第十章伺服驱动系统

1、伺服驱动系统伺服驱动系统第一节第一节 概述概述第二节第二节 步进电动机及其驱动系统步进电动机及其驱动系统第三节第三节 直流伺服电动机及其速度控制直流伺服电动机及其速度控制第四节第四节 交流伺服电动机及其交流伺服电动机及其速度控制速度控制伺服驱动系统伺服驱动系统（Servo System)CNC系统系统驱动电机驱动电机检测装置检测装置控制信号控制信号反馈信号反馈信号光栅尺光栅尺第一节第一节 概述概述一、数控机床伺服系统的定义一、数控机床伺服系统的定义 是一种以机械位置或角度作为控制对象是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。的自动控制系统。 CNC装置是数控机床的装置是数控机床的“大脑

2、大脑” ， “指挥机构指挥机构” 伺服系统是数控机床的伺服系统是数控机床的“四肢四肢” ， “执行机构执行机构”。 检测装置：感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码检测装置：感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码器等。器等。 驱动电机：步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电驱动电机：步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机动机 步进电动机及其驱动系统步进电动机及其驱动系统 步进电动机主要用于步进电动机主要用于开开环环位置控制系统。它由步进位置控制系统。它由步进电动机驱动电源和步进电动电动机驱动电源和步进电动机组成，没有反馈环节。机组成，没有反馈环节。 这种系统较简单，控制较这种系统较简单，控

3、制较容易，维修也较方便，而且容易，维修也较方便，而且为全数字化控制。为全数字化控制。 由于开环系统精度不高，且步进电动机的功率和速度不由于开环系统精度不高，且步进电动机的功率和速度不高，因此步进电动机驱动系统仅用于小容量、加工速度低高，因此步进电动机驱动系统仅用于小容量、加工速度低、脉冲当量和精度不太高的场合，如经济型数控机床和电、脉冲当量和精度不太高的场合，如经济型数控机床和电加工机床、计算机的打印机、绘图仪等设备。加工机床、计算机的打印机、绘图仪等设备。一、步进电动机一、步进电动机1. 步进电动机的分类步进电动机的分类(1) 按运动方式分：旋转式、直线运动式、平面运动式和滚按运动方式分：旋

4、转式、直线运动式、平面运动式和滚 切运动式。切运动式。(2) 按工作原理分：反应式按工作原理分：反应式(磁阻式磁阻式)、电磁式、永磁式、永磁、电磁式、永磁式、永磁 感应子式感应子式(混合式混合式)。(3) 按结构分：单段式按结构分：单段式(径向式径向式)、多段式、多段式(轴向式轴向式)，印刷绕组式，印刷绕组式(4) 按相数分：三相、四相、五相、六相和八相等。按相数分：三相、四相、五相、六相和八相等。(5) 按使用频率分：高频步进电动机和低频步进电动机。按使用频率分：高频步进电动机和低频步进电动机。2. 步进电动机的控制原理步进电动机的控制原理 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线

5、步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。位移的控制电动机。 位移量的控制位移量的控制 向步进电动机送一个控制脉冲，其转轴就向步进电动机送一个控制脉冲，其转轴就转过一个角度或移动一个直线位移，称为一步；脉冲数增加，转过一个角度或移动一个直线位移，称为一步；脉冲数增加，角位移角位移(或线位移或线位移)随之增加，即随之增加，即脉冲数决定位移量。脉冲数决定位移量。 进给速度的控制进给速度的控制 脉冲频率高，则步进电动机的旋转速度就脉冲频率高，则步进电动机的旋转速度就高，反之则低，即高，反之则低，即脉冲频率决定进给速度。脉冲频率决定进给速度。 运动方向的控制运动方向的控制 改

6、变分配脉冲的相序，实现步进电动机的改变分配脉冲的相序，实现步进电动机的正、反转，从而改变运动方向。正、反转，从而改变运动方向。 与一般交流和直流电动机所不同的是，步进电动机定子与一般交流和直流电动机所不同的是，步进电动机定子绕组所加的电源形式为脉冲电压，而不是正弦电压或者恒绕组所加的电源形式为脉冲电压，而不是正弦电压或者恒定直流电压。定直流电压。3.反应式反应式步进电动机主要性能指标及选择步进电动机主要性能指标及选择步距角步距角 步进电动机每步的转角称为步距角，计算公式： 式中 m步进电动机相数 Z转子齿数 K控制方式系数， K=拍数p/相数m 厂家对于每种步进电动机给出两种步距角，彼此相差一

7、倍。大步距角系指控制供电拍数与相数相等时的步距角；小步距角系指供电拍数是相数两倍时的步距角。360Z m K() 脉冲当量脉冲当量 根据总体方案要求，综合考虑，通过下式进行： 式中 脉冲当量 S丝杠螺距(mm) 步距角 电动机与丝杠间的齿轮传动减速比i 如果步进电动机的步距角和丝杠螺距S(基本导程)不能满足脉冲当量的要求时，应在步进电动机与丝杠之间加入齿轮传动，用减速比来满足的要求。工作台工作台进给速度进给速度360Si (mm/脉冲) V=60f (mm/min)4. 反应式步进电动机反应式步进电动机 转子转子铁心铁心上无绕组，只有均匀分布的上无绕组，只有均匀分布的40个齿，齿槽距相等，个齿

8、，齿槽距相等，齿距角为齿距角为360/409。绕组绕组定子铁心定子铁心转子铁心转子铁心（1）反应式步进电动机的结构）反应式步进电动机的结构 单段式三相反单段式三相反应式步进电动机应式步进电动机的结构：的结构： 定子铁心定子铁心上有上有六个均匀分布的六个均匀分布的磁极，沿直径相磁极，沿直径相对两个极上的线对两个极上的线圈串联，构成一圈串联，构成一相相励磁绕组励磁绕组。（2）反应式步进电动机的工作原理）反应式步进电动机的工作原理 按电磁吸引的原理工作的。按电磁吸引的原理工作的。必须抓住两点： 磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩 各相定子齿之间彼

9、此错齿各相定子齿之间彼此错齿1/m齿距，齿距，m为相数为相数 几个概念的含义： “拍”定子相绕组每改变一次 通电状态，称为“一拍”。 “单”指只有一相绕组通电。 “双”指有两相绕组同时通电。 A A B B C C 定子 转子 绕组 第一拍：第一拍：A相励磁绕组通电，相励磁绕组通电，B、C相励磁绕组断电。相励磁绕组断电。A相定子磁极的电相定子磁极的电磁力要使相邻转子齿与其对齐磁力要使相邻转子齿与其对齐(使磁阻最小使磁阻最小)，B相和相和C相定、转子错齿分相定、转子错齿分别为别为1/3齿距齿距(3)和和2/3齿距齿距(6)。 第二拍：第二拍：B相绕组通电，相绕组通电，A、C相绕组断电。电磁反应力

10、矩使转子顺时针相绕组断电。电磁反应力矩使转子顺时针方向转动方向转动3，与，与B相的定子齿对齐，此时相的定子齿对齐，此时A、C相的定、转子齿互相错相的定、转子齿互相错开。开。 第三拍：第三拍：C相绕组通电，相绕组通电，A、B相绕组断电。电磁反应力距又使转子顺时相绕组断电。电磁反应力距又使转子顺时针方向转动了针方向转动了3，与，与C相定子齿对齐，同时相定子齿对齐，同时A相、相、B相定、转子齿错开相定、转子齿错开 重复通电顺序，重复通电顺序，A B C A 单三拍步进电动机的反转单三拍步进电动机的反转 若定子绕组通电顺序为若定子绕组通电顺序为A C B A ，则电动，则电动机转子就逆时针方向旋转起来

11、，其步距角仍为机转子就逆时针方向旋转起来，其步距角仍为3。 单三拍步进电动机的步距角单三拍步进电动机的步距角 重复单三拍的通电顺序，重复单三拍的通电顺序，A B C A ，步进电，步进电机就顺时针方向旋转起来，对应每个指令脉冲，转子转动一机就顺时针方向旋转起来，对应每个指令脉冲，转子转动一固定角度固定角度3(步距角步距角) 。单三拍通电控制方式的缺点单三拍通电控制方式的缺点 由于每拍只有一相绕组通电，在切换瞬间可能失去自锁由于每拍只有一相绕组通电，在切换瞬间可能失去自锁力矩，容易失步。而且，只有一相绕组通电吸引转子，易在力矩，容易失步。而且，只有一相绕组通电吸引转子，易在平衡位置附近产生振荡。

12、因此，单三拍通电控制方式，工作平衡位置附近产生振荡。因此，单三拍通电控制方式，工作稳定性差，一般较少采用。稳定性差，一般较少采用。若定子绕组的通电顺序为若定子绕组的通电顺序为AB BC CA AB ，则步进电动机的转子就逆则步进电动机的转子就逆时针方向转动。时针方向转动。 双三拍工作方式双三拍工作方式 采用双三拍通电控制方式，能克服单三拍工作的缺点。采用双三拍通电控制方式，能克服单三拍工作的缺点。 若定子绕组的通电顺序为若定子绕组的通电顺序为 AB BC CA AB ，则步进电动机的转子就顺时针方向转动，从一个磁场，则步进电动机的转子就顺时针方向转动，从一个磁场最强处走到了另一个磁场最强处，故

13、其步距角仍为最强处走到了另一个磁场最强处，故其步距角仍为3。 若通电顺序为：若通电顺序为：A AC C BC B AB A 则步进电动机的转子就逆时针方向运动，步距角仍为则步进电动机的转子就逆时针方向运动，步距角仍为1.5。 三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半；在切换时，保持一相绕组通电，工作稳定，比双三拍增大了在切换时，保持一相绕组通电，工作稳定，比双三拍增大了稳定区。所以三相步进电动机常采用这种控制方式。稳定区。所以三相步进电动机常采用这种控制方式。三相六拍工作方式三相六拍工作方式 通电顺序：通电顺序：A AB B BC C CA

14、A 每切换一次，步进电动机就顺时针方向转动每切换一次，步进电动机就顺时针方向转动1.5，步距，步距角减小一半。原因是：当由角减小一半。原因是：当由A相切换到相切换到AB相通电时，相通电时，A相定相定子磁极力图不让转子转动，而保持与其定子齿对齐，而子磁极力图不让转子转动，而保持与其定子齿对齐，而B相相定子磁极的电磁反应力矩也力图使其顺时针转动定子磁极的电磁反应力矩也力图使其顺时针转动3，与，与B相相定子齿对齐，此时，转子齿与定子齿对齐，此时，转子齿与A相、相、B相定子齿均未对齐，相定子齿均未对齐，此位置是此位置是A相、相、B相定子合成磁场的最强方向，即转子顺时相定子合成磁场的最强方向，即转子顺时

15、针方向转动针方向转动1.5。步进电动机步进电动机步进电动机步进电动机步进电动机步进电动机二二、步进电动机驱动电源步进电动机驱动电源 1. 作用作用 发出一定功率的电脉冲信号，使定子励发出一定功率的电脉冲信号，使定子励 磁绕组顺序通电。磁绕组顺序通电。 2. 基本要求基本要求 （1）电源的基本参数与电动机相适应；）电源的基本参数与电动机相适应； （2）满足步进电动机起动频率和运行频率）满足步进电动机起动频率和运行频率 的要求；的要求； （3）抗干扰能力强，工作可靠；）抗干扰能力强，工作可靠； （4）成本低，效率高，安装维修方便。）成本低，效率高，安装维修方便。 3. 组成组成 由环形分配器和功率

16、放大器组成。（1） 环形分配器环形分配器 主要功能是将CNC装置的插补脉冲，按 步进电动机所要求的规律分配给步进电动机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的导通或关断。同时由于电动机有正反转要求，所以环形分配器的输出是周期性的，又是可逆的。 硬件环形分配器硬件环形分配器 根据步进电机的相数和控制方式设计的真值表或逻辑关系式，采用逻辑门电路和触发器来实现。一般由与非门和JK触发器组成。常用的是专用集成芯片或通用可编程逻辑器件组成的环形分配器。 软件环形分配器软件环形分配器 按步进电动机的要求编制不同的软环分程序，存入EPROM中。（2）功率驱动器（）功率驱动器（功率放大电路） 将环形分配器输出的

17、脉冲信号放大，以用足够的功率来驱动步进电动机。 最早的功率驱动器采用单电压驱动电路，后来出现了双电压(高电压)驱动电路、斩波电路、调频调压和细分电路等。高低压驱动电路高低压驱动电路 其特点是供给步进电机绕组有两种电压：一种是高电压U1，由电机参数和晶体管特性决定，一般在80v至更高范围，另一种是低电压U2，即步进电机绕组额定电压，一般为几伏，不超过20v。 高压U1 ，以提高绕组中电流上升率，当电流达到规定值时、VT1关断、VT2仍然导通，则自动切换到低压U2。 该电路的优点是在较宽的频率范围有较大的平均电流，能产生较大且稳定的平均转矩，其缺点是电流波顶有凹陷，电路较复杂。斩波驱动电路斩波驱动

18、电路 可以克服高低压驱动电路的波顶的凹陷可以克服高低压驱动电路的波顶的凹陷造成高频输出转矩的下降，使励磁绕组中的电流维持在额定造成高频输出转矩的下降，使励磁绕组中的电流维持在额定值附近。值附近。 工作原理：工作原理：环形分配器输出的正脉冲将环形分配器输出的正脉冲将VT1、VT2导通，由于导通，由于U1电压较电压较高，绕组回路又没串电阻，所以绕组电流迅速上升，当绕组电流上升到高，绕组回路又没串电阻，所以绕组电流迅速上升，当绕组电流上升到额定值以上的某一数值时，由于采样电阻额定值以上的某一数值时，由于采样电阻Re的反馈作用，经整形、放大的反馈作用，经整形、放大后送至后送至VT1的基极，使的基极，使

19、VT1管截止。接着绕组由管截止。接着绕组由U2低压供电，绕组中的低压供电，绕组中的电流立即下降，但刚降到额定电流立即下降，但刚降到额定 值以下时，由于采样电阻值以下时，由于采样电阻Re的反馈作用，使整形电路无信的反馈作用，使整形电路无信号输出，此时高压前置放大电号输出，此时高压前置放大电路又使路又使VT1导通，电流又上升导通，电流又上升。如此反复进行，形成一个在。如此反复进行，形成一个在额定电流值上下波动呈锯齿状额定电流值上下波动呈锯齿状的绕组电流波形，近似恒流。的绕组电流波形，近似恒流。第三节第三节 直流伺服电动机及其速度控制直流伺服电动机及其速度控制一、直流伺服电动机一、直流伺服电动机 伺

20、服电动机是指能够精密地控伺服电动机是指能够精密地控制其位置的一种电动机。直流伺服制其位置的一种电动机。直流伺服电动机是伺服电动机的一种。电动机是伺服电动机的一种。1. 直流伺服电动机分类及结构特点直流伺服电动机分类及结构特点 永磁直流伺服电动机永磁直流伺服电动机无槽转子直流伺服电动机无槽转子直流伺服电动机空心杯转子直流伺服电动机空心杯转子直流伺服电动机印刷绕组直流伺服电动机印刷绕组直流伺服电动机后三种直流伺服电动机为小惯量直流伺服电动机。后三种直流伺服电动机为小惯量直流伺服电动机。直流伺服电动机的组成直流伺服电动机的组成 电动机本体电动机本体 主要由机壳、主要由机壳、 定子磁极和转子组成。定子

21、磁极和转子组成。 检测部件检测部件 有高精度的测速有高精度的测速 发电机、旋转变压器以及发电机、旋转变压器以及 脉冲编码器等。脉冲编码器等。特点特点l 小惯量直流伺服电动机小惯量直流伺服电动机 惯量小，响应速度快，惯量小，响应速度快， 但过载能力低。但过载能力低。l 永磁直流伺服电动机转矩大，惯量大，稳定性永磁直流伺服电动机转矩大，惯量大，稳定性 好，调速范围宽。好，调速范围宽。l 但有电刷，限制速度的提高（但有电刷，限制速度的提高（10001500r/min）。）。第四节第四节 交流伺服电动机及其速度控制交流伺服电动机及其速度控制 直流伺服电动机具有优良的调速性能，但直流伺直流伺服电动机具有

22、优良的调速性能，但直流伺服电动机的电刷和换向器容易磨损，需要经常维护；由服电动机的电刷和换向器容易磨损，需要经常维护；由于换向器换向时会产生火花而使最高转速受到限制，也于换向器换向时会产生火花而使最高转速受到限制，也使应用环境受到限制；直流伺服电动机结构复杂、制造使应用环境受到限制；直流伺服电动机结构复杂、制造困难，成本高。困难，成本高。 自自20世纪世纪80年代中期以来，以交流伺服电动机作为年代中期以来，以交流伺服电动机作为驱动元件的交流伺服系统得到迅速发展，有逐渐代替直驱动元件的交流伺服系统得到迅速发展，有逐渐代替直流伺服电机的趋势。流伺服电机的趋势。一、交流伺服电动机一、交流伺服电动机1

23、. 交流伺服电动机分类交流伺服电动机分类 异步型异步型 同步型同步型 同步型交流伺服电动机又分为永磁式和励磁式。同步型交流伺服电动机又分为永磁式和励磁式。 数控机床进给伺服系统中多采用永磁同步交流伺服电动机。数控机床进给伺服系统中多采用永磁同步交流伺服电动机。2. 永磁同步交流伺服电动机的特点：永磁同步交流伺服电动机的特点： 结构简单，运行可靠，效率较高结构简单，运行可靠，效率较高 调速方便调速方便 由于它的转速与所接电源频率之间存在一种严格由于它的转速与所接电源频率之间存在一种严格关系，所以可获得与频率成正比的可变速度，并且可以得到关系，所以可获得与频率成正比的可变速度，并且可以得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。非常硬的机械特性及宽的调速范围。 缺点缺点 体积较大，起动较困难体积较大，起动较困难二、永磁同步交流伺服电动机的结构二、永磁同步交流伺服电动机的结构 组成：定子、转子和检测元件。组成：定子、转子和检测元件。 定子具有齿槽，内有三相绕组，形状与普通交流电动机定子具有齿槽，内有三相绕组，形状与普通交流电动机的定子相同，但其外形多呈多边形，且无外壳，利于散热。的定子相同，但其外形多呈多边形，且无外壳，利于散热。 转子由多块永久磁铁和冲片组成。这种结构的优点是气转子由多块永久磁铁和冲片组成。这种结构的优点是气隙磁密较高，极数较多。隙磁密较高，极数较多。三、永磁同步交