数控机床伺服系统

第6章 数控机床伺服系统

进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说CNC 装置是数控系统的“大脑”，是发布“命

令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地

执行由CNC 装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。

第一节 概述

. 进给伺服系统的定义及组成

. 定义：进给伺服系统(Feed Servo System)——以移动部件的位置和速度作为控制量的自动

控制系统。

一、进给伺服系统的定义及组成

组成： 进给伺服系统主要由以下几个部分组成：位置控制单元；速度控制单元；驱动元

件(电机)；检测与反馈单元；机械执行部件。

３、进给伺服驱动系统由进给伺服系统中的 驱动电机及其控制和驱动装置组成。

４、驱动电机是进给系统的动力部件，它提供执行部分运动所需的动力，在数控机床上常用

的电机有： 步进电机 直流伺服电机 交流伺服电机 直线电机。

５ 、速度单元是上述驱动电机及其控制和驱动装置，通常驱动电机与速度控制单元是相

互配套供应的，其性能参数都是进行了相互匹配，这样才能获得高性能的系统指标。

６、速度控制单元主要作用：接受来自位置控制单元的速度指令信号，对其进行适当的调节

运算(目的是稳速)，将其变换成电机转速的控制量(频率，电压等)，再经功率放大部件将其

变换成电机的驱动电量，使驱动电机按要求运行。简言之：调节、变换、功放。

７、进给驱动系统的特点（与主运动（主轴）系统比较）：

? 功率相对较小；

? 控制精度要求高；

? 控制性能要求高，尤其是动态性能。

二、NC 机床对数控进给伺服系统的要求

1.调速范围要宽且要有良好的稳定性(在调速范围内)

调速范围：

一般要求： 稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要。

调速范围：

一般要求：

2.稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要。

输出位置精度要高

静态：定位精度和重复定位精度要高，即定位误差和重复定位误差要小。(尺寸精度)

动态：跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误差表示。 (轮廓精度)

灵敏度要高，有足够高的分辩率。

3.负载特性要硬

在系统负载范围内，当负载变化时，输出速度应基本不变。即△F 尽可能小；当负载突变

时，要求速度的恢复时间短且无振荡。即△t 尽可能短；

应有足够的过载能力，以满足低速大转矩的要求。（高速恒功率，低速恒转矩）

这是要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。

4. 响应速度快且无超调

这是对伺服系统动态性能的要求，即在无超调的前提下，执行部件的运动速度的建立时间

tp 应尽可能短。 通常要求从 0→Fmax （Fmax →0），其时间应小于200ms ，且不能有超调，

min

max F F R N =min

1min 1.010000min mm F mm R N <≤>且

否则对机械部件不利，有害于加工质量。

5.系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。

6. 能可逆运行和频繁灵活启停。

综上所述：

?对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面；

?对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更严。

开环数控系统

–无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。

–一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。

–这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济

型数控机床。

半闭环数控系统

半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。

半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。

由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。

半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。

全闭环数控系统

全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测

从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。

由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。

该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。2．按使用的执行元件分类

（1）电液伺服系统电液脉冲马达和电液伺服马达。

优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳。

缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。

（2）电气伺服系统伺服电机（步进电机、直流电机和交流电机）

优点：操作维护方便，可靠性高。

1）直流伺服系统进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺

服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺

服电机。优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高。

2）交流伺服系统交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。

优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动态响应好、转速高和容量大。

3．按被控对象分类

（1）进给伺服系统指一般概念的位置伺服系统，包括速度控制环和位置控制环。

（2）主轴伺服系统只是一个速度控制系统。

C 轴控制功能。

4．按反馈比较控制方式分类

（1）脉冲、数字比较伺服系统

（2）相位比较伺服系统

（3）幅值比较伺服系统

（4）全数字伺服系统

二、步进电机

步进电机流行于70年代，该系统结构简单、控制容易、维修方面，且控制为全数字化。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步简化结构。因此，这类系统目前仍有相当的市场。目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高的场合，如经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设备。

步进电机——一种将电脉冲信号转换成相应角位移（或线位移）的控制电机。

对它送一个控制脉冲，其转轴就转过一个角度，称为一步。

控制性能好，控制系统简单可靠，成本低；

控制精度受步距角限制，高负载或高速度时易失步。

（一）分类

按工作原理：反应式、永磁式、混合式等

按输出扭矩：功率式、伺服式

按运动方式：旋转式、直线式

通电方式（以m=3, Z=4为

例, 齿距角360?/4=90?, 定、

转子齿间相错90?/3=30?）

（1）三相单三拍（1相通电）:

步距角30?

逆时针：A→B→C→A→…

顺时针：A→C→B→A→…

m相单m拍

（2）三相双三拍（2相通电）：AB →BC →CA →AB →…（逆时针,步距角30?）; m相双m拍

（3）三相六拍（1-2相通电）：A→AB → B → BC →C →CA →A…逆时针,步距角15?）m相2m拍

m>3的通电方式（四相八拍、五相十拍等）

、反应式步进电机的特点：

——对步进电机的控制十分方便。F高n快，通电顺序决定转向

——气隙小：30~50μm

——步距角小：软磁材料，靠磁阻变化产生转距。

——励磁电流较大。要求驱动电源功率较大，而效率较低

——电机的内部阻尼较小。当相数少时，单步运行振荡时间较长。

——带惯性负载能力差，尤其是在高速时易失步

——断电后无定位转矩。

（三）反应式步进电动机的主要性能指标

1、步距角和步距角误差

步距角:每改变一次通电状态转子所转过的角度

α=360?/mZK

（K 通电方式系数，相邻两次通电相数相同，则K=1；否则K=2）

数控机床: 0.18?/0.36 ?,0.36?/0.72?,0.6?/1.2?,0.75?/1.5?,1.5?/3?

静态步距角误差Δα=实际步距角-理论步距角=±10’~30'

2、最大静转矩Tjmax(n.m)：

转子初始稳定平衡位置：空载时某相通电，定、转子齿对齐，

转子上无转矩输出(不改变通电状态时，转子处于不动状态）；

失调角θe：转子上加负载转矩后达到与T相平衡时所转过的角度；静态矩角特性曲线：转子上静态电磁转矩T与失调角θe的关系。

最大静转矩Tjmax：表示步进电机承受负载的能力

额定电流I↑→Tjmax↑→负载能力↑→运行快速性和稳定性

3、空载启动频率fq （步/s)

步进电机在空载时由静止状态能不失步启动进入正常运行的

最高频率。fq↑→快速性↑

4、启动矩频特性

步进电机在带动负载转矩时启动频率与负载转矩的关系

5、空载运行频率（连续运行频率）fmax

步进电机空载启动后能不失步连续运行的最高频率

6、运行矩频特性

步进电机连续稳定运行时输运行矩频特性出电磁转矩T与连续运行频

率f之间的关系（衡量电机

运转时承载能力的动态性能

指标）。f↑→绕组感抗↑

→电流波形变坏→电流幅值

↓→T↓

（四）步进电机的选择

1、步距角的选择

δ=Sθ/ 360o i (mm / 脉冲）

δ-脉冲当量S –丝杠螺距

θ-步距角（o）

i-电机与丝杠间的传动比，

I是大于1的数

2、最大静态转距Tjmax的选择

T F =(F+μW)S ×10ˉ3

2πηi (N.m)

F--运动方向的阻抗切削力 （N) μ—导轨摩擦系数

W —工件及工作台重量（N) η—齿轮和丝杠的总效率

I —减速比 TF ≯（0.2~0.4) T jmax(相数较多、突跳频率不高系数取大值

3、启动频率f q 的选择

f q ：空载启动频率（Hz) ，查电动机样本；

f qF ：设计要求的负载启动频率（Hz) ，T F 未知时，取f qF =f q /2 ；

T ：空载启动频率下由矩频特性决定的力矩（N.m ），查曲线；

J ：电机转子转动惯量，查电动机样本（N.m.s2)；

J F ：电机轴上的等效负载转动惯量（N.m.s2)；

J 1、J 2、 J 3 ：齿轮Z 1、Z 2及丝杠的转动惯量（N.m.s2)

；

4、fmax 的选择 选择步进电机的连续运行频率fmax 应能满足机床工作台最高运行速度的要求。 v ：进给速度(m/min)。 若要求工进时（v e ，T e )，快进时（v k ，T k )，则选择步进电动机（f e ，T’e )和（f k ，T’k )，使T’e > T e ， T’k > T k 。

三、步进电动机的驱动及控制系统（驱动电源）

驱动及控制系统组成：环形脉冲分配器+功率放大器

对驱动电源的要求

（1）电源的相数、通电方式、电压、电流应与步进电机的基本参数相适应；

（2）能满足步进电机启动频率和运行频率的要求；

（3）工作可靠，抗干扰能力强；

步进电机开环系统设计要解决的主要问题：

* 动力计算 * 传动计算 * 驱动电路设计或选择

目的：传动计算选择合适的参数以满足脉冲当量δ和进给速度F 的要求。

图中：f —脉冲频率（HZ ）

α— 步距角 （度）

Z1、Z2 — 传动齿轮齿数

t — 螺距(mm)

δ — 脉冲当量（mm ）

传动比选择：

为了凑脉冲当量δmm ，也为了增大传递的扭矩，在步进电机与丝杆之间，要增加一对齿轮传动副，那么，传动比i=Z1/Z2与α、 δ 、t 之间有

如下关系：

例： δ = 0.01 t = 6 mm α= 0.75°

进给速度F ：

一般步进电机：

若：δ=0.01 mm 则：

若 δ=0.001mm 则：

因此，当 一定时， 与δ成正比，故我们在谈到步进电机开环系统的最高速度时，都应指明是在多大的脉冲当量δ下的 否则是没

δαt Z Z i 36021==t

i :360:=δα252025208.001.0675.03603602121=??==??===

Z t Z Z i αmin 60mm f F δ=Z H f 16000~8000max ≤min 9600~4800max mm F ≤min 960~480max mm F ≤max

f max F

有意义的。

五、提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施

(1)影响步进电机开环系统传动精度的因素：

1.步进电机的步距角精度；

2.机械传动部件的精度；

3.丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙；

4.传动件和支承件的变形。

(2)提高步进电机开环系统传动精度的措施

1.适当提高系统组成环节的精度；

2.采取各种精度补偿措施。

传动间隙补偿

在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值存放在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系统反向运动时，数控系统自动将补偿值加到进给指令中，从而达到补偿的目的。螺矩误差补偿

滚珠丝杆在数控机床应用广泛，虽然滚珠丝杆精度较高，但是总不可做的绝对精确，总是将其精度控制在一定的范围内的，也就是它的螺距总是存在着一定的误差的，利用计算机的运算处理能力，可以补偿滚珠丝杠的螺矩累积误差，以提高进给位移精度。

方法：首先测量出进给丝框螺距误差曲线(规律)，然后可采用下列两种方法实现误差补偿：硬件补偿、软件补偿。

二、相位比较伺服系统

相位伺服系统是采用相位比较方法实现位置闭环（及半闭环）控制的伺服系统，是数控机床常用的一种位置控制系统。

1..鉴相式伺服系统的工作原理：

●利用相位比较原理:当数控装置要求工作台沿一个方向向进给时，插补器或插补软件

便产生一列进给脉冲；该进给脉冲作为指令信号送入伺服系统。

●在伺服系统中，进给脉冲首先经脉冲调相器转变为相对于基准信号的相位差，设为

φ（代表了指令要求工作台的进给距离）；另一方面，来自于测量元件及信号处理线路的反馈信号也表示成相对于基准信号的相位差，设为θ(代表了机床工作台实际移动的距离)。

●在鉴相器中：φ和θ进行比较；两者的差值φ–θ，称为跟随误差；跟随误差信号

经电压和功率放大后，驱动执行元件带动工作台移动。

●进给开始时: θ=0；

●进给过程中: θ≠0 ，φ-θ≠0

●当φ-θ=0 时, 进给停止

三、幅值比较伺服系统

鉴幅式伺服系统以位置检测信号的幅值反映机械位移，并采用幅值比较的方法实现位置闭环或半闭环控制。

?与鉴相式伺服系统的区别

? (1)鉴幅式伺服系统测量元件是以鉴幅式工作状态进行工作的，因此，可用的测量元件主要有旋转变压器和感应同步器。

?（2)鉴幅式伺服系统中比较器所比较的是数字脉冲量，故不需要基准信号，两数字脉冲量可直接在比较器中进行脉冲数量的比较。而与之对应的鉴相式伺服系统的鉴相器所比较的是相位信号，需要基准信号

?鉴幅式伺服系统的工作原理

?比较器：进入比较器的信号有来自数控装置的进给脉冲(代表了数控装置要求机床工作台移动的位移) 和来自测量元件及信号处理线路的数字脉冲信号(代表了工作台实际移动的距离)。鉴幅系统工作前，数控装置和测量元件的信号处理线路都没有脉冲输出，比较器的输出为零，此时执行元件不能带动工作台移动；当有进给脉冲信号之后，比较器的输出不再为零，执行元件开始带动工作台移动；同时，测量元件又将工作台的位移检测出来，经信号处理线路转换成相应的数字脉冲信号，并作为反馈信号进入比较器与进给脉冲进行比较。若比较器的输出不为零，说明工作台实际移动的距离还不等于指令信号要求工作台移动的距离，执行元件带动工作台继续移动。若比较器的输出不零，说明工作台实际移动的距离等于指令信号要求工作台移动的距离，执行元件停止带动工作台移动。

?数模转换电路：将比较器输出的数字量转化为直流电压信号，再经驱动线路

?进行电压和功率放大后，驱动执行元件带动工作台移动。

[总结]速度控制的原理：

①调速：当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器的

输入端，产生前移的触发脉冲，可控硅整流器输出直流电压提高，电

机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定相匹配达到

新的平衡，电机以较高的转速运行。

②干扰：假如系统受到外界干扰，如负载增加，电机转速下降，速度反

馈电压降低，则速度调节器的输入偏差信号增大，其输出信号也增大，

经电流调节器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使电机

转速恢复到干扰前的数值。

③电网波动：电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流

作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电机

转速由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使电

流调节器的输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原来

值，从而抑制了主回路电流的变化。

④启动、制动、加减速：电流调节器还能保证电机启动、制动时的大转

矩、加减速的良好动态性能。

（4）PWM调速系统的特点

①频带宽、频率高:

晶体管―结电容‖小，开关频率远高于可控（50Hz)，

可达2-10KHz。快速性好。

②电流脉动小:

由于PWM调制频率高，电机负载成感性对电流脉动

由平滑作用，波形系数接近于1。

③电源的功率因数高:

SCR系统由于导通角的影响，使交流电源的波形畸

变、高次谐波的干扰，降低了电源功率因数。PWM

系统的直流电源为不受控的整流输出，功率因数高。

④动态硬度好:

校正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高。

SPWM变压变频调速的优点：

1.主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构；

2.采用了不可控整流器。使电网功率因数提高；

3.逆变器同时调频调压，动态相应不受中间环节影响；

4.可获得更接近于正弦波的输出电压波形。