第四章数控机床的伺服系统第一节概述

第四章数控机床的伺服系统第一节概述 一、伺服系统及数控机床对其要求

１数控机床的伺服系统的现状 • 数控机床的伺服系统是数控机床的数控系统与机床本体的联系环节。它的主要功用是接受来自数控系统的指令信息，按其要求来驱动机床的移动部件运动，以加工出符合图纸要求的零件。伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件和末端执行件等组成。对于闭环和半闭环控制系统还包括检测反馈环节。常用驱动元件主要是各种伺服电机。目前，在小型和经济型数控机床上还使用步进电机，中高档数控机床大多采用直流伺服电机和交流伺服电机。高精度数控机床己采用交流数字伺服系统，伺服电机的位置、速度等都已实现了数字化，并采用了新的控制理论，实现了不受机械负荷变动影响的高速响应伺服系统。

２数控机床的伺服系统应满足的基本要求： 伺服系统是数控机床的重要组成部分之一。其动态响应和伺服精度是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的主要因素。　因此，数控机床的伺服系统应满足以下基本要求：（l）精度高　数控系统每发出一个进给指令脉冲，伺服系统就将其转化为相应的位移量，通常称为脉冲当量。脉冲当量越小，机床的精度越高。一般地脉冲当量为0.01mm～0.001mm。

（２）快速响应特性好快速响应是伺服系统动态品质的标志之一。一般是在200ms以内，甚至小于几十毫秒。（２）快速响应特性好快速响应是伺服系统动态品质的标志之一。一般是在200ms以内，甚至小于几十毫秒。（3）调速范围要大　调速范围一般大于1：10000。而且在低速切削时，还要求伺服系统能输出较大的转矩。（4）系统可靠性要好　系统的可靠性常用发生故障时间间隔的长短的平均值作为依据，即平均无故障时间。

二、伺服系统的类型 数控机床的伺服系统，通常按其控制方式进行分类，可分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。１开环伺服系统指令脉冲控制介质伺服电机数控装置驱动装置工作台齿轮箱

2．闭环伺服系统 位置检测装置位移指令位移反馈工作台速度反馈测速元器件

3．半闭环伺服系统 位移指令工作台速度反馈位移反馈测速元器件位置检测装置

第二节　常用驱动元件 驱动元件是伺服系统的关键部件，对系统的特性有极大的影响，它的发展和进步是推动数控机床发展的重要因素。驱动元件的发展大致分为以下几个阶段： 50年代，采用步进电机。目前只应用于经济型数控机床。 60～70年代，采用步进电机和电液伺服电机。现已基本不用。 70～80年代，采用直流伺服电机，目前在我国广泛使用。 80年代以后，采用交流伺服电机，是比较理想的驱动元件。

一、步进电机 　步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的特殊电机。步进电机的转子上无绕组且制有若干个均匀分布的齿，在定子上有励磁绕阻。当有脉冲输入时，转子就转过一个固定的角度，其角位移量与输入脉冲个数严格地成正比，在时间上也与输入脉冲同步。当无脉冲时，在绕组电源的激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置不变而处于定位状态。

（一）步进电机的分类 １按其运动方式分：有旋转式、直线运动式、平面运动式和滚切运动式。２按其励磁相数可分为三相、四相、五相、六相甚至八相步进电机等；３按使用场合分：有功率步进电机和控制步进电机；４按其工作原理分：有磁电式、反应式（磁阻式）、永磁感应式步进电机等；５按使用频率分：有高频步进电机和低频步进电机；６按结构分：有单段式（径向式）、多段式（轴向式）等。

（二）步进电机工作原理 　尽管步进电机种类很多，其基本原理实质都是一致的。现以三相反应式步进电机为例，说明其工作原理:在步进电机定子上有三对磁极，上面绕有励磁绕组，分别称为A相、B相和C相。转子上带有等距小齿（图中有四个齿）,如果先将A相加上电脉冲，则有： A 1 C B 4 2 B 3 C A (a) A相通电

如果将B相加上电脉冲，则有： 转子逆时针旋转。 30 A A 1 C 1 B C B 2 4 2 4 B 3 C B 3 C A A (a) A相通电 (b)B相通电

A 1 C B 4 2 如果再将C相加上电脉冲，则有： B 3 C A 转子逆时针旋转。 (a) A相通电 30 A A C 1 B C 2 B 2 1 4 3 B 3 C B C 4 转子逆时针旋转 A A 。 30 (b)B相通电 (c)C相通电

这种三相励磁绕组依次单独通电，切换三次为一个循环，称为三相单三拍通电方式。由于每次只有一相磁极通电，易在平衡位置附近发生振荡，而且在各相磁极通电切换的瞬间，电机失去自锁力，容易造成失步。为改善其工作性能，可采用三相六拍的通电方式，其通电方式及通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A…或者A→AC→C→CB→B→BA→A … 这种通电方式当由A相通电转为AB相共同通电时，转子磁极将同时受到A相与B相的吸引，它就停在AB两相磁极中间，这时它转过的角度是15　。这种通电方式在切换时，始终有一相磁极不断电，故而工作较稳定，且在相同频率下，每相导通的时间增加，平均电流增加，从而可以提高电磁转矩、启动频率及连续运行频率等特性。　显然，通入脉冲频率越高，电机的转速就越高，且电机每步转过的角度越小，所能达到的位置精度也越高。。

。（三）步进电机的主要特性参数（１）步距角步进电机每接受一个脉冲，转子所转过的角度，称为步距角。它是决定开环伺服系统脉冲当量的重要参数。 α＝360 ／mkz 式中α—— 步距角； m —— 定子励磁绕组的相数； z —— 转于齿数； k —— 通电方式系数，单拍时，k=1；双拍时，k＝2。

2）最大启动转矩 步进电机在启动时能带动的最大负载转矩，如步进电机的负载转矩超过此值，则电机不能启动。其值越大，则承载能力越强。（3）起动频率步进电机在启动时，从静止状态突然启动而不丢步的最高频率。它与负载惯量有关，一般地它随负载的增加而减小。

（4）连续运行最高频率 步进电机启动之后，控制脉冲的频率可进一步提高。能够跟上控制脉冲的频率而不失步的最高频率，称为连续运行最高频率。它随负载的增加而下降，它比最高启动频率大许多，因它不需克服惯性力矩。它代表着步进电机的最高转速。目前世界最高值可达7000r／min。（四）步进电机的驱动根据步进电机的工作原理，我们知道步进电机的角位移量与指令脉冲的个数成正比，旋转方向与通电方向有关。因此步进电机的驱动电路，必须能控制步进电机各相励磁绕组电信号的通电断电变化频率、次数和通电顺序。这个工作由脉冲分配器和功率放大器来完成。

脉冲分配器：通过脉冲指令，按一定顺序导通或截止功率放大器，使电机相应的励磁绕组通电或 断电的装置叫脉冲分配器，也叫环形分配器。它由门电路、触发器等基本逻辑功能元件组成。步进电机的正转与反转，由方向指令控制。步进电机的转角与转速分别由指令脉冲的频率与数量决定。脉冲分配可由硬件或软件来实现。进给脉冲脉冲分配器功率放大器步进电机运动方向

二、直流伺服电机 由于数控机床的自身特点，如位移精度高、调速范围广、承载能力强、运动稳定性好、响应速度快等，对伺服电机的要求较高，特别是要具有较大的转矩——惯量比。直流伺服电机具有较好的调速特性，尤其是直流电机具有较硬的机械特性，因此直流电机在数控机床中使用较广泛。然而一般的直流电机因其转子转动惯量较大，其输出转矩相对小，动态特性不好，不能满足机械加工的要求，特别是在低速运转条件下更是如此。因此，直流电机必须改进结构提高其特性，才能用于数控机床的伺服系统。

1．小惯量直流伺服电机 为使转子转动惯量尽可能的小，这种电机一般都做成细长形，转子光滑无槽。其特点是转动惯量比一般直流电机小一个数量级，机械时间常数小，加减速能力强，响应快，动态特性好。再加上其气隙尺寸大，采用高磁能永久磁铁，励磁绕组在铁心表面，因而绕组自磁小，电枢电流可增大。所以其瞬时峰值转矩可为额定转矩的十倍以上，调速范围宽，低速运转平稳。

2 调速直流电机 小惯量直流电机是从减小转子的转动惯量来改善电机动态特性的，然而正是因其惯量小，热容量也小，过载时间不能过长。其另一特点是转速高，惯量小，而机床的惯量大，两者之间必须使用齿轮减速才能很好地匹配。这在客观上就需要一种大转矩、低转速的电机。

调速直流伺服电机是在维持一般直流电机转动惯量不变的前提下，通过提高转矩来改善其特性，电机定于采用矫顽力强的永磁材料。这种材料可使电机电流过载10倍而不会去磁，因而提高了电机的瞬时加速力矩，改善了动态响应，因此调速直流伺服电机具有以下特性：调速直流伺服电机是在维持一般直流电机转动惯量不变的前提下，通过提高转矩来改善其特性，电机定于采用矫顽力强的永磁材料。这种材料可使电机电流过载10倍而不会去磁，因而提高了电机的瞬时加速力矩，改善了动态响应，因此调速直流伺服电机具有以下特性：（1）动态响应好（2）过载能力强（3）转矩大（4）调速范围宽调速范围可达0.1～2000r/min。（5）可直接接有高精度检测元件

3．直流伺服电机的调速 对于直流电机的调速，在理论上有三种方法：①改变电枢回路电阻；②改变气隙磁通量；③改变外加电压。用于数控机床的电机要求既能正转、反转，又能快速制动。因此数控机床的伺服系统一般都是可逆系统，但前两种方法不能满足数控机床的要求。因此，主要采用调整电枢电压的方法来调节直流伺服电机的转速，它的供电系统能灵活地控制直流电压的大小和方向。目前主要用晶闸管控制方式（SCR——M）和脉宽调制方式（PWM——M）来提供可调的直流电源。

（１）晶闸管控制方式，用 SCR三相全控桥式整流，通过改变触发角来改变电压，从而达到调节直流伺服电机的目的，此方法以前应用较广。缺点是其电枢电流脉动频率低，波形差，使电机的工作情况恶化，从而限制了调速范围的进一步扩大。

U K （２）近年来，晶体管脉宽调制方式在世界上得到了广泛应用，并且逐步取代晶闸管控制方式。．．． Ua M ． τ１ t τ2 T T 如图所示开关K周期性的开关,周期为T,接通时间为τ,外加电源电压U为常数，则加到电枢上的波形是一个高为U，宽为τ，周期为T的方波。则它的平均值为：　Ua=∫ Udt/T= τU/T=δTU 其中δT＝τ/T T 0

Ua=δTU 其中δT＝τ/T 由上式可知：当T不变时，只要连续地改变τ（0～T）就可使电枢电压平均值连续地由0～U变化，从而改变电机的转速。实际上的PWM系统用大功率M极管代替开关K，其开关频率是2000Hz　，T＝l／2000s＝0.5ms。图中二极管为续流二极管，当K断开时，由于电枢电感的存在，电机电枢电流Ia可通过它形成回路而继续流通。

直流电机的优点：晶体管脉宽调制系统，因晶体管的开关频率很高，其输出电流接近于纯直流，使电机调速平稳。另一方面，转子也跟不上如此高的频率变化，避开了机械谐振，使机械工作平稳。这种方式还具有优良的动态硬度，电机既能驱动负载，也能制动负载，因而响应很快。与晶闸管比较，在相同的输出转矩下（即平均电流相同）运行效率高，发热小，低速下限更小，调速范围更宽。直流电机的优点：晶体管脉宽调制系统，因晶体管的开关频率很高，其输出电流接近于纯直流，使电机调速平稳。另一方面，转子也跟不上如此高的频率变化，避开了机械谐振，使机械工作平稳。这种方式还具有优良的动态硬度，电机既能驱动负载，也能制动负载，因而响应很快。与晶闸管比较，在相同的输出转矩下（即平均电流相同）运行效率高，发热小，低速下限更小，调速范围更宽。直流电机的缺点：它的电刷和换向器易磨损，换向时产生火花，使电机的最高转速受到限制，也使应用环境受限制，其结构复杂，成本高。

三、交流伺服电机 １交流伺服系统的优点：交流异步电机结构简单，成本低廉，无直流伺服电机的缺点，而且转子惯量较直流电机的小，这意味着动态响应更好。交流电机容量也比直流容量大，可达更高的电压和转速。一般在同样体积下，交流电机的输出功率比直流电机可以提高10％～70％。是当前机床进给驱动系统的一个新动向。

２交流伺服系统的电机类型：可以采用交流异步电机，也可采用交流同步电机。交流异步电机所采用的电流有三相和单相两种。交流同步电机的磁势源可以是电磁式、永磁式和反应式等多种，在数控机床进给伺服系统中多采用永磁式同步电机。２交流伺服系统的电机类型：可以采用交流异步电机，也可采用交流同步电机。交流异步电机所采用的电流有三相和单相两种。交流同步电机的磁势源可以是电磁式、永磁式和反应式等多种，在数控机床进给伺服系统中多采用永磁式同步电机。３永磁式同步电机的特点是：结构简单，运行可靠，效率高。在结构上采取措施如采用高剩磁感应、高矫顽力和稀土类磁铁，可比直流电机在外形尺寸上减少约50％，重量上减轻近60％，转子惯量减至20％，因而可得到比直流伺服电机更硬的机械性能和宽的调速范围。

４　交流伺服电机的调速：目前用得较多的是用计算机对交流电机的磁场作矢量变换控制。它的基本原理是通过矢量变换，把交流电机等效为直流电机，其思路是按照产生同样的旋转磁场这一等效原则进行的。４　交流伺服电机的调速：目前用得较多的是用计算机对交流电机的磁场作矢量变换控制。它的基本原理是通过矢量变换，把交流电机等效为直流电机，其思路是按照产生同样的旋转磁场这一等效原则进行的。５步骤：先将交流电机的三相绕组等效成二相绕组，再进一步等效为两个正交的直流绕组，构成正交的坐标系的两个轴。一个相当于直流电机的励磁绕组，一个相当于直流电机的电枢绕组。在旋转的正交坐标系中，交流电机的数学模型和直流电机的数学模型是一样的，从而使交流电机像直流电机一样，能对其转矩进行有效控制。

第四章 数控机床的伺服系统 第一节概 述