第六章--数控机床的伺服驱动系统

第6章数控机床的伺服驱动系统机械电子工程系机械设计制造及其自动化教研室李德俭副教授白城师范学院机电系机自教研室2目录第一节概述第三节数控机床的位置检测装置第四节直流电动机伺服系统复习题第二节步进电动机伺服系统第五节交流电动机伺服系统白城师范学院机电系机自教研室3第一节概述一、数控机床伺服系统的概念及组成数控机床伺服系统是指以数控机床移动部件的位置和速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。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。白城师范学院机电系机自教研室4伺服系统是数控机床的重要组成部分。伺服系统位于数控机床数控系统与机床主体之间，伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系环节。伺服系统的作用示意图见下图。伺服系统机床CNC系统指令动作•脉冲频率•脉冲数量•速度•位置伺服系统的作用示意图白城师范学院机电系机自教研室5伺服系统结构图白城师范学院机电系机自教研室6伺服系统的主要功能就是从数控系统接收微小的电控信号（5V左右，mA级），放大成强电的驱动信号（几十、上百伏、安培级），用以驱动伺服系统的执行元件——伺服电动机，将电控信号的变化，转换成电动机输出轴的角位移或角速度的变化，从而带动机床主体部件（如工作台、主轴或刀具进给等）运动，实现对机床主体运动的速度控制和位置控制，达到加工出所需工件的外形和尺寸的最终目标。白城师范学院机电系机自教研室7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。白城师范学院机电系机自教研室8位置调解速度调解电流调解转换驱动工作台电流反馈速度反馈位置反馈MG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。伺服系统的组成白城师范学院机电系机自教研室9⑴精度高⑵稳定性好⑶快速响应好⑷调速范围宽⑸低速大转矩•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。•为适应不同的加工条件，例如加工零件的材料、尺寸、部位以及刀具的种类和冷却方式等不同，数控机床的进给速度需要在很宽的范围内无级变化。这就要求伺服电机要有很宽的调速范围和优异的调速特性。一般数控机床进给伺服系统的调速范围都在0～30m/min，高的可达240m/min。•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。•为了保证数控机床的加工精度，除了要求数控系统精度和机床机械精度有足够高以外，还要求具有足够高的伺服系统定位精度和进给跟踪精度，并且还起着主要作用。一般要求定位精度为0.01～0.001mm；而高档设备的定位精度还应在0.1μm以内。•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。•为了保证轮廓切削形状精度和加工表面粗糙度，要求伺服系统除了要有较高的定位精度外，还要有良好的快速响应特性，也就是要求伺服电动机起、停的升降速过程要短，要有较高的加速度。电动机转速从0升至1500r/min的时间控制在0.2s以内。由于机床在低速切削时，切深和进给都比较大，也就是说吃刀抗力较大，这就要求主轴电动机输出的转矩也应该较大。现代数控机床的伺服电动机通常都是与丝杠直接相连，中间没有减速齿轮，这就要求进给电动机能输出较大的转矩。•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。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。•要求伺服系统有较高的可靠性、稳定性，并且受电源、环境、负载等的影响要小。还要具有足够的传动刚性和速度稳定性。也就是说伺服系统在负载或切削条件发生变化时，应使进给速度保持恒定。刚性良好的系统，负载力矩的变化对进给速度的影响很小。二、伺服系统应具有的基本性能白城师范学院机电系机自教研室10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,无爬行现象。（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、位置控制系统和速度控制系统的主要技术指标位置控制系统是保证位置精度的重要环节。速度控制系统由速度控制单元、伺服电动机、速度检测装置等构成。速度控制系统的核心是速度控制单元，用来控制电动机转速。一般的位置控制包括位置环和速度环，具有位置控制环节的系统才是真正的伺服系统。两者的共同之处是通过系统的执行元件直接或通过机械传动装置间接带动被控制对象，完成给定控制规律要求的动作。不同之处可以用位移与速度之间的关系来理解。白城师范学院机电系机自教研室11（一）位置控制系统的主要技术指标1.系统静态误差。2.速度误差和正弦跟踪误差。3.速度品质因数和加速度品质因数。4.最大跟踪角速度、最低平滑角速度、最大角加速度。5.振幅指标和频带宽度。6.系统对阶跃信号输入的响应特性。7.等速跟踪状态下，负载扰动所造成的瞬时误差和过渡过程时间。8.对系统工作制、平均无故障时间（MTBF）、可靠性、使用寿命的要求。白城师范学院机电系机自教研室12（二）速度控制系统的主要技术要求1.被控对象的最高运行速度2.最低平滑速度。3.速度调节的连续性和平滑性要求。4.静差率或转速降。5.对阶跃信号输入下系统的响应特性。6.负载扰动下的系统响应特性。7.对系统工作制、平均无故障工作时间、可靠性以及使用寿命等要求。白城师范学院机电系机自教研室13白城师范学院机电系机自教研室14四、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）半闭环伺服系统驱动电路步进电机工作台脉冲指令伺服电机速度检测速度控制位置控制位置检测伺服电机速度控制位置控制工作台脉冲编码器指令白城师范学院机电系机自教研室15开环数控系统电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大无位置反馈（测量），信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。但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。开环系统通常使用步进电动机。在开环系统中，插补脉冲经功率放大后直接控制步进电动机，由输出脉冲的频率来控制步进电动机的速度，由输出脉冲的数量来控制工作台的位置。其定位精度一般为0.01～0.005mm。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。白城师范学院机电系机自教研室16半闭环数控系统位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈半闭环数控系统的位置采样点是从驱动装置(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，而是由位置检测元件间接测量工作台的位置。由位置反馈信号来调节伺服电动机的速度。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。白城师范学院机电系机自教研室17全闭环数控系统位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈闭环系统通常使用直流伺服电动机或交流伺服电动机。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。在闭环伺服系统中，由速度检测元件来测量电动机的速度，由位置检测元件来测量工作台的位置，由速度和位置反馈信号来调节伺服电动机的速度和工作台的位置。因此从理论上讲，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。其定位精度一般为0.001～0.003mm。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。白城师范学院机电系机自教研室182．按使用的驱动元件分类（1）电液伺服系统（2）电气伺服系统3．按被控对象分类（1）进给伺服系统（2）主轴伺服系统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（4）全数字伺服系统第二节步进电动机伺服系统步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁机械装置。由于所用的电源是脉冲电源，所以又称为脉冲马达。步进电机用于与控制脉冲组成的开环系统中。步进电机是一种特殊的电动机，一般电动机通电后连续旋转，但步进电动机却是跟随输入脉冲按节拍一步一步地转动。步进电动机的转动，是由电动机绕组的脉冲电流控制的，也就是说由指令脉冲决定的。白城师范学院机电系机自教研室19白城师范学院机电系机自教研室20指令脉冲数决定它的转动步数，即角位移的大小，对步进电动机施加一个电脉冲信号时，步进电动机就旋转一个固定的角度，称为一步，每一步所转过的角度称为步距角；指令脉冲频率决定它的转动速度。只要改变指令脉冲频率，就可以使步进电动机的旋转速度在很宽的范围内连续调节。改变绕组的通电顺序，就可以改变它的旋转方向。在无脉冲输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于定位状态。白城师范学院机电系机自教研室21一、步进电机的分类、结构和工作原理1.步进电机的分类按力矩产生的原理分：磁阻式（反应式）、感应子式和永磁式。按输出力矩大小分：功率式和伺服式。按结构分：径向式（单段式）、轴向式（多段）和印刷绕组式。按相数分：三相、四相、五相、六相等。2.步进电动机的结构目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机。下图是一典型的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。它与普通电机一样，也是由定子和转子构成，其中定子又分为定子铁心和定子绕组。在定子的每个磁极上面向转子的部分，均匀分布着5个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为9度。转子上没有绕组，只有均匀分布的40个齿，其大小和间距与定子上的完全相同。并与之相差1/3齿距。白城师范学院机电系机自教研室22白城师范学院机电系机自教研室233．步进电动机工作原理步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。现以三相反应式步进电动机为例说明。若按A-B-C-A通电相序连续通电，则步进电机就连续地沿逆时针方向旋转，每换接一次通电相序，步进电机沿逆时针方向转过30°，即步距角为30°。反之则为顺时针方向旋转。图6-4反应式步进电机工作原理当A相通电时，电动机铁芯AA方向产一磁通，在磁拉力作用下，转子1、3齿与A相磁极对齐。2、4两齿与B、C两磁极相对错开30°当B相通电时，电动机铁芯BB方向产生磁通，在磁拉力作用下，转子沿逆时针方向旋转30°，转子2、4齿与B相磁极对齐。1、3两齿与A、C两磁极相对错开30°。当C相通电时，电动机铁芯CC方向产生磁通，在磁拉力