第六章伺服系统2(闭环)数控机床伺服系统

1、明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院第第6 6章章 数控机床伺服系统数控机床伺服系统6-3 6-3 闭环伺服控制原理与系统闭环伺服控制原理与系统 伺服电动机亦称执行电动机，它具有一种服从控制信号的要求而动作的职能，在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号消失，转子能及时自行停转。由于这种“伺服”的性能，因此而得名。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院全闭环数控系统从理论上讲，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

2、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。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院闭环伺服驱动系统一、闭环伺服驱动系统的执行元件 数控系统对执行元件（能量转换和信号转换）的要求： 功率比大（功率/加速度常数，代表加减速能力） 功率密度大（功率/质量） 优良的调速性能（低速大转矩) 便于维护，有足够的防护能力，有不同的传感器，散热性好 闭环执行元件：直流伺服电机闭环执行元件：直流伺服电机（在伺服系统中常用的直流伺服电机多为大功率直流伺服电机，如低惯量电机和宽调速电机） 和交流伺服电机。和交流伺服电机。明德明德 砺志

3、砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 一、闭环伺服驱动系统的执行元件 1. 直流伺服电机 数控机床用的一般是大功率的直流伺服电机，其工作原理与直流电机类似 。 低惯量直流伺服电机 结构特点：电枢铁芯无槽，电枢细长，气隙尺寸大等 宽调速直流力矩电机 结构特点：极对数和电枢导体数多，一般采用永磁体（他励式） 明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 交流伺服电机驱动是最新发展起来的新型伺服系统，也是当前机床进给驱动系统方面的一个新动向。该系统克服了直流驱动系统中电机电刷和整流子要经常维修、电机尺寸较大和使用环境受限制等缺点。它能在较宽的调速范围内产生理想的转矩，结构简单，运行可靠，用于数

4、控机床等进给驱动系统为精密位置控制。 明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院直流伺服电机及驱动直流伺服电机及驱动 直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，电磁力的大小正比于电机中的气隙磁场，直流电机的励磁绕组所建立的磁场是电机的主磁场，按对励磁绕组的励磁方式不同，直流电机可分为： 他激式、 并激式、 串激式、 复激式、 永磁式。永磁式。 20世纪8090年代中期，永磁式直流伺服电机在NC机床中广泛采用。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院直流伺服电机的特点过载倍数大，时间长； 具有大的转矩/惯量比，电机的加速大，响应快。低速转矩大，惯量大，可与丝杆直接相联，省去

5、了齿轮等传动机构。可提高了机床的加工精度。调速范围大，与高性能的速度控制单元组成速度控制系统时，调速范围超过1 2000。带有高精度的检测元件(包括速度和转子位置检测元件)； 电机允许温度可达150180，由于转子温度高，它可通过轴传到机械上去，这会影响机床的精度由于转子惯性较大，因此电源装置的容量以及机械传动件等的刚度都需相应增加。电刷、维护不便。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院直流伺服电机的特点 直流伺服电机种类繁多，但电机的只要技术参数和选用方法大同小异。 一般在电机的尾端按照用户要求配装测速发电机、旋转变压器或旋转脉冲编码器等检测元件，还可以安装电磁制动器作为断电以后

6、位置保持装置，内部还装有温度检测传感器。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 1 1直流伺服电机的结构直流伺服电机的结构极靴极靴机壳机壳瓦状永磁材料（定子）瓦状永磁材料（定子）电枢（转子）电枢（转子）换向极换向极主磁极主磁极定子定子转子转子线圈线圈永磁直流伺服电机的结构永磁直流伺服电机的结构 直流主轴电机结构示意图直流主轴电机结构示意图 明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 静态特性 电磁转矩由下式表示: KT 转矩常数； 磁场磁通；Ia 电枢电流；TM 电磁 转矩。电枢回路的电压平衡方程式为: Ua 电枢上的外加电压；Ra 电枢电阻；Ea 电枢反电势。 电枢反电势

7、与转速之间有以下关系： Ke电势常数；电机转速（角速度）。 根据以上各式可以求得： ） 2 一般一般直流电机的工作特性直流电机的工作特性 aTMIKT aaaaERIU eaKE M2TeaeaTKKRKU 明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 动态特性直流电机的动态力矩平衡方程式为 式中 TM 电机电磁转矩； TL 折算到电机轴上的负载转矩； 电机转子角速度； J 电机转子上总转动惯量； t 时间自变量。 2、一般、一般直流电机的工作特性直流电机的工作特性 dtdJTTLM 明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院二、直流进给运动的速度控制 1.、直流伺服电机的调速原

8、理 根据机械特性公式可知调速有二种方法:电枢电压Ua和气隙磁通 改变电枢外加电压Ua :由于绕组绝缘耐压的限制，调压只能在额定 转速以下进行。属于恒转矩调速。 改变气隙磁通量：改激磁电流即可改，在Ua恒定情况下，磁场接 近饱和，故只能弱磁调速，在额定转速以上进行。属于恒功率调速。 2.直流速度控制单元调速控方式 晶闸管（可控硅）调速系统 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统 0M2TeaeaTKKRKUnnTCCRCUn0M2Teaea 明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院(1)(1)晶闸管调速系统晶闸管调速系统1 1）系统的组成）系统的组成 包括 控制回路：速度环、电流环、触发脉冲

9、发生器等。 主回路： 可控硅整流放大器等。 速度环：速度调节（PI），作用：好的静态、动态特性。 电流环：电流调节(P或PI)。作用：加快响应、启动、低频稳定等。 触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。 可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。速度速度调节器调节器电流电流调节器调节器触发脉冲触发脉冲发生器发生器可控硅可控硅整流器整流器电流反馈电流反馈速度反馈速度反馈电流检测电流检测编码器编码器电机电机UR+-UfIfIR+-E1ES明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院原理：e)uacbcaba)b)c)d)135 tub246bcatttt1 1 3 3

10、 5 5 1 1 3 3 6 2 2 4 4 6 6 2 2 4 135246120120180601324606056 只要改变可控只要改变可控硅触发角（即改变硅触发角（即改变导通角），就能改导通角），就能改变可控硅的整流输变可控硅的整流输出电压，从而改变出电压，从而改变直流伺服电机的转直流伺服电机的转速。速。 触发脉冲提前触发脉冲提前来，增大整流输出来，增大整流输出电压；触发脉冲延电压；触发脉冲延后来，减小整流输后来，减小整流输出电压。出电压。主回路波形图主回路波形图明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院运算放大器的类型反向比例放大器 反向比例加法运算放大器 同向比例放大器 积

11、分运算放大器比例积分运算放大器： 比较器R3R3U1U2R1R2R3-+U1R1U2R2C-+U1U2R1R2R3C-+U1U2R1R2-+U3U2R4R2-+U1R1U1U2R2R1-+U2二个输入端的内阻非常大，不向运放内流电流，放大二个输入端的内阻非常大，不向运放内流电流，放大倍数非常大。同相端接地，电位为倍数非常大。同相端接地，电位为0，为实地；方反，为实地；方反向端电为也为向端电为也为0，虚地。，虚地。U2=-U1R3/R2明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 总结总结 速度控制的原理速度控制的原理 调速：当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器的 输入端，

12、产生前移的触发脉冲，可控硅整流器输出直流电压提高，电 机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定相匹配达到 新的平衡，电机以较高的转速运行。 干扰：假如系统受到外界干扰，如负载增加，电机转速下降，速度反 馈电压降低，则速度调节器的输入偏差信号增大，其输出信号也增大， 经电流调节器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使电机 转速恢复到干扰前的数值。 电网波动：电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流 作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电机 转速由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使电 流调节器的输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压

13、恢复到原来 值，从而抑制了主回路电流的变化。 启动、制动、加减速：电流调节器还能保证电机启动、制动时的大转 矩、加减速的良好动态性能。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院（2 2） 晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWMPWM）调速系统）调速系统1）系统的组成及特点速度调节器速度调节器电流调节器电流调节器脉宽调节脉宽调节振荡器振荡器脉宽调节脉宽调节MG电流反馈电流反馈Uusrus f整流整流功放功放明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院脉宽调制器的基本工作原理：利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，加到直流电机的电枢上。通过对方波脉冲宽度的控

14、制，改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 上图是PWM系统的工作原理图。设将图中的开关K周期地闭合、断开，开和关的周期是T。在一个周期内，闭合的时间为，断开的时间为T-。若外加电源的电压U是常数，则电源加到电机电枢上的电压波形将是一个方波列，其高度为U，宽度为，它的平均值 Ua为 式中的=T，称为导通率(占空比）。当T不变时，只要连续地改变 ，就可使电枢电压的平均值(即直流分量 )由0连续变化至U，从而连续地改变电机的转速。实际的PWM系统用大功率三极管代替开关K 。其开关频率是2000 Hz，即T=0.5ms 01TaUudtUUTT 明

15、德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 主回路： 大功率晶体管开关放大器； 功率整流器。 控制回路： 速度调节器；速度调节器； 电流调节器；电流调节器； 固定频率振荡器及三角波发生器；固定频率振荡器及三角波发生器； 脉宽调制器和基极驱动电路。脉宽调制器和基极驱动电路。 区别： 与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节 器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。 直流脉宽调制：功率放大器中的大功率晶体管工作在开功率放大器中的大功率晶体管工作在开 关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期关状态下，

16、开关频率保持恒定，用调整开关周期 内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度）内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度） 的方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制的方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制 脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用 则为波动很小的直流电压（平均电压）。则为波动很小的直流电压（平均电压）。 脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院直流脉宽调调制的基本原理周期不变周期不变周期不变周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压平均直流电压脉冲宽度正比代表速度脉冲宽度正比

17、代表速度F值的直流电压值的直流电压Ut明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院2 2） 脉宽调制器脉宽调制器ttU U +U S rU +U S rU S CU S CU S C+U S rooo-U S rtttt同向加法放大器电路图同向加法放大器电路图U S r 速度指令转化过速度指令转化过 来的直流电压来的直流电压U - - 三角波三角波USC- - 脉宽调制器的输脉宽调制器的输 出（出（ U S r +U ）调制波形图调制波形图R1+12VUSCR1R3R2+-12VU S rU -US r为为0时时调制出正负脉宽一样方波调制出正负脉宽一样方波平均电压为平均电压为0US r为

18、正时为正时US r为负时为负时调制出脉宽较宽的波形调制出脉宽较宽的波形平均电压为正平均电压为正调制出脉宽较窄的波形调制出脉宽较窄的波形平均电压为负平均电压为负明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院3 3） 开关功率放大器开关功率放大器主回路：可逆主回路：可逆H型双极式型双极式PWM 开关功率放大器开关功率放大器电路图电路图: 由四个大功率晶体管由四个大功率晶体管 （GTR）T 1 、T 2 、T 3 、T4 及四个续流二极管组成的桥及四个续流二极管组成的桥 式电路。式电路。H型：型： 又分为双极式、又分为双极式、单极式和受限单极式三单极式和受限单极式三种。种。Ub1、 Ub2、Ub

19、3、Ub4 为调制器输出，为调制器输出，经脉冲分配、基极驱动经脉冲分配、基极驱动转换过来的脉冲电压。转换过来的脉冲电压。分别加到分别加到T1 、T2、T3 、T4的基极。的基极。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS -USUdUABOtUb1Ub 4Ub2Ub3OOttt1Tidid1id2id1id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub 4Ub2、Ub 3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院工作原理：工作原理： T1 和和T4 同时导通和关断，其基极驱动电压同时导通和关断

20、，其基极驱动电压Ub1= Ub4。T2和和T3同同 时导通和关断，基极驱动电压时导通和关断，基极驱动电压Ub2= Ub3 = Ub1。以正脉冲较宽为例，。以正脉冲较宽为例， 既正转时。既正转时。负载较重时：负载较重时：电动状态：电动状态：当当 0t t1 时，时， Ub1、Ub4为正，为正， T1 和和T4 导通；导通；Ub2、Ub3 为负，为负， T2和和T3截止。电机端电压截止。电机端电压UAB=US，电枢电流电枢电流id= id1，由，由US T1 T4 地。地。续流维持电动状态：续流维持电动状态：在在 t1 t T 时，时， Ub1、Ub4为负，为负， T1 和和T4截止；截止； Ub

21、2、Ub3 变正，但变正，但T2和和T3并不能立即导通，因为在并不能立即导通，因为在电枢电感储能的电枢电感储能的 作用下作用下，电枢电流电枢电流id= id2，由，由D2 D3续流，在续流，在D2、 D3 上的压降使上的压降使T2 、 T3的的c-e极承受反压不能导通。极承受反压不能导通。 UAB=-US。接着再变到接着再变到电动状态、续流维持电动状态、续流维持电动状态电动状态反复进行，如上面左图。反复进行，如上面左图。 负载较轻时：负载较轻时： 反接制动状态，电流反向：反接制动状态，电流反向： 状态中，在负载较轻时，则状态中，在负载较轻时，则id小，小，续流续流 电流很快衰减到零，即电流很快

22、衰减到零，即t =t2 时时（见上面右图见上面右图），），id=0。在在t2 T 区段区段， T2 、T3 在在US 和反电动势和反电动势E的共同作用下的共同作用下导通导通，电枢电流反向，电枢电流反向，id= id3 由由US T3 T2 地。电机处于地。电机处于反接制动状态。反接制动状态。 电枢电感储能维持电流反向：电枢电感储能维持电流反向：在在T t3区段时，驱动脉冲极性改变，区段时，驱动脉冲极性改变， T2 、T3截止，因截止，因电枢电感维持电流，电枢电感维持电流， id= id4，由，由D4 D1。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院电机正转、反转、停止：电机正转、反转、

23、停止： 由正、负由正、负驱动电压脉冲宽窄而定。驱动电压脉冲宽窄而定。 当当正正脉冲较宽时，既脉冲较宽时，既t1 T/2，平均电压为正，电机正转；平均电压为正，电机正转； 当当正正脉冲较窄时，既脉冲较窄时，既t1伺服驱动系统伺服驱动系统 n 的的2-3倍。倍。各个环节的各个环节的 n应相互错开，以免发生振动耦合现象。应相互错开，以免发生振动耦合现象。各个环节的各个环节的 n应避开系统的工作频率范围，以免在工作频率上发应避开系统的工作频率范围，以免在工作频率上发生共振。生共振。JKn明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院第七节第七节 伺服系统的特性对加工精度的影响伺服系统的特性对加工精

24、度的影响 对于轮廓加工系统，要求精确地、实时地同时控制多个坐标轴的位置与速度，但由于系统存在着跟随误差D ，将可能会影响多坐标轴运动合成轨迹的精确性，产生轮廓误差。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院一一. 跟随误差跟随误差D 的含义及特性的含义及特性定义：指令位置指令位置D0i 与实际位置与实际位置 Dai 之差称之差称为跟随误差为跟随误差D。跟随误差D 是由进给伺服系统各环节信息传递延迟效应引起的。实际位置滞后指令位置。当执行部件进入匀速运动时D为常数。当它减速并停止时，D逐渐减少到零。当位置环为P调节时，D与F、KS 的关系为： D = F / KS D0titpptDtt

25、DAD0DADFAF0FFt明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院二. 跟随误差D对轮廓加工精度的影响1. D 对直线轮廓加工精度的影响加工直线时两轴的输入指令为： XYDYDXAA tFtYtFtXYX红色轨迹：则理想的轨迹运动方程XFFYXY明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院XYDYDXAA由于存在跟随误差DX 、 DY在某时刻指令位置在A点，实际位置在A点，则有： SYYYSXXXYYXXKFDKFDDtFtYDtFtX兰色轨迹：则实际的轨迹运动方程XYXXYXYFDFDFXFFY明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院轮廓误差的几何求法：XYDYD

26、XAA2sin2coscosSSSSYSXSYSXYXXYYXXYKKKFKFKKKFFFDFDFDDKS：平均系统增益； KS ：两轴系统增益差； KS / KS ：系统增益失配量SYSXSKKKSYSXSKKK明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院q 讨论当 KSX = KSY 时， KS = 0，=0；这说明当两轴系统增益相等时，跟随误差DX 、 DY对轮廓精度无影响。2sin2SSSKKKFXYDyDx=0AA明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院2sin2SSSKKKFXYDYDXAA明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院2sin2SSSKKKFX

27、YDYDXAA明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 在同等情况下：轮廓误差与KS 成正比，与KS 的平方成反比，与进给速度成 F 正比。当加工45直线时，轮廓误差最大。当加工0或90直线时，轮廓误差与增益无关。2sin2SSSKKKF明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院q 例题 在 X-Y 平面上铣削工件的一个平面， 该面与 X 轴成45角，进给速度为：F = 450 mm / min ，KS 为 152% （1/s），计算最大轮廓误差 max。 解：mm01.0104.0601524502sinKKK2FmaxSSSmax明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院2. D 对园弧轮廓加工精度的影响 D 对园弧轮廓加工精度的影响可用加工圆弧的半径变动量R描述。 通常R 的变化较为复杂，为此，可先讨论下面条件下的情况： KSX = KSY = KS 然后再定性的讨论其它较为复杂的情况明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院q R R的求取的求取RR+RDYDXPPAABBOFFYFX222222222222222SSSSYSXSYYSXXYXRK