工厂电气控制设备及技能训练第6章PPT

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调速范围宽

调速范围是指电机能提供的最高转速和 最低转速之比。在数控机床中，由于所 用刀具、加工材料及零件加工要求的不 同，为保证在各种情况下都能得到最佳 切削条件，就要求伺服系统具有足够宽 的调速范围。
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低速大扭矩

要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动 功率。机床加工的特点是，在低速时进 行重切削。因此，伺服系统在低速时要 求有大的转矩输出。
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数控机床闭环进给系统

数控机床闭环进给系统的一般结构如图 6-1所示。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，它是先把位置控制指令转换成相 应的速度信号后，通过调速系统驱动伺 服电机，才实现实际位移的。
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指令
伺服驱动装置
位置控制模 块 速度控制单 元
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图6-2 开环伺服系统原理示意图
工作台
齿轮箱
步进电机 指令脉冲 驱动控制 线 路
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闭环伺服系统

闭环伺服系统的位置检测装置安装在机 床的工作台上（图6-1），检测装置测出 实际位移量或者实际所处位置，并将测 量值反馈给CNC装置，与指令进行比较， 求得差值，构成闭环位置控制。闭环方 式被大量用在精度要求较高的大型数控 机床上
工作台 位置检测
速度环
速度检测
测量反 馈
伺服电 机
位置环
图6-1 闭环进给伺服系统结构
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6.1.2对伺服系统的基本要求

稳定性好 精度高 快速性好 调速范围宽 低速大扭矩
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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。要求伺服 系统具有较强的抗干扰能力，保证进给 速度均匀、平稳。稳定性直接影响数控 加工精度和表面粗糙度。
A C B
绕组 定子
结构
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2． 步进电机的工作原理

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，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。
第六章

数控机床的伺服系统控制
本章要点 伺服系统的组成，基本要求，分类 步进电机及其驱动 数控机床用交流电机驱动
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6.1 数控机床的伺服系统概述

6.1.1伺服系统的组成 伺服系统是以机床移动部件（如工作台） 的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通 常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构 及执行部件组成。其作用是：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。
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1． 步进电机的结构

步进电机在结构上分为定子和转子两部 分，现以图6-4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。
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图6-4 三相反应式步进电机结构
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直流伺服系统


直流伺服系统就是控制直流电机的系统。 目前使用比较多的是永磁式直流伺服电 机。永磁直流伺服电机，调速范围宽， 输出转矩大，过载能力强，而且电机转 动惯量较大，应用较方便 直流电机有电刷，限制了转速的提高， 而且结构复杂，价格较贵。
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交流伺服驱动系统

由于交流电机调速技术的突破，交流伺 服驱动系统在80年代进入电气传动调速 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，交流伺服电 机已在数控机床中得到广泛应用。
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三相双三拍控制方式

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300。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。它比三相三拍控制方式步距 角小一半，因而精度更高，且转换过程中始终 保证有一个绕组通电，工作稳定，因此这种方 式被大量采用
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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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快速性好

快速响应是伺服系统动态品质的重要指 标，它反映了系统跟踪速度。机床进给 伺服系统实际上就是一种高精度的位置 随动系统，为保证轮廓切削形状精度和 低的表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指 令信号的响应要快，跟随误差小。
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6.1.2伺服系统的分类



1．开环和伺服系统 2. 闭环伺服系统
3. 半闭环伺服系统

4．直流伺服系统 5. 交流伺服系统
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开环伺服系统

开环伺服系统采用步进电机作为驱动元 件，它没有反馈回路，因此设备投资低， 调试维修方便，但精度差，高速扭矩小， 被用于经济型数控机床及普通机床的数 控化改造。
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6.2 步进电机及其驱动装置

6.2.1 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 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。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。
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图6-3 半闭环伺服系统简图
指令 + 位置比较 速度控制 工作台
伺服电机 速度反馈
位置反馈
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半闭环伺服系统

半闭环伺服系统如图6-3所示。半闭环伺 服系统一般将位置检测元件安装在电动 机轴上，用以精确控制电机的角度，然 后通过滚珠丝杠等传动部件，将角度转 换成工作台的位移，为间接测量。目前 在精度要求适中的中小型数控机床上， 使用半闭环系统较多。