数控原理与系统 第2版 教学课件 作者 郑晓峰第五章

第五章伺服系统伺服系统的概念及分类；步进电动机主要特性及其驱动控制；交流电动机伺服系统控制方法。第一节概述伺服系统—以机床运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。伺服系统的性能影响数控机床—加工精度表面质量可靠性生产效率一、组成与分类按功能分主轴伺服系统进给伺服系统主轴的运动切削动力伺服驱动电路伺服电动机进给传动机构开环伺服系统有无检测装置半闭环伺服系统闭环伺服系统二、伺服系统的基本要求（一）数控机床对进给驱动有如下要求：1．位移精度高——输出与输入量符合程度一般为0.01mm~0.001mm。2．调速范围宽调速范围——数控机床要求电动机所能提供的nmax：nmin。3．响应速度快响应速度——伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统跟随精度。4．稳定性好稳定性——系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或恢复到原来平衡状态的能力。稳定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。5．低速大转矩（二）数控机床对主轴驱动的要求：1．切削功率；2．调速范围；3．恒转矩或恒功率切削。第二节步进电动机及驱动电路步进电动机——将电脉冲信号转换为机械角位移的机电执行元件。一、工作原理和主要特性（一）工作原理（二）步进电动机的主要特性1．步距角θs和步距误差Δθs2．静态转矩和矩角特性3．最大起动转矩Mq4．最高起动频率

fq5、连续运行的最高工作频率fmax6、矩频特性7、步进电动机的选用1）TO>TL

2）θs与机械系统相匹配，以得到机床δP3）负载惯量与起动频率相匹配，使其最高工作频率能满足机床运动部件快速移动的要求。二、步进电动机的驱动控制1、环形脉冲分配器环形脉冲分配器——用于控制步进电动机的通电方式。作用——将CNC装置送来的一系列指令脉冲依次分配给电动机的各相绕组，控制各相绕组的通电和断电。2、驱动电源（功率放大器）（1）单电压驱动电路

（2）高低压驱动电路

（3）恒流斩波驱动电路

优点—线路简单。缺点—电流上升速度慢，高频时带负载能力较差。

高压建流低压稳流优点—在较宽的频率范围内有较大的平均电流，能产生较大而且较稳定的电磁转矩缺点—电流有波谷绕组的脉冲电流上升沿和下降沿较陡，快速响应性好

电路功耗小，效率高

电路能输出恒定转矩

三、开环控制步进电动机伺服系统的工作原理1．工作台位移量的控制L∝N2．工作台运动方向的控制通电顺序四、步进电动机驱动装置应用实例介绍单相第一位：控制方式的选择ON一双脉冲控制方式OFF一单脉冲控制方式

第二位：运行方向的选择（仅在单脉冲方式时有效）第三位：整/半步运行模式选择第四位：自动试机运行第三节交流电动机伺服系统一、交流伺服电动机的类型同步型伺服电动机异步型感应伺服电动机（主轴电动机）永磁式同步型交流伺服电动机的主要优点有：1)可靠性高，易维护保养；2)转子转动惯量小，快速响应性好；3)有宽的调速范围，可高速运转；4)结构紧凑，在相同功率下有较小的重量和体积；5)散热性能好。二、交流伺服电动机的工作原理二、工作原理转子是一个具有两个极的永磁体。同步型电动机的定子绕组接通电源时，产生旋转磁场（Ns,Ss），以同步转速ns逆时针方向旋转。定子磁极Ns(或Ss)紧紧吸住转子，以同步速ns在空间旋转。即转子和定子磁场同步旋转。MLθMLθ只要负载不超过一定的限度，转子就始终跟着定子旋转磁场同步转动。n与f和p有关，与负载无关。ML三、交流伺服系统的控制方法1、调速方法由电机学原理可知：E=4.44KrfNΦm

当忽略定子阻抗压降时，定子相电压U为：U≈E=KEfΦm

电动机转矩公式为：

T=CTΦmIcosψ

Φm

T

ML>Tmax电动机速度下降直至停转。

U不变，fΦm

I铁芯过热，cosψ电动机带负载能力降低。在调频调速中，要求在变频的同时改变定子电压U，维持Φm基本不变。由U、f不同的相互关系，可得出不同的变频调速方式、不同的机械特性。（1）恒转矩调速（2）恒功率调速（3）恒最大转矩调速2、变频器的类型（1）交—交变频器（2）交—直—交变频器3、SPWM变频控制器第四节直流伺服电动机一