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数控机床 课件 闭环伺服系统概述

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数控机床的伺服系统

数控机床的伺服系统

第七章 数控机床的伺服系统
但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂， 价格也高。进入80年代后，由于交流电机调速技术的突破，交 流伺服驱动系统进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服 电机，转子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修， 制造简单，适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速 度方向发展，其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统， 交流伺服电机已在数控机床中得到广泛应用。
第七章 数控机床的伺服系统
进给伺服系统的作用：接受数控装臵发出的进给速度和位 移指令信号，由伺服驱动装臵作一定的转换和放大后，经伺服 电机（直流、交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动机 构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。 数控机床的进给伺服系统能根据指令信号精确地控制执行 部件的运动速度与位臵，以及几个执行部件按一定规律运动所 合成的运动轨迹。如果把数控装臵比作数控机床的“大脑”， 是发布“命令”的指挥机构，那么伺服系统就是数控机床的 “四肢”，是执行“命令”的机构，它是一个不折不扣的跟随 者。
第七章 数控机床的伺服系统
二、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。
第七章 数控机床的伺服系统
直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直 演变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动 能的一种推力装臵，是一种较为理想的驱动装臵。在机床进给 系统中，采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的最大区别是 取消了从电动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传 动链的长度缩短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动 机驱动方式无法达到的性能指标和优点。由于直线电动机在机 床中的应用目前还处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。 随着各相关配套技术的发展和直线电动机制造工艺的完善，相 信用直线电动机作进给驱动的机床会得到广泛应用。

《闭环伺服系统设计》课件

《闭环伺服系统设计》课件

自动化生产线伺服系统需要具备高精 度、快速响应和同步控制能力，以确 保生产线的稳定运行。
航空航天伺服系统
航空航天伺服系统是用于控制航 空器和航天器运动的关键技术之 一，具有高精度、高可靠性和耐
极端环境的特点。
航空航天伺服系统需要适应高速 、高海拔和强辐射等极端环境， 确保飞行器和航天器的安全和稳
定。
制作过程中应注重工艺控制， 保证电路板的加工精度和可靠 性。
电机驱动电路设计
01
电机驱动电路是伺服系统的动力 来源，其设计直接影响到伺服系 统的性能。
02
电机驱动电路设计应充分考虑电 机的电气特性，如电压、电流、 电阻等，以确保电机正常工作。
设计中应注重控制精度和响应速 度，以满足伺服系统的需求。
系统调试与优化
系统调试步骤
介绍系统调试的基本步骤、调试方法以及在闭 环伺服系统中的应用。
系统优化技巧
阐述系统优化的基本原则、优化方法以及在闭 环伺服系统中的应用。
性能测试与评估
介绍性能测试的方法、评估标准以及在闭环伺服系统中的应用。
2023
PART 05
闭环伺服系统应用案例
REPORTING
数控机床伺服系统
驱动方式
根据电机类型选择合适的驱动电路或驱动器，如H桥、三相逆变器等。
电Hale Waihona Puke 参数根据系统性能指标确定电机的转速、转矩、功率等参数。
电机控制
通过调整输入电压或电流实现对电机的速度和位置控制。
传感器与反馈控制
传感器类型
选择能够准确测量系统状态（如位置 、速度、加速度等）的传感器。
反馈控制
通过传感器反馈的系统状态信息，与 理想状态进行比较，形成误差信号， 用于调整系统输出。

闭环伺服系统设计

闭环伺服系统设计
设计用户登录界面和权限管理功能，确保系统的安全性和 可靠性。
主控界面设计
设计简洁明了的主控界面，方便用户进行系统监控和控制。
自定义报表和图形显示
根据用户需求，设计各类报表和图形显示，提供直观的数 据分析和可视化功能。
05 闭环伺服系统调试与优化
系统调试流程
硬件检查
检查伺服系统的硬件连接是否 正确，确保电机、编码器、驱
数据分析
对记录的数据进行统计分析，找出最优的控制参数组合。
参数应用
将最优的控制参数应用到伺服系统中，并进行验证和确认。
06 闭环伺服系统发展趋势与 展望
新技术与新材料的应用
01
数字孪生技术
利用数字孪生技术建立系统的虚拟模型，实现物理系统与数字模型的实
时交互，提高系统的预测和优化能力。
02
新型传感器技术
模糊控制算法
基于模糊逻辑和专家经验， 处理不确定性和非线性问 题，提高系统鲁棒性。
神经网络控制算法
模拟人脑神经元网络，通 过学习自适应调整系统参 数，实现复杂系统的智能 控制。
通信协议设计
串行通信协议
如RS-232、RS-485等，实现设备间的数据传输和命令控制。
网络通信协议
如TCP/IP、UDP等，实现远程数据交换和控制，提高系统扩展性。
驱动器选型与设计
01
02
03Байду номын сангаас
驱动器类型选择
根据电机类型和控制需求， 选择合适的驱动器类型， 如直流电机驱动器、交流 电机驱动器等。
驱动器参数匹配
根据电机参数和控制要求， 选择合适的驱动器参数， 如电压、电流、功率等。
驱动器控制算法
根据电机控制策略，设计 驱动器的控制算法，如 PID控制、模糊控制等。

数控技术 第七章 数控机床的进给伺服系统

数控技术 第七章 数控机床的进给伺服系统

三 步进电动机的基本控制方法
（2） 双电压功率放大电路 优点：功耗低，改善了脉冲 优点：功耗低， 前沿。 前沿。 缺点：高低压衔接处电流波 缺点： 形呈凹形， 形呈凹形，使步进电机 输出转矩降低， 输出转矩降低，适用于 大功率和高频工作的步 进电机。 进电机。
三 步进电动机的基本控制方法
（3） 斩波恒流功放电路 优点： 优点：1）R3较小（小 R3较小（ 较小 于兆欧） 于兆欧）使整个 系统功耗下降， 系统功耗下降， 效率提高。 效率提高。 2）主回路不串 电阻， 电阻，电流上升 快，即反应快。 即反应快。 3）由于取样绕 组的反馈作用， 组的反馈作用， 绕组电流可以恒定在确定的数值上， 绕组电流可以恒定在确定的数值上，从而保证在很大频率范 围内，步进电机能输出恒定的转矩。 围内，步进电机能输出恒定的转矩。
二 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； ； 一般要求定位精度为 高档设备的定位精度要求达到0.1um以上。 以上。 高档设备的定位精度要求达到 以上 2 快速响应 3 调速范围宽 调速范围指的是 max/nmin 。 调速范围宽:调速范围指的是 调速范围指的是:n 进给伺服系统:一般要求 进给伺服系统 一般要求0~30m/min，有的已达到 一般要求 ，有的已达到240m/min 主轴伺服系统:要求 主轴伺服系统 要求1:100~1:1000恒转矩调速 要求 恒转矩调速 1:10以上的恒功率调速 以上的恒功率调速
一 直流伺服电动机调速原理
7-30 直流电动机的机械特性
二 直流电动机的PWM调速原理 直流电动机的 调速原理
7-24 脉宽调制示意图 脉宽调制示意图
Ud =
τ
T
U = δ T U δ T 称为导通率

第四章-数控机床的驱动与控制系统-伺服系统与位置检测概要PPT课件

第四章-数控机床的驱动与控制系统-伺服系统与位置检测概要PPT课件

ii）. 鉴幅式
励磁电压：
Us =(Umsin)sinwt Uc =(Umcos)sinwt
q q 感应电势： E = K U m sinsin w tc o s K U m c o ssin w tsin = K U m sin w tsin ( q)
当改变α ，使U=0，则θ=α, 而α为已知量，同旋转变压器有：
只需要测出转子感应电压的相位，就知道转轴的角度。
11.01.2021
6
第一节 常用的位置检测装置
ii）.鉴幅式
通过对旋转变压器转子绕组中感应电 势幅值的检测来实现位移检测的。
励磁电压：
Us =(Umcos)sinwt
S1
Uc =(Umsin)sinwt
感应电势： E s=K U ssin(90q)=K U msinsinw tcosq E c=K U csin( q)=K U mcoscosw tsinq
例如，二进制码1101对应的葛莱码为1011，其演算过程 如下：
1101 （二进制码） 1101（不进位相加，舍去末位）
1011 （葛莱码）
11.01.2021
16
第一节 常用的位置检测装置
五、光栅
位置检测装置．将机械位移或者模拟量转变为数字脉冲， 反馈给数控装置，实现闭环控制．
1.结构和种类
包括： 标尺光栅 固定在机床活动部件上 指示光栅 安装在读数头内
第四章 数控机床的位置检测与伺服控制
第一节 常用的位置检测装置 第二节 数控机床的伺服系统概述 第三节 步进电机及其驱动装置 第四节 交流伺服系统
11.01.2021
1
第一节 常用的位置检测装置
作用：
检测位移和速度，并发出反馈信号，构成 闭环或半闭环控制。

数控机床的进给伺服系统概述

数控机床的进给伺服系统概述
M j max
• 当步进电机励磁绕组相数大于3时，多相通电多数 能提高输出转矩。
• 所以功率较大的步进电机多数采用多于三相的励磁 绕组，且多相通电。
3、启动转矩Mq
AB C Mq
e
当电机所带负载ML<Mq时，电机可不失步的启动。
2、最高启动频率和最高工作频率
最高启动频率fg： 步进电机由静止突然启动，并不失步地进 入稳速运行，所允许的启动频率的最高值。 最高启动频率fg与步进电机的惯性负载J有 关。
故电动机的转速n为：
n f (r/s) 60 f (r/min) f ——控制脉冲的频率
mzk
mzk
SB-58-1型五定子轴向分相反应式步进电机。
• 定子和转子都分为5段，呈轴向分布；有16个 齿均匀分布在圆周上，
• 齿距=360º/16=22.5º；各相定子彼此径向错开 1/5个齿的齿距；
如按5相5拍通电，则步距角为：
4）电动机定子绕组每改变一次通电方式——称为一拍 5）每输入一个脉冲信号，转子转过的角度——步距角αº • 上述通电方式称为：三相单三拍。（三相三拍） • 单——每次通电时，只有一相绕组通电； • 双——每次通电时，有两相绕组通电； • 三拍——经过三次切换绕组的通电状态为一个循环； • 除此之外的通电方式还有： • 三相双三拍： AB—BC—CA—AB • 三相单双六拍： A—AB—B—BC—C—CA—A
第三节 数控机床的检测装置
1、检测装置的作用
• 检测装置是数控机床闭环伺服系统的重要组成部分 • 其作用是：检测位移和速度，发送反馈信号，构成
（1） 直线进给系统 已知：进给系统的脉冲当量δmm；步进电机的
步距角αº；滚珠丝杠的导程t mm；
求： 齿轮传动比 i。

数控机床的伺服系统

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4.2 步进电动机驱动控制系统
4.2.3 步进电动机的驱动控制
1.步进电动机的工作方式 从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每拍转子转过一个
步距角。按A→B → C → A → …的顺序通电时，电动机的转 子便会按此顺序一步一步地旋转;反之，若按A → C → B → A→…的顺序通电，则电动机就会反向转动，这种三相依次 单相通电的方式，称为三相单三拍式运行，“单”是指每次 只有一相绕组通电，“三拍”是指一个循环内换接了三次， 即A、B、C三拍。单三拍通电方式每次只有一相控制绕组通 电吸引转子，容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行稳 定性较差;另外，在切换时一相控制绕组断电而另一相控制绕 组开始
4.2.2 步进电动机的工作原理与主要特 性
1.步进电动机的工作原理
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4.2 步进电动机驱动控制系统
步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。下面以 图4-2所示的一个最简单步进电动机结构为例说明步进电动机 的工作原理。其定子上分布有6个齿极，每两个相对齿极装有 一相励磁绕组，构成三相绕组。
也称为数组的长度。
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6.1 一维数组
对数组的定义应注意以下几点。 (1)数组的类型实际上是指数组元素的取值类型。对于同一
个数组，其所有元素的数据类型都是相同的。 (2)数组名的书写规则应符合标识符的书写规定。 (3)数组名不能与其他变量名相同。 (4)不能在方括号中用变量来表示元素的个数，但是可以用
按伺服控制方式不同，数控机床伺服系统可分为开环、闭环 和半闭环系统。开环型采用步进电动机驱动，控制方式简单， 信号单向传递，无位置反馈，所以精度不高，适用于要求不 高的经济型数控机床中。而闭环控制系统采用直流、交流伺 服电动机驱动，位置检测元件安装于机床运动部件上，

数控机床伺服系统培训课件

•起动频率fq 电机正常起动时(不丢步)所能承受旳最高 控制频率,起动频率低于持续运动频率,由 于起动时电机既要克服负载力矩,又要克 服惯性力矩，且负载越大，fq越低。
•持续运行频率（最高工作频率） fm步ax进电机持续工作时能接受旳最高频率,因运行时
转动惯量旳影响比起动时大大减小，因此fmax 》 fq，它表明步进电机所能到达旳最高速度
•步进电机定子绕组的通电状态的改变速度越快，其 转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高， 转子的转速越高，即步进电机选型及工作方式定下后， 步令距脉角冲频率是f确的定大的小，：因n=此其×转60速f=n3(r6/0min×)只60取f 决于指
mzk
2. 步进电机旳重要特性
•步距角 输入一种脉冲信号,转子转过旳角度 步距角越小,加工精度越高
变化外加电压u 变化磁通量
他励式直流电动机 调速原理图
电枢等效电路图
变化磁通量旳措施不能满足数控机床旳规定，而变 化电压旳措施具有恒转矩旳调速特性，机械特性好，
即机械特性与调整特性都是直线，转速与控制量U之 间是线性关系，而后一种措施转速与控制量 是非
线性关系，控制及设计系统都不以便。因此永磁直
流电机大都采用该调速方案。
•脉冲分派器（环C)伺服电动机
直流伺服电动机是将直流电能转换成机械能旳旋转电动机 直流伺服电动机具有良好旳调速特性，对伺服电机旳调速 性能规定高旳设备中，大都采用DC伺服电动机驱动。
直流伺服电动机的工作原理主要基于
电磁力定律：载流导体在磁场中要受到电磁力作用
电磁感应定律：当导体在磁场中运动并切割磁力线时，导 体中要产生感应电动势
㈣ 交流(AC)伺服电动机
直流伺服电动机构造较复杂，电刷、换向器需常常维 护，电机转速受限，AC克服此缺陷，因此AC伺服电动 机有取代DC伺服电动机旳趋势

数控加工技术-第五章 数控机床的伺服系统


《数控加工技术》
2. 步进电动机的工作原理 反应式步进电动机又叫可变磁阻式 (Variable Reluctance) 步进电动机, 简称 VR 电动机。 (1) 反应式步进电动机的结构
图 5-5 径向式三相反应式电动机的结构原理 1—绕组 2—定子铁心 3—转子铁心 4—A 相
图 5-6 三相轴向分相式反应式步进电动机的结构原理 1—外壳 2—C 段绕组 3—C 段定子 4—转轴 5—C 段检转子 6—空气隙
《数控加工技术》
1. 步进电动机的分类 步进电动机的种类繁多, 步进电动机按运动方式可分为旋转运动、 直线运动、 平面运 动和滚切运动式步进电动机; 按工作原理可分为反应式 (磁阻式)、 电磁式、 永磁式、 永磁 感应子式步进电动机; 按使用场合可分为功率步进电动机和控制步进电动机; 按结构可分为单 段式 (径向式)、 多段式 (轴向式)、 印刷绕组式步进电动机; 按相数可分为三相、 四相、五 相步进电动机等; 按使用频率可分为高频步进电动机和低频步进电动机。 不同类型的步进电 动机, 其工作原理、 驱动装置也不完全一样。
普通高等教育3D版机械类规划教材
数 控 加 工 技 术（3D版）
2020.8
《数控加工技术》
第五章 数控机床的伺服系统
§5-1 数控机床的伺服系统概述 §5-2 伺服系统的驱动元件 §5-3 伺服系统的位置检测装置
《数控加工技术》 5.1 数控机床的伺服系统概述
5.1.1 伺服系统的组成及工作原理
《数控加工技术》
3) 三相六拍工作方式。 若定子绕组的通电顺序是A→AB→B→BC→C→CA→A→……, 这 种通电方式是单、 双相轮流通电。
《数控加工技术》
5.1.3 数控伺服系统的分类
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中惯量 10L OM 20M 30M H 6.0 19 0.4 2.7 1.8 2.8 0 0.4 10 1.1
大惯量 20H 3.1 40 5 50 10 70H 22
22.5 37.2 2.7 186 24
11.8 39.2 32.3 65.7 23.5 114 241 245 510 520
12.3 21.5 147 14.7 112
电流检测反馈
uk
α UD
M
速度检测及反馈 位置检测及反馈
M M
特点：工作频率低，输出电压波形差，电流脉动分量大， 这不但使电机发热，工作条件恶化，也影响电网电压 波动。
3. 脉宽调制 (PWM) 原理与系统
PWM — Pulse Width Modulation 1) 脉宽调速原理 直流电源电压U经开关S 转换为一定频率的方波电压加到 直流电机电枢上，通过对方波 脉冲宽度的控制，就可改变电枢 S
上一页 下一页 返回 较麻烦
三、速度调节
(一) 直流伺服电动机的调速
1．DC电动机转速公式
n= UD /Ce - RI/ Ce
UD —电枢电压 —励磁磁通 Ce—与电机结构有关的常数 I —励磁电流 可控硅调速 改变 UD 调速的方法 PWM调速 R—电枢回路电阻
三、速度调节
(一) 直流伺服电动机的调速
最大转速(r/min) 2000 2000 2000 2000 1500 1200 2000 1500 1500 2000 2000 2000 电枢转动惯量 (9.8N.m ) 机械时间常数 (ms) 热 时 间 常 数 (min) 重量(kg)
2
0.0001 0.0008 0.01 0.00 0.01 0.03 9 7 15 10 8 5 20 15 5 7 10 66 2 10 10 12 3 10 70 30 6 8 85 53
1．转动惯量小——以提高系统的快速响应 2．过载能力强——以适应经常出现的过冲现象
3．低速运行的稳定性、均匀性好——以保证低速时的精度
(二) 直流伺服电动机
1．小惯量直流伺服电动机 1) 转子细而长 ——大大减小了电动机的转动惯量 , 快速响应性能好。 2) 气隙较大——换向性好，时间常数5-10ms。 3) 转子上无槽 —— 电感小，时间常数小，动态特性
2．可控硅调速（SCR-M） 1 ) 可控硅 电力半导体器件，是弱电控制到强电输出的桥梁作用。 包括：阳极（A）、阴极（K）、控制级（G） 导通条件：ⅰ）阳极A： K
G
阴极K：
ⅱ）控制级G 加正向电压。
A
三、速度调节
(一) 直流伺服电动机的调速
2) SCR-M调速系统
位置 指令 位置 偏差 速度 指令 速度 偏差 电流 指令
设计时可忽略其它传动件的转动惯量
最大峰值转矩可达额定转矩的10倍，可在3倍额定 转矩的过载条件下工作30min，但快速响应性能不如小
惯量电机。
表1 日本富士通公司直流伺服电动机系列几种规格的主要技术参数
型 号 参数 输出功率(kw) 暂定转矩(N.m) 最大转矩(N.m) OL 0.3 2.5
小惯量 5L 0.6 1.9
的平均电压，从而调节电机转速。
U
M M
M
uD
3. 脉宽调制 (PWM) 原理与系统
PWM — Pulse Width Modulation 1) 脉宽调速原理 设开关S开闭周期为T，每次闭合时间为 则电枢两端平均电压Ud为： Ud = U/T=rU r :导通率(脉宽系数)
无特殊要求 定、转子均发热，需 采取措施 容易 容易 困难 复杂 (矢量控制 ) 二次感应磁通 二次阻抗电压 好 无
整流火花， 永磁体退磁 转子发热，不利 稍有困难 难 容易 简单 永磁体 电枢感应电压 受火花限制
发热情况 高速化 大容量化 制动 控制方法 磁通产生 感应电压 环境适应性 维护性
比较容易 稍微困难 容易 稍复杂 永磁体 电枢感应电压 好 无
第三节
一、概述
(一) 系统组成
比较环节 指令信号 反馈信号
闭环伺服系统
伺服驱动
伺服电机
位置检测单元
1．位置检测单元——将检测元件检测到的位置信号进行处理，
以形成位置反馈信号。
2．比较环节——完成指令信号与反馈信号的比较等。 3．伺服驱动——功率放大，以驱动伺服元件。
4．伺服电机——将电信号转换成机械运动。
好，响应快，低速运转稳定而均匀。
4) 气隙磁密度大——过载能力强。 输出功率几+瓦─+千瓦，转速1-3000r/min 最大转矩约20N.m,但输出需加齿轮减速
工作原理
2．大惯量直流伺服电动机
特点：
1) 转矩大
2) 调速范围宽 1000~1500r/min
3) 转动惯量小
4) 动态响应好 5) 过载能力强
(二) 闭环伺服系统分类
全闭环 精度高，但结构复杂、成本高，调试维修困难， 适于大型精密数控系统。 半闭环 精度较全闭环差些，但结构简单，造价低且 便于调整。
交流伺服
直流伺服 数字伺服 具有较高精度、速度、和动态特性
定位与控制精度高，速度快，稳定性好，有故
障自诊断和报警功能
二、驱动元件
(一) 对驱动元件的要求
工作原理
表2 DC伺服电动机与AC伺服电动机的比较
机种 比较内容 电机构造 永磁同步型 AC 伺服电动机 比较简单 CTR 或 P-MOSFET 逆变器 异步型 AC 伺服电动机 简单 或 P-MOSFET 逆变器 DC 伺服电动机 因有电刷和换向器， 结构复杂 变流机构
大转矩约束
永磁体去磁 只有定子线 圈发热，有利
0.0028 0.02 25 50 12 19 100 25
0.03 8 17 35
0.12 0.19 0.60 24 120 15 120 18 35
45 90 125 220 上一页 下一页 返回
(三) 交流伺服电动机
1．笼型异步型伺服电动机
定子 — 对称三相绕组产生旋转磁场 转子 — 转子绕组（导体） 切割磁通产生感应电势
感应电流 电磁转矩 转子转动
转子转动方向与旋转磁场方向不同——异步 转子转动速度小于旋转磁场速度n0 ——转差率
(三)交流伺服电动机
2— 三相电枢绕组产生旋转磁场 转子 — 永磁体 产生恒定励磁磁场
通电的电枢绕组及载流导体切割磁力线产生电磁力 以反作用力方式驱动转子永磁体转动 转子转动的方向与旋转磁场方向相同——同步