数控机床的伺服驱动系统
第五章数控机床的伺服驱动系统
§5—1概述
数控机床伺服驱动系统是指以机床移动部件(如工作台、动力头等，本书仅以工作台为例)的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称拖动系统。在数控机床上，伺服驱动系统接收来自插补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，将其转化为机床工作台相对于切削刀具的运动。目前，这主要通过对交、直流伺服电机或步进电机等进给驱动元件的控制来实现。
数控机床的伺服驱动系统作为一种实现切削刀具与工件间运动的进给驱动和执行机构，是数控机床的一个重要组成部分，它在很大程度上决定了数控机床的性能，如数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标取决于伺服驱动系统性能的优劣。因此，随着数控机床的发展，研究和开发高性能的伺服驱动系统，一直是现代数控机床研究的关键技术之一。
一、伺服驱动系统的性能
对数控机床伺服驱动系统的主要性能要求有下列几点：
(1) 进给速度范围要大。不仅要满足低速切削进给的要求，如5min mm，
还要能满足高速进给的要求，如
10000mm min。
(2) 位移精度要高。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，伺服系统的位移精度愈高。目前，高精度的数控机床伺服系统位移精度可
达到在全程范围内
5μ
±m。通常，插补器或计算机的插补软件每发出一个进给脉
冲指令，伺服系统将其转化为一个相应的机床工作台位移量，我们称此位移量为机床的脉冲当量。一般机床的脉冲当量为0.01~0.005 mm脉冲，高精度的CNC机床其脉冲当量可达0.001 mm脉冲。脉冲当量越小，机床的位移精度越高。
(3) 跟随误差要小。即伺服系统的速度响应要快。
(4) 伺服系统的工作稳定性要好。要具有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳，从而使得能够加工出粗糙度低的零件。
二、数控机床伺服驱动系统的基本组成
数控机床伺服驱动系统的基本组成如图5-1所示。数控机床的伺服驱动系统按有无反馈检测单元分为开环和闭环两种类型(见数控机床伺服驱动系统分类)，这两种类型的伺服驱动系统的基本组成不完全相同。但不管是哪种类型，执行元件及其驱动控制单元都必不可少。驱动控制单元的作用是将进给指令转化为驱动执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。
图5-1 数控机床伺服驱动系统的基本组成
开环伺服驱动系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。通常，执行元件选用步进电机。执行元件对系统的特性具有重要影响。
闭环伺服驱动系统由执行元件、驱动控制单元、机床，以及反馈检测单元、比较控制环节组成。反馈检测单元将工作台的实际位置检测后反馈给比较控制环节，比较控制环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差经驱动控制单元，驱动和控制执行元件带动工作台运动。
在CNC系统中，由于计算机的引入，比较控制环节的功能由软件完成，从而导致系统结构的一些改变，但基本上还是由执行元件、反馈检测单元、比较控制环节、驱动控制单元和机床组成。
三、数控机床伺服驱动系统的分类
数控机床的伺服驱动系统按其用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按其控制原理和有无位置检测反馈环节分为开环系统和闭环系统；按驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统。电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统。
1.进给驱动与主轴驱动
进给驱动是用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的转矩。主轴驱动控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。一般地，对于进给驱动系统，主要关心它的转矩大小、调节范围的大小和调节精度的高低，以及动态响应速度的快慢。对
于主轴驱动系统，主要关心其是否具有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围。
2.开环控制和闭环控制
数控机床伺服驱动系统按有无位置反馈分两种基本的控制结构，即开环控制和闭环控制，如图5--1所示。由此形成位置开环控制系统和位置闭环控制系统。闭环控制系统又可根据位置检测装置在机床上安装的位置不同，进一步分为半闭环伺服驱动控制系统和全闭环伺服驱动控制系统。若位置检测装置安装在机床的工作台上，构成的伺服驱动控制系统为全闭环控制系统；若位置检测装置安装在机床丝杠上，构成的伺服驱动控制系统则为半闭环控制系统。现代数控机床的伺服驱动多采用闭环控制系统。开环控制系统常用于经济型数控或老设备的改造。
3.直流伺服驱动与交流伺服驱动
70年代和80年代初，数控机床多采用直流伺服驱动。直流大惯量伺服电机具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载能力强，而且，由于电机惯性与机床传动部件的惯量相当，构成闭环后易于调整。而直流中小惯量伺服电机及其大功率晶体管脉宽调制驱动装置，比较适应数控机床对频繁启动、制动，以及快速定位、切削的要求。但直流电机一个最大的特点是具有电刷和机械换向器，这限制了它向大容量、高电压、高速度方向的发展，使其应用受到限制。
进入80年代，在电机控制领域交流电机调速技术取得了突破性进展，交流伺服驱动系统大举进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服驱动系统的最大优点是交流电机容易维修，制造简单，易于向大容量、高速度方向发展，适合于在较恶劣的环境中使用。同时，从减少伺服驱动系统外形尺寸和提高可靠性角度来看，采用交流电机比直流电机将更合理
§5—2 开环步进式伺服驱动系统
步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统。在此系统中，执行元件是步进电机。它受驱动控制线路的控制，将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、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。由于该系统没有反馈检测环节，它的精度较差，速度也受到步进电机性能的限制。但它的结构和控制简单、容易调整，故在速度和精度要求不太高的场合具有一定的使用价值。
一、步进电机的种类、结构及工作原理
1.步进电机的种类
步进电机的分类方式很多，常见的分类方式有按产生力矩的原理、按输出力矩的大小以及按定子和转子的数量进行分类等。根据不同的分类方式，可将步进电机分为多种类型，如表5--1所示。
表5-1 步进电机的分类
分类方式具体类型
按力矩产生的原理
（1）反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行
（2）激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁钢），由电磁力矩实现步进运行
按输出力矩大小
（1）伺服式：输出力矩在百分之几之几至十分之几（N·m）只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大的负载
（2）功率式：输出力矩在5-50 N·m以上，可以直接驱动机床工作台等较大的负载
按定子数（1）单定子式（2）双定子式（3）三定子式（4）多定子式
按各相绕组分布（1）径向分布式：电机各相按圆周依次排列（2）轴向分布式：电机各相按轴向依次排列
2.步进电机的结构
目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机。在反应式步进电机中，有轴向分相和径向分相两种，如表5--1所述。
图5--2是一典型的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。它与普通电机一样，分为定子和转子两部分，其中定子又分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由电工钢片叠压而成，其形状如图中所示。定子绕组是绕置在定子铁心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。图5--2所示的步进电机可构成三相控制绕组，故也称三相步进电机。若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极，其方向即图中所示的NS极。在定子的每个磁极上，即定子铁心上的每个齿上又开了5个小齿，齿槽等宽，齿间夹角
为9°，转子上没有绕组，只有均匀分布的40个小齿，齿槽也是等宽的，齿间夹角
也是9°，与磁极上的小齿一致。此外，三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次
13齿距，如图5--3所示。当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B 错开
13齿距角，C相磁极齿超前(或滞后)转子相磁极上的齿刚好超前(或滞后)转子齿
23齿距角。
齿
图5-2 单定子径向分相反应式伺服
步进电机结构原理图
点击进入动画观看步电机工作原理
图5-3 步进电机的齿距
图5--4是一个五定子、轴向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。从图
中可以看出，步进电机的定子和转子在轴向分为五段，每一段都形成独立的一相定
子铁心、定子绕组和转子，图5--5所示的是其中的一段。各段定子铁心形如内齿
轮，由硅钢片叠成。转子形如外齿轮，也由硅钢片制成。各段定子上的齿在圆周方
15齿距，其转子齿彼此不错位。当设置在定子铁心环向均匀分布，彼此之间错开
形槽内的定子绕组通电时，形成一相环形绕组，构成图中所示的磁力线。
除上面介绍的两种形式的反应式步进电机之外，常见的步进电机还有永磁式步
进电机和永磁反应式步进电机，它们的结构虽不相同，但工作原理相同。
3.步进电机的工作原理
步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。图5--6是一种最简单的反
应式步进电机，下面以它为例来说明步进电机的工作原理。
图5--6(a)中，当A相绕组通以直流电流时，根据电磁学原理，便会在AA方向
上产生一磁场，在磁场电磁力的作用下，吸引转子，使转子的齿与定子AA磁极上
的齿对齐。若A相断电，B相通电，这时新的磁场其电磁力又吸引转子的两极与BB
磁极齿对齐，转子沿顺时针转过60°。通常，步进电机绕组的通断电状态每改变一
次，其转子转过的角度α称为步距角。因此，图5--6(a)所示步进电机的步距角α等于60°。如果控制线路不停地按A→B→C→A…的顺序控制步进电机绕组的通断电，步进电机的转子便不停地顺时针转动。若通电顺序改为A→C→B→A…，同理，步进电机的转子将逆时针不停地转动。
图5-4 五定子径向分相反应式伺服
步进电机结构原理图
磁回路
转子
定子硅钢片
图5-5 一段定子、转子及磁回路
上面所述的这种通电方式称为三相三拍。还有一种三相六拍的通电方式，它的通电顺序是：顺时针为A → AB → B → BC → C → CA → A …；逆时针为A →AC → C→ CB → B → BA →A…。
若以三相六拍通电方式工作，当A相通电转为A和B同时通电时，转子的磁极将同时受到A相绕组产生的磁场和B相绕组产生的磁场的共同吸引，转子的磁极只好停在A和B两相磁极之间，这时它的步距角α等于30°。当由A和B两相同时通电转为B相通电时，转子磁极再沿顺时针旋转30°，与B相磁极对齐。其余依此类推。采用三相六拍通电方式，可使步距角α缩小一半。
图5—6 步进电机工作原理图
点击进入动画观看步进电机工作原理(a)(b) 图5--6(b)中的步进电机，定子仍是A ，B ，C 三相，每相两极，但转子不是两个磁极而是四个。当A 相通电时，是1和3极与A 相的两极对齐，很明显，当A 相断电、B 相通电时，2和4极将与B 相两极对齐。这样，在三相三拍的通电方式中，步距角 α等于30°，在三相六拍通电方式中，步距角 α则为15°。
综上所述，可以得到如下结论：
(1) 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角 α；
(2) 改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；
(3) 步进电机定子绕组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；
(4) 步进电机步距角 α与定子绕组的相数m 、转子的齿数z 、通电方式k 有关，
可用下式表示：
()0360α=mzk (5--1) 式中m 相m 拍时，k=1；m 相2m 拍时，k=2；依此类推。
对于图5--2所示的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机，当它以三相三拍通电方式工作时，其步距角为
()()000
36036034013α==??=mzk
若按三相六拍通电方式工作，则步距角为
()()000
3603603402 1.5α==??=mzk
4.步进电机的主要特性
(1) 步距角。步进电机的步距角 是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为 。步距角越小，数控机床的控制精度越高。
(2) 矩角特性、最大静态转矩 max j M 和启动转矩
q M 。矩角特性是步进电机的一个重要特性，它是指步进电机产生的静态转矩 与失调角 的变化规律。
(3) 启动频率 q f 。空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的正常
运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。
(4) 连续运行的最高工作频率 max f 。步进电机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率 ，称为最高工作频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决定了步进电机的最高转速。
(5)加减速特性。步进电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于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。我们用加速时间常数T a 和减速时间常数T d 来描述步进电机的升速和降速特性，如图5--8所示。
图5-8 加减速特性曲线
二、 步进式伺服驱动系统工作原理
步进式伺服驱动系统主要由步进电机驱动控制线路和步进电机两部分组成，如图5--7所示。驱动控制线路接收来自数控机床控制系统的进给脉冲信号(指令信号)，并把此信号转换为控制步进电机各相定子绕组依此通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子与机床丝杠连在一起，转子带动丝杠转动，丝杠再带动工作台移动。
图 5-7 步进式伺服系统原理框图
下面从步进式伺服系统如何实现对机床工作台移动的移动量、速度和移动方向进行控制三个方面，对其工作原理进行介绍。
1.工作台位移量的控制
数控机床控制系统发出的N个进给脉冲，经驱动线路之后，变成控制步进电机定子绕组通电、断电的电平信号变化次数N，使步进电机定子绕组的通电状态变化N次。由步进电机工作原理可知，定子绕组通电状态的变化次数N决定了步
进电机的角位移?,?α
=N(α即步距角)。该角位移经丝杠、螺母之后转变为
工作台的位移量L，
360
?
=
L t(t为螺距)。即进给脉冲的数量N→定子绕
组通电状态变化次数N→步进电机的转角
?→工作台位移量L。
2.工作台进给速度的控制
机床控制系统发出的进给脉冲的频率
f，经驱动控制线路之后，表现为控制步进电机定子绕组通电、断电的电平信号变化频率，也就是定子绕组通电状态变化频率。而定子绕组通电状态的变化频率
f决定了步进电机转子的转速ω。该转子转速ω经丝杠螺母转换之后，体现为工作台的进给速度v。即进给脉冲的频率
f→定子绕组通电状态的变化频率
f→步进电机的转速ω→工作台的进给速度v。
3.工作台运动方向的控制
当控制系统发出的进给脉冲是正向时，经驱动控制线路，使步进电机的定子各绕组按一定的顺序依次通电、断电；当进给脉冲是负向时，驱动控制线路则使定子各绕组按与进给脉冲是正向时相反的顺序通电、断电。由步进电机的工作原理可知，通过步进电机定子绕组通电顺序的改变，可以实现对步进电机正转或反转的控制，从而实现对工作台的进给方向的控制。