第五章数控伺服系统class详解

控制信号
CNC系统
驱动电机
反馈信号
检测装置
伺服驱动系统
光栅尺
5.1 概述
伺服驱动系统直接影响移动速度、跟踪精度、 定位精度等一系列重要指标，是数控机床的 关键技术。
5.1 概述
数控机床的伺服系统按其功能可分为：进给伺服 系统（Feed Servo System）和主轴伺服系统。
主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动
5.1.1 伺服系统的组成
5.1.1 伺服系统的组成
驱动信号控制转换电路
电力电子驱动放大模块
位置、速度和电流调节单元
伺服电机
检测装置
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。该系统包括 了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性 强。
5.1.2 数控机床对进给伺服系统的要求
小于200ms，且不能有超
tp
调，否则对机械部件不利，
t
有害于加工质量。
灵敏度要高，有足够高的分辩率
5.1.2 数控机床对进给伺服系统的要求
RN Fmax Fmin
5.1.2 数控机床对进给伺服系统的要求
对主轴伺服系统，还应满足:
5.1.3 伺服系统分类
5.1.3 伺服系统分类
5.1.3 伺服系统分类
失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静 态转矩，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
5.2.2 步进电机的主要性能指标
近似为正弦曲线
静态矩角特性
在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电
磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（θ＝0）。
5.2.2 步进电机的主要性能指标
2.改变步进电机定子绕组的通电顺序，转 子的旋转方向将随之改变；
3.步进电机定子绕组通电状态的变换频率 越高，转子的转速越高；
5.2.2 步进电机的主要性能指标
5.2.2 步进电机的主要性能指标
5.2.2 步进电机的主要性能指标
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。连续走 若干步时，上述步距误差的累积值称为步距的 累积误差。由于步进电机转过一转后，将重复 上一转的稳定位置，步进电机的步距累积误差 将以一转为周期重复出现。
AABBBCCCAA 共六拍。
A
B' 1 C'
42
C 3B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
A 通电
AB 通电
A
B'
C'
B'
B 通电
A
C'
B'
A C'
C
B
A'
C
B
A'
C
B
A'
CA通电
C 通电
BC 通
（三）、三相双三拍
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；
（一）、三相单三拍
（1）三相绕组联接方式：Y 型
（2）三相绕组中的通电顺序为：
A相B相C相
通电顺序也可以为：
A 相 C 相 B 相
A 相通电使转子1、3齿和 AA' 对齐。
同理，B相通电，转子2、4齿和 B相轴线对齐，相对A相通电位 置转30；C相通电再转30。
A
B' 1 C'
42
C 3B
A'
引），将脉冲信号转换成线位移或角 位移的电机。每来一个电脉冲，电机 转动一个角度，带动机械移动一小段 距离。
特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。
(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变方向。
种类：
有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励 磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步 进电机的转子上没有励磁线圈。
进给伺服系统的作用: 接受CNC装置发出的插补结果(指令脉冲等)， 作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、 交流伺服电机、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。
5.1 概述
进给驱动系统的特点（与主运动（主轴） 系统比较）： 功率相对较小； 控制精度要求高； 控制性能要求高，尤其是动态性能。
A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
三相单三拍的特点：
（1）每来一个电脉冲，转子转过 30°。
（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。
（3）每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失 去自锁转矩，容易产生失步，只有一相绕组产生力 矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡
（二）、三相六拍
三相绕组的通电顺序为：
5.2.1 步进电机结构及工作原理 1、结构
定子的六个磁极上有 控制绕组，两个相对 的磁极组成一相
反应式步进电机
5.2.1 步进电机结构及工作原理
转子和定子均由带齿的硅钢片叠成
定子
五个极齿
转子
5.2.1 步进电机结构及工作原理 2、工作方式
步进电机的工作方式可分为： 三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。
5.1.3 伺服系统分类
Байду номын сангаас
5.2 步进电机伺服系统
步进电机是一种脉冲控制的执 行元件，可将输入脉冲转换 为机械角位移。每给步进电机 输入一个脉冲，其转轴就转 过一个角度，称为步距角。
三相混合步进电机
德国PHYTRON微型步进（真空、高温、低温）电机
机理：步进电机是利用电磁铁原理（电磁吸
步距误差直接影响执行部件的定位精度. 步进电动机单相通电时,步距误差取决于 定子和转子的分齿精度,和各相定子错位 角度的精度。
5.2.2 步进电机的主要性能指标
2. 静态转矩与矩角特性
当步进电机上某相定子绕组通电之后，转子齿力求 与定子齿对齐，使磁路中磁阻最小，转子处在平衡
位置不动（θ＝0）。
如在电机轴上外加一负载转矩Mz，转子会偏离 平衡位置向负载转矩方向转过一个角度θ，称为
静态：定位精度和重复定位精度要高，即 定位误差和重复定位误差要小。(尺寸精度)
F
△t △F
t
5.1.2 数控机床对进给伺服系统的要求
动态：跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误 差表示。 (轮廓精度)
F
执行部件的运动速度的建
立时间 tp 应尽可能短。
通常要求从 0→Fmax
（Fmax→0），其时间应
第五章 数控伺服系统
第五章 数控伺服系统
本章介绍进给伺服系统的构成及工作原理，
提 叙述步进电机、直流伺服电机、交流伺服
电机等伺服驱动元件的结构及调速方法，
要 阐述开环伺服系统、闭环伺服系统的构成
及控制原理。
加工中心
刀库刀具定位电机 机械手旋转定位电机
带制动器伺服电机 主轴电机
伺服电机
伺服驱动系统（Servo System)
3.最大启动转矩
M ABC
Mb
Mq
Ma
θ
启动转矩是电机能带动负载转动的极限转矩