进给伺服系统
进给伺服系统
变换前后由同样的旋转磁势（即产生同样的旋转磁 场）
方法
A、B、C三相坐标系的交流量→D、Q两相固定坐 标系的交流量→转子磁场定向的M’－T’直角坐标系 的直流量
电动机控制对比
直流电动机
与电机电磁转矩相关的主磁通Φ和电枢电流Ia是相 互独立的两个变量
分别控制励磁电流和电枢电流，即可方便地进行转 矩电压U
改变Ke
即改变磁通量Φ（改 变激磁回路电阻Rj以 改变激磁电流Ij）
在电枢回路中串联调 节电阻Rt，此时，转 速公式变为
n (U IaRa) ke
n U Ia (Ra Rt ) ke
大惯量直流伺服电机
又称：
宽调速直流伺服电机、直流力矩电机
激磁方式：
PWM调速的特点
开关频率高 纹波系数低 频带较宽 可在高峰值电流下工作
4.4 交流伺服系统
含义：
使用AC电机的伺服系统
分类：
交流感应电机（异步）：结构简单，容量大， 价格低，一般用作主运动的驱动电路
交流同步电机（永磁）：进给运动的驱动电 机
永磁同步式交流伺服电机
组成：
交流伺服电机调速
永磁式
特点：
输出力矩大：
高性能的磁性材料，产生强磁场φ，具有大的矫顽力和足 够的厚度，能承受高的峰值电流以满足快的加减速要求
增加转子的槽数和槽的截面积，增大磁极对数，使得转矩惯量比增大，电枢电感减小，电机的机械时间常数和电气 时间常数都减小，改善响应的快速性。
大惯量直流伺服电机
特点：
大惯量的结构使在长期过载工作时具有大的 热容量，过载能力强，允许持续过载的时间 长。
之内成为不稳定因素，设计和调试较困难
4.2 步进电机及其调速
数控机床进给伺服系统类故障诊断与处理（3篇）
数控机床进给伺服系统类故障诊断与处理数控机床进给伺服系统是数控机床中非常关键的一个组成部分，它直接影响机床加工的精度和效率。
然而，在使用过程中，由于各种原因，进给伺服系统可能会出现故障。
本文将介绍数控机床进给伺服系统的常见故障及其诊断与处理方法。
一、数控机床进给伺服系统常见故障1. 运动不平稳：机床在加工工件时，出现运动不平稳的情况，可能是由于进给伺服系统的故障引起的。
这种情况表现为运动过程中有明显的抖动或者不稳定的现象。
2. 运动失效：机床无法正常运动，不响应操作指令。
这种情况可能是由于进给伺服系统的电源故障、控制器故障或者连接线路故障引起的。
3. 位置误差过大：机床在加工过程中，位置误差超过了允许范围，导致加工工件的尺寸不准确。
这种情况可能是由于进给伺服系统的位置反馈元件（如编码器）故障引起的。
4. 加工速度过慢：机床在加工时，进给速度远低于预设值，导致加工效率低下。
这种情况可能是由于进给伺服系统的电机故障或者速度控制回路故障引起的。
二、故障诊断与处理方法1. 运动不平稳的诊断与处理：首先，检查机床的润滑系统，确保润滑油是否充足，并且清洁。
其次，检查机床的传动系统，确保螺杆和导轨的润滑良好。
如果问题还未解决，可以通过检查进给伺服系统的控制器参数是否正确、电机驱动器是否正常工作等方式进一步诊断。
2. 运动失效的诊断与处理：首先，检查进给伺服系统的电源供应情况，确保电源正常。
其次，检查进给伺服系统的连接线路，包括电源线、编码器连接线等，确保线路没有松动或者断裂。
如果问题还未解决，可以通过检查进给伺服系统的控制器和电机驱动器是否正常工作等方式进一步诊断。
3. 位置误差过大的诊断与处理：首先，检查进给伺服系统的位置反馈元件，如编码器是否损坏或者松动。
如果问题还未解决，可以通过检查进给伺服系统的控制器参数是否正确、电机驱动器是否正常工作等方式进一步诊断。
4. 加工速度过慢的诊断与处理：首先，检查进给伺服系统的电机是否正常工作，包括电机是否有异常声音或者发热等。
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。
第四章闭环伺服系统
U = U 0 sin (ω t+ 2 π x /λ )
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第四章 进给伺服系统
脉冲编码器
脉冲编码器是一种旋转式角位移检测装置，能 将机械转角变换成电脉冲，是数空机床上使用 最光的检测装置。
光电式
脉 冲 编 码 器 的 分 类 增量式脉冲编码器 接触式
磁
磁
检测 电路
伺服系统 数字显示
尺
磁尺位置检测装置
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第四章 进给伺服系统
磁尺位置检测装置
表面录有相等节距（一般为0.05，0.1， 磁性标尺：
0.2，1mm）周期变化的磁信号。
磁 尺 按 基 N 本 形 状 分 为 平面实体形 磁尺 一般长度为600mm
磁尺
带 状 磁 尺 基体厚0.2mm，宽70mm
① 20mm
② 10mm
③ 0.35mm
④ 2.85mm
答： ① 设有一光栅的条纹密度是10条/mm，要利用它测 出1的位移，应采用___套光电转换装置。 ①1 答： ② ②2 ③3 ④4
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第四章 进给伺服系统
磁尺位置检测装置 磁尺： 是一种精度较高的位置检测装置。它 由磁性标尺、磁头、和检测电路组成。
W、ω、θ之间的关系
ω
ω
θ
BC=ABsin(θ/2) 其中
ω
光栅 节距
标尺光栅 θ
BC=ω/2 ， AB=W/2 ，
指示光栅 B
因此
W=ω/sin(θ/2)
C θ /2 W /2
由于θ很小，θ单位为rad时， Sin(θ/2) ≈ θ 故 W ≈ ω/ θ
伺服进给系统课程设计
伺服进给系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握伺服进给系统的基本概念、分类和工作原理；2. 了解伺服进给系统在自动化设备中的应用和重要性；3. 掌握伺服电机、驱动器、编码器等关键部件的选型和使用方法；4. 学会分析伺服进给系统的性能指标，如稳定性、精度和响应速度。
技能目标：1. 培养学生运用所学知识进行伺服进给系统设计、调试和优化的能力；2. 提高学生运用相关软件（如CAD、MATLAB等）进行系统仿真和分析的技能；3. 培养学生团队协作和沟通能力，能够就伺服进给系统相关问题进行讨论和交流。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对机械工程和自动化领域的兴趣，激发学生探索精神和创新意识；2. 增强学生环保意识，认识到伺服进给系统在节能减排方面的重要性；3. 培养学生严谨、负责的学习态度，提高学生面对工程问题的解决能力。
课程性质分析：本课程为机械工程及自动化专业课程，旨在让学生掌握伺服进给系统的设计原理和实际应用。
课程具有较强的实践性和应用性。
学生特点分析：学生处于本科阶段，已具备一定的机械基础和自动化知识，具有较强的学习能力和动手能力。
教学要求：1. 理论与实践相结合，注重培养学生的实际操作能力；2. 采用案例教学，提高学生的工程意识；3. 强化团队合作，培养学生的沟通协调能力。
二、教学内容1. 伺服进给系统概述- 伺服进给系统的基本概念、分类和发展趋势；- 伺服进给系统的工作原理及其在自动化设备中的应用。
2. 伺服进给系统关键部件- 伺服电机的类型、结构及性能指标；- 驱动器的选型、连接和调试方法；- 编码器的种类、原理及其在伺服系统中的应用。
3. 伺服进给系统设计- 伺服进给系统的设计原则和步骤；- 伺服电机、驱动器和编码器的选型方法；- 系统参数的调试和优化。
4. 伺服进给系统性能分析- 系统稳定性、精度和响应速度等性能指标；- 相关软件（如CAD、MATLAB等）在系统仿真和分析中的应用。
数控机床进给伺服系统的组成和分类
机床加工，大多是低速时进行切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。
二、进给伺服系统的组成如图所示为数控机床进给伺服系统的组成。
从图中可以看出，它是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。
位置环的输入信号是计算机给出的指令信号和位置检测装置反馈的位置信号，这个反馈是一个负反馈，即与指令信号的相位相反。
指令信号是向位置环送去加数，而反馈信号向位置环送去减数。
位置检测装置通常有光电编码器、旋转变压器、光栅尺、感应同步器或磁栅尺等。
它们或者直接对位移进行检测，或者间接对位移进行检测。
开环伺服系统开环伺服系统是最简单的进给伺服系统，无位置反馈环节。
如图所示，这种系统的伺服驱动装置主要是步进电动机、功率步进电动机、电液脉冲电动机等。
由数控系统发出的指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电动机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠螺母副驱动执行部件。
闭环伺服系统闭环伺服系统原理图如图所示。
系统所用的伺服驱动装置主要是直流或交流伺服电动机以及电液伺服阀—液压马达。
与开环进给系统最主要的区别是：安装在执行部件上的位置检测装置，测量执行部件的实际位移量并转换成电脉冲，反馈到输入端并与输人位置指令信号进行比较，求得误差，依此构成闭环位置控制。
由于采用了位置检测反馈装置，所以闭环伺服系统的位移精度主要取决于检测装置的精度。
闭环伺服系统的定位精度一般可达±0.01mm～±0.005 mm。
半闭环伺服系统半闭环伺服系统如图所示。
将检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件位置的系统称为半闭环系统。
闭坏系统可以消除机械传动机构的全部误差，而半闭环系统只能补偿系统环路内部分元件的误差，因此，半闭环系统的精度比闭环系统的精度要低一些，但是它的结构与凋试都比较简单。
全数字伺服系统随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已经开始采用高速度、高精度的全数字伺服系统。
使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。
《进给伺服系统》课件
进给伺服系统的分类
总结词
进给伺服系统可以根据不同的分类标准进行分类，如 按照控制方式、电机类型、反馈方式等。
详细描述
根据不同的分类标准，进给伺服系统可以分为多种类 型。按照控制方式，可以分为开环控制和闭环控制； 按照电机类型，可以分为直流电机伺服系统和交流电 机伺服系统；按照反馈方式，可以分为模拟反馈和数 字反馈。此外，还可以根据应用领域、功率大小等进 行分类。不同类型的进给伺服系统具有不同的特点和 应用范围，选择合适的类型对于实现高精度制造和加 工至关重要。
位置检测器通常由传感器和信号处理电路组成。
传感器将物体的位置转换为电信号，信号处理电路将电信号转换为可处理的数字或模拟信号，以便控制 器进行处理。
控制器的工作原理
控制器是一种用于控制系统的装置， 它根据输入的信号和设定的参数来控 制系统的输出。
在进给伺服系统中，控制器根据输入 的指令和位置检测器的反馈信号来控 制伺服电机的输出，以实现精确的位 置控制。
VS
详细描述
智能伺服系统集成了传感器、控制器、执 行器等多种技术，能够实现自适应控制、 自主学习和自主决策等功能。未来，智能 伺服系统将进一步拓展应用领域，提高系 统的智能化水平和自适应性，满足不断变 化的市场需求。
网络化伺服系统的发展趋势
总结词
网络化伺服系统是实现设备间高效通信和协 同工作的关键技术。
机器人
机器人是进给伺服系统的另一个重要应用领域。
机器人的运动轨迹需要精确控制，进给伺服系统能够实 现高精度的轨迹跟踪和定位。
在机器人中，进给伺服系统主要用于控制机器人的关节 运动和末端执行器的位置。
此外，进给伺服系统还可以提高机器人的稳定性和动态 性能，使其能够更好地适应复杂的工作环境。
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
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位
， 码盘在数 码盘 可 种。
置 检
的
测 装
绝对式和增量式
置
1 16 代数 术 26
. 脉冲编码器
1. 增量脉冲编码器
结构及工作原理
光敏元件 透光狭缝 码盘基片 光欄板 透镜
第 二 节
位 置 检 测 装 置
Z Z B B A A
1 16 27 z b 理 a m+τ/4 τ 光
.
码
A
光电码盘随被测轴一起转动， 在光源的照射下，透过光电码盘 和光欄板形成忽明忽暗的光信号，
第 一 节
一般要求：
RN > 10000
稳定性： 稳定性
且
速 要
0.1mm min≤ Fmin < 1mm min
的 要 在 速
概
的 稳性
述
1
16
数控
4
二、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
⒉
输出位置精度要高
静态： 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)
第 二
合的定尺 绕组上的总感应电压为：
节
Uo =Uos+ Uos=KUScosθ1 K Ucsinθ1
位 置 检 测 装 置
1时16
K— 电磁感应 θ1 —定尺绕组上的感应电压的相
术
18
.
滑尺与定尺 相对位移量 x 的求取：
∵ ∴ 2τ: 2π= x : θ1 x = τθ1 ／π
第 二 节
结论： 结论：相对位移量 x 与 相位角θ1 呈线性关系，只要能测出 相位角θ1 ，就可求得位移量 x 。 Us 测系 ——- 相 系 Uc 系
式
栅
位 置 检 测 装 置
1 16 数 术
直 线 式
绝对
12
二. 感应同步器
1. 第 二 节
2τ
感应同步器的结构及分类 结构
定尺
2mm
位 置 检 测 装 置
1 16分
1 4
板(
)
0.5mm
sin
cos
尺
13
术
. 感应同步器
分类 直线感应同步器 感应同步器 绝对式 增量式
第 二 节
标准型 窄长型 型
位 置 检 测 装 置
绝对式 增量式
1
16分
术
14
. 感应同步器
⒉
感应同步器的工作原理. 感应同步器的工作原理.
感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相
第 二 对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感 节 应电 位 感应同步器 置 检 测 装 置
Uo = Uos+ Uos=KUScosθ1 K Ucsinθ1
第 二 节
位 置 检 测 装 置
= K Um sinθ2 cosθ1sinωt K Um cosθ2sinωtsinθ1 = K Um sin（θ2 θ1）sinωt Uo UC相位 θ1 ， ： 位移 x
相
1
16
21
. 感应同步器
5. 几点说明
第
光敏元件把此光信号转换成电信
90° B
二 节
号，通过信号处理装置的整形、 处理 的 形
Z
位 置 检 测 装 置
下 1 16 28
A、 ，A
B、 、 Z、 B Z
……
码盘转一
的
信号 、 A、 Z B
A、B、Z
. 脉冲
输出信号的作用 及其处理
A、B两相的作用
A
90O B
第 二 节
根据脉冲的 轴的 ； 可得被测 根据脉冲的数目可得出被 测轴的角位移；
位 置 检
对 对 相
：
的
、
相
相位 的精
测 装 置
1 16
： 对Um sinθ2、Um cosθ2调
度
2%
影响
精度
25
三. 脉冲编码器
脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字测量元件， 通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的
第 二 节
构和检测 式码盘可 机 为 上 检测元件。 式 ， ， 可 为 式和 式 种。 角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。根据内
第 二 节
感应同步器的测量 测量 感应 感应同步器的测量周期为其绕组的节距2τ（2mm）
位 置 检 测
的感应同步器的 量 其 的
装 置
的
1 16 22
二. 感应同步器
⒌ 感应同步器的特点及使用注意事项
特点 第 二
精度高：平均自补偿特性；
节
的 应 ： ： 度 的 精度 性 ；
位 置 检 测 装 置
1 16 23
下午1时16分
现代数控技术
9
一、概 述
1. 进给伺服系统对位置测量装置的要求
第 二 节
高可靠性和高抗干扰性： 高可靠性和高抗干扰性
受温度、湿度的影响小，工作可靠，精度保持性好，抗干扰 能力强；
能
精度和
度的要求： 度的要求
高 机 的 一 量
位 置 检 测 装 置
1 16
位置 测装置 ； 位置 度 测装置 高
1 16 37
码盘
第三节
一
进给伺服驱动系统
、概述
1.
第 四 章
2.
进给伺服驱动系统由进给伺服系统中的 驱动电机及其控 进给伺服驱动系统 制和驱动装置。 驱动电机 进给系统的动 的动 控机
进电机
动 的电机
进 给 伺 服 系 统
伺服电机 伺服电机 电机。
1 16 控 38
一、概述
3.
速度单元是上述驱动电机及其控制和驱动装置，通常驱动 速度单元是上述驱动电机及其控制和驱动装置 电机与速度控制单元是相互配套供应的，其性能参数都是 进行了相互匹配，这样才能获得高性能的系统指标。
伺服系统的要求
这是对伺服系统动态性能的要求， 即在无超调的前提下，执行部件的运
F
第 一 节
动速度的建立时间 tp 应尽可能短。 要求 时间应 0 Fmax Fmax 0 ， 超调，
tp
200ms，且 能 ，
概 述
对机 部件 。
t
下
1时16
术
7
NC机
系统的
⒌
能可逆运行和频繁灵活启停。 系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。
第
⒍
一 节
系统的 高 的 ， 和 性 方 性能的 。
概 述
1
16
8
第二节 进给伺服系统的位置检测装置
一、概 述 、
组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装 组成 置组成的。 作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置 作用 控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控 制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重 要组成部分。 闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置 的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进 给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置。
0101 二进制码 ⊕ 010 右移一位并舍去末位 0111 雷格码
的格雷码：
位 置 检 测 装 置
1 16 数 术 35
三. 脉冲编码器
绝对式码盘的规格及分辨率
规格 绝对式码盘的规格与码盘码道数 n 有关；
第 二 节
道 道 现在市场上提供从 4道 到 18道 都有；
的分辨率； 的 数
位 置 检 测 装 置
o
360 α = n
三. 脉冲编码器
2. 绝对式编码 器
结构和工作原理
码盘基片上有多圈码道，
第 二 节
对 每圈 的 有 数 器； 码盘圈数
23
且每码道的刻线数相等；
位
；
置 检
某 编码 的周
22 21 20
数 术 32
测
，
装 置
绝对
1 16
.
编码
绝对编码盘的编码方式及特点
二进制编码：
第 二 节
特点：编码循序与位置循序相一 致，但可能产生非单值性误差。 误差 ：
1时16 术 15
位移的变化
变化，
位移
的
的绕组是励磁绕组，
的绕组是感应绕组
. 感应同步器
感应同步器的工作原理
第 二 节
U0
US
U0
位 置 检 测 装 置
1 16
US UUS U
S S
θ1
术
16
. 感应同步器
感应同步器的信号处理原理
滑尺正旋绕组上加激磁电压Us后，与之相耦合的定尺绕
第
组上的感应电压为：
位 置 检 测 装 置
的90 理
1 16
根据A、B两相的相位 可 被测轴
CP
可 相位
用A、B两相 处
数 术 29
三. 脉冲编码器
Z相的作用 被测轴的周向定位基准信号；
码盘转一圈
Z ……
第
被测轴的旋转圈数记数信号。
二 节
A B Z 的作用
位 置 检 测 装
的
用A A
相
。
置
1 16 数 术 30
. 脉冲
的
测
度
机
的
高
，
机
工作
；
10
术
2. 位置检测装置的分类
第 二 节
按测 的类 分类： 式和 式 按输出信号的形式分类：数字式和模拟式 数字式和模拟式
位 置 检 测 装 置