第05章數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1、第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng) 5.1 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述 5.2 開環(huán)步進(jìn)式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開環(huán)步進(jìn)式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 5.3 閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 5.1 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述 伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床移動(dòng)部件的位置和速度作為控制伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床移動(dòng)部件的位置和速度作為控制 量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖指令，量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖指令， 經(jīng)變換和放大后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。經(jīng)變

2、換和放大后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置( (計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)) )和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控 機(jī)床的重要組成部分。機(jī)床的重要組成部分。 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、 伺服機(jī)構(gòu)或伺服單元。數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)主要有兩種：一伺服機(jī)構(gòu)或伺服單元。數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)主要有兩種：一 種是進(jìn)給伺服系統(tǒng)，它控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，種是進(jìn)給伺服系統(tǒng)，它控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)， 以直線運(yùn)動(dòng)為主；另一種是主軸伺服系統(tǒng)，它控制主軸的以直線運(yùn)動(dòng)為主；另一種是主軸伺服系統(tǒng)，它控制主軸

3、的 切削運(yùn)動(dòng)，以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為主。本章只介紹第一種伺服系統(tǒng)。切削運(yùn)動(dòng)，以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為主。本章只介紹第一種伺服系統(tǒng)。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說數(shù)進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說數(shù) 控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的“大腦大腦”，是發(fā)布，是發(fā)布“命令命令”的的“指指 揮所揮所”，那么進(jìn)給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的，那么進(jìn)給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢四肢”， 是一種是一種“執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)”。它忠實(shí)地執(zhí)行由。它忠實(shí)地執(zhí)行由CNCCNC裝置發(fā)來的運(yùn)裝置發(fā)來的運(yùn) 動(dòng)命令，精確控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)給速度與位動(dòng)命令，精確控

4、制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)給速度與位 移量。移量。 伺服系統(tǒng)的性能在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性伺服系統(tǒng)的性能在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性 能，它直接影響機(jī)床的最高移動(dòng)速度、跟蹤精度、定位能，它直接影響機(jī)床的最高移動(dòng)速度、跟蹤精度、定位 精度等。精度等。 伺服系統(tǒng)的控制方法主要分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的控制方法主要分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán) 三種控制方法。它實(shí)際上是指伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置伺服控三種控制方法。它實(shí)際上是指伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置伺服控 制的三種方式。制的三種方式。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 5.1.1 數(shù)控機(jī)床對伺服系統(tǒng)的性能要求數(shù)控機(jī)床對伺服系統(tǒng)的性能要求

5、 進(jìn)給速度范圍要大，能滿足低速切削和高速切削的需要。進(jìn)給速度范圍要大，能滿足低速切削和高速切削的需要。 例如：低速進(jìn)給要求例如：低速進(jìn)給要求5mm/min，高速進(jìn)給要求，高速進(jìn)給要求24m/min。 位移精度要高。包括定位精度和輪廓加工精度。位移精度要高。包括定位精度和輪廓加工精度。 位移精度：指令脈沖要求工作臺進(jìn)給的位移量與工作臺的實(shí)位移精度：指令脈沖要求工作臺進(jìn)給的位移量與工作臺的實(shí) 際位移量之間的符合程度（誤差）。際位移量之間的符合程度（誤差）。 脈沖當(dāng)量越小，位移精度越高！脈沖當(dāng)量越小，位移精度越高！ 跟隨誤差要小。即響應(yīng)速度要快，跟蹤精度高。跟隨誤差要小。即響應(yīng)速度要快，跟蹤精度高。

6、 工作穩(wěn)定性要好。具有抗干擾能力，運(yùn)行平穩(wěn)，加工精工作穩(wěn)定性要好。具有抗干擾能力，運(yùn)行平穩(wěn)，加工精 度較高。度較高。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 5.1.2 伺服系統(tǒng)的基本組成伺服系統(tǒng)的基本組成 （1）開環(huán)控制系統(tǒng)：只有從發(fā)出的位置指令）開環(huán)控制系統(tǒng)：只有從發(fā)出的位置指令 輸入到最后的位置輸出的前向通道控制，而輸入到最后的位置輸出的前向通道控制，而 沒有測量實(shí)際位置輸出的反饋通道。沒有測量實(shí)際位置輸出的反饋通道。 電機(jī)電機(jī) 機(jī)械執(zhí)行部件 A相、B相 C相、 f、n CNC 插補(bǔ)指令 脈沖頻率f 脈沖個(gè)數(shù)n 換算 脈沖環(huán)形 分配變換 功率 放大 第第5章章 數(shù)控機(jī)床

7、的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （2）半閉環(huán)控制系統(tǒng)：）半閉環(huán)控制系統(tǒng)：如果在電動(dòng)機(jī)軸或絲桿上安 裝一個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器反饋轉(zhuǎn)角的變化，則系統(tǒng)變成了半閉 環(huán)系統(tǒng)。這樣，與開環(huán)系統(tǒng)相比，半閉環(huán)系統(tǒng)，提高了 精度，但它檢測的反饋信號來自于系統(tǒng)中某一個(gè)非最終 輸出的環(huán)節(jié)，使得系統(tǒng)無法對這一環(huán)節(jié)到最終控制目標(biāo) 之間的誤差自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。 位置控制調(diào) 節(jié)器 速度控制 調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng) 檢測與反饋單 元 位置控制單元速度控制單元 + + - 電機(jī) 機(jī)械執(zhí)行部件 CNC 插補(bǔ) 指令 實(shí)際 位置 反饋 實(shí)際 速度 反饋 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （3）閉環(huán)控制系統(tǒng)：）閉環(huán)控制系統(tǒng)：在前

8、向控制通道的基礎(chǔ)上在加 上直接檢測最終輸出的反饋控制通道就形成了閉環(huán)控制 的伺服系統(tǒng)。檢測元件通常為直線感應(yīng)同步器和光柵等 直線行位檢元件，安裝在最終的移動(dòng)目標(biāo)工作臺上。 位置控制調(diào) 節(jié)器 速度控制 調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng) 檢測與反饋 單元 位置控制單元速度控制單元 + + - 電機(jī)電機(jī) 機(jī)械執(zhí)行部件 CNC 插補(bǔ) 指令 實(shí)際 位置 反饋 實(shí)際 速度 反饋 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 這幾種類型的控制系統(tǒng)的基本組成不完全相同，但不 管是哪種類型，執(zhí)行元件及其驅(qū)動(dòng)控制單元都必不可少。 驅(qū)動(dòng)控制單元接收進(jìn)給指令，并轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件 所需的信號形式，執(zhí)行元件則將接收到的信號轉(zhuǎn)化為

9、相應(yīng) 的機(jī)械位移。 l開環(huán)系統(tǒng)的組成：驅(qū)動(dòng)控制單元、執(zhí)行元件（步進(jìn)電 機(jī)）、機(jī)床。 l閉環(huán)系統(tǒng)的組成：驅(qū)動(dòng)控制單元、執(zhí)行元件（交直流 伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)）、檢測反饋元件檢測反饋元件、比較控制環(huán)比較控制環(huán) 節(jié)節(jié)、機(jī)床。 參見教材P183圖5-1 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 5.1.3 伺服系統(tǒng)的分類伺服系統(tǒng)的分類 （1）按功能用途分：進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和主軸驅(qū)動(dòng)）按功能用途分：進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和主軸驅(qū)動(dòng) （2）按伺服控制方式分：開環(huán)、閉環(huán)和半）按伺服控制方式分：開環(huán)、閉環(huán)和半 閉環(huán)閉環(huán) （3）按執(zhí)行元件分：電液伺服驅(qū)動(dòng)和電氣）按執(zhí)行元件分：電液伺服驅(qū)動(dòng)和電氣 伺服驅(qū)動(dòng)（直流伺服和交流

10、伺服）伺服驅(qū)動(dòng)（直流伺服和交流伺服） 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 5.2 開環(huán)步進(jìn)式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開環(huán)步進(jìn)式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 開環(huán)伺服系統(tǒng)不設(shè)位置檢測反饋裝置，不構(gòu)成 運(yùn)動(dòng)反饋控制回路，電動(dòng)機(jī)按數(shù)控裝置發(fā)出的指令 脈沖工作，對運(yùn)動(dòng)誤差沒有檢測反饋和處理修正過 程。其典型代表是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)， 如下圖所示。 指令脈沖 數(shù)控 裝置 環(huán)形 分配器 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 功率放大器 工作臺 齒輪箱 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 電源 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 上圖中，執(zhí)行元件是步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械 角位移的驅(qū)動(dòng)元件。給

11、一個(gè)電脈沖信號，步進(jìn) 電動(dòng)機(jī)就回轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，稱為一步一步，所 以稱為步進(jìn)電機(jī)。由于它輸入的是脈沖電流， 也稱為脈沖電機(jī)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有精度高，慣性小的特點(diǎn)， 對各種干擾因素不敏感，誤差不會長期積累， 轉(zhuǎn)過360以后其積累誤差為0。它主要用于開 環(huán)控制系統(tǒng)。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 在開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，數(shù)控裝置發(fā)出指令脈沖 通過環(huán)形分配器和功率放大器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)， 每發(fā)出一個(gè)指令脈沖，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)過一個(gè)角 度，此角度叫做步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角步距角。步進(jìn)電動(dòng) 機(jī)通過齒輪箱、滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)工作臺運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)運(yùn) 動(dòng)的位移量與指令脈沖數(shù)成正比，運(yùn)動(dòng)速度與脈動(dòng)的位移量

12、與指令脈沖數(shù)成正比，運(yùn)動(dòng)速度與脈 沖的頻率成正比沖的頻率成正比。 電機(jī)電機(jī) 機(jī)械執(zhí)行部件 A相、B相 C相、 f、n CNC 插補(bǔ)指令 脈沖頻率f 脈沖個(gè)數(shù)n 換算 脈沖環(huán)形 分配變換 功率 放大 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 5.2.1 步進(jìn)電機(jī)的種類和結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)的種類和結(jié)構(gòu) （1）步進(jìn)電機(jī)的種類）步進(jìn)電機(jī)的種類 步進(jìn)電機(jī)的分類方式很多，例如按照力矩產(chǎn)生的原 理、輸出力矩的大小、定子和轉(zhuǎn)子的數(shù)量、繞組的分布 形式等（參見教材P184）。 按勵(lì)磁方式的不同，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可分為反應(yīng)式、永 磁式、感應(yīng)式和混合式等?；旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和 原理具有反應(yīng)式和永磁式兩種電動(dòng)

13、機(jī)的特點(diǎn)，在同樣的 勵(lì)磁電流下，它可以產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩。目前這種電動(dòng)機(jī) 以在數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。反應(yīng)式步進(jìn)電 動(dòng)機(jī)應(yīng)用普遍，結(jié)構(gòu)也簡單，是我們分析的重點(diǎn)對象。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （2）步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)）步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位 移的機(jī)電執(zhí)行元件。它具有如下優(yōu)點(diǎn)： l轉(zhuǎn)子的角位移量和轉(zhuǎn)速嚴(yán)格受脈沖的數(shù)量和頻率控 制，有脈沖就走，無脈沖則停，旋轉(zhuǎn)方向由通電順 序決定。 l體積小，重量輕，價(jià)格低。 l驅(qū)動(dòng)簡單，工作可靠，誤差不長期積累。 l精度高，慣性小，容易調(diào)試。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)

14、系統(tǒng) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要缺點(diǎn)是： l使用不當(dāng)時(shí)，會引起 ； l運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有振動(dòng)和噪音； l額定轉(zhuǎn)速較低，最高頻率一般不超過1 kHz。 失步包括丟步和越步兩種表現(xiàn)形式。失步包括丟步和越步兩種表現(xiàn)形式。 丟步是指轉(zhuǎn)子前進(jìn)的步距數(shù)少于脈沖數(shù)；越步是指丟步是指轉(zhuǎn)子前進(jìn)的步距數(shù)少于脈沖數(shù)；越步是指 轉(zhuǎn)子前進(jìn)的步距數(shù)多于脈沖數(shù)。丟步嚴(yán)重時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子前進(jìn)的步距數(shù)多于脈沖數(shù)。丟步嚴(yán)重時(shí)，轉(zhuǎn)子 將停留在一個(gè)位置上或者圍繞一個(gè)位置轉(zhuǎn)動(dòng)。將停留在一個(gè)位置上或者圍繞一個(gè)位置轉(zhuǎn)動(dòng)。 請大家思考：什么叫請大家思考：什么叫“失步失步”？ 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （3）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)）反應(yīng)

15、式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu) l 單段式：定子和轉(zhuǎn)子在徑向上，定子的磁極數(shù) 一般是相數(shù)的兩倍，即2p2m，例如三相步進(jìn) 電機(jī)的磁極數(shù)為6，參見教材P185圖5-2。 l 多段式：定子和轉(zhuǎn)子鐵心均沿電機(jī)軸向按相數(shù) 分段，參見教材P186圖5-4。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 定子 定子鐵心：電工鋼片疊壓而成，定 子上有6個(gè)齒（定子磁極），每個(gè) 齒上又開了五個(gè)小齒 定子繞組：纏繞在定子磁極上的 線圈，相對的磁極線圈連在一起 構(gòu)成一相控制繞組，繞組相數(shù)控制繞組，繞組相數(shù)26 構(gòu)成 轉(zhuǎn)子：沒有繞組，均勻分布40個(gè)齒，齒間夾 角360/409 步距角：一般為0.363 第第5章章 數(shù)控

16、機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 5.2.2 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理 A B C C B C B B C A U C B A 4 逆時(shí)針回轉(zhuǎn)30 C相通電A相通電 B相通電 逆時(shí)針回轉(zhuǎn)30逆時(shí)針回轉(zhuǎn)30 A B C 2 3 1 A B C A B C A A (a)(b) 1 24 3 1 3 2 4 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電方式有以下三種： （1） 單拍。在單相輪流通電的過程中，每拍 只有一相通電，稱為單拍。 （2） 雙拍。采用雙相輪流通電方式，即每拍 都有兩相通電，稱為雙拍。如三相

17、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的 通電順序?yàn)锳BBCCAAB，則構(gòu)成三相雙 三拍工作制。 （3） 單雙拍，即單雙相輪流通電。如對三相 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來說，單雙拍工作時(shí)的通電順序?yàn)?AABBBCCCAA，一個(gè)循環(huán)為6拍， 稱為三相六拍工作制。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)銘牌參數(shù)中通常有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)銘牌參數(shù)中通常有 兩種步距角，如兩種步距角，如1.5/0.75、 1.2/0.6、3/1.5等。等。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角越小，位置精度越高。 對于定子相數(shù)為m，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為Z的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)， 其步距角為： mZK 360 由此可知，定子磁極對數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)越多， 步距角就越小。若定子為三相，轉(zhuǎn)

18、子有40個(gè)齒， 則三相三拍工作時(shí)： 5 . 1 2403 360 3 1403 360 三相六拍工作時(shí)： 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) l 小步距角的步進(jìn)電機(jī)小步距角的步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)的步距角越小，控制精度越高。上述步進(jìn)電步進(jìn)電機(jī)的步距角越小，控制精度越高。上述步進(jìn)電 機(jī)由于轉(zhuǎn)子齒數(shù)過少，每輸入一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)動(dòng)的角機(jī)由于轉(zhuǎn)子齒數(shù)過少，每輸入一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)動(dòng)的角 度較大，即步距角較大，因此控制精度不高，沒有實(shí)度較大，即步距角較大，因此控制精度不高，沒有實(shí) 際應(yīng)用價(jià)值。實(shí)際使用的步進(jìn)電機(jī)都是小步距角的步際應(yīng)用價(jià)值。實(shí)際使用的步進(jìn)電機(jī)都是小步距角的步 進(jìn)電機(jī)。進(jìn)電機(jī)。（

19、參見教材P185圖5-2、5-3） 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 定子上有6個(gè)磁極，每個(gè)磁極上各有5個(gè)齒；轉(zhuǎn)子上有40個(gè)齒 均勻分布。齒距角為 ，極距角為 ，相相 錯(cuò)錯(cuò)1/3個(gè)齒距角，對應(yīng)角度為3即三相三拍時(shí)的步距角。 940/360606/360 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) l 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)z的確定（設(shè)計(jì)計(jì)算）的確定（設(shè)計(jì)計(jì)算） u反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)，基本上是由步距角的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)，基本上是由步距角的 要求所決定的，但是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)也必須滿足實(shí)現(xiàn)要求所決定的，但是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)也必須滿足實(shí)現(xiàn) “自動(dòng)錯(cuò)位

20、自動(dòng)錯(cuò)位”的條件。的條件。 u假設(shè)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)（即繞組的極對數(shù)）為 ，定 子極數(shù)為 ，自動(dòng)錯(cuò)位就是要求：自動(dòng)錯(cuò)位就是要求：當(dāng)某一極下的定 子和轉(zhuǎn)子對齊時(shí)，相鄰極下的定子和轉(zhuǎn)子錯(cuò)位 個(gè)齒距，即它們在空間對應(yīng)的角度為 。 u由此推出： m p2 m 1 )*( 360 mz mzz k p* 360360 * 2 360 極距 ) 1 (2 m Kpz解得： 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) l步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n的確定的確定 mzk ff f n 60 2 60 60/)/1 ( 2/ 時(shí)間（分） 轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)） A A B B C C 定子 轉(zhuǎn)子 繞組 第第

21、5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) l結(jié)論：結(jié)論： u步進(jìn)電機(jī)定子繞組每改變一次通電狀態(tài)（即一拍），其 轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一定的角度，即步距角 ，步距角越小，控 制精度越高； u改變步進(jìn)電機(jī)的通電順序，即可改變轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向， 實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制； u步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)改變的速度越快，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 速越快，即控制脈沖的頻率越快，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，即： u步距角與定子繞組的相數(shù)m、轉(zhuǎn)子齒數(shù)z、通電方式k有關(guān)， 即： mzk f n 60 mzk 360 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 5.2.3 步進(jìn)電機(jī)的主要特性步進(jìn)電機(jī)的主要特性 l步距角步距角是決定步進(jìn)伺

22、服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的重要參數(shù)，常 見的步距角是0.53。步距角越小，數(shù)控機(jī)床的控制精 度、位移精度、加工精度越高。 t M MM L M max 0 初始 平衡點(diǎn) 靜態(tài)穩(wěn)定區(qū) 定子 轉(zhuǎn)子 t l矩角特性：矩角特性：步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和失調(diào)角的變化規(guī) 律。步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩越步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩越 大，則帶負(fù)載能力越強(qiáng)，運(yùn)大，則帶負(fù)載能力越強(qiáng)，運(yùn) 行的快速性和穩(wěn)定性越好。行的快速性和穩(wěn)定性越好。 如果負(fù)載力矩大于最大啟動(dòng)如果負(fù)載力矩大于最大啟動(dòng) 轉(zhuǎn)矩，將造成失步，步進(jìn)電轉(zhuǎn)矩，將造成失步，步進(jìn)電 機(jī)不能正常啟動(dòng)。機(jī)不能正常啟動(dòng)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩角特性 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的

23、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) l 起動(dòng)頻率和連續(xù)運(yùn)行頻率起動(dòng)頻率和連續(xù)運(yùn)行頻率。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作頻率，一 般包括起動(dòng)頻率、制動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一 定時(shí)，電機(jī)的起動(dòng)頻率和制動(dòng)頻率是一樣的，所以一般 技術(shù)數(shù)據(jù)中只給出起動(dòng)頻率和連續(xù)運(yùn)行頻率。 u起動(dòng)頻率 ：是指在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，保證電機(jī)不 失步起動(dòng)的最高脈沖頻率。步距角越小，負(fù)載（負(fù) 載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）越小，則起動(dòng)頻率越高。 u運(yùn)行頻率 ：是指步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)后，當(dāng)控制脈沖頻 率連續(xù)上升時(shí)，能保證電機(jī)不失步運(yùn)行的最高頻率， 它的值也與負(fù)載有關(guān)。 u注意：電機(jī)起動(dòng)頻率過高將產(chǎn)生失步現(xiàn)象，因此步注意：電機(jī)起動(dòng)頻率過高將產(chǎn)生失步現(xiàn)象，因此步 進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率比起動(dòng)

24、頻率要高得多。進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率比起動(dòng)頻率要高得多。 q f f 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性 f / Hz O M / (Nm) l 加減速特性加減速特性電機(jī)由靜止到工作轉(zhuǎn)速的加速過程，以 及由工作轉(zhuǎn)速到靜止的減速過程，在這兩個(gè)過程中控制 脈沖的頻率隨時(shí)間的變化關(guān)系就是電機(jī)的加減速特性。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 5.2.4 步進(jìn)式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理步進(jìn)式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理 l 組成：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制線路組成：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制線路 + 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī) l 原理：驅(qū)動(dòng)控制線路接收來自數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給脈沖

25、原理：驅(qū)動(dòng)控制線路接收來自數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給脈沖 信號（指令信號），并把此信號轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電機(jī)各信號（指令信號），并把此信號轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電機(jī)各 項(xiàng)繞組依此通電、斷電的信號，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；步進(jìn)項(xiàng)繞組依此通電、斷電的信號，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；步進(jìn) 電機(jī)的轉(zhuǎn)子與機(jī)床絲杠連在一起，轉(zhuǎn)子帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子與機(jī)床絲杠連在一起，轉(zhuǎn)子帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)， 絲杠再帶動(dòng)工作臺移動(dòng)。絲杠再帶動(dòng)工作臺移動(dòng)。 驅(qū)動(dòng)控制線路步進(jìn)電機(jī) 溜板 進(jìn)給脈沖 V L 絲杠 步進(jìn)式伺服系統(tǒng)原理框圖 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （1）工作臺位移量的控制）工作臺位移量的控制 設(shè)絲杠螺距為設(shè)絲杠螺距為t（導(dǎo)

26、程）（導(dǎo)程） N個(gè)進(jìn)給脈沖個(gè)進(jìn)給脈沖 N次通斷電變化次通斷電變化 步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的 角位移角位移 工作臺位移量工作臺位移量 即：進(jìn)給脈沖的個(gè)數(shù)決定了工作臺的位移量。即：進(jìn)給脈沖的個(gè)數(shù)決定了工作臺的位移量。 *N tL* 360 t N L* 360 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （2）工作臺進(jìn)給速度的控制）工作臺進(jìn)給速度的控制 進(jìn)給脈沖的頻率進(jìn)給脈沖的頻率 定子繞組通電狀態(tài)的變化定子繞組通電狀態(tài)的變化 頻率頻率 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 工作臺工作臺 的進(jìn)給速度的進(jìn)給速度 即：進(jìn)給脈沖的頻率決定了工作臺的進(jìn)給速度。即：進(jìn)給脈沖的頻率決定了工作臺的進(jìn)給速度。

27、f f f2 ftt 2 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （3）工作臺運(yùn)動(dòng)方向的控制）工作臺運(yùn)動(dòng)方向的控制 改變進(jìn)給脈沖的方向改變進(jìn)給脈沖的方向 改變通電順序改變通電順序 改變改變 電機(jī)轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)向 改變工作臺的移動(dòng)方向改變工作臺的移動(dòng)方向 結(jié)論：通過改變進(jìn)給脈沖的數(shù)量、頻率、方向，結(jié)論：通過改變進(jìn)給脈沖的數(shù)量、頻率、方向， 即可改變機(jī)床工作臺的位移量、進(jìn)給速度和進(jìn)即可改變機(jī)床工作臺的位移量、進(jìn)給速度和進(jìn) 給方向，從而實(shí)現(xiàn)對位移的控制。給方向，從而實(shí)現(xiàn)對位移的控制。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 5.2.5 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制線路步進(jìn)電機(jī)的

28、驅(qū)動(dòng)控制線路 l步進(jìn)電機(jī)的控制繞組是按一定的通電方式工作的，必須步進(jìn)電機(jī)的控制繞組是按一定的通電方式工作的，必須 通過脈沖分配器（也叫環(huán)形分配器），將控制脈沖按照規(guī)通過脈沖分配器（也叫環(huán)形分配器），將控制脈沖按照規(guī) 定的通電方式分配到各相繞組上。定的通電方式分配到各相繞組上。 l脈沖分配器可由硬件電路實(shí)現(xiàn)，也可由軟件程序?qū)崿F(xiàn)。脈沖分配器可由硬件電路實(shí)現(xiàn)，也可由軟件程序?qū)崿F(xiàn)。 l步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)由脈沖分配器、功率放大器和步進(jìn)電步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)由脈沖分配器、功率放大器和步進(jìn)電 機(jī)組成，是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)。其原理示意圖如下圖所示。機(jī)組成，是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)。其原理示意圖如下圖所示。 功 率 放 大 脈 沖

29、分 配 B C A A B C 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制電路 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 三相六拍脈沖分配器 & C1 1DC1 1DC1 1D Q A Q B Q C CP X X & & & & & & & & 1 （1） 硬件脈沖分配器硬件脈沖分配器 硬件脈沖分配器由邏輯 門電路和觸發(fā)器構(gòu)成。 如下圖所示為三相六拍 環(huán)形脈沖分配器原理圖，當(dāng) X“1”時(shí)，每來一個(gè)脈沖 (CP)則電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)一步，分 配順序?yàn)?AABBBCCCA A；當(dāng)X=“0”時(shí)，每來一個(gè) 脈沖（CP）則電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn) 一步，分配順序?yàn)?AACCCBBBA A。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的

30、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 三相六拍脈沖分配器輸出真值表 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) CH250實(shí)現(xiàn)的三相六拍脈沖分配電路 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （2） 軟件脈沖分配軟件脈沖分配 為了提高脈沖分配器的靈活性，也可用軟件來實(shí)現(xiàn) 環(huán)形脈沖分配。下圖所示為89C51單片機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路的接口框圖。 單片機(jī)控制的三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路框圖 89C51 功 率 驅(qū) 動(dòng) 電 路 步進(jìn) 電動(dòng)機(jī) C B A 光耦P1.2 光耦 光耦 P1.1 P1.0 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 5.2.6 提高步進(jìn)式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)精度的

31、措施提高步進(jìn)式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)精度的措施 步進(jìn)式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，步進(jìn)式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中， 步進(jìn)電機(jī)的質(zhì)量、機(jī)械傳動(dòng)部分的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量、控制電步進(jìn)電機(jī)的質(zhì)量、機(jī)械傳動(dòng)部分的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量、控制電 路是否完善，均影響到系統(tǒng)的工作精度。路是否完善，均影響到系統(tǒng)的工作精度。 要提高系統(tǒng)的工作精度，應(yīng)從以下幾方面考慮：要提高系統(tǒng)的工作精度，應(yīng)從以下幾方面考慮： u改善步進(jìn)電機(jī)的性能，減小步距角改善步進(jìn)電機(jī)的性能，減小步距角 u采用精密的傳動(dòng)副，減少傳動(dòng)鏈中的傳動(dòng)間隙采用精密的傳動(dòng)副，減少傳動(dòng)鏈中的傳動(dòng)間隙 但是由于這些因素在一定程度上受到結(jié)構(gòu)和工藝的但是由于這些因素在

32、一定程度上受到結(jié)構(gòu)和工藝的 限制，為此，需要從控制方法上采取一些措施。限制，為此，需要從控制方法上采取一些措施。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （1）采用細(xì)分電路）采用細(xì)分電路 在實(shí)際應(yīng)用中，為了進(jìn)一步提高進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的分辨率， 在不改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的前提下，要求對步距角進(jìn)一步 細(xì)分。為了達(dá)到這一目的，可將繞組電流以階梯波的方式 輸入，如下圖所示： Im I tO Im/5 細(xì)分控制驅(qū)動(dòng)電路繞組電流波形 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （2）進(jìn)行齒間間隙補(bǔ)償）進(jìn)行齒間間隙補(bǔ)償 l 當(dāng)電機(jī)換向時(shí)，齒間間隙會引起步進(jìn)電機(jī)的空走空走，而工 作臺無實(shí)

33、際移動(dòng)。由于開環(huán)系統(tǒng)的精度本來就比較低， 齒間間隙對機(jī)床加工精度有很大影響，必須加以補(bǔ)償。 l 補(bǔ)償原理是：先計(jì)算出齒間間隙的大?。ㄔO(shè)為 ）， 在加工過程中當(dāng)檢測到工作臺的方向改變時(shí)，在改變后 的方向上增加 個(gè)進(jìn)給脈沖指令，用以克服因步進(jìn)電 機(jī)空走而造成的齒隙誤差。 d N d N 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （3）進(jìn)行螺距誤差補(bǔ)償）進(jìn)行螺距誤差補(bǔ)償 l 由于絲杠的螺距積累誤差直接影響到工作臺的位移精度， 要提高控制系統(tǒng)的精度就必須進(jìn)行螺距誤差補(bǔ)償。 l 補(bǔ)償原理是：當(dāng)出現(xiàn)正誤差時(shí)，表明實(shí)際的移動(dòng)距離大 于理論的移動(dòng)距離，應(yīng)該采用扣除進(jìn)給脈沖指令的方式 進(jìn)行誤差的

34、補(bǔ)償，使步進(jìn)電機(jī)少走若干步；當(dāng)出現(xiàn)負(fù)誤 差時(shí)，表明實(shí)際的移動(dòng)距離小于理論的移動(dòng)距離，應(yīng)該 采用增加進(jìn)給脈沖指令的方式進(jìn)行誤差的補(bǔ)償，使步進(jìn) 電機(jī)多走若干步。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 5.3 閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 5.3.1 閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行元件閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行元件 伺服電動(dòng)機(jī)為數(shù)控伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是速度和伺服電動(dòng)機(jī)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。軌跡控制的執(zhí)行元件。 數(shù)控機(jī)床中常用的伺服電機(jī)：數(shù)控機(jī)床中常用的伺服電機(jī)： 直流伺服電機(jī)（調(diào)速性能良好）直流伺服電機(jī)（調(diào)速性能良好） 交流伺服電機(jī)（主要使用的電機(jī)）交流伺服電機(jī)（主要使用的電機(jī)） 步進(jìn)電機(jī)（適于輕載、負(fù)荷變動(dòng)不大）步進(jìn)電機(jī)（適于輕載、負(fù)荷變動(dòng)不大） 直線電機(jī)（高速、高精度）直線電機(jī)（高速、高精度） 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)