第五章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)

第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)第1頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三機床伺服系統(tǒng)是指以機械位置或角度作為被控參數(shù)的自動控制系統(tǒng)，有時也稱為隨動系統(tǒng)或伺服機構。在數(shù)控機床中，伺服系統(tǒng)接受來自插補器的進給脈沖，經(jīng)變換放大后轉化為機床工作臺的位移。

伺服系統(tǒng)若按有無檢測裝置可分為兩大類；開環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

開環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)第2頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三步進式伺服系統(tǒng)

在步進式伺服系統(tǒng)中，步進電機作為執(zhí)行元件，受驅動控制線路的控制，將代表進給脈沖的電平信號直接變換為具有一定方向、大小和速度的機械角位移，并通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測環(huán)節(jié)，它的精度較差，速度也受到步進電機性能的限制，但它的結構簡單，容易調整，故在速度和精度要求不太高的場合，具有一定的使用價值。

第3頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三

步進電機工作原理步進電機是將電脈沖信號變換成角位移或線位移的一種機電式數(shù)模轉換器，它是根據(jù)同步電機原理制成的。下面以三相反應式步進電機為例，說明步進電機的基本工作原理

第4頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三(1)步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉子便轉過一個確定的角度，即為步進電機的步距角；(2)改變步進電機定子繞組的通電順序，轉子的旋轉方向將隨之改變；(3)步進電機定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉子的轉速越高；(4)步進電機的步距角與定子繞組的相數(shù)m、轉子的齒數(shù)z、通電方式K有關，可用下式表示：

式中，三相三拍時K=1；三相六拍時K=2。例題第5頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三如前圖所示的步進電機，若轉子齒數(shù)z＝40，以三相三拍通電時，步距角為

若以三相六拍通電方式工作時，步距角為第6頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三步進電機的類型及結構

步進電機的結構形式很多，其分類方式也很多。常見的分類方式是按產(chǎn)生力矩的原理、輸出力矩的大小以及定子和轉子的數(shù)量等方面來分類

第7頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三目前，我國使用的步進電機多為反應式步進電機，如圖所示。這是一臺典型的單定子徑向分相的三相反應式步進電機的結構原理圖

單定子徑向分相式三相步進電機結構原理圖

第8頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三多定子軸向分相式五相步進電機結構原理圖第9頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三步進電機的主要特性

步距角步進電機的步距角是反映步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉子轉過的角度。它是決定步進伺服系統(tǒng)脈沖當量的重要參數(shù)。數(shù)控機床中常見的反應式步進電機的步距角一般為0.5o~3o度。通常，步進角越小，加工精度越高。

啟動頻率步進電機在空載的條件下由靜止突然啟動，并進入不丟步的正常運行所允許的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率。若啟動時頻率大于突跳頻率，步進電機就不能正常啟動。因此，空載啟動時，步進電機定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率．當步進電機加負載后，其啟動頻率隨負載轉動慣量增加而減小。

第10頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三(3)連續(xù)運行的最高工作頻率fmax步進電機連續(xù)運行時保證不丟步的極限頻率fmax稱為最高工作頻率。(4)加減速特性步進電機的加減速特性是描述步進電機由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時間的關系。加減速特性曲線第11頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三步進系統(tǒng)原理框圖

步進式伺服系統(tǒng)的工作原理

第12頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三1．工作臺位移量的控制進給脈沖數(shù)N→定子繞組通電狀態(tài)變化次數(shù)N→步進電機轉子的轉角→工作臺位移量L2．工作臺進給速度的控制進給脈沖的頻率f→定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率f→步進電機轉子的轉速→工作臺進給速度v3．工作臺運動方向的控制

步進電機定子繞組的通電順序→步進電機正轉或反轉→工作臺的進給方向第13頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三步進電機的驅動控制線路第14頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三1．脈沖混合電路無論是數(shù)控裝置送來的插補進給信號、齒補信號，還是手動進給、手動回原點信號等等，這些信號的目的無非是要使工作臺正向進給和反向進給，因此首先應將這些信號混合為使工作臺正向運行的“正向進給”信號或使之反向運行的“反向進給”信號。這就是脈沖混合電路的作用。

2．加減脈沖分配電路加減脈沖分配電路的作用，是將正反向進給脈沖，根據(jù)步進電機的原轉向和可逆計數(shù)器的存數(shù)狀態(tài)，決定脈沖進入可逆計數(shù)器時，應作加法計數(shù)還是減法計數(shù)。若步進電機正轉，輸入正向進給脈沖：步進電機反轉，輸入反向進給脈沖，此時不管可逆計數(shù)器是否全為零，均作加法計數(shù)。而當可逆計數(shù)器非全零時，步進電機正轉，輸入反向進給脈沖；步進電機反轉，輸入正向進給脈沖，均作減法計數(shù)。第15頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三3．加減速電路(自動升降速電路)步進電機的加減速特性要求是，進入步進電機繞組的脈沖電流的頻率變化要平滑，而且應有一定的時間常數(shù)，但各進給脈沖頻率間的變化可能是躍變的。因此應該將此躍變頻率經(jīng)加減速電路緩沖后，再進入步進電機繞組，使步進電機工作正?？煽俊＿@就是加減速電路的作用。第16頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三4．環(huán)形分配器環(huán)形分配器的作用是把來自加減速的一串進給脈沖按一定規(guī)律分成若干路電平信號去控制步進電機的幾個定子繞組，使其正向運轉或反相運轉。簡單移相寄存器100010001第17頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5.功率放大器

從環(huán)形分配器來的脈沖電流只有幾毫安，而步進電機的定子繞組需要幾安培的電流，因此需要功率放大。功率放大器由前置放大器和大功率驅動兩部分組成。前置放大器是為了放大環(huán)形分配器送來的脈沖信號并推動大功率驅動部分而設置的，一般可根據(jù)要求選擇一個適當?shù)募稍?；大功率驅動部分進一步將前置放大器送來的脈沖電流信號放大，得到步進電機各相繞組所需的脈沖電流。它既要控制步進電機各相繞組的通斷電，又要起功率放大的作用，因而它是步進電機驅動線路中很重要的一部分。通常采用大功率晶體管、快速可控硅或可關斷可控硅。

第18頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三提高步進系統(tǒng)精度的措施1．細分線路所謂細分線路，就是把步進電機的一步再分得細一些，來減小步距角。2．齒距誤差和反向間隙補償3．混合伺服系統(tǒng)第19頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三兩種控制線路刀具軌跡比較第20頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三間隙補償原理根據(jù)實際測得傳動間隙或齒距誤差的大小，每當出現(xiàn)反向或移動到有齒距誤差的位置時，用補充固定的脈沖來克服。

第21頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三混合伺服系統(tǒng)第22頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三鑒相式伺服系統(tǒng)組成1．基準信號發(fā)生器2．脈沖調相器3．測量元件及信號處理線路4．鑒相器5．直流放大器6．執(zhí)行元件

第23頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三鑒相式伺服系統(tǒng)框架第24頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三1．脈沖調相器

脈沖調相器是將脈沖數(shù)量轉換成相應的相位的裝置。頻率計數(shù)器容量脈沖發(fā)生器的頻率NFf=若時鐘脈沖是來自基準信號發(fā)生器的基準信號，則應適當選擇計數(shù)器的容量N，使f的大小等于旋轉變壓器或感應同步器的工作頻率，即等于它們勵磁信號的頻率。

它利用兩個容量相同的計數(shù)器，

并由同一個脈沖信號發(fā)生器不斷地輸入時鐘脈沖，結果就在兩個計數(shù)器的最后一級的輸出口得到了頻率大大降低的兩個同頻率信號。假設脈沖發(fā)生器的頻率為F，計數(shù)器容量為N，則計數(shù)器的輸出端的脈沖頻率

鑒相式伺服系統(tǒng)的控制線路第25頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三輸入前后的波形變化+△x相位角

第26頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三輸入-△x前后的波形變化第27頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三可逆回路可逆回路的波形功能邏輯圖第28頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三

2．鑒相器

作用：將控制信號與反饋信號進行相位比較

(1)二極管型鑒相器在普通的相位系統(tǒng)中需鑒相的信號為正弦波，常用二極管、變壓器等元件組成的鑒相器

(2)門電路鑒相器在數(shù)字脈沖相位系統(tǒng)中需鑒相的信號是方波，常用由觸發(fā)器門電路組成的鑒相器

第29頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三二極管型鑒相器第30頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三

鑒相器的輸出特性輸出最大直流電壓為:系統(tǒng)的平衡點(機床的瞬時零點)第31頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三觸發(fā)器的減相原理第32頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三

半加器鑒相線路及波形器AB信號NE是用來指示誤差的符號。當位置信號滯后于指令信號時，NE置“0”；反之，當位置信號超前于指令信號時，NE置“1”。

第33頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三鑒相系統(tǒng)的性能

鑒相式伺服系統(tǒng)作為一個自動調節(jié)系統(tǒng)，它除了對機床傳動系統(tǒng)的精度、剛度有一定要求外，還應滿足以下要求：

1．系統(tǒng)穩(wěn)定性

2．無負載機床絲杠的最大轉速nmax3．系統(tǒng)靜不靈敏度

4．穩(wěn)態(tài)誤差ε5．動態(tài)性能指標第34頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三

數(shù)字比較式伺服系統(tǒng)

(1)由數(shù)控裝置提供的指令數(shù)字或數(shù)碼；(2)反映機床工作臺實際位置的反饋測量元件；(3)完成指令信號與反饋信號相比較的比較器；(4)執(zhí)行元件；(5)指令數(shù)字或數(shù)碼與比較器之間的數(shù)字-數(shù)碼轉換；(6)反饋元件與比較器之間的數(shù)字-數(shù)碼轉換。第35頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三數(shù)字比較系統(tǒng)的工作原理及主要功能部件

1．數(shù)字脈沖—數(shù)碼轉換器

(1)數(shù)字脈沖轉換為數(shù)碼

(2)數(shù)碼轉換為數(shù)字脈沖

2．比較器

(1)數(shù)字脈沖比較器