第六章-数控机床的伺服驱动与监测

第6章 数控机床的伺服系统
伺服驱动装置
位置控制模块 速度控制单元
工作台 位置检测
速度环 速度检测 位置环
伺服电机
测量反馈
图6-1 闭环进给伺服系统结构
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6章 数控机床的伺服系统
A C1 B4 2 B 3C A
逆时针转30º
C 4 B
A 1 2 3 A
B
C 1 B
A 2
B 3 C
C
逆时针转30º
4 A
第6章 数控机床的伺服系统
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。
第6章 数控机床的伺服系统
设 A 相首先通电，转子齿与定子 A 、 A′ 对齐（图 3a ）。然后在 A 相继续通电的情 况下接通 B 相。这时定子 B 、 B′ 极对转子 齿 2 、 4 产生磁拉力，使转子顺时针方向转 动，但是 A 、 A′ 极继续拉住齿 1 、 3 ，因 此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转 子的位置如图 3b 所示，即转子从图 (a) 位 置顺时针转过了 15° 。接着 A 相断电， B 相继续通电。这时转子齿 2 、 4 和定子 B 、 B′ 极对齐（图 c ），转子从图 (b) 的位置又 转过了 15° 。其位置如图 3d 所示。这样， 如果按 A→A 、 B→B→B 、 C→C→C 、 A→A… 的顺序轮流通电，则转子便顺时针 方向一步一步地转动，步距角 15° 。电流 换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个 齿距角。如果按 A→A 、 C→C→C 、 B→B→B 、 A→A… 的顺序通电，则电机 转子逆时针方向转动。这种通电方式称为六 拍方式。

§6.4 闭环伺服系统
一、 鉴相式伺服系统 1.系统组成 采用相位比较方法实现位置闭环(及半闭环)控制，具有工 作可靠、抗干扰性强、精度高等优点。
①基准信号发生器： 基准信号发生器输出的是一列具有一 定频率的脉冲信号，为伺服系统提供一个相位比较基准。 ②脉冲调相器：又称数字相位转换器，它的作用是将来自数 控装置的进给脉冲信号转换为相位变化的信号，该相位变 化信号可用正弦信号表示，也可用方波信号表示。若数控 装置没有进给脉冲输出，脉冲调相器的输出与基准信号发 生器的基准信号同相位，即两者没有相位差。若数控装置 有脉冲输出，数控装置每输出一个正向或反向进给脉冲， 脉冲调相器的输出将超前或滞后基准信号一个相应的相位 角φ。 ③检测元件及信号处理线路 该元件和线路的作用是将工作 台的位移量检测出来，并表达成与基推信号之间的相位差。 此相位差的大小体现了工作台的实际位移量。
3.控制线路 ①脉冲调相器：按照所输入指令脉冲的要求对载波信号进行 相位调整。基准脉冲信号f0由基准脉冲信号发生器产生并 分成两路输入分频器：


分频器1（基准分频通道）：输出两路频率和幅值相同，但相位相 差90°的脉冲信号，再经滤波放大，就变成了正、余弦励磁信号。 经过脉冲加减器再进入分频器2（调相分频通道）：将指令脉冲信 号调制成与基准信号有一定关系的输出脉冲信号PA，其相位差的 大小和极性与指令脉冲有关。


双向调速的桥式电路
VT1和VT3的基极加正向脉冲，导通；VT2和VT4的基极加负向脉冲， 截止；电流路径： +90 V→c → VT1 → d → M → b → VT3 → a → 0V VT1和VT3的基极加负向脉冲，截止；VT2和VT4的基极加正向脉冲， 导通；电流路径： +90 V→c → VT2 → b → M →d → VT4 → a → 0V

（5)伺服主轴驱动系统 伺服主轴驱动系统具有响应快、速度高、过载能力强的
特点，还可以实现定向和进给功能，当然价格也是最高的， 通常是同功率变频器主轴驱动系统的2--3倍以上。
伺服主轴驱动系统主要应用于加工中心上，用以满足系 统自动换刀、刚性攻丝、主轴C轴进给功能等对主轴位置 控制性能要求很高的加工。
6.2.3主轴分段无级调速
6.2主轴驱动与控制(Spindle Drive and Control)
图6.3所示为西 门子802C数控系 统的变频调速控 制连接图。主轴 电机的正反转通 过继电器KA2和 KA3控制，转速 大小通过X7口模 拟电压值大小控 制。
6.2主轴驱动与控制(Spindle Drive and Control)
6.1 概述
1.主轴驱动系统的功能
主轴驱动系统通过控制主轴电机的旋转方向和转速， 从而调节主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度， 配合进给运动，加工出理想的零件。因此，主轴驱动的主 要功能是为各类工件的加工提供所需的切削功率。
此外，当数控机床具有螺纹加工、恒线速加工以及准 停要求（比如加工中心换刀）时，对主轴也提出了相应的 位置控制要求，所以此类数控机床还具有主轴与进给联动 功能和准停控制功能。
6.1 概述
（3）DANFOSS（丹佛斯）公司系列变频器 该公司目前应用于数控机床上的变频器系列常用的有：
VLT2800，可并列式安装方式，具有宽范围配接电机功率： 0.37KW-7.5KW 200V/400；VLT5000，可在整个转速范围内进行 精确的滑差补偿，并在3ms内完成。在使用串行通讯时，VLT 5000对每条指令的响应时间为0.1ms，可使用任何标准电机与VLT 5000匹配。
对于中档数控机床而言主要采用这种方案。其主轴传动仅采用两 挡变速甚至仅一挡即可实现100—200 r/min左右时车、铣的重力切 削。一些有定向功能的还可以应用于要求精镗加工的数控镗铣床。 但若应用在加工中心上，还不很理想，必须采用其他辅助机构完成 定向换刀的功能，而且也不能达到刚性攻丝的要求。

工作台处于随机状态，根据加工轨迹的要求，随 时都可能实现正向或反向运动。同时要求在方向 变化时，不应有反向间隙和运动的损失。从能量 角度看，应该实现能量的可逆转换，在制动时应 把电动机的机械惯性能量变为电能回馈给电网。
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6.1 概述
6.1.3 伺服系统的分类 （1）按调节理论分类
● 全闭环伺服系统，如图6.1； ● 开环伺服系统，如图6.2； ● 半闭环伺服系统，如图6.3； （2）按使用的执行元件分类 ● 电液伺服系统； ● 直流伺服系统； ● 交流伺服系统；
6.1 概述
伺服系统将指令信息加以转换和放大，不仅能 控制执行件的速度、方向，而且能精确控制其位 置，以及几个执行件按一定的运动规律合成的轨 迹。
伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机 械传动部件、执行件和检测环节等组成。
6.1 概述
目前在数控机床上，已经很少采用液压伺服 系统，驱动元件主要是各种电机，在小型和经济 型数控机床上还使用步进电机；中高档数控机床 几乎都采用直流伺服电机、交流伺服电机。全数 字交流伺服驱动系统已得到广泛应用。
伺服系统从外部来看，是一个以位置指令输入和 位置控制为输出的位置闭环控制系统。但从内部 的实际工作来看，它是一个双闭环系统。
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6.1 概述
6.1.2 对伺服系统的基本要求 （1）位移精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精
确程度。伺服系统的位移精度是指指令脉冲要 求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺 服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程 度。两者误差愈小，位移精度愈高。
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6.1 概述
6.1.2 对伺服系统的基本要求 （2）稳定性好 稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在短
暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来平衡 状态的能力。稳定性直接影响数控加工精度和表 面粗糙度。

一、步进电动机的工作原理
❖ 图6-2所示为反应式步进电动机的结构原理图。它 的定子和转子铁心通常由硅钢片叠成。定子上有A、 B、C三对磁极，在相对应的磁极上绕有A、B、C三 向控制绕组。假设转子上有四个齿，齿宽与定子的 极靴宽相等，相邻两齿所对应的空间角度为齿距角。
齿距角Ot为
Ot=360/Zr 式中Zr——转子齿数。 在图6-2所示的三相(A、B、C)步进电动机中， Zr=4,齿距角Ot=90。
❖ 开环控制只有从发出的位置指令输入到最后的位置输出的前向通道控制， 而没有测量实际位置输出的反馈通道。由步进电动机直接驱动滚珠丝杆 副的结构就是开环控制系统的实例。它的结构简单、调整维护方便、工 作可靠、成本低，但每一指令脉冲的进给误差、传动链的误差间隙、导 轨滑动时摩擦力的不均衡等造成的误差等最终都反映到实际位移中去， 使得定位精度较低。此外，它的速度低，低速平稳性差，效率也较低。
CNC 插补指令
脉冲频率f 脉冲个数n
换算
f、n
脉冲环 形分配 变换
A相、B相 功率 放大
C相、…
机械执行部件
电机
❖ 如果在电动机轴或丝杆上安装一个旋转变压器反馈转角的变 化，则系统变成了半闭环系统。这样，与开环系统相比，半 闭环系统，提高了精度，但它检测的反馈信号来自于系统中 某一个非最终输出的环节，使得系统无法对这一环节到最终 控制目标之间的误差自动进行补偿。
位置控制单元
速度控制单元
CNC
+
插补
指令
位置控制调节器 -
+
-
速度控制 调节与驱动
机械执行部件
实际位 置反馈
实际速 度反馈
检测与反馈单元
电机
❖ 伺服驱动系统的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。 数控机床的最高移动速度，跟踪速度，定位精度等重要的指

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，

绿色化
随着环保意识的提高，未来数控机床电气 驱动系统将更加注重节数控机床电气驱动系统 的硬件组成
主轴电机及其驱动装置
主轴电机
用于驱动数控机床的主轴旋转，实现切削加工。
主轴驱动装置
控制主轴电机的启动、停止、转速和转向，确保主轴按照加工要求稳定运行。
进给电机及其驱动装置
精确控制。
进给电机控制软件的应用范围
03
广泛应用于数控机床、机器人、自动化生产线等机械设备中，
用于驱动工作台、机械臂等部件的移动。
电气驱动系统的故障诊断与维护
故障诊断软件的主要功能
通过采集电气驱动系统的运行数据，实时监测电气驱动系统的状态， 发现异常情况及时报警，并提供故障诊断和定位功能。
故障诊断软件的应用范围
用于降低数控机床在工作过程中 产生的热量，保持机床的稳定运 行和延长使用寿命。
03
数控机床电气驱动系统 的软件控制
主轴电机的软件控制
主轴电机控制软件的主要 功能
控制主轴电机的启动、停止、正反转、调速 等操作，确保主轴电机按照设定的参数和程 序运行。
主轴电机控制软件的实现方 式
通过PLC（可编程逻辑控制器）或专用控制器编写控 制程序，实现对主轴电机的精确控制。
数控车床的电气驱动系统主要用于控 制车床的主轴和进给轴，实现工件的 切削加工。
应用实例：某公司生产的数控车床采 用交流伺服电机驱动，具有高精度、 高效率的特点，广泛应用于汽车零部 件、轴承等行业的加工。
数控铣床的电气驱动系统应用实例
数控铣床的电气驱动系统主要用于控 制铣床的主轴、进给轴和旋转轴，实 现复杂零件的加工。
广泛应用于数控机床、自动化生产线等机械设备中，用于提高设备 的可靠性和稳定性，降低故障率。

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

第十一页，共77页。
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置，是一 种较为理想的驱动装置。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(suōduǎn)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。
第十四页，共77页。
A
定子
C
B
绕组
B
C
A
转子
图6-4 三相反应式步进电机(diànjī)结构
第十五页，共77页。
为进一步了解步进电机的工作原理，以图6-5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900。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30o。然后C相通电， B相断电，转子又逆时针旋转30o，依次类推，定子按 A→B→C→A顺序(shùnxù)通电，转子就一步步地按逆时 针方向转动，每步转30o。若改变通电顺序(shùnxù)，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30o。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。