第－数控伺服系统学习教案

会计学1第数控伺服系统第数控伺服系统第一页，共40页22认识伺服系统的机械认识伺服系统的机械(jxi)结构结构第1页/共40页第二页，共40页32认识伺服系统的机械认识伺服系统的机械(jxi)结构结构第2页/共40页第三页，共40页4数控伺服驱动数控伺服驱动(q dn)系统系统第3页/共40页第四页，共40页5第4页/共40页第五页，共40页6本章主要介绍本章主要介绍步进电机的工作原理、交、步进电机的工作原理、交、直流伺服电机类型及特性直流伺服电机类型及特性了解开环伺服系统的基本原理了解开环伺服系统的基本原理理解步进电机的工作理解步进电机的工作(gngzu)(gngzu)原原理理第5页/共40页第六页，共40页3.1 3.1 概述概述(i (i sh)( Introduction )sh)( Introduction ) 数控伺服系统是指以机床移动部件（如工作台、主轴和刀具等）的位置和速度作为数控伺服系统是指以机床移动部件（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量的自动(zdng)(zdng)控制系统，又称为随动系统控制系统，又称为随动系统什么什么(shn me)(shn me)是数控伺服系统是数控伺服系统数控伺服系统的作用数控伺服系统的作用 数控伺服系统的作用在于接受来自数控装置（数控伺服系统的作用在于接受来自数控装置（CNCCNC装置）的进给脉冲信装置）的进给脉冲信号，号，经过一定的信号变换及电压、功率放大经过一定的信号变换及电压、功率放大，经伺服电机经伺服电机（直流、（直流、交流伺服电机、步进电机等）和交流伺服电机、步进电机等）和机械传动机构机械传动机构，驱动机床移动部件实现，驱动机床移动部件实现运动，并保证动作的快速性和准确性。

运动，并保证动作的快速性和准确性数控机床的数控机床的“大脑大脑”数控机床的数控机床的“四肢四肢”，是执行，是执行“命令命令”的机构，它的机构，它是一个不折不扣的跟随者是一个不折不扣的跟随者第6页/共40页第七页，共40页8精度高（输出量能复现输入量的精确程度）快速响应特性好（系统跟踪精度）调速范围宽（最高转速(zhun s)和最低转速(zhun s)比）系统可靠性好(对环境的适应性)第7页/共40页第八页，共40页9 数控伺服驱动(q dn)系统按有无反馈检测元件分为开环和闭环（含半闭环）两种类型 开环伺服系统由驱动(q dn)控制单元、执行元件和机床组成通常，执行元件选用步进电机，因系统不对输出进行检测，所以执行元件对系统的特性具有重要影响第8页/共40页第九页，共40页10 闭环（半闭环）伺服系统由执行元件、驱动控制单元、机床，以及反馈检测元件、比较环节组成反馈检测元件分为(fn wi)速度反馈和位置反馈两类，闭环伺服系统采用位置反馈元件将工作台的实际位置检测后反馈给比较环节，比较环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动控制单元驱动和控制执行元件带动工作台运动。

伺服系统局部闭环回路采用速度反馈单元检测执行元件的速度输出，间接保证工作台的移动精度第9页/共40页第十页，共40页11按控制(kngzh)方式和有无检测反馈环节分类 按这种方法(fngf)可以将伺服系统分为开环、半闭环和闭环伺服系统按伺服系统的用途和功能(gngnng)分类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，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，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力按执行元件的类别分类直流伺服系统和交流伺服系统第10页/共40页第十一页，共40页123.2 3.2 伺服系统的驱动伺服系统的驱动(q dn)(q dn)元件元件( Drive Components of Servo System )( Drive Components of Servo System )数控机床中常用的伺服电机：直流伺服电机（调速性能良好）交流伺服电机（主要使用的电机）步进电机（适于轻载、负荷变动不大）直线(zhxin)电机（高速、高精度）第11页/共40页第十二页，共40页13伺服驱动伺服驱动(q dn)(q dn)元件又称为执行电机，它具有根据元件又称为执行电机，它具有根据控制信号的要求而动作的功能。

控制信号的要求而动作的功能要求：要求：在输入电信号之前，转子静止不动；在输入电信号之前，转子静止不动；电信号到来之后，转子立即转动，且转向、转速随电电信号到来之后，转子立即转动，且转向、转速随电信号的方向和大小而改变，同时带动一定的负载运动信号的方向和大小而改变，同时带动一定的负载运动；电信号一旦消失，转子立即自行停转电信号一旦消失，转子立即自行停转第12页/共40页第十三页，共40页14 步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械(jxi)角位移的电磁装置角位移的电磁装置由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲马达由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲马达 步进电机角位移量与电脉冲数成正比步进电机的转速与脉冲频率成正比（改变(gibin)脉冲频率的高低就可以在很大范围内调速，并能迅速起动、制动、反转）对应每一个对应每一个(y )(y )指令脉冲，步进电机就旋转一个指令脉冲，步进电机就旋转一个(y )(y )规定规定角度角度( (步距角步距角) ) 步进电机的角位移量和输入脉冲的个数严格地成正比，在时间上与输入脉冲同步因此步进电机的角位移量和输入脉冲的个数严格地成正比，在时间上与输入脉冲同步。

因此，只需控制输入脉冲的，只需控制输入脉冲的数量、频率数量、频率、及电机绕组通电、及电机绕组通电相序相序，便可获得所需的，便可获得所需的转角、转速转角、转速及及转动转动方向步进电机的种类和工作原理步进电机的种类和工作原理第13页/共40页第十四页，共40页15步进电机步进电机(dinj)按 结按 结构构(jigu)按 相按 相数数反应式（应用反应式（应用(yngyng)较广）较广）励磁式（转子上多了励磁绕组）励磁式（转子上多了励磁绕组）单相单相两相两相三相三相多相多相第14页/共40页第十五页，共40页16 按电磁吸引按电磁吸引(xyn)原理工作（以反应原理工作（以反应式步进电机为例）反应式步进电机的定式步进电机为例）反应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有激磁绕组，子上有磁极，每个磁极上有激磁绕组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合工作极对齿的吸合工作第15页/共40页第十六页，共40页17工作工作(gngzu)原原理理第16页/共40页第十七页，共40页18通电(tng din)方式 1）三相(sn xin)单三拍：(正转)ABCA (反转) ACBA 2）三相(sn xin)双三拍：(正转) ABBCCAAB (反转) ACCBBAAC 3）三相六拍： (正转) A AB B BC C CA A (反转) A AC C CB B BA A第17页/共40页第十八页，共40页。

19动画动画1 1）三相）三相(sn xin)(sn xin)单三拍：单三拍：第18页/共40页第十九页，共40页20三相单三拍的特点：三相单三拍的特点：（1 1）每来一个电脉冲，转子转过）每来一个电脉冲，转子转过30302 2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序3 3）每次定子绕组只有）每次定子绕组只有(zhyu)(zhyu)一相通电，在切换瞬间失去自一相通电，在切换瞬间失去自 锁转矩，容易产生失步，只有锁转矩，容易产生失步，只有(zhyu)(zhyu)一相绕组产生力矩吸引转一相绕组产生力矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡子，在平衡位置易产生振荡第19页/共40页第二十页，共40页212 2）三相）三相(sn xin)(sn xin)双三拍：双三拍：动画动画(正转) ABBCCAAB (反转(fn zhun) ACCBBAAC 有两对磁极(cj)同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍旋转30特点：始终有一相定子绕组通电，工作比较平稳避免了单三拍通电方式的缺点第20页/共40页第二十一页，共40页223 3）三相）三相(sn xin)(sn xin)六拍：六拍：动画动画第21页/共40页第二十二页，共40页。

233 3）三相六拍：）三相六拍： 每步转过每步转过1515，步距角是三相三拍工作，步距角是三相三拍工作(gngzu)(gngzu)方式的一半方式的一半特点：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比特点：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比较平稳第22页/共40页第二十三页，共40页242.2.步进电机步进电机(dinj)(dinj)的的特性特性步距角)(3600mzKm定子(dngz)的相数；z转子的齿数；k通电方式系数，三相三拍时k=1,三相六拍时k=2第23页/共40页第二十四页，共40页25例如(lr)：如步进电机如步进电机(dinj)(dinj)，若转子齿数，若转子齿数z z4040，以三相三拍通电时，步距角为以三相三拍通电时，步距角为031403360360mzK05 . 12403360360mzK以三相以三相(sn xin)(sn xin)六拍通电时，步距角六拍通电时，步距角为为第24页/共40页第二十五页，共40页26起动(q dn)频率 空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正常运行的最高频率，称为起动频率或突跳频率 加给步进电机的指令脉冲频率如大于起动频率，就不能正常工作。

步进电机在带负载下的起动频率比空载要低而且，随着负载加大启动(qdng)频率会进一步降低连续(linx)运行频率 步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率 其值远大于起动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系一般为起动频率的440倍因此，步进电机常用升降速控制，起停时频率较低，正常时，频率升高加减速特性第25页/共40页第二十六页，共40页271.直流伺服电机的结构直流伺服电机的结构(jigu)特点特点第26页/共40页第二十七页，共40页281.宽调速直流伺服电机性能特点输出力矩(l j)大过载能力强动态响应性能好低速运转平稳易于调试但其却存在一些固有的缺点：1）电刷和换向器易磨损(m sn)，维护麻烦2）结构复杂，制造困难，成本高第27页/共40页第二十八页，共40页292.直流伺服电机调速晶闸管直流调速（SCR） 晶闸管直流调速是通过调节触发装置的控制电压大小（控制晶闸管的开放角）来移动(ydng)触发脉冲的相位，从而改变了整流电压的大小，使直流电机电枢电压变化而平滑调速脉宽调制直流调速（PWM）第28页/共40页第二十九页，共40页。

30PWM-M系统(xtng)的主回路电气原理图第29页/共40页第三十页，共40页311.交流交流(jioli)伺服电机的结构特伺服电机的结构特点点第30页/共40页第三十一页，共40页32直线电机是一种(y zhn)能将电信号直接转换成为直线位移的电机第31页/共40页第三十二页，共40页333.3 3.3 步进式伺服系统步进式伺服系统( Stepper Servo System )( Stepper Servo System ) 步进式伺服系统又称开环步进伺服系统，系统中没有位置和速度反馈电路，不像闭环伺服系统那样需要进行复杂的设计计算与试验校正因此系统具有结构简单、使用维护方便(fngbin)、可靠性高和制造成本低等一系列优点，主要适用于速度和精度要求不十分高的中小型机床，如经济型数控机床和对现有的普通机床进行数控化改造中第32页/共40页第三十三页，共40页34步进式伺服系统主要(zhyo)由步进电机的驱动控制线路和步进电机两部分组成工作台位移(wiy)量的控制工作台运动方向的控制工作台进给速度的控制第33页/共40页第三十四页，共40页35步进电机步进电机(dinj)(dinj)的驱动控制线的驱动控制线路路线路各个部分(b fen)的功能：脉冲混合电路加减脉冲分配电路加减速电路环形分配器 5.功率放大器第34页/共40页第三十五页，共40页。

36加减速加减速(jin s)电电路路加减速电路(dinl)输入输出特性：第35页/共40页第三十六页，共40页37环形分配环形分配(fnpi)器的主要功能：器的主要功能： 将数控装置送来的一串指令脉冲，按步进电机所要求的通电顺序分配将数控装置送来的一串指令脉冲，按步进电机所要求的通电顺序分配(fnpi)给步给步进电机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的通断，实现步进电机的运行及换向进电机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的通断，实现步进电机的运行及换向 环形分配环形分配(fnpi)的功能可由硬件或软件的方法来实现，分别称为硬件环形分配的功能可由硬件或软件的方法来实现，分别称为硬件环形分配(fnpi)器和软件环形分配器和软件环形分配(fnpi)器第36页/共40页第三十七页，共40页381硬件(yn jin)环形分配器 可由D触发器或JK触发器构成，亦可用专用集成芯片或通用可编程逻辑(lu j)器件第37页/共40页第三十八页，共40页392软件(run jin)环形分配器 编制不同的环形(hun xn)分配程序，直接驱动步进电机各绕组的通、断电可使线路简化，成本下降，可灵活地改变步进电机的控制方案。

第38页/共40页第三十九页，共40页40第39页/共40页第四十页，共40页。