第四章 数控机床的伺服系统第四章 数控机床的伺服系统第一节概 述第一节概 述

一、伺服系统及数控机床对其要求

１数控机床的伺服系统的现状 数控机床的伺服系统是数控机床的数控系统与机床

本体的联系环节。它的主要功用是接受来自数控系统的指令信息，按其要求来驱动机床的移动部件运动，以加工出符合图纸要求的零件。伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件和末端执行件等组成。对于闭环和半闭环控制系统还包括检测反馈环节。常用驱动元件主要是各种伺服电机。目前，在小型和经济型数控机床上还使用步进电机，中高档数控机床大多采用直流伺服电机和交流伺服电机。高精度数控机床己采用交流数字伺服系统，伺服电机的位置、速度等都已实现了数字化，并采用了新的控制理论，实现了不受机械负荷变动影响的高速响应伺服系统。

２数控机床的伺服系统应满足的基本要求：　伺服系统是数控机床的重要组成部分之一。其动态响

应和伺服精度是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的主要因素。

　因此，数控机床的伺服系统应满足以下基本要求：（ l ）精度高　数控系统每发出一个进给指令脉冲，伺服

系统就将其转化为相应的位移量，通常称为脉冲当量。脉冲当量越小，机床的精度越高。一般地脉冲当量为 0.01mm ～ 0.001mm 。

（２）快速响应特性好 　快速响应是伺服系统动态品质的标志之一。一般是在 200ms 以内，甚至小于几十毫秒。

（ 3 ）调速范围要大　调速范围一般大于 1 ： 10000 。而且在低速切削时，还要求伺服系统能输出较大的转矩。

（ 4 ）系统可靠性要好　系统的可靠性常用发生故障时间间隔的长短的平均值作为依据，即平均无故障时间。

二、伺服系统的类型 数控机床的伺服系统，通常按其控制方式进行分类，

可分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。

１开环伺服系统

驱动装置

工作台数控装置

控制介

质指令脉冲

伺服电机

齿轮箱

2 ．闭环伺服系统

测速元器件

位移指令

位移反馈

速度反馈

位置检测装置

工作台

3 ．半闭环伺服系统

测速元器件

位移指令

位移反馈

速度反馈

位置检测装置

工作台

　　　　　　　　第二节　常用驱动元件 驱动元件是伺服系统的关键部件，对系统的特性有极

大的影响，它的发展和进步是推动数控机床发展的重要因素。驱动元件的发展大致分为以下几个阶段：

50 年代，采用步进电机。目前只应用于经济型数控机床。

60 ～ 70 年代，采用步进电机和电液伺服电机。现已基本不用。

70 ～ 80 年代，采用直流伺服电机，目前在我国广泛使用。

80 年代以后，采用交流伺服电机，是比较理想的驱动元件。

一、步进电机　步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的特

殊电机。步进电机的转子上无绕组且制有若干个均匀分布的齿，在定子上有励磁绕阻。当有脉冲输入时，转子就转过一个固定的角度，其角位移量与输入脉冲个数严格地成正比，在时间上也与输入脉冲同步。当无脉冲时，在绕组电源的激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置不变而处于定位状态。

（一）步进电机的分类１按其运动方式分：有旋转式、直线运动式、平面运动

式和滚切运动式。２按其励磁相数 可分为三相、四相、五相、六相甚至八

相步进电机等；３按使用场合分：有功率步进电机和控制步进电机；４按其工作原理分：有磁电式、反应式（磁阻式）、永磁感应式步进电机等；

５按使用频率分：有高频步进电机和低频步进电机；６按结构分：有单段式（径向式）、多段式（轴向式）

等。

（二）步进电机工作原理　尽管步进电机种类很多，其基本原理实质都是一致的。

现以三相反应式步进电机为例，说明其工作原理 :在步进电机定子上有三对磁极，上面绕有励磁绕组，分别称为 A相、 B相和 C相。转子上带有等距小齿（图中有四个齿） , 如果先将 A相加上电脉冲，则有：

A

A

B

B C

C 1

2

3

4

(a) A相通电

A

A

B

B C

C 12

34

如果将 B相加上电脉冲，则有：

(b) 　 B 相通电

转子逆时针旋转 3

0。

A

A

B

B C

C 1

2

3

4

(a) A相通电

如果再将 C相加上电脉冲，则有：

A

A

B

B C

C1

2

34

(c) 　 C 相通电

转子逆时针旋转 3

0。

A

A

B

B C

C 12

34

(b) 　 B 相通电

转子逆时针旋转 3

0。

A

A

B

B C

C 1

2

3

4

(a) A相通电

　这种三相励磁绕组依次单独通电，切换三次为一个循环，称为三相单三拍通电方式。由于每次只有一相磁极通电，易在平衡位置附近发生振荡，而且在各相磁极通电切换的瞬间，电机失去自锁力，容易造成失步。为改善其工作性能，可采用三相六拍的通电方式，其通电方式及通电顺序为 A→AB→B→BC→C→CA→A…或者 A→AC→C→CB→B→BA→A … 这种通电方式当由 A 相通电转为 AB 相共同通电时，转子磁极将同时受到 A 相与 B 相的吸引，它就停在 AB两相磁极中间，这时它转过的角度是 15 　。这种通电方式在切换时，始终有一相磁极不断电，故而工作较稳定，且在相同频率下，每相导通的时间增加，平均电流增加，从而可以提高电磁转矩、启动频率及连续运行频率等特性。

　显然，通入脉冲频率越高，电机的转速就越高，且电机每步转过的角度越小，所能达到的位置精度也越高。

。

（三）步进电机的主要特性参数（１）步距角 步进电机每接受一个脉冲，转子所转过的

角度，称为步距角。它是决定开环伺 服系统脉冲当量的重要参数。

　　　　　　　 α＝ 360 ／ mkz

式中 α—— 步距角； 　　　　 m —— 定子励磁绕组的相数； 　　　　　 z —— 转于齿数； 　　　　 k —— 通电方式系数，单拍时， k=1；双拍时， k＝ 2 。

。

2 ）最大启动转矩 步进电机在启动时能带动的最大负载转矩，如步进电机的负载转矩超过此值，则电机不能启动。其值越大， 则承载能力越强。

（ 3 ）起动频率 步进电机在启动时，从静止状态突然启动而不丢步的最高频率。它与负载惯量有关，一般地它随负载的增加而减小。

（ 4 ）连续运行最高频率 步进电机启动之后，控制脉冲的频率可进一步提高。能够跟上控制脉冲的频率而不失步的最高频率，称为连续运行最高频率。它随负载的增加而下降，它比最高启动频率大许多，因它不需克服惯性力矩。它代表着步进电机的最高转速。目前世界最高值可达 7000r／ min 。

（四）步进电机的驱动 根据步进电机的工作原理，我们知道步进电机的角位

移量与指令脉冲的个数成正比，旋转方向与通电方向有关。因此步进电机的驱动电路，必须能控制步进电机各相励磁绕组电信号的通电断电变化频率、次数和通电顺序。这个工作由脉冲分配器和功率放大器来完成。

脉冲分配器：通过脉冲指令，按一定顺序导通或截止功率放大器，使电机相应的励磁绕组通电或 断电的装置叫脉冲分配器，也叫环形分配器。它由门电路、触发器等基本逻辑功能元件组成。步进电机的正转与反转，由方向指令控制。步进电机的转角与转速分别由指令脉冲的频率与数量决定。脉冲分配可由硬件或软件来实现。

脉冲分配器

功率放大器

步进电机

进给脉冲

运动方向

二、直流伺服电机 由于数控机床的自身特点，如位移精度高、调速范围

广、承载能力强、运动稳定性好、响应速度快等，对伺服电机的要求较高，特别是要具有较大的转矩——惯量比。直流伺服电机具有较好的调速特性，尤其是直流电机具有较硬的机械特性，因此直流电机在数控机床中使用较广泛。然而一般的直流电机因其转子转动惯量较大，其输出转矩相对小，动态特性不好，不能满足机械加工的要求，特别是在低速运转条件下更是如此。因此，直流电机必须改进结构提高其特性，才能用于数控机床的伺服系统。

1 ．小惯量直流伺服电机 为使转子转动惯量尽可能的小，这种电机一般都做成细长形，转子光滑无槽。其特 点是转动惯量比一般直流电机小一个数量级，机械时间常数小，加减速能力强，响应快，动态特性好。再加上其气隙尺寸大，采用高磁能永久磁铁，励磁绕组在铁心表面，因而绕组自磁小，电枢电流可增大。所以其瞬时峰值转矩可为额定转矩的十倍以上，调速范围宽，低速运转平稳。

2 调速直流电机 小惯量直流电机是从减小转子的转动惯量来改善电机

动态特性的，然而正是因其惯量小，热容量也小，过载时间不能过长。其另一特点是转速高，惯量小，而机床的惯量大，两者之间必须使用齿轮减速才能很好地匹配。这在客观上就需要一种大转矩、低转速的电机。

调速直流伺服电机是在维持一般直流电机转动惯量不变的前提下，通过提高转矩来改善其特性，电机定于采用矫顽力强的永磁材料。这种材料可使电机电流过载 10倍而不会去磁，因而提高了电机的瞬时加速力矩，改善了动态响应，因此调速直流伺服电机具有以下特性：

（ 1 ）动态响应好 （ 2 ）过载能力强 （ 3 ）转矩大 （ 4 ）调速范围宽 调速范围可达 0.1～ 2000r/min。（ 5 ）可直接接有高精度检测元件

3 ．直流伺服电机的调速 对于直流电机的调速，在理论上有三种方法：①改变

电枢回路电阻；②改变气隙磁通量；③改变外加电压。用于数控机床的电机要求既能正转、反转，又能快速制动。因此数控机床的伺服系统一般都是可逆系统，但前两种方法不能满足数控机床的要求。因此，主要采用调整电枢电压的方法来调节直流伺服电机的转速，它的供电系统能灵活地控制直流电压的大小和方向。目前主要用晶闸管控制方式（ SCR——M ）和脉宽调制方式 （ PWM——M ）来提供可调的直流电源。

（１） 晶闸管控制方式，用 SCR三相全控桥式整流，通过改变触发角来改变电压，从而达到调节直流伺服电机的目的，此方法以前应用较广。缺点是其电枢电流脉动频率低，波形差，使电机的工作情况恶化，从而限制了调速范围的进一步扩大。

（２）近年来，晶体管脉宽调制方式在世界上得到了广泛应用，并且逐步取代晶闸管控制方式。

．． ．

M

．

τ １T

τ2

T

U

t

如图所示开关 K周期性的开关 ,周期为 T, 接通时间为 τ,外加电源电压U 为常数，则加到电枢上的波形是一个高为 U ，宽为 τ ，周期为 T 的方波。则它的平均值为：　 Ua=∫ Udt/T= τU/T=δTU 其中 δT＝ τ/T

K

Ua

0T

　　　　　 Ua=δTU 其中 δT＝ τ/T

由上式可知： 当 T 不变时，只要连续地改变 τ （ 0 ～T ）就可使电枢电压平均值连续地由 0 ～ U 变化，从而改变电机的转速。实际上的 PWM 系统用大功率 M极管代替开关 K ，其开关频率是 2000Hz 　， T＝ l／2000s＝ 0.5ms 。图中二极管为续流二极管，当 K断开时，由于电枢电感的存在，电机电枢电流 Ia 可通过它形成回路而继续流通。

　

直流电机的优点：晶体管脉宽调制系统，因晶体管的开关频率很高，其输出电流接近于纯直流，使电机调速平稳。另一方面，转子也跟不上如此高的频率变化，避开了机械谐振，使机械工作平稳。这种方式还具有优良的动态硬度，电机既能驱动负载，也能制动负载，因而响应很快。与晶闸管比较，在相同的输出转矩下（即平均电流相同）运行效率高，发热小，低速下限更小，调速范围更宽。

直流电机的缺点：它的电刷和换向器易磨损，换向时产生火花，使电机的最高转速受到限制，也使应用环境受限制，其结构复杂，成本高。

三、交流伺服电机１交流伺服系统的优点：交流异步电机结构简单，成本

低廉，无直流伺服电机的缺点，而且转子惯量较直流电机的小，这意味着动态响应更好。交流电机容量也比直流容量大，可达更高的电压和转速。一般在同样体积下，交流电机的输出功率比直流电机可以提高 10％～ 70％。是当前机床进给驱动系统的一个新动向。

２交流伺服系统的电机类型：可以采用交流异步电机，也可采用交流同步电机。交流异步电机所采用的电流有三相和单相两种。交流同步电机的磁势源可以是电磁式、永磁式和反应式等多种，在数控机床进给伺服系统中多采用永磁式同步电机。

３永磁式同步电机的特点是：结构简单，运行可靠，效率高。在结构上采取措施如采用高剩磁感应、高矫顽力和稀土类磁铁，可比直流电机在外形尺寸上减少约 50％，重量上减轻近 60％，转子惯量减至 20％，因而可得到比直流伺服电机更硬的机械性能和宽的调速范围。

４　交流伺服电机的调速：目前用得较多的是用计算机对交流电机的磁场作矢量变换控制。它的基本原理是通过矢量变换，把交流电机等效为直流电机，其思路是按照产生同样的旋转磁场这一等效原则进行的。

５步骤：先将交流电机的三相绕组等效成二相绕组，再进一步等效为两个正交的直流绕组，构成正交的坐标系的两个轴。一个相当于直流电机的励磁绕组，一个相当于直流电机的电枢绕组。在旋转的正交坐标系中，交流电机的数学模型和直流电机的数学模型是一样的，从而使交流电机像直流电机一样，能对其转矩进行有效控制。