伺服驱动系统1交流伺服电动机ppt课件.ppt

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1、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

2、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：①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nmin≤0.1r/min。②负载特

3、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。③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。④准确度高。定位精度和重复定位精度可达到0.01～0.001mm，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

4、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

5、。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

6、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

7、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

8、角位移量和转速严格受脉冲