第三部分-数控机床的伺服系统驱动课件.ppt

1、机电工程学院机电工程学院3.13.1数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统本部分重要内容本部分重要内容机电工程学院机电工程学院伺服系统是指以机床移动部件的位移和伺服系统是指以机床移动部件的位移和速度作为控制对象的自动控制系统，也称为速度作为控制对象的自动控制系统，也称为位置随动系统、简称伺服系统。位置随动系统、简称伺服系统。主要功能是：接受来自数控装置输出的主要功能是：接受来自数控装置输出的插补结果，如指令脉冲或数字量，通过功率插补结果，如指令脉冲或数字量，通过功率放大控制电动机驱动机床的移动部件，完成放大控制电动机驱动机床的移动部件，完成预期的直线或转角位移。预期的直线或转角位移。第一节第一节

2、 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述3.1 3.1 数控机床对伺服系统概述数控机床对伺服系统概述机电工程学院机电工程学院如果说如果说CNCCNC装置是数控机床的装置是数控机床的“大大脑脑”，是发布，是发布“命令命令”的的“指挥所指挥所”，那么伺服系统则是数控机床的那么伺服系统则是数控机床的“四肢四肢”，是一种是一种“执行机构执行机构”。它忠实地执行由。它忠实地执行由CNCCNC装置发来的运动命令，精确控制执装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，速度与位移量。行部件的运动方向，速度与位移量。第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述机电工程学院机电工程学院1 1稳定性

3、好稳定性好2 2准确度高准确度高3 3、响应快、响应快4 4、调速范围宽、调速范围宽5 5、输出扭矩大、输出扭矩大6 6、高可靠性、高可靠性第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述3.1.1 3.1.1 数控机床伺服系统的基本要求数控机床伺服系统的基本要求机电工程学院机电工程学院 组成：伺服电动机组成：伺服电动机 驱动信号控制转换电路驱动信号控制转换电路 电子电力驱动放大模块电子电力驱动放大模块 位置调节单元位置调节单元 速度调节单元速度调节单元 电流调节单元电流调节单元（调节加速度调节加速度）检测装置检测装置一般闭环伺服系统的典型结构为三环结构：位置环、速一般闭环伺服系统的典型

4、结构为三环结构：位置环、速度环、电流环。度环、电流环。第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述3.1.2 3.1.2 数控机床伺服系统的组成数控机床伺服系统的组成机电工程学院机电工程学院 位置调解位置调解速度调解速度调解电流调解电流调解转换驱动转换驱动工作台工作台电流反馈电流反馈速度反馈速度反馈位置反馈位置反馈MG 位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。生电路和功率放大器组成。CNC指令指令第一节第一节 数控机床伺服系统概述

5、数控机床伺服系统概述机电工程学院机电工程学院由于各组件加工的精密化，微米的误差已不是由于各组件加工的精密化，微米的误差已不是问题，在加工精度方面，近问题，在加工精度方面，近1010年来，普通级数控机年来，普通级数控机床的加工精度已由床的加工精度已由10m10m提高到提高到5m5m，精密级加工，精密级加工中心则从中心则从3 35m5m，提高到，提高到1 11.5m1.5m，并且超精密，并且超精密加工精度已开始进入纳米级。在可靠性方面，国外加工精度已开始进入纳米级。在可靠性方面，国外数控装置的数控装置的MTBFMTBF值已达值已达6 000h6 000h以上，伺服系统的以上，伺服系统的MTBFMT

6、BF值达到值达到30000h30000h以上，表现出非常高的可靠性以上，表现出非常高的可靠性 。第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述机电工程学院机电工程学院3.1.3 3.1.3 常用的伺服驱动元件常用的伺服驱动元件伺服驱动元件是伺服系统的关键部件，对系统的特伺服驱动元件是伺服系统的关键部件，对系统的特性有极大的影响，它的发展和进步是推动数控机床发展性有极大的影响，它的发展和进步是推动数控机床发展的重要因素。驱动元件的发展大致分为以下几个阶段：的重要因素。驱动元件的发展大致分为以下几个阶段：5050年代，采用步进电动机。目前只应用于经济型数年代，采用步进电动机。目前只应用于经

7、济型数控机床控机床（适于轻载、负荷变动不大适于轻载、负荷变动不大）。60607070年代，采用步进电动机和电液伺服电动机。年代，采用步进电动机和电液伺服电动机。现已基本不用。现已基本不用。70708080年代，采用直流伺服电动机，目前在我国仍年代，采用直流伺服电动机，目前在我国仍有使用有使用（调速性能良好调速性能良好）。8080年代以后，采用交流伺服电动机，是比较理想的年代以后，采用交流伺服电动机，是比较理想的驱动元件。驱动元件。9090年代以来直线电动机开始采用年代以来直线电动机开始采用（高速、高精度高速、高精度）。）。第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述机电工程学院机电工

8、程学院第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述一、步进电机一、步进电机 步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度。步进电动机的转子上无绕组且制有若干的角度。步进电动机的转子上无绕组且制有若干个均匀分布的齿，在定子上有励磁绕组。当有脉个均匀分布的齿，在定子上有励磁绕组。当有脉冲输入时，转子就转过一个固定的角度，其角位冲输入时，转子就转过一个固定的角度，其角位移量与输入脉冲个数

9、严格地成正比，在时间上也移量与输入脉冲个数严格地成正比，在时间上也与输入脉冲同步。当无脉冲时，在绕组电源的激与输入脉冲同步。当无脉冲时，在绕组电源的激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置不变而处励下，气隙磁场能使转子保持原有位置不变而处于定位状态。于定位状态。机电工程学院机电工程学院第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述（一一）步进电动机工作原理步进电动机工作原理 尽管步进电动机种类很多，尽管步进电动机种类很多，其基本原理实质都是一致的。现其基本原理实质都是一致的。现以三相反应式步进电动机为例，以三相反应式步进电动机为例，说明其工作原理：在步进电动机说明其工作原理：在步进电动机定

10、子上有三对磁极上面绕有励磁定子上有三对磁极上面绕有励磁绕组，分别称为绕组，分别称为A相、相、B相和相和C相。相。转子上带有等距小齿转子上带有等距小齿（图中有四图中有四个齿个齿），如果先将，如果先将A相加上电脉相加上电脉冲，则有：冲，则有：ABBCC1234(a)A相通电A机电工程学院机电工程学院第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述如果将如果将B B相加上电脉冲，则有：相加上电脉冲，则有：转子逆时转子逆时针旋转针旋转3030 AABBCC1234(b)B相通电 AABBCC1234(a)A相通电机电工程学院机电工程学院第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述如果将

11、如果将C C相加上电脉冲，则有：相加上电脉冲，则有：转子逆时转子逆时针旋转针旋转3030 AABBCC1234(b)B相通电 AABBCC1234(a)A相通电 AABBCC1234(c)C相通电转子逆时转子逆时针旋转针旋转3030动画模拟动画模拟机电工程学院机电工程学院第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述这种三相励磁绕组依次单独通电，切换三次为一这种三相励磁绕组依次单独通电，切换三次为一个循环，称为三相单三拍通电方式。其通电方式及通个循环，称为三相单三拍通电方式。其通电方式及通电顺序为电顺序为ABCAABCA或者或者ACBA ACBA 由于每次只有一相磁极通电，易在平衡位置

12、附近由于每次只有一相磁极通电，易在平衡位置附近发生振荡，而且在各相磁极通电切换的瞬间，电动机发生振荡，而且在各相磁极通电切换的瞬间，电动机失去自锁力，容易造成失步。失去自锁力，容易造成失步。机电工程学院机电工程学院第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述为改善其工作性能，可采用三相六拍的通电方为改善其工作性能，可采用三相六拍的通电方式，其通电方式及通电顺序为式，其通电方式及通电顺序为:AABBBCCCAAAABBBCCCAA或者或者AACCCBBBAA AACCCBBBAA 这种通电方式当由这种通电方式当由A A相通电转为相通电转为ABAB相共同通电相共同通电时，转子磁极将同时受

13、到时，转子磁极将同时受到A A相与相与B B相的吸引，它就停相的吸引，它就停在在ABAB两相磁极中间，这时它转过的角度是两相磁极中间，这时它转过的角度是1515度。这度。这种通电方式在切换时，始终有一相磁极不断电，故种通电方式在切换时，始终有一相磁极不断电，故而工作较稳定，且在相同频率下，每相导通的时间而工作较稳定，且在相同频率下，每相导通的时间增加，平均电流增加，从而可以提高电磁转矩、启增加，平均电流增加，从而可以提高电磁转矩、启动频率及连续运行频率等特性。动频率及连续运行频率等特性。机电工程学院机电工程学院第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述（二二）步进电动机的结构步进电

14、动机的结构机电工程学院机电工程学院第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述（三三）步进电动机的优点：步进电动机的优点：控制特性好；控制特性好；误差不长期积累；误差不长期积累；步距角不受各种干扰因素的影响。步距角不受各种干扰因素的影响。步进电动机转子转动的速度取决于脉冲信号步进电动机转子转动的速度取决于脉冲信号的频率，总位移量取决于总的脉冲数，它作的频率，总位移量取决于总的脉冲数，它作为伺服电动机应用于控制系统时，可以使系为伺服电动机应用于控制系统时，可以使系统简化，工作可靠，而且可以获得较高的控统简化，工作可靠，而且可以获得较高的控制精度。制精度。机电工程学院机电工程学院第一节第

15、一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述（四四）步进电动机的分类步进电动机的分类、按力矩产生原理分：有反应式（转子无绕组）、按力矩产生原理分：有反应式（转子无绕组）、激磁式（定子转子均有绕组）；激磁式（定子转子均有绕组）；、按输出力矩大小分：、按输出力矩大小分：可分为伺服式（与液压扭可分为伺服式（与液压扭矩放大器配用）、功率式（矩放大器配用）、功率式（550N.m550N.m）；）；、按定子数分：单定子式、多定子式；、按定子数分：单定子式、多定子式；、按各相绕组分布分：有单段式、按各相绕组分布分：有单段式（径向式径向式）、多段、多段式式（轴向式轴向式）等。等。机电工程学院机电工程学院第一

16、节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述（五五）步进电动机的主要技术指标步进电动机的主要技术指标1 1、步距角：电动机每步的转角称为步距角，、步距角：电动机每步的转角称为步距角，步距角步距角越小精度越高。越小精度越高。360/mzk360/mzk m m相数；相数；k k与通电方式有关的系数；与通电方式有关的系数；z z齿数齿数 同一相数的步进电动机通常有两种步距角，如同一相数的步进电动机通常有两种步距角，如1.51.5/0.75/0.75、1.21.2/0.6/0.6、3 3/1.5/1.5等。双拍制的等。双拍制的步距角比单拍制的步距角减小一半。步距角比单拍制的步距角减小一半。机电

17、工程学院机电工程学院第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述2 2、静态矩角特性：描述静态时电磁转矩与转角的关、静态矩角特性：描述静态时电磁转矩与转角的关系。系。静态稳定区静态稳定区稳定稳定平衡点平衡点稳定稳定平衡点平衡点最大最大静转矩静转矩稳定稳定平衡点平衡点MO3 3、启动频率：在空载条件下由静止状态突然启动，、启动频率：在空载条件下由静止状态突然启动，并进入不丢步的正常运行最高频率。并进入不丢步的正常运行最高频率。机电工程学院机电工程学院第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述4 4、连续运行频率：其运行速度能跟踪指令脉冲连续、连续运行频率：其运行速度能跟踪指

18、令脉冲连续上升而不丢步的最高工作频率。上升而不丢步的最高工作频率。5 5、矩频特性曲线与动态转矩：描述步进电机输出转、矩频特性曲线与动态转矩：描述步进电机输出转矩与运行频率之间的关系。矩与运行频率之间的关系。脉冲频率脉冲频率负载转矩负载转矩矩频特矩频特性曲线性曲线O机电工程学院机电工程学院第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述（六六）驱动控制驱动控制步进电机驱动控制电路由环形分配器和功率放大步进电机驱动控制电路由环形分配器和功率放大电路组成。电路组成。A A环环形形分分配配器器功功率率放放大大器器B BC C机电工程学院机电工程学院第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服

19、系统概述1 1、环形分配环形分配实现环形分配的方法有两种。实现环形分配的方法有两种。一种是计算机软件分配，用于多相电动机的脉冲一种是计算机软件分配，用于多相电动机的脉冲分配，但会占用计算机的运行时间，从而影响电动机分配，但会占用计算机的运行时间，从而影响电动机的运行速度。的运行速度。另一种是硬件环形分配，采用数字电路搭建或专另一种是硬件环形分配，采用数字电路搭建或专用的环形分配器件将连续的脉冲信号经电路处理后输用的环形分配器件将连续的脉冲信号经电路处理后输出环形脉冲。出环形脉冲。机电工程学院机电工程学院第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述2 2、功率驱动功率驱动（1 1）单电

20、源驱动电路）单电源驱动电路机电工程学院机电工程学院第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述（2 2）双电源驱动电路）双电源驱动电路机电工程学院机电工程学院第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述（3 3）斩波限流驱动电路）斩波限流驱动电路机电工程学院机电工程学院第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述（七七）步进电机在数控机床的应用步进电机在数控机床的应用简易型数控机床、普通机床的数控改造简易型数控机床、普通机床的数控改造机电工程学院机电工程学院二二、交流伺服电动机交流伺服电动机由于直流伺服电动机的的电刷和换向器易磨损；电由于直流伺服电动机的的电刷和换

21、向器易磨损；电动机最高转速的限制，应用环境的限制；结构复杂，制动机最高转速的限制，应用环境的限制；结构复杂，制造困难，成本高。而交流伺服电动机结构简单，成本低造困难，成本高。而交流伺服电动机结构简单，成本低廉，无直流伺服电动机的缺点。而且转子惯量较直流伺廉，无直流伺服电动机的缺点。而且转子惯量较直流伺服电动机的小，这意味着动态响应更好。交流伺服电动服电动机的小，这意味着动态响应更好。交流伺服电动机容量也比直流伺服电动机容量大，可达更高的电压和机容量也比直流伺服电动机容量大，可达更高的电压和转速。一般在同样体积下，交流伺服电动机的输出功率转速。一般在同样体积下，交流伺服电动机的输出功率比直流伺服

22、电动机可以提高比直流伺服电动机可以提高1070。是当前机床进。是当前机床进给驱动系统的主流。给驱动系统的主流。第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述机电工程学院机电工程学院第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述1、交流伺服电动机的类型：、交流伺服电动机的类型：交流异步电动机和交流同步电动机。交流异步交流异步电动机和交流同步电动机。交流异步电动机所采用的电流有三相和单相两种。交流电动机所采用的电流有三相和单相两种。交流同步电动机的磁势源可以是电磁式、永磁式和同步电动机的磁势源可以是电磁式、永磁式和反应式等多种，在数控机床进给伺服系统中多反应式等多种，在数控机床进给

23、伺服系统中多采用永磁式同步电动机。主轴伺服系统电机多采用永磁式同步电动机。主轴伺服系统电机多采用交流异步电动机，很少采用永磁同步电动采用交流异步电动机，很少采用永磁同步电动机，主要因为永磁同步电动机的容量做得不够机，主要因为永磁同步电动机的容量做得不够大，且电机成本较高。另外主轴驱动系统不象大，且电机成本较高。另外主轴驱动系统不象进给系统那样要求很高的性能，调速范围也不进给系统那样要求很高的性能，调速范围也不要太大。因此，采用异步电动机完全可以满足要太大。因此，采用异步电动机完全可以满足数控机床主轴的要求，笼型异步电机多用在主数控机床主轴的要求，笼型异步电机多用在主轴驱动系统中。轴驱动系统中。

24、机电工程学院机电工程学院VSVS第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述永磁式同步电动机的特点是：结构简单，运行可靠，效率高。永磁式同步电动机的特点是：结构简单，运行可靠，效率高。在结构上采取措施如采用高剩磁感应、高矫顽力和稀土类磁铁，可在结构上采取措施如采用高剩磁感应、高矫顽力和稀土类磁铁，可比直流电动机在外形尺寸上减少约比直流电动机在外形尺寸上减少约50，重量上减轻近，重量上减轻近60，转子，转子惯量减至惯量减至20，因而可得到比直流伺服电动机更硬的机械性能和宽，因而可得到比直流伺服电动机更硬的机械性能和宽的调速范围。的调速范围。机电工程学院机电工程学院()spfn160=s

25、snnns-=2.交流伺服电动机的调速方法交流伺服电动机的调速方法由电动机学知，交流电动机转速公式：由电动机学知，交流电动机转速公式：式中：式中：f 定子电源频率定子电源频率 p 磁极对数磁极对数 S 转差率转差率 ns 定子旋转磁场转速定子旋转磁场转速 n 转子转速转子转速第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述机电工程学院机电工程学院第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述对于进给系统常使用交流同步电动机，该电动机没有转对于进给系统常使用交流同步电动机，该电动机没有转差率，电动机转速公式变为：差率，电动机转速公式变为：pfn60=从式中可以看出：只能用变频调速，

26、并且是有效方法。从式中可以看出：只能用变频调速，并且是有效方法。机电工程学院机电工程学院第一节第一节 数控机床伺服系统概述数控机床伺服系统概述变频调速的主要环节是为交流电动机提供变频、变频调速的主要环节是为交流电动机提供变频、变压电源的变频器，变频器分为：变压电源的变频器，变频器分为：l交交直直交变频器交变频器 分电压型和电流型。电压型先分电压型和电流型。电压型先将电网的交流电经整流器变为直流，再经逆变器变为将电网的交流电经整流器变为直流，再经逆变器变为频率和电压都可变的交流电压。电流型是切换一串方频率和电压都可变的交流电压。电流型是切换一串方波，方波电流供电，用于大功率。波，方波电流供电，用于大功率。l交交交变频器交变频器 该变频器没有中间环节，直接将该变频器没有中间环节，直接将电网的交流电变为频率和电压都可变的交流电。电网的交流电变为频率和电压都可变的交流电。目前对于中小功率电动机，用得最多的是电压型目前对于中小功率电动机，用得最多的是电压型交交直直交变频器。交变频器。机电工程学院机电工程学院交流伺服电动机及其伺服驱动器交流伺服电动机及其伺服驱动器交流伺服电动机交流伺服电动机交流伺服电动机驱动器交流伺服电动机驱动器