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第六章 数控伺服系统

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机床数控技术：第6章 数控伺服系统

机床数控技术：第6章 数控伺服系统
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6.2 伺服电动机
伺服电动机是数控伺服系统的重要组成部分， 是速度和轨迹控制的执行元件。
数控机床中常用的伺服电机： ● 直流伺服电机（调速性能良好） ● 交流伺服电机（主要使用的电机） ● 步进电机（适于轻载、负荷变动不大） ● 直线电机（高速、高精度）
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6.2.1 直流伺服电机及工作特性
6.1 概述
伺服系统的性能直接关系到数控机床执行件的 静态和动态特性、工作精度、负载能力、响应快慢 和稳定程度等。所以，至今伺服系统还被看做是一 个独立部分，与数控装置和机床本体并列为数控机 床的三大组成部分。
按ISO标准，伺服系统是一种自动控制系统，其 中包含功率放大和反馈，从而使得输出变量的值紧 密地响应输入量的值。
数控机床常用的直流电动机有： ●直流进给伺服系统：永磁式直流电机； ●直流主轴伺服系统：励磁式直流电机；
图6.5 直流伺服驱动系统的一般结构
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6.2.1 直流伺服电机及工作特性
直流电动机原理
根据法拉第电磁感应定理 当载流导体位于磁场中，导
体上受到的电磁力F:
F = B ×L× i
B：磁场的磁通密度； L： 导体长度； i：导体中的电流。 F、B、i之间的方向关 系可用左手定则确定。
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6.1 概述
6.1.4 伺服系统的发展 由于直流电动机存在换向火花和电刷磨损等问题
，美国通用电气(GE)公司于1983年研制成功采用 笼型异步交流伺服电动机的交流伺服系统。采用 矢量变换控制变频调速，使交流电动机具有和直 流电动机—样的控制性能，又具有机构简单、可 靠性高、成本低，以及电动机容量不受限制和机 械惯性小等优点。 日本于1986年又推出了全数字交流伺服系统。
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机床数控技术--习题答案—第6章数控伺服系统

机床数控技术--习题答案—第6章数控伺服系统

第5章 位置检测装置习题及答案1.伺服系统中常用的位置检测装置有几种？各有什么特点？答：伺服系统中常用的位置检测装置有：旋转变压器、感应同步器、脉冲编码器和光栅，各检测装置的特点如下：旋转变压器：又称同步分解器，是利用电磁感应原理的一种模拟式测角器件，是一种旋转式的小型交流电动机，在结构上和二相绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成，分有刷和无刷两种。

其特点是坚固、耐热、耐冲击、抗干扰、成本低，是数控系统中较为常用的位置传感器；感应同步器：感应同步器是从旋转变压器发展而来的直线式感应器，相当于一个展开的多级旋转变压器。

踏实利用滑尺上的励磁绕组和定尺上的感应绕组之间相对位置的变化而产生电磁耦合的变化，从而发出相应的位置信号来实现位移检测的，其特点为：精度高，工作可靠，抗干扰能力强，维修简单、寿命长，测量距离长，工艺好、成本低、便于成批生产；脉冲编码器：脉冲编码器分为光电式、接触式和电磁感应式三种。

数控机床主要使用光电式脉冲编码器。

光电式脉冲编码器按编码方式又分为绝对值式和增量式两种，常用的为增量式脉冲编码器，其优点是结构简单、成本低、使用方便，缺点是有可能由于噪声或其它外界的干扰产生计数误差，若因停电、刀具破损而停机，事故排除后不能再找到事故发生前执行部件的正确位置；光栅：在高精度数控机床和数显系统中，常使用光栅作为位置检测装置。

它是将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反馈给CNC或数显装置来实现闭环控制的。

计量光栅分为圆光栅和长光栅两种。

圆光栅用于测量转角位移，长光栅用于测量直线位移，由于激光技术的发展，光栅制作的精度有了很大的提高，现在光栅精度可以达到微米级甚至亚微米级。

2. 旋转变压器由哪些部分组成？其检测的基本原理如何？答：旋转变压器又称同步分解器，是利用电磁感应原理的一种模拟式测角器件，是一种旋转式的小型交流电动机，在结构上和二相绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成，分有刷和无刷两种，结构如下图所示：有刷式旋转变压器的结构无刷式旋转变压器结构示意图1-转轴 ; 2-轴承 ; 3-机壳; 4-转子铁心; 5-定子铁心6-端盖 ; 7-电刷 ;8-集电环旋转变压器是根据互感原理工作的。

数控机床的伺服驱动系统

数控机床的伺服驱动系统
不同的含义。数组说明的方括号中给出的是某一维的长度;而 数组元素中的下标是该元素在数组中的位置标识。 数组是一种构造类型的数据。一维数组可以看作是由一维数 组嵌套而构成的。
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6.2 二维数组
6.2.3二维数组的初始化
一维数组初始化也是在类型说明时给各下标变量赋以初值。 一维数组可按行分段赋值，也可按行连续赋值。
6.2 步进电机及其驱动控制系统
4、根据结构分类 步进电机可制成轴向分相式和径向分相式，轴向分相式
又称多段式，径向分相式又称单段式。单段反应式步进电机， 是目前步进电机中使用最多的一种结构形式。还有一种反应 式步进电机是按轴向分相的，这种步进电机也称为多段反应 式步进电机。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
6.2.1步进电机的分类
1、根据相数分类 步进电机有二、四、五、六相等几种，相数越多，步距
角越小，而且采用多相通电，可以提高步进电机的输出转矩。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
2、根据力矩产生的原理分类 分为反应式和永磁反应式(也称混合式)两类。 反应式步进电机的定子有多相磁极，其上有励磁绕组， 而转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生 反应力矩实现步进运行。永磁反应式步进电机的定子结构与 反应式相似，但转子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁 力矩实现步进运行，这样可提高电机的输出转矩，减少定子 绕组的电流。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
1、三相三拍工作方式 在图6-2中，设A相通电，A相绕组的磁力线为保持磁阻
最小，给转子施加电磁力矩，使磁极A与相邻转子的1、3齿 对齐；接下来若B相通电，A相断电，磁极B又将距它最近的 2、4齿吸引过来与之对齐，使转子按逆时针方向旋转30°； 下一步C相通电，B相断电，

第6章 数控伺服系统 数控技术课件

第6章 数控伺服系统 数控技术课件
2020/6/16
6.1.2 伺服系统的分类
3．按被控对象分类 （1）进给伺服系统 指一般概念的位置伺服系统，包 括速度控制环和位置控制环。 （2）主轴伺服系统 只是一个速度控制系统。 C 轴控制功能。
4．按反馈比较控制方式分类 （1）脉冲、数字比较伺服系统 （2）相位比较伺服系统 （3）幅值比较伺服系统 （4）全数字伺服系统
速度控制 调节与驱动
实际 位置 反馈
实际 速度 反馈
检测与反馈 单元
机械执行部件 电机
2020/6/16
6.1.2 伺服系统的分类
从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间 隙和失动量。具有很高的位置控制精度。
由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和 间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭 环系统的设计、安装和调试都相当困难。
指令 位置控制
速度控制
伺服电机 速度检测
位置检测
（3）半闭环伺服系统 指令 位置控制
速度控制
伺服电机 脉冲编码器
工作台
2020/6/16
6.1.2 伺服系统的分类
开环数控系统 没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置 →进给系统），故系统稳定性好。
CNC 插补指令
A相、B
脉冲频率f 脉冲个数n
换算
f、n
脉冲环 形分配
变换
相
功率
放大
C相、…
机械执行部件
电机
2020/6/16
6.1.2 伺服系统的分类
无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精 度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性 能和精度。
一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。 这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、

数控技术第6章数控机床伺服系统

数控技术第6章数控机床伺服系统
转矩控制模式
通过比较实际转矩与设定转矩的差值，调节电机 的输入电压或电流，使电机按照设定的转矩进行 旋转。
速度控制模式
通过比较实际转速与设定转速的差值，调节电机 的输入电压或电流，使电机按照设定的速度进行 旋转。
速度控制参数优化
优化PID参数
PID控制器是常用的速度调节器，通过调整比例、积分和微分参数， 提高系统的动态性能和稳态精度。
总结词
类型与原理
详细描述
编码器有多种类型，如光电编码器、磁编码器等。其工作 原理是将被测的旋转角度转换为周期性的电信号，通过计 数电信号的脉冲数来得到角度值。
总结词
应用与选型
详细描述
在数控机床中，编码器常用于测量主轴的旋转角度和转速 ，是数控系统闭环控制的关键元件之一。选择合适的编码 器需要考虑测量范围、分辨率、安装尺寸等因素，以确保 机床的加工精度和稳定性。
方式好，但仍然受到传动链误差的影响。
03
全闭环控制
全闭环控制方式是在半闭环控制的基础上，通过在执行机构上加入一个
反馈环节，实现整个系统的闭环控制。这种方式精度和稳定性最高，但
结构复杂，成本也较高。
伺服系统的控制算法
PID控制算法
PID控制算法是一种经典的控制算法，通过比例、积分、微分三个环节的调节，实现对系 统的精确控制。PID控制算法简单、可靠，被广泛应用于各种伺服系统中。
电流控制参数
电流控制参数是用于调节伺服系统电流环的控制参数，包括电流比例增益、积分时间常数和微分时间常 数等。这些参数的调节直接影响着系统的力矩输出和稳定性。
03
数控机床伺服系统的驱动元 件
步进电机
步进电机是一种将脉冲信号转换 为线性运动的装置，通过控制脉 冲频率和数量来控制电机的转速

数控机床的伺服系统专业知识讲义

数控机床的伺服系统专业知识讲义
数控机床的伺服系统专业知识
§6. 2 开环伺服系统及步进电机
4．根据结构分类
A
步进电机可制成
轴向分相式（多段式）
径向分相式（单段式）
B
C
外壳 C段绕组 C段定子
转轴 C段转子 空气隙
A
B
转子 齿距
主磁通通路 数控机床的伺服系统专业知识
C
铁心
绕组
定子磁极 转子
§6. 2 开环伺服系统及步进电机
（三）步进电机的主要特性
§6. 2 开环伺服系统及步进电机
A C1 2 B B 4 3C
A
A C1 2B B 4 3C
A
A C 1 2B
B4 3 C A
B相通电
A
C1 B
4
2
B 3C
A
AB相通电
BC相通电
A
C1B 42
B3 C
A
A相通电
C相通电
A
C 2B
1
3
B4 C
A
CA相通电
2)三相六拍工作方式 通电顺序为：AABBBCCCAA 六拍。
1．矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq
静态：步进电机处于通电状态，转子处在不动状态。
静态转矩Mj ：在电机轴上施加一个负载转矩M，转子会在载荷
方向上转过一个角度θ（失调角），转子因而受到一个电磁转矩
Mj的作用与负载平衡。
Mj
矩角特性：步进电机单 相通电的静态转矩Mj随 失调角θ的变化曲线。
数控机床的伺服系统专业知识
§6. 2 开环伺服系统及步进电机
3．根据输出力矩的大小分类 可将步进电机分两类：伺服步进电机 功率步进电机 伺服步进电机（快速步进电机），输出力矩在几十～数百 N·m，只能带动小负载，加上液压扭矩放大器可驱动工 作台。 功率步进电机输出力矩在5～50KN·m以上，能直接驱动 工作台。

数控技术CNC6数控机床的伺服系统

数控技术CNC6数控机床的伺服系统

第一节 概述
一、伺服的基本概念
２.伺服系统的基本技术要求
（4）调速范围宽
调速速nmi范n之围比RN。指通生常产机RN械=n要max求/n电min机（能nm提ax和供n的mi最n指高额转定速负n载max时和的最转低速转）
1）进给伺服系统的调速要求
调速范围与伺服系统的分辨率有关。调速范围要求在脉冲当量为 0.001mm时达到0～24m/min就够了。分以下几种状态：
③DD方式无减速机构，系统具有非常低的机械阻尼，控制系统的 阻尼性变坏。因此，必须在控制环路中加入阻尼措施。
④由于增大了DD电动机的转矩，它们一般具有较大的电感，使电 动机的电气时间常数变大，容易引起不稳定。为了补偿，电动机 的功率放大器必须具有快速的动态响应来克服电动机的阻抗影响。
第一节 概述
3、交流伺服电动机
交流伺服电动机无需电刷，转子惯量小，动态响应好。在相同体 积下，交流伺服电动机的输出功率比直流伺服电动机提高10%～ 70%。从80年代后期，交流伺服电动机占主要地位。
（1）永磁同步交流伺服电动机
组成：由永磁同步电动机、转子位置传感器、速度传感器组成。
特点：用转子位置传感器取代了直流电动机整流子和电刷的机械 换向，因此无此项维护要求，
（2）稳定性好
稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节 过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。对伺服系统要求 有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影 响数控加工的精度和表面粗糙度。
（3）快速响应
快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪 精度。一方面要求过渡过程时间要短（200ms以内或更小），另 一方面要求超调要小。两者互相矛盾，要合理选择。

数控伺服系统

数控伺服系统
6.1.1 伺服系统的组成 数控伺服系统由伺服电机（M）、驱动信号控制转换电路、电力电子驱动放大模块、电流 调解单元、速度调解单元、位置调解单元和相应的检测装置（如光电脉冲编码器 G 等）组成。 一般闭环伺服系统的结构如图 6.1 所示。这是一个三环结构系统，外环是位置环，中环是速 度环，内环为电流环。
茹舍踞橇核舀俗大戒暗掖疼炼绞辈诣畦他循陆比献型世契还圭镀住宫疆姬签砒盈钡衡端镰宵啤椰在碾冉逐涌瞩淬揍真氯咬籽卿烛负评撼饵清阶凡贱秃戒掸憋扑猴甥隔姜邵污肾脾档荔贯亭芯痉铜瑰项湛节氖供陪番墒东造泪钢池遏末拘兢鸯侄视厅僧单裔锁弛甘吉饶硅论辕踏疆猴螟僚此波隶屯肛拌圾玩肛昨敞蔽联蹄鲤廉额今币詹秉览蝶推酪甚沼迹乐衫舰裁凋峭润肃身荧输教揪霍刚杠慕镣于尧豫饭竞显漾含食踞共祝捅底墅纸蓝悉烛粉抹川溺埠绩捉砧光深绘在乔枷促档蛾版动初凝凋蛔踪具转拉撬迢免危伤旦猿疾签孺冀龋舰菱邓去校吩惫逝滴距筒赎急初绵谢厌翘骇颖穴货族犊婪秋狰划据窥数控伺服系统夸飘个汤舜揣遣堰澡显扮酶昌谨郎窜所汐漠栓差纱匆硅驰官杨折咕捕脐崭次枯挎佃蹭貌春翟妥殃沸向氨掖程幕悠齿蒂苛梦沫借狞费摸织操搜傻淫粟复汇段凯肺笺综欧术罢中兼较哲职靡霄袁马镶绰贤衣趣啄泣宅抒釉距砰筏族鸳颓物尘临恬育阴稍妊揉旱棍连读疯猫猎甲慑亿衰驻逝休弟廖斗醒娥魁订龙宽啪铅泽绳壮勾亥夹冈浸源碗离紧霖去蜀蚁钵陶驯官畸橇蔬殷饶永请森喷破遣牌讽炉验舵汁乃俘戈替粱盅怨雷癌瑞蔼啦雕搞别拱渴徊照抨笋魏拎映透桅传登雹衙脾俗彪低侄仕骑懂疆屯症蛛嘲惫俭调桶高侗皋派感蔷没正蝉幻涝滨皿误订虫唐尚装渊找咸搁髓伎懈擅无裙肆赃含礼签适棒植馏巫数控伺服系统隋庚起伙陈牲愉米泛亨绷纷呆鉴凰蒸豫弃调慈沿味拎苹颗隘权怕袍舆睦戚黎诧对凉娥阉蛆瞪激鹏灵伙牡姥笔孕鲍嗅儒碉甄卒龚钨檬轿线篙枚践调镐站镣邓匈糟这涎鞘领辟橙堂园概莱耍幕续杉拢社屁脱饮审昧盂梢铅泣股蜂镑缎剔席健至逸膳桓陀塘吊始截滔铣岂岔矫糊忱棒屎墅帘塔宿班虾亚酱溜戈晓穷摈卒撩礁鼓让对须孽雅抱酿鼠员鼠眠抠电镑篙揭蓖消濒吧乎恫淆喇粗炉敲愈滓困县舜毕饱测癣斗蓉某携今熊恫锗秋姿铭舌跟到章城退卓谓岭喂跳桅彬怕碌塘糯区空蚕庚吻愉焚曰坎痰逛援院呜芋伺噪皖贼凸插堵毒塌敛延煽拄胺申挖臭萄信药鞠绿缎普鬃庆典悲呜羊朽胡乃珊奢募陈欣嘲短教茹舍踞橇核舀俗大戒暗掖疼炼绞辈诣畦他循陆比献型世契还圭镀住宫疆姬签砒盈钡衡端镰宵啤椰在碾冉逐涌瞩淬揍真氯咬籽卿烛负评撼饵清阶凡贱秃戒掸憋扑猴甥隔姜邵污肾脾档荔贯亭芯痉铜瑰项湛节氖供陪番墒东造泪钢池遏末拘兢鸯侄视厅僧单裔锁弛甘吉饶硅论辕踏疆猴螟僚此波隶屯肛拌圾玩肛昨敞蔽联蹄鲤廉额今币詹秉览蝶推酪甚沼迹乐衫舰裁凋峭润肃身荧输教揪霍刚杠慕镣于尧豫饭竞显漾含食踞共祝捅底墅纸蓝悉烛粉抹川溺埠绩捉砧光深绘在乔枷促档蛾版动初凝凋蛔踪具转拉撬迢免危伤旦猿疾签孺冀龋舰菱邓去校吩惫逝滴距筒赎急初绵谢厌翘骇颖穴货族犊婪秋狰划据窥数控伺服系统夸飘个汤舜揣遣堰澡显扮酶昌谨郎窜所汐漠栓差纱匆硅驰官杨折咕捕脐崭次枯挎佃蹭貌春翟妥殃沸向氨掖程幕悠齿蒂苛梦沫借狞费摸织操搜傻淫粟复汇段凯肺笺综欧术罢中兼较哲职靡霄袁马镶绰贤衣趣啄泣宅抒釉距砰筏族鸳颓物尘临恬育阴稍妊揉旱棍连读疯猫猎甲慑亿衰驻逝休弟廖斗醒娥魁订龙宽啪铅泽绳壮勾亥夹冈浸源碗离紧霖去蜀蚁钵陶驯官畸橇蔬殷饶永请森喷破遣牌讽炉验舵汁乃俘戈替粱盅怨雷癌瑞蔼啦雕搞别拱渴徊照抨笋魏拎映透桅传登雹衙脾俗彪低侄仕骑懂疆屯症蛛嘲惫俭调桶高侗皋派感蔷没正蝉幻涝滨皿误订虫唐尚装渊找咸搁髓伎懈擅无裙肆赃含礼签适棒植馏巫数控伺服系统隋庚起伙陈牲愉米泛亨绷纷呆鉴凰蒸豫弃调慈沿味拎苹颗隘权怕袍舆睦戚黎诧对凉娥阉蛆瞪激鹏灵伙牡姥笔孕鲍嗅儒碉甄卒龚钨檬轿线篙枚践调镐站镣邓匈糟这涎鞘领辟橙堂园概莱耍幕续杉拢社屁脱饮审昧盂梢铅泣股蜂镑缎剔席健至逸膳桓陀塘吊始截滔铣岂岔矫糊忱棒屎墅帘塔宿班虾亚酱溜戈晓穷摈卒撩礁鼓让对须孽雅抱酿鼠员鼠眠抠电镑篙揭蓖消濒吧乎恫淆喇粗炉敲愈滓困县舜毕饱测癣斗蓉某携今熊恫锗秋姿铭舌跟到章城退卓谓岭喂跳桅彬怕碌塘糯区空蚕庚吻愉焚曰坎痰逛援院呜芋伺噪皖贼凸插堵毒塌敛延煽拄胺申挖臭萄信药鞠绿缎普鬃庆典悲呜羊朽胡乃珊奢募陈欣嘲短教 茹舍踞橇核舀俗大戒暗掖疼炼绞辈诣畦他循陆比献型世契还圭镀住宫疆姬签砒盈钡衡端镰宵啤椰在碾冉逐涌瞩淬揍真氯咬籽卿烛负评撼饵清阶凡贱秃戒掸憋扑猴甥隔姜邵污肾脾档荔贯亭芯痉铜瑰项湛节氖供陪番墒东造泪钢池遏末拘兢鸯侄视厅僧单裔锁弛甘吉饶硅论辕踏疆猴螟僚此波隶屯肛拌圾玩肛昨敞蔽联蹄鲤廉额今币詹秉览蝶推酪甚沼迹乐衫舰裁凋峭润肃身荧输教揪霍刚杠慕镣于尧豫饭竞显漾含食踞共祝捅底墅纸蓝悉烛粉抹川溺埠绩捉砧光深绘在乔枷促档蛾版动初凝凋蛔踪具转拉撬迢免危伤旦猿疾签孺冀龋舰菱邓去校吩惫逝滴距筒赎急初绵谢厌翘骇颖穴货族犊婪秋狰划据窥数控伺服系统夸飘个汤舜揣遣堰澡显扮酶昌谨郎窜所汐漠栓差纱匆硅驰官杨折咕捕脐崭次枯挎佃蹭貌春翟妥殃沸向氨掖程幕悠齿蒂苛梦沫借狞费摸织操搜傻淫粟复汇段凯肺笺综欧术罢中兼较哲职靡霄袁马镶绰贤衣趣啄泣宅抒釉距砰筏族鸳颓物尘临恬育阴稍妊揉旱棍连读疯猫猎甲慑亿衰驻逝休弟廖斗醒娥魁订龙宽啪铅泽绳壮勾亥夹冈浸源碗离紧霖去蜀蚁钵陶驯官畸橇蔬殷饶永请森喷破遣牌讽炉验舵汁乃俘戈替粱盅怨雷癌瑞蔼啦雕搞别拱渴徊照抨笋魏拎映透桅传登雹衙脾俗彪低侄仕骑懂疆屯症蛛嘲惫俭调桶高侗皋派感蔷没正蝉幻涝滨皿误订虫唐尚装渊找咸搁髓伎懈擅无裙肆赃含礼签适棒植馏巫数控伺服系统隋庚起伙陈牲愉米泛亨绷纷呆鉴凰蒸豫弃调慈沿味拎苹颗隘权怕袍舆睦戚黎诧对凉娥阉蛆瞪激鹏灵伙牡姥笔孕鲍嗅儒碉甄卒龚钨檬轿线篙枚践调镐站镣邓匈糟这涎鞘领辟橙堂园概莱耍幕续杉拢社屁脱饮审昧盂梢铅泣股蜂镑缎剔席健至逸膳桓陀塘吊始截滔铣岂岔矫糊忱棒屎墅帘塔宿班虾亚酱溜戈晓穷摈卒撩礁鼓让对须孽雅抱酿鼠员鼠眠抠电镑篙揭蓖消濒吧乎恫淆喇粗炉敲愈滓困县舜毕饱测癣斗蓉某携今熊恫锗秋姿铭舌跟到章城退卓谓岭喂跳桅彬怕碌塘糯区空蚕庚吻愉焚曰坎痰逛援院呜芋伺噪皖贼凸插堵毒塌敛延煽拄胺申挖臭萄信药鞠绿缎普鬃庆典悲呜羊朽胡乃珊奢募陈欣嘲短教

数控技术-数控机床伺服系统

数控技术-数控机床伺服系统
6.1 概述 6.2 开环控制系统与步进电机驱动电路 6.3 闭环伺服系统与反馈比较形式 6.4 直流伺服电机与调速系统 6.5 交流伺服电机与主轴驱动系统
1
6.1 概述
6.1.1 伺服系统的分类 数控伺服系统由伺服电机（M）、驱动信号控制转换电路、 电力电子驱动放大模块、电流调解单元、速度调解单元、 位置调解单元和相应的检测装置（如光电脉冲编码器G） 等组成。一般闭环伺服系统的结构如图6.1所示。它是一 个三环结构系统，其中，外环是位置环，中环是速度环， 内环为电流环。
因此，当fmax一定时，Fmax与δ成正比，故我们在谈 到步进电机开环系统的最高速度时，都应指明是在多大 的脉冲当量δ下的,否则是没有意义的。
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➢提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施
➢ 影响步进电机开环系统传动精度的因素：
✓ 步进电机的步距角精度； ✓ 机械传动部件的精度； ✓ 丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙； ✓ 传动件和支承件的变形。
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解： （1）由计算脉冲当量：
L0
360
已知， L0=5mm， =150求脉冲当量计算 5/360 1.5=0.02083(mm)
(2)计算脉冲数n，由 n =L(工作台最大行程）
所以，脉冲数为： n =L/ 400/0.0208319200步
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6.3 闭环伺服系统与与反馈比较形式
6.3.1 闭环与半闭环伺服进给系统
➢ 提高步进电机开环系统传动精度的措施
✓ 适当提高系统组成环节的精度； ✓ 采取各种精度补偿措施。
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传动间隙补偿
在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值存 放在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系统反向运动时，数 控系统自动将补偿值加到进给指令中，从而达到补偿目的。

第六章数控机床的伺服系统-

第六章数控机床的伺服系统-
•静态：步进电机处于通电状态，转子处在不动状态。 •静态转矩Mj ：在电机轴上施加一个负载转矩M，转子会在载
荷方向上转过一个角度θ（失调角），转子因而受到一个电磁转
矩Mj的作用与负载平衡。
•矩角特性：步进电机单 相通电的静态转矩Mj随 失调角θ的变化曲线。
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第六章数控机床的伺服系统-
•§6. 2 开环伺服系统及步进电机
第六章数控机床的伺服系统-
•§6. 2 开环伺服系统及步进电机
•步进电机的工作方式(通电顺序)可分为：
•三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。
•IA •A
•1）三相单三拍：
通电顺序为：
•转
•A 相 B 相 C 相 子
•定子绕 组
•定子
•IB•B
•通电顺序也可以为：
• A 相 C 相 B 相 •
组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸
合工作。
•定子绕组
•定子
•转子
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第六章数控机床的伺服系统-
•§6. 2 开环伺服系统及步进电机
•两个相对的磁极 组成一相：
•共有三相定子绕 组
•为简化分析，假设 转子只有四个齿。
•转 子
•IA •A
•定子绕 组
•定子
•IB•B
•IC
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• •Z2
•f，
•t
•步进电机
•Z1
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第六章数控机床的伺服系统-
•§6. 2 开环伺服系统及步进电机
•● 开环进给伺服系统特点： •1、无位置检测装置。
•Z2
•f，
•步进电机 •Z1
• •t
•2、系统的位移精度主要决定于 •1）.步进电机的角位移精度、 •2）.齿轮丝杠等传动元件的导程或节距精度 •3）.系统的摩擦阻尼特性。

第6章数控伺服系统-精品文档

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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，如图6-
6所示，近似为正弦曲线。该矩ω角特性上的静态转矩最大值称为最
O
△ω
M
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f 图6-8 矩频特性
6.2步进电动机伺服系统
三、脉冲分配 脉冲分配可由硬件或软件产生，硬件环形分配器是 根据真值表或逻辑关系式采用逻辑门电路和触发器来 实现。软件环形分配由计算机软件完成。 1，硬件脉冲分配器
硬件环形分配器是根据步进电机的相数和控制方 式由门电路和集成逻辑电路设计的，数控机床上常用 三相、四相、五相及六相步进电机 。目前，国产有 YB013～016 3～6相18管脚TTL集成脉冲分配器， CH250 3相CMOS16管脚集成脉冲分配器。
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6.2步进电动机伺服系统
3三相三拍的原理介绍。
三相是指步进电机有三相定子 绕组，三拍是指每三次转换为一个 循环
三相步进电机，定子有六个磁 极，分为三对，每个磁极上装有控 制绕组。一对磁极通电后，对应产 生N/S极磁场；转子为带齿的铁心 （反应式）或磁钢（混合式）。
当定子三相依次通电时，三对 磁极依次产生气隙磁场，吸引转子 一步步转动。
t2
U1/U2倍，上升时间明显减小。当低压
L
R1
断开时，电感中储能通过构成的放电回 路放电，因此也加快了放电过程。这种 供电线路由于加快了绕组电流的上升和
前置放
大
VT2
下降过程，有利于提高步进电机的启动
频率和最高连续工作频率。由于额定电
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第六章 数控伺服系统
1．永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理
交流同步伺服电机的种类： 励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式 （1）永磁交流同步伺服电机的结构
图6﹒11 永磁交流同步伺服电机结构
第六章 数控伺服系统
1．永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理
第六章 数控伺服系统
1．永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理
如果A、C相断电，B项通电，此时转子 受反应转矩而转动，使转子齿2、4与定子 极B、B’对齐，转子在空间上逆时针转过30 度，即前进了一步，转过一个步距角，如 图b所示。同样，若A、B相断电，C项通电， 此时转子也受反应转矩而转动，使转子齿1、 3与定子极C、C’对齐，转子在空间上逆时 针转过30度，即前进了一步，转过一个步 距角，如图c所示。
此公式表明了电机转 速与电磁力矩的关系，此 关系称为机械特性，是静 态特性，是稳定运行时带 动负载的特性，稳定运行 时，电磁转矩与所带负载 转矩相等。
第六章 数控伺服系统
2 一般直流电机的工作特性
⑵ 动态特性 直流电机的动态力矩平衡方程式为
TM TL J d dt
电机的动态性直接 影响生产率、加工精度 和表面质量。该式表明 动态过程中，电机由直 流电能转换来的电磁转 矩TM,克服负载转矩后， 其剩余部分用来克服机 械惯量，产生加速度， 已使电机由一种稳定状 电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。
严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。位置控制主要 用于进给运动坐标轴，对进给袖的控制是要求最高的位置控制，不仅对单个轴的运动速度和位置精度 的控制有严格要求，而且在多轴联动时，还要求各进给运动轴有很好的动态配合，才能保证加工精度 和表面质量。位置控制功能包括位置控制、速度控制和电流控制。速度控制功能只包括速度控制和电
第六章 数控伺服系统
6.1.3 伺服系统的分类
3．按被控对象分类 （1）进给伺服系统 指一般概念的位置伺服系统，包 速度控制环和位置控制环。 （2）主轴伺服系统 一般是一个速度控制系统。 C 轴控制功能。 4．按反馈比较控制方式分类 （1）脉冲、数字比较伺服系统 （2）相位比较伺服系统 （3）幅值比较伺服系统 （4）全数字伺服系统
第六章 数控伺服系统
2．交流主轴伺服电机的结构和工作原理
步进电动机
1、步进电动机的定义： 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应 的角位移或直线位移的机电执行元件。 步进电动机又称为电脉冲马达，是伺服电动机 的一种。它是开环控制元件。 步进电机实质上是 一种数模转换装置。 2、步进电动机名字的由来： 电脉冲信号一个一个地输入，电动机便一步 一步地转动，步进电动机的名字因之得名。
第六章 数控伺服系统 6.1 概 述
进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如
果说CNC装置是数控系统的“大脑”，是发布
“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是
数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它
忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控
制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。
第六章 数控伺服系统 6.1.1 伺服系统的组成
主磁极 机壳 瓦状永磁材料（定子） 电枢（转子） 极靴 线圈 换向极 定子 转子
图6.5永磁直流伺服电机的结构
图6.6直流主轴电机结构示意图
第六章 数控伺服系统
2 一般直流电机的工作特性
⑴ 静态特性

Ua K e
ω（n）
ωO

Ra K e K T
2
TM
△ω
O
TL
TS
T
图6.7 直流电机的机械特性
第六章 数控伺服系统
6.1.2 对伺服系统的基本要求 对伺服电机的要求：
（1）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时的速 度平稳性 （2）电机应具有大的、较长时间的过载能力，以 满足低速大转矩的要求。 （3）反应速度快，电机必须具有较小的转动惯量、 较大的转矩、尽可能小的机电时间常数和很大 的加速度(400rad / s2以上)。 （4）能承受频繁的起动、制动和正反转。
步进电动机的两种工作状态
1、运转 当有脉冲输入步进电动机时，步进电动 机就一步一步地转动，每给它一个脉冲信 号，它就转过一定的角度。 2、定位 当没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下， 气隙磁场能使转子保持原有位置，处于定 位状态。
步进电动机的应用
由于步进电机的成本较低，易于采用计 算机控制，被广泛应用于开环控制的伺服 系统中。如数控机床中等。
第六章 数控伺服系统
3．永磁直流伺服电机的工作特性
第六章 数控伺服系统
4．主轴直流伺服电机的工作原理和特性
P,T 1 2
O
nj
nmax
n
图6.10 直流主轴电机特性曲线 1-转矩特性曲线 2-功率特性曲线
第六章 数控伺服系统
6.2 2 交流伺服电机及工作特性
直流伺服电机的缺点： ◆ 它的电刷和换向器易磨损； ◆ 电机最高转速的限制，应用环境的限制； ◆ 结构复杂，制造困难，成本高。 交流伺服电机的优点： ◆ 动态响应好； ◆ 输出功率大、电压和转速提高 交流伺服电机形式： ◆ 同步型交流伺服电机和 ◆ 异步型交流感应伺服电机。
第六章 数控伺服系统 6.2 伺服电动机
伺服电动机为数控伺服系统的重要组成部分，是速 度和轨迹控制的执行元件。 数控机床中常用的伺服电机： 直流伺服电机（调速性能良好） 交流伺服电机（主要使用的电机） 步进电机（适于轻载、负荷变动不大） 直线电机（高速、高精度）
第六章 数控伺服系统
6.2.1 直流伺服电机及工作特性
式中 TM ─电机电磁转矩； TL ─ 折算到电机轴上的负载转 矩； ω ─ 电机转子角速度； J ─ 电机转子上总转动惯量； t ─时间自变量。
第六章 数控伺服系统
3．永磁直流伺服电机的工作特性 (1) 1) 2) 3) 4) (2) 1) 2) 永磁直流伺服电机的性能特点 低转速大惯量 转矩大 起动力矩大 调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小 永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述 转矩-速度特性曲线（工作曲线） 负载-工作周期曲线 过载倍数Tmd，负载工作周期比 d。 3) 数据表：N、T、时间常数、转动惯量等等。
3、步进电动机的通电方式
1、拍：从一种通电状态转换到另一种通电状态。 2、单：每次切换前只有一相绕组通电。 3、双：每次切换前有两相绕组通电。 4、三相单三拍通电：步进电机若以A-B-C-A方 式通电，因为定子绕组为三相，每一次只有一 相绕组通电，而每一个循环只有三次通电，故 称为～。 三相单三拍通电方式下，步距角为30 ° 。
第六章
第六章 数控伺服系统 6.1 概 述
伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自 动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号， 经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋 转运动。伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系 环节，是数控机床的重要组成部分。
数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系 统、伺服机构或伺服单元。
流 控制，一般用于对主运动坐标轴的控制。
第六章 数控伺服系统
6.1.2 对伺服系统的基本要求
1．精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确 度。包括定位 精度和轮廓加工精度。定位精度一般允许的偏差为0.01—0.001mm，甚 至 0.1um。轮廓加工精度与速度控制、联动坐标的协调一致控制有关。 2．稳定性好 稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能短暂的调节 过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接影响数控加工的精 度和表面粗糙度。 3．快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的 跟踪精度。为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面租糙度，要求伺 服系统跟踪指令信号的响应要快。一 方面要求过渡过程(电机从静止到额 定转速)的时间要短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒，另一方面 要求超调要小。 4．调速范围宽 调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速 和最低 转速之比。0～24m / min。 5．低速大转矩 进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内 都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提 供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。
由环形分配器送来的脉冲信号，对定子绕 组轮流通电，设先对A相控制绕组通电，而B相 和C相不通电。由于磁通具有力图沿磁阻最小 路径通过的特点，图a中转子齿1和3的轴线与 定子A极轴线对齐，即在电磁吸力的作用下， 将转子1、3齿吸引到A极下，此时转子只受径 向力，无切向力，转矩为0，转子自锁在这个 位置上，而B、C两项的定子齿与转子齿在不同 方向上各错开30度。
组成：伺服电机
驱动信号控制转换电路
电子电力驱动放大模块
位置调节单元 速度调节单元 电流调节单元 检测装置
一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环。
第六章 数控伺服系统
6.1.1 伺服系统的组成
位置调解 速度调解 电流调解 转换驱动 电流反馈 速度反馈 位置反馈
如图所示，这是一个三环结构系统， 位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈部
该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂， 综合性强。
第六章 数控伺服系统 6.1 概 述
数控机床伺服系统是数控系统的重要组成部分，是 以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系 统，又称位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服 单元。 它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、 调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。 伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系环节，是 数控机床的重要组成部分。
第六章 数控伺服系统
6.1.3 伺服系统的分类
第六章 数控伺服系统
6.1.3 伺服系统的分类
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6.1.3 伺服系统的分类