西南科技大學(xué)品牌課程

西南科技大學(xué)品牌課程數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)主講教師：馬有良聯(lián)系郵箱：第一頁，共三十一頁。第一節(jié)概述第二節(jié)伺服系統(tǒng)速度控制第三節(jié)伺服系統(tǒng)位置控制西南科技大學(xué)品牌課程第五章伺服系統(tǒng)第二頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程伺服系統(tǒng)是以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)是連接數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)控設(shè)備的樞紐，它的性能是影響數(shù)控設(shè)備精度、穩(wěn)定性、可靠性、加工效率以及價(jià)格等方面的重要因素。

1、伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求特點(diǎn):（1）伺服系統(tǒng)的運(yùn)動來源與偏差信號（2）伺服系統(tǒng)具有負(fù)反饋回路（3）伺服運(yùn)動始終處于過渡過程狀態(tài)（4）伺服系統(tǒng)具有力(轉(zhuǎn)矩)的放大作用第一節(jié)概述第三頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程數(shù)控機(jī)床對伺服系統(tǒng)的要求：

(1)位置精度高

(2)調(diào)速范圍寬

(3)快速響應(yīng)

(4)穩(wěn)定性好

(5)低速大轉(zhuǎn)矩2、伺服系統(tǒng)的組成常用的伺服系統(tǒng)有電氣伺服系統(tǒng)和液壓伺服系統(tǒng)。數(shù)控伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)，驅(qū)動系統(tǒng)，速度檢測器，位置檢測器以及位置比較電路組成。驅(qū)動系統(tǒng)包括從給定值輸入到伺服電機(jī)或液動機(jī)的輸出，即伺服電機(jī)及其驅(qū)動部分。

第四頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程主軸伺服系統(tǒng)一般為速度控制系統(tǒng)，除具有上述的一般要求外，還應(yīng)具有以下控制功能：

(1)準(zhǔn)停控制

(2)主軸與進(jìn)給驅(qū)動同步控制

(3)分度控制3、伺服系統(tǒng)的分類按調(diào)節(jié)理論分類(1)開環(huán)伺服系統(tǒng)(2)閉環(huán)伺服系統(tǒng)(3)半閉環(huán)系統(tǒng)第五頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程

工作臺驅(qū)動控制線路齒輪箱步進(jìn)電機(jī)指令脈沖開環(huán)伺服系統(tǒng)簡圖第六頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程閉環(huán)伺服系統(tǒng)簡圖位置控制模塊速度控制單元伺服電機(jī)工作臺

位置檢測測量反饋伺服驅(qū)動裝置指令速度環(huán)速度檢測位置環(huán)第七頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程位置比較速度控制

工作臺伺服電機(jī)指令速度反饋位置反饋+

—半閉環(huán)伺服系統(tǒng)簡圖第八頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程按使用的驅(qū)動元件分類(1)電液伺服系統(tǒng)(2)電氣伺服系統(tǒng)按使用的伺服電機(jī)分類(1)直流伺服系統(tǒng)(2)交流伺服系統(tǒng)按進(jìn)給驅(qū)動和主軸驅(qū)動分類(1)進(jìn)給伺服系統(tǒng)(2)主軸伺服系統(tǒng)按位置控制方式分類(1)脈沖，數(shù)字比較伺服系統(tǒng)(2)相位比較伺服系統(tǒng)(3)幅值比較伺服系統(tǒng)(4)全數(shù)字伺服系統(tǒng)

第九頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程第二節(jié)伺服系統(tǒng)速度控制

為了能夠調(diào)節(jié)機(jī)床的切削速度和進(jìn)給量，機(jī)床的主運(yùn)動、進(jìn)給運(yùn)動和輔助運(yùn)動都需要變速控制。都要求在變速范圍內(nèi)，速度變化連續(xù)可調(diào)，且精度高、穩(wěn)定性好。速度控制系統(tǒng)是伺服系統(tǒng)中的重要組成部分，它由速度控制單元、伺服電機(jī)、速度檢測裝置等構(gòu)成。

1、直流伺服系統(tǒng)速度控制

直流伺服電機(jī)的特性：

直流電機(jī)的機(jī)械特性（靜特性）機(jī)械特性是指調(diào)速系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，它是衡量調(diào)速系統(tǒng)在承受負(fù)載時的轉(zhuǎn)速與空載是相比下降的程度的一種指標(biāo)。

第十頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程機(jī)械特性方程為：

2、交流伺服系統(tǒng)速度控制由于直流電機(jī)存在許多缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難、換向器需要維護(hù)、電機(jī)高速受到限制等。但交流電機(jī)，特別是感應(yīng)電機(jī)沒有上述缺點(diǎn)，且轉(zhuǎn)子慣量小，動態(tài)特性好。交流同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與所接的電源頻率之間存在一種嚴(yán)格的關(guān)系，可以方便的改變頻率獲得可變的速度，和非常硬的機(jī)械特性，鼓得到更廣泛的應(yīng)用。

第十一頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程第三節(jié)伺服系統(tǒng)位置控制開環(huán)控制系統(tǒng)驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動線路數(shù)控裝置環(huán)形分配器功率放大器步進(jìn)電機(jī)或電液脈沖馬達(dá)傳動機(jī)構(gòu)機(jī)床第十二頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)，它是一種將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換成為具有一角位移或線位移即轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N模擬信號的電磁裝置，步進(jìn)電機(jī)是開環(huán)驅(qū)動機(jī)構(gòu)中的一個關(guān)鍵元件。常見的步進(jìn)電機(jī)有反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)與混合式步進(jìn)電機(jī)兩種。1、步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)（1）步進(jìn)電機(jī)輸出的角位移或線位移與輸入脈沖數(shù)成正比。即每輸入一個脈沖，經(jīng)分配裝置使電機(jī)轉(zhuǎn)子相應(yīng)轉(zhuǎn)動一步，且在時間上與輸入脈沖同步。（2）轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。（3）能快速地起動，制動和反轉(zhuǎn)。第十三頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程

（4）轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量小，起動，停止時間短。（5）無積累誤差，所以定位精度高。

右圖為三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖；第十四頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程2、步進(jìn)電機(jī)的工作原理1）工作原理：

步進(jìn)電機(jī)的工作原理是按電磁吸引的原理工作的。錯齒是其工作的關(guān)鍵，是推動其工作的根本原因。

反應(yīng)式三相步進(jìn)電機(jī)為例加以說明。定子上有六個磁極，每個磁極上繞有勵磁繞組，每相對的兩個磁極組成一相，分成A、B、C三相。轉(zhuǎn)子無繞組，它是由帶齒的鐵心做成的。步進(jìn)電機(jī)是按電磁吸引的原理進(jìn)行工作的。當(dāng)定子繞組按順序輪流通電時，A、B、C三對磁極就依次產(chǎn)生磁場，并每次對轉(zhuǎn)子的某一對齒產(chǎn)生電磁引力，將其吸引過來，而使轉(zhuǎn)子一步步轉(zhuǎn)動。第十五頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程若開始是A相通電，B相、C相斷電，由于定子磁場吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子齒與定子A相磁極上的齒對齊，由于電機(jī)的結(jié)構(gòu)使三相磁極的在周向相互錯開1/3齒距，第十六頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程隨后B相通電，A相、C相斷電，于是定子磁場吸引轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)1/3齒距，第十七頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程再使C相通電，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過1/3齒距，依次通電，步進(jìn)電機(jī)就會按通電順序方向旋轉(zhuǎn)。第十八頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程2）、步進(jìn)電機(jī)的通電方式：

a：三相單三拍通電順序?yàn)锳→B→C→A→B→C由于每次只有一相繞組通電，在切換瞬間將失去自鎖轉(zhuǎn)矩，容易失步，易在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，穩(wěn)定性不佳，故實(shí)際應(yīng)用中不采用單三拍工作方式。b：三相雙三拍通電順序?yàn)锳B→BC→CA或反之AC→CB→BA由于雙三拍控制每次有二相繞組通電，而且切換時總保持一相繞組通電，所以工作比較穩(wěn)定。第十九頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程步矩角、頻率、和轉(zhuǎn)速n的關(guān)系：c：三相六拍通電順序?yàn)?/p>

A→AB→B→BC→C→CA→A或反之，A→AC→C→CB→B→BA它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且轉(zhuǎn)換過程中始終保證有一個繞組通電，工作穩(wěn)定，因此這種方式被大量采用。第二十頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程步距角和步距誤差步距角和步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)、通電方式及電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)的關(guān)系如下：式中—步進(jìn)電機(jī)的步距角；m—電機(jī)相數(shù)；Z—轉(zhuǎn)子齒數(shù)；K—系數(shù)，相鄰兩次通電相數(shù)相同，K＝1；

相鄰兩次通電相數(shù)不同，K＝2。第二十一頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程3、步進(jìn)電機(jī)的主要特征（1）最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax（2）啟動頻率（3）連續(xù)運(yùn)行頻率（4）矩頻特性（5）靜態(tài)步矩誤差空載時，以單脈沖輸入，步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際步矩角與理論步矩角之差，稱為靜態(tài)步矩誤差，以分表示。第二十二頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程靜態(tài)矩角特性矩頻特性第二十三頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程4、步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動線路完成由弱電到強(qiáng)電的轉(zhuǎn)換和放大，也就是將邏輯電平信號變換成電機(jī)繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號。驅(qū)動控制電路由環(huán)形分配器和功率放大器組成。環(huán)形分配器是用于控制步進(jìn)電機(jī)的通電方式的，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按照一定的順序和分配方式加到功率放大器上，控制各相繞組的通電、斷電。環(huán)形分配器功能可由硬件或軟件產(chǎn)生。第二十四頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程前置放大輸入

UL單電壓驅(qū)動電路原理圖功率放大器第二十五頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程單穩(wěn)延時前置放大前置放大U2＋12VU1＋80VLV1V2t1t2高低壓驅(qū)動電路原理圖輸入第二十六頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程高壓前置放大低壓前置放大控制門整形輸入恒流斬波驅(qū)動電路原理圖U1ReV1V2U2VD1L第二十七頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程5、開環(huán)控制步進(jìn)式伺服系統(tǒng)的工作原理1.工作臺位移量的控制數(shù)控裝置發(fā)出N個脈沖，經(jīng)驅(qū)動線路放大后，使步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)變化N次，如果一個脈沖使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度為α，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角位移量Φ＝Nα，再經(jīng)減速齒輪、絲杠、螺母之后轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髋_的位移量L，即進(jìn)給脈沖數(shù)決定了工作臺的直線位移量L。

第二十八頁，共三十一頁。西南科技大學(xué)品牌課程2.工作臺進(jìn)給速度的控制數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給脈沖頻率為f，經(jīng)驅(qū)動控制線路，表現(xiàn)為控制步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電、斷電狀態(tài)的電平信號變化頻率，定子繞組通電狀態(tài)變化頻率決定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速經(jīng)過減速齒輪及絲杠、螺母之后，體現(xiàn)為工作臺的進(jìn)給速度V，即進(jìn)給脈沖的頻率決定了工作臺的進(jìn)給速度。3.工作臺運(yùn)動方向的控制

改變步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖信號的循環(huán)順序方向，就可改變定子繞組中電流的通斷循環(huán)順序，從而使步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，相應(yīng)的工作臺進(jìn)給方向就被改變。第二十九頁，共三十一頁。主編：……撰稿教師：……（以姓氏為序）制作：……責(zé)任編輯：……電子編輯：……謝謝觀看！第三十頁，共三十一頁。內(nèi)容總結(jié)西南科技大學(xué)品牌課程。常用的伺服系統(tǒng)有電氣伺服系統(tǒng)和液壓伺服系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)包括從給定值輸入到伺服電機(jī)或液動機(jī)的輸出，即伺服電機(jī)及其驅(qū)動部分。主軸伺服系統(tǒng)一般為