数控机床伺服系统

1第六章数控机床伺服系统6.1概述6.2开环控制系统与步进电机驱动电路6.3闭环伺服系统与反馈比较形式6.4直流伺服电机与调速系统6.5交流伺服电机与主轴驱动系统26.1概述6.1.1伺服系统的分类数控伺服系统由伺服电机（M）、驱动信号控制转换电路、电力电子驱动放大模块、电流调解单元、速度调解单元、位置调解单元和相应的检测装置（如光电脉冲编码器G）等组成。一般闭环伺服系统的结构如图6.1所示。它是一个三环结构系统，其中，外环是位置环，中环是速度环，内环为电流环。3开环伺服系统闭环伺服系统半闭环系统（1）按调节理论分类4电液伺服控制系统电气伺服控制系统（2）按使用的执行元件分类进给伺服系统主轴伺服系统（3）按被控对象分类5（1）高精度由于数控机床的动作是由伺服电动机直接驱动的，为了保证移动部件的定位精度，对进给伺服系统要求定位准确。一般要求定位精度达到0.01～0.001mm；高档设备的定位精度要求达到0.1µm以上。速度控制要求在负载变化时有较强的抗扰动能力，以保证速度恒定。这样才能在轮廓加工中保证有较好的加工精度。6.1.2伺服系统的基本要求6（2）稳定性好稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态，对伺服系统要求有较强的抗干扰能力。稳定性是保证数控机床正常工作的条件，直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。7（3）响应快速为了提高生产率，保证加工精度要求伺服系统有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。这就对伺服系统的动态性能提出了两方面的要求：一方面，在伺服系统处于频繁地起动、制动、加速、减速等动态过程中，为了提高生产效率和保证加工质量，要求加、减速度足够大，以缩短过渡过程时间，一般电动机速度由零到最大，或从最大减少到零，时间应控制在200毫秒以下，甚至少于几十毫秒，且速度变化不应有超调；另一方面，当负载突变时，过渡过程恢复时间要短且无振荡，这样才能达到光滑的加工表面。8（4）调速范围宽目前数控机床一般要求进给伺服系统的调速范围是0～30m/min，有的已达到240m/min。除去滚珠丝杠和降速齿轮的降速作用。伺服电动机要有更宽的调速范围。对于主轴电动机，因使用无级调速，要求有（1:100）～（1:1000）范围内的恒转矩调速以及1:10以上的恒功率调速。（5）低速大转矩机床在低速切削时，切深和进给都较大，要求主轴电动机输出转矩较大。现代的数控机床，通常是伺服电动机与丝杠直联，没有降速齿轮，这就要求进给电动机能输出较大的转矩。对于数控机床进给伺服系统主要是速度和位置控制。9（6）较强的过载能力由于电动机加减速时要求有很快的响应速度，而使电动机可能在过载的条件下工作，这就要求电动机有较强的抗过载能力。通常要求在数分钟内过载4～6倍而不损坏。（7）惯性匹配移动部件加速和降速时都有较大的惯量，由于要求系统的快速响应性能好，因而电动机的惯量要与移动部件的惯量匹配。通常要求电动机的惯量不小于移动部件惯量。106.2开环控制系统与步进电机丝杠控制器电机驱动器动力源工作台6.2.1开环控制系统的组成开环控制系统不存在反馈环节，系统输出只受输入的控制。开环控制系统具有结构简单，比较经济的优点，其缺点是控制精度和抑制干扰的能力较差，且对系统参数的变动敏感。116.2.2步进电机步进电机流行于上世纪70年代，该系统结构简单、控制容易、维修方便，且控制为全数字化。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步简化结构。因此，这类系统目前仍有相当的市场。目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高的场合，如经济型数控设备、打印机、绘图机等计算机的外部设备。12步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移的电磁机械装置。由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲马达。步进电机和一般电机不同，一般电机通电后连续转动，而步进电机则随输入的脉冲按节拍一步一步地转动。对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就旋转一个固定的角度，称为一步。每一步所转过的角度叫做步距角。13步进电机的角位移量和输入的脉冲数成正比。在时间上与输入的脉冲同步。因此，只需要控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组通电相序，便可以获得所需要的转角、转速及转动方向。在无脉冲输入时，步进电机在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有的位置而处于定位状态。14步进电机的分类按运动方式分：旋转运动、直线运动式步进电机；按工作原理分：反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式；按结构分：单段式（径向式）、多段式（轴向式）；按使用场合分：功率步进电机和控制步进电机；按相数分：三相、四相、五相、六相、八相等；按使用频率分：高频率和低频步进电机；不同的步进电机，其工作原理、驱动装置也不完全一样。151.三相单三拍CA'BB'C'A3412A相绕组通电，B、C相不通电。气隙产生以A-A为轴线的磁场，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A′极对齐。“三相”指三相步进电机；“单”指每次只能一相绕组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。步进电动机的工作原理16CA'BB'C'A同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4齿和B、B´磁极轴线对齐；当C相通电时，转子再转过30角，1、3齿和C´、C磁极轴线对齐。C'CA'BB'A17这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。按ABCA……的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)磁场在空间旋转了360°而转子转过90°(一个齿距角)。2.三相六拍按AABBBCCCA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。18CA'BB'C'A3412CA'BB'C'AA相通电，转子1、3齿与A、A'对齐。A、B相同时通电，A、A'磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子转过15，到达左图所示位置。19CA'BB'C'AB相通电，转子2、4齿与B、B´对齐,又转过15。CA'BB'C'AB、C相同时通电，C'、C磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子再转过15。20三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：AABBBCCCA，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），一个通电循环周期(6拍)转子转过90(齿距角)。与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。3.三相双三拍按ABBCCA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。21AB通电CA'BB'C'ABC通电CA'BB'C'ACA通电CA'BB'C'A与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍。每拍转子转过30(步距角)，一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。22从上述可知，步距角的大小与通电方式和转子齿数有关，其大小可用下式计算：α＝360º／(Zm)Z－转子齿数m一运行拍数23步进电动机的主要性能指标1.步距角2.最大静转矩3.空载启动频率4.启动矩频特性5.空载运行频率2425步进电机开环系统设计要解决的主要问题：①动力计算②传动计算③驱动电路设计或选择传动计算选择合适的参数以满足脉冲当量和进给速度F的要求。图中：f—脉冲频率（HZ）α—步距角（度）Z1、Z2—传动齿轮齿数t—螺距(mm)—脉冲当量（mm）步进电机Z1Z2tf，26传动比选择：为了凑脉冲当量mm，也为了增大传递的扭矩，在步进电机与丝杆之间，要增加一对齿轮传动副，那么，传动比i=Z1/Z2与α、、t之间有如下关系：α—步距角，－脉冲当量，t－丝杠导程。360ti27例1：=0.01mm,t=1.5mm,α=1.2°步进电机Z1Z2tf，5.0)01.0360/()5.12.1(i28进给速度F：一般步进电机：若：δ=0.01mm则：若：δ=0.001mm则：因此，当fmax一定时，Fmax与δ成正比，故我们在谈到步进电机开环系统的最高速度时，都应指明是在多大的脉冲当量δ下的,否则是没有意义的。minmmf60Fmin~maxmm96004800Fmin~maxmm960480FZH160008000f~max29提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施影响步进电机开环系统传动精度的因素：步进电机的步距角精度；机械传动部件的精度；丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙；传动件和支承件的变形。提高步进电机开环系统传动精度的措施适当提高系统组成环节的精度；采取各种精度补偿措施。30传动间隙补偿在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值存放在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系统反向运动时，数控系统自动将补偿值加到进给指令中，从而达到补偿目的。螺距误差补偿利用计算机的运算处理能力，可以补偿滚珠丝杠的螺距累积误差，以提高进给位移精度。方法：首先测量出进给丝杠螺距误差曲线(规律)，然后可采用下列两种方法实现误差补偿：硬件补偿、软件补偿。31例2设X-Y工作台由步进电机直接经丝杆螺母副驱动，丝杆螺距为5mm，步进电机步距角为150，工作方式三相六拍，工作台最大行程为400mm，求：（1）脉冲当量；（2）微机发出的脉冲总数是多少？32(2)计算脉冲数n，由n=L(工作台最大行程）所以，脉冲数为：n=L/400/0.0208319200步解：（1）由计算脉冲当量：360L0已知，L0=5mm，=150求脉冲当量计算5/3601.5=0.02083(mm)336.3闭环伺服系统与与反馈比较形式6.3.1闭环与半闭环伺服进给系统在闭环控制系统中，传感器安装在控制目标部件上，直接检测目标的运动，并将目标的有关信息反馈到控制器，由控制器进行反馈控制。具有反馈环节的控制系统具有抑制干扰的能力，控制精度较高；但是反馈环节的引入增加了系统的复杂性，且增益选择不当时可能会导致系统不稳定。丝杠控制器电机驱动器动力源工作台传感器346.3闭环伺服系统与与反馈比较形式6.3.1闭环与半闭环伺服进给系统在半闭环控制系统中，传感器安装在中间部件上，控制系统根据检测到的中间部件的状态参数推知控制目标部件的工作状态，从而对控制目标部件的工作状态进行调整，使之满足要求。丝杠控制器电机驱动器动力源工作台编码盘356.3.2数字脉冲比较伺服系统在进给伺服系统中，脉冲比较伺服系统应用比较普遍。这是因为该系统结构较为简单，易于实现数字化的闭环位置控制。脉冲比较伺服系统的检测元件可以是光电脉冲编码器或光栅。但普遍采用光电编码器作为位置检测元件，以半闭环形式构成伺服系统。脉冲比较伺服系统是将位置指令脉冲与检测元件反馈脉冲在比较器进行比较，得到位置偏差脉冲信号。伺服系统根据这一偏差信号去驱动电动机，原理框图如图6-2所示。362.脉冲比较伺服系统组成图6-2是以光电编码器为位置检测元件的脉冲比较伺服系统。它主要由下列部分组成：37(1)由计算机数控制装置提供指令的脉冲。(2)反映机床工作台实际位置的位置检测器。(3)完成指令信号与反馈信号相比较的比较器。(4)将比较器输出数字信号转变成伺服电动机模拟控制信号的数/模转换器。(5)执行元件（伺服电动机）。382.脉冲比较伺服系统的工作原理当数控系统要求工作台向一个方向进给时，经插补运算得到一系列进给脉冲作为指令脉冲，其数量代表了工作台的指令进给量，频率代表了工作台的进给速度，方向代表了工作台的进给方向。以增量式光电编码器为例，当光电编码器与伺服电动机及滚珠丝杠直联时，随着伺服电动机的转动，产生序列脉冲输出，脉冲的频率将随着转速的快慢而升降。现设工作台处于静止状态。39（1）指令脉冲PC=0，这时反馈脉冲Pf=0，则Pe=0，则伺服电动机的速度给定为零，工作台继续保持静止不动。（2）现有正向指令PC+