进给伺服驱动系统
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第六章进给伺服系统
二、步进电机的主要性能指标 1. 步距角和步距误差 每输入一个脉冲电信号，步进电机转子转过的角度成为步距 角。 步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的 360 关系如下： ＝ KmZ (6-1) 式中 —步进电机的步距角； m—电机相数； Z—转子齿数； K—系数，相邻两次通电相数相同，K＝1； 相邻两次通电相数不同，K＝2。 同 一 相 数 的 步 进 电 机 可 有 两 种 步 距 角 ， 通 常 为 1.2/0.6 、 1.5/0.75 、 1.8/0.9 、 3/1.5 度等。步距误差是指步进电机运行 时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。步 距误差直接影响执行部件的定位精度及步进电机的动态特 性。大小由制造精度、齿槽的分布及定子和转子间气隙不 均匀等因素造成。
步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或线位移 的一种机电式数模转换器。在结构上分为定子和 转子两部分，现以图6-5所示的反应式三相步进电 机为例加以说明。定子上有六个磁极，每个磁极 上绕有励磁绕组，每相对的两个磁极组成一相， 分成A、B、C三相。转子无绕组，它是由带齿的铁 心做成的。步进电机是按电磁吸引的原理进行工 作的。当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三 对磁极就依次产生磁场，并每次对转子的某一对 齿产生电磁引力，将其吸引过来，而使转子一步 步转动。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极 中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零。如果控制 线路不停地按一定方向切换定子绕组各相电流， 转子便按一定方向不停地转动。步进电机每次转 过的角度称为步距角。
进给伺服系统的作用：接受数控装置发出 的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置 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与一般机床的进给系 统有着本质的区别：能根据指令信号精确地控 制执行部件的运动速度与位置，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 把数控装置比作数控机床的“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。
第五章 数控机床的伺服驱动系统
机可能在过载的条件下工作，这就要求电动机有较强的抗过 载能力。通常要求在数分钟内过载4～6倍而不损坏。
（7）惯性匹配 移动部件加速和降速时都有较大的惯量，由于要求系统
的快速响应性能好，因而电动机的惯量要与移动部件的惯量 匹配。通常要求电动机的惯量不小于移动部件惯量。
数控机床的伺服驱动系统
5.2 位置控制
D/A 转换器
伺服放大器
伺服 电动机
Pf 反馈脉冲
位置检测
脉冲处理
图 5-2 脉冲比较伺服系统结构框图
工作台
光栅或光 电编码器
数控机床的伺服驱动系统
(1) 由计算机数控制装置提供指令的脉冲。 (2) 反映机床工作台实际位置的位置检测器。 (3) 完成指令信号与反馈信号相比较的比较器。 (4) 将比较器输出数字信号转变成伺服电动机模拟控制 信号的数/模转换器。 (5) 执行元件（伺服电动机）。
数控机床的伺服驱动系统
（1）指令脉冲PC=0，这时反馈脉冲Pf=0，则Pe=0，则伺
服电动机的速度给定为零，工作台继续保持静止不动。
（2）现有正向指令PC+=2，可逆计数器加2，在工作台尚 未移动之前，反馈脉冲Pf+=0，可逆计数器输出Pe=Pc+－Pf+=2
－0=2，经转换，速度指令为正，伺服电动机正转，工作台 正向进给。
CP A9 ≥1
CP
RC
+Vcc B
A A10 RD Q +Vcc
A3
DS
A4
Q CP
≥1
A7
DS
CPQ
A8 ≥1
RC
+Vcc BQ
A A11 RD +Vcc
D Q7 A12
（7）惯性匹配 移动部件加速和降速时都有较大的惯量，由于要求系统
的快速响应性能好，因而电动机的惯量要与移动部件的惯量 匹配。通常要求电动机的惯量不小于移动部件惯量。
数控机床的伺服驱动系统
5.2 位置控制
D/A 转换器
伺服放大器
伺服 电动机
Pf 反馈脉冲
位置检测
脉冲处理
图 5-2 脉冲比较伺服系统结构框图
工作台
光栅或光 电编码器
数控机床的伺服驱动系统
(1) 由计算机数控制装置提供指令的脉冲。 (2) 反映机床工作台实际位置的位置检测器。 (3) 完成指令信号与反馈信号相比较的比较器。 (4) 将比较器输出数字信号转变成伺服电动机模拟控制 信号的数/模转换器。 (5) 执行元件（伺服电动机）。
数控机床的伺服驱动系统
（1）指令脉冲PC=0，这时反馈脉冲Pf=0，则Pe=0，则伺
服电动机的速度给定为零，工作台继续保持静止不动。
（2）现有正向指令PC+=2，可逆计数器加2，在工作台尚 未移动之前，反馈脉冲Pf+=0，可逆计数器输出Pe=Pc+－Pf+=2
－0=2，经转换，速度指令为正，伺服电动机正转，工作台 正向进给。
CP A9 ≥1
CP
RC
+Vcc B
A A10 RD Q +Vcc
A3
DS
A4
Q CP
≥1
A7
DS
CPQ
A8 ≥1
RC
+Vcc BQ
A A11 RD +Vcc
D Q7 A12
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
伺服驱动系统的连接与调试
情境3： 情境 ：伺服驱动系统的连接与调试
• • • • • • • 重点： 1、步进电动机及驱动电路及线路连接 2、交流电动机伺服系统 3、直流伺服电动机 4、进给驱动装置的连接与调试 难点： 进给驱动装置的连接与调试
情境3：伺服驱动系统的连接与调试 情境 ：
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。
t
NC机床对数控进给伺服系统的要求 机床对数控进给伺服系统的要求
⒌ 能可逆运行和频繁灵活启停。 ⒍ 系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。 综上所述：对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方 面，对于高精度的数控机床，对动态性能的要求要更严一些。
进给伺服驱动系统是指进给伺服系统中的 驱动电机及 进给伺服驱动系统
位置控制单元 CNC 插补 指令 + 位置控制调节 器 速度控制单元 +
-
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
NC机床对数控进给伺服系统的要求 机床对数控进给伺服系统的要求
1.调速范围要宽且要有良好的稳定 性(在调速范围内) 调速范围： 一般要求：
情境3 情境3：伺服驱动系统的连接与调试 概述
一进给伺服系统的定义及组成 进给伺服系统的定义及组成
1 . 定义： 进给伺服系统(Feed Servo System)——以移动 部件的位置 速度 位置和速度 位置 速度作为控制量的自动控制系统。
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• • • • • • • 重点： 1、步进电动机及驱动电路及线路连接 2、交流电动机伺服系统 3、直流伺服电动机 4、进给驱动装置的连接与调试 难点： 进给驱动装置的连接与调试
情境3：伺服驱动系统的连接与调试 情境 ：
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。
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NC机床对数控进给伺服系统的要求 机床对数控进给伺服系统的要求
⒌ 能可逆运行和频繁灵活启停。 ⒍ 系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。 综上所述：对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方 面，对于高精度的数控机床，对动态性能的要求要更严一些。
进给伺服驱动系统是指进给伺服系统中的 驱动电机及 进给伺服驱动系统
位置控制单元 CNC 插补 指令 + 位置控制调节 器 速度控制单元 +
-
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
NC机床对数控进给伺服系统的要求 机床对数控进给伺服系统的要求
1.调速范围要宽且要有良好的稳定 性(在调速范围内) 调速范围： 一般要求：
情境3 情境3：伺服驱动系统的连接与调试 概述
一进给伺服系统的定义及组成 进给伺服系统的定义及组成
1 . 定义： 进给伺服系统(Feed Servo System)——以移动 部件的位置 速度 位置和速度 位置 速度作为控制量的自动控制系统。
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进给伺服系统
稳定性 精度高 快速响应性 调速范围 低速大转矩输出
进给伺服系统的性能主要取决于组成系统的机电两 部分的匹配，即机电参数配合的协调性。 部分的匹配，即机电参数配合的协调性。
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三、进给伺服系统的控制方式
1开环控制 开环控制
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光源
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光电脉冲编码器的应用 光电脉冲编码器在数控机床上， 光电脉冲编码器在数控机床上，用在数字比较 伺服系统中，作为位置检测装置。 伺服系统中 ， 作为位置检测装置 。 光电脉冲编 码器将位置检测信号反馈给CNC装置有几种方 码器将位置检测信号反馈给 装置有几种方 式： 一是适应带加减计数要求的可逆计数器， 一是适应带加减计数要求的可逆计数器，形成 加计数脉冲和减计数脉冲。 加计数脉冲和减计数脉冲。 二是适应有计数控制端和方向控制端的计数器， 二是适应有计数控制端和方向控制端的计数器， 形成正走、反走计数脉冲和方向控制电平。 形成正走、反走计数脉冲和方向控制电平。
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2.光电脉冲编码器的工作原理 A、B信号为具有 ° 信号为具有90° 、 信号为具有 两个光电元件 错开90° 错开 A相比 相导前90°。若A相导 相比B相导前 相位差的正弦波， °相位 ° 相导 光敏元件 相比 相导前 相位差的正弦波，这 透镜 透光狭缝 码盘基片 光欄板 组信号经放大器放大 角安装。 相时为正方向旋转， 角安装。当圆 前B相时为正方向旋转，则B 相时为正方向旋转 与整形， 盘旋转一个节 与整形，得下图所示 相导前A相时就是负方向旋转 相时就是负方向旋转。 相导前 相时就是负方向旋转。 的输出方波 距时， 距时 利用A相与 相与B相的相应关系可 利用 相与 相的相应关系可 ，在光源 照射下， 照射下，就在 以判别编码器的旋转方向 z b a 节距τ 光电元件上得 m+τ/4 信号处理装置 到一个光电波 形输出 Z Z B B A A
第4章 进给伺服系统
2020/1/14
4.1 概述
• 4.1.1 基本定义 • 4.1.2 伺服系统的基本要求 • 4.1.3 分类
2020/1/14
4.1.1 基本定义
• 伺服系统
– 根据数控装置给出的指令控制工作台的速度 、位移或主轴转速的控制系统。
• 分类：
– 进给伺服系统 – 主轴伺服系统
2020/1/14
4.2 步进电机及其调速
• 步进电机的结构与工作原理 • 步进电机的特征参数 • 步进电机开环进给的传动计算及电机选
用 • 步进电机的驱动
2020/1/14
步进电机的结构与工作原理
• 步进电机控制原理：
– 电脉冲信号→角位移 – 脉冲数→位移 – 脉冲频率→转速
• 缺点：
– 容易失步（大负载和高速情况下）
• 位移精度取决：
– 步进电机的角位移精度 – 齿轮丝杠等传动元件的导程或节矩精度 – 系统的摩擦阻尼特性
• 性能
– 定位精度：±0.02mm，±0.01mm – 速度：脉冲当量为0.01mm时，不超过5m/min
• 特点：
– 结构简单，用于精度要求不高的机床
2020/1/14
闭环和半闭环进给伺服系统
转矩——频率特性
• 负载转矩越大，工作频 率越低，符合加工实际 需求
• 在步进电机运行时，对 应于某一频率，只有当 负载转矩小于它在该频 率时的最大动态转矩， 电机才能正常运转
• 应根据负载要求参照高 频输出转矩来选用步进 电机的规格
2020/1/14
步进电机开环进给的传动计算及电机选用 • 传动计算
– 硬件、软件
• 功率放大器
– 功率放大，脉冲电流 1~10A，每一相绕组 都有一套
4.1 概述
• 4.1.1 基本定义 • 4.1.2 伺服系统的基本要求 • 4.1.3 分类
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4.1.1 基本定义
• 伺服系统
– 根据数控装置给出的指令控制工作台的速度 、位移或主轴转速的控制系统。
• 分类：
– 进给伺服系统 – 主轴伺服系统
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4.2 步进电机及其调速
• 步进电机的结构与工作原理 • 步进电机的特征参数 • 步进电机开环进给的传动计算及电机选
用 • 步进电机的驱动
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步进电机的结构与工作原理
• 步进电机控制原理：
– 电脉冲信号→角位移 – 脉冲数→位移 – 脉冲频率→转速
• 缺点：
– 容易失步（大负载和高速情况下）
• 位移精度取决：
– 步进电机的角位移精度 – 齿轮丝杠等传动元件的导程或节矩精度 – 系统的摩擦阻尼特性
• 性能
– 定位精度：±0.02mm，±0.01mm – 速度：脉冲当量为0.01mm时，不超过5m/min
• 特点：
– 结构简单，用于精度要求不高的机床
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闭环和半闭环进给伺服系统
转矩——频率特性
• 负载转矩越大，工作频 率越低，符合加工实际 需求
• 在步进电机运行时，对 应于某一频率，只有当 负载转矩小于它在该频 率时的最大动态转矩， 电机才能正常运转
• 应根据负载要求参照高 频输出转矩来选用步进 电机的规格
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步进电机开环进给的传动计算及电机选用 • 传动计算
– 硬件、软件
• 功率放大器
– 功率放大，脉冲电流 1~10A，每一相绕组 都有一套
第三节 伺服进给系统
第三节伺服进给系统数控机床的进给系统又称“伺服进给系统”。
所谓“伺服”，即，可以严格按照控制信号完成相应的动作。
在数控机床的结构中，简化最多的就是进给系统。
所有数控机床的（做直线运动的）伺服进给系统，基本形式都是一样的。
一、传统机床进给系统的特点1．进给运动速度低、消耗功率少进给运动的速度一般较低，因而常采用大降速比的传动机构，如丝杠螺母、蜗杆蜗轮等。
这些机构的传动效率虽低，但因进给功率小，相对功率损失很小。
2．进给运动数目多不同的机床对进给运动的种类和数量要求也不同。
例如：立式钻床只要求一个进给运动；卧式车床为两个（纵、横向）；而卧式铣镗床则有五个进给运动。
进给运动越多，相应的各种机构（如变速与换向、运动转换以及操纵等机构）也就越多，结构就更为复杂。
3．恒转矩传动进给运动的载荷特点与主运动不同。
当进给量较大时，常采用较小的背吃刀量；当进给量较小时，则选用较大的背吃刀量。
所以，在采用各种不同进给量的情况下，其切削分力大致相同，即都有可能达到最大进给力。
因此，进给传动系统最后输出轴的最大转矩可近似地认为相等。
这就是进给传动恒转矩工作的特点。
4．进给传动系统的传动精度进给传动链从首端到末端，有很多齿轮等进行传递，每个传动件的误差都将乘以其后的传动比并最终影响末端件输出，输出端的总误差是中间各传动件误差的累积（均方根）。
因为进给传动链总趋势是降速，所以远离末端件的传动件误差影响较小，而越靠近末端件的传动件误差，对总的传动精度的影响越大。
因此把越靠近末端件的传动比取得越小（相当于“前慢后快”原则），对减小其前面各传动件的误差影响越大。
这就是“传动比递降原则”。
应该注意：传统机床仅在“内联系传动链”中需要考虑传动精度。
二、提高传动精度的措施：①缩短传动链减少传动件数目，以减少误差的来源。
（即累积误差减少）②合理分配各传动副的传动比尽可能采用传动比递降原则；尽量采用大降速比的末端传动副，如：输出为回转运动用蜗杆蜗轮副，输出为直线运动用丝杠螺母副。
数控技术6-进给伺服系统
该系统主要由伺服电机、传动装置、 控制器和传感器等组成，通过这些组 件的协同工作，实现对机床进给的精 确控制。
重要性及应用领域
01
数控技术6-进给伺服系统是数控 机床的核心组成部分，对于提高 加工精度、稳定性和加工效率具 有重要意义。
02
该系统广泛应用于机械制造、航 空航天、汽车、模具等领域，是 现代制造业中不可或缺的重要技 术之一。
数控技术6-进给伺服系统
目录
• 引言 • 进给伺服系统概述 • 数控技术中的进给伺服系统 • 进给伺服系统的性能指标 • 进给伺服系统的控制策略 • 进给伺服系统的应用与发展趋势
01 引言
主题简介
数控技术6-进给伺服系统是一种用于 控制机床运动和加工过程的系统，通 过精确控制机床的进给运动，实现高 精度、高效率的加工。
05 进给伺服系统的控制策略
开环控制
总结词
简单、可靠、成本低
详细描述
开环控制策略不包含位置反馈环节，控制器根据输入的位移指令和系统参数计 算出控制量，直接驱动执行机构。开环控制简单可靠，成本较低，但精度和稳 定性受限于系统参数的准确性。
闭环控制
总结词
高精度、高稳定性
详细描述
闭环控制策略包含位置反馈环节，通过实时检测执行机构的实际位置或位移，与指令位置进行比较，形成误差信 号，控制器根据误差信号调整控制量，以减小误差。闭环控制具有高精度和高稳定性，适用于对位置精度要求高 的场合。
进给伺服系统的应用案例
数控机床
进给伺服系统广泛应用于数控机床，实现高 精度、高效率的加工。
机器人
伺服系统用于机器人的关节驱动，实现精确 的位置控制和速度控制。
自动化生产线
伺服系统用于自动化生产线的传送、定位和 装配，提高生产效率。
重要性及应用领域
01
数控技术6-进给伺服系统是数控 机床的核心组成部分，对于提高 加工精度、稳定性和加工效率具 有重要意义。
02
该系统广泛应用于机械制造、航 空航天、汽车、模具等领域，是 现代制造业中不可或缺的重要技 术之一。
数控技术6-进给伺服系统
目录
• 引言 • 进给伺服系统概述 • 数控技术中的进给伺服系统 • 进给伺服系统的性能指标 • 进给伺服系统的控制策略 • 进给伺服系统的应用与发展趋势
01 引言
主题简介
数控技术6-进给伺服系统是一种用于 控制机床运动和加工过程的系统，通 过精确控制机床的进给运动，实现高 精度、高效率的加工。
05 进给伺服系统的控制策略
开环控制
总结词
简单、可靠、成本低
详细描述
开环控制策略不包含位置反馈环节，控制器根据输入的位移指令和系统参数计 算出控制量，直接驱动执行机构。开环控制简单可靠，成本较低，但精度和稳 定性受限于系统参数的准确性。
闭环控制
总结词
高精度、高稳定性
详细描述
闭环控制策略包含位置反馈环节，通过实时检测执行机构的实际位置或位移，与指令位置进行比较，形成误差信 号，控制器根据误差信号调整控制量，以减小误差。闭环控制具有高精度和高稳定性，适用于对位置精度要求高 的场合。
进给伺服系统的应用案例
数控机床
进给伺服系统广泛应用于数控机床，实现高 精度、高效率的加工。
机器人
伺服系统用于机器人的关节驱动，实现精确 的位置控制和速度控制。
自动化生产线
伺服系统用于自动化生产线的传送、定位和 装配，提高生产效率。