数控机床结构原理与应用-第4章数控机床的伺服系统

4.1伺服系统组成与分类4.1.1伺服系统的概念及组成伺服系统位于数控装置与机床主体之间，它的作用是接受来自数控装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大、检测反馈，然后将接收到的数字信息转换成模拟量信息，驱动执行电机最终实现机床工作台相对于刀具运动的控制系统。伺服系统结构原理可以用如图4一1所示框图表示。下一页返回4.1伺服系统组成与分类4.1.2伺服系统的类型

1.从伺服电机类型的角度分类

(1)直流伺服系统。直流伺服系统常用的伺服电动机有小惯量直流伺服电动机和永磁直流伺服电动机(也称为大惯量宽调速直流伺服电动机)。小惯量直流伺服电动机最大限度地减少了电枢的转动惯量，快速性较好，早期的数控机床上应用较多。

(2)交流伺服系统。交流伺服系统使用交流异步伺服电动机(一般用于主轴伺服电动机)和永磁同步伺服电动机(一般用于进给伺服电动机)，由于交流伺服电动机没有直流伺服电动机的缺点，而且有较大的输出功率、更高的电压和转速。因此，目前交流伺服电动机的应用得到了迅速地发展上一页下一页返回4.1伺服系统组成与分类2.按驱动装置类型分类

(1)电液伺服系统。电液伺服系统的执行元件为液压元件，控制系统为电器元件。执行元件常用的有电液脉冲马达和电液伺服系统在低速下可以得到很高的输出力矩，并且刚性好、时间常数小、反应快、速度平稳

(2)电气伺服系统。电气伺服系统全部采用电子器件和电动机，操作维护方便、可靠性高。电气伺服系统采用的驱动装置有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。上一页下一页返回4.1伺服系统组成与分类3.按进给驱动和主轴驱动分类

(1)进给伺服系统。进给伺服系统是指驱动工作台等移动部件，使相应坐标轴按指令要求的运动方式达到目标位置。它完成各坐标轴的进给运动，包含速度控制和位置控制的双闭环结构，具有定位和轮廓跟踪功能，是数控机床中要求最高的伺服控制。

(2)主轴伺服系统。主轴伺服系统是一个速度控制系统，具备主轴启停、调速及正、反转即可，且有螺纹加工、准停和恒线速控制等功能。上一页下一页返回4.1伺服系统组成与分类4.按反馈比较控制方式分类

(1)相位伺服系统。相位伺服系统是采用相位比较方法实现位置闭环(及半闭环)控制的伺服系统，是数控机床常用的一种位置控制系统。在相位伺服系统中，位置检测装置采用相位工作方式，指令信号与反馈信号是用相位表示的，即是某个载波的相位。通过指令信号与反馈信号相位的比较，获得实际位置与指令位置的偏差，实现闭环控制。如图4-2所示上一页下一页返回4.1伺服系统组成与分类(2)幅值伺服系统。幅值伺服系统是以位置检测信号的幅值大小反映机械位移的数值，并以此信号作为位置反馈信号，一般还要转换成数字信号才能与指令信号进行比较，而后获得位置偏差信号构成闭环控制系统。此类伺服系统的位置检测装置多用感应同步器或旋转变压器，其系统结构如图4一3所示

(3)脉冲、数字比较伺服系统。脉冲、数字比较伺服系统是将数控装置发出的数字(脉冲)指令信号与检测装置的反馈信号(脉冲)直接进行比较，得到位置误差，实现闭环控制。如图4一4所示

(4)数字式伺服系统。所谓数字式伺服系统是指伺服系统中的控制信息用数字量来处理。在数控系统中要处理的控制信息有位置环、速度环和电流环。根据这些信息是用软件来处理还是用硬件来处理，可分为全数字式和混合式。上一页下一页返回4.1伺服系统组成与分类4.1.3数控机床对伺服系统要求1.精度高2.稳定性好3.速度响应要快4.调速范围要宽5.低速大转矩上一页返回4.2主轴通用变频器4.2.1变频器技术简介随着交流调速技术的发展，目前数控机床的主轴驱动多采用交流主轴配变频器控制的方式。变频器的控制方式从最初的电压空间矢量控制(磁通轨迹法)到矢量控制(磁通定向控制)，发展至今为直接转矩控制，从而能方便地实现无速度传感器化;脉宽调制(PWM)技术从正弦PWM发展至优化PWM技术和随机PWM技术，以实现电流谐波畸变小，电压利用率最高、效率最优、转矩脉冲最小及噪声强度大幅度削弱的目标;功率器件由GTO,GTR,IGBT发展到智能模块IPM，是开关速度快、驱动电流小、控制驱动简单、故障率降低、干扰得到有效控制及保护功能进一步完善。下一页返回4.2主轴通用变频器4.2.2变频器的类型上一页下一页返回4.2主轴通用变频器4.2.3脉宽调制型(PWM)变频器脉宽调制变频器的设计思想源于通信系统中的载波调制技术，用这种技术构成的PWM交频器基本上解决常规阶梯波变频器中存在的问题，为近代交流调速开辟了新的发展领域，目前PWM已成为现代变频器产品的主导设计思想。图4一9是PWM变频器示意图。上一页下一页返回4.2主轴通用变频器4.2.4正弦波脉宽调制(SPWM)变频器

1.SPWM波形与等效正弦波

SPWM逆变器用来产生正弦脉宽调制波即SPWM波形。其工作原理是:把1个正弦半波分成N等分，然后把每一等分的正弦曲线与横坐标轴所包围的面积都用1个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，这样可得到N个等高而不等宽的脉冲序列。它对应着1个正弦波的半周，对正负半周都这样处理，即可得到相应的2N个脉冲，这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制波。其波形如图4一10所示上一页下一页返回4.2主轴通用变频器2.产生SPWM波形的原理

SPWM波形可用计算机技术产生，即对给定的正弦波用计算机算出相应脉冲宽度，通过控制电路输出相应波形，或用专门集成电路芯片产生;也可采用模拟式电路以“调制”理论为依据产生。其方法是以正弦波为调制波，对等腰三角波为载波的信号进行“调制”。调制电路仍可采用电压比较放大器。3.SPWM变频器的主要电路

SPWM变频器的主电路原理及电动机线电压波形如图4一12所示。上一页下一页返回4.2主轴通用变频器4.用单片微机实现的SPWM控制如图4一13给出了一个以单片微机结构构成的原理框。该电路原理简单、工作可靠、控制灵活。可对频率、电压实现精确计算，还可以对系统运行进行监控和故障保护。上一页返回4.3执行元件—步进电动机4.3.1步进电动机的分类、结构和工作原理

1.步进电动机的分类步进电动机的分类方法很多，根据不同的分类方式，可将步进电动机分为多种类型，如表4一1所示。

2.步进电动机的结构目前，我国使用的步进电动机多为反应式步进电动机。在反应式步进电动机中，有轴向分相和径向分相两种。图4一15所示是一典型的单定子、径向分相、反应式伺服步进电动机的结构原理图。它与普通电动机一样，也是由定子和转子构成，其中定子又分为定子铁芯和定子绕组。定子铁芯由电工钢片叠压而成，定子绕组是绕置在定子铁芯6个均匀分布的齿上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。下一页返回4.3执行元件—步进电动机3.步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。现以图4一18所示三相反应式步进电动机为例说明步进电动机的工作原理。4.3.2步进电动机的主要特性1.步距角和静态步距误差步进电动机的步距角是反应步进电动机定子绕组的通电状态，每改变一次，转子转过的角度。它取决于电动机结构和控制方式。步进电动机每走一步的步距角α应是圆周360°的等分值。但是，实际的步距角与理论值有误差。在一转内各步距误差的最大值，被定为步距误差。步进电动机的静态步距误差通常在10′以内。上一页下一页返回4.3执行元件—步进电动机2.静态矩角特性当步进电动机不改变通电状态时，转子处在不动状态。如果在电动机轴上外加一个负载转矩，使转子按一定方向转过一个角度θ

，此时转子所受的电磁转矩T称为静态转矩，角度θ称为失调角。描述静态时T与θ的关系叫矩角特性，该特性上的电磁转矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置(θ=0)，如图4一19所示

3.启动频率空载时，步进电动机由静止状态突然启动，并进入不丢步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率。加给步进电动机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。步进电动机在负载(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上一页下一页返回4.3执行元件—步进电动机4.连续运行频率步进电动机启动以后，其运行速度能跟踪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。它也随电动机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。

5.矩频特性与动态转矩矩频特性T=F(f)是描述步进电动机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系。该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。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。上一页下一页返回4.3执行元件—步进电动机6.加减速特性步进电动机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升;同样，从最高工作频率或高干突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。上一页下一页返回4.3执行元件—步进电动机4.3.3步进电动机的控制方法由步进电动机的工作原理知道，要使电动机正常的一步一步地运行，控制脉冲必须按一定的顺序分别供给电动机各相，例如三相单拍驱动方式，供给脉冲的顺序为A→B→C→A或A→C→B→A，称为环形脉冲分配。脉冲分配有两种方式:一种是硬件脉冲分配(或称为脉冲分配器)，另一种是软件脉冲分配，是由计算机的软件完成的。上一页返回4.4执行元件—直流伺服电动机4.4.1直流伺服电机的结构和工作原理直流伺服电动机的结构与一般的电机结构相似，也是由定子、转子和电刷等部分组成，在定子上有励磁绕组和补偿绕组，转子绕组通过电刷供电。由于转子磁场和定子磁场始终正交，因而产生转矩使转子转动。直流伺服电动机的结构和工作原理如图4–22所示。下一页返回4.4执行元件—直流伺服电动机4.4.2直流伺服电动机的类型及特点直流伺服电动机按定子磁场产生方式可分为永磁式和他励式，二者性能相近。永磁式直流伺服电动机的磁极采用永磁材料制成，充磁后即可产生恒定磁场。他励式直流伺服电动机的磁极由冲压硅钢片叠加而成，外加线圈，靠外加励磁电流产生磁场。由于永磁式直流伺服电动机不需要外加励磁电源，因而在伺服系统中应用广泛。直流伺服电动机按电枢的结构与形状可分为平滑电枢型、空心电枢型和有槽电枢型等。平滑电枢型的电枢无槽，其绕组用环氧树脂粘固在电枢铁芯上，因而转子形状细长，转动惯量小。空心电枢型的电枢无铁芯，且常做成杯形，其转子转动惯量最小。有槽电枢型的电枢与普通直流电动机的电枢相同，因而转子转动惯量较大。上一页下一页返回4.4执行元件—直流伺服电动机4.4.3直流伺服电机的调速原理和常用的调速方法由电工学的知识可知:在转子磁场不饱和的情况下，改变电枢电压即可改变转子转速直流电机的转速和其他参量的关系可用下式表示:上一页下一页返回4.4执行元件—直流伺服电动机

根据上述关系式，实现电机调速是主要方法有三种:①调节电枢供电电压U:电动机加以恒定励磁，用改变电枢两端电压u的方式来实现调速控制，这种方法也称为电枢控制;②减弱励磁磁通φ:电枢加以恒定电压，用改变励磁磁通的方法来实现调速控制，这种方法也称为磁场控制;③改变电枢回路电阻R来实现调速控制上一页下一页返回4.4执行元件—直流伺服电动机

要得到可调节的直流电压，常用的方法有以下3种方法:①旋转变流机组—用交流电机(同步或异步电机)和直流发电机组成机组，调节发电机的励磁电流以获得可调节的直流电压;该方法在20世纪50年代广泛应用，可以很容易实现可逆运行，但体积大、费用高、效率低，所以现在很少使用②静止可控整流器—使用晶闸管可控整流器以获得可调的直流电压(即可控硅调速系统SCR-SiliconControlledRectifier);该方法出现在60年代，具有良好的动态性能，但由于晶闸管只有单向导电性，所以不易实现可逆运行，且容易产生“电力公害”。③斩波器和脉宽调制变换器—用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压;该方法是利用晶闸管来控制直流电压，形成直流斩波器或称直流调压器。上一页下一页返回4.4执行元件—直流伺服电动机4.4.4直流伺服电动机的特性

1.直流伺服电动机的静态特性直流伺服电动机的静态特性是指电动机在稳态情况下工作时，其转子转速、电磁力矩和电枢控制电压三者之间的关系。直流伺服电动机采用电枢电压控制时的电枢等效电路如图4-23所示。根据电动机学的基本知识，有根据上面三式，可得到直流伺服电动机运行特性的一般表达式上一页下一页返回4.4执行元件—直流伺服电动机

在采用电枢电压控制时，磁通小是一常量。如果使电枢电压Ua保持恒定，则上式可写成上式被称为电枢控制时直流伺服电动机的静态特性方程上一页下一页返回4.4执行元件—直流伺服电动机2.直流伺服电动机的动态特性直流伺服电动机的动态特性是指当给电动机电枢加上阶跃电压时，转子转速随时间的变化规律。动态特性的本质是由对输入信号响应的过渡过程来描述的。直流伺服电动机产生过渡过程的原因在于电动机中存在有两种惯性，即机械惯性和电磁惯性。机械惯性是由直流伺服电动机和负载的转动惯量引起的，是造成机械过渡过程的原因;电磁惯量是由电枢回路中的电感引起的，是造成电磁过渡过程的原因。上一页返回4.5执行元件—交流伺服电动机4.5.1交流伺服电动机的工作原理交流伺服电动机一般是两相交流电机，由定子和转子两部分组成。交流伺服电动机的转子有笼形和杯形两种，无论哪一种转子，它的转子电阻都做得比较大，其目的是使转子在转动时产生制动转矩，使它在控制绕组不加电压时，能及时制动，防止自转。交流伺服电机的定子为两相绕组，并在空间相差90°电角度。两个定子绕组结构完全相同，使用时一个绕组做励磁用，另一个绕组做控制用。如图4-25所示为交流伺服电机的工作原理图。下一页返回4.5执行元件—交流伺服电动机4.5.2交流伺服电动机的种类和特点交流伺服电动机可分为异步型交流伺服电动机和同步型交流伺服电动机。异步型交流伺服电动机，又称为交流感应电动机。其定子由绕组构成，通入交流电后产生旋转磁场;其转子由空心的(鼠笼状或杯状)非磁性材料(如铜或铝)制成。当转子的转速与定子电路产生的旋转磁场转速存在转速差时，转子的导体将切割旋转磁场的磁力线而产生电流，电流与旋转磁场相互作用，使转子受到电磁力，使转子转动，其方向与旋转磁场方向一致。异步型交流伺服电动机的特点:转子的重量轻、惯性小，响应速度快。

上一页下一页返回4.5执行元件—交流伺服电动机

同步型交流伺服电动机与异步型交流伺服电动机的区别:同步型交流伺服电动机的转子是一个磁极，它受到定子电路旋转磁场的吸引，与旋转磁场的转速始终保持同步。当电源电压和频率固定不变时，同步型交流伺服电动机的转速是不变的。由变频电源供电时，可方便地获得与频率成正比的可变转速，可得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。上一页下一页返回4.5执行元件—交流伺服电动机4.5.3交流伺服电动机调速的原理和方法交流伺服电动机的旋转机理都是由定子绕组产生旋转磁场使转子运转。不同点是交流永磁式伺服电动机的转速和外加电源频率存在严格的关系，所以电源频率不变时，它的转速是不变的;交流感应式伺服电动机由于需要转速差才能在转子上产生感应磁场，所以电动机的转速比其同步转速小，外加负载越大，转速差越大。旋转磁场的同步速度由交流电的频率来决定:频率低，转速低;频率高，转速高。因此，这两类交流电动机的调速方法主要是用改变供电频率来实现。交流伺服电动机的速度控制可分为标量控制法和矢量控制法。标量控制法是开环控制，矢量控制法是闭环量控制。对于简单的调速系统可使用标量控制法，对于要求较高的系统使用矢量控制法。无论用何种控制法都是改变电动机的供电频率，从而达到调速目的。上一页下一页返回4.5执行元件—交流伺服电动机4.5.4交流伺服电动机的控制方式交流伺服电机的控制方式有3种，分别是幅值控制、相位控制和幅相控制。

(1)幅值控制。控制电压和励磁电压保持相位差90°，只改变控制电压幅值，这种控制方法称为幅值控制。

(2)相位控制。与幅值控制不同，相位控制时控制电压和励磁电压均为额定电压，通过改变控制电压和励磁电压相位差，实现对伺服电机的控制。上一页下一页返回4.5执行元件—交流伺服电动机(3)幅相控制。幅相控制是对幅值和相位差都进行控制，通过改变控制电压的幅值及控制电压与励磁电压的相位差控制伺服电机的转速。当控制电压的幅值改变时，电机转速发生变化，此时励磁绕组中的电流随之发生变化，励磁电流的变化引起电容的端电压变化使控制电压与励磁电压之间的相位角改变。上一页下一页返回4.5执行元件—交流伺服电动机4.5.5交流伺服电动机调速主电路我国工业用电的频率是固定的50Hz，有些欧美国家工业用电的固有频率是60Hz，因此交流伺服电动机的调速系统必须采用变频的方法改变电动机的供电频率。常用的方法有两种:直接的交流一交流