数控系统及伺服驱动系统课件

数控技术CNC控制系统§5-1概述§5-2检测装置§5-3步进电动机及其驱动系统§5-4伺服电机及其速度控制§5-5主轴驱动§5-6位置控制主轴电机伺服电机刀库刀具定位电机机械手旋转定位电机带制动器伺服电机加工中心§5-1

系统结构CNC装置控制系统硬件结构按功能结构分：CNC系统伺服控制器主轴控制器IO控制用户接口XYZ伺服马达主轴主电路继电器按钮报警器限位开关鼠标键盘等一、数控机床伺服系统的定义

伺服系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。CNC装置是数控机床的“大脑”，“指挥机构”伺服系统是数控机床的“四肢”，

“执行机构”。

伺服系统的组成检测装置：感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码器等。电机及其控制器：三、数控机床对伺服系统的要求高精度要求定位准确（定位误差持别是重复定位误差要小），跟随精度高（跟随误差小）。一般定位精度要求达到mm级，高的达0.01~0.005mm。灵敏度高，响应快

提高生产率和保证加工质量，一般电机升降速过渡过程，时间在0.2s以下。另外，当负载突变时，要求速度的恢复时间短，且无振荡，这样才能得到光滑的加工表面。调速范围宽

保证在任何情况下都能得到最佳切削条件和加工质量，一般要求调速范围：最低转速/最高转速=1/1000~1/10000，且通常是无级调速。低速大转矩

一般是在低速进行重切削，所以在低速时进给驱动要有大的转矩输出。可靠性高对环境的适应性强，性能稳定，使用寿命长。二、数控机床伺服系统的分类按伺服系统控制方式分开环系统

步进电机，无位置反馈，投资低，精度低闭环系统

直接测量实际位移进行反馈，精度高半闭环系统

间接测量位移进行反馈，精度低于闭环检测装置的分类按检测信号分：数字式、模拟式按测量基准分：增量式、绝对式按安装位置关系分：直接测量、间接测量按信号类型分：光、磁、电常见检测装置一、光栅尺光栅尺属于光学元件，是一种高精度的位移传感器。1.光栅尺的种类透射光栅反射光栅封闭式光栅开放式光栅增量式光栅绝对式光栅光栅检测装置基本结构示意图

2.直线透射光栅（1）组成010,00,11,01,1反射光栅（2）直线透射光栅的工作原理由于挡光效应和光的衍射，在与线纹几乎垂直方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为“莫尔条纹”。莫尔条纹的特点

放大作用

莫尔条纹纹距B

与光栅节距w和倾角θ之间的关系：光栅横向移动一个节距w，莫尔条纹正好沿刻线上下移动一个节距B，用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可以测量光栅的位移。例：当

w=0.01mm，θ=0.01red，则B=1mm，将栅距放大100倍的莫尔条纹宽度。由于θ很小，因此

22sin/qw=BqwµB均化误差作用

莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，栅距之间的相邻误差被均化。短光栅的工作长度愈长,这一均化误差的作用愈显著。莫尔条纹的特点（续）：

（5）光栅特点优点：1）精度高测直线：精度0.5-3mm，分辨率0.1mm2）易实现动态测量和自动化测量3）较强的抗干扰能力缺点：1）对环境要求高，怕振动，怕油污2）高精度光栅制作成本高目前多用于精密定位的数控机床，数显机床中也应用较多。二、编码器一种旋转式的检测角位移的传感器。将角位移用数字(脉冲)形式表示，故又称脉冲编码器。广泛应用于NC机床的位置检测，也常用它作为速度检测元件。

1、编码器分类按码盘信号的读取方式可分为：光电式、接触式和电磁式以光电式的精度和可靠性最好，NC机床常用光电式编码器按测量坐标系又可分为：增量式和绝对式按每转发出的脉冲数分为：高分辨率20000-30000p/r

普通分辨率2000-3000p/r光电编码器在旋转工作台上的安装（2）工作原理

光电盘按装在被测轴上，随主轴一起转动。光电盘转动时，光电元件把通过光电盘和光栏板射过来的忽明忽暗的光信号(近似于正弦信号)转换为电信号，经整形、放大等电路的变换后变成脉冲信号，通过计算脉冲的数目，即可测出工作轴的转角，并通过数显装置进行显示。通过测定计数脉冲的频率，即可测出工作轴的转速。3.绝对式光电脉冲编码器

（1）结构绝对式脉冲编码器结构与增量式相似，就是在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码，称为绝对码盘。绝对式脉冲编码器是通过读取编码盘上的代码(图案)来表示轴的位置。

码盘的种类

按码制不同分二进制码、格雷码（循环码）、十进制码、六十进制码等，最常用的是二进制循环码盘。

纯二进制码有一个缺点：相邻两个二进制数可能有多位二进制码不同，当数码切换时有多个数位要进行切换，增大了误读的机率。而格雷码则不同，相邻两个二进制数码只有一个数位不同，因此两数切换时只在一位进行，提高了读数的可靠性。

（3）工作原理光源经过柱面镜，变成一束平行光照射在码盘上，通过码盘经狭缝形成一束很窄的光束照射在光电元件上，光电元件的排列与码道一一对应，亮区输出为“1”，暗区输出为“0”，再经信息处理电路，进行放大、整形、锁存与译码，输出自然二进制代码，从而实现了角度的绝对值测量。（4）应用

在实际应用过程中，用绝对脉冲编码器来检测轴的位置和速度时，当编码器旋转超过一周时，读出准确数值的解决方法：

在旋转轴上安装多个码盘，其中一些盘是专门用来计量所转过的圈数N，而另一部分码盘是用来检测一圈以内的度数θ。之后将两个码盘所检测的进行(N×360°＋θ)的叠加。

在软件设计时，设置一个专门的计数器，并规定码盘上的一个专门的代码为“零”代码，当码盘转过“零”代码时，计数器的值就被自动加一，这样也可以实现即测圈数又测度数的目的。开环伺服系统☆开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件；☆没有位置反馈回路和速度反馈回路；☆设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小；☆用于中、低档数控机床及普通机床改造。

半闭环伺服系统☆位置检测元件安装在电动机轴上或丝杠上，用以精确控制电机的角度，为间接测量；☆坐标运动的传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差没有得到系统的补偿；☆半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。☆适用于精度要求适中的中小型数控机床。闭环伺服系统☆闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上；

☆检测装置构成闭环位置控制。

☆闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。

数控技术第五章伺服驱动系统§5-1

概述§5-2检测装置§5-3步进电动机及其驱动系统§5-4伺服电机及其速度控制§5-5主轴驱动§5-6位置控制伺服系统（ServoSystem)CNC系统驱动电机检测装置控制信号反馈信号光栅尺伺服驱动系统

§5-3步进电动机及其驱动系统

步进电动机主要用于开环位置控制系统。它由步进电动机驱动电源和步进电动机组成，没有反馈环节。这种系统较简单，控制较容易，维修也较方便，而且为全数字化控制。

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加工机床、计算机的打印机、绘图仪等设备。2.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位移的控制电动机。

位移量的控制

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，角位移(或线位移)随之增加，即脉冲数决定位移量。进给速度的控制脉冲频率高，则步进电动机的旋转速度就高，反之则低，即脉冲频率决定进给速度。运动方向的控制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。

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定直流电压。（2）步进电动机的工作原理

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，从而产生反应力矩各相定子齿之间彼此错齿1/m齿距，m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。“单三拍”供电方式的步进电动机的工作原理：

第一拍：A相励磁绕组通电，B、C相励磁绕组断电。A相定子磁极的电磁力要使相邻转子齿与其对齐(使磁阻最小)，B相和C相定、转子错齿分别为1/3齿距(3°)和2/3齿距(6°)。第二拍：B相绕组通电，A、C相绕组断电。电磁反应力矩使转子顺时针方向转动3°，与B相的定子齿对齐，此时A、C相的定、转子齿互相错开。第三拍：C相绕组通电，A、B相绕组断电。电磁反应力距又使转子顺时针方向转动了3°，与C相定子齿对齐，同时A相、B相定、转子齿错开

重复通电顺序，ABCA……单三拍步进电动机的反转

若定子绕组通电顺序为ACBA……，则电动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

重复单三拍的通电顺序，ABCA

……，步进电机就顺时针方向旋转起来，对应每个指令脉冲，转子转动一固定角度3°(步距角)。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。因此，单三拍通电控制方式，工作稳定性差，一般较少采用。若定子绕组的通电顺序为ABBCCAAB……，则步进电动机的转子就逆时针方向转动。

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。若定子绕组的通电顺序为

ABBCCAAB……，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，故其步距角仍为3°。

若通电顺序为：AACCBCBABA……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；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。三相六拍工作方式

通电顺序：AABBBCCCAA……

每切换一次，步进电动机就顺时针方向转动1.5°，步距角减小一半。原因是：当由A相切换到AB相通电时，A相定子磁极力图不让转子转动，而保持与其定子齿对齐，而B相定子磁极的电磁反应力矩也力图使其顺时针转动3°，与B相定子齿对齐，此时，转子齿与A相、B相定子齿均未对齐，此位置是A相、B相定子合成磁场的最强方向，即转子顺时针方向转动1.5°。三、步进电动机驱动电源

1.作用发出一定功率的电脉冲信号，使定子励磁绕组顺序通电。2.基本要求（1）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的要求；（3）抗干扰能力强，工作可靠；（4）成本低，效率高，安装维修方便。

3.组成由环形分配器和功率放大器组成。（1）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J－K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。

软件环形分配器按步进电动机的要求编制不同的软环分程序，存入EPROM中。常用的是查表法（2）功率驱动器（功率放大电路）将环形分配器输出的脉冲信号放大，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。

并串接一电阻Rc，为了减小回路的时间常数，电阻Rc并联一电容C，从而提高电机的快速响应能力和启动性能。续流二极管VD和阻容吸收回路RC，是功率管VT的保护线路。

单电压驱动电路的优点是线路简单，缺点是电流上升不够快，高频时带负载能力低。

单电压驱动电路

图中L为步进电机励磁绕组的电感，Ra为绕组电阻，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值附近。

工作原理：环形分配器输出的正脉冲将VT1、VT2导通，由于U1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、放大后送至VT1的基极，使VT1管截止。接着绕组由U2低压供电，绕组中的电流立即下降，但刚降到额定值以下时，由于采样电阻Re的反馈作用，使整形电路无信号输出，此时高压前置放大电路又使VT1导通，电流又上升。如此反复进行，形成一个在额定电流值上下波动呈锯齿状的绕组电流波形，近似恒流。三种驱动电路的电流波形比较数控技术第五章伺服驱动系统§5-1

概述§5-2检测装置§5-3步进电动机及其驱动系统§5-4伺服电机及其速度控制§5-5主轴驱动§5-6位置控制§5-4伺服电机及其速度控制一、直流伺服电动机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

永磁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。

直流伺服电动机的组成

电动机本体

主要由机壳、定子磁极和转子组成。

检测部件

有高精度的测速发电机、旋转变压器以及脉冲编码器等。特点小惯量直流伺服电动机惯量小，响应速度快，但过载能力低。永磁直流伺服电动机转矩大，惯量大，稳定性好，调速范围宽。但有电刷，限制速度的提高（1000~1500r/min）。§5-4交流伺服电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。自20世纪80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，有逐渐代替直流伺服电机的趋势。§5-4交流伺服电动机及其速度控制一、交流伺服电动机二、直线电机二、直线电机1.直线电机的结构和工作原理直线电机是指一种利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的驱动装置，是一种能实现往复直线运动的电动机。直线电机是从旋转电机转化而来的。(1)直线电机的结构可以认为直线电机是将旋转电机沿其轴向剖开，然后将其定子和转子展开，变成如图所示的由定子和动子组成的直线电机。

在数控机床上实际使用的直线电机如左图所示。(2)直线电机工作原理在旋转电机中，当三相绕组中通入三相对称正弦电流后，会在气隙中产生按正弦分布的旋转磁场。与此类似，在直线电机中通入三相电流后，也会在气隙中产生磁场，如果不考虑端部效应，磁场在直线方向也呈正弦分布，只是这个磁场是平移而不是旋转的，因此称为行波磁场。行波磁场与次级相互作用便产生电磁推力，驱动动子沿定子作往复直线运动。这就是直线电机运行的基本原理。

2.直线电机的分类及特点

(1)直线电机的分类

按工作原理分类

与旋转电机相对应，直线电机有：直线直流电机、直线