数控原理与系统第四章

第4章伺服驱动系统第4章伺服驱动系统4.1伺服系统概述4.2开环步进电动机驱动系统4.3直流伺服系统4.4交流伺服系统4.5典型数控伺服驱动系统简介小结习题第4章伺服驱动系统4.1伺服系统概述1.基本概念伺服（Servo）系统又叫随动系统，是一种能够跟随指令信号的变化而动作的自动控制装置，根据实现方法不同，可以分为机械随动（仿形）系统、液压伺服系统、电气伺服系统等，目前的数控机床均采用电气伺服系统。第4章伺服驱动系统在数控机床中，CNC装置是发布命令的“大脑”，而伺服系统则是数控机床的“四肢”，是一种执行机构，它能够准确地执行来自CNC装置的运动指令。伺服系统由伺服驱动装置、伺服电动机、位置检测装置等组成。伺服驱动装置的主要功能是功率放大和速度调节，将弱信号转换为强信号，并保证系统的动态性能；伺服电动机用来将电能转换为机械能，拖动机械部件移动或转动。第4章伺服驱动系统数控机床的伺服系统，包括进给伺服系统和主轴伺服（驱动）系统，前者是以机械位移（位置控制）为直接控制目标的自动控制系统，用来保证加工轮廓；后者是以速度控制为主，提供切削过程中需要的转矩和功率。本章主要介绍进给伺服系统及其位置检测装置的基本原理。第4章伺服驱动系统2．数控机床对进给伺服系统的要求数控机床对进给伺服系统的要求是：①调速范围宽，在大的速度范围内运转稳定。一般要求速比可达1:10000，最低稳定运转速度nmin≤0.1r/min。②负载特性硬，抗扰动能力强。能保证切削过程中受负载冲击时速度不变，尤其在低速时，应有足够的负载能力。第4章伺服驱动系统③反应速度快。一般要求，伺服响应时间为几十毫秒，伺服电机角加速度≥4000rad/s2，即从静止状态加速到额定转速1500r/min，所需时间不大于0.2秒。④准确度高。定位精度和重复定位精度可达到0.01～0.001mm，甚至0.1um。第4章伺服驱动系统3．进给伺服系统的分类进给伺服系统按其结构可以分为开环控制和闭环控制两大类。开环控制系统用步进电动机作为驱动元件，由于它没有位置反馈回路和速度控制回路，具有简单、经济的优点，被广泛用于中、低档数控机床及一般的机床改造。闭环伺服系统是基于反馈控制原理工作的，即通过位置测量装置反馈运动部件的实际位置，再与CNC装置输出的指令位置进行比较，根据比较结果的差值来控制伺服机构工作。闭环伺服系统采用直流伺服电机或交流伺服电机作为驱动元件，根据位置测量元件的安装位置不同又分为半闭环和全闭环两种形式。第4章伺服驱动系统半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在电动机轴上(一般电机生产商已装好)，用以精确控制电动机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动机构，将角度转换成工作台的直线位移。半闭环的闭环环路短，不包括传动机构等大惯性环节，因而系统容易达到较高的位置增益，不发生振荡现象。且其快速性好，动态精度高，传动机构的非线性因素对系统的影响小。因此被广泛采用。但如果传动机构的误差过大或其误差不稳定，则数控系统难以补偿。如由传动机构的扭曲变形所引起的弹性间隙，因其与负载力矩有关，故无法补偿。由制造与安装所引起的重复定位误差以及由于环境温度与丝杠温度变化所引起的丝杠螺距误差也是不能补偿的。因此要进一步提高精度，只有采用全闭环控制方式。第4章伺服驱动系统全闭环方式直接从机床的移动部件上获取位置实际移动值，因此其检测精度不受机械传动精度的影响。但不能认为全闭环方式可以降低对传动机构的要求，因闭环环路包括了机械传动机构，其闭环动态特性不仅与传动部件的刚性、惯性有关，还取决于阻尼、油的粘度、滑动面摩擦系数等因素。而且这些因素对动态特性的影响在不同条件下还会发生变化，这给位置闭环控制的调整和稳定带来了许多困难。这些困难使调整闭环环路时不得不降低位置增益，从而对跟随误差与轮廓加工误差产生不利影响。所以采用全闭环方式时必须增大机床刚性，改善滑动面摩擦特性，减小传动间隙，这样才有可能提高位置增益。全闭环方式被应用在精度要求较高的大型数控机床上。第4章伺服驱动系统4.2开环步进电动机驱动系统开环伺服系统不设位置检测反馈装置，不构成运动反馈控制回路，电动机按数控装置发出的指令脉冲工作，对运动误差没有检测反馈和处理修正过程。其典型代表是步进电动机开环进给伺服系统，如图4.1所示。第4章伺服驱动系统图4.1步进电动机开环进给伺服系统结构图指令脉冲数控装置环形分配器步进电动机功率放大器工作台齿轮箱步进电动机电源第4章伺服驱动系统图4.1中，数控装置发出指令脉冲通过环形分配器和功率放大器驱动步进电动机，每发出一个指令脉冲，步进电动机就转过一个角度，此角度叫做步进电动机的步距角。步进电动机通过齿轮箱、滚珠丝杠驱动工作台运动，其运动的位移量与指令脉冲数成正比，运动速度与脉冲的频率成正比。第4章伺服驱动系统4.2.1步进电动机1.步进电动机的特点步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移的机电执行元件。给一个电脉冲信号，步进电动机就回转一个固定的角度，称为一步，所以称为步进电动机。由于其转动角度由脉冲个数控制，不需要反馈环节，所以在经济型数控机床上得到了广泛的应用。概括起来步进电机具有如下优点：第4章伺服驱动系统（1）转子的角位移量和转速严格受脉冲的数量和频率控制，有脉冲就走，无脉冲则停，旋转方向由通电顺序决定。（2）体积小，重量轻，价格低。（3）驱动简单，工作可靠，误差不长期积累。（4）精度高，惯性小，容易调试。第4章伺服驱动系统其主要缺点如下：（1）使用不当时，会引起“失步”或“过冲”。（2）运转时有振动和噪音。（3）额定转速较低，最高频率一般不超过18kHz。第4章伺服驱动系统2.步进电动机的分类（1）反应式步进电动机反应式步进电机的定子和转子由硅钢片或其他软磁材料制成，定子上有励磁绕组，绕组相数一般为二、三、四、五、六相，步距角一般为0.36°～3°。反应式步进电机结构简单，价格便宜，步距角小，其缺点是励磁电流大，带惯性负载能力差，容易“失步”和“振荡”，断电后无保持转矩。其产品系列代号为BF，如：110BF02、110BF03、130BF5、150BF5、160BF5等。第4章伺服驱动系统2）永磁式步进电动机永磁式步进电机的定子由软磁材料制成，定子上有励磁绕组；转子由永久磁铁制成，步距角一般为15°、22．5°、30°、45°等。永磁式步进电机控制功率小，省电，运行稳定，断电后有保持转矩；但是其步距角太大。其产品系列代号为BY。第4章伺服驱动系统3）混合式步进电动机混合式步进电机又叫永磁反应式步进电机，它在结构和性能上，兼有反应式步进电机和永磁式步进电机两者的特点，即具有反应式步进电机步距角小、工作频率高的特点；又具有永磁式步进电机控制功率小、运行稳定、断电后有保持转矩的特点；更适合应用于数控系统中。但是其制造工艺复杂，成本较高。其产品系列代号为BH。第4章伺服驱动系统3.步进电动机的工作原理（1）反应式步进电机工作原理三相反应式步进电机外形结构如图4.2所示，其定子上有A、B、C三对磁极，分别绕有A、B、C三相绕组，三对磁极在空间上相互错开120°；转子上有20个齿，没有绕组，每个齿在空间上相隔18°，它在定子磁场中被磁化而呈现极性。当A相磁极与转子齿对齐时，B相磁极与转子齿错开18°/3=6°,C相磁极与转子齿错开2×18°/3=12°。第4章伺服驱动系统(a)外形定子铁芯转子铁芯定子绕组(a)展开图(a)横切面图A相B相C相顺时针方向转子齿展开转子齿展开18º6º12º图4.2反应式步进电机外形结构图第4章伺服驱动系统步进电动机是在电磁吸力作用下产生位移的，当某相定子励磁后，该相定子磁极吸引转子，转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐，转子转动一个角度，下一相定子通电励磁时，转子又转过一个角度，每相不停地轮流通电，转子就不停地转动。为便于理解，现以图4.3所示的反应式步进电机为例分析其转动原理。该步进电机转子齿数为4，齿距为90°，当A相磁极与转子齿对齐时，B相磁极与转子齿错开90°/3=30°,C相磁极与转子齿错开2×90°/3=60°。第4章伺服驱动系统图4.3反应式步进电动机工作原理ABCCBCBBCAUCBA4逆时针回转30°C相通电A相通电B相通电逆时针回转30°逆时针回转30°ABC231ABCABCAA(a)(b)12431324第4章伺服驱动系统如图4.3(a)所示给各相定子绕组接通直流电源。当A相绕组通电时，形成以A-A′为轴线的磁场，使转子的1、3齿和定子的A-A′磁极对齐，如图4.3(b)所示；当A相断电、B相绕组通电时，转子将在空间逆时针转过30°角；当B相断电、C相绕组通电时，转子将在空间又逆时针转过30°角。按A→B→C→A的顺序通电，转子就会不断地按逆时针方向转动；如按A→C→B→A的顺序通电，转子就会不断地按顺时针方向转动。从一相通电换到另一相通电，叫一拍；每一拍转子转动一步，每步转过角度叫步距角。用α表示。第4章伺服驱动系统步进电动机的通电方式有以下三种。（1）单拍在上述各项轮流通电过程中，每拍只有一相通电，称为单拍。对于m相步进电机，一个循环为m拍，称为m相单m拍工作制。如上述情况，为三相单三拍工作制。单拍工作制的稳定性较差，容易失步。第4章伺服驱动系统（2）双拍采用双相轮流通电方式，即每拍都有两相通电，称为双拍。如三相步进电机的通电顺序为AB→BC→CA→AB，构成三相双三拍工作制。这种通电方式，由于两相同时通电，力矩大，定位精度高，每拍只改变一相，另一相锁定，不易失步。（3）单双拍即单双相轮流通电。如对三相步进电机来说，通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A，一个循环为6拍，是单拍时的2倍，称为三相六拍工作制。第4章伺服驱动系统由此看出，图4.3中转子齿数为4的步进电机在三相三拍时，三相六拍时；而图4.2中转子齿数为20的步进电机在三相三拍时，三相六拍时。说明定子磁极对数和转子齿数越多，步距角就越小，但是由于受控制器复杂程度和制造工艺的限制，定子磁极对数和转子齿数不可能很多，一般相数三到五相，步距角在0.36°～3°范围的步进电机较为常用。第4章伺服驱动系统（2）永磁式步进电机工作原理永磁式步进电机如图4.4所示，定子上有两相（或多相）绕组，转子为两对（或多对）永久磁铁制成的磁极，转子磁极数与每相定子绕组磁极数相同。图4.4（b）画出的是两相两对磁极的绕组（AO、BO），转子为两对永久磁极。当定子绕组按A→B→-A→-B→A的顺序轮流通电时，转子将按顺时针转动，步距角为45°。步距角的计算公式为式中m为拍数，p为转子磁极对数。第4章伺服驱动系统图4.4永磁式步进电机外形结构图NSNSAB0(a)外形(b)结构第4章伺服驱动系统（3）混合式步进电机工作原理混合式步进电机外形结构如图4.5所示，它的定子结构与反应式步进电动机基本相同，也分成若干个磁极，磁极上绕有定子绕组，磁极端面有小齿。转子由环形永久磁铁及两段铁心组成，环形永久磁铁在转子的中部，轴向充磁，两段铁心分别装在永久磁铁的两端，转子铁心上也有如反应式步进电动机那样的小齿，但两段转子铁心上的小齿相互错开半个齿距，定转子小齿的齿距相等。第4章伺服驱动系统(a)外形(b)结构图4.5混合式步进电机外形结构图如图4.6所示为两相混合式步进电机剖面图，定子有8个磁极，在空间上均匀分布，每相4个磁极，每相相邻磁极线圈绕向相反；转子有10个齿，在空间上均匀分布；定子绕组通电顺序为AA′→BB′→A′A→B′B→AA′。NS永久磁铁定子绕组转子铁心定子铁心第4章伺服驱动系统当定子绕组AA′通电时，定子的1、5号磁极为S极，3、7号磁极为N极；异性磁极相吸引，N段转子的1、6齿与定子1、5号磁极的齿对齐；同性磁极相排斥，N段转子的3、4齿与定子3号磁极的齿错开，8、9齿与定子7号磁极的齿错开。两段转子铁心上的齿相互错开半个齿距，S段转子的3、8齿与定子3、7号磁极的齿对齐；10、1齿