第3章數(shù)控伺服系統(tǒng)(成教)

第3章數(shù)控伺服系統(tǒng)5/7/20243.1概

述

伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的進(jìn)給指令信號(hào)，經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放大后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置(計(jì)算機(jī))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)床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、伺服機(jī)構(gòu)或伺服單元。該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，綜合性強(qiáng)。5/7/2024進(jìn)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(jìn)給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢”，是一種“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”。它忠實(shí)地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來的運(yùn)動(dòng)命令，精確控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)給速度與位移量。5/7/20241．精度高:伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)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(dá)到新的或者恢復(fù)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(yīng):快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，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(jī)械要求電機(jī)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(jìn)給坐標(biāo)的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個(gè)速度范圍內(nèi)都要保持這個(gè)轉(zhuǎn)矩；主軸坐標(biāo)的伺服控制在低速時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩。在高速時(shí)為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。3.1.1對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求

5/7/20243.1.2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(dòng)工作臺(tái)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(cè)和反饋部分組成。電力電子驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路和功率放大器組成。嚴(yán)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。5/7/2024

組成：伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制轉(zhuǎn)換電路電子電力驅(qū)動(dòng)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(cè)裝置一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結(jié)構(gòu)：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。5/7/20241．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)

（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)3.1.3伺服系統(tǒng)的分類指令驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)工作臺(tái)脈沖伺服電機(jī)速度檢測(cè)速度控制位置控制位置檢測(cè)伺服電機(jī)速度控制位置控制工作臺(tái)脈沖編碼器指令5/7/2024開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)沒有位置測(cè)量裝置，信號(hào)流是單向的（數(shù)控裝置→進(jìn)給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件A相、B相C相、…f、nCNC插補(bǔ)指令脈沖頻率f脈沖個(gè)數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大5/7/2024無(wú)位置反饋，精度相對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和精度。一般以功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件。這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在精度和速度要求不高、驅(qū)動(dòng)力矩不大的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。5/7/2024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(diǎn)如圖所示，是從驅(qū)動(dòng)裝置(常用伺服電機(jī))或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測(cè)，不是直接檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋5/7/2024半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對(duì)這類誤差進(jìn)行補(bǔ)償，因而仍可獲得滿意的精度。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。5/7/2024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(diǎn)如圖的虛線所示，直接對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測(cè)。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋5/7/2024從理論上講，可以消除整個(gè)驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動(dòng)量。具有很高的位置控制精度。由于位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動(dòng)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(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都相當(dāng)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(jī)床等。5/7/20242．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(dá)和電液伺服馬達(dá)。優(yōu)點(diǎn)：在低速下可以得到很高的輸出力矩，剛性好，時(shí)間常數(shù)小、反應(yīng)快和速度平穩(wěn)。缺點(diǎn)：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(jī)（步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和交流電機(jī)）優(yōu)點(diǎn)：操作維護(hù)方便，可靠性高。1）直流伺服系統(tǒng)

進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用大慣量寬調(diào)速永磁直流伺服電機(jī)和中小慣量直流伺服電機(jī)；主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用他激直流伺服電機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速性能好。缺點(diǎn)：有電刷，速度不高。2）交流伺服系統(tǒng)交流感應(yīng)異步伺服電機(jī)（一般用于主軸伺服系統(tǒng)）和永磁同步伺服電機(jī)（一般用于進(jìn)給伺服系統(tǒng)）。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不需維護(hù)、適合于在惡劣環(huán)境下工作。動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、轉(zhuǎn)速高和容量大。5/7/20243．按被控對(duì)象分類（1）進(jìn)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(gè)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)（3）幅值比較伺服系統(tǒng)

（4）全數(shù)字伺服系統(tǒng)5/7/20243.2伺服元件的驅(qū)動(dòng)元件

伺服電動(dòng)機(jī)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(jī)床中常用的伺服電機(jī)：直流伺服電機(jī)（調(diào)速性能良好）交流伺服電機(jī)（主要使用的電機(jī)）步進(jìn)電機(jī)（適于輕載、負(fù)荷變動(dòng)不大）直線電機(jī)（高速、高精度）

5/7/20243.2.1

步進(jìn)電機(jī)一、步進(jìn)電機(jī)的分類按力矩產(chǎn)生的原理分1.反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)2.激磁式步進(jìn)電機(jī)按輸出力矩大小分1.伺服式步進(jìn)電機(jī)2.功率式步進(jìn)電機(jī)按定子數(shù)分1.單定子式2.雙定子式3.三定子式步進(jìn)電機(jī)4.多定子式步進(jìn)電機(jī)按各相繞組分布分:1.徑向分相式:電機(jī)各相按圓周依次排列2.軸向分相式:電機(jī)各相按軸向依次排列5/7/20241、工作原理：

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖通入A相時(shí)，磁通企圖沿著磁阻最小的路徑閉合，在此磁場(chǎng)力的作用下，轉(zhuǎn)子的1、3齒要和A級(jí)對(duì)齊。當(dāng)下一個(gè)脈沖通入B相時(shí)，磁通同樣要按磁阻最小的路徑閉合，即2、4齒要和B級(jí)對(duì)齊，則轉(zhuǎn)子就順逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度。5/7/2024若通電脈沖的次序?yàn)锳、C、B、A…，則不難推出，轉(zhuǎn)子將以順時(shí)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(shí)觀對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制。脈沖的數(shù)量控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角；脈沖的頻率控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速；脈沖的通入次序控制電機(jī)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(gè)循環(huán)。5/7/2024 式中為步距角；為轉(zhuǎn)子上的齒數(shù)；為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的拍數(shù)。同一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，因通電方式不同，運(yùn)行時(shí)步距角也是不同的2.性能參數(shù)步距角步進(jìn)電動(dòng)機(jī)走一步所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，可按下面公式計(jì)算5/7/2024小結(jié):1.步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)有一定的步距誤差,但沒有累計(jì)誤差3.若維持控制繞組的電流不變,則步進(jìn)電機(jī)就可停在某一位置不動(dòng)5/7/2024永磁式直流電機(jī)（有槽、無(wú)槽、杯型、印刷繞組）

勵(lì)磁式直流電機(jī)混合式直流電機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)直流力矩電機(jī)

永磁式直流電機(jī)類型中的有槽電樞永磁直流電機(jī)（普通型）；

勵(lì)磁式直流電機(jī)類型中的他激直流電機(jī)。3.2.2直流伺服電機(jī)常用的直流電動(dòng)機(jī)有：直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)：直流主軸伺服系統(tǒng)：5/7/2024

1．直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)極靴機(jī)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3.5永磁直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)

圖3.6直流主軸電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖5/7/2024

(1)永磁直流伺服電機(jī)的性能特點(diǎn)

1)低轉(zhuǎn)速大慣量2)轉(zhuǎn)矩大3)起動(dòng)力矩大4)調(diào)速泛圍大，低速運(yùn)行平穩(wěn)，力矩波動(dòng)小(2)永磁直流伺服電機(jī)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(fù)載-工作周期曲線

過載倍數(shù)Tmd，負(fù)載工作周期比d。

3)數(shù)據(jù)表：N、T、時(shí)間常數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等等。

2．永磁直流伺服電機(jī)的工作特性

5/7/2024直流伺服電機(jī)的缺點(diǎn)：

◆它的電刷和換向器易磨損；◆電機(jī)最高轉(zhuǎn)速的限制，應(yīng)用環(huán)境的限制；◆結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高。交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：◆動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；◆輸出功率大、電壓和轉(zhuǎn)速提高交流伺服電機(jī)形式：◆同步型交流伺服電機(jī)和◆異步型交流感應(yīng)伺服電機(jī)。

3.2.3交流伺服電機(jī)5/7/2024交流同步伺服電機(jī)的種類：勵(lì)磁式、永磁式、磁阻式和磁滯式

（1）永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)1．永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)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3﹒7永磁交流同步伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)

5/7/2024圖3﹒8永磁交流同步伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)5/7/2024

（1）永磁交流同步伺服電機(jī)的發(fā)展①新永磁材料的應(yīng)用