【正文】 第第 6 章章 數(shù)控伺服系統(tǒng)3/9/2023 概 述 伺服系統(tǒng)是指以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的進給指令信號，經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放大后驅動執(zhí)行件，轉化為直線或旋轉運動。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置 (計算機 )和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成部分。 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、伺服機構或伺服單元。 該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，結構復雜，綜合性強 。3/9/2023 概 述 進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說C裝置是數(shù)控系統(tǒng)的 “大腦 ”，是發(fā)布 “命令 ”的 “指揮所 ”，那么進給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的 “四肢 ”，是一種 “執(zhí)行機構 ”。它忠實地執(zhí)行由 CNC裝置發(fā)來的運動命令，精確控制執(zhí)行部件的運動方向，進給速度與位移量。3/9/2023 伺服系統(tǒng)的組成 組成： 伺服電機 驅動信號控制轉換電路 電子電力驅動放大模塊 位置調(diào)節(jié)單元 速度調(diào)節(jié)單元 電流調(diào)節(jié)單元 檢測裝置一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結構 ：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。3/9/2023 伺服系統(tǒng)的組成 位置調(diào)解 速度調(diào)解 電流調(diào)解 轉換驅動 工作臺電流反饋速度反饋位置反饋MG 位置、速度和電流環(huán)均由： 調(diào)節(jié)控制模塊 、 檢測 和 反饋部分組成。電力電子驅動裝置由 驅動信號產(chǎn)生電路 和 功率放大器 組成。 嚴格來說：位置控制包括位置、速度和電流控制；速度控制包括速度和電流控制。3/9/20231． 精度高 伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復現(xiàn)輸入量的精確程 度。包括定位精度和輪廓加工精度。2． 穩(wěn)定性好 穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在 短暫的調(diào)節(jié)過程后，達到新的或者恢復到原來的平衡狀態(tài)。直接 影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。3． 快速響應 快速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質的重要指標，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。4．調(diào)速范圍寬 調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機械要求電機能提供的最高轉速 和最低轉速之比。 0～ 24m / min。5． 低速大轉矩 進給坐標的伺服控制屬于恒轉矩控制，在整個速度 范圍內(nèi)都要保持這個轉矩；主軸坐標的伺服控制在低速時為恒轉 矩控制，能提供較大轉矩。在高速時為恒功率控制，具有足夠大 的輸出功率。 對伺服系統(tǒng)的基本要求 3/9/2023對伺服電機的要求：（ 1）調(diào)運范圍寬且有良好的穩(wěn)定性，低速時的速度平穩(wěn)性（ 2） 電機應具有大的、較長時間的過載能力，以滿足低速 大轉矩的要求。（ 3） 反應速度快，電機必須具有較小的轉動慣量、較大的 轉矩、盡可能小的機電時間常數(shù)和很大的加速度 (400rad / s2以上 )。（ 4）能承受頻繁的起動、制動和正反轉。 對伺服系統(tǒng)的基本要求 3/9/2023 1．按調(diào)節(jié)理論分類（ 1）開環(huán)伺服系統(tǒng) （ 2）閉環(huán)伺服系統(tǒng) （ 3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)的分類指令驅動電路 步進電機 工作臺脈沖伺服電機速度檢測速度控制位置控制 位置檢測伺服電機速度控制位置控制工作臺脈沖編碼器指令3/9/2023 伺服系統(tǒng)的分類n 開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)w沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置→ 進給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。電機機械執(zhí)行部件A相、 B相C相、 …f、 nCNC插補指令脈沖頻率 f脈沖個數(shù) n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大3/9/2023 伺服系統(tǒng)的分類 n 無位置反饋，精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅動系統(tǒng)和機械傳動機構的性能和精度。n 一般以功率步進電機作為伺服驅動元件。n 這類系統(tǒng)具有結構簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高、驅動力矩不大的場合得到廣泛應用。一般用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。3/9/2023 伺服系統(tǒng)的分類n 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)w 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖所示，是從驅動裝置 (常用伺服電機 )或絲杠引出，采樣旋轉角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅動檢測與反饋單元位置控制單元 速度控制單元++ 電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋3/9/2023 伺服系統(tǒng)的分類 w 半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。w 由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。w 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結構簡單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代 CNC機床中得到了廣泛應用。3/9/2023 伺服系統(tǒng)的分類 n 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)w 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進行檢測。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅動檢測與反饋單元位置控制單元 速度控制單元++ 電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋3/9/2023 伺服系統(tǒng)的分類 w 從理論上講，可以消除整個驅動和傳動環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。 w 由于位置環(huán)內(nèi)的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設計、安裝和調(diào)試都相當困難。w 該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機床等。3/9/20232． 按使用的執(zhí)行元件分類 （ 1）電液伺服系統(tǒng) 電液脈沖馬達和電液伺服馬達。 優(yōu)點：在低速下可以得到很高的輸出力矩，剛性好，時間常 數(shù)小、反應快和速度平穩(wěn)。 缺點：液壓系統(tǒng)需要供油系統(tǒng)，體積大。噪聲、漏油。（ 2）電氣伺服系統(tǒng) 伺服電機（ 步進電機 、直流電機和交流電機） 優(yōu)點：操作維護方便，可靠性高。 1）直流伺服系統(tǒng) 進給運動系統(tǒng)采用大慣量寬調(diào)速永磁直流伺 服電機和中小慣量直流伺服電機；主運動系統(tǒng)采用他激直流伺 服電機。 優(yōu)點：調(diào)速性能好。缺點：有電刷，速度不高。 2）交流伺服系統(tǒng) 交流感應異步伺服電機（一般用于主軸伺服系 統(tǒng)） 和永磁同步伺服電機（一般用于進給伺服系統(tǒng)）。 優(yōu)點：結構簡單、不需維護、適合于在惡劣環(huán)境下工作。動 態(tài)響 應好、轉速高和容量大。 伺服系統(tǒng)的分類 3/9/20233．按被控對象分類 （ 1）進給伺服系統(tǒng) 指一般概念的位置伺服系統(tǒng)，包 括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。 （ 2）主軸伺服系統(tǒng) 只是一個速度控制系統(tǒng)。 C 軸控制功能。4．按反饋比較控制方式分類 （ 1）脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng) （ 2）相位比較伺服系統(tǒng) （ 3）幅值比較伺服系統(tǒng) （ 4）全數(shù)字伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)的分類 3/9/2023 伺服電動機 伺服電動機 為數(shù)控伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是速 度和軌跡控制的執(zhí)行元件。 數(shù)控機床中常用的伺服電機 ： 直流伺服電機（調(diào)速性能良好） 交流伺服電機（主要使用的電機） 步進電機（適于輕載、負荷變動不大） 直線電機（高速、高精度） 3/9/2023 常用的直流電動機有：永磁式直流電機（有槽、無槽、杯型、 印刷繞組） 勵磁式直流電機 混合式直流電機 無刷直流電機 直流力矩電機 直流進給伺服系統(tǒng)： 永磁式直流電機類型中的 有槽電樞永磁直 流電機（普通型） ； 直流主軸伺服系統(tǒng)： 勵磁式直流電機類型中的 他激直流電機 。 直流伺服電機及工作特性 3/9/2023 1．直流伺服電機的結構極靴機殼 瓦狀永磁材料（定子）電樞（轉子）換向極主磁極定子轉子線圈圖 圖 3/9/2023⑴ 靜態(tài)特性電磁轉矩由下式表示 : （ ） KT — 轉矩常數(shù)； Φ — 磁場磁通； Ia — 電樞電流； TM — 電磁 轉矩。電樞回路的電壓平衡方程式為 : （ ） Ua─ 電樞上的外加電壓； Ra─ 電樞電阻； Ea─ 電樞反電勢。 電樞反電勢與轉速之間有以下關系： （ ） Ke─ 電勢常數(shù)； ω ─ 電機轉速（角速度）。 根據(jù)以上各式可以求得： （ ） 2 一般 直流電機的工作特性 3/9/2023當負載轉矩為零時： 理想空載轉速 （ ） 當轉速為零時： 啟動轉矩 ( ） 當電機帶動某一負載 TL時 電機轉速與理想空載轉速的差 （ ） 2一般 直流電機的工作特性 ωO△ ω 16