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第七章 数控机床的伺服系统

第一节 概 述

伺服系统是以控制机床运动部件的位移、转角(或转速)为主要目的的数控机床的重要组成部分。伺服系统可分为开环、半闭环和闭环系统.

一、 数控机床对伺服系统的要求

1．宽调速

2．控制精度高

3．快速响应好
＜0.2秒 ～ 几十毫秒

4．抗干扰能力强
（主要表现在系统刚度和伺服刚度方面）

二、 常用的伺服驱动元件

除上述对伺服系统的要求外，驱动元件还需要:
① 负载特性硬
　② 可频繁启动、停止及换向

1． 50~60年代，步进电机为主（目前用于经济型～）

2．70~80年代,直流伺服电机为主

3．90年代至今,直～仍占多数， 00年后交流伺服电

机↑↑，新的设计交流伺服电机的使用已占多数。

第二节 步 进 电 机
一、 特点

1．转子转角与脉冲输入数目成正比；
转子速度与脉冲输入频率成正比.

2．只要维持控制绕组电流不变，则具有自整步能力（即具有制动能力）

3．有一定的步距精度，没有累积误差（即周累积误差为零）

4．缺点：
效率低； 拖动负载能力不大；

调速范围小； 脉冲当量（步距角）不能太小。

5．使用：
步进电动机使用于经济型数控机床；
一般用于开环系统。
[注］ 脉冲当量-— 每对应数控系统发出一个的一个脉冲，机床执行件走过
的一个位移（或转角）。
二、分类
反应式 （转子铁心)
1．按工作原理分 永磁式 ［ 转子(永）磁钢 ]
电磁式
永磁感应子式(混合式）

2．按运动方式分
(如直线运动、旋转运动、……）

3．按结构分
（如单段式、多段式）

4．按相数分
（如3相、4相、……）

三、步进电机工作原理
（以反应式为例）

1．通电方式

（1）三相单三拍（单相轮流通电）
（K = 1）
A B C A …
（每转步数mz步）
步进电动机工作原理图

（2）三相双三拍（双相轮流通电）
(K = 1）

AB BC CA AB …

(每转步数mz步）

(3)三相六拍（单双相轮流通电）
（K = 2）

A AB B BC C CA A …

（每转步数2mz步）

2．步距角β

β-— 每输入一个脉冲，转子对应转过的角度。

由于步进电机一旦制造好,其相数和齿数即已确定，所以每一台步进电机的步距角是确定的，因通电方式不同有两个值。

一个步距角对应一个脉冲，一个脉冲对应一个脉冲当量.

2．步进电机的转速n

二、步进电机的主要性能指标

（一）基本要求
1） 能够迅速起动、正反转、停转及在很大范围内进行转速调节。
2） 加工精度高.运转过程中,不得失步.
3） 输出转矩大,可直接带动负载。

（二）性能指标
1．矩角特性与最大静转矩
定子一相绕组通电，则：
空载时 -— 转子齿与通电相定子齿对齐;
带着载荷时 -— 在外转矩作用下,转子齿与通电相定子齿被拉动错移.
只要通电相位不变，则电机不转（即具有制动功能）。
转子齿与通电相定子齿被拉动错移后产生的静态转矩M越大，其带动负载能力越强,运行的快速性和稳定性也越好。
2．空载起动频率
起动频率要低。这是因为起动要克服惯性矩的影响，具体说就是克服加速度的影响。

3．起动矩频特性
带动负载时的起动频率，随着所带负载的增加而降低。
（见图7-8）

4．空载运行频率
空载起动后，连续提高脉冲频率至电机不失步运行的最高频率,称为步进电机的运行频率.

5．运行矩频特性
步进电机在连续运行时，转矩和频率的关系称为运行矩频特性。(见图7—9）

［注］ 运行频率远高于起动频率.

第三节 直 流 伺 服 电 动 机

一、小惯量直流伺服电动机
数控机床诞生之初，没有能够满足数控机床要求的专用电机. 遂将普通的直流电机加以改进
（最主要的是将转子的惯量减小到1/10，以满足快速响应的要求），这就是早期使用的数控机床电机.
后经不断改进、定型后主要有:直流印刷电枢电动机、杯式转子直流电动机等。（现仅偶尔应用于一些小型数控机床中）

二、大惯量（宽调速）直流伺服电动机

1．特点
1）转矩大
2）调速范围大 ［（1~30000）mm/min ]
3）动态响应好 （一般在0。1s，最快可几十毫秒）
4）过载能力强 （允许短时过载5~10倍)
[注］ 近几十年来，资料所述对伺服系统的要求基本是以此电机为准提出的。
2．工作原理
（图7—25）
电流方向 左手定则 转矩方向
为了保证电枢始终朝同一方向旋转，必须要有能够不断改变电流方向的专用装置,即具有换向片与电刷的“换流装置”.

3．电机机械特性

此特性图表明：
1)随着负载变大，转速将降低（β越小,表明机械特性越硬）
2）负载不变，提高电枢电压可提高转速
3)转速不变,提高电枢电压可加大转矩

4．电机调节特性

此特性图表明：
1）电机起动后，逐渐提升电枢电压，则转速也随之升高，直到正常连续旋转。
2)当负载转矩为零时（M0 = 0）,电枢电压从零开始升高，则转速也同步升高。
3）当负载转矩大于零时，电枢电压从零开始升高到某一值时，转速才开始升高；这一滞后区域称为“死区”。

5．电机工作特性

此工作曲线图表明：
1） 电机在额定转矩和最高转速范围内（即连续工作区Ⅰ)，可以任何的转矩、转速组合长时间地连续工作。

2）电机在短时工作区Ⅱ,可在不超过图中限定转矩和转速范围内，连续工作不超过规定时间。
(例如，电机性能指标为：30min转矩 = 100Nm 表明，电机可在不超过30min的任意时间段，高于额定转矩、低于100Nm情况下连续工作 ）
[注］ 工作一定时间后停止,则必须停止相同时间及以上才允许重新
起动。

3)瞬时加减速区Ⅲ是电机在起动或停止的极短时间内允许存在的工作区域。

[注］
① 目前说“直流伺服电机",通常指的就是“大惯量～"。

② 最初“小惯量"的目的是为了“快速响应”，但“小惯量"带负载能力太差。

③ 改进：在不降低“快速响应”的基础上，不断加大电机惯量。

④ 除极小型机床外，小惯量直流伺服电机必须依靠减速器才能带动负载。

⑤ 大惯量直流伺服电机则可以直接带动负载（交流伺服电机同此)，这就使设计以及机床结构大为简化.

⑥ 大惯量直流伺服电机内部装有编码器(交流伺服电机同此）,这就说明，只要采用大惯量直～（交流～）即已构成半闭环系统.

第四节 交 流 伺 服 电 机

交流伺服电机 交流异步(感应）电机
交流同步电机

按产生磁场的方式 永磁式
电磁式

交流异步电机比交流同步电机结构简单、重量轻、成本低，但交流同步电机具有较好的调速性能，这一点在数控机床中尤为重要.
与电磁式相比,永磁式的优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积较大、起动特性较差。但永磁式在结构上采取措施后，有了很大改进。
综合分析，数控机床多采用永磁式交流同步伺服电机。

一、工作原理
（图7—15）

二、特点

交流伺服电机（与直流伺服电机相比)：

1．结构简单、成本低
2．转子惯量较小，动态响应更好
3．没有换向器和电刷，不需经常维护
4．没有换向火花问题，最高转速可更高

三、电机工作特性

与直流伺服电机比，交流伺服电机的额定转矩线更趋水平,表明机械特性更硬； 短时工作区域范围更大，尤其是在高速区域，这有利于提高电动机的加、减速能力。

［注］ ① 直至九十年代初,直流伺服电机还占据着绝对统治地位,随着交流伺服电机一些关键技术问题的解决,九十年代末进入市场后扩展极为迅速，正在逐步取代直流～ 。

② 直流~具有更好的调速和控制性能.所以今后的趋势将是交流～用于较低精度挡的数控机床,直流~用于较高精度挡的。