差，給位置調節(jié)器，實現(xiàn)系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制（3）幅值比較伺服系統(tǒng)（鑒幅式）以位置檢測信號得幅值大小來反映機械位移得數(shù)值；指令位移信號同反饋位移信號進行比較(將此信號轉換成數(shù)字信號才能與指令數(shù)字信號進行比較)

（4）全數(shù)字伺服系統(tǒng)

2023/9/2146.2步進電機及其驅動控制系統(tǒng)

開環(huán)位置伺服系統(tǒng)也叫步進式伺服系統(tǒng)，其驅動元件為步進電機。功率步進盛行于20世紀70年代，且控制系統(tǒng)的結構最簡單，控制最容易，維修最方便，控制為全數(shù)字化（即數(shù)字化的輸入指令脈沖對應數(shù)字化的位置輸出），這完全符合數(shù)字化控制技術的要求，控制系統(tǒng)與步進電機的驅動控制電路結為一體。隨著計算機技術的發(fā)展，除功率驅動電路之外，其它硬件電路均可由軟件實現(xiàn)，從而簡化了系統(tǒng)結構，降低成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。而步進電機的功耗太多，速度也不高。目前的步進電機在脈沖當量為1微米時，最高移動僅僅為2m/min，且功率越大，移動速度越低，故主要用于速度與精度要求不高的經濟型數(shù)控機床及舊設備改造中。2023/9/2156.2.1步進電機的工作原理及類型

步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相應的機械角位移或直線位移的控制電機。步進電機又稱脈沖電動機或電脈沖馬達。其角位移量與電脈沖數(shù)成正比，其轉速與電脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率就可以調節(jié)電動機的轉速。如果停電后某些相的繞組仍然保持通電狀態(tài)，則還具有自鎖能力。步進電機每轉一周都有固定的步數(shù)，從理論上說其步距誤差不會累積。步進電機的最大缺點是容易失步，特別是在大負載和速度較高的情況下，失步更容易發(fā)生。但是近年來發(fā)展起來的恒流斬波驅動、PWM驅動、微步驅動、超微步驅動及其他們的綜合運用，使得步進電機的驅動能力有很大提高

主要用于數(shù)控機床的開環(huán)伺服系統(tǒng)（開環(huán)伺服控制是指機床運動部件的位移沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的信號是單向的。）2023/9/216（1）步進電機的分類

按運動方式分：有旋轉式、直線運動式、平面運動式和滾動運動式。按工作原理分：有反應式（磁阻式）、電磁式、永磁式、永磁感應式（混合式）。按使用場合分：有功率步進電機和控制步進電機。按電機結構分：有單段式（徑向式）、多段式（軸向式）、印刷繞組式。按工作相數(shù)分：有三相、四相、五相、六相和八相等。按使用頻率分：有高頻步進電機和低頻步進電機。數(shù)控機床中使用較多的是反應式步進電機和永磁感應式步進電機2023/9/2172023/9/218（2）步進電機的結構與工作原理

步進電機又稱脈沖電機，每接受一個脈沖信號轉子轉過一個角度，稱為步距角。脈沖數(shù)目：位移大小；脈沖頻率：速度大??；通電順序：方向控制。步進電機的結構：（單段式三相反應式步進電機結構）：工作原理：電磁吸合

轉子：開槽形成齒定子：有磁極以三相單三拍為例說明工作原理：第一拍：A相勵磁繞組通電，B、C勵磁繞組斷電。A相定子繞組的磁力線為保持磁阻最小，給轉子施加力矩，使相鄰轉子齒與之對齊。第二拍：B相勵磁繞組通電，C、A勵磁繞組斷電。第三拍：C相勵磁繞組通電，A、B勵磁繞組斷電。如通電順序：A、B、C逆時針旋轉；如通電順序相反，則順時針旋轉通電順序也可以A-AB-B-BC-C-CA2023/9/2192023/9/2202023/9/221

同一臺步進電機，因通電方式的不同，運行時的步距角也是不同的，采用單、雙拍通電方式時，步距角要比單拍通電方式減小一半。實際使用中，單三拍通電方式由于在切換時一相繞組斷電，而另一相繞組開始通電容易造成失步。此外，由單一繞組通電吸引轉子，也容易使轉子在平衡位置附近產生振蕩，運行的穩(wěn)定性差，所以很少采用。通常將它改成“雙三拍通電方式”。上述這種簡單結構的反應式步進電機的步距角較大，如在數(shù)控機床中應用就會影響到加工工件的精度。實際中采用的是小步距角的步進電機。2023/9/2226.2.2步進電機的主要特性

（1）步距角和靜態(tài)步距角（誤差）步距角計算公式：式中：m—定子磁極項數(shù)

z—轉子齒數(shù)

k—通電方式相鄰兩次通電項數(shù)相同取k=1；否則k=2。當步進電機空載且以單脈沖輸入時，其實際步距角與理論步距角之差稱為靜態(tài)步距角誤差，它隨步進電機制造精度而變化。一般在10′-30′的范圍內。2023/9/223

圖所示為步進電動機的展開圖。其中定子有6個極，轉子有40個齒。當A極下的定、轉子齒對齊時，B極和C極下的齒就分別和轉子齒相錯三分之一的轉子齒距。反應式步進電動機的轉子齒數(shù)Zr，基本上由步距角的要求所決定。但是為了能實現(xiàn)上述“自動錯位”，轉子的齒數(shù)就必須滿足一定條件，而不能為任意數(shù)值。當定子的相鄰極屬于不同的相時，在某一極下若定子和轉子的齒對齊時，則要求在相鄰極下的定子和轉子之間應錯開轉子齒距的1/m。2023/9/224（2）靜態(tài)轉矩與矩角特性

當步進電機不改變通電狀態(tài)，轉子處于不動狀態(tài)，如果在電機軸上外加一個負載轉矩，使轉子按一定的方向轉過一個角度θ，此時轉子所受的電磁轉矩，稱為靜態(tài)轉矩，角度θ稱為失調角。描述靜態(tài)轉矩與θ的關系叫作步進電機的靜態(tài)矩角特性。2023/9/225

各項的矩角特性差異不應該太大，否則會影響步距精度及引起低頻振蕩?？梢酝ㄟ^調整相電流的方法，使電動機矩角特性大致相同。兩個齒中心線之間的距離叫齒距，當轉子轉過一個齒距，矩角特性就變化一個周期，相當于2π電角度。2023/9/2262023/9/227

在定子、轉子齒槽對準時，定、轉子槽中心線重合，失調角為θ=0°，電磁轉矩T=0。若轉子齒的中心線對準定子槽中心線，失調角θ=±π，這時相鄰兩定子齒對這轉子齒有同樣的拉力，但方向相反，故電磁轉矩T=0。在失調角θ=±π/2（即1/4齒距處），轉矩最大，轉矩方向是使轉子位置趨向失調角為零。當失調角小于-π或大雨+π時，該轉子齒已進入了另一個定子齒的拉力范圍，轉矩方向趨于使轉子齒與下一個齒對齊。當θ=±2π，轉子齒與另一個定子齒對齊，轉矩又為零。如上所述，在電磁轉矩的作用下，轉子有一定的穩(wěn)定平衡點。如果步進電機空載，則穩(wěn)定在平衡點為θ=0，而θ=±π處為不穩(wěn)定平衡點。穩(wěn)定平衡點只有一個。在靜態(tài)情況下，如受外負載轉矩的作用，使轉子偏離它的平衡點，但沒有超過相鄰的不穩(wěn)定平衡點，則當外轉矩除去后，轉子在電磁轉矩的作用下，仍能回到原來的平衡點。2023/9/228（3）最大靜態(tài)轉矩

步進電機矩角特性曲線上電磁轉矩的最大值稱為最大靜態(tài)轉矩。它與通電狀態(tài)及繞組內電流值有關。在一定的通電狀態(tài)下，最大靜轉矩與繞組內電流的關系，稱為最大靜轉矩特性。

當控制電流很小時，最大靜轉矩與電流的平方成正比地增大，當電流稍大時，受磁路飽和的影響，最大轉矩Tmax上升變緩，電流很大時曲線趨向飽和。2023/9/229（4）起動轉矩

右圖為三相步進電機的矩角特性曲線，則相和B相的矩角特性交點的縱坐標值為起動轉矩。它表示步進電機單相激勵時所能帶動的極限負載轉矩。2023/9/2302023/9/231（5）連續(xù)運行狀態(tài)時的動特性__工作頻率步進電機的工作頻率是指電動機按指令的要求進行正常工作的最大脈沖頻率。所謂正常工作就是指步進電機不失步地工作，即一個脈沖移動一個步距角。所謂失步的內容包括：丟步和越步。步進電動機的工作頻率，通常分為啟動頻率、制動頻率及連續(xù)工作頻率。對于同樣負載轉矩來說，正、反向起動頻率和制動頻率都是一樣的，而連續(xù)工作頻率要高得多。一般步進電動機的技術參數(shù)中只給出起動頻率和連續(xù)工作頻率。2023/9/232

①起動頻率空載時，步進電機由靜止狀態(tài)突然啟動，并進入不丟步的正常運行的最高頻率，稱為空載起動頻率。加給步進電機的指令脈沖頻率如果大于起動頻率，就不能正常工作。步進電機加負載（尤其是慣性負載）時啟動頻率比空載要低。而且隨著負載加大（在允許的范圍內），起動頻率會進一步降低。起動頻率的大小由許多因素決定，繞組時間常數(shù)越小，負載轉矩和轉動慣量越小、步距角越小，則起動頻率越高。2023/9/233

②連續(xù)運行頻率步進電機啟動后，其運行速度能跟蹤指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高頻率，稱為連續(xù)運行頻率。其值遠大于起動頻率，它也隨著電動機所帶負載得性質和大小而異，與驅動電源也有很大關系。（5）連續(xù)運行狀態(tài)時的動特性__矩頻特性描述連續(xù)穩(wěn)定運行輸出轉矩與連續(xù)運行頻率之間的關系運行矩頻特性是描述步進電動機在連續(xù)運行時，輸出轉矩與連續(xù)運行頻率之間的關系，它是衡量步進電動機運轉時承載能力的動態(tài)指標。下頁圖中每一頻率所對應的轉矩稱為動態(tài)轉矩。從圖中可以看出，隨著運行頻率的上升，輸出轉矩下降，承載能力下降。當運行頻率超過最高頻率是，步進電動機便無法工作。2023/9/2342023/9/235對矩頻特性曲線進一步說明

因步進電動機的控制繞組中存在電感，相應地有一定的電氣時間常數(shù)，所以控制繞組中電流增長也有一個過程。當脈沖頻率很高時控制繞組中的電流不能達到穩(wěn)定值,故電動機的最大動態(tài)轉矩小于最大靜轉矩。而且脈沖頻率越高，最大動態(tài)轉矩也就越小，在步進電動機運行時，對應于某一頻率，只有當負載轉矩小于它在該頻率的最大動態(tài)轉矩，電動機才能夠正常運轉。2023/9/2362023/9/2372023/9/2382023/9/2392023/9/2402023/9/2412023/9/2422023/9/2432023/9/2446.2.4步進電機的控制方法

由步進電機的工作原理知道，要使步進電機正常一步一步地運行，控制脈沖必須按一定的順序分別供給電動機各項脈沖分配。實現(xiàn)脈沖分配可以采用如下兩種形式：一種是硬件脈沖分配（或稱脈沖分配器），另一種是軟件脈沖分配器，是由計算機的軟件完成的。①硬件環(huán)行分配器目前已經有很多可靠性高、尺寸小、使用方便的集成電路脈沖分配器。

TTL脈沖分配器：YB013、YB014、YB015、YB016，均為18個管角的直插式封裝。

CMOS型：如CH250為16個管角的直插式封裝2023/9/2452023/9/2462023/9/2472023/9/2482023/9/2496.2.5步進電機的驅動電源

2023/9/250高低壓驅動電路2023/9/251（3）斬波驅動電路

2023/9/252三種驅動電路電流波形

三種驅動電路電流波形比較2023/9/253

單電壓驅動電路的優(yōu)點是線路簡單，缺點是電流上升不夠快，高頻時帶負載能力低。

高低壓驅動電路的優(yōu)點是在較寬的頻率范圍有較大的平均電流，能產生較大且穩(wěn)定的平均轉矩，其缺點是電流波頂有谷點。

斬波驅動電路雖然復雜，但它的優(yōu)點比較突出：（1）繞組的脈沖電流邊沿陡，快速響應好。（2）功率小，效率高。因為電路無外接電阻Rc，而采樣電阻Re又很小（一般0.2Ω左右），所以整個系統(tǒng)的功耗下降很多，相應地提高了效率。（3）輸出轉矩恒定。由于采樣電阻Re的反饋作用，使繞組中電流可以恒定在額定電流數(shù)值左右，而且不隨步進電機的轉速而變化，從而保證在很大的頻率范圍內，步進電機都能輸出恒定的轉矩。2023/9/254（4）調頻調壓電路

在電源電壓一定時，步進電機繞組電流的上沖值是隨工作頻率的升高而降低的，使輸出轉矩隨電機轉速的提高而下降。要保證步進時的輸出轉矩就需要提高供電電壓。從上述的驅動電路來看，為了提高驅動系統(tǒng)的快速響應，采用提高供電電壓、加快電流上升的措施。但在低頻工作時，步進電機的振蕩加劇，甚至失步。從原理上講，為了減小低頻振蕩，應使低速時繞組中的電流上升沿較平緩，這樣才能使轉子在到達新的穩(wěn)定平衡位置時不產生過沖。而在高速使則用使電流前沿陡，以產生足夠的繞組電流，才能提高步進電機的帶負載能力。這就要求驅動電源對繞組提供的電壓與電動機運行頻率建立直接關系，即低頻時用較低的電壓供電，高頻時用較高電壓供電。電壓隨頻率可以由不同的方法實現(xiàn)，如分頻來調壓、隨電壓頻率線性地變化等。2023/9/255（5）步進電動機細分的驅動原理

在前述步進電動機工作原理中，講到步距角由步進電動機的齒距角及繞組相數(shù)等電動機結構所決定。在實際應用中，為了提高進給運動的分辨率，要求對步距角進一步細分。在不改變步進電機結構的前提下，為了達到這一目的，將額定電流以階梯波的方式輸入。此時電流分成多個臺階，則轉子就以同樣的步數(shù)轉過一個步進電機的固定步距角。這樣將一個步距角細分成若干步的驅動方法稱為細分驅動。獲得階梯電流一般有兩種方法：一是先產生時序脈沖，放大后在電動機電樞內疊加，電樞繞組是它們的公共負載；二是先在加法器內將時序脈沖疊加成階梯電壓，后進行放大，在電樞內獲得階梯電流波形。

細分驅動的優(yōu)點是使步距角減小、運行平穩(wěn)，提高勻速性，并能減弱或消除振蕩。2023/9/256提高步進式伺服驅動系統(tǒng)精度的措施

步進式