1、數控技術應用基礎第一節 概述第二節 伺服系統速度控制第三節 伺服系統位置控制第五章 伺服系統西南科技大學品牌課程 伺服系統是以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統。伺服系統是連接數控系統與數控設備的樞紐，它的性能是影響數控設備精度、穩定性、可靠性、加工效率以及價格等方面的重要因素。 1、伺服系統的特點和要求 特點: 1伺服系統的運動來源與偏差信號 2伺服系統具有負反響回路 3伺服運動始終處于過渡過程狀態 4伺服系統具有力(轉矩)的放大作用第一節 概述西南科技大學品牌課程 數控機床對伺服系統的要求： (1)位置精度高 (2)調速范圍寬 (3)快速響應 (4)穩定性好 (5)低速大轉矩2、伺服

2、系統的組成 常用的伺服系統有電氣伺服系統和液壓伺服系統。 數控伺服系統由伺服電機，驅動系統，速度檢測器，位置檢測器以及位置比較電路組成。 驅動系統包括從給定值輸入到伺服電機或液動機的輸出，即伺服電機及其驅動局部。 西南科技大學品牌課程 主軸伺服系統一般為速度控制系統，除具有上述的一般要求外，還應具有以下控制功能： (1) 準停控制 (2) 主軸與進給驅動同步控制 (3) 分度控制3、伺服系統的分類 按調節理論分類 (1)開環伺服系統 (2)閉環伺服系統 (3)半閉環系統 西南科技大學品牌課程 工作臺驅動控制線路齒輪箱步進電機指令脈沖開環伺服系統簡圖西南科技大學品牌課程閉環伺服系統簡圖位置控制模

3、塊速度控制單元伺服電機 工作臺 位置檢測測量反饋伺服驅動裝置指令速度環速度檢測位置環西南科技大學品牌課程位置比較速度控制 工作臺伺服電機指令速度反饋位置反饋+ 半閉環伺服系統簡圖西南科技大學品牌課程按使用的驅動元件分類(1)電液伺服系統 (2)電氣伺服系統 按使用的伺服電機分類(1)直流伺服系統 (2)交流伺服系統 按進給驅動和主軸驅動分類 (1)進給伺服系統 (2)主軸伺服系統 按位置控制方式分類 (1)脈沖，數字比較伺服系統 (2)相位比較伺服系統 (3)幅值比較伺服系統 (4)全數字伺服系統 西南科技大學品牌課程第二節 伺服系統速度控制 為了能夠調節機床的切削速度和進給量，機床的主運動、

4、進給運動和輔助運動都需要變速控制。都要求在變速范圍內，速度變化連續可調，且精度高、穩定性好。速度控制系統是伺服系統中的重要組成局部，它由速度控制單元、伺服電機、速度檢測裝置等構成。1、直流伺服系統速度控制 直流伺服電機的特性： 直流電機的機械特性靜特性 機械特性是指調速系統的輸出轉速和輸出轉矩之間的關系，它是衡量調速系統在承受負載時的轉速與空載是相比下降的程度的一種指標。 西南科技大學品牌課程機械特性方程為： 2、交流伺服系統速度控制 由于直流電機存在許多缺點：結構復雜、制造困難、換向器需要維護、電機高速受到限制等。但交流電機，特別是感應電機沒有上述缺點，且轉子慣量小，動態特性好。交流同步電動

5、機的轉速與所接的電源頻率之間存在一種嚴格的關系，可以方便的改變頻率獲得可變的速度，和非常硬的機械特性，鼓得到更廣泛的應用。 西南科技大學品牌課程第三節 伺服系統位置控制開環控制系統 驅動機構驅動線路數控裝置環形分配器功率放大器步進電機或電液脈沖馬達傳動機構機床西南科技大學品牌課程 步進電機又稱脈沖電機，它是一種將數字脈沖信號轉換成為具有一角位移或線位移即轉變為一種模擬信號的電磁裝置，步進電機是開環驅動機構中的一個關鍵元件。常見的步進電機有反響式步進電機與混合式步進電機兩種。1、步進電機的特點 1步進電機輸出的角位移或線位移與輸入脈沖數成正比。即每輸入一個脈沖，經分配裝置使電機轉子相應轉動一步，

6、且在時間上與輸入脈沖同步。 2轉速與脈沖頻率成正比。 3能快速地起動，制動和反轉。西南科技大學品牌課程 4轉子的轉動慣量小，起動，停止時間短。5無積累誤差，所以定位精度高。 右圖為三相反響式步進電機結構圖；西南科技大學品牌課程2、步進電機的工作原理 1工作原理： 步進電機的工作原理是按電磁吸引的原理工作的。錯齒是其工作的關鍵，是推動其工作的根本原因。 反響式三相步進電機為例加以說明。定子上有六個磁極，每個磁極上繞有勵磁繞組，每相對的兩個磁極組成一相，分成A、B、C三相。轉子無繞組，它是由帶齒的鐵心做成的。步進電機是按電磁吸引的原理進行工作的。當定子繞組按順序輪流通電時，A、B、C三對磁極就依次

7、產生磁場，并每次對轉子的某一對齒產生電磁引力，將其吸引過來，而使轉子一步步轉動。 西南科技大學品牌課程 假設開始是A相通電，B相、C相斷電，由于定子磁場吸引轉子，使轉子齒與定子A相磁極上的齒對齊，由于電機的結構使三相磁極的在周向相互錯開1/3齒距，西南科技大學品牌課程 隨后B相通電， A相、C相斷電，于是定子磁場吸引轉子回轉1/3齒距，西南科技大學品牌課程 再使C相通電，轉子又轉過1/3齒距，依次通電，步進電機就會按通電順序方向旋轉。西南科技大學品牌課程2、步進電機的通電方式： a：三相單三拍 通電順序為ABCABC 由于每次只有一相繞組通電，在切換瞬間將失去自鎖轉矩，容易失步，易在平衡位置附

8、近產生振蕩，穩定性不佳，故實際應用中不采用單三拍工作方式。 b：三相雙三拍 通電順序為ABBCCA 或反 之ACCBBA 由于雙三拍控制每次有二相繞組通電，而且切換時總保持一相繞組通電，所以工作比較穩定。西南科技大學品牌課程步矩角 、頻率 、和轉速 n 的關系：c：三相六拍 通電順序為 AABBBCCCAA 或反之， AACCCBBBA 它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且轉換過程中始終保證有一個繞組通電，工作穩定，因此這種方式被大量采用。西南科技大學品牌課程 步距角和步距誤差 步距角和步進電機的相數、通電方式及電機轉子齒數的關系如下：式中 步進電機的步距角；m電機相數； Z轉子

9、齒數；K系數，相鄰兩次通電相數相同，K1； 相鄰兩次通電相數不同，K2。西南科技大學品牌課程3、步進電機的主要特征 1最大靜轉矩Tmax 2啟動頻率3連續運行頻率4矩頻特性5靜態步矩誤差 空載時，以單脈沖輸入，步進電機的實際步矩角與理論步矩角之差，稱為靜態步矩誤差，以分表示。 西南科技大學品牌課程靜態矩角特性矩頻特性西南科技大學品牌課程4、步進電機功率驅動 步進電機驅動線路完成由弱電到強電的轉換和放大，也就是將邏輯電平信號變換成電機繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號。 驅動控制電路由環形分配器和功率放大器組成。 環形分配器是用于控制步進電機的通電方式的，其作用是將數控裝置送來的一系列指令脈沖

10、按照一定的順序和分配方式加到功率放大器上，控制各相繞組的通電、斷電。 環形分配器功能可由硬件或軟件產生。西南科技大學品牌課程前置放大輸入 U L單電壓驅動電路原理圖功率放大器西南科技大學品牌課程單穩延時前置放大前置放大U2 12VU180VLV1V2 t1 t2高低壓驅動電路原理圖輸入西南科技大學品牌課程高壓前置放大低壓前置放大控制門整形輸入恒流斬波驅動電路原理圖U1ReV1V2U2VD1L西南科技大學品牌課程5、開環控制步進式伺服系統的工作原理1. 工作臺位移量的控制 數控裝置發出N個脈沖，經驅動線路放大后，使步進電機定子繞組通電狀態變化N次，如果一個脈沖使步進電機轉過的角度為，那么步進電機轉過的角位移量N，再經減速齒輪、絲杠、螺母之后轉變為工作臺的位移量L，即進給脈沖數決定了工作臺的直線位移量L。 西南科技大學品牌課程2. 工作臺進給速度的控制 數控裝置發出的進給脈沖頻率為f，經驅動控制線路，表現為控制步進電機定子繞組的通電、斷電狀態的電