第6开环伺服系统

1、一、一、 伺服系统的组成伺服系统的组成 数控机床的伺服系统按其功能可分为：进给伺服系统和主轴伺服系统。 主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动。 进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。 进给伺服系统的作用：接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。 数控机床的进给伺服系统能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定规律运动所合

2、成的运动轨迹。 如果把数控装置比作数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，那么伺服系统就是数控机床的“四肢”，是执行“命令”的机构，它是一个不折不扣的跟随者。图6-1 闭环进给伺服系统结构位置控制模块速度控制单元伺 服 电机 工作台 位置检测测量反馈 伺服驱动装置速度环速度检测位置环 数控机床闭环进给系统的一般结构如图，这是一个双闭环系统，内环为速度环，外环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速度控制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度控制系统的核心。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由cnc装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及

3、反馈控制等部分组成。 由速度检测装置提供速度反馈值的速度环控制在进给驱动装置内完成，而装在电动机轴上或机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈值构成的位置环由数控装置来完成。伺服系统从外部来看，是一个以位置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控制系统。但从内部的实际工作来看，它是先把位置控制指令转换成相应的速度信号后，通过调速系统驱动伺服电机，才实现实际位移的。二、对伺服系统的基本要求二、对伺服系统的基本要求l伺服驱动系统的选用伺服驱动系统的选用l1）精度要求：定位精度、重复定位精度、加工精度）精度要求：定位精度、重复定位精度、加工精度l2）稳定性：达到平衡状态的能力）稳定性：达到平衡状态的能力l

4、3）响应速度：跟踪指令信号的速度）响应速度：跟踪指令信号的速度l4）调速范围：最高转速与最低转速之比）调速范围：最高转速与最低转速之比rn=nmax/nminl5）低速转距特性）低速转距特性:低速时转距输出能力低速时转距输出能力l关于定位精度和重复定位精度关于定位精度和重复定位精度l 定位精度：移动件到达指令位置的准确度定位精度：移动件到达指令位置的准确度l 重复定位精度：移动件在任意定位点的定位一致性重复定位精度：移动件在任意定位点的定位一致性l一、组成一、组成 伺服驱动单元、执行元件、传动机构伺服驱动单元、执行元件、传动机构 二、步进电机二、步进电机将将电脉冲电脉冲转变成转变成机械角位移机

5、械角位移的装置的装置 第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统 cnc步进电机步进电机 驱动放大驱动放大 工作台工作台 1.1.分类分类第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统v按按输出转矩输出转矩分：分： 伺服伺服步进电机步进电机、功率功率 步进电机。步进电机。 v按按励磁相数励磁相数分：分： 三相三相、六相六相、五相五相、六相六相、八相八相 等等 v按按工作原理工作原理分：分： 反应式反应式、激磁式激磁式、混合式混合式（永磁反应式永磁反应式） 2.2.步进电机的结构步进电机的结构第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统v步进电机由步进电机由转子转子和和定子定子两部分组成两部分组成定子定子上有绕组

6、分为上有绕组分为若干相若干相，每相每相磁极上有磁极上有极齿极齿。左图为左图为三相三相定子：定子：aa,bb,cca、b、c三相每相两极，三相每相两极，每极上五个齿每极上五个齿1) 定子定子五个极齿五个极齿2.2.步进电机的结构步进电机的结构第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统定子上线圈的绕法定子上线圈的绕法a相a相b相b相c相c相2.2.步进电机的结构步进电机的结构2) 转子转子第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统转子转子上有上有均匀分布均匀分布的的齿，没有绕组。齿，没有绕组。转子齿转子齿间夹角为间夹角为9o左图为一转子示意图：左图为一转子示意图：以以四十齿四十齿为例来说明为例来说明步进电

7、机的原理步进电机的原理第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统4.4.工作原理工作原理a a相相转转 子子9 9o ob b相相转转 子子3 3o oc c相相转转子子6 6o o如果如果a相通电则转子齿与相通电则转子齿与a相极齿对齐，这时在相极齿对齐，这时在

8、b相两极下相两极下定子齿与转子齿中心线并不对齐，而是转子齿中心线较定定子齿与转子齿中心线并不对齐，而是转子齿中心线较定子齿中心线反时针方向子齿中心线反时针方向落后落后1/3齿齿距，即距，即3o。因此，当通电状态由因此，当通电状态由a相变为相变为b相时，转子顺时针方向相时，转子顺时针方向转过转过3o，c相通电再转相通电再转3o。c相下，转子齿超前相下，转子齿超前6o。第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统4.4.工作原理工作原理第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统三拍三拍通电激磁，步距角通电激磁，步距角= = 3= 3o o3 4 40 00631 . . 一般一般 =m绕组相数；绕组相数；z

9、转子齿数，单拍转子齿数，单拍k=1,双拍双拍k=2。mzk063六拍六拍通电激磁，步距角通电激磁，步距角 = = 1.5o3 40402 . . 0634.4.工作原理工作原理第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统定子绕组定子绕组通断电顺序通断电顺序 转子转子转向转向 定子绕组定子绕组通断电转换频率通断电转换频率 转子转子转速转速 定子绕组定子绕组通断电次数通断电次数 转子转子转角转角 三相单三拍三相单三拍 a b c a a b c a （k=1k=1） 三相双三拍三相双三拍 ab bc ca ab ab bc ca ab （k=1k=1） 三相六拍三相六拍 a ab b bc c ca a

10、 a ab b bc c ca a （k=2k=2） v 通断电方式通断电方式5 5. .主要控制特性主要控制特性第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统最高工作频率（最高工作频率（f fmaxmax） 加减速特性加减速特性 矩频特性矩频特性 启动频率（启动频率（f fstst） 步距角（步距角（）及步距误差及步距误差 静态转矩与矩角特性静态转矩与矩角特性最大启动转矩最大启动转矩mq1) 1) 步距角（步距角（）及步距误差及步距误差 步距角步距角是两个是两个相临脉冲时间相临脉冲时间内内转子转子转过的角度转过的角度, ,一般来一般来说说步距角越小步距角越小, ,控制越精确。控制越精确。 第六章第六

11、章 伺服驱动系统伺服驱动系统5 5. .主要控制特性主要控制特性步距误差步距误差直接影响执行部件的直接影响执行部件的定位精度定位精度. .步进电动机单相通电时步进电动机单相通电时, ,步距误差步距误差取决于取决于定子和转子定子和转子的的分齿分齿精度精度, ,和各相定子和各相定子错位角度的精度错位角度的精度。多相通电时多相通电时, ,其不仅与上述因素有关其不仅与上述因素有关, ,还和还和各相电流大小各相电流大小, ,磁磁路性能路性能有关。有关。 2）静态转矩与矩角特性静态转矩与矩角特性 当步进电机上某相定子绕组通电之后，转子齿将力求与定子齿对齐，当步进电机上某相定子绕组通电之后，转子齿将力求与定

12、子齿对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（0）。）。如果在电机轴上外如果在电机轴上外加一个负载转矩加一个负载转矩mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度，角度角度称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角的关系叫矩的关系叫矩角特性，如图角特性，如图6-6所示，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值所示

13、，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（0）。）。第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统 o mjmax m 静态稳定区 - -/2 /2 图6-6 静态矩角特性3）最大启动转矩mq 图6-7为三相单三拍矩角特性曲线，图中的a、b分别是相邻a相和b相的静态矩角特性曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电机的最大启动转矩mq 。如果外加负载转矩大于mq ，电机就不能启动。如图6-7所示,当a相通电

14、时，若外加负载转矩ma mq ，对应的失调角为a ，当励磁电流由a相切换到b相时，对应角b ，b相的静转矩为mb。从图中看出mb mq,电机不能带动负载做步进运动，因而启动转矩是电机能带动负载转动的极限转矩。 ba b c图6-6 三相单三拍步进电机的启动转矩mbmqmama4 4）最高启动频率）最高启动频率第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统空载时空载时，步进电机由，步进电机由静止突然启动静止突然启动，并，并不失步不失步的进入稳速运行，的进入稳速运行，所允许的所允许的启动频率的最高值启动频率的最高值为为最高启动频率最高启动频率. .启动时频率启动时频率大于最高启动频率时步进电机不能正常工作

15、，大于最高启动频率时步进电机不能正常工作，最高最高启动频率启动频率与步进电机的与步进电机的惯性负载有关惯性负载有关. .5 5）最高工作频率）最高工作频率步进电机工作频率连续上升时，电动机不失步运行的最步进电机工作频率连续上升时，电动机不失步运行的最高频率称为高频率称为最高工作频率最高工作频率。它的值也和它的值也和负载负载有关。很显然，在同样负载下，有关。很显然，在同样负载下，最高工最高工作频率远大于启动频率作频率远大于启动频率. .第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统在在连续运行状态连续运行状态下，步进电机的下，步进电机的电磁力矩电磁力矩随随频率频率的的升高升高而而急剧下降急剧下降，这两者

16、的关系称为，这两者的关系称为矩频特性矩频特性. .6 6）矩频特性）矩频特性md / nmmd / nmf /hzf /hz16*100016*10000 01 12 23 34 44 48 812127)加减速特性加减速特性 步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率步进电机的加减速特性是描述步进电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变化频率与时间的关系. 当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频率时，变化速度当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升必须

17、逐渐上升 同样同样,当要求步进电机从最高工作频率或高于突跳频率的工作当要求步进电机从最高工作频率或高于突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降频率停止时，变化速度必须逐渐下降 逐渐上升或下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会逐渐上升或下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会出现失步或超步出现失步或超步一般用加速时间常数一般用加速时间常数ta和减速时间常数和减速时间常数td来来描描述步进电机的升速和降述步进电机的升速和降速特性速特性第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统l步进电机转子有80个齿，采用三相六拍驱动方式，经丝杠螺母传动副驱动工作台做直线运动，丝杠的导程为5mm，工作台移动最大

18、速度为6mm/s。求：l(1)步进电机的步距角=？l(2)工作点的脉冲当量？l(3)步进电机的最高工作频率？l解：(1) l(2) 丝杠导程步距角/360 =50.75/360=0.01(mm/脉冲)l(3) 75. 08023360360mkz)(60001. 0/6/hzvf6.6.步进电机的选择步进电机的选择第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统1)1)步进电机选择原则：步进电机选择原则： 步矩角步矩角 与机械系统相匹配，以得到系统所需的与机械系统相匹配，以得到系统所需的 保证电机保证电机输出转矩输出转矩，大于负载所需转矩，大于负载所需转矩 能与机械系统的负载能与机械系统的负载惯量相匹配

19、惯量相匹配 为使电机具有良好的为使电机具有良好的起动起动性能及较快的性能及较快的响应响应速度速度 推荐推荐 j jleqleq/jm/jm=40或r50时为反； r7：tab数据表指针。 以上参数在主程序中给定。l出口：r7：子程序结束时电动机的状态，供下次调用时参考。l源程序如下：lsbu1： mov dptr，#tabl ajmp redo ；转移去判断正反转ldriver： mov，r7 ；驱动步进电动机l mov a，a+dptrl mov p1，al acall delay ；调延时子程序 l djnz r6，redo ；距离不为0转移 l mov r7，a ；为0保存指针后返回l

20、retlredo： cjne r5，#00，non ；如为反转则转移l cjne r7，#05，l1 ；正转：指针不到数组尾转移l mov r7，#00h ；否则指针清零l ajmp driverll1： inc r7 ；指针加1l ajmp driverlnon： cjne r7，#00h，l2 ；反转：指针不在数组首转移l mov r7，#05h ；否则指针置5l ajmp driverll2： dec r7 ；指针减1ltab： db 01h，03h，02h，06h，04h，05hl这里省略了延时子程序，通过改变延时时间的长短来控制电动机的速度。在以计算机为控制核心的经济型数控机床中采用

21、软件进行脉冲分配已形成趋势。虽然软件脉冲分配增加了编程的复杂程度，但它省去了环形脉冲分配器，系统减少了器件，降低了成本，也提高了系统的可靠性。 （二）步进电机驱动电源（二）步进电机驱动电源第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统1对驱动电源的要求对驱动电源的要求 实际上，步进电机是实际上，步进电机是感性负载感性负载，绕组中电流绕组中电流不能突变不能突变，而是按，而是按指数规律指数规律上升或下降上升或下降, ,从而使整个从而使整个通电周期内，绕组通电周期内，绕组电流平均值电流平均值下降，下降，电机电机输出转矩下降输出转矩下降。 理想理想驱动电源使电机驱动电源使电机绕组电流绕组电流 尽量接近尽量接近

22、矩形波矩形波。 而当电机而当电机运行频率很高运行频率很高时，电流峰值时，电流峰值显著小于显著小于额定额定励磁电流，从而导致电机励磁电流，从而导致电机转矩进一步下降，严重时不能启动。转矩进一步下降，严重时不能启动。 第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统 上升时电流时间常数上升时电流时间常数 ti = l/r l步进电机绕组平均电感量步进电机绕组平均电感量 r通电回路电阻，包括：通电回路电阻，包括： 绕组内阻绕组内阻、功率放大器、功率放大器输出级内阻输出级内阻、串联电阻串联电阻 下降时电流时间常数下降时电流时间常数 td = l/rd rd放大回路电阻放大回路电阻 为了提高步进电机动态特性，必须

23、改善电流波形，为了提高步进电机动态特性，必须改善电流波形，使前后沿陡度增大，方法有：使前后沿陡度增大，方法有： 1) 电阻法电阻法第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统 从从 t ti i=l/r =l/r 知，为知，为 ， 可可 r r，故可在进电机绕组回路中故可在进电机绕组回路中串联串联一个电阻一个电阻roro此时，此时， t ti i = l/( r+= l/( r+r r0 0 ) ) 特点：特点：线路简单，但线路简单，但 r ro o ( ( 10 10)上消耗一定功率，上消耗一定功率，发热量大发热量大，也降低了放大器的，也降低了放大器的效率效率，只，只适于小功率适于小功率步进电机。

24、步进电机。 2) 电压法电压法 第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统 电感绕组通电状态时，绕组上电流为电感绕组通电状态时，绕组上电流为 im=(e/r) (1-e-t/ti ) e电源电压电源电压 电流增长率为电流增长率为 de/dt= im=(e/r) (1-e-t/ti )可见，增大电源电压可以有效地改善电流上升陡度可见，增大电源电压可以有效地改善电流上升陡度 特点：特点：线路复杂线路复杂，需采用双电源，但，需采用双电源，但效率较高效率较高，效果好，效果好，适于适于中小型功率中小型功率步进电机。步进电机。 2单电压型驱动电源单电压型驱动电源第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统 电容电容

25、c: 在接通瞬间短接在接通瞬间短接r r 电流由电流由 elct1 故故c c称称 加速电容加速电容 电阻电阻rc: 在电流达到在电流达到恒定后恒定后还起还起限流作用限流作用， 改变了时间常数改变了时间常数 ，提高了响，提高了响 应速度，此时电流由应速度，此时电流由 elrct1 输入脉冲为输入脉冲为“0 0”时，时，t1t1截止截止，il=0 输入脉冲为输入脉冲为“1 1”时，时，t1t1导通导通 ralclrrrcrl第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统 输入输入脉冲消失脉冲消失后，后，t t1 1截止，截止， l l两端将产生一感应电压。两端将产生一感应电压。 v=l(di/dt)，由

26、于由于t t1 1关断时间关断时间dtdt很短，很短，故故感应电压感应电压u u很大，将击穿晶体管，很大，将击穿晶体管，为此增加二极管为此增加二极管 d d 续流续流，续流电流，续流电流: : lrcdl 2单电压型驱动电源单电压型驱动电源rc第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统 而而t2t2在在高压控制电路高压控制电路下下导通导通 时间时间t t1 1较短较短 (100-600 (100-600 s) s) 绕组在绕组在高压高压 eheh下电流下电流 迅速增大迅速增大至至额定值额定值， 此时此时低压低压 elel无效无效。3高低压双压型驱动电源高低压双压型驱动电源 输入脉冲信号为输入脉冲信

27、号为“0”“0”时，时， t1t1、t2t2均截止，均截止，i il l=0=0 输入信号为输入信号为“1”“1”时，时，t1t1 导导通通 t t1 1之后之后，t2t2截止截止，低压供压低压供压，维持维持绕组所需的绕组所需的额定电流额定电流ieieehel第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统 输入脉冲输入脉冲信号消失信号消失( (为为“0”)“0”)， t1t1、t2t2均截止均截止， l l上电流经上电流经放电回路放电回路： lrod2eheld1l 迅速下降迅速下降 eh供电，励磁电流供电，励磁电流前沿电流前沿电流 ip=eh/(r+r0)(1-e-t/ti ) 由此计算由此计算t1

28、 t1=t/n eh/eh+ in (r+r0)in要求高压通电，要求高压通电， 电流达到的数值电流达到的数值3高低压双压型驱动电源高低压双压型驱动电源ehel第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统1)1) 绕组上电流绕组上电流i il l 随外加电压随外加电压( (e eh h、e el l) )变化而变化变化而变化， 当外加电压变化时，电机特性变差，工作不稳定当外加电压变化时，电机特性变差，工作不稳定 2) 绕组电流绕组电流波形下凹波形下凹， 使电机使电机输出转矩降低输出转矩降低 3) r r的存在使的存在使效率降低效率降低 eh eleh el存在的问题：存在的问题：4电流斩波型电流斩波

29、型第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统 在绕组回路中在绕组回路中串接电流检测电路：串接电流检测电路： 当绕组电流当绕组电流下降至一定下降至一定下限下限时，时， 由检测电路发生信号、控制由检测电路发生信号、控制 高压管高压管再度接通再度接通，使绕组，使绕组 电流回升电流回升； 当电流当电流增至某一增至某一上限上限时，时，再次再次断开断开高压源高压源。特点：特点：结构复杂、响应速度快、驱动能力强、功耗低、噪声大。应用：应用：大（中）型功率步进电机的驱动第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统5细分驱动电源细分驱动电源 第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统若励磁电流若励磁电流以方波以方波达到额定值

30、，则转子转过达到额定值，则转子转过一个步距角一个步距角；而若励磁电流以而若励磁电流以若干级若干级上升上升到额定值，则转子以到额定值，则转子以同样同样的的若干级若干级转过一个步距角，即可使步进电机步距变小。转过一个步距角，即可使步进电机步距变小。 细分即使电机通电电流由细分即使电机通电电流由矩形波矩形波转变为转变为阶梯波阶梯波，即使励磁，即使励磁电流以电流以若干个等幅、等宽若干个等幅、等宽的阶梯上升到额定值，并以同样的阶梯上升到额定值，并以同样的阶梯从额定值下降到零。的阶梯从额定值下降到零。 细分技术的关键是如何获得阶梯波。下面介绍应用单片机细分技术的关键是如何获得阶梯波。下面介绍应用单片机进行

31、细分驱动的技术。进行细分驱动的技术。 步进电机细分驱动： 切换时，绕组电流并非全部切除或通入，只改变额定值的一部分（如1/4)，转子也只转动步距角的一部分（如1/4)。第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统四、提高步进电机伺服系统精度的措施l存在的问题：无位移检测元件，定位精度主要取决于传动精度l改善措施1.反向间隙补偿：在换向时通过附加脉冲进行补偿2.螺距误差补偿：采用机械样板或附加脉冲进行补偿3.反馈补偿：通过检测器进行系统误差检测，周期性周期性地发出补偿脉冲。第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统步进电机步进电机第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统步进电机功率驱动器步进电机功率驱动器第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统步进电机功率驱动器步进电机功率驱动器4.4. 步距角越小，意味着它所能达到的步距角越小，意味着它所能达到的位置精度位置精度越越 ；1.1. 步进电机的步进电机的步距角步距角计算公式为计算公式为 ；2.2. 齿距角齿距角的计算公式为的计算公式为 ；3.3. 一个齿距角的电角度是一个齿距角的电角度是 ；5.5. 一个步距角的一个步距角的电角度电角度是是 ；6.6. 在数控制机床中常采用的步距角是在数控制机床中常采用的步距角是 。 习 题 =360o