数控机床伺服驱动系统

YXSH现代电气自动控制技术4.3数控机床的伺服驱动系统4.3数控机床的伺服驱动系统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，而在数控机床中，伺服系统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统，它由执行组件（如步进电机、交直流电动机等）和相应的控制电路组成，包括主驱动和进给驱动。伺服系统接收来自CNC装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有的带动刀架，通过几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。YXSH现代电气自动控制技术4.3数控机床的伺服驱动系统4.3.1伺服系统的性能由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面。调速范围宽要求伺服电动机有很宽的调速范围和优良的调速特性，不仅要满足低速切削的要求，如5mm／min，还要能满足高速进给的要求，如1000mm／min，甚至更大的范围。YXSH现代电气自动控制技术4.3数控机床的伺服驱动系统快速响应并无超调位置伺服系统要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两方面的要求。一般要求电机速度由零到最大，或从最大减少到零，时间应控制在200ms以下，甚至少于几十ms，且速度变化时不应有超调。另一方面当负载突变时，过渡过程前沿要陡，恢复时间要短，且无震荡，这样才能得到光滑的加工表面。YXSH现代电气自动控制技术4.3数控机床的伺服驱动系统高精度为了满足数控加工精度的要求，关键是保证数控机床的定位精度和进给跟踪精度。位置伺服系统的定位精度一般要求能达到0.01～0.001mm，高的可达到0.1μm。相应地，对伺服系统的分辨率也提出了要求。当伺服系统接受CNC送来的一个脉冲时，工作台相应移动的单位距离叫分辨率。目前的闭环伺服系统都能达到1μm的分辨率。高精度数控机床也可达到0.1μm的分辨率，甚至更小。YXSH现代电气自动控制技术4.3数控机床的伺服驱动系统低速大转矩机床在低速切削时，切深和进给都较大。现代数控机床通常是伺服电动机与丝杠直连，没有降速齿轮，这就要求主轴电动机输出较大转矩，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。较高的工作稳定性伺服系统的工作稳定性要好，并具有较强的抗干扰的能力，保证进给速度均匀、平稳，才能加工出高表面质量的零件。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。YXSH现代电气自动控制技术4.3数控机床的伺服驱动系统4.3.2伺服系统的执行组件伺服系统的执行组件主要有功率步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等。其作用是将电控信号的变化，转换成电动机输出轴的角速度和角位移的变化，从而带动机床的机械部件作相应的进给运动。伺服系统对执行组件的基本要求是：（1）控制简单，并具有较宽的调速范围；（2）动作迅速，时间常数小；YXSH现代电气自动控制技术4.3数控机床的伺服驱动系统（3）具有稳定的机械特性；（4）工作可靠，无自转现象（当输入信号为零时，伺服电动机应立即停止转动）。4.3.2.1步进电动机普通电动机是连续运转的。步进电动机是在外加电脉冲信号的作用下一步一步的运转，正因为它的运动形式是步进式的，故称为步进电动机。步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移或线位移的电磁装置。YXSH现代电气自动控制技术4.3数控机床的伺服驱动系统由于步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组的通电顺序，便可获得所需的转角、转速和转动方向。无脉冲输入时，在绕组电源的激励下，气隙磁场使转子保持原有的位置处于定位状态。步进电机具有独特的优点，作为伺服电动机应用于控制系统时，可以使系统简化、工作可靠，而且可获得较高的控制精度。因而在工业上大量用作状态伺服组件、状态指示组件、位置控制和速度控制组件。YXSH现代电气自动控制技术4.3数控机床的伺服驱动系统（1）步进电动机的分类按工作原理激磁式定子和转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动反应式转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动混合式与反应式的主要区别是转子上置有磁钢按输出转矩大小快速步进电机输出扭矩一般为0.07～4Nm功率步进电机输出扭矩一般为5～40NmYXSH现代电气自动控制技术4.3数控机床的伺服驱动系统按定子排列方式多段式（轴向式）定子各相按轴向依次排列单段式（径向式）定子各相在圆周依次排列按励磁相数不同分为三相、四相、五相、六相等。相数越多步距角越小，但结构越复杂。（2）步进电动机的工作原理图4-18所示为数控机床中广泛应用的反应式步进电动机工作原理示意图。YXSH现代电气自动控制技术4.3数控机床的伺服驱动系统当U、V、W三对磁极的绕组依次轮流通直流电，依次轮流产生磁场吸引转子转动。U相↓→转子1、3两齿被磁极U吸引，如图（a）。定子六个磁极激磁线圈每两个相对的磁极为一相，有U、V、W三相转子——带等距齿的铁心U相↑，V相↓→磁场吸引最近的2、4齿，转子逆时针转了30°，如图（b）。YXSH现代电气自动控制技术4.3数控机床的伺服驱动系统V相↑，W相↓→磁场吸引最近的1、3齿，转子逆时针又转了30°，如图（c）。这样按U-V-W-U-V-W的次序通电，步进电机就一步一步地按逆时针方向转动30°。步进电机每步转过的角度称为“步距角”。如果通电相序改为U-W-V-U-W-V，步进电动机将按顺时针方向旋转。YXSH现代电气自动控制技术4.3数控机床的伺服驱动系统（3）三相步进电动机的通电方式及步距角三相单三拍其通电顺序为U-V-W-U。“三相”——是指三相步进电机“单”——是指每次只有一相绕组通电“三拍”——是指三种通电状态为一个循环这种方式每次只有一相通电，容易使转子在平衡位置上发生振荡，稳定性不好。而且在转换时，由于一相断电时，另一相刚开始通电，容易“失步”（指不能严格地对应一个脉冲转一步），因而不常采用这种通电方式。YXSH现代电气自动控制技术4.3数控机床的伺服驱动系统三相双三拍其通电顺序为UV-VW-WU-UV。两相同时通电，转子受到的感应力矩大，静态误差小，定位精度高，而且切换时始终有一相通电，所以工作稳定，不易失步。双三拍通电方式运行时，步距角与单三拍通电方式相同。三相六拍其通电顺序为U-UV-V-VW-W-WU-U。单、双相轮流通电的方式，它具有双三拍的特点，由于通电状态数增加一倍，而使步距角减少一倍。且切换时始终有一相通电，工作比较稳定。这种控制方式增大了步进电动机的稳定区域，改善了步进电动机的性能，故多采用这种控制方式。YXSH现代电气自动控制技术4.3数控机床的伺服驱动系统从上面的分析可以看出，步进电动机转动的角度取决于定子绕组的相数、转子齿数及供电的逻辑状态。若以θb表示步距角，则有mzKb360=θ（4-12）式中m—步进电动机相数；z—转子齿数；K—由步进电动机控制方式确定的拍数和相数的比例系数，如三相三拍时，K＝１；而三相六拍制时，K＝２。为了提高加工精度，一般要求步距角很小，数控机床中常用的步进电动机步距角为0.36ｏ～3ｏYXSH现代电气自动控制技术4.3数控机床的伺服驱动系统图4-18中的步进电动机模型，转子仅有４个齿，步距角较大。在实际应由中要求步距角小得多，为此可以增大转子齿数。图4-19所示是目前广泛应用的一种三相六极步进电动机结构图。每个定子磁极上有5个齿。转子上共有40个齿和定子磁极上的齿宽相等。因此定转子的齿距都为360ｏ/40＝9ｏ。在单三拍时，步距角为3ｏ，在三相六拍时，步距角为1.5ｏ。YXSH现代电气自动控制技术4.3数控机床的伺服驱动系统（4）步进电动机的主要特点①步进电动机受脉冲信号的控制，每输入一个脉冲，就变换一次绕组的通电状态，电动机就相应转动一步。因此角位移与输入脉冲个数成严格的比例关系。②一旦停止送入控制脉冲，只要维持控制绕组电流不变，电动机可以保持在其固定的位置上，不需要机械制动装置。③输出转角精度高，虽有相邻齿距误差；但无积累误差。YXSH现代电气自动控制技术4.3数控机床的伺服驱动系统④改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变。⑤步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度就越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速就越高。步进电动机的主要缺点是效率较低，输入功率的大部分转为热能耗散；另外，步进电动机没有过载能力，只有在规定范围内，才能获得好的步进性能。（5）步进电动机的性能步距误差步进电动机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差称为步距误差。YXSH现代电气自动控制技术4.3数控机床的伺服驱动系统连续走若干步时，上述步距误差的累积值称为步距的累积误差。由于步进电动机转过一圈后，将重复上一圈的稳定位置，即步进电动机的步距累积误差将以一圈为周期重复出现。所以步距的累积误差最大值可以在一圈范围内测出。影响步进电动机的步距误差和累积误差的主要因素有齿和磁极的机械加工及装配精度、各相矩角特性之间的差别等。矩角特性、最大静态转矩当步进电动机在某相通电时，转子处于不动状态。YXSH现代电气自动控制技术4.3数控机床的伺服驱动系统这时，在电动机轴上加一个负载转矩，转子就按一定方向转过一个角度θ，此时转子所受的电磁转矩T称为静态转矩，角度θ称为失调角。T和θ的关系叫矩角特性，如图4-20所示，该特性上的电磁转矩最大值称为最大静转矩。在一定范围内，外加转矩越大，转子偏离稳定平衡的距离越远。在静态稳定区内，外加转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置。YXSH现代电气自动控制技术4.3数控机床的伺服驱动系统起动频率空载时，由静止状态起动，达到不失步的正常运行的最高频率，称为起动频率。起动时指令脉冲频率应小于起动频率，否则将产生失步。步进电动机在带负载下的起动频率比空载要低。连续运行频率起动后，不失步工作的最高工作频率，称为连续运行频率。通常是起动频率的4～10倍。随着运行频率增加，其输出转矩相应下降，所以运行频率也受所带负载转矩的影响。对于某特定步进电动机，单拍工作频率要比双拍工作时低。好的驱动方式和功率驱动电源可以提高起动频率和运行频率。YXSH现代电气自动控制技术4.3数控机床的伺服驱动系统加减速特性步进电动机的加减速特性是描述步进电动机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。步进电动机起动和停止时，加减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。步进电动机的升速和降速特性用加速时间常数Ta和减速时间常数Td来描述。为了保证运动部件的平稳和准确定位，根据步进电动机的加减速特性，在起动和停止时应进行加减速控制。YXSH现代电气自动控制技术4.3数控机床的伺服驱动系统4.3.2.2直流伺服电动机直流伺服电动机是数控机床伺服系统中应用最早的，也是使用最广泛的执行组件。直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种结构类型。随着磁性材料的发展，用稀土材料制作的永磁式直流伺服电动机的性能超过了电磁式直流伺服电动机，目前广泛应用于机床进给驱动。直流伺服电动机的工作原理与普通直流电动机完全相同，但工作状态和性能差别很大。机床进给伺服系统中使用的多为大功率直流伺服电动机，如低惯量电动机和宽调速电动机等。YXSH现代电气自动控制技术4.3数控机床的伺服驱动系统（1）永磁式直流伺服电动机的结构和工作原理一般永磁式直流伺服电动机本体由三部分组成：机壳、定子磁极和转子电枢。它还具有一定的伺服特性和快速响应能力结构上往往与反馈部件做成一体。其定子磁极是个永久磁体，一般采用铝镍钴合金、铁氧体、稀土钴等材料，它们的矫顽力很高，可以产生极大的峰值转矩；而且在较高的磁通密度下保持性能稳定（即不出现退磁）。这种电机的电枢铁心上槽数较多，且在一个槽内分布几个虚槽即减少转矩波动。YXSH现代电气自动控制技术4.3数控机