1、第二讲 数控机床的伺服系统,在这一讲，我们一起学习 数控机床对进给伺服系统的要求 数控伺服驱动系统的分类 步进电机驱动系统 交流伺服系统,一、伺服驱动概述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。如果说CNC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。伺服系统接收来自数控装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动数控机床各加工坐标轴运动。这些轴有的带动工作台，有的直接带动刀架，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
2、机械运动，从而加工出所要求的零件形状。 1、伺服系统的组成数控机床伺服系统一般由位置检测装置、位置控制模块、伺服驱动装置、伺服电动机及机床进给传动链组成，（如图4.1所示。）,图4.1闭环伺服系统组成闭环伺服系统的一般结构通常由位置环和速度环组成。速度环速度控制单元是一个独立的单元部件，它由伺服电动机、伺服驱动装置、测速装置及速度反馈组成；位置环由数控系统中的位置控制模块、位置检测装置及位置反馈组成。,在伺服系统位置控制中，来自数控装置插补运算得到的位置指令，与位置检测装置反馈来的机床坐标轴的实际位置相比较，形成位置偏差，经变换为伺服装置提供控制电压，驱动工作台向误差减小的方向移动。在速度控制
3、中，伺服驱动装置根据速度给定电压和速度检测装置反馈的实际转速对伺服电动机进行控制，以驱动机床进给传动部件。 2、数控机床对进给伺服系统的要求数控机床进给伺服系统的性能在很大程度上决定了数控机床的效率及精度的高低。为此数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、以及伺服电动机、机械传动等方面都有很高的要求。具体来说有这样一些要求：,1）可逆运行在加工过程中，机床工作台根据加工轨迹的要求，随时都可能实现正向或反向运动。从能量角度看，应该实现能量的可逆转换，即在加工运行时，电动机从电网吸收能量变为机械能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能回馈给电网，以实现快速制动。2）速度范围宽为适应不同的加
4、工条件，数控机床要求进给能在很宽的范围内无级变化。这就要求伺服电动机有很宽的调速范围和优异的调速特性。对一般数控机床而言，进给速度范围在024mmin时，就可满足加工要求。,3）具有足够的传动刚性和高的速度稳定性伺服系统在不同的负载情况下或切削条件发生变化时，也就是工件重量发生变化或加工时吃刀深度发生变化时，伺服系统应使刀具进给速度保持恒定。刚性良好的伺服系统系统，速度受负载力矩变化的影响很小。通常情况，数控机床要求承受的额定力矩变化时，静态速降(静态速降指的是伺服系统带负载运行时的转速和理想空载转速之差)应小于5，动态速降(动态速降指伺服系统在承受突加负载时因电机轴力矩与承受的突加负载不相适
5、应而造成的短时速度陡降超调现象)应小于10。,4）快速响应无超调数控机床在加工时，为了保证轮廓切削形状精度和提高零件表面光洁度，对位置伺服系统既要求有较高的定位精度，还要求有良好的快速响应特性。这就对伺服系统的动态性能提出两方面的要求：一方面，在伺服系统处于频繁地启动、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，要求加速度、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，过渡时间应控制在200ms以下，甚至少于几十毫秒，而且速度变化时不应有超调（超过给定速度值）；另一方面，当负载突变时，过渡过程恢复时间要短且无振荡，这样才能得到光滑的加工表面。,
6、5）高精度要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随精度。位置伺服系统的定位精度一般要求能达到1m甚至0.1m，相应地，对伺服系统的分辨力也提出了要求，什么是伺服系统的分辨力呢？就是当伺服系统接受数控装置送来的一个脉冲时，工作台相应移动的单位距离叫分辨力，也称脉冲当量。系统分辨力取决于伺服系统稳定工作性能和所使用的位置检测元件。目前的闭环伺服系统都能达到1m的分辨力。高精度数控机床可达到0.1m的分辨力甚至更小。6）低速大转矩数控机床的切削加工一般在工作台低速时进行，所以低速时进给驱动要有大的转矩输出，以满足低速进给切削的要求。,二、伺服系统的分类1.按执行机构的控制方式
7、分类1)开环伺服系统开环伺服系统没有检测反馈装置，数控装置发出的指令信号流程是单向的，其精度主要决定于驱动元件和伺服电机的性能，开环伺服系统所用的电动机主要是步进电动机。移动部件的速度与位移是由输入脉冲的频率和脉冲数决定的，位移精度主要决定于该系统各有关零部件的精度。,按控制原理和有无检测反馈环分类：,开环伺服系统,闭环伺服系统,半闭环伺服系统,按使用的伺服电动机类型分类：,直流伺服系统,交流伺服系统,开环控制的优点是：结构简单、系统稳定、容易调试、成本低廉等。但是系统对移动部件的误差没有补偿和校正，所以精度低，位置精度通常为0.010.02mm。一般适用于经济型数控机床。（图1.8所示为开环
8、数控系统的示意图。)图1.8开环数控系统,2)闭环控制系统闭环控制系统是指在机床的运动部件上安装位置测量装置，例如光栅、感应同步器和磁栅等位置测量装置，（如图1.9所示。）在加工中，位置测量装置将测量到的工作台实际位置反馈到数控装置中，与输入的指令位移相比较，用比较的差值控制移动部件，直到差值为零，即实现移动部件的最终精确定位。从理论上讲，闭环控制系统的控制精度主要取决于检测装置的精度，它完全可以消除由于传动部件制造中存在的误差给工件加工带来的影响，所以这种控制系统可以得到很高的加工精度。但是闭环控制系统的设计和调整都有较大的难度，它主要用于一些精度要求很高的镗铣床、超精车床和加工中心上。,图
9、1.9 闭环控制系统,3）半闭环控制系统半闭环控制系统是在伺服系统的丝杠上或进给电动机的轴上装有角位移检测装置(角位移检测装置有圆光栅、光电编码器及旋转式感应同步器等）。半闭环控制系统不是直接测量工作台位移量，而是通过检测丝杠转角间接地测量工作台位移量，然后反馈给数控装置，（如图1.10所示。）这种控制系统实际控制的是丝杠的传动，而丝杠的螺母副的传动误差无法测量，只能靠制造保证。因而半闭环控制系统的精度低于闭环系统。但由于角位移检测装置比直线位移检测装置结构简单、安装调试方便，因此配有精密滚珠丝杠和齿轮的半闭环系统正在被广泛地采用。目前已逐步将角位移检测装置和伺服电动机设计成一个部件，使系统变
10、得更加简单，安装调试更加方便，目前，中档数控机床广泛采用半闭环控制系统。,图1.10半闭环控制系统,2.按使用的伺服电动机类型分类1)直流伺服系统直流伺服系统常用的直流伺服电动机有小惯量直流伺服电动机和永磁直流伺服电动机这两种。小惯量伺服电动机最大限度地减少了电枢的转动惯量，所以能获得最好的快速性。在早期的数控机床上应用较多，现在也有应用。小惯量伺服电动机一般都具有高的额定转速和低的转动惯量，所以应用时，要经过中间机械传动(如齿轮副)才能与丝杠相连接。永磁直流伺服电动机的转子惯量较大，能直接与丝杠相连而不需中间传动装置。此外，它还有一个特点是可在低速下运转，如能在1rmin甚至在0.1rmin
11、下平稳地运转。因此，自20世纪70年代至80年代中期，它在数控机床应用上占统治地位。永磁直流伺服电动机的缺点是有电刷，限制了转速的提高，一般额定转速为10001500rmin，而且结构复杂，价格较贵。,2)交流伺服系统交流伺服系统可以使用交流异步伺服电动机(一般用于主轴伺服电动机)或者永磁同步伺服电动机(一般用于进给伺服电动机)。由于直流伺服电动机存在着一些如上面所说的固有的缺点（比如，有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格较贵。 ），使其应用环境受到限制。交流伺服电动机没有这些缺点，且转子惯量比直流电动机小，使得动态响应好。另外在同样体积下，交流电动机的输出功率可比直流电动机提高107
12、0；其容量也可以比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。因此，交流伺服系统得到了迅速发展，已经形成潮流。从20世纪80年代后期开始，大量使用交流伺服系统，目前，已基本取代了直流电动机。,三、步进电动机驱动系统步进电动机是一种将电脉冲信号转换为机械角位移的机电执行元件,它同普通电动机一样，由转子、定子和定子绕组组成。当给步进电动机定子绕组输入一个电脉冲，转子就会转过一个相应的角度，并由传动丝杠带动工作台移动。由于步进电动机伺服系统是典型的开环控制系统，它没有任何反馈检测环节，其精度主要由步进电动机的步距角和与之相联系的丝杠等传动机构所决定。步进电动机的最高极限速度通常要比伺服电动机低，并且在低
13、速时容易产生振动，影响加工精度，但是步进电动机开环伺服系统具有价格便宜，结构简单，调整容易，运行可靠，无累积误差等优点，所以在速度和精度要求不高的场合仍有广泛的使用价值。,1.步进电动机的工作原理（图4.2a)为三相反应式步进电动机的结构图。它是由转子、定子及定子绕组所组成。定子上有六个均布的磁极，直径方向相对的两个极的线圈串联，构成电动机的一相控制绕组。（图4.2b)所示为反应式步进电动机工作原理示意图。定子、转子是用硅钢片等软磁材料制成的，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4个齿，它在定子磁场中被磁化，被磁化就会呈现磁极性。当定
14、子A相绕组通电时，形成以A-A为轴线的磁场，转子受磁场拉力作用而产生转矩，使转子的1、3两齿和定子的A-A极对齐，（如图4.2b)所示；,当A相断电、B相绕组通电时，以B-B为轴线的磁场使转子的2、4两齿和定子的B-B极对齐，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， 以C-C为轴线的磁场，使转子的1、3齿和定子的C-C极对齐，转子将在空间又逆时针转过30角。如此循环按ABCA的顺序通电，转子就会不断地按逆时针方向转动；反过来，如ACBA的顺序通电，转子就会不断地按顺时针方向转动。因此，步进电将会不断旋转。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
15、角，用表示。,a) b) 图42反应式步进电动机工作原理,步进电机的通电方式有3种，现以三相步进电动机为例说明步进电动机的通电方式。1）三相单三拍通电方式 通电顺序为ABCA。“三相”即是三相步进电动机，每次只有一相绕组通电，而每一个循环只有三次通电，故称为三相单三拍运行。单三拍通电方式每次只有一相控制绕组通电吸引转子，容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行稳定性较差。另外，在切换时一相控制绕组断电而另一相控制绕组开始通电，容易造成失步，因而实际上很少采用这种通电方式。,2）双三拍通电方式 通电顺序为ABBCCAAB。这种通电方式由两相同时通电，转子受到的感应力矩大，静态误差小，定位精度高。另
16、外，转换时始终有一相的控制绕组通电，所以工作稳定，不易失步。 3）三相六拍通电方式 通电顺序为AABBBCCCAA。这种通电方式是单、双相轮流通电。它具有双三拍的特点，且通电状态增加一倍，而使步距角减少一半。,2.步进电动机的特点： 1）步进电动机受脉冲的控制，其转子的角位移量和转速严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比，改变通电顺序可改变步进电动机的旋转方向；改变通电频率可改变电动机的转速。 2）维持控制绕组的电流不变，电动机便停在某一位置上不动，即步进电动机有通电自锁能力，不需要机械制动。 3）有一定的步距精度，没有累积误差。 4）步进电动机的缺点是效率低，拖动负载的能力不大，脉冲当量(步
17、距角)不能太大，调速范围不宽，最高输入脉冲频率一般不超过18kHz。,3.步进电动机的驱动及控制步进电机的运行性能，不仅与步进电机本身和负载有关，而且与配套的驱动装置有着十分密切的关系。步进电动机驱动装置由环形脉冲分配器、功率放大驱动电路两大部分组成，如图4.5所示。其中，步进电动机驱动电路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流信号。,四、交流伺服系统1.同步型交流伺服电动机(SM)同步型交流伺服电动机与异步型交流伺服电动机最大的差异是：同步型交流伺服电动机的转速与所接电源频率有一种严格关系。目前，数控机床中广泛采用同步型交流伺服电动机中的永磁
18、式同步电动机。交流伺服电动机与直流伺服电动机相比，永磁式同步电动机没有机械换向器和电刷，避免了换向火花产生和机械磨损等，同时又可获得和直流伺服电动机相同的调速性能。和异步交流电动机相比，由于永磁式同步电动机转子有磁极，在很低的频率下也能运行，因此在相同的条件下，同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。同时，同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有更强的承受力，能作出更快的响应。,2交流伺服电动机工作原理的和结构1) 永磁式同步型交流伺服电动机的工作原理如图4.20所示，交流伺服电动机的转子是一个具有两个极的永磁体(也可以是多极的)。按照电动机学原理，当电动机的定子三相绕组接通三相交流电源时，就会产生
19、旋转磁场(Ns，Ss)以同步转速ns逆时针方向旋转。根据两异性磁极相吸的原理，定子磁极Ns(或Ss)紧紧吸住转子，以同步转速ns在空间旋转，即转子和定子磁场同步旋转。,当转子加上负载转矩后，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线一个夹角。转子的负载转矩增大时，定子磁极轴线与转子磁极轴线间的夹角增大；当负载转矩减小时角减小。但只要负载不超过一定的限度，转子就始终跟着定子旋转磁场同步转动，此时转子的转速只决定于电源频率和电动机的极对数，而与负载大小无关。当负载转矩超过一定的限度，电动机就会“丢步”，即不再按同步转速运行直至停转。这个最大限度的转矩称为最大同步转矩，因此，使用永磁式同步电动机时，负载转矩不能
20、大于最大同步转矩。,2)永磁式同步电动机结构数控机床用于进给驱动的交流伺服电动机大多采用三相交流永磁同步电动机，如图4.21所示，永磁同步电动机主要由三部分组成：定子、转子和检测元件(位置传感器和测速发电机)。其中定子有齿槽，内有三相绕组。转子由多块永久磁铁和铁心组成。永磁材料的磁性能对电动机外形尺寸、磁路尺寸和性能指标都有很大影响。,3. 交流伺服电机驱动装置 1）交流电动机调速原理 由电动机学基本原理可知，交流电动机的同步转速n0为n0 60f1/p 式中 f1定子供电频率，单位Hz；P电动机定子绕组磁极对数；从上面的公式可以看出：平滑改变定子供电电压频率f1而使转速平滑变化，这就是变频调
21、速方法。这是交流电动机的一种理想调速方法。电动机从高速到低速其转差率都很小，因而变频调速的效率和功率因数都很高。目前，数控机床主要采用变频调速等先进交流调速技术。,2)正弦波脉宽调制(SPWM)变频器1964年德国人率先提出脉宽调制变频思想，把通讯系统中的调制技术应用于交流变频器。调制方法很多，目前用得最多的是正弦脉宽调制。SPWM变频器属于交一直一交变频器，其原理框图见图4.23b)。基本工作过程是先将50Hz交流电经整流变压器变压得到所需电压，经二极管整流和电容滤波，形成恒定直流电压，然后送入由大功率晶体管构成的逆变器主电路，输出三相电压和频率均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波(SPWM波
22、)，即可拖动三相电机运转。这种变频器结构简单，电网功率因数接近于1，系统动态响应快，输出波形好，因此，在数控机床的交流驱动中广泛使用。,a)交一交变频器 b)交一直一交变频器图4.23两种类型的变频器,SPWM逆变器的工作原理如下：SPWM波形与等效正弦波在采样控制理论中有一个重要结论，冲量(窄脉冲的面积)相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。电动机就是一个惯性的环节，该结论是SPWM控制的重要理论基础。SPWM逆变器输出的是正弦脉宽调制波,如图4.24b)所示。其工作原理是若把一个正弦半波分成N等分，然后把每一等分的正弦曲线与横坐标轴所包围的面积，都用一个与此面积相等
23、的等高矩形脉冲来代替，这样可得到N个等高而不等宽的脉冲序列。根据上述冲量相等效果相同的原理，该矩形脉冲序列与正弦半波是等效的。如果对正弦波的负半周也做同样处理，即可得到相应的2N个脉冲，这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制波，如图4.24所示。,a)正弦波的正半波 b)等效的SPWM波形 图4.24与正弦波等效的SPWM波形,产生SPWM波形的原理 SPWM波形可用计算机产生，即对给定的正弦波用计算机算出相应脉冲的宽度，通过控制电路输出相应波形，还可用专门集成电路产生，如产生三相SPWM波形的专用集成电路芯片有HEF4752、SLE4520等；也可用模拟电路产生，其方法是以正弦波为调制波，对等腰三
24、角波为载波的信号进行“调制”，原理如图4.25所示。,采用模拟电路产生SPWM方法，就是用一个正弦波发生器产生可以调频调幅的正弦波信号(调制波)，用三角波发生器生成幅值恒定的三角波信号(载波)，将它们在电压比较器中进行比较，输出SPWM调制电压脉冲，图4.26所示是调制SPWM脉冲的原理图。图4.26 SPWM调制脉冲原理图,具体来分析：三角波电压和正弦波电压分别接在电压比较器的“-”、“+输入端。大家从学过的电子技术课程中知道，当“uusin时，电压比较器输出高电平；反之则输出低电平。SPWM脉冲宽度由三角波和正弦波交点之间的距离决定，两者的交点随正弦波电压的大小而改变。因此，在电压比较器输
25、出端就输出幅值相等而脉冲宽度不等的SPWM电压信号。图4.27所示是SPWM调制波示意图。,SPWM变频器的主电路 电路原理及输出线电压的波形如图4.28所示。图4.28a)中VlV6为六只大功率晶体管，当然，也可以采用其它的功率器件。大功率晶体管各有一个与之反并联的续流二极管。来自控制电路的SPWM波形作为大功率晶体管基极控制电压，加在各功率管的基极上。在电路图中，按相序要求和频率要求协调控制的三路正弦波信号，与等腰三角波发生器来的载波信号一同送入电压比较器，产生三路SPWM波形，经反相电路后，可得到六路SPWM信号，加在VlV6六只功率晶体管的基极，作为驱动控制信号。当逆变器工作于双极性工作方式时，可得到如图4.28b)所示的线电压波形。,这一讲我们就学习到这里，下一讲我们将学习数控机床的位置检测装置，谢谢大家！,
