第 7 章 数控机床的伺服系统

1. 第7章 数控机床的伺服系统 7.1 概 述 • 伺服系统：以位置和速度作为控制对象的自动控制系统。 • 伺服系统接受数控装置发来的进给脉冲指令信号，经过信号变换和电压、功率放大由执行元件将其转变为角位移和直线位移，以驱动数控设备各运动部件实现运动。 7.1.1 伺服系统的分类 1. 按照调节理论分类 1）开环伺服系统 • 开环伺服系统由步进电机及其驱动电路组成，无位置检测装置。

2. 数控系统发出指令脉冲经过驱动线路变换与放大，传给步进电机。步进电机每接收一个指令脉冲，就旋转一个角度，再通过齿轮副和丝杠螺母副带动机床工作台移动。数控系统发出指令脉冲经过驱动线路变换与放大，传给步进电机。步进电机每接收一个指令脉冲，就旋转一个角度，再通过齿轮副和丝杠螺母副带动机床工作台移动。 • 指令脉冲的频率决定了步进电机的转速，进而决定了工作台的移动速度；指令脉冲的数量决定了步进电机转动的角度，进而决定了工作台的位移大小。 • 开环伺服系统加工精度低。由于无位置检测装置，其精度取决于步进电机的步距精度和工作频率以及传动机构的传动精度。 • 结构简单，成本较低，适用于对精度和速度要求不高的经济型、中小型数控系统。

3. （2）闭环伺服系统 • 有位置检测装置，且装在机床工作台上，直接检测工作台的实际位移。 • 利用CNC装置的指令值与位置检测装置的检测值的差值进行位置控制。 • 精度高，其运动精度取决于检测装置的精度，与传动链的误差无关。 • 适用于大型或比较精密的数控设备。 （3）半闭环伺服系统 • 有位置检测装置，且装在电机或丝杠的端头，检测角位移，间接获得工作台的位移。 • 精度比闭环控制低，滚珠丝杠的精度影响位置检测的精度。适用于中小型数控机床。

4. 2. 按使用的驱动元件分类 （1）电液伺服系统 • 执行元件：电液脉冲马达或电液伺服马达。 • 驱动元件：液动机或液压缸。 • 优点：低速高输出力矩，刚性好，时间常数小，反 应快，速度平稳。 • 缺点：需要供油系统，体积大，产生噪声和漏油等 问题。 （2）电气伺服系统 • 执行元件：伺服电机（步进电机、交流或直流伺服 电机）。 • 驱动元件：电力电子器件。 • 现代数控机床均采用电气伺服系统。

5. 3. 按被控对象分类 （1）进给伺服系统 • 控制机床各坐标轴的切削进给运动，提供切削所需的转矩。 • 包括速度控制环和位置控制环。 （2）主轴伺服系统 • 控制机床主轴的旋转运动，提供所需的驱动功率和切削力。 • 一般的主轴控制只有一个速度控制系统，具有C轴控制的主轴伺服系统与进给伺服系统相同，是一般概念的位置伺服控制系统。 • 刀库的位置控制是简单的位置伺服控制。

6. 4. 按反馈比较控制方式分类 （1）数字－脉冲比较伺服系统 • 将数控装置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装置测量的以数字（或脉冲）形式表示的反馈信号直接进行比较，产生位置差值，形成闭环和半闭环控制。 （2）相位比较伺服系统 • 采用相位工作方式，指令信号与反馈信号均以相位形式表示并进行比较。 （3）幅值比较伺服系统 • 以位置检测信号的幅值大小来反映机床位移量的大小，并与指令信号进行比较。 （4）全数字控制伺服系统 • 由位置、速度和电流组成的三环反馈控制全部数字化。

7. 7.1.2 伺服系统的组成 • 由控制器、功率驱动装置、检测反馈装置和伺服电机组成。 （1）控制器：由位置调解单元、速度调解单元和电流调解单元组成。 • 控制器最多构成三闭环控制：外环为位置环，中环为速度环，内环为电流环。 （2）功率驱动装置：由驱动信号产生电路和功率放大器等组成。 • 功能：一方面按控制量大小将电网中的电能作用到电机上，调节电机力矩的大小；另一方面按电机要求将恒压恒频的电网供电转换为电机所需直流电或交流电。 （3）位置检测装置：闭环和半闭环伺服系统有位置检测装置，其安装位置不同；开环伺服系统无位置检测装置。 （4）伺服电机：闭环和半闭环伺服系统采用交流或直流伺服电机；开环伺服系统采用步进电机。

8. 伺服系统结构

9. 7.1.3 数控机床对伺服系统的要求 1. 数控机床对进给伺服系统的要求 （1）调速范围大，低速转矩大。 • 调速范围：机械装置要求电机能提供的最高进给速度相对于最低进给速度之比。 • 为保证所有加工条件下，均能得到最佳切削条件和加工质量，就要求进给速度在较大的范围内变化。 • 低速切削要求电机输出较大的转矩，避免出现低速爬行现象。 （2）精度高。 • 精度：伺服系统的输出量跟随输入量的精确程度。 • 为保证数控加工精度要求，主要保证机床的定位精度和进给跟踪精度。

10. （3）快速响应无超调。 • 快速响应反映系统的跟踪精度。 （4）稳定性好，可靠性高。 • 稳定性：系统在给定输入或外界干扰作用下，能经过短暂的调节达到新的或恢复到原来平衡状态。 • 系统具有较好的抗干扰能力能保证进给速度均匀、平稳。 （5）足够的传动刚性，较强的过载能力，电机的惯量与移动部件的惯量相匹配，伺服电机能够频繁启停和可逆运行。

11. 2. 数控机床对主轴伺服系统的要求 （1）足够的输出功率。 • 主轴转速高，输出转矩小；主轴转速低，输出转矩大。要求主轴驱动装置具有恒功率性质。 （2）调速范围宽。 • 数控机床的变速依照指令自动执行，要求能够在较宽的转速范围内进行无级调速，较少中间传递环节，简化主轴箱。 （3）定位准停功能。 • 为使得数控车床具有螺纹切削等功能，要求主轴能与进给驱动实行同步控制。 • 在加工中为自动换刀，要求主轴具有高精度的准停功能。

12. 工作台 指令脉冲 驱动控制线路 步进电机 丝杠 开环步进式伺服系统组成框图 7.2 步进电机伺服系统 7.2.1 步进电机 • 步进电机：一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。 • 数控装置输出的进给脉冲数量、频率和方向经过驱动控制电路达到步进电机后，可以转换为工作台的位移量、进给速度和方向。

13. 1. 步进电机的类型

14. 2. 步进电机的结构 （1）反应式步进电机 • 步进电机由定子和转子组成，定子分定子铁芯和定子励磁绕组。1－定子绕组；2－转子铁芯；3－A相磁通；4－定子铁芯。 • 定子铁芯由电工硅钢片叠压而成，定子绕组是绕置在定子铁芯6个均匀分布的齿上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。 • 步进电机可构成A、B、C三相控制绕组，称为三相步进电机。若任一相绕组通电，就形成一组定子磁极。

15. 定子的每个磁极正对转子的圆弧面上均都均匀分布着5个小齿，呈梳状排列，齿槽等宽，齿间夹角为9°。定子的每个磁极正对转子的圆弧面上均都均匀分布着5个小齿，呈梳状排列，齿槽等宽，齿间夹角为9°。 • 转子上没有绕组，只有均匀分布的40个小齿，其大小和间距与定子上的完全相同。 • 三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距。

16. 当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿1/3齿距角，即3°；C相磁极齿超前（或滞后）转子齿2/3齿距角。当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿1/3齿距角，即3°；C相磁极齿超前（或滞后）转子齿2/3齿距角。 • 步距角：步进电机每走一步所转过的角度，其大小等于错齿的角度。 （2）永磁式步进电机 • 定子和转子中的某一方永永久磁钢，另一方由软磁材料制成，其上由励磁绕组。 • 绕组通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩。 （3）永磁感应式步进电机 • 转子由环行磁钢及两段铁芯构成。

17. 3. 反应式步进电机工作原理 • 步进电机：基于电磁力的吸引和排斥产生转矩。 • 定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式，也称为脉冲电机。 • 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，即送给步进电机一个电流脉冲，其转子就转过一个确定的角度，即步距角α；脉冲数增加，角位移也增加；无脉冲时，电机停止。 • 改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向改变。 • 步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转速度越快，即脉冲频率越高，转子转速越高；但脉冲频率不能过高，否则产生失步或超步。

18. 4. 反应式步进电机主要特征 （1）步距角和静态步距误差 • 步进电机步距角α与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，即有：α＝360°/(mzk)。 • 其中：m相m拍时，k＝1；m相2m拍时，k＝2，依此类推。例如，三相三拍，z＝40时，α＝360°/(3×40×1)＝3°。 • 静态步距误差：在空载情况下，理论的步距角与实际的步距角之差，以分表示，一般在10′之内。 • 步距误差主要由步进电机步距制造误差，定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成。

19. （2）静态转矩与矩角特性 • 静态转矩：当步进电机某相通电时，转子处于不动状态，此时在电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（失调角），此时转子所受的电磁转矩M即为静态转矩。 • 矩角特性：静态转矩M与θ的关系。

20. （3）启动频率 • 启动频率：空载时，步进电机由静止状态突然启动，并进入不丢步的正常运行的最高频率。 • 步进电机带负载下的启动频率要比空载启动频率低，并随负载增加而进一步降低。 （4）连续运行的最高工作频率 • 最高工作频率：步进电机启动后，保证连续不丢步运行的最高工作频率。 • 决定了定子绕组通电状态下最高变化的频率，即决定了步进电机的最高转速。 （5）加减速特性 • 加减速特性：步进电机由静止刀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。

21. （6）矩频特性与动态转矩 • 矩频特性：描述步进电机连续稳定运行时输出转矩M与连续运行频率f之间的关系。 • 动态转矩：矩频特性曲线上每个频率对应的转矩。 • 步进电机正常运行时，动态转矩随连续运行频率的上升而下降。

22. 7.2.2 步进电机的驱动控制器 • 功能：将具有一定频率f、一定数量N和方向的进给脉冲转换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变化频率、变化次数和通断电顺序。 • 驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成。

23. 1. 环形脉冲分配器 • 功能：将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强电）。即将数控装置的插补脉冲，按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端，以控制励磁绕组的通、断电。 • 分类：硬件环形分配器和软件环形分配器。 • 硬件环形分配器：步进电机驱动装置本身带有环形分配器。 • 软件环形分配器：驱动装置本身无环形分配器，环形分配需要软件完成。。

24. 硬件环形分配器 • 输入、输出信号一般为TTL电平，输出信号A、B、C为高电平时表示相应绕组通电，低电平时表示相应绕组失电。 • CLK为数控装置发出的脉冲信号，每个脉冲信号的上升或下降沿到来时，输出改变一次绕组的通电状态。 • DIR为数控装置发出的方向信号，其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变，即步进电机的正、反转。 • FULL/HALF控制电机的整步或半步。

25. 三相六拍环形脉冲分配器原理图

26. 软件环形脉冲分配器 • 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法、比较法、移位寄存器法等。 • 如图所示，8031单片机的P1口的三个引脚经过光电隔离、功率放大后分别与电机的A、B、C连接。 • 采用三相六拍方式时，电机正转的通电顺序为A－>AB－>B－>BC－>C－>CA－>A－>····。 • 电机反转的通电顺序为A－>AC－>C－>CB－>B－>BA－>A－>····。

27. 2. 功率放大器 • 功能：将环形分配器输出的脉冲信号放大，以用足够的功率来驱动步进电机。 （1）单电压功率放大器

28. （2）高低电压功率放大器

29. （3）斩波恒流功率放大器

30. （4）调频调压功率放大器

31. 7.2.3 提高步进伺服系统精度的措施 1. 传动间隙补偿 • 提高机床传动元件的齿轮、丝杠制造装配精度并采取消除传动间隙的措施，只能减少不能完全消除传动间隙。 • 机械传动链在改变运动或旋转方向时，最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用，造成步进电机的空走，而工作台无实际移动，从而产生传动误差。 • 补偿方法：先测出并存储间隙大小，接收反向位移指令时，先不向步进电机输出反向位移脉冲，而将间隙值转换为脉冲数N，驱动步进电机转动，越过传动间隙，然后按照指令脉冲动作。

32. 传动间隙补偿示意图

33. 2. 螺距误差补偿 • 传动链中滚珠丝杠螺距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度。 • 补偿方法：设置若干个补偿点，在每个补偿点测量并记录工作台位移误差，确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置。 • 设备运行时，工作台每经过一个补偿点，CNC系统就加入补偿量，补偿螺距误差。

34. 3. 细分线路 • 细分驱动：将一个步距角细分为若干步的驱动方法。

35. 7.3 直流伺服电机与速度控制 7.3.1 直流伺服电机 1. 直流伺服电机的类型 • 按电枢的结构和形状分：平滑电枢型、空心电枢型和有槽电枢型等。 • 按定子磁场产生方式分：永磁式和他励式。 • 按转子转动惯量大小分：大惯量、中惯量和小惯量伺服电机。 2. 直流伺服电机的结构 （1）定子：产生定子磁极磁场。 （2）转子：表面嵌有线圈，通直流电时，在定子磁场作用下产生带负载旋转的电磁转矩。 （3）电刷与换向片：为使产生的电磁转矩保持恒定的方向，保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转，将电刷与外加直流电源连接，换向片与电枢线圈连接。

36. 3. 直流伺服电机的工作原理 （1）永磁式直流电机工作原理 • 直流电压加在A、B两电刷之间，电流从A流入，从B流出，导体ab和cd受到逆时针方向作用力，转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转。 • 当电枢转过90°，电枢线圈处于磁极的中性面，电刷与换向片断开，无电磁转矩作用。 • 在惯性作用下，电枢继续转动一个角度，当电刷与换向片再次接触时，导体ab和cd交换了位置，ab和cd中的电流也发生改变，从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变，因此，电枢可以连续转动。

37. （2）他励式直流电机工作原理 • 定子上有磁励绕住和补偿绕组，转子绕组通过电刷供电。 • 转子磁场与定子磁场始终正交，产生转矩，转子旋转。

38. 7.3.2 直流进给速度控制单元 • 直流电机地机械特性公式 • 公式中，n为电机转速，Ua为电枢外加电压，Ce为反电动势常数，Φ为电机磁通量，Ra为电枢电阻，Cm为转矩常数，M为电磁转矩。 • 直流电机的三种调速方法。 • 改变电枢外加电压Ua。该方法可以得到调速范围较宽的恒转矩特性，机械特性好，适用于主轴驱动的低速段和进给驱动。 • 改变磁通量Φ。可得到恒功率特性，适用于主轴驱动的高速段，不适合于进给驱动。 • 改变电枢电路的电阻Ra。该方法得到的机械特性较软，不能实现无级调速，也不适合于数控机床。

39. 1. 晶闸管直流调速系统 • 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路。 • 两组正负对接的晶闸管，一组用于提供正向电压，供电机正转。 • 一组提供反向电压，供电机反转。 • 通过对12个晶闸管触发延迟角的控制，达到控制电机电枢电压，从而对电机进行调速。

40. 双环调度系统 • 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的PI调节器。 • 速度环起主导作用，电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流。

41. 2. 晶体管脉宽调制（PWM）直流调速系统 （1）PWM系统的组成及工作原理 • 脉宽调制：使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出，从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲。 • 脉宽连续变化，使得电枢电压平均值连续变化，进而导致电机转速连续变化。

42. 2. 脉宽调制器

43. 7.4 交流伺服电机与速度控制 7.4.1 交流伺服电机 1. 交流伺服电机的类型 • 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 • 共同点：工作原理均由定子绕组产生旋转磁场使得转子跟随定子旋转磁场一起运转。 • 不同点：永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系，即电机的转速等于旋转磁场的同步转速；而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩，因此，电机的转速低于磁场同步转速，负载越大，转速差越大。

44. 工作原理：定子三相绕组接上电源后，产生一个旋转磁场，该旋转磁场以同步转速n0旋转；工作原理：定子三相绕组接上电源后，产生一个旋转磁场，该旋转磁场以同步转速n0旋转； • 定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引，并带动转子以同步转速n0一起旋转； • 当转子轴上加有负载转矩后，造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合，相差一个θ角，负载转矩发生变化时θ角也发生变化。 • 只要不超过一定限度，转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速n0旋转。 2. 永磁交流伺服电机结构与工作原理 • 电机结构：由定子、转子和检测元件组成，其中 • 1－定子；2－转子；3－压板；4－定子三相绕组； • 5－脉冲编码器；6－接线盒。

45. 7.4.2 交流进给速度控制单元 • 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速：n=n0=60f/p; 异步型交流伺服电机的转速：n=(60f/p)（1-s）. • 电机调速的三种方法： （1）改变磁极对数P：有级调速方法，通过对定子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现。 （2）改变转差率s：只适合于异步型交流电机的调速。 （3）变频调速：通过改变电机电源的频率f而改变电机的转速。

46. 2. SPWM变频调速 （1）SPWM调制原理 （2）SPWM变频器的功率放大电路 （3）SPWM变频调速系统 • 速度给定器：给定信号，控制频率、电压及正反转。 • 平稳启动回路：使启动加、减速时间可随机械负载设定，以达到软启动的目的。 • 函数发生器：在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定，补偿定子电压降的影响。

47. 电压频率变压器：将电压转换为频率，经分频器、环形计数器产生方波，和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路。电压频率变压器：将电压转换为频率，经分频器、环形计数器产生方波，和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路。 • 电压调节器：产生频率和幅度可调的控制正弦波，送入调制回路，送入调制回路，在调制回路中进行SPWM变换，产生三相的脉冲宽度调制信号。在基极回路中输出信号至功率晶体管基极，即对SPWM的主回路进行控制，实现对永磁交流伺服电机的变频调速。 • 电流检测器：过载保护。

48. 7.5 直线电机伺服系统 • 与传统数控机床进给系统中的“旋转伺服电机＋滚珠丝杠”不同，直线电机直接驱动机床工作台，取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节。 7.5.1 直线电机 • 分为交流和直流两种，交流直线电机又分为感应异步式和永磁同步式。 • 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖开，并将定子、转子圆周展开为平面和进行一些演变形成。

49. 感应异步式直线电机演变过程

50. 永磁同步式直线电机演变过程