【正文】 第六章 數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 概述 開環(huán)控制系統(tǒng)與步進電機驅(qū)動電路 閉環(huán)伺服系統(tǒng)與反饋比較形式 直流伺服電機與調(diào)速系統(tǒng) 交流伺服電機與主軸驅(qū)動系統(tǒng) 1 概述 伺服系統(tǒng)的分類 數(shù)控伺服系統(tǒng)由伺服電機（ M）、驅(qū)動信號控制轉(zhuǎn)換電路、電力電子驅(qū)動放大模塊、電流調(diào)解單元、速度調(diào)解單元、位置調(diào)解單元和相應(yīng)的檢測裝置（如光電脈沖編碼器 G）等組成。一般閉環(huán)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 。它是一個三環(huán)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其中，外環(huán)是位置環(huán)，中環(huán)是速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。 2 ? 開環(huán)伺服系統(tǒng) ? 閉環(huán)伺服系統(tǒng) ? 半閉環(huán)系統(tǒng) （ 1） 按調(diào)節(jié)理論分類 3 ? 電液伺服控制系統(tǒng) ? 電氣伺服控制系統(tǒng) （ 2） 按使用的執(zhí)行元件分類 ? 進給伺服系統(tǒng) ? 主軸伺服系統(tǒng) （ 3） 按被控對象分類 4 （ 1）高精度 由于數(shù)控機床的動作是由伺服電動機直接驅(qū)動的，為了保證移動部件的定位精度，對進給伺服系統(tǒng)要求定位準(zhǔn)確。一般要求定位精度達到 ～ ；高檔設(shè)備的定位精度要求達到 。速度控制要求在負(fù)載變化時有較強的抗擾動能力，以保證速度恒定。這樣才能在輪廓加工中保證有較好的加工精度。 伺服系統(tǒng)的基本要求 5 （ 2）穩(wěn)定性好 穩(wěn)定性是指系統(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(fù)到原來的平衡狀態(tài)，對伺服系統(tǒng)要求有較強的抗干擾能力。穩(wěn)定性是保證數(shù)控機床正常工作的條件，直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。 6 （ 3）響應(yīng)快速 為了提高生產(chǎn)率，保證加工精度要求伺服系統(tǒng)有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號的響應(yīng)要快。這就對伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能提出了兩方面的要求：一方面，在伺服系統(tǒng)處于頻繁地起動、制動、加速、減速等動態(tài)過程中，為了提高生產(chǎn)效率和保證加工質(zhì)量，要求加、減速度足夠大，以縮短過渡過程時間，一般電動機速度由零到最大，或從最大減少到零，時間應(yīng)控制在 200毫秒以下，甚至少于幾十毫秒，且速度變化不應(yīng)有超調(diào)；另一方面，當(dāng)負(fù)載突變時，過渡過程恢復(fù)時間要短且無振蕩，這樣才能達到光滑的加工表面。 7 （ 4）調(diào)速范圍寬 目前數(shù)控機床一般要求進給伺服系統(tǒng)的調(diào)速范圍是 0～30m/min，有的已達到 240m/min。除去滾珠絲杠和降速齒輪的降速作用。伺服電動機要有更寬的調(diào)速范圍。對于主軸電動機，因使用無級調(diào)速，要求有（ 1:100）～（ 1:1000）范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速以及 1:10以上的恒功率調(diào)速。 （ 5）低速大轉(zhuǎn)矩 機床在低速切削時，切深和進給都較大，要求主軸電動機輸出轉(zhuǎn)矩較大。現(xiàn)代的數(shù)控機床，通常是伺服電動機與絲杠直聯(lián)，沒有降速齒輪，這就要求進給電動機能輸出較大的轉(zhuǎn)矩。對于數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)主要是速度和位置控制。 8 （ 6）較強的過載能力 由于電動機加減速時要求有很快的響應(yīng)速度，而使電動機可能在過載的條件下工作，這就要求電動機有較強的抗過載能力。通常要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載 4～ 6倍而不損壞。 （ 7）慣性匹配 移動部件加速和降速時都有較大的慣量，由于要求系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能好，因而電動機的慣量要與移動部件的慣量匹配。通常要求電動機的慣量不小于移動部件慣量。 9 開環(huán)控制系統(tǒng)與步進電機 絲杠控制器 電機驅(qū)動器動力源工作臺 開環(huán)控制系統(tǒng)的組成 開環(huán)控制系統(tǒng)不存在反饋環(huán)節(jié) ， 系統(tǒng)輸出只受輸入的控制 。 開環(huán)控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單 ， 比較經(jīng)濟的優(yōu)點 ， 其缺點是控制精度和抑制干擾的能力較差 ，且對系統(tǒng)參數(shù)的變動敏感 。 10 步進電機 步進電機流行于上世紀(jì) 70年代，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制容易、維修方便，且控制為全數(shù)字化。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動電路之外，其它部分均可由軟件實現(xiàn)，從而進一步簡化結(jié)構(gòu)。因此，這類系統(tǒng)目前仍有相當(dāng)?shù)氖袌?。目前步進電機僅用于小容量、低速、精度要不高的場合，如經(jīng)濟型數(shù)控設(shè)備、打印機、繪圖機等計算機的外部設(shè)備。 11 步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為機械角位移的電磁機械裝置。由于所用電源是脈沖電源，所以也稱為脈沖馬達。 步進電機和一般電機不同，一般電機通電后連續(xù)轉(zhuǎn)動，而步進電機則隨輸入的脈沖按節(jié)拍一步一步地轉(zhuǎn)動。對步進電機施加一個電脈沖信號時，步進電機就旋轉(zhuǎn)一個固定的角度，稱為一步。每一步所轉(zhuǎn)過的角度叫做步距角。 12 步進電機的角位移量和輸入的脈沖數(shù)成正比。在時間上與輸入的脈沖同步。 因此，只需要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電機繞組通電相序，便可以獲得所需要的轉(zhuǎn)角 、 轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向 。 在無脈沖輸入時，步進電機在繞組電源激勵下，氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有的位置而處于定位狀態(tài)。 13 步進電機的分類 ?按運動方式分： 旋轉(zhuǎn)運動、直線運動式步進電機； ?按工作原理分：反應(yīng)式（磁阻式）、電磁式、永磁式； ?按結(jié)構(gòu)分：單段式（徑向式）、多段式（軸向式）； ?按使用場合分：功率步進電機和控制步進電機； ?按相數(shù)分：三相、四相、五相、六相、八相等； ?按使用頻率分： 高頻率和低頻步進電機； 不同的步進電機，其工作原理、驅(qū)動裝置也不完全一樣。 14 C A39。 B B39。 C39。 A 3 4 1 2 A相繞組通電， B、 C相不通電。氣隙產(chǎn)生以 AA為軸線的磁場，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過，故電動機轉(zhuǎn)子受到一個反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，在此轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置： 3齒與 A、 A′極對齊。 “三相”指三相步進電機；“單”指每次只能一相繞組通電；“三拍”指通電三次完成一個通電循環(huán)。 步進電動機的工作原理 15 C A39。 B B39。 C39。 A 同理， B相通電時，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過 30?角， 4 齒和 B、 B180。 磁極軸線對齊；當(dāng) C相通電時，轉(zhuǎn)子 再轉(zhuǎn)過 30?角， 3齒和 C180。、 C磁極軸線對齊。 C39。 C A39。 B B39。 A 16 這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。 按 A?B ?C ?A ? ?? 的順序給三相繞組輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動起來。每一拍轉(zhuǎn)過 30176。 (步距角 )，每個通電循環(huán)周期 (3拍 )磁場在空間旋轉(zhuǎn)了 360176。而轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)過90176。 (一個齒距角 )。 2. 三相六拍 按 A?AB ?B ?BC ?C ? CA的順序給三相繞組輪流通電。 這種方式可以獲得更精確的控制特性。 17 C A39。 B B39。 C39。 A 3 4 1 2 C A39。 B B39。 C39。 A A相通電， 轉(zhuǎn)子 3齒與 A、 A39。 對齊。 A、 B相同時通電， A、 A39。 磁極拉住 3齒，B、 B39。 磁極拉住 4齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 過 15?， 到達左圖所示位置。 18 C A39。 B B39。 C39。 A B 相通電， 轉(zhuǎn)子 4齒與 B、 B180。 對齊 ,又轉(zhuǎn) 過 15?。 C A39。 B B39。 C39。 A B、 C相同時通電， C39。 、 C 磁極拉住 3 齒， B、 B39。 磁極拉住 4齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn) 過 15?。 19 三相反應(yīng)式步進電動機的一個通電循環(huán)周 期如下： A?AB ?B ?BC ?C ? CA， 每個循 環(huán)周期分為六拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 15?（步距角）， 一 個通電循環(huán)周期