伺服系统基本概述

通过以前的相关知识 我们知道数控机床由四个基本部分组成 即控制介质 数控装置 或计算机 伺服系统和机床本体 其中伺服系统是数控系统的执行部件 是数控机床的重要组成部分 产生进给脉冲的数控装置是否能够以足够高的速度与精度进行计算 关键在于数控伺服系统能以多高的速度与精度去执行 如果说整个系统的可靠性主要取决于数控装置的话 那么 驱动系统的性能 在较大程度上决定了现代数控机床的性能 数控机床的最大移动速度 定位精度等指标主要取决于驱动系统及CNC位置控制部分的动态和静态性能 另外 对某些加工中心而言 刀库驱动也可认为是数控机床的某一伺服轴 用以控制刀库中刀具的定位 当然 伺服系统的可靠性也很重要 因为随着微机可靠性的提高 故障主要来自伺服系统 数控机床的驱动系统主要有两种 进给驱动系统和主轴驱动系统 从作用看 前者是控制机床各坐标的进给运动 后者是控制机床主轴旋转运动 概述 不论是进给驱动系统还是主轴驱动系统 从电气控制原理来分都可分为直流和交流驱动 直流驱动系统在20世纪70年代初至80年代中期在数控机床上占据主导地位 这是由于直流电动机 特点 具有良好的调速性能 输出力矩大 过载能力强 精度高 控制原理简单 易于调整 随着微电子技术的迅速发展 加之交流伺服电动机材料 结构及控制理论有了突破性的进展 80年代初期推出了交流驱动系统 标志着新一代驱动系统的开始 由于交流驱动系统 特点 保持了直流驱动系统的优越性 而且交流电动机无需维护 交流伺服比直流伺服一个显著的优点就是没有电剧及整流子 这样 它的磨损部件减少 也减少了维修工作量 便于制造 不受恶劣环境影响 所以目前直流驱动系统已逐步被交流驱动系统所取代 从90年代开始 交流伺服驱动系统已走向数字化 驱动系统中的电流环 速度环的反馈控制已全部数字化 系统的控制模型和动态补偿均由高速微处理器实时处理 增强了系统自诊断能力 提高了系统的快速性和精度 伺服概念 这是英文servo的谐音 念起来与外文的伺服发音差不多 但伺服这个字就是 侍候 就是非常听话 让走到哪 就走到哪 在数控机床中 由计算机发出指令脉冲 让哪一个驱动电动机拖着工作台动 这一台电动机就动 而且这台电动机的运动速度 运动的距离 完全按着计算机的指令行事 非常准确无误地完成指令要求的任务 很显然 伺服系统所以能作到这一点 也是非常不容易的 因为电动机拖着一个重量很重的工作台 而且摩擦力随着季节 新旧程度 润滑状态等因素而变化 控制了一个稳定速度 精确定位 可以想象其难度之大 但是随着科学技术的进步 人们不断从生产实践中总结经验 一步一步找到了好的控制办法 这就是三环结构 三环结构如图4 1所示 这三个环就是位置环 速度环 电流环 1 位置环也称为外环 其输人信号是计算机给出的指令和位置检侧器反馈的位置信号 这个反馈是负反馈 也就是说与指令信号相位相反 指令信号是向位置环送去加数 而反馈信号是送去减数 位置环的输出就是速度环的输人 2 速度环也称为中环 这个环是一个非常重要的环 它的输人信号有两个 一个是位置环的输出 做为速度环的指令信号送给速度环 另一个由电动机带动的测速发电机经反馈网络处理后的信息 做为负反馈送给速度环 速度环的两个输人信号也是反相的 一个是加 一个是减 速度环的翰出就是电流环的指令输人信号 3 电流环也叫做内环 电流环也有两个输人信号 一个是速度环抽出的指令信号 另一个经电流互感器 并经处理后得到的电流信号 它代表电动机电枢回路的电流 它送人电流环也是负反馈 电流环的输出是一个电压模拟信号 用它来控制PWM电路 产生相应的占空比信号去触发功率变换单元电路 使电动机获得一个与计算机指令相关的 并与电动机位置 速度 电流相关的运行状态 这个运行状态满足计算机指令的要求 这三个环都是调节器 其中有时采用比例调节器 有时采用比例积分调节器 有时还要用比例积分微分调节器关于位置反馈网络 速度反馈网络 电流反馈网络到底是什么样子可以这么说 有时是非常简单的一个电位器 或者是一个滤波电路 但有时确实是一个复杂的逻辑关系 在这里不做详细的叙述 伺服系统的控制方式 a 开环控制 b 半闭环控制 c 全闭环控制 一 数控机床对伺服驱动系统的要求数控机床的伺服系统包括进给伺服驱动系统和主轴伺服驱动系统两部分 根据数控系统 CNC 发出的动作指令 伺服系统准确 快速地完成各坐标轴的进给运动 与主轴驱动相配合 实现对工件的高精度加工 因此 伺服驱动系统是数控机床的一个重要的组成部分 其性能的优劣 直接影响零件的加工质量和生产效率 此外 它的价格 在整个数控机床的成本构成中也占有相当大的份额 一个多功能的高性能数控系统必须配置与之相适应的高性能伺服驱动系统 才能充分发挥出整个数控机床的性能 不同类型的数控机床 对伺服系统的要求也不尽相同 同一数控机床的主轴驱动与进给驱动对伺服系统的要求也有很大差别 归根到底 数控机床对伺服控制的要求 与任何系统对伺服控制的要求一样 包括精度 快速性与稳定性三个方面 数控机床的精度 除了受到机械传动系统精度的影响之外 主要取决于伺服系统的调速范围的大小和伺服系统最小分辨率精度 高精度的机床为了保证尺寸精度和表面粗糙度的水平 数控机床的进给系统 实际上是一个位置随动系统 同任何一个位置随动系统一样 当指令位移以某一速度变化时 实际位移必须比指令位移滞后 这就是所谓跟随误差 当数控机床的各坐标轴以不同的速度和不同的方向同时位移时 跟随误差就会造成加工尺寸和形状的误差 切削进给的速度越快 跟随误差对精度的影响就越大 提高伺服系统响应的快速性 是减小跟随误差 提高进给速度的根本措施 但伺服系统的响应速度并不是可以无限制提高的 并且任何的提高都要以成本的上升为代价 所以对伺服系统的响应速度的要求要限制在一个合理的范围之内 在一般情况下 数控机床的进给响应时间应该在2mm以内 稳定是对伺服系统的最基本的要求 数控机床的工作台上 往往需要安装卡具和工件 从面使伺服系统的负载惯量发生变化 为此要求伺服系统必须具有一定稳定裕量 以保证当工件重在一定范围内变化时 不因发生振荡而影响加工精度 1 精度高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 2 稳定性好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 3 快速响应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 4 调速范围宽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 5 低速大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 对伺服电机的要求 1 调运范围宽且有良好的稳定性 低速时的速度平稳性 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 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 开环数控系统没有位置测量装置 信号流是单向的 数控装置 进给系统 故系统稳定性好 无位置反馈 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 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件 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 半闭环数控系统半闭环数控系统的位置采样点如图所示 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 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 全闭环数控系统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 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 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 2 按使用的执行元件分类 1 电液伺服系统电液脉冲马达和电液伺服马达 优点 在低速下可以得到很高的输出力矩 刚性好 时间常数小 反应快和速度平稳 缺点 液压系统需要供油系统 体积大 噪声 漏油 2 电气伺服系统伺服电机 步进电机 直流电机和交流电机 优点 操作维护方便 可靠性高 1 直流伺服系统进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机 主运动系统采用他激直流伺服电机 优点 调速性能好 缺点 有电刷 速度不高 2 交流伺服系统交流感应异步伺服电机 一般用于主轴伺服系统 和永磁同步伺服电机 一般用于进给伺服系统 优点 结构简单 不需维护 适合于在恶劣环境下工作 动态响应好 转速高和容量大 3 按被控对象分类 1 进给伺服系统指一般概念的位置伺服系统 包括速度控制环和位置控制环 2 主轴伺服系统只是一个速度控制系统 C轴控制功能 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 伺服系统的组成及工作原理伺服系统概念 位置及作用在自动控制系统中 把输出量能够以一定准确度跟随输人量的变化而变化的系统称之为随动系统 亦称伺服系统或拖动系统 数控机床的伺服系统是指以机床移动部件的位移和速度作为控制量的自动控制系统 数控机床的伺服系统主要是控制机床的进给运动和主轴转速 数控机床的伺服系统是机床主体和数控装置 CNC 的联系环节 是数控机床的重要组成部分 是关键部件 故称伺服系统为数控机床的三大组成部分之一 伺服系统的作用 它接受来自数控装置 CNC系统 的指令信号 经过放大和转换 驱动机床执行件跟随指令脉冲运动 实现预期的运动 并保证动作的快速和准确 伺服系统的性能 在很大程度上决定了数控