《数控原理与系统》第4章伺服驱动系统.ppt

第4章 伺服驱动系统,4.1 伺服系统概述 4.2 开环步进电动机驱动系统 4.3 直流伺服系统 4.4 交流伺服系统 4.5典型数控伺服驱动系统简介 小结习题,4.1 伺服系统概述,1.基本概念 伺服（Servo）系统又叫随动系统，是一种能够跟随指令信号的变化而动作的自动控制装置，根据实现方法不同，可以分为机械随动（仿形）系统、液压伺服系统、电气伺服系统等，目前的数控机床均采用电气伺服系统。,在数控机床中，CNC装置是发布命令的“大脑”，而伺服系统则是数控机床的“四肢”，是一种执行机构，它能够准确地执行来自CNC装置的运动指令。伺服系统由伺服驱动装置、伺服电动机、位置检测装置等组成。伺服驱动装置的主要功能是功率放大和速度调节，将弱信号转换为强信号，并保证系统的动态性能；伺服电动机用来将电能转换为机械能，拖动机械部件移动或转动。,数控机床的伺服系统，包括进给伺服系统和主轴伺服（驱动）系统，前者是以机械位移（位置控制）为直接控制目标的自动控制系统，用来保证加工轮廓；后者是以速度控制为主，提供切削过程中需要的转矩和功率。本章主要介绍进给伺服系统及其位置检测装置的基本原理。,2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是：调速范围宽，在大的速度范围内运转稳定。一般要求速比可达1:10000，最低稳定运转速度nmin0.1r/min。负载特性硬，抗扰动能力强。能保证切削过程中受负载冲击时速度不变，尤其在低速时，应有足够的负载能力。,反应速度快。一般要求，伺服响应时间为几十毫秒，伺服电机角加速度4000rad/s2，即从静止状态加速到额定转速1500r/min，所需时间不大于0.2秒。准确度高。定位精度和重复定位精度可达到0.010.001mm，甚至0.1um。,3进给伺服系统的分类 进给伺服系统按其结构可以分为开环控制和闭环控制两大类。开环控制系统用步进电动机作为驱动元件，由于它没有位置反馈回路和速度控制回路，具有简单、经济的优点，被广泛用于中、低档数控机床及一般的机床改造。闭环伺服系统是基于反馈控制原理工作的，即通过位置测量装置反馈运动部件的实际位置，再与CNC装置输出的指令位置进行比较，根据比较结果的差值来控制伺服机构工作。闭环伺服系统采用直流伺服电机或交流伺服电机作为驱动元件，根据位置测量元件的安装位置不同又分为半闭环和全闭环两种形式。,半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在电动机轴上(一般电机生产商已装好)，用以精确控制电动机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动机构，将角度转换成工作台的直线位移。半闭环的闭环环路短，不包括传动机构等大惯性环节，因而系统容易达到较高的位置增益，不发生振荡现象。且其快速性好，动态精度高，传动机构的非线性因素对系统的影响小。因此被广泛采用。但如果传动机构的误差过大或其误差不稳定，则数控系统难以补偿。如由传动机构的扭曲变形所引起的弹性间隙，因其与负载力矩有关，故无法补偿。由制造与安装所引起的重复定位误差以及由于环境温度与丝杠温度变化所引起的丝杠螺距误差也是不能补偿的。因此要进一步提高精度，只有采用全闭环控制方式。,全闭环方式直接从机床的移动部件上获取位置实际移动值，因此其检测精度不受机械传动精度的影响。但不能认为全闭环方式可以降低对传动机构的要求，因闭环环路包括了机械传动机构，其闭环动态特性不仅与传动部件的刚性、惯性有关，还取决于阻尼、油的粘度、滑动面摩擦系数等因素。而且这些因素对动态特性的影响在不同条件下还会发生变化，这给位置闭环控制的调整和稳定带来了许多困难。这些困难使调整闭环环路时不得不降低位置增益，从而对跟随误差与轮廓加工误差产生不利影响。所以采用全闭环方式时必须增大机床刚性，改善滑动面摩擦特性，减小传动间隙，这样才有可能提高位置增益。全闭环方式被应用在精度要求较高的大型数控机床上。,4.2 开环步进电动机驱动系统,开环伺服系统不设位置检测反馈装置，不构成运动反馈控制回路，电动机按数控装置发出的指令脉冲工作，对运动误差没有检测反馈和处理修正过程。其典型代表是步进电动机开环进给伺服系统，如图4.1所示。,图4.1 步进电动机开环进给伺服系统结构图,图4.1中，数控装置发出指令脉冲通过环形分配器和功率放大器驱动步进电动机，每发出一个指令脉冲，步进电动机就转过一个角度，此角度叫做步进电动机的步距角。步进电动机通过齿轮箱、滚珠丝杠驱动工作台运动，其运动的位移量与指令脉冲数成正比，运动速度与脉冲的频率成正比。,4.2.1 步进电动机 1.步进电动机的特点 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移的机电执行元件。给一个电脉冲信号，步进电动机就回转一个固定的角度，称为一步，所以称为步进电动机。由于其转动角度由脉冲个数控制，不需要反馈环节，所以在经济型数控机床上得到了广泛的应用。概括起来步进电机具有如下优点：,（1）转子的角位移量和转速严格受脉冲的数量和频率控制，有脉冲就走，无脉冲则停，旋转方向由通电顺序决定。（2）体积小，重量轻，价格低。（3）驱动简单，工作可靠，误差不长期积累。（4）精度高，惯性小，容易调试。,其主要缺点如下：（1）使用不当时，会引起“失步”或“过冲”。（2）运转时有振动和噪音。（3）额定转速较低，最高频率一般不超过18kHz。,2.步进电动机的分类（1）反应式步进电动机 反应式步进电机的定子和转子由硅钢片或其他软磁材料制成，定子上有励磁绕组，绕组相数一般为二、三、四、五、六相，步距角一般为0.363。反应式步进电机结构简单，价格便宜，步距角小，其缺点是励磁电流大，带惯性负载能力差，容易“失步”和“振荡”，断电后无保持转矩。其产品系列代号为BF，如：110BF02、110BF03、130BF5、150BF5、160BF5等。,2）永磁式步进电动机 永磁式步进电机的定子由软磁材料制成，定子上有励磁绕组；转子由永久磁铁制成，步距角一般为15、225、30、45等。永磁式步进电机控制功率小，省电，运行稳定，断电后有保持转矩；但是其步距角太大。其产品系列代号为BY。,3）混合式步进电动机 混合式步进电机又叫永磁反应式步进电机，它在结构和性能上，兼有反应式步进电机和永磁式步进电机两者的特点，即具有反应式步进电机步距角小、工作频率高的特点；又具有永磁式步进电机控制功率小、运行稳定、断电后有保持转矩的特点；更适合应用于数控系统中。但是其制造工艺复杂，成本较高。其产品系列代号为BH。,3.步进电动机的工作原理（1）反应式步进电机工作原理 三相反应式步进电机外形结构如图4.2所示，其定子上有A、B、C三对磁极，分别绕有A、B、C三相绕组，三对磁极在空间上相互错开120；转子上有20个齿，没有绕组，每个齿在空间上相隔18，它在定子磁场中被磁化而呈现极性。当A相磁极与转子齿对齐时，B相磁极与转子齿错开18/3=6,C相磁极与转子齿错开218/3=12。,图4.2 反应式步进电机外形结构图,步进电动机是在电磁吸力作用下产生位移的，当某相定子励磁后，该相定子磁极吸引转子，转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐，转子转动一个角度，下一相定子通电励磁时，转子又转过一个角度，每相不停地轮流通电，转子就不停地转动。为便于理解，现以图4.3所示的反应式步进电机为例分析其转动原理。该步进电机转子齿数为4，齿距为90，当A相磁极与转子齿对齐时，B相磁极与转子齿错开90/3=30,C相磁极与转子齿错开290/3=60。,图4.3 反应式步进电动机工作原理,如图4.3(a)所示给各相定子绕组接通直流电源。当A相绕组通电时，形成以A-A为轴线的磁场，使转子的1、3齿和定子的A-A磁极对齐，如图4.3(b)所示；当A相断电、B相绕组通电时，转子将在空间逆时针转过30角；当B相断电、C相绕组通电时，转子将在空间又逆时针转过30角。按ABCA的顺序通电，转子就会不断地按逆时针方向转动；如按ACBA的顺序通电，转子就会不断地按顺时针方向转动。从一相通电换到另一相通电，叫一拍；每一拍转子转动一步，每步转过角度叫步距角。用表示。,步进电动机的通电方式有以下三种。（1）单拍 在上述各项轮流通电过程中，每拍只有一相通电，称为单拍。对于m相步进电机，一个循环为m拍，称为m相单m拍工作制。如上述情况，为三相单三拍工作制。单拍工作制的稳定性较差，容易失步。,（2）双拍 采用双相轮流通电方式，即每拍都有两相通电，称为双拍。如三相步进电机的通电顺序为ABBC CA AB，构成三相双三拍工作制。这种通电方式，由于两相同时通电，力矩大，定位精度高，每拍只改变一相，另一相锁定，不易失步。（3）单双拍 即单双相轮流通电。如对三相步进电机来说，通电顺序为AABBBCCCAA，一个循环为6拍，是单拍时的2倍，称为三相六拍工作制。,由此看出，图4.3中转子齿数为4的步进电机在三相三拍时，三相六拍时；而图4.2中转子齿数为20的步进电机在三相三拍时，三相六拍时。说明定子磁极对数和转子齿数越多，步距角就越小，但是由于受控制器复杂程度和制造工艺的限制，定子磁极对数和转子齿数不可能很多，一般相数三到五相，步距角在0.363范围的步进电机较为常用。,（2）永磁式步进电机工作原理 永磁式步进电机如图4.4所示，定子上有两相（或多相）绕组，转子为两对（或多对）永久磁铁制成的磁极，转子磁极数与每相定子绕组磁极数相同。图4.4（b）画出的是两相两对磁极的绕组（AO、BO），转子为两对永久磁极。当定子绕组按AB-A-BA的顺序轮流通电时，转子将按顺时针转动，步距角为45。步距角的计算公式为 式中 m为拍数，p为转子磁极对数。,图4.4 永磁式步进电机外形结构图,(a)外形(b)结构,（3）混合式步进电机工作原理 混合式步进电机外形结构如图4.5所示，它的定子结构与反应式步进电动机基本相同，也分成若干个磁极，磁极上绕有定子绕组，磁极端面有小齿。转子由环形永久磁铁及两段铁心组成，环形永久磁铁在转子的中部，轴向充磁，两段铁心分别装在永久磁铁的两端，转子铁心上也有如反应式步进电动机那样的小齿，但两段转子铁心上的小齿相互错开半个齿距，定转子小齿的齿距相等。,外形(b)结构图 4.5 混合式步进电机外形结构图,如图4.6所示为两相混合式步进电机剖面图，定子有8个磁极，在空间上均匀分布，每相4个磁极，每相相邻磁极线圈绕向相反；转子有10个齿，在空间上均匀分布；定子绕组通电顺序为AABBAABBAA。,当定子绕组AA通电时，定子的1、5号磁极为S极，3、7号磁极为N极；异性磁极相吸引，N段转子的1、6齿与定子1、5号磁极的齿对齐；同性磁极相排斥，N段转子的3、4齿与定子3号磁极的齿错开，8、9齿与定子7号磁极的齿错开。两段转子铁心上的齿相互错开半个齿距，S段转子的3、8齿与定子3、7号磁极的齿对齐；10、1齿与定子1号磁极的齿错开，5、6齿与定子5号磁极的齿错开。,当定子绕组BB通电时，定子2、6号磁极为S极，4、8号磁极为N极；N段转子的2、7齿与定子2、6号磁极的齿对齐，其余各齿的对错情况可一次推出，转子顺时针转过9，步距角的计算公式为 式中 m为拍数，Z为转子齿数。,图4.6 混合式步进电机剖面图,4.步进电动机的主要特性（1）步距角。步进电机每步转过的角度，称为步距角。在数控机床中，一般是根据其传动比例和系统脉冲当量的要求来选择步距角的。通常选用1.5/0.75、1.2/0.6、3/1.5等。（2）步距误差。指在空载情况下，理论的步距角与实际的步距角之差。它直接影响执行部件的定位精度，一般为1025。,（3）距角特性。当保持定子某一相绕组通电，并且转子不带负载，则这时转子的齿与定子通电相的齿对齐，这是转子所受的磁力矩M=0，这个位置叫步进电机的初始平衡位置。这时，如果在电动机轴上外加一个负载转矩ML，则转子会向ML方向转过一个角度，这时转子将受到电磁转矩M=ML的作用而达到新的平衡，角度称为失调角。设每两个齿之间的齿距角为t，则转矩M与失调角之间的关系为,如图4.7所示。它描述了转矩M和失调角间的关系，称为矩角特性。该特性上的电磁转矩最大值Mmax称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到 稳定平衡点位置。,图4.7 步进电动机的矩角特性,（4）矩频特性。距频特性是指输出转矩M与运行频率f之间的关系，如图4.8所示。步进电机的转矩随运行频率的上升而下降。,图4.5 步进电动机的矩频特性,（5）运行特性。步进电机一般在连续脉冲的作用下运行，根据其对运行性能的影响可将脉冲频率分为3个区段。低频区。步进电机的运行为连续的单步运动。每次换相时，转子都要来回振荡若干次，如图4.9(a)所示。这种情况下，电机有较强的振动和噪声，但能运行可靠。,高频区。这时脉冲间隔短，在前一步还没有振荡结束时，后一个脉冲就已经到来，从而使步进电机连续平滑的转动，运转比较平稳,如图4.9(b)所示。共振区。当脉冲频率介于低频和高频之间，而接近电机本身的固有振荡频率时，电机将产生强烈的震荡，甚至“走一步退两步”地左右摇摆,无法正常工作，这种情况应设法避免。在实际使用中，步机电机走的步数少于（或多于）节拍脉冲数的现象叫做“失步”现象。当电机转矩选配不合理，负载阻力矩过大，加减速太快时或工作在共振区时，都会引起“失步”。震荡和“失步”会引起进给失败，必须设法避免。,图4.9 步进电动机的运行特性(a)低频区；(b)高频区,4.2.2 步进电动机的驱动及控制 步进电机的运行性能，不仅与步进电机本身和负载有关，而且与配套的驱动装置有着十分密切的关系。步进电机驱动装置由环形脉冲分配器、功率放大驱动电路两大部分组成，如图4.10所示。其中，步进电机驱动电路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流信号。,图4.10 步进电动机控制电路,1.步进电动机的驱动电路 一般要求，驱动电路能够提供足够幅值、前后沿较陡的励磁电流，而且功耗小，效率高，运行稳定可靠，易于维护。常见的步进电机驱动电路形式有如下几种。,（1）单电源串电阻驱动电路。单电源串电阻驱动电路如图4.11所示。脉冲分配器输出脉冲到控制信号端后，通过脉冲放大器放大，加到晶体管VT的基极，使其导通，并利用电容C使电动机绕组中的电流迅速上升。在稳态时，串联电阻R起限流作用。在换相时，晶体管VT截止，利用二极管VD的续流作用，防止绕组电感电流不能突变而在VT集电极产生高电压击穿。这种电路适用于小型步进电动机，且性能要求不高的场合。,图4.11 单电源串电阻驱动电路,2）高低电压切换型驱动电路 高低电压切换型驱动电路如图4.12所示。这种电路的特点是高压充电，低压维持。步进电动机的绕组每次通电时，首先接通高压，以保证电流以较快的速度上升；然后改由低压供电，维持绕组中的电流为额定值。,图4.12 高低电压切换型驱动电路(a)电路；(b)波形,图4.12中，由脉冲变压器T组成了高压控制电路。当输入信号为低电平时，V1、V2、Vg、Vd均截止，电机绕组中无电流通过。当输入信号为高电平时，V1、V2、Vd饱和导通，在V2由截止过渡到饱和导通期间，与T一次侧串联在一起的V2集电极回路的电流急剧增加，在T的二次侧产生感应电压，加到高压功率管Vg的基极上，使Vg导通，80V的高压经功率管Vg加到步进电机绕组上，使电流按La(Rd+r)的时间常数上升，达到电流稳定值Ug(Rd+r)。经过一段时间，当V2进入稳定状态(饱和导通)后T一次电流暂时恒定，无磁通量变化，T二次侧的感应电压为零，Vg截止。这时12V低压电源经二极管VDd加到绕组La上，维持L d中的额定电流不变。,当输入的脉冲结束后，V1、V2、Vg、Vd截止，储存在L a中的能量通过Rg、VDg及Ug、Ud构成放电回路，Rg使放电时间常数减小，电流迅速减小为0，改善电流波形的后沿。该电路由于采用高压充电，电流增长加快，绕组上脉冲电流的前沿变陡，使电动机的转矩、起动及运行频率都得到提高。又由于额定电流由低电压维持，故只需较小的限流电阻，功耗较小。,该电路为一相绕组的驱动电路，若要驱动三相步进电机则需三组这样的驱动电路。此外，电路中的高低压切换也可通过定时来控制。在每一个步进脉冲到来时，高压脉宽由定时电路控制，宽度是一定的，也叫作高压定时控制驱动电源。,3)恒流斩波型驱动电路 单压斩波型驱动电路如图4.13所示。当输入信号为低电平时，VT截止，电机绕组中无电流通过。当输入信号为高电平时，VT导通，由于绕组回路没有串接限流电阻，所以绕组中电流迅速上升，当绕组中电流上升到预定值时，由于R1的反馈作用，通过斩波电路使VT截止，绕组中电流迅速下降，当下降到预定值以下时，又由于R1的反馈作用，通过斩波电路使VT导通，绕组电流又上升。如此反复进行，形成一个在预定值上下波动的电流波形，近似恒流。这种电路功耗小，效率高，运行特性好。,图4.13 单电源斩波型驱动电路(a)电路；(b)电流波形,4)分频段调压驱动电路 由于在低频时，节拍脉冲比较宽，有足够的绕组电流上升时间，只需较小的限流电阻和较低的电源电压，即可达到额定电流；在高频时，节拍脉冲变窄，在限流电阻不变的情况下，需要较高的电源电压，使绕组电流迅速上升，以提高高频时步进电机的带载能力。通常，把输入脉冲的频率分为几个频段，每段工作电压不同，高频段采用较高的电压，低频段采用较低的电压。,5)细分控制驱动电路 在实际应用中，为了进一步提高进给运动的分辨率，在不改变步进电机结构的前提下，要求对步距角进一步细分。为了达到这一目的，可将绕组电流以阶梯波的方式输入，如图4.14所示。这时，电流分成多少个阶梯，则转子就以同样的步数转过一个步距角。这样将一个步距角细分成若干步的驱动方法称为细分驱动电路。,图4.14 细分控制驱动电路绕组电流波形,2.脉冲分配器 脉冲分配器用来控制步进电动机的运行通电方式。在数控系统中，脉冲分配器的作用是将数控装置送来的一串指令脉冲，按照运行通电方式所要求的顺序和分配规律，分配到各相驱动电路输入端，用以控制各相绕组中电流的开通和关断。由于步进电动机有正反转要求，因而脉冲分配器的输出既是周期性的，又是可逆的，因此又叫环形脉冲分配器。图4.15所示为三相三拍制步进电动机环形脉冲分配器的输入输出关系。,图4.15 三相三拍环形脉冲分配,1）硬件脉冲分配器 硬件脉冲分配器由逻辑门电路和触发器构成。图4.16所示为三相六拍环形脉冲分配器原理图，当X“1”时，每来一个脉冲(CP)则电动机正转一步，分配顺序为AABBBCCCAA；当X=“0”时，每来一个脉冲（CP）则电动机反转一步，分配顺序为AACCCBBBAA。输出状态真值表如表4.1所示。,表4.1 三相六拍脉冲分配器输出真值表,图4.16 三相六拍脉冲分配器,也可采用专用集成芯片实现硬件环分，如CH250就是为三相步进电机设计的环形脉冲分配器，该芯片采用CMOS工艺，可靠性高。它可工作于单三拍、双三拍、三相六拍等方式。如图4.17所示为三相六拍的接线图。步进电动机的初始励磁状态为AB相，当进给脉冲CP的上升沿有效，并且方向信号为“1”则正转，为“0”则反转。显然，对于相数不同、通电方式不同的步进电机，必须重新设计或选用不同的硬件分配电路。因此，硬件脉冲分配器缺乏灵活性。,图4.17 CH250实现的三相六拍脉冲分配电路,2）软件脉冲分配 为了提高脉冲分配器的灵活性，也可用软件来实现环形脉冲分配。图4.18所示，为89C51单片机与步进电机驱动电路的接口框图。P1口的3个引脚经过光电隔离后，将节拍脉冲信号加到驱动电路的输入端，从而控制3相绕组的通电顺序。一般采用“查表法”编写脉冲分配程序，即按步进电机通电顺序求出脉冲输出状态字状态表，并将其存入EPROM中，然后根据步进电机的运转方向，按表地址正向或反向地取出该地址中的状态字进行输出，即可控制步进电动机正向或反向地旋转起来。,图4.18 单片机控制的三相步进电动机驱动电路框图,3.常用集成功率驱动接口 目前已有多种用于小功率步进电动机的集成功率驱动接口电路可供选用。L298芯片是一种H桥式驱动器，它设计成接受标准TTL逻辑电平信号，可用来驱动电感性负载。H桥可承受46V电压，每相电流可达2.5A。L298(或XQ298，SGS298)的逻辑电路使用5V电源，功放级使用546V电压，下桥发射极均单独引出，以便接入电流取样电阻。L298采用15脚双列直插式封装，其内部结构如图4.19所示。H桥驱动的主要特点是能够对电机绕组进行正、反两个方向通电。L298特别适用于对二相或四相步进电动机的驱动。,图4.19 L298原理框图,与L298类似的电路还有TER公司的3717，它是单H桥电路。SGS公司的SG3635则是单桥臂电路，IR公司的IR2130则是三相桥电路，Allegro公司则有A2916、A3953等小功率驱动模块。图4.20是使用L297(环形分配器专用芯片)和L298构成的具有恒流斩波功能的步进电动机驱动系统。,图4.20 专用芯片构成的步进电动驱动系统,4.3 直流伺服系统,直流伺服系统是数控机床上应用较早、比较成熟的闭环位置控制系统。它以直流伺服电动机为执行元件，具有调速范围宽，低速性能好，过载能力强，价格适中等优点，广泛应用于数控进给驱动中。,4.3.1 直流伺服电动机 1.结构特点 1）小惯量直流伺服电动机 小惯量直流伺服电动机是通过减小电枢的转动惯量来提高力矩惯量比的。,小惯量直流伺服电机是通过减小电枢的转动惯量来提高力矩惯量比的。与一般直流电机相比，转子为细长形，从而得到较小的惯量；并且转子是光滑无槽的铁心，用绝缘粘合剂直接把线圈粘在铁心表面上。小惯量直流伺服电机机电时间常数小，响应快，低速运转稳定而均匀，能频繁起动与制动。但由于其过载能力低，并且自身惯量比机床相应运动部件的惯量小，因此必须配置减速机构与丝杠相联接才能和运动部件的惯量相匹配，这样增加了传动链误差。小惯量直流伺服电机在早期的数控机床上得到广泛应用。,2）宽调速直流伺服电动机 宽调速直流伺服电动机又称大惯量直流伺服电动机，它通过提高输出力矩来提高力矩惯量比，具体措施是：增加定子磁极对数并采用高性能的磁性材料（如稀土钴等）以产生强磁场，该磁性材料性能稳定且不易退磁；在同样的转子外径和电枢电流的情况下，增加转子上的槽数和槽的截面积。由此，电动机的机械时间常数和电气时间常数都有所减小，这样就提高了快速响应性。,宽调速直流伺服电机具有如下特点。过载能力强，能承受10倍额定电流的峰值冲击，能产生额定力矩10倍的瞬时转矩。大的力矩惯量比，快速性好。由于电动机自身惯量大，外部负载惯量相对来说较小，提高了抗机械干扰的能力。因此伺服系统的调速与负载几乎无关，大大方便了机床制造厂的安装调试工作。低速时输出力矩大。这种电动机能与丝杠直接相连，省去了齿轮等传动机构，提高了机床进给传动精度。,调速范围宽。与高性能伺服驱动单元组成速度控制系统时，调速范围超过1：10000。转子热容量大。电动机的过载性能好，一般能过载运行几十分钟。此外，在结构上，这类电机采用了内装式低纹波测速发电机。测速发电机的输出电压作为速度环的反馈信号，使电动机在较宽的范围内平稳运转。除测速发电机外，还在电动机内部安装有位置检测装置，如光电编码器或旋转变压器。,2.主要特性 大惯量直流伺服电动机的机械特性硬，其机械特性曲线和调压调速特性曲线与永磁式直流电动机相同，工作特性曲线如图4.21所示。,图4.21 FB15型直流伺服电动机的工作曲线,由于伺服系统的要求，直流伺服电动机的性能已不能简单地用电压、电流、转速等参数来描述，而需要用一些特性曲线和参数表来全面描述。下面以FANUC BESK15直流伺服电动机为例，介绍其特性曲线。伺服电动机的工作特性曲线可分为三个区域。连续工作区内转矩转速的任意组合都可长期连续工作；间断工作区内电动机可根据负载周期曲线所决定的允许工作时间与断电时间做间歇工作；瞬时加减速区电动机只能在加减速时工作于该区，即只能在该区域中工作极短的一段时间。,4.3.2 直流伺服驱动系统 伺服驱动系统的主要作用是把来自CNC装置的信号进行功率放大，以驱动伺服电动机转动，并根据来自CNC装置的信号指令调节伺服电动机的速度。直流伺服驱动系统的一般结构框图如图4.22所示。直流伺服驱动装置一般采用调压调速方式，按功率放大电路元件的不同，可分为晶闸管（SCR）直流伺服驱动系统和晶体管脉宽调制（PWM）直流伺服驱动系统两大类。,图4.22 伺服驱动系统结构框图,1.晶闸管（SCR）直流伺服驱动系统 晶闸管直流伺服驱动系统的主电路，采用晶闸管三相全控桥式可逆整流电路，根据限制环流的办法不同，又可分为以下两种电路结构。1）环流可控可逆直流伺服系统 这种电路的结构框图如图4.23所示。在两组反并联的整流桥之间加限流电抗器L1、L2（平波电抗器），并通过两路电流反馈把环流控制在一定范围之内。,图4.23 环流可控可逆直流伺服系统结构框图,2）逻辑无环流可逆直流伺服系统 这种电路的结构框图如图4.24所示。该电路通过无环流逻辑控制器DLC控制两组整流桥的开通与封锁，在一组整流器工作时把另一组整流器的触发脉冲封锁，使它不通电，这样也就不会出现环流了。,图4.24 逻辑无环直流伺服驱动系统结构框图,由于这种电路无需平波电抗器，体积小，结构简单，在数控机床上应用较为广泛。但是，由于在一组整流桥工作时，另一组是封锁的，电流反向时两组整流器之间的切换比较费时，必须在前一组整流器的电流衰减到零，所有晶闸管完全关断的情况下才能开放另一组整流器，即存在换相死区，对快速性有一定的影响。,2.晶体管脉宽调制（PWM）直流伺服驱动系统 晶体管直流伺服驱动系统的主电路由H型桥式大功率晶体管（GTR、IGBT等）驱动模块构成。它利用大功率晶体管器件的开关作用，将直流电源电压转换成较高频率(一般为数千Hz以上)的方波电压加在直流电动机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制来改变加在电枢上的平均电压Ua，从而调节电动机的转速。晶体管PWM直流伺服驱动系统的电路结构如图4.25所示。,图4.25 晶体管PWM直流伺服驱动系统的电路结构,与晶闸管直流伺服系统相比，晶体管PWM直流伺服系统有以下优点：（1）主电路功率器件少，线路简单。（2）开关频率高，电流容易连续，低速性能好，稳速精度高，调速范围宽。（3）系统频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强。（4）直流电源采用三相不可控整流电路时，电网功率因数高，对电网冲击小。因此，在数控系统中应用较为广泛。,4.3.3 直流伺服驱动装置的信号连接 图4.26所示，为FANUC SCR-D型晶闸管直流伺服装置的外部连接图。图中，200U、200V、200W为三相交流200V电源，是触发晶闸管的同步电源。18A、0T、18B为带中心抽头的18V交流电源，经变换作为伺服单元中运算放大器控制电路的15V直流电源。R、S和T为120V交流电源，是提供给主回路的动力电源。TOHl、TOH2为装在变压器内部的热敏开关，当变压器过热时，热敏开关断开。A1、A2为伺服装置控制伺服电动机电枢电压的动力信号，TSA、TSB为装在电动机轴上测速发电机输出的信号，它是与转速成正比的电压信号。,图4.26 FANUC SCR-D型晶闸管直流伺服驱动装置外部连接图,CNC装置与伺服单元的连接信号有五组：（1）VCMD、GND为CNC装置输出控制伺服单元转速的010 V电压控制信号，电压的大小与转速成约1000 rmin 6 V的正比关系。（2）PRDY1、PRDY2为准备好控制信号，PRDYl与PRDY2短接时，伺服单元主回路通电。,（3）ENBL1、ENBL2为使能控制信号，当ENBLl与ENBL2短接时，伺服单元开始正常工作，并接收模拟电压的控制。（4）VRDYl、VRDY2为伺服单元通知CNC装置其正常工作的触点信号，当伺服单元出现报警时，VRDY1与VRDY2立即断开。,（5）OVL1与OVL2为常闭触点信号，当伺服单元中热继电器动作或变压器内热控开关动作时、该触点立即断开，通知CNC装置产生过热报警。由于直流伺服电动机存在体积大，电刷易磨损，需要定期维修等缺点，从而限制了直流伺服系统在数控机床上的应用和发展,4.4 交流伺服系统,交流伺服系统是近年来发展比较迅速，在数控机床上应用非常广泛的闭环位置控制系统。它以永磁同步交流伺服电动机为执行元件，既克服了直流伺服电机体积大，电刷易磨损，需要定期维修等缺点，又具有调速范围宽，低速性能好，过载能力强等优点，是数控进给驱动系统发展的主流,4.4.1 交流伺服电动机 交流伺服电动机分为异步型交流伺服电动机和同步型交流伺服电动机两大类。绝大多数用于数控机床进给控制驱动的是永磁同步交流伺服电动机。永磁同步交流伺服电动机的实质是直流伺服电动机定子、转子的倒置应用，其结构如图4.27所示，在定子上装有三相对称绕组，转子为永久磁极，并在定子圆周上均匀布置3个霍尔传感器，用来检测转子磁极的位置。也可以通过安装在轴端的光电编码器，来检测转子的磁极位置。,外形(b)内部结构图4.27 三相永磁同步交流伺服电机外形结构,与直流伺服电动机相比，永磁同步交流伺服电动机没有机械换向器和电刷，通过转子位置传感器检测到的转子位置信号，控制定子绕组中电流的换向，避免了换向火花产生和机械磨损等，同时又可获得和直流伺服电动机相同的调速性能。因此，永磁同步交流伺服电机也叫无刷直流伺服电机，或电子换向直流伺服电机。永磁同步交流伺服电机的机械特性曲线与直流电机非常相似，如图4.28所示。,图4.28 永磁同步交流伺服电动机的机械特性,4.4.2 交流伺服驱动系统 数控系统的交流伺服驱动系统以三相永磁同步交流伺服电机为执行元件。从换向电路的控制方法上，同步电机的驱动电路可以分为他控换向和自控换向两大类。和异步电动机变频调速一样，用独立的变频装置给同步电动机提供变压变频电源，称他控换向变频调速系统；用电动机转子位置传感器信号来控制换向变频的，是自控换向交流伺服系统。数控机床用的交流伺服系统一般是自控换向交流伺服系统。,自控换向交流伺服驱动系统的主要组成结构如图4.29所示，它通过电动机轴端上的转子位置检测器BQ(如霍尔开关)发出的信号来控制逆变器的换流，从而被动地改变同步电动机的供电频率；并根据外部速度给定信号，以PWM方式控制逆变脉冲宽度，改变输出到电动机定子绕组上的电压，从而调节同步电动机的转速。图4.30所示为西门子SIMODRIVE 611A交流进给驱动装置原理图。,图4.29 自控换向交流伺服驱动组成结构,图4.30 SIMODRIVE 611A交流进给伺服驱动装置原理图,4.5 典型数控伺服驱动系统简介,4.5.1 FANUC公司的伺服驱动系统 FANUC/i系列伺服电机和主轴电机（1）FANUC，C，i，Ci系列交流（AC）伺服电机。该系列适用于驱动机床的进给轴，具有位置偏差小、分辨率高（采用65536P/r的绝对值式编码器）、伺服控制响应快（高速响应矢量控制HRV）等特点。性能参数如表4.2所示。,表4.2 FANUC AC伺服电动机,（2）FANUC，P，C，Pi和Ci系列交流（AC）主轴电机。该系列适用于驱动机床的主轴传动，具有高转速、大功率、响应快、速度稳定、高速主轴定向等特点，可用于高速度高精度高刚性攻丝等加工。该系列主轴电机主要性能参数如表4.3所示。,表4.3 FANUC AC主轴电动机,FANUC 系列伺服驱动器 FANUC 系列伺服驱动器采用最新的智能型功率模块（IPM），具有体积小，重量轻，可靠性高，具有能量再生控制功能，节省能源，符合国际标准等特点。,FANUC系列伺服电动机系列伺服驱动器 由系列AC伺服电动机与系列伺服驱动器组成的伺服驱动系统，具有高的性能价格比，适用于机床的进给轴和辅助轴驱动。可配置高可靠性、高分辨率的绝对值式编码器（32768 P/r），可用I/O Link非常方便地扩展位置控制轴数。具有体积小，重量轻，可靠性高等特点。FANUC 系列、系列电机和驱动器的选配情况，如表4.4和表4.5所示。,注：表中L表示控制的轴数为1，M表示控制的轴数为2，N表示控制的轴数为3。,表4.4 FANUC 伺服放大器系列,表4.5 FANUC主轴放大器,4.5.2 FAGOR公司的伺服驱动系统 FAGOR数字化伺服驱动系统，包括伺服电源模块、伺服驱动模块及主轴驱动模块。伺服驱动模块可控制同步无刷交流伺服电机，主轴驱动模块可控制异步感应主轴电机。,1.FXM系列无刷AC伺服电机 FXM系列同步电机是永磁型无刷AC电机，动态特性好、坚固有力并具有很好的加速特性，用于要求获得高位置精度场合，具有输出扭矩平稳、无刷、高可靠性和维护简单的特点。速度反馈由安装在电机上的旋转变压器或编码器提供，在电机内部集成有温度传感器用于监控电机内部温度，且每个电机均可选择抱闸，防止机械传动系统在断电情况下溜车。FXM系列无刷AC伺服电机的特性参数如表4.6所示。,表4.6 FXM系列无刷AC伺服电机的特性参数,与FXM系列无刷AC伺服电机组成伺服驱动系统的伺服驱动器包括ACS系列模拟伺服驱动器和AXD系列、ACD系列数字化伺服驱动器。,2.主轴电机 FAGOR FM7系列主轴异步电机，主要用于机床的主轴驱动。该系列主轴电机的额定功率从3.7到51千瓦，额定转速500、1000和1500r/min，FM7的主要优点是体积小、加速/减速时间短、噪音和振动小，过载能力强。FM7主轴电机的特性参数如表4.7所示，与之配合的数字式伺服驱动器有FAGOR SPD系列和SCD系列。,表4.7 FM7主轴电机的特性参数,小 结,伺服又叫随动系统，是一种能够跟随指令信号的变化而动作的自动控制装置。数控机床的伺服系统主要是指进给伺服系统。分为步进电机驱动系统、直流伺服系统、交流伺服系统三种类型。开环伺服系统无位置检测反馈装置，以步进电动机作执行元件。常见的步进电动机有反应式、永磁式、混合式几种类型，常见的有单电源串电阻型、高低压切换型、恒流斩波型、分频段调压型、细分控制型等步进电机驱动电路。换相脉冲分配器有硬件和软件两种形式。,直流伺服系统以直流伺服电动机为执行元件，并装有位置检测反馈装置，可构成闭环、半闭环控制。交流伺服系统以交流伺服电动机为执行元件，并装有位置检测反馈装置，可构成闭环、半闭环控制。具有无电刷磨损，不需要定期维修，调速范围宽，低速性能好，过载能力强等优点，在数控机床上得到了广泛应用。,习 题,4.1 什么叫伺服系统？电气伺服系统由哪几部分组成的？4.2 数控机床对进给伺服系统的要求是什么？4.3 数控进给伺服系统的分哪几类？4.4 简述步进电动机的主要特点。,4.5 步进电动机由哪几类？4.6 什么叫步距角？步距角与哪些因素有关？4.7 步进电机由哪几种通电方式？4.8 混合式步进电机由哪几部分组成，并简述其工作原理。4.9 简述步进电动机的运行特性。4.10 什么情况下会引起步进电动机“失步”，震荡？,4.11 常见的步进电机驱动电路形式有哪几种？4.12 试以89C51单片机为核心，设计三相步进电机脉冲分配器与驱动电路。并编写汇编语言程序，使步进电动机按100Hz的频率运转。4.13 简述直流伺服系统的特点。由哪几种直流伺服驱动系统？4.14 简述交流伺服系统的特点。,