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第六章 数控机床的伺服系统控制
本章要点
伺服系统的组成，基本要求，分类
步进电动机及其驱动
数控机床用交流电动机驱动
6.1 数控机床的伺服系统概述
6.1.1伺服系统的组成
伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电动机、机械传动机构及执行部件组成。
其作用是：接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电动机和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。
数控机床闭环进给系统的一般结构如图所示。伺服系统从外部来看，是一个以位置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控制系统。但从内部的实际工作来看，它是先把位置控制指令转换成相应的速度信号后，通过调速系统驱动伺服电动机，才实现实际位移的。
6.1.2对伺服系统的基本要求
1．稳定性好
稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。要求伺服系统具有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。
2．精度高
伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差愈小，位移精度愈高。
3. 快速性好
快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统跟踪速度。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置随动系统，为保证轮廓切削形状精度和低的表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，跟随误差小。
4. 调速范围宽
调速范围是指电动机能提供的最高转速和最低转速之比。在数控机床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。
5. 低速大扭矩
要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，伺服系统在低速时要求有大的转矩输出。
6.1.3伺服系统的分类
数控机床的伺服系统按其有无位置反馈装置分为开环和闭环伺服系统；
按其驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统。
电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统。
1．开环和闭环伺服系统
开环伺服系统采用步进电动机作为驱动元件，它没有反馈回路，因此设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小，被用于经济型数控机床及普通机床的数控化改造。
步进电动机转过的角度与指令脉冲个数成正比，其速度由进给脉冲的频率决定。
闭环伺服系统又可进一步分为闭环和半闭环伺服系统。
闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上，如图所示。
检测装置测出实际位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给计算机数字控制（Computer Numerical Control CNC）装置，与指令进行比较，求得差值，构成闭环位置控制。
闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。
半闭环伺服系统如图所示。半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在电动机轴上，用以精确控制电动机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动部件，将旋转角度转换成工作台的直线位移，此为间接测量方式，即坐标运动的传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差没有得到系统的补偿，因而半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。目前在精度要求适中的中小型数控机床上，使用半闭环系统较多。
2．直流伺服系统、交流伺服系统
直流伺服系统就是控制直流电动机的系统。目前使用比较多的是永磁式直流伺服电动机。永磁直流伺服电动机（也称为大惯量宽调速直流伺服电动机），调速范围宽，输出转矩大，过载能力强，而且电动机转动惯量较大，应用较方便。
交流伺服电动机，转子惯量比直流电动机小，动态响应好。而且容易维修，制造简单，适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速度方向发展，其性能更加优异，交流伺服电动机已在数控机床中得到广泛应用。
直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的一种推力装置，是一种理想的驱动装置。在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的区别是取消了从电动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零。这种传动方式带来了旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和优点。由于直线电动机在机床中的应用目前还处于初级阶段。随着各相关配套技术的发展和直线电动机制造工艺的完善，直线电动机将在数控机床会得到广泛应用。
6.2 步进电动机及其驱动装置
6.2.1 步进电动机工作原理
步进电动机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系统中，步进电动机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。
进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电动机的各相通电顺序来决定，并且保持电动机各相通电状态就能使电动机自锁。
由于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电动机来决定，速度也受到步进电动机性能的限制。
1． 步进电动机的结构
步进电动机在结构上分为定子和转子两部分，现以下图所示的反应式三相步进电动机为例加以说明。
定子上有六个磁极，每个磁极上绕有励磁绕组，每相对的两个磁极组成一相，分成A、B、C三相。
转子无绕组，它是由带齿的铁心做成的。
步进电动机是按电磁吸引的原理进行工作的。当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极就依次产生磁场，并每次对转子的某一对齿产生电磁引力，将其吸引过来，而使转子一步步转动。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零。
步进电动机每次转过的角度称为步距角。
如果控制线路不停地按一定方向切换定子绕组各相电流，转子便按一定方向不停地转动。
2． 步进电动机的工作原理
假设转子上有四个齿，相邻两齿间夹角（齿距角）为90°。当A相通电时，转子1、3齿被磁极A产生的电磁引力吸引过去，使1、3齿与A相磁极对齐。接着B相通电，A相断电，磁极B又把距它最近的一对齿2、4吸引过来，使转子按逆时针方向转动30o。然后C相通电，B相断电，转子又逆时针旋转30°，依次类推，定子按A→B→C→A顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步转30°。
2． 步进电动机的工作原理
若改变通电顺序，按A→C→B→A使定子绕组通电，步进电动机就按顺时针方向转动，同样每步转30°。
这种控制方式叫三相单三拍方式，“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指每三次换接为一个循环。
由于每次只有一相绕组通电，在切换瞬间将失去自锁转矩，容易失步，另外，只有一相绕组通电，易在平衡位置附近产生振荡，稳定性不佳，故实际应用中不采用单三拍工作方式。
2． 步进电动机的工作原理
三相双三拍控制方式，即通电顺序按AB→BC→CA→AB（逆时针方向）或AC→CB→BA→AC（顺时针方向）进行，其步距角仍为30°。由于双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作比较稳定。
2． 步进电动机的工作原理
如果按A→AB→B→BC→C→CA→A顺序通电，即首先A相通电，然后A相不断电，B相再通电，即A、B两相同时通电，接着A相断电而B相保持通电状态，然后再使B、C两相通电，依次类推，每切换一次，步进电动机逆时针转过15°。
如通电顺序改为A→AC→C→CB→B→BA→A，则步进电动机以步距角15°顺时针旋转。
三相六拍控制方式
三相六拍比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且转换过程中始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被大量采用。
步进电机的工作方式
三相单三拍方式：“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指每三次换接为一个循环。由于每次只有一相绕组通电，在切换瞬间将失去自锁转矩，容易失步，另外，只有一相绕组通电，易在平衡位置附近产生振荡，稳定性不佳，故实际应用中不采用单三拍工作方式。
三相双三拍控制方式：即通电顺序按AB→BC→CA→AB（逆时针方向）或AC→CB→BA→AC（顺时针方向）进行，其步距角仍为30°。由于双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作比较稳定。
三相六拍控制方式：按A→AB→B→BC→C→CA→A顺序通电，即首先A相通电，然后A相不断电，B相再通电，即A、B两相同时通电，接着A相断电而B相保持通电状态，然后再使B、C两相通电，依次类推，每切换一次，步进电动机逆时针转过15°。如通电顺序改为A→AC→C→CB→B→BA→A，则步进电动机以步距角15°顺时针旋转。
三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且转换过程中始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被大量采用。
6.2.2步进电动机的主要性能指标
1. 步距角和步距误差
步距角是指每一拍转子转过的一个空间角度。
式中，α是步进电动机的步距角；m是电机相数； Z是转子齿数；K是系数，相邻两次通电相数相同（单拍或双拍工作方式）K=1；相邻两次通电相数不同（单双拍混合），K=2。
同一相数的步进电动机可有两种步距角，通常为1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。
步距误差是指步进电动机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。连续走若干步时，上述步距误差的累积值称为步距的累积误差。步进电动机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。
2.静态转矩与矩角特性
当步进电动机上某相定子绕组通电之后，转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（θ=0）。
如果在电机轴上外加一个负载转矩TL，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度θ，此角度θ称为失调角。
有失调角之后，步进电动机就产生一个静态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。
静态转矩与失调角θ的关系叫矩角特性，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩。
3. 最大启动转矩
下图为三相单三拍矩角特性曲线，图中的A、B分别是相邻A相和B相的静态矩角特性曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电动机的最大启动转矩。
如果外加负载转矩大于启动转矩，电机就不能启动，因而启动转矩是电机能带动负载转动的极限转矩。
4.启动频率
空载时，步进电动机由静止状态突然启动，并进入不失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，加给步进电动机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。
步进电动机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。
5.连续运行频率
步进电动机启动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有关系。
6.矩频特性与动态转矩
矩频特性是描述步进电动机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系。
当步进电动机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。
在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。
6.2.3步进电动机功率驱动
步进电动机驱动线路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电动机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号。
驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成。
环形分配器是用于控制步进电动机的通电方式的，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上，控制各相绕组的通电、断电。
环形分配器功能可由硬件或软件产生，硬件环形分配器是根据步进电动机的相数和控制方式设计的，数控机床上常用三相、四相、五相及六相步进电动机。
现介绍三相六拍步进电动机环形分配器的工作原理。
1.环形分配器
环形分配器的主要作用是使电机各相绕组按一定的顺序导通和切断，并根据输入指令使电机正转或反转。
脉冲环形分配器主要有两种形式：一种为软件环形分配器，由软件控制依次给绕组通断电；另一种是硬件环形分配器，早期为触发器，现在普遍采用专门的集成电路分配器。
软件环形分配器分配灵活，但占用系统时间。硬件环形分配器速度快，但分配不够灵活。集成元器件的使用，使环形分配器的体积大大缩小，可靠性和抗干扰能力也大大提高。
实际使用时，脉冲输入控制信号需通过光电耦合器隔离，再送给环形分配器。采用了光电耦合器以后，提高了系统的抗干扰能力。
2．驱动电路
功率放大器的作用是将环形分配器发出的电平信号放大至几安培到几十安培的电流送至步进电动机各绕组，每一相绕组分别有一组功率放大电路。
单电压功放电路
L为步进电动机励磁绕组的电感，Ra为绕组电阻，Rc为外接电阻，电阻Rc并联一电容C，可以提高负载瞬间电流的上升率，从而提高电动机快速响应能力和起动性能。
环形分配器输出为高电平时，VT饱和导通，绕组电流按指数曲线上升，电路时间常数τ=L/（Ra+Rc），它表示功放电路在导通时允许步进电动机绕组电流上升的速率。串联电阻Rc可以使电流上升时间减小，改善带负载能力。
当环形分配器输出为低电平时，VT截止，绕组断电，因步进电动机的绕组是电感性负载，当VT管从饱和到突然截止的瞬间，将产生一较大反电势，此反电势与电源电压叠加在一起加在VT管的集电极上，可能会使VT管击穿。
因此，续流二极管VD和电阻Rd接在VT管集电极和电源之间，组成放电回路，使VT管截止瞬间电动机产生的反电势通过二极管VD续流作用而衰减掉，从而保护晶体管不受损坏。
单电压驱动电路的优点是线路简单，缺点是电流上升较慢，高频时带负载能力低。
高低压电路：高压充电，低压维持
当环形分配器输出高电平时，两只功率放大管VT1，VT2同时导通，电动机绕组以+80V高压供电，绕组电流快速上升，前沿很陡，当接近额定电流时，单稳延时时间到，VT1管截止，改由低压+12V供电，维持绕组额定电流。
若高低压之比为U1/U2，则电流上升也提高U1/U2倍，上升时间明显减小。当低压断开时，电感中储能通过构成的放电回路放电，因此也加快了放电过程。这种供电线路由于加快了绕组电流的上升和下降过程，有利于提高步进电动机的起动频率和最高连续工作频率。由于额定电流是由低压维持的，只需较小的限流电阻，功耗小。该电路能在较宽的频率范围内有较大的平均电流，能产生较大且较稳定的电磁转矩，缺点是高低压电路波形连接处有凹形。
恒流斩波驱动电路
环形分配器输出的正脉冲将VT1，VT2导通，由于U1电压较高，绕组回路没串电阻，所以绕组电流迅速上升，当绕组电流上升到额定值以上的某一数值时，由于采样电阻Re的反馈作用，经整形、放大后送自VT1的基极，使VT1管截止。接着绕组由U2低压供电，绕组中的电流立即下降，但刚降到额定值以下时，由于采样电阻Re的反馈作用，使整形电路无信号输出，此时高压前置放大电路又使VT1导通，电流又上升。如此反复进行，形成一个在额定电流值上下波动呈锯齿状的绕组电流波形，近似恒流。
6.2.4开环控制步进式伺服系统的工作原理
1. 工作台位移量的控制
数控装置发出N个脉冲，经驱动线路放大后，使步进电动机定子绕组通电状态变化N次，如果一个脉冲使步进电动机转过的角度为α，则步进电动机转过的角位移量φ＝Nα，再经减速齿轮、丝杠、螺母之后转变为工作台的位移量L，即进给脉冲数决定了工作台的直线位移量L。
2. 工作台进给速度的控制
数控装置发出的进给脉冲频率为f，经驱动控制线路，表现为控制步进电动机定子绕组的通电、断电状态的电平信号变化频率，定子绕组通电状态变化频率决定步进电动机的转速，该转速经过减速齿轮及丝杠、螺母之后，表为工作台的进给速度V，即进给脉冲的频率决定了工作台的进给速度。
3. 工作台运动方向的控制
改变步进电动机输入脉冲信号的循环顺序方向，就可改变定子绕组中电流的通断循环顺序，从而使步进电动机实现正转和反转，相应的工作台进给方向就被改变。
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