数控伺服系统组成及原理介绍

数控伺服系统组成及原理介绍伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强。进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说C装置是数控系统的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。一、伺服系统的组成组成：伺服电机驱动信号控制转换电路电子电力驱动放大模块位置调节单元速度调节单元电流调节单元检测装置一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环。位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。二、对伺服系统的基本要求1．精度高伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。包括定位精度和轮廓加工精度。2．稳定性好稳定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。直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。3．快速响应快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。4．调速范围宽调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。0～24m/min。5．低速大转矩进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。对伺服电机的要求：（1）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时的速度平稳性（2）电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。（3）反应速度快，电机必须具有较小的转动惯量、较大的转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度(400rad/s2以上)。（4）能承受频繁的起动、制动和正反转。三、伺服系统的分类1．按调节理论分类（1）开环伺服系统（2）闭环伺服系统（3）半闭环伺服系统开环数控系统没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床半闭环数控系统半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。全闭环数控系统全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。全闭环数控系统全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。2．按使用的执行元件分类（1）电液伺服系统电液脉冲马达和电液伺服马达。优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳。缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。（2）电气伺服系统伺服电机（步进电机、直流电机和交流电机）优点：操作维护方便，可靠性高。1）直流伺服系统进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机。优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高。2）交流伺服系统交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动态响应好、转速高和容量大。3．按被控对象分类（1）进给伺服系统指一般概念的位置伺服系统，包括速度控制环和位置控制环。（2）主轴伺服系统只是一个速度控制系统。4．按反馈比较控制方式分类（1）脉冲、数字比较伺服系统（2）相位比较伺服系统（3）幅值比较伺服系统直流伺服电机结构,原理及特性介绍直流伺服电机结构,原理及特性介绍直流伺服电机及工作特性常用的直流电动机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、印刷绕组）励磁式直流电机混合式直流电机无刷直流电机直流力矩电机直流进给伺服系统：永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直流电机（普通型）；直流主轴伺服系统：励磁式直流电机类型中的他激直流电机。1．直流伺服电机的结构2.一般直流电机的工作特性⑴静态特性电磁转矩由下式表示:（6.1）KT—转矩常数；Φ—磁场磁通；Ia—电枢电流；TM—电磁转矩。电枢回路的电压平衡方程式为:（6.2）Ua─电枢上的外加电压；Ra─电枢电阻；Ea─电枢反电势。电枢反电势与转速之间有以下关系：（6.3）Ke─电势常数；ω─电机转速（角速度）。根据以上各式可以求得：（6.4）当负载转矩为零时：理想空载转速（6.5）当转速为零时：启动转矩（6.6）当电机带动某一负载TL时电机转速与理想空载转速的差（6.7）⑵动态特性直流电机的动态力矩平衡方程式为（6.8）式中TM─电机电磁转矩；TL─折算到电机轴上的负载转矩；ω─电机转子角速度；J─电机转子上总转动惯量；t─时间自变量。3．永磁直流伺服电机的工作特性(1)永磁直流伺服电机的性能特点1)低转速大惯量2)转矩大3)起动力矩大4)调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小(2)永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述1)转矩-速度特性曲线（工作曲线）2)负载-工作周期曲线过载倍数Tmd，负载工作周期比d。3)数据表：N、T、时间常数、转动惯量等等。1﹒改变电枢电路外串电阻R特点：（1）成本低，易于实现有级调速（2）机械特性较软，电阻愈大则特性愈软，稳定度愈低；（3）在空载或轻载时，调速范围不大；实现无级调速困难；（4）在调速电阻上消耗大量电能等。（5）目前已很少采用，仅在有些起重机、卷扬机等低速运转时间不长的传动系统中采用。2﹒改变电动机电枢供电电压U特点：（1）当电源电压连续变化时，转速可以平滑无级调节，一般只能在额定转速以下调节；（2）调速特性与固有特性互相平行，机械特性硬度不变，调速的稳定度较高，调速范围较大。（3）调速时，因电枢电流与电压U无关，且TL＝常数，电动机属恒转矩调速，适合于对恒转矩型负载进行调速；（4）可以靠调节电枢电压来启动电机、而不用其他启动设备。3﹒改变电动机主磁通Φ（1）可以平滑无级调速，但只能在额定转速以上调节；（2）调速待性较软，调速范围不大（3）属恒功率调速（4）基于弱磁调速范围不大、它往往是和调压调速配合使用。即在额定转速以下，用降压调速，而在额定转速以上，则用弱磁调速。交流伺服电机原理及工作特性介绍交流伺服电机及工作特性直流伺服电机的缺点：它的电刷和换向器易磨损；电机最高转速的限制，应用环境的限制；结构复杂，制造困难，成本高。交流伺服电机的优点：动态响应好；输出功率大、电压和转速提高交流伺服电机形式：同步型交流伺服电机和异步型交流感应伺服电机。1．永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理交流同步伺服电机的种类：励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式（1）永磁交流同步伺服电机的结构交流伺服电机的优点：动态响应好；输出功率大、电压和转速提高交流伺服电机形式：同步型交流伺服电机和异步型交流感应伺服电机。1．永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理交流同步伺服电机的种类：励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式（1）永磁交流同步伺服电机的结构（2）永磁交流同步伺服电机工作原理和性能2．交流主轴伺服电机的结构和工作原理交流主轴电机的要求：大功率低速恒转矩、高速恒功率鼠笼式交流异步伺服电机流伺服电机的发展（1）永磁交流同步伺服电机的发展①新永磁材料的应用钕铁硼②永久磁铁的结构改革内装永磁交流同步伺服电机③与机床部件一体化的电机空心轴永磁交流同步伺服电机（2）交流主轴伺服电机的发展①输出转换型交流主轴电机三角-星形切换，绕组数切换或二者组合切换。②液体冷却电机③内装式主轴电机交流伺服电动机中的滤波器介绍交流伺服电动机中的滤波器介绍交流伺服电动机的应用已很普遍。国内先从控制器开始开发，再到驱动器，现在也有类似的电动机出现在市场上。随着技术完善，价格降低，控制性能的提高，操作调试日趋简单，以及系列化、模块化不断发展，用它取代其他类型的伺服控制电动机已成一种趋势。直接驱动电动机(d-dmotor，dynaserv)因其不需要减速器而在某些特定场合得到广泛的应用，相当于我们称作的力矩电动机，只不过前者是用新型的交流电动机原理，是数字控制式的。现用横河公司(yokogawa)的智能驱动器drvgⅲ为例介绍它的滤波器。该驱动器为较新型的型号，可以较全面的概括其他型号的用法。振荡类型不稳定现象主要有下列几种：1)调整振荡低频振荡，频率几赫兹，振荡幅度几度到几十度，有时超出控制区。由位置控制频率带宽和速度控制频率带宽失衡引起，如速度控制频率带宽小于位置控制频率带宽3倍。也可以是自动调整时惯量力矩值不合适，如大于1.5倍时。可以反复执行自动调整操作并检查惯量值，其误差不能大于20%。或降低#0参数设置值(伺服刚度设置参数)。2）爬行振动现象类似于调整振荡。当执行低速运行指令时，反复一走一停，是静摩擦力大于低速时的动摩擦力导致。原因是位置积分限制值太大，位置偏差太大从而使控制系统不稳定。方法是调整“积分限制值”或增加系统刚度。3）相移振荡振荡频率为几十到200hz，振荡幅度不低于几十度。原因是速度输出信号相位落后于速度输入信号相位180°，由控制理论可知这时系统无稳定裕量。当各种滤波器使用相同的频率或速度控制带宽和滤波器频率带宽相同时都可引起这种振荡。处理方法为降低#1参数设置值(伺服刚度设置参数)。4）谐振振荡频率为几十到2khz，振荡幅度顶多几度，依结构而定。振幅小而频率高，常可听到震颤噪音，系统刚度小易引起这个现象。引起原因是负载的机械谐振扰动进入速度控制环，多数情况下有几个谐振频率。所以设计系统时机械谐振频率应尽量高，至少要高于系统控制带宽5倍以上，结构设计时注意刚性设计，避免细长杆结构。可调整滤波器抑制频率谐振点增益来解决。滤波器为消除振荡有三种滤波器。根据具体情况选用。a.相位滞后补偿滤波器为一阶延迟滤波器，由于它可调节带宽的频率，增加阻尼，在减少相移上优于速度反馈滤波器。图1相位滞后补偿滤波器bode图由图1的bode图可看出它比速度反馈滤波器多一个一阶微分环节用于补偿相位损失，参数#24对应积分常数，参数#25对应微分常数。并且最大增益衰减点频率可设置，使相位滞后减到最小。另外，相对于陷波滤波器，它对抑制频率范围宽的谐振效果好，因其幅度抑制值小，对峰值高频带窄的谐振不合适。注意如果速度控制带宽和一阶补偿滤波器的频率设置太接近容易引起振荡。b.陷波滤波器陷波滤波器又称为带阻滤波器，可对任意频率信号有效地阻断，甚至可使谐振点的增益降到零。当谐振峰值高而频率带宽窄时适用。通过改变品