第五章伺服驱动系统1

1、第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统伺服系统概述伺服系统概述步进伺服系统步进伺服系统 直流伺服系统直流伺服系统 交流伺服系统交流伺服系统伺服系统检测元件伺服系统检测元件第一节伺服系统概述第一节伺服系统概述n一、伺服系统的定义一、伺服系统的定义n二、伺服系统的组成二、伺服系统的组成n三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类n四、对伺服系统的基本要求四、对伺服系统的基本要求一、伺服系统的定义一、伺服系统的定义是以是以机械位置机械位置（线位移、角位移线位移、角位移）以及）以及速度速度（线线速度、角速度速度、角速度） 作为作为控制目标控制目标的的自动控制系统自动控制系统。也可称为也可称为随动系统随动系统

2、，简称为，简称为伺服系统伺服系统。CNC装置是数控机床的装置是数控机床的“大脑（指挥机构）大脑（指挥机构）”，伺服系统伺服系统 是数控机床的是数控机床的“四肢（四肢（执行机构执行机构）”。二、伺服系统的组成二、伺服系统的组成位置控制单元；速度控制单元；伺服驱动电机；检测与反馈单元位置控制单元；速度控制单元；伺服驱动电机；检测与反馈单元伺服驱动装置：速度控制单元伺服驱动装置：速度控制单元+伺服电动机伺服电动机速度控制单元：速度调节器速度控制单元：速度调节器+电流调节器电流调节器+功率驱动电源功率驱动电源伺服电动机：步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机伺服电动机：步进电动机、直流伺服电动机、

3、交流伺服电动机位置控制位置控制调节器调节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈检测与反馈单元单元位 置 控 制位 置 控 制单元单元速 度 控 制速 度 控 制单元单元+-电电机机机 械 执 行机 械 执 行部件部件CNC插插补补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈数控系统工作过程数控系统工作过程译译 码码刀刀 补补 处处 理理插插 补补 处处 理理PLC控制控制进给伺服系统进给伺服系统切削运动、机床切削运动、机床I/O装置装置成成 形形 运运 动动加加 工程序工程序三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类按控制方法：开环、闭环、半闭环伺服系统按控制方法：开环、闭环、

4、半闭环伺服系统按驱动元件：步进、直流、交流伺服系统按驱动元件：步进、直流、交流伺服系统按反馈比较控制方式：脉冲比较、相位比较、幅按反馈比较控制方式：脉冲比较、相位比较、幅值比较和全数字伺服系统值比较和全数字伺服系统四、对伺服系统的基本要求四、对伺服系统的基本要求高精度高精度：定位精度与重复定位精度（静态、尺寸：定位精度与重复定位精度（静态、尺寸精度）、跟随精度（动态、轮廓精度）精度）、跟随精度（动态、轮廓精度）.一般定位一般定位精度要求精度要求 m级，高的要求达到级，高的要求达到 0.010.005 m快速响应快速响应: 超调小，过渡过程时间超调小，过渡过程时间tp3的通电方式（的通电方式（四

5、相八拍、五相十拍四相八拍、五相十拍等）等）特点特点4、特点、特点:1）电脉冲）电脉冲机械角位移机械角位移n角位移大小角位移大小 输入脉冲个数输入脉冲个数n角速度大小角速度大小 输入脉冲频率输入脉冲频率n方向：绕组通电顺序方向：绕组通电顺序2）控制性能好，控制系统简单可靠，成本）控制性能好，控制系统简单可靠，成本低；低；3）控制精度受步距角限制，高负载或高速）控制精度受步距角限制，高负载或高速度时易失步。度时易失步。三、运行性能三、运行性能n1、静态矩角特性曲线、静态矩角特性曲线n2、最大静转矩、最大静转矩Tjmaxn3、启动转矩、启动转矩Tqn4、空载启动频率、空载启动频率fq与启动矩频特性与

6、启动矩频特性n5、连续运行频率与运行矩频特性、连续运行频率与运行矩频特性1、静态矩角特性曲线静态矩角特性曲线1）转子初始稳定平衡位置：空载时某相通电，定、转子齿）转子初始稳定平衡位置：空载时某相通电，定、转子齿对齐，转子上无转矩输出对齐，转子上无转矩输出(不改变通电状态时，转子处于不改变通电状态时，转子处于不动状态）；不动状态）；2）失调角：转子上加负载转矩后达到与）失调角：转子上加负载转矩后达到与T相平衡时所转过的相平衡时所转过的电角度；电角度；3）静态矩角特性曲线：转子上静态电磁转矩）静态矩角特性曲线：转子上静态电磁转矩T与失调角与失调角 e的的关系。关系。定子转子转子2、最大静转矩、最大

7、静转矩Tjmax最大静转矩最大静转矩Tjmax：步进电机承受负载的能力：步进电机承受负载的能力.最大静转矩特性：指在一定的通电状态下，最大静转距与最大静转矩特性：指在一定的通电状态下，最大静转距与绕组内电流的关系。绕组内电流的关系。额定电流额定电流I Tjmax负载能力负载能力 运行快速性和稳定运行快速性和稳定性性TmaxI2IT 03、启动转矩、启动转矩Tq启动转矩启动转矩Tq：拍数:)cos(maxNNTTjq两个矩角特性曲线的交点对应的转矩两个矩角特性曲线的交点对应的转矩n拍数（拍数（mK）Tq4、空载启动频率、空载启动频率fq与启动矩频特性与启动矩频特性l空载启动频率空载启动频率fq：

8、步进电机在空载时由静止状态能不失步步进电机在空载时由静止状态能不失步启动进入正常运行的最高频率。启动进入正常运行的最高频率。 fq快速性快速性l启动矩频特性：步进电机在带动负载转矩时启动频率与负启动矩频特性：步进电机在带动负载转矩时启动频率与负载转矩的关系载转矩的关系5、连续运行频率与运行矩频特性、连续运行频率与运行矩频特性空载运行频率（连续运行频率）空载运行频率（连续运行频率）fmax：步进电机空载启动：步进电机空载启动后能不失步连续运行的最高频率后能不失步连续运行的最高频率运行矩频特性：步进电机连续稳定运行时输出电磁转矩运行矩频特性：步进电机连续稳定运行时输出电磁转矩T与连续运行频率与连续

9、运行频率f之间的关系（衡量电机运转时承载能力之间的关系（衡量电机运转时承载能力的动态性能指标）。的动态性能指标）。f绕组感抗绕组感抗电流波形变坏电流波形变坏电电流幅值流幅值T四、步进电机的驱动及控制系统四、步进电机的驱动及控制系统n1、环形脉冲分配器、环形脉冲分配器n1）作用与分类）作用与分类n2）硬件环形分配器）硬件环形分配器n3）软件环形分配器）软件环形分配器n2、功率放大器、功率放大器步进电动机步进电动机1、环形脉冲分配器、环形脉冲分配器n1）作用与分类）作用与分类n作用作用：将数控装置发出的脉冲分配给步进电动：将数控装置发出的脉冲分配给步进电动机的各相输入端，机的各相输入端， 使步进电

10、动机各绕组按一定使步进电动机各绕组按一定的顺序和时间通电和断电，并使电机正转或反的顺序和时间通电和断电，并使电机正转或反转。转。n分类分类：n硬件环形分配：硬件环形分配：I/O线少，速度高，专用集线少，速度高，专用集成电路芯片；成电路芯片；n软件环形分配：线路简化，灵活性大，成本软件环形分配：线路简化，灵活性大，成本低，低，I/O线多，线多， 速度慢速度慢2）硬件环形分配器）硬件环形分配器YB013引脚及功能引脚及功能1234567890ER1A0A1E2E181716151413121110CP-+CVCCBAYB013SG选通输出控制选通输出控制清零清零3，4 励磁方式控制励磁方式控制A0

11、=0, A1=0 三相单三拍三相单三拍A0=0, A1=1 三相双三拍三相双三拍A0=1 三相六拍三相六拍5，6 选通输入控制选通输入控制9 接地接地时钟输入时钟输入12，11 正、反转控制正、反转控制13 出错报警输出出错报警输出18，17，15 A，B，C相输出相输出16 电源电源PA0PA18155PA2PA5PA6PA7PA3PA4TMOUT光电隔离功率放大Z向光电隔离功率放大X向GNDVccA0A1E0E1E2RABCDE+-CPA0A1E0E1E2RABC+-CPVccGNDVccGND+5V+5VYB015YB013 控制字控制字X X向向E0 Z R Z向向E0 PA4 PA3

12、 PA2 PA1 PA03）软件环形分配器）软件环形分配器8031PA0PA1 PA2 PA3PA4 PA5 PA6 PA7 光电隔离电路功率放大电路XZABCabc8155软件环形分配器输出状态表软件环形分配器输出状态表 X向步进电机 Z向步进电机节拍 C B A存储单元方向节拍 c b a 存储单元方向PA2PA1PA0地址内容PA5PA4PA3地址内容10012A00H01H逆转 正转10012A10H08H逆转正转20112A01H03H20112A11H18H30102A02H02H30102A12H10H41102A03H06H41102A13H30H51002A04H04H510

13、02A14H20H61012A05H05H61012A15H28H2、功率放大器、功率放大器n作用：将环形分配器或作用：将环形分配器或I/O口输出的弱电信号放大，给步口输出的弱电信号放大，给步进电机每相绕组提供脉冲励磁电流进电机每相绕组提供脉冲励磁电流n分类：分类：n按驱动方式：单压驱动、双压（高低压）驱动按驱动方式：单压驱动、双压（高低压）驱动n按功率开关元件：功率晶体管驱动、晶闸管驱动按功率开关元件：功率晶体管驱动、晶闸管驱动n按控制方式：高低压定时控制、恒流斩波控制、脉宽按控制方式：高低压定时控制、恒流斩波控制、脉宽控制单电压与高低压驱动电路控制单电压与高低压驱动电路2、功率放大器、功率

14、放大器单电压驱动电路原理图单电压驱动电路原理图2、功率放大器、功率放大器高低压驱动电路原理图高低压驱动电路原理图it0斩波驱动电路原理图斩波驱动电路原理图it0五、步进电机的选用五、步进电机的选用n1、精度与速度、精度与速度n2、启动矩频特性和运行矩频特性、启动矩频特性和运行矩频特性n例：下面举一个模拟工作台的例子。工作台的纵向例：下面举一个模拟工作台的例子。工作台的纵向轴是导程轴是导程P=1.25mm的普通丝杆副，步进电动机通过的普通丝杆副，步进电动机通过一对降速齿轮副与丝杠联接。设丝杠轴向的负载一对降速齿轮副与丝杠联接。设丝杠轴向的负载Fa=5000N；最大进给速度；最大进给速度Vmax0

15、.8m/min；脉冲当量脉冲当量 0.002mm/step；传动的总效率是；传动的总效率是 =0.255。请选用步进电动机。请选用步进电动机。n 设选用的步进电动机的步距角设选用的步进电动机的步距角 s0.75o/step第四节直流伺服系统第四节直流伺服系统n一、直流伺服电动机的分类及特点一、直流伺服电动机的分类及特点n二、直流伺服电动机的速度控制单元二、直流伺服电动机的速度控制单元一、直流伺服电动机的分类及特点一、直流伺服电动机的分类及特点l小惯量直流伺服电机：快速响应、过载能力低、惯小惯量直流伺服电机：快速响应、过载能力低、惯量匹配差量匹配差l无槽电枢式：适于快速动作、运转平稳、功率较大；

16、无槽电枢式：适于快速动作、运转平稳、功率较大；l印刷绕组式：适于低速运行和频繁启动、反转；印刷绕组式：适于低速运行和频繁启动、反转；l空心杯电枢式：适于快速动作；空心杯电枢式：适于快速动作；l宽调速直流伺服电动机：转矩大、调速范围宽、动宽调速直流伺服电动机：转矩大、调速范围宽、动态响应好、过载能力强、易调试态响应好、过载能力强、易调试;l电磁式：换向性好、成本低；电磁式：换向性好、成本低；l永磁式：结构简单、效率高、耗电少、低速和启动永磁式：结构简单、效率高、耗电少、低速和启动输出力矩大；输出力矩大；二、直流伺服电动机的速度控制单元二、直流伺服电动机的速度控制单元n1、工作原理、工作原理n2、

17、转矩平衡式、转矩平衡式n3、电压平衡式、电压平衡式n4、转速与转矩的关系、转速与转矩的关系n5、调速方式、调速方式n6、过渡过程、过渡过程n7、速度控制单元、速度控制单元1、工作原理工作原理U+NS电刷电刷换向片换向片直流电源直流电源电刷电刷换向器换向器线圈线圈IINS1、工作原理、工作原理n转子绕组形成的磁场始终与定子磁势正交，转子绕组形成的磁场始终与定子磁势正交，产生电磁转矩。产生电磁转矩。2、转矩平衡式、转矩平衡式1）电磁转矩：）电磁转矩：2 2）总阻转矩）总阻转矩TsTs阻转矩阻转矩ToTo负载转矩负载转矩TrTr：都是常数，对永磁电机，：电枢电流：主磁通转矩常数mmmCICICT,:

18、3 3）惯性转矩）惯性转矩T TJ J：dtdwJTJ4 4）转矩平衡方程式：）转矩平衡方程式：dtdwJTTs3、电压平衡式、电压平衡式1）电枢绕组上的反电动势：）电枢绕组上的反电动势：电机转速:nnKnCEee2 2）外加电压为）外加电压为U Ua，则电压平衡式为：，则电压平衡式为：aaaRIEU4、转速与转矩的关系、转速与转矩的关系aeaaaaeRnCUIRIEUnCE，得：代入将TCCRCUnRnCUCTICTmeaeaaeamm2代入上式得：将5、调速方式、调速方式1）改变）改变Ra2）改变）改变3）改变）改变Ua(直流电机采用直流电机采用)2aaeemURnTCC C6、过渡过程、

19、过渡过程n1)机械过渡：电机和负载有转动惯量，转速机械过渡：电机和负载有转动惯量，转速改变有一个过渡过程，称为机械过渡。机改变有一个过渡过程，称为机械过渡。机械转动惯量是造成机械过渡过程的主要因械转动惯量是造成机械过渡过程的主要因素。素。n2)电磁过渡：电枢绕组有电感，电流改变有电磁过渡：电枢绕组有电感，电流改变有一个过渡过程。电感是造成电磁过渡的主一个过渡过程。电感是造成电磁过渡的主要因素。要因素。n3)在过渡过程中，电压平衡方程式中需要加在过渡过程中，电压平衡方程式中需要加一面感抗负载，转矩平衡方程式中需加惯一面感抗负载，转矩平衡方程式中需加惯量负载。量负载。7、速度控制单元、速度控制单元

20、1）速度控制单元类型：）速度控制单元类型：晶闸管（可控硅）调速系统：大功率，要求不是很高；晶闸管（可控硅）调速系统：大功率，要求不是很高；大功率晶体管脉宽调制大功率晶体管脉宽调制 (PWM：Pulse Width Modulation)调速系统：线路简单、效率高、调速范围宽、快速响应好、调速系统：线路简单、效率高、调速范围宽、快速响应好、抗干扰强；抗干扰强；2）直流）直流PWM调速的基本原理：通过控制电枢电压的占空比，从调速的基本原理：通过控制电枢电压的占空比，从而改变其平均电压，完成转速控制。而改变其平均电压，完成转速控制。SUmTTSUUmd平均电压忽略电枢内阻上压降，则电枢回路静态忽略电

21、枢内阻上压降，则电枢回路静态方程式为：方程式为：SnSTCUnnCTSUEUememd7、速度控制单元、速度控制单元n3）速度控制单元的组成及其作用）速度控制单元的组成及其作用速度调节器电流调节器PWM调制器驱动电路直流斩波器电机ugiufiVcmdTsaue电流反馈速度反馈PWM调制器：产生调制器：产生PWM脉冲的环节，经放大后绘驱动直流脉冲的环节，经放大后绘驱动直流斩波器斩波器驱动电路：大功率管驱动电路。驱动电路：大功率管驱动电路。晶体管直流斩波器：将直流电源电压变换成宽度可调的方波晶体管直流斩波器：将直流电源电压变换成宽度可调的方波脉冲，加在电机电枢两端。脉冲，加在电机电枢两端。第四节交

22、流伺服系统第四节交流伺服系统 交流伺服系统：速度控制单元交流伺服系统：速度控制单元+交流伺服电动机交流伺服电动机交流伺服系统的特点：容量范围大、动态响应好、调速范围宽、交流伺服系统的特点：容量范围大、动态响应好、调速范围宽、调速精度高、电机结构和维护简单、重量和体积小、坚固耐用，调速精度高、电机结构和维护简单、重量和体积小、坚固耐用，运行可靠、价格低运行可靠、价格低一、交流伺服电动机一、交流伺服电动机 分类及特点分类及特点永磁同步交流伺服电动机永磁同步交流伺服电动机 与无刷直流伺服电机结构类似，当采用直流驱动时，称为无与无刷直流伺服电机结构类似，当采用直流驱动时，称为无 刷直流伺服电机；当采用

23、交流驱动时，称为交流伺服电机，刷直流伺服电机；当采用交流驱动时，称为交流伺服电机， 用于进给伺服驱动用于进给伺服驱动感应异步交流伺服电动机感应异步交流伺服电动机 与交流异步电机结构类似，转子结构简单坚固，电机成本低，与交流异步电机结构类似，转子结构简单坚固，电机成本低， 过载能力强，与永磁同步伺服电动机相比效率低、体积大，过载能力强，与永磁同步伺服电动机相比效率低、体积大， 多用于主轴驱动多用于主轴驱动5.4 交流伺服系统交流伺服系统 pfn60恒磁通变频调速：变频变压；恒磁通变频调速：变频变压；fU二、交流伺服电动机的速度控制单元二、交流伺服电动机的速度控制单元 速度控制方式及类型速度控制方

24、式及类型 永磁同步交流伺服电动机调速方法永磁同步交流伺服电动机调速方法5.4 交流伺服系统交流伺服系统 速度控制单元类型（永磁交流）速度控制单元类型（永磁交流） 矩形波电流驱动的调速系统（矩形波电流驱动的调速系统（PWM变频调速系统）；变频调速系统）； 正弦波电流驱动的调速系统（正弦波电流驱动的调速系统（SPWM变频调速系统）；变频调速系统）； 正弦波脉宽调制（正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速系统的组成及作用）变频调速系统的组成及作用 SPWM变频调速系统组成变频调速系统组成 控制部分：速度调节器、乘法器、电流调节器、三角波发生器、控制部分：速度调节器、乘法器、电流调节器、三角波发生器、 S

25、PWM调制器调制器、基极驱动电路等；、基极驱动电路等； SPWM变频器（变频器（SPWM主回路或功率放大器）：二极管整流器主回路或功率放大器）：二极管整流器 +SPWM逆变器逆变器； 变转差率变转差率s：控制线路简单，成本：控制线路简单，成本，低速损耗，低速损耗；变磁极对数变磁极对数p：不能无级调速，仅产生：不能无级调速，仅产生23种转速；种转速；变定子电源频率变定子电源频率f：效率：效率，调速范围，调速范围，调速精，调速精度度，动态特性，动态特性；)1 (60spfn异步交流伺服电动机调速方法异步交流伺服电动机调速方法5.4 交流伺服系统交流伺服系统 （国防（国防p183图图4-25,4-2

26、4）永磁同步电机永磁同步电机SPWM调速系统调速系统5.4 交流伺服系统交流伺服系统 5.4 交流伺服系统交流伺服系统 SPWM变频器（交变频器（交直直交型变频器）的作用交型变频器）的作用 电网工频交流电压电网工频交流电压整流器整流器直流电压直流电压逆变器逆变器三相可调频三相可调频 调压的正弦电流（调压的正弦电流（ SPWM波）波）交流伺服电机产生电磁转矩交流伺服电机产生电磁转矩 SPWM变频调速系统工作原理变频调速系统工作原理 SPWM主回路主回路 SPWM调制方法（调制方法（SPWM变频器控制信号的形成方法）变频器控制信号的形成方法） 正弦波正弦波（控制波）（控制波） 三角波（载波）调制：

27、三角波（载波）调制：SPWM调制波调制波5.4 交流伺服系统交流伺服系统 与正弦波与正弦波等效的等效的SPWM波波SPWM调制调制波的形成波的形成第二节伺服系统检测元件第二节伺服系统检测元件位置控制位置控制调节器调节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈检测与反馈单元单元位 置 控 制位 置 控 制单元单元速 度 控 制速 度 控 制单元单元+-电电机机机 械 执 行机 械 执 行部件部件CNC插插补补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈第二节伺服系统检测元件第二节伺服系统检测元件n一、综述（数控机床检测装置的类型与一、综述（数控机床检测装置的类型与要求及位置检测

28、装置的分类要求及位置检测装置的分类 ）n二、旋转变压器二、旋转变压器n三、光栅测量装置三、光栅测量装置 n四、脉冲编码器四、脉冲编码器 一、综述一、综述n位置检测元件的性能要求位置检测元件的性能要求n可靠性、抗干扰能力和环境适应能力强可靠性、抗干扰能力和环境适应能力强n满足精度、速度和测量范围的要求满足精度、速度和测量范围的要求n使用维护方便，便于与使用维护方便，便于与CNC系统相联系统相联n成本成本，寿命，寿命n位置检测装置的分类位置检测装置的分类n按检测元件输出信号类型：数字式、模拟式按检测元件输出信号类型：数字式、模拟式n按检测量测量基准：绝对式、增量式按检测量测量基准：绝对式、增量式n

29、按被测位移量类型：直线式、回转式按被测位移量类型：直线式、回转式n按与被测对象联系方式：接触式、非接触式按与被测对象联系方式：接触式、非接触式二、旋转变压器二、旋转变压器n1、工作原理、工作原理n2、工作方式、工作方式1、工作原理、工作原理n旋转变压器根据互感原理，在定子绕组上加交流励磁电旋转变压器根据互感原理，在定子绕组上加交流励磁电压时，通过互感在转子绕组中产生感应电动势。关系为：压时，通过互感在转子绕组中产生感应电动势。关系为：sinsinsin12tkUkuumn式中：式中：k为定子与转子为定子与转子绕组的匝数绕组的匝数比比;Um：最大瞬时：最大瞬时电压电压 ：两绕组轴：两绕组轴线间夹

30、角。线间夹角。n机床中常用机床中常用正余弦旋转正余弦旋转变压器变压器2、工作方式、工作方式1 1）旋转变压器的信号处理方式有两种：鉴相型工作方式和）旋转变压器的信号处理方式有两种：鉴相型工作方式和鉴幅型工作方式。鉴幅型工作方式。 2 2）鉴相型工作方式）鉴相型工作方式 ：当给定子两绕组分别通以同幅，同频当给定子两绕组分别通以同幅，同频但相位相差但相位相差90度的交流励磁电压，即度的交流励磁电压，即 tUutUumcmscossin11它们在转子的绕组中产生感应电压，并叠加得：它们在转子的绕组中产生感应电压，并叠加得： )cos(coscossinsin2tkUtkUtkUummm测量转子绕组输

31、出电压的相位角测量转子绕组输出电压的相位角即可测得转子相对于定子即可测得转子相对于定子的转角位置。的转角位置。2、工作方式、工作方式3 3）鉴幅型工作方式：当给定子两绕组分别通以同频同相位）鉴幅型工作方式：当给定子两绕组分别通以同频同相位但幅值不同的交流励磁电压，即但幅值不同的交流励磁电压，即 cossin,sinsin11mcmmsmcmcsmsUUUUtUutUu式中：它们在转子的绕组中产生感应电压，并叠加得：它们在转子的绕组中产生感应电压，并叠加得： tUktkUtkUummmsin)cos(cossincossinsinsin2由上式中可以看出，电压的幅值随转子的偏转角的变由上式中可以看出，电压的幅值随转子的偏转角的变化而变化，测量幅值即可求出化而变化，测量幅值即可求