数控技术数控机床的伺服系统课件

School of Mechanical and Power Engineering*机械与动力工程学院机械与动力工程学院数数 控控 技技 术术School of Mechanical and Power EngineeringSchool of Mechanical and Power Engineering*第六章第六章数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 本章内容：本章内容：概述概述 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 位置检测装置位置检测装置闭环（交直流）伺服系统闭环（交直流）伺服系统School of Mechanical and Power Engineering*伺服来自英文单词伺服来自英文单词Servo，“伺服（伺服（SERVO）”在中英文里一个音、意都在中英文里一个音、意都相同的词，顾名思义，它表示相同的词，顾名思义，它表示“伺候服侍伺候服侍”，指系统跟随外部指令进行人们指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动。所期望的运动。在数控机床中，伺服是指有关的传动或运动参数均严格在数控机床中，伺服是指有关的传动或运动参数均严格按照数控装置的控制指令实现，这些参数主要包括运动的速度、运动的按照数控装置的控制指令实现，这些参数主要包括运动的速度、运动的方向和运动的起停位置等。方向和运动的起停位置等。伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。采用步进电机作为驱动器件，无须位置和速度检测器，控制电路简单，采用步进电机作为驱动器件，无须位置和速度检测器，控制电路简单，价格低廉，可靠性高。和普通电机的区别主要在于：脉冲控制。价格低廉，可靠性高。和普通电机的区别主要在于：脉冲控制。在在2020世纪世纪6060年代，最早是直流电机作为主要执行部件。其控制电路比较年代，最早是直流电机作为主要执行部件。其控制电路比较简单，价格较低。其主要缺点是内部有机械换向装置，碳刷易磨损。简单，价格较低。其主要缺点是内部有机械换向装置，碳刷易磨损。在在7070年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。闭环系统逐渐取代开环系统。为伺服系统的主导执行电机。闭环系统逐渐取代开环系统。第一节第一节概述概述School of Mechanical and Power Engineering*现代交流伺服系统最早被应用到宇航和军事领域，比如火炮、雷达控制。现代交流伺服系统最早被应用到宇航和军事领域，比如火炮、雷达控制。逐渐进入到工业领域和民用领域。工业应用主要包括高精度数控机床、机逐渐进入到工业领域和民用领域。工业应用主要包括高精度数控机床、机器人和其他广义的数控机械。器人和其他广义的数控机械。伺服用量最大的行业依次是：机床、食品包伺服用量最大的行业依次是：机床、食品包装、纺织、电子半导体、塑料、印刷和橡胶机械，合计超过装、纺织、电子半导体、塑料、印刷和橡胶机械，合计超过7575。在数控机床中使用永磁无刷伺服电机代替步进电机做进给已经成为标准，在数控机床中使用永磁无刷伺服电机代替步进电机做进给已经成为标准，部分高端产品开始采用永磁交流直线伺服系统。在主轴传动中采用高速永部分高端产品开始采用永磁交流直线伺服系统。在主轴传动中采用高速永磁交流伺服取代异步变频驱动来提高效率和速度也成为热点。磁交流伺服取代异步变频驱动来提高效率和速度也成为热点。9090年代以来，年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，高速电主轴得到快速高速电主轴得到快速应用，其转子为主轴旋转部分。应用，其转子为主轴旋转部分。其转数其转数在在30000rpm30000rpm100000rpm100000rpm，工作台，工作台的进给速度在分辨率为的进给速度在分辨率为1m1m时达到时达到100m/min100m/min，甚至，甚至200m/min200m/min以上以上,在分辨在分辨率为率为0.1m0.1m时，在时，在24m/min24m/min以上。当今数控机床突出高速、高精、高动态、以上。当今数控机床突出高速、高精、高动态、高刚性的特点，对位置系统的要求包括高刚性的特点，对位置系统的要求包括:定位速度和轮廓切削进给速度；定位速度和轮廓切削进给速度；定位精度和轮廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干扰下的稳定性。定位精度和轮廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干扰下的稳定性。这些要求的满足主要取决于伺服系统的静态、动态特性。这些要求的满足主要取决于伺服系统的静态、动态特性。School of Mechanical and Power Engineering*国产伺服系统比如广数的产品在经济型数控机床上的广泛应用，国产伺服系统比如广数的产品在经济型数控机床上的广泛应用，但是在中高档数控机床上采用国产伺服系统仍然面临困难，性能是但是在中高档数控机床上采用国产伺服系统仍然面临困难，性能是一个重要方面，还有就是稳定性和可靠性，或许品牌效应也是难以一个重要方面，还有就是稳定性和可靠性，或许品牌效应也是难以短时间逾越的障碍。短时间逾越的障碍。近几十年来，伺服技术得到突飞猛进的发展和越来越广泛的应近几十年来，伺服技术得到突飞猛进的发展和越来越广泛的应用。用。数控伺服系统是指以机床运动部件数控伺服系统是指以机床运动部件(如工作台、主轴和刀具等如工作台、主轴和刀具等)的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。数控数控伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给脉冲信号，经过一定伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给脉冲信号，经过一定的信号变换及电压、功率放大，驱动机床运动部件实现运动，并保的信号变换及电压、功率放大，驱动机床运动部件实现运动，并保证动作的快速性和准确性。证动作的快速性和准确性。数控伺服系统作为数控装置和机床的联系环节，是数控机床的数控伺服系统作为数控装置和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分，数控机床的精度和速度等技术指标很大程度上取决重要组成部分，数控机床的精度和速度等技术指标很大程度上取决于伺服系统的性能优劣。因此，对高性能伺服系统的研究和开发一于伺服系统的性能优劣。因此，对高性能伺服系统的研究和开发一直是现代数控机床的关键技术之一。直是现代数控机床的关键技术之一。第一节第一节概述概述School of Mechanical and Power Engineering*伺服驱动系统伺服驱动系统与一般机床进给系统的区别与一般机床进给系统的区别 进给系统的作用在于保证切削过程能够连续进行，不能控进给系统的作用在于保证切削过程能够连续进行，不能控制执行件的位移和轨迹；制执行件的位移和轨迹；伺服系统将指令信号加以转换和放大，不仅能控制执行件伺服系统将指令信号加以转换和放大，不仅能控制执行件的速度、方向，而且能精确控制其位置、以及几个执行件按一的速度、方向，而且能精确控制其位置、以及几个执行件按一定的运动规律合成的轨迹。定的运动规律合成的轨迹。第一节第一节概述概述School of Mechanical and Power Engineering*一、伺服系统的组成、作用和特点一、伺服系统的组成、作用和特点:组成组成伺服系统一般由伺服系统一般由驱动控制单元驱动控制单元、驱动元件驱动元件、机械传动部件机械传动部件、执行元件和检测反馈环节执行元件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系；机械传动部件和执行件组成机械传动系。组成伺服驱动系；机械传动部件和执行件组成机械传动系。第一节第一节概述概述数控伺服系统的基本组成数控伺服系统的基本组成 School of Mechanical and Power Engineering*伺服系统的作用伺服系统的作用:接受数控系统发出的进给位移和速度指令信号，经过一接受数控系统发出的进给位移和速度指令信号，经过一定的信号转换和电压、功率放大后，经伺服驱动装置和机械传定的信号转换和电压、功率放大后，经伺服驱动装置和机械传动机构，驱动机床的工作台、刀架等执行部件进行工作进给和动机构，驱动机床的工作台、刀架等执行部件进行工作进给和快速进给。主要通过快速进给。主要通过步进电机、交步进电机、交/直流伺服电动机直流伺服电动机等进给驱等进给驱动元件来实现。动元件来实现。伺服系统伺服系统可被看作是一个独立部分，与可被看作是一个独立部分，与数控系统数控系统和和机床本机床本体体并列为数控数控机床的三大组成部分。并列为数控数控机床的三大组成部分。第一节第一节概述概述School of Mechanical and Power Engineering*特点：特点：能根据指令信号自动精确的控制执行部件运动的能根据指令信号自动精确的控制执行部件运动的位移、方向和速度，使数个执行部件按一定的规律运位移、方向和速度，使数个执行部件按一定的规律运动以合成一定的运动轨迹动以合成一定的运动轨迹。性能：性能：最高移动速度、跟踪精度、定位精度等动态和静最高移动速度、跟踪精度、定位精度等动态和静态性能态性能,取决于各个组成环节的特性和各个环节性能取决于各个组成环节的特性和各个环节性能参数的合理匹配。参数的合理匹配。第一节第一节概述概述School of Mechanical and Power Engineering*数控机床技术水平的提高首先依赖于进给和主轴驱动特性数控机床技术水平的提高首先依赖于进给和主轴驱动特性的改善以及功能的扩大，为此数控机床对进给伺服系统的位置的改善以及功能的扩大，为此数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电机、机械传动等方面都有很高的要求。控制、速度控制、伺服电机、机械传动等方面都有很高的要求。第一节第一节概述概述二、二、数控机床对进给伺服系统的要求数控机床对进给伺服系统的要求1 1可逆运行可逆运行 可可逆逆运运行行要要求求能能灵灵活活地地正正反反向向运运行行。在在加加工工过过程程中中，机机床床工工作作台台处处于于随随动动状状态态，根根据据加加工工轨轨迹迹的的要要求求，随随时时实实现现正正向向或或反向运动。反向运动。要求在方向变化时，要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动损失不应有反向间隙和运动损失。从从能能量量角角度度看看，应应该该实实现现能能量量的的可可逆逆转转换换，即即在在加加工工运运行行时时，电电动动机机从从电电网网吸吸收收能能量量改改变变为为机机械械能能；在在制制动动时时应应把把电电动动机机的机械惯性能量变为电能回馈给电网，以实现快速制动。的机械惯性能量变为电能回馈给电网，以实现快速制动。School of Mechanical and Power Engineering*2 2高精度高精度 数数控控机机床床是是按按预预定定的的程程序序自自动动进进行行加加工工的的，不不同同于于普普通通机机床床用用手手动动操操作作来来调调整整和和补补偿偿各各种种因因素素对对加加工工精精度度的的影影响响，故故要要求求数数控控机机床床的的实实际际位位移移与与指指令令位位移移之之差差要要小小。现现代代数数控控机机床床的的位位移移精精度度一一般般为为0.010.001，甚甚至至可可高高达达0.1m，以以保保证证加加工工质质量量的一致性，保证复杂曲线、曲面零件的加工精度。的一致性，保证复杂曲线、曲面零件的加工精度。第一节第一节概述概述二、数控机床对进给伺服系统的要求二、数控机床对进给伺服系统的要求School of Mechanical and Power Engineering*3 3调速范围宽调速范围宽调调速速范范围围是是指指最最高高进进给给速速度度和和最最低低进进给给速速度度之之比比。由由于于加加工工所所用用刀刀具具、被被加加工工零零件件材材质质以以及及零零件件加加工工要要求求的的变变化化范范围围很很广广，为为了了保保证证在在所所有有加加工工情情况况下下都都能能得得到到最最佳佳的的切切削削条条件件和和加加工工质质量量，要要求求进进给给速速度度能能在在很很大大的的范范围围内内变变化化，即有很大的调速范围。即有很大的调速范围。目目前前最最先先进进水水平平是是在在脉脉冲冲当当量量或或最最小小设设定定单单位位为为1m1m的的情情况况下下，进进给给速速度度能能在在0240mmin的的范范围围内内连连续续可可调调。在在这这一一调调速速范范围围内内，要要求求速速度度均均匀匀、稳稳定定，低低速速时时无无爬爬行行。还还要要求求在在零零速速时时伺伺服服电电机机处处于于电电磁磁锁锁住住状状态态，以以保保证证定定位位精度不变。精度不变。第一节第一节概述概述二、数控机床对进给伺服系统的要求二、数控机床对进给伺服系统的要求School of Mechanical and Power Engineering*4 4快速响应并无超调快速响应并无超调要要求求有有良良好好的的快快速速响响应应特特性性，即即要要求求跟跟踪踪指指令令信信号号的响应要快。的响应要快。伺伺服服系系统统处处于于频频繁繁地地启启动动、制制动动、加加速速、减减速速等等动动态态过过程程中中，为为了了提提高高生生产产率率和和保保证证加加工工质质量量，则则要要求加、减速度足够大求加、减速度足够大，以缩短过渡过程时间以缩短过渡过程时间。当当负负载载突突变变时时，过过渡渡过过程程前前沿沿要要陡陡，恢恢复复时时间间要要短短，且无振荡且无振荡。这样才能得到光滑的加工表面。这样才能得到光滑的加工表面。第一节第一节概述概述二、数控机床对进给伺服系统的要求二、数控机床对进给伺服系统的要求School of Mechanical and Power Engineering*5 5低速大转矩低速大转矩机床加工，大多是低速时进行切削，即机床加工，大多是低速时进行切削，即在低速时在低速时进给驱动要有大的转矩输出进给驱动要有大的转矩输出。第一节第一节概述概述二、数控机床对进给伺服系统的要求二、数控机床对进给伺服系统的要求School of Mechanical and Power Engineering*1 1按按控制方式和有无检测反馈环节分类控制方式和有无检测反馈环节分类（1 1）开环伺服系统）开环伺服系统 （2）闭环伺服系统）闭环伺服系统 （3）半闭环伺服系统）半闭环伺服系统指令指令驱动电路驱动电路步进电机步进电机工作台工作台脉冲脉冲伺服电机伺服电机速度检测速度检测速度控制速度控制位置控制位置控制位置检测位置检测伺服电机伺服电机速度控制速度控制位置控制位置控制工作台工作台脉冲编码器脉冲编码器指令指令第一节第一节概述概述三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类School of Mechanical and Power Engineering*（1 1）开环伺服系统）开环伺服系统组成：组成：步进电机、驱动电路、传动机构步进电机、驱动电路、传动机构工作原理：工作原理：在数控机床上它由步进电机、功率步进电机或在数控机床上它由步进电机、功率步进电机或电液脉冲马达驱动。数控系统发出的指令脉冲信号经驱动电液脉冲马达驱动。数控系统发出的指令脉冲信号经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过变速齿轮电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过变速齿轮和滚珠丝杠螺母副驱动执行件和滚珠丝杠螺母副驱动执行件(工作台或刀架工作台或刀架)移动。移动。第一节第一节概述概述三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类School of Mechanical and Power Engineering*无位置反馈，开环系统的位移精度主要取决于步进电机的无位置反馈，开环系统的位移精度主要取决于步进电机的角位移和齿轮、丝杠等传动件的螺距精度，以及系统的摩角位移和齿轮、丝杠等传动件的螺距精度，以及系统的摩擦阻尼特性擦阻尼特性.开环系统的位移精度一般较低，其定位精度开环系统的位移精度一般较低，其定位精度可达可达0.02mm 0.02mm，当采用螺距误差补偿后，定位精度提高，当采用螺距误差补偿后，定位精度提高到到0.01mm0.01mm；一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。第一节第一节概述概述三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类（1 1）开环伺服系统）开环伺服系统School of Mechanical and Power Engineering*（2 2）闭环系统）闭环系统 闭环控制系统是一种包含功率放大和反馈，闭环控制系统是一种包含功率放大和反馈，从而使得输出变量的值精密地响应输入量的自动从而使得输出变量的值精密地响应输入量的自动控制系统。在数控机床上，由于反馈信号所取的控制系统。在数控机床上，由于反馈信号所取的位置不同，而分为全闭环系统和半闭环系统。位置不同，而分为全闭环系统和半闭环系统。第一节第一节概述概述三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类School of Mechanical and Power Engineering*全闭环数控系统全闭环数控系统全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。接对运动部件的实际位置进行检测。第一节第一节概述概述三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类School of Mechanical and Power Engineering*全闭环系统全闭环系统全闭环系统的反馈信号取自机床工作台（或刀架）实际位置，全闭环系统的反馈信号取自机床工作台（或刀架）实际位置，所以系统传动链的误差、环内各元件的误差以及运动种造成的所以系统传动链的误差、环内各元件的误差以及运动种造成的误差都可以得到补偿，从而大大提高了跟随精度和定位精度。误差都可以得到补偿，从而大大提高了跟随精度和定位精度。全闭环系统除电器方面误差外，还有很多机械传动误差，如丝全闭环系统除电器方面误差外，还有很多机械传动误差，如丝杠螺母副、导轨副等都包括在反馈回路种，它们的刚性、传动杠螺母副、导轨副等都包括在反馈回路种，它们的刚性、传动间隙、摩擦阻尼特性都是变化的，有些还是非线性的，所以全间隙、摩擦阻尼特性都是变化的，有些还是非线性的，所以全闭环系统的设计和调整都有较大的技术难度，价格也较昂贵。闭环系统的设计和调整都有较大的技术难度，价格也较昂贵。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。以及较大型的数控机床等。第一节第一节概述概述三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类School of Mechanical and Power Engineering*半闭环伺服系统半闭环伺服系统 半闭环伺服系统同样也是一种闭环系统。只不过在数控机床这种具半闭环伺服系统同样也是一种闭环系统。只不过在数控机床这种具体应用场合下，它的反馈信号取自系统的中间部位（如驱动伺服电机的体应用场合下，它的反馈信号取自系统的中间部位（如驱动伺服电机的轴上），如图所示。这样系统由电机输出轴至最末端件（工作台或刀架）轴上），如图所示。这样系统由电机输出轴至最末端件（工作台或刀架）之间的误差（如：联轴器误差、丝杠的弹性变形及螺距误差、导轨副的之间的误差（如：联轴器误差、丝杠的弹性变形及螺距误差、导轨副的摩擦阻尼等）没有得到系统的补偿。因此，在数控机床上，半闭环系统摩擦阻尼等）没有得到系统的补偿。因此，在数控机床上，半闭环系统只反馈补偿了进给传动系统的部分误差，所以其精度比全闭环系统要低只反馈补偿了进给传动系统的部分误差，所以其精度比全闭环系统要低一些。一些。第一节第一节概述概述三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类School of Mechanical and Power Engineering*半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。统，但比闭环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但由于这种系除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但由于这种系统舍弃了传动系统的刚性和非线性的摩擦阻尼等。故系统舍弃了传动系统的刚性和非线性的摩擦阻尼等。故系统调试较容易，稳定性也较好。由于采用高分辨率的测统调试较容易，稳定性也较好。由于采用高分辨率的测量元件，可以获得比较满意的精度和速度，特别是制造量元件，可以获得比较满意的精度和速度，特别是制造伺服电机时，都将测速发电机、旋转变压器（或脉冲编伺服电机时，都将测速发电机、旋转变压器（或脉冲编码器）直接装在伺服电机轴的尾部，减少机床制造时的码器）直接装在伺服电机轴的尾部，减少机床制造时的安装调试麻烦，结构也比较简单，故这种被广泛应于中安装调试麻烦，结构也比较简单，故这种被广泛应于中小型数控机床上。小型数控机床上。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代而在现代CNCCNC机床中得到了广泛应用。机床中得到了广泛应用。School of Mechanical and Power Engineering*2 2按使用的执行元件分类按使用的执行元件分类 （1 1）电液伺服系统）电液伺服系统电液脉冲马达和电液伺服马达。电液脉冲马达和电液伺服马达。优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳。常数小、反应快和速度平稳。缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。（2 2）电电气气伺伺服服系系统统伺伺服服电电机机（步步进进电电机机、直直流流电电机机和和交交流电机）流电机）优点：操作维护方便，可靠性高。优点：操作维护方便，可靠性高。第一节第一节概述概述三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类School of Mechanical and Power Engineering*2 2按使用的执行元件分类按使用的执行元件分类 （2 2）电气伺服系统）电气伺服系统 1 1）直流伺服系统）直流伺服系统 进进给给运运动动系系统统采采用用大大惯惯量量宽宽调调速速永永磁磁直直流流伺伺服服电电机机和和中中小小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机。惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机。优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高。优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高。2 2）交流伺服系统）交流伺服系统 交交流流感感应应异异步步伺伺服服电电机机（一一般般用用于于主主轴轴伺伺服服系系统统）和和永永磁磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。优优点点：结结构构简简单单、不不需需维维护护、适适合合于于在在恶恶劣劣环环境境下下工工作作。动态响应好、转速高和容量大。动态响应好、转速高和容量大。第一节第一节概述概述三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类School of Mechanical and Power Engineering*2 2、按执行元件的类别分类、按执行元件的类别分类 分为直流伺服系统和交流伺服系统。分为直流伺服系统和交流伺服系统。2020世纪世纪7070年代，数控机床大多采用直流伺服驱动年代，数控机床大多采用直流伺服驱动。具具有有良良好好的的宽宽调调速速性性能能，输输出出转转矩矩大大，过过载载能能力力强强；适适应应数数控控机机床床对对频频繁繁启启动动、制制动动，以以及及快快速速定定位位、切切削削的的要要求求。但但直直流流电电动动机机的的电电刷刷和和机机械械换换向器限制了它向大容量、高电压、高速度方向的发展。向器限制了它向大容量、高电压、高速度方向的发展。2020世纪世纪8080年代年代，交流伺服系统。，交流伺服系统。最最大大优优点点是是交交流流电电动动机机容容易易维维修修，制制造造简简单单，易易于于向向大大容容量量、高高速速度度方方向向发发展展，适适合合于于在在较较恶恶劣劣的的环环境境中中使使用用。同同时时，从从减减少少伺伺服服驱驱动动系系统统外外形形尺尺寸和提高可靠性角度来看，采用交流电动机比直流电动机将更合理。寸和提高可靠性角度来看，采用交流电动机比直流电动机将更合理。第一节第一节概述概述三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类School of Mechanical and Power Engineering*3 3、按伺服系统的用途和功能分类、按伺服系统的用途和功能分类分为进给驱动系统和主轴驱动系统。分为进给驱动系统和主轴驱动系统。进给驱动系统进给驱动系统用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，来控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需来控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的转矩。的转矩。主轴驱动系统主轴驱动系统控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。驱动功率和所需的切削力。一般地，对于进给驱动系统，主要关心它的转矩大小、一般地，对于进给驱动系统，主要关心它的转矩大小、调节范围的大小和调节精度的高低，以及动态响应速度的快调节范围的大小和调节精度的高低，以及动态响应速度的快慢。对于主轴驱动系统，主要关心其是否具有足够的功率、慢。对于主轴驱动系统，主要关心其是否具有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围。宽的恒功率调节范围及速度调节范围。第一节第一节概述概述三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类School of Mechanical and Power Engineering*（1 1）数控脉冲比较伺服系统）数控脉冲比较伺服系统 该系统是闭环伺服系统中的一种控制方式。它是将数控装该系统是闭环伺服系统中的一种控制方式。它是将数控装置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装置测得的以数字置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装置测得的以数字（或脉冲）形式表示的反馈信号直接进行比较，获得位置误差，（或脉冲）形式表示的反馈信号直接进行比较，获得位置误差，实现闭环控制。结构简单，容易实现，整机工作稳定，在一般实现闭环控制。结构简单，容易实现，整机工作稳定，在一般数控伺服系统中应用十分普遍。数控伺服系统中应用十分普遍。（2 2）鉴相式伺服系统）鉴相式伺服系统 位位置置检检测测装装置置采采取取相相位位工工作作方方式式，指指令令信信号号与与反反馈馈信信号号都都变变成成某某个个载载波波的的相相位位，然然后后通通过过两两者者相相位位的的比比较较，获获得得实实际际位位置置与与指指令令位位置置的的偏偏差差，实实现现闭闭环环控控制制。适适用用于于感感应应式式检检测测元元件件（如如旋旋转转变变压压器器、感感应应同同步步器器）的的工工作作状状态态，可可得得到到满满意意的的精精度度。此此外外，由由于于载载波波频频率率较较高高，响响应应块块，抗抗干干扰扰性性强强，更更适适于于连续控制的伺服系统。连续控制的伺服系统。4、按反馈比较控制方式分类、按反馈比较控制方式分类三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类School of Mechanical and Power Engineering*（3 3）鉴幅式伺服系统）鉴幅式伺服系统 鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此信号作为位置反馈信号，一般还要将械位移的数值，并以此信号作为位置反馈信号，一般还要将此幅值信号转换成信号才与指令数字信号进行比较，从而获此幅值信号转换成信号才与指令数字信号进行比较，从而获得位置偏差信号构成闭环控制系统。得位置偏差信号构成闭环控制系统。（4 4）全数字伺服系统）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，随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控伺服系统已开始采用高速度、高精度的全数字伺服系统，数控伺服系统已开始采用高速度、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。如使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。如由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字数字PIDPID等，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新等，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。提高。School of Mechanical and Power Engineering*此外，还可按驱动方式分类，将伺服系统分此外，还可按驱动方式分类，将伺服系统分为液压伺服驱动系统、电气伺服驱动系统和气压为液压伺服驱动系统、电气伺服驱动系统和气压伺服驱动系统；伺服驱动系统；按控制信号分类，将伺服系统分为数字伺服按控制信号分类，将伺服系统分为数字伺服系统、模拟伺服系统和数字模拟混合伺服系统等。系统、模拟伺服系统和数字模拟混合伺服系统等。第一节第一节概述概述三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类School of Mechanical and Power Engineering*第二节第二节开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统School of Mechanical and Power Engineering*步进控制系统的结构步进控制系统的结构控制器控制器：PLC、定位控制模块、单片机，产生脉冲，、定位控制模块、单片机，产生脉冲，进行方向信号的产生；进行方向信号的产生；步进驱动器步进驱动器：收到脉冲，分配脉冲和功率放大，控制：收到脉冲，分配脉冲和功率放大，控制电机每一项的线圈是否通电；电机每一项的线圈是否通电；步进电机步进电机：旋转，拖动工作台。：旋转，拖动工作台。控制器控制器步进驱动器步进驱动器步进电机和工作台步进电机和工作台第二节第二节开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统School of Mechanical and Power Engineering*应用范围：简易型数控机床、普通机床的数控改造。应用范围：简易型数控机床、普通机床的数控改造。第二节第二节开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统School of Mechanical and Power Engineering*第二节第二节开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统School of Mechanical and Power Engineering*步进电机流行于步进电机流行于7070年代，该系统结构简单、年代，该系统结构简单、控制容易、维修方面，且控制为全数字化。随着控制容易、维修方面，且控制为全数字化。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步简化结构。因部分均可由软件实现，从而进一步简化结构。因此，这类系统目前仍有相当的市场。目前步进电此，这类系统目前仍有相当的市场。目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高的场合，如机仅用于小容量、低速、精度要不高的场合，如经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设备。备。第二节第二节开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统School of Mechanical and Power Engineering*School of Mechanical and Power Engineering*步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移的电步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移的电磁机械装置。由于所用电源是脉冲电源，所以也称为磁机械装置。由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲脉冲马达马达。步进电机和一般电机不同，一般电机通电后连续转动，步进电机和一般电机不同，一般电机通电后连续转动，而步进电机则随输入的脉冲按节拍一步一步地转动。对步而步进电机则随输入的脉冲按节拍一步一步地转动。对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就旋转一个固定进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就旋转一个固定的角度，称为一步。每一步所转过的角度叫做的角度，称为一步。每一步所转过的角度叫做步距角步距角。步进电机步进电机第二节第二节开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统School of Mechanical and Power Engineering*一、步进电机的分类一、步进电机的分类按运动方式分：按运动方式分：旋转运动、直线运动式步进电机；旋转运动、直线运动式步进电机；按工作原理分：按工作原理分：反应式（磁阻式）反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式；、电磁式、永磁式；按结构分：按结构分：单段式（径向式）、多段式（轴向式）；单段式（径向式）、多段式（轴向式）；按使用场合分：按使用场合分：功率步进电机功率步进电机和控制步进电机；和控制步进电机；按使用频率分：按使用频率分：高频率和低频步进电机；高频率和低频步进电机；不同的步进电机，其工作原理、驱动装置也不完全一样。不同的步进电机，其工作原理、驱动装置也不完全一样。第二节第二节开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统School of Mechanical and Power Engineering*按其按其输出转矩的大小输出转矩的大小来分，可以分为来分，可以分为快速步进电动机快速步进电动机和和功率步进功率步进电动机电动机。快速步进电动机连续工作频率高而输出转矩较小，一般。快速步进电动机连续工作频率高而输出转矩较小，一般在在N Ncmcm级，可以作为控制小型精密机床的工作台级，可以作为控制小型精密机床的工作台(例线切割机床例线切割机床)也可以和液压转矩放大器组成电液脉冲马达去驱动数控机床的工也可以和液压转矩放大器组成电液脉冲马达去驱动数控机床的工作台，而功率步进电动机的输出转矩就比较大是作台，而功率步进电动机的输出转矩就比较大是N Nm m级的，可以级的，可以直接去驱动机床的移动部件。直接去驱动机床的移动部件。按按其励磁相数其励磁相数，可以分为，可以分为三相、四相、五相、六相甚至八相三相、四相、五相、六相甚至八相。一。一般来说随着相数的增加，在相同频率的情况下，每相导通电流的般来说随着相数的增加，在相同频率的情况下，每相导通电流的时间增加，各相平均电流增大，从而使电动机的转速时间增加，各相平均电流增大，从而使电动机的转速转矩特性转矩特性会好些，步距角亦小。但是随着相数的增加，电动机的尺寸就增会好些，步距角亦小。但是随着相数的增加，电动机的尺寸就增加，结构亦复杂，目前多用加，结构亦复杂，目前多用3 36 6相的步进电动机。相的步进电动机。一、步进电机的分类一、步进电机的分类School of Mechanical and Power Engineering*目前我国使用的步进电机多为径向反应式步进电机。目前我国使用的步进电机多为径向反应式步进电机。反应式步进电机结构（径向分布）反应式步进电机结构（径向分布）第二节第二节开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统School of Mechanical and Power Engineering*二、步进驱动的原理：二、步进驱动的原理：步进电机步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的电磁装置，是一种将电脉冲转化为角位移的电磁装置，是一种特殊的电动机。是一种特殊的电动机。步进电动机有步进电动机有定位定位和和运转运转两种基本状态，当有脉冲两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。保持原有位置处于定位状态。School of Mechanical and Power Engineering*步进电机的结构（横向视图）步进电机的结构（横向视图）第二节第二节开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统School of Mechanical and Power Engineering*步进电机的工作原理：电磁铁作用原理步进电机的工作原理：电磁铁作用原理如图所示，三相反应式步进电机工作原理图。如图所示，三相反应式步进电机工作原理图。由转子和定子组成。定子上有由转子和定子组成。定子上有A A、B B、C C三对磁极绕组，分别为三对磁极绕组，分别为A A相、相、B B相、相、C C相。相。转子是硅钢片软磁材料迭合转子是硅钢片软磁材料迭合成的带齿廓形状的铁心。成的带齿廓形状的铁心。如果在定子上的三对绕组中通如果在定子上的三对绕组中通直流电流，就会产生磁场。直流电流，就会产生磁场。B B相通电相通电A A相通电相通电C C相通电相通电工作原理演示工作原理演示工作原理演示工作原理演示School of Mechanical and Power Engineering*三相三拍的原理介绍三相三拍的原理介绍模拟步进电机的动作步骤模拟步进电机的动作步骤:三相是指步进电机有三相定子三相是指步进电机有三相定子绕组，三拍是指每三次转换为一个绕组，三拍是指每三次转换为一个循环。循环。三相步进电机，定子有六个磁三相步进电机，定子有六个磁极，分为三对，每个磁极上装有控极，分为三对，每个磁极上装有控制绕组。一对磁极通电后，对应产制绕组。一对磁极通电后，对应产生生N/SN/S极磁场；转子为带齿的铁心极磁场；转子为带齿的铁心（反应式）或磁钢（混合式）。（反应式）或磁钢（混合式）。当定子三相依次通电时，三对当定子三相依次通电时，三对磁极依次产生气隙磁场，吸引转子磁极依次产生气隙磁场，吸引转子一步步转动。一步步转动。School of Mechanical and Power Engineering*步进电机的工作原理：步进电机的工作原理：A-B-C-A A-B-C-A 反转反转School of Mechanical and Power Engineering*步进电机的工作原理：步进电机的工作原理：A-C-B-A A-C-B-A 正转正转工工作作原原理理演演示示School of Mechanical and Power Engineering*BACBCABACBCABACBCA12341234逆时针回转逆时针回转300逆时针回转逆时针回转300当当A A、B B、C C三对磁极的绕组依次轮流通电，则三对磁极的绕组依次轮流通电，则A A、B B、C C三对磁三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。极依次产生磁场吸引转子转动。当当A A相通电时相通电时，B B相和相和C C相不通电，电机铁心的相不通电，电机铁心的AAAA轴方向产生磁轴方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子通，在磁拉力的作用下，转子1 1、3 3齿与齿与A A相磁极对齐，相磁极对齐，2 2、4 4两齿两齿与与B B、C C两磁极相对错开两磁极相对错开30300 0School of Mechanical and Power Engineering*当当B B相通电时相通电时，C C相和相和A A相断电，电机铁心的相断电，电机铁心的BBBB轴方向产生磁通，轴方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向旋转在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向旋转30300 0，2 2、4 4齿与齿与B B相磁相磁极对齐。极对齐。1 1、3 3两齿与两齿与C C、A A两磁极相对错开两磁极相对错开30300 0。当当C C相通电时相通电时，A A相和相和B B相断电，电机铁心的相断电，电机铁心的CCCC轴方向产生磁通，轴方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向旋转在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向旋转30300 0，1 1、3 3齿与齿与C C相磁相磁极对齐。极对齐。2 2、4 4两齿与两齿与A A、B B两磁极相对错开两磁极相对错开30300 0。若按若按A B CA B C。通电相序连续通电，则步进电。通电相序连续通电，则步进电机就连续地沿逆时针方向转动，每换接一次相序，步进电机沿机就连续地沿逆时针方向转动，每换接一次相序，步进电机沿逆时针方向转动逆时针方向转动30300 0，即步距角为，即步距角为30300 0。若按若按A A C C B B。进行，则转子沿顺时针方向旋。进行，则转子沿顺时针方向旋转。转。School of Mechanical and Power Engineering*电机正转：电机正转：A-C-B-AA-C-B-A电机反转：电机反转：A-B-C-AA-B-C-A结论：结论：（1 1）电机运行方向和通电的相序有关，改变通电的相序，）电机运行方向和通电的相序有关，改变通电的相序，电机的运行方向也就改变。电机的运行方向也就改变。改变电机正反转的话，就是改变通电方向。改变电机正反转的话，就是改变通电方向。（2 2）电机转速和相序切换频率有关，切换的越快，电机转）电机转速和相序切换频率有关，切换的越快，电机转动的越快。动的越快。（3 3）电机每拍转动的角度，称为步距角，）电机每拍转动的角度，称为步距角，。步距角和电。步距角和电机结构有关。机结构有关。步进电机的工作原理：步进电机的工作原理：第二节第二节开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统School of Mechanical and Power Engineering*步进电机的步距角大小不仅与通电方式有关，还与转步进电机的步距角大小不仅与通电方式有关，还与转子的齿数有关。子的齿数有关。计算公式为：计算公式为：mzk360=式中：式中：m m定子励磁绕组相数定子励磁绕组相数;三相时，三相时，m=3m=3；Z Z转子齿数转子齿数;K K通电方式，单为通电方式，单为1 1，双为，双为2.2.第二节第二节开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统三相三拍：三相三拍：m=3,z=4,k=1,则则=30。School of Mechanical and Power Engineering*上述通电方式称为上述通电方式称为三相单三拍三相单三拍通电方式。通电方式。所谓所谓“单单”是指每次只有一相绕组通电的意思。是指每次只有一相绕组通电的意思。“一拍一拍”从一相通电换接到另一相通电称为一拍。从一相通电换接到另一相通电称为一拍。“三拍三拍”每一拍转子转过一个步距角，这样每一拍转子转过一个步距角，这样“三拍三拍”是指通电换接三次后完成一个通电周期。是指通电换接三次后完成一个通电周期。第二节第二节开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统School of Mechanical and Power Engineering*三相三拍的通电次序为：三相三拍的通电次序为：A-B-C-A;AB-BC-CA-ABA-B-C-A;AB-BC-CA-AB 三相六拍的通电次序为：三相六拍的通电次序为：A-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A 可见三相三拍与三相六拍相比较，可见三相三拍与三相六拍相比较，六拍的步距角小，精度高。六拍的步距角小，精度高。设设A A相首先通电，转子齿与定子相首先通电，转子齿与定子A A、AA对齐（图对齐（图a a）。然后在）。然后在A A相继续通电的相继续通电的情况下接通情况下接通B B相。这时定子相。这时定子B B、BB极对转极对转子齿子齿2 2、4 4产生磁拉力，使转子顺时针方向产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是转动，但是A A、AA极继续拉住齿极继续拉住齿1 1、3 3，因，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图转子的位置如图3b3b所示，即转子从图所示，即转子从图(a)(a)位置顺时针转过了位置顺时针转过了1515。接着。接着A A相断电，相断电，B B相继续通电。这时转子齿相继续通电。这时转子齿2 2、4 4和定子和定子B B、BB极对齐（图极对齐（图c c），转子从图），转子从图(b)(b)的位置的位置又转过了又转过了15 15 三相六拍通电方式三相六拍通电方式 即按即按A AB B BC C CAA AB B BC C CA相序通电。（见下图）相序通电。（见下图）School of Mechanical and Power Engineering*B相通电相通电BC相通电相通电C相通电相通电AB相通电相通电A相通电相通电CA相通电相通电工作原理：工作原理：当当A A相通电，相通电，1 1、3 3齿齿与与A A相磁极对齐相磁极对齐。当。当A A、B B两相两相同时通电，因同时通电，因A A极吸引极吸引1 1、3 3齿，齿，B B极吸引极吸引2 2、4 4齿，转子逆时针齿，转子逆时针旋转旋转15150 0。随着。随着A A相断电，只有相断电，只有B B相通电。相通电。13A吸吸1、3两齿两齿 A吸吸1、3两齿两齿B吸吸2、4两齿两齿B吸吸2、4两齿两齿B吸吸2、4两齿两齿C吸吸1、3 24C吸吸1、3 A吸吸2、4C吸吸1、3 工作原理工作原理演示演示School of Mechanical and Power Engineering*转子又逆时针转转子又逆时针转15150 0，2 2、4 4齿与齿与B B相磁极对齐相磁极对齐，如果继续按，如果继续按BC C CA ABC C CA A。相序通电，步进电机就沿着逆相序通电，步进电机就沿着逆时针方向，以时针方向，以15150 0的步距角一步一步移动。的步距角一步一步移动。这种通电方式采用这种通电方式采用单、双相轮流通电单、双相轮流通电，在通电换接时，总，在通电换接时，总有一相通电，所以工作较平稳。有一相通电，所以工作较平稳。实际使用的步进电机，一般都要求有较小的步距角，因为实际使用的步进电机，一般都要求有较小的步距角，因为步距角越小所达到的位置精度越高。步距角越小所达到的位置精度越高。School of Mechanical and Power Engineering*通电方式通电方式 三相双三拍：三相双三拍：(正转正转)ABBCCAAB(反转反转)ACCBBAAC三相六拍：三相六拍：(正转正转)AABBBCCCAA(反转反转)AACCCBBBAA三相单三拍：三相单三拍：(正转正转)ABCA(反转反转)ACBA第二节第二节开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统School of Mechanical and Power Engineering*ABCASchool of Mechanical and Power Engineering*ABBCCAAB工作原理工作原理演示演示School of Mechanical and Power Engineering*AABBBCCCAASchool of Mechanical and Power Engineering*m m相步进电机通电方式相步进电机通电方式 m相单相单m拍：拍：例例 ABC D EA m相双相双m拍拍：例例 ABBCCD DEEA AB 或或 ABCBCDCDE DEAEAB ABC m相相2m拍：拍：例例 A AB B BC C CD D DEE EA A 或或 AB ABC