第六章数控机床的伺服驱动系统

第六章数控机床的伺服驱动系统第一页，共四十八页，编辑于2023年，星期五6.1概述

6.1.1数控机床伺服系统的概念及组成

伺服驱动系统是数控装置和机床的联系环节。数控装置发出的控制信息，通过伺服驱动系统转换成坐标轴的运动，完成程序所规定的操作。伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统或伺服单元。分类按驱动方式：液压伺服系统，气压伺服系统，电气伺服系统按执行元件的类别：步进电动机伺服系统，直流电动机伺服系统，交流电动机伺服系统第二页，共四十八页，编辑于2023年，星期五

按有无反馈检测元件：开环伺服系统，闭环伺服系统，半闭环伺服系统按被控量的性质：位置伺服系统，速度伺服系统位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈

闭环伺服系统结构图第三页，共四十八页，编辑于2023年，星期五位置控制模块速度控制单元伺服电机工作台位置检测测量反馈伺服驱动装置速度环速度检测位置环数控机床闭环进给系统的一般结构如图，这是一个双闭环系统，内环为速度环，外环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速度控制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度控制系统的核心。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由CNC装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。第四页，共四十八页，编辑于2023年，星期五6.1.2数控机床对伺服系统的基本要求（1）高精度一般要求定位精度为0.01~0.001mm；高档设备的定位精度要求达到0.1um以上。（2）动态响应速度快：动态响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，反映了系统的跟踪精度。（3）调速范围宽:调速范围指的是:RN=nmax/nmin。进给伺服系统:一般要求0~30m/min，有的已达到240m/min主轴伺服系统:要求1:100~1:1000恒转矩调速1:10以上的恒功率调速第五页，共四十八页，编辑于2023年，星期五（4）良好的稳定性稳定性是指系统在给定输入作用下，经过短时间的调节后达到新的平衡状态；或在外界干扰作用下，经过短时间的调节后重新恢复到原来平衡状态的能力。稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度，为了保证切削加工的稳定均匀，数控机床的伺服系统应具有良好的抗干扰能力，以保证进给速度的均匀、平稳。（5）高性能电动机动1）调速平滑运转，转矩波动小；2）具有大的、长时间的过载能力；3）能在较短速度内达到规定的速度。第六页，共四十八页，编辑于2023年，星期五6.1.3位置控制系统和速度控制系统的主要指标（一）位置控制系统的主要指标1）系统静态误差2）速度误差ev和正炫跟踪误差esin3）速度品质因数Kv和速度品质因数Ka4）最大跟踪角速度ωmax（或线速度νmax）、最低平滑角速度ωmin（或线速度νmin）、最大角加速度εmax（或线加速度αmax）5）振幅指标M和频带宽度ωb6）系统对阶跃信号输入的响应特性7）等待跟踪状态下，负载扰动所造成的瞬时误差和过渡过程时间第七页，共四十八页，编辑于2023年，星期五（二）速度控制系统的主要指标1）被控对象的最高运行速度2）最低平滑速度3）速度调节的连续性和平滑性要求4）静差率s或转速降Δn（或Δω、Δv）5）对阶跃信号输入下系统的响应特性6）负载扰动下的系统响应特性7）对系统工作制、平均无故障工作时间、可靠性以及使用寿命等的要求第八页，共四十八页，编辑于2023年，星期五6.2步进电动机伺服系统

一、步进电机工作原理步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系统中，步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序来决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。但由于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制。第九页，共四十八页，编辑于2023年，星期五

工作台驱动控制线路指令脉冲步进电机齿轮箱

开环伺服系统简图第十页，共四十八页，编辑于2023年，星期五步进电机在结构上分为定子和转子两部分。有永磁式(PM,permanentmagnet)，磁阻式(VR,variablereluctance)和混合式(HB,hybrid)等。定子上有六个磁极，每个磁极上绕有励磁绕组，每相对的两个磁极组成一相，分成A、B、C三相。转子无绕组，它是由带齿的铁心做成的。步进电机是按电磁吸引的原理进行工作的。当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极就依次产生磁场，并每次对转子的某一对齿产生电磁引力，将其吸引过来，而使转子一步步转动。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零。如果控制线路不停地按一定方向切换定子绕组各相电流，转子便按一定方向不停地转动。步进电机每次转过的角度称为步距角。三相反应式步进电机结构第十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期五1）三相单三拍A-B-CAABBCC1234AABBCC1234AABBCC1234逆时针转30º逆时针转30º逆时针转30º第十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期五以上图为例来说明其转动的整个过程，假设转子上有四个齿，相邻两齿间夹角（齿距角）为90。当A相通电时，转子1、3齿被磁极A产生的电磁引力吸引过去，使1、3齿与A相磁极对齐。接着B相通电，A相断电，磁极B又把距它最近的一对齿2、4吸引过来，使转子按逆时针方向转动30。然后C相通电，B相断电，转子又逆时针旋转30，依次类推，定子按A→B→C→A顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步转30。若改变通电顺序，按A→C→B→A使定子绕组通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转30。这种控制方式叫三相单三拍方式，“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指每三次换接为一个循环。由于每次只有一相绕组通电，在切换瞬间将失去自锁转矩，容易失步，另外，只有一相绕组通电，易在平衡位置附近产生振荡，稳定性不佳，故实际应用中不采用单三拍工作方式。第十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期五采用三相双三拍控制方式，即通电顺序按AB→BC→CA→AB（逆时针方向）或AC→CB→BA→AC（顺时针方向）进行，其步距角仍为30。由于双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作比较稳定。如果按A→AB→B→BC→C→CA→A顺序通电，即首先A相通电，然后A相不断电，B相再通电，即A、B两相同时通电，接着A相断电而B相保持通电状态，然后再使B、C两相通电，依次类推，每切换一次，步进电机逆时针转过15°。如通电顺序改为A→AC→C→CB→B→BA→A，则步进电机以步距角15°顺时针旋转。这种控制方式为三相六拍，它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且转换过程中始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被大量采用。第十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期五2）三相六拍A-AB-B-BC-C-CA3）三相双拍AB-BC-CA第十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期五实际应用的步进电机如图所示，转子铁心和定子磁极上均有齿距相等的小齿，且齿数要有一定比例的配合。第十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期五二、步进电机的主要性能指标

1.

步距角和步距误差反应式步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下：(6-14)式中α—步进电机的步距角；,αs—步进电机的基本步距角；m—电机相数；

Z—转子齿数；K—系数，相邻两次通电相数相同，K＝1；相邻两次通电相数不同，K＝2。同一相数的步进电机可有两种步距角，通常为1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。步距误差是指步进电机运行时，转子每一步实际转第十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期五过的角度与理论步距角之差值。连续走若干步时，上述步距误差的累积值称为步距的累积误差。由于步进电机转过一转后，将重复上一转的稳定位置，即步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。2.静态转矩与矩角特性当步进电机上某相定子绕组通电之后，转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（θ＝0）。如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度θ，角度θ称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角θ的关系叫矩角特性，如下图所示，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（θ＝0）。第十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期五最大静转矩最大静转矩

（保持转矩）：通电时能够维持静止状态的最大转矩。

静态矩角特性第十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期五3.

最大启动转矩Mq

如下图为三相单三拍矩角特性曲线，图中的A、B分别是相邻A相和B相的静态矩角特性曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电机的最大启动转矩Mq。如果外加负载转矩大于Mq，电机就不能启动。如图6-7所示,当A相通电时，若外加负载转矩Ma>Mq，对应的失调角为θa

，当励磁电流由A相切换到B相时，对应角，B相的静转矩为θb。从图中看出Mb<Mq,电机不能带动负载做步进运动，因而启动转矩是电机能带动负载转动的极限转矩。

bABCMbMqMaMθθa三相单三拍步进电机的启动转矩第二十页，共四十八页，编辑于2023年，星期五4.启动频率空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作，可能发生丢步或堵转。步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。第二十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期五5.连续运行频率步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。失步转矩引入转矩自启动转区保持转矩旋转转区，载旋转区T**保持转矩（HOLDING

TORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。DETENT

TORQUE

是指永磁式步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。第二十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期五

6.矩频特性与动态转矩矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系（见下图），该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。当步进电机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。fM第二十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期五三、分类按力矩产生原理可分为反应式和励磁式按输出力矩大小可分为伺服式和功率式按各项绕组分布型式可分为径向式和轴向式

第二十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期五6.3交流电动机伺服系统

6.3.1数控机床用交流伺服电机在交流伺服系统中，按电机种类可分为同步型和异步型（感应电机）两种。交流伺服同步电机有永磁式、磁阻式（反应式）、磁滞式、绕组磁极式等。交流伺服系统一般多用于闭环与半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（如下图），检测装置测出实际位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给CNC装置，与指令进行比较，求得差值，依此构成闭环位置控制。闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。全闭环，在机床上需安装光栅或其它检测装置第二十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期五位置控制模块速度控制单元伺服电机工作台位置检测测量反馈伺服驱动装置速度环速度检测位置环第二十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期五半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在电动机轴上，用以精确控制电机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动部件，将角度转换成工作台的位移，为间接测量(如下图)。即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，因而半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。目前在精度要求适中的中小型数控机床上，使用半闭环系统较多。通常在轴端装有增量式光电脉冲编码器。位置比较速度控制

工作台伺服电机位置反馈速度反馈指令+

半闭环伺服系统简图－第二十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期五数控机床进给伺服系统中多采用永磁式同步电机，同步电机的转速是由供电频率所决定的，即在电源电压和频率固定不变时，它的转速是稳定不变的。由变频电源供电给同步电机时，能方便地获得与频率成正比的可变速度，可以得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。交流主轴电机多采用交流异步电机，很少采用永磁同步电机，主要因为永磁同步电机的容量做得不够大，且电机成本较高。另外主轴驱动系统不象进给系统那样要求很高的性能，调速范围也不要太大。因此，采用异步电机完全可以满足数控机床主轴的要求，笼型异步电机多用在主轴驱动系统中。第二十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期五

6.3.2交流伺服电机的速度控制

(一)交流电机的调速据电机学知，交流异步电机的转速表达式为

(r/min)交流同步电机的转速表达式为(r/min)式中f1—定子电源频率（Hz）；

p—磁极对数；

s—转差率。由上式可知异步电机的调速方法，可以有变转差率、变极对数及变频三种。靠改变转差率对异步电机进行调速时，低速时转差率大，转差损耗功率也大，效率低。变极调速只能产生二种或三种转速，不可能做成无级调速，应用范围较窄。变频调速是从高速到低速都可以保持有限的转差率，故它具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，可以认为是一种理想的调速方法。第二十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期五由上述分析可知改变频率f1，可平滑调节同步转速。但在实际调速时，只改变频率是不够的，现在来看一下变频时电动机的机械特性的变化情况，由电机学知：式中E1—感应电势；

Kr1—基波绕组系数；

N1—定子每相绕组串联匝数；

Φm—每极气隙磁通量。当略去定子阻抗压降时，定子相电压U1为当定子电压不变时，随f1的上升，气隙磁通Φm将减小。又由转矩公式第三十页，共四十八页，编辑于2023年，星期五式中CT—转矩常数；

I2—折算到定子上的转子电流；

cosφ2—转子电路功率因数。可以看出，Φm减小导致电机允许输出转矩T下降，则电机利用率下降，电机的最大转矩也将降低，严重时可能发生负载转矩超过最大转矩，电机就带不动了，即所谓堵转现象。又当电压U1不变，减小f1时，Φm上升会造成磁路饱合，激磁电流会上升，铁心过热，功率因数下降，电机带负载能力降低。故在调频调速中，要求在变频的同时改变定子电压U1，以维持Φm接近不变，由U1，f1不同的相互关系,而得出不同的变频调速方式、不同的调速机械特性。第三十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期五机床主轴在变速下工作，不需要在所有转速下都传递全部功率，如低速光车、攻丝、铰孔时。因此，主运动系统的特征曲线为：（功率－速度；转矩－速度）低速为恒转矩区，高速为恒功率区。交流主轴电机的速度条件下的功率－速度；转矩－速度特征满足机床要求的速度条件下的功率和转矩第三十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期五2.

恒转矩调速由转子电流与主磁通作用而产生的电磁转矩公式可知，T与φm、I2成正比。由上式知：要保持T不变，即要求U1/f1为常数，可以近似地维持φm恒定。此时的机械特性曲线族如右图。由图可见，保持U1/f1为常数进行变频调速时，这些特性曲线的线性段基本平行，类似直流电机的调压特性。但最大转矩Tm随着f1下降而减小。这是因为f1高时，E1数值较大，此时定子漏阻抗压降在U1中所占比例较小，可以认为U1近似于定子绕组中感应电势E1。而当f1相对很较低时，E1数值变小，U1值也变小，此时定子漏阻抗压降在U1中所占比例增大，E1与U1相差很大，所以φm减小，从而使Tm下降。恒转矩调速特性曲线第三十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期五2.

恒最大转矩（Tm）调速为了在低速时保持最大转矩Tm不变，就必须采取E1/f1=常数的协调控制，显然，这是一种理想的保持磁通恒定的控制方法。恒Tm调速的机械特性见下图所示，对应于同一转矩，转速降基本不变，即直线部分斜率不变，机械特性平行地移动。

n

T

f4

f1

f1>f2>f3>f4

f2

f3

恒Tm调速特性曲线第三十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期五

3.

恒功率调速为了扩大调速范围，可以在额定频率以上进行调速。因电机绕组是按额定电压等级设计的，超过额定电压运行将受到绕组绝缘强度的限制，因此定子电压不可能与频率成正比地提高。若频率上升，额定电压不变，那么气隙磁通φm将随着f1的升高而降低。这时，相当于额定电流时的转矩也减小，特性变软。如图6-20所示，随着频率增加，转矩减少，而转速增加，可得近似恒功率的调速特性。n

T

f4

f1

f1>f2>f3>f4

f2

f3

恒功率调速特性曲线第三十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期五

6.3.3交流感应电机矢量控制原理矢量控制理论是在1971年由德国学者F.Blachke提出的。在伺服系统中，直流伺服电机能获得优良的动态与静态性能，其根本原因是被控制只有电机磁通Ф和电枢电流Ia，且这两个量是独立的。此外，电磁转矩（Tm=KTФ

Ia）与磁通Ф和电枢电流Ia分别成正比关系。因此，控制简单，性能为线性。如果能够模拟直流电机，求出交流电机与之对应的磁场与电枢电流，分别而独立地加以控制，就会使交流电机具有与直流电机近似的优良特性。为此，必须将三相交变量（矢量）转换为与之等效的直流量（标量），建立起交流电机的等效模型，然后按直流电机的控制方法对其进行控制。

第三十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期五如下图a所示三相异步交流电机在空间上产生一个角速度为ω0的旋转磁场Φ。如果用图b中的两套空间相差900的绕组α和β来代替，并通以两相在时间上相差900的交流电流，使其也产生角速度为ω0的旋转磁场Φ，则可以认为图a和图b中的两套绕组是等效的。若给图c所示模型上两个互相垂直绕组d和q，分别通以直流电流id和iq，则将产生位置固定的磁场Φ，如果再使绕组以角速度ω0旋转，则所建立的磁场也是旋转磁场，其幅值和转速也与图a一样。

ω0ω0ω0ΦΦΦBCβα交流电机三相/二相直流电机变换第三十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期五三相A、B、C系统变换到两相α、β系统ω0ω0ω0ΦΦΦBCβα这种变换是将三相交流电机变为等效的二相交流电机。上图a所示的三相异步电机的定子三相绕组，彼此相差1200空间角度，当通以三相平衡交流电流iA,iB,iC

时，在定子上产生以同步角速度ω0旋转的磁场矢量Φ。三相绕组的作用，完全可以用在空间上互相垂直的两个静止的α、β绕组代替，并通以两相在时间上相差900的交流平衡电流iα和iβ

，使其产生的旋转磁场的幅值和角速度也分别Φ和ω0，则可以认为上图a、b中的两套绕组是等效的。第三十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期五应用三相/二相的数学变换公式，将其化为二相交流绕组的等效交流磁场。则产生的空间旋转磁场与三相A、B、C绕组产生的旋转磁场一致。令三相绕组中的A相绕组的轴线与α坐标轴重合，其磁势为（如下图所示）。FBFβ600FAFαFC三相磁动势的变换按照磁势与电流成正比关系，可求得对应的电流值iα和iβ

除磁势的变换外，变换中用到的其它物理量，只要是三相平衡量与二相平衡量，则转换方式相同。这样就将三相电机转换为二相电机，如图6-21b。第三十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期五

2.矢量旋转变换将三相电机转化为二相电机后，还需将二相交流电机变换为等效的直流电机，见图6-21c。若设图6-21c中d为激磁绕组，通以激磁电id，q为电枢绕组，通以电枢电流iq

，则产生固定幅度的磁场Φ，在定子上以角速度ω0旋转。这样就可看成是直流电机了。将二相交流电机转化为直流电机的变换，实质就是矢量向标量的转换，是静止的直角坐标系向旋转的直角坐标系之间的转换。这里，就是把iα和iβ

转化为id和iq

，转化条件是保证合成磁场不变。在图6-22b中，iα和iβ的合成矢量是i1，将其在Φ方向及垂直方向投影，即可求得id和iq

。id和iq

在空间以角速度ω0旋转。转换公式为

αβi1Φidiqθφ三相磁动势的变换第四十页，共四十八页，编辑于2023年，星期五

3.直角坐标与极坐标的变换矢量控制中，还要用到直角坐标系与极坐标系的变换。如图6-28b中，由id和iq求i1

，其公式为采用矢量变换的感应电机具有和直流电机一样的控制特点，而且结构简单、可靠，电机容量不受限制，与同等直流电机相比机械惯量小，其前景非常可观。第四十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期五（三）交流电机的变频调速交流电机调速种类很多，应用最多的是变频调速。变频调速的主要环节是能为交流电机提供变频电源的变频器。变频器的功用是，将频率固定（电网频率为50Hz）的交流电，变换成频率连续可调（0～400Hz）的交流电。变频器可分为交-直-交变频器和交-交变频器两大类。交-直-交变频器是先将频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率可变的交流电。交-交变频器不经过中间环节，把频率固定的交流电直接变换成频率连续可调的交流电。因只需一次电能转换，效率高，工作可靠，但是频率的变化范围有限。交-直-交变频器，虽需